JP6307067B2 - 紙または板紙の繊維ウェブおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、紙または板紙の繊維ウェブの製造方法、その方法により得られる繊維ウェブ、およびそのウェブを少なくとも１つの層として含む多層板紙に関する。特別な実施態様としては、泡形成技術がその繊維ウェブの生産のために本発明において使用される。
製紙工業において、泡形成技術（ここで泡とは材料の担持相として用いられる）は、ウェブ形成およびウェブコーティングプロセスの両方に用いられてきた。この技術は、例えば、非特許文献１、非特許文献２および非特許文献３に記載されている。
特許文献１には、紙の製造における使用のための泡状繊維分散液の製造装置が記載されている。約３ｍｍを超える繊維長の繊維パルプに表面活性化剤が添加され、少なくとも６５％の空気含有量を有する分散液が提供され、抄紙機の成形ファブリック上に放出される。
１９７０年代の半ばまで、泡形成プロセスは、製造機械で首尾よく実証されていた。Ｗｉｇｇｉｎｓ Ｔｅａｐｅ Ｒａｄｆｏａｍプロセス（Ａｒｊｏ Ｗｉｇｇｉｎｓ）においては、繊維は、水の泡に懸濁されて従来の長網抄紙機のワイヤに送られた。開発チームは、泡を用いて非常に高い水中繊維濃度（３〜５％）で、長網抄紙機で作製された非層状３Ｄ構造の紙を得た。
泡および水の形成方法を比較すると、１つの傾向が明らかとなった。泡の形成と共に嵩は大きくなるが、引張指数は小さくなる。構造が嵩高くなるほど、構造はより多孔質となり、より小さな引張指数値となる。水および泡が置かれたサンプルの比較から得られた興味深い結果は、たとえ泡形成サンプルが非常に嵩高くても、両ケースにおける引張剛性指数が非常に似通っていたということであった。その理由は、現在のところ不明であり、さらなる研究が必要とされている。
泡形成プロセスに用いられる界面活性剤は、紙ウェブの乾湿引張強度の両方に悪影響を与える。
界面活性剤は、繊維表面に吸収され、繊維間の水素結合を妨げるので、引張強度損失は、紙シートの乾式引張強度の減少により説明することができる。初期湿式強度は、一緒に濡れたシートを保持する主力の弱体化から生じる表面張力の減少のため、界面活性剤、特に乾燥含量８〜２５％、により減少する。
現在の理解によれば、泡形成を、紙、板紙およびボール紙生産における標準的なウェブ形成技術とするのを阻む主な問題は、
いくつかの適用においては高すぎる空隙率、
標準的な低い濃度の湿式形成と比較した強度特性の減少、
不良なＳｃｏｔｔボンド、
不良な引張強度、および
不良な弾性係数
にある。
いくつかの適用においては高すぎる空隙率、
標準的な低い濃度の湿式形成と比較した強度特性の減少、
不良なＳｃｏｔｔボンド、
不良な引張強度、および
不良な弾性係数
にある。
泡形成とともに大きくなる嵩（低密度）を、標準の湿式形成と比較して得ることができる。典型的な印刷紙および包装紙ならびに板紙等級について、主な欠点は、弾性係数（「柔らかさ」）および内部強度（Ｓｃｏｔｔボンドまたはｚ−強度）の損失である。しかしながら、同じ特性は、ティッシュペーパー作製においては利点である。したがって、泡形成は、ティッシュペーパー製品においてはるかに一般的となっている。
紙作製の改良、繊維ウェブにおける脱水および紙作製用化学薬品の保持の改良を目指す最近のアプローチは、パルプ懸濁液へのミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）の導入である。特許文献２は、目標のための静電的または立体的機能性を有する誘導化されたＭＦＣの使用を教示しており、ウェブのより良いフォーメーションも含む。参考文献によれば、ミクロフィブリルは、５〜１００ｎｍの範囲の直径を有する。
しかしながら、ＭＦＣで経験される欠点は、紙の高密度化および高乾燥収縮、ならびにＭＦＣの実質的な量の水を吸収、保持する傾向である。それにより、乾燥に必要なエネルギーが増加し、抄紙機のスピードや生産性が減少する。これらの理由から、ＭＦＣは、これまでのところ、製紙工業において広く使用されるには至っていない。
Radvan, B., Gatward, A. P. J., The formation of wet-laid webs by a foaming process, Tappi, vol 55(1972) p.748
a report by Wiggins Teape Research and Development Ltd., New process uses foam in papermaking instead of avoiding it, Paper Trade Journal, Nov. 29. 1971
Smith, M. K., Punton, V. W., Rixson, A. G., The structure and properties of paper formed by a foaming process, TAPPI, Jan 1974, Vol. 57, No 1, pp. 107-111.
