JP4651678B2 - 表面サイズ紙／板紙生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面サイズされる紙／板紙の生成方法に関する。

紙及び板紙を印刷する際、高い曲げ強度／嵩比が適切な走行性及び印刷性のために望ましい。高い曲げ強度は、多様なグラディエント構造（多構造や、グラディエント（傾斜型）カレンダ）によるだけでなく、例えば表面サイジングにより増加することができる。

表面サイジングの目的は、内部結合強度（層間結合強さ）及び表面強度（紙むけ）のような、紙若しくは板紙の強度特性を改善することである。表面サイジング用の化学物質は、水溶性ポリマーであり、魅力のある価格が故に大部分にスターチを含む。スターチの原料は、コーン、小麦、大麦、ジャガイモ、タピオカ等のような植物、スターチの源となるそれらの塊茎、種等を含む。スターチ（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５）は、直鎖状アミロース及び分岐アミロペクチンからなる。表面サイジング用の他の化学物質は、例えば多様なセルロース派生物（ＣＭＣ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。

曲げ強度は、カレンダ処理でウェブが圧縮して減少して、より小さい厚みと低減された嵩を生む。算出される曲げ強度は、次の式により、厚さの関数として線形的に増加する。

ここで、Ｓ_１及びＳ_２は、カレンダ処理された紙及び未カレンダ処理の紙の曲げ強度をそれぞれ表し、ｈ_１及びｈ_２は、カレンダ処理された紙及び未カレンダ処理の紙の厚さをそれぞれ表し、Ｅ_１及びＥ_２は、カレンダ処理された紙及び未カレンダ処理の紙の弾性係数をそれぞれ表す。

次の一般的な説明は、紙及び板紙グレードと共に、その製造時に用いられる種々のカレンダ処理及び塗工プロセスに関する。

［紙及び板紙グレード］
広範な種類のグレードの紙及び板紙が存在し、基本重量をベースに２つの種類に分類することができる。即ち、単一プライで基本重量２５−３００ｇ／ｍ^２の紙、及び、マルチプライ技術で製造される基本重量１５０−６００ｇ／ｍ^２の板紙である。尚、紙と板紙の分岐ラインは変動し、最も低い基本重量の板紙は、最も重い紙よりも軽い。通常的には、紙は印刷に用いられ、板紙は梱包（パッケージング）に用いられる。

次の説明は、繊維ウェブに対して現に採用されている値の例であり、所与の値からの実質的なずれは生じうる。説明に対する主な源となる文献は、Jkioにより編集され
［外１］

により１９９９年に出版された“Papermaking Science and Technology, Papermaking Part 3, Finishing”の３６１ページ、及び、Paulapuro,H. により編集され
［外２］

により１９９９年に出版された“Papermaking Science and Technology, Paper and Board grades, Finishing”の１３４ページである。

機械パルプから製造される印刷紙、即ち木成分を備える紙は、新聞用紙、未塗工雑誌用紙及び塗工された雑誌用紙を含む。

新聞用紙は、完全に機械パルプからなるか若しくはいくらかの漂白されたソフトウッドパルプ（０−１５％）を含んでよい。新聞用紙に対する一般的な値は、おそらく次のように考えられる。基本重量４０−４８．８ｇ／ｍ^２、アッシュ（灰）含有率（SCAN-P 5:63）０−２０％、PPS s10ラフネス（SCAN-P 76−95）３．０−４．５μｍ、ベントセン（Bendtsen）ラフネス（SCAN-P 721:67）１００−２００ｍｌ／ｍｉｎ、密度６００−７５０ｋｇ／ｍ^３、ブライトネス（ISO 2470:1999）５７−６３％、及び不透明度（ISO 2470:1998）９０−９６％である。

未塗工雑誌用紙（SC=スーパーカレンダ処理）は、一般的に、５０−７０％の機械パルプ、１０−２５％の漂白ソフトウッドパルプ、及び１５−３０％の填料（フィラー）を含む。カレンダ処理されたSC紙（例えばSC-C,SC-B及びSC-A/A+を含む）に対する典型的な値は、基本重量４０−６０ｇ／ｍ^２、アッシュ含有率（SCAN-P 5:63）０−３５％、ハンター(Hunter)グロス（ISO/DIS8254/1）＜２０−５０％、PPS s10ラフネス（SCAN-P 76：95）１．０−２．５μｍ、密度７００−１２５０ｋｇ／ｍ^３、ブライトネス（ISO 2470:1999）６２−７０％、及び不透明度（ISO 2470:1998）９０−９５％である。

