パルプ（紙）

パルプは、木材、繊維作物、古紙、ぼろ布などから化学的、半化学的、または機械的にセルロース繊維を製造して作られた繊維状のリグノセルロース材料です。水と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に使用される主要な原料です。^{[1] [2]}

西暦105年頃に中国で蔡倫が製紙を発明したことは広く知られていますが、それ以前には、パピルスやアマテなどの紙のような筆記具は、ほとんど加工されていない植物材料を使って古代文明で生産されていました。樹皮や靭皮の細片を織り合わせ、叩いて粗いシート状にし、乾燥させて、手で磨いていました。[3] [4] 現代および伝統的な製紙に使用されるパルプは、より細かく規則^{的なセルロース繊維のスラリーを生成する浸軟プロセスによって特徴付けられます。このスラリーはスクリーンによって溶液から引き出され、乾燥されてシートまたはロールを形成します。 [5]}中国で生産された最も古い紙は、紙の楮（コウゾ）植物の靭皮繊維と麻のぼろ布と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、特に桑の木を栽培していました。桑の実に加えて、竹、ハイビスカスの樹皮、青檀、麦わら、綿からもパルプが作られました。^[7]ぼろぼろの衣類、漁網、布製バッグから作られた麻やリネンの繊維から作られたパルプを使用した製紙は、13世紀にヨーロッパに広まりました。ぼろ布の使用が増え続けたことがぼろ紙の製造と手頃な価格の中心となり、印刷の発展の要因となりました。^[1] 1800年代までには、新たに工業化された製紙業界と印刷業界への生産需要により、原材料、特に今日では世界のパルプ生産の95％以上を占めるパルプ材やその他の樹木製品の使用にシフトしました。^[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抄紙機の発明は、近代において紙が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・クリスチャン・シェーファーが、 1800年にマティアス・クープスが出版した作品が挙げられるが、 ^{[1] [11]}大規模な木材紙の生産は、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・フェネティによる機械パルプ製造の独自の同時開発により、1840年代に始まった。^[9]化学処理はすぐに続き、最初はJ.ロスが木材処理に亜硫酸を使用し、次にベンジャミン・ティルマンが1867年に木材をパルプ化するために亜硫酸水素カルシウムCa(HSO ₃ ) _2を使用する米国特許を取得しました。 ^[2]ほぼ10年後、スウェーデンで最初の商業用亜硫酸パルプ工場が建設されました。これはカール・ダニエル・エクマンの研究に基づいており、対イオンとしてマグネシウムを使用しました。1900年までには、亜硫酸パルプ化は機械パルプ化法を凌駕し、木材パルプを製造する主な方法になりました。競合する化学パルプ化方法である硫酸法、またはクラフト法は、1879年にカール・F・ダール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稼働を開始した。^[2] 1930年代初頭にGHトムリンソンが回収ボイラーを発明したことで^[12] 、クラフトパルプ工場はパルプ製造に使用する化学物質のほぼすべてをリサイクルできるようになった。これに加え、クラフトパルプ法ではより幅広い種類の木材が使用でき、より強い繊維を生産できることから^[13]、1940年代以降、クラフトパルプ法が主流となった。^[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）であった。^[14]前年には、6300万トン（5700万トン）の市場パルプ（同じ施設で紙に加工されていないもの）が販売され、カナダが全体の21％で最大の供給元であり、米国が16％でそれに続いた。パルプ化に必要な木材繊維の供給元は、「製材所残渣45％、丸太とチップ21％、再生紙34％」（カナダ、2014年）である。^[15]化学パルプは市場パルプの93％を占めた。^[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、針葉樹が好まれます。これらの種のパルプのセルロース繊維はより長く、したがってより強い紙を作ることができるからです。^[18] 製紙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、カバなどの広葉樹があります。^{[19]また、}遺伝子組み換え樹種（GMユーカリやGMポプラなど）には、リグニンの分解が容易になったり、成長率が向上したりするなど、いくつかの大きな利点があるため、関心が高まっています。

