JP2006291413A - 製紙原料の調成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】填料、サイズ剤、紙力向上剤など抄紙工程において使用される製紙用薬品添加時の凝集による効果減少を抑制することにより、薬品の添加効果を最大限に引き出す。
【解決手段】パルプを水に分散したパルプスラリーに、サイズ剤、紙力向上剤など薬品を添加してなる製紙用原料の調成方法において、薬品を添加する直前直後に超音波の及ぶパルプスラリーの固形分１ｋｇ当り、出力１００〜１０００ワットで負荷０．１〜１０ワット時の超音波を照射することを特徴とする製紙用原料の調成方法。
【選択図】なし

Description

本発明は抄紙工程の填料、サイズ剤、紙力向上剤など製紙用薬品添加時において、添加薬品の凝集による効果減少を抑制することにより、薬品の添加効果を最大限に引き出す製紙薬品の調成方法に関するものである。

製紙において、主原料であるパルプは、化学パルプ、古紙パルプ、機械パルプなどが単独あるいは数種のパルプを適宜配合して成るスラリーとされ、一般にこれらスラリーの濃度調整には抄紙機で脱水された白水が利用されるが、白水には、硫酸、亜硫酸、塩素、硅酸、燐酸等の無機アニオンや脂肪酸、樹脂酸等パルプからの溶出物が溶存し、アニオン性に富んでいることが多い。近年では特に古紙の配合比率増に伴う夾雑物の増加により、この傾向は強くなってきている。このパルプスラリーには各紙製品の特性を付与したり、操業性を改善するために薬品の添加がなされるのが一般的である。即ち、ミキシングチェス、マシンチェスト等のタンク、あるいは各タンクを繋ぐ配管に取り付けられたインラインミキサーやポンプ手前に取り付けられた添加口より、紙力増強剤、填料、サイズ剤等の各種内添薬品が添加される。薬品とパルプスラリーが混合される際、濃度、ｐＨに加え電気的性質が異なることにより、十分な攪拌がなされていても薬品が不均一に凝集してしまうことがある。

薬品の凝集は硫酸バンドや各種歩留まり向上剤により、積極的に行われるのが通常であるが、これらの本来の目的は、微細な填料を紙中に留めるためであったり、パルプ繊維に各種薬品を定着させるためのものであり、薬品自体が不均一に凝集することは、十分な薬品効果を発揮させる観点からは通常好ましいこととはいえない。

添加薬品の効果を高める試みとして多くの技術が開示されている。例えば特許第２６８１９０８号(特許文献1)では、パルプスラリーを濃度５〜１５％に調整した後、パルプに強い剪断力を与えて流動化させた状態で内添薬品を均一に混合し、更に稀釈して抄造することにより、 添加薬品のパルプ繊維への高い歩留まりと優れた薬効とが得られるとしている。

また、特表２００１−５０８１３７号公報（特許文献2）では、紙料の主流と、白水を含み少なくともプロセス薬品５重量％を含む全ヘッドボックス供給量の５〜３５容積％の希釈流をヘッドボックスを介して抄紙機ワイヤに供給することにより、優れた形質特性および際だった灰分分散率を有する紙を製造することができるとしている。これらはいずれも薬品を繊維状に均一に定着させる目的で、それぞれ高濃度／高せん断力あるいは希釈流の付与を手段としているが、多大なエネルギー消費を伴い、さらには高せん断力、摩擦熱による薬品の破壊や凝集体の分散が不十分であるなど効果として満
足行くものではなかった。

さらに、特開２００１−２６２４９８号公報（特許文献3）では、パルプ繊維のゼータ電位を調整前のゼータ電位より３ｍＶ以上低く調整し、そのパルプ繊維を少なくとも１種類以上配合し、パルプ繊維からなるスラリーの電気伝導度を０．４ｍＳ／ｃｍ以上に調整したスラリーに置換度が０．３〜０．６のカルボキシメチルセルロースを添加することにより抄紙薬品、填料の歩留まりを向上し、紙の強度を著しく改善するとしているが、薬品の歩留まりを高めるために天然高分子薬品を使用するため、結局コストが高くついたり操業上の問題が生ずる懸念があった。

