講義の分担
4/ 13 江前印刷材料学
2009年7月6日
第12回（第5回江前担当分）
東京大学 大学院農学生命科学研究科
生物材料科学専攻 製紙科学研究室
江前敏晴
えのまえ としはる

印刷材料学の講義用ホームページ

概説・抄紙

メディアの変遷、生産量、歴史、叩解、紙料調成

20 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

27 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

抄紙・物性

薬品、抄紙、乾燥、カレンダ、紙の構造

18 岡山

パルプパルプ化／リサイクル（詳細は未定）

25 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

抄紙・物性

薬品、抄紙、乾燥、カレンダ（2）5/ 11 江前

6/ 1 江前
8 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

15 江前

物性

サイズ度、吸水

22 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

29 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

7/ 6 江前

紙加工

紙の物性、吸液特性、印刷適性

13 江前

画像解析

画像解析を利用した紙の特性評価

27 江前

抄紙実習

実験1－抄紙、実験2－物性測定（2回分）

30（休講）

東京大学大学院農学生命科学研究科
2010年度大学院修士・博士課程学生募集

大学院受験ガイダンス日程

http://psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp/hp/enomae/chiba20092009 年 6 月 6 日(土) 13:00～15:00
東京大学農学部セイホクギャラリー（東京メトロ南北線東大前）〒113-8657 東京都文京区弥生1-1-1
Tel 03-5841-8199（江前） http://web2.fp.a.u-tokyo.ac.jp/index-j.html
 終了後研究室ツアー


連絡用メールアドレス
enomae@psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp（江前敏晴）• 自分のメールアドレスを江前まで連絡してください。
休講や実習の急な案内を出します。


紙の構造と物性

紙の物性構造力学
光学
液体との相互作用

サイズ度
吸水・吸油特性

生物材料科学専攻オープンラボ（終了）

修士課程出願7/13～17 試験8/19, 20 面接8/27
この日以外でもいつでも見学可能です。

紙の構造-地合（じあい）地合〔定義1〕地合は、白色光を透過させたときに視覚的に感じられるむら。光学濃度の標準偏差又は変動係数⎛I ⎞log⎜⎜ 0 ⎟⎟透過光
I1 I2 …
⎝ In ⎠B1 B2 質量…
局所的な質量分布。
局所質量 Bn の標準偏差又は変動係数
紙I0I0

照射光

1

紙の構造地合（じあい）

紙の構造-地合（じあい）ろ水までの静置時間
10秒120秒

 地合の評価は標準偏差や変動係数でよいのか。

 針葉樹漂白クラフトパ

HN10 HN120 HP10 HP120

サンプル

ルプシートのフラット
ベッドスキャナの透過光像。
 カチオンポリマーの添加、ろ水までの静置時間の延長によって地合が悪くなる。
 カチオンポリマーは繊維の歩留まりを上げる。

カチオンポリマー
P:添加
N:無添加

グレーレベル

HN10HP10HN120HP120の平均

45.6

34.232.2

2.31.7r〃の標準偏差2.13.00.36

光学濃度の標準偏差0.020 0.022 0.022 0.0400.64

光学濃度2の標準偏差0.030 0.033 0.038 0.072

0.79(光学濃度2の標準偏差)/坪量,
10-3 m2/g

47535295

主観評価値（小さいほど地合良）

0.03.6

1.46.40.86※ ケンドールの相関係数rは、この4種以外にも針葉樹パルプのデータを含む主観評価値と各パラメータとの間の相関を示す。

光学特性
 拡散照明/0°受光による反射率係数
 白色度
 不透明度 比散乱係数色
 同一の入射角/反射角拡散照明/0°受光による45.3相関係数

反射率計拡散照明／0°受光の光学系

反射率係数
 光沢

45°照明／0°(A) ハンター形
受光

拡散照明／0°受(B) エルレフォ形
光

光学特性を測定する反射率計の構造

分光スペクトルと白色度

白色度と不透明度の定義

分光反射率係数 （％）

白色度と蛍光増白剤の作用
100

白色度

90

拡散照明光を当て、（試料面に垂直な）0°方向で受光したときの反射光量の、完全拡散反射面によって反射された光量に対して百分率で表した値。このときの試料は 十分不透明なほど厚いか、十分な枚数を重ねるものとする。

