Brevet FR2701274A1 — publié le 19940812

L'invention concerne un procédé perfectionné pour la fabrication de pâtes à papier chimicothermomécaniques blanchies (CTMP). Comme on le sait, il existe essentiellement trois principaux types de pâtes à papier, qui tiennent compte de la manière dont les fibres sont libérées à l'état individuel. Dans les pâtes dites chimiques, on dissout des copeaux de bois dans un milieu aqueux renfermant des réactifs appropriés, tels que le sulfure de sodium en présence de soude, le bisulfite de sodium, pour éliminer la lignine et les hémicelluloses. Dans les pâtes dites mécaniques, les copeaux sont broyés en l'absence de réactifs chimiques. Depuis quelques années, on a développé un procédé appelé "chimicothermomécanique", désigné par l'abréviation "CTMP", qui consiste, après broyage des copeaux, à les étuver à une température supérieure à 100 C, notamment par de la vapeur d'eau. Une fois étuvés, ces copeaux sont soumis à une imprégnation chimique effectuée sous pression de vapeur d'eau, puis soumis à un raffinage primaire. Enfin, après lavage, ces copeaux broyés sont soumis alors à un raffinage secondaire. Les pâtes CTMP ainsi obtenues présentent des propriétés intermédiaires entre la pâte chimique et la pâte mécanique. Ces pâtes sont plus résistantes et possèdent une meilleure blancheur que les pâtes mécaniques. En outre, elles présentent une opacité supérieure et un meilleur coefficient de diffusion de la lumière que les pâtes chimiques. Toutefois, ces pâtes CTMP présentent l'inconvénient de jaunir lorsqu'elles sont exposées à la lumière. De la sorte, elles sont essentiellement utilisées dans les applications où l'on requiert un bon pouvoir absorbant, telles que par exemple les couches pour bébé ou pour incontinent ou pour la fabrication de papiers à impression ou à écriture, et de cartons. L'invention vise un procédé pour améliorer la qualité des pâtes CTMP, notamment leur blancheur, tout en évitant la consommation excessive des produits réactifs, et pour réduire la consommation d'énergie. Ce procédé de fabrication de la pâte à papier chimicothermomécanique CTMP qui consiste - tout d'abord, à tremper des copeaux de bois dans des réactifs chimiques pour modifier la lignine - puis à défibrer mécaniquement (raffinage primaire) ces copeaux sous atmosphère de vapeur d'eau sous pression - et enfin, à raffiner les copeaux ainsi défibrés (raffinage secondaire), se caractérise en ce que, pendant au moins l'une des phases de raffinage, on introduit de l'oxygène dans le milieu réactionnel. En d'autres termes, l'invention consiste lors d'une des deux phases de raffinage, primaire ou secondaire, voire pendant ces deux phases, à introduire de l'oxygène dans le milieu réactionnel. De préférence, on introduit l'oxygène lors de la phase de défibrage, ctest-à-dire lors du raffinage primaire pendant que le milieu réactionnel se trouve sous atmosphère de vapeur d'eau sous pression, puis on effectue alors le raffinage secondaire de manière connue, notamment à pression atmosphérique. L'addition d'oxygène dans le milieu réactionnel est connue dans la fabrication de pâtes chimiques. L'invention vise toutefois à introduire cet oxygène dans la fabrication des pâtes CTMP, à un stade précis, à savoir lors de l'une des phases de raffinage et, de préférence, lors du raffinage primaire, et seulement à ce stade. De manière inattendue, l'introduction d'oxygène, au stade précis de l'opération de défibrage ou de raffinage primaire, en l'absence d'air, sur des copeaux encore imprégnés de produits chimiques, augmente l'effet de synergie de ces produits et permet d'une part, d'améliorer la blancheur et, d'autre part et surtout, d'économiser de manière appréciable l'énergie nécessaire au défibrage, tout en s'accompagnant d'une réduction du taux de réactifs chimiques, lors des phases de blanchiment des pâtes ultérieures. Comme on le sait, dans le procédé de fabrication des pâtes CTMP, on part le plus généralement de bois sous forme de copeaux. On peut utiliser aussi bien des bois résineux que des bois feuillus. Ces copeaux sont ensuite étuvés, notamment par de la vapeur d'eau, pour permettre