紙を作るのに、葦、亜麻、綿、さらにはバガス（サトウキビパルプ）など、あらゆる種類の材料を用いることができますが、ほとんどの紙は処理された木材繊維から作られています。この目的のための木材の加工は、パルプ工場や製紙工場で行われ、化学薬品と大量のエネルギーが使われています。スクリーニング（選別）と品質管理（QC）は、木材から製紙製品に至るまで、製造工程全体で講じるべき重要な工程です。このコラムでは、近赤外分光法(NIRS)がパルプと紙の製造工程において、いくつかの重要なQCパラメータを同時にモニタリングできることを説明します。
パルプ、製紙業界は、さまざまな種類の木材から得られるセルロースベースの製品を生産して販売しています。パルプ、製紙工場では、機械的または化学的方法により木材を加工し、あらゆる用途のさまざまな紙製品を生産しています。
図1は、2019年の世界の製紙・ティシュ・板紙の国別生産シェアを示しています[1]。中国が最大のシェアを占め、米国、ブラジル、日本が続きます。これら5カ国で世界の生産量の半分以上を占めています。
紙の原料である木材は、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成されています。微細構造の違いにより、樹木は針葉樹と広葉樹に分類されます。針葉樹（針と球果を持つ、松、モミ、トウヒなど）は軟木で構成されています。落葉樹（葉と種子を持つ、オーク、ブナ、クルミなど）は広葉樹 (堅木) です。
広葉樹 (堅木) は繊維が短いため、紙の強度は低くなります。しかし、最終製品はより滑らかで不透明になり、印刷用紙に適しています。針葉樹 (軟木) は長くて強い繊維を持ち、紙に強度を与えます。この種類の木材は、段ボール箱やその他の梱包材の製造によく使用されています。
パルプおよび製紙の製造プロセスは、原材料の準備、パルプ化、漂白、製紙という 4 つの主要な工程から構成されます。各工程については、以下のセクションで説明します。プロセス全体の概要を図 2 に示します。
消費者に信頼される高品質の製紙製品を生産するためには、製造工程の前後で様々な品質管理パラメータをスクリーニングしモニタリングすることが重要です。近赤外(NIR)分光法はパルプと製紙の製造の全工程の品質管理に使用できる手法です。このコラムでは、近赤外(NIR)分光法が一般的にどのように機能するかを説明し、木材パルプの例を用いて、パルプ・製紙産業におけるQCとスクリーニングにおいて近赤外(NIR)分光法が他の方法よりも優れていることを示します。
光と物質は様々な方法で相互作用します（吸収、反射、散乱、発光、透過など）。分光法で使用される光については、一般的に波長または波数で表されます。Metrohm DS2500 Solid Analyzerのような近赤外分光計は、光と物質の相互作用を測定することにより、情報満載のスペクトルを取得できます（図3）。
特定の官能基の存在に対する近赤外(NIR)分光法の感度は、含水率（水分）、カッパー価、リグニン含量、樹脂含量などの化学的パラメーターを定量化する優れた方法となります。この相互作用はサンプルマトリックスにも依存するため、物理的パラメータ（密度や強度など）の検出も近赤外(NIR)分光法で可能です。
得られたスペクトルに含まれるサンプルに関する膨大な情報量は、近赤外(NIR)分光法を迅速なマルチパラメーター分析に理想的なものにしています。
どの近赤外(NIR)分光測定モードを使うかはサンプルの種類によって異なります。木材パルプや製紙製品のような固形物を分析する場合は、拡散反射モードを使用する必要があります（図4）。この測定モードでは、サンプルはNIR光にさらされ、その一部を吸収します。吸収されなかった近赤外光は反射して戻り、検出器で測定されます。
近赤外(NIR) 分光法は、品質管理とスクリーニングにおいて、ユーザーに多くのメリットを提供します。時間とコストの節約は、さまざまな理由から、最も大きなメリットの 1 つです。サンプルの準備は不要で、測定結果は数秒で得られます。近赤外(NIR) 分光法 はマルチパラメータ分析技術であり、同じ結果を得るために異なる種類の分析装置で時間のかかる分析を複数回実行する必要がなくなります。この測定技術は非破壊的であり、化学試薬を使用することもありません。
これらの点以外にも、近赤外(NIR) 分光法はASTMのような標準化機関によって品質管理の目的でも承認されています[2]。さらに、近赤外(NIR) 分光法はユーザーフレンドリーであり、技術者でなくても操作できるため、より複雑な分析技術とは一線を画しています。
研究、開発、品質管理はすべてラボでの試験に依存しています。パルプ・製紙工場では、原料、中間製品、最終製品の物理的・化学的特性の測定に、いくつかの標準化された試験方法を用いています。紙パルプ製品のスクリーニングと品質管理に最も関連性の高い試験パラメータを表1に示します。
表1. 製紙・パルプ製品の各種スクリーニングおよび品質管理パラメータ、 分析に使用される代表的な分析方法.
