Pourquoi le papier se déchire-t-il plus facilement quand il est mouillé ?
― Ce qui tient le papier sans « colle »
Un papier sec et solide peut, dès qu'il est mouillé, se déchirer avec une force minime. Vous l'avez peut-être déjà vécu avec un mouchoir en papier, un ticket de caisse ou un journal mouillé. Les fibres du papier ne sont pas collées entre elles à l'origine. Ce fait est la clé pour comprendre pourquoi le papier s'affaiblit quand il est mouillé.
Tirez sur une feuille de papier sèche à deux mains : elle ne se déchire pas si facilement. Mais mouillez cette même feuille puis tirez de la même façon : elle se déchire d'un coup, avec une force minuscule.
Vous avez peut-être aussi vu un ticket de caisse oublié dans une poche se transformer en confettis après un passage en machine à laver.
Pourquoi le papier lui-même change-t-il autant de nature au simple contact de l'eau ?
Le papier est un amas de fibres (la pâte) extraites du bois : sans colle, les fibres se collent directement les unes aux autres.
Mouillé, l'eau s'infiltre entre les fibres et s'empare de leur liaison, ce qui les détache facilement.
Voyons dans le détail cette « liaison invisible » qui fait du papier ce qu'il est.
Le papier est un « filet » de fibres entrelacées
Le papier est fabriqué en défibrant dans l'eau la cellulose (les fibres, ou pâte) extraite du bois ou d'autres végétaux, puis en l'étalant en couche mince et en la faisant sécher. Le papier ordinaire ne contient aucune « colle » pour assembler les fibres.
S'il tient malgré tout en une feuille solide, c'est que les fibres se lient directement là où elles se touchent.
La « liaison hydrogène » assure la cohésion des fibres
Les molécules de cellulose portent de nombreux groupes hydroxyle (–OH). Là où deux fibres se touchent étroitement lors de la fabrication du papier, les groupes hydroxyle de chaque fibre s'attirent par liaison hydrogène.
Chaque liaison hydrogène, prise isolément, est loin d'être puissante, mais leur accumulation sur les innombrables points de contact entre fibres donne au papier, dans son ensemble, une résistance solide. C'est fondamentalement le même type de force que la liaison entre molécules d'eau décrite dans Pourquoi la glace flotte sur l'eau.
Ses fibres se tiennent directement la main grâce à la liaison hydrogène, une « main invisible ».
L'eau, en s'infiltrant, s'empare de cette liaison
Les molécules d'eau, comme les groupes hydroxyle de la cellulose, ont elles aussi la capacité de former des liaisons hydrogène. Quand le papier se mouille, l'eau s'infiltre entre les fibres et remplace la liaison hydrogène d'origine par une liaison avec elle-même.
Or la liaison formée avec l'eau se réarrange sans cesse dans ce liquide et ne peut donc pas fixer solidement les fibres entre elles. Résultat : les fibres glissent plus facilement les unes sur les autres, et tout le réseau se relâche. C'est, semble-t-il, la principale raison pour laquelle le papier s'affaiblit une fois mouillé.
De plus, les fibres de cellulose elles-mêmes gonflent en absorbant l'eau. Ce changement de forme des fibres contribuerait aussi à la baisse de résistance de l'ensemble.
Le séchage rend une partie de la résistance, mais…
Une fois le papier mouillé séché, les liaisons hydrogène entre fibres se reforment en partie à mesure que l'eau s'évapore, et la résistance revient quelque peu. Mais elle ne retrouve presque jamais son niveau initial.
On pense que cela vient du fait que les fibres, une fois gonflées par l'eau, se figent dans une forme différente en séchant. Ce phénomène est parfois appelé « kératinisation » (hornification), et il expliquerait en partie pourquoi le papier recyclé tend à être légèrement moins résistant que le papier neuf (fait à partir de pâte vierge).
Les billets de banque, certains tickets de caisse et certains papiers absorbants sont parfois traités par un produit chimique appelé « agent de résistance à l'état humide », qui limite la perte de résistance en cas de contact avec l'eau. Justement parce que le papier ordinaire craint l'eau, on ajoute délibérément, selon l'usage, des moyens de le rendre plus résistant à l'humidité.
À vérifier soi-même
- Découpez deux feuilles de même taille dans du papier ordinaire ou du papier absorbant
- Laissez l'une telle quelle, et trempez l'autre dans l'eau puis essorez-la légèrement
- Tirez sur les deux feuilles, lentement et avec une force comparable
- Constatez que la feuille mouillée se déchire avec une force bien plus faible
- En comparant différents types de papier (mouchoir, papier absorbant…), vous remarquerez aussi des différences de résistance à l'humidité
Certains papiers absorbants sont volontairement conçus pour résister à l'humidité, et ne s'affaiblissent donc pas autant qu'une feuille de papier ordinaire.
En résumé
Le papier est un « filet » où les fibres sont directement liées entre elles par liaison hydrogène. Mouillé, l'eau s'infiltre dans cette liaison et s'en empare, si bien que les fibres glissent plus facilement, ce qui fait chuter fortement la résistance. Le séchage restaure en partie la liaison, mais comme la forme des fibres a changé, tout ne revient jamais tout à fait comme avant.
Ce n'est pas de la colle qui soutient le papier.
Ce sont d'innombrables « poignées de main », trop petites pour se voir.
Cette même relation entre fibres de cellulose et eau est aussi à l'œuvre dans la nature. Pourquoi les pommes de pin se ferment quand elles sont mouillées et s'ouvrent en séchant ? montre comment des fibres gorgées d'eau courbent les écailles et font ainsi ouvrir ou fermer la pomme de pin.
