JP2020089528A - 紙筒、及び紙筒用原紙 - Google Patents

Abstract

【課題】剛性に優れた紙筒と、この紙筒を製造するための紙筒用原紙を提供する。【解決手段】２層以上５層以下の紙層を有し、前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ３以上であり、３点曲げ試験により測定した弾性率が、２．０ＧＰａ以上である紙筒、及び、２層以上５層以下の紙層を有し、前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ３以上である紙筒用原紙。【選択図】なし

Description

本発明は、剛性に優れた紙筒と、この紙筒を製造するための紙筒用原紙に関する。

プラスチックは、安価で成形が容易なため、様々な製品の材料として広く用いられており、年間３億トン以上のプラスチック製品が生産されている。
プラスチック製品の多くは、適切に処分されているが、その一部は、管理不十分や不法投棄により、環境中にごみとして流出してしまい、最終的に海に到達する。海洋中に流出するプラスチックごみの量は、年間８００万トン以上にのぼると推測され、これらのプラスチックごみの多くは非生分解性であるため、そのほとんどが海洋中に蓄積される。

プラスチックごみによる環境破壊を防ぐための動きが始まっており、プラスチック製使い捨て製品を、環境への負荷の小さな材料で代替することが求められている。中でもプラスチック製のストローは、１日に米国で５億本、世界で１０億本以上が消費されているが、海鳥や海亀の誤飲による死亡例が報告されており、環境保護団体等が、プラスチック製ストローを使用しないように呼びかける運動を始めている。

プラスチック製ストローの環境への負荷の小さな代替材料としては、生分解性プラスチックと並び、紙が注目されている。
例えば、特許文献１、２には、紙製のストローが提案されている。ただし、紙製のストローは、プラスチック製ストローと比較すると剛性に劣り、折れ曲がりやすいという問題がある。

特開平０６−１３３８４０号公報 特開２００９−２３３３４８号公報

剛性に優れた紙筒と、この紙筒を製造するための紙筒用原紙を提供することを課題とする。

本発明の課題を解決するための手段は、以下の通りである。
１．２層以上５層以下の紙層を有し、
前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であり、
３点曲げ試験により測定した弾性率が、２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする紙筒。
２．ＪＩＳ―Ｐ８２５１に記載の５２５℃燃焼法で測定した灰分が、１．５質量％以下であることを特徴とする１．に記載の紙筒。
３．前記最外層の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする１．または２．に記載の紙筒。
４．外径が３ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の紙筒。
５．２層以上５層以下の紙層を有し、
前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする紙筒用原紙。

本発明の紙筒は、紙を主体としており、環境への負荷が小さい。本発明の紙筒は、弾性率が高いため、剛性に優れており、使用時に折れ曲がりにくい。そのため、本発明の紙筒は、ストローやマドラー等の飲料品や口に接触する紙筒（以下、食器用紙筒ともいう）に好適に利用することができる。
最外層に密度が高い紙層を有する紙筒は、より高弾性率で剛性に優れている。密度の高い紙は、水が浸透しにくいため、最外層を高密度の紙とすることにより、耐水性に優れた紙筒を得ることができる。さらに、この紙筒は、咥えた際に唇や舌への吸着感が小さいため、違和感を感じることなくストローとして使用することができる。
また、灰分量の少ない紙筒は、強固な繊維間結合を有するため、弾性率を高くすることができることに加え、酸性、アルカリ性の液体に浸けても、無機成分が溶出しにくく、食器用紙筒に好適である。

＜紙筒＞
本発明の紙筒は、２層以上５層以下の紙層を有し、この紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であり、３点曲げ試験により測定した弾性率が、２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする。

密度の高い紙は、プレス、カレンダー等により強力に押し潰されることにより繊維が密着し、強固な繊維間結合を有しているため、強度に優れている。最外層、最内層のいずれか、または両方に高密度で高強度な紙を備える紙層を使用することにより、弾性率の高い紙筒を製造することができる。より弾性率の高い紙筒を製造するために、紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度は、０．９２ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、０．９５ｇ／ｃｍ^３以上であることがより好ましい。なお、本発明において、紙層の他層の密度は、特に限定されない。

本発明の紙筒は、３点曲げ試験により測定した弾性率（以下、単に「弾性率」ともいう）が２．０ＧＰａ以上であり、剛性に優れているため、折れ曲がりにくい。本発明において、紙筒の弾性率は、２．６ＧＰａ以上であることが好ましく、２．８ＧＰａ以上であることがより好ましい。なお、本発明の紙筒において、弾性率の上限値は特に制限されないが、紙層のみから製造した紙筒の場合は、その上限値は４．５ＧＰａ以下程度であり、紙層以外の層（例えば、耐水ニスや耐水性樹脂等からなる耐水層）を有する紙筒の場合は、１０．０ＧＰａ以下程度である。

