L’éther de cellulose est un nom général désignant divers dérivés obtenus par éthérification de la cellulose naturelle. En tant que matière première primaire, la source, le type, la méthode de traitement et le processus de la cellulose ont un impact décisif sur la synthèse et l’application de l’éther de cellulose.
1. Sources et types de cellulose
Dès 1838, le botaniste français Anselme Payen traite le bois alternativement avec des solutions d’acide nitrique et d’hydroxyde de sodium et isole une substance blanche de structure uniforme. Il la nomme pour la première fois cellulose, c’est-à-dire la substance obtenue après rupture de la cellule. La forme polymérique de la cellulose n’a été identifiée qu’en 1932 par Staudinger.
Ressource organique naturelle renouvelable la plus abondante, la cellulose provient de plantes et d’animaux verts terrestres et marins. Selon la source, la cellulose végétale se divise en coton, bois, chanvre et divers types de paille. C’est le principal composant des parois cellulaires des fibres végétales ; d’autres sont des celluloses animales provenant de bactéries animales, d’organismes des fonds marins et de divers animaux. En raison des différences climatiques et régionales, les types de fibres de bois détenus par chaque pays sont également différents pour la production industrielle d’éther de cellulose. Les principales fibres de bois naturelles au monde proviennent de divers bois tendres et bois durs. Outre les forêts naturelles, il existe également des espèces cultivées de résineux et de feuillus. Diverses autres matières premières non ligneuses, principalement des plantes herbacées, telles que les céréales (riz, blé), la paille, la bagasse de canne à sucre et le bambou, constituent également d’importantes sources de fibres, mais n’ont pas encore été pleinement exploitées.
Les principales méthodes de production de pâte de cellulose à partir du bois comprennent le bisulfite, le sulfite de sodium et les procédés Kraft de pré-hydrolyse. L’objectif est d’abord de dissoudre l’hémicellulose et une grande quantité de lignine résiduelle, puis de blanchir et d’éliminer les résidus, et enfin d’obtenir une pâte pure à forte teneur en alpha-cellulose. Divers procédés de fabrication de pâte à base d’acide sulfureux utilisent le dioxyde de soufre comme méthode principale pour éliminer la lignine, en modifiant le type de cation, la valeur du pH de la solution et la température de cuisson. Le procédé de mise en pâte acide au bisulfite de calcium est utilisé dans le monde entier, mais son utilisation est limitée en raison du sulfate de calcium insoluble produit lors de la régénération chimique. Plus tard, des cations dits solubles ont été introduits, tels que les ions magnésium, sodium et ammonium, et la valeur du pH de la solution est passée de 1 à 2 dans le procédé traditionnel au bisulfite de calcium à 5 dans le procédé au bisulfite de magnésium et a même atteint les conditions du bisulfite de sodium/sulfate d’hydrogène de sodium pour le procédé à l’hydrogène de sodium.
Le procédé au bisulfite acide et les procédés modifiés de sulfite de sodium en deux ou trois étapes, tels que le procédé Rauma, ont joué un rôle essentiel dans l’industrie de la pâte par dissolution pendant longtemps, et le procédé au bisulfite acide est toujours utilisé. La principale caractéristique du procédé en plusieurs étapes est que l’étape du bisulfite/sulfite et l’étape alcaline alternent. Le processus peut commencer ou se terminer par l’étape alcaline. Cette dernière nécessite une extraction alcaline pour réduire la teneur en hémicellulose résiduelle.
Le procédé de fabrication de la pâte Kraft est couramment utilisé dans le monde entier et constitue le principal procédé de classement de la pâte de bois dans le carton. La pré-hydrolyse est effectuée avant la cuisson Kraft afin d’obtenir un produit dissolvant de qualité pâte de bois. La préhydrolyse consiste à cuire les copeaux de bois à la vapeur ou à l’eau à une température comprise entre 140 et 170°C ou à les traiter avec de l’acide dilué à une température comprise entre 110 et 120°C. Le traitement à la vapeur ou à l’eau peut détruire les groupes acétyle et acide formique du bois pour former de l’acide acétique et de l’acide formique, ce qui permet au pH du bois d’atteindre 3,5 et favorise la dépolymérisation des composants du bois. La qualité peut être réduite de 5 à 20 % en fonction de la durée et de la température de l’hydrolyse. Près de la moitié de l’hémicellulose des résineux est principalement constituée de glucomannane, qui se dissout après l’hydrolyse, mais la lignine ne change pratiquement pas ; en revanche, une grande partie de la lignine des feuillus se dissout. Si le temps d’hydrolyse est prolongé, la cellulose se modifie, ce qui entraîne une réduction de la production d’α-cellulose et la condensation d’une plus grande quantité de lignine. Il sera également plus difficile d’éliminer la lignine dans les étapes ultérieures du processus, ce qui nécessitera un alcali plus puissant et des températures plus élevées. Au stade de la préhydrolyse, la perte de bois est de 20 à 22 %, et le hêtre (Fagus silvatica) peut obtenir une teneur en α-cellulose plus élevée (95 à 96 %). L’augmentation de la température de préhydrolyse et de cuisson Kraft de la pâte de bois peut réduire le temps de traitement, et en même temps, la viscosité est significativement réduite lorsque la teneur en α-cellulose est équivalente. Toutes les conditions étant égales, la teneur en alpha-cellulose obtenue à partir du pin et du bouleau est identique (légèrement inférieure à 96 %), tandis que celle de l’eucalyptus est supérieure à 97 %. La viscosité est à peu près la même que celle de la pâte de bois dur, mais nettement supérieure à celle de la pâte de pin.
Les matières premières vont du bois tendre au bois dur, et le processus va de l’acide sulfureux à la méthode Kraft de préhydrolyse alcaline. La technologie moderne de production de pâte de bois à dissoudre a été largement développée. L’utilisation de bois dur permet de produire de la pâte de bois à forte teneur en alpha-cellulose, et il est facile d’obtenir un processus de blanchiment totalement exempt de chlore (c’est-à-dire un processus TCF, ce qui signifie qu’aucune substance contenant du chlore n’est ajoutée à chaque étape du processus). Cependant, en dernière analyse, la cellulose régénérée avec d’excellentes performances nécessite une activité cellulosique élevée, une teneur élevée en α-cellulose, une distribution étroite du degré de polymérisation et un contrôle facile de la viscosité de la solution.
