Recherche:Les fonds patrimoniaux des bibliothèques publiques/Papier : fibres de cellulose ; colle ; charges
Inroduction : Le papier traditionnel
modifierLa fabrication traditionnelle du papier
modifierLa pâte de fibres textiles
Les techniques héritées des Arabes sont arrivées en Occident via l’Italie au XIIIe siècle. Le premier papier provenait de chiffons, et les fibres de lin et de chanvre étaient lavées dans de l’eau et des cendres. Ces chiffons étaient ensuite laissés dans une fosse remplie d’eau, le pourrissoir. Le chiffon était déchiqueté par une « pile à papier », machine composée de maillets de bois munis de dents métalliques actionnés par la force hydraulique. Ces fibres reposaient ensuite dans un bassin contenant de la chaux pour éclaircir la pâte.
Les feuilles de papier
La pâte était ensuite étalée sur la « forme à papier », cadre rectangulaire composé d’un treillis de fils de laitons (les vergeures) reposant sur des lames de support : les pontuseaux. Dès la fin du XIIIe siècle en Italie, on prit l’habitude d’ajouter un fil plus épais représentant une lettre ou un symbole qui s’imprimait dans le papier : la filigrane. Les feuilles étaient ensuite déposées sur des feutres, et quand elles atteignaient le chiffre de 100 à 250, on pressait le tout, puis les feuilles étaient séchées individuellement sur des fils.
L’encollage
Il était indispensable pour obtenir une certaine rigidité et pour permettre l’écriture. La colle était obtenue par cuisson de déchets carnés (restes de peau, os, cartilage..) dans une cuve en ébullition. La gélatine obtenue était alors filtrée et mélangée à de l’eau et maintenue tiède. Les feuilles étaient ensuite trempées dans cette solution puis séchées deux ou trois jours sur un fil. Elles étaient ensuite passées sous presse pour éliminer les déformations. La dernière opération consistait au lissage, souvent à la main, avec un instrument de bois dur, d’os ou de pierre polie.
Les principales évolutions jusqu'aux XIXe siècle
modifier- À partir du XVIIIe siècle le coton devient plus important que le lin et le chanvre
- Avec la pénurie de matières premières au XVIIIe siècle des innovations eurent lieu :
- 1750 : John Baskerville invente un treillis métallique uniforme qui supprime les vergeures. Le papier est lisse et uniforme : on lui donne le nom de vélin
- 1769 : 1er essai d’utilisation de lamelles de bois résineux
- 1774 : 1er essai de recyclage de vieux papiers
- 1785 : 1er livre imprimé en papier d’écorce
- 1800 : 1er livre imprimé sur papier de paille
- La découverte du chlore en 1774 va permettre le blanchiment des chiffons et des fibres
- En 1806 Illig découvre que la gélatine peut être remplacée par de la colophane obtenue à l’aide de la résine des arbres.
- Les machines à papier connaissent des améliorations :
- Machine à table plate (1798) qui permettait de produire du papier vélin en continu
- Début XIXe siècle : la machine en rond allait permettre la formation du papier sur un grand cylindre couvert par un treillis métallique qui tournait au ¾ immergé dans une cuve de pâte à papier.
La production industrielle du papier
modifierLe papier est composé de millions de fibres et d’adjuvants minéraux. Ainsi, une feuille A4 comporte entre 5 et 20 millions de fibres, soit une longueur cumulée de 30 km ! Ces fibres entraînent une variété de problèmes physiques et chimiques. Le papier est analysé suivant trois critères :
- Les propriétés mécaniques de résistance
- Les propriétés optiques (blancheur, opacité, brillance…)
- Les propriétés de texture (grammage, porosité…)
Les adjuvants minéraux permettent de contrôler la rugosité et la porosité de la surface et permettent la pénétration des encres et des impressions.
Les fibres de bois
Les fibres textiles, composées de cellulose pure, sont encore utilisées pour des papiers à longue durée de vie et résistants, comme les billets de banque, mais depuis le milieu du XIXe siècle, les fibres de bois représentent 99,5% des papiers. Le problème de la fibre de bois, c’est qu’elle n’est composée que partiellement de cellulose (un peu plus de 50%). Les fibres sont unies à celles d’hémicellulose et entourées par un incrustant : la lignine. On trouve aussi des résines, des minéraux, des tannins, des protéines…
| Les arbres | Les végétaux annuels : (peu utilisés en Europe) |
Les fibres très longues |
|---|---|---|
| Les résineux : fibres plus longues (2-4 mm) |
Paille de céréale | Le coton |
| Les feuillus : fibres plus courtes (1-1,5 mm) |
Restes de canne à sucre (bagasse) |
Le murier du Japon |
| Roseaux, bambous... | La ramie |
Préparer les fibres pour la pâte à papier
Il faut séparer les fibres et les purifier, et ces opérations sont dépendantes de la composition chimique des fibres.
