JP2010526692A

JP2010526692A - 改質木材、および改質木材を製造する方法

Info

Publication number: JP2010526692A
Application number: JP2010508324A
Authority: JP
Inventors: ヴェスティン，マッツ; ランデ，スティッグ
Original assignee: Kebony AS
Current assignee: Kebony AS
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2010-08-05
Also published as: RU2009145034A; AU2008251134A1; CA2686948A1; AP2009005063A0; WO2008140323A1; EP2152482A1

Abstract

木材試料を改質する方法において、木材試料は容器内に重合性低分子量フラン誘導体を含む含浸溶液に浸漬され、その容器は５乃至２９ｂａｒの範囲の圧力で３０乃至１２０分の範囲の時間だけ加圧され、その後、木材試料は６０乃至６００分の範囲の時間だけ０．０１乃至０．５ｂａｒの範囲の真空状態にされ、その含浸溶液が重合化される。

Description

本発明は、改質木材、および改質木材を製造する方法に関する。

含浸化合物（impregnation compound）を用いて木材を改質するのが望ましいことが、しばしばある。含浸化合物の保持率または保持度（degree of retention）は、母材の木材の“重量増加百分率”（Weight Percent Gain：ＷＰＧ、増加重量％）で表される。また、含浸化合物の保持率が低い（減少した）レベルであることが望ましいことが、ときどきある。従って、重合性（重合可能な）流体（液体）の保持率レベルを可変に（制御可能に）減少させることができるような、重合性流体（液体）を木材に含浸させる改善された方法に対するニーズ（必要性）が存在する。

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図１は、化学的吸収量（取込み量）と真空引き工程の持続時間の関係を示している。図２および３は、半分に切断された２つのブロック（上側（図２）が端部シールされたもの。下側（図３）がＥＮ２５２の杭。）を示している。 (図2で説明) 図４は、半分に切断された２つのマツ材ブロックを示している。上側が７５％ＨＷ（心材）であり、下側が６０％ＨＷ（心材）である。図５は、エタノール１０％を加えた場合の、化学的吸収量（取込み量）と真空引き工程の持続時間の関係を示している。

フランポリマー修飾（modified：改質）木材の製造は、先ず、低分子量のフラン誘導体の重合性液体（溶液）、例えば、フルフラール、フルフリルアルコールビスヒドロキシメチルフラン（bishydroxymethylfuran、ＢＨＦ）またはこれらの組合せ、および任意成分として、含浸溶液の性質に応じて（依存して）、触媒、開始剤、低沸点アルコール、例えばエタノール、または含浸溶液の性質に応じてその他の化合物、のような適切な量の重合性（重合可能な）液体を、木材に含浸させることによって、行われる。その含浸の後、その木材を加熱し、それによって、その重合性化合物は重合化されてその木材細胞中でフランポリマーが形成される。

本発明の一実施形態によれば、その重合性成分は、例えば水またはその他の溶媒（solvent：溶剤）のような希釈剤によって希釈されることなく、用いられる。その含浸は、先ず、少なくとも３０分の時間期間だけ少なくとも５ｂａｒの圧力下でその木材にその含浸液を適用する（含浸させる）ことによって行われる。この実施形態の別の特徴（観点）によれば、その圧力は少なくとも１０ｂａｒであり、この圧力下でのその含浸時間は３０分乃至６０分の範囲の時間である。

この過圧（overpressure：加圧）の工程の後、延長された（長い時間の）真空引き（低圧力状態、真空排気）の工程が続く。その真空引き工程において、その含浸容器（impregnation vessel：含浸管）は、真空引きされ、その圧力は少なくとも４時間だけ低レベル（０．１ｂａｒ）の低圧状態に維持される。この実施形態の別の特徴（観点）によれば、その真空引き（低圧力）状態は５乃至６時間だけ維持される。

本発明の第２の実施形態によれば、その木材は、液体含浸が開始される前に、１０乃至３０分の時間期間（スパン）だけ２乃至６ｂａｒの初期空気圧を受け、従って、含浸の前にその木材細胞体積（容積）のうちのより多く（の部分）が空気で満たされる。

本発明のさらに別の特徴（観点）によれば、その含浸溶液は、さらに、例えば５乃至１０％の量のエタノールのような低沸点アルコールを含んでいる。

その含浸工程の後で、その含浸された木材は８０乃至１５０℃の範囲の温度に加熱され、それによってその重合性成分が重合化されてその木材細胞中でフランポリマーが形成される。水が希釈剤として使用されないので、その木材をさらに乾燥させる必要はない。

