EP4547906A1 - Procede de traitement de fibres cellulosiques par compression mecanique notamment pour pate a papier - Google Patents

Procede de traitement de fibres cellulosiques par compression mecanique notamment pour pate a papier

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EP4547906A1
EP4547906A1 EP23744530.9A EP23744530A EP4547906A1 EP 4547906 A1 EP4547906 A1 EP 4547906A1 EP 23744530 A EP23744530 A EP 23744530A EP 4547906 A1 EP4547906 A1 EP 4547906A1
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EP
European Patent Office
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mixing
compression
suspension
fibers
mixer
Prior art date
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Application number
EP23744530.9A
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English (en)
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EP4547906B1 (fr
EP4547906C0 (fr
Inventor
Bruno Carre
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Centre Technique du Papier
Original Assignee
Centre Technique du Papier
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP4547906B1 publication Critical patent/EP4547906B1/fr
Publication of EP4547906C0 publication Critical patent/EP4547906C0/fr
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/34—Other mills or refiners
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/34—Other mills or refiners
    • D21D1/38—Other mills or refiners with horizontal shaft

Definitions

  • the present invention relates to a process for the mechanical treatment of cellulosic fibers in aqueous suspension in particular to increase the bonding potential of the fibers used in the composition of the paper, the generic term "paper” covering paper, paper-cardboard and cardboard.
  • Paper pulp also called “pulp”, is in the form of a suspension of cellulosic fibers dispersed in water. It is generally introduced into the air gap of a refiner type rotating machine.
  • the air gap is the space existing between two facing grooved surfaces, arranged on discs or cones in relative movement.
  • the speed differential at the periphery between the rotor (rotating part) and the stator (fixed part) is generally of the order of 20 to 25 m/s, and generates a shearing phenomenon.
  • the fibers When the paper pulp passes through the air gap, which is approximately 100 um to 300 um (compared to the dimensions of the fibers of the order of 1 to 3 mm by 15 to 40 um in diameter), the fibers are subjected to a succession of compressive and shear forces, which induce morphological modifications of their ultrastructure. Three primary effects are generally associated with these morphological transformations: hydration, fibrillation and cutting.
  • the compression forces will compress the fibers, having the technical effect of hydrating the fibers, delaminating their wall, softening them and making them more flexible.
  • Increasing the flexibility of the fibers has the advantage of significantly increasing the bonding surface between the fibers, which is subsequently favorable for the formation of the sheet of paper and its mechanical properties.
  • the shear forces will generate surface fibrillation by tearing off pieces on the outer part of the fiber wall. They will also cause the fibers to be cut, but also the removal of surface fibrils, which will increase the content of fine elements in the paper pulp.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks (clogging of the fabrics, alteration of drainability, increase in the energy associated with the generation of vacuum, limitation of the speed of the production machines, reduction in yield, increase in steam consumption and therefore the energy required for drying the paper, elements non-recycled fines, non-recoverable waste) by proposing an alternative treatment process for fibers (advantageously cellulosic), which does not generate shear, or at least so little that it becomes negligible, therefore reduces or even eliminates the generation of fine elements and cut fibers.
  • the invention also aims to provide such a process which is less energy intensive, while making it possible to improve the properties of the fibers and therefore intrinsically the properties of the paper, or even to develop new papers.
  • the method according to the invention makes it possible to increase the bonding potential of the fibers.
  • the present invention makes it possible to refine the cellulosic fiber, limiting, or even avoiding, the alteration of the drainability properties (°SR).
  • the invention relates to a method of mechanical treatment of cellulosic fibers by mechanical compression of an aqueous suspension of cellulosic fibers comprising the following steps preparation of an aqueous suspension of cellulosic fibers having a concentration of between 5% and 20% by weight of cellulosic fibers, mechanical compression of the aqueous suspension of cellulosic fibers in a mixer, the mixer comprising: a body defining a mixing enclosure delimited by a wall forming a fixed compression surface capable of coming into contact with the suspension of fibers , at least one mixing axis positioned in the mixing enclosure and comprising: a rotating movable shaft, a plurality of mixing elements (or paddles) fixed on the shaft, projecting radially from the shaft, and each provided of a compression surface movable in rotation and capable of coming into contact with the suspension of fibers, process in which the compression surfaces of the mixing elements face the compression surface of the mixing enclosure, so as to define between said respective compression surfaces of the mixing elements and
  • the mixing elements are configured so as to provide an increasing compression profile in the mixer.
  • the mixer comprises at least two mixing axes positioned in the mixing enclosure, parallel to each other, the compression surfaces of the mixing elements of said mixing axes facing each other, so as to define between they additional compression zones of the suspension of fibers circulating between the mixing axes.
  • the mixer can be easily integrated into a continuous process, for example between the pulper and the paper or cardboard production machine, after a step of thickening (or thickening) of the pulp (aqueous suspension of cellulosic fibers).
  • a thickening step is particularly suitable for processes using recycled cellulosic fiber pulp; in this case, a thickener can 1) separate the water from the paper pulp preparation circuit from the water from the paper machine and 2) feed the mixer.
  • the mixing enclosure comprises at least one entry zone, a mixing zone and an exit zone, the suspension of fibers being introduced into the entry zone and being extracted from the exit zone, each mixing axis comprising at least one endless screw fixed on the shaft, arranged in the entry zone and arranged to move the suspension of fibers from the entry zone to the exit zone through the mixing zone, said pluralities of mixing elements being arranged in the mixing zone and the outlet zone being or not integrated into the mixing zone.
  • the mixing zone comprises several successive mixing sectors, the mixing elements of each mixing axis being distributed in series, a series corresponding to a mixing sector, the mixing elements of the same series being identical, and the mixing elements from one series to another being different in their shape and/or their thickness and/or their radius and/or their compression profile (the compression profile including the orientation of the mixing element relative to the 'axis).
  • the mixing elements are made up of flat or complex parts, which have a section chosen from the group comprising an ovoid section comprising a lobe, an oblong section comprising two lobes, a triangular section comprising three lobes, a polygonal section comprising a number of lobes corresponding to the number of angles, and a compression profile chosen from the group comprising a straight (or flat) profile, a helical profile, a curved profile, a notched profile.
  • the lobe(s) may have a flattened end.
  • the mixer comprises an alternation of mixing elements having a straight (or flat) compression profile and a helical profile.
  • the minimum distance which separates the mixing axis(es) from the mixing chamber is between 0.1 mm and 0.6 mm, preferably between 0.15 mm and 0.6 mm, in particular between 0. 3 mm and 0.6 mm or between 0.3 mm and 0.5 mm. This minimum distance may in particular be between 0.15 mm and 0.4 mm. Beyond 1 mm, the mixer does not make it possible to make the cellulosic fibers more flexible, although this is the desired effect in order to improve the properties of the cellulosic fibers.
  • the minimum distance separating two mixing axes is identical to the minimum distance which separates the mixing axis(es) from the mixing chamber.
  • the mixer comprises at least two mixing axes positioned in the mixing enclosure
  • the mixing axes are co-rotating, in that they rotate in the same direction of rotation.
  • the mixer comprises at least two mixing axes positioned in the mixing enclosure
  • the mixing elements of two mixing axes whose compression surfaces face each other have an identical compression profile.
  • the speed differential between the periphery of the pallets (mixing elements) and the mixing chamber is less than or equal to 15 m/s.
  • This differential can be at least 0.1 m/s, for example at least 2 m/s, in particular between 0.1 and 15 m/s. It can in particular be between 0.5 and 10 m/s, in particular between 0.5 and 5 m/s, advantageously between 0.5 and 1.5 m/s. Above 15 m/s, cellulosic fibers undergo significant shearing and are therefore shortened.
  • the residence time of the fiber suspension in the mixer is between 15 seconds and 15 minutes, for example between 15 seconds and 10 minutes, preferably between 15 seconds and 6 minutes, preferably between 15 seconds and 5 minutes, and more between 15 seconds and 3 minutes.
  • the residence time of the fiber suspension in the mixer and the speed differential between the mixing axis(es) and the mixing chamber allow a number of compressions of at least 500, advantageously between 500 and 5000 , more advantageously between 3000 and 5000.
  • the aqueous suspension of cellulosic fibers is prepared from a mixture of cellulosic fibers and water, and optionally mineral fillers, the proportion of dry cellulosic fibers being between 5 and 20% by weight, advantageously between 5 and 15% by weight, preferably between 8 and 15% by weight of the aqueous suspension.
  • a concentration greater than 20% by weight, for example between 25 and 45% by weight damages the cellulosic fibers and does not allow the mechanical properties to be improved, for example the flexibility allowing the bonding surface to be increased (binder effect).
  • cellulose fibers Indeed, beyond 20% by weight, cellulosic fibers tend to be shortened and to be “kink” and rolled (“curling”). Below 5% by weight, the aqueous suspension of cellulosic fibers undergoes a phase separation phenomenon in the mixer, which prevents homogeneous treatment in particular.
  • the process according to the invention further comprises, prior to the mechanical compression of the aqueous suspension of cellulosic fibers, a step of thickening said aqueous suspension of cellulosic fibers to form a paste.
  • this step makes it possible to increase the concentration of the aqueous suspension of cellulosic fibers, between 5 and 20% by dry weight of cellulosic fibers.
  • the treatment method of the invention has the advantage of minimizing waste, reducing production costs, improving the life cycle of the paper, and entering in a virtuous circle favorable to the environment. Furthermore, to the extent that the fibers are compressed by kneading, and not refined by shearing, the long softwood fibers are cut less thanks to the process of the invention. Thus, to adjust the tear resistance in particular, it becomes possible to reduce the proportion of softwood in the hardwood/softwood mixture intended to form the sheet of paper. We therefore make savings on the cost of raw materials.
  • Another advantage of the process of the invention is that it leads to an improvement in the recycling of paper, to the extent that the latter contains fewer fine elements, generally eliminated by the recycling process (flotation, washing in particular), favoring again the life cycle of paper.
  • Figure 1 is a plan view showing a mixer inserted between a pulper and a paper manufacturing machine.
  • Figure 2 is a radial section of the mixer of Figure 1.
  • Figure 3 is a perspective view of two mixing axes of the mixer of Figure 2.
  • Figure 4 is a perspective view of another embodiment of the mixing axes of Figure 3.