表１は、機械パルプを含む塗工可能な紙に対する典型値を示す（MFC=機械仕上げ塗工、FCO=フィルム塗工オフセット、LWC=軽量塗工、MWC＝中量塗工、HWC=重量塗工）。

塗工される雑誌用紙（LWC=軽量塗工）は、２５−４０％の機械パルプ、２０−３５％の漂白ソフトウッドパルプ、及び２０−３５％の填料及び塗工剤を含む。HWC（重量塗工）は、２回以上も塗工されることができる。

化学パルプから作成されるウッド成分の無い印刷紙、即ちファイングレード紙は、化学パルプをベースとした未塗工及び塗工印刷紙であり、機械パルプの比率は１０％より少ない。

化学パルプをベースとした未塗工紙（WFU）は、５５−８０％の漂白されたバーチウッド（birchwood）、０−３０％の漂白ソフトウッドパルプ、及び１０−３０％の填料を含む。WFUでは、値は大きく変動し、基本重量５０−９０ｇ／ｍ^２（２４０ｇ／ｍ^２まで）、ベントセン（Bendtsen）ラフネス２５０−４００ｍｌ／ｍｉｎ、ブライトネス８６−９２％、及び不透明度８３−９８％である。

化学パルプをベースとした塗工紙（WFC）では、塗工量は、要求や意図したアプリケーションに応じて大きく変動する。次は、化学パルプをベースとした一回及び２回塗工印刷紙に対する典型値である。一回塗工に対しては、基本重量９０ｇ／ｍ^２、ハンターグロス６５−８０％、PPS s10ラフネス０．７５−２．２μｍ、ブライトネス８０−８８％、及び不透明度９１−９４％であり、２回塗工に対しては、基本重量１３０ｇ／ｍ^２、ハンターグロス７０−８０％、PPS s10ラフネス０．６５−０．９５μｍ、ブライトネス８３−９０％、及び不透明度９５−９７％である。

レリースペーパーは、２５−１５０ｇ／ｍ^２内で変化する基本重量を有する。

板紙製造は、化学パルプ、機械パルプ及び／又はリサイクルパルプの使用を伴う。板紙は、例えば、意図したアプリケーションにより次の主な種類に分離されることができる。

波形とライナーを備えた波型板紙。

コンテナやボックスを作成するためのボックス板紙。ボックス板紙は、例えば液体梱包用板紙（FBB=折りたたみ箱用板紙、LPB=液体梱包用板紙、WLC=白線付きチップボード、SBS=固体漂白サルファイト紙、SUS=固体未漂白サルファイト紙）を含む。

カード、ファイル、フォルダ、キャスティング、カバー等を製作するためのグラフィックボード。

壁紙ベース。

［カレンダ処理（カレンダリング）］
種々の紙及び板紙の表面特性及び厚さプロフィールは、印刷方法及び更なる処理の要求を満たすためにカレンダリングにより処理される。塗工グレードは、典型的には、塗工処理前に事前カレンダ処理され、塗工処理後に最終のカレンダ処理を受ける。

カレンダは、マシーンカレンダ、ソフトカレンダ及びマルチロールカレンダに分類される。マシーンカレンダは、典型的には、１−２個のニップを有し、ニップ形成ロールの双方はハードロールである。ソフトカレンダは、一般的に１−４個のニップを有し、ニップ形成ロールの少なくとも１つはソフトカバーでカバーされる。マルチロールカレンダは、一般的に５−１１個のニップを有する。マルチロールカレンダのロール組立体は、加熱ロール及びソフトカバーロールの双方を含む。

