製紙機械

1799年、フランスのエソンヌ出身のルイ＝ニコラ・ロベールは、連続製紙機の特許を取得しました。当時、ロベールはサン＝レジェ・ディドのもとで働いていましたが、発明の所有権をめぐってディドと対立していました。ディドは、この機械の開発にはイギリスの方が適していると考えていましたが、フランス革命の混乱のため、自ら渡航することができず、パリ在住のイギリス人である義理の兄弟、ジョン・ギャンブルを派遣しました。ギャンブルは人脈を通じて、ロンドンの文具商であるシーリーとヘンリー・フォードリニエ兄弟に紹介され、兄弟はプロジェクトへの資金提供に同意しました。ギャンブルは1801年10月20日にイギリス特許2487を取得しました。フォードリニエ機は、成形部で特殊な織り方の布メッシュコンベアベルト（かつては青銅で織られていたため、ワイヤーと呼ばれていました）を使用し、そこで繊維（通常は木材またはその他の植物繊維）のスラリーを排出して連続した紙のウェブを作ります。オリジナルのフォアドリニエ成形セクションでは、排水テーブルと呼ばれる水平排水領域が使用されていました。

熟練した独創的な機械工であるブライアン・ドンキンの協力により、ロバートのオリジナルを改良した機械が1803年にハートフォードシャー州アプスリーのフロッグモア製紙工場に設置され、1804年にはさらに別の機械が設置された。3台目の機械は、フォアドリニエ家が所有するトゥー・ウォーターズの工場に設置された。フォアドリニエ家はまた、セント・ネオッツの工場を購入し、そこに2台の機械を設置する予定であり、製紙工程と機械はその後も発展を続けた。

アプスリーのフロッグモア・ミル近くで、ジョン・ディキンソンは1809年に別のタイプの機械、円筒型成形機を設計・製造した。

トーマス・ギルピンは、1817年にデラウェア州ブランディワイン・クリークで米国初の円筒型製紙機を開発した人物として最もよく知られています。この機械は円筒型製紙機でした。フォアドリニエ機が米国に導入されたのは1827年になってからです。^{[ 1 ]}

記録によると、ニュージャージー州パターソンのチャールズ・キンジーは、1807年に連続製紙機の特許を取得していた。キンジーの機械はダニエル・ソーンによって地元で製造され、1809年までにキンジーの機械はパターソンのエセックス製紙工場で紙の製造に成功した。1807年の禁輸措置によって生じた財政的ストレスと潜在的な機会により、キンジーと彼の支援者は最終的に工場の焦点を紙から綿に変更することを決意し、キンジーの初期の製紙の成功はすぐに見過ごされ忘れ去られた。^{[ 2 ] [ 3 ]}

ギルピンの1817年の特許はキンゼーの特許と似ており、1822年のジョン・エイムズの特許も同様であった。エイムズの特許は、キンゼーがオリジナルの発明者であり、エイムズは他人のアイデアを盗んだと主張する競合他社によって異議を唱えられた。彼らの証拠は、ダニエル・ソーンをエイムズの機械の開発に雇ったことであった。^{[ 2 ]}

製紙機械によって実証された連続生産方式は、鉄の連続圧延、後の鋼鉄の連続圧延、その他の連続生産プロセスの発展に影響を与えた。^{[ 4 ]}

機械チェストから、原料はヘッドタンク（一般に「ヘッドタンク」またはスタッフボックスと呼ばれる）に送られます。このヘッドタンクの目的は、繊維スラリーまたは原料が坪量バルブに供給される際に、一定のヘッド（圧力）を維持することです。スタッフボックスは、気泡を排出する手段も提供します。スタッフボックスでのパルプスラリーの濃度は3%程度です。スタッフボックスからの流れは重力によって行われ、ファンポンプの吸込口に向かう途中で坪量バルブによって制御され、そこでファンポンプへの主水流に注入されます。ファンポンプによって汲み上げられる主水流は、抄紙機の成形部から排出されたすべての水を収集するホワイトウォーターチェストまたはタンクからのものです。スタッフボックスからの繊維流が導入される前は、ホワイトウォーターの繊維含有量は非常に低くなっています。ホワイトウォーターは、ファンポンプによってヘッドボックスを通して常に再循環され、ワイヤーピットや、成形ワイヤーからの排水、吸引ボックスや湿潤繊維ウェブハンドリングロールからの真空補助排水を受け入れる他のさまざまなタンクやチェストから回収されます。ヘッドボックスに向かう途中、パルプスラリーは、砂などの重い不純物を除去する遠心分離機や、繊維の塊を砕き、大きすぎる破片を除去するスクリーンを通過することがあります。ファンポンプは、遠心分離機やスクリーンの有無にかかわらず、最終的にヘッドボックスに供給します。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

