JPS5947758B2 - 製紙原料の摩砕方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は製紙原料を連続的に摩砕処理する方法に関する
ものであり、更に詳しくは結束繊維を含んでいる一応の
解繊済製紙原料懸濁液を、少なく共１枚カ５回転する２
枚の円板状物体の相対面する側に設けられている微小な
凹凸から成る摩砕部の間隙に圧力をかけて供給し、且つ
製紙原料に充分な大きさの摩擦力を作用させることを特
徴とする製紙原料の処理法に係るものである。

製紙工業においては、クラフトパルプ、サルファイドパ
ルプなどの化学パルプ、および砕木パルプ、リファイナ
ーメカニカルパルプ、サーモメカニカルパルプ、ケミメ
カニカルパルプ、セミケミカルパルプなどの所謂、高収
率パルプを原料として紙を抄造しているが、高収率パル
プは木材資源の有効利用の観点から近年益々その重要度
を増して来ている。

高収率パルプの製造においては、先ず木材に直接機械力
を作用させるか、若しくは加熱或いは薬液前処理を施し
た後に機械力を作用させて解繊を行なうが、解繊工程後
の繊維即ち解繊繊維は常に著量の結束繊維を含んでおり
、且つリグニン含量カＳ多いので極めて剛直である。

抄紙原料に結束繊維ｈ５含まれていると、抄紙時に紙切
れが起こり易く、得られる紙の外観カＳ著しく不良であ
り、またピッキング或いは印刷面不良など印刷適性の点
でも多く問題を残す。

しかし既存の精選装置を用いて結束繊維のみを選択的に
分離することは殆んど不可能である。

また解繊繊維は前述の如く剛直であるので、繊維を所謂
フィブリル化状態にして繊維間結合能力を高める様努力
する必要がある。

更に広葉樹材から製造されたパルプを抄紙原料とする場
合、広葉樹材の構成要素である道管はフィブリル化ヒし
難いので繊維との馴染みが悪く、紙の表面に道管が存在
するとベッセルピックや平滑性低下の原因となるｂｓ道
管のみを分離することは依然極めて困難である。

以上述べた如く、高収率パルプ化法によって得た解繊繊
維を抄紙原料どして使用するに当っては、結束繊維の離
解、繊維のフィブリル化および道管の破壊（広葉樹材の
場合）を図るための処理、即ち精砕工程が不可欠であり
、現在では、この目的を専らディスクリファイナ−によ
るリファイニングで達成させ様としている。

しかし、この方法では多量のリファイニングエネルギー
が必要であり。

また結束繊維の離解および道管の破壊は極めて不充分で
ある。

更に高収率パルプ化法で得られる剛直な繊維はバーのエ
ツジによって切断されること力ｊ多く、従ってフィブリ
ル化も起こり難い。

本発明者はディスクリファイナ−によるリファイニング
の上記問題点について研究した結果、ディスクリファイ
ナ−では解繊繊維にエネルギーを伝達する力の作用点カ
３極めて少ないことがその原因であることを解明した。

即ち繊維の長さは針葉樹材で３ｍｍ前後、広葉樹材で約
１闘であるのに対し、ディスクリファイナ−のバーおよ
び溝の幅は２〜５ｍｍ程度であるから、第１図ａに示し
た従来法における繊維１本当りの力の作用点の数を示す
模式図の様に、繊維にエネルギーを伝達するバーのエツ
ジと繊維との接触点は繊維１本当り精々２個所に過ぎな
い。

この様に作用点力ｊ少ないと、解繊繊維は結束繊維の離
解、繊維のフィブリル化および道管の破壊に必要な力よ
りも遥かに大きな衝撃力を局所的に受けるので、多量の
エネルギーカ５消費され、また総べての結束繊維および
道管に力を均等に作用させることが困難となり、更に繊
維の切断カｊ起こり易くなる。

また、ディスクリファイナ−では摩砕部の間隙を繊維の
幅よりは可成り広くしてリファイニングを行なうのが通
例なので、繊維同志は常に接触した状態にある。

従ってエネルギーの一部若しくは大部分は繊維間の摩擦
熱として損失され、この傾向は所謂高濃度リファイニン
グにおいて特に著しい。

本発明者は以上の知見に基すき省エネルギーおよび、よ
り一層品質の良い紙を造るという立場から、従来法の問
題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明法にお
ける繊維１本当りの力の作用点の数を示す模式図である
第１図すの如く１例えば繊維長３ｍｙｒｔ、凸部の間隔
の平均値を１５０μｍとして、繊維にエネルギーを伝達
する力の作用点を大幅に増加させ且つ摩砕部の間隙を繊
維幅と同程度に維持するという工夫をすることによって
、少ないエネルギーで結束繊維の離解、繊維のフィブリ
ル化および道管の破壊を効率良く達成出来ることを見出
した。

