段ボールのリサイクル技術と繊維強度維持の新手法

段ボールリサイクルの現状と重要性

世界的なEC市場の拡大に伴い、段ボールの消費量は年々増加しています。
日本においても年間約1,600万トンが流通しており、紙・板紙需要全体の半分以上を占めます。
リサイクル率は95％超と高水準ですが、繊維の劣化による品質低下が課題です。
特に再生回数が増えるほどセルロース繊維が短繊化し、強度が低下しやすくなります。
その結果、再生段ボールは同じ厚みでも耐圧強度が落ち、輸送中の破損リスクを高めます。

従来の段ボールリサイクルプロセス

1. 回収・選別

自治体や企業が排出した古紙を回収し、異物や異種紙を除去します。
選別精度が低いとインクや金属片が残り、抄造工程で機械トラブルにつながります。

2. パルピング

水とともに古紙をほぐし、繊維を分散させる工程です。
この段階で繊維同士が擦れ合い、先端が裂けて短くなる「フリバージョン」が発生します。

3. インク除去（ディーインキング）

薬品と気泡を使ってインクを浮上分離します。
漂白剤の強度はインク除去効率を高めますが、繊維表面を傷つける原因にもなります。

4. 抄紙・乾燥

再生パルプをワイヤー上に流し、水を抜いて紙層を形成します。
その後、プレスとドライヤーで水分を除去し、板紙に仕上げます。

従来プロセスでも一定の品質は確保できますが、繊維の疲労蓄積を完全には防げません。

繊維強度劣化のメカニズム

段ボール原料のセルロース繊維は、長さ1〜3mm、直径20μm程度の細長い構造です。
再生時のせん断力や化学薬品により、繊維長が短くなり水素結合面積が減少します。
さらに、繊維表面のファイブリルが剥離し、表面積と結合点が減ることで強度が低下します。
強度低下が進むと、箱の圧縮強度や耐破裂強度が30〜40％低下するケースも報告されています。

新手法1：低せん断パルピング技術

低せん断パルパーは従来型より回転数を30〜40％低減し、大きな羽根で緩やかに攪拌します。
摩擦熱と繊維衝突が抑えられるため、繊維長の平均短縮量は約15％削減されました。
また、省エネ効果も得られ、電力消費は20％程度低減します。

導入事例

大手製紙メーカーA社は2022年に低せん断パルパーを10基導入し、再生原紙の破裂強度を約12％向上させました。
同社は省エネ効果により年間約1,200万円の電力コスト削減も報告しています。

新手法2：ナノセルロース補強

ナノセルロースは幅数nm、長さ数μmの超微細繊維で、比強度は鉄鋼の5倍以上です。
再生パルプに1〜3％添加すると、繊維間の空隙に入り込み、水素結合を増強します。
実験では圧縮強度が最大25％向上し、リサイクル6回目の原紙でも一次原紙に近い性能を維持しました。

製造コストと課題

ナノセルロースは乾燥時に凝集しやすく、分散剤が必要です。
しかし、国内パルプメーカーB社は独自の湿式流動分散装置を開発し、添加コストを従来比40％削減しました。
量産体制拡大により2030年には更なるコスト低減が見込まれます。

新手法3：酵素処理による繊維表面改質

セルラーゼやヘミセルラーゼを微量添加し、繊維表面の微細毛羽を生成します。
これにより繊維同士の絡み合いが促進され、乾燥後の剥離を防ぎます。
酵素はpH5〜7の中性域で働くため、薬品腐食を抑え環境負荷も低い点が利点です。

効果検証

大学と製紙会社C社の共同研究では、酵素濃度0.05％で破裂強度が18％向上し、紙厚はほぼ変化しませんでした。
酵素はリサイクル3回目以降の繊維でより効果が高く、短繊化した繊維同士の結合を補強することが確認されています。

品質評価のための最新解析技術

画像解析AI

高解像度カメラとAIアルゴリズムで繊維長分布をリアルタイム解析し、パルピング条件を自動調整します。
人手目視に比べ測定時間を90％短縮し、品質バラツキを半減させました。

μCTスキャン

X線マイクロCTで三次元的に繊維ネットワークを可視化し、孔隙率や結合点密度を数値化します。
ナノセルロース添加時の補強メカニズムを解明し、最適添加量の設定に役立っています。

環境・経済効果の比較

低せん断パルピング、ナノセルロース補強、酵素処理の三手法を組み合わせた場合、
CO₂排出量はトン当たり約18％削減、製品強度向上による段ボール板紙使用量削減効果を含めると総排出量は25％減となりました。
また、強度向上により使用する波形中芯の基重量を下げられるため、原料コストは7〜10％削減できます。

実装時の注意点

1. 原料古紙の水分とインク量を事前に測定し、薬品量と酵素量を自動制御する必要があります。
2. ナノセルロースは粘度上昇を招くため、抄紙ワイヤー目開きを0.5メッシュ大きくするなど装置調整が必須です。
3. 酵素処理は温度管理が重要で、45℃以上では失活が急速に進みます。

今後の展望

政府のグリーン成長戦略により、再生素材の高度利用に補助金や税制優遇が拡大しています。
AI制御とIoTセンサーを組み合わせたスマートペーパーミルが普及すれば、原料状態に応じて最適な処理をリアルタイム選択できるようになります。
さらに、段ボールにRFIDタグを付与し、使用回数や荷重履歴をクラウドで管理する「トレーサブル段ボール」の実証も進行中です。
これにより、リユースとリサイクルをシームレスに統合し、資源循環効率を飛躍的に高めることが期待されます。

まとめ

段ボールは高いリサイクル率を誇る一方で、繊維強度の劣化が大きな課題でした。
低せん断パルピング、ナノセルロース補強、酵素処理という新手法により、繊維長維持と結合強化が実現しつつあります。
これらの技術を組み合わせ、AI解析で品質を即時フィードバックすることで、一次原紙に匹敵する性能と環境負荷低減を両立できます。
持続可能な物流と資源循環を達成するためにも、企業・自治体・研究機関が連携し、新技術の社会実装を加速させることが重要です。