近年各方面への応用が注目されている超音波は、製紙産業においても様々な適用が試みられている。例えば特表平９−５１２０６３号公報(特許文献4)では１５〜６０ＫＨzの周波数の超音波エネルギーが、外部に取付けられた超音波トランスジューサまたは内部に用いられた浸漬可能な超音波装置を介して、白水系に対して印加されることにより、既に形成された繊維フロキュレーションの分散を防止し、機械部品および白水循環の他の部分への微生物と他の種類の堆積物の形成を防止し、ワイヤとフェルトの詰まりを防止し、コーティング装置におけるフロキュレーションを防止し、原料中の空気成分を減少し、発泡を減少するとしていが、既に存在する凝集物を破壊や白水中の微生物発生を防止することが目的であり、白水系への照射により行われる。

さらに英国特許第１，５７７，６６４号(特許文献５)では、特定の樹種から製造されるパルプからトラブルの原因となる樹脂を除去するために超音波を用いる方法が開示されているが、樹脂の除去が目的であり本願の技術とは異なる。またスエーデン特許第８９６１３０号(特許文献６)には、特に繊維ノット（未解蒸物）の形成を阻止するためにパルプの濾過のため用いられる高濃度スクリーンにおいて超音波を印加する方法が記載されているが、パルプ繊維の凝集を防止するという目的であるため、超音波をクラフトパルプ工程のスクリーンで照射している。

スエーデン特許第８８７６１０号(特許文献７)には、原液の着色を改善するために、原液調製時に超音波が用いられる方法が開示されていが、薬品の分散を目的としており、均一な分散状態でパルプスラリーに添加される点においては薬品効果を高めるが、混合時の環境変化による凝集に対応するためのものではないため、十分な効果が得られない可能性がある。

近年の省資源、省エネルギーに対する社会的要請が求められる中で、紙製品に対する品質要求は益々厳しくなり、添加薬品の有効利用、使用量削減は重要である。そのような中、抄紙工程において使用される薬品の、添加時における凝集に対する方策は各種試みられてきたが、歩留まりや分散性がバランスよく行われる薬品の添加法について、現状で必ずしも満足の行くものはなく、その解決が急務となっている。
特許第２６８１９０８号 特表２００１−５０８１３７号公報 特開２００１−２６２４９８号公報 特表平９−５１２０６３号公報 英国特許第１，５７７，６６４号 スエーデン特許第８９６１３０号 スエーデン特許第８８７６１０号

本発明は、填料、サイズ剤、紙力向上剤など抄紙工程において使用される製紙用薬品添加時の凝集による効果減少を抑制することにより、薬品の添加効果を最大限に引き出すことを目的とする。

本発明者らは薬品の凝集と超音波の効果について着目し、超音波の照射条件を検討し本発明に至った。
本発明は以下の発明を包含する。
（１）パルプを水に分散したパルプスラリーに、填料、サイズ剤、紙力向上剤等の薬品を添加してなる製紙用原料の調成方法において、薬品を添加する直前直後のパルプスラリーに、超音波の及ぶパルプスラリーの固形分１ｋｇ当たり、出力１００〜１０００ワットで負荷０．１〜１０ワット時の超音波を照射する製紙用原料の調成方法。
（２）照射する超音波が周波数１５〜１００ｋＨｚである（１）記載の製紙用原料の調成方法。
（３）超音波を照射するパルプスラリーの濃度が、０．１〜１０重量％である（１）記載の製紙用原料の調成方法。

本発明は填料、サイズ剤、紙力向上剤など薬品を添加する直前直後に超音波を照射することにより、薬品の凝集による効果減少を抑制する。

本発明の特徴は、各種製紙用薬品をパルプスラリーに添加する際に、一定のエネルギーをもった超音波を照射することにより、該薬品がパルプスラリーと接触する際に凝集を起こさず分散した形態で混合され、しかもパルプ繊維に定着後、破壊、再分散されることがないため、薬品の効果を最大限に引き出すことを可能とするものである。したがって超音波の照射は薬品を添加する直前から始められ、パルプスラリーに混合された直後に終了されなければならない。

本発明で用いられる超音波照射装置は、その工程がタンクと配管とで各種形式のものが用いられる。タンク内で照射する場合は、例えば投げ込み式超音波洗浄機があるが、反応容器本体の外部に循環ラインを設けて連続的に反応液の一部を取り出して処理することも可能である。また、強度的問題が無ければ、反応容器本体から超音波を発振させたり、本体周囲に発振器を取り付けることも考えられる。配管で照射される場合は、例えば管式超音波反応装置や投げ込み式超音波洗浄機など、設備的に該工程に設置可能であればあらゆるものが使用可能である。

