JPH03234887A - 膨張繊維と鉱物顔料とを含有する高不透明紙 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般に、高不透明紙に関し、より詳細には、
高不透明軽量印刷および筆記用紙に関する。

発明の背景 より薄く且つ重量が軽量である紙は、輸送郵送しなけれ
ばならない印刷物の重量を減少するために益々要望され
つつある。軽量印刷用紙に向けての製紙工業におけるこ
の傾向は、重量紙で通常見出される不透明度などの光学
的性質を維持するための手段を軽量シートにおいて見出
すことを必要とさせている。不透明度をこのような紙に
イ」与するためには、紙に鉱物顔料を充填または装入し
ている。不幸なことに、所望の光学的性質を得るために
必要な量のクレー、二酸化チタンなどの通常の鉱物顔料
填料の使用は、紙の強度特性の厳しい劣化を生ずること
がある。十分な強度と所望の光学的性質との両方を有す
る軽量紙シートを製造するための各種の技術は、提案さ
れているが、これらの技術のいずれも、実を言えば成功
ではなかった。

例えば、セルロースパルプから作られた紙の引張強さを
増大する周知の方法は、製紙前にパルプを機械的にリフ
ァイニングする方法である。しかしながら、追加のリフ
ァイニングは、引張強さを増大するが、不可避的に、得
られた紙の不透明度を減少する。鉱物顔料配合と関連づ
けられる強度の損失を補償するための別の方法は、実質
量の樹脂、ラテックス、または他の乾燥強度添加剤を使
用する方法である。このような乾燥強度添加剤は、十分
な強度を与えるのに必要とされる比較的多量の添加剤の
ため、紙の原料コストをかなり増大させることがある。

膨張繊維を鉱物顔料含有紙に加えることは、このような
顔料の有効性を増大し且つ同時に引張強さを改善するこ
とが今や発見された。即ち、膨張繊維と不透明化鉱物顔
料との組み合わせを含有する紙製品は、鉱物顔料のみを
含有する紙よりも高い不透明度と引張強さとの両方を示
す。更に、膨張繊維と鉱物顔料との特定の組み合わせの
使用も、これらの成分を含有する紙構造物の望ましい不
透明度および引張強さ特性も、従来、認識されていない
らしい。

膨張繊維は、フィブリル状超微細構造 （ｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する繊維状物質
（繊維状物質はフィブリルを繊維状物質超微細構造から
分離させるか解離するようにならせるような方法で加工
されている）から作られる物質である。或いは、膨張繊
維は、繊維状形態からフィブリル状形態に膨張されたセ
ルロース繊維状物質とみなすことができる。天然セルロ
ース繊維からの膨張繊維は、本発明で特別の興味を有す
る。

セルロース繊維は、セルロース重合体から作られた多成
分超微細構造物である。リグニン、ベントサンおよび技
術上既知の他の成分も、存在してもよい。セルロース重
合体は、横方向に凝集してミクロフィブリルと呼ばれる
糸状構造を形成する。

ミクロフィブリルは、直径約１０〜２０ｎｍを有すると
報告されており且つ電子顕微鏡で観察可能である。ミク
ロフィブリルは、しばしば、マクロフィブリルとして既
知の小さい束の形態で存在する。

マクロフィブリルは、横方向に凝集してミクロフィブリ
ルよりも直径が大きいがセルロース繊維よりも実質玉串
さい糸状構造を形成する複数のミクロフィブリルと特徴
づけることができる。一般に、セルロース繊維は、比較
的薄い一次壁および比較的厚い二次壁からなる。−次壁
、即ち、繊維の外　− 面に配置された薄い網状カバーは、主としてミクロフィ
ブリルから形成されている。大部分の繊維壁、即ち、二
次壁は、ミクロフィブリルとマクロフィブリルとの組み
合わせから形成されている。

パルプ・エンド・ペーパー・マニュファクチャー（Ｐｕ
ｌｐ　ａｎｄ　Ｐａｐｅｒ　Ｍａｎｕｆ’ａｃｔｕｒｅ
）　、Ｖ　ｏ　１　、　１、繊維状原料の性質およびパ
ルプ化法、ドクター・ミカエル・コクレック編、第■章
、「超微細構造および化学Ｊ、ｐｐ３５−４４、キャナ
ディアン、パルプ、エンド、ペーパー、インダストリー
（モントリオール）およびテクニカル・アソシエーショ
ン◆オブ・ザ・パルプ・エンド・ペーパー・インダスト
リー（アトランタ）共同発行、第３版（１９８３）参照
。セルロース繊維壁は、セルロース繊維の超微細構造を
構成する。ミクロフィブリルおよびマクロフィブリルは
、以下で集合的に「フィブリル」と呼ばれるであろう。

よって、セルロース繊維からの膨張繊維は、セルロース
繊維超微細構造から実質上分離されるか解離されたフィ
ブリルを意味する。この状態の繊維状物質は、以下「フ
ィブリル状」形態であると呼ばれるであろう。

フィブリル状超微細構造を有する繊維状物質からのいか
なる種類の膨張繊維の製造も、主として繊維状形態から
少なくとも部分的にフィブリル状形態への繊維状物質の
膨張を包含する。セルロース繊維状物質から膨張繊維を
製造するための１つの方法は、米国特許第４，４８３，
７４３号明細書に開示されている。そこでミクロフィブ
リル化セルロースと呼ばれている膨張繊維は、セルロー
ス繊維の液体懸濁液を小径オリフィスに通過させること
によって製造している（懸濁液は少なくとも３０００ｐ
ｓｉｇの圧力低下および高速剪断作用に付した後、高速
減速衝撃に付す）。実質上安定な懸濁液が得られるまで
、オリフィスを通しての懸濁液の通過は、繰り返す。

