JP2006502317A - 紙又は板紙を製造する方法及びその方法によって製造される製品 - Google Patents

Abstract

紙又は板紙のウェブを製造するための方法及び配置が開示されており、この方法は、製紙機のプレス部で乾燥されるベースウェブを第一に形成するステップを含む。ベースウェブは製紙機の乾燥部でさらに乾燥され、ベースウェブ速度差又はドロー差がプレス部と乾燥部の第一乾燥シリンダ群との間に設定される。その後、ウェブの少なくとも１つの表面が表面サイズ処理される。ドロー差は最大３％に設定され、完成紙料におけるサイズ成分及び液体の総量の少なくとも１５％の固形分を有する表面サイズ完成紙料が加えられる。

Description

本発明は紙及び板紙製品の製造方法に関し、本方法は、製造工程中におけるウェブ形成を監視するステップと、少なくとも１つの側面でウェブを表面サイズ処理するステップとを含む。本方法は製造された製品におけるカーリングの制御も許容する。

本発明は本方法によって製造された製品にも関する。

紙の製造において、製造されるべき製品の特性を、購入者の品質要求並びに製品製造中におけるエネルギー及び原料消費の最適化に正確に順応させることが益々非常に重要な要因となってきている。多様な紙の等級が広範な用途のために製造されており、よって、最終消費者の要求も広く異なる。そのような製品の例はコピー紙及び印刷紙の等級である。品質の中でもとりわけ、これらの等級の品質は低度の毛羽立ち及び十分な剛性を含むべきである。これらがコピー機及び印刷機の給紙通路を介して円滑に流れるようにするためである。紙の表面特性は印刷の高品質を保証するために良好でなければならないのは明らかである。これらの特性は、十分に高い秤量を有し、高品質繊維から形成され、加えて表面サイズ処理されたベースウェブを用いることによって達成される。これらの基本的な必須要件の故に、コピー紙の価格は高額となる。高い秤量を得るために大量の繊維が用いられ、表面サイズの適用によって、ウェブに外部からの余剰の水が取り込まれるので、多量のエネルギーを用いて水が蒸発されなければならない。

表面サイズの機能は製品の表面品質を向上することであり、サイズはウェブの内部強度を向上する。サイズ処理によって内部強度を追加的に向上するために、サイズ完成紙料は高い水成分を有さなければならず、よって、完成紙料はウェブ内部に深く浸透する。その結果、高い乾燥能力が必要となる。これは、水がウェブ内部へより深く浸透する程、水の除去がより困難になるという事実によってさらに強調される。その故に、表面サイズの乾燥は用いられなければならない乾燥能力の実質的な部分を構成する。

表面サイズ処理された紙の等級を製造するために用いられる製紙機において、シートのカールは、今日、後乾燥部においてツインフェルトランシステム(twin-felted run system)を用いることによって、或いは、代替的に、シングルフェルトラン(single-felted run)においてウェブの下面を水及び蒸気で処理することによって管理されている。ツインフェルトランシステムにおいて、対称的な乾燥は上部及び下部シリンダに対する圧力の適切な調整によって達成され得る。シングルフェルトランシステムにおける熱が１つの側面のみを介してウェブに導入され、蒸発が主として同一側面（底側）のみから起こり得るので、紙又は板紙ウェブは頂面側に向かって膨らむ傾向にある。両面紙の場合、留意すべき単純な法則は、乾燥が持続する側面に向かってカールが起こるということである。同一の法則がツインフェルトラン及びシングルフェルトランの双方に当て嵌まるが、ツインフェルトランに対する影響はそれ程ではない。

本発明の目的は、類似の品質を有する従来製品の製造に比べ、低原料及び特定のエネルギー消費で紙製品を製造するのに適した方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、製造される紙又は板紙のカールを制御するのに適した発明の実施態様を提供することである。

本発明の目的は、紙／板紙製造機のプレス部と乾燥部との間の速度差又はドローを３％以下に維持し、且つ、サイズ固形分の比率が少なくとも１５％であるサイズ完成紙料で表面サイズ処理を施すことによって達成される。

