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Conférence de G. COSTE pour les Amis de la science – 9 mars 2018 – Grenoble
Le papier : 2000 ans d’usages
et maintenant ?
SOMMAIRE
1- Papier, fibre, et Cellulose : Généralités
2- L’industrie papetière dans le monde
4- Évolutions & innovations pour l’industrie(filière papier)
3- L’industrie papetière en France
1ère partie
Papier, fibre, et Cellulose
Définition du matériau papier
Matériau à structure poreuse, anisotrope, constitué
essentiellement de fibres cellulosiques enchevêtrées,
reparties en feuille mince, et liées entre elles par des
liaisons naturelles de type hydrogène (liaisons –OH
ou hydroxyles).
Le carton est un matériau obtenu par superposition et mariage de
plusieurs jets de pâtes ou plusieurs feuilles humides. C’est
en fait un papier rigide de plus fort grammage (masse au m2)
PRÉPARATION DE LA PÂTE Â PAPIER
(constitution d’un papier)
EAU, recyclée venant de la fabrication (Voie humide)
FIBRES DE CELLULOSE
-Résineux
-Feuillus
CASSÉS, recyclés venant de la fabrication
CHARGES MINÉRALES (CO3Ca, Kaolin, Talc,TiO2)
ADJUVANTS CHIMIQUES
FABRICATION DU PAPIER
Film Press Sécherie Enroulage
Infra-rouge
SécherieSection de presseTable
Machine à papier
Pin
Composition du bois écorcé
-Cellulose : 40 à 51%
-Hémicelluloses : 20 à 30%
-Lignine : 18 à 26%
-Divers (tanins…) : qq %
Composition chimique du bois
Feuillus
Résineux (fibres de cellulose)
Coupes transversales de troncs d’arbres
Fibres de cellulose et vaisseaux (v)
V
VV
V
V
V
V
V
Le bois vu au microscope
Les fibres cellulosiques de résineux
(trachéites)
Rubans plus ou moins souples de 2 à 3 mm de longueur
et de 30 à 50 microns de largeur
Pin sylvestre
Fibres pour les caractéristiques mécaniques (rupture, déchirure, etc.)
Les fibres cellulosiques de feuillus
Rubans plus petits de 0,5 à 1 mm de longueur en moyenne
et de 10 à 30 microns de largeur – présence de vaisseaux
Fibres pour l’imprimabilité et le toucher (opacité, impression, douceur…)
bouleau
tremble
Molécule de cellulose
Macromolécule de cellulose
Formule brute : ( C6 H10 O5 ) n
n = 1100 à 1200 (bois) – (1500 à 3000 coton)
(on parle de chaîne ou brin de cellulose ou micelle)
Constitution
de la fibre à
partir des
chaînes de
cellulose
Coupe d’une fibre de feuillus
La fibre de cellulose
LIGNINE
Glucose Mannose Mannose Mannose Mannose
HEMICELLULOSES(chaine linéaire de glucomananne)
Gaïacylpropane SyringylpropaneTANIN = acide gallique
(trihydroxy-3-4-5 benzoïque)
Modification des fibres
par transfert d’énergie
(raffinage)
Fibres brutes
Fibres modifiées
Possibilité de liaisons naturelles
hydroxyles (-OH)
L’industrie papetière
une industrie mondialisée
2ème partie
La gestion de la forêt
La récupération des vieux papiers
Fabrication des pâtes à papier
Fabrication des papiers & cartons
Transformation des papiers & cartons
La filière papier
Consommation apparente papiers & cartons en 2015 (en kg/an.hab)
(Source Copacel)
