Fiche de révision : Composition et additifs du papier

📋 Plan du Cours

1. Repères de l’industrie papetière
2. Sources et composition des fibres
3. Structure et propriétés de la cellulose
4. Hémicelluloses des fibres végétales
5. Hémicelluloses et lignines du bois
6. Produits de collage papetier
7. Charges et permanence du papier
8. Pâtes mécaniques de bois
9. Les pâtes chimiques et leur cuisson
10. Production européenne de pâte
11. Blanchiment des pâtes et toxicité
12. Formation de la feuille de papier
13. Impacts environnementaux et recyclage
14. Bilan environnemental du papier recyclé
15. Procédé et limites du recyclage

📖 1. Repères de l’industrie papetière

★ À maîtriser

• En 2024, la production mondiale de papier et carton est de 431 Mt/an, dont environ 7,3 Mt/an en France.

Compléments

• La production mondiale se répartit ainsi :

  • Asie : 53,2 %
  • Europe (Cepi) : 18,2 %
  • Amérique du Nord : 16,7 %
  • Amérique latine : 5,6 %
  • Autre Europe : 4,3 %
  • Reste du monde : 2,0 %

• En Europe, en 2024, la pâte à papier provient de bois résineux à 76,4 % et de bois feuillus à 23,6 %.

• Les espèces ligneuses et leurs parts sont :

  • Pin : 38,0 %
  • Épicéa : 37,5 %
  • Bouleau : 11,9 %
  • Eucalyptus : 3,0 %
  • Hêtre : 1,5 %
  • Peuplier : 1,0 %
  • Autres espèces : 1,1 %

📖 2. Sources et composition des fibres

★ À maîtriser

• Les sources végétales citées comprennent :

  • Coton
  • Lin
  • Chanvre
  • Ramie
  • Jute
  • Bambou
  • Bois de résineux et de feuillus

• Dans le bois de résineux, la cellulose représente 30 à 60 %, les hémicelluloses 20 à 30 % et la lignine 21 à 37 %.

• Dans le bois de feuillus, la cellulose représente 31 à 64 %, les hémicelluloses 25 à 40 % et la lignine 14 à 34 %.

Compléments

• Les proportions de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine sont respectivement de 94 %, 6 % et 0 % pour le coton, et de 78 %, 20 % et 2 % pour le lin.

• Les proportions de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine sont respectivement de 77 %, 19 % et 4 % pour le chanvre, et de 83 %, 16 % et 1 % pour la ramie.

• Les proportions de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine sont respectivement de 73 %, 14 % et 13 % pour le jute, et de 77 %, 13 % et 10 % pour le bambou.

📖 3. Structure et propriétés de la cellulose

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellulose : Biopolymère le plus abondant sur Terre et principal constituant des parois végétales, c’est un glucide linéaire dont le monomère est le β-glucose.

★ À maîtriser

• Dans la cellulose, les unités anhydroglucose sont reliées par des liaisons osidiques, aussi appelées glycosidiques, de type β-1,4.

📌 L’amylose est constituée d’unités α-anhydroglucose et adopte une forme globale hélicoïdale, tandis que la cellulose est constituée d’unités β-anhydroglucose et adopte une forme globale linéaire.

• La cellulose est semi-cristalline : ses régions cristallines expliquent son insolubilité et sa rigidité partielle, tandis que ses régions amorphes expliquent son hydrophilie et sa flexibilité partielle.

Compléments

• Les glucides, ou saccharides, sont classés selon leur taille en monosaccharides (un cycle), oligosaccharides (environ 2 à 10 cycles) et polysaccharides (plus de 10 cycles).

• Le β-glucose est un exemple de monosaccharide ; le saccharose est un exemple d’oligosaccharide ; la cellulose est un exemple de polysaccharide.

• La formule brute générale des monosaccharides est $\mathrm{C_nH_{2n}O_n}$ et celle du β-glucose est $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$.

• Dans une unité osidique, le carbone anomérique est le carbone lié directement à deux atomes d’oxygène.

• Les liaisons hydrogène intra- et intermacromoléculaires participent à l’organisation des chaînes de cellulose en microfibrilles, puis en structures fibreuses.

• L’hydrolyse de la cellulose rompt les liaisons glycosidiques ; elle est catalysée en milieu acide à température ambiante ou en milieu alcalin à température supérieure à 100 °C, cette dernière condition étant indiquée hors programme.

💡 Astuce mémo

Amylose en hélice avec des unités α ; cellulose linéaire avec des unités β.

📖 4. Hémicelluloses des fibres végétales

🔑 Notions clés & Définitions

• Hémicelluloses : Glucides polysaccharidiques constitués de monosaccharides de natures différentes, tels que le glucose, le mannose, le galactose et le xylose, avec des unités monosaccharidiques ponctuellement ramifiées sur une chaîne principale.