特別なカレンダは、例えばウェットスタックカレンダ、ブレーカースタック、及びロングニップカレンダを含む。

ウェットスタックカレンダは、マルチロールマシーンカレンダと略同一であるが、カレンダ処理の観点で全体として異なる。ウェットスタックカレンダは、湿気勾配を効果的に利用し、カレンダに到着するウェブは約１−２％の湿気を有するだけである。ウェットスタックカレンダは、ニップの上流側でウェブ表面上に水の膜を形成する水ボックスを備え、当該膜は、ニップ内でウェブ表面に押圧される。従って、ウェブは表面で濡れるだけであり、これにより、表面は、過度乾燥された内部よりも大きくカレンダ処理を受ける。ウェットスタックカレンダは、幾つかの板紙グレードに対するプレカレンダとして採用されている。

ブレーカースタックは、ペーパーマシンの乾燥セクションに配置されるマシーンカレンダである。

ロングニップカレンダは、シューロールまわりにソフトベルトを有するシューカレンダを含み、ニップ長さが、ベルトカレンダと同様、典型的には５０−４００ｍｍである。従来のベルトカレンダは、ソフトカレンダの熱ロール、ベルトループ及びベルトループ内部のバッキング(裏)ロールからなり、後者は、ハードロール若しくはソフトロールである。ベルトは、バッキングロール及びガイド／テンションロール上を走行する。ベルトカレンダの特別な実施例は、メタルベルトカレンダであり、この場合、カレンダリングベルトは、ガイドロールまわりを走行する金属ベルトを含み、典型的にはロールであるカウンター要素と協動して、５０００ｍｍｍよりも長い長さを有するロングニップ領域を確立する。ベルトループ内には、偏向補償ロールのような更なるプレス要素を設けることができ、プレス要素は、長いニップ領域の途中により高い圧縮荷重のニップポイントを確立するために用いることができる。

[塗工技術]
塗工された紙グレード及び塗工がより有名になるにつれて、塗工プロセス及び装置は、増大する要求により挑戦を受ける。塗工手順において、より詳細には顔料塗工手順において、紙の表面は、塗工ヘッドで一層のコーティングカラーで形成され、その後、過剰な水の脱水が実行される。コーティングカラー層の形成は、最終の塗工量を調整する時だけでなく、紙の表面上へのコーティングカラーの供給時、即ち塗工時に分割されることができる。最も重要な顔料塗工方法は、いわゆるブレード塗工であり、ブレード塗工では、塗工量は、いわゆるドクターブレードにより調整される。最も一般的な種類の一般的なブレード塗工ヘッドは、アプリケータロールを備えるブレードコータ及びジェットアプリケータを備えるブレードコータを含む。塗工処理は、追加的に、いわゆるフィルム転写コータの使用を伴い、この使用は、最近、より一般的になっている。その他の新しい技術は、カーテンコータの使用を伴うものが提案されている。

現実的な観点からは、種々の塗工装置間の最も本質的な差異は、塗工プロセス、特にその中で生ずる浸透、即ち紙内へのコーティングカラーの浸透に関する。

高いグレードの塗工印刷紙の製造時には、最近では、より多くの注意が、高品質だけでなく生産性にも払われてきている。品質は、同様に、大量生産タイプの軽量な塗工紙においてより重要な側面となっている。略全てのコータは、品質、生産背及び走行速度を上げる圧力下にある。

ブレード塗工に含まれるアプリケータ−ロール塗工において、塗工は、バッキングロールにより運ばれる紙の裏面上へとコーティングカラーを拾い上げる塗工パンにおいて回転するロールを使用することにより影響を受ける。塗工量は、通常的には、２００−２５０ｇ／ｍ^２である。アプリケータ−ロール塗工において、コーティングカラーは、ベース紙内に効率的に浸透する。更に、ベース紙の繊維は、ドクタリング前に膨張する時間があり、従って、紙のラフネスボリュームが増加する。

ジェット塗工においては、コーティングカラーは、今度は、ノズルによりウェブ表面上へと直接的に供給される。アプリケータ−ロール塗工に対する利点は、回転するロールが存在せず、従って、高い走行速度に対する適性が改善されることである。その他の利点は、塗工圧のパルスの出力を低減でき、走行性が改善されることになることである。ジェット塗工においては、ウェブウェッティング処理は、アプリケータとShort-dwell法の間の中間である。ジェット塗工においては、塗工量は、典型的には、１３０−２２０ｇ／ｍ^２である。

