JP7769475B2 - Paper with a clear coating layer containing fibrillated chemically modified cellulose fibers - Google Patents
Paper with a clear coating layer containing fibrillated chemically modified cellulose fibersInfo
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Description
本発明は、フィブリル化された化学変性セルロース繊維含有クリア塗工層を備える紙に関する。 The present invention relates to paper having a clear coating layer containing fibrillated, chemically modified cellulose fibers.
セルロースナノファイバー(以下、「CNF」ともいう。)は新素材として期待されており種々の検討がなされている。また、特許文献1に開示されているとおり、セルロースナノファイバーよりも解繊の程度の低い、フィブリル化された化学変性セルロース繊維(以下、「MFC」ともいう。)も新素材として期待されており種々の検討がなされている。 Cellulose nanofibers (hereinafter also referred to as "CNF") are expected to be a new material, and various studies are being conducted on them. Furthermore, as disclosed in Patent Document 1, fibrillated chemically modified cellulose fibers (hereinafter also referred to as "MFC"), which have a lower degree of defibration than cellulose nanofibers, are also expected to be a new material, and various studies are being conducted on them.
紙には高い印刷表面強度が求められるが、特許文献1にはこの特性にかかる記載はない。かかる事情を鑑み、本発明は高い印刷表面強度を有する紙を提供することを課題とする。 Paper is required to have high printing surface strength, but Patent Document 1 makes no mention of this characteristic. In light of this situation, the objective of the present invention is to provide paper with high printing surface strength.
前記課題は以下の本発明によって解決される。
(1)原紙およびクリア塗工層を備える紙であって、
前記クリア塗工層が澱粉とフィブリル化された化学変性セルロース繊維と金属塩とを含み、
前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維のセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、アニオン化度が0.10~2.00meq/gであり、平均繊維径が500nmよりも大きい、紙。
(2)前記澱粉が酸化澱粉である、(1)に記載の紙。
(3)前記金属塩が2価以上の金属元素を含む、(1)または(2)に記載の紙。
(4)顔料塗工層をさらに備える、(1)~(3)のいずれかに記載の紙。
(5)前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維がアニオン変性されている、(1)~(4)のいずれかに記載の紙。
(6)前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維が、フィブリル化された化学変性セルロース繊維の絶乾重量に対して、0.1~3.0mmol/gのカルボキシル基を有する、(1)~(5)のいずれかに記載の紙。
(7)前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維における化学変性セルロースが、化学変性セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシアルキル置換度が0.01~0.50であるカルボキシアルキル化セルロースである、(1)~(5)のいずれかに記載の紙。
The above problems are solved by the present invention described below.
(1) A paper comprising a base paper and a clear coating layer,
the clear coating layer comprises starch, fibrillated chemically modified cellulose fibers, and a metal salt;
The fibrillated chemically modified cellulose fibers have a cellulose I type crystallinity of 50% or more, a degree of anionization of 0.10 to 2.00 meq/g, and an average fiber diameter of more than 500 nm.
(2) The paper according to (1), wherein the starch is oxidized starch.
(3) The paper according to (1) or (2), wherein the metal salt contains a divalent or higher metal element.
(4) The paper according to any one of (1) to (3), further comprising a pigment coating layer.
(5) The paper according to any one of (1) to (4), wherein the fibrillated chemically modified cellulose fibers are anionically modified.
(6) The paper according to any one of (1) to (5), wherein the fibrillated chemically modified cellulose fibers have 0.1 to 3.0 mmol/g of carboxyl groups relative to the bone dry weight of the fibrillated chemically modified cellulose fibers.
(7) The paper according to any one of (1) to (5), wherein the chemically modified cellulose in the fibrillated chemically modified cellulose fibers is a carboxyalkylated cellulose having a carboxyalkyl substitution degree per glucose unit of the chemically modified cellulose of 0.01 to 0.50.
本発明によって、高い印刷表面強度を有する紙を提供できる。 This invention provides paper with high printing surface strength.
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の紙は、原紙の片面または両面に澱粉とフィブリル化された化学変性セルロース繊維(MFC)と金属塩とを含むクリア塗工層を備える。また本発明において「X~Y」はその端値であるXおよびYを含む。 The present invention is described in detail below. The paper of the present invention has a clear coating layer containing starch, fibrillated chemically modified cellulose fibers (MFC), and a metal salt on one or both sides of the base paper. Furthermore, in the present invention, "X to Y" includes the end values X and Y.
1.澱粉とMFCと金属塩とを含有するクリア塗工層を備える紙
(1)フィブリル化された化学変性セルロース繊維(MFC)
本発明のMFCは化学変性セルロースを解繊することにより得られる。化学変性セルロースは、繊維を構成するセルロース鎖が化学的に変性されている。化学変性セルロースの種類としては、これらに限定されないが、例えば、カルボキシル基を導入したカルボキシル化セルロース、カルボキシメチル基などのカルボキシアルキル基をエーテル結合させたカルボキシアルキル化セルロース、リン酸基を導入したリン酸エステル化セルロースなどを挙げることができる。これらの製法は後述する。
1. Paper with a clear coating layer containing starch, MFC, and metal salt (1) Fibrillated chemically modified cellulose fibers (MFC)
The MFC of the present invention is obtained by defibrating chemically modified cellulose. Chemically modified cellulose has cellulose chains that constitute the fibers chemically modified. Examples of chemically modified cellulose include, but are not limited to, carboxylated cellulose in which a carboxyl group has been introduced, carboxyalkylated cellulose in which a carboxyalkyl group such as a carboxymethyl group has been ether-bonded, and phosphated cellulose in which a phosphate group has been introduced. The production methods for these are described below.
化学変性セルロースは、塩の形態をとる場合もあり、本発明において化学変性セルロースは、塩型の化学変性セルロースも含む。塩型の化学変性セルロースとしては、例えば、ナトリウム塩などの金属塩を形成しているものが挙げられる。 Chemically modified cellulose may take the form of a salt, and in the present invention, chemically modified cellulose also includes salt-type chemically modified cellulose. Examples of salt-type chemically modified cellulose include those that form metal salts such as sodium salts.
化学変性セルロースは、水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持される。すなわち、MFCの水分散体を電子顕微鏡等で観察すると、繊維状の物質を観察することができ、また、X線回折で測定すると、セルロースI型結晶のピークを観測することができる。 Chemically modified cellulose maintains at least a portion of its fibrous shape when dispersed in water. In other words, when an aqueous dispersion of MFC is observed with an electron microscope, a fibrous substance can be seen, and when measured by X-ray diffraction, the peaks of cellulose type I crystals can be observed.
MFCは、化学変性されたセルロース原料を、リファイナーなどを用いて適度に叩解または解繊(フィブリル化)することにより得られる。MFCは叩解または解繊されていない化学変性セルロース繊維に比べて、繊維表面にセルロースのミクロフィブリルの毛羽立ちが見られる。また、化学変性セルロースナノファイバーに比べて、繊維径が大きく、繊維自体の微細化(内部フィブリル化)を抑制しながら効率的に繊維表面を毛羽立たせた(外部フィブリル化)した形状を有する。 MFC is obtained by moderately beating or fibrillating (fibrillating) chemically modified cellulose raw materials using a refiner or similar device. Compared to chemically modified cellulose fibers that have not been beaten or fibrillated, MFC has cellulose microfibril fluff on the fiber surface. Furthermore, compared to chemically modified cellulose nanofibers, MFC has a larger fiber diameter and a shape in which the fiber surface is efficiently fluffed (external fibrillation) while minimizing the fiber itself (internal fibrillation).
MFCは化学変性されていないフィブリル化されたセルロース繊維と比べて、化学変性により、保水性が高い、チキソトロピー性を有する、などの特徴を有する。また、化学変性されたセルロース原料をフィブリル化することにより得られるMFCは、化学変性されていないセルロース原料を叩解した後に化学変性したものと比べて、フィブリル化時にセルロース繊維が化学変性されているため、繊維間に存在する強固な水素結合が弱められており、フィブリル化の際に繊維同士がほぐれやすく、繊維の損傷が少ないという特徴を有する。 Compared to fibrillated cellulose fibers that have not been chemically modified, MFC has characteristics such as high water retention and thixotropy due to the chemical modification. Furthermore, compared to MFC obtained by fibrillating chemically modified cellulose raw materials that are chemically modified after beating unmodified cellulose raw materials, the strong hydrogen bonds that exist between the fibers are weakened during fibrillation because the cellulose fibers are chemically modified during fibrillation, making it easier for the fibers to separate during fibrillation and resulting in less damage to the fibers.
MFCの平均繊維径(平均繊維幅)は500nm超であり、好ましくは1μm以上、より好ましくは10μm以上である。平均繊維径の上限は60μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましく、20μm以下がさらに好ましい。平均繊維径がこの範囲になる程度の適度なフィブリル化を行うことにより、未解繊のセルロース繊維に比べて高い保水性を呈し、また、微細に解繊されたセルロースナノファイバーに比べて少量でも高い強度付与効果や歩留まり向上効果が得られる。 The average fiber diameter (average fiber width) of MFC is greater than 500 nm, preferably greater than 1 μm, and more preferably greater than 10 μm. The upper limit of the average fiber diameter is preferably 60 μm or less, more preferably 40 μm or less, even more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. By performing appropriate fibrillation to an extent that the average fiber diameter falls within this range, the MFC exhibits higher water retention than undefibrated cellulose fibers, and even in small amounts, it can achieve greater strength and yield improvement effects than finely defibrated cellulose nanofibers.
MFCの平均繊維長は、10μm以上が好ましく、30μm以上がより好ましく、50μm以上がさらに好ましく、100μm以上、200μm以上、または300μm以上であってもよい。平均繊維長の上限は、特に限定されないが、3000μm以下が好ましく、1500μm以下がより好ましく、900μm以下がさらに好ましく、500μm以下がよりさらに好ましい。化学変性されたセルロース原料を叩解または解繊に用いるため、繊維を極端に短くすることなく、フィブリル化を進めることができる。また、化学変性により、水との親和性が向上しているため、繊維長が長い場合であっても保水性を高くすることができる。 The average fiber length of MFC is preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, even more preferably 50 μm or more, and may be 100 μm or more, 200 μm or more, or 300 μm or more. There is no particular upper limit to the average fiber length, but it is preferably 3000 μm or less, more preferably 1500 μm or less, even more preferably 900 μm or less, and even more preferably 500 μm or less. Because chemically modified cellulose raw materials are used for beating or defibration, fibrillation can be promoted without excessively shortening the fibers. Furthermore, chemical modification improves affinity with water, allowing for high water retention even when the fiber length is long.
上記の平均繊維径および平均繊維長は、例えば、ABB株式会社製L&W Fiber Tester Plusや、バルメット株式会社製フラクショネーター等の、画像解析型繊維分析装置により求めることができる。具体的には、フラクショネーターを用いた場合、それぞれ、length-weighted fiber width及びlength-weighted average fiber lengthとして求めることができる。 The above average fiber diameter and average fiber length can be determined using an image analysis-type fiber analyzer, such as the L&W Fiber Tester Plus manufactured by ABB Corporation or a fractionator manufactured by Valmet Ltd. Specifically, when a fractionator is used, the length-weighted fiber width and length-weighted average fiber length can be determined, respectively.
MFCのアスペクト比は、10以上が好ましく、20以上がより好ましく、30以上がさらに好ましい。アスペクト比の上限は特に限定されないが、1000以下が好ましく、100以下がより好ましく、80以下がさらに好ましい。アスペクト比は、下記の式により算出できる:
アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径。
The aspect ratio of the MFC is preferably 10 or more, more preferably 20 or more, and even more preferably 30 or more. There is no particular upper limit to the aspect ratio, but it is preferably 1000 or less, more preferably 100 or less, and even more preferably 80 or less. The aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length/average fiber diameter.