8060

ラボ調製塗工紙-82.7（Cl/CC/Lx=70/30/10）
インクジェット用紙-92.4

50

A2コート紙-81.4

7040

不透明度

302010457 nm

白色度計算の重み付け関数

0

緑色光（560 nm）を使い、黒色筒を裏当てした単一シートの反射率の、無限に厚い（十分な枚数を重ねた）シートの反射率に対する比を百分率で表した値380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720

光の波長 （nm）

2

光の散乱とは-屈折
スネルの法則
屈折率n1の媒質からのn2の媒質へ光が進入するときの屈折sin θ i n1=sin θ r n2

θin1n2θr

光の散乱とは 空気と繊維（顔料やラ 食塩や雪が白く見えるのも同じ現象である。

光の散乱 クベルカｰムンクの式
1 − Rg (a − b ctgh bSW )– 反射率係数 R = a + b ctgh bSW − R– 透過率s=1
1 − aR0
Ar ctghbWbR0

参考

ctgh( x) =a=⎞1⎛ 1⎜+ R∞ ⎟⎟2 ⎜⎝ R∞⎠((b=))とすると、比散乱係数の測定 試料 Density Step Tablet

⎞
1⎛ 1
⎜
− R∞ ⎟⎟2 ⎜⎝ R∞⎠

1cosh( x) e x + e − x 2 e x + e − x== x=tgh( x) sinh( x)e − e−x 2 e x − e−xy = ctgh(x)

屈折の回数

 試料
 標準フィルム

gba sinh bSW + b cosh bSW

T=屈折率テックス）の間で光の屈折が起き、しかも細かくてランダムに配置する
無数の空隙のために屈折が不特定の方向に幾重にも起こる。

 プラスチックフィルム

 厚さ199 μm、坪量 178 g/m2

 トレーシングペーパー

 厚さ41 μm、坪量 39 g/m2

x = Ar ctgh( y )s: 比散乱係数, R0: 単一シート（裏当てあり）反射率係数, R∞:無限積層シート束の反射率計数, Rg: 裏当ての反射率計数, W: 坪量

光沢 定義

比散乱係数の測定 結果

 紙の場合、75°の入射角で光I0を当て、同じく紙とプラスチックの比較（同程度の透過率）
紙
比散乱係数大きい

プラスチックフィルム
比散乱係数小さい

75°の反射角で反射光Iを検出し、その光の強度の比率I/I0を測定して求める。

 光沢度の単位は屈折率1.567のガラスの鏡面研磨面に対する75°光沢度を100(%)とする。これは反射率26.4626.46 %に相当する。
%
 表面平滑性の指標となる。
 カレンダリング処理によって光沢が上がる。

II0θ θnσ3

光沢 理論 光沢度

印刷光沢①⎡ ⎛ 4πσ cos θ ⎞ 2 ⎤I= f (θ , λ ) exp ⎢ − ⎜⎟ ⎥λI0⎠ ⎦⎥⎣⎢ ⎝I I0G=0.2646

22⎤⎡2221 ⎢⎛⎜ cosθ − n (λ ) − sin 2 θ ⎞⎟ ⎛⎜ n (λ ) cos θ − n (λ ) − sin 2 θ ⎞⎟ ⎥+⎥⎢⎜⎟⎜⎟
222222 cosθ + n (λ ) − sin θ⎠ ⎝ n (λ ) cosθ + n (λ ) − sin θ ⎠ ⎦⎥⎣⎢⎝I:鏡面反射光強度、I0:入射光強度、σ:表面粗さの標準偏差、n(λ): 波長λのおける屈折率

