Toutes sortes de matériaux peuvent être utilisés pour fabriquer du papier, par exemple les roseaux, le lin, le coton et même la bagasse (pulpe de canne à sucre). Toutefois, la plupart des papiers sont fabriqués à partir de fibres de bois traitées. Le traitement du bois à cette fin est effectué dans des usines de pâte à papier et des papeteries qui utilisent des produits chimiques et beaucoup d'énergie. Le criblage et le contrôle de la qualité sont des mesures importantes à prendre tout au long de la chaîne de production, depuis le bois jusqu'au produit fini en papier. Cet article de blog montre comment la spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS) est capable de surveiller simultanément plusieurs paramètres clés du CQ dans le processus de fabrication de la pâte et du papier.

Introduction à l'industrie du papier et de la pâte à papier

L'industrie de la pâte et du papier produit et vend des produits à base de cellulose dérivés de différents types de bois. Les usines de pâte et de papier transforment le bois à l'aide de méthodes mécaniques et chimiques pour produire divers produits de papier destinés à toutes sortes d'utilisations.

Dans la Figure 1, la part de la production mondiale de papier, de tissu et de carton par pays en 2019 est indiquée [1]. La Chine représente la plus grande part, suivie par les États-Unis, le Brésil et le Japon. Ces cinq pays représentent plus de la moitié de la production mondiale.

Le bois, précurseur du papier, est principalement composé de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Les différences dans sa microstructure permettent de le classer en bois tendre ou en bois dur. Les conifères (avec des aiguilles et des cônes, par exemple les pins, les sapins et les épicéas) sont composés de bois tendre. Les arbres à feuilles caduques (avec des feuilles et des graines, par exemple le chêne, le hêtre, le noyer) sont des espèces de bois dur.

Les bois durs ont des fibres plus courtes et produisent un papier plus fragile. Toutefois, le produit final est plus lisse, plus opaque et mieux adapté à l'impression. Les résineux produisent des fibres longues et solides qui confèrent de la solidité au papier. Ce type de bois est plus couramment utilisé pour la fabrication de boîtes et d'autres emballages.

Le processus de fabrication de la pâte et du papier

Le processus de fabrication de la pâte et du papier comprend quatre étapes principales : la préparation des matières premières, le dépulpage, le blanchiment et la fabrication du papier. Chacune de ces étapes est décrite dans les sections ci-dessous. La figure 2 donne un aperçu général de l'ensemble du processus.

Le contrôle et la surveillance de divers paramètres de contrôle de la qualité avant, pendant et après le processus de fabrication sont essentiels pour fabriquer des produits de papier de haute qualité auxquels les consommateurs peuvent se fier. La spectroscopie proche infrarouge (NIR) est une méthode qui peut être utilisée pour le contrôle de la qualité à tous les stades de la production de pâte et de papier. Cet article explique le fonctionnement général de la spectroscopie proche infrarouge et montre en quoi elle est supérieure à d'autres méthodes de contrôle de la qualité et de criblage dans l'industrie de la pâte et du papier, en prenant l'exemple de la pâte de bois.

Aperçu de la technologie de la spectroscopie dans le proche infrarouge

La lumière et la matière interagissent de nombreuses manières (absorption, réflexion, diffusion, émission et transmission). Lorsque l'on parle de la lumière utilisée dans les méthodes spectroscopiques, elle est généralement décrite en longueur d'onde ou en nombre d'ondes. Les spectromètres NIR, tels que le Metrohm DS2500 Solid Analyzer, générer des spectres riches en informations en mesurant l'interaction lumière-matière (Figure 3).

La sensibilité de la NIRS à la présence de certains groupes fonctionnels en fait une excellente méthode pour quantifier des paramètres chimiques tels que la teneur en eau (humidité), le nombre kappa, la teneur en lignine et la teneur en résine. Comme cette interaction dépend également de la matrice de l'échantillon, la détection des paramètres physiques (par exemple, la densité et la résistance) est également possible avec la NIRS.

La quantité d'informations sur un échantillon contenues dans le spectre obtenu fait de la NIRS un outil idéal pour une analyse multiparamétrique rapide.

Mode de mesure NIRS pour la pâte à papier et les produits papetiers

Le choix du mode de mesure NIRS à utiliser dépend du type d'échantillon. Lors de l'analyse de solides tels que la pâte de bois et les produits de papier, il convient d'utiliser le mode de réflexion diffuse (Figure 4). Dans ce mode de mesure, l'échantillon est exposé à la lumière NIR et en absorbe une partie. La lumière NIR non absorbée est réfléchie et mesurée par le détecteur.

