JP2005022377A

JP2005022377A - 間伐材の加工方法

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Publication number: JP2005022377A
Application number: JP2003270703A
Authority: JP
Inventors: Takehito Kato; 健仁加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP3572323B1

Abstract

【課題】リグニンを活用して、改質ができる間伐材提供する。
【解決手段】所定形状に製材した間伐材を密閉構造の処理槽に設置し、該間伐材を一旦減圧下に置き木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、次いで該処理槽に製紙工程廃液から得られるリグニン成分含有率１５〜５０％の溶液、該製紙工程廃液から分離取得したリグニンスルホン酸塩を主成分とするリグニン製品、又は該リグニンスルホン酸塩製品をアルカリ性高温・高圧下で化学処理し、一部成分を脱スルホン・脱メチル・酸化反応等を受けさせたリグニン製品のリグニン含有率１５〜５０％溶液を注入し木材中に該処理液を浸透・含浸させ、更に該反応系を加圧ポンプを用いて加圧し該処理液の木材中への含浸を促進させ、次いで該処理槽より処理木材を取り出し常温風乾乾燥して該間伐材中にリグニンを定着させ、然る後加熱処理を施し該リグニン成分を酸化・熱硬化固着させる間伐材の加工方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、従来商品価値・利用価値が低く雑用途か焼却処分にされていた間伐材を、同じくパルプ製造廃液として邪魔者扱いにされていたリグニンを用い、間伐材の防腐・防菌・防虫害性能・防水・寸法安定性など機能向上・商品価値向上を果たすべく処理する間伐材の加工方法に関するものである。

従来、商品価値の低い間伐材に関しては性能向上のため手を加えられることはなかったが、木材製品特に製材され樹皮が剥がれ所定形状に成型されたセルローズ層剥き出しの木材製品は、セルローズを分解するセルラーゼ等を産生する腐敗菌の影響を受け腐敗し易く、又吸湿による寸法変化を受けやすいなどの弱点があり、これ等木材製品の防腐性能、抗菌性能、防虫（防蟻）性能、耐候性、撥水・防水性能、寸法安定性能、耐干割れ性能等の弱点解消のため、該木材製品に各種改質剤即ち、
金属アルコシド含浸→加水分解→重縮合
（ジ）イソシアネート類含浸・反応
各種ビニールモノマー含浸・重合
メチロールメラミン、メチロール尿素、フェノールホルマリン樹脂初期縮合物含浸・重縮合
エチレン性不飽和基包含ジカルボン酸（或いは該酸無水物）＋重合触媒→重合
｛［不飽和ポリエステル/ビニールエステル類＆スチレン］＋メタクリレート｝＋重合触媒→重合
メタクリル基包含ウレタン化合物→重合＆反応
シリコーン系樹脂含浸・反応
イソシアナート系化合物処理＋弗素樹脂処理
等のほか極めて多数の改質加工剤による加工法が提案されている。

そして該改質加工剤の適用付与方法としても、所定形状に製材した非処理材（木材）を密閉構造の処理槽に設置し、一旦１００ｍｍＨｇ以下の減圧下に置き、木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、次いで該処理槽に改質処理剤溶液を注入し、木材中に該改質処理液を浸透・含浸させ、更に反応系を１０Ｋｇ／ｃｍ^２まで加圧し、処理液の含浸を促進させる、所謂減圧加圧含浸法等が開発され提案され実施されている。

これらは製材により樹皮を剥がれ剥き出しとなった、セルローズよりなる多孔質の木材を構成する細胞組織の空隙を、セルローズと結合能がありセルローズを腐敗分解するセルラーゼなどから守る処理剤で充填して腐敗分解防止能を付与し、且つ該処理剤による木材細胞組織の充填・結合により木材の吸湿性を減じ、寸法安定性を改善し、又圧縮剛性や硬度も上昇させるなどの改質を行おうとするものである（例えば、特許文献１参照）。
特公平５−８５３２１号公報

