JP2013541444A - 木質複合材、その製造方法およびそれを含む製品 - Google Patents

Abstract

本発明は、２００ｋｇ／ｍ^３以上、５５０ｋｇ／ｍ^３以下の密度を有し、ＥＮ７８９に従った４点曲げ試験により測定された剛性が４０００以上１２０００ＭＰａ以下である木質複合材に関する。木質複合材は、２０を超える微細係数を有するマクロ繊維と、発結合材と、を備え、結合材は、発泡構造を有する。

Description

実施形態は、支持要素の製造に適した木質複合材、その製造方法およびそれを含む製品に関する。

材料の自重は、曲げを受ける支持要素において、重要な材料パラメータである。自重により生じる反りが小さいために、十分な強度と剛性を有し低密度の材料は、同じ機械的特性を有する高密度の材料に比べて利点を有する。

剛性と強度とを同時に維持しながら材料の重量を軽くする密度の低減は、人間工学および物流において多くの利点をもたらす。低重量化に伴う利点および省力は、初期の対応、例えば、輸送および吊り上げ装置の要員、設計およびエネルギー消費への対応に始まり、例えば、構造部品の組み立てのようなエンドユーズに至る取り扱い、または、さらなる処理を通じた全ての段階において継続し、適応可能であれば、廃棄まで継続する。

近年、木質複合材の密度を低減する様々な試みがなされてきた。建設資材である木質の軽量フレームのほとんど全ての背景にある基本的なアイディアは、多層のサンドイッチ構造である。この方式では、心材が主としてせん断力および垂直抗力を伝達し、被覆部において、強く、堅い材料、もしくは、中空でない木質要素が、圧力および張力を吸収する。

そして、木質材料の業界では、例えば、何十年もの間、市場に存在している紙製のハニカムプレートが、今、新しい開発および改善を通して見直されている。これらの材料は、非常に低密度あるが、その機械的特性および耐水性を欠く点において、支持目的に使用することはできない。

サンドイッチ構造、および、発泡体に似たコアを有する軽量材料により改善した特性が得られている。しかしながら、低密度の心材に加わる高いせん断負荷のために、曲げ負荷に対するせん断強度を欠き、重度の変形が生じる。さらに、強度特性は、支持要素としての使用に殆ど適用できないものである。

現状のマクロ繊維および結合材からなる木質複合材の製造では、撚り糸、粒子または繊維が結合材の中に埋め込まれる。続いて、圧縮過程を通して圧縮され、加熱された加圧板により結合材を硬化させる。この過程では、特に圧力板の辺縁において大きな圧縮が生じる。そして、通常の合板や繊維板、ＯＳＢ（Oriented Strand Board）等のような板材、および、Quetschholz、スクリンバ（scrimber）、TimTek、Srimtec、ＳＳＴ等の特殊な木質材料は、多かれ少なかれ板の厚み方向に独特な密度プロファイルを有する。密度プロファイルの大部分を欠くケースでは、すべての材料が強く圧縮されるか、または、非常に低密度の板材（例えば、軽量木材ウールパネル、低密度合板など）であり、その低い強度のために支持目的の材料とは比較できない。

上記のように、通常の板材、および、Quetschholzやスクリンバ、TimTek、Srimtec、ＳＳＴのような特殊な木質材料は、製造過程において大きな圧縮を受ける。この圧縮処理は、高密度化のほかに、木の細胞組織の圧縮（細胞破壊）を伴う。そのような変形は、水分を吸収すれば、木の吸湿性および細胞壁の膨張により部分的に回復する。しかしながら、圧縮された部分、そして、板材全体の強い膨張を伴う。

さらに、この製造方法では、圧縮のために、板材を硬化させるための熱をパネル内部へ導入することが難しい。このため、これらの製造方法では、通常、適切な熱伝導を確保するために、スチームショック（蒸気衝撃）を用いる。しかしながら、スチームショックを用いることにより、マクロ繊維および結合材、もしくは、そのいずれかは、多くの（残留）水分を有する。所謂スチームショックを用いなければ、板材の製造（特に、低密度の板材の製造）の技術的な実施には困難を伴うだけである。

多くの試みにもかかわらず、支持要素として適合する低密度と剛性を兼ね備え、その製造において圧縮の欠点を回避できる木質複合材は商業的に利用可能ではない。したがって、そのような木質複合材の利用を可能とすることを目的とする。

