鉛筆：先史時代の木炭から現代のグラファイトまで

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背景

最古かつ最も広く使用される筆記具の一つである鉛筆は、先史時代にチョーク状の岩や焦げた木の枝を使って、獣皮や洞窟の壁など様々な表面に描いたことに起源を持ちます。ギリシャ人とローマ人は平らな鉛片でパピルスに薄い線を引きましたが、1400年代後半になって初めて、現代の鉛筆の直接の祖先が開発されました。約100年後、イングランド北西部のバロウデール近郊で、岩中に柔らかく光沢のある脈状に産出する常見鉱物であるグラファイトが発見されました。バロウデール鉱山は数百年間ヨーロッパにグラファイトを供給しましたが、当時はグラファイトと鉛を区別できなかったため、「黒鉛」と呼んでいました。棒状やストリップ状に切断され、強度と快適な握り心地を得るために麻紐で厚く巻かれました。この完成品は「鉛筆」と呼ばれ、大変人気がありました。16世紀末、ドイツでグラファイトのストリップを木材で接着する方法が発見され、現代の鉛筆が形を成し始めました。1779年、科学者たちは以前鉛と思われていた物質が実は微結晶炭素の一種であり、ギリシャ語の「グラフェイン」（「書く」を意味）にちなんでグラファイト（黒鉛）と命名しました。グラファイトは純粋な炭素の3つの天然形態の一つで、他は石炭とダイヤモンドです。

18世紀末にバロウデール鉱山が枯渇し、グラファイトが入手しにくくなると、他の材料を混ぜて鉛筆を作る必要が生じました。フランス人化学者ニコラ・ジャック・コンテは、粉末グラファイト、粉末粘土、水を混ぜ、成形、焼成すると、純粋なグラファイトと同様に滑らかに書けることを発見しました。コンテはまた、粘土とグラファイトの割合を変えることで、より硬いまたは柔らかい芯を作れることも発見しました（グラファイトが多いほど黒く柔らかくなる）。1839年、ドイツのロタール・フォン・ファーバーがグラファイトペーストを同一太さのロッドに成形する方法を開発しました。その後、鉛筆用木材を切削・溝切りする機械を発明しました。かつて豊富だったバロウデールのグラファイト源が枯渇した後、世界中で他のグラファイト鉱山が徐々に確立されました。

これらの鉱山のいくつかは米国に設立され、1812年戦争でイギリスからの輸入が途絶えた後、1812年に最初のアメリカ製鉛筆が製造されました。マサチューセッツ州コンコードのキャビネット職人ウィリアム・モンローが、鉛筆を作るのに十分な精度で木材スラットを切削・溝切りする機械を発明しました。同じ頃、アメリカの発明家ジョセフ・ディクソンが、単一の杉円柱を半分に切り、グラファイト芯を半分の一つに置き、二つの半分を再び接着する方法を開発しました。1861年、エバーハード・ファーバーがニューヨーク市に米国初の鉛筆製造工場を建設しました。

今日、鉛筆の硬度は数字または文字で指定されます。ほとんどのメーカーは1〜4の数字を使用し、1が最も柔らかく最も濃い線を描きます。2番（中程度の柔らかさ）は一般的な筆記に使用されます。鉛筆は文字でもグレード分けされ、6B（最も柔らかい）から9H（最も硬い）まであります。消しゴムを鉛筆に取り付けるアイデアは、1858年米国特許を取得したハイマン・W・リップマンに遡り、1872年にジョセフ・レチェンドルファーが10万ドルで購入したと伝えられています。

鉛筆製造の最初のステップはグラファイト芯の製造です。その方法の一つは押出法で、グラファイト混合物を適切なサイズのダイ開口部を通して押し出します。

従来の木軸鉛筆に加えて、多くの他のタイプの鉛筆が広く使用されています。1880年代初期、削る必要のない鉛筆の探求が、オートマチック、プロペリング、リピーティング鉛筆など様々に呼ばれるものの発明につながりました。これらの機器は金属またはプラスチックケースを持ち、木軸鉛筆と同様の芯を使用します。芯はケース内の金属螺旋に収められ、金属スタッドを固定したロッドで保持されます。キャップを回すと、ロッドとスタッドが螺旋内で下方に移動し、芯を先端に押し出します。20世紀初期には、グラファイト芯を顔料または染料とバインダーの組み合わせに置き換えた色鉛筆が開発されました。今日、色鉛筆は70色以上（黄色7種類、青12種類）で入手可能です。しかし、杉軸鉛筆（年間60億本、40カ国で製造）は、ボールペンを含むすべての競合製品を凌駕して売れ続けています。

原材料

鉛筆で最も重要な成分はグラファイトで、多くの人々は今でも「鉛」と呼んでいます。コンテのグラファイトと粘土の配合法は今でも使用され、ワックスや他の化学物質が追加されることもあります。現在使用されているグラファイトのほぼすべては、天然グラファイトと化学物質の人工混合物です。

