Le papier industriel
par
Astrid Brandt
 

Journal de Paris, Papier chiffon,
Paris, 8 Octobre 1790
En Occident, jusqu’au XIXe siècle, le papier était fabriqué exclusivement à partir de vieux chiffons de lin, de chanvre ou de coton. Ces chiffons renfermaient de la cellulose pure, les autres constituants végétaux ayant été éliminés au cours des opérations textiles antérieures. Au XIXe siècle, pour faire face à la pénurie de chiffon, on rechercha d’autres matières premières : la paille, les plantes annuelles et finalement le bois, qui devint la principale matière première à partir de la seconde moitié du XIXe siècle. Le bois est séparé en fibres isolées soit par des moyens mécaniques, soit par des moyens chimiques, ce qui fait distinguer deux grandes catégories de pâtes à papier.
 

Le Radical,
Papier à base de pâte mécanique,
Paris, 1er janvier 1899
La pâte mécanique est obtenue par frottement des rondins de bois sur une meule en présence d’eau ou par défibrage des copeaux entre les deux disques broyeurs d’un raffineur, la chaleur ainsi dégagée ayant pour effet de ramollir la lignine qui cimente les fibres entre elles. Par son mode de fabrication, la pâte mécanique contient tous les éléments du bois : la cellulose, mais également les hémicelluloses et la lignine. Son rendement très élevé (supérieur à 90 %) explique son faible coût et donc son utilisation surtout dans la fabrication de papier journal et dans l’édition bon marché. À partir des années 1870, les pâtes mécaniques entrèrent massivement dans la production papetière.

La pâte chimique, quant à elle, est obtenue en dissolvant la lignine à l’aide de réactifs chimiques appropriés, afin de récupérer des fibres essentiellement constituées de cellulose ; ce traitement s’effectue à température et pression élevées pendant un temps de traitement plus ou moins long. Un rendement relativement faible (45 à 55 %) et un prix de revient plus élevé que celui de la pâte mécanique réservent les pâtes chimiques à la fabrication de papier d’édition et d’écriture.

On distingue deux grands procédés selon les réactifs chimiques utilisés : le procédé acide au bisulfite et le procédé alcalin au sulfate.

Le procédé acide, qui prit un grand essor dès son industrialisation, en 1874, a pour élément actif l’anhydride sulfureux, qui " sulfone " à chaud la lignine et la transforme en acides lignosulfoniques solubles, lesquels sont ensuite éliminés en même temps qu’une partie des hémicelluloses. De nos jours, cette production tend à diminuer fortement, car les nouvelles usines sont conçues pour le procédé au sulfate, moins polluant et présentant de nombreux avantages sur le plan papetier.

Le procédé alcalin, inventé en même temps que le procédé au bisulfite, a cependant souffert pendant longtemps de ne pouvoir produire que des pâtes très brunes, difficiles à blanchir par des techniques disponibles à l’époque. Les progrès réalisés en ce domaine dans la seconde moitié du XXe siècle ont permis de surmonter cette difficulté et ont ouvert à cette méthode un champ considérable, car elle est apte à traiter avec succès tous les végétaux, contrairement au procédé au bisulfite, qui ne traite que les bois résineux. On utilise ici l’hydroxyde de sodium (la soude) comme agent désincrustant en présence de sulfure de sodium, le produit de base qui engendre ces deux réactifs étant le sulfate de soude, d’où le nom du procédé.

L'encollage
Pour ce qui est de l’encollage, la méthode traditionnelle à la gélatine a été remplacée au début du XIXe siècle par l’encollage à la colophane, moins coûteuse et plus facile, qui se généralisa à partir de 1826. L’encollage se réalise en introduisant dans la pâte à papier soit un savon de résine, obtenu généralement par réaction de la colophane sur la soude, soit une véritable émulsion de colophane et de paraffine. Pour obtenir l’effet de collage, on ajoute à la résine du sulfate d’aluminium ; la diminution du pH qui en résulte provoque la précipitation d’acides résiniques à partir d’ions résinates ; ces précipités sont bien retenus sur les fibres, mais la fixation définitive n’est obtenue qu’après séchage. Ce procédé tend à disparaître avec l’utilisation de plus en plus large du procédé alcalin au sulfate, dans lequel les résines de pin sont remplacées par des résines synthétiques.

 
Le papier recyclé
 

Premier livre de poche, Papier recyclé, Paris, 1953
Le papier recyclé représente actuellement la part la plus importante dans la fabrication du papier et il est de plus en plus souvent utilisé pour les papiers d’impression et d’écriture. Ces changements dans l’industrie papetière ont plusieurs origines : le souci écologique (élimination du chlore pour éviter la formation de dioxine), les progrès chimiques et techniques (utilisation de nouveaux produits d’encollage en milieu neutre). Néanmoins l’utilisation de papiers recyclés pour archivage est déconseillée, car la composition des fibres est souvent inconnue et non constante. Par ailleurs, ces papiers contiennent une proportion importante de pâte mécanique ; de plus, les fibres recyclées ont été plusieurs fois raffinées, dispersées, mélangées à des adjuvants et séchées à haute température ; enfin, les circuits d’eau fermés, de plus en plus utilisés en papeterie pour protéger l’environnement, contiennent des substances ioniques et des substances organiques de faible poids moléculaire qui polluent les papiers. La résistance initiale des fibres recyclées est plus basse : ces papiers vieillissent donc moins bien.
 
