Papier thermiquement amélioré

Les papiers Kraft thermiquement améliorés (TUK) sont également composés de cellulose, mais dans ce cas, le papier a subi un traitement supplémentaire. Ceux-ci sont la modification chimique de la cellulose et l’addition d’agents stabilisants à base d’azote (1 à 4 %). Les deux traitements réduisent le taux de scission dans les chaînes de cellulose, en ralentissant les réactions auto catalytiques du vieillissement de la cellulose [35, 36] et donc, ralentissent la perte de résistance à la traction du papier.

Les critères, pour considérer un papier isolant comme thermiquement amélioré, sont basés sur la norme ANSI/IEEE C57.100. Un papier isolant est considéré comme étant thermiquement amélioré lorsque : après avoir passé 65 000 heures dans un tube scellé à 110 °C, la résistance à la traction est d’au moins 50 % de sa valeur initiale [37]. La température d’essai peut être augmentée pour diminuer la durée de cette longue procédure. La mesure de la teneur en azote dans le papier a été proposée comme une alternative pour déterminer si un papier est thermiquement amélioré [37].

Les papiers Kraft thermiquement améliorés ont été développés et introduits dans des transformateurs dès 1950 [2]. Les avantages de ce type de papier ont été reconnus par la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) en 1962 [37].

L’utilisation du papier TUK augmente la limite autorisée d’élévation de la température des enroulements de 55 à 65 °C pour des transformateurs de puissance immergés dans l’huile. Cela se traduit par une augmentation de la charge nominale des transformateurs contenant du papier TUK comparativement au transformateur contenant du papier Kraft traditionnel.

Différentes méthodes ont été développées et adoptées pour produire du papier Kraft de qualité commerciale thermiquement améliorée. Thermecel (Mc Graw Edison), Permalex (General Electric) et Insuldur (Westinghouse) et Manille ont été quelques-unes des premières méthodes utilisées pour fabriquer des papiers TUK [37, 38].

La comparaison entre papiers TUK et Kraft traditionnel montre que les papiers TUK ont une meilleure performance mécanique au cours d’un vieillissement accéléré [36, 39-41].

Des échantillons de papier TUK de type crêpé avec des teneurs en azote différentes (0,32, 0,38 et 1,83 %) ont été soumis au vieillissement accéléré à 170 °C. À la fin de l’expérience, le papier contenant 1,83 % d’azote a montré une meilleure performance mécanique (50 % de rétention de la résistance à la traction initiale) par rapport aux papiers contenant 0,32 % et 0,38 % d’azote (15 à 20 % de rétention) [37]. Aussi dans la même étude [37], Prévost a montré la performance mécanique des échantillons de papier Insuldur avec 1,1 %, 2,5 % et 3,4 % d’azote au cours d’un vieillissement accéléré à 170 °C. Les échantillons contenant 2,5 % et 3,4 % d’azote présentaient une dégradation de propriétés mécaniques similaire (24 % et 29 %) à la fin de l’essai (500 heures), contre une dégradation de 46 % pour 1,1 % de papier azoté.

Deux méthodes principales ont été utilisées pour modifier le papier Kraft ordinaire afin de produire du papier TUK. La première méthode est la modification chimique de la cellulose et la deuxième est l’addition d’additifs stabilisants azotés.

La première méthode est basée sur la modification chimique des groupes hydroxyle réactifs de la cellulose et de l’hémicellulose pour les remplacer par des groupes plus stables à l’absorption d’eau (cyanoéthyl) via la cyanoéthylation ou l’acétylation au cours de la transformation en pâte à papier [36]. Par conséquent, la teneur en eau dans le papier est réduite. Ce qui améliore la stabilité du papier contre les mécanismes de vieillissement de la cellulose [35]. Cependant, cette modification chimique diminue le nombre de ponts d’hydrogène entre les chaînes de cellulose; ce qui réduit les propriétés mécaniques du papier [37]. Cette méthode a été abandonnée en raison de préoccupations environnementales [2, 41].

La deuxième approche consiste à ajouter des additifs stabilisants azotés tels que l’urée, la mélamine, le dicyandiamide et du polyacrylamide. Les amides, qui sont des bases organiques faibles, réagissent avec les produits de vieillissement de la cellulose, réduisant ainsi l’oxydation de la cellulose en consommant partiellement de l’eau et en neutralisant partiellement l’acidité dans l’huile [36, 37]. Cette méthode est généralement appliquée au cours de l’étape finale de la fabrication du papier, interagissant principalement avec les surfaces du papier [36, 37] ou au cours du processus de crêpage, dans les cas des papiers crêpés ou micro crêpés. Cette méthode est largement utilisée pour la fabrication de papier Kraft amélioré thermiquement. Cette méthode est moins coûteuse et moins compliquée que la modification chimique de la cellulose [37]. L’addition de ces additifs à base d’azote augmente la durée de vie du papier et donne une plus grande stabilité thermique, jusqu’à 3 fois plus par rapport au papier Kraft traditionnel [36].