- La cellulose
- Est composée d’un seul sucre : le glucose, qui la rend peu réactive et stable. Insoluble dans l’eau, on peut donc facilement la laver, et les molécules s’unissent sans problème ce qui rend la pâte facile.
- Les hémicelluloses
- Sont composés de divers sucres instables, solubles partiellement dans l’eau ce qui fragilise le papier.
- La lignine
- Est très difficilement soluble, et ses molécules sont instables, et ce sont ses résidus qui causent le jaunissement et le vieillissement du papier.
La fabrication de la pâte à papier
modifierTransformer les fibres en pâte à papier
modifierLes pâtes mécaniques
On extrait du bois les fibres cellulosiques par moyen mécanique (défibrage). Les rendements sont très élevés (95%) puisque presque tous les composants se retrouvent dans la pâte. Le prix de revient est bas mais ne fournit que des papiers bas de gamme (emballages…)
Les pâtes thermomécaniques et chimico-thermomécaniques
Un traitement à la chaleur et éventuellement l’adjonction d’un réactif comme le sulfite de sodium permettent d’assouplir les fibres, mais sans pouvoir supprimer la lignine. Le rendement est toujours élevé (90 à 95%) et favorise des papiers de qualité courante (papier journal, magazine…)
Les pâtes chimiques
- Les pâtes au bisulfite (procédé dit acide)
- Action d’une substance active : l’anhydride sulfureux et une température élevée et une forte pression
- 85 à 90% de cellulose
- Rendement de 45%
- Pâtes crème faciles à blanchir
- 10% des pâtes chimiques produites dans le monde
- Action d’une substance active : l’anhydride sulfureux et une température élevée et une forte pression
- Les pâtes au sulfate (procédé dit alcalin)
- Action d’une substance active : le sulfate de sodium (soude caustique et sulfure de sodium)
- Cellulose moins pure (coloration brune de type papier kraft) mais très résistante
- Des procédés de blanchiment compensent facilement
- Rendement de 50%
- 75 à 80% de cellulose
- 90% des pâtes chimiques dans le monde
- Action d’une substance active : le sulfate de sodium (soude caustique et sulfure de sodium)
Les pâtes chimiques sont celles utilisée pour les papiers d’impression et d’écriture.
Les pâtes de fibres de récupération
Les fibres de récupération proviennent des vieux journaux, des magazines, des déchets d’imprimerie et des emballages surtout. Leur qualité dépend de la matière originale, sachant que la majorité est issue des pâtes mécaniques amoindries en plus par une première utilisation et par des impuretés (encres, colle..) Les papiers sont défibrés et épurés dans une solution liquide et ensuite désencrés. Le papier obtenu est de piètre qualité et ne peut être conservé longtemps. Le blanchiment de la pâte à papier
Au départ, le blanchiment se faisait par les ultraviolets du soleil. Dès la fin du XVIIIe siècle, on utilisa des produits à base de chlore. Aujourd’hui les procédés sont différents selon les types de pâte.
- Les pâtes mécaniques
- On transforme les parties colorées des molécules de lignine sans élimination de celles-ci par un seul traitement par oxydation (eau oxygénée) ou par réduction (hyposulfite de sodium) principalement.
- Les pâtes chimiques
- On purifie les fibres par élimination de la lignine. Maintenant on privilégie le blanchiment sans chlore, plus écologique.
- On distingue trois étapes : adjonction d’oxygène, puis extraction alcaline et enfin ajout d’eau oxygénée. Pour les papiers à haut degré de blancheur on garde du dioxyde de chlore. La lignine est quasiment éliminée, mais la cellulose subit aussi une dégradation : la qualité chimique est bonne, mais il y a un affaiblissement des qualités mécaniques.
