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知っておきたい! 紙の製造・その歴史と工程

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本記事は、How Is Paper Made? Step-By-Step Process
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約6分35秒

木材パルプや植物繊維から作られる紙は、世界中で愛されている素材です。ワールド・ワイド・ウェブ、つまりインターネット上で提供されるハイパーテキストシステムの出現まで、19世紀以上の間、ほとんどすべての文字情報は紙に印刷される形で伝達されていました。

 

いずれは「ペーパーレスの世界」の時代になるだろう、と何十年も前から予測されてはいるものの、いまだに実現していません。実のところ、私たちはこれまで以上に多くの紙を使用しており、毎年世界中で4億トン以上の紙が生産されているのです。

 

今日では、色々な種類の紙が印刷だけでなく、包装、筆記、洗浄、フィルター、装飾、ラミネート、ティッシュ、様々な産業や建設の工程にも使用されています。最初の製紙法が開発されたのはおそらく中国で紀元前105年のようですが、考古学的には最古の紙の断片が紀元前2世紀に由来することが知られています。

 

発展する社会の要請に応えて、大型で自動化された機械で生産されるようになった紙ですが、手漉きの紙は今でも、独特の個性と一枚一枚の紙を作る熟練した職人の技が評価されています。紙がどのようにして作られているのか、深く掘り下げてみましょう。

 

紙の原料は何か?

日常的に使っている紙は、たいてい木から作られています。綿や麻、亜麻などの植物繊維から作られるものもあります。しかし、大量に生産されているのは、原木から生産された紙や、その紙を再生した再生紙です。

 

具体的には、紙の製造に使用される繊維全体の約50%は、意図的に伐採された木材から作られています。残りは、製材所からの木質繊維、再生布、再生新聞、一部の植物性物質で構成されています。

 

製紙業界では、パルプに含まれるセルロース繊維が長く、紙が丈夫になることから、モミやトウヒなどの針葉樹(針葉樹)が好まれています。また、ニレやポプラなどの落葉樹(広葉樹)も紙の需要を満たすために使用されています。

 

大規模な森林の少ない地域では、竹やサトウキビ、藁などをパルプに利用することができます。リネンや綿のボロ布は、セキュリティ証明書や履歴書、レターヘッドなどの高級紙に使われています。

 

アメリカの紙幣が綿から作られていることをご存知でしょうか?製紙には他にも、フィラー(チョークや粘土)、サイジング(ロジンやデンプン)、漂白剤、染料などが使われています。

 

工業的な製紙

工業的な製紙工程は、まず森から始まります。ブルドーザーで大量の木(ユーカリ、ブナ、シラカバなど)を素早く伐採します。これらの木から得られる繊維はセルロースと呼ばれています。一般的に針葉樹は丈夫な紙を作るために必要な長い繊維を持っています。

 

十分な量の木が伐採されると、工場に運ばれ、樹皮を剥ぎ取って木材チップを作る大型の機械にかけられます。この木材チップは、その後、蒸解釜という別の自動化された機械に送られます。この機械は、木材をセルロース、繊維作物、ボロ布などの様々な物質が混ざった柔らかい混合物に分解します。

 

セルロースを他の物質から(化学的または機械的に)分離し、水や化学添加物と混合してパルプと呼ばれるリグノセルロース系の繊維状物質を作ります。最後に、このパルプを大型のローラー機を使って紙にします。

 

製造工程全体では、4つの重要な工程があります。

1. パルプの生産

原木を木材パルプにするには、機械的な工程と化学的な工程の2つの工程があります。前者では、原木をタンカーで転がして樹皮を取り除きます。その後、粉砕機に通し、大きな回転するスラブの間で木材を圧迫し、木材をパルプに分解します。

木材パルプに含まれる繊維

 

化学的な工程では、通常、木材チップを硫化ナトリウムと水酸化ナトリウムの溶液で高圧で沸騰させます。これは大型の蒸解釜で行われます。チップがパルプに溶解すると、他の木材部分を除去するためにろ過されます。漂白剤や着色料はだいたいこの工程で添加されます。

2. 叩く

パルプを適切に叩いてすりつぶします。この工程は機械によって行われます。この段階では、最終製品の品質に影響を与えるために、粘土、チョーク、酸化チタンなどのいくつかの充填剤や化学物質が添加されます。

 

また、インクの種類によって紙がどのように反応するかを制御するためのサイジングも含まれています。例えば、でんぷんは紙を「ある程度」耐水性にするので、インクが沈む代わりに紙の上に置かれるようにすることができます。

ペンサコーラ(アメリカ合衆国フロリダ州)の工場でパルプを検査する労働者(1947年)

 

3. パルプを紙に変える

パルプは大型の自動化された機械にポンプで送られるか、あるいは投入されます。現代のほとんどすべての製紙機械は、19世紀初頭にロンドンで発明されたFourdrinier Machine【長網抄紙機】の原理に基づいています。

 

この機械は、ストックから不要な物質をろ過し、連続的に移動する繊維の湿式紙型を生成します。その後、機械内で乾燥させ、丈夫な紙の網を作ります。

4. 仕上げ

乾燥した紙は、大きな金属製のローラーに巻き付けられ、用途に応じてさらに加工されます。滑らかなローラー(カレンダー)に通す前に、化学薬品や顔料でコーティングされる場合もあります。最終的には裁断・梱包されて配布されます。

 

長網抄紙機はどのように作動するのか?

