JP2008179099A - 木材の乾燥方法、木材への薬剤浸透方法及び乾燥装置 - Google Patents

木材の乾燥方法、木材への薬剤浸透方法及び乾燥装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 少ない投入エネルギー量で短期間に木材を乾燥する方法を提供する。
【解決手段】 大気圧解放用のバルブを備えた耐圧容器内に木材を密封し、該耐圧容器に流体を加圧充填し、流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、耐圧容器の大気圧解放用バルブを解放し内部圧力を大気圧まで減圧することを特徴とする木材の乾燥方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、超臨界流体を用いた木材の乾燥方法、木材への薬剤浸透方法及び乾燥装置に関するものである。
樹木から切り出されたばかりの木材（生材）は多量の水分を含んでいる。水分量は樹種や育成条件などによっても異なるが、たいていの場合、生材重量の半分もしくはそれ以上が水分である。そのため、生材を十分に乾燥させることなくそのまま住宅用材などに用いると、住宅完成後、徐々に水分が蒸発して木材が収縮し、割れや変形が発生することになる。甚だしい場合には欠陥住宅と呼ばれるような人命を脅かす危険な構造物となってしまう可能性もある。このようなトラブルを防ぐには、あらかじめ木材を適切な水分量まで乾燥させる必要があり、これまでに様々な木材乾燥技術が用いられてきた。
木材の乾燥法として古くから行われてきた天然乾燥は、木材を桟積みして風乾するものであり、積極的なエネルギー投入を要しない代わりに、乾燥には数ヶ月間程度の長期間を要する。そのため、現在では蒸気式乾燥機を用いて7〜9日程度で乾燥するのが一般的である。さらに乾燥日数を短縮させる方法としては、過熱蒸気を用いて圧力を制御しながら湿度を徐々に低下させ、3〜4日で乾燥させる手法がある。また、減圧して沸点を下げて乾燥を早める減圧乾燥や、材の表面だけでなく内部の乾燥を早めるために高周波加熱乾燥を併用することもある。複数の乾燥法を適宜組み合わせることで処理日数を短縮したり仕上がり状態の均一化を図ることもできるが、投入エネルギー量などコスト面に及ぼす影響も少なくない。
本発明が解決しようとする課題は、少ない投入エネルギー量で短期間に木材を乾燥する方法と乾燥装置を提供することにある。
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、超臨界流体の性質を利用することにより上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記要旨に係わるものである。
（１）大気圧解放用のバルブを備えた耐圧容器内に木材と流体を挿入し、流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、耐圧容器のバルブを解放し内部圧力を大気圧まで減圧することを特徴とする木材の乾燥方法。
（２）流体が液体もしくは気体の二酸化炭素または窒素であることを特徴とする（１）に記載の木材の乾燥方法。
（３）大気圧解放用のバルブを備えた耐圧容器内に木材を密封し、該耐圧容器に流体を加圧充填し、流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、耐圧容器の大気圧解放用バルブを解放し内部圧力を大気圧まで減圧して処理した木材に液状の薬剤を浸透させることを特徴とする木材への薬剤浸透方法。
（４）流体が液体もしくは気体の二酸化炭素または窒素であることを特徴とする（３）に記載の木材への薬剤浸透方法。
（５）木材を収容する耐圧容器と、耐圧容器に備えられた大気圧解放用バルブと、流体を充填した充填容器と、該充填容器から耐圧容器に流体を加圧注入する空気圧ポンプと、耐圧容器内を加熱する加熱器を備えたことを特徴とする木材の乾燥装置。
本発明は以下のような効果を有する。
（１）40℃程度の低温処理でも木材を乾燥させることができるため、加熱乾燥する従来法よりもエネルギー消費量を大幅に削減することができる。