d'homogénéiser l'humidité et la température, et chasser l'air. En pratique, cette étape d'étuvage est effectuée de manière connue à une température inférieure à 200"C, de préférence entre 110 et 1600C. Une fois étuvés, ces copeaux sont soumis à une imprégnation chimique, notamment par trempage, de réactifs lignocellulosiques destinés à modifier la lignine. De manière classique, on fait appel à des réactifs chimiques, en particulier des agents réducteurs, tels que le sulfite de sodium (Na2S03), le bisulfite de sodium (Na2HS03) ou le dithionite de sodium (Na2S204). Ces composés peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec de la soude ou du carbonate de sodium. A titre de réactifs chimiques, on peut également citer des agents oxydants, comme le peroxyde d'hydrogène, de préférence en milieu alcalin, ou les percarbonates.Cette imprégnation est effectuée également de manière connue sous pression de vapeur d'eau saturée, à une température comprise entre 80 et 140"C, de préférence au voisinage de 1200C. Les pâtes CTMP ainsi obtenues sont ensuite lavées, puis classées pour éliminer les réactifs chimiques résiduels ainsi que les particules grossières de matière lignocellulosique. Ces pâtes traitées selon le procédé de l'invention peuvent être ultérieurement blanchies par exemple par du peroxyde d'hydrogène en milieu alcalin en un ou plusieurs stades en présence de soude et/ou d'hydrosulfite de sodium et d'agents complexants et stabilisants pour atteindre des niveaux de blancheur élevés. Avantageusement, en pratique - l'oxygène est de l'oxygène pur industriel, à une pression supérieure à la pression qui règne dans le défibreur, et préférentiellement à une pression inférieure à 10 bar, de préférence à une pression de 2 à 5 bar, et le plus généralement au voisinage de 3 bar - l'oxygène est introduit dans l'oeil du défibreur, c'est-àdire juste en amont du point où la vis qui amène les copeaux pénètre dans le stator - la quantité d'oxygène introduite est comprise entre 1 et 5 %, de préférence entre 1,5 et 2,5 % du poids de la pâte. De manière inattendue, les pâtes CTMP traitées de la sorte, présentent de bonnes caractéristiques physiques et optiques ainsi qu'une blancheur améliorée (de deux à cinq points selon la matière de base utilisée et les réactifs chimiques employés lors de l'imprégnation. En outre, la consommation de peroxyde d'hydrogène lors de l'étape ultérieure de blanchiment de la pâte est, de manière inattendue, réduite jusqu'à 15 %. Enfin, l'incorporation d'oxygène à ce stade du défibrage, entraîne une réduction de la consommation d'énergie nécessaire pour entraîner les disques du défibreur, de l'ordre de 10 à 25 %, ce qui se traduit par un gain appréciable, puisque au plan industriel, la consommation électrique d'un tel défibreur est fréquemment de l'ordre de 1000 à 1500 kwh/tonne.Enfin, le rendement en pâte est amélioré, ce qui se traduit par une diminution de la charge polluante et les fibres présentent un meilleur état de surface. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un défibreur classique dit défibreur ou raffineur primaire, pour la fabrication des pâtes CTMP. Les figures 2 à 5 illustrent la variation de différentes propriétés des pâtes traitées selon l'invention. Dans les exemples, les caractéristiques ci-après sont mesurées comme suit - longueur de rupture LR en mètres (m) selon norme NF Q03-002 - indice de résistance : IR Eclatement x déchirure selon normes NF Q03-053 NF Q03-011 - blancheur Bl de la pâte écrue en % ISO selon norme NF Q03-039 - rendement en pâte (R en %) rapport du poids de la pâte sèche sur le poids de bois sec en % Exemple 1 On pré-étuve à llO"C pendant vingt secondes des copeaux de bois résineux (épicéa), que l'on étuve ensuite puis que l'on imprègne avec une solution de sulfite de sodium à 100 g/l à 125"C pendant dix minutes.Ces copeaux sont ensuite défibrés dans un défibreur à disques sous une pression relative de 1,7 bar d'usage courant pour la fabrication des pâtes CTMP montré à la figure 1. Ce défibreur comprend essentiellement un premier corps 1 éventuellement chauffé, dans lequel on introduit les copeaux 2 qui avancent sous