Composition des couches

Divers produits chimiques sont ajoutés aux préparations de couchage, mais les composants les plus importants d’une couche sont le pigment et le liant. Cette section se limitera donc à ceux-ci, en partant du principe qu’un examen un peu plus approfondi des composants principaux de la couche sera plus intéressant qu’une introduction générale sur la grande variété de produits chimiques inclus couramment dans les préparations.

Le composant le plus important en masse dans une préparation de couchage est le pigment. Il s’agit habituel-lement d’un mélange de carbonate de calcium et de kaolin, dont il existe diverses variétés.

Le kaolin a moins de blancheur et son utilisation donne une surface lisse, plus brillante et plus opaque.

Carbonates de calcium

On distingue les carbonates de calcium entre eux par la composition granulométrique, qu’on mesure souvent à l’aide de méthodes de sédimentation basées sur la loi de Stokes.

Vo = coefficient de sédimentation limite
d = diamètre des particules
(δ – ρ) = différence de densité entre le matériau formant le
sédiment et le milieu dans lequel il est en suspension
η = viscosité du milieu

La loi de Stokes se transforme en:

h = distance sédimentée
t = temps

 


Carbonate de calcium et kaolin vus au microscope électronique à balayage

 

Ainsi, la vitesse de sédimentation des particules donne une indication de la taille de ces particules.

Il existe d’autres méthodes pour déterminer la composition granulométrique, par exemple l’analyse d’images du pigment prises à fort grossissement, et l’analyse de la manière dont un échantillon de pigment disperse la lumière.

Ce graphique indique la composition granulométrique de trois carbonates de calcium différents. Le diamètre moyen est une échelle logarithmique, la taille des particules diminuant vers la droite. La pente de la courbe indique le nombre de particules d’une taille donnée. Plus la pente est raide, plus il y a de particules de cette taille dans le pigment.

On observe que la courbe rouge (carbonate de calcium grossièrement broyé) est la moins pentue, ce qui signifie que le pigment comporte une grande diversité de tailles de particules. La courbe bleue (carbonate de calcium finement broyé à large distribution de tailles de particules) montre une plus grande concentration de particules fines. La courbe verte (carbonate de calcium finement broyé à distribution étroite de tailles de particules) indique une plus grande uniformité de la taille dans la répartition.

La plupart des carbonates de calcium utilisés dans les couches pour papier sont produits par la mouture d’un gisement minéral adapté, puis par filtrage pour obtenir la composition granulométrique voulue. On peut aussi produire les carbonates de calcium par déposition : ce processus donne un pigment doté d’une distribution relativement étroite de taille de particules.

Pour comprendre la signification de la composition granulométrique, imaginons un mélange de trois types de balles – football, handball et tennis – pour représenter les grandes, moyennes et petites tailles de particules. On remplit une boîte d’un mélange de ces balles pour représenter le processus de couchage. En imaginant la boîte, on doit visualiser trois facteurs : la variation de la surface produite, la taille et le nombre d’ouvertures dans la surface et le volume libre dans le remplissage. Le premier de ces facteurs représente évidemment le lissé de la surface. Les deux autres facteurs sont importants car les pores étroits absorbent les véhicules d’encre plus rapidement que les pores larges. Ceci peut paraître illogique, mais en fait la pression capillaire qui pousse l’absorption est inversement proportionnelle au rayon des pores. Le volume intérieur disponible a également une influence : si les pores sont pleins, aucune absorption ne peut avoir lieu.

Cliquez pour agrandir.

 

Figure 1

Figure 1

Si l’on part avec un nombre à peu près égal de balles de chaque type, la surface obtenue sera assez rugueuse à cause des gros ballons. Les balles plus petites rempliront l’espace entre certains gros ballons, ce qui réduira le volume des pores mais la taille des pores de surface sera grande. L’absorption d’encre sera donc lente parce que les gros pores de la surface se draineront dans le faible volume total des pores.


Figure 2

Figure 2

Si l’on remplace alors les ballons de football par un mélange de ballons de handball et de balles de tennis, la surface sera plus lisse, et la taille des pores plus petite, mais le volume disponible de pores sera limité. Les petits pores se rempliront rapidement d’encre. Ce changement de taille de balles représente le changement de palier qui a lieu quand on passe d’un carbonate de calcium broyé grossièrement à un carbonate de calcium plus fin.