Short-dwell塗工では、コーティングカラーは、ドクターブレードの直ぐ背後に位置する塗工室内に搬送され、当該室の一方の側面は、バッキングロールにより支持された移動する紙ウェブにより構成される。移動する紙ウェブは、塗工室内に渦を発展させ、コーティングカラーは、紙ウェブの表面上で紙ウェブの速度に等しい流速を有する。Short-dwell塗工では、紙の濡れは、塗工領域が低圧を受け且つ実行範囲が短いので、僅かである。紙繊維の膨張は、ドクターブレードの下流側でのみ部分的に発生し、これにより、ブレードにより平滑化された表面が粗くされる。従って、Short-dwell塗工により達成可能な塗工平滑度は、アプリケータ−ロール及びジェットコータにより達成される平滑度よりも劣る。

紙の表面上に残る塗工量は、広範囲の変数により影響を受ける。ラフネス、多孔度及び水吸収率のようなベース紙の特性が増加するとき、塗工量も増加する。同様に、コーティングカラーの乾燥含有量及び速度が増加するとき、塗工量が増加することになる。他方、コーティングカラーの水保持能力の増加は塗工量を減少させる。ドクターブレードのブレード厚さ、作動角及び応力が増加するとき、塗工量は減少することになる。他の因子に関して、走行速度の増加は、塗工圧の増加と同様、塗工量の増加をもたらす。

上述のブレードコータに加えて、塗工及び表面処理は、他の装置により実現されることができる。次は、２，３の最も通常的に採用される選択肢について述べる。サイズプレスユニットは、２つの回転するロールからなる。この代替では、ウェブの表面上に塗工されるべきコーティングカラーは、ウェブとロール間に存在するポンド内でウェブに塗工される。表面サイジングに加えて、サイズプレスは、顔料塗工のために用いることができる。塗工料は、約１．０−２．０ｇ／ｍ^２／片面であるだろう。標準的なサイズプレスの問題点は、走行速度が高いときの塗工ポンドの不安定性である。

フィルムサイズプレスを設計することにより問題を無くす試みがなされており、このフィルムサイズプレスでは、紙ウェブの表面上に望まれるコーティング剤若しくはサイジング剤の層は、プレスロールの表面に先ず付与され、当該層は、そこから、ロール間のニップ内の紙に通される。採用される塗工装置は、Short-dwellコータに類するユニットを含む。この装置により得られる利点は、高い走行速度でも塗工を制御できることと顔料塗工の可能性である（２−６ｇ／ｍ^２／片面）。更に、コーティングカラーは、その乾燥含有量を、標準的なサイズプレスに対して増加させることができる。フィルムコーティングカラーの塗工は、片面若しくは両面で実行されることができる。フィルム転写塗工プロセスの走行性は、ブレード塗工よりも通常的には良好である。ブレード塗工に比べて、フィルム転写塗工により得られる塗工層は、通常的には、外面（コンツア）により良好に適合し、その意味で、より大きな塗工面積（カバレージ）を有する。しかし、フィルム転写塗工により高い塗工量を達成するのは可能でない。

エアブラシ塗工では、コーティングカラーの塗工は、単一若しくはマルチロールブレード塗工装置若しくはノズルにより実行される。表面の円滑度及び塗工料の調整は、エアジェットにより実行される。エアブラシ塗工は、それにより提供される素晴らしい塗工面積の理由により、略板紙塗工においてのみ用いられる。欠点は、コーティングカラーの極めて低い乾燥含有量及び本方法の限られた走行速度を含む。エアブラシにより形成される塗工層は、一定の厚さであり、紙の表面コンツアに適合する。

従って、紙ウェブを塗工する観点での今日における基本的な解決策は、Short-dwell及びアプリケータ−ロールコータ、ジェット塗工に基づく装置、及びフィルムサイズプレスにより提供される。万能な一般的なコータは未だ設計されていない。

多様な形態のブレード塗工は、将来、最も通常的な塗工方法として留まるように思われる。走行速度が増加し、塗工領域が拡大するにつれて、アプリケータロールは、おそらく、ジェット塗工に基づく解決策により略全面的に取って代わられるだろう。