本発明のさらに別の特徴（観点）によれば、上述の方法（プロセス、処理）によって得ることができる製品は、３０乃至１００％の範囲の母材の木材の“重量増加百分率”（ＷＰＧ）で表現され、乾燥密度が増加した、広範囲のフランポリマー保持率を有することができる。本発明のさらに別の特徴（観点）によれば、その製品は、３０乃至８０％の範囲のＷＰＧを示すことができ、さらに別の特徴（観点）によれば、７０％以下のＷＰＧを示すことができる。

例
材料および方法
木材試料
Ｉ．スウェーデン、ウプサラ（Uppsala）、外部、ハルスジョー・ブラドガルド（Hallsjoe braedgard）から入手可能な、断面２８×１２５ｍｍおよび長さ２００ｍｍの純粋な（pure）ヨーロッパ・アカマツ（Scots pine）（学名Pinus sylvestris）の複数の辺材（sapwood）板材（boards）。

IIおよびIII．スウェーデン、ヴァルベリ（Varberg）、ヴァルベリ・ティンバー（Varberg Timber）から入手可能な、２つのグループ（群）のヨーロッパ・アカマツ（Scots pine）、断面２８×１２５ｍｍおよび長さ２００ｍｍの、それぞれ約６０％および約７５％の心材（ＨＷ）含有率（content：量、体積）（保存（防腐）処理木材の製造の標準品質）。

IVおよびＶ．スウェーデン、東南部、ウナレッド・ソーミル（Unnared Sawmill）から入手可能な、純粋なヨーロッパ・アカマツ（Scots pine）のＥＮ２５２杭（stakes）（２５×５０×５００ｍｍ）およびＥＮ１１３ブロック（１５×２５×５０ｍｍ）。

VI. ＷＰＴから入手可能な、種々の断面積および長さ２００ｍｍの、複数のブナ（beech）（学名：Fagus sylvatica）板材（boards）。

全て長さ２００ｍｍの木材ブロックが、シカシール（Sicaseal）のプライマ（primer：下塗り、下地調整液、下塗液、下塗剤）とその後にシカシール（Sicaseal）の建築用シリコーンによって、繊維組織（木目）露出端シール（封止）された（endgrain-sealed）。野外用の杭（field stakes）（２５×５０×５００ｍｍ）は、繊維組織露出端シール（封止）されなかった。

処理混合物
ＦＡはフルフリルアルコール（furfuryl alcohol）を表す。“ＦＡ１００”混合物（ミックス）は、触媒を添加した未希釈のフルフリルアルコールをベースとする（based on：を基材又は基剤とする、に基づく）ものである。“ＦＡ４０”混合物は、触媒および安定化用化合物を添加した約２８％のフルフリルアルコールを含む水性（waterborne：ウォーターボーン）フルフリルアルコール溶液（またはフルフリルアルコール水溶液）である。“ＦＡ５０”混合物（ミックス）は、触媒および安定化用化合物を添加した約３２％のフルフリルアルコールを含む水性（waterborne）フルフリルアルコール溶液（フルフリルアルコール水溶液）である。そのＦＡ１００混合物は、ウッドポリマーテクノロジーズＡＳＡ（ＷＰＴ、現在のケボニーＡＳＡ）によって開発された商業用の処法（レシピ）に基づくものである。そのＦＡ１００混合物に対する変形（modification：修正）が、１０％のエタノール（最終混合物をベース（基準）とするｍ／ｍ（質量／質量、質量比、重量比））を加えることによる第１組の複数のテストの後で、行われた。

含浸処理（プロセス）
例１：対照（比較例）−ＦＡ１００処理混合物を用いた標準ローリー法（Lowry process：プロセス）。９０分間の１２ｂａｒ圧力（加圧）と、それに続く６０分間の後真空引（post-vacuum：後真空、後真空排気、後低圧）状態。

例２：ＦＡ１００処理混合物。４５分間の１２ｂａｒ圧力と、それに続く６時間の後真空引き状態（中間にその各試料の計量（weighting：重量計量）を含むそれぞれ２時間の期間に分割される）。

例３：エタノールを加えることによって変形（修正）を施したＦＡ１００処理混合物。６０分間の１２ｂａｒ圧力と、それに続く６時間の後真空引き状態（中間にその各試料の計量（重量計量）を含むそれぞれ２時間の期間に分割される）。