より具体的には、本発明に従った方法は請求項１によって特徴付けられている。

さらに、本発明に従った製品は請求項６によって特徴付けられている。

本発明は顕著な利益を提供する。

プレス部と乾燥シリンダとの間のドロー差を３％以下に維持することによって、ウェブ気孔率は減少するのに対し、内部接着強度(Hyugen)、規定破断(work-to-rupture)及び破砕伸長が増大する。その結果、製品の内部接着強度を増大するための表面サイズ処理は不要となる。しかし、むしろ、より多量の固形分のサイズ完成紙料を用い得る。それによって、サイズはウェブ表面に残存する。よって、製品の表面を被覆するサイズ層を有し、ベースシートが合成構造におけると同様に中間層として機能するウェブ構造が達成される。その結果、秤量に比べ極めて剛的な製品が得られる。そのような製品はコピー紙としての利用に適しており、或いは、もし板紙の等級として製造されるならば、包装用厚紙としての利用に適している。ｓを小さくするため、ウェブの引張強さは横断機械方向及び機械方向の双方で実質的に同一のままである。紙表面に対する直交方向（ｚ方向）において、破砕伸長及び規定破断が増大する。

他方、シートの秤量の減少は内部接着強度を１０〜２０％増大し、よって、より多量のサイズ固形分をより少量の秤量と共に用いることが可能とされる。表面サイズ処理された紙において、シートの秤量とプレス部におけるドロー差との間に相互相関があることで、ドロー差を１〜２％に設定することは、約３％のドロー差に比べ、秤量の減少において、内部接着強度の増大に対しより顕著な効果を与える。それ故に、プレス部でより少ないドロー差を用いることによって可能とされる秤量の減少は、より少ないドロー差によって得られる他の利益を増大する。

ベースシートの強度、特に、より少量の気孔率に関連して上記に議論された変数は、主として、ドロー差の減少はベースシートにおける繊維の剥離を余り引き起こさず、繊維の変形を低減するという事実に起因する。何故ならば、ウェブの引張応力はドロー差の減少で低減されているからである。よって、より少ないドロー差は引張伸びによってウェブに対し損傷を引き起こし得ない。

しかしながら、ドロー差の減少の利益は現代的なウェブ速度制御方法の利用を通じてのみ達成し得る。明らかに、ドロー差の機能はウェブを製紙機のロール上に緊張して維持することであるので、高いウェブ速度で、また、未乾燥ウェブの取扱いにおいて、ウェブを高い引張応力下、即ち、きついドロー下に維持することが必要であった。変数の中でもとりわけ、少ないドロー差は、ロールの表面からウェブを取り除く高真空吸引ボックスと組み合わせたワイヤ及びフェルトの助けを得た改良されたウェブ案内によって容易化される。

ドロー差が減少すると、機械方向のヤング係数(Yong’s modulus)は僅かに低下するが、機械横断方向のヤング係数は不変である。後者はコピー紙の製造において特に重要である。なぜならば、コピー機／印刷機における信頼性のあるシート給紙を確実にするために、特に横断シート方向における屈曲剛性が不可欠だからである。

表面サイズの固形分を増大するために、ウェブに取り込まれる水の量は、工程中における乾燥能力は余り必要ではないという即座の結果を伴って減少される。この利益はウェブへのより少ない水の吸収によってさらに強調される。表面サイズ完成紙料は光沢剤又は色素粒子のような他の添加物で補完されてもよい。光沢剤の利用は特に有利であることが分かっている。表面サイズがウェブの表面に残存しているとき、可能な添加剤の消費は少ない。なぜならば、ベースシートへの吸収を介した添加剤の損失は生じないからである。その故に、高価な添加剤のより自由な使用も考慮され得る。光沢剤を追加することの１つの特別な機能は、本発明に従った方法が製品の白色度を増大することであり、光沢剤の使用は製品の白色度にとって有害であるという従来技術における伝統的意見と大きく異なる。シート表面上に形成された表面サイズの明確な被覆層を有することによって、本発明に従った製品はインクジェット印刷及び同様なハードコピー工程における使用に適している。なぜならば、インクは過剰に繊維及び繊維間空隙に浸透し得ないからであり、よって、インクスポット及び印刷パターンの輪郭がはっきりと画定される。