MFCについてバルメット株式会社製フラクショネーターを用いて測定したフィブリル化率(Fibrillation %)は、1.0%以上であることが好ましく、2.5%以上であることがより好ましく、3.5%以上であることがさらに好ましい。使用したセルロース原料の種類によってフィブリル化率は異なるが、上記範囲であればフィブリル化が行なわれていると考えられる。また、本発明では、フィブリル化する前の化学変性されたセルロース原料のフィブリル化率(f0)が、向上するようにフィブリル化を行うことが好ましい。MFCのフィブリル化率をfとすると、フィブリル化率の差Δf=f-f0は、0を超えていればよく、好ましくは0.2%以上であり、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは2.5%以上である。 The fibrillation rate (Fibrillation %) of MFC measured using a fractionator manufactured by Valmet Co., Ltd. is preferably 1.0% or more, more preferably 2.5% or more, and even more preferably 3.5% or more. The fibrillation rate varies depending on the type of cellulose raw material used, but it is considered that fibrillation has occurred within the above range. In the present invention, it is preferable to perform fibrillation so as to improve the fibrillation rate (f 0 ) of the chemically modified cellulose raw material before fibrillation. If the fibrillation rate of MFC is f, the difference in fibrillation rates Δf = f - f 0 should be greater than 0, preferably 0.2% or more, more preferably 1% or more, and even more preferably 2.5% or more.
MFC中のカルボキシル基の量は、MFCの絶乾重量に対して、0.1mmol/g以上が好ましく、0.6mmol/g以上がより好ましく、1.0mmol/g以上がさらに好ましい。当該量の上限は、3.0mmol/g以下が好ましく、2.5mmol/g以下がより好ましく、2.0mmol/g以下がさらに好ましい。従って、当該量は0.1~3.0mmol/gが好ましく、0.6~2.5mmol/gがより好ましく、1.0~2.0mmol/gがさらに好ましい。 The amount of carboxyl groups in MFC is preferably 0.1 mmol/g or more, more preferably 0.6 mmol/g or more, and even more preferably 1.0 mmol/g or more, based on the bone dry weight of MFC. The upper limit of this amount is preferably 3.0 mmol/g or less, more preferably 2.5 mmol/g or less, and even more preferably 2.0 mmol/g or less. Therefore, the amount is preferably 0.1 to 3.0 mmol/g, more preferably 0.6 to 2.5 mmol/g, and even more preferably 1.0 to 2.0 mmol/g.
MFCにおける化学変性セルロースは、化学変性セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシアルキル置換度が0.01~0.50であるカルボキシアルキル化セルロースであることが好ましい。当該置換度の上限は好ましくは0.40以下である。カルボキシアルキル置換度が0.50を超えると水への溶解が起こりやすくなり、水中で繊維形態を維持できなくなることがある。また、カルボキシアルキル化による効果を得るためには、一定程度の置換度を有することは必要であり、例えば、置換度が0.02より小さいと、用途によっては、カルボキシアルキル基を導入したことによる利点が得られない場合がある。したがって、カルボキシアルキル置換度は、0.02以上であることが好ましく、0.05以上であることがより好ましく、0.10以上であることがより好ましく、0.15以上であることがより好ましく、0.20以上であることがより好ましく、0.25以上であることがさらに好ましい。そして、カルボキシアルキル置換度はカルボキシメチル置換度であることが好ましい。 The chemically modified cellulose in MFC is preferably a carboxyalkylated cellulose having a carboxyalkyl substitution degree per glucose unit of 0.01 to 0.50. The upper limit of this substitution degree is preferably 0.40 or less. If the carboxyalkyl substitution degree exceeds 0.50, the cellulose becomes more susceptible to dissolution in water, and the fibrous form may not be maintained in water. Furthermore, a certain degree of substitution is necessary to obtain the benefits of carboxyalkylation. For example, if the substitution degree is less than 0.02, the benefits of introducing a carboxyalkyl group may not be obtained depending on the application. Therefore, the carboxyalkyl substitution degree is preferably 0.02 or more, more preferably 0.05 or more, more preferably 0.10 or more, more preferably 0.15 or more, more preferably 0.20 or more, and even more preferably 0.25 or more. Furthermore, the carboxyalkyl substitution degree is preferably the carboxymethyl substitution degree.
<セルロースI型の結晶化度>
MFCにおけるセルロースの結晶化度は、結晶I型が50%以上であり、好ましくは60%以上である。セルロースの結晶性は、化学変性の度合によって制御できる。セルロースI型の結晶化度の上限は特に限定されないが、現実的には90%程度が上限となると考えられる。
<Crystallization degree of cellulose type I>
The crystallinity of cellulose in MFC is 50% or more, preferably 60% or more, for crystalline type I. The crystallinity of cellulose can be controlled by the degree of chemical modification. There is no particular upper limit to the crystallinity of cellulose type I, but in reality, it is thought that the upper limit is about 90%.
MFCのセルロースI型の結晶化度の測定方法は、以下の通りである:
試料をガラスセルに乗せ、X線回折測定装置(LabX XRD-6000、島津製作所製)を用いて測定する。結晶化度の算出はSegal等の手法を用いて行い、X線回折図の2θ=10°~30°の回折強度をベースラインとして、2θ=22.6°の002面の回折強度と2θ=18.5°のアモルファス部分の回折強度から次式により算出する。
Xc=(I002c-Ia)/I002c×100
Xc=セルロースのI型の結晶化度(%)
I002c:2θ=22.6°、002面の回折強度
Ia:2θ=18.5°、アモルファス部分の回折強度。
The method for measuring the crystallinity of cellulose type I of MFC is as follows:
The sample is placed in a glass cell and measured using an X-ray diffraction measurement device (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The degree of crystallinity is calculated using the method of Segal et al., where the diffraction intensity at 2θ = 10° to 30° in the X-ray diffraction pattern is used as a baseline, and the degree of crystallinity is calculated using the diffraction intensity of the 002 plane at 2θ = 22.6° and the diffraction intensity of the amorphous portion at 2θ = 18.5° according to the following formula:
Xc=(I002c-Ia)/I002c×100
Xc = Crystallinity of cellulose type I (%)
I002c: 2θ=22.6°, diffraction intensity of the 002 plane Ia: 2θ=18.5°, diffraction intensity of the amorphous portion
<アニオン化度>
MFCのアニオン化度(「アニオン電荷密度」ともいう)は、0.10~2.00meq/gである。アニオン化度の測定方法は、以下の通りである:
MFCを水に分散し、固形分10g/Lの水分散体を調製し、マグネチックスターラーを用い10分以上1000rpmにて撹拌する。得られたスラリーを0.1g/Lに希釈後、10mL採取し、流動電流検出器(Mutek Particle Charge Detector 03)用い、1/1000規定度のジアリルジメチルアンモニウムクロリド(DADMAC)で滴定して、流動電流がゼロになるまでのDADMACの添加量を用い、以下の式によりアニオン化度を算出する:
q=(V×c)/m
q:アニオン化度(meq/g)
V:流動電流がゼロになるまでのDADMACの添加量(L)
c:DADMACの濃度(meq/L)
m:測定試料中のMFCの重量(g)。
<Degree of anionization>
The degree of anionization (also referred to as "anion charge density") of the MFC is 0.10 to 2.00 meq/g. The method for measuring the degree of anionization is as follows:
MFC was dispersed in water to prepare an aqueous dispersion with a solid content of 10 g/L, which was then stirred for 10 minutes or more at 1,000 rpm using a magnetic stirrer. The resulting slurry was diluted to 0.1 g/L, and 10 mL of the solution was sampled and titrated with 1/1,000 normality diallyldimethylammonium chloride (DADMAC) using a streaming current detector (Mutek Particle Charge Detector 03). The amount of DADMAC added until the streaming current became zero was used to calculate the degree of anionization according to the following formula:
q = (V × c) / m
q: degree of anionization (meq/g)
V: Amount of DADMAC added until the streaming current becomes zero (L)
c: DADMAC concentration (meq/L)
m: weight (g) of MFC in the measurement sample.
本発明において、「アニオン化度」とは、上記の測定方法から分かるように、単位重量のMFCにおいて、アニオン性基を中和するのに要したDADMACの当量に相当し、単位重量のMFCあたりのアニオンの当量に相当する。 In the present invention, as can be seen from the above measurement method, the "degree of anionization" corresponds to the equivalent of DADMAC required to neutralize the anionic groups in a unit weight of MFC, and corresponds to the equivalent of anions per unit weight of MFC.
MFCのアニオン化度は、1.50meq/g以下が好ましく、1.30meq/g以下がより好ましく、1.00meq/g以下がさらに好ましく、0.80meq/g以下がさらに好ましい。このような範囲のアニオン化度を有するMFCは、アニオン化度がより高いMFCに比べて、化学変性が、局所的ではなく、セルロース全体にわたり均一になされていると考えられ、MFCに特有の効果、例えば、保水性付与等をより安定に得ることができると考えられる。 The degree of anionization of MFC is preferably 1.50 meq/g or less, more preferably 1.30 meq/g or less, even more preferably 1.00 meq/g or less, and even more preferably 0.80 meq/g or less. Compared to MFCs with a higher degree of anionization, MFCs with a degree of anionization within this range are thought to be chemically modified uniformly throughout the cellulose rather than locally, and are thought to be able to more stably achieve the effects unique to MFCs, such as imparting water retention.
<保水能>
MFCの、以下の方法で測定される保水能は、15以上であることが好ましい。保水能の測定方法は、以下の通りである:
MFCの固形分0.3重量%のスラリー(媒質:水)を40mL調製する。このときのスラリーの重量をAとする。次いで、高速冷却遠心機を用いてスラリーの全量を30℃で、25000Gで30分間遠心分離し、水相と沈降物とを分離する。このときの沈降物の重量をBとする。また、水相をアルミカップに入れ、105℃で一昼夜乾燥させて水を除去し、水相中の固形分の重量を測定する。この水相中の固形分の重量をCとする。以下の式を用いて、保水能を計算する。
保水能=(B+C-0.003×A)/(0.003×A-C)。
<Water retention capacity>
The water retention capacity of the MFC measured by the following method is preferably 15 or more. The water retention capacity is measured by the following method:
40 mL of slurry (medium: water) with a solids content of 0.3 wt% MFC is prepared. The weight of the slurry at this stage is designated as A. Next, the entire amount of the slurry is centrifuged at 30°C and 25,000 G for 30 minutes using a high-speed refrigerated centrifuge to separate the aqueous phase from the sediment. The weight of the sediment at this stage is designated as B. The aqueous phase is placed in an aluminum cup and dried overnight at 105°C to remove the water, and the weight of the solids in the aqueous phase is measured. The weight of the solids in this aqueous phase is designated as C. The water retention capacity is calculated using the following formula:
Water retention capacity = (B + C - 0.003 x A) / (0.003 x A - C).
保水能は、上述の式の通り、沈降物中の繊維の固形分の重量に対する沈降物中の水の重量に相当する。値が大きいほど、繊維が水を保持する力が高いことを意味する。本発明のMFCにおける保水能は、好ましくは15以上であり、より好ましくは20以上であり、さらに好ましくは30以上である。上限は特に限定されないが、現実的には200以下程度となると思われる。 As shown in the formula above, water retention capacity corresponds to the weight of water in the sediment relative to the weight of the solid fiber content in the sediment. The higher the value, the stronger the fiber's ability to retain water. The water retention capacity of the MFC of the present invention is preferably 15 or more, more preferably 20 or more, and even more preferably 30 or more. There is no particular upper limit, but in reality it is thought to be around 200 or less.
上述の保水能の測定方法はフィブリル化された繊維に適用され、フィブリル化または解繊されていない繊維や、シングルミクロフィブリルにまで解繊されたセルロースナノファイバーに対しては通常適用できない。フィブリル化または解繊されていないセルロース繊維の保水能を上述の方法で測定しようとすると、上述の遠心分離の条件では密な沈降物が形成できず、沈降物と水相とを分離することが困難である。また、セルロースナノファイバーは、上述の遠心分離の条件ではほとんど沈降しない。 The above-mentioned method for measuring water retention capacity applies to fibrillated fibers and is generally not applicable to fibers that have not been fibrillated or defibrated, or to cellulose nanofibers that have been defibrated down to single microfibrils. When attempting to measure the water retention capacity of cellulose fibers that have not been fibrillated or defibrated using the above-mentioned method, a dense sediment cannot be formed under the above-mentioned centrifugation conditions, making it difficult to separate the sediment from the aqueous phase. Furthermore, cellulose nanofibers hardly settle under the above-mentioned centrifugation conditions.
