papier

papier, matériau se présentant sous forme de feuilles minces, provenant de l'assemblage en bandes de fibres cellulosiques végétales. Ces fibres sont liées entre elles par un enchevêtrement naturel obtenu lors de la mise en suspension dans l'eau puis du séchage. Le papier est utilisé pour écrire et pour imprimer, pour envelopper et emballer, et pour différentes applications bien précises : depuis la fabrication des filtres jusqu'à celle de certains matériaux de construction. Selon sa composition, son grammage et son traitement de surface, il peut être très absorbant, très lisse ou au contraire fortement résistant. Le papier est considéré comme un matériau de base, indispensable à de nombreux secteurs industriels et culturels.

Historique

Traditionnellement, le papier a d'abord été fabriqué aux environs de l'an 100 par les Chinois. Le matériau utilisé était probablement de l'écorce de mûrier et le papier était fabriqué sur un moule fait de lamelles de bambou. Cette invention a permis de remplacer progressivement des supports plus anciens comme le bambou massif ou les tablettes de bois. Le plus ancien des papiers connus et toujours existant a été confectionné à partir de chiffons vers 150 apr. J.-C., ce qui montre une amélioration rapide des techniques de fabrication. Pendant cinq cents ans environ, l'art du papier a été réservé à la Chine, mais en 610, il a été introduit au Japon, et en Asie centrale vers 750, où il s'est adapté aux ressources locales. Le papier a fait son apparition en Égypte vers 800, mais il n'y a pas été fabriqué avant 900 (voir Papyrus), car les traditions locales restaient dominantes.

Le papier a été introduit en Europe par les Maures, et la première fabrique de papier européenne a été créée en Espagne vers 1150. Au cours des siècles suivants, ce métier s'est étendu à la plupart des pays européens, notamment en Italie et en France, où il s'est industrialisé progressivement. La mise au point d'un système d'impression à caractères mobiles par Gutenberg vers le milieu du XVe siècle a facilité l'impression des livres et a beaucoup encouragé la fabrication du papier, entraînant une forte augmentation de la demande.

L'augmentation de la production de papier aux XVII^e et XVIII^e siècles a entraîné des pénuries de chiffons, seule matière première satisfaisante connue des fabricants européens de papier. En conséquence, différents essais ont été faits pour imaginer des produits de remplacement mais aucun n'avait les qualités nécessaires du point de vue commercial. Au même moment, des tentatives étaient faites pour réduire le coût du papier en mettant au point une machine, afin de remplacer le procédé de moulage à la main dans la fabrication du papier. La première machine a été mise au point en 1798 par l'inventeur français Nicolas Louis Robert, ouvrant la voie à l'industrialisation. La machine de Robert a été améliorée par des papetiers britanniques, les frères Henry et Sealy Fourdrinier, qui ont créé en 1803 la première des machines portant leur nom. La solution au problème de la fabrication du papier à partir d'une matière première bon marché a été apportée par l'introduction du procédé de fabrication à pâte mécanique vers 1840, et par l'introduction du premier des procédés à pâte chimique environ dix ans plus tard, ce qui a transformé durablement l'industrie papetière.

Fabrication manuelle

Le processus de base de fabrication du papier est le même depuis plus de deux mille ans. Il comporte deux phases : la désintégration de la matière première dans l'eau pour obtenir une suspension de fibres individuelles et la formation de feuilles feutrées lorsque cette suspension est répandue sur une surface poreuse adaptée, à travers laquelle l'excédent d'eau peut s'égoutter. Cette succession d'étapes permet d'obtenir un matériau cohérent sans ajout complexe de liants artificiels.

Dans la fabrication manuelle du papier, la matière première (paille, feuilles, écorce, chiffons ou autre matière fibreuse) est placée dans une cuve et pilée avec un lourd maillet ou marteau pour séparer les fibres. Pendant la première partie de cette opération, la matière est lavée à l'eau courante pour éliminer les impuretés, mais lorsque les fibres ont été suffisamment désintégrées, elles sont maintenues en suspension et l'eau de la cuve n'est pas changée. À ce moment de l'opération, le matériau liquide, appelé demi-pâte, est prêt pour le véritable procédé de fabrication du papier. L'outil principal du fabricant de papier est le moule, une feuille comportant des mailles métalliques renforcées, ayant soit un motif de maille carré, appelé motif vélin, soit un motif de fils métalliques longitudinaux plus espacés, maintenus ensemble par de plus petits fils transversaux, appelé motif vergé. Le motif du moule s'imprime lui-même sur la dernière feuille de papier et, de cette façon, les papiers faits main, sans enduit spécial, sont identifiés comme papiers vélin ou papier vergé, selon le moule utilisé dans leur fabrication, ce qui permet aussi de distinguer leur origine artisanale.

