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パルプは、木材、繊維作物、古紙、またはぼろ布のセルロース繊維を化学的、半化学的、または機械的に分離して作られる繊維状のリグノセルロース材料です。水やその他の化学物質または植物由来の添加物と混合されたパルプは、製紙やその他の紙製品の工業生産で使用される主要な原料です。[ 1 ] [ 2 ]
西暦105年頃、中国の蔡倫による製紙法の発明が広く認められる以前は、パピルスやアマテなどの紙のような筆記材料は、主に未加工の植物材料を使用して古代文明によって作られていました。樹皮や靭皮の細片を織り合わせ、叩いて粗いシートにし、乾燥させ、手で磨きました。[ 3 ] [ 4 ]現代および伝統的な製紙で使用されるパルプは、より細かく均一なセルロース繊維のスラリーを生成する浸漬プロセスによって区別され、スクリーンによって溶液から引き出され、シートまたはロール状に乾燥されます。[ 5 ]中国で最初に作られた紙は、コウゾ（楮）の靭皮繊維と麻のぼろ布や網の切れ端で構成されていました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 6世紀までに、中国の農民は製紙プロセスで使用するパルプを生産する目的で、特に桑の木を栽培化しました。桑の他に、竹、ハイビスカスの樹皮、青白檀、藁、綿からもパルプが作られました。[ 7 ]ぼろぼろの衣服、漁網、布袋から作られた麻や亜麻の繊維から作られたパルプを使った製紙は13世紀にヨーロッパに広まり、ぼろ布の使用がますます増えたことが、ぼろ紙の製造と手頃な価格の中心となり、印刷の発展の一因となりました。[ 1 ] 1800年代までに、新たに工業化された製紙業と印刷業の生産需要により、原材料に変化が生じ、最も顕著なのはパルプ材やその他の樹木製品の使用であり、今日では世界のパルプ生産の95%以上を占めています。[ 8 ]
18世紀後半から19世紀初頭にかけての木材パルプの使用と自動製紙機の発明は、紙が現代において安価な商品としての地位を確立するのに貢献した。[ 1 ] [ 9 ] [ 10 ]木材パルプから作られた紙の最も初期の例としては、1765年にヤコブ・クリスティアン・シェーファー、 1800年にマティアス・コープスが出版した作品があるが、 [ 1 ] [ 11 ]大規模な木材紙の生産は、1840年代にドイツのフリードリヒ・ゴットロープ・ケラー[ 12 ]とノバスコシアのチャールズ・フェナーティによる機械パルプ化の独自の同時開発によって始まった。[ 9 ]化学プロセスがすぐに続き、最初はJ. Rothが亜硫酸を使用して木材を処理し、次にBenjamin Tilghmanが1867 年に亜硫酸水素カルシウムCa(HSO 3 ) 2を使用して木材をパルプ化する米国特許を取得しました。 [ 2 ]約 10 年後、スウェーデンに最初の商業用亜硫酸パルプ工場が建設されました。これは対イオンとしてマグネシウムを使用し、 Carl Daniel Ekmanの研究に基づいています。1900 年までに、亜硫酸パルプ化は機械的パルプ化方法を凌駕し、木材パルプ生産の主要な手段となりました。競合する化学パルプ化プロセスである硫酸塩またはクラフト法は、 1879 年にCarl F. Dahlによって開発されました。最初のクラフトパルプ工場は1890年にスウェーデンで操業を開始しました。[ 2 ] 1930年代初頭にGHトムリンソンによって回収ボイラーが発明されたことにより[ 12 ] 、クラフトパルプ工場はパルプ製造に使用した化学薬品のほぼすべてをリサイクルできるようになりました。これに加えて、クラフト法はより多様な種類の木材を受け入れ、より強い繊維を生産できるという利点もあり[ 13 ] 、 1940年代以降、クラフト法はパルプ製造の主流となりました。[ 2 ]