ウェブのカールの制御は、本発明に従った方法によって、表面サイズ適用の量又は表面サイズ完成紙料の水成分を変化することを通じて管理され得る。多量の表面サイズ固形分における表面サイズのスターチはベース紙表面上に層を形成するので、サイズ処理されたシートは層化された合成構造のように働き、そこでは、表面サイズ処理された頂面／底面層がシェル要素として働く。このシェル要素はシートの屈曲剛性、よって、ウェブのカールの制御に重要な寄与をなす。その故に、本発明に従った方法はウェブのカールの制御のための効果的な手段を提供する。要約すると、以下の利益が得られる。
・現存の乾燥部はより高いウェブ速度で稼動され得る。
・ウェブにおけるカールの制御に水及び蒸気を全く必要としないか、或いは、現行のやり方に対し少なくとも僅かの量で十分である。
・稼動性及び製造効率が高いレベルで得られる。

さらに、カールの制御は、ウェブの２つの側面に異なるサイズ完成紙料を用いることによって、従来技術を超えてまださらに本質的に改良され得る。よって、例えば、２つの側面の固形分は相互に相違して調整され得る。しかしながら、吸収に関する効果はウェブの底部における吸収は増大するというものである。なぜならば、ウェブのカール制御システムに故に大量の水が底部に加えられるからである。

本発明に従った方法を用いて製造された紙及び板紙の品質は一般的にカレンダ又はコーティング処理されないが、製造された製品をそのようなさらなる仕上げ工程に送ることを妨げるものは何もない。

以下に、例示的な実施態様の助けを得て、本発明が吟味される。本例の紙等級はコピー用紙又はプリント用紙としての使用に適している。

今日、コピー機製造業者は８０ｇ／ｍ_２の秤量を有するコピー紙等級を使用することを薦めている。この薦めは、コピー機／プリンタ機の給紙部及び印刷部における十分なシート剛性を確実にすることを目的としている。この種の紙は、約１０％の固形分を有し且つ未乾燥塗膜として例えば１０ｇ／ｍ_２がウェブの両面に加えられる完成紙料を用いて表面サイズ処理されている。次に、サイズ固形分の乾燥重量の部分は２ｇ／ｍ_２であり、よって、ベースシートの秤量は７８ｇ／ｍ_２でなければならない。

本発明によれば、内部接着強度は、製紙機のプレス部と乾燥部との間のドロー差を３％以下、有利的には１〜２％の範囲に維持することによって確実にされる。それによって、ベースシートで要求される内部接着強度が良好に保たれる。もしベースシートの秤量が６８〜７２ｇ／ｍ_２の数値に低減されるならば、製品剛性低下の計算値は１５〜２５％である。より薄いベースシートに起因するこの剛性低下は、表面サイズ処理において、サイズの乾燥重量における２５％の固形物の完成紙料を用いることによって補償されている。それによって、製品は十分な剛性及びより少量のサイズで表面サイズ処理された比較製品の表面品質と少なくとも同等の表面品質を有する。これに関連して、サイズの乾燥固形分は、完成紙料における水の分量に対するサイズの現実固形分の比率として定めされる。完成紙料の全体的固形分は例えば色素添加剤を用いるときに実質的に増大し得るが、サイズ完成紙料が繊維間空隙へ過剰に浸透することを回避するために、固形分の下端部において、サイズ材料及び水の総量におけるサイズ成分の比率は１５％以下であってはならない。サイズ固形分は少なくとも２０％であるのが有利であり、２５％であるのが最も有利である。サイズ層の乾燥重量として、加えられるサイズの総量は、より少ない固形分の完成紙料を用いて加えられるときの層の重量と同一であり得るが、製品の秤量が精密に特定されている場合、例えば、上述の８０ｇ／ｍ_２と特定されている場合、サイズ量は増大し得る。例えば６８ｇ／ｍ_２の秤量のベースシートから製品を製造するために、２５％の固形分サイズの適用は、サイズ完成紙料がベースシートの両面上の２４ｇ／ｍ_２の未乾燥サイズ塗膜によって加えられるべきことを要求する。それは幾分多量の加えられたサイズであり、それはより多量のサイズ固形分を用いて実行されるのが好ましい。