Les causes de dégradation du papier fabriqué industriellement
 

Seuls les mécanismes de dégradation chimique du papier sont décrits ici. Les effets de la dégradation mécanique, due à la fatigue du matériau, et ceux de la dégradation biochimique par des micro-organismes, présents du fait de mauvaises conditions de conservation, ne sont pas pris en compte. La dégradation chimique, donc, du papier fabriqué industriellement résulte en grande partie des procédés de fabrication utilisés. On distingue deux grandes catégories de dégradations : l’hydrolyse et l’oxydation.

Les liaisons glucosidiques de la cellulose sont stables en milieu neutre et faiblement alcalin. Par contre, elles sont rapidement hydrolysées en présence d’un acide fort ou d’une base forte, ce qui se traduit par la diminution plus ou moins importante du degré de polymérisation et, par conséquent, de la masse moléculaire. Par exemple, l’encollage à la colophane a un effet très négatif sur la conservation de la cellulose, car le sulfate d’aluminium, utilisé pour précipiter la colophane sur les fibres de papier, est un sel acide qui, en se combinant avec l’humidité de l’air, se transforme en acide sulfurique, c’est-à-dire un acide fort. L’hydrolyse de la cellulose est également favorisée par la présence de groupements oxydés (aldéhydes, carboxyles). De plus, la présence de métaux de transition (fer, manganèse) catalyse les processus d’oxydation, y compris celle de l’oxyde de soufre, qui produit de l’acide sulfurique.

D’autre part, la lignine et la colophane peuvent participer à la formation de peroxydes même à température ambiante : il s’agit d’agents d’oxydation très puissants qui réagissent directement sur les différents groupements chimiques de la cellulose.

Enfin, aux facteurs internes de dégradation s’ajoutent aussi les facteurs externes tels que la pollution atmosphérique. Le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote et l’ozone favorisent et l’hydrolyse et l’oxydation de la cellulose.

 
La désacidification de masse
 

La désacidification a pour but de neutraliser les acides contenus dans le papier. Dans la plupart des cas, c’est une réserve alcaline, souvent du carbonate de calcium ou de magnésium, qui est ajoutée au papier pour neutraliser ultérieurement les acides régénérés. La désacidification n’arrête pas complètement la dégradation du papier, mais elle la ralentit considérablement, comme l’ont montré des études en laboratoire.

Face à la grande quantité de documents contenant du papier acide, des procédés de masse se sont développés : ils visent à traiter en une seule fois une grande quantité de livres pour un prix unitaire réduit. Ces procédés sont tous fondés sur l’imprégnation du papier par un produit actif alcalin rémanent, véhiculé par un fluide vecteur en phase liquide. Trois bibliothèques nationales se sont déjà dotées d’installations de désacidification de masse : la Bibliothèque nationale du Canada, la Bibliothèque nationale de France et, en Allemagne, la Deutsche Bibliothek. Plusieurs dizaines de milliers de documents y sont traités chaque année.

La Bibliothèque nationale de France fait actuellement des recherches en partenariat avec la société industrielle SEPAREX pour développer un mode de désacidification qui renforce simultanément les documents.

 
  Le papier permanent
 
La première norme internationale pour le papier permanent (ISO 9706), publiée par l’International Organization for Standardization (organisation internationale de normalisation, désignée par l’abréviation ISO) en mars 1994, fixe " les prescriptions pour qu’un papier destiné à l’établissement de documents soit permanent ", c’est-à-dire qu’il reste chimiquement et physiquement stable pendant une longue période. Cette norme internationale est l’équivalent de la norme américaine ANSI Z39.48 de 1992 : " Permanence of paper for printed library materials ".

Pour qu’un papier puisse être déclaré conforme à la norme ISO 9706 (ou ANSI Z39.48), il doit répondre aux critères suivants :

- le pH de l’extrait aqueux de la pâte à papier doit être compris entre 7,5 et 10 ;

- l’indice Kappa de la pâte à papier, qui indique la résistance à l’oxydation (liée à la présence de lignine), doit être inférieur à 5 ;

- la réserve alcaline doit être supérieure ou égale à 2 % d’équivalent de carbonate de calcium ;

- la résistance à la déchirure doit être supérieure à 350 mN pour un papier dont le grammage est supérieur à 70 g/m2.

Le symbole attaché à cette norme est le signe mathématique de l’infini dans un cercle surmontant la mention " ISO 9706 ".

Le papier permanent peut être fabriqué soit à partir de chiffons, soit à partir de pâte chimique de bois en milieu neutre ou alcalin ; le bois peut donc être utilisé à condition d’en éliminer tous les constituants non cellulosiques, et en particulier la lignine.