Le moule est placé à l'intérieur d'un cadre de bois amovible, appelé chariot de format, qui forme un rebord bas autour de ses bordures. Le fabricant de papier plonge la forme et le format dans un cuvier contenant la demi-pâte ; lorsqu'on enlève la forme et le format du cuvier, la surface du format est recouverte d'une mince pellicule composée d'un mélange de fibres et d'eau. L'appareil est alors secoué d'avant en arrière et d'un côté à l'autre. Cette opération a deux effets ; elle répartit le mélange uniformément sur la surface du moule et provoque l'enchevêtrement des fibres individuelles avec celles d'à côté, conférant une certaine solidité à la feuille. Pendant que le moule est secoué, une grande quantité d'eau provenant du mélange s'égoutte à travers les mailles. L'appareil, avec sa feuille de papier mouillé, est ensuite mis de côté jusqu'à ce que le papier soit suffisamment cohérent pour permettre d'enlever le format.

Lorsque le format est sorti du moule, ce dernier est retourné et la feuille de papier est déposée doucement sur une plaque de lainage tissé, appelée feutre. Un autre feutre est placé au-dessus de la feuille de papier et le procédé se répète. Cette méthode s'appelle le couchage. Lorsqu'un certain nombre de feuilles de papier ont été intercalées avec des coucheurs, l'ensemble de la pile, appelé format, est placé dans une presse hydraulique et soumis à une pression de 100 tonnes ou plus, excluant la plus grande partie de l'eau restant dans le papier. Les feuilles sont ensuite séparées des feutres, entassées et pressées. Le tas de papier est pressé plusieurs fois, et chaque fois, le tas est reconstruit différemment, avec les feuilles de papier dans différentes positions les unes par rapport aux autres. Cette procédure s'appelle l'échange et sa répétition améliore la surface du papier fini. L'étape finale de la fabrication du papier est le séchage. Le papier est suspendu, en groupes de quatre ou cinq feuilles, sur des cordes dans une salle de séchage spéciale jusqu'à évaporation complète de son humidité, ce qui stabilise ses propriétés mécaniques.

Les papiers destinés à l'écriture ou à l'impression nécessitent un traitement supplémentaire après le séchage car, sans ce traitement, le papier absorbe l'encre et le texte, et les images sont flous. Le traitement consiste à encoller le papier en l'immergeant dans une solution de colle gélatineuse, à sécher le papier encollé et, enfin, à l'apprêter en pressant les feuilles entre des feuilles de métal ou de carton lisse. Le pressage détermine la texture de la surface du papier. Les papiers à texture rugueuse sont pressés légèrement pendant un laps de temps relativement court et, comparativement, les papiers à surface lisse sont pressés pendant plus longtemps, afin d'obtenir une finition adaptée à l'usage final.

Fabrication mécanique

Bien que les procédures essentielles de fabrication mécanique du papier soient identiques à celles de la fabrication manuelle, la fabrication mécanique est beaucoup plus complexe et largement automatisée. La première étape de la fabrication mécanique est la préparation de la matière première. Les principaux matériaux utilisés dans la fabrication moderne du papier sont les chiffons de coton ou de lin et le bois. Actuellement, plus de 95 p. 100 du papier sont confectionnés à partir de la cellulose, extraite industriellement. Pour les qualités de papier les moins chères, comme le papier journal, on utilise seulement la pâte à bois mécanique ; pour une qualité supérieure, on utilise de la pâte à bois chimique ou un mélange de pâte et de fibres de chiffons ; et pour les papiers les plus fins, comme les meilleures qualités de papier à lettres, on n'utilise que de la fibre de chiffons soigneusement triée.

Les chiffons utilisés dans la fabrication du papier sont tout d'abord nettoyés mécaniquement pour enlever la poussière et les éléments étrangers. Après ce nettoyage, les chiffons sont cuits dans une grande étuve. Ce procédé implique de faire bouillir les chiffons avec de la chaux sous pression vapeur pendant plusieurs heures. La chaux s'allie avec les graisses et les autres impuretés contenues dans les chiffons pour former des pâtes non solubles, qui peuvent être ensuite entraînées au lavage dans un traitement ultérieur, et en même temps, réduit toutes les teintures colorées en composants incolores. Les chiffons sont ensuite transférés dans une machine appelée pile raffineuse ou hollandaise, long tube divisé dans le sens de la longueur. Dans une moitié du tube, un cylindre horizontal équipé de plusieurs couteaux tourne rapidement près d'une plaque ondulée, elle-même munie de couteaux. Le mélange de chiffons et d'eau passe entre les cylindres et la plaque, et les chiffons sont réduits en fibres. Dans l'autre moitié du tube, un cylindre de lavage creux couvert d'un tamis à mailles fines est disposé de telle sorte qu'il écope l'eau du tube, en laissant les chiffons et les fibres derrière. Au fur et à mesure que le mélange de chiffons et d'eau s'écoule autour de la pile, la saleté est éliminée et les chiffons macèrent jusqu'à être finalement réduits en fibres. La demi-pâte passe ensuite à travers une ou plusieurs piles secondaires pour désintégrer encore davantage les fibres. À ce moment-là, on ajoute une matière colorante, du matériau d'encollage comme la colophane ou colle, et des produits de remplissage comme le sulfate de chaux ou kaolin, qui donnent du corps et un poids supplémentaire au papier fini, améliorant ses propriétés d'usage.

