Etude mécanique et physico-chimique du contact rouleau - papier lors du calandrage

Paper / roll contact in calenders : a mechanical and physico-chemical study

• Auteur / Autrice : Eric Tourette
• Direction : Évelyne Darque-Ceretti, Éric Felder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adhésion (physique)

Rhéologie

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Papier

Papier -- Essais

Résumé

Le calandrage consiste à faire passer, à grande vitesse, la feuille de papier entre au moins deux rouleaux, soumis à une force normale et chauffés, afin d’améliorer l’état de surface. Ce passage durant un temps inférieur à la milliseconde et sous une pression de quelques dizaines de MPa produit aussi une diminution de l’épaisseur du papier. Cette thèse étudie le comportement mécanique du papier dans un nip de calandre (zone d’emprise entre les deux rouleaux) et les interactions de surface rouleau / papier. Différents papiers destinés à l’impression - écriture sont étudiés (couché, non couché). Deux essais d’indentation sphérique de feuille de papier (chute de bille et compression quasi-statique) ont été développés et des essais de calandrage ont été réalisés. Les temps de sollicitation lors de l’essai de chute de bille sont comparables à ceux rencontrés dans un nip. L’analyse mécanique des essais permet d’établir des courbes contrainte / déformation et de suivre l’évolution du module d’élasticité « statique » avec la déformation plastique. Ces grandeurs mécaniques s’avèrent sensibles à la formulation et au conditionnement du papier, ainsi qu’au temps de sollicitation. Un modèle mécanique permet d’évaluer à partir des essais de compression quasi-statique, la largeur du nip dans des conditions statiques. L’adhésion entre la surface des papiers et les rouleaux est étudiée à partir un essai de roulement sur un plan incliné et des essais de calandrage. Les essais de calandrage ont également permis de relier l’amélioration des caractéristiques de surface à la réduction d’épaisseur du papier et de préciser comment l’état de surface du rouleau se transfère sur le papier.

Calendering consists of running a sheet of paper at high pressure and speed (contact time less than 1 ms) between at least two heated rolls so as to improve the paper surface quality. However, this operation reduces paper thickness. Our study focused on the mechanical behaviour of paper in the nip and on the surface interactions between the paper and the rolls. Different grades of printing and writing paper were studied (coated, un-coated). Two spherical indentation tests on paper samples were developed (falling ball and quasi-static compression) and calendering trials were performed. The contact time in the falling ball test is equivalent to that in calendering. The mechanical interpretation of these tests and trials allows us to obtain stress / strain curves and the evolution of « static » elastic modulus with the permanent deformation. The mechanical variables are influenced by the paper formulation, conditioning and time of solicitation. Using the quasi-static compression test, a model permits to evaluate the nip width in static conditions. The adhesion between the paper surface and the rolls is studied with a rolling friction test and calendering trials. Calendering trials enable to link the improvement of paper surface properties (gloss, smoothness) to the thickness reduction and to specify how the roll surface roughness is transferred onto the paper.