HAL Id: jpa-00249670
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00249670
Submitted on 1 Jan 1997
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Analyse de la migration d’un liant synthétique dans un enduit pigmenté
M. Younis, D. Bruneau
To cite this version:
M. Younis, D. Bruneau. Analyse de la migration d’un liant synthétique dans un enduit pigmenté.
Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (8), pp.1641-1646. �10.1051/jp3:1997213�. �jpa- 00249670�
Brkve Communication
Analyse de la migration d'un liant synthdtique dans un enduit
pigmentd
M. Younis et D. Bruneau (*)
L.E.P.T.-ENSAM, Esplanade des Arts et M4tiers, 33405 Talence Cedex, France
(Regu le 14 mars 1997, rdvisd le 22 avril 1997, acceptd le 5 mai 1997)
PACS 83.20 Hn Structural and phase changes
PACS.83.70.Hq Heterogeneous liquids: suspensions, dispersions. emulsions, pastes, slurries, foams, block copolymers, etc.
PACS.47.55.Mn Flows through porous media
Rdsumd. Le sdchage d'un enduit pigmentd contenant un liant synthdtique (latex) est dtudid
en l'absence de papier-support Dans ce but, les diffdrentes phases de sdchage de ce milieu sont tout d'abord identifi4es et caract4ris4es. L'analyse de la migration du latex au cours du s4chage permet ensuite de mettre en 6vidence l'effet de la fraction volumique locale en composants solides
sur la vitesse de migration de celui-ci
Abstract. The drying of an alone paper coating containing synthetic binder is considered The various drying stages ofthis medium are first identified and characterized. A latex migration analysis during the drying then leads up to display the solid volume fraction effect
on the
migration velocity of this binder.
Introduction
Une des op4rations ultimes dans un procAdA papetier peut Atre l'enduction du papier brut par un enduit pigmentA (sauce de couchage), l'ensemble papier-supportlenduit d4posA (papier couchA) Atant ensuite sAchA. Lors du passage dans une coucheuse industrielle, une certaine
catAgorie de constituants prAsents dans cette couche d'enduction (couche papetiAre), ies liants,
a tendance h migrer vers la surface de celle-ci ou dans le papier-support.
Ces derniAres vingt-cinq annAes, maints auteurs se sort intAressAs h l'Atude de cette migration
car celle-ci entraine des dAfauts sur le produit fini directement prAjudiciables h une bonne
qualitA d'impression de celui-ci. Par une lecture des travaux de Lepoutre et al. Iii, de Hagen [2]
et de Bernada et al. [3] e-g-, le lecteur pourra rapidement avoir un aper&u des diEArentes dAmarches expArimentales mises en oauvre pour apprAhender ce phAnomAne intervenant tars du sAchage d'une couche d'enduction. De cette analyse des travaux antArieurs ressort que la dAtermination des points de gel et de consolidation d'une sauce revAt un caractAre important
pour la prAvision de la migration des liants en eEet, Lepoutre et al. ill suggArent, avec l'appui (*)Auteur auquel doit Atre adressde la correspondance (e-mail bruneautilept-ensam.u-bordeaux.fr)
© Les (ditions de Physique 1997
1642 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°8
d'expAriences men4es sur des couches comprenant des liants de types latex, que la migration de ceux-ci s'eEectue par entrainement par la phase liquide, et ceci jusqu'au point de gel. De
faqon diEArente, VanderhoE [4] puis Lee et al. [5] proposent un mAcanisme de transport des liants en tant que processus de filtration. Leur description n'exclut pas une migration des liants
jusqu'au point de consolidation. Enfin, Bernada et al. [6] ant montrA que la migration de ceux-ci s'eEectue eEectivement jusqu'au point de consolidation de la sauce.
