JP4694186B2

JP4694186B2 - 強化紙

Info

Publication number: JP4694186B2
Application number: JP2004352791A
Authority: JP
Inventors: 宏邦田嶋
Original assignee: Rengo Co Ltd
Current assignee: Rengo Co Ltd
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: JP2006161206A

Description

この発明は、強化紙に関する。

紙の中でも、主に段ボールなどの包装材料に使用される板紙には、高い圧縮強度が求められる。高い圧縮強度を有する紙を製造する方法としては、まず、バージンパルプを大量に使う方法が挙げられる。しかし、バージンパルプの使用量は環境的視点からできるだけ削減することが望ましく、また、バージンパルプは高価であるため低価格を要求される包装材料としては不向きである。そこで、環境的及び経済的視点から古紙を大量に利用する方法が用いられるが、最近の資源再利用の進展から、古紙に含まれるパルプ繊維長は短く、また、角質化も進んでおり、古紙を使った紙の圧縮強度は低下傾向にある。

このため安価に高圧縮強度を有する板紙を得る方法として、古紙を大量に使用した上で、さらに圧縮強度の向上剤、すなわち紙力増強剤を添加する方法が行われている。この紙力増強剤に用いる安価な材料として、デンプン等の高分子多糖類が知られているが、塗工の場合、粘度調整、染込み速度、溶液の安定性などが問題となることがある。

これに対し、より安価な薬剤による紙力増強処理として、約１〜１０％アルカリ水溶液にパルプ繊維を離解させ、中和して洗浄した後に抄紙することにより、引張強度を向上させる方法が非特許文献１及び２に記載されている。

ＰＡＰＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｎｏｖ．（１９９８）４５木材学会要旨集２７ｔｈ，２４（１９７７）

しかしながら、古紙をアルカリ水溶液で処理することにより、繊維の角質が壊れ、叩解の効果が得られて引張強度は向上するが、圧縮強度については明確な向上効果は見られなかった。

そこでこの発明は、セルロースを溶解又は膨潤させることの出来る薬剤を用いて、引張強度と共に圧縮強度の高い強化紙を得ることを目的とする。

この発明は、セルロース系材料にセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を加えた後、加熱乾燥して得られる強化紙により、上記の課題を解決したのである。

セルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤により繊維の一部を膨潤、非晶化させて引張強度を向上させることに加えて、加熱乾燥を行うことで、繊維内だけではなく、繊維間に新たな相互作用が構築されて、塗工した紙の圧縮強度を高めた強化紙を得ることができる。

以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、セルロース系材料にセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を加えた後、加熱乾燥して得られる強化紙である。

上記セルロース系材料としては、パルプ繊維等のセルロースを含有する繊維が挙げられ、その形状としては、上記繊維をシート状にしたもの、原紙、段ボールシートおよびケースなどが挙げられる。上記のシート状にしたものとは、上記繊維を液体に分散させた懸濁液の状態にあるセルロース系材料を抄紙して得られたものであり、例えば洋紙、ライナーや中芯などの段ボール板紙、白板紙、新聞紙、チップボール等の紙器用板紙、紙管原紙が挙げられる。また、これらを貼り合わせた段ボール、箱等の成型品であるセルロース系材料も含むものである。上記懸濁液に用いる液体は、水、水溶液、有機溶媒又は有機溶液であってよい。ここで水溶液とは、溶解性のある物質を水に溶かした混合物をいい、有機溶液とは、溶解性のある物質を有機溶媒に溶かした混合物をいい、この溶解性のある物質としては上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を含む。

上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液、アミン類またはその水溶液、酸化銅アンモニア水溶液、チオシアン酸塩水溶液、塩化亜鉛水溶液、塩化リチウム−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルモルホリンオキサイド、リン酸等が挙げられる。上記のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられ、上記のアミン類としてはアンモニア、トリエチルアミン、エチレンジアミン等が挙げられる。これらの中でも、アルカリ金属の水酸化物、特に水酸化ナトリウムが好ましい。

上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を加えるとは、製紙、成型、印刷、及び加工の製造工程中のいずれかの工程において、上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を加えて、得られる上記強化紙を構成する上記セルロース系材料の繊維間に働く相互作用を強化することをいう。具体的には、上記セルロース系材料が分散された懸濁液に上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を添加してから抄紙したり、上記のシート状又は成型品であるセルロース系材料に上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤の溶液を塗工したりすることが挙げられる。

