Les objectifs de cette thèse sont (i) de caractériser expérimentalement les phénomènes physiques responsables du tuilage des cartons ondulés observé en usine et (ii) d’en proposer une modélisation hygro-mécanique pertinente. Afin de répondre à ces objectifs, des essais instrumentés ont été réalisés en usine. Ces essais originaux ont permis de mesurer en continu (i) les évolutions de l’humidité relative et la température au sein des piles de cartons ondulés, et (ii) l’évolution du tuilage des plaques de carton ondulé au sein des piles grâce à une suivi par imagerie. Les résultats obtenus ont été analysés au regard des paramètres procédé. Afin de mieux appréhender le phénomène de tuilage observé, qui est par nature multi-échelle (échelle du papier et du carton ondulé) et multi-physique (humidité relative, température, mécanique), des essais en laboratoire (hygroexpansion, traction, flexion) à différentes humidités relatives ont été développés et mis en œuvre afin de caractériser le comportement hygro-mécanique de différents papiers et cartons ondulés. Des essais de tuilage originaux, couplés à des mesures par imagerie, ont été réalisés et ont pu mettre en évidence l’influence de l’humidité relative et de la composition des cartons ondulés sur le tuilage. En s’appuyant sur ces expériences, une modélisation 1D du tuilage, basée sur la théorie des composites sandwich, a été proposée. Ce modèle a ensuite été comparé aux mesures de tuilage réalisées en laboratoire et en usine. Les premières comparaisons modèle-expérience ont montré la pertinence de la modélisation proposée pour décrire le tuilage du carton ondulé. Un outil permettant d’estimer l’évolution tuilage, à court et moyen terme, dans les encours a été développé et mis en place en cartonnerie afin d’améliorer la maîtrise du tuilage des cartons ondulés. / The objective of this thesis is to (i) experimentally characterize the physical phenomena responsible of curl of corrugated board usually observed during the process and (ii) to propose a hygro-mechanical modeling of the curl. For that purpose, in situ instrumented tests were carried out in the corrugated board factory. These original tests allowed to measure continuously (i) the evolution of the relative humidity and the temperature in stacks of corrugated board, and (ii) the evolution of the curl. This latter one was measured using high quality images and advanced image processing. The obtained results were analyzed in relation to the process parameters. In order to better understand the observed curl phenomenon, which is a multi-scale (scale of papers and corrugated boards) and multi-physics (relative humidity, temperature, mechanics) phenomenon, laboratory tests (hygroexpansion, tensile tests, bending tests) at different relative humidities have been performed in order to characterize the hygro-mechanical behavior of several papers and corrugated boards. Original curl tests, using high quality images and advanced image processing, have been developed and carried out. The obtained results highlight the influence of the relative humidity and the composition of corrugated cardboard on the curl. According to these experimental results, a 1D modeling of the curl, based on the sandwich composite theory, was proposed. This model was then compared to the curl measured in the laboratory and in the corrugated board factory. These first comparisons showed the relevance of the proposed modeling to describe the curl of corrugated board. Finally, a practical tool to estimate the evolution of the curl in the factory has been developed and implemented in the factory to prevent the corrugated board curl.