本発明の目的は、印刷用および包装用の紙および板紙に関する上記課題を、低密度化を防ぎながら紙および板紙製品の強度を実質的に増加させる、泡形成繊維ウェブを作製する方法の発見により克服する、または実質的に低減することである。本発明の解決手段は、（ｉ）水および界面活性剤の泡を提供する工程、（ii）ミクロフィブリル化セルロースをより長い繊維長のパルプと共にその泡に組み込む工程、（iii）成形ファブリック上にその泡を供給する工程、（iv）その成形ファブリック上のその泡を吸引により脱水し、ウェブを形成する工程、および（ｖ）そのウェブを最終乾燥に付す工程による、ウェブの生産である。
特に、驚くべきことに、より長い繊維長のパルプ（メカニカルまたはケミカル）をミクロフィブリル化セルロースとの組み合わせで泡形成において有利に使用できることを見出した。紙作製におけるＭＦＣの使用がそれ自体、出願人の知識において既知であったとしても、ＭＦＣの泡への導入は、先行技術において示唆されておらず、またその有益性も当業者に予測できるものではない。
ＭＦＣのミクロフィブリルは、典型的には、約１００ｎｍ〜１０μｍの繊維長と、約３〜５０ｎｍの繊維直径とを有する。用語、本発明を定義するために使用されるミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）は、ナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）も包含する。定義によりＭＦＣと組み合わせられるパルプは、より長い繊維長、好ましくは約１ｍｍ以上の繊維長を有する。本発明において使用するために特に好適なパルプは、ケミサーモメカニカルパルプ（ＣＴＭＰ）である。
ＣＴＭＰに加えて、本発明に有用な他の長い繊維のパルプは、ケミカルパルプ、ケミメカニカルパルプ（ＣＭＰ）、サーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）、ＧＷ、およびＡＰＭＰやＮＳＳＣなどの他の高収率パルプである。
特別な理論に縛られることなく、ＣＴＭＰなどのより長い繊維の組み合わせは、嵩高い構造を提供し、ＭＦＣは、その長い繊維との間の結合を提供すると考えられる。本発明の方法は、少なくとも２．５ｃｍ3／ｇ、好ましくは３〜７ｃｍ3／ｇの嵩を達成することを見出した。この方法は、ＣＴＭＰの粉砕リジェクト品（milling reject）とも良好に働くことも判明し、製品、例えば折り畳みボール紙中間層のために、あまりリファイニングされていないパルプを使用できる可能性を示している。
泡形成において、個々の長い繊維やＭＦＣ単独ではいずれもフロックを形成することができないが、ＭＦＣは、個々の長い繊維間の架橋を作ることができ、したがって、驚くべきことに良好な強度特性をウェブに付与することができる。
泡の形成は、長い繊維間のフロックの形成を妨げるので、非常に良好な坪量フォーメーションが達成できる。これにより、紙や板紙における品質のばらつきが少なくなり、印刷品質の均一性が改善される。
ＣＴＭＰのこれらの硬く長い繊維は、嵩高い構造を湿式プレスおよび乾燥において維持することができ、したがって、驚くべきことにシートに対する良好な嵩が得られる。
水レイドサンプルと泡レイドサンプルの比較における興味深い結果は、泡が形成されたサンプルが非常に嵩高かったとしても、引張強度指数は両ケース共に非常に近いものであるということであった。
本発明の１つの実施形態によれば、連続的な繊維ウェブが、抄紙機または板紙抄紙機の走行成形ファブリック上に形成され、吸引によりそのウェブおよび成形ファブリックから脱水され、そして抄紙機または板紙抄紙機の乾燥部において最終的に乾燥される。
本発明の別の実施形態は、０．６バール以下の圧力下でウェブおよび成形ファブリックから吸気によりウェブを脱水すること、その後、約０．３バール以下の圧力下で吸気により予備乾燥されることを含む。
本発明のさらなる実施形態によれば、泡に組み込まれた繊維成分が、約５〜４０重量％、好ましくは１０〜４０重量％のＭＦＣおよび約６０〜９５重量％、好ましくは６０〜９０重量％のより長い繊維を有するパルプからなる。
本発明のなおさらなる実施形態によれば、泡が、成形ファブリック上に供給される前に６０〜７０容量％の空気量とされる。泡形成に付されたパルプの濃度は、水の量に対して１〜２％とすることができる。泡における好適な界面活性剤の量は、０．０５〜２．５重量％としてもよいが、当業者により容易に決定されるであろう。
本発明において使用するための好ましい界面活性剤は、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）であるが、他の典型的な界面活性剤も同様に使用することができる。
より長いセルロース繊維の使用および泡へのミクロフィブリル化セルロースの添加による泡形成は、このため、最良の曲げ剛性と組み合わせて最良なフォーメーションを必要とするすべての紙および板紙等級の生産に非常に好適で有望な方法である。
そのような製品としては、例えば、
