Le principal objectif de ce travail est d'évaluer le comportement de trois variables de raffinage au cours du 2^e stade dans une pile raffineuse PFI. Les trois variables à évaluer sont: l'écart entre les rotors, la vitesse différentielle entre les rotors et la consistance de la pâte à haut rendement, SCMP, de pin gris (Pinus banksiana Lamb.). Cette étude comporte l'évaluation des effets des variables sur les fibres, à paroi épaisse, de la pâte SCMP de pin gris. L'étude comporte également la description des modifications sur la paroi des fibres observées après le raffinage et l'évaluation d'une relation entre les effets sur les fibres étudiées et les variables de raffinage utilisées.

Dans la présente étude, les fibres de pin gris ont été obtenues par un procédé SCMP. Le rendement moyen du prétraitement chimique au sulfite est de 90 %. Au 1^er stade de raffinage, les copeaux de 2 à 4 mm d'épaisseur, traités. sont raffinés par un raffineur Sunds Defibrator CD300. L'indice d'égouttage de la pâte est de 730 mL, la surface spécifique des fibres est de 0,6 m²/g et l'énergie spécifique lors du 1^er stade de raffinage est de 1,4 GJ/t. Les efforts appliqués ont été suffisants pour la séparation des fibres du 1^er stade de raffinage de la pâte SCMP. Les photographies prises à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM) montrent les fibres, fraction R28, avec une surface externe régulière.

Au 2^e stade de raffinage, une pile raffineuse PFI a été utilisée de façon à en contrôler ses paramètres d'opération. L'étude comporte l'utilisation d'un plan expérimental factoriel 3³ pour l'application des variables de raffinage. Les valeurs d'opération sont : (a) consistance de 10, 20 et 30 %; (b) écart de 0, 0,1 et 0,2 mm; (c) vitesse différentielle de 0, 5,7 et 11,5 m/s. Certaines conditions ont été adaptées pour l'application de la théorie du facteur afin de caractériser et de comparer la pile PFI avec les autres raffineurs. L'incorporation d'un moteur à vitesse variable permet une modification de la variable vitesse du rotor interne. Suite au raffinage dans la pile PFI, on a évalué les caractéristiques des fibres et les propriétés des pâtes étudiées.

Au cours du raffinage dans la pile PFI, la vitesse différentielle a une influence importante sur la puissance du moteur et donc sur la consommation d'énergie. Quand la vitesse différentielle augmente, ces effets entraînent l'augmentation de la consommation d'énergie et aussi la diminution de la courbe d'efficacité de la puissance d'un raffineur. Les paramètres du nombre et de l'intensité des impacts appliqués au cours du raffinage, obtenus dans la présente étude, sont comparables à ceux qu'on retrouve dans la bibliographie. Ce cas a pour base le modèle de Tam Doo et Kerekes [83].

La plupart des caractéristiques des fibres des pâtes étudiées sont affectées par les variables vitesse différentielle entre les rotors et consistance de la pâte, suite au raffinage dans la pile PFI. L'influence de l'écart est cependant peu importante. L'indice d'égouttage des pâtes étudiées diminue lorsque la vitesse différentielle entre les rotors augmente ou la consistance de la pâte diminue. Les valeurs de l'indice d'égouttage des pâtes étudiées sont aussi influencées par la présence de fines et par le nombre d'impacts. Pour le cas des bûchettes, une vitesse élevée et une faible consistance s'accompagnent d'une faible quantité de bûchettes de la pâte raffinée après le 2' stade. Les proportions des bûchettes diminuent rapidement à partir de l'application de plus de 100 impacts/fibre. Le pourcentage des bûchettes est inférieur à 0,5 % quand le nombre d'impacts est supérieur à 400 impacts/fibre. L'élévation de la vitesse entraîne la réduction de la fraction de fibres longues -facteur L- autant que l'élévation de la consistance est favorable au maintien de cette fraction. Les pourcentages du facteur L sont inférieurs à 80 % quand le nombre total d'impacts est supérieur à 400. La variable consistance a une influence significative sur toutes les valeurs des fractions Bauer McNett. L'influence de la consistance est proportionnelle pour la fraction R14 et inversement proportionnelle pour les autres fractions : R28, R48, R100 et R200. En ce qui concerne la vitesse différentielle, elle agit de façon inversement proportionnelle sur la valeur de la fraction R14 mais de façon proportionnelle sur les valeurs des autres fractions, sauf pour la fraction R28. L'effet de la consistance est proportionnel sur les variations de la longueur moyenne de la fibre (Lf-PE) de la pâte entière, mais celui de la vitesse est inversement proportionnel. Pour les valeurs de longueur de fibre de la pâte entière, les nombreux impacts produits à une vitesse différentielle élevée provoquent une
réduction de la longueur de fibre. Les coefficients de l'équation de régression des valeurs de fines FQA sont les mêmes que les coefficients de la longueur de fibre de la pâte entière, mais avec un signe contraire. Sous l'effet de la réduction de la longueur, se forment des éléments qui, ultérieurement, s'intègrent à la fraction de fines.