<粘度>
本発明のMFCは、水を分散媒として分散体としたときに(水分散体)、比較的低い粘度を示すことが好ましい。これにより、フィブリル化されているにもかかわらず、ハンドリング性の良い素材となる。本発明において、粘度の測定方法は、以下の通りである:
MFCをポリプロピレン製容器に量り取り、イオン交換水160mLに分散し、固形分1重量%となるように水分散体を調製する。水分散体の温度を25℃に調整した後、JIS-Z-8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、回転数60rpmで1分後の粘度を測定する。
<Viscosity>
The MFC of the present invention preferably exhibits a relatively low viscosity when dispersed in water as a dispersion medium (aqueous dispersion). This allows the material to be easily handled despite being fibrillated. In the present invention, the viscosity is measured by the following method:
The MFC was weighed into a polypropylene container and dispersed in 160 mL of ion-exchanged water to prepare an aqueous dispersion with a solid content of 1% by weight. The temperature of the aqueous dispersion was adjusted to 25°C, and the viscosity after 1 minute was measured at 60 rpm using a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) in accordance with the method of JIS-Z-8803.
本発明のMFCの前記粘度(25℃、60rpm)は、好ましくは10000mPa・s以下である。下限値については、好ましくは10mPa・s以上、より好ましくは20mPa・s以上、さらに好ましくは50mPa・s以上であり、上限値についてはより好ましくは7000mPa・s以下である。 The viscosity (25°C, 60 rpm) of the MFC of the present invention is preferably 10,000 mPa·s or less. The lower limit is preferably 10 mPa·s or more, more preferably 20 mPa·s or more, and even more preferably 50 mPa·s or more, and the upper limit is preferably 7,000 mPa·s or less.
<その他>
本発明のMFCは、固形分濃度1.0重量%の水分散体とした際に、好ましくは500mS/m以下の電気伝導度を有する。電気伝導度は、より好ましくは300mS/m以下であり、さらに好ましくは200mS/m以下であり、よりさらに好ましくは100mS/m以下であり、特に好ましくは70mS/m以下である。電気伝導度の下限は、好ましくは5mS/m以上であり、より好ましくは10mS/m以上である。電気伝導度の測定方法は、以下の通りである:
MFCの固形分濃度1.0重量%の水分散体200gを調製し、十分に撹拌する。その後、電気伝導度計(HORIBA社製ES-71型)を用いて電気伝導度を測定する。
<Others>
The MFC of the present invention preferably has an electrical conductivity of 500 mS/m or less when dispersed in water at a solid content concentration of 1.0 wt %. The electrical conductivity is more preferably 300 mS/m or less, even more preferably 200 mS/m or less, even more preferably 100 mS/m or less, and particularly preferably 70 mS/m or less. The lower limit of the electrical conductivity is preferably 5 mS/m or more, more preferably 10 mS/m or more. The electrical conductivity is measured as follows:
200 g of an aqueous dispersion of MFC with a solid content of 1.0 wt % was prepared and thoroughly stirred, after which the electrical conductivity was measured using an electrical conductivity meter (HORIBA ES-71).
本発明のMFCのBET比表面積は、好ましくは30m2/g以上であり、より好ましくは50m2/g以上であり、さらに好ましくは100m2/g以上である。BET比表面積が高いと、例えば製紙用添加剤として用いた場合にパルプに結合しやすくなり、歩留まりが向上する、紙への強度付与の効果が高まるなどの利点がある。BET比表面積は、窒素ガス吸着法(JISZ8830)を参考に以下の方法により測定できる。
(1)MFCの約2%スラリー(分散媒:水)を、固形分が約0.1gとなるように取り分けて遠心分離の容器に入れ、100mLのエタノールを加える。
(2)撹拌子を入れ、500rpmで30分以上撹拌する。
(3)撹拌子を取り出し、遠心分離機で、7000G、30分、30℃の条件でMFCを沈降させる。
(4)MFCをできるだけ除去しないようにしながら、上澄みを除去する。
(5)100mLのエタノールを加え、撹拌子を入れ、(2)の条件で攪拌、撹拌子を取り出し、(3)の条件で遠心分離、(4)の条件で上澄み除去をし、これを3回繰り返す。
(6)(5)の溶媒をエタノールからt-ブタノールに変え、t-ブタノールの融点以上の室温下で、(5)と同様にして撹拌、遠心分離、上澄み除去を3回繰り返す。
(7)最後の溶媒除去後、t-ブタノールを30mL加え、軽く混ぜた後にナスフラスコに移し、氷浴を用いて凍結させる。
(8)冷凍庫で30分以上冷却する。
(9)凍結乾燥機に取り付け、3日間凍結乾燥する。
(10)BET測定を行う(前処理条件:窒素気流下105℃2時間、相対圧0.01~0.30、サンプル量30mg程度)。
The BET specific surface area of the MFC of the present invention is preferably 30 m 2 /g or more, more preferably 50 m 2 /g or more, and even more preferably 100 m 2 /g or more. A high BET specific surface area has advantages such as easier bonding to pulp when used as a papermaking additive, improving yield and increasing the effect of imparting strength to paper. The BET specific surface area can be measured by the following method with reference to the nitrogen gas adsorption method (JIS Z8830).
(1) Approximately 2% slurry of MFC (dispersion medium: water) was separated so that the solid content was approximately 0.1 g and placed in a centrifuge container, and 100 mL of ethanol was added.
(2) Add a stirrer and stir at 500 rpm for at least 30 minutes.
(3) Remove the stirring bar and sediment the MFC in a centrifuge at 7000 G for 30 minutes at 30°C.
(4) Remove the supernatant while trying to remove as little MFC as possible.
(5) Add 100 mL of ethanol, add a stir bar, stir under the conditions of (2), remove the stir bar, centrifuge under the conditions of (3), and remove the supernatant under the conditions of (4). Repeat this process three times.
(6) The solvent in (5) is changed from ethanol to t-butanol, and the stirring, centrifugation, and supernatant removal are repeated three times in the same manner as in (5) at room temperature above the melting point of t-butanol.
(7) After the final solvent removal, add 30 mL of t-butanol, mix gently, then transfer to a recovery flask and freeze using an ice bath.
(8) Cool in the freezer for at least 30 minutes.
(9) Place in a freeze-dryer and freeze-dry for 3 days.
(10) BET measurement is carried out (pretreatment conditions: under nitrogen flow at 105°C for 2 hours, relative pressure 0.01 to 0.30, sample amount approximately 30 mg).
本発明のMFCのショッパー・リーグラろ水度は特に限定されないが、好ましくは1°SR以上である。ショッパー・リーグラろ水度の測定方法は、JIS P82121-1:2012に準じ、具体的には、以下の通りである:
MFCを水に分散し、固形分10g/Lの水分散体を調製し、撹拌子を入れ、1000rpmで10分以上撹拌する。得られたスラリーを2g/Lに希釈する。ミューテック社製DFR-04に60メッシュスクリーン(ワイヤー太さ0.17mm)をセットし、1000mlの検液から、上記メッシュを通過する液量を60秒間計測し、JIS P8121-1:2012に準じた方法で、ショッパー・リーグラろ水度を算出する。
The Schopper-Riegler freeness of the MFC of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1°SR or more. The Schopper-Riegler freeness is measured in accordance with JIS P82121-1:2012, specifically as follows:
MFC was dispersed in water to prepare an aqueous dispersion with a solids content of 10 g/L. A stirrer was added and the mixture was stirred at 1000 rpm for 10 minutes or more. The resulting slurry was diluted to 2 g/L. A 60-mesh screen (wire diameter 0.17 mm) was installed in a Mutec DFR-04, and the amount of liquid passing through the mesh from 1000 ml of test liquid was measured for 60 seconds. The Schopper-Riegler freeness was calculated according to JIS P8121-1:2012.
ショッパー・リーグラろ水度は、繊維の懸濁液の水切れの程度の指標であり、下限値は0°SR、上限値は100°SRであり、ショッパー・リーグラろ水度が100°SRに近づくほど、水切れ(排水量)が少ないことを示す。 Schopper-Riegler freeness is an index of the degree of drainage of a fiber suspension, with the lower limit being 0°SR and the upper limit being 100°SR. The closer the Schopper-Riegler freeness is to 100°SR, the less drainage (discharge volume) is indicated.
本発明のMFCのショッパー・リーグラろ水度の下限は、特に限定されないが、好ましくは1°SR以上であり、より好ましくは10°SR以上であり、より好ましくは25°SR以上であり、より好ましくは40°SR以上であり、さらに好ましくは50°SR以上である。上限は特に限定されず、100°SR以下である。 The lower limit of the Schopper-Riegler freeness of the MFC of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1°SR or more, more preferably 10°SR or more, more preferably 25°SR or more, more preferably 40°SR or more, and even more preferably 50°SR or more. The upper limit is not particularly limited, but is 100°SR or less.
本発明のMFCは、固形分濃度1.0重量%の水分散体とした際の透明度(660nm光の透過率)が、60%未満であることが好ましく、40%以下であることがより好ましく、30%以下であることがさらに好ましく、20%以下であることがよりさらに好ましく、10%以下であることが特に好ましい。その下限は特に限定されず、0%以上であってよい。透明度がこのような範囲であると、フィブリル化の程度が適度であり、本発明の効果が得られやすい。透明度は、以下の方法で測定することができる。 When the MFC of the present invention is dispersed in water at a solids concentration of 1.0% by weight, the transparency (transmittance of 660 nm light) is preferably less than 60%, more preferably 40% or less, even more preferably 30% or less, even more preferably 20% or less, and particularly preferably 10% or less. The lower limit is not particularly limited and may be 0% or more. When the transparency is in this range, the degree of fibrillation is appropriate, making it easier to achieve the effects of the present invention. Transparency can be measured by the following method.
MFCの水分散体(固形分濃度1.0%(w/v)、分散媒:水)を調製し、UV-VIS分光光度計UV-1800(島津製作所社製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて波長660nmの光の透過率を測定する。 An aqueous dispersion of MFC (solids concentration 1.0% (w/v), dispersion medium: water) was prepared, and the transmittance of light with a wavelength of 660 nm was measured using a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (Shimadzu Corporation) in a square cell with an optical path length of 10 mm.
本発明のMFCは、水を分散媒とした際に、固形分濃度2重量%以上程度で、半透明から白色のゲル、またはクリーム状、ペースト状となる。MFCは、製造後に得られる分散体の状態であってもよいが、必要に応じて乾燥してもよく、また水に再分散してもよい。乾燥方法は限定されないが、例えば凍結乾燥法、噴霧乾燥法、棚段式乾燥法、ドラム乾燥法、ベルト乾燥法、ガラス板等に薄く伸展し乾燥する方法、流動床乾燥法、マイクロウェーブ乾燥法、起熱ファン式減圧乾燥法などの既知の方法を使用できる。乾燥後に必要に応じて、カッターミル、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル等で粉砕してもよい。また、水への再分散の方法も特に限定されず、既知の分散装置を使用することができる。 When water is used as a dispersion medium, the MFC of the present invention has a solids concentration of approximately 2% by weight or more and is in the form of a translucent to white gel, cream, or paste. The MFC may be in the form of a dispersion obtained after production, or may be dried or redispersed in water as needed. The drying method is not limited, and known methods such as freeze drying, spray drying, tray drying, drum drying, belt drying, thin spreading on a glass plate or the like and drying, fluidized bed drying, microwave drying, and heated fan-type vacuum drying can be used. After drying, the MFC may be pulverized as needed using a cutter mill, hammer mill, pin mill, jet mill, or the like. The method for redispersing the MFC in water is also not particularly limited, and known dispersion devices can be used.
