講義の分担
4/ 12 江前

概説・抄紙

メディアの変遷、生産量、歴史、叩解、紙料調成

印刷材料学

19 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）(2010年度)

26 岡山
5/ 10 江前

抄紙・物性

薬品、抄紙、乾燥、カレンダ、紙の構造

17 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

2010年6月14日
第9回（第5回江前担当分）

24 江前

物性

カレンダ、紙の構造、サイズ度、吸水

31 江前

紙加工

吸油特性塗工の基礎と応用、印刷適性

6/ 7 岡山

パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

14 江前

画像解析

画像解析を利用した紙の特性評価

21 江前

研究の実際

大学院生による実験の話

28 岡山

パルプパルプ化／リサイクル（詳細は未定）

7/ 5 岡山

パルプパルプ化／リサイクル（詳細は未定）

12 岡山パルプ

パルプ化／リサイクル（詳細は未定）

26 江前

抄紙実習

実験1－抄紙、実験2－物性測定（2回分）

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

8/ 2（休講）

東京大学大学院農学生命科学研究科
印刷材料学の講義用ホームページ
http://psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp/hp/enomae/chiba2010

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


生物材料科学専攻オープンラボ
2010 年 6 月 5 日(土) 13:00～15:00
東京大学弥生講堂セイホクギャラリー・アネックス講義室（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://www.fp.a.u-tokyo.ac.jp/graduate/index.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。
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…
局所的な坪量分布。
局所質量 Bn の標準偏差又は変動係数
紙

I0I0

照射光

紙の構造地合（じあい）ろ水までの静置時間
10秒
120秒

 針葉樹漂白クラフトパ

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

紙の構造-地合（じあい）

修士課程出願7/12～16 試験8/18,19 面接8/27
この日以外でもいつでも見学可能です。

HN10HN120

HP10HP1201光学特性

紙の構造-地合（じあい） 地合の評価は標準偏差や変動係数でよいのか。

HN10 HN120 HP10 HP120

サンプル
グレーレベルの平均

45.345.634.232.22.31.7

相関係数

r

〃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）

0.0

3.6

1.46.4

 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°受光による反射率係数
 光沢0.86※ 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。

反射率計
拡散照明／0°受光の光学系

分光スペクトルと白色度
白色度と蛍光増白剤の作用
100

分光反射率係数 （％）

90

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

7040302010457 nm

白色度計算の重み付け関数

0380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720

光学特性を測定する反射率計の構造

白色度と不透明度の定義
白色度

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。
不透明度

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

光の波長 （nm）

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 n2n1n2θiθr2光の散乱 クベルカｰムンクの式

光の散乱とは

1 − R (a − b ctgh bSW ) 空気と繊維（顔料やラg– 反射率係数 R = a + b ctgh bSW − R

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。

– 透過率s= 食塩や雪が白く見えるのも同じ現象である。

ctgh( x) =a=⎞1⎛ 1⎜+ R∞ ⎟⎟2 ⎜⎝ R∞⎠((b=))⎞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

ba sinh bSW + b cosh bSWT=

1
1 − aR0
Ar ctgh
bWbR0

参考gとすると、

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

比散乱係数の測定 試料

比散乱係数の測定 結果

 試料
 標準フィルム

 Density Step Tablet

紙とプラスチックの比較（同程度の透過率）

 プラスチックフィルム

 厚さ199 μm、坪量 178 g/m2

紙
比散乱係数大きいプラスチックフィルム

 トレーシングペーパー

比散乱係数小さい

 厚さ41 μm、坪量 39 g/m2

光沢 定義

光沢 理論

 紙の場合、75°の入射角で光I0を当て、同じく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

f (θ , λ ) = 表面平滑性の指標と カレンダリング処理によって光沢が上がる。

II0θ θnσG=I I00.2646⎡ ⎛ 4πσ cos θ ⎞ 2 ⎤I= f (θ , λ ) exp ⎢ − ⎜⎟ ⎥λI0⎠ ⎥⎦⎢⎣ ⎝ フレネル係数

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。
%なる。

 光沢度22⎡⎤2221 ⎢⎛⎜ cosθ − n (λ ) − sin 2 θ ⎞⎟ ⎛⎜ n (λ ) cos θ − n (λ ) − sin 2 θ ⎞⎟ ⎥+2 ⎢⎜ cosθ + n (λ )2 − sin 2 θ ⎟ ⎜ n (λ )2 cosθ + n (λ )2 − sin 2 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3

印刷光沢①
 印刷光沢＝印刷面の光沢

印刷光沢② スプリットパターンの消失

白紙光沢＝印刷前の紙の光沢• ニップで生成するスプリットパターンの大きさ

 塗工紙での印刷光沢の発現要因• 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
塗工条件

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1mm

ｽﾌﾟﾘｯﾄﾊﾟﾀｰﾝ平滑化

2 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

印刷面平滑度
印刷光沢

不透明度 測定方法

印刷光沢③ スプリットパターンの形状

従来の試料の置き方と現在の置き方
R0• レーザー共焦点型マイクロスコープによる観察

R0.89

黒色板

白色板

ハンター不透明度＝R0／R0.89

R0

R∞

光トラップ

重ね合わせ不透明度（紙の裏当て）＝R0／R∞

力学特性

力学特性

引張強さ

荷重-伸長曲線
試験法

F

幅15mmつかみ間隔100mm

荷重（Ｎ）

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

10mm/分で引っ張る

弾性限度

比引張強さ破壊荷重Fを幅bと坪

ΔF

量Wで割る
引張破断伸び伸びΔL (=εL)をつかΔLi
伸び（mm）

み間隔Lで割るΔL

引張弾性率（堅さ）最大の傾き/断面積＝ (ΔF/ ΔLi)/(bT)

