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Guide Pratique d'Utilisation du carton | IGGESUND PAPERBOARD 134 Rigidité *OçVF

Guide Pratique d'Utilisation du carton | IGGESUND PAPERBOARD 134 Rigidité *OçVFODFEFMBçFYJPOTPVTMnBDUJPOEFGPSDFTFYUÄSJFVSFT Principe de la poutre en I Comprimé Étiré/Allongé F F Aile <-> pâte chimique + couche AME Aile <-> pâte chimique 0QUJNJTBUJPOEFMBSJHJEJUÄQBSMFCPODIPJYEFæCSF Module d’élasticité « résistance » Module d’élasticité « résistance » Épaisseur Rigidité Après le grammage et l’épaisseur, la propriété la plus importante au moment de choisir un carton est générale- ment la rigidité. Dans la pratique, la rigidité est particu- lièrement importante dans le choix d’un carton destiné à l’emballage. C’est la rigidité qui donne au carton sa poly- valence pour les applications graphiques et d’emballage. Sans rigidité, l’emballage ne pourrait pas garantir la pro- tection physique du contenu, qui est sa raison d’être. La rigidité est liée à d’autres propriétés : résistance à la compression, ténacité, aptitude au rainage et au pliage, etc. La rigidité reste malgré tout une propriété aisément isolable et mesurable. Toutefois, son interaction avec d’autres paramètres est toujours un phénomène peu connu. Pour le transformateur et l’utilisateur, la rigidité est un paramètre critique pour le rendement de la transformation et de la ligne de conditionnement. Pour des raisons de coût, il s’agit d’obtenir la rigidité maximale avec le gram- mage le plus faible possible, tout en conservant un niveau de qualité sufﬁsant et uniforme. En aval de l’emballage, la rigidité continue à jouer un rôle important dans la chaîne de distribution, jusqu’au détaillant et au consommateur. Pour le fabricant de carton, la rigidité est une préoccupa- tion majeure. Il contrôle soigneusement les conditions de fabrication pour garantir le respect des spéciﬁcations. Au stade de la conception du produit, des efforts importants ont été déployés pour que la composition et la structure des ﬁbres choisies permettent d’obtenir performance et régularité au moindre coût. Caractéristiques de la rigidité La rigidité est la résistance du carton à la ﬂexion produite par l’application d’une force donnée. La rigidité se déﬁnit aussi comme la limite de la force qu’il faut développer sur l’échantillon d’un matériau pour le faire ﬂéchir sur une distance ou selon un angle donnée. Cette déﬁnition s’applique à la majorité des méthodes reconnues de mesure de la rigidité. La rigidité optimale est obtenue par une forte épaisseur et un module d’élasticité élevé concentré dans les jets exté- rieurs d’une feuille multijet. Une forte rigidité dans les jets de surface est primordiale pour supporter les contraintes de la ﬂexion. Les propriétés élastiques sont fortement inﬂuencées par le type de ﬁbres. Les ﬁbres longues des pâtes chimiques favorisent la cohésion et donc un module d’élasticité élevé, et on les utilise de préférence dans les jets extérieurs du carton. Le type de ﬁbres inﬂuence égale- ment l’épaisseur : par exemple, les ﬁbres mécaniques donnent un bouffant élevé dans les jets intérieurs. Cette méthode d’augmentation de la rigidité s’explique par le principe du proﬁlé en I, qui offre une plus grande rigidité par unité de poids par rapport à une poutre de sec- tion pleine. Les divers jets ﬁbreux doivent avoir une bonne cohésion pour que les caractéristiques des ﬁbres puissent être exploitées au maximum. Différentes constitutions des jets du carton Avant de choisir un carton, il est important d’analyser ce qui se produit lorsque l’on plie une feuille de carton multijet. Les jets du côté convexe sont étirés et ceux du côté concave, comprimés. Il existe entre ces deux jets extérieurs une surface appelée le plan neutre où aucune modiﬁcation de longueur ne se produit. C’est la résistance des jets extérieurs à l’allongement et à la compression, 135 IGGESUND PAPERBOARD | Guide Pratique d'Utilisation du carton Rigidité Le carton est un matériau élastique CHANGEMENT DIMENSIONNEL Limite d’élas- ticité Déformation permanente F 3BQQPSUFOUSFSJHJEJUÄFUUFOFVSFOIVNJEJUÄ HUMIDITÉ RIGIDITÉ mesurée par leur module d’élasticité respectif, qui inﬂu- ence la rigidité de la feuille de manière signiﬁcative. On obtient un module d’élasticité élevé en utilisant de la pâte de cellulose blanchie produite par réduction chimique d’essences de bois telles que l’épicéa et le pin. La pâte, composée de ﬁbres relativement longues, établit une ex- cellente cohésion de ﬁbre à ﬁbre pendant sa consolidation sur la machine à carton. Élasticité L’élasticité est la propriété physique qui permet au ma- tériau – le carton en l’occurrence – de retrouver sa forme initiale lorsque la contrainte disparaît. La limite d’élasticité