<MFCの製造方法>
本発明のMFCは、まず化学変性されたセルロース原料を準備し、次いでそれをフィブリル化することにより製造することができる。化学変性の種類としては、前述した通り、例えば、セルロースのカルボキシル化、カルボキシアルキル化、リン酸エステル化などを挙げることができるが、これらに限定されない。フィブリル化に供する化学変性されたセルロース原料としては、市販のものを用いてもよいし、例えば後述するセルロースを化学変性することにより、製造してもよい。
<Method for manufacturing MFC>
The MFC of the present invention can be produced by first preparing a chemically modified cellulose raw material and then fibrillating it. As mentioned above, types of chemical modification include, but are not limited to, carboxylation, carboxyalkylation, and phosphate esterification of cellulose. The chemically modified cellulose raw material to be fibrillated may be commercially available, or may be produced by chemically modifying cellulose, as described below.
1)セルロース
MFCの原料となるセルロースとしては、特に限定されないが、例えば、植物、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物に由来するものが挙げられる。植物由来のものとしては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、針葉樹溶解パルプ、広葉樹溶解パルプ、再生パルプ、古紙パルプ等)が挙げられる。また、上述のセルロースを粉砕処理したセルロースパウダーを使用してもよい。セルロースとして、これらのいずれかまたは組合せを使用してもよいが、好ましくは植物または微生物由来のセルロースであり、より好ましくは植物由来のセルロースであり、さらに好ましくは植物由来のパルプである。
1) Cellulose The cellulose used as a raw material for MFC is not particularly limited, and examples thereof include those derived from plants, animals (e.g., ascidians), algae, microorganisms (e.g., acetic acid bacteria (Acetobacter)), and microbial products. Examples of plant-derived cellulose include wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, agricultural waste, cloth, and pulp (softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP), softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), softwood dissolving pulp, hardwood dissolving pulp, recycled pulp, and waste paper pulp). Cellulose powder obtained by pulverizing the above-mentioned cellulose may also be used. Any one or a combination of these may be used as the cellulose, but cellulose derived from plants or microorganisms is preferred, cellulose derived from plants is more preferred, and pulp derived from plants is even more preferred.
本発明では、MFCにおける50%以上のセルロースI型の結晶化度を維持するために、セルロースI型の結晶化度が高いセルロースを原料として用いることが好ましい。セルロースのセルロースI型の結晶化度は、好ましくは、70%以上であり、さらに好ましくは80%以上である。セルロースI型の結晶化度の測定方法は、上述した通りである。 In the present invention, in order to maintain a crystallinity of cellulose type I of 50% or more in MFC, it is preferable to use cellulose with a high crystallinity of cellulose type I as the raw material. The crystallinity of cellulose type I of the cellulose is preferably 70% or more, and more preferably 80% or more. The method for measuring the crystallinity of cellulose type I is as described above.
2)化学変性
化学変性とはセルロースに官能基を導入することをいい、アニオン性基を導入することが好ましい。アニオン性基としてはカルボキシル基、カルボキシル基含有基、リン酸基、リン酸基含有基等の酸基が挙げられる。カルボキシル基含有基としては、-R-COOH(Rは炭素数が1~3のアルキレン基)、-O-R-COOH(Rは炭素数が1~3のアルキレン基)が挙げられる。リン酸基含有基としては、ポリリン酸基、亜リン酸基、ホスホン酸基、ポリホスホン酸基等が挙げられる。これらの酸基は反応条件によっては、塩の形態(例えばカルボキシレート基(-COOM、Mは金属原子))で導入されることもある。化学変性は、酸化またはエーテル化が好ましい。酸化またはエーテル化は、例えば特開2019-104833等に記載されているような公知の方法に従って実施できる。また、MFCのカルボキシル基量および化学変性セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度も、例えば特開2019-104833等に記載されているような公知の方法に従って測定可能である。
2) Chemical Modification Chemical modification refers to the introduction of functional groups into cellulose, and the introduction of anionic groups is preferred. Examples of anionic groups include acid groups such as carboxyl groups, carboxyl group-containing groups, phosphate groups, and phosphate group-containing groups. Examples of carboxyl group-containing groups include -R-COOH (R is an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms) and -O-R-COOH (R is an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms). Examples of phosphate group-containing groups include polyphosphate groups, phosphite groups, phosphonic acid groups, and polyphosphonic acid groups. Depending on the reaction conditions, these acid groups may be introduced in the form of a salt (e.g., a carboxylate group (-COOM, M is a metal atom)). Chemical modification is preferably oxidation or etherification. Oxidation or etherification can be carried out according to known methods, such as those described in JP 2019-104833 A. In addition, the amount of carboxyl groups in MFC and the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of chemically modified cellulose can also be measured according to known methods such as those described in JP-A-2019-104833.
3)フィブリル化
化学変性されたセルロース原料を解繊または叩解することにより、MFCを得る。フィブリル化における解繊または叩解は、ディスク型、コニカル型、シリンダー型等といったリファイナー、高速解繊機、せん断型撹拌機、コロイドミル、高圧噴射分散機、ビーター、PFIミル、ニーダー、ディスパーザーなどを用いて、湿式で(すなわち、水等を分散媒とする分散体の形態で)行うことが好ましいが、特にこれらの装置に限定されず、湿式にて機械的な解繊力を付与する装置であればいずれでもよい。
3) Fibrillation MFC is obtained by defibrating or beating the chemically modified cellulose raw material. Defibration or beating in the fibrillation is preferably carried out in a wet manner (i.e., in the form of a dispersion in water or the like) using a refiner such as a disk-type, conical-type, or cylindrical-type, a high-speed defibrator, a shear-type mixer, a colloid mill, a high-pressure jet disperser, a beater, a PFI mill, a kneader, a disperser, or the like, but is not particularly limited to these devices, and any device that imparts mechanical defibration force in a wet manner may be used.
本発明では、ディスク型リファイナー(ディスクリファイナー)の一種であるダブルディスクリファイナー(「DDR」と略記することがある。)を用いて、原料としての化学変性セルロースを処理してフィブリル化することにより得られるDDR処理MFCを使用することが好ましい。DDR処理MFCはフィブリル化が進行しているため、DDR処理MFCをクリア塗工層に含有する紙は高い印刷表面強度を発現する。当該装置によってなされる処理は叩解処理または解繊処理であってよく、好ましくは叩解処理である。 In the present invention, it is preferable to use DDR-treated MFC, which is obtained by treating and fibrillating the raw material, chemically modified cellulose, using a double disc refiner (sometimes abbreviated as "DDR"), a type of disc-type refiner (disc refiner). Because DDR-treated MFC is highly fibrillated, paper containing DDR-treated MFC in the clear coating layer exhibits high print surface strength. The treatment performed by this device may be a beating treatment or a defibration treatment, with beating being preferred.
<ディスクリファイナー>
ディスクリファイナーとは、叩解刃のついた円盤(ディスクプレート(単に「ディスク」ということがある。))が至近距離で向い合い、一方のみが、または双方が相互に逆方向に所定の回転数で回転して、その間を通過するスラリーに対して加圧叩解の効果と遠心力による連続送り出し効果とを与える装置をいう。ディスクリファイナーのうち、ディスクプレートによって形成される叩解間隙の数が二つのものを、ダブルディスクリファイナー(「DDR」と略記することがある。)という。
<Disc refiner>
A disc refiner is a device in which two discs (disc plates (sometimes simply called "discs")) with beating blades face each other at close range, with either one or both rotating in opposite directions at a predetermined rotation speed, providing the slurry passing between them with a pressurized beating effect and a continuous feeding effect through centrifugal force. Disc refiners with two beating gaps formed by the disc plates are called double disc refiners (sometimes abbreviated as "DDR").
<ダブルディスクリファイナー>
ダブルディスクリファイナーは、2個のディスクDAおよびDBと、その間にディスクDMを備え、DAおよびDBまたはDMの何れか一方が固定され、他方が回転する構成、もしくは、DAおよびDBとDMとが逆方向に回転する構成をとる。ダブルディスクリファイナーとして、2個のディスクDA、DBが固定ディスクであり、DMがその間で自由に回転するフローティングディスクである構成をとるものとしては、例えば、相川鉄工株式会社製のダブルディスクリファイナー、三菱重工業/ベロイト(ジョーンズ)製のダブルディスクリファイナー、石川島産業機械/ブラック・クローソン製のツインハイドラディスク、日立造船(日立造船富岡機械)/エッシャーウイス製のツインディスクリファイナー等が挙げられる。
<Double disc refiner>
A double disc refiner has two discs, DA and DB, and a disc DM between them, with either the DA and DB or the DM being fixed and the other rotating, or the DA and DB and the DM rotating in opposite directions. Examples of double disc refiners with fixed discs, DA and DB, and the DM being a floating disc that rotates freely between them include the double disc refiner manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd., the double disc refiner manufactured by Mitsubishi Heavy Industries/Beloit (Jones), the twin hydra disc manufactured by Ishikawajima Industrial Machinery/Black & Clawson, and the twin disc refiner manufactured by Hitachi Zosen (Hitachi Zosen Tomioka Machinery)/Escher Wyss.
本態様において、ダブルディスクリファイナーを用いた叩解処理を循環処理としてもよいし、複数台のダブルディスクリファイナーを用いて叩解処理を連続して行う連続処理としてもよい。ダブルディスクリファイナーを用いた叩解処理を循環処理または連続処理とした場合における叩解処理のパス数は、所望のMFCが得られる限り限定されないが、生産性の観点、および繊維の過剰な短小化や処理時に発生する熱による劣化を抑える観点から、30回以下が好ましく、20回以下がより好ましく、10回以下がさらに好ましく、5回以下がさらに好ましい。 In this embodiment, the beating process using a double disc refiner may be a circulating process, or a continuous process in which the beating process is carried out continuously using multiple double disc refiners. When the beating process using a double disc refiner is a circulating process or a continuous process, the number of passes of the beating process is not limited as long as the desired MFC is obtained. However, from the viewpoint of productivity and from the viewpoint of preventing excessive fiber shortening and deterioration due to heat generated during the process, 30 passes or less is preferable, 20 passes or less is more preferable, 10 passes or less is even more preferable, and 5 passes or less is even more preferable.
叩解処理を循環処理とした場合であって、部分循環とした場合における叩解処理のパス数は、処理する原料が1台のダブルディスクリファイナーを通過して回収された回数に、下記nを乗じた数とする。
n=1/(1-a)
ここで、a=循環割合である。(循環率50%の場合、a=0.5であり、循環率75%の場合、a=0.75である)
When the beating process is a circulation process and partial circulation is used, the number of passes of the beating process is the number of times the raw material to be processed passes through one double disc refiner and is recovered multiplied by n as follows:
n=1/(1−a)
Here, a = circulation rate. (When the circulation rate is 50%, a = 0.5, and when the circulation rate is 75%, a = 0.75.)
部分循環を行うダブルディスクリファイナーを複数台用いて連続処理をする場合における叩解処理のパス数は、1台のリファイナーごとに上記の方法でパス数を算出し、足し合わせた数とする。 When continuous processing is performed using multiple double-disc refiners with partial circulation, the number of passes in the beating process is calculated for each refiner using the method described above and then added together.
叩解処理を循環処理とした場合であって、完全循環によるバッチ処理を行う場合における叩解処理のパス回数は、処理する原料が回収するまでにダブルディスクリファイナーを通過した回数とする。 When the beating process is a circulating process and batch processing is performed with complete circulation, the number of passes in the beating process is the number of times the raw material passes through the double disc refiner before being recovered.
複数台のダブルディスクリファイナーを用いて叩解処理を連続処理とした場合における叩解処理のパス数は、処理される原料が1台のダブルディスクリファイナーを通過する毎に1回加算される。 When multiple double disc refiners are used for continuous beating, the number of passes in the beating process is counted as one each time the raw material passes through one double disc refiner.