白紙光沢＝印刷前の紙の光沢 塗工紙での印刷光沢の発現要因
塗工条件

 フレネル係数f (θ , λ ) = 印刷光沢＝印刷面の光沢

塗工面の形状

白紙光沢

カレンダー条件

インキ組成

塗工層の構造

白紙平滑度

タック

インキ量

ｽﾌﾟﾘｯﾄﾊﾟﾀｰﾝ生成

ﾋﾞﾋｸﾙの浸透速度

印刷速度

被覆

ｽﾌﾟﾘｯﾄﾊﾟﾀｰﾝ平滑化

印刷面平滑度
印刷光沢

印刷光沢② スプリットパターンの消失

印刷光沢③ スプリットパターンの形状• ニップで生成するスプリットパターンの大きさ• レーザー共焦点型マイクロスコープによる観察• 溶剤がインキから塗工層に吸収されインキが硬化する速度1mm2 s(gloss 72.4)

5 s(gloss 81.3)

10 s(gloss 85.7)

A2塗工紙に印刷したときのスプリットパターン消失過程

不透明度 測定方法
従来の試料の置き方と現在の置き方
R0

黒色板

R0.89

白色板

ハンター不透明度＝R0／R0.89

R0R∞

光トラップ

重ね合わせ

力学特性
引張（ひっぱり）耐折（たいせつ）
引裂（ひきさき）
曲げこわさ摩擦
破裂
リングクラッシュ圧縮
ショートスパン圧縮

不透明度（紙の裏当て）＝R0／R∞

4

力学特性
引張強さ

力学特性-引張強さ

荷重-伸長曲線

塑性変形領域

試験法
幅15mmつかみ間隔100mm
10mm/分で引っ張る

荷重（Ｎ）

弾性限度

比引張強さ 繊維のカールの伸び

荷重（Ｎ）

F

 繊維交点収縮部(マイクロコンプレッション）の伸び 繊維間結合の破壊
 繊維の破断破壊荷重Fを幅bと坪ΔF量Wで割る
引張破断伸び

伸び（mm）

伸びΔL (=εL)をつかΔLi
伸び（mm）ΔL

み間隔Lで割る
引張弾性率（堅さ）最大の傾き/断面積＝ (ΔF/ ΔLi)/(bT) ネットワーク構造の弾性的伸び引張（ひっぱり）弾性率とポアソン比
F

引張弾性率E⎛ F ⎞E = dσ / dε = d ⎜⎟ / dε⎝ WT ⎠
弾性率（GPa）
205.9

銅

122.6

アルミニウムナイロン

マイクロコン
プレッション

弾性率 叩解の影響

荷重-伸長曲線鉄繊維

 繊維の弾性的伸び

力学特性

材料

収縮力

弾性変形領域ενW/2εLL

Fy=0

Fy=070.6• 叩解により密度及び引張弾性率が上がる– 他の抄紙条件が同じであれば叩解の程度によらず、密度と弾性率に一定の関係がある。

1.8 – 5.9

PET3.9紙

2 - 20Tポアソン比νν: ポアソン比=引張方向の伸びに対する垂直方向の収縮WF

引張破断伸び 叩解の影響•叩解により引張破断伸びは一定値まで上がる–叩解が進むと密度とともに引張破断伸びも大きくなるが、ある密度に達すると、引張破断伸びは一定となる。
–引張破断伸び＝固有の伸び＋
乾燥収縮量

紙の異方性 種類と発生原因
 縦方向（MD）と横方向（CD）
 スライスでの紙料の流れの中でMDに繊維が配向
 紙料内での繊維の速度とワイヤーの速度比により配向

 面配向
 繊維がワイヤー面に平行になるように配向

5異方性 引張試験（荷重-変形曲線）

紙の繊維配向とは
プレスパート12

紙2コピー用紙(64.4 g/m2)

MD8Load, kgf

紙料

未晒しクラフト紙(89.4 g/m )

