JP2010030081A - 木材の改質処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】木材に高い寸法安定性を付与し、かつ、木材の強度低下を抑制すること。
【解決手段】木材を加熱してヘミセルロースを低分子化させ、このヘミセルロースを除去した後、加熱して疎水化構造を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、木材の改質処理方法に関するものであり、詳しくは、木材の強度を維持し、寸法安定性を向上させることのできる処理方法に関する。

木材は、主にセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの３成分から構成され、吸水・吸湿時には、水分子が細胞壁のヘミセルロースに吸着し、骨格成分であるセルロースから成るミクロフィブリル間が押し広げられることで、細胞壁が膨潤し、反り、狂いが生じることが知られている。

そして、建築用などに使用される木材には、高い寸法安定性が求められるため、従来から、吸水・吸湿による木材の反り、狂いを防止するための処理方法の検討がなされている。

例えば、木材にアセチル化、ホルマール化等の化学処理を施すことで、寸法安定性を向上させる方法も検討されている。しかしながら、これらの方法は、化学薬品を使用するためコストアップが避けられず、また、揮発性有機化合物の放散による問題も生じるため、実用的であるとは言い難い。

さらに、別の方法として、木材を乾燥させた後、１８０℃〜２５０℃の高温で処理する方法（特許文献１）や、水蒸気雰囲気下において、温度を１３０〜２００℃に上昇させた後、圧縮することで、木材に耐久性、寸法安定性を付与する方法（特許文献２）などが提案されており、これらの方法は、木材に熱や水蒸気を与えることで、木材中のヘミセルロースを分解、変性させて、寸法安定性の向上を図っている。
特許3585492号公報 特開平3−231802号公報

しかしながら、例えば特許文献１、２のように、木材を高温もしくは高温水蒸気で処理する方法では、分解、変性したヘミセルロースが木材中に残存しており、このヘミセルロースに水分子が吸着される場合があるため、これらの処理により得られる木材の寸法安定性は必ずしも満足できるものではなかった。

さらに、これらの方法は、ヘミセルロースを分解、変性するために、高温で、長時間の処理が必要とされるため、骨格成分であるセルロースの分解が助長され、処理後の木材の強度が低下するという問題があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、木材に高い寸法安定性を付与し、さらに、木材の強度低下を抑制することができる木材の改質処理方法を提供することを課題としている。

本発明の木材の改質処理方法は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１；次の処理工程、A）セルロースの分解温度以下の加熱で木材中のヘミセルロースを低分子化する第１の加熱処理、B）低分子化した木材中のヘミセルロースの除去処理、C）セルロースの分解温度以下の加熱で木材中に疎水化構造を形成する第２の加熱処理、を含む。

第２；前記Ａ）第１の加熱処理の工程では、１３０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱する。

第３；前記Ｂ）ヘミセルロースの除去処理の工程では、木材を溶媒に浸漬させる。

第４；前記Ｂ）ヘミセルロースの除去処理の工程では、木材を溶媒に浸漬後、加熱する。

第５；前記溶媒は、水酸化ナトリウム水溶液である。

第６；前記Ｃ）第２の加熱処理の工程では、８０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱する。

第７；前記Ｃ）第２の加熱処理の工程では、木材含水率を繊維飽和点以上に調湿後、８０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱する。

第８；前記木材が、スギ、ヒノキ、アカマツ、エゾマツ、ベイマツ、ベイツガ、ラワン、アピトン、クルイン、カポールのうちの１種または２種以上からなる。

上記第１の発明のよれば、木材中から低分子化されたヘミセルロースが除去されているため木材の吸湿が抑えられ、さらに、セルロースとリグニン間に疎水化構造が形成されるため、寸法安定性が向上する。また、セルロースの分解が防止されるため木材の強度が低下することがない。

上記第２の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、セルロースの分解が確実に防止されるため、木材の強度低下をより確実に抑制することができる。

また、上記第３、第４の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、簡便に低分子化されたヘミセルロースを除去することができ、さらに、上記第５の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、さらにヘミセルロースの除去時間の短縮が可能となる。