Les principaux travaux concernant la modAlisation de couplage entre le sAchage et la migra-
tion des liants considArent que le milieu AtudiA (sauce de couchage en l'absence de papier sup-
port) est initialement un solide indAformable soit caractArisA par une permAabilitA intrinsAque (Farkas et al. [7]), soit reprAsentA par une rAseau irrAgulier de pores de diEArentes dimensions
(Nowicki et al. [8]). De fa&on diEArente, Bernada et al. [6,9] ant dAveloppA une modAlisation qui prend en compte la contraction de la couche au cours du sAchage (diminution de l'Apaisseur de la couche au fur et h mesure que celle-ci perd son eau). La vitesse relative de la phase liquide
pure (eau) par rapport aux constituants solides de la sauce vArifie :
ii (/ £~t)
=
-D~~~ (I)
oh / est la vitesse locale de la phase liquide, £~t est la vitesse moyenne locale de retrait de la
phase solide (vitesse locale de contraction de la couche), ii est la fraction volumique locale en eau, z est la cote considArAe, et D est un coefficient de transport lid h la fraction volumique locale
en composants solides #. Dans une gamme de tempArature de sAchage raisonnable (20 -100 °C),
ce coefficient est une grandeur intrinsAque au milieu AtudiA et il peut Atre aisAment obtenu de
faqon expArimentale (Ketelaars II 0], Bernada et al. iiIi). La solidification de la sauce est quant h elle prise en compte en introduisant deux teneurs en eau caractAristiques, h savoir les teneurs
en eau au point de gel (Wg) et au point critique (Wc), qui dAlimitent trois zones du sAchage correspondant h trois (tats diEArents de la sauce de couchage (tat liquide (initial), (tat de gel,
(tat solide. La vitesse de migration du liant (/rant) prdsent dans la sauce de couchage Atud14e par Bernada et al. [6,9] (liant naturel de type amidon) est quant h elle modAlisde comme suit
/rant let
" II let )f(~) (~)
Oh
~
iii)
~
~~
~ ~) ,
k ~d~i 13)
c
Ainsi, relativement h la vitesse de la phase solide, la vitesse du liant dans le modAle de Bernada et al. [6,9] dApend de la vitesse de la phase liquide et d'un facteur frein f variant de I h 0 pour
une fraction volumique en matiAres solides # Avoluant de sa valeur initiate h sa valeur au point critique #c.
L'objet de cette communication est double une Atude expArimentale de la migration d'un
liant synthAtique (latex) contenu dans une sauce de couchage tars du sAchage de celle-ci, et la validation du modAle semi-empirique de migration de liant (i~q. (2)) mis en ceuvre par Bernada et al. [6,9]. Dans ce but, nous prAsentons dans un premier paragraphe une interprAtation, en
termes d'Atats de la sauce d'enduction, des cindtiques de sAchage obtenues sur des couches de
sauce d'Apaisseur initiate un centimAtre, sAchAes en l'absence de papier support ces derniAres,
associAes h l'Avolution temporelle des profits d'humiditA mesurAe~ permettent ensuite la dAter- mination des teneurs en eau de gAlification et de consolidation de cette sauce. La comparaison des rAsultats expArimentaux et numAriques concernant l'Avolution temporelle des profits de
rApartition en latex dans la couche est ensuite menAe dans un second paragraphe. Enfin, les conclusions de l'Atude sent AnoncAes.
Fm(x10~kg/ m~s) 4.5
4
~ ~ ~
"~
3.5 &~. - ~
3 "
~ __
~d~
2.5
~
'
2 ~'
1.5
I Wmr/ =°. ii Wmy =0.31
0.5 ~f ~f
0
0 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5
HL~V
Fig I (volution,du flux
masse d'eau 4vapor4e en fonction de la teneur en eau moyenne pour une
temp4rature de s4chage de 60 °C.
[Time evolution of the drying mass flux versus average moisture content, for a 60 °C drying tempera-
ture.]
1. Analyse en terme de sdchage : ddtermination des points de gdlification et consolidation de l'enduit utilis4
La couche AtudiAe dans ce papier est initialement composAe de trois AlAments de l'eau (31,05 %
en masse), du carbonate (62,II %) et du latex (6,84%). Son Apaisseur initiate est un centimAtre.
Son homogAnAitA initiate a AtA vArifiAe par dosage par calcination du latex (voir Paragr. 2), et par diEArence du carbonate, ceci en divers points du rAcipient contenant la sauce prAparAe pour la sArie d'expArience prAsentAe ici.
Afin d'apprAhender le comportement de l'enduit au cours du sAchage, le flux masse d'eau
dvaporAe (masse d'eau dvaporAe par unitd de temps et unitd de surface de la couche) est
reprAsentA sur la figure I en fonction de la teneur en eau base sAche moyenne de l'enduit (masse
d'eau rapportAe h la masse de matiAres sAches), pour une couche sAch4e h une tempdrature de
sAchage de 60 °C.