Figure 3

Figure 3

Si les balles de tennis sont remplacées par des ballons de handball, il ne reste que des balles de handball. La surface sera alors moins lisse qu’à l’étape précédente, les pores seront plus gros et le volume des pores augmentera puisqu’il n’y aura plus de petites balles pour boucher les trous. L’absorption d’encre sera plus lente qu’à l’étape précédente mais les pores pourront en absorber une quantité beaucoup plus grande. Ceci représente le changement entre un carbonate de calcium fin à un carbonate de calcium fin doté d’une étroite distribution de tailles de particules.

Résumé

Cette simple expérience théorique illustre le fait que la composition granulométrique est un facteur clé dans le lissé de la surface et l’interaction entre le carton et l’encre au cours de l’impression. Il ne faut cependant pas oublier qu’en situation réelle bien d’autres facteurs importants interviennent aussi dans la performance des pigments.

Kaolins

Les kaolins se distinguent entre eux par leur composition granulométrique ainsi que par une propriété appelée ratio d’aspect ou facteur de forme. Un ratio d’aspect élevé signifie que le kaolin a une structure très lamellaire (les particules lamellaires sont minces et larges, comme des plaques, plutôt qu’épaisses et étroites).

Le ratio d’aspect varie selon la taille des particules de kaolin examinées. Les grosses particules de kaolin ont tendance à avoir des ratios d’aspect élevés. Les particules plus petites ont des ratios d’aspects inférieurs, et tendent à former des surfaces qui absorbent l’encre plus rapidement que les surfaces composées de kaolin à particules de ratio d’aspect élevé. Pour que l’encre s’absorbe vite, il faut un grand nombre de pores étroits à la surface. On comprendra facilement qu’un kaolin très lamellaire formera une surface dotée de moins de pores qu’une surface moins lamellaire.

La proportion entre le kaolin et le carbonate de calcium dans la couche dépend d’un certain nombre de facteurs. Le kaolin est un pigment très jaune par rapport au carbonate de calcium et il est doté d’une opacité consi-dérablement plus forte. Cette opacité rend le kaolin moins compatible avec les azurants optiques que le carbonate de calcium. Si donc on désire une blancheur élevée, il est avantageux de n’inclure qu’une faible quantité de kaolin dans la couche. Si par contre on désire une forte opacité, un taux plus élevé de kaolin sera avantageux.

Le kaolin est un pigment plus doux que le carbonate de calcium.

Le kaolin a un degré de 2,5 sur l’échelle de Mohs tandis que le carbonate de calcium a un degré de 3.

L’échelle de Mohs

L’échelle de Mohs n’est pas en fait une vraie échelle, mais une liste ordonnée. Le minéralogiste allemand Friedrich Mohs a pris dix minéraux facilement disponibles et les a classés selon leur aptitude à se rayer les uns les autres. Si un échantillon peut être rayé par un minéral de la liste, il s’ensuit qu’il est moins dur que ce minéral et donc a un degré plus bas sur l’échelle de Mohs. Si l’échantillon raye le minéral, il a un degré plus haut sur l’échelle.

Puisque le kaolin est moins abrasif que le carbonate de calcium, il cause moins d’usure aux outils de découpe du carton. Les couches dotées d’un contenu de kaolin relativement élevé ont donc un avantage à cet égard.

Le taux de kaolin d’une couche influence fortement le brillant du carton, mais cet aspect est complexe. Quand on parle de brillant, on doit préciser si on recherche le brillant de la feuille, le brillant de l’impression ou la différence entre ces deux valeurs. Le taux de kaolin dans la couche n’est qu’un facteur parmi d’autres qui affectent le brillant et cela dépasse notre sujet actuel.


Cliquez pour agrandir.

Échelle de Mohs Minéral
1 Talc
2 Gypse
3 Calcite
4 Fluorite
5 Apatite
6 Orthose
7 Quartz
8 Topaze
9 Corindon
10 Diamant

 

Latex

Cliquez pour agrandir.