セルロース繊維状物質から膨張繊維を製造するための好
ましい方法は、米国特許第４，７６１゜２０３号明細書
に開示されている。そこに記載の膨張繊維は、フィブリ
ル状超微細構造を有する繊　８ 雄状物質を微細媒体（ｆｉｎｅ　ｍｅｄｉａ）と衝突さ
せることによって機械的にフィブリル化する方法によっ
て製造している。この方法は、先ず、繊維状物質のフィ
ブリルが繊維状物質超微細構造物から分離されるように
繊維状物質に複数の微細媒体の衝撃を与え、次いで、繊
維状物質を微細媒体から分離する工程を包含する。この
ような処理は、微細媒体ミル、攪拌微細媒体ミルおよび
す′ンドミルとして既知の装置で実施してもよい。好ま
しくは、微細媒体ミルを通しての繊維状物質の流れが実
質上水平方向で生ずる水平微細媒体ミルか利用される。

垂直微細媒体ミルおよび水平配置と垂直配置との間の角
度の媒体ミルも、適用できる。

パルプ化セルロース繊維の場合に通常観察されているフ
ィブリル化の水準を向上させるための製紙工業における
他の方法が提案されている。例えば、市販品を与えるた
めに通常実施されている水準を超えるパルプの叩解およ
び追加のリファイニングは、フィブリル化を増大させる
ことか周知である。しかしながら、セルロース繊維工業
で実施されているような叩解およびリファイニングは、
比較的効率が良くない方法である。多量のエネルギーが
、比較的少量の繊維膨張およびフィブリル化を得るため
に消費されている。これらの方法においては、繊維壁、
従って、超微細構造を実質上そのままに保持しながら、
繊維は、摩耗されて「毛羽立ち」特性を有する繊維を形
成する。一般に回転子またはステーター間のトラップに
よる懸濁繊維の摩耗および衝撃によって実施される叩解
およびリファイニングは、膨張繊維の製造に有意なフィ
ブリル化の水準を達成するのに必要な長時間の繊維処理
のため、膨張繊維を製造するための極めて限定された実
用性しか有していないことが見出された。通常の叩解お
よびリファイニング装置によるフィブリル化の別の不利
は、高水準の摩耗が装置表面上で生ずることである。

鉱物顔料填料を紙シートの形成前に製紙用完成紙料に加
える方法は、技術上周知である。例えば、スモッグのハ
ンドブック・フォー◆パルプ・エンド・ペーパー・テク
ノロジスッ（Ｈａｎｄｂｏｏｏｋ　ｆｏｒ１〇　− Ｐｕ１ｐ　＆　Ｐａｐｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔ
ｓ）　、第２０４頁〜第２０７頁（１９８７年）参照。

特に、微粉砕白色鉱物顔料は、しばしば、製紙用完成紙
料に加えて、シートの光学的性質および物理的性質を改
善する。

このような白色鉱物顔料は、不透明度を増大し、白色度
を上昇し、一般に印刷性を改善する印刷用紙において高
度に望ましい。これらの鉱物顔料の適用は、不透明度が
低い坪量で必要である時に特に重要である。

最も常用されている製紙用不透明鉱物顔料は、クレー、
炭酸カルシウム、タルク、および二酸化チタンである。

クレーは、安価で豊富であり安定であり且つ一般に良好
な性能を与えるので、最も広く使用されている填料顔料
である。炭酸カルシウムは、低いｐＨ水準での溶解度の
ため、アルカリ性または中性系内でのみ使用されるでい
る。それは、クレーよりも高い白色度水準で入手でき且
つより良い不透明剤である。タルクは、概略式ＨＭｇ　
（Ｓ１０３）４を有する水和ケイ酸７　　３ グネシウムである。タルクは、「柔軟」填料として有名
であり、柔軟絹様感を紙製品に付与する。

二酸化チタンは、最も白色度の高い最も有効な不透明剤
である。クレーと同じ不透明度を生ずるのにチタン顔料
の一部分のみてすみ且つこの差は、低坪量の紙において
特に著しい。二酸化チタン填料配合紙の別の特徴は、印
刷後に減少された透き通しである。この顔料の高価格は
、無差別の使用を許さず、それゆえ、二酸化チタンは、
主として高品質および高価格紙製品を製造するために使
用される。

二酸化チタン並びに他の鉱物顔料の使用は、若干の望ま
しくない効果、主として紙の強度の測定可能なしばしば
有意な減少を生ずる。即ち、不透明化鉱物顔料の添加に
よって紙の光学的性質の改良に払われた代償は、しばし
ば、引張強さの有意な損失である。従って、紙の引張強
さに悪影響を及ぼさずに通常の鉱物顔料の使用によって
紙の不透明度を増大することができることが高度に望ま
しいであろう。

それゆえ、本発明の目的は、改良された強度時１ 性を有する、膨張繊維と不透明化鉱物顔料とを含有する
高不透明紙構造物を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、膨張繊維を含有していない同
じ坪量の紙と比較して引張強さの特定の水準でより高い
不透明度を有する低坪量紙構造物を提供することにある
。

これらの目的および他の目的は、下記開示かられかるよ
うに、本発明を使用して達成される。

発明の概要 本発明の一面においては、セルロース繊維、有効量の膨
張セルロース繊維および有効量の不透明化鉱物顔料を含
む不透明化紙構造物が提供される。

紙構造物は、坪量約２０〜約１２０ｇ／ｒｆおよび密度
約１．０ｇ／ｃｍ３以下を有する。好ましくは、鉱物顔
料は、紙構造物の乾燥重量に対して約１％〜約１５％の
量の二酸化チタンである。不透明化鉱物顔料と膨張セル
ロース繊維とのこの特定の組み合わせの特に予想外の利
益は、所定水準の不透明度での高水準の引張強さであり
、または逆に所定の引張強さでの高水準の不透明度であ
る。

