Étapes préliminaires à l’oxydation

Étapes préliminaires à l’oxydation

Avant de réaliser l’oxydation de la pâte à papier puis de former les feuilles, quelques étapes sont réalisées. Tout d’abord, il est important de faire la différence entre pâtes sèches et humides. Les données étant toujours données pour la pâte sèche, il faudra convertir les valeurs pour la pâte humide concernée.

De plus, au cours du projet, l’impact de l’oxydation TEMPO sur une pâte thermomécanique est étudié. Dans le but d’avoir le maximum d’information, la pâte sera traitée entièrement mais également fractionnée selon la taille des fibres. Une étape de fractionnement de la pâte est donc nécessaire.

Siccité de la pâte

Afm de connaitre la masse de pâte humide correspondant à une masse de pâte sèche souhaitée, il est nécessaire de calculer la siccité de celle-ci. La siccité correspond au pourcentage de pâte sèche dans une pâte. Pour obtenir la siccité (selon la norme P APT AC A9P [32]), une portion de pâte est récupérée dans un récipient, pesée pour connaitre la masse prélevée et introduite dans une étuve. Après plusieurs heures, une fois que toute l’eau est évaporée, la pâte est à nouveau pesée pour avoir la masse de pâte sèche prélevée.

Fractionnement de la pâte

La séparation des fibres de la pâte est réalisée à l’aide d’un Bauer McNett. Avant d’introduire la pâte dans l’appareil, quelques étapes de préparation doivent être réalisées.

La pâte à fractionner est d’ abord désintégrée dans de l’eau chaude. Cette étape permet aux fibres de retrouver leur souplesse naturelle. En effet, lors du raffmage, les fibres sont courbées par le passage entre les plaques du raffmeur ce qui affaiblit les forces du papier par la suite. Une fois la pâte désintégrée, la solution est versée dans le Bauer McNett. Le temps de fractionnement au Bauer McNett dépend de la masse de pâte à séparer, une importante quantité de pâte nécessite naturellement un plus long temps de traitement.

Les fractions de pâte à la sortie du Bauer McNett sont très humides. Afin de diminuer l’humidité, la pâte est passée dans une sécheuse à tambour rotatif sans flux d’air chaud. Après quelques minutes, la pâte est récupérée et la mesure de la siccité de chacune des fractions est réalisée. Enfin la pâte est stockée dans une chambre froide pour limiter la dégradation et la contamination des fibres. Les différentes fractions de pâte sont alors prêtes pour l’oxydation TEMPO.

Oxydation TEMPO 

Le principe de l’oxydation TEMPO sa mise en œuvre au laboratoire qui va maintenant être expliquée. À cette échelle, il est possible de faire varier le volume réactionnel sans conséquence sur la réaction. Au niveau pilote, une étude doit être réalisée pour évaluer les effets d’une variation de volume. Toutefois, le dispositif réactionnel reste le même à toutes échelles.

Dispositif réactionnel 

La réaction d’oxydation TEMPO s’effectue dans un réacteur à température ambiante. Avant le début de la réaction, la pâte à oxyder, le TEMPO et le NaBr sont déjà dans le milieu réactionnel. L’hypochlorite de sodium est l’initiateur de la réaction, il est donc ajouté à la solution quand les conditions de réaction sont atteintes.

L’oxydation TEMPO est optimale lorsque le pH de la solution se situe entre 10 et 10,5 [21]. Un système de maintien du pH est donc nécessaire. Ce système comporte un contrôleur de pH, une sonde de pH et des solutions d’acide chlorhydrique et d’hydroxyde de sodium à 0,1 mol /L, reliées à des pompes, pour ajuster le pH. Le fait de devoir maintenir le pH du milieu réactionnel entre 10 et 10,5 oblige à ajouter le NaOCI  lentement pour limiter l’addition de HCL L’ajout de l’hypochlorite se fait également lentement dans le but d’utiliser exclusivement le NaOCI dans le cadre de l’oxydation TEMPO. En effet, l’hypochlorite de sodium peut agir comme agent de blanchiment sur la pâte or ceci n’est pas souhaité. Une ampoule à ajouter est donc utilisée pour introduire l’hypochlorite de sodium dans le milieu.

Préparation des réactifs 

Comme expliqué précédemment, le volume du milieu réactionnel peut être choisi selon le réacteur disponible dans le laboratoire. Dans ce projet, les expériences sont réalisées avec un volume de 3 litres. D’après plusieurs recherches, l’oxydation est optimale lorsque la quantité de pâte est à 1 % massique par rapport au volume d’eau, ce qui correspond à 30g dans notre cas.