上記の塗工とは塗布、噴射、浸漬をいう。上記の塗布とは刷毛やロール等で塗るなどの行為を示し、上記の噴射とはスプレーで吹き付けるなどの行為を示し、上記の浸漬とは溶液で濡らしたり溶液中に沈めたりといった行為やサイズプレス等の作業などを示す。また、これら以外の方法でも、上記強化紙としての効果が得られる程度の量となる上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤の溶液を含ませることができるものであれば、特に制限されるものではない。

上記の塗工に用いる溶液又は上記懸濁液中の、セルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤の濃度は特に限定されるものではないが、低すぎると十分な効果が得られず、高すぎると塗工時の湿潤強度が低下するため紙切れの原因となることがある。例えば、アルカリ金属の水酸化物の場合、その濃度は０．００１〜５ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、０．１〜２ｍｏｌ／Ｌであるとより好ましい。濃度が高いほど乾燥後に得られる強化紙の強度は高くなる傾向がある。

上記のようにして得られる上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤を加えた上記のシート状又は成型品であるセルロース系材料を、加熱乾燥する。この加熱乾燥により圧縮強度及び引張強さが高くなり強化紙が得られるが、加熱乾燥の程度は溶媒残存率が低い方がよく、１５重量％以下が好ましく、１０重量％以下であればより好ましい。具体的な温度、乾燥時間、乾燥方法は、上記のシート状又は成型品のセルロース系材料が含有する水分又は溶媒量によって大きく変わるが、例えば、浸漬により上記の薬剤の溶液を加えた中芯（坪量：１１５ｇ／ｍ^２）を回転乾燥機で９０秒間かけて乾燥する場合、その温度は６０〜２００℃であることが望ましく、１００〜１８０℃であるとより望ましい。６０℃未満であると十分に乾燥させることが難しく、一方で２００℃を超える温度であると上記セルロース系材料そのものが分解してしまい、強度が低下するおそれがある。

この発明により得られる強化紙に、上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤以外の紙添加用薬剤や填料を併用して加えてもよい。これらは上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤の溶液又は上記懸濁液に添加して用いてもよいし、上記のシート状であるセルロース系材料に対して上記のセルロースを溶解又は膨潤させることのできる薬剤の溶液を塗工する前に、又は後に別個に塗工させてもよい。

上記の紙添加用薬剤としては、例えばポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルアミン、スチレンアクリル系樹脂、ポリアミドポリアミンエピクロロヒドリン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ケトン樹脂等の合成樹脂、デンプン、グアーガム等の天然高分子、カチオン変性デンプン、アセチル化デンプン、尿素リン酸エステル化デンプン等の変性デンプン、ＣＭＣ等のセルロース系高分子、デンプン糖、セロビオース、マルトース等のオリゴ糖、ジルコニウム化合物、珪酸化合物、多価アルコール／カルボニル化合物、環状アミド化合物、グリオキサール等の架橋剤などが挙げられる。

上記填料としては、例えばカオリン、タルク、炭酸カルシウム、酸化チタン、酸化亜鉛、シリカ、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸アルミニウム等が挙げられる。

これらの紙添加用薬剤や填料の含浸や塗工とは別に、加熱乾燥後の上記強化紙に酸性物質を塗工してもよい。上記の紙添加用薬剤によっては上記強化紙がそのままでは塩基性の場合があり、用途によっては不都合が生じる場合があるので、上記酸性物質を塗工することにより、中和して中性紙にして不都合を解消させることができる。このように用いることができる上記酸性物質としては、例えば硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄等の金属塩、二酸化炭素等のガス、硫酸、塩酸、酢酸等の無機酸、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、酸化澱粉、澱粉、ポリアクリル酸等の高分子など酸性を示すものが挙げられる。中でも、その溶液のｐＨが２〜６となる弱酸を用いると、装置の腐食が抑えられるためより好ましい。このような弱酸を得るには、強酸を希釈してもよいが、従来から製紙工程で使用されている硫酸アルミニウム等を用いるとより好ましい。

ただし、加熱乾燥前に酸性物質を塗工すると、上記のセルロースを溶解又は膨潤させることの出来る薬剤の溶液による処理が不十分になってしまい、圧縮強度への効果が低下してしまうので、一度塩基性のまま乾燥させた後に上記酸性物質を塗工することが望ましい。なお、下記のサイズ効果や難燃効果についてはそのような制限はない。また、効果を増強させる目的で、上記のセルロースを溶解又は膨潤させることの出来る薬剤の塗工や、上記酸性物質の塗工を複数回繰り返したり、処理の順番を前後させたりしても良い。