２ ここですべての％、比率および割合は、特に断らない限
り、重量基準である。

本発明を詳述する。

発明の詳細な説明 簡潔には、本発明は、膨張繊維および二酸化チタンなど
の不透明化顔料を紙構造物に配合することによって、高
い不透明度と改善された引張強さとの両方を有する軽量
紙構造物である。即ち、紙構造物における膨張繊維と不
透明化顔料との組み合わせは、得られる紙製品の不透明
度と引張強さとの両方を増大することを可能にする。本
発明は、高められた不透明度のために鉱物顔料を必要と
する高品質の強い軽量印刷および筆記用紙を製造するの
に特に有用である。

理論によって限定したりその他の点で本発明を限定した
りするものではないが、下記説明は、紙構造物の引張強
さと不透明度との両方を増大する膨張繊維の独特な能力
のために提供される。膨張繊維は、紙構造物の単位容量
光たりの水素結合の数を増大することによって引張強さ
を増大する。

３　− ４ それは、膨張繊維物質に存在する極限フィブリル化によ
って水素結合に利用可能にされた非常に大きい表面積の
ため、このことを行うことができる。

この機能に加えて、膨張繊維に存在する実質上分離され
たフィブリルは、さもなければ個々の粒子が物理的接触
状態にある凝集体を形成することがあるであろう鉱物顔
料の粒子を分離することができる。顔料粒子の物理的接
触は、光の散乱が生ずる若干の空気−顔料界面をもたら
して、光学的に不活性の顔料−顔料界面と置換すること
がある。

それゆえ、膨張繊維は、個々の顔料粒子を分離状態に保
つことによって鉱物顔料の不透明化効率を増大できる。

本発明に利用してもよいセルロース繊維としては、木材
パルプに由来する繊維が挙げられる。他のセルロース繊
維状パルプ繊維、例えば、コツトンリンター、バガスな
どは、利用でき且つ本発明の範囲内であることを意図す
る。レーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン繊維など
の合成繊維は、天然セルロース繊維と併用してもよい。

利用してもよい１．つの例示のポリエチレン繊維は、バ
ーキュレス・インコーホレーテッド（プラウエア州つィ
ルミングトン）から入手できるパルペックス（Ｐｕ　Ｉ
　ｐｅｘＴＭ）である。

適用できる木材パルプとしては、クラフト法、亜硫酸法
、および硫酸塩法によって調製される化学パルプ；例え
ば、砕木パルプ、熱機械パルプおよび化学変性熱機械パ
ルプを含めた機械パルプが挙げられる。しかしながら、
化学パルプは、優れた強度特性のため、好ましい。時々
「広葉樹」と呼ばれる落葉樹と、時々「ソフトウッド」
と呼ばれる針葉樹との両方に由来するパルプは、利用し
てもよい。特に、軽くリファイニングされた（好ましく
は鉱物顔料および／または膨張繊維の添加前にカナダ標
準ろ水度約５００ｍ１以上）広葉樹パルプと針葉樹パル
プとの漂白クラフトブレンドは、本発明で使用するのに
好ましい。

上記のように、高度にフィブリル化されたセルロース繊
維状物質、以下本発明で使用する「膨張繊維」は、好ま
しくは５、米国特許第４，７６１゜　１５ ６ ２０３号明細書に開示の方法に従って製造する。

この特許においては、膨張繊維は、微細媒体の衝撃を繊
維状物質に対して与えることによって調製している。繊
維状物質に対する微細媒体の衝撃は、少なくとも繊維状
物質のフィブリルの一部分が繊維状物質超微細構造物か
ら分離されるまで、続ける。

上記米国特許第４，７６１，２０３号明細書に開示の方
法の場合に使用してもよい繊維状物質の種類としては、
フィブリル状超微細構造を有する繊維状物質が挙げられ
る。しかしながら、本発明は、セルロース繊維から製造
された膨張繊維に限定される。それゆえ、上記米国特許
第４，７６１．。

２０３号明細書に開示の方法のこの説明の残りは、セル
ロース繊維からの膨張繊維の製造に集中するであろう。

針葉樹繊維、広葉樹繊維、コツトンリンター繊維、そし
てまたエスパルト草、バガス、大麻および亜麻からの繊
維を含めて種々の天然起源のセルロース繊維を使用して
もよい。好ましくは、木材源からの化学パルプ化繊維は
、膨張繊維により効率的にフィブリル化されると推測さ
れるので、利用される。詳細には、化学パルプ化繊維は
、砕木パルプ、熱機械パルプ、化学熱機械パルプなどの
機械パルプ化繊維よりも好ましい。その理由は、機械パ
ルプ化繊維に存在するリグニンがフィブリルを所定位置
に堅く結合し且つ繊維可塑化を抑制するからである。従
って、フィブリル化効率は、化学パルプ化木材繊維の同
様の処理と比較して低い。実質量のヘミセルロースを有
するセルロース繊維は、ヘミセルロースの実質的不在に
よって特徴づけられる綿などの高αセルロース含量繊維
よりも好ましい。高αセルロース含量繊維は、化学パル
プ化法によって木材および植物源からのセルロース繊維
からも調製できる。ヘミセルロース含有繊維が好ましい
理由は、このような繊維が低ヘミセルロース繊維よりも
可塑化を受けやすく且つ得られる可塑化繊維が低ヘミセ
ルロース繊維よりもフィブリル化を受けやすいことであ
る。一般に、通常の化学パルプ法から与えられる繊維は
、重量７ ８ ％で、ヘミセルロース約１０％〜約１５％を有するであ
ろう。この範囲内またはそれ以上のヘミセルロース量を
有する繊維は、本発明で使用する膨張繊維の製造に好ま
しい。

源と無関係に、繊維は、媒体による効率が良く且つ有効
な作用、および微細媒体の衝撃を繊維に対して与えるた
めに利用する装置を通しての繊維の流動性を容易にする
ために、機械的膨張の開始前にシートではない形態で与
えるべきである。