Pour les autres réactifs (TEMPO, NaBr et NaOCl), une étude de l’oxydation TEMPO sur une pâte Kraft de Paquin et al. [21] est utilisée pour avoir des quantités initiales de référence. Dans ce projet on étudie l’impact de l’oxydation TEMPO sur une pâte thermomécanique, les quantités optimales de réactifs devront donc être déterminées pour cette pâte. Pour la pâte Kraft, les quantités de réactifs sont les suivantes:
• 0,1 mmol de TEMPO / g de pâte
• 0,61 mmol de NaBr / g de pâte
• 3,1 mmol de NaOCI / g de pâte

Dosage des groupements carboxyliques 

Avant d’utiliser la pâte obtenue après oxydation pour faire des feuilles, un dosage des groupements aldéhydiques et carboxyliques est effectué. L’oxydation permet majoritairement d’obtenir des groupements carboxyliques, seul le dosage des groupements carboxyliques est donc effectué.

A chaque nouvelle condition d’oxydation ou de nouvel échantillon, on cherche à déterminer le nombre de groupements carboxyliques contenu dans la pâte. Pour cela on effectue un dosage conductimétrique de la pâte à l’hydroxyde de sodium.

Avant le dosage, la pâte est protonée en milieu acide afm de transformer les groupements COO⁻ en groupement COOH. Sous cette forme acide, les groupements carboxyliques vont réagir avec l’hydroxyde de sodium lors du dosage et pourront ainsi être mesurés. Le dosage est effectué dans de l’eau salée (avec du NaCI) pour avoir un milieu conducteur. Enfin, avant de démarrer le dosage, de l’acide chlorhydrique est ajouté dans la solution à titrer. Cela va permettre de mieux déterminer le taux de groupements carboxyliques ultérieurement.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction 
1.1 Problématique
1.2 Approche du projet
1.3 Les objectifs
Chapitre 2 – Revue de la littérature 
2.1 Mise en contexte
2.1.1 Le bois et ses constituants
2.1.2 Types d’arbre et composition chimique
2.2 Procédés de mise en pâte
2.2.1 Mise en pâte chimique
2.2.2 Mise en pâte mécanique
2.2.3 Comparaison des procédés
2.3 Traitement de la pâte à papier
2.3.1 Fractionnement de la pâte à papier
2.3.2 Modification chimique de la surface des fibres par oxydation
2.3.2.1 Oxydation au periodate de sodium
2.3.2.2 Oxydation au dioxyde et peroxyde d’azote
2.3.2.3 Oxydation au 4-acétamido-TEMPO
2.4 Nanofibres de cellulose
2.4.1 Méthode de préparation
2.4.2 Applications de la nanocellulose
Chapitre 3 – Matériel et méthodes 
3.1 Étapes préliminaires à l’oxydation
3.1.1 Siccité de la pâte
3.1.2 Fractionnement de la pâte
3.2 Oxydation TEMPO
3.2.1 Dispositif réactionnel
3.2.2 Préparation des réactifs
3.2.3 Fin de la réaction
3.2.4 Réaction à température contrôlée
3.3 Dosage des groupements carboxyliques
3.4 Évaluation du papier
3.4.1 Formation des feuilles de papier
3.4.2 Propriétés mécaniques et optiques
3.4.3 Rétention de charge des feuilles
3.5 Obtention et caractérisation de la nanocellulose obtenue
3.5.1 De la pâte à papier aux films cellulosiques
3.5.2 Caractérisation des films cellulosiques
Chapitre 4 – Résultats de l’oxydation faible dans le cadre du renfort papetier 
4.1 Caractérisation de la pâte thermomécanique
4.1.1 Propriétés de la PTM utilisée
4.1.2 Détermination des quantités de réactifs pour l’oxydation faible
4.2 Propriétés mécaniques des feuilles
4.2.1 Indice de rupture
4.2.2 Indice de déchirure
4.2.3 Indice d’éclatement.
4 3 Propriétés optique du papier
4.4 Oxydation des fibres longues avant recombinaison de la pâte
4.5 Comparaison pâte Kraft et pâte thermomécanique oxydée
Chapitre 5 – Oxydation forte pour la nanocellulose 
5.1 Détermination des quantités de réactifs pour l’oxydation forte
5.2 Évolution des groupements carboxyliques de la PTM
5.3 Caractérisation des films de cellulose
5.3.1 Imagerie microscopique des films
5.3.2 Propriétés physiques des films
Chapitre 6 – Expériences complémentaires 
6.1 Effet de la température sur l’oxydation TEMPO
6.2 Mélange de pâte pour la fabrication de papier
6.2.1 Mélange de pâte avec de la PTM faiblement oxydée
6.2.2 Mélange sans pâte Kraft et avec de la PTM faiblement et fortement oxydée
6.3 Étude de la rétention de charge
Chapitre 7 – Conclusion

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