JP2012066449A - 木質系複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】密度の割に曲げ強さ、曲げ弾性係数等の機械的強度の高い木質系複合材料を提供する。
【解決手段】上記木質系複合材料を、毛羽立たせたアスペクト比５．０以上の間伐材ストランドが９８％以上からなる木質材料片が接着剤を介し配向積層され、さらに熱圧成形されて接着剤により木質材料片同士が結合されてなるものとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、木質系複合材料に関し、さらに詳しくは密度の割に曲げ強さ、曲げ弾性係数等の機械的強度の高い木質系複合材料に関する。

従来、一般的には、コスト面から、木質系複合材料における木質材料片として、建築物解体廃材に由来する長さ／厚さ比の小さい短チップが多用されている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、このような短チップを接着剤を介し配向積層させ、さらに熱圧成形させてなる木質系複合材料は密度が高い割には強度が低いという問題があった。

特公昭５０−１７５１２号公報

本発明の課題は、このような事情の下、密度の割に曲げ強さ、曲げ弾性係数等の機械的強度の高い木質系複合材料を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、木質系複合材料において、その原材料の木質材料片として特定の間伐材ストランドを用いることにより、上記課題が達成されることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、毛羽立たせたアスペクト比５．０以上の間伐材ストランドが９８％以上からなる木質材料片が接着剤を介し配向積層され、さらに熱圧成形されて接着剤により木質材料片同士が結合されてなる木質系複合材料が提供される。

本発明の木質系複合材料によれば、密度の割に曲げ強さ、曲げ弾性係数等の機械的強度が高いという顕著な効果が奏される。

本発明の木質系複合材料は、木質材料片に毛羽立たせたアスペクト比５．０以上の間伐材ストランドが９８％以上からなるものが用いられ、この特定の木質材料片が接着剤を介し配向積層され、さらに熱圧成形されて接着剤により木質材料片同士が結合されてなることで特徴付けられる。

上記間伐材ストランドは、その長さと厚さとの比、すなわちアスペクト比が５．０以上、好ましくは１０〜４０で、毛羽立ちを有するものである。アスペクト比が５．０未満であると、木質系複合材料の軸方向の強度が不十分となる恐れがある。

毛羽立たせたストランドは、繊維飽和点以上の含水率を有する間伐材を、一軸破砕機、二軸破砕機、又はハンマー式破砕機で繊維を割くように破砕することにより作製することができる。

間伐材ストランドの原材料の間伐材の樹種としては、主に、スギ、ヒノキ、マツ、スプルース、ファー、ヘムロック、パイン等の針葉樹、シラカバ、ポプラ、アスペン、ユーカリ等の広葉樹が挙げられる。

木質材料片は、比重が０．３〜０．６であることが好ましい。
また、木質材料片は、含水率を一定にすることが好ましい。含水率を一定にすることで生産時の木質系複合材料の品質バラツキがなくなる。好ましい含水率としては、０〜１０％である。含水率を一定にする方法としては、例えば、温調したオーブン中に一定時間木質材料片を放置する方法が挙げられる。因みに、１０５℃のオーブンに２４時間放置すると、含水率はほぼ５％以下に保たれる。

木質材料片は、その厚さが不揃いの場合は、一定範囲の厚さに分級するのがよい。分級方法は、一定範囲の厚さで分級できるものであれば特に限定されないが、例えば、ウェーブローラー方式、バースクリーン方式等の分級機を用いて分級する方法が挙げられる。