微細媒体での機械的衝撃時に、セルロース分子間の主と
してフィブリル間結合、例えば、機械的結合および水素
結合は、破壊される。影響を及ぼす結合が破壊されるに
つれて、フィブリルまたはそれらの部分は、繊維超微細
構造から分離するようになる。この現象は、繊維の「膨
張」と呼ばれる。微細媒体での十分な水準の衝撃時に、
繊維の実質的部分は、高度に膨張されたフィブリル状状
態に転化する。好ましくは、本質上全部の繊維は、繊維
超微細構造がフィブリル状形態に実質上完全に膨張した
このようなフィブリル状状態に転化す微細媒体による機
械的膨張を容易にするために、繊維は、上記のように柔
軟化、即ち、可塑化すべきである。このことは、機械的
膨張の初期段階前または機械的膨張の初期段階時に、繊
維を極性液体、例えば、水およびエチレングリコール（
限定せずに）と接触することによって達成できる。化学
パルプ化繊維を可塑化するのに必要とされる流体の量は
、一般に、繊維の膨潤を誘導するのに必要とされる流体
の量と対応するであろう。典型的には、繊維コンシスチ
ンシー約５０重量％以下を有するスラリーが、好ましい
。しかしながら、後述のように、より多い量の流体は、
一般に、繊維状物質の輸送を容易にするために望ましい
であろう。

有意には、繊維に対する微細媒体の衝撃は、繊維の機械
的膨張をもたらして個別化されたミクロフィブリルとす
る。このようなミクロフィブリルは、粒状、粉末状また
は微細に細断された繊維状のセルロース物質と比較して
高い表面積および高９ ０　− いセルロース鎖長を有する。鎖長および表面積のこれら
の差は、膨張繊維の高い吸収性、ゲル化性および強度付
与特性に有意に寄与すると推測される。

好ましい態様においては、繊維状物質に微細媒体ミルを
用いて媒体で衝撃を与える。微細媒体ミルは、或いは、
攪拌媒体ミル、攪拌微細媒体ミル、およびサンドミルと
呼んでもよい。微細媒体ミルは、一般に、クリスト・ゾ
ガによる「コンピューター制御での水平媒体ミル処理」
　（モダーン・ペイント・エンド・コーティングズ、１
９８４年６月）に記載されている。そこに両方とも記載
の垂直および水平攪拌媒体ミルは、両方とも本発明に適
用できる。一般に、微細媒体ミルは、円筒管、この管内
に配置された回転自在の軸、この回転自在の軸に取り付
けられた複数のインペラー、軸を回転するための手段、
管内に配置された微細媒体、およびこの微細媒体から膨
張繊維を分離するための手段を有する。インペラーの目
的は、微細媒体を攪拌し、それによって被処理物質に対
する媒体の衝撃を容易にすることである。円筒管は、垂
直攪拌媒体ミルのために垂直に配向されている。水平攪
拌媒体ミルは、ミルを通してのより良い流れおよびより
高い媒体装入能力のため、好ましい。

より高い媒体装入能力は、水平攪拌媒体ミルをより高い
効率で操作し且つ処理製品をより短い時間で製造するこ
とを可能にする。水平ミル中のインペラーは、ミルを通
しての直接の流れを制限するという追加の機能を果たす
。水平攪拌媒体ミルは、ニューヨーク州ニューヨークの
プレミア・ミル拳コーポレーションから市販されている
。

米国特許節３．５４５，６８７号明細書、第３゜９９５
．８１８号明細書、第３．９６０，３３１号明細書、第
３，６８５，７４９号明細書、第３゜９８４．０５５号
明細書および第４，１４０，２８３号明細書に例証のよ
うなサンドミル、垂直微細媒体ミルの１カテゴリーも、
繊維状物質のフィブリル化に意図される。

各種の種類の微細媒体は、繊維状物質を膨張するために
使用してもよい。これらとしては、ガラ１ ２ スビーズ、セラミックビーズ、ケイ酸ジルコニウムビー
ズ、酸化ジルコニウムビーズ、および鋼または他の金属
ショットが挙げられる。微細媒体は、球状、楕円形であ
ってもよく、または別の幾何学的形状を有していてもよ
い。微細媒体は、丸または角状エツジを有していてもよ
い。微細媒体の相当直径は、好ましくは、約０．５ｍｍ
〜約３正であり、そして相当直径は下記式 （式中、ＥＤは相当直径であり、■は個々の微細媒体の
容量である） に従って計算する。

操作中、媒体ミルのインペラーの回転は、微細媒体を推
進し、よって微細媒体の衝撃を繊維状物質に対して与え
る。微細媒体が膨張を生じさせてフィブリル状形態にす
るために繊維を打たなければならない速度は、微細媒体
の種類、大きさおよび重量、繊維の可塑化度に依存する
であろう。フィブリル化の効率は、更に、フィブリル化
が生ずる面積の容量と比較しての媒体ミル中の繊維およ
び微細媒体の％に依存するであろう。実用の目的では、
微細媒体がフィブリル化の実質的水準を達成するために
繊維に対して衝撃を与えなければならない最小速度が存
在するであろう。この水準は、上記因子に依存するであ
ろう。一般に、より高い水準のフィブリル化は、所定の
媒体ミル中の微細媒体の特定の種類および形状のより高
い割合と関連づけられるであろう。フィブリル化に影響
する因子は、以下で詳細に例証する。

沈降時に、セルロース繊維状物質のよく混合されたスラ
リーは、一般に、セルロース含有相とセルロースを含有
しない相とに分離する傾向がある。

便宜および実用性のために、本発明の範囲内のセルロー
ス繊維状物質からの膨張繊維は、繊維状物質の水性スラ
リーのコンシスチンシーによって定義できる〔そのため
には乳化剤または他の安定剤の実質的不在下でのよく混
合されたコンシスチンシー０，５％の水性スラリー（ス
ラリーの繊維状３− 物質％、重量基準）の６０分の乱されない沈降時に、ス
ラリーの沈降後のセルロース含有相はスラリーの容量の
少なくとも５０％を保持する〕。