10

抄紙パート

6

未晒しクラフト紙
CD
コピー用紙

42

流れ方向0-1• 強度や伸びなどの異方性（方向性）が生じる.
• 縦と横では裂けやすさが違う

0123567127引張強さ（破断荷重）, kgf
10

手すき和紙
未晒しクラフト紙
塗工紙
コピー用紙
手抄き紙
セロハン
新聞用紙
ティッシュペーパー68

5微塗工紙(64.9 g/m2)
2
新聞用紙(46.4 g/m )

64MD
4微塗工紙
新聞用紙

8異方性 引張強さ
MD

異方性 引張試験（荷重-変形曲線）

Load, kgf

4Elongation, %CD

3220-10123456718Elongation, %CD0-7-6-5

異方性 引張破断伸び-4-3-2-101234567

力学特性-曲げこわさ– 曲げこわさSは、材料の曲がりにくさを示す。

6手すき和紙未晒しクラフト紙
塗工紙
コピー用紙

4手抄き紙
新聞用紙
ティッシュペーパーMD

8

引張破断伸び, %

S=Mr
S=EI

（ Mはモーメント、rは曲率半径 ）（ Eはヤング率、Iは断面二次モーメント ）r

2-8-6-4-2M

CD00246M86力学特性-曲げこわさ測定器

力学特性-曲げこわさ測定器•テーバーこわさ• クラークこわさ–幅38mmの試験片を挟んで15°曲げ、荷重長が50mmとなったときの曲げモーメントを測定。
–この曲げモーメントをこわさ(テーバー)と定義する。

– 試験片を挟んで上に向けて支持する。つかみの回転によりある角度で反対側に反り返る。この角度の左右両側での差が90度となるよう、つかみから試験片を張り出す。その張り出し長さL（cm）の3乗の100分の1をクラークこわさとする。

L3L3EIET 3∝==100 203 bW 12W
ここで、坪量Wはkg/m2、厚さTはm、ヤング率EはPaを単位とする。

テーバー（主に高坪量用）

クラーク（低坪量用）

力学特性-耐折強度

力学特性-曲げこわさ– 片持ち梁の試験片（長さの単位はすべてm）を，15度曲げるのに要する曲げモーメント S（N・m2）を求める。
– ヤング率Eも評価できる。

Lb

T

固定用の重し又は磁石

dF(kg) W(kg/m ) : 坪量2

おもり(厚手の紙用)台又は頑丈な板

3⎛ WLb F ⎞ LS =⎜+ ⎟ × 9.81
3⎠d⎝ 8S = E⋅I = EbT 312– 試験片を左右120°ずつ折り曲げ、破断するまでの往復折曲げ回数を測定する。
– その常用対数の平均値を計算し，その真数（ISO耐折回数）を求める。
– 繊維長が長いと耐折強度が上がる。
120°（板状試料の場合）– 切れ目を入れて、90度方向に引き裂くときの仕事を測定し、荷重に換算する。
– 繊維長が長いと耐折強度が上がる。

120°

MIT耐折試験機
MIT耐折試験機

紙の強度発現に影響する因子

力学特性-引裂強度• 引裂強度

1kgf

1kgf

• 組成
– 繊維の長さ・粗度– 填料の量と分布• 紙層構造– 地合（ムラ）– 方向性（MDとCD）– 密度• 抄紙の履歴– ウェットプレス– 叩解– 乾燥時の収縮量– 乾湿・温度の履歴

• 環境
– 含水率
– 温度

7

紙の強度- 含水率の影響
破裂

破断伸び

Tear 引裂strength30

比引張強さ(Nm/g),
破断伸び(%×10)

55252015Folding endurance

10耐折密度NBKP

x:ソリの変位
M:ソリの質量k:ロッドの弾性係数
V:テーブルの移動速度

23密度(g/cm ),耐折強さ(回)1.5
1サイズ・填料

無添加サイズ・填料

無添加

3000R叩解サイズ（+助剤）

5000R叩解サイズ（+助剤）

サイズ・填料

無添加サイズ（+助剤）

3000R叩解サイズ・填料

無添加サイズ（+助剤）

0.50

摩擦係数ロードセル
連結ロッド

ソリ側試料:
架台側試料:
鉛直圧力:
滑り距離:
滑り速度:

無添加

M

kxμMg

架台VMg

x0

接触部分の面積が60 mm×60 mm
幅 > 60 mm
2.2 kPa （800 gのおもりに相当）
25 mm
0.2 mm/s(静摩擦), 20 mm/s(動摩擦)5000R叩解

力学特性-摩擦係数μ力学特性-摩擦係数

μ =(a)(b)(d)

5000R叩解ソリ装置LBKP

2.5

耐折強さ

5000R叩解

3000R叩解

紙の強度 繊維組成、叩解、添加物の影響
33000R叩解増加, パーセント

サイズ・填料10 20 30 40 50 60 70

サイズ（+助剤）

0減少, パーセント

サイズ・填料

引張破断伸び1550 40 30 20 10

無添加

0Stretch

サイズ（+助剤）

5サイズ・填料

45

2535

無添加

引張

40

比引張強さ

サイズ（+助剤）

65

水分Moisturecontentサイズ・填料

Tensilestrength

LBKP

45

無添加

相対湿度, %75

NBKP

50サイズ（+助剤）

Burst
strength8535

紙の強度 繊維組成、叩解、添加物の影響(c)

摩擦試験機 (野村商事製 NSF-100 )ソリ(a), 架台 (b), エレベータ (c) ,摩擦力測定ロッド (d)

Fmg

μ:

静摩擦係数又は動摩擦係数
F: 平均摩擦力
m: ソリの質量g: 重力加速度= 9.81 m/s28力学特性-摩擦係数

力学特性-摩擦係数-中質紙（74 g/m2）

市販上質板紙にさらにカレンダリング
0.70

Wood-containing paper

0.40

0.35

Uncalendered
49 kN/m
78 kN/m

Kinetic coefficient of friction

Kinetic coefficient of friction

Wood-free paper

0.30

0.25

0.65

Uncalendered
29 kN/m
49 kN/m

0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
10.20
12
Number of frictional slides

33• 上質紙より動摩擦係数大きい• 摩擦力の変動が大きく、測定中の低下がない。繊維が剛直で変形しにくい。

• 平滑であるほど動摩擦係数は小さい

力学特性-摩擦係数

サイズ度

添加薬品の影響0.70

Coefficient of friction

2
Number of frictional slides

0.650.60

サイズ度とは、はっ水性及び吸水性の程度で一般的な試験方法として次のものがある。
 ステキヒトサイズ度 コブサイズ度
 クレム吸水度

0.1 % AKD, static
0.1 % AKD, kinetic
0.2 % AKD, static
0.2 % AKD, kinetic

0.55

0.50
00.1Added St/AA surface size, %0.2

• AKDは紙を滑りやすくする• St/AA（スチレン/アクリル酸）+酸化デンプン をサイズプレスし防滑性を付与

サイズ度

ステキヒトサイズ度

シャーレにチオシアン酸アンモニウム水溶液を入れ、試験片を浮かべると同時に、その上に塩化第二鉄水溶液を1滴落とす。その瞬間から3個の赤色斑点が現れるまでの時間（秒）をサイズ度とする。

上下から浸透した両液が反応し、赤色のチオシアン酸鉄のの錯イオン〔Fe(SCN)〕2+が生成する。
 サイズ度の低い紙は測れない。
 紙の厚さに影響を受ける欠点がある。
サイズ度


