Brevet FR2667940A1 — publié le 19920417

PROCEDE POUR MESURER EN CONTINU LA RETENTION D'EAU DYNAMIQUE D'UNE ENDUCTION SUR UN SUPPORT EN DEFILEMENT ET NOTAMMENT SUR UNE FEUILLE DE PAPIER L'invention concerne un nouveau procédé pour la mesure en continu de la rétention d'eau dynamique d'un liquide constituant l'élément véhiculant d'une enduction sur un support en défilement Plus spécifiquement, elle concerne la mesure de la grandeur physique dite de réten- tion d'eau dynamique de la couche déposée sur une feuille de papier en défilement, notamment après couchage. De manière traditionnelle, dans le cadre de la fabrication du papier, on a recours à une phase d'enduc- tion superficielle de la feuille de papier, afin d'amé- liorer ses qualités propres Cette enduction est réalisée de manière connue par le dépôt d'une composition d'enduc- tion, également dénommée couchage, sur la feuille en déplacement Ce couchage est généralement composé d'une20 phase de pré-enduction et de lissage ou raclage de la composition couchée, afin d'obtenir une épaisseur de couche sur la feuille de papier aussi constante que pos- sible, et ce sur toute la laize Ces opérations de pré- enduction et de lissage sont particulièrement délicates,25 et demandent de fixer les paramètres qui les règlent de la manière la plus précise possible, lorsque l'on désire obtenir un papier de qualité élevée. Ces opérations sont suivies d'une phase de séchage propre à éliminer après la phase de couchage, l'eau cons- tituant le véhicule de l'enduction Cette phase de séchage s'avère relativement délicate compte tenu des différents paramètres à prendre en considération dans le cadre d'ob- tention d'une feuille de papier de bonne qualité Notam-35 ment, la température du système de séchage ainsi que la distance sur laquelle est soumise la feuille de papier en défilement au traitement de séchage, autrement dit sa durée, ont une importance fondamentale pour l'obtention d'un papier de qualité élevée La conduite du séchage en 5 production continue dépends du poids de couche, de l'extrait sec et des matières premières utilisées La qualité du produit après séchage en continu pourrait être améliorée, si, avant d'y soumettre le matériau, on pou- vait attendre que la totalité de l'eau de constitution10 de l'enduction ait migré par capillarité dans le support plus ou moins absorbant De fait, si un tel résultat pouvait être obtenu, la couche humide serait suffisamment consolidée pour permettre un séchage énergique ne provo- quant pas de migration des constituants.15 En pratique, dans les processus continus, le séchage est pratiqué dès la sortie de la tête de couchage; on peut distinguer trois phases dans ce processus de sécha- ge: le drainage, la consolidation, et l'élimination de20 l'eau résiduelle Chacune de ces phases doit être contrô- lée avec précision pour contenir la migration des diffé- rents constituants. On comprend de la sorte tout l'interêt qui existe à pouvoir déterminer avec précision ces paramètres pour maîtriser le séchage Or, on s'est aperçu qu'ils dépen- daient pour partie essentielle de la rétention d'eau dynamique du système couche/support, autrement dit de la capacité pour une feuille de papier ou un support quel- conque d'absorber plus ou moins rapidement l'eau, après avoir subi une phase de couchage ou d'enduction De fait, de la connaissance de cette grandeur dépend la fixation des paramètres à instaurer au niveau de la phase de sé- chage et donc, la qualité finale du papier obtenu En35 outre, cette grandeur dépend également: du mode d'application de la substance liquide lors du couchage; et de la quantité de substance liquide déposée lors du couchage A ce jour, l'une des principales méthodes les plus utilisées pour déterminer cette grandeur est la méthode de S D WARREN Cette méthode statique consiste a posi- tionner un buvard étalon sur la composition de couchage10 que l'on désire analyser, sur lequel on place du perman- ganate de potassium (K Mn O 4) sous forme de cristaux On détermine alors la durée au bout de laquelle le permanga- nate vire au rouge Cette durée permet de fixer la valeur de la rétention d'eau statique caractéristique des compo-15 sants utilisés Néanmoins, cette méthode statique ne permet pas, de par sa conception, de mesurer cette gran- deur directement sur le support destiné à recevoir l'enduction, et ne peut donc s'effectuer sur site, lors