上記のような水溶液のセルロース含有相が６０分の期間
の攪拌しない沈降後に等しい容量部分のセルロース含有
スラリーとセルロースを含有しない水とに分離するコン
シスチンシーは、以下で５０％容量減少沈降コンシスチ
ンシーと呼ぶであろう。後述のこのコンシスチンシーは
、重量基準で計算するであろう（膨張形態または非膨張
形態の繊維状物質の重量を水性スラリーの合計重量の％
として計算する）。よって、上記定義の範囲内の膨張繊
維は、５０％容量減少沈降コンシスチンシー０，５％以
下を有するであろう。参考のために、切断されて標準６
０メツシユスクリーン（ＡＳＴＭ　　Ｅ−１１）を通過
する通常の化学パルプ化セルロース繊維は、通例、５０
％容量減少沈降コンシスチンシー約２％を有するであろ
う。

即ち、このような繊維の２％コンシスチンジ−スラリー
中のセルロース繊維は、６０分の乱されな　２４ い沈降期間後に初期ディスプレースメント（ｄｉｓｐｌ
ａｃｅｍｅｎｔ）の５０％まで沈降するであろう。

上記のように、膨張繊維は、沈降コンシスチンシー０．
　５％以下、好ましくは沈降コンシスチンシー約０．１
％以下を有するであろう。５０％容量沈降コンシスチン
シーよりも大きいコンシスチンシーで調製された膨張繊
維の水性スラリーは、６０分の攪拌しない沈降時に初期
容量の５０％を超える膨張繊維含有相の５０％容量減少
を有するであろうことは、当業者によって理解されるで
あろう。

下記方法は、セルロース繊維の５０％容量減少沈降コン
シスチンシーを測定するために使用できる。先ず、本発
明に従って処理されたセルロース物質を含有する異なる
コンシスチンシーの一連の少なくとも３種の水性スラリ
ーを調製する。各スラリーを別個の５０ｍ１のメスシリ
ンダーに入れる。

スラリーを同時に攪拌し、次いで、攪拌しない条件下で
６０分間沈降させる。攪拌しない条件下での沈降は、セ
ルロール物質の少なくとも部分的性５ ２６ 降を生じてセルロース含有相およびセルロースを含有し
ない相を形成するであろう。沈降期間の終わりに、セル
ロース含有相の容量を各メスシリンダーから計算する。

これを沈降容量と呼ぶ。スラリーのコンシスチンシーは
、少なくとも１つの溶液が５０％容量減少沈降コンシス
チンシーよりも大きいと推測される沈降前のコンシスチ
ンシーおよび低いと推測されるものを有するように選ば
れる。プロットを元の容量の％ＶＳ溶液の繊維コンシス
チンシーにより、プロットされたデータ点から作られる
重量により、沈降容量から作成する。

５０％容量減少沈降コンシスチンシーは、５０％水準で
の沈降容量が曲線と交差する点での曲線から内挿する。

不透明度は、紙を通しての拡散光と非拡散光との両方の
透過に抵抗する紙の性質と定義される。

それは、紙のシートの裏側と接触している暗色印刷物の
透き通しを防止する。印刷および筆記用紙の実用性は、
高い不透明度によって大幅に高められる。ここで使用す
る「不透明化紙構造物」は、鉱物顔料などの不透明化剤
の添加によって、より不透明にされた紙を意味する。

不透明度は、黒色裏張りを有する紙の１シートの見掛は
反射率対白色裏張りを有するシートの見掛は反射率の比
率として計算する。反射率が裏張りを白色から黒色まで
変化することによって変化しない試料は、不透明度１０
０を有するであろうし且つ反射率が裏張りを白色から黒
色まで変化することによって高い値から零まで変化する
試料は、不透明変容を有するであろう。

不透明鉱物顔料は、紙のシートに与える光学的改良のた
めに本発明で使用される。一般に、鉱物顔料填料の配合
によって影響される光学的性質は、不透明度、白色度、
および色である。これらの性質の各々が変化する度合い
は、鉱物顔料の種類、繊維完全紙料の性状、および最終
シートの坪量に非常に依存する。坪量≦６０ｇ／ｒＩｆ
においては、はとんどすべての鉱物顔料は、ウェブへの
配合時に、増大されたシート不透明度を生ずるであろう
。

坪量が増大するにつれて、一定量の鉱物顔料の維７ ＝　２８ 持は、填料を配合していないバルブシートと比較して不
透明度のより少ない増大が生ずるであろう。

非常に低い坪量においては、鉱物顔料の不透明性能は、
最大限にされる。より高い坪量においては、鉱物顔料の
不透明性能は、最小限にされる。

顔料が填料応用で有する不透明効率は、波長５７２ｎｍ
の光を散乱する能力に関連する。顔料の散乱力は、数種
の基本的因子、即ち、周囲の媒体と比較しての屈折率、
および粒径（および／または形状）および乾燥ウェブへ
の配合時に入手できる光散乱表面の数によって影響され
る。鉱物填料が有する屈折率が高ければ高い程、空気／
顔料または繊維／顔料界面における光散乱は、大きい。

紙の填料配合シートにおいては、不透明度を生ずる最高
の潜在的光散乱源を提供するものは、これらの２つの界
面の１つである。

本発明に利用してもよい鉱物顔料填料としては、クレー
、炭酸カルシウム、二酸化チタン、アルミニウム３水和
物、無定形シリカおよびシリケート、サチン白、タルク
、酸化亜鉛、および硫酸バリウムおよびそれらの混合物
が挙げられる。各々が機能する方式と一緒に、これらの
物質の物理的および化学的特性に関する包括的データは
、ザ・テクニカル・アソシエーション・オブφザ・パル
プΦエンド・ペーパー・インダストリー・インコーホレ
ーテッド（ＴＡＰＰＩ）発行の「紙用顔料」（１９８４
年）に記載されている。本発明で使用するのに好ましい
鉱物顔料としては、クレー、炭酸カルシウム、および二
酸化チタンおよびそれらの混合物が挙げられ、二酸化チ
タンが最も好ましい。