上記接着剤としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、イソシアネート樹脂、酢酸ビニル系樹脂等の熱硬化型樹脂や熱可塑型樹脂系の接着剤や、天然物成分もしくは天然物から精製、抽出、変性等によって得られる天然物由来の接着剤のような合板やパーティクルボード等に用いられる木材工業用の接着剤が挙げられる。
天然物由来の接着剤としては、具体的には、ゼラチン、カゼイングルー、大豆グルー、にかわ、アルブミン等のタンパク質系接着剤、でんぷん、デキストリン、米糊、グルコマンナンなどのデンプン系接着剤、キチン・キトサンなどの動物系接着剤、セルロース系接着剤、リグニン系接着剤、タンニン系接着剤などが挙げられる。
これらの接着剤は、一種単独で用いてもよいし、また、又は複数種を併用してもよい。
また、接着剤は、液状でも粉末状でも構わないが、液状の場合は一般に木質材料片に噴霧したり、木質材料片と撹拌混合して予め木質材料片に担持させた状態で、フォーミング型に供給され、粉末状の場合は、一般に木質材料片と均一に混合した状態で、フォーミング型に供給され、フォーミング型により木質材料片は長さ方向に略揃えて積層される。
特に、タンニン系接着剤は、天然木材からの抽出成分であるので木質材料片との親和性が良く、また、適度の粘着性を有し、更に、硬化すると高強度になるので好ましい。タンニン系接着剤はタンニン単独使用で加熱等によって硬化させてもよいが、耐久性が要求される用途においては、アルデヒド系化合物やイソシアネート系化合物、エポキシ系化合物などの架橋剤を併用することが好ましい。タンニン系接着剤を抽出する樹種は特に限定されないが、ラジアータパインやブラックワトル、ミモザ、ケブラチョ、チェスナッツから採取されるものが好ましい。木材から抽出したタンニンが固体の場合には、必要に応じて水や有機溶媒に溶解又は分散させて使用することができる。

接着剤は、木質材料片に対し、質量基準で１〜２０％の範囲で用いるのが好ましい。この接着剤の用量が少なすぎると、接着が不十分となるし、また、多すぎても材料コストが嵩む割に接着性能が上がらず、外観や釘打ち性能が低下する、外観が木質的でなくなるなどの問題がある。

上記のようにして得られた接着剤付き木質材料片をフォーミング型に投入する方法としては、オリエンテッド・ストランド・ボード（ＯＳＢ）等の既存の木質系成形材料の製造装置で用いられるディスクオリエンター等の公知の配向手段をフォーミング型の上方に配置し、この配向手段により配向させながら投入する方法が使用できるが、上部の投入口から接着剤付き木質材料片が投入されスリット状の排出口に向かって幅が縮小する内面形状（嘴形状）の配向部を有するホッパをその排出口が各分割枠部の上部開口を臨むようにフォーミング型の上方に配置し、ホッパを介して投入する方法を用いることが好ましい。その他、幅方向に樋状体を並設させて、凹凸溝形状として、溝を流れることで並べる方法を用いることが可能である。

すなわち、上記のようなホッパを用いることによって、フォーミング型の各分割枠部に効率よく、すなわち、ロスなく接着剤付き木質材料片を供給することが可能になる。ホッパの内面形状はフォーミング型の形状により決まってくるが、接着剤付き木質材料片が詰まらない形状であれば良い。具体的には、排出口のスリット幅を１５ｍｍ以上で分割枠部の内幅より小さい形状であることが好ましい。

フォーミング型の形状は、得ようとする木質系複合材料によって適宜決定されるが、例えば、１０００×５００×３０ｍｍの板形状の木質系複合材料を得る場合は、フォーミング型により１０００×５００×１００ｍｍ程度の積層マットを形成させるのが好ましい。すなわち、積層マットの縦、横の寸法は、得ようとする木質系複合材料の縦、横と同じ寸法或いは、少し大きめで作製しておき、積層マットの厚さは少なくとも得ようとする木質系複合材料の３倍以上の厚さとすることが好ましい。

また、フォーミング型に一定間隔の分割枠部を形成する方法としては、特に規定されるものではないが、得ようとする木質系複合材料の縦、横と同じ寸法或いは、少し大きめの枠状をした型本体内部を厚さ数ｍｍの金属板を用いて仕切る程度でよい。分割する方向については、木質材料片を配向させた方向と配向と直角方向では強度特性が異なるため、必要な成形品により決まる。因みに、上記のような１０００×５００×３０ｍｍの板形状の木質系複合材料を得る場合なら、１０００×５００×１００ｍｍの枠状をしたフォーミング型本体内を高さ１００ｍｍの１９枚の仕切り板を用いて、幅方向（５００ｍｍ側）に２０ｍｍの一定間隔で仕切ったようなフォーミング型を用いることが好ましい。また、仕切り板は、フォーミング型本体に固定されていても構わないし、着脱自在になっていても構わない。