de l'enduction du support papier selon divers procédés20 d'enduction, et selon les différents dépôts possibles En outre, la méthode statique utilise une épaisseur de cou- che humide considérable et sans rapport avec les dépôts à l'échelle industrielle De fait, elle ne fournit que des résultats comparatifs entre les diverses formulations25 d'enduction. L'un des objets de l'invention est donc une méthode apte à permettre de déterminer, et ce en continu et sur site, la valeur de la rétention d'eau dynamique d'une30 couche appliquée sur une feuille de papier. Un autre objet de l'invention est de pouvoir définir par l'analyse de cette même valeur, le poids de couche humide, autrement dit la quantité totale de couche humide déposée par mètre carré de feuille de papier enduite, toujours dans le but d'optimiser les conditions de sécha- ge ainsi que les conditions d'enduction. Ce procédé pour mesurer en continu la rétention dynamique d'un liquide, constituant le véhicule d'une enduction ou d'une couche d'un matériau appliquée sur un support en défilement à vitesse constante, et notamment 5 dans une feuille de papier, après dépôt sur ce support d'une couche dudit matériau, consiste: tout d'abord, à émettre un train d'ondes de spec- tre de fréquences connu, par exemple située dans le visi- ble ou l'infrarouge, dans un plan quelconque par rapport10 à la direction de défilement du support, et sous inciden- ce autre que la normale au plan défini par ledit support, et à une distance d suffisante de la zone d'enduction dudit support pour s'affranchir de tout risque de satura- tion des signaux mesurés;15 puis, à capter dans ce même plan, le train d'ondes réfléchi par le support enduit, puis à extraire de ces signaux captés une grandeur représentative de la quantité de couche humide appliquée sur le support;20 puis à réitérer cette mesure à une distance d' supérieure à la distance d de la première mesure mais inférieure à une distance pour laquelle le signal repré- sentatif de la quantité de couche humide n'est plus déce- lable et typiquement à distance de 3 mètres, en vue d'ex-25 traire la valeur de la même grandeur, dans le but d'obte- nir en fonction du temps la variation de celle-ci, compte tenu du défilement du support enduit à vitesse constante; et enfin à déduire la pente moyenne de cette va- riation, représentative de la vitesse de pénétration dudit liquide dans le support, et donc de la rétention dynamique de liquide recherchée dans le support. En d'autres termes, l'invention consiste à mesurer en deux points différents du support enduit en défilement sur la chaîne de fabrication, une valeur représentative de la quantité de couche humide enduite et typiquement un indice de brillant de la surface humide, afin de déduire de ces valeurs et ce de manière connue, la rétention dynamique du liquide et notamment de l'eau. Par "indice de brillant", on entend classiquement une valeur représentative de la surface de la couche humide, en rapport avec la teneur en eau et le poids total déposé sur un support papier Le brillant des sur- 5 faces est une grandeur normalisée, mesurée selon des angles d'incidence également normalisés Une surface brillante étalon, telle que le verre poli, possède par définition un brillant de 100 %. Le brillant correspond à l'énergie mesurée au niveau de l'angle solide d'un faisceau réfléchi par exemple à 750 par rapport à la normale du support enduit dont on désire déterminer cette grandeur, cet angle solide étant défini par son intersection avec le plan contenant d'une15 part la génératrice dudit angle solide et d'autre part par l'une des perpendiculaires du support comme étant le cône situé à plus ou moins 2,5 O de ladite génératrice. Ce brillant est défini par rapport à l'étalon verre poli. On obtient typiquement une gaussienne. Néanmoins, on peut définir un certain nombre de grandeurs non normalisées, corellées au brillant, puisque définies comme étant la hauteur de la gaussienne, sa largeur à mi-hauteur, etc.25 Par "indice de brillant", on entend une grandeur quelconque choisie parmi celles-ci, mesurée et rapportée à l'étalon verre poli, pris avec la référence 100 %. Typiquement, la distance d de la première mesure de l'indice de brillant est située environ à un mètre des têtes de couchage alors que la seconde mesure s'effectue à une distance d' d'au moins 2 mètres ou 2,5 mètres desdites têtes de couchage