ロジンエマルション型サイズ剤量とステキヒトサイズ度との関係

COOH
アビエチン酸

サイズ剤添加量の増加に伴い、紙中ロジン量も増加し、サイズ度も上がる。
 （硫酸）アルミニ
ウム量は一定。
アルミニウムは
まずパルプ繊維表面に吸着


9

サイズ度


液体の浸透理論毛管浸透のモデル

ロジンエマルション型サイズ剤使用時の硫酸アルミニウム（助剤）量とステキヒトサイズ度

 毛管（円管）内にできる液体のメニスカスに作用する力

硫酸アルミニウ
ムを加えないとサイズ効果がない ロジンエマルショ
ン表面はアニオン性（マイナス荷電）で、プラスのアルミニウムが繊維表面に吸着した部分に吸着Rγ cosθ ⋅ t2η

塗工層

2πr
S=πr2

l: 毛管長さr: 毛管半径
η: 液体の粘度
Q :流量（体積速度）θrの条件を代入するとLucasWashburnの式が得られる。

塗工層空隙率が影響する物性
吸液速度
塗工紙へのオイル(インキ)の浸透で成り立つ

V ∝l =F=2πrγcosθ
F Hagen-Poiseulleの式に右図

Lucas-Washburnの式
液体浸透の基本式

R cosθ
2θ

(Hagen-Poiseulleの式)

液体の浸透理論

l=γcosθ 円管内定常流の式

π Pr 4Q=8ηl

P=F/S=2γcosθ/r

PγγtηLucas-Washburnの式において、図のn本の毛管集合体のモデルでは

l=V = n πr2ll: 浸透深さ
R: 毛管半径γ: 表面張力θ: 接触角η: 液体の粘度
t: 時間

毛管集合体のモデルでは空隙率φは



単位面積あたり吸液量V/Aは、

Rγ cosθt2η

Lucas-Washburnの式

φ = n πr2/A

VRγ cosθt=φA2η

半径r

面積A n本l

V: 浸透体積

多孔質体としての密度



液体・時間



塗工紙の毛細管の分布軽量化できる。

吸液試験装置ブリストー法

原紙層
確率密度V（r）

ブリストー装置
一定量の液体を入れたヘッドを、速度可変で紙面上で走査する。短時間での吸液速度が測定できる。

1 mm (b)15 mm (w)

V
塗工層
接触時間
走査速度
スリット幅v
毛細管半径(μm)


塗工層の平均毛細管半径は約0.05 μmで原紙0.5 μmの約10分の１

t=v/bvb

液体転移量 Vt=V/(wL)
液体の体積V
スリット長さw
トレース長L10吸水性の変化

インクジェット用紙表裏面の吸水挙動

自動走査吸液計と超音波減衰率測定器

自動走査吸液計（ブリストー法）
Volume of transferred water, ml/m

225
インクジェット紙塗工面
201510インクジェット紙非塗工面

50

Automatic Scanning Absorptometer

0EST

51015

Square root of contact time, (ms)201/2

写真画質インクジェット用紙吸水挙動
自動走査吸液計（ブリストー法）

各種インクジェット専用紙の吸水挙動

No.1
2

Photo quality IJ (A)30

Photo quality IJ (B)25High gloss type IJ (C)20High gloss type IJ (D)15Medium grade IJ (E)Medium grade IJ (F)10

Noncoat Copier

5

Volume of INK transferred, mL/mTransferred water volume, mL/m

2

40

35

No.2
No.3

30

20・インキが転移しなかった部分のデー
タ点、明らかに誤ったデータ点を省略してプロットした図・No.1と2は、ほぼ同じ傾向のインキ吸収挙動を示しており、インクジェット

10Noncoat Offset

000510152025300.5

Square root of contact time, (ms)0510151/2

Square root of contact time, (ms)

非塗工紙の吸水
吸水と乾燥による表面プロファイルの変化
30

Wood-containing paper
Redried

20Height, mm

Height, mm

30Wet

100Dry-10

Woodfree paper

20100-100100

200

Scan length, mm

300

050 100 150 200 250 300 350
Scan length, mm

 上質紙（化学パルプ）は中質紙（機械パルプ）よりも大きく膨潤する
 中質紙は再乾燥時に収縮しない

11