ヘッドボックスの目的は、繊維が凝集するのを防ぎ、スラリーをワイヤーの幅全体に均一に分散させるために乱流を発生させることです。木材繊維は互いに引き合い、凝集する傾向があり、この現象は凝集と呼ばれます。凝集は、濃度を下げるか、スラリーを攪拌することで軽減されますが、濃度が0.5%をはるかに超えると、凝集を解除することが非常に困難になります。成形時に凝集の程度を最小限に抑えることは、紙の物理的特性にとって重要です。^{[ 7 ] [ 8 ]}

ヘッドボックス内の濃度は、ほとんどの紙種で通常0.4%未満であり、長い繊維は短い繊維よりも低い濃度を必要とします。濃度が高いと、より多くの繊維がz方向に配向し、濃度が低いと、繊維はxy方向に配向します。濃度が高いと、厚みと剛性が高くなり、濃度が低いと、引張強度やその他の強度特性が高くなり、また、成形性（均一性）も向上します。^{[ 7 ] [ 8 ]} 多くのシート特性は、濃度が0.1%未満まで改善し続けますが、これは処理するには非現実的な量の水です。（ほとんどの抄紙機は、ファンポンプとヘッドボックスを交換せずに時間の経過とともに高速化されてきたため、最適な濃度よりも高いヘッドボックス濃度で稼働しています。また、濃度を低くするとポンプのコストが高くなるという経済的なトレードオフもあります。）

この時点でしばしばホワイトウォーターと呼ばれるストックスラリーは、スライスと呼ばれる高さ調整可能な長方形の開口部からヘッドボックスから排出され、ホワイトウォーターの流れはジェットと呼ばれ、高速機では加圧されて、通常ワイヤー速度のプラスマイナス3%の速度で移動するファブリックループまたはワイヤーに穏やかに着地します。この速度は、それぞれラッシュとドラッグと呼ばれます。ラッシュまたはドラッグが過剰になると、機械方向の繊維の配向が増加し、機械方向と横方向で異なる物理的特性が生じますが、この現象はフォアドリニエ機では完全に回避できません。^{[ 7 ] [ 8 ]}

毎分 700 フィートの低速機では、重力とヘッドボックス内のストックの高さによって、スライスの開口部からジェットを形成するのに十分な圧力が生じます。ストックの高さはヘッドと呼ばれ、これがヘッドボックスの名前の由来となっています。ジェットの速度とワイヤーの速度の比は、ジェット対ワイヤー比として知られています。ジェット対ワイヤー比が 1 未満の場合、ストック内の繊維は機械方向に引き伸ばされます。ストック内に十分な液体が残っている低速機では、シェイクと呼ばれるプロセスでワイヤーを前後に動かすことができます。これにより、繊維の方向をある程度ランダム化し、シートの強度を機械方向と横方向の両方でより均一にすることができます。高速機では、ストックがワイヤー上に液体の状態で十分に長く留まらないため、長い繊維が機械に沿って並びます。ジェット対ワイヤー比が 1 を超えると、繊維は塊状に積み重なる傾向があります。^{[ 7 ] [ 8 ]} 紙の密度の変化により、アンティークや羊皮紙のような外観が得られます。

2 つの大きなロールが通常、排水セクションの両端を形成し、これは排水テーブルと呼ばれます。ブレストロールはフローボックスの下に配置され、ジェットは上部中央付近に着水するように向けられています。排水テーブルのもう一方の端には、吸引（カウチ）ロールがあります。カウチロールは中空のシェルで、 直径約 4 ～ 5 mm の穴が何千個も正確に間隔をあけて開けられています。中空のシェルロールは、通常上部中央または機械の少し下に回転して配置される固定吸引ボックスの上で回転します。吸引ボックスに真空がかけられ、ウェブから吸引ボックスに水が吸い込まれます。吸引ロールからシートはプレスセクションに送られます。^{[ 7 ] [ 8 ]}

吸引ロールの下、低い位置には、ワイヤ巻き取りロールがあります。このロールは駆動され、ワイヤをループに巻き付けます。ワイヤ巻き取りロールは、ワイヤをしっかりと掴むために、かなりの巻き取り角度を持っています。^{[ 7 ]}

