ティッシュを 1まい、水の 中に つけて みます。もちあげて ひっぱると、ぷつんと やぶれます。かわいて いた ときは、あんなに のびて ひっぱれたのに。

紙が 水に とけたのでしょうか。そうでは ありません。紙は、繊維せんいという 細い 糸のような ものが、たくさん くっついて できて います。水に ぬれても、繊維せんいそのものは 水に とけません。かわって しまうのは、繊維せんいと 繊維せんいの くっつきぐあいです［1］。

では、繊維せんいどうしは、なにで くっついて いたのでしょう。

水に浸したティッシュを持ち上げて、そっと引っぱってみてください。乾いているときなら簡単には切れない力でも、ぬれた紙はぷつんと破れます。

紙が水に溶けて消えたのなら、水に浸した時点でなくなっているはずです。実際には、ぬれた紙は形を保ったままで、ただとても弱くなっています。紙は、細い植物の繊維が重なり合ってできたもので、水がその繊維を溶かすわけではありません。変わるのは、繊維どうしがくっつく力のほうです［1］。

それでは、乾いた紙の繊維は、何でくっついているのでしょうか。

ぬれた紙が破れやすいことは日常的に知られているが、この現象は「紙が溶ける」のではなく、「繊維どうしの結びつきが弱まる」ことで説明される。紙は植物の繊維が重なり合ったシートで、水に浸しても繊維そのものは溶けない。弱くなるのは、繊維を束ねていた力のほうである［1］。

だとすれば、問うべきは「乾いた紙の繊維を結びつけている力は何か」であり、その力を水がどう乱すのかである。次の章では、まず前者を見る。

紙の 繊維せんいには、「水素結合すいそけつごう」と いう、ごく 弱い くっつく 力が はたらきます。となりあった 繊維せんいの 表面の 小さな 部分どうしが、とても 近づくと、手を つなぐように くっつくのです［1］。

その きょりは 0.26ナノメートルほど。1ミリの やく400万分の1という、とんでもなく 小さな 長さです［1］。ひとつひとつの 手つなぎは 弱くても、数えきれない ほど 集まるので、紙は ひっぱりに たえられます。ある 研究けんきゅうでは、紙の 強さの 半分いじょうは この 手つなぎの おかげと 見つもられて います［1］。

ところが 水が しみこむと、この 手つなぎに じゃまが 入ります。水に ぬれた 紙が よわく なるのは、手つなぎが ほどけるからです。ただし ほどけるのは、つなぎ目だけ。繊維せんいは そのまま のこって います［2］。

では、かわかすと どう なるのでしょう。

0.26ナノメートルの距離で起きること

紙の主な材料はセルロースという、植物の繊維をつくる物質です。セルロースには水酸基という小さな部分があり、となりの繊維の水酸基どうしが近づくと、水素結合というゆるやかな結びつきが生まれます。論文は、その距離の目安を約0.26ナノメートルとしています［1］。0.26ナノメートルは1ミリの約400万分の1にあたります。

ひとつの水素結合はごく弱いのですが、繊維の接する場所には膨大な数ができます。ある論文は、紙の引っぱりに対する強さの少なくとも約6割が、繊維間の水素結合に関係すると見積もりました。ただしこの割合は、論文の中でも「半分以上」から「最大約7割」まで幅があるので、「半分以上」ほどに受け取るのが安全です［1］。

水に浸すと

水は水素結合を作る相手として入りこみやすく、繊維どうしの結合を乱します。紙を水に浸すと、繊維間の結合が壊れて、乾いたときの強さの2〜3％しか残らなかったという報告があります［2］。ただしこれは特定の紙と条件での値で、すべての紙に当てはまる数字ではありません。

