本发明涉及一种刚性优异的纸筒和用于制造该纸筒的纸筒用原纸。
背景技术：
塑料因为价格低廉且易成形而被广泛用作各种制品的材料，一年中有3亿吨以上的塑料制品被生产。
虽然大部分的塑料制品得到了适当处置，但是其中一部分由于管理不足或非法丢弃，作为垃圾流出至环境中，最终抵达海洋。据推测流入海洋中的塑料垃圾的数量，一年达到800万吨以上，由于这些塑料垃圾中的大部分为非生物降解性，因此其大都累积在海洋中。
为了防止由于塑料垃圾造成的环境破坏的行动已开始，并追求以对环境负荷小的材料代替塑料制一次性制品。其中，就塑料制的吸管而言，美国1天消耗5亿根，全世界1天消耗10亿根以上，且报告有海鸟或海龟因为误食而引起的死亡案例，环境保护团体等发起了呼吁拒绝使用塑料制吸管的运动。
作为塑料制吸管的对环境负荷小的代替材料，生物降解性塑料及纸受到瞩目。
例如专利文献1、2中提案有纸制的吸管。其中，纸制的吸管与塑料制吸管相比，存在刚性差，易弯折的问题。另外，专利文献3中提案有耐水性及耐热水性得到提高的餐具用纸，及使用该餐具用纸的搅拌用棒或勺等餐具。
专利文献3中提案有作为搅拌棒或勺使用的餐具用纸。就专利文献3的餐具用纸而言，为了作为搅拌棒或勺使用，要求耐水性、耐热性、刚性，但该餐具用纸刚性过强，难以卷绕成筒状。
专利文献
专利文献1：日本特开平06-133840号公报
专利文献2：日本特开2009-233348号公报
专利文献3：日本特开2006-168283号公报
技术实现要素：
本发明的课题在于提供一种刚性优异的纸筒和用于制造该纸筒的纸筒用原纸。
用于解决本发明的课题的方法如下所示。
1.一种纸筒，其特征在于，具有2层以上5层以下的纸层，
所述纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.90g/cm3以上，
基于3点弯曲试验所测定的弹性模量为2.0gpa以上。
2.根据1.所述的纸筒，其特征在于，通过日本工业标准jis-p8251所述的525℃燃烧法所测定的灰分为1.5质量％以下。
3.根据1.或2.所述的纸筒，其特征在于，所述最外层的密度为0.90g/cm3以上。
4.根据1.～3.中任一项所述的纸筒，其特征在于，外径为3mm以上20mm以下。
5.根据1.～4.中任一项所述的纸筒，其特征在于，基于3点弯曲试验所测定的弹性模量为10.0gpa以下。
6.一种纸筒用原纸，其特征在于，具有2层以上5层以下的纸层，
所述纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.90g/cm3以上。
本发明的纸筒，以纸为主体，对环境的负荷小。本发明的纸筒，由于弹性模量高，因此刚性优异，使用时不易弯折。因此本发明的纸筒可适用于吸管或搅拌棒等与饮品或嘴接触的纸筒(以下，也称为餐具用纸筒)。
最外层具有密度高的纸层的纸筒，由于更高的弹性模量而刚性优异。就密度高的纸而言，由于水不易渗透，因此通过在最外层使用高密度的纸，能够得到耐水性优异的纸筒。进而，该纸筒在衔住时对嘴唇或舌头的吸附感小，因此没有不适感，可作为吸管使用。
另外，就灰分量少的纸筒而言，由于具有牢固的纤维间键合，不仅可以提高弹性模量，而且即使浸入酸性、碱性的液体中，无机成分也不易溶出，适用于餐具用纸筒。
具体实施方式
＜纸筒＞
本发明的纸筒，其特征在于，具有2层以上5层以下的纸层，该纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.90g/cm3以上，基于3点弯曲试验所测定的弹性模量为2.0gpa以上。
弹性模量为表示该材质变形难度的值，越大越不易变形。弹性模量是依赖于其材质而不依赖于其截面形状的值。
本说明书中，弹性模量通过下述式(1)计算得出。
弹性模量：e＝(l3/48i)×(p/y)式(1)
l：测定跨距(3点弯曲的支承点之间的距离)
i：截面二阶矩
p/y：应力-应变曲线的弹性变形区域的倾斜
截面二阶矩(i)为依赖其截面形状的值，例如纸筒为圆筒时，通过下述式(2)表示。
截面二阶矩：i＝(π/64)×(d4－d4)式(2)