一の新たな出現した技術は、また、いわゆるカーテン塗工技術である。カーテンコータは、スロット供給型若しくはスライド供給型コータに分類されることができる。スライド供給型カーテンコータでは、コーティング剤は、傾斜した面に沿って流れように設定され、カーテンが、コーティング剤が当該面の縁部を超えて滴る際に形成される。スロット供給型塗工ビームでは、コーティング剤は、狭い鉛直方向のスロットに分配室を介して汲み上げられ、カーテンが、そのリップに沿って形成し、ウェブに向けて滴り落ちる。コーティング剤は、一以上の層で塗工されることができる。ブレード塗工に比べて、カーテン塗工は、ウェブに非常に少ない力しか負荷せず、従って、紙ウェブにおける破れにより生ずる中断が少なくなり、ブレード塗工により達成されるのと同様の平滑度を提供するが、それにより得られる塗工面積は、ブレード塗工で達成される塗工面積よりも良好である。カーテンコータは最終的にエアブラシに取って代わるだろうと一般的にいわれている。

本発明の目的は、標準的な表面サイジング及びそれに続くカレンダリングにより得られる値に対して表面サイズされた紙／板紙の曲げ強度及び嵩を改善することができる解決策を提供することである。

この目的を達成するため、本発明の方法は、本方法で処理されるべきウェブは、表面サイジング後に、所望の乾燥収縮及び／又は乾燥応力の増加を付与することで紙／板紙の曲げ強度及び／又は嵩に対する所望の作用を生成するための処理プロセスに通されることを特徴とする。

本発明の好ましい実施例は、従属項に記載される。

本発明は、従来の方法に比べて、少ない量の材料若しくは少ない量の表面サイジング剤を用いて同様の曲げ強度を提供することを可能とする。

これより、本発明は、添付図面を参照して詳細に説明される。
本発明によれば、表面サイズされた紙／板紙の曲げ強度及び／又は嵩は、表面サイジングに、乾燥収縮作用を抑止若しくは制限して乾燥応力の増加をもたらすための処理プロセスを後続させることによって、改善できることが知見された。この現象は、スターチの乾燥収縮促進作用に基づくものであり、これにより、スターチの添加後の乾燥収縮の抑止は、乾燥応力の増加をもたらす。乾燥応力の増加は、湿式の歪付与（ウェットストレイニング：wet straining）と同様に繊維レベルで働き、即ち紙の厚さが増加する。湿式の歪付与の紙厚さ促進作用は、例えば、Niskanen,K.により編集され
［外３］

により１９９８年に出版された文献“Papermaking Science and Technology, part Paper Physics”の82-83ページにあるように、それ自体知られた現象である。乾燥応力の確立は、また、ウェブを膨張させることにより強化されることができる。

図１を参照するに、２つの異なる手順によりカレンダ処理された試料における厚さに対する算出及び測定された曲げ強度の関係が図示されている。カレンダリング手順は、ソフトカレンダリングと、ロングニップ金属ベルトカレンダリングであり、後者は、図１の文字PNで指示されている。ソフトカレンダ処理された測定された試料では、曲げ強度は、算出された曲げ強度に基づいて予測できるように、厚さの関数として減少する。算出された曲げ強度と測定された曲げ強度の間には、ソフトカレンダリングによりもたらされる粗い繊維妨害処理に起因すると推定されるレベルずれ（不均衡）があることが知見された。レベルずれは、金属ベルトカレンダにおいては、圧縮が塑性状態の繊維で生ずるので、観測されない。金属ベルトカレンダ処理された試料の測定された曲げ強度は、ソフトカレンダ処理された試料の曲げ強度と同様の急峻さで厚さの関数として悪化しない。例えば、厚さ１００μｍで金属ベルトカレンダ処理された試料の曲げ強度は、約３４％、ソフトカレンダ処理された試料よりも高く、厚さ８５μｍで、曲げ強度は、ソフトカレンダリングに対して約５８％改善し、計算された曲げ強度に対して２７％改善する。表面サイジングの処理プロセス下流で金属ベルトカレンダリングを用いることによって、ウェブの乾燥に影響を与えることができる一方、ウェブは、金属ベルトとロールの間に確立された閉じたニップで支持され、乾燥応力の制御された発展を可能とする。制御された乾燥収縮／応力のおかげで、ウェブは、その曲げ強度及び嵩だけでなく、その引っ張り強度の観点からも改善する。これは、原料の大きな節約と共に品質の向上をもたらす。表面サイジング剤の接着作用は、サイジング剤(例えばスターチ)がカレンダリング中に溶解／柔軟化／塑性化するので、温度、湿気、休止、荷重の結果として金属ベルトカレンダリングにおいて強化される。これに対して、繊維内部の接着接合部は、実効的な結合領域の拡大と共に、繊維内部結合、繊維内部接着結合の強化を受ける。結合強度は、塑性した繊維、リグニン若しくは紙に付与された化学物質が結合され／そこで既にある結合に強度を付与するにつれて、増加する。結合の形成は、高い含水率を必要とする。かかる湿気レベルは、従来のカレンダリング方法では達成可能でない。しかし、紙内の水分は不均一に分散される可能性が高く、これにより、局所的な含水率(例えば、スターチ分子内)は実際にはきわめて高いレベルでありうる。従って、スターチ分子間若しくは繊維間での、例えば、水素結合の形成は可能であろう。