パルプ工場は、木材チップやその他の植物繊維源を厚いファイバーボードに加工する製造施設です。このファイバーボードは製紙工場に出荷され、さらに加工されます。パルプは、機械的、半化学的、または完全に化学的方法 (クラフト法および亜硫酸法) を使用して製造できます。完成品は、顧客の要件に応じて、漂白または非漂白の 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には、水以外に、セルロース繊維（製紙に必要）、リグニン（セルロース繊維を結合する三次元ポリマー）、ヘミセルロース（より短い分岐炭水化物 ポリマー）という 3 つの主要成分が含まれています。パルプ化の目的は、チップ、茎、その他の植物部分など、繊維源のバルク構造を構成繊維に分解することです。

化学パルプ化は、リグニンとヘミセルロースを小さな水溶性分子に分解することでこれを実現します。この分子は、セルロース繊維を脱重合することなくセルロース繊維から洗い流すことができます(セルロースを化学的に脱重合すると、繊維が弱くなります)。グラウンドウッド (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方法では、セルロース繊維を物理的に引き裂きます。リグニンの多くは繊維に付着したままになります。繊維が切断される可能性があるため、強度が低下します。関連するハイブリッドパルプ化方法は多数あり、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、その後すぐに機械処理を行って繊維を分離します。これらのハイブリッド方法には、TMP としても知られる熱機械パルプ化、および CTMP としても知られる化学熱機械パルプ化があります。化学処理と熱処理により、その後の機械的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。

^{ほとんどのパルプ工場は、持続可能な原材料源}を確保するために、適切な森林管理方法を用いて木を伐採しています。パルプ工場用の木材伐採に関する主な苦情の1つは、伐採された森林の生物多様性が減少することです。パルプ用樹木のプランテーションは世界のパルプ生産の16％を占め、原生林は9％、残りは2代目、3代目以上の森林です。^{[21]ほとんどの地域で}再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（持続可能な森林管理イニシアチブ）、PEFC（森林認証承認プログラム）などの団体は、適切な林業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、機械処理と化学処理のどちらが使用されるかによって異なります。クラフト処理（化学パルプ化）を使用して、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いて、0.9トン（1トン）の印刷用紙と筆記用紙を生産するには平均24本の木が必要であると推定されています。機械パルプ化は、木材のほとんどすべてが繊維の製造に使用されるため、木の使用効率が約2倍であり、0.9トン（1トン）の機械パルプまたは新聞用紙を製造するのに約12本の木が必要です。^[23]

1コードにはおよそ2ショートトンの木材が含まれています。^[24]

木材チップ化とは、パルプ用だけでなく、他の加工木材製品やマルチ用にも木材をチップ化する行為および産業です。パルプの製造には、心材と辺材のみが有用です。樹皮には有用な繊維が比較的少なく、取り除かれてパルプ工場で使用する蒸気を供給するための燃料として使用されます。ほとんどのパルプ化プロセスでは、均一なサイズのチップを提供するために、木材をチップ化してふるいにかける必要があります。

木材繊維を分離するために使用できるさまざまなプロセスがあります。

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) を製造できます。粉砕前に木材を蒸気処理すると、圧力粉砕木材パルプ (PGW) と呼ばれます。ほとんどの現代の工場では、丸太ではなくチップを使用し、砥石の代わりにリファイナープレートと呼ばれる隆起した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はリファイナーメカニカルパルプ (RMP) と呼ばれ、チップをリファイニング中に蒸気処理すると、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、パルプの製造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。機械パルプは、新聞用紙や板紙など、強度がそれほど必要のない製品に使用されます。

サーモメカニカルパルプは、木材チップを熱（つまり「サーモ」）と機械的な精製動作（つまり「機械」）を使用して処理して生産されるパルプです。これは 2 段階のプロセスで、最初に丸太から樹皮が剥がされ、小さなチップに変換されます。これらのチップの水分含有量は約 25～30 パーセントです。機械的な力が木材チップに粉砕または粉砕作用で加えられ、熱と水蒸気が発生してリグニンが柔らかくなり、個々の繊維が分離されます。次にパルプはふるいにかけられ、洗浄され、繊維の塊は再処理されます。このプロセスでは、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、繊維は硬く堅固です。^[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よりもはるかに緩やかです (低温、短時間、極端ではないpH )。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 プロセスを使用し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、蒸解釜と呼ばれる大型容器で木材チップと化学物質を組み合わせて製造されます。そこでは、セルロース繊維を深刻に劣化させることなく、熱と化学物質によってセルロース繊維を結合するリグニンが分解されます。化学パルプは、強度を高める必要がある材料や、機械パルプと組み合わせて製品に異なる特性を与える必要がある材料に使用されます。クラフト法が化学パルプ化の主流であり、亜硫酸法がそれに続きます。歴史的に、ソーダパルプ化は最初に成功した化学パルプ化法でした。