A large part of the world paper manufacturing consists of production of corrugated board components, kraftliner and fluting, that are used in many different types of corrugated boxes. Because these boxes are stored and transported, they are often subjected to changes in relative humidity. These changes together with mechanical loads will increase the deformation of the boxes compared to the case where the same loads are applied in a static environment. This enlarged creep due to the changes in relative humidity is called mechano-sorptive or accelerated creep. Mechano-sorptive creep forces producers to use high safety factors when designing boxes, and therefore, this is one of the key properties of kraftliner boards.   Different strategies to decrease mechano-sorptive creep, and to simultaneously gain more knowledge about the causes for this phenomenon in paper, are the aim of this work. Derivatised and underivatised black liquor lignins, a by-product produced in pulp mills in large quantities, have been used together with biomimetic methods, to modify the properties of kraftliner pulp. Furthermore, the properties of kraftliner pulp have been compared to other pulps in order to evaluate the influence of fibre morphological factors, such as fibre width and shape factor, on the mechano-sorptive creep. In addition the influence of the chemical composition of the kraftliner pulp has been evaluated both by means of treating a kraftliner pulp with chlorite and xylanase and by producing pulps with different chemical composition.   By using lignin and biomimetic methods, to create radical coupling reactions, it has been shown that it is possible to increase the wet strength of kraftliner pulp sheets. This method of treating the pulp showed, however, no significant effects on the mechano-sorptive creep. The addition of an apolar suberin-like lignin derivative, which has been shown to be possible to produce from natural resources, did show a positive effect on mechano-sorptive creep properties, but at the expense of stiffness properties in constant climate. Different pulps were compared with a kraftliner pulp and it was observed that the ratio between tensile stiffness and hygroexpansion can be used to estimate the mechano-sorptive creep properties. The hardwood kraft pulps investigated had lower hygroexpansion, probably due to more slender and straighter fibres, and higher tensile stiffness, probably due to lower lignin content. As the lignin content was varied by different methods in kraft pulps, it was observed that increased lignin content gives an increased hygroexpansion and decreased tensile stiffness as well as an increased mechano-sorptive creep. There were also indications of increased mechano-sorptive creep due to higher xylan content. / En stor del av världens papperstillverkning utgörs av produktion av wellpappkomponenter, kraftliner och fluting, som används i en uppsjö av olika wellpapplådor. När dessa lådor lagras och transporteras utsätts de ofta för förändringar i relativa luftfuktigheten. Dessa förändringar tillsammans med mekanisk belastning ökar lådornas deformation jämfört med om samma belastning skulle ha applicerats vid ett statiskt klimat. Denna förhöjda krypning på grund av förändringarna i relativ luftfuktighet kallas mekanosorptiv- eller accelererad krypning. Mekanosorptiv krypning tvingar producenterna att ha höga säkerhetsmarginaler vid dimensioneringar av lådor och är därför en av nyckelegenskaperna för kraftliner.   Olika strategier för att minska denna effekt, och på samma gång erövra mer kunskap om orsakerna till detta fenomen, har varit syftet med arbetet. Derivatiserade och oderivatiserade svartlutslignin, en biprodukt möjlig att få ut i stora kvantiteter från massabruk, har används tillsammans med biomimetriska metoder, för att modifiera kraftlinermassas egenskaper. Dessutom har kraftlinermassans egenskaper jämförts med andra massors egenskaper för att utvärdera inverkan av fibermorfologiska faktorer, såsom fiberbredd och fibreform på det mekanosorptiva krypet. Också inverkan av den kemiska sammansättningen av kraftliner massan har undersökts både genom behandling med klorit och xylanas och genom att producera massor med olika kemiska sammansättningar.   Genom att använda lignin och biomimetriska metoder för att skapa radikal-kopplingsreaktioner har det visats på möjligheten att öka våtstyrkan i massa-ark. Det här sättet att behandla massa visade dessvärre inga signifikanta effekter på det mekanosorptiva krypet. Tillsatts av ett apolärt suberin-liknande ligninderivat, som visats möjligt att producera ur naturliga råmaterial, visade en positiv effekt på det mekanosorptiva krypegenskaperna även om det var på bekostnad av styvheten vid konstant klimat. Olika massor jämfördes med en kraftlinermassa och det observerades att relationen mellan dragstyvhet och hygroexpansion kan användas för att uppskatta de mekanosorptiva krypegenskaperna. Lövvedssulfatmassorna som undersöktes hade lägre hygroexpansion, antagligen beroende på smalare och rakare fibrer, och högre dragstyvhet, troligen beroende på en lägre ligninhalt. När ligninhalten varierades i sulfatmassor med olika metoder observerades att ökad ligninhalt ger en ökad hygroexpansion och minskad dragstyvhet liksom en ökad mekanosorptiv krypning. Dessutom fanns indikationer på en ökad mekanosorptiv krypning till följd av högre xylaninnehåll. / QC 20100629

No description available.