4

力学特性

力学特性-引張強さ

引張（ひっぱり）弾性率とポアソン比
F
荷重-伸長曲線

塑性変形領域
荷重（Ｎ）

 繊維のカールの伸び 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引張弾性率E⎛ F ⎞E = dσ / dε = d ⎜⎟ / dε⎝ WT ⎠材料

弾性率（GPa）

鉄205.9銅122.6

アルミニウム伸び（mm）

収縮力

繊維

弾性変形領域 繊維の弾性的伸び ネットワーク構造の弾性的伸び

L

Fy=0

Fy=070.6
1.8 – 5.9

ナイロン
PET3.9紙

2 - 20Tポアソン比ν

マイクロコンプレッションν: ポアソン比=引張方向の伸びに対する垂直方向の収縮

弾性率 叩解の影響• 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。

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

紙の繊維配向とは紙の異方性 種類と発生原因

プレスパート 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

ενW/2εL

紙紙料

抄紙パート

 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

流れ方向• 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

5

異方性 引張試験（荷重-変形曲線）

異方性 引張試験（荷重-変形曲線）

12122

未晒しクラフト紙(89.4 g/m )10コピー用紙(64.4 g/m2)

10MD

6

未晒しクラフト紙
CD
コピー用紙

48Load, kgf

42MD

微塗工紙
新聞用紙

20CD0012

3456

78-1012

34

56

Elongation, %Elongation, %異方性 引張強さ

異方性 引張破断伸び

7

引張強さ（破断荷重）, kgf

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

MD-1

微塗工紙(64.9 g/m2)
2
新聞用紙(46.4 g/m )66548

引張破断伸び, %

786

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

MDLoad, kgf

832

2
1-7-6-5-4-3-2-10123456-8-4-202468

力学特性-曲げこわさ測定器• クラークこわさ– 曲げこわさSは、材料の曲がりにくさを示す。

（ 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 ）rM-67

力学特性-曲げこわさ
S=Mr
S=EI

CD0CD0M– 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。

クラーク（低坪量用）

6力学特性-曲げこわさ測定器•テーバーこわさ

力学特性-曲げこわさ– 片持ち梁の試験片–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。

（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 =⎜+ ⎟ × 9.813⎠d⎝ 8

S = E⋅I = E

テーバー（主に高坪量用）

力学特性-耐折強度– 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°

bT 312（板状試料の場合）

力学特性-引裂強度• 引裂強度– 切れ目を入れて、90度方向に1kgf

120°

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。

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

紙の強度- 含水率の影響
破裂

85– 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75• 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

相対湿度, %

• 組成

1kgf

65

Burst
strength

Tensilestrength

水分Moisture
content

引張Tear 引裂
strength

55
Folding endurance

453525耐折Stretch

引張破断伸び1550 40 30 20 10減少, パーセント

010 20 30 40 50 60 70増加, パーセント

7

紙の強度 繊維組成、叩解、添加物の影響
NBKP

50LBKP
密度402303密度(g/cm ),耐折強さ(回)201510サイズ・填料

無添加

3000R叩解サイズ（+助剤）

サイズ・填料

無添加サイズ（+助剤）

サイズ・填料

無添加サイズ（+助剤）

5000R叩解

5000R叩解

ソリ

装置

kx
μMg

MV架台(a)

Mg

(b)

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)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)力学特性-摩擦係数

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/s2

市販上質板紙にさらにカレンダリング
0.40
Kinetic coefficient of friction

Fμ =mg(c)(d)

力学特性-摩擦係数μμ:サイズ・填料

サイズ・填料

無添加

無添加

サイズ・填料

3000R叩解

5000R叩解

力学特性-摩擦係数

摩擦係数ロードセル
連結ロッド
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

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）

サイズ・填料

無添加サイズ（+助剤）

0

3000R叩解

ソリ側試料:
架台側試料:
鉛直圧力:
滑り距離:
滑り速度:

10.5

50

1.5

無添加

比引張強さ(Nm/g),
破断伸び(%×10)

25

LBKP

2.5

耐折強さ

35

サイズ（+助剤）

比引張強さ

NBKP345

破断伸び

紙の強度 繊維組成、叩解、添加物の影響

Wood-free paper

0.35

Uncalendered
49 kN/m
78 kN/m

0.30

0.25

0.20
12
Number of frictional slides

3• 平滑であるほど動摩擦係数は小さい8力学特性-摩擦係数

力学特性-摩擦係数-中質紙（74 g/m2）
Wood-containing paper

0.65

添加薬品の影響0.70

Uncalendered
29 kN/m
49 kN/m
Coefficient of friction

Kinetic coefficient of friction

0.70

0.60
0.55
0.50
0.45
0.40

0.65

0.60

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

0.55

0.50
12
Number of frictional slides3• 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。

00.1
Added 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

9