繊維改質

繊維改質は、紙などの天然繊維に新しい特性を与えて機能性を高める技術の開発と応用を目指す研究分野です。この分野の研究分野にはさまざまな技術が含まれますが、その中でも繊維の化学改質は広く使用されています。化学改質の重要な応用分野の一つは、木材に機械的特性の向上、防水性、吸湿性の低減、細菌や真菌に対する耐性などの特性を与える処理です。木材分野で利用可能な繊維改質に関する技術的知識を再生紙分野に移転して適応させることは、これらの化学処理の革新的な使用法であり、EUの共同出資プロジェクトFibre+で実施されている研究の対象となっています。^[1]

プロジェクトコンソーシアムには、欧州製紙包装協会（CEPI 、FEFCO）の代表メンバー、包装用木材および紙を専門とする研究機関、製紙および包装会社が参加しました。プロジェクトの焦点は、紙のリサイクル繊維の化学改質にあり、木材繊維改質技術を木材部門から製紙および包装部門に移転する可能性を調査しました。リサイクルプロセスは繊維の劣化を引き起こすため、紙と包装の特性を強化することが目的でした。

リサイクル繊維の化学修飾は、リサイクル性が高く、吸湿性が低く、硬く、耐久性に優れた新世代の包装用紙の開発を目的としています。欧州における紙のリサイクル率の高さ (72% レベル) と、その結果として循環型経済にとってリサイクルが重要であることが、この研究の基盤となっています。紙製品は、水、二酸化炭素、栄養素、太陽エネルギーを再生可能な木質バイオマスに光合成によって変換する、統合炭素循環の一部を形成します。消費された紙は、回収して二次繊維の原料として、再生紙の製造に、またはバイオ燃料として再利用することができます。段ボールから作られた繊維パッケージまたは段ボール容器は、紙の最も顕著な構造的用途であると考えられているため、このプロジェクトで扱われました。

繊維板の製造において、化学物質や酵素による繊維の改質が研究されてきた。^{[2] [3] [4]蒸気（蒸気爆砕木材）を用いた繊維の改質は、}熱可塑性複合材料の製造における効率的な前処理法であることが証明されている。^[5] 製紙工程における繊維間結合に関する現在の理論は、水素結合モデルの一般的な認識に基づいている。その結果、繊維の強度を高めるためのすべての努力は、結合面積を増やすために、より柔軟で断片化された繊維を生成するために、繊維を機械的に叩くことに結びついている。その結果、保水率の点で重大な欠点が得られ、脱水挙動が悪く、エネルギー消費量が多くなる。繊維間結合の解釈と制御のための新しいメカニズムはまだ登場していない。これらの欠点を克服する1つの方法は、エントロピー制御されたポリマーとセルロースゲルの混合を目的としたポリマーを使用してセルロース繊維を分子コーティングし、より高い結合力を得ることである。セルロース繊維にポリマー層（カルボキシメチルセルロースなど）と酵素を塗布することで、機械的な叩きをかけずに高い接着強度を持つシートが得られるという理論的結果と実験データはすでに発表されている。 ^[6]しかし、これらの試みは工業化には程遠く、その適用にはコストがかかり、原材料の入手可能性の問題を解決することもできないだろう。

この最新技術に基づいて、プロジェクトの目的は、ヨーロッパの段ボール製造でライナーボードや中芯として使用されるさまざまな包装グレードの紙の生産に使用されるさまざまな種類の回収繊維の特性を変更して改善することです。包装材料の実際の完成品特性と組成に関する情報は、ヨーロッパの包装業界が供給元を評価し、利用可能なリソースを最適な方法で改善するための適切な方法とプロセスを採用するのに役立つと期待されています。包装の場合、繊維特性、紙特性、段ボール特性間の実際の産業関係に関する科学的技術的知識も必要です。

木材繊維の改質から製紙技術まで、化学的木材改質は細胞壁マトリックスの構造を変えることを目的としています。親水性のOH基をより大きく疎水性の基に変換することで、木材の特性が大幅に改善されます。また、細胞壁マトリックス内の改質化学物質の物理的固定によっても、木材の特性が大幅に変化します。疎水化効果に加えて、処理により細胞壁のナノ細孔の容積が減少し、細胞壁マトリックスへの水分子の取り込みが減少します。マクロスケールでは、木材改質により、生物学的耐久性（菌類に対する耐性）、寸法安定性、硬度、紫外線安定性など、木材の重要な特性が変化する可能性があります。^[7]

紙は木材繊維から作られるため、木材技術で達成された開発の一部を製紙技術に転用することが可能でした。いくつかの技術（化学修飾、ナノスケールセルロース、高分子電解質、セルロース、ヘミセルロース、デンプンに基づく機能性ポリマーなど）が、ヨーロッパ中のさまざまな研究グループ（ドイツのPTSおよびゲッティンゲン大学、スウェーデンのKTH（クングリガ工科大学）など）によって研究され、使用されました。リサイクル繊維の化学繊維修飾については、すでに確立された知識があります。AdamopoulosとMai（2011）は、N-メチロール化合物とグルタルアルデヒドを使用してリサイクル繊維を修飾し、繊維特性と紙シートの性能を大幅に改善しました。^[8]さまざまな化学的に修飾されたリサイクル繊維で製造された実験室用シートは、修飾されていないリサイクル繊維から製造されたものよりも剛性と吸湿性が優れていることがわかりました。^[9]ファイバー+プロジェクトの目的は、繊維改質に関する既存の知識を基に、この革新的な技術を欧州の製紙中小企業に導入、実装、普及させることです。

包装紙用のリサイクル繊維に関するFibre+プロジェクトの結果とFibre+コンセプトの潜在的な開発に関する情報は、プロジェクト中に実施されたRTD作業の結果として発表された科学論文を含むFibre+ウェブサイトでご覧いただけます。^{[10] [11]}

• ファイバー+ウェブサイト