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製紙用化学薬品とは、製紙に使用される、または紙の特性を変化させる化学薬品のグループを指します。これらの化学薬品は、紙の色や明るさを変えたり、強度や耐水性を高めたりするなど、さまざまな方法で紙を変化させるために使用できます。 [ 1 ]これらの化学薬品は、製造工程での使用方法に基づいて定義できます。
化学薬品の使用は、紙に特性を与えるためだけでなく、製造工程における水循環の処理、布地のコンディショニング、機器の洗浄、その他多くの用途にも用いられている。
化学パルプ化は、木材繊維からセルロースを抽出するためにリグニンを溶解するプロセスです。化学パルプ化のさまざまなプロセスには、苛性ソーダと硫化ナトリウムを使用する最も一般的なクラフト法、亜硫酸塩法として知られる亜硫酸塩を使用する方法、亜硫酸塩法とは別の第3のプロセスとして扱われる中性亜硫酸塩半化学法、水酸化ナトリウムまたはアントラキノンを使用する最も環境への危険性の低いソーダパルプ化などがあります。[ 2 ]
苛性ソーダは、繊維のパルプ化工程においてpH値を上げるために添加される。紙と繊維の溶液のpH値が高くなると、繊維が滑らかになり膨潤するため、繊維の粉砕工程において重要な役割を果たす。
白い紙の製造において、木材パルプは、化学パルプ化工程で抽出されなかった微量のリグニン由来の色素を除去するために漂白されます。漂白には主に3つの方法があります。
ほとんどの紙は、特定の筆記品質と印刷性を維持するために、ある程度の耐水性が必要です。1980 年までは、この耐水性を付与する一般的な方法は、ロジンとミョウバンを組み合わせることでした。製紙業界が充填剤として陶土の代わりにチョークを使用し始めたとき、紙の化学は中性プロセスに切り替える必要がありました。いくつかの場所で AKD (アルキルケテンダイマー) と ASA (アルケニルコハク酸無水物) が使用されています。最新の開発は、サイズプレスを使用して塗布される表面サイズを使用することです[ 5 ]。表面サイズの利点は、後工程の水化学に干渉しないことです。
耐水性添加剤は、紙が濡れても強度を維持することを保証します。これは特にティッシュペーパーにおいて重要です。この目的で一般的に使用される化学物質には、エピクロロヒドリン、メラミン、尿素ホルムアルデヒド、ポリイミンなどがあります。これらの物質は紙の中で重合し、強度を高めるネットワーク構造を形成します。
紙の強度を高めるために、製造工程で湿潤パルプにカチオン性デンプンが添加されます。デンプンはパルプのセルロース繊維と類似した化学構造を持ち、デンプンと繊維の両方の表面は負に帯電しています。カチオン性（正に帯電した）デンプンを添加することで、繊維はデンプンと結合し、繊維間の相互接続も増加します。デンプンの正に帯電した部分は、通常、第四級アンモニウムカチオンによって形成されます。使用される第四級塩には、2,3-エポキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリド（EPTAC、別名Glytac Quab、GMAC™）および（3-クロロ-2-ヒドロキシプロピル）トリメチルアンモニウムクロリド（CHPTAC、別名Quat 188、Quab 188、Reagens™）などがあります。
乾燥強度添加剤、または乾燥強度向上剤は、通常の条件下で紙の強度を向上させる化学物質です。これらは、紙の圧縮強度、破裂強度、引張破壊強度、および剥離抵抗を向上させます。一般的に使用される化学物質には、カチオン性デンプンやポリアクリルアミド（PAM）誘導体などがあります。これらの物質は、多くの場合、紙シート中のアルミニウムイオンの助けを借りて、繊維を結合させることで機能します。
バインダーは、顔料粒子同士と紙のコーティング層との結合を促進します。[ 6 ] バインダーは、直径1 μm 未満の球状粒子です。一般的なバインダーは、スチレン無水マレイン酸共重合体またはスチレンアクリレート共重合体です。[ 7 ]表面の化学組成は、アクリル酸または陰イオン界面活性剤の吸着によって区別され、どちらも水中での分散の安定化に使用されます。[ 8 ]共バインダーまたは増粘剤は、一般的に水溶性ポリマーであり、紙の色粘度、保水性、サイズ、および光沢に影響を与えます。一般的な例としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、カチオンおよびアニオンヒドロキシエチルセルロース(EHEC)、変性デンプン、およびデキストリンなどがあります。 スチレンブタジエンラテックス、スチレンアクリル、デキストリン、酸化デンプンは、充填剤を紙に結合させるためにコーティングに使用されます。共バインダーとは、デンプンやCMC（カルボキシメチルセルロース）などの天然物であり、スチレンアクリルやスチレンブタジエンなどの合成バインダーと併用されます。共バインダーを使用することで、合成バインダーのコストを削減し、塗膜の保水性やレオロジー特性を向上させることができます。
鉱物充填剤は、より高価なバインダー材料の消費量を削減したり、紙の特性を改善したりするために使用されます。[ 9 ]カオリン、炭酸カルシウム、二酸化チタン、タルクは、製紙で一般的に使用される鉱物充填剤です。
保持剤は、充填剤を紙に結合させるために添加されます。炭酸カルシウムなどの充填剤は、通常、表面電荷が弱いです。保持剤は、カチオン性、つまり正電荷を帯びた基を多く持つポリマーです。保持剤のもう一つの機能は、抄紙機のワイヤー部での脱水を促進することです。ポリエチレンイミンやポリアクリルアミドは、この工程で使用される化学物質の例です。
Pigments that absorb in the yellow and red part of the visible spectrum can be added. As the dye absorbs light, the brightness of the paper will decrease, unlike the effect of an optical-brightening agent. To increase whiteness, a combination of pigments and an optical-brightening agent are often used. The most commonly used pigments are blue and violet dyes.
Optical brightener is used to make paper appear whiter. Optical-brightening agents use fluorescence to absorb invisible radiation from the ultraviolet part of the light spectrum and re-emit the radiation as light in the visible blue range. The optical-brightening agent thus generates blue light that is added to the reflected light. The additional blue light offsets the yellowish tinge that would otherwise exist in the reflected light characteristics. It thus increases the brightness of the material (when the illumination includes ultraviolet radiation).[10]