Applications du kaolin dans le papier
L'utilisation industrielle la plus importante du kaolin comme charge minérale se situe dans l'industrie du papier, où il est utilisé à la fois dans les applications de charge et de revêtement. Cependant, l'utilisation du kaolin est soumise à la pression d'autres minéraux concurrents, notamment le carbonate de calcium broyé et précipité (GCC et PCC).
L’industrie papetière peut être divisée en secteurs du papier/carton et de la pâte à papier. La principale tendance au sein de l’industrie est une croissance plus rapide de la production de papier et de carton par rapport à celle de pâte à papier, principalement en raison de l’augmentation des taux de recyclage dans de nombreux pays. La consommation de vieux papiers et de charges continue d'augmenter, tout comme le développement du désencrage qui permet de recycler une plus grande variété de papiers. Les charges ne sont utilisées que dans le secteur industriel du papier et du carton.
1.1Fabrication du papier
Le papier est composé de fines feuilles de fibres de cellulose entrelacées, généralement dérivées du bois. La résistance du papier provient de la liaison hydrogène formée lorsque les fibres de cellulose sont pressées ensemble en présence d'eau. Le papier peut être divisé en types mécaniques et chimiques (sans bois), selon la méthode par laquelle les fibres de cellulose sont préparées et la lignine (la matière « ligneuse » des plantes) est éliminée.
L’industrie papetière peut être divisée en deux parties : le papier et le carton. À un niveau simpliste, la principale différence entre les deux est que le papier est une feuille tandis que le carton est un stratifié de plusieurs. Les matières premières de chacun comprennent une source de fibres, de la pâte vierge et/ou du papier recyclé, des charges et une variété de produits chimiques. La formule précise dépendra des propriétés requises dans le produit final. Ainsi un papier d'écriture ou d'impression sera réalisé de manière à être opaque et accepter l'encre sans bavure. Un papier de soie, quant à lui, sera conçu de manière à absorber le liquide tout en conservant sa force physique.
Des charges telles que le kaolin peuvent être utilisées aussi bien dans la production de la feuille elle-même que dans tout traitement ultérieur (finition) de la feuille. Le choix du ou des types de minéraux à utiliser sera déterminé, en partie, par les conditions dans lesquelles la feuille de papier est formée. Lorsque le produit final sera imprimé ou écrit, le papier doit être conçu de manière à accepter l'encre sans permettre à cette encre de couler ou de maculer. Les fibres de cellulose ayant une tendance naturelle à absorber l'eau et de nombreux solvants, la feuille de papier doit être encollée afin de limiter cette tendance.
Historiquement, cet encollage était obtenu grâce à l'utilisation de colophane, un sous-produit de la fabrication de la pâte à papier, qui était précipitée sur les fibres de cellulose par l'alun (sulfate d'aluminium) dans des conditions acides. Ces conditions acides limitées voire interdites, l'utilisation de charges carbonées telles que le GCC et le PCC et le kaolin était la charge de choix.
Au cours des années 1960, des systèmes d’encollage alcalins ont été introduits. Bien que leur adoption généralisée ait pris de nombreuses années, ils constituent aujourd’hui les systèmes dominants dans de nombreuses régions productrices de papier. Cela a eu pour conséquence que les charges carbonatées ont pu conquérir des parts de marché au profit du kaolin. Ce changement a été effectué pour des raisons à la fois de réduction des coûts d'utilisation et d'amélioration des qualités du papier.
Le papier fabriqué dans des conditions acides conserve une certaine acidité, ce qui limite l'utilisation de charges carbonatées dans les opérations de revêtement (finition). Le passage à la fabrication du papier alcalin a supprimé ces limites, de sorte que les charges carbonées ont également pris des parts de marché dans le secteur du finissage du papier.
1.2Pigments de charge et de revêtement concurrents dans la fabrication du papier
Le kaolin était autrefois la charge minérale et le pigment de revêtement le plus largement utilisé dans la fabrication du papier, mais au cours des deux dernières décennies, il a été progressivement supplanté par le carbonate de calcium. Les deux causes en sont la conversion de la fabrication du papier acide à la fabrication alcaline et la demande de papier plus brillant et plus volumineux.
Le passage des méthodes de production acides aux méthodes neutres a permis aux producteurs de papier d'utiliser du carbonate de calcium, moins cher et plus brillant que le kaolin. Le papier d'encollage neutre peut avoir des charges minérales plus élevées que le papier d'encollage acide, c'est pourquoi les bouillies de carbonate de calcium sont utilisées de préférence aux bouillies de kaolin en raison de leur teneur plus élevée en solides.
L'utilisation de minéraux de talc comme charge dans le papier est limitée aux zones où des sources locales sont disponibles ou où il existe des exigences techniques particulières dans les usines de papier. Le talc est utilisé principalement comme agent de revêtement et de contrôle du poix plutôt que comme pigment de charge.
Le kaolin a généralement une surface spécifique et une porosité interne inférieures à celles du carbonate de calcium et interfère donc moins avec la liaison fibre à fibre, ce qui donne un produit plus résistant. Le mélange de ces deux minéraux peut produire un matériau répondant exactement aux spécifications requises. Par exemple, le carbonate de calcium donne un produit avec une finition « plate », donc du kaolin peut être ajouté comme agent « brillant » pour améliorer la finition du produit.
1.3Remplissage du papier
Des minéraux sont ajoutés au papier car une feuille de papier entièrement composée de pâte de cellulose a une surface irrégulière et est parfois insuffisamment opaque pour de nombreuses fins d'impression et d'écriture. Pour la majorité des papiers d’impression et d’écriture, une feuille plus lisse et plus opaque est requise. Ceci peut être réalisé en remplissant les vides dans la bande de fibres de cellulose avec des charges minérales non fibreuses ou en enduisant la feuille avec des matériaux similaires.
Idéalement, les minéraux de charge consommés dans le papier doivent être très blancs, doux, non abrasifs et exempts d'impuretés, notamment de particules, afin de minimiser l'usure des machines de fabrication du papier. De plus, la forme des particules des minéraux de revêtement doit être plate afin de pouvoir être transformées en une feuille lisse par calandrage, car une surface lisse est essentielle pour garantir une bonne surface d'impression. Un minéral de remplissage doit également être chimiquement inerte afin de ne pas interférer avec les produits chimiques utilisés dans le processus de dimensionnement.
Les charges minérales diminuent la résistance mécanique d'un papier. Ceci est compensé par des caractéristiques d’impression améliorées sur le papier, une luminosité et une opacité accrues. Les charges minérales et les pigments prolongent les fibres de cellulose et réduisent ainsi les coûts unitaires des produits. Dans le cas du papier non couché sans bois, le coût des fibres par unité de poids peut être jusqu'à cinq fois supérieur à celui du pigment. Dans le papier double couche sans bois, où les liants augmentent les coûts de production, les coûts des fibres peuvent encore être jusqu'à trois fois supérieurs à ceux des charges.
Les minéraux les plus couramment utilisés dans les applications de remplissage sont le kaolin, le carbonate de calcium (sous forme broyée et précipitée) et le talc. D'autres minéraux, notamment la baryte, la diatomite et le gypse, sont également utilisés, mais en quantités bien moindres.
Le kaolin lavé à l'eau est le type de kaolin préféré pour les applications de remplissage du papier, car il est facilement dispersable dans l'eau. Le kaolin flotté à l'air a généralement une brillance inférieure à celle des qualités lavées à l'eau et a donc tendance à être utilisé dans des produits en papier moins chers.