紙の微細孔制御技術とバリア性向上の最新研究

紙包装材料を取り巻く背景と課題

世界的な脱プラスチックの潮流と循環型経済の推進により、紙は再評価されています。
しかし、食品や医薬品、化粧品など高いバリア性が求められる分野では、水蒸気・酸素・油脂を遮断する性能が不足していました。
この課題解決に不可欠なのが、紙内部に存在する“微細孔”の制御技術です。
繊維間の孔径をナノレベルで最適化することで、従来プラスチックが担ってきたバリア機能を紙単体、あるいは極薄の環境調和型コーティングで実現できる可能性が高まります。

微細孔とは何か――紙構造の基礎

紙はセルロース繊維が絡み合った三次元ネットワークで、繊維同士の隙間に大小の空隙が存在します。
この空隙のうち、1µm以下の領域を一般に“微細孔”と呼びます。
微細孔の体積率や孔径分布は、パルプの種類、叩解度、抄造時の圧縮条件、乾燥収縮などで変化します。
水蒸気や酸素は分子径が数Åと非常に小さいため、たとえ紙が見かけ上は緻密でも連通する微細孔が存在すれば透過してしまいます。
逆に、孔径をサブナノレベルまで縮小し、かつ疎水性・親油性などの表面特性を付与できれば、高いバリア性を付与できます。

微細孔測定法

研究開発では、ガス吸着法によるBET比表面積測定、液体浸透圧法、FIB-SEM断面観察、X線CTなどが用いられます。
特に水蒸気透過を議論する際には、使用環境の湿度での孔径変化を把握することが重要です。

微細孔制御技術の全体像

紙の微細孔を制御する手法は大きく三つに分類できます。

1. 繊維構造そのものを変える方法

・高叩解パルプやナノファイバー化により、繊維表面をフィブリル化して孔を物理的に埋める。
・TEMPO酸化セルロースナノファイバー（TOCNF）を湿潤紙に添加し、自己接着で高密度層を形成する。
これらは紙内部から均質な緻密化を図れるため、後加工を最小限に抑えられます。

2. 空隙をフィラーやポリマーで充填する方法

・カオリン、タルク、炭酸カルシウムなどの微粒子フィラーを選択的に導入し、多孔質ながらガス拡散経路を迂回させるトortuosity効果を高める。
・生分解性ポリマー（PLA、PBS、PGAなど）や水溶性バリア樹脂（PVOH、エチレンビニルアルコール）の含浸で孔を封鎖する。
フィラーはコスト優位性が高く、ポリマー含浸は高いバリアを得やすいが、重量増加やリサイクル性への影響を考慮する必要があります。

3. 表面層を独立に積層・コーティングする方法

・水系バリアコート：PVOH＋無機層状シリケートでナノ層状複合体を形成し、水蒸気透過率（WVTR）を1桁低減。
・プラズマ処理：紙表面にSiOx、AlOxなどの無機薄膜を10〜100nm堆積し、酸素透過率（OTR）を大幅に抑制。
・ALD（原子層堆積）：数nm単位でAl2O3などを積層し、ピンホールフリーのバリア層を実現。
これらは高機能だが設備コストが高く、量産化では処理速度が課題となります。

バリア性向上の評価指標

紙のバリア性は主に以下の指標で評価されます。

水蒸気透過率（WVTR）

温度40℃・湿度90%RHでの透過量（g/m²・day）を測定。
食品包装の目安は5以下、乾燥剤用途では0.1以下が要求されます。

酸素透過率（OTR）

温度23℃・湿度0%RHまたは50%RHでの酸素透過量（cc/m²・day・atm）を測定。
酸化劣化を防ぐ食品では1以下が理想です。

耐油・耐グリース性

キットテスト（12段階）やTAPPI T559で評価。
紙への油染みを防止できればファストフード、電子部品の防錆包装に活用できます。

最新研究動向

セルロースナノファイバー層の多段積層

京都大学と製紙メーカーの共同研究では、マルチジェットヘッドを用いて濃度2%のTOCNFを紙表面に10回スプレーし、層間を湿圧プレスで密着させました。
得られた試験片は坪量＋5g/m²でWVTRが従来品の1/20、OTRが1/50に低減しました。
水系プロセスのみで完結し、リサイクル工程でもCNFが繊維表面に再分散するため、リパルプ性も維持できる点が高評価です。

深紫外LEDによる表面架橋＋フッ素フリー撥水化

広島大学のグループは、PVOHコート紙に深紫外UVを照射し、表面に架橋構造を形成。
さらに植物由来の長鎖脂肪酸を蒸着させることで、フッ素化合物を使わずにキット値11を達成しました。
プラスチックフリーで高い耐油性を示し、食品安全基準もクリアしています。

ALD＋水性PUナノエマルジョンのハイブリッド

欧州研究機関では、紙にAl2O3を3nm、SiOxを2nm交互に5サイクル積層後、水性ポリウレタンを0.5µmコートする手法を報告。
WVTRは0.05、OTRは0.1まで低下し、金属蒸着PETフィルムに匹敵する性能を示しました。
しかも使用材料の総重量は従来蒸着PETの1/4となり、LCA試算でCO2排出量が50%削減されました。

バイオマス微粒子によるトルチュオシティ強化

北欧のスタートアップは、リグニンを酸化法で50nm球状粒子に変換し、紙内部へ含浸。
リグニン粒子が酸素分子を吸着しつつ拡散経路を長くすることで、湿度条件下でもOTRを大幅に抑えました。
副生リグニンの高付加価値化にもつながり、森林産業の新たな収益源として注目されています。

産業応用の広がり

微細孔制御とバリア性向上の成果は、次のような分野で実用化が進んでいます。

・即席麺、スナック菓子用の金属蒸着PET代替包装
・コーヒー・紅茶用アロマ保持袋
・電子部品用防湿・防錆包装紙
・化粧品サンプルパウチ基材
・冷凍食品対応の耐水耐油紙トレイ

国内外の大手ブランドが採用を表明し、市場規模は2028年に3兆円を超えると予測されています。

技術課題と今後の展望

現状の課題は、生産ライン速度との両立、ピンホール不良の低減、古紙リサイクル工程への影響評価、コストダウンです。
特に高速抄紙機へのナノレベルの散布・乾燥制御は難易度が高く、自動インライン検査とフィードバック制御技術の導入が求められます。

一方、機能性とリサイクル性を両立する“水に可溶だが耐湿のバリア層”など、環境条件に応じてオンデマンドで分解特性が変化するスマートマテリアルの研究も活発です。
AIを活用した材料組成設計やデジタルツインでのプロセス最適化により、数年以内にさらなる性能飛躍が期待できます。

紙の微細孔制御技術は、脱炭素社会を支えるキーテクノロジーとして今後も進化し続けます。
バリア紙がプラスチックフィルムと競合ではなく補完し合うことで、包装産業全体の環境負荷低減に大きく貢献すると考えられます。