この原理は本発明者によって先きに提案した方法、即ち
微小な凹凸から成る摩砕部の間隙に製紙原料懸濁液を通
過させる方法における原理と同一である。

従来より刃部及び溝部を有する摩砕部が天然砥石または
人造砥石から成る所謂ストーンディスクリファイナ−ｂ
５周知であるが、この場合の摩砕作用は通常のディスク
リファイナ−同様バーのエツジによって行なわれるので
、本発明の原理とは全く異なるものである。

処で先きの発明方法では製紙原料懸濁液の供給力式およ
び製紙原料に加える摩擦力の大きさについては特に規定
しなかったので、製紙原料の種類或いは処理条件によっ
ては処理の速度が遅く、従ってアイドリングに可成りの
エネルギーが消費される場合があった。

本発明者はこの点を改良すべく更に研究した結果、製紙
原料懸濁液に圧力を掛けて摩砕部の間隙に供給し、且つ
製紙原料に摩擦力を充分作用させることにより、先きの
発明方法で得られた効果、即ち結束繊維の離解、繊維の
フィブリル化および道管の破壊を効率良く達成し得ると
いう効果を維持しつつ、処理速度を大幅に向上させてア
イドリングに消費されるエネルギーを顕著に減少させる
ことに成功して本発明を完成した。

即ち本発明は微小な凹凸から成る砥石状平面摩砕部の間
隙に結束繊維を含む製紙原料懸濁液を圧力を掛けた状態
で供給し、且つ製紙原料に充分摩擦力を作用させて処理
することを特徴とする製紙原料の摩砕方法を提供するも
のである。

以下、図面により本発明方法について詳細に説明する。

第２図は本発明方法の効果を示す図で、針葉樹材チップ
から得た解繊繊維（Ｆ水度５００耐Ｃ，Ｓ、Ｆ、）を涙
水度１３０縦Ｃ，Ｓ、Ｆ。

まで処理した場合である。

図中の摩擦力は製紙原料と摩砕部の単位接触面積当りの
摩擦力で、下式により算出したものである。

式中、ｆは製紙原料−ｆ）５摩砕部−と接触している単
位面積当りの摩擦力（ｋｇｉ＝）、ｄは絶乾状態におけ
る繊維の見掛比重（Ｉｃ、ｇ／ ｍ’ 〕、Ｐは製紙原
料処理時の負荷（ｋｇｍ／Ｓ）、Ｐｗは水のみを通過さ
せた時の負荷Ｃｋｇｍ／Ｓ）、Ｃは製紙原料懸濁液の固
形分濃度（ｋｇ／ｍ’ ）、ωは円板状物体の相対的な
角速度〔ｌ／Ｓ〕、γ０は相対向している部分における
摩砕部の外半径（ｍ）、γｉ は相対向している部分に
おける摩砕部の内半径（ｍ’）である。

摩擦力ｆは半径ｒによらず一定とすれば、環状面積２π
ｒｄｒに作用する摩擦力ｄＦは、ｄＦ＝ｆ 、 ｋ 、
２ｙｒｒｄ ｒ （２）で与えられ
る。

ただし、ｋは摩砕部に占める製紙原料の面積比である。

ｄＦの回転軸に対するモーメントｄＭは、ｄＭ＝ｒ ｄ
Ｆ＝２πｆ ｋ 、 ｒ２ｄ ｒ （３）で
あるから、積分すると、 Ｍ−２πｆｋ（ｒｏ３−ｒｉ３）／３ （４）
ｆ）Ｓ得られる。

ところで、モーターの負荷（Ｐ−Ｐｗ）とＭとの間には
、 Ｐ −Ｐ ｗ−ωＭ（５） の関係がある。

また、摩砕部間隙に製紙原料が隙間なく充填された場合
の製紙原料懸濁液の固形分濃度はｄに等しいと考え。

ｋ ＝ ｃ ／ ｄ
（６）と仮定する。

したがって、（４） ＋ （５）および（６）式より、
が成り立ち、単位を考慮して（ｉ）式を得る。

図中１〜５は製紙原料濃度１％、６は製紙原料濃度２％
で処理したものである。

１は摩砕部間隙を３０μｍとし、製紙原料懸濁液の供給
を遠心力による圧力のみで行なったものである。

この処理における摩擦力は０．７ｋｇ／ｆｆｌと小さか
ったので処理速度７３５遅く、従ってアイドリングに多
量のエネルギー７３３消費された結果、エネルギー総消
費量は著しく多かった。

