紙および関連用途の多孔膜

材料技術

紙と布の違いから多孔膜用途をみてみる

次に、紙の用途・機能と多孔膜・多孔質材料との関係を考えてみたいと思います。この紙の用途や機能を考える際に課題と感じたのは、「布」という材料と、「紙」という材料にどのような材料、機能の違いがあるか、ということです。

まず、材料としての定義を検討してみると、「布」は、”糸または繊維を織る、編む、絡ませるなどして形成した柔軟なシートで、織物、編物、不織布を含む”、「紙」は、”短繊維を水中分散し、抄紙・脱水・乾燥して形成した繊維集合シート”、とでもいうことができるでしょうか。いずれも繊維状材料を基本に、「布」は糸や長繊維を絡ませた材料、「布」は短繊維を集めた材料、というイメージです。この定義だと、不織布やナノファイバーなどは境界領域となるかと思います。

一方、「布」と「紙」は実用上の機能や、歴史的経緯から見て、その用途や用途に必要な機能としても違いがあると認識されると思います。その観点を抽出してみると、以下のような内容が挙げられると思います。実用的な機能面でいうと、「布」はその柔軟性や曲面追随性、さらには引張強度の強さなどに特徴があり、「紙」はその剛性や平面性、平滑性からの、印刷・筆記性などに特徴を感じるかと思います。

観点紙が得意布が得意
形態平面を保持する曲面・身体に追従する
変形折り目を保持しやすい折っても戻りやすい
面品質平滑・均一にしやすい繊維・織目による凹凸がある
印刷・筆記高精細印刷、筆記染色、柄、比較的粗い印刷
加工切断、折り、罫線、打抜き縫製、編成、接着
使用形態使い切り、交換、廃棄反復使用、洗浄、耐久使用
力学特性面内剛性、形状保持ドレープ性、屈曲性、伸縮性
多孔機能吸液、毛細管移送、印刷、ろ過通気、保温、着用、柔軟ろ過

紙の用途と多孔質材料の適用可能性

「紙」が現在用いられている用途領域から多孔膜の適用可能性をまとめてみました。紙の用途としては、これまで見てきたフィルターなどの他、その剛性等の特性から包装用途やラベル等の基材の用途がありこの領域では透過性調整・制御などの可能性があります。また、医療用やワイパー用などは液体の吸水性などの機能ニーズが考えられます。また、電気領域では絶縁紙や電池セパレータなど具体的に高機能多孔膜の検討が進んでいる領域があります。また、紙の面内での液体拡散性を利用したクロマト・分析用途では高分子多孔膜化の検討が行われています。

紙の用途・機能現状材料の例多孔膜の適用可能性期待されるメリット
ろ紙・液体フィルター エアフィルターセルロースろ紙 紙、不織布精密ろ過膜 高性能多孔膜フィルター微細孔径制御、耐薬品性、ろ過精度 微粒子捕集、低圧損化
包装紙・食品包装クラフト紙、コート紙通気・防湿・バリア膜との複合化 鮮度保持用選択透過水蒸気・O₂、CO₂等の透過制御
ラベル・粘着基材紙通気性基材・ベント内圧調整、軽量化
建材・透湿シート建築紙防水透湿膜雨水遮断+湿気排出
農業用紙・育苗材紙、セルロース水分制御多孔膜保水・透水性制御
印刷・記録する紙インク受容性多孔膜印刷性、筆記性付与
医療・衛生材料紙、不織布液体バリア+通気膜防水性と通気性の両立
ワイパー・吸収材パルプ、不織布毛細管構造を持つ多孔材吸液・保持・移送機能の制御
絶縁紙セルロース紙電気絶縁多孔膜耐熱性、絶縁性、低誘電化
電池セパレータ的用途特殊紙、不織布微多孔膜イオン透過+電極間絶縁
クロマトグラフィー・分析紙セルロース紙精密多孔膜精度向上

紙の材料的な特徴から成る多孔質材料

「紙」の材料的な特徴として、”短繊維を分散し、抄紙・脱水・乾燥して形成した繊維集合シート”、と捉えると、短繊維の湿式の抄紙が技術的な特徴ということになると思います。技術的な概念としては不織布に近いですが、歴史的には布と紙が存在していた状況において、乾式紡糸を積み重ねることで不織布が開発されたと考えられ、独立した技術による材料と言えるかもしれません。

紙材料の技術特徴を、湿式の抄紙技術と捉えると、紙の派生材料としては以下のようなファイバーシート類がこの範疇に入ってくると思います。これらの材料は、RO、NF、UF膜や、その他の複合多孔膜材料の基材としても用いられます。

材料主な機能
ガラスマイクロファイバー紙ろ過、電解液保持、電池セパレータ
合成繊維湿式不織布ろ過、通気、包材、セパレータ
ナノセルロース膜微粒子分離、毛細管移送、セパレータ
炭素繊維紙ガス拡散、排水、導電、集電
アラミド紙絶縁、耐熱、含浸支持
金属繊維紙高温ろ過、導電、触媒担持

まとめ

「紙」用途の多孔膜・多孔質材料は、布との違いとして、短繊維の湿式抄紙技術、剛性や折り曲げ性などの物性の違いが挙げられます。紙の用途からの機能活用の深化もいくつかご紹介しました。紙や関連用途の多孔膜の理解・選択でご参考になればと思います。

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