そして、上記第６の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、セルロースとリグニンの縮合による疎水化構造が形成されるため、さらに木材の寸法安定性が向上する。そして、セルロースの分解が確実に防止されるため、木材の強度低下が抑制される。

上記第７の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、より強固な疎水化構造が形成されるため、さらに寸法安定性が向上する。

さらに、上記第８の発明のよれば、上記の発明の効果に加え、より効果的に寸法安定性を向上させることができる。

本発明は、木材の改質処理方法であり、ここでいう「改質処理」とは、木材に高い寸法安定性を付与することをいう。

そして、本発明の方法は、具体的には、以下のＡ）、Ｂ）、Ｃ）の処理工程を含むものである。
Ａ）第１の加熱処理工程
まず、この工程において木材を加熱処理して、ヘミセルロースの重合度を低下させ、低分子化させる。

木材中のヘミセルロースは、一般的に、木材を約１３０℃以上の温度で加熱処理することで低分子化することができる。そして、この加熱処理においては、骨格成分であるセルロースの分解を防止するため、セルロースの分解温度以下での加熱、具体的には、約１８０℃以下の温度での加熱が好ましい。

したがって、この第１の加熱処理における加熱温度は、約１３０℃〜１８０℃の温度範囲であることが好ましい。この温度範囲での加熱処理によって、確実にヘミセルロースを低分子化することができ、さらに、セルロースの分解が防止されるため、木材の強度低下を抑制することができる。通常、木材中のヘミセルロースの分子量は、１５００〜３００００であるが、この加熱処理によって、分子量が約３０００以下にまで低分子化することができ、ヘミセルロースを低分子化させることで、後述するヘミセルロースの除去が容易になる。

なお、加熱方法は、特に限定されず、例えば、熱盤間に木材を狭持して加熱する方法や、乾燥機やオートクレーブ等の熱風を与えて加熱する方法、木材を密封状態で加熱する方法などを利用することができる。また、加熱時間は、木材の材料や大きさを考慮して決定することができるが、一般的に、１３０℃に近い温度では加熱時間は長く、１８０℃に近い温度では短くすることができ、例えば、材料として、スギ材を用いた場合は、１３０℃では１０〜３０時間程度、１８０℃では、３０分〜３時間程度とすることができる。
Ｂ)木材中のヘミセルロースの除去処理工程
この工程では、前記Ａ）第１の加熱処理によって低分子化した木材中のヘミセルロースを除去する。

除去方法は、特に限定されないが、例えば、水またはアルカリ金属水酸化物溶液などの溶液中に、前記Ａ）第１の加熱処理後の木材を浸漬し、必要に応じて加熱することで、ヘミセルロースを溶解させることができる。そして、好ましくは、アルカリ金属水酸化物溶液として水酸化ナトリウム水溶液を使用することができ、これによって、ヘミセルロースの除去時間を短縮することができる。そして、このとき用いる水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、例えば、０．１％〜２．０％程度とすることができる。さらに、溶解したヘミセルロースは、置換、洗浄、抽出などの操作により、容易に除去することができる。

このように、本発明においては、木材から吸湿性成分であるヘミセルロースが除去されているため、吸湿による寸法変化が抑制され、木材に高い寸法安定性を付与することができる。そして、木材からヘミセルロースが除去されていることは、分解・変性したヘミセルロースが木材中に残存する従来の処理方法と本質的に相違している。
Ｃ)第２の加熱処理工程
この工程では、前記Ａ）、Ｂ）の処理をした木材を加熱処理することで、木材中に疎水化構造を形成する。

前記Ａ）、Ｂ）の処理をした木材を加熱することにより、疎水性成分であるリグニンを軟化させることができる。そして、ミクロフィブリルを構成するセルロースとリグニン間の縮合反応により、疎水性である凝集構造を形成することができる。凝集構造がミクロフィブリル間を拘束する接着成分として作用することで、高い寸法安定性が得られる。

また、疎水化構造を形成する際、加熱温度が約８０℃以下では、リグ二ンが軟化せず、また、前述したように、約１８０℃以上では、セルロースの分解による木材の強度低下を招くことから、この第２の加熱処理における加熱温度は、約８０〜１８０℃の温度範囲とするのが好ましい。