l'effet d'une vis hélicoidale rotative 3, pour pénétrer dans l'oeil 4 du défibreur proprement dit 5, comprenant un stator fixe 6 et un rotor 7 solidaire d'un arbre 8 accouplé à un moteur 10. La pâte défibrée P sort par l'ouverture (11). Cette pâte P est ensuite lavée puis raffinée à l'indice d'égouttage de 100 ml CFS (norme CPPA - C1:62 ou SCAN-C21:65). Les caractéristiques de la pâte obtenue sont les suivantes - LR : 4190 - IR : 48,8 - Bl : 58,8 - R : 92,8 Exemple 2 On modifie le défibreur de la figure 1 en y incorporant une tubulure (12) disposée au voisinage de l'oeil 4, fermée par une vanne 13 reliée à une source d'oxygène 14 sous pression. La pâte traitée avec une quantité d'oxygène environ 2,5 % par rapport à la pâte et sous une pression de 5 bar, présente les caractéristiques suivantes - LR : 3900 (contre 4190) - IR : 47,3 (contre 48,8) - Bl : 59,7 (contre 58,8) - R : 93,7 (contre 92,8). En outre, on observe que la consommation énergétique du moteur 10 est réduite de près d'un quart, soit environ 250 kwh/tonne. Exemple 3 : De manière connue, on blanchit les deux pâtes des exemples 1 à 2 avec 3 % de peroxyde d'hydrogène, 3 % de soude, 3 % de silicate de sodium, 0,3 % de DTPA (acide diéthylène triamine penta-acétique), et 0,1 % de sulfate de magnésium. Ce blanchiment est effectué à une concentration de pâte de 16 % pendant trois heures à 70"C. Avec la pâte de l'exemple 1, on obtient une blancheur de 75,5 et avec la pâte de l'exemple 2, une blancheur de 77,0. Le gain de blancheur observé à l'exemple 2, est accru par un stade ultérieur de blanchiment au peroxyde d'hydrogène. Ainsi, pour atteindre la même blancheur de 75,5 avec la pâte de l'exemple 1 traitée au peroxyde d'hydrogène, mais avec une pâte traitée avec de l'oxygène conformément à l'exemple 2, on économise 8,7 % de peroxyde d'hydrogène, ce qui se traduit par une économie appréciable. Exemple 4 On répète l'exemple 1, avec des copeaux de peuplier en imprégnant ces copeaux dans un mélange de dithionite de sodium à 64,2 g/l et de soude à 20 g/l. La pâte CTMP obtenue présente les caractéristiques suivantes - LR : 4460 - IR : 27,2 - Bl : 60,4 - R : 90,4 Exemple 5 On répète l'exemple 4 en incorporant de l'oxygène sous pression, conformément à l'exemple 2 ci-dessus. On obtient les caractéristiques suivantes - LR : 4260 (contre 4460) - IR : 29,7 (contre 27,2) - Bl : 62 (contre 60,4) - R : 91,5 (contre 90,4) Le procédé selon l'invention permet donc d'améliorer la blancheur de deux points, d'augmenter le rendement de un point et de réaliser une réduction de consommation d'énergie de défibrage de 15 % environ. Après blanchiment au peroxyde d'hydrogène, dans les mêmes conditions qu'aux exemples 3 et 4, on observe une blancheur de - sans oxygène : 79,4 - avec oxygène : 80,0. A blancheur égale, le gain de peroxyde d'hydrogène serait de l'ordre de 3 % . Exemple 6 On répète l'exemple 1, mais en remplaçant les 100 g/l de sulfite de sodium par 82 g/l de bisulfite de sodium. On obtient les résultats suivants sans oxygène avec oxygène LR 4500 4380 IR 35,9 35,3 Bl 54,2 59,0 R 91,7 92,2 On constate ainsi un gain de blancheur de cinq points avec un rendement supérieur de 0,5 point et une réduction de consommation d'énergie du défibrage en présence d'oxygène de 18 %. Après blanchiment, en un seul stade avec 3 % de peroxyde, la blancheur passe de 75,6 à 78,0, soit un gain en peroxyde d'hydrogène de 12 %. Exemple 7 On introduit dans l'oeil du défibreur 4, non seulement de l'oxygène, mais également une solution de peroxyde d'hydrogène comprenant 3 % de peroxyde et 2 % de carbonate de sodium, 2 % de silicate de sodium et 0,2 % de DTPA. On laisse les cinétiques de réaction se développer pendant trente minutes environ après défibrage. On obtient un gain de blancheur de 0,5 point, une augmentation du rendement de un point et une amélioration notable de la longueur de rupture LR (3800 contre 3130) et de l'indice d'éclatement IR (32,7 contre 31,4). On observe en outre une réduction de la consommation d'énergie de 20 %. Après un blanchiment en un stade au peroxyde d'hydrogène, on observe une amélioration de la blancheur de 1,6 point par incorporation