なお、上記のセルロースを溶解、又は膨潤させることの出来る薬剤を加えた上記強化紙に硫酸アルミニウム水溶液、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄等の多価金属イオンの塩水溶液を塗工し、乾燥させると、紙を中性化させる効果とともに、上記のセルロースを溶解、又は膨潤させることの出来る薬剤による強度向上効果に加えて、多価金属イオンの塩による強度向上効果、サイズ効果、中和により生じる金属水酸化物層による難燃効果などを発揮した多価金属イオン塩強化紙が得られる。この中でも特に、硫酸アルミニウム水溶液を塗工した、硫酸アルミニウム強化紙が、これらの効果を好適に発揮できるので好ましい。

以下、実施例によりこの発明をより具体的に説明する。まず、測定方法について説明する。

（塗工量測定方法）
各々の例で得られた塗工紙を２３℃、湿度５０％の環境で調湿した後、一部を１０５℃で５時間乾燥後、重量測定して絶乾重量を算出し、使用した原紙の絶乾坪量との差から塗工量を算出した。

（圧縮強度、比圧縮強度測定方法）
ＪＩＳＰ８１２６に従って測定した。なお、比圧縮強度は絶乾坪量に対して評価した。

（裂断長測定方法）
ＪＩＳＰ８１１６に従って測定した。

（難燃性の評価方法）
ＵＬ規格を参考に評価を行った。まず、つり下げた試験片（幅１８ｍｍ×縦１５７ｍｍ）の下部にバーナー炎を近づけて着火させた後、バーナー炎を離す。続いて、着火時点から着火した炎が消えるまでの消炎時間、着火時点から消炎後でも試験片に残る熾き火が消失するまでの消火時間、及び炭化せずに残った濾紙の縦方向の残存濾紙長を測定した。

［水酸化ナトリウムを加えた強化紙］
（実施例１〜６）
表１に記載の濃度である水酸化ナトリウム（ナカライテスク（株）製：ＧＲ）水溶液に、シート状であるセルロース系材料として段ボール用中芯（レンゴー（株）製、坪量１１５ｇ／ｍ^２）を３０秒間浸漬させた後に引き上げて、付着している余分な溶液を濾紙に吸い取らせ、回転乾燥機（ＪＡＰＯ製ＡｕｔｏＤｒｙｅｒＴｙｐｅＬ−３Ｄ、１２０℃、乾燥時間９０ｓｅｃ）にかけて強化紙を得た。得られた強化紙を２３℃、湿度５０％の環境で２４時間調湿した後に上記の方法で測定を行った。その結果を表１に示す。

（比較例１）
水酸化ナトリウム水溶液の代わりに水を使用した以外は実施例１〜６と同様にした紙について上記の方法で測定を行った。その結果を表１に示す。

（結果）
水酸化ナトリウム水溶液で処理した強化紙は圧縮強度及び引張強度が高くなり、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が高くなるほどさらに圧縮強度及び引張強度が高くなった。

［水酸化ナトリウム及び硫酸アルミニウムを加えた強化紙］
（実施例７）
０．５ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム（ナカライテスク（株）製：ＧＲ）水溶液に、段ボール用中芯（同上）を３０秒間浸漬させた後に引き上げて、付着している余分な溶液を濾紙に吸い取らせ、回転乾燥機（ＪＡＰＯ製ＡｕｔｏＤｒｙｅｒＴｙｐｅＬ−３Ｄ，１２０℃、乾燥時間９０ｓｅｃ）にかけて強化紙を得た。この強化紙を硫酸アルミニウム水溶液（レンゴー（株）製：硫酸バンド、Ａｌ_２Ｏ_３７重量％、ｐＨ＝３表中「Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３」と表記する。）に３０秒間浸漬させた後に引き上げて、付着している余分な溶液を濾紙に吸い取らせ、回転乾燥機（ＪＡＰＯ製ＡｕｔｏＤｒｙｅｒＴｙｐｅＬ−３Ｄ，１２０℃、乾燥時間９０ｓｅｃ）にかけて乾燥し、硫酸アルミニウム強化紙を得た。この得られた硫酸アルミニウム強化紙を２３℃、湿度５０％の環境で２４日間調湿した後に上記の方法で測定を行った。その結果を表２に示す。