（２）１回の処理にかかる時間はトータルで１時間程度と非常に短時間処理でありながら含水率を数十パーセント低下させることができる。この本発明方法を取り入れることにより従来法では最低でも数日かかっていた乾燥工程を大幅に短縮できる。
（３）本発明方法で乾燥させた木材は水浸透性が大幅に向上するため、乾燥処理後の防腐剤・防蟻剤等の薬剤注入処理で薬剤が木材の中心部まで十分に拡散浸透でき、耐朽性の高い木材を製造することができる。
本発明の処理対象となる木材の樹種は特に限定されず、また木材の含水率（木材実質に対する水分の質量百分率）や断面形状も特に限定されない。
本発明に用いられる耐圧容器は、乾燥しようとする木材を収容でき、超臨界流体を保持できる容器であれば特に限定されないが、円筒形の方が超臨界の高圧状態にも耐えやすくなるためより望ましい。また、材質は耐食性に優れたステンレス鋼、例えばSUS316などが望ましい。
本発明方法で用いられる超臨界流体は、超臨界二酸化炭素又は超臨界窒素が挙げられるが、超臨界二酸化炭素の方がより高い効果が期待される。その理由は不明だが、おそらく超臨界二酸化炭素の方が水に対する溶解度が高く、木材中の水分に多量の超臨界二酸化炭素が溶解した状態で急激な減圧操作が行われるため、気化した二酸化炭素が水分を強力に木材外へ押し出していると予想される。
本発明の木材の乾燥方法を以下に示す。
木材を密封した耐圧容器に、気体又は液体の流体を加圧ポンプを介して耐圧容器内に流体の臨界点以上の圧力で充填する。臨界点以上の温度とするには、あらかじめ容器を加熱しておいてから流体を加圧充填してもよく、あるいは流体の加圧充填が終わってから耐圧容器を加熱してもよい。流体の臨界点とは、二酸化炭素の場合は31℃/7.4MPaであり、窒素の場合は-147℃/3.4MPaである。
また、温度・圧力条件は、臨界点以上になれば特に限定されないが、温度が40〜120℃、好ましくは40〜90℃、さらに好ましくは、40〜80℃、圧力が10〜30MPa、好ましくは10〜25MPa、さらに好ましくは、10〜20MPaである。
流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、超臨界流体を木材の内部まで十分に浸透させ、木材に多量に含まれている水分中に超臨界流体を溶解させる。保持時間は
5〜60分、好ましくは10〜40分、さらに好ましくは20〜40分である。
そして一定時間保持後、耐圧容器のバルブを開放し、内部圧力を大気圧まで減圧する。開放によって木材内に浸透した超臨界流体と水分とが木材から放出され、木材乾燥が実行される。このときの減圧速度は耐圧容器の大きさによっても異なるが、例えば内容積２リットル程度であれば30〜90秒くらいで大気圧まで減圧することが望ましい。
例えば、寸法が700mm(L)×30mm(R)×30mm(T)のスギ心材の生材を容量約2リットルの耐圧容器内に入れ、70〜80℃/10MPaの超臨界二酸化炭素中で40分保持した後に約60秒で大気圧まで開放した実験では、当初の含水率が164.3％だった生材が開放直後で95.3％にまで低下した。さらに開放後、室温・大気圧下で放置している間も1〜2時間程度は木材表面から水分と二酸化炭素が吹き出し続け、処理2時間後で81.0％、24時間後で57.2％まで含水率が低下した。
このように、従来法の蒸気式乾燥処理や加熱蒸気処理で数日かかっていた乾燥工程が、超臨界流体を用いれば大幅に短縮されることが明らかとなった。さらに、従来法では120〜140℃の高温で乾燥させる必要があったが、超臨界流体では40〜45℃の低温処理でも十分に含水率を低下させられるため、エネルギー投入量を大幅に削減できる。
本発明方法の実施形態としては、本発明単独で実施するケースや、本発明を連続で複数回実施してより短時間で含水率を低下させるケース、従来の乾燥法の前処理もしくは後処理として本発明を組み合わせて実施するケースなどが考えられる。
