Le crayon : du charbon préhistorique au graphite moderne

Contexte historique

L'un des plus anciens et plus utilisés instruments d'écriture, le crayon trouve son origine à la préhistoire quand des roches crayeuses et des bâtons carbonisés servaient à dessiner sur surfaces variées : peaux d'animaux, parois de grottes. Grecs et Romains utilisaient des morceaux plats de plomb pour tracer de fines lignes sur papyrus, mais ce n'est qu'à la fin du XVe siècle que le premier ancêtre direct du crayon actuel fut développé. Environ cent ans plus tard, le graphite, minéral commun se présentant en veines douces et luisantes dans les roches, fut découvert près de Borrowdale dans le nord-ouest de l'Angleterre. La mine de Borrowdale approvisionna l'Europe en graphite pendant plusieurs centaines d'années ; cependant, comme on ne savait pas alors différencier le graphite du plomb, on appelait le premier « plomb noir ». Taillé en bâtonnets ou lames, le graphite était fortement enroulé de ficelle pour lui donner solidité et manche confortable. Le produit fini, appelé crayon de plomb, connut un grand succès. À la fin du XVIe siècle, une méthode pour coller des lames de bois autour du graphite fut découverte en Allemagne, et le crayon moderne commença à prendre forme. En 1779, les scientifiques déterminèrent que le matériau qu'ils croyaient être du plomb était en fait une forme de carbone microcristallin qu'ils nommèrent graphite (du grec « graphein » signifiant « écrire »). Le graphite est l'une des trois formes naturelles du carbone pur — les autres sont le charbon et le diamant.

À la fin du XVIIIe siècle, la mine de Borrowdale fut épuisée, et comme le graphite devenait moins abondant, d'autres matériaux durent être mélangés pour créer des crayons. Un chimiste français, Nicolas Jacques Conté, découvrit qu'en mélangeant graphite en poudre, argile en poudre et eau, puis en moulant et cuisant, le produit final écrivait aussi doucement que le graphite pur. Conté découvrit aussi qu'un noyau d'écriture plus dur ou plus tendre pouvait être produit en variant la proportion d'argile et de graphite — plus de graphite, plus le crayon est noir et tendre. En 1839, Lothar von Faber d'Allemagne développa une méthode pour transformer la pâte de graphite en tiges de même épaisseur. Il inventa plus tard une machine pour couper et rainurer le bois de crayon. Suite à l'épuisement de la source de graphite autrefois abondante à Borrowdale, d'autres mines de graphite furent progressivement établies dans le monde.

Un certain nombre de ces mines furent installées aux États-Unis, et les premiers crayons américains furent fabriqués en 1812, après la guerre de 1812 qui mit fin aux importations anglaises. William Monroe, ébéniste à Concord, Massachusetts, inventa une machine qui coupait et rainurait des lattes de cèdre avec la précision nécessaire pour faire des crayons. Vers cette époque, l'inventeur américain Joseph Dixon développa une méthode pour couper des cylindres de cèdre unique en deux, placer le noyau de graphite dans l'une des moitiés, puis recoller les deux moitiés. En 1861, Eberhard Faber construisit la première usine de fabrication de crayons aux États-Unis à New York.

Aujourd'hui, la dureté d'un crayon est désignée par des chiffres ou des lettres. La plupart des fabricants utilisent les chiffres 1 à 4, 1 étant le plus tendre et faisant la marque la plus foncée. Les crayons n°2 (moyennement tendres) sont utilisés pour l'écriture normale. Les crayons sont aussi parfois classés par lettres, de 6B (le plus tendre) à 9H (le plus dur). L'idée d'attacher une gomme à un crayon est attribuée à Hyman W. Lipman, un Américain dont le brevet américain de 1858 fut racheté par Joseph Rechendorfer en 1872 pour 100 000 $ selon les rapports.

La première étape de la fabrication du crayon consiste à faire le noyau de graphite. Une méthode pour cela est l'extrusion, dans laquelle le mélange de graphite est forcé à travers une filière de la taille appropriée.