（比較例２）
実施例３と同濃度の水酸化ナトリウム水溶液に同様に浸漬した後、付着している余分な溶液を濾紙に吸い取らせ、その後乾燥させず直ちに硫酸アルミニウム水溶液（同上）に３０秒間浸漬させた。これを引き上げて、吸引濾紙（同上）に付着している余分な溶液を吸い取らせ、回転乾燥機（同上）にかけて乾燥し、硫酸アルミニウム強化紙を得た。この得られた硫酸アルミニウム強化紙を２３℃、湿度５０％の環境で２４時間調湿した後に上記の方法で測定を行った。その結果を表２に示す。

（比較例３）
硫酸アルミニウム水溶液（同上）に、段ボール用中芯（同上）を３０秒間浸漬させた後に引き上げて、吸引濾紙（同上）に付着している余分な溶液を吸い取らせ、回転乾燥機（同上）にかけて乾燥し、硫酸アルミニウム強化紙を得た。この得られた硫酸アルミニウム強化紙を２３℃、湿度５０％の環境で２４時間調湿した後に上記の方法で測定を行った。その結果を表２に示す。

（結果）
水酸化ナトリウム水溶液で処理した後に乾燥させずに硫酸アルミニウム水溶液に浸漬させた比較例２は、硫酸アルミニウム水溶液のみで処理した比較例３と同程度の圧縮強度であり、水酸化ナトリウム水溶液による効果が見られなかった。一方、水酸化ナトリウム水溶液で処理した後に乾燥させてから硫酸アルミニウム水溶液に浸漬させた実施例７は圧縮強度が大きく向上した。

［水酸化ナトリウム−硫酸アルミニウム処理紙の撥水性］
（実施例８）
実施例７の強化紙を得る工程、すなわち水酸化ナトリウム処理後に乾燥し、続いて硫酸アルミニウム処理後に乾燥する工程を２回繰り返した。得られた試験紙を湿度５０％の環境で２４時間調湿し、試験紙（１２８ｇ／ｍ^２）を得た。続いて下記の方法でサイズ度をＪＩＳＰ８１４０（コッブ法）に従って測定した。また、同様の試験を実施例７の試験紙と、比較例１の試験紙とについても行った。この結果とともに表３に示す。

（結果）
実施例７及び８の試験紙は、裏面への水の浸透は観測されず撥水性を示したのに対し、比較例１では裏全面に水が浸透した。

［水酸化ナトリウム−硫酸アルミニウム処理紙の難燃性］
（実施例９）
実施例７において、中芯の代わりに濾紙（Ａｄｖａｎｔｅｃ，Ｎｏ．１３１、坪量１４０ｇ／ｍ^２）を用いた以外は同様に処理、調湿を行って試験紙（坪量１７５．３ｇ／ｍ^２を得た。この試験紙について、難燃性の評価を行った。
（実施例１０）
実施例８において、中芯の代わりに濾紙（Ａｄｖａｎｔｅｃ，Ｎｏ．１３１、坪量１４０ｇ／ｍ^２）を用いた以外は同様に処理、調湿を行って試験紙（坪量１８７．１ｇ／ｍ^２を得た。この試験紙について、難燃性の評価を行った。

（結果）
実施例９、１０及び比較例１の試験紙について測定した結果を表４に示す。薬剤で処理を行った実施例９及び１０の試験紙では、着火部分が炭化するものの、１〜２秒で消火された。しかし、薬剤で処理していない比較例１の試験紙では、着火後約３秒で燃え尽き灰化してしまった。

［その他の薬剤処理紙の測定］
（実施例１１、参考例１，２）
表５に記載の薬剤と塗工方法を用いて、上記段ボール中芯ＫＳＲ−１１５に塗工した後、付着している余分な水分を濾紙で吸い取り、ホットプレート（イウチ（株）製：ＮＥＯＨＯＴＰＬＡＴＥＨＩ−１０００、１２５℃、乾燥時間９０ｓｅｃ）にかけて乾燥し、強化紙を得た。得られたそれぞれの強化紙を２３℃、湿度５０％の環境で２４時間調湿した後に、上記の測定方法で測定を行った。その結果を表５に示す。いずれも、薬剤で処理していない比較例１の試験紙が示す強度を上回った。

Claims

セルロース系材料に、セルロースを溶解又は膨潤させることの出来る薬剤としてアルカリ金属の水酸化物の０．１〜２ｍｏｌ／Ｌの水溶液を塗工した後、加熱乾燥して得られる強化紙。
請求項１に記載の強化紙に、多価金属イオン塩水溶液を塗工して得られる多価金属イオン塩強化紙。