Développement d un nouveau papier antiadhésif recyclable pour les endos d étiquettes Bilan du projet PART et perspectives de poursuite du projet

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1 Développement d un nouveau papier antiadhésif recyclable pour les endos d étiquettes Bilan du projet PART et perspectives de poursuite du projet ACFAS Mai

2 Un mot sur Innofibre Centre collégial de transfert de technologie (CCTT) Partie intégrante du Cégep de Trois-Rivières Membre du Réseau Trans-tech 40 CCTT «techno» 6 CCTT «social» Recherche appliquée, transfert et soutien technique pour PME et GE 14 chercheurs, techniciens et enseignants Créé en 1989 sous le nom de Centre spécialisé en pâtes et papiers (CSPP), déménagé au pavillon CIPP sur le campus de l UQTR en 2006 (bureaux, labos et usines pilotes) Collaborations avec les chercheurs des autres CCTT, de l UQTR et d autres universités, des autres centres de recherche (projet par projet) 2

3 Des laboratoires performants Service d analyses complet pour les pâtes, les papiers et les cartons Contrôle de la qualité Contrôle du procédé Résolution de problèmes de production Optimisation de procédé Système de fiabilité, comparaison des méthodes Développement de produits Procédés à l échelle laboratoire Recyclage et désencrage Traitement de surface (CLC-7000) 3

4 Une usine pilote unique Usine pilote unique au Canada pour reproduire les procédés partiellement ou en entier : Atelier pour la mise en pâte, le traitement des pâtes et le bioraffinage Machine à papier pilote complète Traitement de surface pour modifier et fonctionnaliser les papiers, les cartons, les membranes 4

5 Objectif du projet Démontrer la faisabilité technique de la fabrication du papier antiadhésif utilisant des esters de phosphate. Quantifier les avantages du nouveau papier antiadhésif sur les produits conventionnels notamment par rapport à la recyclabilité. 5

6 L endos d étiquette, c est quoi? 1. Frontal étiquette 2. Adhésif 3. Couche antiadhésive 4. Dorsal papier support 6

7 Où retrouve-t-on ce produit? 7

8 Répartition des marchés Marché nord américain en 2011 par application 1,80% 7,50% 7,60% 16,40% 4,00% 45,10% Étiquettage Art Graphique Ruban Hygiène Medicale Industrielle Enveloppe Autres 12,60% 5,00% Source: AWA 8

9 Importance du marché Selon les plus récentes informations disponibles*, millions de mètres carrés d'endos d étiquette (release liner) ont été produits dans le monde en La demande s accroit de 5% par an en Amérique du Nord et de 0-2 % en Europe. Actuellement, la majorité des endos d étiquette sont faite à partir de silicone. La majorité des entreprises productrices sont intéressées à rendre leurs produits plus respectueux de l'environnement, mais peu d entre elles sont impliquées dans des programmes de développement. Le prix d achat de l ester de phosphate correspond à une fraction minime du prix du silicone * A. Hirst-Smith, 2012, Release Liner : The AWA 2012 Industry Conference, An in-depth look at the release liner market sheds light on the global labeling industry, Label & Narrow Web, May/June 9

10 Brève rétrospective Tableau 1 : Étapes de différents projets qui ont mené au papier antiadhésif Programme de subvention Sujet Demandé par Lien avec le présent projet CRSNG 2005 Synthèse d'additifs pour le contrôle du peluchage lors de l'impression offset des papiers à base de pâte mécanique François Brouillette Identification de produits donnant des propriétés antiadhésives au papier PART 2005 Contrôle du peluchage du papier par l'utilisation d'additifs chimiques multifonctionnels Jean Paradis et Ciba (François Brouillette) Validation des propriétés antiadhésives et antipeluchages de certains produits PART 2009 Développement de papiers d ingénierie dans un contexte d écoconception et d optimisation des ressources Jean Paradis Mise au point d une technique d application en surface. Cette technique sera employée dans le projet PART 2010 Développement d un nouveau papier antiadhésif plus écologique pour les endos d étiquettes Jean Paradis Projet présenté 10

