パルプ調成プロセスにおける繊維分散技術と品質向上の関係

パルプ調成プロセスの概要と課題

パルプ調成は抄紙機に原料を送る直前で繊維を最適化する工程です。
植物繊維を解繊し、水と混合し、必要な薬品を添加することで、紙の所要物性を満たすストックを整えます。
しかし繊維がフロック化すると、フォーメーションが不均一になり印刷斑や紙力低下を招きます。
エネルギーコストや歩留まり低下の問題も顕在化し、製紙工場にとって大きな課題となっています。

パルプ調成の目的

パルプ調成の第一目的は、繊維の柔軟化と表面開繊による繊維間結合力の向上です。
第二に、薬品の分散性と保持率を高めることでコストを抑えつつ機能紙特性を付与します。
さらに、抄紙機走行を安定させ生産性を維持することも欠かせません。

伝統的な繊維処理の限界

従来はビータービータやダブルディスクリファイナーに頼り、機械的処理のみで紙力を確保してきました。
しかし単純な解繊だけではフロック解消が不十分で、目視できない微小凝集が残ります。
この結果、抄紙機上でしわ・ピンホールが発生し、品質クレームにつながっていました。

繊維分散技術とは何か

繊維分散技術は、機械力や流体力を利用して繊維を一度ばらばらにし、均一に混合し直す操作を指します。
リファイナーとは異なり、繊維を削るのではなく、絡み合いを解いて再配置する点が特徴です。

繊維フロック化のメカニズム

高濃度領域では繊維同士が水素結合を形成しながら塊状に凝集します。
このフロックは粘弾性を持ち、通常のポンプ圧では解ほぐしにくい状態です。
結果として薬品や微細フィラーが塊の内部に入り込めず、局所的な濃淡むらが発生します。

高濃度パルパーとスリッシャーの役割

高濃度パルパーは渦流と剪断力で大きな塊を粗く解散させます。
その後スリッシャーやインラインミキサーがキャビテーションとせん断を付与し、繊維一本レベルまで散開させます。
これら装置を段階的に配置することで、過破砕を防ぎながら分散効率を最大化できます。

リファイニングと繊維分散の相乗効果

リファイナーで繊維を柔軟化させた後に分散処理を行うと、繊維網がほどけやすくなります。
逆に分散後に軽リファイニングを入れると、繊維表面が均一に剥離し内部分裂が進みます。
両工程を組み合わせることで、紙力とフォーメーションを同時に改善できる点が大きなメリットです。

ストック準備ラインでの最適分散条件

濃度は2–4%が最もエネルギー効率が高いと報告されています。
pHや温度が高いと繊維の膨潤が進み、分散に要するトルクが低減します。
フェルトやワイヤの条件を考慮し、CSF値とフロックサイズをオンライン測定してフィードバック制御するのが推奨されます。

エネルギー消費と品質バランス

分散装置は通常1tパルプ当たり50–120kWhの電力を消費します。
過度な剪断はエネルギーを浪費し、逆に紙力を低下させる恐れがあります。
目標とする斑点指数や坪量分布に対し、エネルギー最小で到達できる運転点を探ることが重要です。

繊維分散が紙品質に与える具体的効果

紙力強化と長期耐久性

繊維一本レベルで配向性が高まり、架橋点が均一になることで引張強度と破裂強度が向上します。
製本後の開き割れや輪転印刷中の切れリスクも軽減できます。

均一なフォーメーションによる印刷適性向上

光学的均一性が改善され、インク浸透が安定するため、モアレや色ムラが減少します。
特に微塗工紙ではグレーズムラが抑えられ、オフセット印刷でのドットゲインが一定化します。

走行安定性と製造歩留まり

繊維フロックが減ることで水分分布が均一となり、乾燥部でのしわ発生が抑制されます。
結果として抄紙機速度を5–10%向上させてもブレーク回数が増えないケースが多く報告されています。

事例研究：繊維分散装置導入による改善効果

新聞用紙工場のケース

国内大手新聞用紙工場では、ディスパーザー導入前の平均印刷斑クレーム率が0.12%でした。
導入後3か月で0.03%に低減し、運転速度も毎分1500mから1600mへ引き上げることに成功しました。
電力コストは月間30万円増加しましたが、紙質向上による返品減で月間90万円の利益改善となりました。

包装用板紙工場のケース

古紙配合率の高いKLBラインに分散ミキサーを追加したところ、厚紙強度が18%向上しました。
これにより坪量を5g/m²軽量化しても同等の耐圧縮強度を維持でき、原料コスト削減に寄与しました。

品質向上を最大化する運転管理のポイント

オンライン計測とAI制御

光学式フォーメーションセンサーとCSFフィードバックをAIが解析し、分散装置の回転数を自動調整するシステムが普及し始めています。
これにより操業担当者の経験差を排除し、常に最適条件を維持できます。

薬品添加との組み合わせ最適化

サイズ剤や湿潤紙力増強剤は分散後の繊維表面積増大により吸着効率が変わります。
薬品添加ポイントを分散直後に変更するだけで保持率が15%向上した例があります。

メンテナンスと摩耗管理

分散ローターの摩耗は剪断力低下とフロック残存の直接要因となります。
運転時間2000時間ごとにクリアランスを測定し、ローター交換の基準を数値化することが推奨されます。

まとめと今後の展望

パルプ調成プロセスでの繊維分散技術は、紙のフォーメーション均一化と紙力向上を同時に達成する有効な手段です。
リファイニングとの相乗効果を考慮したライン設計やオンライン制御により、エネルギー効率と品質の最適バランスが実現できます。
今後はAI解析による自律運転や、低炭素電力を活用したグリーン分散技術が進展し、持続可能な製紙産業を支える柱となるでしょう。