d：圆筒的外径(芯棒的直径+纸筒用原纸的总厚度×2)
d：圆筒的内径(芯棒的直径)
此外，应力-应变曲线的弹性变形区域(p/y)中，应力(p)通过下述式(3)表示。
应力：p＝m/z式(3)
m：弯矩
z：截面系数，为圆筒时，z＝(π/32)×(d4－d4)
由式(1)～(3)可知，在式(1)的右边，源自截面形状的(d4－d4)在分母与分子之间抵消，正如其所示，弹性模量为不依赖于该截面形状的值。
密度高的纸通过加压、压延等被强力地压碎，使得纤维密合而具有牢固的纤维间键合，因此强度优异。此外，高密度的纸与低密度的纸相比不易变形，因此弹性模量大。通过在纸筒的最外层、最内层的任一者或两者上使用高密度且高强度的纸，可以制造弹性模量高的纸筒。为了制造弹性模量更高的纸筒，优选纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.92g/cm3以上，更优选为0.95g/cm3以上。另外，本发明中，纸层的其他层的密度并无没有特殊限定。
本发明的纸筒，基于3点弯曲试验所测定的弹性模量(以下，也仅称为“弹性模量”)为2.0gpa以上，由于不易变形，因此不易弯折。本发明中，纸筒的弹性模量优选为2.6gpa以上，更优选为2.8gpa以上。另外，本发明的纸筒中，弹性模量的上限值并无特殊限制，但仅由纸层和粘接其的粘接剂制造的纸筒的情况时，其上限值优选为4.5gpa以下左右，具有纸层以外的层(例如，耐水清漆或耐水性树脂等构成的耐水层)的纸筒的情况时，优选为10.0gpa以下左右。
在此，纸筒以弯折的方式弹性变形时，最外层的变形量变为最大。因此，为了防止纸筒的变形(挫曲)最外层的密度优选为0.90g/cm3以上。此外，就高密度的纸而言，因水不易浸透，若最外层的密度为0.90g/cm3以上，耐水性得到提高，进而，衔住纸筒时对嘴唇或舌头的吸附感变小，因此可适用于吸管。
本发明的纸筒，通过日本工业标准jis-p8251所述的525℃燃烧法所测定的灰分优选为1.5质量％以下。灰分量少的纸筒，纸层中的填料的含量少，构成纸层的纸浆相互之间的键合(纤维间键合)的数量变多，因此纸层的强度优异，可以提高弹性模量。进而，灰分量少的纸筒，即使浸入酸性、碱性的液体中，因无机成分的溶出少，因此适用于餐具用纸筒。本发明中，上述灰分更优选为1.0质量％以下，进一步优选为0.8质量％以下，最优选为0.5质量％以下。
本发明的纸筒中，由2张以上5张以下的纸粘合在一起而成的纸层的总厚度优选为150μm以上600μm以下。另外，本发明的纸筒中的纸层的总厚度是指2张以上5张以下的纸和粘接这些纸的粘接剂的总厚度，当纸筒通过螺旋卷起而形成时，为避开阶差部分而测定的厚度。纸层的总厚度越厚弹性模量则越高，但若总厚度超过600μm，有时变得难以卷成纸筒。另一方面，若纸层的总厚度小于150μm，则有时无法满足本发明的弹性模量。纸层的总厚度的下限值优选为170μm以上，更优选为200μm以上。此外，纸层的总厚度的上限值优选为550μm以下，更优选为500μm以下，进一步优选为450μm以下。
本发明的纸筒中，构成纸层的各层的纸的厚度可以相同，也可以不同。其中，通过螺旋卷起形成纸筒时，纸宽度方向上的纸的重叠部分处的阶差变小，可以形成更加平滑的纸筒，因此就最外层的纸而言，厚度优选为80μm以下。
本发明的纸筒，具有2层以上5层以下的纸层。层叠数越少，纸层的耐水性越高，但直径小的纸筒变得难以卷起，卷起加工性差。从耐水性和卷起加工性的观点来看，最外层、最内层的任意一层为密度0.90g/cm3以上的纸时，纸层更优选为3层以上5层以下，最外层和最内层的两者都为密度为0.90g/cm3以上的纸时，纸层优选为4层或5层。
本发明中，纸筒的形状并无特殊限制，可以制造成圆筒状、多边形筒状等。圆筒状的纸筒易于制造。多边形筒状的纸筒，以其截面形状中的一条对角线为基准，通过使一侧的边的长度之和与另一侧的边的长度之和相等，可以将该对角线作为中心线按压成平板状，紧凑地收容。