本発明により乾燥処理した木材は、浸透性が大幅に向上するため、乾燥処理後の防腐剤・防蟻剤等の薬剤注入処理で液状の薬剤が木材の中心部まで十分に拡散浸透する。浸透性が向上する理由は不明だが、一気に大気圧まで減圧する際、水と共に通水経路部分に付着・堆積している抽出成分などの沈着物質が取り除かれ、水浸透性が向上したものと思われる。また木材の壁孔の一部については急激な圧力降下によって破壊され、それが浸透性改善につながっている可能性もある。
木材に浸透させる防腐剤としては、例えば酸化第二銅、水酸化第二銅、シプロコナゾール、テブコナゾール、ナフテン酸亜鉛など、防蟻剤としては、例えばホキシム、イミダクロプリド、プロペタンホス、ペルメトリンなどを挙げることができる。その他、フェノール樹脂、ＰＥＧ、酸性染料、直接染料など、木材に浸透しうる薬剤であれば特に限定されない。
液状の薬剤を浸透処理するには、常法に従って、常圧注入法や減圧注入法、減圧と加圧を繰り返す減圧・加圧注入法などを用いればよい。減圧・加圧注入法にはいくつかの組み合わせパターンがあるが、例えばベセル法（充細胞法）、リューピング法（空細胞法）、ローリー法（半空細胞法）、加圧・減圧交代法（オシレーション法）等の方法を挙げることができる。
図１に本発明の木材の乾燥装置の一実施形態を図示する。
１は木材が密閉される耐圧容器であり、この耐圧容器１には内部圧力を大気圧まで減圧するための大気圧解放用バルブ２と減圧速度を調節するための背圧弁１０が設けられている。さらに耐圧容器１には内部の圧力と温度を測定するための圧力計４と温度計５が備えられている。
液体又は気体の流体が充填された充填容器９からバルブ８、加圧ポンプ７及びバルブ６を介して流体が耐圧容器１に加圧充填される。加圧充填された流体はヒーター３により加熱され、流体は超臨界流体となって木材内に浸透する。一定時間超臨界状態を保持した後、バルブ２を解放して容器内の圧力を大気圧まで減圧する。
図１に示した装置を用いて超臨界二酸化炭素による木材の乾燥実験を行った。容量２リットルの耐圧容器内に試料木材を１本入れて密閉した。試料木材は、生材のスギ心材試片（100mm(L)×30mm(R)×30mm(T)）を用いた。次に加圧ポンプで二酸化炭素を耐圧容器内に充填させ、表１に示す温度、圧まで昇温昇圧させた。そして、その状態を40分間保持した後、容器底部のバルブを開放して二酸化炭素を放出し、30〜90秒で大気圧まで減圧した。
処理後、試片をすぐさま取り出して重量を測定し、以下の式により含水率(MC)を求めた。
Figure 2008179099
（ただし、上記式中、Ｗｄは試片の全乾重量を、Ｗは試片重量を表す。）
試片はそのまま室内に放置し、処理30分後、1時間後、2時間後、24時間後の重量も測定して含水率を算出した。その結果を表１に示す。
Figure 2008179099
二酸化炭素が超臨界流体の状態で処理した場合、処理前が139.2〜209.0％であった含水率が処理直後（処理終了から５分後）には80.0〜131.1％となり、含水率の平均減少率は約37％となった。さらに処理後、室温・大気圧下で放置している間も1〜2時間程度は木材表面から水分と二酸化炭素が吹き出し続け、処理2時間後で67.3〜112.3％、24時間後で46.1〜84.0％まで含水率が低下した。
一方、二酸化炭素が気体の状態で処理した場合、含水率はわずかに低下するのみだった。また、二酸化炭素が液体の状態で処理した場合は、処理直後から１時間後くらいまでは試片から水分が激しく吹き出るために含水率がある程度低下したが、超臨界状態での処理と比較するとそれほど大きく低下することはなかった。
以上のことから、超臨界状態の二酸化炭素を用いることによって木材をごく短時間で乾燥できることがわかった。
また、超臨界二酸化炭素処理を同一試片に対して連続して３回繰り返し行い、含水率の変化を確認してみた。処理条件は３回とも温度が70〜80℃、圧力が10MPa、減圧時間が60秒である。その結果を表2に示す。
Figure 2008179099
超臨界二酸化炭素処理を連続３回行うことで含水率は128.1％から53.3％と約半分になった。処理１回にかかる時間は約１時間であるので、約３時間という短時間処理で含水率を大幅に低下させることができた。
このように、超臨界二酸化炭素処理を繰り返し実行することで木材の乾燥がさらに短時間で行えることが確認された。