長網抄紙機の様々なセクション

 

これらの大きくて複雑な機械には、4つの主要なセクションがあります。

Wet Section【湿紙部】:ヘッドボックスと呼ばれる大きなタンクの中で、柔らかく湿ったパルプの塊が始まります。これは通常、再生紙繊維と木材パルプの混合物を含んでいます。

 

Wet Press Section【圧縮部】:メッシュやサクションボックスを介してパルプに含まれる水分の大部分を除去します。成形紙(青色で表示)は、回転するフェルトベルト(黒色で表示)の上を通り、水分が吸収されます。大型のローラーを使って、紙に模様や風合い、透かしを入れることもできます。

 

Dryer Section【乾燥部】:紙は、内部が蒸気で加熱されたローラーを通過し、残った水分が蒸発します。

 

Calender Section【カレンダー部】:カレンダロールは垂直に重ねて配置されており、紙の表面を光沢のある滑らかなものにします。

 

機械から出た紙をリールに巻き取る

 

大型の機械には40~70個の乾燥ローラーがあります。フル稼働時には時速40マイル(または時速65km)という驚異的な速さで紙を生産することができます。

 

機械から出た紙は、重さ数トン、長さ数メートルの巨大なリールに巻かれます。巻き取られた紙は自動測定装置で検査され、不完全な部分があるかどうかを確認されす。良質な紙は、ほどかれた後、顧客の注文に応じて小さなロールにカットされ、出荷用のラベルが貼られます。

 

手作業での紙漉き

技術や材料の科学的進歩にもかかわらず、手漉きの方法はあまり変わっていません。何百年も前の中国でのやり方に似ています。

 

全体的なプロセスは5つのステップに一般化することができます。
1. 重要な繊維(セルロースなど)を残りの木の部分から分離する。
2. 繊維を叩き潰してパルプにする。
3. 添加剤を使用して、紙の色と機械的/化学的特性を調整する。
4. 得られた混合物を選別する。
5. 濃厚な混合物を押して乾燥させ、実際の紙を得る。

 

第4段階では、非常に基本的なフレームを使って紙のシートを成形します。この枠は、型と呼ばれる金網と、デックル【定型器】と呼ばれる木枠の2つの部分で構成されています。デックルは、ちょうど額縁のように型を囲んでいます。

 

濃厚な溶液の中に型を押し込み、上に均一なコーティングが形成され、パルプの一部が排出されるように穏やかに撹拌します。

フレームをパルプに浸す

 

第5段階では、型からデックルを外し、水に濡れたマットをフェルトシートの上に置きます。次に、湿ったマットを極圧で絞り、残りの水を押し出します。

 

すべての水分が除去されたら、紙シートを取り出し、単純な空気乾燥や真空乾燥などのさまざまな方法で乾燥させます。シートは、しばしば表面を硬化させ、平らにするためにロールされています。最後に、所望の形状にカットして梱包します。

 

手作業で作られているため、紙の端がかなり不規則で波打っているように見えます。これらの紙は通常、型の中のワイヤーによる敷き詰められた線に沿ってより均等に折れたり裂けたりします。型のワイヤーにデザインを織り込むことによって透かしを入れることもできます。

 

環境問題

過去40年間で紙の使用量が400%増加したため、先進国と開発途上国の両方で森林破壊が大きな問題となっています。パルプや製紙工場は、次に挙げる問題の原因の1つになっています。

 

大気汚染:2015年に、米国では313,000トン以上の有害廃棄物が大気中に放出されました。その排出量のうち、パルプ・製紙業が20%を占めています。この産業は、呼吸器系を貫通して健康に深刻な影響を及ぼす硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素、微粒子物質(PM2.5)を排出しています。

 

水質汚濁:製紙業は、排水中のリグニンなどの溶解物質の主要な発生源の1つです。塩素酸塩やアルコールのような他の複雑な化合物や薬剤も関与しています。これらの物質は、放流された湖や川を汚染します。また、水を変色させ、美観の低下につながります。

カナダ、ニューブランズウィック州にある製紙工場

 

紙類の廃棄物:ゴミ捨て場に投棄される固形廃棄物の約26%(6,700万トン)は、廃棄された紙や板紙です。これらは他の廃棄物と同様に、焼却したり、地下水と混合したりすると発がん性を示す可能性があります。

 

硫黄系化合物:ジメチルスルフィド、ジメチルジスルフィド、硫化水素などの硫黄系化合物は、木材パルプの製造、特にクラフト工程や亜硫酸塩工程で使用されています。これらのプロセスから放出される二酸化硫黄は毒性が強く、免疫やホルモンの問題を引き起こす可能性があります。

 

温室効果ガスの排出量:紙・印刷産業は、世界の二酸化炭素排出量の約0.8%を占めています。この二酸化炭素排出量は、埋立地での紙の廃棄と、それに伴うメタンの生成によってさらに増加しています。

 

このような問題の増加と世界的な気候変動により、いくつかの国の政府は規制の強化を余儀なくされています。ここ数年、パルプ・紙産業が環境に与える影響の多くが取り沙汰され、持続可能な慣行に向けた動きが出てきています。

 

紙のリサイクルへの取り組みは、森林破壊の軽減に効果的であり、現在では様々な製紙技術の中で再生紙が重要な材料となっています。

 

市場

出典:Resource Information Systems Inc.

 

世界最大の紙生産国は、中国、米国、日本です。世界の紙生産量の50%以上を占めており、紙の輸出・輸入国では米国とドイツがトップです。中産階級の人口増加や都市化の進展、発展途上国での識字率の上昇などにより、筆記具、新聞用紙、包装材などの紙製品の需要が大きく伸びることが予想されています。

 

さらに、環境に配慮した持続可能な包装ソリューションへの顧客の嗜好の変化は、プラスチック包装の需要を減少させ、その結果、パルプ・紙業界が活気づくことになるでしょう。全体として、製紙業界は急速に変化し、発展しています。現在、ここ数十年の間で最も実質的な変革を遂げようとしています。

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