かかる従来の技術でもたらされる改質は、夫々の目的に合した効果のあるものではあるが、何れも合成有機化合物処理剤による処理方法であり、かかる合成有機化合物処理剤の使用は、環境保護の面からも出来得る限り避ける事が望ましく、もし、かかる改質効果が対象物たる木材構成成分であり、しかもパルプ製造工程で多量に生成し、利用価値がなく公害の元にもなる厄介物のリグニンを活用して改質できれば、木材から発生した廃棄物を有効に循環活用（リサイクル）して木材製品の改質が実施できると考え、その活用による木材改質方法を開発することにした。

木材中に多量に包含されるリグニンは（針葉樹で２３〜３２％、広葉樹で１８〜２４％）、フェニールプロパン基を基体としその数分子〜数十分子が複雑に縮合あいは重合しセルローズ分子と結合していると考えられ、その基体であるフェニールプロパン基は、反応活性に富むフェノール性−ＯＨ始め、−ＯＣＨ_３，−ＣＨＯ，−ＣＯ，−ＣＨ：ＣＨ・ＣＨＯ，−ＣＯＯＨなどの置換基を持つ反応活性を有する化合物であり、且つ木材からリグニン、ヘミセルローズなどを除去し純セルローズよりなるパルプを製造する工程で（その代表的製造方法である亜硫酸パルプ製造法において）、数分子〜数十分子のフェニールプロパン分子が結合した分子量数百〜数百万のリグニンがセルローズ分子から切り離されて分離されるのであるが、この際、更に−ＳＯ_３Ｈ基などの導入が行われ分離捕集されるのである。

かかる−ＳＯ_３Ｈ基の導入は、更に分離生成される該リグニン（リグニンスルホン酸）に、アルカリ土類塩と反応し、水に不溶の防水性に富むリグニンスルホン酸アルカリ土類塩の生成能をももたらすのである。

従って、かかるリグニンを加工処理剤として使用すれば、先ず第一にフェノール性−ＯＨ基の存在により、ホルムアルデヒドとの反応により、フェノールホルマリン樹脂生成反応と同様の反応が可能であり、フェノール樹脂やメラミン樹脂と同様に樹脂化出来るし、又木材セルローズとも反応できる可能性を示すのである。

また、リグニン分子のフェニールプロパン基が持つフェノール性−ＯＨ始め、−ＯＣＨ_３，−ＣＨＯ，−ＣＯ，−ＣＨ：ＣＨ・ＣＨＯ，−ＣＯＯＨの置換基が付いたフェニールプロパン基は、メチロールメラミン、メチロール尿素、イソシアネート、エポキシ基などの活性反応基を有する加工処理剤との反応活性が高く、これらと混合して木材の改質加工剤としてリグニンの処理剤としての効力を更に顕著に高めることの可能性を有するのである。

また、リグニンのフェニールプロパン基の持つ−ＣＨＯ，−ＣＨ：ＣＨ・ＣＨＯ基などの存在は、空中酸素によるリグニンの酸化重合を進行させるに有効であり、該リグニン加工剤の木材中への固定にも役立つのである。

更に、木材（亜硫酸パルプ製造廃液）から分離したリグニン製品は、−ＳＯ_３Ｈ基を有し（所謂リグニンスルホン酸）、木材組織中に浸透沈積させたこの化合物は、硫酸マグネシュウムなどアルカリ土類塩と反応し、容易にリグニン−ＳＯ_３−Ｍｇ−_３ＯＳ−リグニンを形成し、木材に防水性を付与するのに極めて有効であるなどの効果を有するのである。

そこで、本出願人は、かかるリグニンの反応性に着目し、パルプ製造工程で生成する廃材リグニンを用いた木材の商品価値を上げる改質加工法を開発したのである。即ち、
（１）所定形状に製材した間伐材を密閉構造の処理槽に設置し、該間伐材を一旦１００ｍｍＨｇ以下の減圧下に置き、木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、次いで該処理槽に製紙工程廃液から得られるリグニン成分含有率１５〜５０％の溶液、あるいは該製紙工程廃液から分離取得したリグニンスルホン酸塩を主成分とするリグニン製品、或いは又該リグニンスルホン酸塩製品をアルカリ性高温・高圧下で化学処理し、一部成分を脱スルホン・脱メチル・酸化反応等を受けさせたリグニン製品のリグニン含有率１５〜５０％溶液を注入し、木材中に該処理液を浸透・含浸させ、更に該反応系を加圧ポンプを用いて１０Ｋｇ／ｃｍ^２Ｇまで加圧して該処理液の木材中への含浸を促進させ、次いで該処理槽より処理木材を取り出し、常温風乾乾燥して該間伐材中にリグニンを定着させ、しかる後加熱処理を施し、該リグニン成分を酸化・熱硬化固着させて、間伐材に防腐性・寸法安定性等を付与する加工方法。