| 工程 | パラメーター | 代表的な分析方法. |
|---|---|---|
| 原材料分析 | かさ密度 | 密度測定法 |
| 水分含有量 | カールフィッシャー水分測定法 | |
| 遺伝子改良のための研究： | ||
| パルプ収率 | 重量測定法 | |
| セルロース含有量 | 重量測定法 | |
| リグニン含有量 | 加水分解/ 重量測定法 / 測光法 |
|
| 化学パルプ化と漂白 | リグニン含有量 | 加水分解/ 重量測定法 / 測光法 |
| セルロース含有量 | 重量測定法 | |
| 樹脂含有量 | 高速液体クロマトグラフ法 (HPLC) | |
| カッパー価 | 滴定法 | |
| 破断強度 | ショートスパン圧縮試験法 (SCT) | |
| 座屈強度 | リングクラッシュ試験 法 (RCT) | |
| 張強度 | 張力測定法 | |
| パルプフリーネス | カナダ標準フリーネス試験法 (CSF) | |
| リカーと粗製トール油 | 滴定法 | |
| 最終製品QC | 水分含有量 | カールフィッシャー水分測定法 |
| 紙重量 | 重量測定法 | |
| 灰分含有量 | 灰化-重量測定法 | |
| シリコンレベル | ガスクロマトグラフ法 (GC) | |
| 広葉樹/針葉樹の比率 | 顕微鏡検査法 | |
| コーティング層 | 測光法 | |
パルプ分析用のMetrohm NIRSソリューションには、カッパー価、密度、座屈強度、破断強度、引張強度、パルプフリーネスを測定するための、すぐに使える事前検量線モデル付属しています（表2）。このセットにより、このソリューションは、事前にメソッドを開発することなく、ターンキーのスターターモデルとして使用することができます。
表 2. パルプ製品の主要な品質パラメータの分析に利用可能な NIRS 事前検量線.
| パラメーター | レンジ | 交差検証の標準誤差 (SECV) | R2 |
|---|---|---|---|
| 密度 [g/cm3] | 0.2–0.65 | 0.039 | 0.855 |
| 座屈強度 [MPa] | 20–94 | 7.4 | 0.821 |
| 破断強度 [MPa] | 6–32 | 2.6 | 0.828 |
| 引張強度 [MPa] | 6–68 | 5 | 0.905 |
| カッパー価 | 0–175 | 3.8 | 0.996 |
| パルプフリーネス [mL] | 130–800 | 72 | 0.766 |
表 3 は、加工木材パルプの品質管理の測定結果を示しています。この例では、可視-近赤外分光法 (Vis-NIRS) によって、木材パルプの 6 つの異なる QC パラメータ (カッパ価、密度、パルプフリーネス、破断強度、座屈強度、引張強度) を同時に測定できることを示しています。
表 3. Vis-NIRS を使用した木材パルプの多成分分析の例
| パラメーター |
性能指数 | ||
|---|---|---|---|
| R2 | 検量線の標準誤差 (SEC) | SECV | |
| カッパー価 | 0.986 | 2.9 mg | 3.0 mg |
| 密度 | 0.903 | 0.0292 g/cm3 | 0.0308 g/cm3 |
| パルプフリーネス | 0.785 | 68 mL | 71 mL |
| 破断強度 | 0.803 | 2.5 MPa | 2.6 MPa |
| 座屈強度 | 0.768 | 7.2 MPa | 7.4 MPa |
| 引張強度 | 0.875 | 5 MPa | 5 MPa |
製紙・パルプ製品の品質管理とスクリーニングに近赤外(NIR)分光法を使用することは、他の従来の標準的な検査方法よりも優れています。この分光法は生産者の時間を節約し、高品質の製品を保証するだけでなく、環境にやさしく使いやすです。1回のスキャンで複数の主要な品質パラメータの同時分析が可能です。
木材パルプのカッパー価、密度、パルプフリーネス（CSF）、破断強度（SCT）、座屈強度（RCT）、引張強度の測定結果は、技術者でなくても30秒で得ることができます。他の試験技術よりも頻繁にデータが得られるため、生産管理をより厳密に行うことができます。
[1] Statista Research Department. Paper production global capacity share by country. Statista. https://www.statista.com/statistics/664968/global-paper-production-capacity-share-by-country/ (accessed 2023-11-23).
[2] ASTM International. Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis; ASTM E1655-17; ASTM International, 2018.
Application Note: Multi-parameter analysis of wood pulp using Vis-NIR spectroscopy
Application Note: Determination of lignin in wood pulp
Application Note: Determination of the cotton linter and pulp content in cellulose
Application Note: Purity, degree of substitution and water content of carboxymethyl celluloses
Application Note: Moisture content and pH value in crude tall oil (CTO)
QCプロセスを過小評価することは、社内外の製品不良につながる大きな要因のひとつであり、10～30％の回転率の低下を引き起こすと報告されています。その結果、メーカーをサポートするために様々な規範・基準が設けられています。しかし、結果が出るまでの時間や化学薬品にかかるコストは非常に過大になるため、多くの企業がQCプロセスに近赤外(NIR)分光法を導入しています。以下のホワイトペーパーはNIRSの可能性を示し、最大90％のコスト削減の可能性を示しています。
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