図２ａは、紙の基本重量に対する表面サイジング剤の量及びその乾燥処理の作用であって実験的に知見された作用を示し、図２ｂは、紙の厚さに対する表面サイジング剤の量及びその乾燥処理の作用を示す。図２ｂから分かるように、紙の厚さは、乾燥収縮を制約することにより増加させることができる。

図３は、紙の嵩に対する表面サイジング剤の量の作用を示す。図３に示すように、表面サイジングは、従来的には、約４−５％の嵩の低減を生む。

図４は、紙の嵩に対する表面サイジング剤の量及び表面サイジング剤の乾燥処理の作用を示す。図４に基づいて、表面サイジング剤の量を増加させることは嵩の悪化をもたらすことが分かる。しかし、嵩は、表面サイジングに続く乾燥収縮を抑止することにより改善させることができる。

図５は、紙の嵩に対する紙ウェブの延展処理の作用を示す。延展の度合いは、０％及び２％であり、紙ウェブは４２％のＫＡＰを有していた。スプレッダロールは、例えば、真空穴を備える個別ベアリング搭載型ロール端部ピースを備えるロールを適合させることにより設計でき、該端部ピースは、前記真空穴によりウェブの縁部に係合し、前記ロール端部ピースは、前記ウェブの縁部を外側にガイドする角度位置に実装される図５には、紙の厚さが延展処理の進行につれて増加することを示している。

２つの異なるカレンダリングを受けた試料における厚さに対する算出及び測定された曲げ強度の関係を示す図である。 紙の基本重量に対する表面サイジング剤の量及びその乾燥処理の影響を示す図である。 紙の厚さに対する表面サイジング剤の量及びその乾燥処理の影響を示す図である。 紙の嵩に対する表面サイジング剤の量の影響を示す図である。 紙の嵩に対する表面サイジング剤の量及びその乾燥処理の影響を示す図である。 紙の嵩に対する紙ウェブの延展処理の影響を示す図である。

Claims (2)

1. 表面サイズされる紙／板紙の生成方法であって、
   本方法で処理されるべきウェブは、スターチを含む表面サイジング剤による表面サイジング後に処理プロセスに通され、該処理プロセスは、所望の乾燥収縮及び／又は乾燥応力の増加を付与し、それにより、紙／板紙の曲げ強度及び／又は嵩に対する所望の作用を生成して、測定される曲げ強度の変化が、同一の繊維ウェブ厚さで算出される曲げ強度の変化よりも４５％から９５％小さく、繊維ウェブが、表面サイズされない繊維ウェブに比べて０．５％から１０％厚さが増加するようにし、
   前記処理プロセスは、ウェブの縁部に係合しウェブを伸ばす方向に該縁部をガイドする係合要素を備えるスプレッダロールにより実行される、方法。
2. 前記係合要素は、真空穴を備える個別ベアリング搭載型ロール端部ピースを含み、該端部ピースは、前記真空穴によりウェブの縁部に係合し、前記ロール端部ピースは、前記ウェブの縁部を外側にガイドする角度位置に実装される、請求項１に記載の方法。

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