排水テーブル領域でワイヤーを支えるのは、多数の排水要素です。ワイヤーを支え、排水を促進することに加えて、これらの要素はシートの凝集を解消します。低速機では、これらのテーブル要素は主にテーブルロールです。速度が上がると、テーブルロールのニップで発生する吸引力が大きくなり、十分な速度になると、ワイヤーは真空領域を離れた後に跳ね返り、ストックがワイヤーから飛び出して形成を乱します。これを防ぐために、排水フォイルが使用されます。フォイルは通常、0～2または3度の傾斜があり、より穏やかな作用を与えます。ロールとフォイルが使用される場合、ロールはヘッドボックスの近くで使用され、フォイルは機械のさらに下流で使用されます。^{[ 7 ] [ 8 ]}超音波フォイルも使用でき、崩壊するキャビテーション気泡から数百万の圧力パルスを生成し、繊維を分離してより均一な分布を実現します。

テーブル上の乾燥ラインに近づくと、重力圧力で気圧脚によって排水される低真空ボックスが配置されます。乾燥ラインの後には、真空がかけられた吸引ボックスがあります。吸引ボックスはカウチロールまで伸びています。カウチでは、シートの濃度は約25%である必要があります。^{[ 7 ] [ 8 ]}

成形部の種類は通常、製造する紙または板紙のグレードに基づいて決定されますが、多くの旧型機は最適とは言えない設計を採用しています。旧型機は、より適切な成形部を備えるようにアップグレードすることが可能です。

従来のフォアドリニエ抄紙機に2つ目のヘッドボックスを追加することで、ベース層の上に異なる繊維ブレンドを重ねることができます。2つ目のヘッドボックスは通常、ベースシートの水が完全に抜けた位置に設置されます。これは、水の作用によって上下の繊維が十分に混ざり合うため、別の層とはみなされません。ライナーボードでは、2つ目のヘッドボックスがよく用いられます。

基本的なフォアドリニエテーブルに、排水テーブルの上に2本目のワイヤーを追加した改良型は、トップワイヤーフォーマーと呼ばれます。下側のワイヤーと上側のワイヤーは合流し、排水の一部は上側のワイヤーを通って上方に流れます。トップワイヤーは成形性を向上させるとともに、排水量も増加させるため、高速化された機械にとって有効です。

ツインワイヤーマシンまたはギャップフォーマーは、成形セクションに2本の垂直ワイヤーを使用することで、繊維スラリーの脱水速度を向上させ、両面の均一性も実現します。^{[ 9 ]}

また、従来のフォアドリニエ抄紙機の上にフォアドリニエ抄紙機全体を設置した機械もあります。これにより、特殊な特性を持つ多層紙を製造することが可能になります。これらはトップフォアドリニエ抄紙機と呼ばれ、多層紙や板紙の製造に使用されます。一般的には、未漂白層の上に漂白繊維の最上層を形成するために使用されます。

もう1つの成形セクションは、1809年にジョン・ディキンソンによって発明された円筒成形機で、元々はフォアドリニエ機の競合機として開発されました。 ^{[ 10 ] [ 11 ]}この機械は、湿潤端で繊維スラリーのタンクに部分的に浸されたメッシュで覆われた回転円筒を使用して紙ウェブを形成し、セルロース繊維のよりランダムな分布を実現します。円筒成形機は、より高い濃度でシートを成形することができ、低い濃度よりも3次元的な繊維配向が得られ、結果として厚み（キャリパー）が大きくなり、機械方向（MD）の剛性が高くなります。高いMD剛性は、シリアルボックスなどの食品包装や、乾燥洗濯洗剤などの他の箱に役立ちます。

ティッシュペーパー製造機は通常、ワイヤーと特殊な布（フェルト）が成形ロールに巻き付けられることで紙のウェブを形成します。ウェブはフェルトから直接、ヤンキードライヤーと呼ばれる大径の乾燥機に押し付けられます。紙はヤンキードライヤーに付着し、ドクターと呼ばれるスクレーパーで剥がされます。ティッシュペーパー製造機は最大2000m  /分の速度で動作します。

抄紙機の2番目のセクションはプレスセクションで、ロール同士が押し合うことで形成されるニップシステムと、シートを支えプレスされた水を吸収するプレスフェルトによって、残りの水の大部分が除去されます。プレスセクションから出る紙ウェブの濃度は40%を超えることがあります。 ^{[ 12 ]} プレスは、機械的な動作のみを必要とするため、シートの脱水方法として2番目に効率的です（成形セクションでの自由排水に次ぐ）。

プレスロールの数、その配置、および使用されるフェルトの配置と種類は、生産される紙の等級と機械の望ましい動作特性によって影響を受ける。^{[ 13 ]}

プレスフェルトは歴史的には羊毛で作られていましたが、現在ではほぼ100％合成繊維でできています。ポリアミド織布に厚手のフェルトを特殊なデザインで貼り付けることで、吸水性を最大限に高めています。

