印刷材料学 - 江前敏晴のホームページ

講 義 の 分 担印 刷 材 料 学2009 年 5 月 11 日第 4 回 ( 第 2 回 江 前 担 当 分 )東 京 大 学 大 学 院 農 学 生 命 科 学 研 究 科生 物 材 料 科 学 専 攻 製 紙 科 学 研 究 室江 前 敏 晴えのまえ としはる4/ 135/ 116/7/20271825181522296132730江 前岡 山岡 山江 前岡 山岡 山江 前岡 山江 前岡 山江 前江 前岡 山江 前概 説 ・ 抄 紙パルプパルプ抄 紙 ・ 物 性パルプパルプ研 究 の 実 際パルプ物 性パルプ紙 加 工画 像 解 析パルプ抄 紙 実 習( 休 講 )メディアの 変 遷 、 生 産 量 、 歴 史 、 叩 解 、 紙 料 調 成パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )薬 品 、 抄 紙 、 乾 燥 、カレンダ、 紙 の 構 造パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )大 学 院 生 による 実 験 の 話パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )サイズ 度 、 吸 水パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )吸 油 特 性 塗 工 の 基 礎 と 応 用 、 印 刷 適 性画 像 解 析 を 利 用 した 紙 の 特 性 評 価パルプ 化 /リサイクル( 詳 細 は 未 定 )実 験 1- 抄 紙 、 実 験 2- 物 性 測 定 (2 回 分 )印 刷 材 料 学 の講 義 用 ホームページhttp://psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp/hp/enomae/chiba2009連 絡 用 メールアドレスenomae@psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp( 江 前 敏 晴 )• 自 分 のメールアドレスを 江 前 まで 連 絡 してください。休 講 や 実 習 の 急 な 案 内 を 出 します。東 京 大 学 大 学 院 農 学 生 命 科 学 研 究 科2009 年 度 大 学 院 修 士 ・ 博 士 課 程 学 生 募 集大 学 院 受 験 ガイダンス 日 程• 生 物 材 料 科 学 専 攻 オープンラボ• 2008 年 6 月 6 日 ( 土 ) 13:00~15:00東 京 大 学 農 学 部 セイホクギャラリー( 東 京 メトロ 南 北 線 東 大 前 )〒113-8657 東 京 都 文 京 区 弥 生 1-1-1Tel 03-5841-8199( 江 前 )• http://web2.fp.a.u-tokyo.ac.jp/index-j.html• 終 了 後 研 究 室 ツアー• 修 士 課 程 出 願 7/13~17 試 験 8/19, 20 面 接 8/27• この 日 以 外 でもいつでも 見 学 可 能 です。調 木(ちょうぼく)製 紙 における 調 成 工 程パルプ 化加 工サイズプレス塗 工機 械 パルプ化 学 パルプ漂 白抄 紙脱 水プレス乾 燥カレンダ調 成離 解叩 解 (こうかい)薬 品 添 加• 調 成 工 程 ( 抄 紙 機 に 紙 料 を 送 り 込 む 直 前 の 工 程 )• パルプシート 化 (Wet or Dry) • 離 解 (defibration)• 輸 送• 叩 解 (beating, refining)• 薬 品 類 の 添 加 ・ 配 合ドライラップパルプパルプベールの 運 搬パルプの 形 態• スラッシュ (slush)パルプ濃 度 1-4% 程 度 の 薄 い 縣 濁液 の 状 態 のパルプ• ラップ(lap)パルプウェットマシンですいて 折 りたたんだパルプ。 乾 燥 したものはドライラップと 呼 ぶ• ベール(bale) パルプ荷 造 機 で 圧 縮 して 縛 った 包みとなった 状 態 のパルプ1

