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Lapâte à papier, aussi appeléepulpe, est la pâte destinée à la fabrication dupapier et ducarton[1].
La préparation de la pâte consiste à isoler desfibrescellulosiques contenues dans lebois ou d'autresvégétaux ligneux ou d'autres sources de fibres, tout en conservant le mieux possible leurs propriétés mécaniques,optiques et morphologiques et en cherchant à éliminer lalignine, l'autre composé principal du bois. Pour cela, il existe trois grands procédés :
Quand la pâte n'est pas utilisée sur le lieu de production, elle est généralement transportée sous forme de plaque.
La pâte à papier est bien sûr le composant principal du papier. La transformation de la pâte implique une mise en forme, pour obtenir des feuilles minces, et l'incorporation d'additifs destinés à adapter le produit à son utilisation prévue.
La pâte à papier sert aussi à la fabrication, par moulage, d'éléments d'emballage comme lesboîtes à œufs, inventées dans les années 1930[2]. Elle est ou était une matière première pour laviscose, lacellophane et lecelluloïd.
On peut produire du papier à partir de bois mais aussi de chiffons de coton, ou en théorie de n'importe quel matériau végétal fibreux riche encellulose (chanvre,bambou (Phyllostachys viridiglaucescens etPhyllostachys edulis),coton,kapok,fibre de noix de coco (coir),lin textile,ramie,jute,sisal,kénaf,alfa,albardin,abaca,henequén,raphia,sabai,papyrus, certainsroseaux, ou d'autresherbacées,paille de céréales,bagasse de canne à sucre, tige demaïs ousorgho). Lepapier bible, fin, souple et durable, est fabriqué à partir de fibres de chanvre. Lagrande ortie pourrait aussi être utilisée.
Le bois destiné à produire du papier est appelé « bois à pâte », « bois à pâte mécanique », « bois de trituration », « bois à papier », ou « bois de papeterie »[3]. Aux États-Unis, débutXXe siècle, les essences principales utilisées dans la réduction en pâte étaient l'épicéa : 57 %, letsuga : 14,5 %, letremble : 6 %, lesapin baumier : 5,4 % et diversyellow pines : 5,3 % ; en plus petite quantité,pin gris,pin blanc,sapin blanc,mélèze laricin,tilleul d'Amérique, hêtre, bouleau, peuplier, gommier, érable ettulipier de Virginie[4].
La pâte mécanique a unrendement de 90 à 96 %. Ce bon résultat est dû à l'absence de manipulation chimique sur la matière. Les composés organiques du bois, la cellulose, les hémicelluloses et la lignine, sont préservés. Néanmoins, certains produits, en bonne partie des matières extractibles (résines, tannins, colorants, cires, alcaloïdes, etc.), possèdent un point d'ébullition réduit et s'évaporent. Que ce soit par l'utilisation d'un défibreur (meule) ou d'unraffineur (disques), les températures dépassent aisément les 100 °C à cause du frottement.
Ce type de pâte est généralement utilisé directement sur le site, le séchage dégradant les fibres. Selon l'usage, la pâte peut être blanchie par éclaircissement en modifiant chimiquement les groupements chromophores de la lignine. Elle est utilisée dans lepapier journal, l'édition, à moindre mesure dans les papiers à usage graphique, lescartons etpapiers à usage sanitaire.
Parmi les pâtes mécaniques, on peut citer les pâtes mécaniques de raffineur, de défibreur, sous pression, thermomécaniques, chimico-mécaniques et chimico-thermomécaniques[1].
La pâte chimique est obtenue principalement par trois procédés[1] : aubisulfite (acide), au bisulfite neutre, et ausulfate (alcalin). Le traitement chimique de la matière première permet de fabriquer une pâte à papier proche des qualités de la pâte de pur chiffon. Pour ce faire, il faut éliminer au maximum les composants indésirables du bois : la lignine, les gommes, les résines pour ne conserver que la fibre de cellulose.
La préparation de la pâte se fait dans de grands lessiveurs, à température élevée 100 à175 °C. Le bois est cuit sous pression en présence de composés chimiques pendant deux à cinq heures. Les fibres en sortent souples et individualisées. Les produits actifs sont déversés dans des lessiveurs et dissolvent les éléments indésirables lors de la cuisson. Il ne reste plus qu'à les laver, rincer, épurer et, éventuellement, blanchir.