弱くなった紙は、元に戻らないのでしょうか。

紙の主成分セルロースの水酸基は、隣り合う繊維の水酸基と約0.26ナノメートル（1ミリの約400万分の1）まで近づくと水素結合を作る。個々の結合エネルギーは小さいが、接触面に膨大な数が並ぶため、集まると大きな力になる［1］。この論文は、紙の引っぱり強さの少なくとも約6割が繊維間の水素結合に由来すると見積もる。ただし節によって「半分以上」「少なくとも60％」「最大約70％」と幅があり、推定値として扱うべきである［1］。

水はこの結合を乱す側に働く。Vitale（1992）の要旨によれば、紙を水に浸すと繊維間結合が壊れ、乾燥時の引っぱり強さの約2〜3％しか残らない。溶媒を替えて比べると、水がもっとも結合を乱し、その次がメタノールとアセトンで、トルエンではほとんど変化がなかった［2］。ここで注意したいのは、2〜3％が特定の紙と条件での測定値であり、すべての紙が同じ割合で弱くなるとは言えない点である。

では、いったん乱れた結合は、永久に失われるのか。実験は、そうではないと示している。

実験じっけんでは、強さは「もどる」という結果けっかでした。紙を 水に つけて 弱く したあとで かわかすと、繊維せんいの つながりが また できて、強さが もどりました［2］。

ただし、これは 研究室の 実験じっけんの 話です。ぬれて いる あいだの 紙は とても やぶれやすいので、むりに ひっぱったり しない ほうが よいでしょう。

では、水の中で つくった 紙と、水を ぬいて つくった 紙では、どちらが 強いのでしょう。

ぬれて弱くなった紙を乾かすと、強さは戻ります。紙を水に浸して結合を壊しても、乾くときに繊維間の結合が作り直されるからです［2］。さらに、別の液体に置きかえて弱くしたシートを、水に浸してから乾かすと、強さが戻ったという実験もあります［2］。

水素結合は、水の橋渡しで作られることもあります。隣り合う繊維の水酸基のあいだに水が入り、その水が抜けていくときに、水の橋が水酸基どうしの直接の結合に変わっていく、という説明があります［1］。つまり水は、結合を乱すだけでなく、結合ができる過程の一部にもなります。

この「水が結合づくりを助ける」ことは、別の実験でも見えてきます。

Vitaleの要旨は、水に浸して結合を壊した紙が、乾燥によって結合を再形成し、強さを取り戻すことを報告している。溶媒置換でいったん弱くしたシートも、水に浸して乾かすと強さが戻った［2］。弱くなる過程が可逆的なのは、繊維そのものが壊れていないからである。

PLoS ONE（2016）の論文は、この再形成を、水の橋が水素結合に変わる過程として説明する。隣接する繊維の水酸基のあいだに水が橋を作り、乾燥で水が除かれるとき、橋が水酸基どうしの水素結合に置き換わる［1］。したがって水は、結合を乱す物質であると同時に、結合の形成に関わる物質でもある。この二面性が、次の章の実験で数字になる。

ある 実験じっけんでは、紙の もとに なる 繊維せんいを、水の 中で シートに しました。すると、紙を つるしたとき、自分の おもさで 切れてしまう 長さを あらわす 数字は 8,020メートル。こんどは、水と ちがう えきたいの 中で シートを 作ると、強さは 下がりました［1］。

いちばん 水から 遠い せいしつの えきたい、n-ブタノールで 作ると、やく1,800メートル。水で 作った ときの 4分の1いかです［1］。1,800÷8,020を 計算すると やく0.22なので、4分の1より 少し 小さい 数に なります。

水は、ぬれた 紙を 弱く する 一方で、紙が 強く なる ための 手つだいも して いる ようです。

PLoS ONEの論文では、同じ繊維を、いろいろな液体の中でシートにして強さを比べています。強さは「破断長」という数字で表されます。これは、紙を吊り下げたとき、自分の重さで切れてしまう長さのことで、大きいほど丈夫です。紙の実際の長さではありません［1］。

水の中で作ったシートの破断長は8,020メートルでした。水と性質の遠い液体のうち、いちばん極性の低いn-ブタノールで作ると、約1,800メートルに下がりました［1］。1,800÷8,020は約0.22で、水で作ったシートの約4分の1以下です。