なお、この場合の遠心力による圧力は実験及び理論計算
の結果、０．１ ｋｇ／媒度に過ぎないことｆ）Ｓ判明
した。

２は製紙原料懸濁液に０．１ｋｇ／ｆｆｌの圧力を付加
して供給したものであるカ５、摩砕部間隙が１の場合と
同一であったので摩擦力は０．８ ｋｇ／ｃｒ？ｔと余
り変わらず、従って処理速度は殆んど向上しなかった。

−力、３，４，５の場合には、０．２ ｔ Ｏ，３，０
，６ゆ／ｄの圧力を掛け、且つ摩砕部間隙を１０，５，
０μｍと狭くして負荷を高めることにより摩擦力を１．
２〜１．５ｋｇ／ｃｒｉに増加させたものであり、また
６は摩砕部間隙は３０μｍであるが０．９ｋｇ／ｉの圧
力を掛け、且つ製紙原料濃度を２％に高めることによっ
て負荷を増大させて摩擦力を３．２ ｋｇ／ｃｒｉｔに
増加せしめたものである。

之等３〜６の場合には、処理速度が１゜２の場合の約２
〜１０倍に向上したのでアイドリングエネルギーを小さ
く出来、その結果エネルギー総消費量を極めて少なくす
ることが可能となった。

以上から明らかな通り、本発明方法を実施するに当って
は製紙原料懸濁液の供給圧力は０．１５に９／ｄ以上５
ｋｇ ／ｃｒｌｔ以下とすべきであり、また製紙原料
に作用する摩擦力がｌｋｙ／ｆｆ１以上１０ｋｙ／ｉ以
下となる様に摩砕部間隙および製紙原料濃度を設定すべ
きである。

供給圧力の上限は加圧力法、所望の処理速度および炉水
度などにより定められるが、一般には５ ｋｇ／ヌ下で
供給が行なわれる。

また、摩擦力を無暗と高くすると繊維の切断カＳ起こり
易くなるので、摩擦力を１０ｋｇ／ｆｆｌ以下に止める
必要がある。

製紙原料濃度については、濃度を高くし過ぎるとエネル
ギーの一部若しくは大部分り５繊維間に発生する摩擦熱
として損失されるので好ましくなく、更に製紙原料にエ
ネルギーを均等に与えることが困難となる。

実験の結果、製紙原料懸濁液の濃度６５４．０ｗｔ％を
超えると之等の現象ｂＳ起こることが認められた。

−力、濃度が低過ぎると水の流体摩擦によるエネルギー
損失カＳ増大するので好ましくないからＯ，ｌ ｗ ｔ
％以上とする必要がある。

従って本発明方法で処理される製紙原料懸濁液の濃度は
固形分濃度０．１〜４．０重量％とすべきである。

以上述べた様に、本発明の効果は遠心力による圧力のみ
では全く得られず、圧力を掛けて製紙原料懸濁液を供給
することにより始めて達成されるのである。

なお、円板の半径を大きくすれば遠心力による圧力は増
大するｂＳ、この場合以下の理由により本発明の効果は
得られない。

今、製紙原料懸濁液の流量をＱ、製紙原料単位重量当り
のエネルギー消費量（アイドリングおよび水の流体摩擦
による損失を除く）をＥとし、γ。

／γ１ｔ）Ｓ一定である場合を考えると、（１）式は、
として示すことが出来る。

ここでＱは供給圧力に比例するのである５１（理論的お
よび実験的に確言の、遠心力による圧力のみで供給する
場合にはその圧力はω２γ１２に比例することが理論的
に誘導される。

よって（８）式は、となる。

（９）式は半径を大きくすると摩擦力が減少することを
示しており、従ってこの場合には製紙原料に充分な大き
さの摩擦力を作用させることは不可能である。

次に本発明方法を実施するための装置について説明する
。

第３図は本発明方法を実施するための２枚の円板の縦断
面図、第４図は第３図におけるＡ−Ａ線断面図である。

図中１は駆動軸５によって回転する円板、２は原料供給
部６を有する固定円板、３及び４は摩砕部、１及び８は
原料通過面である。

なお図の装置は本発明方法を実施するための装置の一例
に過ぎず、本発明の基本思想を逸脱しない範囲でその構
造を改変し得ることは言うまでもなく、例えば回転円板
１の両面に摩砕部３を設は固定円板２を回転円板１の両
側に配置すること等も可能である。