二酸化チタン（Ｔ　ｉ　Ｏ２）は、商業上重要である２
つの結晶形態：アナターゼおよびルチルで存在する。ル
チルの屈折率（２，７０）は、アナターゼのもの（２，
５５）よりも高いが、紙に非常に高度に叩解されたパル
プを含浸するか、紙を非常に高度に叩解されたパルプか
ら作るのでない限り、この差は、実際的意義を有してい
ない。チタン顔料の白色度は９８以上であり且つ粒径は
約０．３〜約０．３５μである。高い屈折率および９ ３０ 微細な粒径は、チタン顔料に格別高い不透明効果を与え
る。クレーと同じ不透明度を生ずるのにほんの少しのチ
タン顔料ですみ、且つこの差は低い坪量の紙において特
に著しい。

本発明の紙構造物は、３つの必須エレメント、セルロー
ス繊維、膨張セルロース繊維、および鉱物顔料填料を含
む。更に、紙構造物は、技術上既知であるか後日既知に
なるような、それに加える他の成分または物質、例えば
、乾燥および湿潤強度添加剤、顔料歩留り向上剤、サイ
ズ剤などを有していてもよい。

有機白色顔料は開発されていることも述べるべきである
。−例は、非常に低い比重を有する球で販売されている
ビニリデン−アクリロニトリル重合体である。これらの
粒子は、高い高値および良好な不透明度を与えるであろ
うが、セルロース繊維に対してほとんど親和力を有して
おらず且つ紙は表面サイズしなければならない。別の不
利は、粒子が加圧下で崩壊することがある中空微小球で
あるという事実のためであるカレンダー掛けに対する感
度である。合成尿素ホルムアルデヒド顔料も、使用され
ている。本発明の紙構造物は、これらの有機白色顔料並
びに技術上既知であるか後日既知になる他の顔料物質を
含有していてもよい。

好ましくは、紙構造物は、紙構造物の乾燥重量に対して
約４０〜約９８％のセルロース繊維（膨張セルロース繊
維を包含せず）、最も好ましくは約７０〜約９０％のセ
ルロース繊維（膨張セルロース繊維を包含せず）を含む
。有効量の鉱物顔料填料は、所望の光学的性質を紙構造
物に付与するために配合する。鉱物顔料の必要量は、使
用する鉱物顔料の種類、望まれる最終結果に依存し且つ
紙構造物の種類および用途に応じて広く変化するであろ
う。好ましくは、顔料含量は、紙構造物の乾燥重量に対
して約１％〜約３５％の鉱物顔料、最も好ましくは約５
％〜約２０％の鉱物顔料であろう。二酸化チタンの特殊
な場合には、独特の不透明力のため、鉱物顔料の使用量
は、より少なく、典型的には、紙構造物の乾燥重量に対
して約１％〜約１５％である。

＝３１ ２ 有効量の膨張セルロース繊維は、紙の引張強さを増大す
るために、そして紙の不透明度を増大するために紙構造
物に加える。膨張繊維の使用量は、使用する鉱物顔料の
種類および量、望まれる最終結果および紙構造物の種類
および用途に依存する。

好ましくは、膨張セルロース繊維含量は、紙構造物の乾
燥重量に対して約１％〜約２５％、最も好ましくは約５
％〜約１０％であろう。

紙構造物は、好ましくは、坪量約２０〜約１２０ｇ／イ
、最も好ましくは約３０ｇ／ｍ２〜約７０ｇ／ｍ２およ
び密度約１．０ｇ／ｃｍ３以下を有する。最も好ましく
は、密度は、約０．５０ｇ／ｃｃ〜約０．９０ｇ／ｃｃ
であろう。

本発明の不透明化紙構造物の好ましい製法においては、
膨張セルロース繊維および鉱物顔料は、セルロース繊維
のスラリーからなる製紙用完成紙料に加える。製紙用完
成紙料は、製紙技術の当業者に周知の混合技術および装
置によって容易に調製または製造できる。セルロース繊
維、膨張繊維および鉱物顔料を含む完成紙料は、本発明
の不透明化紙構造物を形成するために使用される。繊維
のシートを形成するのに技術上周知の各種の湿式形成技
術のいずれも、使用できる。長網法の各種の修正が、特
定の有用性を有する。一般に、この方法は、完成紙料を
適当なコンシスチンシーに調節し、完成紙料を長網など
の移動有孔表面に適用し、過剰の水を有孔表面を通して
形成された繊維マットから水切りし、水切りされた繊維
マットを各種のプレス操作に付して一層水を追放するこ
とを包含する。次いで、凝集繊維状ウェブは、乾燥トン
ネル、回転ドラム乾燥機などの好都合な装置によって乾
燥する。次いで、乾燥された紙構造物は、切断してセク
ションとするか、コアに巻き取って好都合な大きさのロ
ールを形成する。

下記例は、本発明の実施を例証するものであって、限定
するものではない。以下の手すき法は、例全体にわたっ
て手すき紙の製造において使用される。

手すき法 ノザーン針葉樹パルプは、乾燥ラップ漂白ノザ３ ４− −ン針葉樹クラフト（Ｎ　Ｓ　Ｋ）パルプを、パルプが
膨張繊維添加剤の有無で手すき紙を製造するために結局
使用するかどうかに応じて単独または合計乾燥固形分重
量基準で１５％の膨張繊維と共に英国式離解機で離解す
ることによって調製する。

離解用標準バッチは、水２ΩΩ中休物質１６．５ｇであ
る。十分なバッチを調製した後、スラリーを１００メツ
シユのモネル（Ｎｏｎｅｔ）スクリーンを備えた１２イ
ンチＸ１２インチ（約３０．５ｃｍＸ約３０．５ｃｍ）
の寸法のウィリアムズ（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）モールドに
移す。十分な固体物質をモールドに装入して、乾燥坪ｆ
ｆ１１０００ｇ／ｒ＋ｆを有するシートを製造する。形
成後、パルプマットは、真空ボックス上に通過し、最後
に約１１２℃でスチーム加熱ドラム上で乾燥することに
よって脱水する。