L’objectif de ce travail est d’étudier les couplages entre les propriétés hygroélastiques des papierset leur microstructure. L’exploitation d’images de papiers modèles acquises par microtomographieà rayons X a permis de caractériser de manière inédite l’évolution des propriétésmicrostructurales de ces matériaux en fonction de leurs conditions d’élaboration ainsique lors d’essais où ils ont été placés sous atmosphère à humidité relative contrôlée.Ces résultats constituent un apport nouveau pour la connaissance de la nature statistique desdescripteurs des propriétés des fibres (dimensions et orientation) et de leurs contacts (surface,degré de liaison), de l’architecture des réseaux fibreux que forment les papiers (nombrede contacts entre fibre) et pour la taille des volumes élémentaires représentatifs des propriétésmicrostructurales et élastiques de ces milieux. Sur la base de ces informations, différentsmodèles, plus oumoins raffinés, ont été élaborés dans le cadre de la théorie de l’homogénéisationdes structures périodiques discrètes, pour décrire les propriétésmécaniques des papiers.Cette approche apporte un éclairage nouveau sur le rôle des liaisons entre fibres sur leur comportement mécanique. / The objective of this work is to study the coupling between the hygroelastic properties ofpapers and their microstructure. The use of images of models acquired by X-ray microtomographypapers allowed the characterization in an unprecedentedmanner of the evolutionofmicrostructural properties of thesematerials according to their production conditions andduring tests where they were placed in atmosphere at controlled relative humidity. These resultsprovide a new contribution to the knowledge of the statistical nature of the descriptorsof fibre properties (size and orientation) and their contacts (surface, bonding degree ratio), ofthe architecture of fibrous networks that papers constitute (number of fibre-to-fibre bonds)as well as of the size of the representative elementary volumes of microstructural and elasticproperties. Based on this information, various models, more or less sophisticated, were developedin the framework of the theory of homogenisation of discrete periodic structures todescribe the mechanical properties of paper. This approach sheds new light on the role offibre-to-fibre bonds on themechanical behaviour of thesematerials.

<p>Converting wood into paper is a complex process involving many different stages, one of which is pulping. Pulping involves liberating the wood fibres from each other, which can be done either chemically or mechanically. This thesis focuses on the most common chemical pulping method, the kraft cooking process, and especially on a recently developed improvement of the impregnation phase, which is the first part of a kraft cook.</p><p>Extended impregnation kraft cooking (EIC) technique is demonstrated to be an improvement of the kraft pulping process and provides a way to utilize softwood to a higher degree, at higher pulp yield. We demonstrate that it is possible to produce softwood (<em>Picea abies</em>) kraft pulp using a new cooking technique, resulting in a pulp that can be defibrated without inline refining at as high lignin content as 8% on wood, measured as kappa numbers above 90. Lignin is the wood constituent that holds the wood fibres together in the wood matrix. The new cooking technique uses the differences in reaction rate between the diffusion and consumption of hydroxide ions; it is used to ensure a homogenous impregnation of wood chips at lower impregnation temperatures and longer impregnation times than are generally used in the industry. The applied cooking temperatures are also substantially lower than those used in conventional kraft pulping systems, promoting uniform delignification. This results in a narrower kappa number distribution than in lab-cooked conventional kraft pulp.</p><p>High-kappa-number pulps were investigated for pulp sheet properties such as tensile strength, tensile stiffness, and compression strength. It was demonstrated that an EIC pulp of kappa number 95 has strength properties comparable to those of a conventional pulp of kappa number 82. Comparing the effects of starch multilayers on conventional and EIC pulps reveals similar effects. The use of the starch multilayer treatment increased the tensile index and decreased the tensile stiffness and short-span compression test (SCT) indices.</p><p>The EIC technique has also been used to produce a series of bleachable-grade pulps. The results indicate the possibility of increasing the lignin content of the pulp entering the oxygen delignification stage, since the reject content of gently defibered pulp is lower than 0.1% at kappa number 49.