Il n'y a aucune influence significative des variables étudiées sur la variation des valeurs de la surface spécifique BET des fibres de la fraction R28 des pâtes étudiées. Les valeurs de la surface spécifique BET des mêmes fibres après le 2^e stade sont cependant plus élevées que celles de la pâte du 1^er stade. Les valeurs de la masse linéique de la fraction R28 sont influencées significativement et inversement proportionnelle aux variations de la vitesse différentielle. L'influence de la consistance est combinée à la vitesse différentielle. Cet effet sur la masse linéique est semblable à celui de la vitesse différentielle. Un modèle est présenté pour caractériser la variation de la masse linéique des fibres de la fraction R28 des pâtes étudiées. Les valeurs des paramètres de l'équation du modèle sont importantes en ce qui concerne l'intensité et le nombre d'impacts, l'énergie appliquée sur chaque fibre et les forces de cisaillement et de friction. Ces forces sont les plus importantes pour les diminutions de la masse linéique des fibres de la fraction R28 des pâtes étudiées. Dans le cas des valeurs de rétention de l'eau (VRE), il y a une influence significative, inversement proportionnelle, de la consistance de la pâte et, proportionnelle, de la vitesse différentielle. Les valeurs de l'indice de courbure de la pâte entière (Ic-PE) sont affectées par la consistance et par la vitesse différentielle. Les valeurs de Ic-PE sont cependant faibles : entre 0,03 à 0,05. Les fibres n'atteignent pas les valeurs d'indice de courbure des pâtes TMP ou RMP. Les images de la microscopie SEM et Ultimage montrent des zones de détachement, de fibrillation et fibres tortueuses sur la surface externe des fibres, fraction R28, des pâtes après le 2^e stade raffinage.

Des associations importantes ont été démontrées entre les caractéristiques des fibres et les propriétés des feuilles des pâtes étudiées, les pâtes SCMP de pin gris. Ces associations sont plus importantes pour les propriétés physiques que pour les propriétés optiques. Les variables de notre étude qui ont une influence remarquable sur les propriétés sont la consistance de la pâte et la vitesse différentielle au cours du 2^e stade de raffinage. L'augmentation de la vitesse différentielle et la diminution de la consistance de la pâte entraînent de façon significative la réduction du volume spécifique et l'élévation du coefficient de diffusion de lumière de la feuille. Les valeurs de l'indice de déchirure sont affectées par les effets et interactions des mêmes variables qui affectent la longueur moyenne des fibres des pâtes étudiées. La résistance à la tension a été considérée comme la plus remarquable des propriétés des feuilles des pâtes étudiées. L'augmentation de la vitesse différentielle entre les rotors entraîne de façon significative l'élévation de la résistance à la tension des feuilles. La force de cisaillement, entraînée par la vitesse différentielle, provoque un effet important de fibrillation qui favorise la résistance à la tension. Les résultats de la présente étude indiquent que les propriétés physiques des pâtes étudiées sont plus élevées, apparemment, que celles des pâtes à haut rendement normalement utilisées pour la fabrication du papier journal. Les pâtes étudiées montrent aussi des valeurs de résistances à la déchirure et à la tension plus élevées que celles des pâtes TMP et CTMP de l'épinette, mais elles sont cependant semblables à celles d'une pâte SCMP d'épinette. Les valeurs des mêmes propriétés des pâtes étudiées sont également proches des valeurs d'une pâte kraft.

24 octobre 2002