本発明は原料消費及び特に製品剛性を最適化するのを可能にする。製品の表面上にサイズが残存しているとき、製品の剛性に対するサイズ層の寄与は相当である。よって、製品の剛性は、異なる秤量のベースシートを用いることによってよりも、加えられるサイズ重量を変化することによって容易に変更され得る。表面サイズは必ずしもベースシートの内部接着強度を増大しないので、サイズの特性を十分に用いて紙製品の表面品質及び剛性を向上することができる。

本発明はコピー紙及びインクジェット印刷紙等級を製造するのに特に適しているが、剛性の秤量に対する良好な比率のために特定された他の種類の製品において、厚紙等級においてさえも用い得る。さらに、原則として、もし製品が求めるならば、ウェブの１つの側面だけを表面サイズ処理することも可能である。表面サイズ完成紙料は水以外の他の液体に基づいて準備され得るのは明らかである。よって、サイズ成分の比率は液体の全容積に対して計算されなければならない。

本発明に従った製品において、製品の被覆層におけるサイズを維持することであり、繊維間空隙への浸透は最小限でなければならない。このために、加えられるサイズの総量の少なくとも８０％、有利的には９０％はベースシート繊維層上に残存しなければならない。

表面サイズ完成紙料における固形分の増大によって、ウェブの頂面及び底面を同量のサイズで被覆し得るが、異なる量の固形分で被覆される。よって、ウェブの２つの側面に加えられる水の量は広く変化し得る。サイズ固形分は８〜３０％の範囲で変化し得る。もし乾燥されたサイズの固形分が１．５ｇ／ｍ_２に調整されるならば、それはウェブに加えられた水の量が最小３．５ｇ／ｍ_２で最大１７．３ｇ／ｍ_２であることを意味する。明らかに、許容可能な水適用の範囲は実に広範である。ウェブの２つの側面に加えられる水の量のこの相違は、乾燥後にウェブがカールする傾向を効率的に制御することを可能とするので、紙ウェブのカールを管理するのは最大限に容易である。

典型的に、従来技術の表面サイズ処理プレスに関して、表面サイズの水性の完成紙料がウェブに加えられ、表面サイズは７０ｇ／ｍ_２の秤量のウェブの固形分が９７％〜約７０％に降下する量の水を含む。よって、ウェブはその横断機械方向に亘って本質的に均一に分散された３０ｇ／ｍ_２の水を含む。ウェブからこの余剰な水分を除去するには複数の乾燥シリンダが必要である。もし乾燥機構造がシングルフェルトランに基づいているならば、底面が初めに乾燥するときに、含水量傾斜が形成される。よって、ウェブは内部応力に晒され、内部応力はウェブをその頂面に向けて強制的に膨らませる。

ウェブに取り込まれる水の量が従来的に加えられる水の量の半分だけである状況において、実現可能な配置は例えば次の通りである。サイズ完成紙料が、異なる固形分を有する１．５ｇ／ｍ_２の完成紙料の同量だけ頂面及び底面の双方に加えられることで、底面の完成紙料の乾燥固形分が１０％であるのに対し、２５％の乾燥固形分が頂面側に加えられる。取り込まれる水の対応する量は１４．５ｇ／ｍ_２及び３．５ｇ／ｍ_２である。その結果として、底面側から除去されるべき含水量は、ウェブの頂面側から蒸発する含水量の３倍以上である。その故に、シングルフェルト乾燥群における蒸発の分布に劇的な変化が発生する。実質的により少量の水分が頂面を介して蒸発する故に、ウェブのカールが低減されることが期待され、ウェブの頂面側及び底面側に加えられる水の量の間の差が十分に大きく調整されるならば、膨張方向さえも変化し得る。

上記の例示的な実施態様において議論された７０ｇ／ｍ_２の秤量のウェブに組み込まれる上述の量の余剰な水（１３．５ｇ／ｍ_２及び３．５ｇ／ｍ_２）を用いることで、ウェブの固形分は８０．５％であり、それは従来技術において伝統的に用いられている７０％に比べ本質的により多い。必要とされる乾燥シリンダの数も低減される。例えば、シングルフェルトランにおいて１２シリンダを有する製紙機に関して、乾燥工程は次の通りである。乾燥群の最後の２つのシリンダは冷却シリンダであり、乾燥部の末端において、余剰量１ｇ／ｍ_２の水がウェブに取り込まれる。さて、サイズ処理中にウェブに取り込まれる水の量が例示的な実施態様において記述されたように低くされ得ることを条件として、取り込まれた水における減少は、従来レベル（３０ｇ／ｍ_２対１７ｇ／ｍ_２）に対して約４３％である。それ故に、乾燥シリンダの数は従来技術に比べると約４０％低減され得る。