本发明的纸筒的粗细度并无特殊限制，根据其用途可以制成各种各样的粗细度。例如，本发明的纸筒，刚性优异且不易弯折，因此可适用于餐具用纸筒。尤其，将本发明的纸筒作为吸管使用时，优选外径为3mm以上20mm以下的圆筒，更优选其外径为4mm以上15mm以下，进一步优选为6mm以上10mm以下。
＜制造方法＞
本发明的纸筒的制造方法并无特殊限制，可以由螺旋卷、平卷等公知的方法进行制造，然而由于可连续生产故而优选螺旋卷。
＜纸筒用原纸＞
用于制造本发明的纸筒的纸筒用原纸，具有2层以上5层以下的纸层，该纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.90g/cm3以上。通过使用该纸筒用原纸，能够制造刚性优异的纸筒。
·纸
纸由纸浆、各种助剂等构成。
将本发明的纸筒用原纸作为餐具用纸筒的原纸使用时，作为纸的材料，优选使用作为食品添加物得到认可或已经取得fda认证等符合食品安全性的物质。
作为纸浆，可将以下公知的纸浆进行适当调配使用：针叶木的漂白牛皮纸浆(nbkp)、未漂白牛皮纸浆(nukp)、阔叶木的漂白牛皮纸浆(lbkp)、未漂白牛皮纸浆(lukp)、亚硫酸盐纸浆(sp)等木材的化学纸浆，磨木浆(gp)、精制磨木浆(rgp)、磨石磨木浆(sgp)、化学磨木浆(cgp)、半化学纸浆(scp)、热磨机械浆(tmp)、化学热磨机械浆(ctmp)等木材的机械纸浆，由洋麻、蔗渣、竹、麻、秸秆等得到的非木材纸浆，以旧纸为原料通过脱墨工序去除旧纸中含有的墨水而得的旧纸纸浆等。
其中，在将本发明的纸筒作为餐具用纸筒使用时，优选不易混入异物的lbkp、nbkp等化学纸浆，此外，优选旧纸纸浆的调配量小。具体而言，相对于纸浆总量，化学纸浆的调配量优选为80质量％以上，更优选为90质量％以上，进一步优选为95质量％以上，最优选为100质量％。
作为填料，可以使用以下公知的填料：滑石、高岭土、煅烧高岭土、粘土、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、白炭黑、沸石、碳酸镁、碳酸钡、二氧化钛、氧化锌、氧化硅、无定形二氧化硅、氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化锌、硫酸钡、硫酸钙等无机填料，脲醛树脂、聚苯乙烯树脂、酚醛树脂、微小中空粒子等有机填料等。另外，填料不是必须材料，可以不使用。通过日本工业标准jis-p8251所述的525℃燃烧法所测定的纸筒的灰分大致分为来自填料和来自纸浆中的无机成分。为了使该灰分为1.5质量％以下，优选减少填料的使用量，更优选不使用。
作为各种助剂，可列举松香、烷基烯酮二聚体(akd)、烯基琥珀酸酐(asa)等施胶剂(sizingagent)、聚丙烯酰胺类高分子、聚乙烯醇类高分子、阳离子化淀粉、各种改性淀粉、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等干强剂、湿强剂、助留剂、助滤剂、凝结剂、硫酸铝、疏松剂(bulkingagent)、染料、荧光增白剂、ph调节剂、消泡剂、抗紫外线剂、防褪色剂、树脂控制剂、腐浆控制剂(slimecontrolingagent)等，可根据需要适当地选择使用。
本发明中，纸优选含有湿强剂。就湿强剂而言，可使用聚酰胺聚胺表氯醇树脂(polyamidepolyamineepichlorohydrinresin)、聚胺表氯醇树脂、聚酰胺表氯醇树脂、聚乙烯胺树脂、聚乙烯亚胺树脂等。其中优选聚酰胺聚胺表氯醇树脂。
就湿强剂而言，在制造工序中，相对于全纸浆，优选在0.1质量％以上1.5质量％以下的范围内进行添加，更优选在0.5质量％以上1.0质量％以下的范围内进行添加。
就湿强剂的量而言，可以通过基于凯氏定氮法、能量分散性x线分析等的元素分析进行定量。本发明中，纸层所含的湿强剂的量是指，将使用凯氏定氮法进行定量的氮元素全部设定为来源于聚酰胺聚胺表氯醇树脂樹脂的情况下的换算值。就纸而言，相对于纸浆总量，优选含有0.05质量％以上0.70质量％以下的湿强剂。
·粘接剂