りかい離 解 - 個 々の 繊 維 に 分 散乾 燥 パルプシート水 に 分 散実 験 用 標 準 離 解 機(disintegrator, defibrator)• 約 3.4Lの 円 筒 形 容 器 に 水 に 浸 漬したパルプを 入 れ、3000 min -1(rpm)の 回 転 速 度 でプロペラを回 し 解 繊 する。• レーテンシィの 除 去 を 高 温 でパルプの 絶 乾種 類 試 料 量化 学 パルプ 30 g機 械 パルプ 60 g水 の 量 総 回 転数2.0 L 300002.7 L 60000パルパー( 大 型 の 離 解 機 )パルパー• 巨 大 な(5~20 m 3 ほど)ミキサー 状 の 機 械 (パルパー /Hydrapulper)にラップパルプ( 古 紙 、 損 紙 もある)とアルカリ 水 等 を 投 入 し、 粥 状 にほぐす。ほぐした 原 料 は、 機 械 底部 の 多 孔 板 からパイプで 輸送 され 次 の 工 程 に 入 る。りかい こうかい離 解 と 叩 解 の 違 い• 離 解 とは、 乾 燥 パルプシートから 繊 維を 個 々に 分 離 し、パルプの 水 縣 濁 液 を作 る 工 程• 叩 解 とは、 繊 維 に 機 械 的 剪 断 力 を 与え、 毛 羽 立 たせたり、 同 心 円 状 の 緩 みを 与 えることにより 繊 維 を 柔 軟 にし、 乾燥 時 の 繊 維 間 結 合 を 強 くする 工 程叩 解 の 英 語 名•Beating (ビーティング) とは、ビーターを 用 いて 行 う 叩 解• Refining (リファイニング) とは、ディスクリファイナーを 用 いて 行 う叩 解 と、チップを 入 れて 磨 砕 パルプを 製 造 する 工 程 の 両 方 を 指 す。2

叩 解 装 置 -リファイナー(リファイニング)• リファイナーで 行 う(リファイニング)叩 解 装 置 - 実 験 室 ではPFIミルホランダービーターの 発 明 (1670)叩 解 -リファイナ-ビデオ叩 解 -メカニズム(2) 叩 解 - 繊 維 の 変 化 (1)外 部 フィブリル 化内 部 フィブリル 化叩 解 後 の 針 葉 樹 漂 白 クラフトパルプの 走 査 電 子 顕 微 鏡 写 真叩 解 による 細 胞 壁 の 層 状 の 剥 離3

• 紙 の 品 質 制 御試 料 調 成 - 薬 品 添 加• サイズ 剤 - 撥 水 性 の 制 御• 填 料 - 白 色 度 ・ 不 透 明 度 の 向 上• 紙 力 剤• 染 料 ・ 蛍 光 増 白 剤• 紙 の 生 産 性 制 御• 凝 集 剤 (アラムなど)- 微 細 繊 維 ・ 填 料 ・サイズ剤 の 歩 留 まり 向 上• 防 腐 剤サイズ 剤薬 品 -サイズ 剤 ・ 填 料酸 性 紙ロジン(アビエチン 酸 )定 着 助 剤 硫 酸 アルミニウム(アラ( 歩 留 まり 剤 ) ム)→ 劣 化 の 原 因中 性 紙アルキルケテンダイマー(AKD)、アルケニル 無 水コハク 酸 (ASA)カチオン 性 ポリアクリルアミドロジン AKD ASA薬 品 - 酸 性 紙 の 劣 化硫 酸 アルミニウム(アラム)→ 劣 化 の 原 因Al 2 (SO 4 ) 3 + 2H 2 O → 2Al(OH) 2+ + 2H - + 3SO 42-CH 2 OHOOHOHOCH 2 OHO OH, HOHOHCH 2 OHOOHOHOCH 2 OHH OOHHOOHO+ H 2 O酸 加 水 分 解↓紙 の 劣 化 ・ 崩 壊紙 力 剤填 料抄 紙 pH薬 品 -サイズ 剤 ・ 填 料 (2)カチオン 性 ポリアクリルアミドクレー、タルク4~5酸 性 紙CH 2 OH COO -OHOOOC COH O O- O - Oカルボキシル 基 を 持 つセルロースOカチオン 性 デンプン炭 酸 カルシウム7~8.5中 性 紙CH 2 CH n CH 2 CHC=O C=ONH 2O CH 3CH 2 -CH 2 -N + -CH 3CH 3カチオン 性 ポリアクリルアミド叩 解 パルプブローク添 加 薬 品抄 紙 -アプローチパート種 箱 ( )ヘッドボックス白 水抄 紙 -ワイヤーパート• ワイヤ( 網 )を 使 ってろ 過 作 用 によって 紙 料 から 脱 水する 工 程• ワイヤの 種 類• PETのプラスチックワイヤ ( 以 前 はブロンズ 製 )• サテン 織• 1 本 の 横 糸 の 上 、3 本 の 横 糸 の 下 を 縦 糸 が 通 る。 縦 糸の 磨 耗 防 止• 二 重 織• 上 層 が 微 細 繊 維 の 歩 留 まり 向 上 、 下 層 が 耐 磨 耗 性 、脱 水 性 に 適 する 構 造• 脱 水 の 促 進• サクションボックス、クーチロールなど5