1-Belgique 313,0 11-New Zeland 189,0
2-Allemagne 254,0 12-Danemark 188,0
3- Autriche 241,0 13-Taiwan 186,0
4-Émir. Arabes 236,0 14-Italie 173,0
5-Slovénie 235,0 15-Canada 164,0
6-USA 224,0 16-Suède 160,0
7-Finlande 215,0 17-Suisse 158,0
8-Japon 202,0 18-Tchéquie 149,0
9-Pays Bas 195,0 19-Australie 146,0
10-Rép. Corée 190,0 20-Pologne 143,0
21-Royaume Uni 137,0
24-France 135,0
Papier, industrialisation
et PIB…
Quelques chiffres…Prod. Papier : 1990 (kT) 2000 (kT) 2010 (kT) 2015 (kT)
US 71 519 85 495 75 849 (2) 72 671 (2)
Chine 13 719 (4) 30 900 (3) 92 599 (1) 109 193 (1)
Japon 28 086 31 828 27 288 (3) 26 227 (3)
Allemagne 11 879 19 182 23 122 (4) 22 608 (4)
Canada 16 466 20 689 12 787 (5) 10 321 (9)
Finlande 8 958 13 509 11 789 (6) 10 319 (10)
Suède 8 426 10 786 11 410 (7) 10 163 (11)
Rép. Corée 4 524 9 308 11 120 (8) 11 602 (5)
Italie 5 601 9 000 9 146 (12) 9 015 (12)
France 7 046 10 006 8 830 (13) 7 984 (14)
Brésil 7 122 9 796 (10) 10 357 (8)
Indonésie 6 935 9 951 (9) 10 891 (7)
Inde (13)* 2 295 3 850 9 223 (11) 11 236 (6)
Russie (14)** 9 800 5 239 7 601 (14) 8 051 (13)
(* Après Indonésie et Brésil)
(** URSS en 1990) (Source Copacel)
LA PROGRESSION PAPETIÈRE MONDIALE
Total monde 1998 2008 2014 2015
(106 tonnes) (106 t.) (106 t.) (106 t.)
Production de papiers 299,0 390,9 406,5 407,6
Production de pâtes 176,5 192,4 178,5 178,8
Consommation papiers 391,3 407,5 410,7
Consommation per capita 57,8 57,0 57,0
Quelques chiffres…
Consommations de papiers par zones géographiques pour 2015
Union Européenne (28) 81 746 000 tonnes (159)
Autres Europe 16 456 000 tonnes (50)
Amérique du Nord 76 632 000 tonnes (215)
Amérique latine 28 447 000 tonnes (46)
Asie 186 047 000 tonnes (46)
Autres 21 370 000 tonnes (15)(Rouge : baisse/2010)
Obtention de la pâte kraft
Smurfit Kappa
Cellulose du Pin - Facture
Avantage
Caractéristiques mécaniques élevées
Meilleure permanence caractéristiques
Inconvénient
Coût plus élevé du à un rendement
en pâte/bois plus faible (40%)
Lessiveur
Kamyr
Cuisson continue de copeaux de
bois dans un lessiveur Kamyr
(Karlstad - Myrens Verksted)
SOCIÉTÉ SITE PAYS ESSENCE 106Tonnes ANNÉE
FIBRIA TRES LAGOAS BRÉSIL EK 3,25
(1,3+1,95)
2017 (*)
APP INDAH KIAT
PERAWANG
INDONÉ. AK 2,3 2011
ARAUCO ARAUCO MILL CHILI PIN & EK 2 2014
Eldorado
Papel e Cel
TRES LAGOAS BRÉSIL EK 1,5 2012
SUZANO MARANHAO BRÉSIL EK 1,5 2013
ARAUCO
& STORA
MONTES DEL
PLATA
URUGU. EK 1,3 2014
UPM FRAY BENTOS URUGU. EK 1,3 2013(*)
STORA RIO GRANDE
DO SUL
BRÉSIL EK 1,3 PROJET
USINES DE PÂTE VIERGE
DE FEUILLUS
DÉMARRÉES DEPUIS 2010
EK=Eucalyptus – AK=Acacia (*) Extension
SOCIÉTÉ SITE PAYS ESSENCE 106Tonnes ANNÉE
METSA
PAPER
ÃÃNEKOSKI FINLAND Résineux 1,3 2017
FINNPULP
OYKUOPIO FINLAND Résineux 1,2 2019
USINES DE PÂTE VIERGE
DE RÉSINEUX
DÉMARRÉES RÉCEMMENT
La demande mondiale en fibres longues pour 2025 est estimée
à 25 millions de tonnes/an compte tenu de la demande
du marché asiatique et de la Chine.