📖 5. Hémicelluloses et lignines du bois

🔑 Notions clés & Définitions

• Lignines : Biopolymères abondants dans le bois, de structures très variées et complexes, qui appartiennent à la famille des polyphénols.

★ À maîtriser

• Les trois principaux monolignols sont :
  • l’alcool paracoumarylique
  • l’alcool coniférylique
  • l’alcool sinapylique

Compléments

• Dans les fibres végétales, le degré de polymérisation des hémicelluloses est compris entre 50 et 300.

• Le galactoglucomannane est une hémicellulose abondante dans les bois de résineux.

• L’arabinoglucuronoxylane est une hémicellulose abondante dans les bois de feuillus.

• Les groupes les plus abondants sont :

  • les phényles
  • les éthers dont les méthoxy
  • les alcools
  • les phénols

• Les proportions approximatives des unités monolignol sont, pour les résineux, de 4 % d’alcool paracoumarylique, 95 % d’alcool coniférylique et 1 % d’alcool sinapylique.

• Les conséquences de la photo-oxydation comprennent : une source de coloration, une source d’acides, une source d’arômes, notamment de vanilline, de guaiacol, d’eugénol et d’acide vanillique

📖 6. Produits de collage papetier

🔑 Notions clés & Définitions

• Produits de collage : Ajoutés dans la pâte pour augmenter la résistance du papier à la pénétration ou à l’étalement de liquides aqueux, comme les encres.

• Colophane : Résine naturelle obtenue après distillation de la térébenthine, oléorésine récoltée notamment sur les pins maritimes par gemmage.

★ À maîtriser

📌 Le collage en milieu acide utilise notamment l’alun-colophane, à une teneur inférieure ou égale à 1 %m, tandis que le collage en milieu neutre utilise notamment l’ASA ou l’AKD, à une teneur inférieure ou égale à 0,03 %m.

• Le collage à l’alun-colophane se déroule en deux étapes : la colophane est d’abord dissoute en milieu basique avec de la soude ou du carbonate de sodium, puis elle est précipitée par ajout d’alun en milieu acide.

Compléments

• L’alun-colophane a été utilisé massivement du début du XIXe siècle à la fin du XXe siècle, mais son utilisation est aujourd’hui minoritaire.

• Le collage en milieu neutre est généralisé depuis les années 1980 et est aujourd’hui majoritaire.

• Les résines synthétiques AKD et ASA peuvent être appliquées en milieu neutre ou basique et comportent des chaînes hydrocarbonées hydrophobes.

• Les AKD et les ASA réalisent des liaisons covalentes avec les groupes hydroxyle –OH de la cellulose.

💡 Astuce mémo

Alun-colophane en milieu acide ; ASA et AKD en milieu neutre ou basique.

📖 7. Charges et permanence du papier

🔑 Notions clés & Définitions

• Charges : Minéraux introduits dans le papier, jusqu’à 30 %m, pour améliorer la blancheur et l’opacité des feuilles.
• Réserve alcaline : Matériau basique, généralement un carbonate, capable de neutraliser les acides générés ultérieurement par les composants du papier et les gaz de l’atmosphère.
• Papier permanent : Papier qui, selon la norme ISO 9706, possède une réserve alcaline d’au moins 0,4 mol·kg⁻¹, équivalente à une teneur en CaCO₃ d’au moins 2 %m.

★ À maîtriser

• Les charges les plus répandues sont :
  • le carbonate de calcium
  • le dioxyde de titane
  • le kaolin
  • le talc

Compléments

• Les charges moins répandues en papeterie sont le gypse et le sulfate de baryum.

• Le carbonate de calcium joue aussi le rôle de réserve alcaline, notamment dans les papiers permanents.

• La réserve alcaline du papier s’exprime en mol·kg⁻¹.

📌 Les papiers non permanents ont une réserve alcaline faible ou absente et un pH inférieur ou égal à 7, tandis que les papiers permanents ont une réserve présente et un pH compris entre 7,5 et 10.

• Les exemples de papiers non permanents comprennent :

  • les journaux
  • les magazines
  • les papiers d’hygiène
  • les cartons
  • certains emballages
  • les sacs Kraft

• Les exemples de papiers permanents comprennent :

  • les papiers d’impression
  • les papiers d’écriture
  • les archives
  • les papiers de dessin de qualité

• Les papiers permanents ont une durabilité élevée et utilisent des pâtes chimiques blanchies, tandis que les papiers non permanents ont souvent une faible durabilité et utilisent des mélanges de pâtes mécaniques et chimiques ou des pâtes chimiques écrues.