また、木質材料片の厚さと分割枠部の内幅には、高強度の木質系複合材料を得るためにより好ましい関係があり、例えば、木質材料片の厚さが１ｍｍ〜１１ｍｍである場合、フォーミング型の分割枠部の内幅を２０ｍｍ〜４０ｍｍとすることが好ましく、木質材料片の厚さが３ｍｍ〜５ｍｍである場合、フォーミング型の分割枠部の内幅を２０ｍｍ〜３０ｍｍとすることが好ましい。

分割枠部の内幅が狭過ぎると、分割枠部内にきれいに木質材料片が落ちず、自動で生産する場合トラブルになりやすく、分割枠部の内幅が広過ぎると、木質材料片が配向しにくくなり、配向方向での必要強度がでなくなる恐れがある。フォーミング型で配向された木質材料片からなるマットは、フォーミング型全体を取り外すか、フォーミング型本体を残し仕切り壁となる仕切り板のみを取り外した状態で加圧・加熱可能なプレス機へ投入されてプレスされるが、仕切り板やフォーミング型を取り外した時に、木質材料片の積層状態が崩れる場合には、予め、フォーミング型に崩れ防止シートを配置しておき、そのシートごとプレス成形することも可能である。即ち、例えば、崩れ防止シートとして新聞紙をフォーミング型内に敷いておき、フォーミング型を取り外す際、マットを新聞紙でくるみ、紐や粘着テープで固定した状態でプレス成形してもよい。

熱圧成形については加熱加圧するものであれば特に限定されないが、加圧は、通常、プレス機による機械的加圧で圧縮することより行われる。例えば、プレス機であれば、既存の木質系材料成形用の縦型プレス機や連続プレス機を垂直方向動作にしたものを用いることができる。プレス機の温度条件は、通常１００〜２５０℃の範囲が好ましい。圧力条件は、１〜１０ＭＰａの範囲が好ましい。プレス時間は、接着剤が硬化する時間であればよい。１ＭＰａ未満であると、充分に圧縮できないし、また、１０ＭＰａを超えると、プレスのための設備が高価になる。プレス時間は、接着剤が硬化するまでの時間、加熱と圧力を加えればよい。

加熱は、通常１００〜２５０℃の範囲が好ましい。加熱方法としては、特に限定されないが、例えば熱盤のように木質材料片の表面から伝熱により内部に熱を伝える方法や、蒸気噴射や高周波加熱等のように内部を直接加熱する方法が挙げられる。加熱と加圧とは、同時に行ってもよいし、加圧をした後に加熱をしてもよいし、加熱した後に加圧してもよい。蒸気で加熱する場合は、例えば０．５〜２ＭＰａの圧力で蒸気を噴射する。０．５ＭＰａ未満では、木質材料片が軟化しにくく、圧縮しにくくなるし、２ＭＰａを超えると、設備が大型化しすぎて現実的ではない。

さらに、本発明の木質系複合材料を製造する場合、プレス成形後、得られる木質系複合材料の寸法精度や表面性を向上させるために、切削、サンディング加工を行うことが好ましい。
熱圧成形は、蒸気により加熱しつつ圧縮することによって行うのが好ましい。

本発明の木質系複合材料は、種々の用途に用いられ、例えば、構造材（柱、梁、土台等）、準構造材（間柱、根太、胴縁、大引、垂木、野縁等）、造作材（建具、階段、枠材、天井、棚板等）、造作芯材（壁芯材等）、（表）面材（床材、壁材、天井材等）などに好適に用いられる。