Dans le secteur du papier, les latex les plus utilisés sont les latex styrène-butadiène ou styrène-acrylate. On peut faire varier les propriétés des latex en jouant sur la proportion des monomères utilisés, sur le poids moléculaire des molécules de polymères formés et la taille des particules de latex obtenues.

On décrit souvent les latex par leur température de transition vitreuse (Tg). Celle-ci se définit ainsi : la Tg se rapporte à la température au-dessous de laquelle les chaînes de polymères n’ont plus de liberté de mouvement ; au-dessus de la Tg, le polymère peut être déformé de manière irréversible. En termes de comportement, au-dessous de la Tg le latex est une substance dure et cassante, au dessus, il se ramollit et a une consistance de chewing-gum. Un latex de Tg élevée est souvent décrit comme dur, tandis qu’un latex de faible Tg est qualifié de souple. Les propriétés du latex utilisé affectent les propriétés de la couche obtenue. Le schéma du haut illustre comment le brillant peut être affecté par la température de transition vitreuse du latex. Les niveaux de brillant indiqués dans le schéma se rapportent à des échantillons non calandrés. Le calandrage est une opération qui consiste à presser le carton entre un certain nombre de cylindres dans le but de lisser sa surface. Ce processus augmente généralement le brillant de la feuille. Une couche formée avec un latex souple (Tg basse) se déforme habituellement plus aisément qu’une couche formée avec un latex dur (Tg élevée) et par conséquent le calandrage a tendance à avoir plus d’effet sur un latex souple.

D’autres propriétés, notamment la solidité de surface, sont affectées de manière négative par une température de transition vitreuse élevée. La solidité de surface est particulièrement importante dans l’impression offset, quand un carton de faible solidité de surface est plus sujet à l’arrachage. L’arrachage est un défaut d’impression qui se produit quand la surface du carton n’est pas assez solide pour maintenir son intégrité au cours du processus d’impression et que des parties de la couche se décollent de la surface, ce qui produit des taches blanches dans la surface imprimée.

Rétention d’eau/de masse


Cliquez pour agrandir.
 

Dans les coucheuses à lame, la couche est appliquée sur le carton de base à l’aide d’un rouleau ou d’un jet. La feuille progresse jusqu’à une lame qui retire l’excès de couche. Cet excès est recirculé et réutilisé. Puisque la couche est appliquée à une surface poreuse, certains de ses constituants peuvent être absorbés avant qu’une partie de la couche soit retirée par la lame. Cette couche est recirculée mais n’est plus tout à fait la même que la couche initiale. De ce fait, la recirculation continue de la couche entraîne des changements dans sa composition.

Les schémas simplifiés ci-dessus représentent les changements subis par la couche au cours du processus de couchage.

Les lignes blanches représentent la couche avant utilisation : les lignes bleues représentent la couche après une longue période dans le système de circulation. Les graphiques sont bimodaux : le pic à la plus faible taille de particule vient du latex et le pic à la plus grande taille de particules vient du carbonate de calcium.

La représentation d’une couche contenant à la fois du carbonate de calcium et du kaolin aurait au moins deux pics, au moins un pour chaque pigment utilisé.

Les schémas de la page précédente illustrent le fait qu’au cours du processus de production, on perd à la fois des particules de latex et des particules fines de pigment. Par conséquent, la proportion des grandes particules de pigment augmente et le pigment devient de plus en plus grossier. La couche illustrée dans le graphique du milieu change beaucoup moins que celle du graphique du bas. Ceci signifie qu’il y a une bonne chance que l’échantillon du milieu ait des performances plus uniformes que l’échantillon du bas. L’échantillon du milieu a la meilleure rétention d’eau/masse.

Résumé

Pour résumer cette section:
• la composition granulométrique est souvent utilisée pour classer les pigments des couches des papiers et cartons.
• la composition granulométrique des divers pigments affecte les propriétés – comme le lissé, absorption de l’encre - du carton obtenu.
• les propriétés du latex influencent les propriétés de surface telles que le brillant et la solidité de surface.
• l’opération de couchage elle-même entraîne des changements dans la composition de la couche.

Contact

Iggesund Paperboard
825 80 Iggesund
Sweden

+46 650 - 280 00
info@iggesund.com

Connect with Iggesund

  • Holmen.com
  • Cookies
  • MyPages
  • Imprimer

© Iggesund 2016