また、例２、例３は、各試料の計量（重量計量）なしでも行われた。
その含浸の期間において、全ての端部シール（封止）（end-sealed）はそれらの機能（端部シール機能）を達成すると思われる。

硬化
繊維組織露出端シール（封止）された１つの試料（オーブン内に直接置かれたもの）以外は、全ての試料の表面をきれいに拭いた。次いで、それらの試料を、アルミ箔で包んで、温度１０３℃のオーブン内に一晩朝まで（over night）（約１２時間）置いた。朝、そのアルミ箔を取り外して、それらの試料をそのオーブン内に戻した。２時間後、その温度を１２０℃に上昇させて１時間の間置き、次いで再び１０３℃に冷却し、その後、それらの試料を取り出した。硬化の期間において、その繊維組織露出端シール被覆（コーティング）に膨れ（blisters）が出現した。

例および結果
例１：対照（比較例）−標準ローリー法（９０分間の加圧＋６０分間の後真空引き（post-vacuum）状態）。

表１には、最初のローリー法による含浸のデータが示されている。完全な浸透（full penetration）が得られたが、後真空引き工程による化学的吸収の減少量は、６７６ｋｇ／ｍ^３のうちの５０ｋｇ／ｍ^３だけであり、結果として得られたＷＰＧ（重量増加百分率）は８７％（最終含有率（content：含有量、体積）に基づく保持量は４０４ｋｇ／ｍ^３）であった。アルミ箔で包まなかった木材ブロックはそのグループ中で最高のＷＰＧを持っていたが、含浸の後でより高い吸収量を有していたので、包んだその他のものよりもフルフリルアルコールを１２％多く（１２％より多く）失った。

その吸収量（率）は不必要に高いと思われたので、その加圧工程を半分に短くすることを決断した。さらに、後真空引き工程の後でその新しい液体がその表面から流出することに気がつき、従って、その真空引き工程を長くすることを決断した。

例２：４５分加圧＋３６０分真空引き状態
これらの含浸において、加圧工程の期間における吸収率が加圧期間の短縮によって減少した。繊維組織露出端シール（封止）された辺材ブロックの吸収率は１０％低くなり、ＥＮ２５２杭の吸収率は２２％低くなった。さらに、６時間の期間の後真空引きの後におけるそれぞれの吸収率は、例１における２時間（２ｈ）と比較すると、それぞれ１２％および９％だけ減少した（合計で、それぞれ２２％および３１％の減少）。

図１に後真空引き状態の時間に対する化学的吸収（取込み）量の関係がプロットされており、その時間延長された真空引き工程によって、除去された量が２倍になった（５０ｋｇ／ｍ^３の代わりに約１００ｋｇ／ｍ^３となった）。

結果として得られたＷＰＧ（重量増加率）は、繊維組織露出端シールされたマツ辺材ブロックについて、７０％であり（３１５ｋｇ／ｍ^３）、また、シールされていないＥＮ２５２杭について約５０〜６０％（２６０〜３００ｋｇ／ｍ^３）であった。これとほぼ同じＷＰＧレベルが、２００５年６月に開始されたＥＮ２５２テスト用の最高のＷＰＧレベルの調合のウッドポリマーテクノロジーズで使用された水性（waterborne）ＦＡ５０混合物を用いて達成された。

繊維組織（木目）露出端シールされた純粋な辺材ブロックおよびＥＮ２５２杭の“中央切断”による断面を見ると、その繊維組織（木目）露出端シールされたブロックには勾配（gradient：傾斜）が存在するようであるが、ＥＮ２５２杭には勾配は存在しないように思われる（図２および３を参照）。

繊維組織（木目）露出端シールされたブナ材ブロックは、ＷＰＧ（重量増加率）３５％だけ（１９５ｋｇ／ｍ^３）を達成したが、その断面には明確な勾配が存在した。しかし、ブナ材について半径方向（radial）および接線方向（tangential）の浸透は低く（小さく）、長手方向の浸透は極端に大きい（４ｍの板材では、繊維組織露出端を通して（まで）完全に浸透するであろう）。

６０％および７０％の心材率（content：含有量、体積）を有するマツ材試料について、図４から分かるように、その心材における僅かな浸透が明確に存在した（ローリー法を用いた水性防腐剤を含浸させたＶｉｎｄｅｎおよびＭｃＱｕｉｒｅ（１９８１）およびＪｅｒｍｅｒ＆Ｓｅｂｒｉｎｇ（２００６）によって発見されたものと同様である）。これによって、辺材領域におけるＷＰＧ（重量増加率）を計算するのは難しくなるが、全体のＷＰＧは、それぞれ３９％および２８％（１６３および１２３ｋｇ／ｍ^３）であった。