d'oxygène, ce qui se traduit pour le même niveau de blancheur, par l'économie de 10,7 % de peroxyde d'hydrogène. Exemple 8 On répète l'exemple 7, en imprégnant toutefois les copeaux d'épicéa par une solution comprenant - peroxyde d'hydrogène : 2 % par rapport aux copeaux secs - carbonate de soude : 2 % par rapport aux copeaux secs au lieu de 2 % de carbonate de sodium - silicate de sodium : 2 % par rapport aux copeaux secs - DTPA : 0,2 % par rapport aux copeaux secs. On obtient les caractéristiques suivantes sans oxygène avec oxygène LR 3630 3530 IR 33,9 34,1 Bl 58,8 59,9 R 95,1 95,5 On observe donc un gain de blancheur de un point, un rendement amélioré de 0,5 point, pour des propriétés de pâtes identiques. Après blanchiment au peroxyde d'hydrogène, la blancheur Bl passe de 75,5 en procédé sans oxygène à 77,5 en procédé avec oxygène, ce qui pour un niveau de blancheur de 75,5, permet une économie de 11,4 % en peroxyde d'hydrogène. Exemple 9 On répète l'exemple 6, en utilisant des quantités variables d'oxygène ; le blanchiment au peroxyde n'est cependant pas répété. Les résultats obtenus sont rassemblés sur les figures 2 à 5, dans lesquelles on a porté en abscisses la quantité d'oxygène introduite en pourcentage en poids et en portant en ordonnées, respectivement - à la figure 2, la blancheur Bl, - à la figure 3, l'énergie de défibrage en kwh/tonne, - à la figure 4, l'indice de résistance Ir, - à la figure 5, la longueur de rupture LR en mètre. La blancheur augmente avec le pourcentage d'oxygène introduit. Au delà de 2,5 % d'oxygène, le gain de blancheur se stabilise, mais le surplus d'oxygène a une influence bénéfique sur la consommation d'énergie au stade de défibrage (les valeurs correspondent à l'énergie consommée par un raffineur primaire de 30 cm de diamètre). La longueur de rupture et l'indice de résistance ont une décroissance linéaire avec la charge en oxygène. La longueur de rupture diminue plus vite que l'indice de résistance. Comme déjà dit, le procédé selon l'invention qui consiste à introduire sélectivement de l'oxygène sous pression lors du défibrage mécanique sous atmosphère de vapeur d'eau sous pression, présente de nombreux avantages par rapport aux procédés de fabrication de pâtes à papier CTMP connus à ce jour. On peut citer - le fait qu'il n'est pas nécessaire de modifier les installations existantes - un gain de blancheur Bl pouvant atteindre jusqu'à cinq points - un gain appréciable d'énergie de défibrage ou raffinage primaire de l'ordre de 10 à 25 % selon la nature des réactifs chimiques et des copeaux de bois mis en oeuvre - une réduction appréciable du taux des réactifs chimiques, notamment du peroxyde d'hydrogène dans les stades ultérieurs de traitement. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pâtes à papier chimicothermomécaniques CTMP blanchies, qui consiste - tout d'abord, à tremper des copeaux de bois dans des réactifs chimiques pour modifier la lignine - puis à défibrer mécaniquement ces copeaux (raffinage primaire) sous atmosphère de vapeur d'eau sous pression - et enfin, à raffiner les copeaux défibrés (raffinage secondaire), caractérisé en ce que pendant -au moins une des deux phases de raffinage, on introduit de l'oxygène dans le milieu réactionnel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit l'oxygène pendant la phase de raffinage primaire (défibrage mécanique). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oxygène est introduit à une pression comprise entre 2 et 5 bar. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'oxygène est introduit dans l'oeil du défibreur. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la quantité d'oxygène introduite est comprise entre 1 et 5 % par rapport à la pâte. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les réactifs chimiques sont des agents réducteurs tels le sulfite de sodium, le bisulfite de sodium et le dithionite de sodium, seuls ou en mélange avec la soude ou du carbonate de sodium, des agents oxydants tels le peroxyde d'hydrogène, de préférence en milieu alcalin, ou les percarbonates. 7. Pâte à papier CTMP obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6.