JP5683206B2 - 製紙方法及び紙 - Google Patents
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Description
製紙スラッジを主原料とし、脱水、熱処理及び粉砕工程を経て得られた再生粒子と、重質炭酸カルシウム粒子とを凝集剤により凝集させて凝集粒子スラリーを得る凝集工程、上記凝集粒子スラリーをパルプスラリーに添加する添加工程、及び上記凝集粒子スラリーが添加されたパルプスラリーを抄紙する抄紙工程を有し、上記凝集工程を経て得られた凝集粒子の体積平均粒子径が2μm以上15μm以下であることを特徴とする。
当該製紙方法は、
(1)製紙スラッジを主原料とし、脱水、熱処理及び粉砕工程を経て得られた再生粒子と重質炭酸カルシウム粒子とを凝集剤により凝集させて凝集粒子スラリーを得る凝集工程、
(2)上記凝集粒子スラリーをパルプスラリーに添加する添加工程、及び
(3)上記凝集粒子スラリーが添加されたパルプスラリーを抄紙する抄紙工程
を有し、上記凝集粒子の体積平均粒子径が2μm以上15μm以下である製紙方法である。また、当該製紙方法は、好ましい工程として、
(1’)上記凝集粒子凝集粒子表面にシリカを被覆させるシリカ複合工程
を上記添加工程前に有する。以下、各工程について順に詳説する。
当該製紙方法では、再生粒子と重質炭酸カルシウム粒子とを填料として用いる。(1)凝集工程においては、この2種類の填料をパルプスラリーへ添加する前に予め凝集剤により凝集させ、凝集粒子を含有する凝集粒子スラリーを得る。当該製紙方法によれば、このような凝集工程を経ることで歩留まりが向上し、得られる紙の不透明度が向上する。
填料として用いられる上記再生粒子は、製紙スラッジを主原料とし、脱水、熱処理及び粉砕工程を経て得られたものである。このような工程を経て得られた再生粒子は、過燃焼が抑えられており、スラリー化の際の増粘を抑制することができる。なお、この再生粒子の好ましい製造方法については、後に詳述する。
当該製紙方法においては、填料として広い粒度分布を有している重質炭酸カルシウム粒子を用いる。重質炭酸カルシウム粒子は、再生粒子と異なる屈折率や表面に多数のナイフエッジを持つ。従って、重質炭酸カルシウム粒子が再生粒子と共に凝集されることにより、それぞれ凝集体中で様々な光の屈折及び反射を生じさせることができ、その結果、光の散乱性を高め、不透明度を効率的に高めることができる。
粒子スラリーへ添加する凝集剤としては、その高分子鎖により複数の粒子を絡み取り凝集させることができるものであれば特に限定されず、カチオン性高分子、アニオン性高分子、非イオン性高分子等の高分子化合物を用いることができるが、本発明者等の知見によると、再生粒子と重質炭酸カルシウム粒子とを含むスラリーを用い、粒径の小さい粒子同士は凝集が進み、一方、粒径の元々大きい粒子は凝集が進行しにくい効果を遺憾なく発揮させるには、カチオン性高分子を用いることが好ましく、カチオン性合成高分子を用いることがさらに好ましい。凝集剤としてカチオン性高分子を用いることで、高分子鎖によって粒子を絡みとる作用のみならず、負に帯電している再生粒子及び/又は表面に多数のナイフエッジを持つ重質炭酸カルシウムを電気的に凝集させることができるため好ましい。また、カチオン性合成高分子を用いることで、この凝集剤のカチオン電荷密度及び好適な分子量を容易に調整することができる。
カチオン電荷密度=A/B ・・・(1)
A:pH4.0に調整した凝集剤水溶液のアニオン要求量(μeq/l)
B:凝集剤水溶液の固形分濃度(g/l)
このシリカ複合工程においては、上記工程で得られた凝集粒子の表面にシリカを被覆させる。このシリカの被覆方法としては、凝集粒子スラリーに珪酸アルカリ水溶液と鉱酸とをこの順に添加し、凝集粒子表面にシリカを被覆させる方法や、ケイ酸アルカリ水溶液に凝集粒子スラリーを加えて混合し、その後鉱酸を添加してシリカを被覆させる方法などを挙げることができる。
(2)添加工程においては、上記凝集工程で得られた凝集粒子スラリー、または、必要に応じてシリカ複合工程を経た凝集粒子スラリーをパルプスラリーに添加する。