リサイクルパルプは、脱墨パルプ(DIP)とも呼ばれます。DIP は、化学薬品で処理され、印刷インクやその他の不要な要素が除去され、紙の繊維が解放されたリサイクル紙です。このプロセスは脱墨と呼ばれます。

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の多くには、通常 100% の脱インク パルプが使用されています。また、オフセット用の軽量コーティング紙や、オフィスや家庭用の印刷用紙や筆記用紙など、他の多くのグレードでも、DIP が原料のかなりの部分を占めています。

オルガノソルブパルプ化では、140 °C 以上の温度で有機溶剤を使用して、リグニンとヘミセルロースを可溶性断片に分解します。パルプ化液は蒸留によって簡単に回収できます。溶剤を使用する理由は、リグニンを蒸解液に溶けやすくするためです。最も一般的に使用される溶剤は、メタノール、エタノール、ギ酸、酢酸で、多くの場合、水と組み合わせて使用​​されます。

バイオパルプ化（生物学的パルプ化）の開発研究が進行中です。これは化学パルプ化に似ていますが、セルロース繊維ではなく、不要なリグニンを分解できる特定の菌類を使用します。 ^[26]バイオパルプ化プロセスでは、菌類の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、セルロース繊維を残します。これは、化学パルプ化に関連する汚染を減らすという大きな環境上の利点を持つ可能性があります。パルプは二酸化塩素段階で漂白され、続いて中和および次亜塩素酸カルシウムで漂白されます。どちらの場合も、酸化剤は木材のタンニンから生成され、そこに含まれる硫化物によって強調（強化）された染料を酸化して破壊します。

蒸気爆発繊維は、木材やその他の繊維状有機材料に適用されているパルプ化および抽出技術です。^[27]

この工程までに生産されたパルプは漂白されて白い紙製品になります。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、最近では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ます。

木材以外の植物由来のパルプやリサイクル繊維は、今日では主に高級印刷や美術目的の特殊製品として製造されている。^[8]綿、リネン、麻、アバカ、コウゾなどの繊維で作られた現代の機械製および手製の美術用紙は、繊維が長くて強く、リグニン含有量が低いことから高く評価されている。リグニンはほぼすべての植物性素材に含まれており、紙製品の酸性化と最終的な分解に寄与し、新聞用紙などのリグニン含有量の高い紙は茶色く変色したり脆くなったりすることが多い。^{[28] [29]} 100%綿パルプまたは綿とリネンの混合パルプは、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る。^{[30] [31] [32]}

今日、より持続可能な生産手段として、木材繊維の代わりに畑作物の繊維や農業残渣を使用することを提唱する団体もある。 ^[要出典]

北米の本、雑誌、カタログ、コピー用紙の需要の多くを満たすのに十分な量のわらがあります。 ^[要出典]農業ベースの紙は樹木農園から来るものではありません。農業残渣パルプの中には、木材パルプよりも調理時間が短いものもあります。つまり、農業ベースの紙は、エネルギー、水、化学物質の使用量が少ないということです。小麦や亜麻のわら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エコロジカルフットプリントです。^[33]

麻紙は代替品として考えられますが、加工インフラ、保管コスト、および植物の利用率が低いことから、すぐに代替品として使えるものではありません。^[要出典]

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された地域から来ています。^[21]非木材繊維源は、季節的な入手可能性、化学回収の問題、パルプの明るさなど、さまざまな理由から、世界のパルプ生産量の約5〜10％を占めています。^{[16] [34]}中国では、2009年の時点で、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]

不織布は、フィルターペーパーやティーバッグなど、木材パルプから作られた紙の代替品としていくつかの用途で使用されています。

市販パルプとは、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]パルプの重要な品質パラメータは、繊維に直接関係しないもので、明度、汚れのレベル、粘度、灰分含有量です。2004年には、市販パルプの約5,500万トンを占めました。 ^[37]