ここで、紙筒が折れ曲がるように弾性変形する際には、最外層の変形量が最も大きくなる。そのため、最外層の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であることが、紙筒の弾性率をより高くするために好ましい。また、高密度な紙は、水が浸透しにくいため、最外層の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であると、耐水性が向上し、さらに、紙筒を咥えた際に唇や舌への吸着感が小さくなるため、ストローとして好適に利用することができる。

なお、本発明の紙筒において、弾性率とは、下記式（１）で表される値である。
弾性率：Ｅ＝（Ｌ^３／４８Ｉ）×（Ｐ／ｙ） 式（１）
Ｌ ：測定スパン（３点曲げの支持点間の距離）
Ｉ ：断面２次モーメント
Ｐ／ｙ：応力−ひずみ曲線の弾性変形領域の傾き

本発明の紙筒は、ＪＩＳ―Ｐ８２５１に記載の５２５℃燃焼法で測定した灰分が、１．５質量％以下であることが好ましい。灰分量の少ない紙筒は、紙層における填料の含有量が少なく、紙層を構成するパルプ同士の結合（繊維間結合）の数が多くなるため、紙層の強度に優れ、弾性率を高くすることができる。さらに、灰分量の少ない紙筒は、酸性、アルカリ性の液体に浸けても、無機成分の溶出が少ないため、食器用紙筒に好適である。本発明において、上記灰分は、１．０質量％以下であることがより好ましく、０．８質量％以下であることがさらに好ましく、０．５質量％以下であることが最も好ましい。

本発明の紙筒において、２枚以上５枚以下の紙が貼り合わされてなる紙層の総厚さは、１５０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。なお、本発明の紙筒における紙層の総厚さとは、２枚以上５枚以下の紙と、これらの紙を接着する接着剤の総厚さであり、紙筒がスパイラル巻きで形成されている場合は、段差部分を避けて測定した厚みである。紙層の総厚さが厚くなるほど紙筒の弾性率は高くなるが、総厚さが６００μｍを超えると、紙筒に巻きにくくなる場合がある。一方、紙層の総厚さが１５０μｍ未満では、本発明の弾性率を満足できない場合がある。紙層の総厚さは、１７０μｍ以上５５０μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましい。

本発明の紙筒において、紙層の各層を構成する紙の厚さは、同一であってもよく、異なっていてもよい。ただし、スパイラル巻きで紙筒を形成した際に、紙幅方向における紙の重複部分の段差が小さくなり、より平滑な紙筒を成形することができるため、最外層の紙は、厚さが８０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の紙筒は、２層以上５層以下の紙層を有する。積層数が少ないほど、紙層の耐水性は高くなるが、直径の小さな紙筒に巻きにくくなり巻加工性が低下する。耐水性と巻加工性の観点から、最外層、最内層のいずれか一層が密度０．９０ｇ／ｃｍ^３以上の紙である場合は、紙層は３層以上５層以下であることがより好ましく、最外層と最内層の両方が密度が０．９０ｇ／ｃｍ^３以上の紙である場合は、紙層は４層または５層であることが好ましい。

本発明において、紙筒の形状は特に制限されず、円筒状、多角筒状等とすることができる。円筒状の紙筒は、製造が容易である。多角筒状の紙筒は、その断面形状における一本の対角線を基準として、一方側の辺の長さの和と他方側の辺の長さの和を等しくすることにより、この対角線を中心線として平板状に押しつぶし、コンパクトに収容することができる。

本発明の紙筒の太さは、特に制限されず、その用途に応じて様々な太さとすることができる。例えば、本発明の紙筒は、剛性に優れ折れ曲がりにくいため、食器用紙筒として好適に使用することができる。特に、本発明の紙筒をストローとして使用する場合は、外径が３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の円筒であることが好ましく、その外径が４ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることがより好ましく、６ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

＜製造方法＞
本発明の紙筒の製造方法は特に制限されず、スパイラル巻き、平巻き等の公知の方法で製造することができるが、連続生産が可能なためスパイラル巻きが好ましい。

＜紙筒用原紙＞
本発明の紙筒を製造するための紙筒用原紙は、２層以上５層以下の紙層を有し、この紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上である。この紙筒用原紙を用いることにより、剛性に優れた紙筒を製造することができる。

・紙
紙は、パルプ、各種助剤等からなる。
本発明の紙筒用原紙を、食器用紙筒の原紙として使用する場合、紙の材料として、食品添加物として認可を受けている、またはＦＤＡ認証取得済み等、食品安全性に適合したものを使用することが好ましい。