est la contrainte maximale qui peut être appliquée sans provoquer de déformation permanente. Ces concepts s’appliquent à la résistance de tous les solides, donc aussi au carton. Ils sont résumés par la loi de Hooke qui établit que, pour de petites déformations jusqu’à la limite d’élasticité, avec à la fois compression et extension, la déformation est proportionnelle à la con- trainte qui l’a provoquée : Contrainte = E x Déformation Force appliquée Changement de dimension où E, la constante de proportionnalité, s’appelle module d’élasticité ou module de Young, exprimé en N/m² ou Pa. Chaque matériau – acier, verre, plastique et carton – a son propre module d’élasticité, qui dépend de sa composition. La rigidité, comme déﬁnie ci-avant, est la résistance à une ﬂexion provoquée par une force extérieure. Elle est liée au module d’élasticité et à l’épaisseur par la formule : Rigidité = S = Constante x E x t3 La relation avec le cube de l’épaisseur est valable pour les matériaux homogènes pour autant que la limite d’élasticité ne soit pas dépassée. Pour le carton homogène blanchi et le carton intérieur bois, l’exposant est en réalité légère- ment inférieur à 3 – environ 2,5 à 2,6. La rigidité dépend donc beaucoup de l’épaisseur ; par exemple, si on double l’épaisseur d’une qualité donnée de carton, sa rigidité est multipliée par 5,5. La teneur en humidité du carton inﬂuence fortement le module d’élasticité et donc la rigidité. On peut dire en première approximation que la rigidité diminue de 10% par pourcent d’augmentation de la teneur en humidité. Évaluation de la rigidité La rigidité intervient dans le comportement d’un matériau soumis à une force ou un effort qui le sollicite. Lorsque la contrainte est appliquée, elle produit une déformation ou un changement de dimension. Selon le type d’effort ap- pliqué, il s’agira d’une extension ou d’une compression. De multiples procédés permettent d’évaluer la rigidité des produits papetiers. Certains sont mieux adaptés aux produits à faible rigidité (<150 g/m²), par exemple la méthode par résonance, et d’autres aux produits à forte rigidité (carton ondulé ou à microcannelures), par exemple la méthode de la poutre sur quatre appuis. Pour le carton compact, les quatre méthodes suivantes sont sans doute les plus reconnues : • Rigidité ISO 5628 (mNm) (L&W 5 °) (DIN 53 121) • Résistance à la ﬂexion ISO 2493 (mN) (L&W 15 °) • Moment de ﬂexion ISO 2493 (mNm) (Taber 15 °) • Rigidité ISO 5629 (mNm) (Résonance L&W) (DIN 53 123). Les cartons intérieurs bois sont testés par la méthode Taber et on convertit par calcul les mesures du moment de ﬂexion en résistance à la ﬂexion. Par une opération inverse, on convertit en Taber les valeurs de résistance à la ﬂexion des cartons homogènes blanchis. Comme le carton est un matériau anisotrope, on effec- tue les mesures sur des éprouvettes découpées dans le sens machine (SM) et dans le sens travers (ST). Le rapport des rigidités (SM/ST) donne une évaluation de l’anisotropie du carton. Guide Pratique d'Utilisation du carton | IGGESUND PAPERBOARD 136 Rigidité F I Déﬁnition de la résistance à la ﬂexion et de la rigidité La résistance à la ﬂexion est la force requise pour courber un échantillon de carton de forme rectangulaire d’un angle de 15°. La rigidité se calcule à partir de la force correspon- dant à un déplacement angulaire de 5°. Pour la majorité des cartons, un angle de ﬂexion de 15° dé- passe de loin la limite d’élasticité, alors qu’un angle de 5° ne la dépasse pas : on en a fait une valeur standard. La précision de mise en œuvre est très importante puisqu’une erreur de 0,5° seulement conduit à une erreur de mesure de 10%. La rigidité, la résistance à la ﬂexion et le moment de ﬂex- ion se mesurent en utilisant la méthode des deux points. Dans cette méthode, une extrémité de l’échantillon est serrée dans une mâchoire comme le montre le dessin ci- dessous et l’extrémité libre est chargée par une force F à une distance l de la mâchoire. L’échantillon s’incurve alors d’une distance į. Explication des termes Parce que le carton est un matériau anisotrope – c’est-à- dire dont les propriétés varient selon la direction considé- rée suite à l’alignement des ﬁbres dans le sens machine (SM), il est nécessaire de mesurer la rigidité non seulement dans le sens machine mais aussi dans le sens travers (ST). Cet effet directionnel donne toujours des valeurs SM plus élevées que les valeurs ST. Le rapport des rigidités est une expression de la relation entre les niveaux de rigidité SM et ST. Plus ce rapport est grand, plus la rigidité SM sera élevée par rapport à la rigidité ST. RSM Rapport des rigidités = RST Pour exprimer la rigidité par une seule valeur, il est uploads/Industriel/ rigidite-fr.pdf