折り畳みボール紙、白線チップボード、固形漂白板紙、固形未漂白板紙、液体包装板紙 などのカートン用板紙、
ライナーボード、波型媒体などの梱包用板紙、
コアボード、壁紙ベース、書籍装丁用板紙、木材パルプ製板紙などの特殊板紙
などすべてのペーパーボード等級が挙げられる。
折り畳みボール紙、白線チップボード、固形漂白板紙、固形未漂白板紙、液体包装板紙 などのカートン用板紙、
ライナーボード、波型媒体などの梱包用板紙、
コアボード、壁紙ベース、書籍装丁用板紙、木材パルプ製板紙などの特殊板紙
などすべてのペーパーボード等級が挙げられる。
製品は、例えば、新聞印刷用紙、改良された新聞印刷用紙、グラビア用紙、ＭＦＣ紙、ＬＷＣ紙、ＷＦＣ紙、アート紙およびＵＬＷＣ紙などの等級の紙も含む。
本発明により達成される嵩高く高い強度構造は、例えば、
多層構造における中間層（紙および板紙）として、
他の紙構造および／またはプラスチックフィルム層に積層して、
プラスチックによる押出コーティングの繊維ベースとして、
断熱材、遮音材、液体および湿気の吸収材として、
トレー、カップ、コンテナなどの成形構造体の形成可能層として
も使用することができる。
多層構造における中間層（紙および板紙）として、
他の紙構造および／またはプラスチックフィルム層に積層して、
プラスチックによる押出コーティングの繊維ベースとして、
断熱材、遮音材、液体および湿気の吸収材として、
トレー、カップ、コンテナなどの成形構造体の形成可能層として
も使用することができる。
本発明の繊維ウェブは、上述の方法によって得ることができ、ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）およびより長い繊維長のパルプの混合物を含み、少なくとも２．５ｃｍ3／ｇ、好ましくは３〜７ｃｍ3／ｇの嵩を有する。
本発明の繊維ウェブは、少なくとも５０Ｊ／ｍ2、好ましくは１２０〜２００Ｊ／ｍ2のスコットボンド値を有し得る。
本発明の繊維ウェブにおけるより長い繊維長のパルプは、メカニカルパルプ、好ましくはＣＴＭＰであってよい。通常、繊維ウェブは、約５〜４０重量％のＭＦＣおよび約６０〜９５重量％のより長い繊維長のパルプを含む。
本発明の繊維ウェブは、多層板紙または厚紙における単層として使用される場合、中間層として配置されることが好ましく、一方、外表面層は、この中間層より嵩の低い繊維ウェブとしてもよい。例えば、標準的な製紙技術により製造される高い弾性係数を有するより密度の高い印刷層が、そのような外層を構成することができる。本発明の使用により得られ得る多層製品には、例えば折り畳みボール紙、液体包装用板紙およびカップ板紙などが含まれる。しかしながら、本発明による泡形成技術により多層板紙のすべての層を製造することも可能である。
大きさ３８．５ｃｍ×２６．５ｃｍの泡レイド手漉き紙を次の手順により作製した。水と界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）とを、０．１５〜０．２ｇ／Ｌの比率でボール盤（３５００ｒｐｍ）を用いて、泡の空気含有量が６０〜７０％の範囲まで混合することにより泡を作製した。泡の目標とする空気含有量は、泡形成設定により決定され、泡が目標空気含量に達した場合、泡表面のレベルはもはや上昇せず、泡の気泡サイズを減少させるために混合を開始する。泡が準備されると、ＣＴＭＰおよびＮＦＣ（Ｄａｉｃｅｌ ＫＹ−１００Ｇ、１０．７％）を含む繊維懸濁液を作製済みの泡と混合した。再び目標空気含量に到達するまで混合を続けた。安定な条件において、泡内の繊維粒子間の距離は一定であり、凝集は生じなかった。泡を手漉き紙型に静かに注ぎ、排気装置および真空チャンバを用いてワイヤを通してろ過した。ワイヤは、水による形成に従来から使用されている種類のものであった。その後、ワイヤおよびその上に形成された手漉き紙を型からはずし、吸引台上で排気装置を用いて予備乾燥した。吸引台は、幅５ｍｍの吸引スリットを有し、０．２バール真空でシートから空気を吸引する。
上記手順にしたがい、手漉き紙をＮＦＣをＣＴＭＰ（アクセプト（３７９ＣＳＦ）、リジェクト、またはわずかにミルリファイニングしたもの）と種々の割合、すなわち、５、１０、１５、２０、３０および４０％で混合したパルプから作製した。単に１００％ＣＴＭＰ（０％ＮＦＣ）の手漉き紙を比較のために作製した。
乾燥した手漉き紙を、各シートについて嵩および改変スコットボンドを測定することにより調べた。結果を図１にグラフにより示す。ＮＦＣのシェアは各測定結果の脇に示した。図には、比較のため、従来の泡を用いない製紙技術により作製された多数の現行製品も記載している。