Avantages de l'utilisation de la NIRS pour les producteurs de papier

La spectroscopie NIR offre aux utilisateurs de nombreux avantages pour les applications analytiques, en particulier pour le contrôle de la qualité et le dépistage. Les économies de temps et d'argent figurent parmi les principaux avantages, et ce pour de multiples raisons. La préparation de l'échantillon n'est pas nécessaire et les résultats sont fournis en quelques secondes. La NIRS est une technique d'analyse multiparamétrique, ce qui élimine la nécessité d'effectuer plusieurs analyses distinctes et fastidieuses sur différents instruments pour obtenir les mêmes résultats. La technique est également non destructive et ne nécessite pas l'utilisation de réactifs chimiques.

Outre ces points, la NIRS est également approuvée à des fins de contrôle de la qualité par des organismes de normalisation tels que l'ASTM [2]. En outre, la NIRS est conviviale et peut être utilisée par du personnel non technique, ce qui la distingue des techniques analytiques plus complexes.

Paramètres de sélection et de contrôle de qualité des produits pour la production de pâte et de papier

La recherche, le développement et le contrôle de la qualité reposent tous sur des essais en laboratoire. Les usines de pâte et de papier utilisent plusieurs méthodes d'essai normalisées pour déterminer les propriétés physiques et chimiques des matières premières, des produits intermédiaires et des produits finis. Les paramètres d'essai les plus pertinents pour la sélection et le contrôle de la qualité des produits de pâte et de papier sont présentés dans le tableau 1.

Une solution clé en main pour l'analyse des pâtes et papiers

TLa solution Metrohm NIRS pour l'analyse de la pâte à papier est livrée avec un logiciel d'analyse de la pâte à papier modèle de préétalonnage prêt à l'emploi pour la détermination de l'indice kappa, de la densité, de la résistance au flambage, de la résistance à la rupture, de la résistance à la traction et de l'écrémage de la pâte (tableau 2). Grâce à cet ensemble d'étalonnage préalable, cette solution peut être utilisée comme un modèle de démarrage clé en main sans développement préalable de la méthode.

Le tableau 3 présente les résultats du contrôle de qualité de la pâte de bois transformée. Cet exemple montre que la spectroscopie visible dans le proche infrarouge (Vis-NIRS) peut déterminer simultanément six paramètres de contrôle de qualité différents (indice kappa, densité appliquée, pureté de la pâte, résistance à la rupture, résistance au flambage et résistance à la traction) dans la pâte de bois.

Résumé

L'utilisation de la NIRS pour le contrôle de la qualité et le criblage des produits de pâte et de papier est préférable à d'autres méthodes conventionnelles de laboratoire de référence. Cette méthode spectroscopique permet non seulement aux producteurs de gagner du temps et de garantir un produit de haute qualité, mais elle est également respectueuse de l'environnement et facile à utiliser. L'analyse simultanée de plusieurs paramètres de qualité clés est possible avec un seul balayage.

Les résultats concernant l'indice kappa, la densité appliquée, l'écorce de la pâte (CSF), la résistance à la rupture (SCT), la résistance au flambage (RCT) et la résistance à la traction de la pâte de bois peuvent être fournis en 30 secondes, même par du personnel non technique. Il est possible de contrôler plus étroitement la production car les données sont générées plus fréquemment qu'avec d'autres techniques de laboratoire.

Références

[1] Statista Research Department. Paper production global capacity share by country. Statista. https://www.statista.com/statistics/664968/global-paper-production-capacity-share-by-country/ (accessed 2023-11-23).

[2] ASTM International. Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis; ASTM E1655-17; ASTM International, 2018.

Vos connaissances à emporter

Note d'application: Analyse multiparamétrique de la pâte de bois par spectroscopie Vis-NIR

Note d'application:DDétermination de la teneur en bois dur/résineux dans les produits du bois par spectroscopie proche infrarouge

Note d'application: Détermination de la lignine dans la pâte de bois

Note d'application: Détermination de la teneur en coton et en pulpe dans la cellulose

Note d'application: Pureté, degré de substitution et teneur en eau des carboxyméthylcelluloses

Note d'application: Teneur en eau et valeur du pH dans le tall oil brut (CTO)