2006年の世界の木材パルプ生産量は1億7500 万トン（1億6000 万トン）でした。[ 14 ]前年には、市場向けパルプ（同じ施設で紙に加工されないもの）が6300 万トン（5700 万トン）販売され、カナダが全体の21％で最大の供給源であり、次いで米国が16％でした。パルプ製造に必要な木材繊維源は、「製材残渣45％、丸太とチップ21％、再生紙34％」です（カナダ、2014年）。[ 15 ]化学パルプは市場向けパルプの93％を占めています。[ 16 ]
木材パルプの製造に使用される木材資源はパルプ材と呼ばれます。[ 17 ]理論的にはどの木でもパルプ製造に使用できますが、針葉樹はパルプ中のセルロース繊維が長いため、より丈夫な紙を作ることができるため好まれます。[ 18 ] 紙の製造に最も一般的に使用される木には、トウヒ、マツ、モミ、カラマツ、ツガなどの針葉樹と、ユーカリ、ポプラ、カバノキなどの広葉樹があります。[ 19 ]また、リグニンの分解の容易さや成長速度の向上など、いくつかの大きな利点があるため、遺伝子組み換え樹種（GMユーカリやGMポプラなど）への関心も高まっています。
パルプ工場とは、木材チップやその他の植物繊維を原料として、製紙工場へ出荷してさらに加工できる厚手の繊維板を製造する施設です。パルプは、機械的方法、半化学的方法、または完全化学的方法（クラフト法や亜硫酸法）を用いて製造されます。完成品は、顧客の要求に応じて、漂白されたものと漂白されていないもののいずれかになります。
パルプの製造に使用される木材やその他の植物材料は、（水を除いて）主に3つの成分から構成されています。それは、セルロース繊維（製紙に必要とされる成分）、リグニン（セルロース繊維を結合する三次元ポリマー）、そしてヘミセルロース（より短い分岐構造を持つ炭水化物ポリマー）です。パルプ化の目的は、チップ、茎、その他の植物部位など、繊維原料の塊状構造を、構成繊維に分解することです。
化学パルプ化では、リグニンとヘミセルロースを小さな水溶性分子に分解し、セルロース繊維を脱重合させることなく洗い流すことでこれを実現します（セルロースを化学的に脱重合させると繊維が弱くなります）。グラウンドウッドパルプ化（GW）やリファイナー機械パルプ化（RMP）などのさまざまな機械パルプ化法では、セルロース繊維を物理的に引き裂きます。リグニンの大部分は繊維に付着したまま残ります。繊維が切断される可能性があるため、強度が低下します。化学処理と熱処理を組み合わせて短縮された化学パルプ化プロセスを開始し、すぐに機械的処理を行って繊維を分離する、関連するハイブリッドパルプ化法がいくつかあります。これらのハイブリッド法には、熱機械パルプ化（TMPとも呼ばれる）と化学熱機械パルプ化（CTMPとも呼ばれる）が含まれます。化学処理と熱処理により、その後の機械処理に必要なエネルギー量が削減され、繊維の強度低下も軽減されます。
パルプの製造は、木から木材を伐採することから始まり、継続的な供給を確保するためには森林管理が必要です。世界のパルプ生産量の16%はパルプ用植林地、9%は原生林、残りは2世代目、3世代目以降の森林です。[ 21 ] ほとんどの地域で植林が行われているため、木は再生可能な資源です。FSC（森林管理協議会）、SFI（持続可能な森林イニシアチブ）、PEFC（森林認証プログラム）などの団体は、適切な森林管理慣行を確保するためのガイドラインに従って伐採された木から作られた紙を認証しています。[ 22 ]
消費される木の数は、機械的プロセスを使用するか化学的プロセスを使用するかによって異なります。高さ12メートル（40フィート）、直径15～20センチメートル（6～8インチ）の針葉樹と広葉樹の混合物に基づくと、クラフト法（化学パルプ化）を使用して0.9トン（1トン）の印刷および筆記用紙を生産するには平均24本の木が必要になると推定されています。機械的パルプ化は、木材のほぼすべてが繊維を作るために使用されるため、木の使用効率が約2倍高く、0.9トン（1トン）の機械パルプまたは新聞用紙を作るには約12本の木が必要です。[ 23 ]
