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1. 湿潤強度とは何ですか?
湿潤強度とは、紙が湿気にさらされた際に強度を維持する能力を指します。これは、以下の2つの主要な段階で評価されます。
- 初期湿潤強度 - 乾燥前の紙ウェブの強度。機械の稼働性にとって重要です。
- 再湿潤強度 - コーティングや印刷などの工程中、および最終使用時（ティッシュ、包装など）の完成した紙の湿潤強度。
これら 2 つのタイプは目的が異なり、パフォーマンス要件も異なるため、それぞれ異なる方法で最適化する必要があります。
2. 初期湿潤強度
固形分が30%未満（水分が70%超）の場合、紙の乾燥強度は15～20%しか保持されません。初期の湿潤強度は、以下の要因によって影響を受けます。
- パルプの組成、精製レベル、ウェブの乾燥度
- プロセス条件とウェットエンド化学添加剤
高速抄紙機は、高度なウェットウェブ サポート システムを使用して張力を最小限に抑え、安定性を維持します。これにより、紙の基本重量を低く抑え、コストを節約できます。
定量的モデル (Page, 1993) では、湿潤強度と表面張力 (γ)、水膜面積 (A)、曲率半径 (r)、摩擦 (µ)、繊維粗さ (C) を関連付けています。
3. 再湿潤強度
再湿潤強度とは、乾燥した紙が再び湿潤した後に保持される強度を指します。適切な湿潤強度処理を施すと、紙は通常、湿潤状態においても乾燥強度の20～40%（最大50%）を維持します。これは多くの最終用途において重要な要件です。
4. 湿潤紙力増強剤の働き
水は繊維間の水素結合を破壊し、紙を弱めます。湿潤紙力増強剤は、以下の2つのメカニズムでこれを防ぎます。
- 保護: 繊維の周りに堅固な架橋ネットワークを構築して膨張を防止します。
- 強化: 構造を強化する、水に影響を受けない新しい化学結合を形成します。
湿潤紙力増強剤は、その結合化学に基づいて、次のように分類されます。
- 一時的: 再湿潤時に切断される結合 (例: ヘミアセタール) を形成します (例: グリオキシル化 PAM)。
- 永久的: 耐水性の共有結合を作成します (例: PAE、UF、MF)。
5. 一般的な湿潤紙力増強剤
尿素ホルムアルデヒド（UF）
- 最も古い反応性樹脂。pH 4～5 で疎水性の架橋ネットワークを形成します。
- 通常、0.5～3%の用量で使用され、ミックスポンプの近くに塗布されます。
- 残留物を防ぐために、システムの pH と一致させ、ミョウバンロジンサイズとの相互作用を避ける必要があります。
メラミン‐ホルムアルデヒド（MF）
- 特殊紙に使用される水溶性樹脂。
- 低 pH で正に帯電し、繊維に付着して結合力を高めます。
- デンプン/樹脂の斑点を防ぐために、0.1～3%の用量で慎重に投与します。
- 乾燥後の硬化が必要です。最大の湿潤強度は約 10 日後に発生します。
ポリアミドエピクロロヒドリン（PAE）
- 中性/アルカリ性システム用に設計されており、ティッシュペーパーや包装紙に広く使用されています。
- 幅広い pH (4～8) にわたって高い湿潤強度効率を実現します。
- エポキシド環を介して共有結合架橋を形成します。投与量は約 0.25～1% です。
- 効率は繊維の種類、精製、pH、保持、Ca²⁺ 濃度、化学物質の添加順序によって影響を受けます。
6. 環境と規制に関する考慮事項
PAE 樹脂の製造プロセスにおける主な副産物は以下のとおりです。 DCP = 1,3-ジクロロ-2-プロパン MCPD = 3-クロロ-1,2-プロピレングリコール EPI = エピクロロヒドリン 上記の 2 つの塩素含有有機小分子化合物は、図 XNUMX に示すように、エピクロロヒドリンの加水分解によって生成される吸着性有機ハロゲン化物 (AOX) として定義される、PAE 樹脂の主な副産物です。
現在、EU規則REACHは、PAE樹脂中のAOX副産物の毒性と発がん性を明確に特定しています。そのうち、1,3-ジクロロ-2-プロパンDCPは発がん性物質H 350（カテゴリー1B）に、3-クロロ-1,2-プロパンジオールMCPDは発がん性物質H 351（カテゴリー2）に指定されています。さらに、BfR XXXVIの規定によると、食品接触紙製品の場合、サンプルを水に抽出した後、1,3-ジクロロ-2-プロパンDCPの残留量の上限は2μg/l、3-クロロ-1,2-プロパンジオールMCPDの残留量の上限は12μg/lです。これは、使用される湿潤紙力増強樹脂の環境保護と清浄性に対するより高い要求を課すことは間違いありません。
製紙工場の排水において、PAE湿潤紙力増強剤はAOXの主な発生源であるため、1980年代半ば以降、AOXによる環境汚染を軽減するため、環境に優しい第XNUMX世代および第XNUMX世代のPAE湿潤紙力増強剤が次々と導入されてきました。第XNUMX世代のPAE樹脂と比較して、第XNUMX世代および第XNUMX世代のPAEは、残留エピクロロヒドリン含有量とその加水分解生成物であるDCPおよびMCPDの残留量を大幅に削減しました。
| インジケータ | 初代 | 第2世代 | 第三世代 |
|---|---|---|---|
| カテゴリー別 | 工業用湿潤紙力増強剤 | 標準湿潤紙力増強剤 | 食品グレードの湿潤紙力増強剤 |
| 固形分含有量（％） | 12.5±1 | 15±3 | 18±2 |
| pH | 4±1.5 | 4±1.5 | 4±1.5 |
| 粘度（cps） | ≤110 | ≤110 | ≤110 |
| DCP（ppm） | * (制御されていない) | ≤100 | ≤10 |
| MCPD（ppm） | * (制御されていない) | ≤100 | ≤10 |
| 優位性 | 低コストで優れた湿潤強度性能 | 残留塩素が少なく、食品包装およびEU基準に準拠しています | 完全に塩素フリー。食品接触紙の長期製造に適しています。 |
| デメリット | 残留塩素が多く含まれており、人体に有害となる可能性がある | 第一世代よりわずかに価格が高く、約15％高い投与量が必要です | 高コスト、湿潤強度が比較的低い、第5世代よりも約XNUMX％多い投与量が必要 |
7. 湿潤強度使用のベストプラクティス
- 最適なゼータ電位に達するように投与量（0.25～1%）を制御します。
- アニオン性添加剤との不適合性を回避するためのシーケンス追加。
- 保持補助剤と組み合わせ、Ca²⁺ レベルを制御することで保持を確実にします。
- 添加後に硬化処理（例：80 °C、30 分）を施します。
- 湿潤強度増強剤と乾燥強度増強剤を混合して、ウェブの強度と保持力を高めます。
8. 結論と今後の展望
湿潤紙力増強剤は、現代の製紙業に不可欠な存在です。紙の耐湿性を高め、多様な用途に対応します。抄紙機の速度と製品需要が高まる中で、これらの剤は性能とプロセス効率を確保します。現在進行中の研究開発では、ポリカルボン酸塩、キトサン、そして従来の樹脂に代わる環境に優しい代替品など、持続可能で効果的な湿潤紙力増強剤の開発に注力しています。