空気乾燥パルプは、パルプを販売する最も一般的な形態です。これは、約10％の水分含有量まで乾燥させたパルプです。通常は250kgのシート状のベールとして出荷されます。パルプに10％の水分を残す理由は、これにより繊維同士の結合が最小限に抑えられ、紙への加工のためにパルプを水中に分散させやすくなるためです。^[37]

ロールパルプまたはリールパルプは、非伝統的なパルプ市場へのパルプの最も一般的な納品形態です。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5〜6％の水分含有量まで乾燥されます。顧客では、さらなる処理のために粉砕プロセスに送られます。^[37]

一部のパルプはフラッシュ乾燥される。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メートルのサイロに落下させることによって行われる。通常の熱源はガス燃焼熱風である。温度はセルロースの炭化点よりはるかに高いが、繊維壁と内腔に多量の水分があるため、繊維は焼却されない。水分含有量が10パーセントまで乾燥されないことも多い（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ない。^[37]

木材パルプの生産による環境への大きな影響は、森林資源への影響と廃棄物から生じます。

木材パルプの原料を供給するための伐採の影響は、激しい議論が交わされている分野である。森林管理を活用した現代の伐採慣行は、パルプ工場に信頼できる再生可能な原材料源を提供することを目指している。皆伐の慣行は、伐採の影響が非常に目に見えるため、特に敏感な問題である。伐採された地域に木の苗木を植える再植林も、再植林された地域は単一栽培であるため、生物多様性を減少させるとして批判されてきた。原生林の伐採は木材パルプの10％未満を占めるが、^[21]最も議論の多い問題の1つである。

プロセス排水は生物学的排水処理プラントで処理され、排水が受容者にとって有毒ではないことが保証されます。

機械パルプは、ほとんどの有機物がパルプ内に保持され、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（最終的に））を生成するため、環境に対する大きな懸念の原因にはなりません。

化学パルプ工場、特にクラフト工場は、エネルギーを自給自足しており、無機化学物質に関してはほぼ閉じたサイクルになっています。

塩素による漂白では、ポリ塩化ジベンゾ-p-ダイオキシン、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ます。 ^{[38] [39]}多くの工場では塩素系漂白剤の代替品を採用し、有機塩素汚染物質の排出を削減しています。^[40]

特にクラフトパルプ化反応では悪臭のする化合物が放出される。リグニン構造を分解する硫化物試薬も脱メチル化を引き起こし、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する。^{[41]これらの同じ化合物は、}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腐敗中に放出されるが、クラフトプロセスは化学的なものであり、微生物による分解は伴わない。これらの化合物は臭気閾値が極めて低く、不快な臭いがある。

パルプの主な用途は紙と板紙の生産です。使用されるパルプの原料は、完成した紙の品質によって決まります。重要な品質パラメータは、木材原料、明度、粘度、抽出物、汚れ数、強度です。

化学パルプはナノセルロースの製造に使用されます。^[要出典]

特殊パルプグレードには、他にも多くの用途があります。溶解パルプは、繊維やセロハンの製造に使用される再生セルロースの製造に使用されます。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、女性用衛生製品、不織布に使用されます。

フォードリニア抄紙機は、現代の製紙のほとんどの基礎であり、考案されて以来、さまざまな形で使用されてきました。この抄紙機は、パルプを最終的な紙製品に変え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ドルで販売されました。不況の影響で新聞のサイズが縮小し、需要が減少したため、価格が下落しました。^[42] 2024年までにこの価格は1トンあたり1315ドルに回復しました。^[43]

• ナノセルロース
• 製紙用化学薬品
• パルプ工場
• パルプ材
• 木材を使わない紙
• パルプの連続蒸解プロセスの開発者、ヨハン・リヒター
• 世界林業会議

• 「パルプと紙」、カナダ環境省、カナダ政府、2014年、2016年4月21日にオリジナルからアーカイブ、 2014年3月31日に取得
• シェーファー、ジェイコブ・クリスチャン (1765)。 Versuche und Muster ohne alle Lumpen oder doch mit enem geringen Zusatze derselben Papier zu machen.