Claims (16)

1. ベースウェブを形成するステップと、
   製紙機のプレス部で前記ベースウェブを乾燥するステップと、
   前記製紙機の乾燥部で前記ウェブをさらに乾燥するステップと、
   前記プレス部と前記乾燥部の第一乾燥機シリンダ群との間のウェブ速度差又はドロー差を設定するステップと、
   前記ウェブの少なくとも１つの面を表面サイズ処理するステップと、
   を含む紙又は板紙のウェブを製造する方法であって、
   前記ドロー差は最高で３％に設定され、
   完成紙料におけるサイズ成分及び液体の総量の少なくとも１５％の固形分を有する表面サイズ完成紙料が加えられていることを特徴とする方法。
2. 前記ウェブの両面が処理され、表面サイズ完成紙料が前記ウェブの少なくとも一方の側面に加えられており、前記サイズ成分及び液体の総量におけるサイズ成分の比率は少なくとも１５％であり、前記ウェブの２つの側面に加えられるサイズ完成紙料における前記サイズ及び液体の総量に対する前記サイズ固形分の比率は相互に相違することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. サイズ成分及び液体の総量における前記サイズ成分の比率が少なくとも２０％、有利には２５％である表面サイズ完成紙料を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ドロー差が１〜２％に設定されていることと特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 光沢剤が前記サイズ完成紙料に付加されていることを特徴とする上記請求項のうちいずれか1項に記載の方法。
6. 前記ウェブの両面が表面サイズ処理されていることを特徴とする請求項１、３、４又は５のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ウェブの両面に加えられる前記サイズ完成紙料の量は同等であるが、前記ウェブの前記２つの面に取り込まれる水の量が相違することを特徴とする請求項２に記載の方法。
8. 前記ウェブの両面に加えられる前記サイズ完成紙料の量は相違するが、前記ベースウェブの前記２つの面に取り込まれる水の量が同等であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
9. 少なくとも１つの側面が表面サイズ処理された繊維層を含む紙又は板紙製品であって、前記表面サイズの少なくとも８０％、有利的には９０％が前記繊維層の上に残存することを特徴とする製品。
10. 前記サイズ完成紙料は光沢剤を含むことを特徴とする請求項９に記載の製品。
11. 前記ベースウェブの両面が表面サイズ処理されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の製品。
12. 当該製品はコピー紙であることを特徴とする請求項１１に記載の製品。
13. 当該製品はインクジェット印刷紙であることを特徴とする請求項１１に記載の製品。
14. ベースウェブを形成するステップと、
    製紙機のプレス部で前記ベースウェブを乾燥するステップと、
    前記製紙機の乾燥部で前記ベースウェブをさらに乾燥するステップと、
    前記プレス部と前記乾燥部の第一乾燥シリンダ群との間のベースウェブ速度差又はドロー差を設定するステップと、
    前記ベースウェブの少なくとも１つの表面を表面サイズ処理するステップと、
    からなる紙又は板紙のカールを制御する方法であって、
    前記ドロー差は最大３％に設定され、
    完成紙料におけるサイズ成分及び液体の総量の少なくとも１５％の固形分を有する表面サイズ完成紙料が加えられ、
    前記ベースウェブの前記２つの側面に加えられる前記サイズ完成紙料において、前記サイズ成分及び前記液体に対する乾燥固形分の比率が相互に相違することを特徴とする方法。
15. 前記ベースウェブの両面に加えられるサイズ完成紙料の量は同等であるが、前記ベースウェブの前記２つの面に取り込まれる水の量が相違することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ベースウェブの両面に加えられるサイズ完成紙料の量は相違するが、前記ベースウェブの前記２つの面に取り込まれる水の量が同等であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。