木材チップ化とは、パルプだけでなく、その他の木材加工製品やマルチング材のために木材をチップ化する行為および産業のことである。パルプ製造に有用なのは心材と辺材のみである。樹皮には有用な繊維が比較的少なく、除去されてパルプ工場で使用する蒸気の燃料として利用される。ほとんどのパルプ製造工程では、均一なサイズのチップを得るために、木材をチップ化し、ふるいにかける必要がある。
木材繊維を分離するために使用できるプロセスはいくつかあります。
炭化ケイ素または酸化アルミニウムが埋め込まれた製造された砥石を使用して、「ボルト」と呼ばれる小さな木の丸太を粉砕し、ストーンパルプ（SGW）を作ることができます。木材を粉砕する前に蒸気処理すると、加圧粉砕木材パルプ（PGW）と呼ばれます。現代の製紙工場のほとんどは、丸太の代わりにチップを使用し、砥石の代わりにリファイナープレートと呼ばれる溝付き金属ディスクを使用します。チップをプレートで粉砕するだけでパルプが作られる場合、リファイナーメカニカルパルプ（RMP）と呼ばれ、精製中にチップを蒸気処理すると、パルプはサーモメカニカルパルプ（TMP）と呼ばれます。蒸気処理により、パルプを作るのに必要な総エネルギーが大幅に削減され、繊維への損傷（切断）が減少します。メカニカルパルプは、新聞用紙や板紙など、強度があまり必要とされない製品に使用されます。
熱機械パルプは、木材チップを熱（したがって「thermo-」）と機械的な精製運動（したがって「-mechanical」）を用いて処理して製造されるパルプです。これは2段階のプロセスで、まず丸太から樹皮を剥ぎ、小さなチップに加工します。これらのチップの水分含有量は約25～30パーセントです。木材チップに機械的な力が加えられ、粉砕または研磨作用によって熱と水蒸気が発生し、リグニンが軟化して個々の繊維が分離されます。次にパルプはふるい分けされ、洗浄され、繊維の塊は再処理されます。このプロセスにより、木材から高い繊維収率（約95パーセント）が得られ、リグニンが除去されていないため、繊維は硬く丈夫です。[ 25 ]
木材チップは、機械式ミルに似た装置で精製する前に、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどの化学薬品で前処理することができます。化学処理の条件は、化学パルプ化プロセスに比べてはるかに穏やかです（低温、短時間、 pH値も穏やか）。これは、完全な化学プロセスのようにリグニンを除去するのではなく、繊維を精製しやすくすることが目的だからです。これらのハイブリッドプロセスを用いて製造されたパルプは、化学熱機械パルプ（CTMP）として知られています。
化学パルプは、木材チップと化学薬品を蒸解釜と呼ばれる大型容器で混合することによって製造されます。蒸解釜では、熱と化学薬品によってセルロース繊維を結合しているリグニンが分解されますが、セルロース繊維自体は深刻な劣化を起こしません。化学パルプは、強度を高めたい材料や、機械パルプと組み合わせて製品に異なる特性を与えるために使用されます。クラフト法が化学パルプ製造法の主流であり、亜硫酸法がそれに次ぐ主流となっています。歴史的には、ソーダパルプ法が最初に成功した化学パルプ製造法でした。
再生パルプは脱墨パルプ（DIP）とも呼ばれます。DIPは、化学処理によって印刷インクやその他の不要な物質を除去し、紙繊維を分離した再生紙です。この工程を脱墨といいます。
DIPは製紙の原料として使用されます。新聞用紙、トイレットペーパー、ティッシュペーパーなど多くの種類の紙は、一般的に100％脱インクパルプを含んでおり、オフセット印刷用の軽量コート紙や、オフィスや家庭で使用する印刷用紙や筆記用紙など、他の多くの種類の紙でも、DIPは原料のかなりの割合を占めています。