（２）前記間伐材加工方法において、間伐材に含浸せしめたリグニンの木材構成組織中への強固な固着と防水性能を付与するために、木材へのリグニン成分含浸処理終了後に該処理木材を更に、硫酸マグネシュウム水溶液にて含浸処理して乾燥処理を行う間伐材に防腐性・防水処理・寸法安定性等を付与する加工方法。
（３）前記間伐材加工方法において、間伐材に含浸せしめたリグニンの酸化・熱硬化による固着を更に強化するために、最終工程の加熱処理を１６０〜２５０℃に加熱して行い表層炭化処理を行う加工方法。
（４）前記間伐材加工方法において、含浸付与したリグニン成分をより強固に間伐材中に結合・固定せしめるために、加温時に改質加工処理主剤のリグニンと反応し、不溶化せしめる能力を有する反応性処理剤成分、即ち、各種アルデヒド類、メチロールメラミン、メチロール尿素、フェノールホルマリン樹脂初期縮合物、エポキシ化合物、ジイソシアネート等の何れかと、必要に応じ反応促進触媒を該リグニン溶液に添加して加工する間伐材処理方法である。

なお、本発明における処理液を木材に含浸させるために実施する減圧−加圧含浸方法は、既に本発明の発明者自身が開発したもの（前記特許文献１）であり、かかる木材中に処理液を含浸・浸透させる木材改質加工実施に対し極めて有効な手段であるため、該方法を必然的に適用することにした。

減圧−加圧含浸法の具体的操作の概要を示すと、次のとおりである。
（１）図１に示すような構成の処理装置の、加温用ジャッケットと攪拌機を備えた処理液調合・貯蔵タンク１に、所定濃度（１５〜５０％）のリグニン水溶液及び必要に応じて（請求項４の発明実施時には）第２の反応性処理剤を攪拌下に添加し、所定温度に加温し貯液する。
（２）一方、木材に処理剤の減圧−加圧含浸法による含浸処理を実施するため、減圧と加圧が可能な真空ポンプ３と加圧ポンプ４が接続され、且つ該処理系を所定温度に保持するための加温用ジャケットを備えた密閉構造の減圧−加圧含浸処理槽２に、所定形状に成型した木材を搬入設置し、搬入扉を閉め該装置を密閉し、先ず真空ポンプを作動させ、該処理系を所定温度下で１００ｍｍＨｇ以下の減圧下に所定時間置き、木材組織空隙中の空気と含有水分の一部を排気除去する。

（３）次いで、真空ポンプに通じる配管のバルブを閉じ、リグニン配合処理液調合・貯蔵タンク１と減圧−加圧含浸処理槽２を結ぶ配管のバルブを開け、リグニン配合処理液を該減圧−加圧含浸処理槽内に設置した処理木材が浸漬されるまで導入し、所定温度下で被処理材たる木材を該リグニン配合処理液に浸漬し含浸処理を実施する。
（４）次いで更に、該被処理材に対する改質加工剤の含浸処理を更に進行させるために、リグニン配合処理液調合・貯蔵タンク１と減圧−加圧含浸処理槽２を結ぶ配管のバルブを閉じ、加圧ポンプを作動させ該処理槽と加圧ポンプを結ぶ配管のバルブを開け、１０ｋｇ／ｃｍ^２Ｇまで加圧し、所定時間所定温度で木材組織中に該処理液を圧入する。