2個のディスクDAおよびDBの刃幅としては、0.3~1.5mmが好ましく、0.5~1.3mmであることがより好ましい。DAおよびDBの溝幅としては、0.5~2.0mmが好ましく、0.8~1.7mmがより好ましい。DAおよびDBの刃幅および溝幅は、同じであってもよいし、異なってもよい。刃角度は特に限定されないが、0~40°が好ましく、5~20°が特に好ましい。 The blade width of the two discs DA and DB is preferably 0.3 to 1.5 mm, and more preferably 0.5 to 1.3 mm. The groove width of DA and DB is preferably 0.5 to 2.0 mm, and more preferably 0.8 to 1.7 mm. The blade width and groove width of DA and DB may be the same or different. There are no particular limitations on the blade angle, but 0 to 40° is preferred, and 5 to 20° is particularly preferred.
ダブルディスクリファイナーは、原料の流れ方式によりモノフロー式とデュオフロー式の二種類に大別される。モノフロー式は、原料が、原料流入側に近い叩解間隙から、他方の叩解間隙へ流れる方式であり、デュオフロー式は、原料が中心部より挿入され、DMの両面に形成される叩解間隙を平行に流れる方式である。本発明の製造方法においては、効率よく解繊が進む観点から、原料の流れ方式として、モノフロー式が好ましい。 Double disc refiners are broadly divided into two types, monoflow and duoflow, depending on the raw material flow method. In the monoflow type, the raw material flows from the beating gap closest to the raw material inlet side to the other beating gap, while in the duoflow type, the raw material is inserted from the center and flows in parallel through the beating gaps formed on both sides of the DM. In the manufacturing method of the present invention, the monoflow type is preferred as the raw material flow method from the perspective of efficient fiberization.
ダブルディスクリファイナーは、一態様において、原料入口、当該入り口から投入されたパルプ原料を叩解する叩解室、当該室内に配置された回転ディスクDMを有し、回転ディスクDMの両面には、所定の刃幅および溝幅を有する刃物が取り付けられている。叩解室の内壁には、回転ディスクDMの両面に取り付けられた刃物に対向して、固定ディスクDAおよび固定ディスクDBがそれぞれ配置される。固定ディスクDAおよび固定ディスクDBには、所定の刃幅および溝幅を有する刃物が取り付けられている。回転ディスクDMは、駆動軸に取り付けられており、駆動軸は、モーターに連結され、回転駆動される。叩解室には、叩解された原料を叩解室へ循環させるための循環配管と、叩解された原料を叩解室外へ排出する排出口と、排出口から回収用タンクに送るための出口配管が設けられている。循環配管と出口配管の流量は、手動バルブで調節される。 In one embodiment, a double-disc refiner has a raw material inlet, a beating chamber that beats the pulp raw material fed through the inlet, and a rotating disc DM placed within the chamber. Blades with predetermined blade widths and groove widths are attached to both sides of the rotating disc DM. Fixed discs DA and DB are placed on the inner wall of the beating chamber, facing the blades attached to both sides of the rotating disc DM. Blades with predetermined blade widths and groove widths are attached to the fixed discs DA and DB. The rotating disc DM is attached to a drive shaft, which is connected to a motor and driven to rotate. The beating chamber is equipped with a circulation pipe for circulating the beaten raw material back into the beating chamber, a discharge port for discharging the beaten raw material outside the beating chamber, and an outlet pipe for sending the material from the discharge port to a recovery tank. The flow rates in the circulation pipe and outlet pipe are adjusted by manual valves.
原料の流れ方式がモノフロー式である場合は、2個のディスクDAおよびDBのうち、原料入口側から数えて第1のディスクであるDAの刃幅(X1)と第2のディスクであるDBの刃幅(X2)の関係により、下記のようなメリットがある。
X1=X2:得られるMFCの繊維幅、繊維長がそろいやすい。
X1>X2:原料が、広い刃上で叩解されフィブリル化された後に狭い刃で叩解されてカッティングが進むため、原料が未解繊のまま通過しにくくなる。
X1<X2:原料が幅の狭い刃で叩解されてカッティングが進んだ後に、広い刃上で叩解されてフィブリル化が進むため、フィブリル化が進んだ微細な繊維分が得られやすい。
When the raw material flow method is a monoflow type, the following advantages are obtained depending on the relationship between the blade width (X1) of the first disk DA, counting from the raw material inlet side, and the blade width (X2) of the second disk DB, of the two disks DA and DB.
X1 = X2: The fiber width and fiber length of the obtained MFC are likely to be uniform.
X1>X2: The raw material is beaten and fibrillated on the wide blade, and then beaten and cut by the narrow blade, making it difficult for the raw material to pass through unfibrillated.
X1<X2: After the raw material is beaten with narrow blades and cutting progresses, it is beaten on wide blades and fibrillation progresses, so that fine fibers with advanced fibrillation are likely to be obtained.
また、原料の流れ方式がモノフロー式である場合は、2個のディスクDAおよびDBのうち、原料入口側から数えて第1のディスクであるDAの溝幅(Y1)と第2のディスクであるDBの溝幅(Y2)の関係により、下記のようなメリットがある。
Y1=Y2:得られるMFCの繊維幅、繊維長がそろいやすい。
Y1>Y2:原料が、広い叩解間隙を通過した後に狭い叩解間隙を通過するため、余剰な負荷がかかりにくく、粘度が高いものを処理するのに適する。
Y1<Y2:最初に狭い叩解間隙を通過する際に解繊が進み、粘度が上がりやすいものの、次に広い叩解間隙を通過することになり、原料が滞ることなく通過できる。
Furthermore, when the raw material flow method is a monoflow method, the relationship between the groove width (Y1) of the first disk DA, counting from the raw material inlet side, and the groove width (Y2) of the second disk DB, of the two disks DA and DB, has the following advantages:
Y1=Y2: The fiber width and fiber length of the obtained MFC are likely to be uniform.
Y1>Y2: The raw material passes through a wide beating gap and then a narrow beating gap, so that excessive load is not easily applied, and this is suitable for processing highly viscous materials.
Y1<Y2: When the raw material first passes through a narrow beating gap, defibration progresses and the viscosity tends to increase, but the raw material then passes through a wider beating gap, allowing it to pass through without stagnation.
ダブルディスクリファイナーの運転条件として、DAとDMおよびDBとDMとのクリアランスは0.6mm以下が好ましく、0.4mm以下がより好ましく、0.2mm以下がさらに好ましい。下限は限定されないが、メタルタッチを避けるため、0.02mm以上が好ましい。運転温度としては、5~120℃が好ましい。所望の繊維幅を有する化学変性ミクロフィブリルセルロース繊維が得られるように、流量、処理時間またはその他条件等は、適宜調整される。 As operating conditions for the double disc refiner, the clearance between DA and DM and between DB and DM is preferably 0.6 mm or less, more preferably 0.4 mm or less, and even more preferably 0.2 mm or less. There is no lower limit, but to avoid metal touch, 0.02 mm or more is preferred. The operating temperature is preferably 5 to 120°C. The flow rate, processing time, and other conditions are adjusted as appropriate to obtain chemically modified microfibril cellulose fibers with the desired fiber width.
化学変性セルロースは水分散体として叩解処理工程に供されるが、その際の固形分濃度は、移送の観点から通常は15重量%以下であり、0.3~10重量%が好ましく、0.5~6重量%がより好ましい。固形分濃度が低すぎると叩解時プレートの刃と接触しにくく、叩解効率が低下する。固形分濃度は叩解処理を含む機械的処理中に変動しうるが、本発明においては、叩解処理開始時の固形分濃度を、叩解処理工程における固形分濃度という。 Chemically modified cellulose is subjected to the beating process as an aqueous dispersion, and from the perspective of transportation, the solids concentration at this time is usually 15% by weight or less, preferably 0.3 to 10% by weight, and more preferably 0.5 to 6% by weight. If the solids concentration is too low, it is difficult for the cellulose to come into contact with the blades of the beating plate during beating, resulting in reduced beating efficiency. The solids concentration may fluctuate during mechanical processing, including beating, but in the present invention, the solids concentration at the start of beating is referred to as the solids concentration during the beating process.
化学変性パルプの固形分濃度を15重量%以下に調整する方法としては、希釈が挙げられる。 Dilution is one method for adjusting the solids concentration of chemically modified pulp to 15% by weight or less.
ダブルディスクリファイナーを用いた叩解処理工程の前後に、ダブルディスクリファイナー以外の装置を用いた機械的処理を行う機械的処理工程を1以上設けてもよい。また、当該叩解処理工程の前後に、固形分濃度が15重量%より高い化学変性セルロースの水分散体に対して機械的処理を行う機械的処理工程を設けてもよい。 Before or after the beating process using a double disc refiner, one or more mechanical treatment steps may be performed using a device other than a double disc refiner. Also, before or after the beating process, a mechanical treatment step may be performed on an aqueous dispersion of chemically modified cellulose having a solids concentration of more than 15% by weight.
前記機械的処理とは、繊維を混合しさらに微細化またはフィブリル化することをいい、叩解、解繊、分散、混練等を含む。ここで、固形分濃度が15重量%より高い条件での機械的処理を「高濃度機械的処理」ということがあり、特に機械的処理が叩解である場合は「高濃度叩解」ともいう。同様に、固形分濃度15重量%以下の条件での機械的処理を「低濃度機械的処理」ということがあり、特に機械的処理が叩解である場合は、「低濃度叩解」ともいう。本発明においは、ダブルディスクリファイナーを用いて固形分濃度が15重量%以下での叩解処理工程を少なくとも1回行うことが好ましく、その際は、機械的処理を複数回実施してもよい。 The mechanical treatment refers to mixing fibers and further refining or fibrillating them, and includes beating, defibrating, dispersing, kneading, etc. Here, mechanical treatment under conditions where the solids concentration is higher than 15% by weight is sometimes referred to as "high-concentration mechanical treatment," and when the mechanical treatment is beating, it is also referred to as "high-concentration beating." Similarly, mechanical treatment under conditions where the solids concentration is 15% by weight or less is sometimes referred to as "low-concentration mechanical treatment," and when the mechanical treatment is beating, it is also referred to as "low-concentration beating." In the present invention, it is preferable to perform the beating treatment step at a solids concentration of 15% by weight or less at least once using a double-disc refiner, and in this case, mechanical treatment may be performed multiple times.
機械的処理は、循環運転(バッチ処理)としてもよいし、部分循環運転としてもよいし、複数台の装置を用いた機械的処理を連続して行う連続処理としてもよい。高濃度機械的処理と低濃度機械的処理とを組み合わせて実施してもよく、これらの機械的処理を組み合わせる場合、処理の順番は限定されないが、濃縮のしやすさの観点から高濃度機械的処理を先に行うことが好ましい。例えば、化学変性セルロースを高濃度機械的処理した後に、当該処理で得られた化学変性セルロースを15重量%以下に希釈して、ダブルディスクリファイナーを用いた叩解処理を行うことにより、MFCを得てもよい。 Mechanical treatment may be performed as a circulation operation (batch treatment), a partial circulation operation, or a continuous treatment in which mechanical treatment is performed continuously using multiple devices. High-concentration mechanical treatment and low-concentration mechanical treatment may be performed in combination. When combining these mechanical treatments, the order of treatment is not limited, but from the perspective of ease of concentration, it is preferable to perform the high-concentration mechanical treatment first. For example, MFC may be obtained by subjecting chemically modified cellulose to high-concentration mechanical treatment, diluting the chemically modified cellulose obtained by this treatment to 15% by weight or less, and then beating it using a double-disc refiner.