  • Figure 5 is a graph comparing the drainage/mechanical properties ratio of paper between the kneading treatment process according to the invention and a conventional refining process.
  • Figure 6 is a graph comparing the permeability/tensile strength ratio of paper between the kneading treatment process according to the invention and a conventional refining process.
  • Figure 7 is a graph illustrating the influence, on the tear resistance, of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (eucalyptus) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • Figure 8 is a graph illustrating the influence, on the tensile strength, of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (eucalyptus) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • Figure 9 is a graph illustrating the influence, on the drainability (°SR), of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (eucalyptus) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • Figure 10 is a graph illustrating the influence, on the tear resistance, of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (resinous) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • Figure 11 is a graph illustrating the influence, on the tensile strength, of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (resinous) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • Figure 12 is a graph illustrating the influence, on the drainability (°SR), of the concentration of the suspension of cellulosic fibers (resinous) during mixing as a function of the rotation speed and the compression profile.
  • FIG. 1 to 6 show the following nomenclature:
  • Figures 1 to 4 show two mixing axes, the description of these figures can be generalized to mixers having a single mixing axis or more than two.
  • the identical elements or parts bear the same reference numbers. Additionally, terms that have a relative meaning, such as vertical, horizontal, right, left, front, back, above, below, etc. must be interpreted under normal conditions of use of the invention, and as represented in the figures.
  • the axes are not limited in the strict sense defined in geometry, but extend to geometric positions which are close, that is to say which accept a certain tolerance in the technical field considered, without influence on the result obtained. This tolerance is notably introduced by the adverb “sensibly”, without this term necessarily being repeated before each adjective.
  • the mechanical treatment process according to the invention applies to any aqueous suspension of fibers, preferably cellulosic fibers for the paper industry, covering paper, paper-cardboard and cardboard.
  • the suspension may include a mixture of cellulosic fibers and water, and optionally mineral fillers, depending on the specifications.
  • the proportion of dry cellulosic fibers can be significant and for example between 5 and 20% by weight, and preferably between 8 and 15% by weight of the aqueous suspension, without these values being limiting.
  • the process of the invention has the advantage of making the cellulosic fibers flexible by compression-kneading, that is to say, of softening them, generating few or no fine elements and cut fibers. .
  • the resulting improvement in mechanical properties makes it possible to reduce the weight of the paper according to the objectives sought in terms of quality/price ratio of the paper.
  • the process of the invention also makes it possible to improve certain properties of cellulosic fibers.
  • This advantage makes it possible to consider mixtures of fibers from, for example, hardwoods, softwoods and others, and to vary the ratios from 0 to 100%, depending on the objectives sought in terms of quality/price ratio of the paper. Fibers from softwoods having a cost price much higher than that of fibers from hardwoods can thus represent a lower share than that of other fibers, without harming the properties of the paper, and in particular tearing.
  • the process according to the invention generating little or no shear, it is possible to use fibers from annual plants although these are generally sensitive to shear.
  • the mechanical treatment method according to the invention consists of a step of compressing the aqueous suspension of cellulosic fibers in a mixer, instead of the conventional compression and shearing step between two surfaces rotating blades.
  • the mixer used in said process is known in very different fields of papermaking. It is mainly used to homogenize viscous materials, such as polymers, compositions, composites or similar, used in cosmetics, adhesives, plastics processing, chemistry, etc. It may in particular be a UCP type mixer from the HASLER company.
  • the mixer 1 as shown in Figure 1 is fed by an aqueous suspension of cellulosic fibers 2 from a pulper 3 or any other equivalent machine. It supplies a paper manufacturing machine 4 with its output to form a sheet or strip of paper 5.
  • the mixer 1 can easily be integrated into a continuous process, between the pulper and the machine after a pulp thickening step. , allowing a gain in productivity and a reduced production cost.
  • the mixer 1 mainly comprises: a hermetically closed body 10, elongated along an axis the inlet 13 upstream, for the admission of the fiber suspension to be treated, and an outlet 14 downstream of the mixing enclosure 11, for the reception of at least a fraction of the treated suspension, and at least one mixing axis 20, elongated along the axis X, positioned in the mixing enclosure 10.
  • the mixing axis 20 comprises: a shaft 21 movable in rotation around said axis radial, each delimited by a peripheral wall forming a compression surface 23 integral in rotation with the shaft.
  • the compression surface 23 is distant from the axis of rotation X by a non-constant radius, which varies between a maximum radius and a minimum radius depending on the point considered on said wall.
  • the irregular profile of the compression surface of the mixing elements relative to the axis of the shaft makes it possible to ensure, in cooperation with another corresponding compression surface, optimal compression of the fibrous suspension, thus leading to satisfactory mixing.
  • the mixing elements 22 arranged along the shaft 21 are preferably alternate (as opposed to eclipsed, along the axis X) in that they are oriented relative to each other in different angular positions for create a variable compression profile along the mixing axis 20.
  • the compression surfaces 23 of the mixing elements 22 which face the compression surface 12 of the mixing enclosure 11 on the one hand, and said compression surface 12 of the mixing enclosure 11 on the other hand hand define between them compression zones ZC of the suspension of fibers 2 circulating between the body 10 and the mixing axis 20.
  • the compression zones ZC thus correspond to the volume remaining between the mixing axis 20 and the enclosure of mixing 11, which contains the suspension of fibers 2. They are marked very roughly by ovals in Figure 2.
  • variable compression profile of the mixing elements 22 the shape, location and volume of the compression zones ZC do not are not constant and vary permanently with the angular position of the shaft 21, having the effect of generating a large number of compressive forces on the suspension of fibers 2 during the rotation of the mixing axis 20 during the mixing operation.
  • the cellulosic fibers are kneaded, crushed, compressed, compressed, mixed, kneaded, but are not or very little cut or sheared because they undergo no or very little shearing stress (the rotation speed of the pallets is low , typically of the order of 20 to 600, in particular between 20 and 350 revolutions per minute for example - rotation per minute or the acronym "rpm" in English - for a pallet diameter of approximately 25 mm, and therefore the shear to the wall is low, that is to say ⁇ 1 m/s for a laboratory mixer.
  • the diameter of the paddles can for example be around 300 mm, for a shear at the wall of approximately 6m/s, which remains low compared to the size of the mixer and the quantity of suspension treated close to 2 tonnes per hour).
  • the process of the invention induces shearing of the fibers which is negligible compared to their compression.
  • the mixer 1 may comprise more than one mixing axis 20, and for example two mixing axes 20 or more than two mixing axes, positioned in the mixing enclosure 11, parallel to one another.
  • the compression surfaces 23 of the mixing elements 22 which face each other respectively define between them additional compression zones ZC for the suspension of fibers 2 circulating between the mixing axes 20.
  • axes of mixing 20 of identical or almost identical structure, positioned between them such that the compression profile of one of the mixing axes matches the compression profile of the other mixing axis, and rotating at the same speed.
  • the mixing axes 20 can be co-rotating and thus rotate in the same direction of rotation, as shown in Figure 2 by the arrows in the counterclockwise direction, or counter-rotating and thus rotate in opposite directions of rotation.
  • Figure 2 illustrates a radial section of a mixer 1 comprising two mixing axes 20 parallel to each other in a mixing enclosure 11.
  • the mixing axes 20 each comprise mixing elements 22 of oblong geometry.
  • the mixing axes 20 are angularly offset relative to each other, so that the two corresponding mixing elements 22 are positioned perpendicular to each other, without this relative position being obligatory and identical for the other mixing elements 22 not shown.
  • the mixing axes 20 rotate in the same direction of rotation and at the same speed.
  • the center distance between the two shafts 21 of the mixing axes 20, as well as the profile of the compression surface 12 of the mixing enclosure 11 are defined according to the geometry of the mixing elements 22, to introduce a distance respective minimum DM between the mixing axes 20 and the mixing chamber 11, and between the mixing axes 20 themselves.
  • the minimum distance DM which is represented in Figure 2 by circles, is preferably between 0.1 mm and 0.6 mm, preferably between 0.15 mm and 0.6 mm, in particular between 0.3 mm and 0.6 mm or between 0.3 mm and 0.5 mm. This minimum distance may in particular be between 0.15 mm and 0.4 mm.
  • This minimum distance DM allows in particular the rotation of the mixing axes 20 in the mixing enclosure 11 without conflict, while allowing in a very limited manner the circulation of the suspension of fibers 2 in these restricted spaces.
  • the mixing elements 22 can have different geometries, thicknesses and compression profiles depending on the type of treatment and the degree of flexibility to be achieved, the nature and composition of the fiber suspension to be treated, and the papermaker's specifications. .
  • the mixing elements 22 illustrated in Figure 2 are flat parts, of long ob-shape, symmetrical with respect to two perpendicular planes passing through the axis of rotation X, and comprise two diametrically opposed lobes 24.
  • the mixing elements 22 may have an ovoid shape, symmetrical with respect to a plane passing through the axis of rotation X and comprising a single lobe (not shown). They can have a triangular shape, symmetrical with respect to a plane passing through the axis of rotation X and one of the vertices, and comprising three lobes (represented in Figure 4). They can also have a polygonal section, symmetrical or not with respect to a plane passing through the axis of rotation X, and whose number of lobes corresponds to the number of angles of the polygon (not represented). Finally, they can have a complex shape, symmetrical or not with respect to a plane passing through the axis of rotation X (not shown).
  • the mixing elements 22 may include parts whose peripheral wall, that is to say the compression surface, is flat or not, and whose compression profile in the thickness of the part is variable, such such as a straight (or flat) profile, a helical profile, a curved profile, a notched profile, a complex profile.
  • a succession along the shaft of parts whose thickness has a helical profile leads to a helical mixing axis forming a complete helix, each part constituting a fraction of the helix.
  • Figure 3 illustrates two parallel, identical mixing axes 20, offset from each other by an angle of 90°, each provided with flat, oblong mixing elements 22 with two lobes 24, with a straight compression profile in the thickness, substantially identical to those shown in Figure 2.
  • the mixing elements 22 of the same axis are angularly offset relative to each other by 90°, and the mixing elements 22 of the two mixing axes 20 are alternated axially to allow their radial nesting.