一方、周波数に関しては、１５〜１００ｋHzの範囲が好ましく、さらに好ましくは２０〜５０ｋHzの範囲であることが好ましい。周波数が低すぎると到達距離が短いことによる不都合やキャビテーションが起こりにくくなる。また、高すぎると高出力化が困難となるため、周波数を前記範囲に設定することで、超音波照射により生ずるキャビテーションをうまく起こさせることができ、スラリーの広い範囲において均一に効果を与えることができるようになる。その結果、使用する電力が無駄なくパルプ繊維に満遍なく薬品を定着することが可能となる。

超音波発振器の出力は、超音波の及ぶパルプスラリーの固形分１ｋｇ当たり１００〜１０００ワットの範囲が好ましく、さらに好ましくは２００〜５００ワットの範囲であることが好ましい。出力を前記範囲に設定することで、設備の大きさに応じてキャビテーションを全体にうまく行き渡らせることができ、スラリーの広い範囲において均一に効果を与えることができるようになる。その結果、上記と同様に使用する電力が無駄なくパルプ繊維に満遍なく薬品を定着することが可能となる。

パルプスラリーに与えられる超音波による負荷は、パルプスラリーの固形分１ｋｇ当たり０．１〜１０ワット時の範囲が好ましく、さらに好ましくは０．２〜２ワット時の範囲であることが好ましい。１０ワットを超えるとエネルギーを増やす効果が見られず、逆に薬液添加効果が若干減少するため好ましくない。この超音波エネルギーの負荷が狭い範囲に限定されることは、本発明の最も重要なポイントであり、出力を前記範囲に設定することで、各種添加薬品のパルプスラリーへの添加時における凝集を防止し、均一に分散した状態でパルプ繊維中に拡散させ、さらにパルプ繊維に定着した該薬品および既に定着していた他の薬品が、再び分散されたり破壊されたりすることを制限する。その結果、各種添加薬品はパルプ繊維に満遍なく定着することが可能となり、薬品が本来持っている効果を最大限に引き出すことが可能となる。

超音波照射を行う工程は添加する装置により異なるが、薬品がパルプスラリーに接触する部位であり、プロポーショナーやインジェクション方式の添加設備の場合は主配管と添加配管が接続される部位直前に設けられる必要がある。また、タンクに蓄えられたパルプスラリーに薬品を滴下する場合は、タンク内全体に照射されなければならない。照射時間は薬品の添加直前直後であるが、具体的には使用する超音波発振器の出力と印加する負荷により制約される。すなわち、超音波の及ぶパルプスラリーの固形分１ｋｇ当たり、出力１００〜１０００ワットで負荷０．１〜１０ワット時の範囲内では、超音波の及ぶ範囲など装置の種別にもより異なるが、タンクを用いたバッチ式では数秒以内が好ましく、配管における流動状態で照射する連続式の場合は事実上瞬時に行われる。
超音波照射は添加される薬品が複数の場合、その工程ごとに複数回に分けても構わないが、逆に薬液添加効果が若干減少するため、あまり好ましくない。

超音波照射を行う混合スラリーの温度は、特に制限されるものではないが、好ましくないキャビテーションや熱エネルギーへの変化を避けるため、１０〜４０℃となる様に制御しながら超音波を照射することが好ましい。
超音波照射に用いる装置は、出来るだけ少ない台数で行うことがコストの関係から望ましいが、必要ならば最低限の複数の装置を、直列または並列に連結させて処理を行うことも出来る。

超音波を照射するパルプスラリーの濃度は、０．１〜１０重量％である必要がある。この濃度より低いと媒体によるエネルギーロスが大きく効率が悪くなる。また濃度が高すぎると超音波照射が均一になされなくなったり、好ましくないキャビテーションが生ずる恐れがある。

本発明において添加される薬品は、軽質及び重質炭酸カルシウム、タルク、クレー、ホワイトカーボン、二酸化チタン等の填料、多価アルコール・脂肪酸エステル、脂肪酸ビスアマイド等の嵩高剤、アルキルケテンダイマー、無水アルケニル琥珀酸、ロジンエマルジョン等のサイズ剤、高分子ポリアクリルアミド、澱粉等の紙力増強剤、アニオン性またはカチオン性の高分子ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミン等の歩留向上剤、その他、硫酸バンド等何れにも適用することができる。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、勿論、本発明はこれらに限定されるものではない。尚、以下の実施例文中に使用される％は重量％であり、添加率はパルプの絶乾重量に対する薬品の絶乾重量％とする。