En effet, si la première mesure est inférieure à cette distance d, le signal obtenu est saturé, autrement dit, l'indice de brillant obtenu cor- respond à une valeur maximum, compte tenu de la très forte quantité d'eau encore contenue à la surface et à cette distance des têtes de couchage En revanche, si 5 cette distance d' excède 20 (vingt) mètres, et sauf utilisation d'une couche très riche en eau, la quasi totali- té de l'eau contenue dans la couche liquide d'enduction est absorbée par le support, notamment par la feuille de papier, de sorte que le signal de l'indice de brillant10 devient faible et de ce fait n'est plus exploitable En revanche, si cette distance d' devient inférieure à deux mètres et si la vitesse de défilement du support devient élevée, on diminue la précision de la mesure finale de la rétention dynamique, compte tenu de la trop grande proxi- mité des deux mesures effectuées, et donc du caractère plus aléatoire de la pente déterminée. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique du principe de mesure conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique de l'installation de mesure selon l'invention Les figures 3 à 7 sont des représentations graphi- ques correspondant à des exemples précis de mesure. Selon l'invention, on effectue ces mesures dans le domaine visible ou infrarouge et ce au moyen du disposi- tif suivant, commercialisé par la société LIPKE Gmb H, et représenté schématiquement sur la figure 1 Une diode électroluminescente ( 1) éclaire de manière uniforme un diaphragme linéaire ( 2) selon une longueur d'onde appar- tenant au visible ou à l'infrarouge L'image de cette diode ( 1) est ramenée à l'infini de manière classique au moyen d'une lentille convergente ( 3) Des rayons lumineux parallèles sont alors émis en direction de la feuille de papier en défilement ( 4) selon un angle d'environ 750 par 5 rapport à la normale à la feuille, typiquement au moyen d'un miroir plan ( 5) Les faisceaux réfléchis, reçus sur un miroir ( 6), sont focalisés au moyen d'une lentille convergente ( 7) sur un réseau ( 8) de photodiodes sensi- bles au domaine spectral considéré, et donc aptes à10 analyser ce faisceau, et à restituer après traitement approprié un indice de brillant. Cette même mesure est effectuée au moyen d'un dispo- sitif analogue, à trois mètres des têtes de couchage, en vue d'extraire une autre valeur de la même grandeur à savoir un indice de brillant De la sorte, on obtient une courbe représentative de l'indice de brillant déterminée dans l'échelle arbitraire en fonction de la racine carrée du temps, compte tenu de la vitesse constante du défile-20 ment de la feuille On obtient une portion de droite dont la pente correspond à la vitesse moyenne de pénétration de l'eau de la couche d'enduction sur la feuille de papier pour un poids de couche et un extrait sec donnés. De fait, plus cette pente est élevée et plus le papier à25 tendance à absorber l'eau contenue dans le matériau de couchage,et plus faible est la rétention d'eau dynamique. Corrélativement, plus cette pente est faible, et plus longue sera la durée au cours de laquelle la totalité de l'eau sera absorbée par le support, et donc plus forte30 est la rétention d'eau dynamique La rétention d'eau dynamique est inversement proportionnelle à la pente des courbes en question. Cette valeur influe au niveau du réglage de la zone de séchage, notamment au niveau des paramètres telle que la température et la durée de séchage En outre, la con- naissance de cette valeur permet d'influer tant au niveau de la composition de la couche d'enduction, qu'à celui du réglage des têtes de couchage En effet, selon les régla- ges, les matières premières, ou selon les procédés d'en- duction utilisés, plus la couche humide est en surface, et plus le signal est élevé Sur un support non absor- bant, la saturation est facilement atteinte avec un poids de couche humide de seulement 5 g/m 2 En revanche, sur un support absorbant, un poids de couche humide de 30 à 40 g/m 2 sera nécessaire pour saturer le signal Selon la pression dans la tête de couchage, l'enduction sera donc plus ou moins appliquée en surface, d'o la possibilité de suivre le front humide en surface en sortie de la tête de couchage. On a représenté sur la figure 2, le schéma de prin- cipe du procédé conforme à l'invention En sortie de la zone de couchage ( 9), au niveau de laquelle