En plus du crayon en bois conventionnel, un certain nombre d'autres crayons sont largement utilisés. Au début des années 1880, la recherche d'un crayon ne nécessitant pas d'affûtage mena à l'invention de ce qui a été diversément appelé crayon automatique, propulseur ou répétiteur. Ces instruments ont un corps en métal ou plastique et utilisent des mines similaires à celles des crayons à bois. La mine, logée dans une spirale métallique à l'intérieur du corps, est maintenue en place par une tige avec un tenon métallique fixé. Quand on tourne le capuchon, la tige et le tenon descendent dans la spirale, poussant la mine vers la pointe. Le début du XXe siècle vit le développement des crayons de couleur où le noyau de graphite fut remplacé par une combinaison de pigments ou colorants et d'un liant. Aujourd'hui, les crayons de couleur sont disponibles en plus de 70 couleurs, avec 7 jaunes différents et 12 bleus différents. Cependant, le crayon à mine de cèdre — fabriqué à un rythme de 6 milliards par an dans 40 pays différents — continue de surpasser tous ses concurrents, y compris le stylo à bille.

Matières premières

L'ingrédient le plus important d'un crayon est le graphite, que la plupart des gens continuent d'appeler plomb. La méthode de Conté combinant graphite et argile est encore utilisée, et de la cire ou d'autres produits chimiques sont parfois ajoutés. Presque tout le graphite utilisé aujourd'hui est un mélange manufacturé de graphite naturel et de produits chimiques.

Le bois utilisé pour fabriquer les crayons doit pouvoir résister à des affûtages répétés et se couper facilement sans s'éclater. La plupart des crayons sont faits de cèdre (spécifiquement, cèdre de Californie), le bois de choix depuis de nombreuses années. Le cèdre a une odeur agréable, ne se déforme pas ni ne perd sa forme, et est facilement disponible. Certains crayons ont des gommes, maintenues par une virole, un étui métallique qui est soit collé, soit maintenu par des griffes métalliques. Les gommes elles-mêmes consistent en pierre ponce et caoutchouc.

Processus de fabrication

Maintenant que la plupart du graphite commercial est fabriqué en usine plutôt que miné, les fabricants peuvent facilement contrôler sa densité. Le graphite est mélangé à l'argile selon le type de crayon fabriqué — plus de graphite utilisé, plus le crayon est tendre, et plus sa trace est foncée. Pour les crayons de couleur, des pigments sont ajoutés à l'argile, et pratiquement pas de graphite n'est utilisé.

Traitement du graphite

• 1 Deux méthodes sont utilisées pour former le graphite en son état final. La première est une méthode d'extrusion dans laquelle le mélange de graphite et cire est forcé à travers un moule pour créer un fil spaghetti, qui est ensuite coupé aux mesures précises et séché au four. Dans la seconde méthode, le mélange de graphite et argile est versé dans une machine appelée presse à billette. Un bouchon est placé sur le dessus de la presse, et un bélier métallique monte du bas pour comprimer le mélange en un cylindre dur et solide appelé « billette ». La billette est alors retirée du sommet de la machine et placée dans une presse d'extrusion qui la force à travers un moule, tranchant des bandes de la Pour faire les gaines en bois des crayons, des lattes carrées sont formées, puis des rainures sont coupées dans les lattes. Ensuite, des bâtons de graphite sont insérés dans les rainures sur une latte, puis une seconde latte avec rainures vides est collée sur la rainure remplie de graphite. Des crayons de taille correcte sont découpés du sandwich, et la gomme et la virole métallique sont attachées. taille du noyau de crayon. Après coupe à la taille, les noyaux passent le long d'un convoyeur et sont collectés dans un bac pour attendre l'insertion dans le bois de crayon.