Trois pAriodes de sAchage peuvent Atre distinguAes sur cette figure
. Une phase durant laquelle le flux masse d'eau duaporde augmente. Cette phase correspond h la mise en tempArature de l'enduit. Le profit de teneurs en eau (non prAsentAici) correspondant
h une teneur en eau moyenne d'environ 0,38 (fin de la phase de sAchage considArAe) permet de
mettre en Avidence que la teneur en eau de la surface de la couche (notAe Wsu~f sur la Fig, I)
atteint alors la valeur de 0,31. Une mesure directe de la teneur en eau de la sauce de cou-
chage quand celle-ci se g41ifie a At4 eEectuAe sur un grand nombre d'Achantillons pour diverses
tempAratures de sAchage il apparait que celle-ci est invariante et d'environ Wg = 0,31. En conclusion, cette premiAre phase d'augmentation du flux masse s'interrompt dAs que la surface de la couche atteint le point de gel.
. Une premidre phase de diminution du flux masse durant laquelle la couche se gAlifie progres- sivement dans toute son Apaisseur. Cette phase se termine lorsque la teneur en eau globale
de la couche est de l'ordre de 0,14, I cet instant, la surface de la couche est h la teneur
en eau de consolidation Wc et le front de sAchage (surface d'Avaporation) commence h pAnAtrer
dans la couche d'enduit. Le profit de teneur en eau (Fig. 2) correspondant h une teneur en eau
moyenne de 0,14 (fin de la phase de sAchage considArAe) permet de mettre en Avidence, outre la contraction de la couche, que la teneur en eau de surface de la couche atteint alors la valeur
1644 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°8
W b,s.
0.3 o.25
o.2
o.15 ~ " " m,
o.i 'p' 'j "
o.05 ~
o
0 0.2 0.4 0.6 0.8
z (cm )
Fig. 2. D4termination de la teneur en eau critique pour une temp4rature de s4chage de 60 °C z
= 0
correspond h la position du bas de la couche consid4r4e et z
= I correspond h la position initiale du haut de cette couche.
[Critical moisture content determination for a 60 °C drying temperature z = 0 and
z = I are respec-
tively the bottom position and the initial top position of the coating
lvc = 0,11. Des exp4riences h diverses tempAratures de sAchage out permis de montrer que cette valeur de Wc ne varie pas avec celle-ci.
. Une deumime phase de ralentissement qui commence lorsque la teneur en eau globale de la couche passe en dean de 0,14. La zone d'Avaporation qui se trouvait en surface, se dAplace
vers l'intArieur du matAriau. La sauce situAe au-dessus du front de sAchage est consolidAe. La brusque r4duction de la surface effective de transfert due h une alimentation insuflisante en
eau de la surface de la couche est la cause de ce ralentissement.
2. Analyse en terme de migration de liants : validation du modble de Bernada et al.
Dans le but d'apprAhender le processus de migration du latex dans un enduit initialement
homogAne soumis h un flux de sAchage. des mesures des profits de proportions massiques en
ce liant au cours du temps ant AtA eEectuAes. La technique de dosage est destructrice elle consiste h calciner l'Achantillon testA (tranche de la couche d'enduit considArAe) dans un four h combustion sous oxygAne, puis h mesurer la masse de cendres restantes. La perte en masse par calcination enregistrAe correspond au taux de matiAres orgamques prAsentes dans la tranche considArAe avant calcination, c'est-h-dire h la quantitA de latex dans cette tranche.
Deux tempAratures de sAchage ant AtA testAes (60 °C et 80 °C) et pour chacune, six profits
de proportions massiques en latex correspondant h diEArentes dur4es de sAchage (25, 50, 75.
100, 125, 150 minutes) ant AtA mesurAs
La procAdure de validation du modAle mis en ceuvre s'eEectue en deux 4tapes tout d'abord, l'Avolution du coefficient de transport de l'eau en fonction de la fraction volumique en matiAre solide est dAterminAe de faqon classique h l'aide de l'Avolution temporelle des profits de teneurs
en eau mesurAe [12]. Une valeur du coefficient k intervenant dans le facteur frein (voir i~q. (3)) permettant de retrouver numAriquement le profit de rApartition en latex pour une durAe de
sAchage t = 25 min h 80 °C est ensuite recherchAe. Ce choix de k est retenu pour calculer les
profits de rApartition en latex pour d'autres durAes et tempAratures de sAchage.
w~ / w~~~~
1.6~
~ ~ ~~num4rique~ exp4rlence l.2
,
1 0.8 0.6 0.4 0.2 o
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.S 0.6 0.7 0.8 0.9 1
z (cm )
Fig 3. R4partition spatiale du latex dans une couche, mitialement homogAne et d'4paisseur cm, s4ch4e h 60 °C pendant une durde t
= 100 min
z = 0 correspond h la position du bas de la couche consid4r4e et z = I correspond h la position initiale du haut de cette couche
[Latex spatial repartition m an initially homogeneous, I cm thick, coating which has been dried for loo min at 60 °C. z
= 0 and z = I are respectively the bottom position and the initial top position of the coating
j~/IJ~~~
2 .