(3)抄紙工程においては、上記工程にて凝集粒子スラリーが添加されたパルプスラリーを抄紙することによって、紙を得ることができる。この抄紙方法としては、特に限定されず、公知の抄紙機によって抄紙することができる。また、必要に応じ、抄紙後に紙表裏面にサイズ剤を塗布したり、カレンダー装置に通紙し、加圧、平滑化処理等を施してもよい。
上記製紙方法で得られた紙は、填料としての再生粒子及び重質炭酸カルシウム粒子の歩留まりが高く、高い灰分を有している。当該製紙方法で得られる紙の灰分の下限としては4%が好ましく、6%がさらに好ましく、8%がより好ましく、10%が特に好ましい。一方、この灰分の上限としては、20%が好ましく、18%がさらに好ましい。得られた紙が、灰分をこのような範囲とすることで、紙力を保ちつつ、不透明度等の優れた特性を発揮することができる。
ここで、本発明の製紙方法に好適な再生粒子の製造方法について、原料並びに脱水、熱処理及び粉砕の各工程の順に詳説する。なお、熱処理工程と粉砕工程との間に、配合・スラリー化工程を有することが好ましく、さらに必要に応じてその他の工程を設けることができる。
再生粒子の原料としては、主原料として製紙スラッジが用いられ、製紙スラッジの中でも、脱墨フロスが好適に用いられる。脱墨フロスとは、古紙パルプを製造する古紙処理工程において、主に、古紙に付着したインクを取り除く脱墨工程でパルプ繊維から分離されるものをいう。製紙における古紙パルプ製造工程では、安定した品質の古紙パルプを連続的に生産する目的から、使用する古紙の選定、選別を行い、一定品質の古紙を使用する。そのため古紙パルプ製造工程に持ち込まれる無機物の種類やその比率、量が基本的に一定になる。しかも古紙中に未燃物の変動要因となるビニールやフィルムなどのプラスチック類が含まれていた場合も、これらの異物は脱墨フロスを得る脱墨工程に至る前段階で除去される。したがって、脱墨フロスは、工場排水工程や製紙原料調成工程等の、他の工程で発生する製紙スラッジと比べて、極めて安定した品質の再生粒子を製造するための原料となる。
脱水工程は、脱墨フロス等の原料の水分を所定割合まで除去する工程である。例えば、古紙パルプを製造する脱墨工程においてパルプ繊維から分離された脱墨フロスは、種々の操作を経て、公知の脱水設備により脱水される。
熱処理工程は、脱水された原料の更なる水分除去のための乾燥と、比較的低温の第1の燃焼とを一連で行う第1熱処理工程、及び第1熱処理工程で得られた熱処理物を再度、第1熱処理工程より高温で熱処理(燃焼)する第2熱処理工程を含む。このように順に温度を上げていく2段階の熱処理工程を経ることで、原料の過燃焼を抑え、得られる再生粒子をスラリー化した際の増粘を抑制することができる。また、熱処理温度としては、比較的低温で行うことで、同様に原料の過燃焼を抑え、得られる再生粒子をスラリー化した際の増粘を抑制することができる。熱処理温度の上限としては、具体的には780℃が好ましく、750℃がさらに好ましい。
脱水工程を経た原料は、第1熱処理工程として、例えば本体が横置きで中心軸周りに回転する内熱キルン炉を用いて、熱処理される。
第1熱処理工程を経た原料は、第2熱処理工程として、例えば本体が横置きで中心軸周りに回転する外熱ジャケットを有する外熱キルン炉を用いて、熱処理される。このように、第1及び第2熱処理工程を経ることで、原料中の有機分が燃焼除去され、無機物が熱処理物として排出されることができる。
配合・スラリー化工程は、上記第2熱処理工程から排出される熱処理物に酸及び/又は塩を配合し、その熱処理物を水中に懸濁させてスラリー化させる工程である。
粉砕工程は、上記工程にて得られたスラリーを粉砕し、微粒子化することで再生粒子を得る工程である。この粉砕工程においては、公知の粉砕装置等を用いることができる。この粉砕工程を経て、スラリーを適宜必要な粒子径に微細粒化することで、得られる再生粒子を塗工用の顔料、内添用の填料として好適に使用することができる。
再生粒子の製造方法においては、原料の凝集工程、造粒工程や、各工程間における分級工程、スラリーを炭酸化する炭酸化工程等を設けてもよい。