Dans la fabrication du papier, le bois est préparé de deux façons différentes. En ce qui concerne le procédé à pâte mécanique, des blocs de bois sont maintenus contre une pierre à adoucir tournant rapidement qui met les fibres en lambeaux. Les fibres récupérées par ce procédé sont courtes et ne servent qu'à la production de papier journal bon marché ; elles peuvent toutefois être ajoutées à d'autres types de fibres de bois dans la fabrication de papier de qualité supérieure. Dans différents procédés aux solvants chimiques, les copeaux de bois sont traités avec des solvants qui enlèvent la matière résineuse et la lignite du bois, ne laissant que des fibres de cellulose pure. Le plus ancien procédé aux solvants chimiques est le procédé de soude, mis au point en 1851 et qui utilise une solution de soude caustique (hydroxide de soude) comme solvant. Le bois est cuit ou « digéré » dans cette solution sous pression vapeur. Les fibres produites par ce procédé ne sont pas très solides mais elles sont mélangées à d'autres fibres de bois. Un procédé couramment employé à l'heure actuelle est le procédé au sulfate, appelé ainsi d'après le solvant utilisé : soit du sulfate de sodium, soit du sulfate de magnésium.

Aujourd'hui, la plupart des papiers sont fabriqués sur des machines à table plate, ou fourdriniers, dessinées après le succès de la première machine à fabriquer le papier, créée au début du XIXe siècle. Le cour du fourdrinier est une courroie sans fin de mailles métalliques à déplacement horizontal. De la pâte aqueuse s'écoule sur la courroie, qui passe au-dessus d'un certain nombre de rouleaux. Une caisse en bois peu profonde placée sous la courroie récupère une grande partie de l'eau qui s'égoutte pendant cette phase du procédé. Cette eau est mélangée de nouveau avec la pâte pour permettre la récupération de la fibre qu'elle contient. L'étalement de la feuille de pâte mouillée sur la courroie métallique est limité par des courroies-guides en caoutchouc qui se déplacent de chaque côté de la courroie. Sous la courroie, des pompes d'aspiration accélèrent le séchage du papier et la courroie elle-même oscille de chaque côté pour aider au feutrage des fibres. Lorsque le papier se déplace le long de la courroie, il passe sous un cylindre rotatif appelé rouleau égoutteur. La surface de ce cylindre est couverte de mailles métalliques ou de fils métalliques simples pour donner au papier une surface en vélin ou en vergé. De plus, la surface porte des mots ou des motifs réalisés en fils métalliques ; ceux-ci sont imprimés sur le papier et apparaissent comme des filigranes qui identifient la qualité du papier et le fabricant, ajoutant une fonction de traçabilité industrielle.

Près de l'extrémité de la machine, la courroie passe à travers deux rouleaux coucheurs recouverts de feutre. Ces rouleaux pressent encore de l'eau et consolident la fibre, conférant au papier suffisamment de force pour continuer à passer dans la machine sans le support de la courroie. Ces rouleaux ont la même fonction que les feutres utilisés pour coucher le papier fait à la main. Depuis les rouleaux coucheurs, le papier est transporté sur une courroie de tissu à travers deux jeux de rouleaux presseurs en métal lisse. Ces rouleaux donnent un apprêt lisse à la surface de dessus et de dessous du papier.

Après le pressage, le papier est entièrement formé ; il passe ensuite à travers une série de rouleaux chauffés qui complètent le séchage. L'étape suivante est le calandrage, pressage entre deux rouleaux lisses refroidis pour obtenir l'apprêt lisse appelé fini machine. À l'extrémité du fourdrinier, le papier est fendu par des lames rotatives et enroulé sur des bobines. La fabrication du papier est complétée par la coupe en feuilles, sauf si le papier doit être utilisé sur une presse continue à rouleaux de papier, ce qui permet une production massive continue.

Un traitement supplémentaire est accordé aux papiers spéciaux. Un papier supercalandré est soumis à un procédé de calandrage ultérieur sous haute pression entre des rouleaux métalliques et recouverts de papier. Le papier enduit, utilisé pour la reproduction fine en demi-teinte, est encollé avec de l'argile ou de la colle et calandré. Le papier est également fabriqué sur des cylindres, selon des procédés adaptés à des usages industriels spécifiques.