'
l.S
I f numdrique (60°C)
num&ique (80° C)
°°~ e~$~~en~ 8~~ ~
o
0 20 40 60 80 100 120 140 160
f (mn)
Fig. 4. l~volution temporelle de la fraction massique normalisde de latex
en partie haute d'une couche, mitialement homogAne et d'dpaisseur I cm, sdchde h 60 °C ou 80 °C
[Time evolution of the latex normalized mass fraction at the top of an initially homogeneous, I cm thick coating~ for a 60 °C and 80 °C drying temperature
La comparaison des profits num6riques avec les profits expArimentaux pour une couche sAchAe h 60 °C pendant une dur6e t = 100 mm est reprdsent6e h titre d'exemple sur la figure 3 (fraction
massique en latex Wa normalisAe par la fraction massique initiate Wam~y)
Outre un trAs bon accord entre ces rAsultats, it peut Atre remarquA que la fraction massique
en latex est lAgArement infArieure h sa valeur initiate sur toute la couche, sauf sur la tranche supArieure (situAe aux alentours de z
= 0,76 en consAquence de la contraction de la couche
1646 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°8
au cours du s4chage) off elle est largement supArieure. Pour cette raison, et afin de vahder
nettement le modAle semi-empirique de Bernada et al. nous avons choisi de reprAsenter sur
la figure 4 cette fraction massique normalisAe au sommet de la couche pour les conditions et durAes de s4chage testAes.
3. Conclusion
Le sAchage d'un enduit pigmentA contenant un liant synthdtique (latex) a AtA abordA sous
l'aspect du transport de l'eau et du hant considArA. L'analyse des diEArentes phases de sAchage,
de l'Avolution temporelle des profits de teneurs en eau et des profits de rApartition en latex
a permis d'apprAhender le couplage entre ces deux transferts. Le modAle semi-empirique de Bernada et al. s'avAre bien adaptA pour dAcrire ce couplage. Ainsi, le processus de transport du liant considArA est un processus d'entrainement par la phase liquide, freinA par la prAsence plus ou moins dense de constituants solides.
Bibliographie
iii Lepoutre P, and Watanabe J., Mechanism for the consolidation of the structure of clay-
latex coatings, J. Appl. Polymer SC~ 27 (1982) 4207-4219.
[2] Hagen K G., A fundamental assessment of the effect of drying on coating quality, Procee-
ding of the Tappi Coating Conference (Atlanta, 1985) pp 131-137.
[3] Bernada P et Bruneau D., Une approche expArimentale du sAchage d'un papier couchA.
J. Phys. III France 6 (1996) 907-942.
[4] VanderhoE J.W. and Bradford E-B., The simulation of binder migration m clay-latex coa- tings using a model system, Proceeding of the Tappi Coating Conference (San Francisco, 1972) pp. 173-200.
[5] Lee D-I- and Whalen-Shaw M., Fundamentals and strategies, Binder migration in paper and paperboard coatings, Edition Tappi Press (Atlanta, 1993) pp 19-38
[6j Bernada P. and Bruneau D., ilodelling of binder migration during the drying of a paper
coating, Tappi Journal 79 (1996) 130-143.
[7] Farkas I., Lampinen M-J- and Ojala K., Water flow and binder migration during drying
of coated paper, Drying Technology 9 (1991) 1019-1049.
[8] Nowicki S C., Davis H T. and Scriven L-E
,
Computer-aided modeling of binder migration, Binder migration in paper and paperboard coatings. Edition Tappi Press (Atlanta, 1993)
pp, 1-18.
[9] Bernada P. and Bruneau D
,
Drying of a paper coating: experimental study and modelling, Accept4 pour publication h Drying Technology.
[10] Ketelaars A-A-J-, Drying deformable media, kinetics, shrinkage and stresses, ThAse de doctorat de l'UniversitA Eindhoven (1993).
Ill] Bernada P., Analyse expArimentale et modAlisation de la migration des liants dans une couche papetiAre soumise h
un flux de sAchage, ThAse de doctorat de l'UniversitA Bordeaux
(1995).
(12] Younis M. and Bruneau D., Experimental investigation and modelling of drying a paper coating containing synthetic binders, Actes de congrAs soumis
[h JITH 97 (1997).