角型手抄きシートマシン（東西精器社製）にて坪量６０ｇ／ｍ^２となるよう湿紙を作成し、ドラム式乾燥器にて１２０℃×２分乾燥し評価用サンプルとする。
評価用サンプルは２３℃５０％条件で一晩調湿した後、適切なサイズに断裁し、ステキヒトサイズ度：ＪＩＳ Ｐ８１２２、裂断長：ＪＩＳ Ｐ８１１３で測定を行い、その結果を表１に示す。

実施例１
濾水度４８０ｍｌＣＳＦに調整されたＬＢＫＰを水道水で２％に希釈し、音波発生装置（カイジョー社製、ＴＡ−４０２１）振動子を投入した反応層をスリーワンモーターで５００ｒｐｍにて攪拌する。カチオン化澱粉（王子コーンスターチ社製、エースＫ）０．５％、硫酸バンド０．３％、ＡＫＤサイズ剤（荒川化学工業社製、サイズパインＫ−９１０）０．０５％、ポリアミドエピクロルヒドリン系紙力増強剤（星光ＰＭＣ社製、ＷＳ−５６４）０．１％、軽質炭酸カルシウム（奥多摩工業社製、ＴＰ−１２３）１０％、ポリアクリルアミド系歩留まり向上剤（ハイモ社製、ＮＲ１１Ｌ）０．０１％を各薬品の間隔を１５秒となるようこの順番に添加し、全薬品添加終了後更に１分間攪拌を続けた後、パルプ濃度として１％に水道水希釈し、調成を終える。サイズ剤の添加時において、周波数４０ｋＨｚ、出力５００ワット／パルプｋｇの超音波を１０秒間照射して調成を行った。

実施例２
実施例１と同様の添加剤を同様野順に添加する際に、サイズ剤および紙力増強剤の添加時において、周波数４０ｋＨｚ、出力１０００ワット／パルプｋｇの超音波を各２秒間照射して調成を行った。

実施例３
実施例１のサイズ剤の添加時において、周波数１００ｋＨｚ、出力５００ワット／パルプｋｇの超音波を１０秒間照射した他は全て実施例1と同様に調成を行った。

比較例１
実施例1のサイズ剤の添加時において、音波照射を行う工程を設けず、原料調成を行った。

比較例２
実施例１のサイズ剤の添加時から、周波数４０ｋＨｚ、出力５００ワット／パルプｋｇの超音波を歩留まり向上剤の添加より１５秒後まで、合計９０秒間照射して調成を行った。

比較例３
実施例１のサイズ剤の添加時において、周波数４０ｋＨｚ、出力５０ワット／パルプｋｇの超音波を１秒間照射し、調整を行った。

比較例４
実施例１のサイズ剤の添加時において、周波数６００ｋＨｚ、出力５０ワット／パルプｋｇの超音波を５秒間照射し、調製を行った。

表に記載された通り、比較例１との比較において、本発明の条件である超音波照射を施した実施例１では、サイズ剤添加時に照射したことによりステキヒトサイズ度が向上している。
実施例２では超音波照射をサイズ剤、紙力剤添加時に照射することにより、ステキヒトサイズ度、裂断長ともに向上している。
実施例３では実施例１と異なる周波数であるが、効果は十分確認できている。
実施例１との比較において、比較例２では超音波を長時間において照射し制限された負荷を超えているため、エネルギー的にも無駄になるばかりでなくステキヒトサイズ度、裂断長も実施例より劣っている。
比較例３では、超音波の出力および負荷が低いため、十分な効果が現れていない。
比較例４では、超音波の周波数が高いため、十分な効果が得られていない。

Claims (3)

1. パルプを水に分散したパルプスラリーに、填料、サイズ剤、紙力向上剤等の薬品を添加してなる製紙用原料の調成方法において、薬品を添加する直前直後のパルプスラリーに、超音波の及ぶパルプスラリーの固形分１ｋｇ当たり、出力１００〜１０００ワットで負荷０．１〜１０ワット時の超音波を照射することを特徴とする製紙用原料の調成方法。
2. 照射する超音波が周波数１５〜１００ｋＨｚである請求項１に記載の製紙用原料の調成方法。
3. 超音波を照射するパルプスラリーの濃度が、０．１〜１０重量％である請求項１に記載の製紙用原料の調成方法。