この目的は、本発明に従って、２００〜５５０キログラム（ｋｇ）／立法メートル（ｍ^３）の密度を有し、ＥＮ７８９に従った４点の曲げ試験で計測される剛性が４０００〜１２０００メガパスカル（ＭＰａ）である木質複合材により達成される。その木質複合材は、細長比（slenderness ratio：繊維の厚さに対する長さの比）が２０を超えるマクロ繊維と、結合材と、を備え、結合材は、発泡構造を含む。

本発明の木質複合材は、２００〜５５０ｋｇ／ｍ^３、好ましくは、３００〜５５０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する。ＥＮ７８９に従った４点曲げ試験により測定される剛性は、４０００〜１２０００ＭＰａであり、好ましくは５０００〜１２０００ＭＰａ、より好ましくは６０００〜１２０００ＭＰａである。より好ましい実施形態では、木質複合材は、３００〜５５０ｋｇ／ｍ^３、および、６０００〜１２０００ＭＰａの剛性を有する。

本発明の木質複合材は、細長比（繊維の厚さに対する長さの比）が２０を超える木のマクロ繊維を含む。

使用されるマクロ繊維は、好ましくは１００〜４００ナノメートル（ｎｍ）の長さを有し、より好ましくは１５０〜３００ｎｍである。しかし、使用される繊維は、製造上の理由からある量のより短い繊維を含むことを排除できないことは、当業者にとって自明である。

本発明の木質複合材は、硬化した状態で発泡構造を有する結合材をさらに含む。結合材は、好ましくは、主として微細孔を含む発泡構造を有する。より好ましくは、微細孔の９０〜９５％は、材料の断面において顕微鏡を用いて測定されるサイズが３０〜５００マイクロメートル（μｍ）、より好ましくは５０〜３００μｍの範囲にある。

好ましい実施形態では、本発明の木質複合材に用いられる結合材は、拘束のない状態で発泡させると、３０〜３００ｋｇ／ｍ^３の密度、好ましくは、８０〜２００ｋｇ／ｍ^３の密度を有する発泡体を形成する。

拘束のない発泡による密度を得るためには、上面に開口を有する容器に未反応の結合材が注ぎ込まれる。結合材は、化学反応により発泡し、開口を通して自由に拡がることができる。そして、硬化させた後、あふれ出た発泡体は、ナイフできれいに削ぎ落とされる。拘束なしに発泡した結合材の密度は、予め測定された体積、および、容器の風袋重量、発泡体で満たされた容器の重量により計算される。

本発明では、好ましくは、閉ざされた細孔を有する発泡構造を形成する結合材が用いられる。本発明の木質複合材では、繊維は、事実上、全てが発泡体に包含され、繊維間の空隙は実質的に泡で満たされるため、発泡体の閉じられた細孔構造は、湿気の侵入を低減もしくは完全に防ぐ。結果として、木質複合材は、湿気に晒された場合に、例えば、膨張がわずかであるなどの有利な性質を示す。

これにより、本発明の木質複合材は、湿気に晒された時、通常の木質材料に比べて著しくその膨張が抑制される。通常の木質材料は、使用される無垢材の膨張に比べると著しく膨張するが、これは、中空でない木材の膨張範囲、もしくは、それ以下である。例えば、スプルース（spruce）の繊維を用いた場合、ＤＩＮ５２３６４に従った厚さ方向の膨張の測定値は、２．７％と６％の間になる。そして、ＥＮ３１７に従えば、１．５％と５％の間である。これに対して、ＤＩＮ５２３６４に従った中空でないスプルースの膨張の測定値も４〜６％である。一方、対応する合板またはＯＳＢの膨張測定は、７％〜３０％を示している。

木質複合材の膨張をさらに低減するためには、さらなる処理の前に、使用される繊維を適切な方法により変形することができる。そのような方法は、例えば、アセチル化、メラミン樹脂またはＤＭＤＨＥＵのような適切な樹脂または化学物質を用いた含浸、熱変性、または、他の公知の膨張抑制の手段である。これにより、湿気の吸収による繊維の膨張は低減され、木質複合材の全体の膨張は、かなり低減される。そして、２％〜４％以下の膨張値を得ることができる。本発明に係る木質複合材に用いられるマクロ繊維は、厚さが薄いため容易に含浸させることができる。一方、中空でない木材の改質は、木材の含浸性の欠如により失敗する場合がある。