  • Figure 4 illustrates two parallel, identical 20' mixing axes, without angular offset, each provided with flat, triangular 22' mixing elements with three equidistant 24' lobes, with a straight compression profile in the thickness.
  • the mixing elements 22' of the same axis are angularly offset relative to each other by 30°, and the mixing elements 22' of the two mixing axes 20' fit together radially.
  • the mechanical treatment method according to the invention offers a flexible, modular, adaptable, scalable compression kneading solution, making it possible to vary, modify and refine the properties of the fibers depending on the paper to be manufactured.
  • This process is also part of a research and development process for new papers.
  • the structure of the mixer 1 as well as its operating parameters can be easily chosen, modified and/or combined.
  • the structure of the mixer 1 is determined by the number of mixing axes 20 as well as by the arrangement and choice of geometry of the mixing elements 22, but not only.
  • the mechanical processing process may also involve several stages to achieve different degrees of flexibility.
  • a mixer 1 comprising a mixing enclosure 11 and at least one mixing axis 20 on which are mounted a series or several series of mixing elements 22 of different and appropriate structures, in which the suspension of fibers 2 is rotated in a loop; by an extended mixer 1 comprising a mixing enclosure 11 and at least one mixing axis 20 on which several series of mixing elements 22 of different and appropriate structures are mounted; by a mixer (not shown) comprising several successive mixing chambers, connected in series, each comprising one or more mixing axes of different and appropriate structures; or by several successive mixers (not shown), connected in series, of different and appropriate structures.
  • the treated fiber suspension 2 can be extracted at each stage of the process and/or at the end of the stages of the process as required.
  • the operating parameters of the mixer 1 can also be chosen, modified and/or combined to vary the mixing characteristics.
  • the following examples can be cited without this list being exhaustive: the feed rate of the mixer 1 with suspension of fibers 2, defining the mixing duration; the mixing temperature: the mixer operates at room temperature, but can also operate at a temperature higher or lower than the room temperature thanks to the body 10 of the mixer 1 which can consist of a double envelope (not shown) allowing the circulation of 'a heat transfer fluid.
  • the mixer is maintained at room temperature by cooling to compensate for the temperature rise due to mixing, in order to better control the viscosity of the dough.
  • the mixing pressure preferably the mixing operation is carried out in a mixing chamber 11 at atmospheric pressure, but depending on the needs could be carried out at a pressure higher or lower than atmospheric pressure.
  • the rotation speed of the mixing axis(es) 20 this speed is preferably relatively low, for example between 20 and 600 rpm, preferably between 20 and 400 rpm or between 20 and 350 rpm; the speed differential between the mixing axes 20 (rotating part) and the mixing enclosure 11 (fixed part) is less than or equal to 15 m/s, thus producing little or no shearing phenomenon; the direction of rotation of the mixing axes 20: co-rotating or counter-rotating; the mixing power transmitted to the fiber suspension 2 by measuring the resistant torque of the mixing axes 20; the mixing time: the residence time of the suspension of fibers 2 in the mixing chamber 11 can be between 15 seconds and 15 minutes, preferably between 15 seconds and 10 minutes, and more preferably between 15 seconds and 5 minutes ; the minimum distance DM between the mixing axes 20 and the mixing chamber 11 by modifying the
  • the rotation speed of the mixing axes (20 to 600 rpm) and the mixing conditions (speed differential ⁇ 20 m/s and the residence time between 15 seconds and 15 minutes) allow short mechanical compression. and frequent, which has the effect of limiting the deterioration of cellulosic fibers.
  • the cellulosic fibers are less damaged, or even preserved, compared to long and frequent or infrequent mechanical compressions.
  • This phenomenon which cannot be detected or envisaged before having implemented the process of the invention, makes it possible to further increase the performance of the mixing and the advantages of the process which result from it, such as better flexibility of the fibers, a content in improved fibers, new paper pulp formulations possible, reduced power consumption allowing significant energy savings, very little wear on moving parts allowing reduced maintenance of the mixer 1.
  • the mixing enclosure 11 comprises an inlet zone ZE, a mixing zone ZM and an outlet zone ZS, which follow one another axially.
  • the inlet zone ZE is coupled to the inlet orifice 13 and preferably comprises an endless screw 25 fixed on the corresponding shaft 21 of each mixing axis 20, to move the suspension of fibers 2 axially in the direction of the mixing zone ZM then the exit zone ZS.
  • the mixing zone ZM includes the mixing elements 20 described above.
  • the exit zone ZS can be confused with the end of the mixing zone ZM and also includes elements mixers 20 which may or may not be different from those of the mixing zone ZM.
  • the outlet zone ZS communicates with the outlet orifice 14 which can be gravity or combined with any other means of extraction.
  • the mixer 1 may include several inlet ports 15, 16 which can be used to introduce additives, fillers and other materials into the suspension of fibers 2 during mixing. It can also include several outlet ports (not shown) which can be used to extract all or part of the suspension of fibers 2 during mixing, gases and other condensates generated during treatment. This is particularly advantageous because the operator can recover several fractions of kneaded fibers having different degrees of compression and therefore different properties depending on their respective outlet stitching, during the same kneading operation.
  • Figures 5 and 6 are graphs resulting from tests carried out on paper made from cellulosic fibers treated according to the compression kneading process of the invention (points on the graphs) and according to a conventional refining process by compression and shear (curve on the graphs). They make it possible to illustrate the improvement in the mechanical properties and drainability of the paper pulp obtained with the process of the invention.
  • Figure 5 represents the evolution of the drainage index (°SR) on the ordinate as a function of the burst index (“Burst index” in English) on the abscissa.
  • the drainage index or Schopper-Riegler index, is defined according to the ISO 5267-1 standard as the number of centiliters of water drained through a cake of dough flowing through the overflow of a reservoir. It represents a measure of the rate at which water can be extracted from a diluted pulp suspension.
  • the burst index corresponds to the mechanical resistance of the fibers. In simple terms, the higher this index, the more resistant and good quality the paper.
  • a fibrous suspension eucalyptus fibers at 8-15% by weight in water + compression with a speed differential of 0.5 to 1 m/s
  • a fibrous suspension eucalyptus fibers at 8-15% by weight in water + compression with a speed differential of 0.5 to 1 m/s
  • a speed differential of 0.5 to 1 m/s treated by mixing in accordance with the process of the invention allows to achieve high dripping speeds with a high burst index.
  • We thus obtain a good quality paper whose production rate is improved through a high draining speed of the fibrous suspension from which it comes.
  • Figure 5 shows the improvement in the drainage/mechanical properties ratio of the paper when the cellulosic fibers are treated in a mixer according to the invention compared to conventional refining in a disc refiner (points connected by the discontinuous curve in Figure 5 ).
  • the points not connected by a line correspond to the treatment according to the invention, at different speeds and concentrations of cellulosic fibers (8 to 15% by weight).
  • treatment in a mixer makes it possible to increase the bursting index, for example to triple or almost quadruple it for a drainage of 20° SR.
  • Figure 5 shows that values greater than 65° SR are achieved for conventional refining (200 and 400 kW.h per ton of cellulosic fibers) while it is systematically lower than 52° SR for treatment according to invention.
  • Figure 6 represents the evolution of the air permeability of the paper as a function of its tensile strength index.
  • the air permeability of paper is defined by the ISO 5636 series of standards as the average flow rate of air that passes through a unit area under a unit pressure difference in a unit time, under specified conditions.
  • Figure 6 shows the improvement in the ratio between air permeability and tensile strength of paper when the cellulosic fibers are treated in a mixer according to the invention compared to conventional refining in a disc refiner (points connected by the discontinuous curve in Figure 6).
  • the points not connected by a line correspond to the treatment according to the invention, at different speeds and concentrations of cellulosic fibers (8 to 15% by weight).
  • treatment in a mixer makes it possible to increase the tensile strength index, for example a gain of 50% (+20 N.m/g) for an air permeability of approximately 1800 mL/min.
  • Figures 7 to 12 show that the best tear strength/tensile strength/drainage compromise is obtained for a cellulosic fiber concentration of between 5 and 20% by weight in water.
  • the drainage values are systematically lower than 60° SR (figures 9 and 12) while they can reach more than 85° SR in the case of conventional refining (figure 5).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de traitement mécanique de fibres cellulosiques en suspension aqueuse par compression dans un malaxeur (1), comprenant un corps (10) définissant une enceinte de malaxage (11) dont la paroi forme une surface de compression (12) fixe, et au moins un axe de malaxage (20) positionné dans l'enceinte de malaxage (11) et comprenant un arbre (21) mobile en rotation, et une pluralité d'éléments malaxeurs (22) fixés sur l'arbre (21), faisant saillie radialement de l'arbre, et munis chacun d'une surface de compression (23) mobile en rotation. Dans ledit procédé, les surfaces de compression (23) des éléments malaxeurs (22) font face à la surface de compression (12) de l'enceinte de malaxage (11), de sorte à définir entre elles des zones de compression (ZC) de la suspension de fibres (2) circulant entre le corps (10) et l'axe de malaxage (20). Les surfaces de compression (23) des éléments malaxeurs (22) présentent un profil de compression dont le rayon par rapport à l'arbre (21) varie selon la position angulaire dudit arbre, de manière à comprimer la suspension de fibres (2) dans lesdites zones de compression (ZC) lors de la rotation dudit axe de malaxage (20).

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE FIBRES CELLULOSIQUES PAR COMPRESSION MECANIQUE NOTAMMENT POUR PATE A PAPIER
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de traitement mécanique de fibres cellulosiques en suspension aqueuse notamment pour augmenter le potentiel de liaison des fibres entrant dans la composition du papier, le terme générique « papier » couvrant le papier, le papier-carton et le carton.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Le raffinage des fibres est l’un des traitements les plus importants dans l’industrie des pâtes à papier. Cette opération est le traitement clé permettant d’ajuster les propriétés de résistance mais aussi la qualité du papier, telles que les propriétés mécaniques, optiques et d’imprimabilité du papier. Selon le niveau de raffinage, la gamme de types de papier varie du papier buvard (sans raffinage) aux papiers calques nécessitant un raffinage intense. Elle permet aussi, lorsque la pâte à papier est enrichie en charges minérales, d’améliorer le taux de rétention de ces charges dans le papier, et de compenser les baisses de propriétés mécaniques du papier induites par les charges, telles que sa résistance à la traction et/ou au déchirement. Le raffinage est donc une opération indispensable.
