Vulgarisation scientifique | Classification et caractéristiques des colorants pour la fabrication du papier

Lors de la fabrication du papier, divers colorants sont couramment utilisés pour lui conférer la teinte souhaitée. Pour obtenir un papier de la couleur désirée, les colorants sont soit incorporés à la pâte à papier, soit appliqués en surface ; ce procédé est appelé teinture ou coloration du papier. Cet article détaille les propriétés fondamentales et les caractéristiques d'application des colorants les plus couramment utilisés dans l'industrie papetière.

Actuellement, les colorants utilisés de façon conventionnelle dans la fabrication du papier se répartissent en trois grandes catégories : les colorants directs, les colorants basiques et les colorants acides. S’y ajoutent les agents de blanchiment fluorescents et les colorants fonctionnels, dont l’utilisation s’est considérablement développée ces dernières années.

1. Teintures directes

Les colorants directs appartiennent à une classe de colorants hydrosolubles contenant des groupements hydrosolubles (sulfoniques ou carboxyliques), ainsi que des groupements hydroxyle ou amino capables de former des liaisons hydrogène. Ils présentent une forte affinité pour les fibres et permettent de les teindre directement, sans mordant. Ces colorants sont largement utilisés pour la teinture des fibres cellulosiques, des fibres protéiques et des textiles mélangés.

Grâce à leur forte affinité pour les fibres cellulosiques, les colorants directs permettent la teinture directe des fibres. Un mélange irrégulier avec la pâte à papier entraîne une teinture inégale et l'apparition de mouchetures. Ils sont généralement inadaptés à la teinture de la pâte de bois : la forte teneur en lignine de cette dernière induit une faible adsorption du colorant et, par conséquent, des teintes pâles.

Certains colorants directs bleu vif peuvent servir d'agents de blanchiment du papier dans des conditions spécifiques, le violet direct en étant un exemple typique. Parmi les qualités commerciales courantes, on trouve le bleu brillant direct, le bleu ciel direct, le brun rougeâtre direct, l'écarlate direct, le jaune congélation direct, le brun foncé direct MM et le noir direct EX.

2. Teintures de base

Les colorants basiques se dissocient en cations en solution aqueuse ou forment des sels cationiques par acidification ; ce sont des composés organiques possédant des groupements fonctionnels aminés basiques. Solubles dans l’eau, les colorants basiques offrent un pouvoir colorant exceptionnel et des teintes éclatantes, ce qui les place parmi les colorants les plus utilisés en papeterie. Cependant, leur résistance à la lumière et à la chaleur est faible, de même que leur faible résistance aux acides, aux bases et aux ions chlorure, rendant le papier fini sensible à la décoloration.

Ils présentent une forte affinité pour la pâte non blanchie et la pâte de bois broyée, obtenant des résultats de teinture satisfaisants sans ajout de colophane ou d'alun, mais montrent une faible substantivité pour la pâte blanchie qui nécessite un ajout de mordant.

La température d'application doit être maintenue en dessous de 70 °C pour éviter la formation de laques de couleur insolubles et de taches sur le papier ; le pH optimal de teinture se situe entre 4,5 et 6,5.

Une prudence accrue est requise lors de la teinture d'un mélange de pâte blanchie et de pâte broyée afin d'éviter une coloration inégale : deux approches possibles consistent à teindre préalablement la pâte blanchie avant l'incorporation de la pâte broyée, ou à ajouter de la colophane et de l'alun à la pâte mixte avant le dosage du colorant.

Les colorants basiques se lient aux fibres de pâte à papier par précipitation, donnant généralement des teintes plus vives que la couleur intrinsèque de la poudre de colorant d'origine.

3. Colorants acides

Les colorants acides sont formulés pour la teinture en milieu aqueux acide. La plupart contiennent des groupements acide sulfonique, tandis qu'une petite proportion contient des groupements carboxyliques. Selon leur structure chimique, ils sont classés en colorants azoïques, anthraquinoniques, triarylméthane et nitrés ; selon leur mode d'application, ils sont triés en colorants à acide fort, à acide faible, mordants acides et colorants à complexe acide.

Très solubles dans l'eau, les colorants acides sont peu affectés par la dureté de l'eau et les variations de température de la pâte à papier. Comparés aux colorants basiques, ils ont un pouvoir colorant plus faible et des teintes moins éclatantes, mais une stabilité à la lumière et à la chaleur supérieure, ainsi qu'une résistance modérée aux acides, aux alcalis et aux ions chlorure.

Grâce à leur affinité exceptionnelle pour les fibres protéiques, elles sont principalement utilisées pour la teinture du cuir. Leur absence d'affinité pour la lignine les rend exemptes de risques de taches sur les pâtes mixtes.

La température n'exerce qu'une influence minime sur les performances des colorants acides, le pH optimal de teinture étant fixé entre 4,5 et 5,0.

Les colorants acides typiques utilisés pour la fabrication du papier comprennent le jaune clair acide G, le bleu anthraquinonique acide, le bleu ciel acide, l'écarlate acide G, l'écarlate acide GR et le jaune doré acide G.

4. Colorants blancs – Agents de blanchiment fluorescents (ABF)

Les agents de blanchiment fluorescents, également appelés colorants blancs, sont des dérivés ou des sels du diaminostilbène. Leur structure moléculaire comprend généralement des groupements sulfamate pour l'excitation de la fluorescence, des groupements amine aromatiques/aliphatiques pour l'absorption des UV et des groupements chlorure cyanurique pour améliorer la durabilité de la liaison.

Les agents de blanchiment optique (ABO) éclaircissent la pâte blanchie et augmentent la blancheur du papier par un effet optique, sans blanchiment direct de la pâte. Leur efficacité de blanchiment est négligeable, voire nulle, pour les pâtes de faible blancheur (inférieure à 65 %) ou à haute teneur en lignine. Les ABO à base de stilbène (disulfonate, tétrasulfonate et hexasulfonate) sont les plus utilisés pour le blanchiment du papier.

5. Autres variétés de teinture

Outre les catégories mentionnées ci-dessus, l'industrie papetière utilise également des colorants de cuve, des colorants mordants, des colorants azoïques, des colorants soufrés, des colorants réactifs et des colorants dispersés. Avec l'essor considérable du papier d'enregistrement sensible à la pression et thermosensible ces dernières décennies, les colorants fonctionnels, notamment les colorants thermochromiques/sous pression formant du noir, ont suscité un vif intérêt industriel.