（５）以上の処理液含浸圧入処理が終了後、該処理槽２の排気バルブを開け常圧に戻し、槽内の処理液をリグニン配合処理液調合・貯蔵タンク１と減圧−加圧含浸処理槽２を結ぶ配管のバルブを開け、該処理液の送液ポンプを逆作動させ、処理槽２内の処理液をリグニン配合処理液調合・貯蔵タンク１に戻し、該処理槽２の扉を開け、リグニン配合処理剤（改質加工剤）含浸処理を施した木材を取り出し風乾乾燥処理を行う。
（６）該リグニン配合処理剤処理済木材の風乾が充分に行われた時点で、処理方法の目的に応じ、該加工材を加熱炉に移し、目的に応じた処理条件で加熱処理を行い、改質加工を完了する。

本発明は、パルプ製造時に木材から分離される廃材「リグニン」の化学構造と反応性に着目し、パルプ製造時に多量に生成しいわわば厄介物となっているリグニンを、木材改質剤として従来使用されているメチロールメラミンほか改質加工剤の代わりに用い、廃材であるリグニンにかかる改質加工剤に匹敵する改質加工能を発揮させる事ができる。

本発明の方法によれば、リグニンを木材の改質加工剤に用い、所謂廃材リグニンのリサイクルにより、従来使用される改質加工剤（化学物質）に匹敵する木材の改質効果、即ち防腐能、防水能、寸法安定性の付与、表面硬度の改善効果を付与できる改質加工剤としてのリグニンによる加工方法を提供できるものである。

次に本発明の実施態様をより明らかに示し、発明の内容をより具体的に示すために、代表的処理方法の実施例を示す。

所定形状に製材した間伐材を前記に改質剤処理方法を図１で説明した密閉構造の処理槽に設置し、密閉後、前記説明した通りの処理操作に従い、該間伐材を一旦１００ｍｍＨｇ以下の減圧下に約１８０分置き、木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、製紙工程廃液から分離取得し製造されたリグニンスルホン酸塩を主成分とするリグニン製品（日本製紙（株）製商品名サンエキス）のリグニン含有率１５％水溶液を含浸処理槽に注入し、木材中に該処理液を約１２０分浸透・含浸させ、更に該反応系を加圧ポンプを用いて１０Ｋｇ／ｃｍ^２Ｇまで加圧し、約１２０分該処理液の木材中への含浸を促進させ、次いで該処理系を常圧に戻し、処理液を処理液貯層に戻した後、該処理槽の扉を開き、処理木材を取り出し、充分な常温風乾（通常３日〜５日間）を行い、該間伐材中にリグニンを定着させ、しかる後、充分に風乾された該処理材を図２に示すような１０ｍｍ厚鉄板で包囲された加熱炉に送りチェンで移送し、約７００℃で約３分間重油バーナで加熱処理を施こす。そうすると、図３に示すように、木材の表面は１６０〜２５０℃に加熱されて炭化し、リグニン成分を木材組織中で酸化・熱硬化させ、水に対する溶解性を減じ固着させ、吸水性が改善されセルラーゼなどの腐敗菌に対する防腐性能が改善された改質木材を得た。

実施例１における木材処理用リグニン処理剤を、製紙工程廃液から分離取得したリグニンスルホン酸塩を主体とするリグニン製品（日本製紙（株）商品名サンエキス）のリグニン含有率１５％の水溶液に、メチロールメラミンを該溶液中の含有濃度が５％溶液濃度となるように添加配合し、更に反応触媒として同じく該
溶液中の濃度が０．０１％となるように塩化アンモニウムを添加し、他は実施例１と全く同様にして間伐材のリグニン配合処理材処理を実施し、風乾処理後１００〜１２０℃で熱処理を行い、該間伐材中にリグニンをメチロールメラミンとの反応により化学結合させ不溶化させ、更に一部セルローズ分子とも結合させ強固に定着させた改質木材を得た。
該改質加工材は、吸水性が改善され、セルラーゼなどの腐敗菌に対する防腐性能が改善されたと共に、表面硬度も高く寸法安定性に優れたものであった。