オルガノソルブパルプ法は、140 ℃以上の温度で有機溶媒を用いてリグニンとヘミセルロースを可溶性の断片に分解する。パルプ液は蒸留によって容易に回収できる。溶媒を用いる理由は、リグニンを蒸解液に溶けやすくするためである。最も一般的に使用される溶媒は、メタノール、エタノール、ギ酸、酢酸であり、これらはしばしば水と組み合わせて使用される。
化学パルプ化に似ているが、不要なリグニンを分解できるがセルロース繊維は分解できない特定の種類の真菌を使用するバイオパルプ化（生物学的パルプ化）の開発に関する研究が進められている。 [ 26 ]バイオパルプ化プロセスでは、真菌酵素リグニンペルオキシダーゼがリグニンを選択的に消化し、残りのセルロース繊維を残す。これは、化学パルプ化に伴う汚染を減らすことで、環境面で大きなメリットをもたらす可能性がある。パルプは、二酸化塩素段階、続いて中和、次亜塩素酸カルシウムを使用して漂白される。いずれの場合も、酸化剤は木材のタンニンから生成され、木材中に存在する硫化物によって強調（強化）された染料を酸化して破壊する。
この工程でこれまでに生産されたパルプは漂白することで白い紙製品にすることができる。パルプの漂白に使用される化学物質は環境問題の原因となっており、近年、パルプ業界では塩素の代替として二酸化塩素、酸素、オゾン、過酸化水素などが使用されている。
木材以外の植物資源や再生繊維から作られたパルプは、今日では主に高級印刷や美術用途向けの特殊製品として製造されています。[ 8 ]綿、麻、ヘンプ、アバカ、楮などの繊維で作られた現代の機械製および手漉きの美術用紙は、より長く丈夫な繊維とリグニン含有量の低さで高く評価されることがよくあります。ほぼすべての植物材料に含まれるリグニンは、紙製品の酸性化と最終的な分解に寄与し、新聞用紙のようにリグニン含有量の高い紙は、しばしば褐色化と脆化によって特徴付けられます。[ 28 ] [ 29 ] 100% 綿または綿と麻のパルプの組み合わせは、証明書、通貨、パスポートなど、長期使用を目的とした文書の製造に広く使用されています。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
今日では、より持続可能な生産方法として、木材繊維の代わりに畑作物の繊維や農業残渣を利用することを提唱する団体もある。
北米の書籍、雑誌、カタログ、コピー用紙の需要の大部分を満たすのに十分な量の藁があります。農業由来の紙は植林地から作られるものではありません。農業残渣パルプの中には、木材パルプよりも蒸解時間が短いものもあります。つまり、農業由来の紙は、エネルギー、水、化学物質の使用量が少なくて済むということです。小麦や亜麻の藁から作られたパルプは、森林から作られたパルプの半分の環境負荷しかありません。[ 33 ]
麻紙は代替品として考えられるが、加工インフラ、保管コスト、そして植物の利用率の低さから、すぐに代替品として使えるものではない。
しかし、木材は再生可能な資源でもあり、パルプの約90%は植林地または再植林地から得られています。[ 21 ]非木材繊維源は、季節的な入手可能性、化学的回収の問題、パルプの白色度などさまざまな理由から、世界のパルプ生産の約5～10%を占めています。[ 16 ] [ 34 ]中国では、2009年時点で、非木材パルプ処理の割合が高くなり、水とエネルギーの使用が増加しました。[ 35 ]
市場パルプとは、ある場所で生産され、乾燥され、さらに加工するために別の場所に出荷されるあらゆる種類のパルプのことです。[ 37 ]繊維に直接関係しないパルプの重要な品質パラメータは、明るさ、汚れレベル、粘度、灰分含有量です。2004年には、市場パルプは約5500万トンでした。[ 37 ]
空気乾燥パルプは、最も一般的なパルプの販売形態です。これは、水分含有量が約10パーセントまで乾燥されたパルプです。通常、250 kgのシート状のベールとして出荷されます。パルプに10パーセントの水分を残す理由は、繊維間の結合を最小限に抑え、紙 への加工のためにパルプを水に分散しやすくするためです。[ 37 ]