ノザーン広葉樹クラフト（ＮＨＫ）パルプ（ヤマナラシ
類）は乾燥ラップとしてそのまま使用する。

二酸化チタン（Ｔ　Ｌ　Ｏ２）スラリーは、水を乾燥Ｔ
　Ｉ　Ｏ２粉末（Ｅ、　　１．デュポン・ド・ヌムス・
カンパニーから得られるＲ９０ｌ−０１ｒＴｉピュア（
Ｐｕｒｅ）　Ｊ　）に加えることによって調製する。十
分な水を加えて固形分基準１０％のスラリーを調製する
。低速設定値の実験室用ワーリングブレンダーを使用し
て、Ｔ　Ｉ　Ｏ２を５〜１０分間分散する。このスラリ
ーを使用直前に激しく攪拌する。

高分子電解質〔バーキュレス・インコーホレーテッドか
らのレチン（ＲＥＴＥＮＴＭ）型５２３〕を歩留り向上
剤として使用する。それを離解サイクルの終わり付近で
加える（離解約３０秒が歩留り向上剤添加後に可能であ
る）。

乾燥パルプを使用前に最小限４時間水にソーキングする
。次いで、パルプを所望のパルプブレンドに従って英国
式離解機に比例添加する。パルプおよび顔料を両方とも
１０分の離解サイクルの初めに加える。歩留り向上剤を
このサイクルの終わり付近で加える（約３０秒残して）
。これは、フロックが継続高剪断条件によって再分散さ
れる機会を最小限にするように歩留り向上剤を分散させ
５ ることを可能にする為である。

離解後、手すきを本質上Ｔ、　Ａ、　　Ｐ、　　Ｐ、　
　Ｉ。

法Ｔ２０５ｏｍ−８１に従って行う。乾燥成分を比例添
加して、調整空気乾燥基準で約６４ｇ／ｍ２に等価であ
るオーブン乾燥坪量６０ｇ／ｒｒｆを生ずる。

シートを１００メツシユのステンレス鋼ワイヤースクリ
ーンを備えた６、２５インチ（約１５．９ｃｍ）の円形
のモールドで形成する。微粒子の最大歩留りを促進する
ために、水切り水を再循環し、シリーズの爾後のシート
を作るために使用する。シリーズの早期シートがわずか
に低い微粒子％を有すると予測されるので、各シリーズ
の最初の４シートを捨てる。

スクリーン上でのシートの形成後、シートは、標準２８
ポンドＴ、　Ａ、　　Ｐ、　　Ｐ、　　Ｉ、ローラーを
使用することによってプロッター上にクーチする。

次いで、シートをプレス中でプロッターとクロムプレー
トとの間に交互に積み重ねる。

プレス後、今やクロムプレートに接着するシー６ トは、シートがカールしたり、しわがよったりするのを
防止するのに必要な拘束を乾燥時に与えるリングに移す
。シートをリング中で乾燥し、次いで、鋼板から取り外
し、試験前に制御された環境の実験室中で２３℃、早退
湿度５０％でコンディショニングする。

手すき紙中の鉱物顔料（即ち、Ｔ　ｉ　Ｏ２）　Ｈの分
析は、シートを灰とし、灰を秤量することによって重量
分析法で行う。

鉱物顔料を含有する手すき紙の不透明度をバウシューエ
ンドΦロンブψオパシメーター（Ｂａｕｓｃｈ＆　Ｌｏ
Ｍｂ　ｏｐａｃｉｍｅｔｅｒ）でＴ、　Ａ、　Ｐ、　Ｐ
、　　１．標準Ｔ４２５ｏｍ−８６に従って測定する。

坪量の微変動が予想されるので、シートで測定された性
質は、シートが６４ｇ／ｒｄ”標準重量で調製されるな
らば予想されるであろう等価の値に補正する。

膨張繊維の製造 乾燥漂白サザーン針葉樹りラフ）（ＳＳＫ）パルプ繊維
は、乾燥繊維が標準６０メツシユスクリ　３７ ８− ン（ＡＳＴＭ　　Ｅ−１１）を通過することができるよ
うにナイフカッターで十分に切断する。切断された繊維
を水と混合して、２重量％繊維コンシスチンシーを有す
る水性スラリーを調製する。

次いで、スラリー中の繊維をプレミア・ミル・コポレー
ションにューヨーク州ニューヨーク）製の水平微細媒体
ミルでの処理によって膨張する。

詳細には、１．５Ωのフィブリル化帯容量および５個の
インペラーを有するモデルＮｏ、１．５ＶＳＤ水平媒水
平座を使用する。フィブリル化帯は、ガラス製の有効直
径１．５＋ｎｍの微細媒体８０％（フィブリル化帯の容
量基準）を含有する。微細媒体は、形状が実質上楕円形
であり且つ鋭角なエツジを有していない。媒体スクリー
ンは、螺旋形リングエレメントのパス間に１３ミルの開
口部およびビームと螺旋形リングエレメントとの間の接
合点におけるビーム間に６３ミルの開口部を有する。

ビームの高さ、即ち、大体螺旋形リングエレメントの内
面と媒体ミルの回転自在の軸との間の距離は、約６７ミ
ルである。

インペラーを２１００フイ一ト／分のインペラー周速に
対応する２６８Ｏｒｐｍの速度でスピニングしながら、
ＳＳＫスラリーを媒体ミルに通過させる。媒体ミルを室
温冷却水で冷却して、約４０℃以下のスラリー温度を維
持する。

スラリーを合計５パスで閉ループパッチ系内で各ハスの
場合に容量流量９．５ガロン／ｈｒでフィブリル化帯に
通過させる。セルロース物質の５０％容量減少沈降コン
シスチンシーをフィブリル化帯を通しての各通過後に測
定する。下記の５０％容量減少沈降コンシスチンシーは
、フィブリル化帯通過の各々の後に得られる：バス１．
０．８８％；パス２．０．３１％；パス３．０．１８％
；パス４．０，１２％およびパス５．０６１０％。