低濃度機械的処理に用いることができる装置としては、例えば高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などのタイプの装置が挙げられ、高圧または超高圧ホモジナイザー、コニカル型リファイナー等のリファイナー、ビーター、PFIミル、ニーダー、ディスパーザー、トップファイナー、セブンファイナー、ビートファイナー、ツインビートファイナー、ヘンシェルミキサー、ホモミックラインミルなど回転軸を中心として金属または刃物とパルプ繊維を作用させるもの、あるいはパルプ繊維同士の摩擦によるもの、あるいはキャビテーションや水流または水圧によってパルプ繊維を分散または解繊するものを使用することができる。 Equipment that can be used for low-concentration mechanical treatment includes, for example, high-speed rotary, colloid mill, high-pressure, roll mill, and ultrasonic types of equipment, including high-pressure or ultra-high-pressure homogenizers, refiners such as conical refiners, beaters, PFI mills, kneaders, dispersers, top finers, seven finers, beat finers, twin beat finers, Henschel mixers, and homomic line mills, which use a metal or blade to act on the pulp fibers around a rotating shaft, or by friction between the pulp fibers, or by cavitation, water flow, or water pressure to disperse or defibrate the pulp fibers.
高濃度機械的処理に用いることができる装置としては、例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などのタイプの装置が挙げられ、高圧または超高圧ホモジナイザー、リファイナー、ビーター、PFIミル、ニーダー、ディスパーザー、トップファイナーなど回転軸を中心として金属または刃物とパルプ繊維を作用させるもの、あるいはパルプ繊維同士の摩擦によるものを使用することができる。 Equipment that can be used for high-concentration mechanical processing includes, for example, high-speed rotary, colloid mill, high-pressure, roll mill, and ultrasonic types of equipment, and can be used to treat pulp fibers with metal or blades around a rotating shaft, or by using friction between pulp fibers themselves, such as high-pressure or ultra-high-pressure homogenizers, refiners, beaters, PFI mills, kneaders, dispersers, and top finers.
DDR処理MFCの好ましい平均繊維径(平均繊維幅)は前述のとおりである。DDR処理MFCの平均繊維長は、10μm以上が好ましく、30μm以上がより好ましく、50μm以上がさらに好ましく、100μm以上、200μm以上、または300μm以上であってもよい。平均繊維長の上限は、特に限定されないが、3000μm以下が好ましく、1500μm以下がより好ましく、900μm以下がさらに好ましく、500μm以下がよりさらに好ましい。化学変性されたセルロース原料をダブルディスクリファイナーで処理するため、繊維を極端に短くすることなく、フィブリル化を進めることができる。また、化学変性により、水との親和性が向上しているため、繊維長が長い場合であっても保水性を高くすることができる。 The preferred average fiber diameter (average fiber width) of DDR-treated MFC is as described above. The average fiber length of DDR-treated MFC is preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, even more preferably 50 μm or more, and may be 100 μm or more, 200 μm or more, or 300 μm or more. There are no particular limitations on the upper limit of the average fiber length, but it is preferably 3000 μm or less, more preferably 1500 μm or less, even more preferably 900 μm or less, and even more preferably 500 μm or less. Because the chemically modified cellulose raw material is processed in a double-disc refiner, fibrillation can be promoted without extremely shortening the fibers. In addition, because the chemical modification improves affinity with water, high water retention can be achieved even with long fiber lengths.
フィブリル化に供する化学変性されたセルロース原料の分散体における原料の固形分濃度は、0.1重量%以上が好ましく、0.5重量%以上がさらに好ましく、1.0重量%以上がさらに好ましく、2.0重量%以上がさらに好ましい。濃度の上限としては、40重量%以下が好ましく、30重量%以下がさらに好ましい。 The solids concentration of the raw material in the dispersion of chemically modified cellulose raw material to be subjected to fibrillation is preferably 0.1% by weight or more, more preferably 0.5% by weight or more, even more preferably 1.0% by weight or more, and even more preferably 2.0% by weight or more. The upper limit of the concentration is preferably 40% by weight or less, and even more preferably 30% by weight or less.
フィブリル化に供するための分散体を調製する前に、上述の方法で得られた化学変性されたセルロース原料を予め乾燥させ、粉砕してもよい。次いで、乾式粉砕した化学変性セルロース原料を分散媒に分散し、フィブリル化(湿式)に供してもよい。原料の乾式粉砕に用いる装置は特に限定されず、ハンマーミル、ピンミル等の衝撃式ミル、ボールミル、タワーミル等の媒体ミル、ジェットミル等を例示することができる。 Before preparing the dispersion for fibrillation, the chemically modified cellulose raw material obtained by the above method may be dried and pulverized in advance. The dry-pulverized chemically modified cellulose raw material may then be dispersed in a dispersion medium and subjected to (wet) fibrillation. The equipment used for dry-pulverizing the raw material is not particularly limited, and examples include impact mills such as hammer mills and pin mills, media mills such as ball mills and tower mills, and jet mills.
フィブリル化は、上述した通り、平均繊維径として500nm超、好ましくは1μm以上、さらに好ましくは10μm以上を維持するような範囲で行う。また、平均繊維径の上限は60μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましく、20μm以下がさらに好ましい。平均繊維径がこの範囲になる程度の適度なフィブリル化を行うことにより、未解繊のセルロース繊維に比べて高い保水性を呈し、また、微細に解繊されたセルロースナノファイバーに比べて少量でも高い強度付与効果や歩留まり向上効果が得られる。 As mentioned above, fibrillation is carried out in a range that maintains an average fiber diameter of more than 500 nm, preferably 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more. The upper limit of the average fiber diameter is preferably 60 μm or less, more preferably 40 μm or less, even more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. By performing moderate fibrillation to an extent that the average fiber diameter falls within this range, the cellulose exhibits higher water retention than undefibrated cellulose fibers, and even in small amounts, it is possible to obtain higher strength-improving effects and improved yields compared to finely defibrated cellulose nanofibers.
また、上述した通り、フィブリル化する前の化学変性されたセルロース原料のフィブリル化率(f0)が、向上するようにフィブリル化を行うことが好ましい。MFCのフィブリル化率をfとすると、フィブリル化率の差Δf=f-f0は、0を超えていればよく、好ましくは0.2%以上であり、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは2.5%以上である。フィブリル化率(Fibrillation %)は、バルメット株式会社製フラクショネーターを用いて測定することができる。 As described above, it is preferable to carry out fibrillation so as to improve the fibrillation rate (f 0 ) of the chemically modified cellulose raw material before fibrillation. If the fibrillation rate of MFC is f, the difference in fibrillation rates Δf = f - f 0 should be greater than 0, preferably 0.2% or more, more preferably 1% or more, and even more preferably 2.5% or more. The fibrillation rate (Fibrillation %) can be measured using a fractionator manufactured by Valmet Co., Ltd.
(2)澱粉
澱粉とは、D-グルコースの重合体であり、好ましくはアミロースとアミロペクチンとからなる混合物である。本態様において澱粉とは澱粉由来の高分子化合物も含む。当該高分子としては、澱粉を変性、修飾、加工などしたものが挙げられる。本発明においては、酸化反応によりアニオン性基を導入した酸化澱粉が好ましい。アニオン性基としてはカルボキシル基等が挙げられる。
(2) Starch Starch is a polymer of D-glucose, preferably a mixture of amylose and amylopectin. In this embodiment, starch also includes polymeric compounds derived from starch. Examples of such polymers include starch that has been denatured, modified, or processed. In the present invention, oxidized starch in which an anionic group has been introduced by an oxidation reaction is preferred. Examples of the anionic group include a carboxyl group.
酸化澱粉は、冷水には溶解しない白色の粉末または類粒状物である。その水懸濁液は酸化レベルが非常に低い場合を除いて、酸化レベルが高くなるにつれて糊化開始温度が低くなり、低粘度の透明な糊液を形成する。通常、酸化澱粉は湿式反応または乾式反応で、澱粉を次亜塩素酸塩(好ましくはNa塩)、さらし粉、過酸化水素、過マンガン酸カリウム、オゾンなどの酸化剤を用いて酸化処理することにより製造される。酸化条件にもよるが、酸化澱粉は、通常、カルボキシ基とカルボニル基を有し、かつグリコシド結合が切断された構造を有する。 Oxidized starch is a white powder or granular substance that does not dissolve in cold water. Its aqueous suspension, except at very low oxidation levels, has a lower gelatinization temperature as the oxidation level increases, forming a low-viscosity, transparent paste. Oxidized starch is typically produced by oxidizing starch in a wet or dry reaction using an oxidizing agent such as hypochlorite (preferably sodium), bleaching powder, hydrogen peroxide, potassium permanganate, or ozone. Depending on the oxidation conditions, oxidized starch typically has carboxyl and carbonyl groups and a structure in which glycosidic bonds have been cleaved.
(3)金属塩
本態様において使用できる金属塩は限定されず、マグネシウム塩、カルシウム塩、アルミニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等が例示可能である。中でもマグネシウム塩、カルシウム塩、アルミニウム塩等の2価以上の金属元素を含む金属塩は、当該金属元素がCNFまたは澱粉に存在するアニオン性基とキレートを形成し、塗工膜の強度が向上するため好ましい。また、そのカウンターイオンも限定されないが、入手容易性や水溶性であり水中で電離した金属元素が前記キレートを容易に形成する等の観点から、有機酸イオン以外が好ましく、その例としては、硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオン、炭酸イオン等の無機酸イオン、および水酸化物イオンが挙げられる。したがって、好ましい金属塩の具体例としては、硫酸アルミニウム(硫酸バンド)、硫酸マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化アルミニウム等が挙げられる。
(3) Metal Salts The metal salts that can be used in this embodiment are not limited, and examples include magnesium salts, calcium salts, aluminum salts, sodium salts, and potassium salts. Among these, metal salts containing divalent or higher metal elements, such as magnesium salts, calcium salts, and aluminum salts, are preferred because the metal elements form chelates with anionic groups present in CNF or starch, improving the strength of the coating film. The counter ions are also not limited, but are preferably other than organic acid ions from the standpoints of availability, water solubility, and the ease with which metal elements ionized in water form the chelates. Examples of counter ions include inorganic acid ions such as sulfate ions, chloride ions, nitrate ions, and carbonate ions, as well as hydroxide ions. Therefore, specific examples of preferred metal salts include aluminum sulfate (aluminum sulfate), magnesium sulfate, calcium chloride, magnesium chloride, and aluminum chloride.
(4)原紙
原紙とは紙のベースとなる層でありパルプを主成分として含む。原紙のパルプ原料は特に限定されず、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)等の機械パルプ、脱墨パルプ(DIP)、針葉樹クラフトパルプ(NKP)、針葉樹クラフトパルプ(LKP)等の化学パルプ等を使用できる。脱墨(古紙)パルプとしては、上質紙、中質紙、下級紙、新聞紙、チラシ、雑誌などの選別古紙やこれらが混合している無選別古紙由来のものを使用できる。
(4) Base Paper Base paper is the base layer of paper and contains pulp as a main component. The pulp raw material for the base paper is not particularly limited, and mechanical pulps such as ground pulp (GP), thermomechanical pulp (TMP), and chemithermomechanical pulp (CTMP), and chemical pulps such as deinked pulp (DIP), softwood kraft pulp (NKP), and softwood kraft pulp (LKP), can be used. Deinked (recycled paper) pulp can be derived from sorted waste paper such as fine paper, medium-quality paper, low-grade paper, newspaper, flyers, and magazines, or unsorted waste paper that is a mixture of these.