ロールパルプまたはリールパルプは、非従来型パルプ市場へのパルプの最も一般的な配送形態です。フラッフパルプは通常、ロール（リール）で出荷されます。このパルプは水分含有量が5～6パーセントまで乾燥されます。顧客側では、さらなる加工の準備として粉砕工程に進みます。[ 37 ]
パルプの中には、急速乾燥されるものもあります。これは、パルプを約 50 パーセントの水分含有量まで圧縮し、高さ 15 ～ 17 m のサイロを通して落下させることで行われます。ガス燃焼式の熱風が通常の熱源です。温度はセルロースの炭化点よりかなり高いですが、繊維壁と内腔に多量の水分があるため、繊維が焼却されることはありません。水分含有量が 10 パーセントまで乾燥されることは少なく（空気乾燥）、ベールは空気乾燥パルプほど密に詰められていません。[ 37 ]
木材パルプの生産による主な環境影響は、森林資源への影響と、その廃棄物から生じる。
木材パルプの原料を提供するための伐採の影響は、激しい議論の的となっている。森林管理を用いた現代の伐採方法は、パルプ工場に信頼できる再生可能な原料源を提供することを目指している。皆伐は、伐採の非常に目に見える影響であるため、特にデリケートな問題である。伐採された場所に苗木を植える再植林も、再植林された地域が単一栽培であるため、生物多様性を低下させるとして批判されている。原生林の伐採は木材パルプの10パーセント未満を占めるにすぎないが[ 21 ]、最も議論の的となっている問題の1つである。
工程排水は生物学的排水処理施設で処理され、排水が受水域において有害でないことが保証される。
機械パルプは、有機物の大部分がパルプ中に保持され、使用される化学物質（過酸化水素と亜ジチオン酸ナトリウム）が無害な副産物（それぞれ水と硫酸ナトリウム（最終生成物））を生成するため、環境上の大きな懸念の原因とはならない。
化学パルプ工場、特にクラフトパルプ工場は、エネルギー自給率が高く、無機化学物質に関してはほぼ閉鎖循環型である。
塩素による漂白では、ポリ塩化ジベンゾ-p-ジオキシン、ポリ塩化ジベンゾフラン（PCDD/F）などの有機塩素化合物が大量に生成される。 [ 38 ] [ 39 ]多くの工場では、塩素系漂白剤の代替品を採用することで、有機塩素汚染物質の排出を削減している。[ 40 ]
特にクラフトパルプ化反応では、悪臭を放つ化合物が放出されます。リグニン構造を分解する硫化物試薬は、脱メチル化も引き起こし、メタンチオール、ジメチルスルフィド、ジメチルジスルフィドを生成します。[ 41 ]これらの化合物は、カマンベールチーズの内部微生物作用を含む多くの形態の微生物分解中に放出されますが、クラフトプロセスは化学的なプロセスであり、微生物分解は伴いません。これらの化合物は、非常に低い臭気閾値と不快な臭いを持っています。
パルプの主な用途は、紙と板紙の製造です。使用されるパルプの原料は、最終的な紙の品質によって異なります。重要な品質パラメータには、木材原料比率、白色度、粘度、抽出物、不純物含有量、強度などがあります。
化学パルプはナノセルロースの製造に用いられる。
特殊パルプには、他にも多くの用途があります。溶解パルプは、繊維やセロファンの製造に使用される再生セルロースの製造に用いられます。また、セルロース誘導体の製造にも使用されます。フラッフパルプは、おむつ、生理用品、不織布などに使用されます。
フォアドリニエ抄紙機は、現代の製紙のほとんどの基礎となっており、[ 42 ]考案以来、何らかの変更を加えて使用されてきました。パルプを最終的な紙製品に変換するために必要なすべての工程を実行します。
2009年、NBSKパルプは米国で1トンあたり650ドルで販売された。この価格は、景気後退の影響もあり新聞がサイズを縮小したことで需要が減少したために下落した。[ 43 ] 2024年までにこの価格は1トンあたり1315ドルまで回復した。[ 44 ]
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