さらに、この第２の加熱処理は、前記Ａ）、Ｂ）の処理後の木材の含水率を繊維飽和点以上に調湿した後に行うことが好ましい。ここで、「繊維飽和点以上」とは、木材中の細胞壁内が結合水で満たされた状態をいい、一般的に、含水率は約３０〜４０％を示す。なお、結合水は、寸法変化や強度・ヤング率などの物理的性質に著しい影響を与えることが知られており、細胞の内腔などの空隙に液体の状態で存在する自由水とは異なる特徴を示すものである。

このように、前記Ａ）、Ｂ）の処理後の木材を繊維飽和点以上の含水率に調湿することにより、木材細胞壁内の水分が可塑剤として働くため、加熱した際にリグニンが軟化し易くなり、セルロースとリグニン間の縮合反応が十分に進むことで、さらに強固な疎水化構造が形成される。

ここで、この第２の加熱処理においても、加熱方法は特に限定されず、例えば、熱盤間に木材を狭持して加熱する方法や、乾燥機やオートクレーブ等の熱風を与えて加熱する方法、木材を密封状態で加熱する方法などを利用することができる。また、加熱時間は、木材の材料や大きさを考慮して決定することができるが、一般的に、８０℃に近い温度では加熱時間は長く、１８０℃に近い温度では短くすることができ、例えば、材料として、スギ材を用いた場合は、８０℃では、３〜５時間程度、１３０℃では１〜３時間程度、１８０℃では、３０分〜２時間程度とすることができる。

以上の通り、前記Ａ）、Ｂ）、Ｃ)の処理後の木材は、木材中のヘミセルロースが除去されているため、吸水、吸湿による寸法変化が確実に抑制される。さらに、処理後の木材は、疎水化構造が形成されており、これによってミクロフィブリル間が拘束されるため、寸法安定性がさらに向上する。また、第１、第２の加熱処理は、セルロースの分解温度以下で行われるため、骨格成分であるセルロースが木材中で分解されずに保持され、改質処理による木材の強度低下が生じることがない。

なお、本発明の方法が適用可能な木材は特に限定されず、例えば、木材丸太、板材などの製材、単板、パーティクルボードやファイバーボードに用いる木材要素片などの改質処理が可能である。さらに、本発明の方法は、樹種を問わず適用可能であるが、特にリグニン成分量が多く、ヘミセルロース成分量が少ない樹種に対しては、寸法安定性効果が大きい。具体的には、スギ、ヒノキ、アカマツ、エゾマツ、ベイマツ、ベイツガ等の針葉樹材や、ラワン、アピトン、クルイン、カポールなどの広葉樹材などのうちの１種または２種以上からなる木材に対しては、高い寸法安定性効果を発揮する。

以下、本発明について、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
＜実施例１＞
気乾状態、１０ｍｍ（R）×２００ｍｍ（T）×２００ｍｍ（L）のスギ材を供試材料として用いた。ヘミセルロースの低分子化処理として、スギ材を熱盤間に狭持し、１８０℃の温度条件で２時間加熱した。次いで、ヘミセルロースの除去処理として、加熱後のスギ材を、沸騰水中に一時間浸漬し、ヘミセルロースの抽出を行った。さらに、疎水化構造の形成処理として、ヘミセルロース除去後のスギ材含水率を約４０％に調湿し、熱盤間に狭持し、１８０℃の温度条件で１時間加熱して、処理木材を得た。
＜実施例２＞
実施例１の処理条件におけるヘミセルロースの低分子化処理を、１３０℃、２４時間の加熱処理に変更して、処理木材を得た。
＜実施例３＞
実施例１の処理条件におけるヘミセルロースの除去処理を、１％の水酸化ナトリウム溶液中で１時間煮沸後、熱水で十分洗浄する処理に変更して、処理木材を得た。
＜実施例４＞
実施例１の処理条件における疎水化構造の形成処理を、１３０℃、２時間の加熱処理に変更して、処理木材を得た。
＜実施例５＞
実施例１の処理条件における疎水化構造の形成処理を、８０℃、４時間の加熱処理に変更して、処理木材を得た。
＜比較例１＞
実施例１〜５と同様のスギ材を用いて、ヘミセルロースの低分子化処理として、２２０℃、３時間の加熱処理を行って、処理木材を得た。なお、ヘミセルロースの除去処理、疎水化構造の形成処理は行わなかった。
＜比較例２＞
実施例１〜５と同様のスギ材を用いて、ヘミセルロースの低分子化処理として、１８０℃、３時間の加熱処理を行って、処理木材を得た。なお、ヘミセルロースの除去処理、疎水化構造の形成処理は行わなかった。
＜比較例３＞
実施例１〜５と同様のスギ材を用いて、ヘミセルロースの低分子化処理として、１３０℃、２４時間の加熱処理を行って、処理木材を得た。なお、ヘミセルロースの除去処理、疎水化構造の形成処理は行わなかった。
＜比較例４＞
実施例１の処理条件におけるヘミセルロースの除去処理を省略して、処理木材を得た。
＜比較例５＞
実施例１の処理条件における疎水化構造の形成処理を省略して、処理木材を得た。