Plusieurs procédés sont utilisés pour la préparation de la pâte chimique.
Le procédé aubisulfite repose sur l’action dudioxyde de soufre SO2 (ancienne nomenclature :anhydride sulfureux) qui transforme la lignine en matière soluble. La pâte est recueillie à la sortie du lessiveur, elle est ensuite soufflée ou désintégrée puis lavée et épurée.
Les pâtes au bisulfite utilisent principalement les bois de résineux à l’exception du pin maritime trop riche en résine.
Le procédé ausulfate fut longtemps délaissé en raison des difficultés rencontrées pour blanchir la pâte. Ce problème ayant été résolu, le procédé présente de nombreux avantages. Il permet de traiter les végétaux les plus divers : bois de feuillus et de résineux, bois tropicaux et équatoriaux, plantes annuelles, canne à sucre, roseau...
L’agent chimique dont on exploite les propriétés est lasoude caustique. La pâte chimique est d’aspect foncé. Pour les papiers de qualité qui exigent un degré élevé de blancheur, la pâte subira un blanchiment chimique.
Les pâtes au sulfate non blanchies servent à la fabrication dupresspahn (isolant électrique) ; à l'emballage, au papier à impression et au papier à écriture lorsqu'elles sont blanchies ou en mélange.
Lapâte kraft est une variété de pâte au sulfate[1].
DuXIIe siècle jusqu'au milieu duXIXe siècle le papier était fabriqué à partir de la décomposition des fibres végétales contenues dans leschiffons dechanvre et delin : ces chiffons, récoltés à travers les campagnes, servaient à produire la matière première du papier de moulin, avec sesvergeures et sespontuseaux. Mais dès la fin duXVIIe siècle, la récolte de chiffon de chanvre et de lin par lesferloquiers ne suit plus la demande de l'édition, ce qui augmente fortement le coût du papier. La situation s'aggrave tout au long duXVIIIe siècle et la pénurie devient criante dans les dernières décennies du siècle[5],[6]. Aussi commence-t-on à rechercher desersatz au chiffon traditionnel dès 1700. Le physicienRéaumur, dans un mémoire de1719 adressé à l'Académie des Sciences[7], proposa la piste suivante :« Les guêpes américaines fabriquent, pour construire leur nid, du papier très fin. Elles en extraient les fibres d'un bois très commun dans leur environnement. Elles nous enseignent donc comment le papier peut être fabriqué à partir des fibres de plantes, sans utiliser chiffons ou tissus. Si nous disposions de fibres semblables à celles que les guêpes américaines utilisent pour fabriquer leur papier, nous pourrions produire le plus blanc des papiers. »
Jacob Christian Schäffer entreprit par des expériences systématiques de fabriquer du papier à partir de fibres végétales broyées. Il exposa le résultat de ses recherches entre1765 et1771 dans un traité en six volumes intituléEssais et méthodes de fabrication du papier sans recourir au chiffon ni au moindre dérivé de ce dernier (Versuche und Muster, ohne alle Lumpen oder doch mit einem geringen Zusatze derselben, Papier zu machen). Les différents échantillons qu'il obtint, que ce soit à partir de poils soyeux de graines de peuplier, de mousse, de houblon, de ceps de vigne, de chardon, d'orties, d'écorce de pomme de terre, de tourbe, de pomme de pin ou de sciure de bois furent cependant tous de qualité plus que médiocre, et ne furent jamais utilisés par les papeteries.
C'est àFriedrich Gottlob Keller qu'il revint d'obtenir, en décembre1843, un premier procédé fiable de fabrication depapier à partir d'une pulpe de bois, qu'il obtint en abrasant du bois sur une meule en pierre continuellement arrosée d'eau. Il perfectionna son procédé jusqu'en1846 avec la mise au point du défibreur. Le, il fit tirer sur son propre papier plusieurs exemplaires duno 41 du journal local,Intelligenz- und Wochenblattes für Frankenberg mit Sachsenburg und Umgebung.