抄 紙 -プレスパート• 加 圧 によってさらに 脱 水 し、 密 度 と 湿 紙 強 度 を 高 める 工 程• 乾 燥 よりプレスによる 脱 水 の 方 がエネルギー 消 費 が少 なくてすむ• 湿 紙 をはさむフェルトに 水 分を 移 動 させる抄 紙 -ドライヤパート• 加 熱 して 水 を 蒸 発 させる 工 程 。• 繊 維 間 の 自 由 水 が 蒸 発 し、ついで 繊 維 内 及 びフィブリル 間 の 自 由 水 が 蒸 発 し、 水 分 9% 以 下 では 結 合 水が 蒸 発 。 繊 維 間 結 合 が 生 成 する。• 多 筒 式 ドライヤのシリンダにキャンバス( 又 はフェルト)で 押 さえつけて 乾 燥化 学 結 合 の 種 類• イオン 結 合 陽 イオンと 陰 イオン 同 士 の 静 電 引 力 による結 合 。 結 合 は 強 い。• 共 有 結 合 原 子 同 士 で 互 いの 電 子 を 共 有 することによって 生 じる 結 合 。 結 合 は 強 い ( 数 百 kJ/mol)。• 水 素 結 合 窒 素 、 酸 素 、フッ 素 と 水 素 が 共 有 結 合 しているときに 生 じる, 水 素 を 仲 立 ちとする 分 子 間 あるいは 分子 内 の 結 合 。 分 子 間 力 の 一 種 で、ファンデルワールス力 よりは 強 く、 共 有 結 合 よりは 弱 い( 数 十 kJ/mol)。• ファンデルワールス 結 合 中 性 で 無 極 性 な 分 子 でも 瞬間 的 に 非 対 称 な 電 子 分 布 をもつ 電 気 双 極 子 となり、 互いに 引 力 が 働 く。この 分 子 間 力 が 原 子 、 分 子 間 などに働 くことによりできる 結 合 で 非 常 に 弱 い 。• 配 位 結 合• 金 属 結 合繊 維 間 の 結 合• 繊 維 結 合 の 生 成 に 与 える 水 の 影 響• リボン 状 ( 扁 平 な) 直行 する2 本 の 繊 維 を考 える。 交 点 は 正 方形 になり、1 辺 の 長 さをLとする。 乾 燥 が 進んで 繊 維 間 距 離 が1μmになると、どの程 度 の 収 縮 応 力 が働 くか?• このように 繊 維 間 で引 き 合 う 力 をCampbell (キャンベル) 効 果 と 呼 ぶ。繊 維繊 維d μmL μm繊 維 間 の 結 合• 水 の 蒸 発 に 伴 う 繊 維 間 の 接 近 と 水 素 結 合 生 成O-HO-HH-O-HO-HO-HH-O-HO-HH-O-HH-O-HH-O-HH-O-HH-O-HH-O-HO-HH-O-HH-O-HO-HH-O-HO-HH-O-HH-O-HO-H水 を 介 した 緩 い 水 素 結 合O-HO-HH-O-HH-O-HH-O-HO-HH-O-HO-HO-HO-HH-O-HH-O-HH-O-HH-O-HO-Hセルロース 表 面O-HO-HH-O-H単 層 の 水 を 介 したやや 強 固 な 水 素 結 合 直 接 的 水 素 結 合H-O-HH-O-HO-HO-HH-O-HH-O-HH-O-HO-HO-HH-O-HH-O-Hセルロース 表 面H-OO-HH-O-HO-HO-HH-O-HH-O-HH-OO-HO-HO-HH-OO-HH-OO-HH-OO-H• 水 素 結 合 の 証 拠繊 維 間 の 結 合• 重 水 (D 2 O)の 水 蒸 気 中 に 紙 を 置 き、 平 衡 状 態 になったときの 質 量 変 化 を 測 定 する。 全 水 酸 基 中 0.5~2%は重 水 素 に 置 換 されなかった。これは 水 素 結 合 している水 酸 基 の 割 合 に 相 当 する。( 水 素 結 合 している 水 酸 基の 水 素 は 重 水 素 に 置 換 しない。)• 水 素 結 合 の 破 断 に 要 するエネルギー4.5kcal/mol=19kJ/mol• 水 酸 基 をアセチル 化 すると、 置 換 量 に 比 例 して 紙 力 が低 下 する。(Cell-OH → Cell-O-C-CH3)O6