鉛筆製造用木材は、繰り返し削っても割れず、容易に切削できる必要があります。ほとんどの鉛筆は杉（特にカリフォルニア杉）で作られ、長年第一選択木材です。杉は心地よい香りがあり、反らず形状を保ち、容易に入手できます。一部の鉛筆には消しゴムがあり、フェルール（金属ケース）で接着または金属爪で固定されます。消しゴム自体は軽石とゴムで構成されます。

製造工程

現在、商業用グラファイトの多くが採掘ではなく工場で製造されているため、メーカーはその密度を容易に制御できます。作る鉛筆のタイプに応じてグラファイトを粘土と混合します（グラファイトが多いほど柔らかく、線が濃くなります）。色鉛筆の場合、粘土に顔料を添加し、グラファイトはほぼ使用しません。

グラファイトの加工

• 1 グラファイトを完成状態に成形するには2つの方法が用いられます。第一は押出法で、グラファイトとワックスの混合物を金型を通して押し出し、スパゲッティのようなひも状にし、これを精密な寸法に切断し、オーブンで乾燥させます。第二の方法では、グラファイトと粘土の混合物をビレットプレスと呼ばれる機械に流し込みます。プラグをプレスの上部に置き、底部から金属ラムが上昇して混合物を硬い固体シリンダー「ビレット」に圧縮します。ビレットを機械上部から取り出し、押出プレスに入れ、鉛筆芯サイズの金型を通して押し出し、ストリップを切り出します。 正しくサイズ調整された芯はコンベアベルトを通り、トロフに集められ、鉛筆木材への挿入を待ちます。

木材ケーシングの製造

• 2 杉は通常、乾燥、着色、ワックス済みの状態で工場に到着し、反りを防ぎます。丸太を細長いストリップ「スラット」に挽きます。これらは約7.25インチ（18.4cm）長、0.25インチ（0.635cm）厚、2.75インチ（6.98cm）幅です。スラットをフィーダーに入れ、コンベアベルト上に一枚ずつ落とし、一定速度で移動させます。
• 3 スラットをプレーナーで平坦化します。次に、カッターヘッドの下を通過し、グラファイト芯の厚さの半分の深さの平行半円溝を、各スラットの片面全長にわたって切削します。コンベアベルトに沿って進み、半分のスラットに接着剤層を塗布し、これらのスラットの溝にカット済みグラファイトを敷き詰めます。
• 4 接着剤なし（溝にグラファイトなし）のスラットを別ベルトに載せ、それらを拾い上げて裏返し（溝を下向き）にする機械に送ります。2つのコンベアベルトが合流し、接着剤なしスラットを接着剤とグラファイトのあるスラットの上に重ね、サンドイッチを形成します。サンドイッチをコンベアベルトから取り出し、金属クランプに入れ、油圧プレスで圧着し、接着剤が乾燥するまでクランプしたままにします。乾燥後、端部をトリミングして余分な接着剤を除去します。

鉛筆の成形

• 5 次のステップは成形で、サンドイッチが実際に鉛筆になります。サンドイッチをコンベアベルトに載せ、上下2組のカッターを通します。上部カッターが上半分を、下部カッターが下半分を切削し、完成鉛筆を分離します。ほとんどの鉛筆は六角形で、転がり落ち防止設計です。1つのサンドイッチから6〜9本の六角形鉛筆が得られます。

最終工程

• 6 切断後、サンダーで表面を滑らかにし、ニスを塗布乾燥します。これはニス塗布機で行われ、鉛筆をニス槽に浸漬し、フェルトディスクを通して余分なニスを除去します。乾燥後、この工程を繰り返し所望の色合いに達するまで続けます。最後に仕上げ塗装を施します。
• 7 鉛筆を再びコンベアベルトで成形機に通し、鉛筆端部に蓄積した余分なニスを除去します。このステップで全鉛筆の長さを均一にします。
• 8 消しゴムを取り付け、丸い金属ケース「フェルール」で鉛筆に固定します。フェルールを接着剤または小さな金属爪で鉛筆に取り付け、消しゴムを挿入し、フェルールをクランプします。最終工程で、加熱鋼ダイで会社ロゴを各鉛筆に押印します。

色鉛筆

色鉛筆は黒鉛筆とほぼ同じ方法で製造されますが、芯にグラファイトの代わりに染料や顔料などの着色材料が含まれます。まず、粘土とガムを顔料に結合剤として添加し、混合物をワックスに浸して滑らかさを与えます。鉛筆が形成された後、外側を芯の色に合わせて塗装します。

品質管理

製造工程中コンベアベルトで移動するため、鉛筆は一般に配布される前に徹底的に精査されます。作業員は不良と思われる鉛筆を廃棄するよう訓練され、工程完了時に選抜された鉛筆を削って試験します。一般的な問題はサンドイッチの接着剤が接着しないことですが、この厄介事は通常サンドイッチ切断時に発見されます。