パルプとしては、針葉樹の晒クラフトパルプ（ＮＢＫＰ）、未晒クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）、広葉樹の晒クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）、未晒クラフトパルプ（ＬＵＫＰ）、サルファイトパルプ（ＳＰ）等の木材の化学パルプ、グランドパルプ（ＧＰ）、リファイナグランドパルプ（ＲＧＰ）、ストーングランドパルプ（ＳＧＰ）、ケミグランドパルプ（ＣＧＰ）、セミケミカルパルプ（ＳＣＰ）、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）等の木材の機械パルプ、ケナフ、バガス、竹、麻、ワラなどから得られた非木材パルプ、古紙を原料とし、脱墨工程にて古紙に含まれるインキを除去した古紙パルプなど、公知のパルプを適宜配合して用いることが可能である。
ただし、本発明の紙筒を、食器用紙筒として使用する場合、異物混入が発生し難いＬＢＫＰ、ＮＢＫＰ等の化学パルプが好ましく、また、古紙パルプの配合量が少ないことが好ましい。具体的には、化学パルプの配合量が８０％以上であることが好ましく、化学パルプの配合量が１００％であることが特に好ましい。

填料としては、タルク、カオリン、焼成カオリン、クレー、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、ゼオライト、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化珪素、非晶質シリカ、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、硫酸バリウム、硫酸カルシウムなどの無機填料、尿素−ホルマリン樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂、微小中空粒子等の有機填料等の公知の填料を使用することができる。なお、填料は、必須材料ではなく、使用しなくてもよい。紙筒のＪＩＳ―Ｐ８２５１に記載の５２５℃燃焼法で測定した灰分を、１．５質量％以下とするためには、填料の使用量を少なくすることが好ましく、使用しないことがより好ましい。

各種助剤としては、ロジン、アルキルケテンダイマー（ＡＫＤ）、アルケニルコハク酸無水物（ＡＳＡ）などのサイズ剤、ポリアクリルアミド系高分子、ポリビニルアルコール系高分子、カチオン化澱粉、各種変性澱粉、尿素・ホルマリン樹脂、メラミン・ホルマリン樹脂などの乾燥紙力増強剤、湿潤紙力増強剤、歩留剤、濾水性向上剤、凝結剤、硫酸バンド、嵩高剤、染料、蛍光増白剤、ｐＨ調整剤、消泡剤、紫外線防止剤、退色防止剤、ピッチコントロール剤、スライムコントロール剤等が例示可能であり、必要に応じて適宜選択して使用可能である。

本発明において、紙は、湿潤紙力増強剤を含むことが好ましい。湿潤紙力増強剤は、ポリアミドポリアミンエピクロルヒドリン樹脂、ポリアミンエピクロルヒドリン樹脂、ポリアミドエピクロルヒドリン樹脂、ポリビニルアミン樹脂、ポリエチレンイミン樹脂などが使用できる。その中でもポリアミドポリアミンエピクロルヒドリン樹脂が好ましい。

湿潤紙力増強剤は、製造工程において、全パルプに対し、０．１質量％以上１．５質量％以下の間で添加されることが好ましく、０．５質量％以上１．０質量％以下の間で添加されることがより好ましい。
湿潤紙力増強剤の量は、ケルダール法、エネルギー分散型Ｘ線分析等による元素分析により定量することが可能である。本発明において、紙層に含まれる湿潤紙力増強剤の量は、ケルダール法を用いて定量した窒素元素が全てポリアミドポリアミンエピクロルヒドリン樹脂由来とした場合の換算値をいう。紙は、パルプ全量に対して、湿潤紙力増強剤を、０．０５質量％以上０．７０質量％以下含有することが好ましい。

・接着剤
接着剤は、紙を貼り合わせて紙層とするものである。
接着剤としては、公知のものを特に制限することなく使用することができるが、紙筒を食器用紙筒として使用する場合は、安全性の高い水溶性接着剤、または、水分散性接着剤を使用することが好ましい。さらに、固形分濃度を高くすることで接着剤を塗工してから水が揮発して接着強度が発現するまでの時間を短くすることができるため、水分散性接着剤がより好ましい。接着強度が発現するまでの時間が短い水分散性接着剤を使用することにより、製造直後の紙層間の剥がれを効果的に防止することができる。また、紙を貼り合わせた後の養生処理を短く、さらには不要とすることができる。

水溶性接着剤としては、例えば、ポリビニルアルコール系、ポリエチレンオキサイド系、ポリアクリルアミド系、デンプン系、ゼラチン、カゼイン、エーテル系セルロース、フェノール樹脂系、水ガラス等の水溶性接着剤が挙げられる。また、水分散性接着剤としては、アクリル系、酢酸ビニル系、エチレン−酢酸ビニル共重合体系、スチレン・ブタジエン共重合体系、ウレタン系、α−オレフィン系等の水分散性接着剤が挙げられる。これらの中で、接着剤の水への溶出率が低いため、水溶性接着剤としては、ポリビニルアルコール系、フェノール樹脂系が、水分散性接着剤としては、アクリル系、スチレン・ブタジエン共重合体系が好ましい。