水が、繊維どうしの水素結合づくりを助けている証拠のひとつです。吸着している水が取り除かれると、繊維間の相互作用が強まるとも書かれていて、水は「ほどく役」と「つなぐ役」の両方を持ちます［1］。

水が結合を乱し、乾くとつなぐなら、ほぐれやすく作る紙もあるはずです。

PLoS ONE（2016）の実験では、同じ繊維から、水や有機溶媒を使ってシートを作り、破断長を比べている。破断長は、紙を吊り下げたとき自重で切れる長さに相当する指標で、強さの尺度である。水中で作ったシートは8,020 m、極性のもっとも低いn-ブタノールでは約1,800 mで、水中のシートの約4分の1以下（1,800÷8,020≒0.22）だった［1］。

この結果は、水が結合づくりを助けることを示す。吸着水が取り除かれると繊維間の相互作用が強まるとも述べられていて、水の役割は、結合を乱す、橋渡しする、最終的に除かれて結合に置き換わる、と段階によって変わる［1］。

ここで、「ぬれると弱くなる」性質を、欠点ではなく設計に使う紙があることに気づく。トイレットペーパーである。

トイレに 流した 紙が ほぐれないと、水の 通り道が つまって こまります。だから トイレットペーパーは、水に ぬれると、すぐ 繊維せんいが はなれて ほぐれるように 作られて います。

日本の 規格きかく（JIS）には、ほぐれやすさを はかる ほうほうが あります。水と 紙を 回転子で かきまぜ、紙を 入れて おそく なった 回転子が、きまった 速さに なるまでの 時間が、100秒いないと 決まって います［3］。

神奈川県かながわけんが 「トイレに 流せる」と 書いてある ティシュなどを しらべた とき、7つの うち 2つは、1まいで ためすと 100秒を こえました。せいひんに 入っている まいすうの まま ためすと、5つが こえました。これは しらべた 一れいで、どの せいひんも そう だという わけでは ありません［3］。

ぬれても 強い 紙も あります。それは どうやって 作るのでしょう。

水に流す紙は、ぬれて弱くなる性質が役に立つ場面です。トイレットペーパーは、水の中でほぐれることが前提です。

日本産業規格（JIS P 4501）のほぐれやすさ試験は、水と紙を入れた容器の中で回転子を回し、紙を入れて下がった回転数が毎分540回に達するまでの時間を測ります。規定値は100秒以内です［3］。

神奈川県が「トイレに流せる」と表示されたティシュ類7検体を調べたところ、1枚で試験すると2検体が、製品の枚数どおりで試験すると5検体が、100秒以内にほぐれませんでした。トイレットペーパーの参考品2種は、どちらも100秒以内でした［3］。これは調査の一例で、「流せる」表示の製品すべてがほぐれにくい、という意味ではありません。

ぬれても弱くならない紙が欲しいときは、どうするのでしょうか。

水に流す前提の紙は、ぬれて弱くなる性質を、設計に使っている。トイレットペーパーのJIS（P 4501）には、ほぐれやすさ試験があり、水中で回転子を回して試験片を入れて下がった回転数が毎分540回に達するまでの時間を測る。規定値は100秒以内である［3］。

神奈川県の調査では、「トイレに流せる」表示のティシュ類7検体のうち、1枚で試験すると2検体が、製品の枚数どおりでは5検体が100秒以内にほぐれなかった。トイレットペーパー参考品2種は、いずれも100秒以内だった［3］。同じ紙でも、試験する枚数で結果が変わる点が目を引くが、これは一つの調査の結果であり、特定の製品群の評価として読むべきではない。

逆に、ぬれても強さを保つ紙は、水素結合に頼らない補強を足して作られる。

キッチンペーパーのように、ぬれても やぶれにくい 紙も あります。これは、紙を 作る とき、ぬれても ほどけない つながりを つくる 薬品を くわえて いる からです［4］。