以下に実施例により、本発明を具体的に詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。

本発明の木質系複合材料及び比較のための木質系複合材料を以下のようにして作製し、これについて、下記のとおり評価試験を行った。

（実施例１）
スギ間伐材ストランドを以下のようにして、作製した。
まず、スギ間伐材の樹皮をバーカーで除去する。剥皮された間伐材を長さ約１，４００ｍｍに切断し、ロータリープレスクラッシャー（御池鐵工所社製の破砕機）で破砕し、ストランドを得た。
上記のようにして得られた間伐材ストランドを用い、以下のようにして、木質系複合材料を作製した。
間伐材ストランドを、ダイナゲージスクリーン式分級機（ウノサワ社製）、およびウェーブローラー式分級機（たいへい社製）を用いて分級し、木質材料片（平均サイズ４．０×８．１×７５．９ｍｍ、変動係数３４％）を採取した。次に、この分級された木質材料片をドラムブレンダーに投入し、接着剤としてイソシアネート系接着剤を、木質材料片に対して７％の割合となるようにブレンダー内に噴霧し、木質材料片表面に塗布した。
こうして接着剤の塗布された木質材料片を、配向装置を用いて、配向及び積層を行った。配向装置の配向金型は、厚さ２ｍｍの鋼板を、間隔方向が木質材料片の搬送方向と平行となるように、２４ｍｍ間隔に並列に立設し、全体を縦５００ｍｍ、横５００ｍｍ、高さ１６０ｍｍとなるように配置したものである。この上から上記木質材料片を投入して、コール板上に、厚さ１６０ｍｍの配向された積層木質マットを得た。

積層木質マットを載せたコール板を、プレス成形装置（ジンペルカンプ社製、１００トンプレス成形装置、蒸気加熱タイプ）の下側加圧熱盤の上面の所定位置に配置し、上側加圧熱盤を積層木質マット上面に接触させ更に加圧して積層木質マットを圧縮した。下側加圧熱盤の平面寸法は、縦６００ｍｍ、横６００ｍｍ、高さ４００ｍｍである。

さらに、加熱水蒸気を、上下の加圧熱盤の温度をそれぞれ１８０℃、加圧圧力を３．０ＭＰａとして加熱、加圧しながら、０．９ＭＰａ×１８０℃の水蒸気を供給して温度を維持し、加圧圧力を１分間継続して保持し、熱圧成形した。
次いで、加圧熱盤を冷却後、上側加圧熱盤を上方に移動して、密度０．６５ｇ／ｃｍ^３の木質系複合材料を得た。
得られた木質系複合材料の曲げ強さ及び曲げ弾性係数はそれぞれ３９．０ＭＰａ及び８．６ＧＰａであった。
なお、曲げ強さ、曲げ弾性係数は、ＪＩＳ Ａ５９０８を参考に、中央１点荷重にて、スパン３９０ｍｍ（厚さの１５倍）、荷重速度１０ｍｍ／ｍｉｎで荷重を加えたときの最大荷重、比例域における荷重―ひずみを測定する試験方法により、算出した。

（比較例１）
間伐材ストランドに代えて、住宅解体材処理業者から購入した、木質短チップ（平均サイズ２．４×４．２×２６．３ｍｍ、変動係数５１％）を用いたこと以外は実施例1と同様にして密度０．６６ｇ／ｃｍ^３の木質系複合材料を得た。
得られた木質系複合材料の曲げ強さ及び曲げ弾性係数は、実施例と同様の試験方法により、それぞれ２１．０ＭＰａ及び５．０ＧＰａであった。

これらより、実施例の木質系複合材料の方が、比較例のそれより、密度が多少低いにもかかわらず、曲げ強さ、曲げ弾性係数等の強度に隔絶して優れることが分かる。

本発明は、密度の割に曲げ強さ、曲げ弾性係数等の機械的強度の高い木質系複合材料を提供することができるので、産業上大いに有用である。

Claims (1)

1. 毛羽立たせたアスペクト比５．０以上の間伐材ストランドが９８％以上からなる木質材料片が接着剤を介し配向積層され、さらに熱圧成形されて接着剤により木質材料片同士が結合されてなる木質系複合材料。