11 Les esters de phosphate (EP) R 2 Les esters de phosphate (EP) sont synthétisés à partir d un alcool gras et de pentoxyde de phosphore (P 2 O 5 ). O R 1 O P O - M + C est la longueur de la chaine de carbone R1 qui donne à la molécule toutes ses propriétés physico-chimiques. O R 1 = Chaîne alkyle R 2 = H ou chaîne alkyle M + = Contre-ion ou H Par exemple, un ester de phosphate en C 8 sera liquide à la température de la pièce (point de fusion = 10-20⁰C). en C 18 sera solide à la température de la pièce (point de fusion = 70⁰C). 11

12 Modélisation de la dispersion des micelles d EP à la surface du papier L ester de phosphate peut être représenté par une longue chaine alkyle avec à une extrémité un gros groupement polaire Dans l eau, il formera des micelles R 2 O R 1 O P O O - M + R 1 = Chaîne alkyle R 2 = H ou chaîne alkyle M + = Contre-ion ou H Groupement non polaire Groupement polaire (-) C est le groupement polaire qui réagit avec la cellulose des fibres 12

13 Hydrophobicité de la surface enduite d ester de phosphate Tableau 2. Effet de l ester de phosphate No. critère témoin EP C Grammage EP couché, g/m Porosité PPS, ml/min Cobb 60, g/m Angle de contact, Résistance à la graisse Vitesse d'adsorption, m Temps, s papier non couché papier couché/séché à l'air, 11.9 g/m2 EP papier couché/séché à 105 C, g/m2 EP 13

14 Paramètres de l étude Produits antiadhésifs Ester de phosphate chaine courte (C 8 ) Ester de phosphate chaine longue (C 18 ) Quantité de catalyseur utilisée Ratio molaire EP/urée de 3/3 Ratio molaire EP/urée de 3/17) Qualité de la surface réceptrice Supercalandré mais non couché Supercalandré et couché avec une pré-couche de PVA Conditions de conditionnement Temps (0,5 2 heures) Température ( C) 14

15 Paramètres non retenus Certains paramètres ont été éliminés de l étude dès les premiers résultats obtenus : Type de papier récepteur (mécanique ou chimique) La force du papier à base de fibres mécaniques ne permet pas de supporter les contraintes mécaniques liées au pelage. Un papier à base de fibres chimiques a donc été employé. Type d applicateur La quantité d ester de phosphate retenue par le couchage rideau ne permet pas d utiliser efficacement cette méthode. Les méthodes conventionnelles de couchage par tige ou par lame ont été employées 15

16 Évaluation du pouvoir antiadhésif Deux paramètres sont déterminants pour évaluer le pouvoir antiadhésif du papier: Force de pelage Force nécessaire pour séparer un ruban adhésif préalablement collé sur la surface à évaluer Ruban standardisé TESA 7475 (base acrylique) Résultats exprimés en centinewton (cn) Méthode conforme aux méthodes FINAT 16

17 Évaluation du pouvoir antiadhésif Adhésion résiduelle: Force de pelage d un ruban adhésif qu on sépare d une surface de référence (plaque en inox.) Ruban adhésif employé ici est le ruban utilisé préalablement contre la surface de papier à évaluer Résultat exprimé en pourcentage en prenant comme référence la force de pelage d un ruban utilisé pour la première fois contre la surface de référence : Adhésion résiduelle (%) = Force de pelage du ruban adhésif réutilisé x 100 Force de pelage initial du ruban adhésif (surface de réf.) Pourcentage d adhésion résiduelle permet de vérifier s il y a eu contamination de la surface collante du ruban adhésif 17

18 Résultats avec EP-C8 (PVA) Tableau 3 : Essais sur du papier couché avec PVA et l ester de phosphate C8 Échantillon Temps (h) Température ( C) Ratio EP/urée. Force de pelage (cn) Adhésion (%) Adhésion résiduelle (%) 1 0, / ,8 13,5 2 2, / ,8 3 0, / ,3 4 2, / ,6 5 0, / ,7 18,8 6 2, / ,9 26,2 7 0, / ,8 36,4 8 2, / ,3 41,9 Dans certaines conditions, la force de pelage est plus faible mais l adhésion résiduelle est faible aussi NOTE: Les essais avec EP-C8 sans PVA ont fait délaminer le papier 18