</p><p>In this thesis, we recommend that wood chips be impregnated for 2 h at 110 °C to neutralize acidic compounds in the wood and impregnate the chips with cooking chemicals, and that the ensuing cook be performed at 135–140 °C, depending on the target kappa number. We also recommend increasing the available amounts of cooking chemicals in the impregnation stage by using a higher liquor-to-wood ratio and keeping the alkali profile fairly high in the ensuing cook. This concept will reduce the amount of reject material, increase the pulping uniformity, and increase the selectivity towards lignin degradation in the kraft cook.</p> / <p>Omvandling av ved till papper är en komplicerad process som består av många olika steg där ett är massaframställningen (eng. <em>pulping</em>). Massaframställning medför att vedfibrerna frigörs från varandra på kemisk eller mekanisk väg. Denna avhandling fokuserar på den vanligaste kemiska metoden, sulfatkokning och speciellt den nyligen utvecklade förbättringen av impregnerings fasen, som är den första delen av ett sulfatkok. <em></em></p><p>Här visas att<em> Extended Impregnation kraft Cooking </em>(EIC) innebär en förbättring av sulfatkokningen och ett sätt att uppnå högre vedutnyttjande vid högre utbyte för barrved. Vi visar att det är möjligt att producera barrvedsmassa med en ny kokningsprincip som resulterar i en massa som är defibrerbar utan inline-raffinering vid så högt lignin innehåll som 8% (på ved), mätt som kappatal över 90. Lignin är den vedkomponent som håller ihop vedfibrerna i vedmatrisen. Kokningsprincipen utnyttjar skillnaderna i reaktionshastighet mellan diffusion och konsumtion av hydroxidjoner och nyttjas till att skapa en homogen impregnering av vedflisen vid lägre impregneringstemperatur och under längre tid än vad som vanligen används i industrin. De använda koktemperaturerna är också betydligt lägre än vid konventionell sulfatkokning vilket gynnar jämn delignifiering. Detta resulterar i en smalare kappatalsfördelning jämfört med laboratoriekokade konventionella massor.</p><p>Massor med höga kappatal undersöktes med avseende på egenskaper hos handark, såsom dragstyrka, dragstyvhet och kompressionsstyrka Det visades att handark från EIC massa vid kappatal 95 hade jämförbara styrkeegenskaper med konventionell massa vid kappatal 82. Vid jämförelse av effekten av stärkelse multilager på konventionella och EIC massor avslöjar liknande effekter. Användningen av stärkelsemultilager ökade dragindex och minskade dragstyvhets- och kompressions index (SCT, short-compression test).</p><p>Kokprincipen har även använts för att ta fram en serie blekbara massor. Resultaten visar på möjligheten att öka lignininnehållet i massan in till i syrgasdelignifierings-steget eftersom spetinnehållet för milt defibrerad massa var lägre än 0,1% vid kappatal 49.</p><p>I den här avhandlingen rekommenderar vi att vedflis impregneras i 2 timmar vid 110 °C för att neutralisera sura komponenter i veden och impregnera flisen med kokkemikalier, samt att utföra det efterföljande koket vid 135–140 °C beroende på önskat kappatal. Vi rekommenderar även att öka den tillgängliga mängden kokkemikalier i impregneringssteget genom att använda högre vätske-ved förhållande och att hålla alkali profilen relativt hög i det efterföljande koket. Detta koncept reducerar spetmängden, ger jämnare kokning och ökar selektiviteten för nedbrytning av lignin i sulfatkoket.</p>

Converting wood into paper is a complex process involving many different stages, one of which is pulping. Pulping involves liberating the wood fibres from each other, which can be done either chemically or mechanically. This thesis focuses on the most common chemical pulping method, the kraft cooking process, and especially on a recently developed improvement of the impregnation phase, which is the first part of a kraft cook. Extended impregnation kraft cooking (EIC) technique is demonstrated to be an improvement of the kraft pulping process and provides a way to utilize softwood to a higher degree, at higher pulp yield. We demonstrate that it is possible to produce softwood (Picea abies) kraft pulp using a new cooking technique, resulting in a pulp that can be defibrated without inline refining at as high lignin content as 8% on wood, measured as kappa numbers above 90. Lignin is the wood constituent that holds the wood fibres together in the wood matrix. The new cooking technique uses the differences in reaction rate between the diffusion and consumption of hydroxide