得られた再生粒子のスラリーは、そのままではpHが12以上とアルカリ性を呈し、例えば、塗工用顔料用途における塗工液調整工程で他の薬品と反応して品質低下をまねくおそれがある。従って、熱処理物又は再生粒子中の酸化カルシウムを炭酸カルシウムに戻してpHを低減させるために、第1熱処理燃焼工程や第2熱処理工程において排出された排ガス中の二酸化炭素を利用して、例えば7〜9にpH調整すると好適である。
粒子(凝集体を含む)10mgを超音波分散機(出力:80W)で3分間分散させた。この分散液をレーザー粒径分布測定装置(レーザー回折式粒度分布測定装置 マイクロトラックMT−3000II、にて測定、日機装社製)により、平均粒子径を測定した。
デジタル式B型粘度計(東機産業社製、型番:TVB−10M)No.2のローターを使用し60rpm、25℃にて測定した。
抄紙前のスラリーと抄紙後抜け落ちた白水(白水と記述する)について、それぞれ固形分濃度と灰分濃度を測定した。下記式(2)により灰分(填料)歩留りを測定した。なお、灰分の測定は、抄紙前のスラリーと白水とについて、その固形分を525℃で灰化し、質量を測定した。
灰分歩留=100×(A−B)/A ・・・(2)
A:抄紙前のスラリーの灰分濃度(g/l)
B:白水の灰分濃度(g/l)
坪量40g/m2の紙とともに、それぞれ坪量50g/m2の紙を作成し、JAPAN TAPPI 紙パルプ試験方法No.45(2000)に記載の「新聞用紙−印刷後不透明度試験方法」に準拠し、オフセット輪転印刷機(型番:RI−2型、石川島産業機械社製)で、オフセット輪転印刷用インキ(商品名:ニューズゼットナチュラリス(墨)、大日本インキ化学工業社製)のインキ量を変えて、18万部/時の速度で印刷し、印刷面反射率が10%のときの、印刷前の裏面反射率に対する印刷後の裏面反射率の比率:(印刷後の裏面反射率/印刷前の裏面反射率)×100(%)をそれぞれ算出した後、坪量43g/m2に換算した。
JIS−P8251に記載の「紙、板紙及びパルプ−灰分試験方法」に準拠して測定した。
JIS−P8116に記載の「紙−引裂強さ試験方法−エレメンドルフ形引裂試験機法」に準拠して測定した。
原料として脱墨フロスを用い、水分率が45質量%、平均粒径が10mm、また、50mm以下の粒子の割合が90質量%となるように脱水工程を行った。この脱水物にシャワー水による洗浄を経て、第1熱処理工程、その後、第2熱処理工程を以下の条件で行い熱処理物を得た。
燃焼形式:内熱キルン
燃焼温度:500℃
酸素濃度:10%
滞留時間:50分
第2熱処理工程条件
燃焼形式:外熱キルンと内熱キルンの併用
入口の平均粒子径:5mm
燃焼温度:700℃
酸素濃度:14%
滞留時間:140分
出口の平均粒子径:5mm
上記方法にて得られた体積平均粒子径3μmの再生粒子50質量部と重質炭酸カルシウム粒子A50質量部とを水に分散させ、17.4質量%(固形分濃度)の粒子スラリーを得た。この粒子スラリーに、凝集剤Aを1,750ppm添加し、得られた凝集粒子の体積平均粒子径及びスラリー粘度を測定した。なお、凝集剤Aは、固形分濃度0.1質量%に希釈して添加した。
用いた再生粒子及び重質炭酸カルシウム粒子の種類及び配合比並びに凝集剤の種類及び添加量を表1に示した通りとしたこと以外は実施例1と同様の操作を行い、実施例2〜17及び比較例1〜5の紙を得た。
・重質炭酸カルシウム粒子A:備北粉化工業社製「ハイドロカーブ75F」
体積平均粒子径:1.62μm
10%体積平均粒子径:0.67μm
90%体積平均粒子径:3.51μm
最頻値を占める粒子の体積割合:4.8体積%
ここで、最頻値を占める粒子の体積割合は、日機装社製マイクロトラック粒度分布測定装置(型番:MT−3300)を用い、測定回数:Avg/2(2回の測定の平均)、測定時間:10秒、分布表示:体積、粒径区分:標準、計算モードMT−3300II、測定上限2,000μm、測定下限0.021μmの条件下で測定を行い、0.021μmから2,000μmの範囲を132対数分割して測定した当該複合粒子の粒度分布における最頻値を占める1分割あたりの粒子の頻度割合である。