薬品には、水に ふれつづけると、だんだん きかなく なる ものも あります。そういう 紙は、あとで リサイクルする とき、ほぐしやすいと いわれます［4］。

ここまでで、「ぬれると 弱くなり、かわくと もどる」 ことが わかりました。でも、「どうして かわくと 強く なるのか」は、じつは まだ 研究者の 間で 話し合いが つづいて います。

ぬれても強さと形を保つ力を「湿潤紙力（ウェットストレングス）」といいます。そのために紙を作る段階で加える薬品の代表がPAEという樹脂で、樹脂と繊維を共有結合でつなぐ（架橋）ことで効くと、総説論文に書かれています［4］。

水素結合は水で乱れますが、共有結合は水ではほどけません。ぬれても強い紙は、水に弱い水素結合に頼らず、水に強い結びつきを足したものといえます。

薬品には、水に触れ続けると耐湿性が次第に消える一時的なものもあります。古紙を再処理するときは、こちらのほうが有利になりうると書かれています［4］。

ここまでで、ぬれると弱くなる理由は分かりました。それでは、乾くと強くなる理由は、すっきり分かっているのでしょうか。

ぬれても強さと形を保つ力は湿潤紙力（ウェットストレングス）と呼ばれ、紙の製造段階で樹脂系の薬品を加えて与える。代表的なPAEという樹脂は、樹脂と繊維を共有結合でつなぐ架橋などによって効く。水素結合と違い、共有結合は水に浸してもほどけにくい［4］。

薬品には、水に触れ続けると耐湿性が徐々に失われる一時的なタイプもあり、古紙の再処理では有利になりうるとされる［4］。ただし、こうした薬品の詳しい効き方は、この記事の主題の外にある。

ここまでの説明は、乾いた紙の結合と水の関係を描いたものだが、「乾くと強くなる」過程そのものについては、研究者の見方が分かれている。

かわく ときに、水が ぬけて いくと、繊維せんいが ひきよせられて くっつく、という せつめいが あります［5］。けれども、ぬれた 紙が ある 強さを もつ わけを、水の 引っぱる 力だけでは せつめいできない、と 考える 研究者も います。かわく 紙が なぜ 強く なるのかは、話し合いが つづいて います［5］。

また、顕微鏡けんびきょうで 繊維せんいの 表面を しらべた 研究では、繊維せんいと 繊維せんいの あいだを つなぐ とても 細かい 毛のような ものが、大きな やくわりを して いる ことが わかりました。どの しくみが いちばん 大きいのかは、まだ わかって いません［6］。

紙は、毎日 使う ものなのに、まだ 分かって いない ところが のこって います。

水が抜けるとき、何が繊維を寄せるのか

乾き始めの紙では、繊維どうしはまだ互いに滑れます。自由な水が抜けるにつれて、水の表面張力で繊維が引き寄せられ、その後、分子どうしの引力が最終的な結合を作る、という説明があります［5］。

ところが、ぬれた紙の強さについて、この毛管力の説明は誤りで、繊維の絡み合いと摩擦が原因だと主張する研究者もいます［5］。乾く紙がなぜ強くなるのか、研究者の見方は完全にはそろっていません。

繊維の表面にある毛のようなもの

原子間力顕微鏡を使った研究では、繊維どうしをつなぐ「フィブリル」という微細な繊維が、繊維間結合に非常に重要な役割を果たすとされています。高度に精製したパルプでは、機械的なかみ合わせによって結合エネルギーが倍増しました。ただし、結合のどの機構が支配的かは、まだ分かっていません［6］。

水素結合、表面張力、摩擦、フィブリル。どれが主役かは決まっていませんが、ぬれると弱くなり乾くと戻るという大きな流れは、実験で確かめられています。

乾燥中に結合が生まれる仕組みには、複数の説明が並ぶ。ひとつは、乾燥初期に繊維が互いに滑れる状態から、自由水の減少で表面張力により繊維が引き寄せられ、のちに分子間の引力が最終的な結合を作る、というものである［5］。ただし、この表面張力説は特許文書の記述に基づく説明であり、断定はできない。