La pâte à papier, également appelée « pulpe », se présente sous la forme d’une suspension de fibres cellulosiques dispersées dans l’eau. Elle est généralement introduite dans l’entrefer d’une machine tournante de type raffïneur. L’entrefer est l’espace existant entre deux surfaces rainurées en vis-à-vis, disposées sur des disques ou des cônes en mouvement relatif. Le différentiel de vitesse à la périphérie entre le rotor (partie tournante) et le stator (partie fixe) est généralement de l’ordre de 20 à 25 m/s, et engendre un phénomène de cisaillement. Lorsque la pâte à papier passe au travers de l’entrefer, qui fait environ 100 um à 300 um (à comparer aux dimensions des fibres de l’ordre de 1 à 3 mm sur 15 à 40 um de diamètre), les fibres sont soumises à une succession de forces de compression et de cisaillement, qui induisent des modifications morphologiques de leur ultrastructure. Trois effets primaires sont généralement associés à ces transformations morphologiques : l’hydratation, la fibrillation et la coupe.
Les forces de compression vont comprimer les fibres, ayant pour effet technique d’hydrater les fibres, de délaminer leur paroi, de les assouplir et de les rendre plus flexibles. L’augmentation de la flexibilité des fibres a l’avantage d’accroitre de manière significative la surface de liaison entre les fibres, ce qui est favorable ultérieurement pour la formation de la feuille de papier et ses propriétés mécaniques.
Les forces de cisaillement vont générer la fibrillation de surface en arrachant des morceaux sur la partie externe de la paroi des fibres. Elles vont également générer la coupe des fibres, mais aussi l’arrachage des fibrilles de surface, ce qui va augmenter la teneur en éléments fins de la pâte à papier.
Or, la présence d’éléments fins cellulosiques dans la pâte à papier est néfaste pour le processus ultérieur de formation de la feuille de papier. Ils vont générer un colmatage des grilles et altérer « l’égouttabilité » de la pâte à papier, engendrant une limitation de la vitesse des machines de production du papier, donc une réduction de la productivité, et une augmentation de la consommation de vapeur au séchage, donc une augmentation significative de la consommation d’énergie nécessaire pour le séchage du papier. En outre, les éléments fins, récupérés dans les eaux de process, lorsqu’ils ne sont pas recyclés, génèrent un déchet non valorisable.
Les documents US 4,614,304, DE 102 56 856 et DE 102 36 962 décrivent des méthodes de traitement mécanique de fibres cellulosiques.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention vise à pallier ces inconvénients (colmatage des toiles, altération de l’égouttabilité, augmentation de l’énergie associée à la génération du vide, limitation de la vitesse des machines de production, réduction du rendement, augmentation de la consommation de vapeur et donc d’énergie nécessaire pour le séchage du papier, éléments fins non recyclés, déchets non valorisables) en proposant un procédé de traitement alternatif des fibres (avantageusement cellulosiques), qui ne génère pas de cisaillement, ou tout du moins si peu qu’il en devient négligeable, donc réduit voire supprime la génération d’éléments fins et de fibres coupées. L’invention vise également à fournir un tel procédé qui soit moins énergivore, tout en permettant d’améliorer les propriétés des fibres donc intrinsèquement les propriétés du papier, voire de développer de nouveaux papiers. Le procédé selon l’invention permet d’augmenter le potentiel de liaison des fibres.
Plus précisément, pour une résistance mécanique donnée d’une feuille de papier ou de carton, la présente invention permet de raffiner la fibre cellulosique, en limitant, voire en évitant, l’altération des propriétés d’égouttabilité (°SR).
Dans ce but, l’invention concerne un procédé de traitement mécanique de fibres cellulosiques par compression mécanique d’une suspension aqueuse de fibres cellulosiques comprenant les étapes suivantes préparation d’une suspension aqueuse de fibres cellulosiques ayant une concentration comprise entre 5% et 20% en poids de fibres cellulosiques, compression mécanique de la suspension aqueuse de fibres cellulosiques dans un malaxeur, le malaxeur comprenant : un corps définissant une enceinte de malaxage délimitée par une paroi formant une surface de compression fixe apte à entrer en contact avec la suspension de fibres, au moins un axe de malaxage positionné dans l’enceinte de malaxage et comprenant : un arbre mobile en rotation, une pluralité d’éléments malaxeurs (ou palettes) fixés sur l’arbre, faisant saillie radialement de l’arbre, et munis chacun d’une surface de compression mobile en rotation et apte à entrer en contact avec la suspension de fibres, procédé dans lequel les surfaces de compression des éléments malaxeurs font face à la surface de compression de l’enceinte de malaxage, de sorte à définir entre lesdites surfaces de compression respectives des éléments malaxeurs et de l’enceinte de malaxage des zones de compression de la suspension de fibres circulant entre le corps et l’axe de malaxage, et dans lequel les surfaces de compression des éléments malaxeurs présentent un profil de compression dont le rayon par rapport à l’arbre varie selon la position angulaire dudit arbre, de manière à comprimer la suspension de fibres dans lesdites zones de compression lors de la rotation dudit axe de malaxage (en d’autres termes, le profil de compression, à un point défini de l’enceinte de malaxage, varie lors de chaque rotation complète de l’élément malaxeur), le procédé présentant un différentiel de vitesse entre le au moins un axe de malaxage et l’enceinte de malaxage inférieur ou égal à 15 m/s, le malaxeur présentant une distance minimale séparant le au moins un axe de malaxage de l’enceinte de malaxage comprise entre 0,1 mm et 1 mm, la suspension aqueuse de fibres cellulosiques présente un temps de séjour dans le malaxeur compris entre 15 secondes et 15 minutes.
Selon un mode de réalisation particulier, les éléments malaxeurs sont configurés de manière à procurer un profil de compression croissant dans le malaxeur.
De manière avantageuse, le malaxeur comprend au moins deux axes de malaxage positionnés dans l’enceinte de malaxage, parallèlement l’un à l’autre, les surfaces de compression des éléments malaxeurs desdits axes de malaxage se faisant face, de sorte à définir entre elles des zones de compression additionnelles de la suspension de fibres circulant entre les axes de malaxage.
Le malaxeur peut s’intégrer aisément dans un processus continu, par exemple entre le pulpeur et la machine de production du papier ou du carton, après une étape d’épaississement (ou épaississage) de la pâte (suspension aqueuse de fibres cellulosiques). La présence d’une étape d’épaississage est particulièrement adaptée aux procédés mettant en œuvre de la pâte de fibres cellulosiques recyclées ; dans ce cas, un épaississeur peut 1) séparer les eaux du circuit de préparation de la pâte à papier des eaux de la machine à papier et 2) alimenter le malaxeur. De manière avantageuse, l’enceinte de malaxage comporte au moins une zone d’entrée, une zone de malaxage et une zone de sortie, la suspension de fibres étant introduite dans la zone d’entrée et étant extraite de la zone de sortie, chaque axe de malaxage comportant au moins une vis sans fin fixée sur l’arbre, disposée dans la zone d’entrée et agencée pour déplacer la suspension de fibres de la zone d’entrée à la zone de sortie à travers la zone de malaxage, ladite pluralités d’éléments malaxeurs étant disposée dans la zone de malaxage et la zone de sortie étant ou non intégrée à la zone de malaxage.
De manière avantageuse, la zone de malaxage comporte plusieurs secteurs de malaxage successifs, les éléments malaxeurs de chaque axe de malaxage étant répartis en séries, une série correspondant à un secteur de malaxage, les éléments malaxeurs d’une même série étant identiques, et les éléments malaxeurs d’une série à l’autre étant différents dans leur forme et/ou leur épaisseur et/ou leur rayon et/ou leur profil de compression (le profil de compression incluant l’orientation de l’élément malaxeur par rapport à l’axe).
De manière avantageuse, les éléments malaxeurs sont constitués de pièces plates ou complexes, qui ont une section choisie dans le groupe comportant une section ovoïde comportant un lobe, une section oblongue comportant deux lobes, une section triangulaire comportant trois lobes, une section polygonale comportant un nombre de lobes correspondant au nombre d’angle, et un profil de compression choisi dans le groupe comportant un profil droit (ou plat), un profil hélicoïdal, un profil courbe, un profil cranté. Le ou les lobes peuvent présenter une extrémité aplatie.
Selon un mode de réalisation particulier, le malaxeur comprend une alternance d’éléments malaxeurs ayant un profil de compression droit (ou plat) et un profil hélicoïdal. De manière avantageuse, la distance minimale qui sépare le ou les axes de malaxage de l’enceinte de malaxage est comprise entre 0,1 mm et 0,6 mm, préférentiellement entre 0,15 mm et 0,6 mm, notamment entre 0,3 mm et 0,6 mm ou entre 0,3 mm et 0,5 mm. Cette distance minimale peut notamment être comprise entre 0,15 mm et 0,4 mm. Au- delà de 1 mm, le malaxeur ne permet pas de flexibiliser les fibres cellulosiques alors que c’est l’effet recherché dans le but d’améliorer les propriétés des fibres cellulosiques.
De manière avantageuse, la distance minimale séparant deux axes de malaxage est identique à la distance minimale qui sépare le ou les axes de malaxage de l’enceinte de malaxage.
De manière avantageuse, lorsque le malaxeur comprend au moins deux axes de malaxage positionnés dans l’enceinte de malaxage, les axes de malaxage sont co-rotatifs, en ce qu’ils tournent dans un même sens de rotation.
De manière avantageuse, lorsque le malaxeur comprend au moins deux axes de malaxage positionnés dans l’enceinte de malaxage, les éléments malaxeurs de deux axes de malaxage dont les surfaces de compression se font face présentent un profil de compression identique.
De manière avantageuse, le différentiel de vitesse entre la périphérie des palettes (éléments malaxeurs) et l’enceinte de malaxage est inférieur ou égal à 15 m/s. Ce différentiel peut être d’au moins 0,1 m/s, par exemple au moins 2 m/s, notamment entre 0,1 et 15 m/s. Il peut notamment être compris entre 0,5 et 10 m/s, notamment entre 0,5 et 5 m/s, avantageusement entre 0,5 et 1,5 m/s. Au-delà de 15 m/s, les fibres cellulosiques subissent un cisaillement important et sont donc raccourcies.