est effectuée 1 'enduction du support ( 4), une première mesure est effectuée au moyen du dispositif décrit précédemment Une seconde mesure est effectuée au moyen d'un dispositif25 analogue à environ trois mètres de la zone de couchage. Un ou plusieurs caissons de séchage ( 10) peuvent être placés entre les deux dispositifs de mesure, afin de suivre la cinétique de séchage avec et sans flux thermi- que.30 Les valeurs ainsi détectées permettent de remonter au poids de couche humide, à savoir plus précisément à la quantité totale de matière déposée par unité de surface de la feuille de papier en défilement En effet, et comme35 on a déjà eu l'occasion de le préciser, l'indice de bril- lant est fonction de la quantité de matière appliquée à la surface de la feuille de papier en défilement Plus importante est cette valeur de l'indice de brillant et plus grande est la quantité de matière à la surface de la 5 feuille en défilement De la sorte, on peut corréler la valeur de l'indice de brillant et la quantité de matière et donc le poids de couche humide Toutefois, on constate qu'au-delà d'une certaine valeur,le signal obtenu sature. Dans le cas o une film d'eau seul est déposé sur une10 surface non absorbante, la saturation du signal est obte- nue pour une valeur de 5 grammes par mètre carré ( 5 g/m 2). De la sorte, il est ainsi possible d'optimiser les condi- tions du couchage, afin d'obtenir un indice de brillant le pl-us élevé possible. 15 Les exemples qui suivent illustrent le procédé con- forme à l'invention. On utilise une feuille support issue de bois appre- té, d'un grammage de 50 g/m 2, dont le couchage est effec- tué sur la face feutre, respectivement au moyen d'un rouleau applicateur pleine laize, et d'un dispositif à têtes de couchages, ou bien d'un système couramment dénommé dans l'industrie papetière sous son appellation25 anglaise "Short Dwell Time Applicator" (SDTA), et réfé- rencé ultérieurement Short Dwell, suivi des mêmes têtes de couchage Quel que soit le dispositif de couchage, le dépôt de matière sèche effectué est de l'ordre de 10 g/m 2, pour les exemples 1 à 3, et varie pour l'exemple 4.30 EXEMPLE 1 La composition de la sauce d'enduction est consti- tuée d'un mélange de cent parties en poids de pigment KAOLIN, commercialisé sous la Marque Déposée SPS de E.C C I,et de douze parties en poids de caoutchouc arti- ficiel disponible sur le marché sous la marque déposée LATEX SB 023 (Rhône-Poulenc). En se référant aux courbes matérialisées sur la figure 3, représentatives de la variation de l'incide de brillant en fonction de la racine carrée du temps, et correspondant à un pourcentage de matières sèches de 60 %5 dans la sauce d'enduction, on obtient des indices de pénétration d'eau calculés directement à partir des pen- tes de 42 pour un prédosage par rouleau et de 14 pour une enduction par procédé Short Dwell, correspondant respec- tivement à une rétention d'eau dynamique de: 100 = 2,4 = 7,1 Par ailleurs, on constate que la couche humide est davantage en surface avec une enduction par rouleau, compte tenu du signal plus élevé sur le premier capteur. EXEMPLE 2 On utilise comme sauce d'enduction un mélange de cent parties en poids de KAOLIN, de six parties en poids de LATEX SB 023 et de six parties en poids d'amidon. Les courbes obtenues ont été matérialisées sur les figures 4 et 5 On en tire des indices de pénétration d'eau à partir des pentes, et l'on obtient respectivement pour un pourcentage de matières sèches de 60 % et de 56 %, 31 et 11 pour un procédé d'enduction par prédosage sur rouleau, et de 33 et une valeur quasiment nulle pour le procédé Short Dwell, correspondant respectivement à des valeurs de rétention d'eau dynamique de 3,2, 9,1 et 3. On observe donc une valeur de rétention d'eau dyna- mique très élevée pour un pourcentage de matières sèches de 56 %, comparativement à un pourcentage de 60 % de ces mêmes matières sèches. EXEMPLE 3 Le mélange de la sauce d'enduction a une composition de cent parties en poids de carbonate de calcium broyé vendus sous la marque déposée CARBITAL 90 (ECCI), et de douze parties en poids de LATEX SB 023. On obtient pour un pourcentage de matières sèches de % dans la sauce d'enduction, la courbe reportée à la figure 6, dont on tire l'indice de pénétration d'eau On obtient une valeur de 22 pour un procédé d'enduction par prédosage sur rouleau, et une valeur de 47 par