繊 維 間 の 結 合• 繊 維 壁 の 厚 さが 湿 潤 繊 維 柔 軟 性 に 与 える 影 響繊 維 間 の 結 合• 繊 維 の 柔 軟 性 が 相 対 ( 繊 維 間 ) 結 合 面 積 RBA(=Relative Bonded Area)に 与 える 効 果抄 紙 - 抄 紙 工 程 ( 広 義 のワイヤーパート)と 水 分パルプ1 %水 分99 %ヘッドボックススライスワイヤーパート20 %80 %クーチロールプレスパート40 %60 %サイズプレスドライヤパート95 %5 %カレンダパート• サイジング抄 紙 -サイズプレス– 内 添 サイズ(Internal sizing)-パルプ 縣 濁 液 に 添 加– 外 添 ( 又 は 表 面 )サイズ(External or Surface sizing)• 表 面 サイジング(サイズプレス)とは– デンプンなどの 物 質 を 塗 布 することにより 水 などの 液 体に 対 する 耐 性 を 紙 に 与 える 処 理 を 意 味 する。– 広 義 には 耐 水 性 以 外 の 特 性 付 与 や、 顔 料 を 配 合 する 場合 も 含 む( 固 形 分 がおよそ30 %を 越 えると 塗 工 と 呼 ぶ)。– デンプンの 他 、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド(PAM)、スチレンアクリル酸 系 ポリマーなど 多 数 。 疎 水 性 が 強 い 必 要 がない。– 歩 留 まりが100%である。– 内 添 で 見 られる 紙 抄 機 の 汚 れや 泡 立 ちがない。• 目 的 と 効 果– オフセット 印 刷 時 のピッキング 防 止 。– にじみを 抑 えるインクジェット 適 性 付 与 。– デンプン 塗 工 面 のオフセット 印 刷 時 の 湿 し 水による 粘 着 性 (ネッパリ)を 改 善 する。– フィルム 化 したポリマーが 空 隙 を 満 たすことにより 吸 水 を 抑 える。抄 紙 -サイズプレス抄 紙 -カレンダリング• ロールによる 圧 縮 、 摩 擦 により、 密 度 を 上 げ、 平 滑性 、 光 沢 を 付 与 する 工 程スーパーカレンダオフマシンで10 前 後 のニップを 通 すソフトカレンダ左 のユニットでは 下 側 が 百 数 十 度 に 加 熱 するスチールロールで 上 側 が 樹 脂 ロール7

抄 紙 -カレンダリングと 表 面 粗 さ• カレンダリングによる 表 面 粗 さの 低 下 通 紙 速 度 (1つ 隣 )ニップ 荷 重 (2つ 隣 )温 度 (4つ 隣 )抄 紙 -カレンダリングと 光 沢• カレンダリングによる 光 沢 度 の 上 昇 通 紙 速 度 (1つ 隣 )ニップ 荷 重 (2つ 隣 )温 度 (4つ 隣 )8