油に強い耐油紙のしくみ、繊維の中に液体が入り込まない様々な工夫

ハンバーガーの包み紙やポップコーンの紙カップなど、身近な食品の包装には紙がよく使われます。こうした包装用の紙は、食品の油がしみるのを防ぐための加工が施されているものです。油をはじく処理がなされた紙は「耐油紙」と呼ばれますが、そのままだと油や水がしみてしまう紙をどうすれば耐油紙にできるのでしょうか? 

本記事では、油で濡れることの物理学的な解説を交えつつ、さまざまな種類の耐油紙加工を紹介していきます。

耐油加工のアプローチ

紙に油がしみることを防ぐには、大まかに2通りのアプローチがあります。個別の手法を解説する前に、それぞれのアプローチについて見てみましょう。

繊維の内部に入り込むことを防ぐ

第一のアプローチは、繊維の隙間を埋めることで紙の内部への浸透を防ぐというものです。

紙の表面には肉眼で見えないほどの細かい隙間があります。紙に油を垂らした時、その隙間から油が繊維の内部に入り込むことで反対側まで浸透するのです。このアプローチは、紙表面の繊維の隙間を埋めることで油をはじきます。

具体的な方法としては、パルプの叩解(こうかい)と紙表面のラミネートがあります。

叩解とは、紙を製造する途中で、原料となるパルプを叩くあるいは切断するなどの処理を施すことです。製紙途中でパルプを叩解することで、紙表面の繊維の密度が上がり、隙間が埋まっていきます

これには紙の柔軟性を高める効果もあり、通常の紙を作るときにもある程度行われます。耐油紙を製造する際にはこれ長時間行うことで繊維の密度をできるだけ高め、油が紙の内部にまで浸透しないようにするのです。


(叩解前(上)と叩解後(下)のパルプ 出典: 竹尾ウェブサイト)

同じアプローチに基づく方法としてはこれと別に、紙の表面をコーティングする方法もあります。飲食店のメニューなどは表面をプラスチック系素材でラミネートしてありますが、耐油コーティングもこれと理屈は同じこと。製紙段階で紙の表面に水や油をはじく高分子素材のコーティングを施し、紙の繊維に油や水が直接触れないような加工を施すことで油に濡れることを防ぐのです。

表面張力をコントロールする

もうひとつのアプローチとして、紙表面そのものを濡れにくくすることで油をはじく方法があります。

具体的な手法の説明に入る前に、ものの濡れやすさとはどういうことかをまず見ていきましょう。

ものの濡れやすさは「接触角」という概念を使って物理学的に測定されます。理化学辞典(岩波書店 第4版)にある「接触角」の定義は、「静止液体の自由表面が、固体壁に接する場所で、液面と固体面とのなす角(液の内部にある角をとる)」とされています。


(出典: 協和界面科学株式会社)

この図のように、濡れにくい物質の表面についた液体は球状を保ち、濡れやすい物質表面では液体は広がっていきます。前者は接触角が大きく、後者は接触角が小さくなっていることに注意してください。

例外はありますが、濡れやすさは基本的に液体と固体の表面張力の差によって決まります。液体の表面張力よりも固体の表面張力が大きい場合は濡れやすく、液体の表面張力が固体の表面張力より大きい場合は濡れにくくなります。

液体の表面張力はよく聞きますが、固体の表面張力とは聞き慣れない言葉です。これについて理解するためには、分子レベルでの振る舞いを見ていく必要があります。

(次ページ:濡れるしくみと表面張力の関係)