所定形状に整形された間伐材を実施例１におけると全く同様に密閉構造の処理槽に設置し、リグニン改質剤の含浸・浸透処理を施し、該処理槽より取り出し風乾する。
次いで該リグニン改質加工剤が含浸され木材中に沈積され乾燥された間伐材を、再び該密閉構造の処理槽内に搬入設置し、リグニン改質加工剤含浸時と同様の手順に従い、該間伐材を一旦１００ｍｍＨＧ以下の減圧下に約１８０分置き、木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、次いで該密閉構造の処理槽に別途調液した５％濃度の硫酸マグネシュウム水溶液を注入し、木材中に該硫酸マグネシュウム処理液を約１２０分浸透・含浸させ、更に該反応系を加圧ポンプを用いて１０Ｋｇ／ｃｍ^２Ｇまで加圧し、約１２０分該硫酸マグネシュウム処理液の木材中への含浸を促進させ、リグニンスルホン酸塩の−ＳＯ_３Ｎａ基と反応させ、木材組織中に水に不溶で防水性能を有するリグニンスルホン酸マグネシュウム塩（リグニン−ＳＯ_３−Ｍｇ−_３ＯＳ−リグニン）を形成させる。
しかる後、該改質加工材を該密閉構造の処理槽より取り出し、１００〜１２０℃で乾燥し、防水性能優秀で寸法安定性能が良いセルラーゼなどの腐敗菌に対する防腐性能が改善された改質間伐材を得た。

本発明は、間伐材を加工して、例えば、公園関連施設、例えば遊具、ベンチ、木階段等、案内板、看板、土留め、木柵、橋、桟橋、河川関連施設、道路関連施設（トンネル、ガードレール、転落防止柵、スノーポール等）、住宅関連施設（板塀、外壁、破風板、木柵、椅子、デッキ、プランター等）に用いる加工木材として使用することができる。

木材の改質加工用密閉構造の処理機概要図である。木材の改質加工用加熱炉の概要図である。加工木材の改質後の断面図である。

符号の説明

１：リグニン配合処理液調合・貯蔵タンク
２：密閉構造の減圧−加圧含浸処理槽
３：真空ポンプ
４：加圧ポンプ

Claims

所定形状に製材した間伐材を密閉構造の処理槽に設置し、該間伐材を一旦減圧下に置き木材組織中に包含される空気・水分を排気・除去し、次いで該処理槽に製紙工程廃液から得られるリグニン成分含有率１５〜５０％の溶液、該製紙工程廃液から分離取得したリグニンスルホン酸塩を主成分とするリグニン製品、又は該リグニンスルホン酸塩製品をアルカリ性高温・高圧下で化学処理し、一部成分を脱スルホン・脱メチル・酸化反応等を受けさせたリグニン製品のリグニン含有率１５〜５０％溶液を注入し木材中に該処理液を浸透・含浸させ、更に該反応系を加圧ポンプを用いて加圧し該処理液の木材中への含浸を促進させ、次いで該処理槽より処理木材を取り出し常温風乾乾燥して該間伐材中にリグニンを定着させ、然る後加熱処理を施し該リグニン成分を酸化・熱硬化固着させることを特徴とする間伐材の加工方法
請求項１に規定した間伐材加工方法において、間伐材に含浸せしめたリグニンの木材構成組織中への強固な固着と防水性能を付与するために、木材へのリグニン成分含浸処理終了後に該処理木材を、更に硫酸マグネシュウム水溶液にて含浸処理して乾燥処理を行うことを特徴とする間伐材の加工方法
請求項１に規定した間伐材加工方法において、間伐材に含浸せしめたリグニンの酸化・熱硬化による固着を更に強化するために、最終工程の加熱処理を１６０〜２５０℃に加熱して行い表層炭化処理を行うことを特徴とする間伐材の加工方法
請求項１に規定した間伐材加工方法において、含浸付与したリグニン成分をより強固に間伐材中に結合・固定せしめるために、加温時に改質加工主剤のリグニンと反応し不溶化せしめる能力を有する反応性処理剤成分、即ち、各種アルデヒド類、メチロールメラミン、メチロール尿素、フェノールホルマリン樹脂初期縮合物、エポキシ化合物、ジイソシアネート等の何れかと、必要に応じ反応促進触媒を該リグニン溶液に添加して加工することを特徴とする間伐材の加工方法