次に超臨界窒素による乾燥実験を行った。使用した装置は、耐圧容器の容量が約900mlであることとボンベが窒素ガスであること以外は図１と同じである。
生材のスギ心材試片（100mm(L)×30mm(R)×30mm(T)）を耐圧容器内に１本入れて密閉した後、窒素を容器内に充填させ、表３に示す温度、圧力まで昇温昇圧させた。そして、その状態を20分間保持した後、容器底部のバルブを開放して窒素を放出し、15〜20秒で大気圧まで減圧した。
処理後、試片をすぐさま取り出して重量を測定し、含水率を求めた。また、試片はそのまま室内に放置し、処理30分後、1時間後、2時間後、24時間後、48時間後の重量も測定して含水率を算出した。その結果を表３に示す。
Figure 2008179099
窒素の臨界点は-147℃、3.4MPaであるので、この実験での窒素は全て超臨界状態である。温度が28℃及び50℃の時には、処理による含水率の低下はわずかであった。ところが、温度が90℃及び110℃の時には、処理直後の含水率が処理前に比べて約4分の3に減少しており、超臨界二酸化炭素処理のように含水率の大幅低下が確認された。
以上の結果から、超臨界窒素でも90℃以上であれば効果的に乾燥処理が行えることが明らかとなった。
超臨界二酸化炭素で乾燥させた木材の水浸透性を評価するため、以下のような実験を行った。
生材のスギ心材試片（100mm(L)×15mm(R)×15mm(T)）を実施例１と同様の方法で超臨界二酸化炭素処理した。処理条件は、温度が120℃、圧力が17MPa、保持時間が20分、減圧時間が15秒であった。処理後、試片は室内で放置し、気乾状態まで乾燥させた。乾燥後、試片の浸透性を評価するため、試片の板目面及び柾目面を一液型RTVゴムでシールした後、試片を繊維方向に垂直に立て下部約５ｍｍが純水に浸かるように固定し、1,3,6,24間後の重量増加率を測定した。なお、比較として生材をそのまま自然乾燥させた試片についても同様の実験を行った。結果を図２に示す。
超臨界二酸化炭素処理で乾燥させた6本の試片の重量増加率は自然乾燥させた試片と比較して2.5倍〜4倍の値を示した。このことから、本発明方法による乾燥処理は木材の水浸透性を大幅に改善させることが明らかとなった。
本発明により、木材の乾燥に要する消費エネルギーを低減でき、短期間で木材を乾燥できるので、建築用木材等の乾燥技術として好適である。また、本発明方法で乾燥処理した木材は浸透性が向上するので薬剤が木材中に効率的に浸透し、木材の耐朽性改善に好適である。
本発明の乾燥装置の一実施形態を示すフロー図。 実施例３の水浸透性評価実験の結果を示すグラフ。
符号の説明
１ 耐圧容器
２ 大気圧解放用バルブ
３ ヒーター
４ 圧力計
５ 温度計
６ バルブ
７ 加圧ポンプ
８ バルブ
９ 充填容器
１０ 背圧弁

Claims (5)

  1. 大気圧解放用のバルブを備えた耐圧容器内に木材を密封し、該耐圧容器に流体を加圧充填し、流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、耐圧容器の大気圧解放用バルブを解放し内部圧力を大気圧まで減圧することを特徴とする木材の乾燥方法。
  2. 流体が液体もしくは気体の二酸化炭素または窒素であることを特徴とする請求項１に記載の木材の乾燥方法。
  3. 大気圧解放用のバルブを備えた耐圧容器内に木材を密封し、該耐圧容器に流体を加圧充填し、流体の臨界点以上に温度・圧力を一定時間保持した後、耐圧容器の大気圧解放用バルブを解放し内部圧力を大気圧まで減圧して処理した木材に液状の薬剤を浸透させることを特徴とする木材への薬剤浸透方法。
  4. 流体が液体もしくは気体の二酸化炭素または窒素であることを特徴とする請求項３に記載の木材への薬剤浸透方法。
  5. 木材を収容する耐圧容器と、耐圧容器に備えられた大気圧解放用バルブと、流体を充填した充填容器と、該充填容器から耐圧容器に流体を加圧注入する加圧ポンプと、耐圧容器内を加熱する加熱器を備えたことを特徴とする木材の乾燥装置。
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