図４の上側の標本は、中心に節（knot）を有し、その節の周囲の領域において浸透量が明らかに増加した。

図４から、その辺材のその効果が、心材のものと比較してより持続的に（永続的に）膨張することが、明らかに分かる（僅かな“Ｉ形梁”（I-beam）の効果が導かれる）。

また、６時間の真空引き状態の後、さらに２時間後にも同じ傾向が見られた。５分間置いた（放置した）とき、その表面から新しい液体が流出し続けた。従って、エタノールを１０％加えることによって粘度または粘性（viscosity）をより低くしようと試みることを決断して、それによって真空引き工程の後における吸収量がより大きく減少することを期待した。

例３：６０分加圧＋３６０分真空引き状態
これらの試行において、エタノール１０％をＦＡ１００混合物に加え、その加圧時間を僅かに増加させて、４５分に代えて６０分としたが、それでも標準９０分より短かくした。

その結果、初期の吸収量は、例２の場合よりも僅かに多かったが、これは、エタノールの添加に起因し得るが、より長い加圧時間の効果でもあり得る。しかし、真空引き工程における減少は、例２のものと比較すると、僅かに少なくなり（図２におけるＥＮ２５２杭と図４におけるものと比較）、２時間後には安定して横ばいになったように思われる。

その結果、繊維組織露出端シールされた純粋な辺材のＷＰＧ（重量増加率）は僅かにより低くかったが、その他のグループのＷＰＧはより高かった。特に、ブナ材について、およびマツ材における高いＨＷ（心材）／ＳＷ（辺材）比率のものについて、吸収量の劇的な増加が見られた（ブナ材におけるおよびマツ材の心材領域中へのより良好な浸透）。

ＥＮ２５２杭について、最終的なＷＰＧ（重量増加率）は、例１のものとほぼ同じ高さであり、これはあまり予期していなかったことであった。一つの理論は、真空引き工程の期間に主にエタノールが蒸発し、それによって、我々の希望に反してその木材中のＦＡの大部分を残す（leave）、というものである。それに対して、我々は、そのエタノールの助けによって、エタノールがない場合と比較して、ＦＡのより多くの量が除去されることを望んだ。しかし、明らかにそのようなことはなかった。

Claims

木材試料を改質する方法であって、
ａ．前記木材試料を、容器内に重合性低分子量フラン誘導体を含む含浸溶液に浸漬する工程と、
ｂ．前記容器を５乃至２９ｂａｒの範囲の圧力で３０乃至１２０分の範囲の時間だけ加圧状態にする工程と、
ｃ．その後、前記木材試料を、６０乃至６００分の範囲の時間だけ０．０１乃至０．５ｂａｒの範囲の真空状態にする工程と、
ｄ．前記含浸溶液を重合化する工程と、
を含む、方法。
前記木材を含浸溶液に浸漬する前に、前記木材試料を、２乃至６ｂａｒの範囲の圧力の加圧空気中に１０乃至３０分の範囲の時間だけ置く、請求項１に記載の方法。
前記重合性低分子量フラン誘導体は、フルフラール、フルフリルアルコール、ビスヒドロキシメチルフラン、またはそれらの組み合わせから選ばれるものである、請求項１または２に記載の方法。
前記容器は、１０乃至２９ｂａｒの範囲の圧力で３０乃至６０分の範囲の時間だけ加圧状態にされるものである、請求項３に記載の方法。
真空状態が０．１ｂａｒ以下であり４乃至６時間の範囲の時間だけ適用される、請求項４に記載の方法。
前記木材試料が板材である、請求項１に記載の方法。
請求項１の方法によって製造される木材製品。
請求項２の方法によって製造される木材製品。
請求項３の方法によって製造される木材製品。
木材標本に含浸溶液を含浸させる方法であって、
前記含浸溶液の保持率のレベルが重量増加百分率（ＷＰＧ）で３０乃至８０％で表され、
希釈剤で希釈されていない含浸溶液を用いて、前記木材標本を５乃至２９ｂａｒの範囲の圧力下で３０乃至１２０分の範囲の時間だけ含浸し、その後、０．０１乃至０．５ｂａｒの範囲の真空状態に６０乃至６００分の範囲の時間だけ置く、
方法。
前記含浸溶液が低分子量フラン誘導体を含む、請求項１０に記載の方法。