De manière avantageuse, le temps de séjour de la suspension de fibres dans le malaxeur est compris entre 15 secondes et 15 minutes, par exemple entre 15 seconds et 10 minutes, de préférence entre 15 secondes et 6 minutes, de préférence entre 15 secondes et 5 minutes, et plus entre 15 secondes et 3 minutes. De manière avantageuse, le temps de séjour de la suspension de fibres dans le malaxeur et le différentiel de vitesse entre le ou les axes de malaxage et l’enceinte de malaxage permettent un nombre de compressions d’au moins 500, avantageusement entre 500 et 5000, plus avantageusement entre 3000 et 5000.
De manière avantageuse, la suspension aqueuse de fibres cellulosiques est préparée à partir d’un mélange de fibres cellulosiques et d’eau, et optionnellement des charges minérales, la part de fibres cellulosiques sèches étant comprise entre 5 et 20% en poids, avantageusement entre 5 et 15% en poids, de préférence entre 8 et 15% en poids de la suspension aqueuse. Une concentration supérieure à 20% en poids, par exemple entre 25 et 45% en poids, abime les fibres cellulosiques et ne permet pas d’améliorer les propriétés mécaniques, par exemple la flexibilité permettant d’augmenter la surface de liaison (effet liant), des fibres cellulosiques. En effet, au-delà de 20% en poids, les fibres cellulosiques ont tendance à être raccourcies et à être « coudées » (« kink » en anglais) et enroulées (« curling » en anglais). En dessous de 5% en poids, la suspension aqueuse de fibres cellulosiques subit un phénomène de séparation de phase dans le malaxeur, ce qui empêche un traitement homogène notamment.
De manière avantageuse, le procédé selon l’invention comprend en outre, préalablement à la compression mécanique de la suspension aqueuse de fibres cellulosiques, une étape d’épaississement de ladite suspension aqueuse de fibres cellulosiques pour former une pâte. Lorsque cela est nécessaire, cette étape permet d’augmenter la concentration de la suspension aqueuse de fibres cellulosiques, entre 5 et 20% en poids sec de fibres cellulosiques.
Outre la réduction significative des éléments fins dans la suspension au cours du traitement, le procédé de traitement de l’invention présente l’avantage de minimiser les déchets, réduire les coûts de production, améliorer le cycle de vie du papier, et d’entrer dans un cercle vertueux favorable à l’environnement. Par ailleurs, dans la mesure où les fibres sont comprimées par malaxage, et non raffinées par cisaillement, les fibres longues de résineux sont moins coupées grâce au procédé de l’invention. Ainsi, pour ajuster la résistance à la déchirure notamment, il devient possible de réduire la part de résineux dans le mélange feuillus/résineux destiné à former la feuille de papier. On réalise donc des économies sur le coût des matières premières.
Un autre avantage du procédé de l’invention est qu’il conduit à une amélioration du recyclage du papier, dans la mesure où ce dernier comporte moins d’éléments fins, généralement éliminés par le procédé de recyclage (flottation, lavage notamment), favorisant encore le cycle de vie du papier.
FIGURES
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux figures.
La figure 1 est une vue en plan représentant un malaxeur intercalé entre un pulpeur et une machine de fabrication du papier.
La figure 2 est une section radiale du malaxeur de la figure 1.
La figure 3 est une vue en perspective de deux axes de malaxage du malaxeur de la figure 2.
La figure 4 est une vue en perspective d’une autre forme de réalisation des axes de malaxage de la figure 3.
La figure 5 est un graphe comparant le rapport égouttage / propriétés mécaniques du papier entre le procédé de traitement par malaxage selon l’invention et un procédé de raffinage conventionnel.
La figure 6 est un graphe comparant le rapport perméabilité / résistance à la traction du papier entre le procédé de traitement par malaxage selon l’invention et un procédé de raffinage conventionnel.
La figure 7 est un graphe illustrant l’influence, sur la résistance à la déchirure, de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (eucalyptus) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression. La figure 8 est un graphe illustrant l’influence, sur la résistance à la traction, de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (eucalyptus) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression.
La figure 9 est un graphe illustrant l’influence, sur l’égouttabilité (°SR), de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (eucalyptus) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression.
La figure 10 est un graphe illustrant l’influence, sur la résistance à la déchirure, de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (résineux) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression.
La figure 11 est un graphe illustrant l’influence, sur la résistance à la traction, de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (résineux) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression.
La figure 12 est un graphe illustrant l’influence, sur l’égouttabilité (°SR), de la concentration de la suspension de fibres cellulosique (résineux) lors du malaxage en fonction de la vitesse de rotation et du profil de compression.
Les figures 1 à 6 reprennent la nomenclature suivante :
1 : Malaxeur
2 : Suspension de fibres
3 : Pulpeur
4 : Machine de fabrication du papier
5 : Feuille de papier
10 : Corps
11 : Enceinte de malaxage
12 : Surface de compression (fixe)
13 : Orifice d’entrée
14 : Orifice de sortie
15 et 16 : Piquages d’entrée permettant d’injecter des produits, par exemples des réactifs chimiques
20 : Axe de malaxage
20’ : Axe de malaxage (fig 4)
21 : Arbre 22 : Eléments malaxeurs
22’ : Eléments malaxeurs (fïg 4)
23 : Surface de compression (mobile)
24 : Lobes
24’ Lobes (fïg 4)
25 : Vis sans fin
X : Axe de rotation
ZC : Zones de compression
DM : Distance minimale
ZE : Zone d’entrée
ZM : Zone de malaxage
Z S : Zone de sortie
Quand bien même les figures 1 à 4 montrent deux axes de malaxage, la description de ces figures peut être généralisée à des malaxeurs ayant un seul axe de malaxage ou plus de deux.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION
Dans les exemples de réalisation illustrés, les éléments ou parties identiques portent les mêmes numéros de référence. En outre, les termes qui ont un sens relatif, tels que vertical, horizontal, droite, gauche, avant, arrière, au-dessus, en-dessous, etc. doivent être interprétés dans des conditions normales d’utilisation de l’invention, et telles que représentées sur les figures. Les axes X, Y et Z sont quant à eux définis par un repère orthonormé illustré à la figure 1. Par ailleurs, les positions géométriques indiquées dans la description et les revendications, telles que « perpendiculaire », « parallèle », «symétrique » ne sont pas limitées au sens strict défini en géométrie, mais s’étendent à des positions géométriques qui sont proches, c’est-à-dire qui acceptent une certaine tolérance dans le domaine technique considéré, sans influence sur le résultat obtenu. Cette tolérance est notamment introduite par l’adverbe « sensiblement », sans que ce terme soit nécessairement répété devant chaque adjectif. Le procédé de traitement mécanique selon l’invention s’applique à toute suspension aqueuse de fibres, de préférence des fibres cellulosiques pour l’industrie du papier, couvrant le papier, le papier-carton et le carton. La suspension peut comprendre un mélange de fibres cellulosiques et d’eau, et optionnellement des charges minérales, en fonction du cahier des charges. La part de fibres cellulosiques sèches peut être importante et par exemple comprise entre 5 et 20% en poids, et de préférence entre 8 et 15% en poids de la suspension aqueuse, sans que ces valeurs ne soient limitatives.
Comme expliqué ci-après, le procédé de l’invention a l’avantage de flexibiliser les fibres cellulosiques par compression-malaxage, c’est-à-dire de les assouplir, en générant peu voire pas d’éléments fins et de fibres coupées. L’amélioration des propriétés mécaniques qui en résulte permet de réduire le grammage du papier en fonction des objectifs recherchés en termes de rapport qualité / prix du papier.
En outre, le procédé de l’invention permet également d’améliorer certaines propriétés des fibres cellulosiques. Cet avantage permet d’envisager des mélanges de fibres issues par exemple de feuillus, de résineux et autres, et de varier les ratios de 0 à 100%, en fonction des objectifs recherchés en termes de rapport qualité / prix du papier. Les fibres issues de résineux ayant un prix de revient bien supérieur à celui des fibres issues de feuillus peuvent ainsi représenter une part inférieure à celle des autres fibres, sans nuire aux propriétés du papier, et notamment à la déchirure.
Le procédé selon l’invention engendrant peu ou pas de cisaillement, il est possible d’utiliser des fibres de plantes annuelles alors que celles-ci sont généralement sensibles au cisaillement.
En référence à la figure 1, le procédé de traitement mécanique selon l’invention consiste en une étape de compression de la suspension aqueuse de fibres cellulosiques dans un malaxeur, en lieu et place de l’étape de compression et de cisaillement conventionnelle entre deux surfaces de lames tournantes. Le malaxeur mis en œuvre dans ledit procédé est connu dans des domaines bien différents de la papeterie. Il est principalement utilisé pour homogénéiser des matières visqueuses, telles que des polymères, des compositions, des composites ou similaires, utilisées dans la cosmétique, les adhésifs, la plasturgie, la chimie, etc. Il peut notamment s’agir d’un malaxeur de type UCP de la société HASLER.
Dans la présente invention, le malaxeur 1 tel que représenté à la figure 1 est alimenté par une suspension aqueuse de fibres cellulosiques 2 issue d’un pulpeur 3 ou de toute autre machine équivalente. Il alimente en sortie une machine de fabrication du papier 4 pour former une feuille ou une bande de papier 5. Le malaxeur 1 peut s’intégrer aisément dans un processus continu, entre le pulpeur et la machine après une étape d’épaississement de la pâte, permettant un gain de productivité et un coût de production réduit.
Le malaxeur 1 comprend principalement : un corps 10 fermé hermétiquement, allongé selon un axe X, définissant une enceinte de malaxage 11, délimitée par une paroi périphérique formant une surface de compression fixe 12, ledit corps 10 étant pourvu au moins d’un orifice d’entrée 13 en amont, pour l’admission de la suspension de fibres à traiter, et d’un orifice de sortie 14 en aval de l’enceinte de malaxage 11, pour la réception d’au moins une fraction de la suspension traitée, et au moins un axe de malaxage 20, allongé selon l’axe X, positionné dans l’enceinte de malaxage 10.