プレス機は、シングルフェルト式とダブルフェルト式があります。シングルフェルト式プレス機は、片面にフェルト、もう片面に滑らかなロールが付いています。ダブルフェルト式プレス機は、シートの両面がプレスフェルトに接触します。シングルフェルト式ニップは、滑らかなロール（通常は上側）に密着させると、両面性が加わり、上面が下面よりも滑らかに見えるため便利です。ダブルフェルト式ニップは、シートの両面に粗さを与えます。ダブルフェルト式プレス機は、厚手の板紙の最初のプレス工程に適しています。

単純なプレスロールは、溝付きまたはブラインドドリル加工された表面を持つロールです。より高度なプレスロールは吸引ロールです。これらは、穴の開いたシェルとカバーを持つロールです。シェルは、青銅やステンレス鋼などの金属材料で作られ、ゴムまたは合成材料で覆われています。シェルとカバーの両方の表面全体に穴が開けられています。固定式の吸引ボックスが吸引ロールのコアに取り付けられ、プレスされるシェルを支えます。シェルの内面と吸引ボックスの間のインターフェースには、端面メカニカルシールが使用されます。滑らかなロールの場合、通常は花崗岩ロールで作られています。 ^{[ 14 ]}花崗岩ロールは、長さが最大30フィート（9.1m ） 、直径が6フィート（1.8m ）になることがあります。 ^{[ 15 ]}  

従来のロールプレスでは、プレスロールの1つが固定位置にあり、もう1つのロールがこの固定ロールに押し付けられるようになっています。フェルトはプレスロールのニップを通過し、通常は複数のフェルトロールで構成されるフェルトランを一周します。ニップでの滞留時間中に、シートの水分がプレスフェルトに転写されます。プレスフェルトがニップを出て一周すると、ウーレボックスと呼ばれる真空ボックスがプレスフェルトに真空（通常は-60 kPa）をかけて水分を除去し、次のサイクルでフェルトがニップに戻ったときにシートに水分が付着しないようにします。

紙の種類によっては、真空を利用してシートをカウチからリードインフェルトに、最初のプレス工程またはプレスセクション間で移送する吸引ピックアップロールを使用するものがあります。ピックアップロールプレスは通常、2つの真空ゾーン（低真空と高真空）を持つ真空ボックスを備えています。これらのロールのカバーには、固定真空ボックスから回転するロールカバーを通して真空が通過できるように、多数の穴が開けられています。低真空ゾーンはシートをピックアップして移送し、高真空ゾーンは水分を除去しようとします。残念ながら、十分な速度では遠心力によって真空中の水が飛び散るため、脱水効果は低下します。ピックアッププレスには、ウーレボックスを備えた標準的なフェルトランもあります。ただし、ピックアッププレスの設計は、ピックアップと脱水という役割において空気の流れが重要であるため、かなり異なります。

クラウン制御ロール（CCロールとも呼ばれる）は、通常、プレス加工における相手側のロールとして使用されます。プレスロールには油圧シリンダーが内蔵されており、ロールが湾曲しないように制御します。これらのシリンダーはシュー（または複数のシュー）に接続され、ロールのクラウンを平らに保ち、端部に荷重がかかることによって生じるロール形状の自然な「曲がり」を打ち消します。

拡張ニッププレス（ENP）は、従来のロールプレスに代わる比較的新しい方式です。通常、上部ロールは標準ロールですが、下部ロールは実際には大型のCCロールで、上部ロールの形状に合わせて湾曲した延長シューを備え、標準的なロールカバーではなく回転するゴムベルトで囲まれています。ENPの目的は、2つのロール間のシートの滞留時間を延長することで、脱水効果を最大化することです。プレス後の固形分率が最大35%の標準ロールプレスと比較して、ENPでは45%以上にまで向上し、蒸気消費量の大幅な削減や処理速度の向上を実現します。ENPはシートの密度を高めるため、引張強度やその他の物理的特性も向上します。

抄紙機の乾燥部は、その名の通り、内部で蒸気加熱された一連のシリンダーによって水分を蒸発させ、紙を乾燥させます。蒸気圧は最大 160 psig に達することがあります。蒸気は蒸気ジョイントを通して乾燥ヘッド (シリンダーキャップ) の端に入り、凝縮水は内部シェルから中央パイプにつながるサイフォンを通って排出されます。中央パイプから凝縮水は乾燥ヘッドのジョイントを通って排出されます。幅の広い機械では、複数のサイフォンが必要です。高速の機械では、遠心力によって凝縮水層がシェルに静止し、通常は乱流発生バーを使用して凝縮水層を攪拌し、熱伝達を改善します。^{[ 12 ]}