＜抄紙、接着方法＞
紙の製造（抄紙）方法、抄紙機の型式は特に限定されるものではなく、長網抄紙機、ツインワイヤー抄紙機、円網抄紙機、ギャップフォーマー、ハイブリッドフォーマー(オントップフォーマー)等の公知の製造（抄紙）方法、抄紙機が選択可能である。
また、抄紙時のｐＨは酸性領域（酸性抄紙）、疑似中性領域（疑似中性抄紙）、中性領域（中性抄紙）、アルカリ性領域（アルカリ性抄紙）のいずれでもよく、酸性領域で抄紙した後、紙層の表面にアルカリ性薬剤を塗布してもよい。

紙を接着して紙層とする方法は特に限定されず、抄紙、乾燥した紙を所定幅に断裁した後に接着する方法、抄紙した紙をウェット状態で接着し、乾燥した後に断裁する方法等が挙げられる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は下記実施例のみに限定されるものではない。

「実施例１」
下記表１に、使用した紙の密度と紙厚を示す。なお、使用した紙は、いずれも填料を含まない。
直径６ｍｍのマンドレルに最内層側からＡ／Ｂ／Ｃの積層順となるように、水分散性接着剤（アクリル系）を各層間あたり固形分で２０ｇ／ｍ^２となるように塗工して、紙層をスパイラル巻きして接着し、総厚さが３１８μｍである紙筒用原紙からなる円筒状の紙筒を得た。

「実施例２」
最内層側からＡ／Ｂ／Ｂ／Ａの積層順となるようにした以外は実施例と同様にして、総厚さが３６０μｍである紙筒用原紙からなる紙筒を得た。
「実施例３」
最内層側からＡ／Ｃ／Ｃ／Ａの積層順となるようにした以外は実施例と同様にして、総厚さが３８１μｍである紙筒用原紙からなる紙筒を得た。

「比較例１」
最内層側からＢ／Ｂ／Ｂの積層順となるようにした以外は実施例と同様にして、総厚さが３９９μｍである紙筒用原紙からなる紙筒を得た。
「比較例２」
最内層側からＣ／Ｃ／Ｃの積層順となるようにした以外は実施例と同様にして、総厚さが４３０μｍである紙筒用原紙からなる紙筒を得た。

実施例１〜３、比較例１、２で得られた紙筒について、下記評価を行った。結果を表２に示す。
＜弾性率＞
紙筒を作成後、１週間常温で乾燥・シーズニング（養生処理）を実施し、その後ＪＩＳ Ｐ８１１１：１９９８に規定される方法で調湿した。調湿後、紙筒を長さ１００ｍｍに断裁して試験用サンプルを作成し、下記方法により３点曲げ法により曲げ試験を実施し、弾性率を算出した。

１．距離７０ｍｍの支持点の上に試験用サンプルを置き、試験用サンプルの上方に位置する半径３．１８ｍｍの圧子を、２つの支持点から等距離（支持点からの距離３５ｍｍ）の位置に速度１０ｍｍ／分の速度で降下させる。
２．圧子の押込み量と応力の関係を示したグラフ（応力−ひずみ曲線）を記録し、弾性変形領域（応力とひずみの関係が直線となる領域）の傾きを確認する。
３．上記式（１）に従い、弾性率を算出する。なお、本実施例で製造した紙筒は円筒であるため、断面二次モーメントとして下記式（２）を使用する。

断面二次モーメント：Ｉ＝（π／６４）×（Ｄ^４−ｄ^４） 式（２）
Ｄ：円筒の外径（マンドレルの直径＋紙筒用原紙の総厚さ×２）
ｄ：円筒の内径（マンドレルの直径）

＜灰分量＞
ＪＩＳ Ｐ８２５１：２００３に規定される灰分試験方法（５２５℃燃焼法）に準拠し、測定した。

本発明である紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上である紙筒は、弾性率が２．０ＧＰａ以上と高く、剛性に優れていた。
それに対し、紙層の最外層、最内層の両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３未満である比較例は、弾性率が２．０ＧＰａ未満であり、剛性に劣っていた。

Claims (5)

1. ２層以上５層以下の紙層を有し、
   前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であり、
   ３点曲げ試験により測定した弾性率が、２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする紙筒。
2. ＪＩＳ―Ｐ８２５１に記載の５２５℃燃焼法で測定した灰分が、１．５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の紙筒。
3. 前記最外層の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の紙筒。
4. 外径が３ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紙筒。
5. ２層以上５層以下の紙層を有し、
   前記紙層の最外層、最内層のいずれか、または両方の密度が、０．９０ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする紙筒用原紙。