💡 Astuce mémo

La réserve alcaline neutralise les acides → elle contribue à la permanence du papier.

📖 8. Pâtes mécaniques de bois

🔑 Notions clés & Définitions

• Pâtes mécaniques : Obtenues en défibrant des copeaux de bois, avec une composition proche de celle du bois d’origine.

📝 Points essentiels

• Le rendement des pâtes mécaniques est d’environ 90 à 95 %m, contre environ 45 à 60 %m pour les pâtes chimiques.

• Sans blanchiment, les pâtes mécaniques contiennent environ 20 à 30 %m de lignines, contre environ 3 à 15 %m pour les pâtes chimiques.

• Les principales pâtes mécaniques sont les RMP, les TMP et les CTMP.

• La fabrication des pâtes TMP comprend un prétraitement thermique des copeaux par vapeur d’eau sous pression à 110–130 °C.

• La fabrication des pâtes CTMP comprend un prétraitement thermique des copeaux avec ajout de soude et de sulfite de sodium.

📖 9. Les pâtes chimiques et leur cuisson

🔑 Notions clés & Définitions

• Pâtes chimiques : Obtenues par cuisson de copeaux de bois avec des composés chimiques dans de grandes cuves, ce qui élimine les hémicelluloses et une grande partie des lignines.

📝 Points essentiels

📌 Les deux principales pâtes chimiques sont la pâte kraft, obtenue par cuisson alcaline, et la pâte bisulfite, obtenue par cuisson acide.

• Le procédé kraft utilise une liqueur blanche contenant de la soude (NaOH) et du sulfure de sodium (Na₂S) à 140–170 °C pendant 1 à 2 h pour fragmenter les lignines et les rendre solubles en milieu aqueux; la substance retirée est la liqueur noire.

• Le procédé au bisulfite utilise du dioxyde de soufre (SO₂) et des ions bisulfite (HSO₃⁻) à 120–150 °C pendant 6 à 9 h pour sulfoner les lignines et les rendre hydrophiles et solubles en milieu aqueux.

💡 Astuce mémo

Kraft alcalin, bisulfite acide

📖 10. Production européenne de pâte

📝 Points essentiels

• En Europe, la production de pâte à papier en 2025 était composée de 73,9 % de pâte kraft (25 132 kt), 19,3 % de pâtes mécaniques (6 599 kt), 6,4 % de pâte bisulfite (2 150 kt) et 0,4 % d’autres pâtes (146 kt). - Cepi, Cepi Key Statistics

📖 11. Blanchiment des pâtes et toxicité

★ À maîtriser

• Le blanchiment au dichlore peut produire des fragments organochlorés de faible masse, solubles, ainsi que des composés organochlorés toxiques.

• Les principaux composés toxiques générés par le blanchiment au dichlore sont les PCDDs (dioxines, polychlorinated dibenzodioxins) et les PCDFs (polychlorinated dibenzofurans).

Compléments

• Les agents non chlorés courants sont :
  • Le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂)
  • L’hydrosulfite de sodium (Na₂S₂O₄)
  • L’ozone (O₃)
  • Le dioxygène (O₂)
  • Le FAS (formamidinesulfinic acid)

📐 Formule - Le facteur d’émission de toxicité est défini par $\mathrm{TEF\ (UT\cdot t^{-1})=\frac{V\ (L\cdot t^{-1})}{\mathrm{CE}_{50}}}$, où V est le volume d’effluent rejeté par tonne de pâte et CE₅₀ la concentration efficace médiane provoquant 50 % d’effet chez l’organisme testé.

💡 Astuce mémo

Le dichlore forme des composés organochlorés toxiques

📖 12. Formation de la feuille de papier

📝 Points essentiels

• 🔄 Les étapes de fabrication de la feuille sont :

  1. La caisse de tête
  2. La table de formation
  3. Les presses
  4. La sécherie
  5. La finition

• La teneur en eau de la pâte passe d’environ 99 % à la caisse de tête à 89–85 % sur la table de formation, puis à 55–50 % après les presses et à 5–8 % après la sécherie.

💡 Astuce mémo

Caisse de tête → table de formation → presses → sécherie → finition

📖 13. Impacts environnementaux et recyclage

🔑 Notions clés & Définitions

• Demande chimique en oxygène : Quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement, avec K₂Cr₂O₇, l’ensemble des matières oxydables d’un effluent; elle indique globalement la charge organique polluante d’un rejet.
• Halogène organique adsorbable : Les AOX sont la quantité totale de composés organiques halogénés adsorbables sur charbon actif dans un effluent et indiquent globalement la pollution chlorée issue du blanchiment.