Ces deux usines s’orientent vers la bioraffinerie avec production
de talloil, de térébenthine, et de bio énergie
FIBRIA
TRES LAGOAS
BRÉSIL
Machine à Papier actuelle(Duoformer TQv de Voith pour LWC à base de recyclé- 2004)
PM 4 de LEIPA Georg Leinfelder GmbH – Schwedt an der Oder
Laize 8,9 m. – 300 000 t/an
3ème partie
L’industrie papetière
en France
Machine Lwc de Stora Corbehem(Démarrée en 1990) – arrêtée en juin 2014 )
MAP pour papier
magazine et catalogues
Laize 9,2 m.-1300m/mn
(Source Copacel)
1998
110 entreprises – 137 usines – 229 MAP – 21981 salariés
200882 entreprises – 102 usines – 173 MAP – 14 204 salariés
2016
75 entreprises – 85 usines – 130 MAP – 12 454 salariés
2014
76 entreprises – 91 usines – 137 MAP – 13 696 salariés
LE DÉCLIN PAPETIER FRANÇAIS(Source Copacel , actualisée en 2017)
2015
77 entreprises – 89 usines – 136 MAP – 12 682 salariés
2015
Évolution de la production en France
PRODUCTION PAPIERS/AN: 7 983 500 T. 7 985 500 T. 8 095 800 T.
IMP. & COM. (I.E.) : 2 258 000 T. 2 347 200 T. 2 586 200 T. Journal et magazine (896 700) (861 100) (992 500)
IE et bureautique (1 361 300) (1 486 100) (1 593 700)
EMBALLAGES : 4 439 300 T. 4 382 800 T. 4 266 700 T. PPO (3 547 000) (3 469 100) (3 350 000)
Cartons (674 200) (684 500) (684 300)
Emballages souples (218 100) (229 100) (232 400)
HYGIÈNE & DOMESTIQUES : 845 700 T. 832 800 T. 819 900 T. Produits plats, produits fluff...
INDUSTRIELS & SPÉCIAUX : 440 500 T. 422 700 T. 423 000 T. Cigarette, condensateur, calque, fiduciaire, décor, monnaie, support abrasif...
Source Copacel actualisée
20142016
Zoom sur la forêt française(Source IGN - 2015)
Superficie de la forêt française : ~ 16,9 millions d’hectares soit ~ 30%
Augmentation moyenne d’environ 0,7% par an depuis les années 1980
Répartition (surfaces) : Privé 40%, Domaines 30%, Collectivités 30%
Déficit commercial de la filière forêt-bois : 5,7 milliards € en 2015
Répartition du prélèvement pour commercialisation) :-Grumes pour bois d’œuvre (charpente et ameublement) 51,7%
-Bois d’industrie et trituration (dont papeterie) 29,0%
-Bois d’énergie ( chaudières biomasse, particuliers, etc. 19,3%
Les pâtes de Fibres Cellulosiques Récupérées (FCR)
Pâtes désencrées
Pâtes brunes
Le taux de récupération des papiers /consommation en 2013 était de
54% pour le monde, 62% pour l’occident et 81,6% pour la France
De 2003 à 2013 le taux de récupération des papiers
en France est passé de 54,8 à 81,6 %
Récupération et Recyclage Vieux Papiers en France - 2016
Taux de récupération/consommation : 82,2%
Taux de réutilisation global : 67,1%
2005
Usages graphiques 24,9 %
Emballages pap. Cart. 88,0 %
Papiers d’hygiène 46,9 %
2016
41,6 %
90,9 %
34,5 %
2015
41,7 %
89,9 %
35,6 %
Taux global de recyclage 57,6 % 66,3 % 67,1 %
(Source Copacel 2017)
Usine de pâte à papier International PaperSaillat – Haute Vienne
Usine rénovée
démarrage 1993
papiers reprographie
4ème partie
Bois, papier, et cellulose
(évolutions & innovations)
SAVOIR FAIRE DES PAPETIERS
-Connaissance de la chimie du bois
-Obtention des pâtes à dissoudre pour rayonne, viscose, cellophane
-Maîtrise du comportement des fibres de cellulose
-Maîtrise des procédés d’obtention et modification des fibres
-Maîtrise des techniques d’imprégnation, de dépôt et d’enduction
Sauce de couchage
Lame
Jet
Flow
Feuille
Couchage par Jet Flow
Innovations récentes…
• Bioraffinage et biocarburant
• Biomatériaux et emballages avancés
• Nanocellulose (Wiskers NFC/MFC)
• Propriétés conductrices Greffage de dérivés du bois sur un substrat cellulosique pour
l’obtention de matériaux conducteurs : (par exemple des poly
pyrroles) obtenus par polymérisation chimique du pyrrole