On ajoute à la pâte à papier des composants non fibreux
modifierLes charges minérales : des particules minérales pulvérisées
Elles sont dispersées dans la pâte à papier dans une proportion de 5 à 40% (40% pour le papier cigarette qui doit ralentir la combustion) Elles améliorent l’opacité, la blancheur, l’état de la surface et la souplesse. Cependant les charges acides ont un effet pervers à long terme : elles favorisent le vieillissement et diminuent la solidité. On utilise surtout du carbonate de calcium, mais aussi du kaolin, du dioxyde de titane, du gypse…
Les agents de collage
Leur but est de diminuer le comportement poreux du papier pour permettre l’écriture et l’impression. L’encollage se fait dans un milieu neutre ou légèrement alcalin avec des résines synthétiques et des amidons. L’insertion se fait dans la masse et est combinée avec une application finale en surface ;
Des composants divers
On peut trouver jusqu’à 1500 substances dans le papier, dont une dizaine d’adjuvants principaux comme les amidons modifiés, les azurants optiques, les colorants…leurs rôles sont multiples : ils servent à renforcer les fibres, à aider à fixer les charges, à accentuer la blancheur, à éviter les moisissures…
La pâte à papier est raffinée
modifierLe raffinage consiste à modifier les propriétés des fibres selon les types de papier qu’on veut obtenir.
- Le raffinage « maigre »
- Dans ce procédé on coupe les fibres ce qui donne un papier peu compact aux qualités mécaniques médiocres mais de fabrication rapide : il convient au papier buvard, bouffant, de polycopie…
- Le raffinage « gras »
- Dans ce cas on écrase les fibres qui peuvent ainsi mieux se lier et fournir un papier compact, comme ceux des emballages, des cartes géographiques, des papiers à machine à écrire…
La pâte à papier devient une feuille
modifierLe rôle de la machine à papier
La pâte qui arrive à la machine à papier est composée de 1% de matières sèches et de 99% d’eau. La machine à papier se compose de deux grandes parties principales.
- La partie « humide »
- Elle est composée d’une table de fabrication avec des tamis et des treillis de distribution uniforme de la pâte. Celle-ci passe ensuite par une égouteuse et des presses et des feutres.
- La partie « sèche »
- La pâte passe alors par des rouleaux aspirants et une sècherie (des cylindres métalliques creux chauffés à la vapeur d’eau), puis la presse encolleuse et une opération de finition qui égalise la surface par un passage à travers une « lisse ». La feuille passe enfin dans la bobineuse pour être mise en rouleau.
Les traitements de surface
modifierLes papiers qui sortent de la machine à papier sans autre traitement supplémentaire sont dits « papiers nature » On peut améliorer la surface et l’imperméabilité en ajoutant une couche superficielle sur une ou les deux faces du papier.
- Le passage dans une « calandre », pression dix fois supérieure à la « lisse » donne au papier une surface satinée sur une ou deux faces.
- Le couchage est le passage dans la coucheuse où on applique en surface une « sauce » composée à 80-90% de pigments très finement pulvérisés (carbonate de calcium, kaolin…) et de 10-20% de liants (amidon, polymères synthétiques…)
Puis le papier est à nouveau séché par des cylindres sécheurs classiques, un tunnel à air chaud sur coussin d’air ou encore des séchoirs à rayons infrarouges.
Nature et altération du papier
modifierLa structure chimique du papier
modifierLa cellulose
C’est la cellulose qui donne au papier ses caractéristiques de souplesse et de résistance. C’est une substance stable, peu sensible à l’eau et aux acides. Les molécules de cellulose sont composées d’éléments de base glucosiques qui s’unissent pour former une chaîne (c’est la polymèration) dont plus la longueur est importante plus le papier sera solide et résistera au vieillissement (c’est le degré de polymération).
La propriété la plus remarquable des molécules de cellulose est leur capacité de former entre elles des liens particuliers qui les unissent sans les altérer : ce sont les ponts hydrogènes. Ces liens entre les molécules permettent leur association en faisceaux pour former des microfibrilles, des fibres et enfin du papier.
Le papier est donc formé par simple association de fibres de cellulose en présence d’eau (en principe sans aucun besoin de liant ou de substance de collage)
Les chaînes moléculaires de cellulose s’unissent donc en faisceaux de molécules :
- Les parties cristallines :
- Ce sont les parties du faisceau ordonnées régulièrement
- Les ponts hydrogènes sont maximaux
- Ces parties sont difficilement accessibles à des réactifs extérieurs
- Elles donnent au papier sa dureté et sa relative rigidité
- Les parties amorphes
- Ce sont les parties du faisceau les plus désordonnées
- Leur structure est plus relâchée, ces parties sont plus vulnérables, plus réactives
- Les réactions d’altération de la cellulose touchent surtous les parties amorphes
- Elles donnent au papier son élasticité et sa souplesse
Les hémicelluloses
Les molécules d’hémicellulose sont composées de plusieurs éléments, différents sucres et la chaîne qu’elles forment est courte, ramifiée souvent, d’où une grande instabilité et très peu de résistance au vieillissement.