シートは通常、各乾燥機セクションの上部と下部にある長いフェルトループによって乾燥機に固定されます。フェルトは熱伝導を大幅に向上させます。乾燥機のフェルトは粗い糸で作られており、非常に粗い織り方でほとんど透けて見えます。シートの破損時やシートを通す際に、最初の下部乾燥機セクションをフェルトなしで地下室の床に捨てるのが一般的です。

紙乾燥機は通常、セクションと呼ばれるグループに分けられて おり、紙が乾燥するにつれて収縮するのを補うために、各セクションを徐々にゆっくりとした速度で運転します。紙の種類によっては、機械を通過する際に伸びてしまうものもあり、その場合はセクション間で速度を上げる必要があります。セクション間の隙間は「ドロー」と呼ばれます。

乾燥部は通常、熱を保持するために密閉されています。シートが乾燥機から離れるポケット部分には、通常、温風が供給されます。これにより乾燥速度が向上します。ポケットの換気管には、ポケット内部に面したスロットが全長にわたって設けられています。乾燥機のフードは通常、屋根に取り付けられた複数の排気ファンによって乾燥部全体に排気されます。

樹脂、接着剤、デンプンなどの追加のサイズ剤をウェブに添加することで、その特性を変化させることができます。サイズ処理により、紙の耐水性が向上し、毛羽立ちが軽減され、摩耗性が低減され、印刷特性と表面接着強度が向上します。これらは、湿潤端（内部サイズ処理）または乾燥端（表面サイズ処理）、あるいはその両方で適用できます。乾燥端でのサイズ処理は通常、サイズプレスで行われます。サイズプレスは、ロールアプリケーター（液浸ニップ）またはノズルアプリケーターのいずれかです。通常、最後の乾燥セクションの前に配置されます。一部の抄紙機では、「コーター」を使用して、炭酸カルシウムやカオリンなどの充填剤をコーティングします。これらの充填剤は通常、加熱デンプンとスチレンブタジエンラテックスのバインダーに懸濁されています。コーティングにより、非常に滑らかで明るい表面が得られ、最高の印刷品質が得られます。

カレンダーは、通過する紙に圧力を加える2つ以上のローラーで構成されています。カレンダーは、紙の表面を非常に滑らかで光沢のあるものにするために使用されます。また、紙の厚みを均一にする効果もあります。ローラーが紙にかける圧力によって、紙の仕上がりが決まります。

カレンダー加工後、ウェブの水分含有量は約6%（原料によって異なる）になります。紙はリールドラムと呼ばれる大きな円筒を使って金属製のスプールに巻き取られます。リールドラムとスプールの間には一定のニップ圧力が維持され、その結果生じる摩擦によってスプールが回転します。紙はリールドラムの上部を流れ、スプールに巻き取られてマスターロールが作られます。

抄紙機を連続運転するには、リールが紙の流れを止めることなく、完成したロールから空のスプールに素早く切り替えられる必要があります。これを実現するために、各リールセクションには、プロセスを通して回転する2つ以上のスプールが備えられています。天井クレーンを使用して、空のスプールがリールドラム上部の2つのメインアームにロードされます。マスターロールが最大直径に達すると、アームが新しいスプールをリールドラムに接触するまで下げ、ドラムの後ろにある機械が移動中の紙シートに沿ってテープを走らせ、素早く紙を破り、新しいスプールに新しい紙を取り付けます。次に、スプ​​ールはセカンダリーアームに下げられ、スプール上の紙の直径が大きくなるにつれて、スプールがリールドラムから徐々に離れるようにガイドされます。

ロール硬度は、製品の許容範囲内であることを確認するために、点検、取得、および必要に応じて調整する必要があります。

巻き取りやさらなる加工を行う前に、一部の生産ラインでは、空気抽出やウェブ洗浄システムなどを用いて、ウェブの表面汚染を低減するための追加工程が設けられています 。

乾燥工程の最後に巻き取られる紙のロールは、ワイヤーから出てくるウェブの幅から乾燥による収縮分を差し引いた、トリミング後の全幅です。巻き取り部では、紙のロールは顧客の注文で指定された幅とロール径の範囲の小さなロールにスリットされます。これを行うには、ロールを巻き出しスタンドに置き、スリッター（鋭利な切断ホイール）間の距離を注文で指定された幅に調整します。巻き取り機は目的のロール径に達するまで稼働し、ロールは出荷または倉庫に送られる前に、サイズと注文に応じてラベルが貼られます。通常、1つのロールは2セット以上のロールを作るのに十分な直径を持っています。