この様な構造において、原料供給部６より製紙原料懸濁
液を圧入すると、製紙原料は摩砕部３，４の間隙に到達
し、リファイニング作用を受けた後、外周から排出され
る。

ここで摩砕部に要求される第一の要件は、摩砕部を微小
な凹凸で構成して力の作用点を多くすることであり、こ
の目的は総べての結束繊維および道管にエネルギーを均
等に与え、且つ繊維力５局所的に衝撃的な剪断力を受け
ない様にすることである。

実験の結果、力の作用点を繊維１本当り６個所以上にし
た時、即ち摩砕部の凸部の間隔の平均値を１０００μｍ
以下とした時に之等のことが効率良く行なわれることが
認められた。

−力、力の作用点の数ｈ５増加すると作用点１個所当り
のエネルギーは減少すのるで、作用点の数には上限が存
在している。

実験によると、この数を６００個所よりも多くすると、
即ち摩砕部の凸部の間隔の平均値を１０μｍより小さく
すると繊維のフィブリル化が起こり難くなることが判明
した。

従って本発明方法では摩砕部に設けた凹凸の凸部の間隔
の平均値を１０〜１０００μｍとする必要ｆ）Ｓあり、
１００〜５００μｍの範囲ｂ′５より一層好都合である
。

第二の要件は摩砕部の全面若しくは大部分の面を前記微
小凹凸で構成して砥石状平面にすることが挙げられる。

従って本発明方法における摩砕部には従来のディスクリ
ファイナ−に設けられている様な刃部及び溝部は存在し
てはならない。

尚、本発明の摩砕部の面は一般には中心軸に対して垂直
な面であるｈ５、傾斜した面とすることが出来、ヌ凸面
或いは凹面とすることも可能である。

本発明方法における摩砕部の間隙は基本的には繊維の幅
と同程度即ち１０〜５０μｍカ３好適である。

但し、前述した様に本発明方法では製紙原料に充分な大
きさの摩擦力を作用させることｈ５必要なので、原発開
力法の場合よりも摩砕部の間隙を狭くしたカリ３望まし
いこともある。

−力、結束繊維、或いは道管には幅１’３１５００μｍ
に達する巨大なものも存在するカＳ、之等を含む製紙原
料を処理する場合には先ず間隙を繊維幅より広くして処
理して後、漸次間隙を狭め最終的には繊維幅と同程度の
間隙で処理した力６ｉ好結果を得る場合もある。

実験の結果、この様な多段処理においては第１段目の間
隙を３００μｍ以下とした時にその効果が発揮されるこ
とが判った。

以上の理由から本発明方法における摩砕部の間隙は３０
０μｍ以下の範囲とすべきである。

本発明方法において摩砕部を構成する物質としては通常
の砥石の原料と同様、天然石或いは酸化アルミニウム、
炭化硅素などの砥粒を結合した人造石が適当であり、ま
た金属粒を焼結させたものも用い得る。

摩砕部だけでなく原料通過面７，８をも、更には円板状
物体の全体を之等の物質で構成することも可能である。

本発明方法によって処理される製紙原料は木材に直接機
械力を作用させるか、若しくは加熱或いは薬液前処理し
た後、機械力を作用させて得た高収率パルプの解繊繊維
であるｈ５高収率パルプを含む古紙或いは高収率パルプ
の精選工程で発生する粕の処理にも有効である。

また化学パルプを本発明方法によって処理することも可
能である。

本発明によれば、結束繊維を全く、或いは殆んど含まな
いパルプが得られるので、従来の高収率パルプ化法にお
いて必須であった粒選別工程が不要となるため、簡単な
工程で、しかも少ないエネルギーで高収率パルプを製造
出来ると云う利点もある。

以上詳述した如く、本発明方法で高収率パルプ化法の解
繊繊維を処理することによって、原発開力法よりも処理
速度を向上させアイドリングを含むエネルギー総消費量
を大幅に減少出来、また結束繊維の離解、繊維のフィブ
リル化および道管の破壊を先きに行なった発明同様効率
良く達成出来るので、紙パルプ業界の発展に寄与する所
ｈ５一段と増大した。