Mais il ne put, faute d'argent, valoriser industriellement sa découverte, le gouvernement de Saxe ayant finalement renoncé à couvrir les frais de dépôt de brevet et de démonstration. C'est pourquoi il dut se résoudre à céder ses droits le au papetier le plus offrant,Heinrich Voelter (en), qui améliora encore le procédé Keller, en banalisa l'emploi dans la papeterie et développa une chaîne de production. À partir de 1848, Voelter s'associa avec Johann Matthäus Voith, un papetier deHeidenheim, pour faire du papier un produit de consommation de masse. Voith poursuit les perfectionnement de la chaîne de fabrication de la pâte à papier et invente en 1859 le raffineur, une machine qui convertit les fibres grossières en cellulose et produit un papier de texture nettement plus unie.
À partir de1850, ledéfibreur, qui convertit le bois en pâte à papier, devait investir l'industrie papetière en entier ; ainsi en1879, on comptait déjà 345 machines de ce type par toute l'Allemagne. La plus vieille usine de pâte à papier encore existante est celle deVerla enFinlande, qui démarra son activité en1882. Sa production s'est interrompue en1964, mais depuis1996 elle a été inscrite au patrimoine mondial par l'UNESCO. L'usine deKondopoga, construite dans les années 1930 en Russie, est l'une des plus grandes d'Europe.
Les premiers papiers à base de pâte de bois présentaient l'inconvénient de jaunir, car ils contenaient de la lignine. Les procédés chimiques pour isoler lacellulose pure s'avèrent inadaptés à cause des traces d'acide présentes dans les fibres après traitement ausulfite acide d'ammonium (bisulfite d'ammonium) : l'action à moyen et long terme des traces d'acide sulfurique,activées par la chaleur et la lumière, brunit le papier et le décompose jusqu’à le réduire en poussière. C'est pourquoi un standard international a été établi depuis les années 1980 pour unpapier non acide, plus cher mais beaucoup plus stable dans le temps. Dans lespapiers couchés (traités à lagélatine), l’action des traces d’acide est neutralisée, ou rendue inerte.
Les livres, diplômes et journaux imprimés depuis 1850 (et pour la France, à un rythme effréné dans les années 1915 à 1930, années de pénurie), dont le support est un papier blanchi à l'acide, sont donc menacés de disparition à l'échéance de quelques décennies. Une campagne a été entreprise par plusieurs institutions (dont laBibliothèque nationale de France) depuis les années 1990 pour désacidifier ces documents, ou en réimprimer le contenu sur support pérenne : une véritable course contre le temps est engagée.
Dans lesannées 1960 une étude a été lancée et coordonnée par leCentre international de recherche sur le cancer, portant sur lamortalité parcancer au regard de l'exposition professionnelle dans l'industrie du papier et de la pâte à papier. Dans ce cadre, en France, des cohortes ont été suivies dans 4 usines de production de papier et de pâte à papier (en près de 25 ans, du au) pour 5 529 hommes et 876 femmes décédés dans ces cohortes, il y a eu respectivement 708 et 34 décès, dont les causes ont été retrouvées pour 98 % de ces cas. Cette étude a montré une sous-mortalité par cancer et pour l'ensemble des causes (par rapport à lapopulation générale comme pour l'ensemble des causes). Une analyse plus discriminante (par atelier) a cependant mis en lumière un excès de mortalité parcancer du pancréas dans les activités de préparation du bois et de fabrication du papier. Les auteurs ont estimé que ces résultats devaient être confirmés, notamment par une étude internationale alors en cours.
Au cours du temps, les processus de production et de conservation de la pâte ont significativement changé.
Les impacts environnementaux du papier proviennent, directement, de la production du bois (coupes forestières) et de son transport, ainsi que de la production du papier qui est énergivore, gourmande en eau, et génère des rejets (principalement atmosphériques) de composés chimiques.
Les impacts indirects sont générés par la conversion deforêts primaires ou secondaires riches enbiodiversité en plantations intensives d'arbres (résineux, eucalyptus, peupliers…) uniquement destinés à produire de la pâte à papier. On peut aussi considérer lescolorants, vernis,encres et additifs utilisés pour son impression ou imperméabilisation. Comme dans d'autres industries, l'allongement des chaînes logistiques augmente les impacts liés au transport : dans le cas des pâtes à papier, un transport plus lointain implique en prime l'utilisation de fongicides et biocides pour allonger la durée de conservation.
Le recyclage du papier limite les impacts liés à l'exploitation forestière mais évidemment pas ceux, significatifs, liés à sa production.
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