ions; it is used to ensure a homogenous impregnation of wood chips at lower impregnation temperatures and longer impregnation times than are generally used in the industry. The applied cooking temperatures are also substantially lower than those used in conventional kraft pulping systems, promoting uniform delignification. This results in a narrower kappa number distribution than in lab-cooked conventional kraft pulp. High-kappa-number pulps were investigated for pulp sheet properties such as tensile strength, tensile stiffness, and compression strength. It was demonstrated that an EIC pulp of kappa number 95 has strength properties comparable to those of a conventional pulp of kappa number 82. Comparing the effects of starch multilayers on conventional and EIC pulps reveals similar effects. The use of the starch multilayer treatment increased the tensile index and decreased the tensile stiffness and short-span compression test (SCT) indices. The EIC technique has also been used to produce a series of bleachable-grade pulps. The results indicate the possibility of increasing the lignin content of the pulp entering the oxygen delignification stage, since the reject content of gently defibered pulp is lower than 0.1% at kappa number 49. In this thesis, we recommend that wood chips be impregnated for 2 h at 110 °C to neutralize acidic compounds in the wood and impregnate the chips with cooking chemicals, and that the ensuing cook be performed at 135–140 °C, depending on the target kappa number. We also recommend increasing the available amounts of cooking chemicals in the impregnation stage by using a higher liquor-to-wood ratio and keeping the alkali profile fairly high in the ensuing cook. This concept will reduce the amount of reject material, increase the pulping uniformity, and increase the selectivity towards lignin degradation in the kraft cook. / Omvandling av ved till papper är en komplicerad process som består av många olika steg där ett är massaframställningen (eng. pulping). Massaframställning medför att vedfibrerna frigörs från varandra på kemisk eller mekanisk väg. Denna avhandling fokuserar på den vanligaste kemiska metoden, sulfatkokning och speciellt den nyligen utvecklade förbättringen av impregnerings fasen, som är den första delen av ett sulfatkok. Här visas att Extended Impregnation kraft Cooking (EIC) innebär en förbättring av sulfatkokningen och ett sätt att uppnå högre vedutnyttjande vid högre utbyte för barrved. Vi visar att det är möjligt att producera barrvedsmassa med en ny kokningsprincip som resulterar i en massa som är defibrerbar utan inline-raffinering vid så högt lignin innehåll som 8% (på ved), mätt som kappatal över 90. Lignin är den vedkomponent som håller ihop vedfibrerna i vedmatrisen. Kokningsprincipen utnyttjar skillnaderna i reaktionshastighet mellan diffusion och konsumtion av hydroxidjoner och nyttjas till att skapa en homogen impregnering av vedflisen vid lägre impregneringstemperatur och under längre tid än vad som vanligen används i industrin. De använda koktemperaturerna är också betydligt lägre än vid konventionell sulfatkokning vilket gynnar jämn delignifiering. Detta resulterar i en smalare kappatalsfördelning jämfört med laboratoriekokade konventionella massor. Massor med höga kappatal undersöktes med avseende på egenskaper hos handark, såsom dragstyrka, dragstyvhet och kompressionsstyrka Det visades att handark från EIC massa vid kappatal 95 hade jämförbara styrkeegenskaper med konventionell massa vid kappatal 82. Vid jämförelse av effekten av stärkelse multilager på konventionella och EIC massor avslöjar liknande effekter. Användningen av stärkelsemultilager ökade dragindex och minskade dragstyvhets- och kompressions index (SCT, short-compression test). Kokprincipen har även använts för att ta fram en serie blekbara massor. Resultaten visar på möjligheten att öka lignininnehållet i massan in till i syrgasdelignifierings-steget eftersom spetinnehållet för milt defibrerad massa var lägre än 0,1% vid kappatal 49. I den här avhandlingen rekommenderar vi att vedflis impregneras i 2 timmar vid 110 °C för att neutralisera sura komponenter i veden och impregnera flisen med kokkemikalier, samt att utföra det efterföljande koket vid 135–140 °C beroende på önskat kappatal. Vi rekommenderar även att öka den tillgängliga mängden kokkemikalier i impregneringssteget genom att använda högre vätske-ved förhållande och att hålla alkali profilen relativt hög i det efterföljande koket. Detta koncept reducerar spetmängden, ger jämnare kokning och ökar selektiviteten för nedbrytning av lignin i sulfatkoket. / QC 20120216