作为粘接剂，可无特殊限制地使用公知的粘接剂，但将纸筒作为餐具用纸筒使用时，优选使用安全性高的水溶性粘接剂，或水分散性粘接剂。进一步，由于可以通过提高固体成分浓度来缩短从涂布粘接剂到水挥发且粘接强度显现为止的时间，因此更优选水分散性粘接剂。通过使用能够缩短到粘接强度显现为止的时间的水分散性粘接剂，可以有效地防止制造后即刻的纸层间的剥离。此外，可以缩短纸粘合后的养生处理，进一步可以不需要。
作为水溶性粘接剂，可列举例如聚乙烯醇类、聚环氧乙烷类、聚丙烯酰胺类、淀粉类、明胶、酪蛋白、醚类纤维素、酚醛树脂类、水玻璃等水溶性粘接剂。此外，作为水分散性粘接剂，可列举丙烯酸类、乙酸乙烯酯类、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物类、苯乙烯-丁二烯共聚物类、氨基甲酸乙酯类、α-烯烃类等水分散性粘接剂。在这些物质中，由于粘接剂对水的溶出率低，因此作为水溶性粘接剂优选聚乙烯醇类、酚醛树脂类，而作为水分散性粘接剂，优选丙烯酸类、苯乙烯-丁二烯共聚物类。
＜抄纸、粘接方法＞
纸的制造(抄纸)方法、抄纸机的机型并无特殊限定，可选择长网造纸机、双网造纸机、圆网造纸机、夹网成形机(gapformer)、混合成形机(叠网成形机(on-topformer))等公知的制造(抄纸)方法、抄纸机。
此外，抄纸时的ph为酸性区域(酸性抄纸)、伪中性区域(伪中性抄纸)、中性区域(中性抄纸)、碱性区域(碱性抄纸)中的任意一种皆可，也可于酸性区域进行抄纸后，在纸层的表面涂布碱性药剂。
粘接纸而制造纸层的方法并无特殊限定，可列举将经抄纸、干燥而得的纸裁切成特定幅面后进行粘接的方法、在湿润状态下对经抄纸而得的纸进行粘接并在干燥后进行裁切的方法等。
实施例
以下，通过实施例来对本发明进行说明，然而本发明并不仅限定于下述实施例。
下述表1表示使用的纸的密度和纸厚。另外，使用的纸均不含填料。
[表1]
“实施例1”
在直径6mm的芯棒上，自最内层侧起以a/b/c的层叠顺序，以使各层间固体成分达到20g/m2的方式涂布水分散性粘接剂(丙烯酸类)，将纸层螺旋卷起并进行粘接，得到由总厚度为318μm的纸筒用原纸构成的圆筒状的纸筒。
“实施例2”
除了将层叠顺序设定为自最内层侧起a/b/b/a以外，与实施例1同样地得到由总厚度为360μm的纸筒用原纸构成的纸筒。
“实施例3”
除了将层叠顺序设定为自最内层侧起a/c/c/a以外，与实施例1同样地得到由总厚度为381μm的纸筒用原纸构成的纸筒。
“实施例4”
除了将层叠顺序设定为自最内层侧起b/b/a以外，与实施例1同样地得到由总厚度为310μm的纸筒用原纸构成的纸筒。
“比较例1”
除了将层叠顺序设定为自最内层侧起b/b/b以外，与实施例1同样地得到由总厚度为399μm的纸筒用原纸构成的纸筒。
“比较例2”
除了将层叠顺序设定为自最内层侧起c/c/c以外，与实施例1同样地得到由总厚度为430μm的纸筒用原纸构成的纸筒。
对实施例1～4、比较例1、2中所得到的纸筒进行下述评价。结果示于表2。
＜弹性模量＞
制作纸筒后，在常温下实施1周的干燥、时效(养生处理)，然后使用日本工业标准jis-p8111:1998所规定的方法进行调湿。调湿后，将纸筒裁切成长度100mm，制作试验用样品，通过下述方法根据3点弯曲法实施弯曲试验，计算得出弹性模量。
1.在距离70mm的支承点上放置试验用样品，使位于试验用样品上方的半径3.18mm的压头以速度10mm/分钟的速度下降至距离2个支承点等距离(距支承点的距离为35mm)的位置。
2.记录表示压头的压入量和应力的关系的图表(应力-应变曲线)，确认弹性变形区域(应力和应变的关系呈直线的区域)的倾斜。
3.根据上述式(1)计算得出弹性模量。另外，由于本实施例中制造的纸筒为圆筒，因此作为截面二阶矩使用上述式(2)。
＜灰分量＞
根据日本工业标准jis-p8251:2003所规定的灰分试验方法(525℃燃烧法)进行测定。
[表2]
本发明的纸层的最外层、最内层的任一者或两者的密度为0.90g/cm3以上的纸筒，弹性模量高达2.0gpa以上，刚性优异。
相对于此，纸层的最外层、最内层的两者的密度小于0.90g/cm3的比较例，弹性模量小于2.0gpa，刚性差。