セルロース物質は、パス２後にここに定義の膨張繊維の
特性である沈降に対するゲル状抵抗性を示すのに十分な
程膨張される。５０％容量減少沈降コンシスチンシーの
減少の大きさがフィブリル化帯の後の通過においては比
較的小さいが、スラリは、フィブリル化帯の各通過につ
れてより粘稠　３９− ４０ になる。

例１ 本例の目的は、膨張繊維（ＥＦ）を漂白ノザーン針葉樹
クラフト（Ｎ　Ｓ　Ｋ）と漂白ノザーン広葉樹クラフト
（ＮＨＫ）と二酸化チタン（Ｔ　ｌ　０２　）とのブレ
ンドを含有するパルプ完成紙料に加えることから生ずる
不透明度および引張強さ効果を例証することである。手
すき紙を上記手すき法に従って調製し、膨張繊維（Ｅ　
Ｆ）を含有しない手すき紙と比較する。膨張繊維を膨張
繊維の製造のための上記方法に従って漂白サザーン針葉
樹クラフト（ＳＳＫ）パルプから調製する。本例におけ
るパルプは、リファイニングしない（離解プロセスを除
いて）。結果を以下の表１に報告する。引張強さ値と不
透明度値との両方とも、坪量６４ｇ／イを有する手すき
紙の場合に予想されるであろう等価の値に補正する。

１ ４２ 表１中のデータは、膨張繊維のパルプ完成紙料への添加
がすべての３種のＴ　Ｉ　Ｏ２添加量（即ち、ＴｌＯ２
５％、１０％および１５％）で手すき紙の引張強さと不
透明度との両方の有意な増大を生ずることを実証する。

即ち、膨張繊維のパルプ完成紙料への添加は、得られる
紙の不透明度と引張強さとを同時に増大することを可能
にする。

例２ 本例の目的は、膨張繊維をＮＳＫパルプとＮＨＫパルプ
とＴ　ｉ　Ｏ２とのブレンドを含有する軽くリファイニ
ングされたパルプ完成紙料に加えることから生ずる不透
明度および強度効果を例証することである。手すき紙を
上記手すき法に従って調製し、膨張繊維（Ｅ　Ｆ）を含
有しない手すき紙と比較する。膨張繊維を膨張繊維の製
造のための上記方法に従って漂白サザーン針葉樹クラフ
ト（ＳＳＫ）パルプから調製する。本例と例１との間の
主要な差は、本例におけるパルプブレンドをカナデイア
ン・パルプ・エンド・ペーパー・アソシエーションから
の推奨法Ｃ，７に従ってＰＦＩミル上で１０００回転リ
ファイニングすることである。結果を以下の表２に報告
する。引張強さ値と不透明度値とは、坪量６４ｇ／ｒｄ
を有する紙の場合の等価の値に補正する。

　４３ ４４− 廟 Δ１ 表２中のデータは、膨張繊維の添加がＴ　ｉＯ２添加の
容量（即ち、５％、１０％および１５％）で軽くリファ
イニングされたパルプブレンドを含有する手すき紙の引
張強さと不透明度との両方の有意な増大を生ずることを
示す。

上記明細書から、当業者は、本発明の必須の特徴を容易
に確認でき且つその精神および範囲から逸脱せずに、本
発明をここには明記していない各種の使用法および条件
に適合するように各種の変化および修正を施すことがで
きる。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定さ
れるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セルロース繊維、有効量の膨張セルロース繊維およ
   び有効量の不透明鉱物顔料を含む不透明化紙構造物であ
   って、坪量約２０〜約１２０ｇ／ｍ＾２および密度約１
   ．０ｇ／ｃｍ＾３以下を有することを特徴とする不透明
   化紙構造物。 ２、有効量の膨張セルロース繊維が上記不透明化紙構造
   物の乾燥重量に対して約１〜約２５％の膨張繊維であり
   、且つ有効量の上記鉱物顔料が上記不透明化紙構造物の
   乾燥重量に対して約１〜約３５％である、請求項１に記
   載の不透明化紙構造物。 ３、上記紙構造物の坪量が、約３０〜約７０ｇ／ｍ＾２
   である、請求項２に記載の不透明化紙構造物。 ４、上記鉱物顔料が、二酸化チタン、クレー、炭酸カル
   シウム、アルミニウム３水和物、無定形シリカおよびシ
   リケート、サチン白、タルク、酸化亜鉛、硫酸バリウム
   、およびそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求
   項２に記載の不透明化紙構造物。 ５、上記鉱物顔料が、二酸化チタン、クレー、炭酸カル
   シウム、およびそれらの混合物からなる群から選ばれる
   、請求項４に記載の不透明化紙構造物。 ６、上記鉱物顔料が、二酸化チタンである、請求項５に
   記載の不透明化紙構造物。 ７、有効量の上記鉱物顔料が上記紙構造物の乾燥重量に
   対して約１％〜約２０％の鉱物顔料であり、且つ有効量
   の上記膨張セルロース繊維が紙構造物の乾燥重量に対し
   て約５％〜約１０％である、請求項２に記載の不透明化
   紙構造物。 ８、上記鉱物顔料が、紙構造物の乾燥重量に対して約１
   ％〜約１５％の量の二酸化チタンである、請求項７に記
   載の不透明化紙構造物。 ９、上記セルロース繊維および上記膨張セルロース繊維
   が、化学パルプ繊維からなる、請求項７に記載の不透明
   化紙構造物。 １０、上記紙構造物の坪量が約３０〜約７０ｇ／ｍ＾２
   であり且つ密度が約０．５０ｇ／ｃｍ＾３〜約０．９０
   ｇ／ｃｍ＾３である、請求項７に記載の不透明化紙構造
   物。 １１、鉱物顔料が、紙構造物の乾燥重量に対して約１％
   〜約１５％の量の二酸化チタンである、請求項１０に記
   載の不透明化紙構造物。