procédé Short Dwell, correspondant respectivement à des valeurs de rétention d'eau dynamique de 4,5 et de 2,1.15 Ces différentes mesures permettent en outre de mon- trer que plus le pourcentage de matières sèches dans le bain de couchage ou dans la sauce d'enduction est élevé, et plus l'indice de brillant mesuré est faible, confir- mant ainsi le rôle de l'eau dans la mesure de cet indice. Corrélativement, plus ce pourcentage est élevé, et plus l'indice de pénétration de l'eau augmente pour un support donné, traduisant une rétention d'eau dynamique faible. EXEMPLE 4 Le mélange de la sauce d'enduction a une composition de cent parties en poids de Kaolin (SPS) et douze parties en poids de Latex SB 023.30 On obtient pour un pourcentage de matières sèches de % dans la sauce d'enduction les courbes reportées dans la figure 7, dont on tire l'indice de pénétration d'eau. On obtient une valeur de 42 pour 10 g/m 2 de matières35 sèches On obtient également la même valeur pour 14 g/m 2 de matières sèches (valeur correspondante de la rétention d'eau dynamique: 2,4). Les différentes mesures permettent donc de montrer que plus le poids de couche sec est élevé, plus l'indice de brillant est élevé, mais la rétention d'eau dynamique demeure identique. On constate, qu'avec le procédé de l'invention, on peut aboutir en permanence, et en continu à la valeur de rétention d'eau dynamique d'un système couche/support, permettant ainsi de moduler les différents paramètres tant d'enduction que de séchage, ce que l'on ne savait faire jusqu'alors En effet, il suffit de munir le dispositif de mesure en place d'un ensemble de traitement constitué par exemple par un micro-ordinateur associé à un logiciel de calcul susceptible de calculer immédiate-15 ment les valeurs recherchées, et notamment les pentes des courbes découlant des mesures effectuées Ce type de logiciel est d'un usage largement répandu, de sorte qu'il n'est nullement besoin d'en décrire le contenu plus en détail. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour mesurer en continu la rétention dynamique d'un liquide dans un support en défilement ( 4) à vitesse constante, et notamment dans une feuille de papier après dépôt ( 9) sur ce support d'une couche d'enduction d'un matériau liquide, caractérisé en ce qu'il consiste: tout d'abord, à émettre un train d'ondes ( 1,2,3) de spectre de fréquence connu, dans un plan quelconque par rapport à la direction de défilement du support ( 4) et sous incidence autre que la normale au plan défini par ledit support, et à une distance d comprise entre zéro et deux mètres de la zone d'enduction ( 9) dudit support;15 puis, à capter ( 7,8) dans ce même plan, les si- gnaux du train d'ondes réfléchis par le support ( 4), puis, à extraire de ces signaux captés une gran- deur représentative de la quantité de couche humide dépo- sée;20 puis, à réitérer cette mesure à une distance d' supérieure à la distance d de la première mesure mais inférieure à une distance comprise entre deux et vingt mètres de la zone d'enduction, en vue d'extraire la va- leur de la même grandeur, dans le but d'obtenir en fonc-25 tion du temps la variation de celle-ci, compte tenu du défilement du support à vitesse constante; et enfin à déduire la pente moyenne de cette variation, représentative de la vitesse de pénétration du liquide dans ledit support, et donc de la rétention dyna-30 mique de liquide recherchée dans le support. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du train d'ondes appartient à la gamme du visible et des rayons infrarouges. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la grandeur mesurée est un indice de brillant du support enduit en cours de séchage - 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'émission des deux trains d'ondes s'effectue dans un plan perpendiculaire à la direction de défilement du support, et prependiculaire au support proprement dit.10 / Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la distance d séparant le lieu d'enduction du support et la première mesure est de un mètre, alors que la distance d' séparant le lieu d'enduc-15 tion du support de la deuxième mesure est de trois mètres. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les différents calculs entrant dans la détermination finale de la rétention dynamique de liquide sont réalisés par un micro-ordinateur géré par un logiciel de calcul approprié.