原紙には公知の填料を添加できるが、板紙等の不透明度や白色度を求められない用途や、古紙などの持ち込み灰分の多い原料を使用する場合は填料を添加しなくてもよい。填料を添加する場合、填料としては、重質炭酸カルシム、軽質炭酸カルシウム、クレー、シリカ、軽質炭酸カルシウム-シリカ複合物、カオリン、焼成カオリン、デラミカオリン、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化チタン、ケイ酸ナトリウムの鉱酸による中和で製造される非晶質シリカ等の無機填料や、尿素-ホルマリン樹脂、メラミン系樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂などの有機填料が挙げられる。これらは、単独で使用してもよいし併用してもよい。この中でも、中性抄紙やアルカリ抄紙における代表的な填料であり、高い不透明度が得られる炭酸カルシウムや軽質炭酸カルシウムが好ましい。原紙中の填料の含有率は、原紙重量に対して、5~25重量%が好ましく、6~20重量%がより好ましい。本発明においては紙中灰分が高くても紙力の低下が抑制されるため、原紙中の填料の含有率は10重量%以上であることがより好ましい。 While known fillers can be added to base paper, they may not be necessary for applications that do not require high opacity or whiteness, such as paperboard, or when using raw materials with a high ash content, such as recycled paper. If fillers are added, examples include inorganic fillers such as heavy calcium carbonate, light calcium carbonate, clay, silica, light calcium carbonate-silica composite, kaolin, calcined kaolin, delaminated kaolin, magnesium carbonate, barium carbonate, barium sulfate, aluminum hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, zinc hydroxide, zinc oxide, titanium oxide, and amorphous silica produced by neutralizing sodium silicate with mineral acid; and organic fillers such as urea-formaldehyde resin, melamine resin, polystyrene resin, and phenolic resin. These may be used alone or in combination. Among these, calcium carbonate and light calcium carbonate, which are typical fillers used in neutral and alkaline papermaking and provide high opacity, are preferred. The filler content in the base paper is preferably 5 to 25% by weight, and more preferably 6 to 20% by weight, based on the weight of the base paper. In this invention, a decrease in paper strength is suppressed even if the ash content in the paper is high, so the filler content in the base paper is more preferably 10% by weight or more.
内添薬品として、嵩高剤、乾燥紙力向上剤、湿潤紙力向上剤、濾水性向上剤、染料、中性サイズ剤等を必要に応じて使用してもよい。 Internal additives such as bulking agents, dry strength agents, wet strength agents, drainage aids, dyes, and neutral sizing agents may be used as needed.
原紙は、公知の抄紙方法で製造される。例えば、長網抄紙機、ギャップフォーマー型抄紙機、ハイブリッドフォーマー型抄紙機、オントップフォーマー型抄紙機、丸網抄紙機等を用いて行うことができるが、これらに限定されない。 The base paper is produced using a known papermaking method. For example, it can be produced using a Fourdrinier paper machine, a gap former paper machine, a hybrid former paper machine, an on-top former paper machine, a cylinder paper machine, etc., but is not limited to these.
原紙は単層でも多層でもよい。原紙は前記MFCを含んでいてもよい。多層原紙の場合は、複数の紙層のうち一部の層がMFCを含んでいてもよく、全層がMFCを含んでいてもよい。原紙がMFCを含む場合、その含有量は原紙全体のパルプ重量に対して0.0001重量%以上が好ましく、0.0003重量%以上がより好ましく、0.001重量%以上がさらに好ましい。 The base paper may be single-ply or multi-ply. The base paper may contain the above-mentioned MFC. In the case of multi-layer base paper, some or all of the multiple paper layers may contain MFC. If the base paper contains MFC, its content is preferably 0.0001% by weight or more, more preferably 0.0003% by weight or more, and even more preferably 0.001% by weight or more, based on the pulp weight of the entire base paper.
(5)クリア塗工層
クリア塗工層における澱粉:MFC(重量比)は、好ましくは1000:1~20:1であり、より好ましくは350:1~30:1であり、さらに好ましくは300:1~50:1である。また金属塩の量は、澱粉100重量部に対し、好ましくは0.05~1重量部、より好ましくは0.1~0.5重量部である。各成分の重量比がこの範囲にあることで澱粉を主体とするクリア塗工層の製膜性が向上し、その結果、高い印刷表面強度を達成できる。
(5) Clear Coating Layer The starch:MFC (weight ratio) in the clear coating layer is preferably 1000:1 to 20:1, more preferably 350:1 to 30:1, and even more preferably 300:1 to 50:1. The amount of metal salt is preferably 0.05 to 1 part by weight, more preferably 0.1 to 0.5 parts by weight, per 100 parts by weight of starch. Having the weight ratio of each component within this range improves the film-forming properties of the starch-based clear coating layer, and as a result, high print surface strength can be achieved.
クリア塗工層の塗工量は、片面あたり固形分で0.01~3.0g/m2が好ましく、0.1~2.0g/m2がより好ましい。クリア塗工は、例えば、サイズプレス、ゲートロールコータ、プレメタリングサイズプレス、カーテンコータ、スプレーコータなどのコータ(塗工機)を使用して、澱粉を主成分とするクリア塗工液を原紙上に塗工することで形成できる。一例としてゲートロールコータで塗工する場合、クリア塗工液は、塗工適性の観点から固形分濃度5重量%の時のB型粘度(30℃、60rpm)が5~450mPa・sであることが好ましく、10~300mPa・sであることがより好ましい。ゲートロールコータで塗工する場合、クリア塗工液のB型粘度が5mPa・s未満であると粘度が低すぎて塗工量の確保が難しく、450mPa・s超であるとボイリングが発生して操業性が悪化することがある。クリア塗工液の固形分濃度は、前記濃度を達成できるように調整されるが、好ましくは2~14重量%である。 The coating weight of the clear coating layer is preferably 0.01 to 3.0 g/ m2 , more preferably 0.1 to 2.0 g/ m2 , in terms of solids content per side. The clear coating can be formed by applying a clear coating liquid containing starch as a primary component to the base paper using a coater (coating machine) such as a size press, gate roll coater, premetering size press, curtain coater, or spray coater. For example, when coating with a gate roll coater, the clear coating liquid preferably has a B-type viscosity (30°C, 60 rpm) of 5 to 450 mPa·s at a solids concentration of 5 wt%, from the standpoint of coatability, and more preferably 10 to 300 mPa·s. When coating with a gate roll coater, if the B-type viscosity of the clear coating liquid is less than 5 mPa·s, the viscosity is too low, making it difficult to ensure the required coating weight, while if it exceeds 450 mPa·s, boiling may occur, resulting in poor operability. The solids concentration of the clear coating liquid is adjusted so as to achieve the above concentration, and is preferably 2 to 14% by weight.
クリア塗工層に由来するMFCの量は、片面当たり好ましくは1.0×10-5~0.1g/m2、より好ましくは1.0×10-4~5.0×10-2g/m2である。 The amount of MFC derived from the clear coating layer is preferably 1.0×10 −5 to 0.1 g/m 2 per side, more preferably 1.0×10 −4 to 5.0×10 −2 g/m 2 .
(6)顔料塗工層
本態様における紙は顔料塗工層を備えていてもよい。顔料塗工層とは白色顔料を主成分として含む層である。白色顔料としては、炭酸カルシウム、カオリン、クレー、焼成カオリン、無定形シリカ、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、サチンホワイト、珪酸アルミニウム、珪酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化チタン、プラスチックピグメント等の通常使用されている顔料が挙げられ、炭酸カルシウムとしては軽質炭酸カルシウムや重質炭酸カルシウムが挙げられる。
(6) Pigment Coating Layer The paper of this embodiment may have a pigment coating layer. The pigment coating layer is a layer containing a white pigment as a main component. Examples of white pigments include commonly used pigments such as calcium carbonate, kaolin, clay, calcined kaolin, amorphous silica, zinc oxide, aluminum oxide, satin white, aluminum silicate, magnesium silicate, magnesium carbonate, titanium oxide, and plastic pigments. Examples of calcium carbonate include light calcium carbonate and heavy calcium carbonate.
顔料塗工層は接着剤を含む。当該接着剤としては、前記澱粉、カゼイン、大豆蛋白、合成蛋白等の蛋白質類、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースやメチルセルロース等のセルロース誘導体、スチレン-ブタジエン共重合体、メチルメタクリレート-ブタジエン共重合体の共役ジエン系重合体ラテックス、アクリル系重合体ラテックス、エチレン-酢酸ビニル共重合体等のビニル系重合体ラテックス等が挙げられる。これらは単独、あるいは2種以上併用して用いることができ、澱粉系接着剤とスチレン-ブタジエン共重合体を併用することが好ましい。 The pigment coating layer contains an adhesive. Examples of such adhesives include proteins such as the starch, casein, soy protein, and synthetic protein mentioned above; polyvinyl alcohol; cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose; conjugated diene polymer latexes such as styrene-butadiene copolymer and methyl methacrylate-butadiene copolymer; acrylic polymer latex; and vinyl polymer latexes such as ethylene-vinyl acetate copolymer. These can be used alone or in combination of two or more types, and it is preferable to use a starch-based adhesive in combination with a styrene-butadiene copolymer.
顔料塗工層は、一般の紙製造分野で使用される分散剤、増粘剤、消泡剤、着色剤、帯電防止剤、防腐剤等の各種助剤を含んでいてもよく、MFCを含有してもよい。この場合のMFCの量は、顔料100重量部に対して1×10-3~1重量部が好ましい。前記範囲の場合、塗工液の粘度を大幅に増大することなく、適度な保水性を持った顔料塗工液を得ることができる。 The pigment coating layer may contain various auxiliary agents commonly used in paper manufacturing, such as dispersants, thickeners, antifoaming agents, colorants, antistatic agents, and preservatives, and may also contain MFC. In this case, the amount of MFC is preferably 1 x 10 -3 to 1 part by weight per 100 parts by weight of pigment. Within this range, a pigment coating liquid with appropriate water retention properties can be obtained without significantly increasing the viscosity of the coating liquid.
顔料塗工層は、塗工液を公知の方法で原紙の片面あるいは両面に塗工して設けることができる。塗工液中の固形分濃度は、塗工適性の観点から、30~70重量%程度が好ましい。顔料塗工層は1層でもよく、2層でもよく、3層以上でもよい。顔料塗工層の塗工量は、用途によって適宜調整してよいが、印刷用塗工紙とする場合は片面あたりトータルで5g/m2以上であり、10g/m2以上であることが好ましい。上限は、30g/m2以下であることが好ましく、25g/m2以下であることが好ましい。 The pigment coating layer can be formed by applying a coating solution to one or both sides of the base paper using a known method. From the viewpoint of coating suitability, the solids concentration in the coating solution is preferably about 30 to 70% by weight. The pigment coating layer may consist of one layer, two layers, or three or more layers. The coating weight of the pigment coating layer may be adjusted appropriately depending on the application, but when used as coated paper for printing, it is 5 g/ m2 or more in total per side, and preferably 10 g/ m2 or more. The upper limit is preferably 30 g/ m2 or less, and more preferably 25 g/ m2 or less.
本態様における紙がさらに顔料塗工層を有する場合、高いインキマイレージに加え、表面強度、印刷光沢度に優れた顔料塗工紙を得ることができる。 When the paper in this embodiment further comprises a pigment coating layer, it is possible to obtain pigment coated paper that has excellent surface strength and printing gloss in addition to high ink mileage.
(7)特性
本態様の紙は、高い印刷表面強度を備える。この理由は限定されないが、澱粉およびMFCにおけるCOOH基等の官能基が、金属イオンと架橋構造を形成することによりクリア塗工層の強度が向上するためと推察される。また、本態様の紙のJIS P 8124に準じて測定した坪量は、通常20~500g/m2程度であり、好ましくは30~250g/m2である。
(7) Properties: The paper of this embodiment has high print surface strength. The reason for this is presumably, but not limited to, that functional groups such as COOH groups in starch and MFC form crosslinked structures with metal ions, thereby improving the strength of the clear coating layer. Furthermore, the basis weight of the paper of this embodiment, measured in accordance with JIS P 8124, is typically about 20 to 500 g/ m² , preferably 30 to 250 g/ m² .
(8)本態様の紙の製造方法
本態様の紙は、公知の方法で調製した原紙の上に、澱粉とMFCと金属塩とを含むクリア塗工液を塗工する工程を経て製造されることが好ましい。具体的には、本態様の紙は以下の工程を備える方法で製造されることが好ましい。
工程1:澱粉とMFCと金属塩とを含むクリア塗工液を調製する工程
工程2:原紙の上に前記クリア塗工液を用いてクリア塗工層を形成する工程
(8) Method for Producing Paper of the Present Embodiment The paper of the present embodiment is preferably produced by a process of coating a clear coating liquid containing starch, MFC, and a metal salt onto base paper prepared by a known method. Specifically, the paper of the present embodiment is preferably produced by a process comprising the following steps:
Step 1: A step of preparing a clear coating liquid containing starch, MFC, and a metal salt. Step 2: A step of forming a clear coating layer on a base paper using the clear coating liquid.