Fabrication des gaines en bois

• 2 Le cèdre arrive généralement à l'usine déjà séché, teinté et ciré, pour prévenir le gauchissement. Les grumes sont alors sciées en bandes étroites appelées « lattes » ; elles mesurent environ 18,4 cm (7,25 pouces) de long, 0,635 cm (0,25 pouce) d'épaisseur, et 6,98 cm (2,75 pouces) de large. Les lattes sont placées dans un alimentateur et déposées, une par une, sur un convoyeur qui les fait avancer à vitesse constante.
• 3 Les lattes sont ensuite rabotées pour leur donner une surface plane. Ensuite, elles passent sous une tête de coupe qui fait des rainures demi-circulaires parallèles — une moitié aussi profonde que l'épaisseur du graphite — sur la longueur d'un côté de chaque latte. En continuant sur le convoyeur, la moitié des lattes est enduite d'une couche de colle, et le graphite taillé est posé dans les rainures de ces lattes.
• 4 Les lattes sans colle — et sans graphite dans les rainures — sont placées sur un autre convoyeur qui les emmène à une machine qui les prend et les retourne, de sorte qu'elles reposent sur le convoyeur avec les rainures face vers le bas. Les deux convoyeurs se rejoignent alors, et chaque latte non encollée est placée sur une latte avec colle et graphite, formant un sandwich. Après que les sandwichs ont été retirés du convoyeur, ils sont placés dans un serre métallique et pressés par une presse hydraulique et laissés serrés ensemble jusqu'au séchage de la colle. Quand les crayons sont secs, les bouts sont taillés pour enlever l'excès de colle.

Façonnage des crayons

• 5 L'étape suivante est le façonnage, quand les sandwichs deviennent réellement des crayons. Les sandwichs sont placés sur un convoyeur et déplacés à travers deux jeux de coupeurs, un au-dessus et un en dessous du convoyeur. Les coupeurs au-dessus coupent autour de la moitié supérieure, tandis que le jeu inférieur coupe autour de la moitié inférieure et sépare les crayons finis. La majorité des crayons sont hexagonaux, conçus pour les empêcher de rouler sur les surfaces ; un seul sandwich produit six à neuf crayons hexagonaux.

Étapes finales

• 6 Après que les crayons ont été coupés, leurs surfaces sont lissées par ponceuses, et du vernis est appliqué et séché. Cela se fait avec des machines à vernir, dans lesquelles les crayons sont immergés dans une cuve de vernis puis passés à travers un disque de feutre qui enlève l'excès de vernis. Après séchage, les crayons sont repassés par le processus encore et encore jusqu'à obtention de la couleur désirée. Finalement, les crayons reçoivent une couche de finition.
• 7 Les crayons sont à nouveau envoyés sur un convoyeur à travers des machines de façonnage, qui enlèvent tout excès de vernis accumulé sur les bouts des crayons. Cette étape assure aussi que tous les crayons ont la même longueur.
• 8 Les gommes sont alors attachées, maintenues au crayon par un étui métallique rond appelé « virole ». La virole s'attache d'abord au crayon soit avec de la colle, soit avec de petites griffes métalliques, puis la gomme est insérée et la virole serrée autour. À l'étape finale, un poinçon en acier chauffé presse le logo de l'entreprise sur chaque crayon.

Crayons de couleur

Les crayons de couleur sont produits à peu près de la même manière que les crayons d'écriture noire, sauf que leurs noyaux contiennent des matériaux colorants comme colorants et pigments au lieu de graphite. D'abord, de l'argile et de la gomme sont ajoutés au pigment comme agents liants, puis le mélange est trempé dans de la cire pour donner de la douceur aux crayons. Quand les crayons ont été formés, les extérieurs sont peints selon la couleur du mélange central.

Contrôle qualité

Comme ils voyagent le long d'un convoyeur pendant le processus de fabrication, les crayons sont minutieusement examinés avant d'être distribués au public. Les ouvriers sont formés pour rejeter les crayons qui semblent défectueux, et un certain nombre sont affûtés et testés quand le processus est terminé. Un problème courant est que la colle des sandwichs n'adhère parfois pas, mais cette nuisance est généralement détectée quand les sandwichs sont coupés.