Pour en savoir plus ― termes, chiffres et lien avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore à l'étude, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie de base » du lycée
- Lycée+Programme de « chimie » avancé du lycée, ou encadré/complément du manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (science de la pâte et du papier)
- RechercheSujet encore à l'étude, pas encore enseigné comme un « fait établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots du papier
- Cellulose : substance fibreuse constituant la paroi des cellules végétales. Composant principal du papier.
- Pâte (à papier) : fibres extraites du bois ou d'autres végétaux, matière première du papier.
- Liaison hydrogène : force d'attraction relativement faible entre molécules, par l'intermédiaire d'un atome d'hydrogène.
- Groupe hydroxyle (–OH) : partie formée d'un atome d'oxygène lié à un atome d'hydrogène. Favorise la formation de liaisons hydrogène.
LycéeVérification par le calcul : de combien le papier mouillé s'affaiblit-il ?
Vérifions, à l'aide de valeurs d'exemple, à quel point la force nécessaire pour déchirer le papier diminue une fois mouillé.
Résistance mouillée = résistance sèche × proportion restante
| Force nécessaire pour déchirer le papier sec | Prenons ici, à titre d'exemple, 40 N (newtons) |
| Proportion de résistance conservée une fois mouillé | Cela dépend du type de papier, mais à titre indicatif, elle tomberait à environ 10 % (autour de 8 %) de la résistance sèche |
| Force nécessaire pour déchirer le papier mouillé | 40 × 0,08 = 3,2 |
| Force pour déchirer le papier mouillé | environ 3,2 N |
| Combien de fois le papier sec est-il plus résistant | 40 ÷ 3,2 = 12,5 |
| Rapport de résistance | environ 12,5 fois |
| Proportion de résistance perdue | 100 − 8 = 92 |
| Résistance perdue | environ 92 % |
Le simple contact avec l'eau fait donc chuter la force nécessaire pour déchirer le papier à près d'un dixième de sa valeur initiale, selon ce calcul. Un écart aussi important s'explique par le fait que la quasi-totalité de la résistance du papier repose sur la seule liaison hydrogène, sensible à l'eau.
※ Les valeurs de force et de proportion restante sont des exemples destinés à illustrer le mécanisme. Les valeurs réelles varient fortement selon le type de papier, son épaisseur et la composition des fibres.
Lycée+Pourquoi la liaison hydrogène craint-elle l'eau ?
On sait que la liaison hydrogène est bien plus faible que les liaisons qui relient directement les atomes à l'intérieur d'une molécule, comme la liaison covalente. C'est justement pour cela que lorsqu'une autre substance capable de former des liaisons hydrogène, comme l'eau, arrive en grande quantité, elle remplace facilement la liaison d'origine. Le fait que la résistance du papier repose sur une liaison hydrogène sensible à l'eau explique directement pourquoi le papier dans son ensemble craint l'eau.
UniversitéLa « kératinisation », un concept de la science du papier
Le phénomène par lequel, lors d'un cycle mouillage-séchage, la structure d'origine des fibres change de façon irréversible et perd une partie de sa capacité à former des liaisons hydrogène est appelé, dans le domaine de la science de la pâte et du papier, kératinisation (hornification). Plus le papier recyclé est réutilisé, plus cette kératinisation progresse, et la résistance du papier recyclé tendrait à diminuer progressivement, selon les études.
RechercheCe qui reste encore incertain
- Le mécanisme précis, au niveau moléculaire, de la kératinisation ne serait pas encore totalement élucidé. Des changements structurels microscopiques au sein des fibres seraient en cause, mais les recherches se poursuivent pour établir un modèle de prévision quantitatif.
- La plupart des « agents de résistance à l'état humide » utilisés pour les billets de banque ou les papiers absorbants réduisent chimiquement la biodégradabilité et la recyclabilité du papier, ce qui pose problème. Le développement d'agents à la fois résistants à l'humidité et respectueux de l'environnement (biodégradables, faciles à recycler) est un des thèmes de recherche de l'industrie papetière.
- La possibilité d'augmenter la résistance et les fonctionnalités du papier grâce à de nouvelles fibres d'origine végétale (comme la nanocellulose) fait également l'objet de recherches en science des matériaux.
Même pour un matériau aussi ancien et familier que le papier, des questions de recherche subsistent, notamment pour concilier résistance et respect de l'environnement.
Lien avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences - propriétés de la matière | Vocabulaire de base : cellulose, pâte, liaison hydrogène |
| Lycée | Chimie de base - forces intermoléculaires | Calcul de la force à partir de la proportion de résistance |
| Lycée+ | Chimie - liaisons chimiques | Différence de force entre liaison hydrogène et liaison covalente |
| Université | Science de la pâte et du papier | Kératinisation (hornification) et baisse de résistance du papier recyclé |
| Recherche | Science des matériaux / industrie papetière (en cours) | Agents de résistance à l'humidité écologiques, nanocellulose |
- Documentation de l'Association technique de la pâte et du papier (紙パルプ技術協会) sur les liaisons interfibres (fiber bonding).
- Explications sur la liaison hydrogène et les forces intermoléculaires, manuels de chimie de base.
- Littérature de recherche en science de la pâte et du papier sur le phénomène de kératinisation (hornification).
- Documentation technique de l'industrie papetière sur le rôle et les usages des agents de résistance à l'état humide.
- Littérature en science des matériaux sur les tendances de recherche concernant la nanocellulose.
※ Les chiffres et proportions de résistance sont des ordres de grandeur destinés à illustrer le mécanisme. Les valeurs réelles varient fortement selon le type de papier et les conditions.
※ Cet article est une explication scientifique à destination du grand public. Pour la conduite à tenir en cas de documents importants ou de billets de banque mouillés, veuillez consulter les instructions de l'organisme émetteur ou de l'institution concernée.