19 Résultats avec EP-C18 Tableau 4 : Essais sur du papier et l ester de phosphate C18 (sans couchage). Échantillon Temps (h) Température ( C) Ratio EP/urée. Force de pelage (cn) Adhésion (%) Adhésion résiduelle (%) 1 0, / ,2 35,2 2 2, / ,6 31,5 3 0, / ,0 63,9 4 2, / ,0 5 0, / ,9 6 2, / ,1 7 0, / ,6 8 2, / ,2 Avec EP C18, pour des forces de pelage équivalentes à C8, on a des adhésions résiduelles 3X plus élevées 19

20 Résultats avec EP-C18 (PVA) Tableau 5 : Essais sur du papier couché avec PVA et l ester de phosphate C18. Échantillon Temps (h) Température ( C) Ratio EP/urée Force de pelage (cn) Adhésion (%) Adhésion résiduelle (%) 9 0, / ,5 37,4 10 2, / ,3 28,5 11 0, / ,0 12 2, / ,2 33,3 13 0, / ,0 28,5 14 2, / ,4 35,8 15 0, / ,4 37,1 16 2, / ,6 41,9 Avec EP C18 avec PVA, on obtient des résultats encore meilleurs 20

21 Explication des résultats La couche d ester de phosphate n est pas mono moléculaire. Une portion de l ester de phosphate ne réagit pas avec la cellulose du papier et peut être détacher par l adhésif de l étiquette R 2 O R 1 O P O O - M + R 1 = Chaîne alkyle R 2 = H ou chaîne alkyle M + = Contre-ion ou H Le défi est de couvrir toute la surface du papier sans avoir d excédent! 21

22 Explication des résultats PWC 22

23 Explication des résultats PWC+EPC18 23

24 Explication des résultats PWC+EPC18+urée 24

25 Résultats du coefficient de friction avec un papier couché commercial Coefficient de friction statique dynamique Abréviation Échantillon Silicone Papier siliconé 0,255 0,212 PWC Papier couché commercial 0,388 0,334 EPC18 PWC / EP-C18; 1h, 140 C 0,212 0,164 EPC18+urée 1/2 PWC / EP-C18 + urée; 30 min, 140 C 0,223 0,157 EPC18+urée 1 PWC / EP-C18 + urée; 1h, 140 C 0,210 0,166 EPC18+urée 2 PWC / EP-C18 + urée; 2h, 140 C 0,221 0,172 Coefficient de friction 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Avec EP C18 avec PVA, on obtient les plus faibles coefficients de friction Silicone PWC EPC18 EPC18+urée 1/2 EPC18+urée 1 EPC18+urée 2 Échantillon statique dynamique 25

26 Résultats Repulpabilité Tableau 6 : Évaluation de la repulpabilité du papier traité avec les esters de phosphate Échantillon couché avec l ester de phosphate (EP) EP C8 EP C18 EP C8 +PVA EP C18 +PVA Quantité de papier utilisée (g) 24,61 19,67 24,68 24,75 Quantité acceptée au tamisage (g) , ,66 Quantité rejetée au tamisage (g) 00,00 00, ,14 Pâte sèche totale (g) 23,67 18, ,80 Perte (g) Rendement (%) Tous les papiers antiadhésifs fabriqués à partir d EP sont repulpables! (Rendement > 85%) Cependant, l effet sur les effluents n a pas été étudié 26

27 Conclusion Il est possible de produire un papier antiadhésif à partir d ester de phosphate Le papier antiadhésif à base de EP est recyclable Les performances du papier avec EP ne sont pas égales au papier antiadhésif à base de silicone. Plusieurs pistes d amélioration du produit sont possibles 27

28 Piste pour la poursuite du projet Optimisation de la réaction Temps Température Quantité de catalyseur Optimisation de la surface réceptrice Rugosité de surface Coefficient de friction Autres pré-couches Qualité de la surface réceptrice Supercalandré mais non couché Supercalandré et couché avec une pré-couche de PVA Analyse de l eau rejetée au effluent Optimisation des techniques d application 28

29 Remerciements Collaborateurs Organisations François Brouillette, Ph, D. Dan Belosinschi, ing., M, Sc. du Centre de recherches sur les matériaux lignocellulosiques (CRML) Mario Parenteau, ing., M, Sc. Sylvain Duquette, ing., M, Sc. Daniel Thiboutot Annie Trudeau Simon Fréchette Gélinas Ministère de l Enseignement supérieur, Recherche, Science et Technologie Programme d aide à la recherche et au transfert (PART) 29

30 Remerciements et à vous de m avoir écouté! 30