以上、各実施例・比較例に基づいて処理したスギ材を計測寸法に切り出し、強度特性として曲げ強度について評価し、未処理材との比較を行った。また、寸法安定性に関しては、４０度、湿度９０％の条件で吸湿性、反り量についての評価を実施した。曲げ強度の評価、ならびに吸湿性の評価は、JISZ2101に基づいて行った。反り量に関しては、平板上に吸湿性評価後の試験片を保持し、一辺を押さえて相対する他片と平板との間隔を計測して反り量とした。

表１に、各処理条件および評価結果を示す。表１における結果は、表２に記した区分に従って表記した。

実施例１〜５のいずれの処理材も強度低下を起こすことなく、寸法安定性が大きく向上した。

実施例１と比較例２の比較、また、実施例２と比較例３の比較により、低分子化したヘミセルロースの除去処理および疎水化構造形成処理によって寸法安定性が大幅に向上することが分かる。

さらに、実施例１、３、比較例４の比較により、低分子化したヘミセルロースの除去処理により、寸法安定性が大幅に向上することが分かる。そして、除去溶媒として、１％の水酸化ナトリウム溶液を用いることで、より処理時間の短縮化が可能であることも見出された。

また、実施例１、比較例５の比較により、疎水化構造形成処理によって寸法安定性が大幅に向上することが分かる。

以上の通り、本発明の処理方法によれば、木材の強度低下を招くことなく、寸法安定性を大きく向上させることができ、有用性の高い木材を提供することが可能となる。

Claims (8)

1. 次の処理工程；
   Ａ）セルロースの分解温度以下の加熱で木材中のヘミセルロースを低分子化する第１の加熱処理、
   Ｂ）低分子化した木材中のヘミセルロースの除去処理、
   Ｃ）セルロースの分解温度以下の加熱で木材中に疎水化構造を形成する第２の加熱処理、
   を含むことを特徴とする木材の改質処理方法。
2. 前記Ａ）第１の加熱処理の工程では、１３０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１に記載の木材の改質処理方法。
3. 前記Ｂ）ヘミセルロースの除去処理の工程では、木材を溶媒に浸漬させることを特徴とする請求項１または２に記載の木材の改質処理方法。
4. 前記Ｂ）ヘミセルロースの除去処理の工程では、木材を溶媒に浸漬後、加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の木材の改質処理方法。
5. 前記溶媒は、水酸化ナトリウム水溶液であることを特徴とする請求項３または４に記載の木材の改質処理方法。
6. 前記C）第２の加熱処理の工程では、８０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの木材の改質処理方法。
7. 前記C）第２の加熱処理の工程では、木材含水率を繊維飽和点以上に調湿後、８０℃〜１８０℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの木材の改質処理方法。
8. 前記木材が、スギ、ヒノキ、アカマツ、エゾマツ、ベイマツ、ベイツガ、ラワン、アピトン、クルイン、カポールのうちの１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの木材の改質処理方法。