工程1で用いる澱粉、MFC、金属塩は、前述のとおりである。塗工液の調製方法およびその特性も前述のとおりである。工程2における塗工も前述のとおりに実施できる。工程1は、好ましくは以下の工程を備える。
工程1A:澱粉とMFCとを含む混合液を調製する工程
工程1B:前記混合液と金属塩とを含むクリア塗工液を調製する工程
工程1Aにおける澱粉は蒸煮澱粉であることが好ましい。また工程1Aは、MFCの水分散液に澱粉を添加して調製してもよい。この場合、MFCの水分散液に澱粉を添加し、当該液を蒸煮に供して混合液を調製することもできる。このように調製されたクリア塗工液においては、澱粉とMFCが均一に分散されている。
The starch, MFC, and metal salt used in step 1 are as described above. The method for preparing the coating liquid and its properties are also as described above. The coating in step 2 can also be carried out as described above. Step 1 preferably includes the following steps:
Step 1A: A step of preparing a mixed solution containing starch and MFC. Step 1B: A step of preparing a clear coating solution containing the mixed solution and a metal salt. The starch in Step 1A is preferably cooked starch. Step 1A may also be prepared by adding starch to an aqueous dispersion of MFC. In this case, the mixed solution can also be prepared by adding starch to an aqueous dispersion of MFC and subjecting the resulting solution to cooking. In the clear coating solution prepared in this manner, the starch and MFC are uniformly dispersed.
本態様の紙は、前述の工程1および2に加え以下の工程3を備える方法で製造されてもよい。
工程3:澱粉とMFCと金属塩を含有するクリア塗工層の上に、顔料および接着剤を含有する顔料塗工層を形成する工程
工程3は公知の方法で実施することができる。
The paper of this embodiment may be produced by a method including the following step 3 in addition to the above steps 1 and 2.
Step 3: Forming a pigment coating layer containing a pigment and an adhesive on the clear coating layer containing starch, MFC, and metal salt.Step 3 can be carried out by a known method.
[実施例1]
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、水130重量部と、水酸化ナトリウム20重量部を水100重量部に溶解したものとを加え、広葉樹漂白クラフトパルプ(日本製紙(株)製、LBKP)を100℃60分間乾燥した際の乾燥重量で100重量部仕込んだ。
[Example 1]
130 parts by weight of water and a solution of 20 parts by weight of sodium hydroxide dissolved in 100 parts by weight of water were added to a twin-screw kneader whose rotation speed was adjusted to 100 rpm, and 100 parts by weight of hardwood bleached kraft pulp (LBKP, manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added in a dry weight amount when dried at 100°C for 60 minutes.
内容物を30℃で90分間撹拌、混合しマーセル化されたセルロース原料を調製した。さらに撹拌しつつイソプロパノール(IPA)100重量部と、モノクロロ酢酸ナトリウム60重量部を添加し、30分間撹拌した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応を行った。カルボキシメチル化反応時の反応媒中のIPAの濃度は、30%であった。 The contents were stirred and mixed at 30°C for 90 minutes to prepare a mercerized cellulose raw material. While stirring, 100 parts by weight of isopropanol (IPA) and 60 parts by weight of sodium monochloroacetate were added, and after stirring for 30 minutes, the temperature was raised to 70°C and the carboxymethylation reaction was carried out for 90 minutes. The concentration of IPA in the reaction medium during the carboxymethylation reaction was 30%.
反応終了後、酢酸でpH7程度になるよう中和し、化学変性セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度0.21、セルロースI型の結晶化度72%のカルボキシメチル化されたセルロース原料(ナトリウム塩)を得た。セルロースI型の結晶化度の測定方法は上述の通りである。化学変性セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は上述の公知の方法に従って測定した。 After the reaction was complete, the mixture was neutralized with acetic acid to a pH of approximately 7, yielding a carboxymethylated cellulose raw material (sodium salt) with a carboxymethyl substitution degree per glucose unit of chemically modified cellulose of 0.21 and a crystallinity degree of cellulose type I of 72%. The method for measuring the crystallinity of cellulose type I was as described above. The carboxymethyl substitution degree per glucose unit of chemically modified cellulose was measured according to the known method described above.
得られたカルボキシメチル化されたセルロース原料の固形分濃度2重量%の水分散体を調製し、相川鉄工株式会社製トップファイナーを用いて、10分間処理し、フィブリル化されたカルボキシメチル化セルロース繊維(CM-MFC)を調製した。 An aqueous dispersion of the resulting carboxymethylated cellulose raw material with a solids concentration of 2% by weight was prepared and treated for 10 minutes using a Top Finer manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd. to produce fibrillated carboxymethyl cellulose fibers (CM-MFC).
<クリア塗工液1>
前述のとおりに製造したCM-MFCの水分散液に酸化澱粉(日本コーンスターチ社製、SK20)と硫酸アルミニウム(硫酸バンド)を添加して、澱粉:CM-MFC:金属塩の重量比が100:0.33:0.33であるクリア塗工液1を製造した。当該クリア塗工液1の固形分濃度5重量%の時の30℃、60rpmにおけるB型粘度を表1に示す。
<Clear coating liquid 1>
Oxidized starch (SK20, manufactured by Nippon Cornstarch Co., Ltd.) and aluminum sulfate (aluminum sulfate) were added to the aqueous dispersion of CM-MFC prepared as described above to prepare Clear Coating Liquid 1, which had a weight ratio of starch:CM-MFC:metal salt of 100:0.33:0.33. Table 1 shows the Brookfield viscosity of Clear Coating Liquid 1 at 30°C and 60 rpm when the solids concentration was 5% by weight.
<顔料塗工液>
重質炭酸カルシウム100重量部に対し、接着剤としてラテックス2.0重量部、酸化澱粉6.7重量部を添加して、固形分60重量%の顔料塗工液を調製した。
<Pigment coating liquid>
To 100 parts by weight of ground calcium carbonate, 2.0 parts by weight of latex as an adhesive and 6.7 parts by weight of oxidized starch were added to prepare a pigment coating liquid with a solid content of 60% by weight.
<紙>
LBKP(日本製紙株式会社製、c.s.f.360ml)に対し、0.5重量%の硫酸バンド、0.77重量%のカチオン化澱粉、0.05重量%の紙力剤を添加して固形分濃度0.7重量%のパルプスラリーを調製した。得られたパルプスラリーを用い、抄紙機によって原紙を製造した。当該原紙の上に、前記クリア塗工液1を片面あたり固形分で0.2g/m2となるようにゲートロールコータで原紙の両面に塗工した。次いで前記顔料塗工液を片面あたり固形分で7.5g/m2となるように両面に塗工し、定法によって乾燥し、塗工紙を得た。当該塗工紙を後述する方法で評価した。
<Paper>
To LBKP (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., c.s.f. 360 ml), 0.5 wt. % aluminum sulfate, 0.77 wt. % cationized starch, and 0.05 wt. % paper strength agent were added to prepare a pulp slurry with a solids concentration of 0.7 wt. Base paper was produced using the obtained pulp slurry on a paper machine. The clear coating liquid 1 was applied to both sides of the base paper using a gate roll coater to a solids content of 0.2 g/ m2 per side. The pigment coating liquid was then applied to both sides to a solids content of 7.5 g/ m2 per side, and the resulting paper was dried by a standard method to obtain coated paper. The coated paper was evaluated using the methods described below.
[比較例1]
金属塩を用いなかった以外は、実施例1と同様にして塗工紙を製造し、評価した。
[Comparative Example 1]
Coated paper was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that no metal salt was used.
[実施例2]
定法に従い、TEMPOを用いて針葉樹漂白クラフトパルプ(日本製紙(株)製、NBKP)を酸化処理して、カルボキシル基量が1.42mmol/gのカルボキシル化されたセルロース原料を得た。得られたカルボキシル化されたセルロース原料の固形分濃度2重量%の水分散体を調製し、相川鉄工株式会社製トップファイナーを用いて、10分間処理し、フィブリル化されたカルボキシル化セルロース繊維(TEMPO-MFC)を調製した。
[Example 2]
According to a standard method, bleached softwood kraft pulp (NBKP, manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was oxidized using TEMPO to obtain a carboxylated cellulose raw material with a carboxyl group content of 1.42 mmol/g. An aqueous dispersion of the obtained carboxylated cellulose raw material with a solids concentration of 2% by weight was prepared, and the dispersion was treated for 10 minutes using a Top Finer manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd. to prepare fibrillated carboxylated cellulose fibers (TEMPO-MFC).
<クリア塗工液2>
CM-MFCの代わりにTEMPO-MFCを用いた以外は、クリア塗工液1と同じ方法でクリア塗工液2を調製した。
<紙>
クリア塗工液1の代わりにクリア塗工液2を用いた以外は、実施例1と同じ方法で塗工紙を製造し、評価した。
<Clear coating liquid 2>
Clear coating liquid 2 was prepared in the same manner as clear coating liquid 1, except that TEMPO-MFC was used instead of CM-MFC.
<Paper>
A coated paper was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that Clear Coating Liquid 2 was used instead of Clear Coating Liquid 1.
[比較例2]
金属塩を用いなかった以外は、実施例2と同様にして塗工紙を製造し、評価した。
これらの評価結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
Coated paper was produced and evaluated in the same manner as in Example 2, except that no metal salt was used.
The evaluation results are shown in Table 1.
本発明の塗工紙は、優れた表面印刷強度を有することが明らかである。 It is clear that the coated paper of the present invention has excellent surface printing strength.
<評価方法>
1)坪量
JIS P8124に従った。
2)印刷光沢度
ローランド社製オフセット枚葉印刷機(4色)にてオフセット枚葉用インキ(東洋インキ(株)製 NEX-M)を用い、印刷速度8000枚/hrでベタ部のインキ着肉濃度が藍1.60、紅1.50となる様に藍紅(CM)の順に印刷した。得られた印刷物の藍紅(CM)ベタ印刷部の光沢度を、JIS P-8142に基づいて測定した。
<Evaluation method>
1) Basis weight: Based on JIS P8124.
2) Print Glossiness Using a Roland offset sheet-fed printing press (four colors), offset sheet-fed inks (NEX-M manufactured by Toyo Ink Co., Ltd.) were used to print in the order of blue and red (CM) at a printing speed of 8,000 sheets/hr so that the ink density of the solid area was 1.60 blue and 1.50 red. The glossiness of the blue and red (CM) solid printed area of the obtained print was measured in accordance with JIS P-8142.
3)ピッキング評価
ローランド社製オフセット枚葉印刷機を用い、インキとして東洋インキ(株)製 レオエコーY藍を用い、8000sphの速度で藍ベタを印刷した。10枚印刷する間に発生したF面およびW面のピッキングの個数を測定した。
3) Picking Evaluation Using a Roland offset sheet-fed printing press, a solid blue image was printed at a speed of 8000 sph using LeoEcho Y Indigo Ink manufactured by Toyo Ink Co., Ltd. The number of picks that occurred on the F and W sides during printing of 10 sheets was measured.
Claims (7)
前記クリア塗工層が澱粉とフィブリル化された化学変性セルロース繊維と金属塩とを含み、
前記澱粉:前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維の重量比は1000:1~20:1であり、
前記金属塩の量は、前記澱粉100重量部に対し0.05~1重量部であり、
前記フィブリル化された化学変性セルロース繊維のセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、アニオン化度が0.10~2.00meq/gであり、平均繊維径が500nmよりも大きい、紙。 A paper comprising a base paper and a clear coating layer,
the clear coating layer comprises starch, fibrillated chemically modified cellulose fibers, and a metal salt;
the weight ratio of the starch to the fibrillated chemically modified cellulose fibers is 1000:1 to 20:1;
the amount of the metal salt is 0.05 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the starch;
The fibrillated chemically modified cellulose fibers have a cellulose I type crystallinity of 50% or more, a degree of anionization of 0.10 to 2.00 meq/g, and an average fiber diameter of more than 500 nm.
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