L’axe de malaxage 20 comprend : un arbre 21 mobile en rotation autour dudit axe X, et une pluralité d’éléments malaxeurs 22, aussi appelés « palettes », fixés sur l’arbre 21, faisant saillie de l’arbre dans un sens radial, délimités chacun par une paroi périphérique formant une surface de compression 23 solidaire en rotation avec l’arbre. La surface de compression 23 est distante de l’axe de rotation X d’un rayon non constant, qui varie entre un rayon maximal et un rayon minimal selon le point considéré de ladite paroi. Comme il sera décrit plus en détails dans la suite du présent texte, le profil irrégulier de la surface de compression des éléments malaxeurs par rapport à l’axe de l’arbre permet d’assurer, en coopération avec une autre surface de compression correspondante, une compression optimale de la suspension fibreuse, conduisant ainsi à un malaxage satisfaisant.
Les éléments malaxeurs 22 disposés le long de l’arbre 21 sont de préférence alternés (par opposition à éclipsés, selon l’axe X) en ce qu’ils sont orientés l’un par rapport à l’autre dans des positions angulaires différentes pour créer un profil de compression variable le long de l’axe de malaxage 20.
Selon ledit procédé, les surfaces de compression 23 des éléments malaxeurs 22 qui font face à la surface de compression 12 de l’enceinte de malaxage 11 d’une part, et ladite surface de compression 12 de l’enceinte de malaxage 11 d’autre part, définissent entre elles des zones de compression ZC de la suspension de fibres 2 circulant entre le corps 10 et l’axe de malaxage 20. Les zones de compression ZC correspondent ainsi au volume restant entre l’axe de malaxage 20 et l’enceinte de malaxage 11 , qui contient la suspension de fibres 2. Elles sont repérées très grossièrement par des ovales à la figure 2. Grâce au profil de compression variable des éléments malaxeurs 22, la forme, la localisation et le volume des zones de compression ZC ne sont pas constants et varient en permanence avec la position angulaire de l’arbre 21, ayant pour effet de générer un grand nombre de forces de compression sur la suspension de fibres 2 lors de la rotation de l’axe de malaxage 20 au cours de l’opération de malaxage. Ainsi, les fibres cellulosiques sont malaxées, triturées, comprimées, compressées, mélangées, pétries, mais ne sont pas ou très peu coupées ou cisaillées car elles ne subissent pas ou très peu d’efforts de cisaillement (la vitesse de rotation des palettes est faible, typiquement de l’ordre de 20 à 600, notamment entre 20 et 350 tours par minute par exemple - rotation per minute ou l’acronyme « rpm » en anglais - pour un diamètre de palette d’environ 25 mm, et donc le cisaillement à la paroi est faible, c’est-à-dire < 1 m/s pour un malaxeur de laboratoire. Pour un malaxeur industriel, le diamètre des palettes peut par exemple être d’environ 300 mm, pour un cisaillement à la paroi d’environ 6m/s, ce qui reste faible comparativement à la taille du malaxeur et à la quantité de suspension traitée voisine de 2 tonnes par heure). En d’autres termes, contrairement au raffinage classique, le procédé de l’invention induit un cisaillement des fibres négligeable par rapport à leur compression.
Le malaxeur 1 peut comporter plus d’un axe de malaxage 20, et par exemple deux axes de malaxage 20 ou plus de deux axes de malaxage, positionnés dans l’enceinte de malaxage 11, parallèlement l’un par rapport à l’autre. Ainsi, les surfaces de compression 23 des éléments malaxeurs 22 qui se font face respectivement définissent entre elles des zones de compression ZC additionnelles pour la suspension de fibres 2 circulant entre les axes de malaxage 20. Dans ce cas, on choisira de préférence des axes de malaxage 20 de structure identique ou quasi identique, positionnés entre eux de telle sorte que le profil de compression d’un des axes de malaxage épouse le profil de compression de l’autre axe de malaxage, et tournant à une même vitesse. Dans ce mode préféré, on veillera avantageusement à ce que deux éléments malaxeurs 22 qui se font face présentent une même forme. Les axes de malaxage 20 peuvent être co-rotatifs et ainsi tourner dans un même sens de rotation, comme représenté à la figure 2 par les flèches dans le sens antihoraire, ou contre-rotatifs et ainsi tourner dans des sens de rotation contraires.
La figure 2 illustre une section radiale d’un malaxeur 1 comportant deux axes de malaxage 20 parallèles entre eux dans une enceinte de malaxage 11. Les axes de malaxage 20 comportent chacun des éléments malaxeurs 22 de géométrie oblongue. Les axes de malaxage 20 sont décalés angulairement l’un par rapport à l’autre, de sorte que les deux éléments malaxeurs 22 correspondants sont positionnés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre, sans que cette position relative ne soit obligatoire et identique pour les autres éléments malaxeurs 22 non représentés. Cela signifie, par exemple, que pour une position déterminée des arbres de malaxage, une première paire d’éléments malaxeurs qui se font face peuvent être décalés de 90° l’un par rapport à l’autre, tandis qu’une deuxième paire d’éléments malaxeurs qui se font face peuvent être décalés de 45° l’un par rapport à l’autre. Les axes de malaxage 20 tournent dans un même sens de rotation et à la même vitesse. L’entraxe entre les deux arbres 21 des axes de malaxage 20, ainsi que le profil de la surface de compression 12 de l’enceinte de malaxage 11 sont définis en fonction de la géométrie des éléments malaxeurs 22, pour introduire une distance minimale DM respective entre les axes de malaxage 20 et l’enceinte de malaxage 11, et entre les axes de malaxage 20 eux-mêmes.
La distance minimale DM, qui est représentée à la figure 2 par des cercles, est de préférence comprise entre 0,1 mm et 0,6 mm, préférentiellement entre 0,15 mm et 0,6 mm, notamment entre 0,3 mm et 0,6 mm ou entre 0,3 mm et 0,5 mm. Cette distance minimale peut notamment être comprise entre 0,15 mm et 0,4 mm. Cette distance minimale DM permet notamment la rotation des axes de malaxage 20 dans l’enceinte de malaxage 11 sans conflit, tout autorisant de manière très limitée la circulation de la suspension de fibres 2 dans ces espaces restreints. Les zones limites se situant entre les axes de malaxage 20 d’une part, et entre chaque axe de malaxage 20 et l’enceinte de malaxage 11 d’autre part, qui sont définies par la distance minimale DM, correspondent donc à des zones de fortes contraintes mécaniques pour la composition fibreuse. Lors de la rotation des axes de malaxage 20, ces zones limites se déplacent, de sorte à contraindre alternativement la composition dans le volume de l’enceinte, ce qui assure une compression optimale de la composition fibreuse dans les zones de compression ZC.
Les éléments malaxeurs 22 peuvent présenter différentes géométries, épaisseurs et profils de compression en fonction du type de traitement et du degré de flexibilité à atteindre, de la nature et de la composition de la suspension de fibres à traiter, et du cahier des charges du papetier. Les éléments malaxeurs 22 illustrés à la figure 2 sont des pièces plates, de forme ob longue, symétrique par rapport à deux plans perpendiculaires passant par l’axe de rotation X, et comportent deux lobes 24 diamétralement opposés.
Cet exemple n’est bien entendu pas limitatif. Les éléments malaxeurs 22 peuvent présenter une forme ovoïde, symétrique par rapport à un plan passant par l’axe de rotation X et comportant un seul lobe (non représentés). Ils peuvent présenter une forme triangulaire, symétrique par rapport à un plan passant par l’axe de rotation X et un des sommets, et comportant trois lobes (représentés à la figure 4). Ils peuvent encore présenter une section polygonale, symétrique ou non par rapport à un plan passant par l’axe de rotation X, et dont le nombre de lobes correspond au nombre d’angle du polygone (non représentés). Ils peuvent enfin présenter une forme complexe, symétrique ou non par rapport à un plan passant par l’axe de rotation X (non représentés).
De même, les éléments malaxeurs 22 peuvent comporter des pièces dont la paroi périphérique, c’est-à-dire la surface de compression, est plate ou non, et dont le profil de compression dans l’épaisseur de la pièce est variable, tels qu’un profil droit (ou plat), un profil hélicoïdal, un profil courbe, un profil cranté, un profil complexe. Par exemple, une succession le long de l’arbre de pièces dont l’épaisseur présente un profil hélicoïdal conduit à un axe de malaxage hélicoïdal formant une hélice complète, chaque pièce constituant une fraction de l’hélice.
La figure 3 illustre deux axes de malaxage 20 parallèles, identiques, décalés entre eux d’un angle de 90°, pourvus chacun d’éléments malaxeurs 22 plats, oblongs à deux lobes 24, avec un profil de compression droit dans l’épaisseur, sensiblement identiques à ceux représentés à la figure 2. Les éléments malaxeurs 22 d’un même axe sont décalés angulairement l’un par rapport à l’autre de 90°, et les éléments malaxeurs 22 des deux axes de malaxage 20 sont alternés axialement pour permettre leur emboitement radial.
La figure 4 illustre deux axes de malaxage 20’ parallèles, identiques, sans décalage angulaire, pourvus chacun d’éléments malaxeurs 22’ plats, triangulaires à trois lobes 24’ équidistants, avec un profil de compression droit dans l’épaisseur. Les éléments malaxeurs 22’ d’un même axe sont décalés angulairement l’un par rapport à l’autre de 30°, et les éléments malaxeurs 22’ des deux axes de malaxage 20’ s’emboitent radialement.
Le procédé de traitement mécanique selon l’invention offre une solution de malaxage par compression souple, modulaire, adaptable, évolutive, permettant de varier, modifier, affiner les propriétés des fibres en fonction du papier à fabriquer. Ce procédé s’inscrit également dans une démarche de recherche et développement de nouveaux papiers. Dans ce but, la structure du malaxeur 1 ainsi que ses paramètres de fonctionnement peuvent être aisément choisis, modifiés et/ou combinés. Comme on l’a vu ci-dessus, la structure du malaxeur 1 est déterminée par le nombre d’axes de malaxage 20 ainsi que par l’agencement et le choix de la géométrie des éléments malaxeurs 22, mais pas seulement. Le procédé de traitement mécanique peut également comporter plusieurs étapes pour atteindre différents degrés de flexibilité. Ces différentes étapes peuvent être réalisées de différentes manières : par un malaxeur 1 comportant une enceinte de malaxage 11 et au moins un axe de malaxage 20 sur lequel sont montées une série ou plusieurs séries d’éléments malaxeurs 22 de structures différentes et appropriées, dans lequel on fait tourner en boucle la suspension de fibres 2 ; par un malaxeur 1 rallongé comportant une enceinte de malaxage 11 et au moins un axe de malaxage 20 sur lequel sont montées plusieurs séries d’éléments malaxeurs 22 de structures différentes et appropriées ; par un malaxeur (non représenté) comportant plusieurs enceintes de malaxage successives, raccordées en série, comportant chacune un ou plusieurs axes de malaxage de structures différentes et appropriées ; ou encore par plusieurs malaxeurs successifs (non représentés), raccordés en série, de structures différentes et appropriées.