・重質炭酸カルシウム粒子B:イメリス社製「カービタル#60」
体積平均粒子径:2.23μm
10%体積平均粒子径:0.77μm
90%体積平均粒子径:5.24μm
最頻値を占める粒子の体積割合:4.6体積%
・重質炭酸カルシウム粒子C:イメリス社製「カービラックス#100」
体積平均粒子径:0.67μm
10%体積平均粒子径:0.39μm
90%体積平均粒子径:1.38μm
最頻値を占める粒子の体積割合:7.2体積%
・凝集剤A:ハイモ社製「ハイモロックFR−740」
アクリルアミドとアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライドとの共重合体及びポリアルキレンポリアミン混合物
質量平均分子量:850万
カチオン電荷密度:8.0meq/g
・凝集剤B:ハイモ社製「ハイモロックND−270」
カチオン性ポリアクリルアミド
質量平均分子量:1,500万
カチオン電荷密度:2.0meq/g
・凝集剤C:アベベジャパン社製「アミロファックスT―2600」
カチオン化澱粉
・凝集剤D:
質量平均分子量:350万
カチオン電荷密度:5.0meq/g
・凝集剤E:
質量平均分子量:2,100万
カチオン電荷密度:5.0meq/g
実施例1の過程で得られた凝集粒子(凝集粒子1とする)を用いて固形分濃度10%の凝集粒子スラリーを調整し、このスラリー200gに珪酸ナトリウム水溶液(5質量%)60gを添加して、ホモミキサーを使用して回転数3,000rpmで20分間、分散処理を行い珪酸ナトリウムを含むスラリーを調製した。次に、このスラリーを攪拌機、温度センサー、還流冷却器の付いた1Lの四口フラスコに入れ、攪拌しながら油浴にて75℃に昇温した。次に容器内のスラリーを75℃に保ちながら、1規定の硫酸150mLを定量ポンプを使用して、滴下速度2.5mL/分で1時間かけて滴下し、シリカで被覆された凝集粒子を含む凝集粒子スラリーを得た。このときの反応液のpHは8.8であった。
次に、新聞古紙由来のDIP90部とTMP10部との混合パルプからなるパルプスラリーに、得られた凝集粒子スラリーをパルプ1kg(固形分)に対し30g(固形分)配合し、直後に抄紙(手抄き)し、カレンダーにて平坦化処理することにより、坪量40g/m2の実施例18の紙(手抄きシート)を得た。
凝集粒子として、表2に記載の実施例3で得られたもの(凝集粒子3)又は実施例4で得られたもの(凝集粒子4)、更に実施例5で得られたもの(凝集粒子5)を用い、シリカ被覆の際の反応条件を表2に記載のとおりとした以外は、実施例18と同様にして実施例19〜27の紙を得た。なお反応pH及び反応温度は、粒子種や反応時間等によって変化した。
Claims (5)
- 製紙スラッジを主原料とし、脱水、熱処理及び粉砕工程を経て得られた再生粒子と、重質炭酸カルシウム粒子とを凝集剤により凝集させて凝集粒子スラリーを得る凝集工程、
上記凝集粒子スラリーをパルプスラリーに添加する添加工程、及び
上記凝集粒子スラリーが添加されたパルプスラリーを抄紙する抄紙工程
を有し、
上記凝集工程を経て得られた凝集粒子の体積平均粒子径が2μm以上15μm以下である製紙方法。 - 上記凝集粒子表面にシリカを被覆させるシリカ複合工程
を上記添加工程前にさらに有し、
上記シリカ被覆された凝集粒子の体積平均粒子径が、3μm以上17μm以下である
請求項1に記載の製紙方法。 - 上記凝集剤が、カチオン性合成高分子を含み、
この凝集剤の質量平均分子量が400万以上2,000万以下、カチオン電荷密度が10meq/g以下である請求項1又は請求項2に記載の製紙方法。 - 上記再生粒子の体積平均粒子径が1μm以上10μm以下であり、
上記重質炭酸カルシウム粒子の体積平均粒子径が1μm以上3μm以下である請求項1から請求項3のいずれかに記載の製紙方法。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の製紙方法により得られる紙。
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