試験より、例えば２０％のＮＦＣをＣＴＭＰアクセプトパルプと混合したものは、５５から１９０Ｊ／ｍ2までスコットボンド値が増加し、対応する嵩は、６および４ｇ／ｍ3である。ＣＴＭＰリジェクトシートにおける増加は、５０〜１２７Ｊ／ｍ2スコットボンド値、および対応嵩値７．４および５．８ｇ／ｍ3であった。折り畳みボール紙の中間層の目標値は、少なくとも２．５ｇ／ｍ3の嵩および＞１００のスコットボンドである。結果から、泡形成により、ＮＦＣと混合された粗繊維材料から、必要とされる内部強度を有する折り畳みボール紙の嵩高い中間層の製造が可能であることがわかる。ほとんどリファイニングされていないＣＴＭＰパルプから折り畳みボール紙の中間層を作製することの可能性は、この結果によっても示されている。本発明の経済的影響は、パルプのリファイニングエネルギーおよび泡形成ウェブの乾燥エネルギーの節約である。また、泡形成の利点である繊維長に関わらない優れたフォーメーションは、折り畳みボール紙の薄い表面層や塗工層を可能とする。
試験より、流動している泡において繊維粒子間の距離が一定のままであること、即ち繊維が凝集しないというということも示された。ウェブが、例えば製紙機の形成ファブリックからの吸引により、この種の泡から作製される場合、繊維が、それらの非凝集状態を保ち、優れたフォーメーションを有するウェブが形成される。除去した際に泡が構造にかける構造的圧力は、従来の水を除去した際と比較して非常に少なく、その結果、嵩高くなる。泡形成とウェブからの吸気によるウェブ乾燥（例えば、吸引スロットを用いて）とを組み合わせることにより、ウェブの固形含有量７０％超を達成し、高い嵩を保持することができる。泡形成されるべき繊維材料に添加されたナノセルロース（ＮＦＣ）は、形成されたウェブの内部強度特性を増加する。
Claims (17)
- 印刷用または包装用の紙または板紙の繊維層の製造方法であって、
水および界面活性剤の泡を提供する工程、
ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）をより長い繊維長のパルプと共に該泡に組み込む工程、
成形ファブリック上に該泡を供給する工程、
該成形ファブリック上の該泡を吸引により脱水し、ウェブを形成する工程、および
該ウェブを最終乾燥に付す工程
を含み、該ウェブが該印刷用または包装用の紙または板紙中の層として含まれる方法。 - 連続的な繊維ウェブが、抄紙機または板紙抄紙機の走行成形ファブリック上に形成され、吸引により該ウェブおよび成形ファブリックから脱水され、そして該抄紙機または板紙抄紙機の乾燥部において最終的に乾燥される請求項１記載の方法。
- 前記ウェブが、０．６バール以下の圧力下で該ウェブおよび前記成形ファブリックから吸気により脱水され、その後、０．３バール以下の圧力下で吸気により予備乾燥される請求項１または２記載の方法。
- メカニカルパルプが、前記泡に組み込まれている請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- メカニカルパルプがケミサーモメカニカルパルプ（ＣＴＭＰ）である請求項４記載の方法。
- 前記泡に組み込まれた前記繊維成分が、５〜４０重量％のＭＦＣおよび６０〜９５重量％のより長い繊維を有するパルプからなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記泡が、前記成形ファブリック上に供給される前に６０〜７０容量％の空気量とされる請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記界面活性剤がドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）である請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記層が、ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）および前記より長い繊維長のパルプの混合物を含み、かつ少なくとも２．５ｃｍ3／ｇの嵩を有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記層が３〜７ｃｍ3／ｇの嵩を有する請求項９記載の方法。
- 前記層が少なくとも５０Ｊ／ｍ 2 のスコットボンド値を有する請求項９または１０記載の方法。
- スコットボンド値が１２０〜２００Ｊ／ｍ 2 である請求項１１記載の方法。
- 前記より長い繊維長のパルプが、メカニカルパルプである請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
- メカニカルパルプがＣＴＭＰである請求項１３記載の方法。
- 前記層が５〜４０重量％のＭＦＣおよび６０〜９５重量％の前記より長い繊維長のパルプを含む請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
- 少なくとも一つの前記繊維層を多層板紙中に配置することを含む請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
- 多層板紙が中間層として前記繊維層を含み、かつ該中間層よりも嵩の小さい外層を含む請求項１６記載の方法。
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