Dans ces différents cas de figure, la suspension de fibres 2 traitée peut être extraite à chaque étape du procédé et/ou à la fin des étapes du procédé selon les besoins.
Les paramètres de fonctionnement du malaxeur 1 peuvent également être choisis, modifiés et/ou combinés pour varier les caractéristiques du malaxage. Parmi les paramètres modifiables, on peut citer les exemples suivants sans que cette liste ne soit exhaustive : le débit d’alimentation du malaxeur 1 en suspension de fibres 2, définissant la durée de malaxage ; la température de malaxage : le malaxeur fonctionne à température ambiante, mais peut également fonctionner à une température supérieure ou inférieure à la température ambiante grâce au corps 10 du malaxeur 1 qui peut être constitué d’une double enveloppe (non représentée) autorisant la circulation d’un fluide caloporteur. Plus en détails, on maintient le malaxeur à température ambiante par refroidissement pour compenser l’élévation de température due au malaxage, afin de mieux contrôler la viscosité de la pâte. En pratique, on constate une élévation de température de +10°C à +30°C environ selon la concentration de fonctionnement, la vitesse de rotation, et le temps de résidence. Alternativement, il est possible de travailler à chaud, afin notamment de réaliser des réactions d’oxydation conjointement au malaxage (intensification du procédé) ou à froid, par exemple en présence de soude pour réaliser une dissolution de la cellulose ; la pression de malaxage : préférentiellement l’opération de malaxage s’effectue dans une enceinte de malaxage 11 à pression atmosphérique, mais en fonction des besoins pourrait être effectuée à une pression supérieure ou inférieure à une pression atmosphérique. Par exemple, il peut être intéressant de travailler à une pression supérieure à la pression atmosphérique pour ajuster la vitesse de remplissage de la vis d’alimentation (par exemple de type vis sans fin telle que décrite dans la suite du présent texte) ; la vitesse de rotation du ou des axes de malaxage 20 : cette vitesse est de préférence relativement faible, par exemple entre 20 et 600 tours/min, de préférence entre 20 et 400 tours/min ou entre 20 et 350 tours/min ; le différentiel de vitesse entre les axes de malaxage 20 (partie tournante) et l’enceinte de malaxage 11 (partie fixe) est inférieur ou égal à 15 m/s ne produisant ainsi que peu ou pas de phénomène de cisaillement ; le sens de rotation des axes de malaxage 20 : co-rotatifs ou contre-rotatifs ; la puissance de malaxage transmise à la suspension de fibres 2 en mesurant le couple résistant des axes de malaxage 20 ; le temps de malaxage : le temps de séjour de la suspension de fibres 2 dans l’enceinte de malaxage 11 peut être compris entre 15 secondes et 15 minutes, de préférence entre 15 secondes et 10 minutes, et plus préférentiellement entre 15 secondes et 5 minutes ; la distance minimale DM entre les axes de malaxage 20 et l’enceinte de malaxage 11 en modifiant les éléments malaxeurs 22 ; l’épaisseur des éléments malaxeurs 22 pour augmenter ou diminuer les surfaces de compression. Les essais de malaxage effectués avec le procédé de l’invention ont permis de révéler un phénomène physique inattendu et contre -intuitif pour l’homme du métier spécialisé dans la fabrication du papier : plus la vitesse de rotation des axes de malaxage 20 est élevée (20 à 600 tours/minute), plus la durée d’application de l’action mécanique de compression sur les fibres cellulosiques est courte, et meilleur est le résultat du malaxage. Une vitesse élevée permet de limiter le cisaillement et la fibrillation des fibres cellulosiques et donc la formation d’éléments fins. Ces conditions favorisent des compressions brèves, mais un nombre de compressions élevé, avantageusement d’au moins 500, plus avantageusement entre 500 et 5000, et encore plus avantageusement entre 3000 et 5000.
En résumé, la vitesse de rotation des axes de malaxage (20 à 600 tours/minute) et les conditions de malaxage (différentiel de vitesse < 20 m/s et le temps de séjour entre 15 secondes et 15 minutes) permettent une compression mécanique courte et fréquente, ce qui a pour effet de limiter l’altération des fibres cellulosiques. Ainsi, les fibres cellulosiques sont moins abimées, voire préservées, par rapport aux compressions mécaniques longues et fréquentes ou peu fréquentes.
Ce phénomène non décelable, ni envisageable avant d’avoir mis en œuvre le procédé de l’invention, permet d’augmenter encore les performances du malaxage et les avantages du procédé qui en découlent, tels qu’une meilleure flexibilisation des fibres, une teneur en fibres améliorée, de nouvelles formulations de pâte à papier possibles, une puissance consommée réduite permettant une économie d’énergie significative, très peu d’usure des pièces en mouvement permettant une maintenance réduite du malaxeur 1.
Dans l’exemple du malaxeur 1 représenté à la figure 1, l’enceinte de malaxage 11 comporte une zone d’entrée ZE, une zone de malaxage ZM et une zone de sortie ZS, qui se succèdent axialement. La zone d’entrée ZE est couplée à l’orifice d’entrée 13 et comporte de préférence une vis sans fin 25 fixée sur l’arbre 21 correspondant de chaque axe de malaxage 20, pour déplacer la suspension de fibres 2 axialement en direction de la zone de malaxage ZM puis de la zone de sortie ZS. La zone de malaxage ZM comporte les éléments malaxeurs 20 décrits précédemment. La zone de sortie ZS peut être confondue avec la fin de la zone de malaxage ZM et comporte également des éléments malaxeurs 20 qui peuvent être différents ou non de ceux de la zone de malaxage ZM. La zone de sortie ZS communique avec l’orifice de sortie 14 qui peut être gravitaire ou combiné à tout autre moyen d’extraction. Le malaxeur 1 peut comporter plusieurs piquages d’entrée 15, 16 pouvant servir à introduire des additifs, des charges et autres matières dans la suspension de fibres 2 en cours de malaxage. Il peut également comporter plusieurs piquages de sortie (non représentés) pouvant servir à extraire tout ou partie de la suspension de fibres 2 en cours de malaxage, des gaz et autres condensats générés en cours de traitement. Ceci est tout particulièrement avantageux car l’opérateur peut récupérer plusieurs fractions de fibres malaxées présentant des degrés de compression différents et donc des propriétés différentes selon leur piquage de sortie respectif, et ce au cours d’une même opération de malaxage.
Les figures 5 et 6 sont des graphes issus d’essais effectués sur du papier fabriqué à partir de fibres cellulosiques traitées selon le procédé malaxage par compression de l’invention (points sur les graphes) et selon un procédé de raffinage classique par compression et cisaillement (courbe sur les graphes). Ils permettent d’illustrer l’amélioration des propriétés mécaniques et d’égouttabilité de la pâte de papier obtenue avec le procédé de l’invention.
La présente invention n’est bien entendu pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s’étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier dans la limite des revendications annexées. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles.
EXEMPLES
La figure 5 représente l’évolution de l’indice d’égouttage (°SR) en ordonnées en fonction de l’indice d’éclatement (« Burst index » en anglais) en abscisse. L’indice d’égouttage, ou indice Schopper-Riegler, est défini selon la norme ISO 5267-1 comme étant le nombre de centilitres d’eau égouttée à travers un gâteau de pâte s’écoulant par le trop-plein d’un réservoir. Il représente une mesure de la vitesse à laquelle l’eau peut être extraite d’une suspension de pâte diluée.
L’indice d’éclatement quant à lui correspond à la résistance mécanique des fibres. De manière simplifiée, plus cet indice est élevé, plus le papier est résistant et de bonne qualité.
On observe qu’avec une suspension de fibres (fibres d’eucalyptus à 5% en poids) raffinées par un procédé de raffinage standard (raffïneur à disques à 25 m/s), la vitesse d’égouttage atteint un maximum pour un indice d’éclatement voisin de 4, qui est relativement moyen.
Par opposition, une suspension fibreuse (fibres d’eucalyptus à 8-15% en poids dans l’eau + compression avec un différentiel de vitesse de 0,5 à 1 m/s) traitée par malaxage conformément au procédé de l’invention permet d’atteindre des vitesses d’égouttage élevées avec un fort indice d’éclatement. On obtient ainsi un papier de bonne qualité dont la cadence de production est améliorée à travers une vitesse d’égouttage élevée de la suspension fibreuse dont il est issu.
Ceci conduit à une très forte amélioration du compromis égouttage / propriétés mécaniques des fibres, ayant pour effet de réduire la consommation d’énergie au niveau de la machine à papier.
La figure 5 montre l’amélioration du rapport égouttage / propriétés mécaniques du papier lorsque les fibres cellulosiques sont traitées dans un malaxeur selon l’invention par rapport à un raffinage conventionnel dans un raffïneur à disques (points reliés par la courbe discontinue sur la figure 5). Les points non reliés par une ligne correspondent au traitement selon l’invention, à différentes vitesses et concentrations de fibres cellulosiques (8 à 15% en poids). Sur la figure 5, les points reliés par la courbe discontinue correspondent à : pas de raffinage (indice d’éclatement = 1 kPa.m2/g)
50 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice d’éclatement proche de 2,1 kPa.m2/g),
100 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice d’éclatement proche de 3 kPa.m2/g),
200 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice d’éclatement proche de 4 kPa.m2/g),
400 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice d’éclatement proche de 4,1 kPa.m2/g).
Plus précisément, à égouttabilité équivalente, le traitement dans un malaxeur permet d’augmenter l’indice d’éclatement, par exemple de le tripler ou quasiment le quadrupler pour un égouttage de 20° SR.