★ À maîtriser

• Les principales catégories de déchets et pollutions sont :

  • Les effluents liquides
  • Les émissions atmosphériques
  • Les déchets solides

• Les taux de recyclage du papier indiqués sont : (Environmental Paper Network, 2018) :

  • Monde : 57,9 %
  • Australie : 85 %
  • Japon : 80,4 %
  • Europe : 76,4 % (donnée 2025)
  • France : 71 % (donnée 2021)
  • Canada : 70 %
  • États-Unis : 64 %
  • Afrique du Sud : 61 %
  • Brésil : 48 %
  • Chine : 44,7 %

Compléments

• Les principaux éléments présents dans les effluents liquides sont :

  • La liqueur noire
  • Des charges organiques, dont les hémicelluloses et les lignines
  • Des composés chlorés toxiques, dont les dioxines et les furanes chlorés
  • Des boues

• Les émissions atmosphériques comprennent :

  • Des gaz à effet de serre comme le CO₂
  • Le SO₂
  • Les NOₓ
  • Des composés organosulfurés comme le H₂S et les méthylmercaptans

• En Europe, la COD des effluents papetiers est passée de 23,36 kg/t en 1991 à 4,91 kg/t en 2024, soit une diminution de 79,0 %. - Cepi, Cepi Key Statistics, 2025

• En Europe, les AOX des effluents papetiers sont passés de 0,433 kg/t en 1991 à 0,020 kg/t en 2024, soit une diminution de 95,3 %. - Cepi, Cepi Key Statistics, 2025

• En France en 2021, l’industrie papetière émettait 2 MtCO₂e de gaz à effet de serre d’origine fossile et 4,5 MtCO₂e d’origine biogénique. - ADEME, Plan de Transition Sectoriel de l’industrie du papier carton en France : Synthèse, 2024

• En France en 2021, 75 % de l’énergie thermique de l’industrie papetière était dédiée aux opérations de séchage. - ADEME, Plan de Transition Sectoriel de l’industrie du papier carton en France : Synthèse, 2024

📖 14. Bilan environnemental du papier recyclé

★ À maîtriser

• La fabrication d’une tonne de pâte nécessite : (2018 Environmental Paper Network, 2018) :

  • 4,4 tonnes d’arbres pour la pâte kraft vierge
  • 2,2 tonnes d’arbres pour la pâte mécanique vierge
  • 1,4 tonne de papiers recyclés pour la pâte recyclée

• Les impacts réduits concernent : (2018 Environmental Paper Network, 2018) :

  • l’énergie totale
  • les gaz à effet de serre
  • l’eau
  • l’acidification des océans
  • les polluants atmosphériques dangereux
  • le mercure
  • les dioxines

Compléments

• En 2014, la pâte à papier mondiale était produite à partir de fibres vierges, de fibres recyclées et d’autres fibres.

• En 2018, les proportions de pâte recyclée variaient selon le type de papier, notamment entre l’emballage, l’impression-écriture, l’hygiène et les journaux. - 2018 Environmental Paper Network

• Les émissions mondiales de CO₂ lors de la production de papier sont comparées selon le type de pâte et le type de papier, entre une production à 100 % de pâte recyclée et une production à 100 % de pâte vierge. - 2018 Environmental Paper Network, 2018

📖 15. Procédé et limites du recyclage

🔑 Notions clés & Définitions

• Hornification : un phénomène qui survient au fil des cycles d’humidification et de séchage des fibres

★ À maîtriser

• Le processus simplifié de recyclage conduit les fibres récupérées vers la flottation, puis vers la machine à papier; le schéma indique également une pâte de fibres vierges et le blanchiment. - MANGEART Martin, PILLET Adeline, BORDE Cyrielle, PADILLA Sylvie, ADEME, Plan de Transition Sectoriel de l’industrie du papier carton en France : Synthèse, 2024

• Au fil des cycles de recyclage, la longueur, le diamètre et la rigidité des fibres ainsi que la résistance du papier diminuent. - Pătrăucean-Patrașcu, C.-I., Gavrilescu, D.-A. & Gavrilescu, M., Chemical Transformations and Papermaking Potential of Recycled Secondary Cellulose Fibers for Circular Sustainability, 2025

• Le nombre maximal de recyclages des fibres est de 5 à 7. - Pătrăucean-Patrașcu, C.-I., Gavrilescu, D.-A. & Gavrilescu, M., Chemical Transformations and Papermaking Potential of Recycled Secondary Cellulose Fibers for Circular Sustainability, 2025

Compléments

• Les contaminants comprennent :
  • les encres
  • les colles et adhésifs
  • les charges
  • les plastiques et films laminés
  • les agrafes et spirales
  • les huiles minérales

💡 Astuce mémo

Cycles humidification-séchage → hornification → fibres moins résistantes

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des principaux types de pâtes