-polymères pour la réalisation de substrats souples pour
cellules photovoltaïques
-OLED, transistors organiques, électrodes pour batterie,
-antennes RFID (radio frequency identification)
-encres conductrices (flexo et jet d’encre)
• Electronique impriméePolypyrrole
Pyrrole
PLA
IMPRÉGNATION
HYDROLYSE
(milieu acide – 150°C)BOIS USINE DE PÂTE
Fibres
Cellulose
(~ 40% / Bois)
Régénération PC
Combustion
Concentration
Liqueur noireENERGIE
LNPC
BIORAFFINERIE
Hémicelluloses
Monomères
et oligomères
↓↓↓
Bioéthanol
Bioplastiques
Tensio-actifs verts
Applications médicales(prébiotiques)
←
(~ 20-25% / Bois)
Document Ch. Chirat –Pagora/LGP2
LES BIOPRODUITS
Bioéthanol (remplacement de l’amidon par hémicelluloses)
Bioplastiques (remplacement du PLA acide polylactique issu de la
fermentation de sucres alimentaires, par des hémicellulloses)
Tensio-actifs (pétrochimie : 12,5 millions t/an, polyglucosides
d’alkyles (glucose issu d’amidon +partie lipophile à base d’huile
végétale) 100 000 t/an, hémicelluloses (demain)
Biocomposites - incorporation de MFC et NCC dans des substrats
- utilisation chimie de la lignine ( présence de c=c)
Nanocelluloses
Propriété Fibre kraft (R) Nanocellulose
Longueur (nm) 1 500 000 200
Diamètre (nm) 30 000 10
Surface spécifique (m2/g) 1-2 300-600
Force rupture (MPa) 700 10 000
Mod. Elasticité (GPa) 20 150
Obtention des MFC (microfibres de cellulose)
Traitement mécanique intense avec ou sans prétraitement chimique
ou enzymatique des fibres de cellulose
(raffinage, friction, choc, pulsation de pression, ultra son, etc.)
Obtention des NCC (Nanocristaux de cellulose)
Hydrolyse acide des zones amorphes qui sont les points faibles
dans la fibre, et récupération des parties cristallines. L’hydrolyse des
parties amorphes est plus rapide que celle des parties cristallines.
On obtient une suspension colloïdale qui est ensuite lavée par centri-
fugation.
Il est possible de réaliser une dispersion plus fine des whiskers
de cellulose par un traitement ultrason.
Nanocelluloses
Agent de rétention des fibres en partie humide sur MAP
Renforcement bio des matériaux papier et carton
Renforcement des liaisons inter-fibres
Amélioration de la résistance à sec et de la REH (WS) des papiers
Amélioration de l’état de surface (↓ microporosité et rugosité)
Propriétés barrières pour le packaging
à l’eau et aux graisses en remplacement du latex
aux gaz (↓ perméabilité ) – résistance à l’air (antioxydant)
Substrat flexible et transparent ( appareils électroniques)
Substrat de produits actifs (antibactériens & antidouleur)
QUELQUES USAGES
DES MFC et NCC
SUBSTRAT
bioactif
grâce au dioxyde
de carbone
super critique
(dispositifs médicaux bioactifs
pour pansements et chirurgie
réparatrice de tissus mous)
Julien Bras CELLICAL
POSSIBILITÉ D’USAGE
DES MFC et NCC
304°K
73 bars
ScCO2
Fil de tuteurage en papier biodégradable pour plantes grimpantes
Backreward : une étiquette pour en finir avec les objets perdus
(anti UV, anti grattage, se colle partout) marquage d’un code
Paper Touch : avec des circuits électroniques intégrés dans les
feuilles de papier grâce à l’encapsulation, pour éclairage ou
détection tactile
Paper light : réagissant (leds ou microprocesseur) par dispositif NFC(Near Field Communication permettant d’échanger des données)
Le papier hydrophobe du futur : déperlant et REH obtenu grâce à
la chromatogénie (greffage d’acides gras – BT3 ) – démarrage de la
première MAP en Corée pour papiers anti adhérents sans silicones.
QUELQUES
PAPIERS « INTELLIGENTS »
Électronique imprimée
Support papier
Support résine
Disparition du papier…?
Le fautif : Internet……pas si sûr !
FIN