Les hémicelluloses ne sont que partiellement solubles dans des solutions alcalines. Elles réagissent facilement et fortement aux réactifs extérieurs : c’est un facteur d’instabilité du papier.
Les lignines
La lignine a une structure chimique très complexe et sa composition diffère selon les espèces végétales et l’âge des fibres : c’est pourquoi on parle plus facilement des lignines.
Les lignines sont partiellement solubles seulement avec des traitements à l’acide sulfureux ou au chlore.
Les lignines réagissent aussi fortement avec les rayons ultra violets ; Elles représentent une impureté indésirable et un facteur de vieillissement rapide du papier.
Ls altérations internes du papier
modifierAltération du celluloose
Les processus d’altération touchent la partie la plus sensible de la molécule : la partie amorphe.
Tout d’abord, l’oxydation entraîne la formation d’acides organiques. La mesure de l’acidité du papier donne une indication importante du degré d’altération.
Les acides résultants de l’oxydation vont entraîner indirectement un autre processus de dégradation : l’hydrolyse. Par action ou en présence d’eau, la chaîne de carbone qui constitue l’ossature de la molécule de cellulose se casse : la cellulose se retrouve soit dégradée en glucose soit transformée en autres substances. Les propriétés du papier sont donc complètement modifiées.
L’oxydation et l’hydrolyse ont modifié les chaînes moléculaires et de nouveaux liens se forment : c’est la réticulation. Le papier altéré retrouve une nouvelle stabilité chimique mais pers deux propriétés : l’élasticité et la souplesse. Quand la cellulose a subi une réticulation, le papier devient rigide et cassant et dans les cas extrêmes on ne peut plus tourner les pages sans provoquer des cassures.
Les facteurs internes de dégradation
L’altération de la cellulose est inéluctable. Mais sa vitesse et son intensité varient beaucoup selon des facteurs internes et des facteurs externes.
Un facteur interne : les composants du papier
- Les papiers de basse qualité qui conservent beaucoup de lignine sont les plus fragiles.
- La cellulose se dégrade rapidement en milieu acide et la conservation est rendue plus difficile avec l’utilisation de colles à base de colophane et d’alun qui entraînent des réactions acides importantes.
- Les charges ont des répercussions sur le papier selon leur nature : les carbonates de calcium ralentissent le vieillissement, alors que le gypse ou l’alun renforcent son acidité.
- Les très nombreux additifs chimiques ont encore des effets mal connus. Les azurants optiques très instables sont probablement une cause de dégradation du papier.
Un facteur interne : les méthodes de productions
- Les méthodes de production de pâte à papier chimiques (la quasi-totalité) agressent les molécules de cellulose.
- Les procédés de blanchiment permettent d’obtenir une cellulose quasiment pure, mais déjà fortement dégradée
- De plus, la cellulose est encore modifiée par le raffinage de la pâte qui soit écrase les fibres, soit les coupe.
Le « foxing »
- Le terme de « foxing » est employé pour décrire le papier piqué par des taches rondes du jaune citron au brun foncé, ayant une certaine tendance à migrer d’une feuille à l’autre.
- Il touche les papiers du XVIe siècle à nos jours, avec une prédilection pour la période fin XVIIIe siècle-début XXe siècle.
- Le foxing est accéléré par l’humidité, les variations climatiques, la lumière.
- Le foxing semble être la combinaison de plusieurs facteurs défavorables, dont sans doute la présence de ions métalliques catalysant une altération locale de la cellulose renforcée par une action microbiologique de moisissures.
Les altérations causées par les encres
- Les encres modernes sont moins dangereuses que les encres métallo-galliques utilisées exclusivement du Moyen Âge au début du XXe siècle.
- Ces encres ont trois composants fondamentaux :
- Une solution tannique (macération de noix de galle ou de bois riche en tannin)
- Un sel métallique (généralement du sulfate de fer)
- Un liant (souvent de la gomme arabique)
- C’est le sulfate de fer qui se décompose en acide sulfurique et en oxyde de fer qui accentue l’hydrolyse et l’oxydation de la cellulose.
- Autour des lettres se forment des auréoles qui s’étalent de plus en plus, y compris en profondeur, ce qui aboutit à la formation de fissures, puis de lacunes et la destruction du papier sur le tracé de l’écriture.
Conclusion
modifierEn plus de l’altération endogène du papier, des facteurs externes contribuent à sa dégradation :
- Les facteurs climatiques (température, humidité..)
- La lumière
- La pollution atmosphérique (poussières, polluants..)
- Les facteurs biologiques (moisissures, insectes, rongeurs…)
- Les facteurs humains (dommages dus aux méthodes de rangement, de manipulation..)