De manière générale, un indice d’égouttage le plus faible possible est recherché. La figure 5 montre qu’il est atteint des valeurs supérieures à 65° SR pour le raffinage conventionnel (200 et 400 kW.h par tonne de fibres cellulosiques) alors qu’il est systématiquement inférieur à 52° SR pour le traitement selon l’invention.
La figure 6 représente l’évolution de la perméabilité à l’air du papier en fonction de son indice de résistance à la traction. La perméabilité à l’air du papier est définie par la série des normes ISO 5636 comme le débit d’air moyen qui traverse une unité de surface sous une unité de différence de pression en une unité de temps, dans des conditions spécifiées.
On observe qu’avec une suspension de fibres (fibres de résineux à 5% en poids) raffinées par un procédé de raffinage standard (raffïneur à disques à 25 m/s), la perméabilité à l’air chute avec la résistance à la traction, et ce dès 35 N.m/g. Par opposition, une suspension fibreuse (fibres d’eucalyptus à 8-15% en poids dans l’eau + compression avec un différentiel de vitesse de 0,5 à 1 m/s) traitée par malaxage conformément au procédé de l’invention permet de décaler la baisse de perméabilité à l’air vers des valeurs élevées de résistance à la traction. Ceci permet d’obtenir un papier présentant une bonne résistance mécanique tout en conservant une perméabilité à l’air relativement élevée.
Ceci conduit à une forte amélioration du compromis perméabilité / résistance à la traction, permettant d’envisager le développement de nouveaux papiers.
La figure 6 montre l’amélioration du rapport entre la perméabilité à l’air et la résistance à la traction du papier lorsque les fibres cellulosiques sont traitées dans un malaxeur selon l’invention par rapport à un raffinage conventionnel dans un raffïneur à disques (points reliés par la courbe discontinue sur la figure 6). Les points non reliés par une ligne (au- delà de 28 N.m/g) correspondent au traitement selon l’invention, à différentes vitesses et concentrations de fibres cellulosiques (8 à 15% en poids).
Sur la figure 6, les points reliés par la courbe discontinue correspondent à : pas de raffinage (indice de résistance à la traction proche de 28 N.m/g)
50 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice de résistance à la traction proche de 33 N.m/g),
100 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice de résistance à la traction proche de 42 N.m/g),
200 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice de résistance à la traction proche de 55 N.m/g),
400 kW.h par tonne de fibres cellulosiques (indice de résistance à la traction proche de 62 N.m/g).
Plus précisément, à perméabilité équivalente, le traitement dans un malaxeur permet d’augmenter l’indice de résistance à la traction, par exemple un gain de 50% (+20 N.m/g) pour une perméabilité à l’air d’environ 1800 mL/min.
Différentes suspensions de fibres cellulosiques (suspension à 8% en poids) ont été traitées dans un malaxeur selon les conditions suivantes, avec un différentiel de vitesse entre l’axe de malaxage et l’enceinte de malaxage compris entre 0,5 et 1 m/s (figures 7-12) : vitesse de rotation de l’axe de malaxage : 50 à 350 rpm (ou tours par minute) profil de malaxage « std » : alternance de palettes hélicoïdales bilobes et de palettes plates bilobes à 45° les unes des autres, profil de malaxage « 1s » : palettes hélicoïdales bilobes à 45° les unes des autres, profil de malaxage « hs » : palettes plates bilobes à 90° les unes des autres.
Des suspensions de fibres d’eucalyptus (figures 7-9) ou de résineux (figures 10-12) ont été utilisées.
Les figures 7 à 12 montrent que le meilleur compromis résistance à la déchirure/résistance à la traction/ égouttage est obtenu pour une concentration en fibres cellulosiques comprise entre 5 et 20 % en poids dans l’eau. Les valeurs d’égouttage sont systématiquement inférieures à 60° SR (figures 9 et 12) alors qu’elles peuvent atteindre plus de 85° SR dans le cas du raffinage conventionnel (figure 5).

Claims

REVENDICATIONS Procédé de traitement mécanique de fibres cellulosiques par compression mécanique d’une suspension aqueuse de fibres cellulosiques comprenant les étapes suivantes : préparation d’une suspension aqueuse de fibres cellulosiques (2) ayant une concentration comprise entre 5 et 20 % en poids de fibres cellulosiques, compression mécanique de la suspension aqueuse de fibres cellulosiques (2) dans un malaxeur (1), le malaxeur (1) comprenant : un corps (10) définissant une enceinte de malaxage (11) délimitée par une paroi formant une surface de compression (12) fixe apte à entrer en contact avec la suspension de fibres (2), au moins un axe de malaxage (20) positionné dans l’enceinte de malaxage (11) et comprenant :
• un arbre (21) mobile en rotation,
• une pluralité d’éléments malaxeurs (22) fixés sur l’arbre (21), faisant saillie radialement de l’arbre (21), et munis chacun d’une surface de compression (23) mobile en rotation et apte à entrer en contact avec la suspension de fibres (2), procédé dans lequel les surfaces de compression (23) des éléments malaxeurs (22) font face à la surface de compression (12) de l’enceinte de malaxage (11), de sorte à définir entre lesdites surfaces de compression (23, 12) respectives des éléments malaxeurs (22) et de l’enceinte de malaxage (11) des zones de compression (ZC) de la suspension de fibres (2) circulant entre le corps (10) et l’axe de malaxage (20), et dans lequel les surfaces de compression (23) des éléments malaxeurs (22) présentent un profil de compression dont le rayon par rapport à l’arbre (21) varie selon la position angulaire dudit arbre, de manière à comprimer la suspension de fibres (2) dans lesdites zones de compression (ZC) lors de la rotation dudit axe de malaxage (20), le procédé présentant un différentiel de vitesse entre le au moins un axe de malaxage (20) et l’enceinte de malaxage (11) inférieur ou égal à 15 m/s, le malaxeur présentant une distance minimale (DM) séparant le au moins un axe de malaxage (20) de l’enceinte de malaxage (11) comprise entre 0,1 mm et 1 mm, la suspension aqueuse de fibres cellulosiques présente un temps de séjour dans le malaxeur compris entre 15 secondes et 15 minutes. Procédé de traitement selon la revendication 1 , dans lequel le malaxeur (1) comprend au moins deux axes de malaxage (20) positionnés dans l’enceinte de malaxage (11), parallèlement l’un à l’autre, et dans lequel les surfaces de compression (23) des éléments malaxeurs (22) desdits axes de malaxage (20) se font face, de sorte à définir entre elles des zones de compression (ZC) additionnelles de la suspension de fibres (2) circulant entre les axes de malaxage (20). Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l’enceinte de malaxage (11) comporte au moins une zone d’entrée (ZE), une zone de malaxage (ZM) et une zone de sortie (ZS), dans lequel la suspension de fibres (2) est introduite dans la zone d’entrée (ZE) et est extraite de la zone de sortie (Z S), et dans lequel chaque axe de malaxage (20) comporte au moins une vis sans fin (25) fixée sur l’arbre (21), disposée dans la zone d’entrée (ZE) et agencée pour déplacer la suspension de fibres (2) de la zone d’entrée (ZE) à la zone de sortie (ZS) à travers la zone de malaxage (ZM), ladite pluralités d’éléments malaxeurs (22) étant disposée dans la zone de malaxage (ZM) et la zone de sortie (ZS) étant ou non intégrée à la zone de malaxage (ZM). Procédé de traitement selon la revendication 3, dans lequel la zone de malaxage (ZM) comporte plusieurs secteurs de malaxage successifs, dans lequel les éléments malaxeurs (22, 22’) de chaque axe de malaxage (20, 20’) sont répartis en séries, une série correspondant à un secteur de malaxage, et dans lequel les éléments malaxeurs (22, 22’) d’une même série sont identiques, et les éléments malaxeurs (22, 22’) d’une série à l’autre sont différents dans leur forme et/ou leur épaisseur et/ou leur profil de compression. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments malaxeurs (22, 22’) sont constitués de pièces plates ou complexes, qui ont une section choisie dans le groupe comportant une section ovoïde comportant un lobe, une section oblongue comportant deux lobes (24), une section triangulaire comportant trois lobes (24’), une section polygonale comportant un nombre de lobes correspondant au nombre d’angle, et un profil de compression choisi dans le groupe comportant un profil droit, un profil hélicoïdal, un profil courbe, un profil cranté. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le corps (10) du malaxeur (1) comporte plusieurs enceintes de malaxage (11), raccordées en série, comportant chacune au moins un axe de malaxage (20) de structure différente d’une enceinte à l’autre pour générer un traitement mécanique différent. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la distance minimale (DM) qui sépare les axes de malaxage (20) de l’enceinte de malaxage (11), et la distance minimale (DM) qui sépare les axes de malaxage (20) entre eux lorsqu’ils sont au moins deux, est comprise entre 0,15 mm et 0,4 mm. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, dans lequel les axes de malaxage (20) sont co-rotatifs, en ce qu’ils tournent dans un même sens de rotation. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, dans lequel les éléments malaxeurs (22, 22’) de deux axes de malaxage (20) dont les surfaces de compression (23) se font face présentent un profil de compression identique. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le procédé présente un différentiel de vitesse entre le ou les axes de malaxage (20) et l’enceinte de malaxage (11) est d’au moins 0,1 m/s et inférieur ou égal à 15 m/s, avantageusement entre 0,5 m/s et 10 m/s. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le temps de séjour de la suspension de fibres (2) dans le malaxeur (1) est compris entre 15 secondes et 10 minutes. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , dans lequel la suspension aqueuse de fibres cellulosiques (2) est préparée à partir d’un mélange de fibres cellulosiques et d’eau, et optionnellement des charges minérales, la part de fibres cellulosiques sèches étant comprise entre 8 et 15% en poids de la suspension aqueuse. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la suspension aqueuse de fibres cellulosiques subit un nombre de compressions dans le malaxeur d’au moins 500, avantageusement de 500 à 5000. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la suspension aqueuse de fibres cellulosiques comprend des charges minérales. Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le au moins un axe de malaxage (20) présente une vitesse de rotation comprise entre 20 et 600 tours/minute, le malaxeur comprenant une alternance d’éléments malaxeurs ayant un profil de compression droit et un profil hélicoïdal.
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