Papier en fibre synthétique

Ces types de papier sont préparés à partir des fibres de Nylon, de dacron et d'orlon et à partir de mélanges de ces fibres avec de la cellulose (voir Plastiques, matières). Ces matériaux appartiennent à une famille de polymères synthétiques développés pour améliorer la résistance mécanique, la stabilité dimensionnelle et la durabilité des supports papetiers. Ces papiers sont produits sur des machines traditionnelles adaptées ou légèrement modifiées, offrant une large gamme avec plusieurs aspects et caractéristiques, depuis le papier ondulé semblable à du papier ordinaire jusqu'aux matières ressemblant à du tissu technique ou à des non-tissés industriels. Les procédés de fabrication peuvent inclure des étapes de dispersion des fibres synthétiques dans une pâte aqueuse, suivies d'un égouttage et d'un pressage similaires à ceux du papier classique.

Du fait de leurs propriétés uniques, notamment leur résistance à l'humidité, leur élasticité et leur grande tenue à la déchirure, les papiers en fibre synthétique présentent de vastes possibilités d'application auxquelles le papier ordinaire ne convient pas. Ils sont utilisés dans des environnements exigeants où la stabilité est essentielle, par exemple comme isolant électrique dans certains équipements industriels et électroniques, comme matériau de filtration dans le matériel de climatisation et les systèmes de purification de l'air, ou encore dans la fabrication de bandes magnétiques destinées à l'enregistrement sonore et aux supports de données. On les retrouve également dans les tissus techniques pour les chaussures, les renforts textiles, ainsi que dans l'entre-doublure des vêtements, où ils apportent rigidité, maintien de forme et résistance à l'usure. Certaines variantes sont même conçues pour résister à des températures élevées ou à des agents chimiques spécifiques.

Production

Les États-Unis et le Canada sont les premiers producteurs de papier, de cellulose et de produits de papeterie du monde, disposant d'industries fortement mécanisées et intégrées verticalement, allant de l'exploitation forestière jusqu'à la transformation industrielle. Des quantités significatives de cellulose et de papier journal sont également produites par la Finlande, le Japon et la Suède, pays qui disposent de ressources forestières importantes et de technologies de transformation avancées, souvent orientées vers l'exportation.

L'industrie du papier, en général, représente un peu moins de 1 p. 100 du revenu national des États-Unis, premier producteur mondial de pâte à papier (58 millions de tonnes en 1991). Elle fournit environ 2,3 p. 100 des exportations américaines, en incluant les produits finis et les matériaux semi-transformés. Un peu plus de la moitié de toute la production américaine de papier est transformée sous forme de produits en papier finis, tels que conteneurs, emballages industriels, boîtes en carton ondulé et matériaux d'expédition, ce qui montre l'importance du secteur de l'emballage dans cette industrie.

Le Canada est le deuxième producteur mondial de pâte à papier (23,3 millions de tonnes en 1991) mais le premier producteur de papier journal (7 millions de tonnes), grâce à l'abondance de ses forêts boréales et à la proximité de marchés de consommation importants. Au milieu des années 1980, l'industrie papetière représentait plus de 4 p. 100 du produit national brut et environ 11 p. 100 de ses exportations, ce qui en faisait un secteur stratégique de l'économie canadienne. Toutes les provinces, à l'exception de l'île du Prince-Édouard, produisaient de la cellulose mais le Québec, l'Ontario et la Colombie britannique étaient aux premiers rangs, en raison de leurs vastes ressources forestières et hydroélectriques. Une grande quantité de la cellulose produite au Canada est transformée en papier journal ; la plus grande part est exportée vers les États-Unis et la Grande Bretagne, où elle alimente notamment les grandes chaînes de presse et d'édition.

La France est classée loin derrière ces deux géants industriels, bien que son secteur papetier reste diversifié et technologiquement avancé dans certains segments. Avec une production de 2,4 millions de tonnes de pâte à papier en 1991, elle est devancée par des pays comme le Japon, la Chine, la Suède, la Finlande ou le Brésil, qui disposent de capacités industrielles plus importantes ou de ressources forestières plus abondantes. En 1993, la France a consommé 8,9 millions de tonnes de papier dont plus de 4 millions furent importés, ce qui montre une dépendance partielle aux marchés étrangers. Sa production fut presque équivalente à sa consommation avec près de 8 millions de tonnes dont 3,2 millions furent exportées vers divers marchés européens et internationaux. La cellulose du Pin après de graves difficultés structurelles et économiques a été rachetée par l'Irlandais Jefferson Smurfit en 1994, illustrant les mouvements de concentration et de restructuration de l'industrie papetière européenne à cette période.