次に実施例を挙げて本発明方法を更に詳細に説明する。

実施例、 マツ材チップを通常のディスクリファイナ−で処理して
得た解繊繊維（Ｐ水度５００ｍＪＣ，Ｓ、Ｆ、）を第３
図および第４図に示した装置にポンプを用いて０．９ｋ
ｇ／ａ？ｔの圧力を掛けて供給し、ｐ水度１３０ｍ／Ｉ
Ｃ，Ｓ、Ｆまで処理した。

固形分濃度は２％、摩砕部の凸部の平均間隔は１５０μ
ｍ、摩砕部の間隙は３０μｍ、回転円板の周速度はｉ
４３ ｍ ／ｓｅｃとした。

−力、比較のため同一解繊繊維を同一装置に常圧下で供
給して涙水度１３０１ｎ／；Ｃ，Ｓ、Ｆ、まで処理した
。

摩砕部の間隙は５０μｍで、その他の処理条件は上記と
同一である。

以上の処理における摩擦力、処理速度、エネルギー消費
量、処理後のパルプの繊維長分布およびＪＩＳ法により
調整した手抄き紙の紙質は下表の通りである。

また、何れの手抄き紙も結束繊維は極めて少なかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法および本発明方法における繊維１本当り
の力の作用点の数を比較するための模式図で、ａは従来
法（ディスクリファイナ−）の場合、ｂは本発明方法の
場合であり、第２図は本発明方法の効果を示す図、第３
図は本発明に係る製紙原料処理力法を実施するための一
対の円板の縦断面図、第４図は第３図におけるＡ−Ａ線
断面図である。 １・・・・・・回転円板、２・・・・・・固定円板、３
・・・・・・摩砕部（回転側）、４・・・・・・摩砕部
（固定側）、５・・・・・・駆動軸、６・・・・・・原
料供給部、７・・・・・・原料通過面、８・・・・・・
原料通過面（固定側）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ はぼ同一寸法で同一中心軸を有する２枚の円板状物
   体の相対する夫々の面に、載面の外周近傍に外側端を有
   し且つ前記中心軸を中心とする円周方向に連続した帯状
   の摩砕部を設け、該摩砕部の全面若しくは大部分の面を
   凸部の間隔の平均値が１０〜１０００μである微小な凹
   凸から成る砥石状平面とし、且つ相対する一力の前記円
   板状物体を相対する他力の前記円板状物体に対して相対
   的に回転せしめ、側円板状物体の中心部間における空隙
   に結束繊維を含む製紙原料懸濁液を０．１５〜５ｋｇ／
   ｃＩ？Ｌの圧力で供給し、且つ前記円板状物体の摩砕部
   間の間隙を３００μ以下及び製紙原料懸濁液の固形分濃
   度を０．１〜４．０重量％の範囲で設定して下式で算出
   される製紙原料に作用する摩擦力（ｆ）を１〜１０ｋｇ
   ／Ｃ１？Ｌとして処理した後、製紙原料懸濁液を前記円
   板状物体の外周方向に排出させることを特徴とする製紙
   原料の摩砕方法。 Ｕ を 式中、 ｆ二製紙原料カＳ摩砕部と接触している単位面積当りの
   摩擦力（ｋｇ／ｉ） ｄ：絶乾状態における繊維の見掛は比重 Ｃｋｇ／ｉ ’） Ｐ：製紙原料処理時の負荷（ｋｇｍ／Ｓ’：ＩＰｗ：水
   のみを通過させた時の負荷（ｋｇｍ／Ｓ’）Ｃ：製紙原
   料懸濁液の固形分濃度（ｋｇ／ ｍ” ）ω：円板状物
   体の相対的な角速度（１／Ｓ）γ：相対向している部分
   における摩砕部の外生径〔ｍ〕 γ、：相対向している部分における摩砕部の内生径（ｍ
   ） である。 ２ 製紙原料カＳ木材に直接機械力を作用させて造られ
   たものである特許請求の範囲第１項記載の製紙原料の摩
   砕方法。 ３ 製紙原料ｆ）５加熱前処理した木材に機械力を作用
   させて造られたものである特許請求の範囲第１項記載の
   製紙原料の摩砕方法。 ４ 製紙原料カ３薬液前処理した木材に機械力を作用さ
   せて造られたものである特許請求の範囲第１項記載の製
   紙原料の摩砕方法。