一方、Tejado & van de Ven（2010、Materials Today）は、ぬれた紙の強さを毛管力で説明する従来の見方は誤りで、水が蒸発するにつれて毛管力は0に近づくため、繊維の絡み合いと摩擦が原因だと提案している。要旨を読んだ限りでは、乾く紙がなぜ強くなるかは、議論が続いている問いである［5］。

もうひとつの手がかりが、繊維間を橋渡しするフィブリル（繊維表面の細かい毛のような繊維）である。原子間力顕微鏡を用いたScientific Reports（2013）の研究は、フィブリルやフィブリルバンドルが繊維間結合に非常に重要な役割を果たすこと、高度に精製したパルプでは機械的なかみ合わせで結合エネルギーが倍増することを示した。結合のどの機構が支配的かは、まだ分かっていない［6］。

水素結合が紙の強さの半分以上を担うという見積もり（第2章）と、表面張力・摩擦・フィブリルという別の説明は、対立するというより、見ている段階や条件が違う可能性がある。ただしこれは筆者の整理であり、資料が直接そう述べているわけではない。

おうちの 人と いっしょに、水を 入れた おさらを 用意して みましょう。ティッシュと、コピー用紙の 切れはしを、1まいずつ つけます。

まず、ぬれる まえの 紙を ひっぱって、どのくらい 力が いるか 感じます。次に、水に つけて、そっと ひっぱって みます。やぶれる 力が、どう ちがうでしょうか。そのあと、ひろげて ひなたで かわかし、もういちど さわって みます。

ぬれて いる あいだは やぶれやすいので、むりに ひっぱらないで ください。水を こぼさない ように、新聞紙の 上で やりましょう。

もっと しりたく なったら、トイレットペーパーを 水の 入った コップに 入れて、ふって みるのも おもしろいです。ほぐれる ようすを 見て、どの 紙が ほぐれやすいか、くらべて みましょう。

お皿に水を入れて、ティッシュとコピー用紙の切れはしをそれぞれ浸してみましょう。ぬれる前に両手でそっと引っぱり、力の入りぐあいを覚えておきます。次に水に浸してからもう一度引っぱると、力のいる大きさや破れ方がどう変わるか感じられます。

そのあと広げて、ひなたで乾かします。乾いたあと、手ざわりや引っぱった感じがどうなるかも確かめてみてください。ぬれているうちは破れやすいので、無理に引っぱらないようにします。水がこぼれてもよいように、新聞紙の上で行いましょう。

トイレットペーパーをコップの水に入れて振ると、紙がほぐれる様子が見られます。ほぐれる速さが紙によって違うのかも、観察してみましょう。

もっと詳しく知りたくなったら、神奈川県の調査ページ［3］が日本語で読めます。論文は英語ですが、PLoS ONEの論文［1］は無料で公開されています。

家で確かめるなら、ティッシュとコピー用紙を水に浸し、ぬれる前後で引っぱったときの力のちがいを手で感じるとよい。乾いたあとの手ざわりもあわせて見る。数値では測れないが、「ぬれると弱くなる」を体で知ることができる。ぬれた紙は破れやすいので、新聞紙の上で、無理に引っぱらずに行う。

資料の読みどころは三つある。①PLoS ONE（2016）の論文［1］は、紙の強さの何割が水素結合に由来するかを、複数の見積もりの幅つきで示している点。②Vitale（1992）の要旨［2］は、水に浸すと強さの数パーセントしか残らないが乾かすと戻る、と簡潔に述べる点。ただしこの数値は特定の紙・条件での値である。③Tejado & van de Ven（2010）の要旨［5］は、乾く紙がなぜ強くなるかに議論があることを示す点。日本語で読める資料としては、神奈川県の「トイレに流せる製品のほぐれやすさ調査」のページ［3］があり、表示のある製品でもほぐれ方に差があった例が載っている。