さらに、化学的な方法では、木の含浸の後に、熱処理が必要とされる場合がある。ここでも、本発明に使用されるマクロ繊維の小さな寸法は、熱が木全体をより早く包み込むため、無垢材と比較して優位であることを示す。そのような変形に求められる熱処理は、本発明に係る木質複合材の製造過程に、部分的に、もしくは、全体的としても優位に統合することができる。

発明に係る結合材として、ポリマーベースの結合材が好適に使用される。例えば、エポキシ樹脂、イソシアネート（ポリウレタンを含む）、メラミン、尿素、フェノール樹脂発泡体もしくはそれらの混合物を用いる。ポリウレタンシステム、例えば、単成分もしくは多成分のポリウレタンシステム、特に２成分のポリウレタンシステムは、より好適に用いられる。また、ポリスチレン（例えば、ＥＰＳまたはＥＰＸ）のような熱可塑性の発泡体を用いることもできる。

さらに好ましい実施形態では、発明に係る木質複合材は、例えば、電磁場により励起できる酸化鉄粒子のような粒子を付加的に含有することも可能である。そのような粒子を用いる場合、電磁場（例えば、誘導、電磁波、高周波、放射など）を与えることにより、結合材の発泡および硬化過程を開始し、促進すること、もしくは、そのいずれかが可能となる。その粒子は、木質複合材の製造の前に、有効に結合材に包含させることができる。また、別々に挿入しても良い。

また、結合材の発泡および硬化を開始し、促進するため、もしくは、そのいずれかのために、熱、ホットエアーまたは蒸気を用いても良い。

さらに、本発明に係る木質複合材は、例えば、発泡剤、フィラー、色素、強化繊維（ナノ、マイクロもしくはマクロ繊維）、耐火剤もしくは木質保護剤、および、膨張を抑制するための薬品など、好適な添加剤を含むことができる。これらの添加剤は、結合材に加えても良いし、材料に別々に包含させても良い。当業者に知られているように、そのような添加剤は、硬度またはせん断強度、耐久性、耐湿性を高めるなどの特別な性質を木質複合材に与える。

本発明に係る木質複合材は、次のステップを備える方法により得ることができる。
ａ）マクロ繊維の製造
ｂ）マクロ繊維の整列
ｃ）結合材の塗布
ｄ）圧縮
ｅ）結合材の発泡

本発明に係る方法では、結合材は、整列させたマクロ繊維に塗布される（ステップａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅの順）。また、マクロ繊維を整列させる前に結合材を塗布しても良い(ステップａ、ｃ、ｂ、ｄおよびｅの順)。

その方法は、例えば、コイルプレス（coil press）法により、連続して有利に実施することができる。

本発明の木質複合材を製造するには、マクロ繊維は、乾燥され、プレス板もしくはプレス金型の上に、ほとんどが一方向に向くように（平行に）並べられる。結合材は、整列されたマクロ繊維の間およびその上、もしくは、そのいずれかに塗布される。結合材の塗布は、スプレイ、接着装置またはチップ混合器のような木材産業において確立された方法を用いて実行することができる。

本発明に係る方法の好ましい実施形態では、結合材を発泡させる時間は、その過程が主としてプレス機が閉じられた後にのみ開始されるように制御される。すなわち、結合材のシステムは化学的に制御され、発泡による膨張が有意となる前にプレス機もしくはプレス金型を閉じることができるように、発泡の開始時間を遅らせる。

プレス機もしくはプレス金型を閉じる場合、マクロ繊維は、製造される木質複合材の密度が使用された木材の密度から大きく外れないように、最低限の圧縮を受けるだけにすることが好ましい。その結果、使用された木材の膨張範囲内もしくはそれを下回る膨張値が得られる。これは、大部分が高圧縮され、主として水に触れた場合に使用された木材よりも著しく膨張する通常の木質材料との比較において重要な利点となる。

閉じられたプレス金型またはプレス機の内部では、外側から加えられた成形圧力が働く一方で、結合材がマクロ繊維のネットワークのほぼ全体に浸透し、マクロ繊維の表面をほぼ完全に濡らすように、結合材の発泡を通じて内側から成形圧力が生じる。この結果、マクロ繊維は、結合基材に囲まれ、それにより湿気の吸収から十分に保護される。

結合材は、その膨張によりマクロ繊維のネットワークに導入されるので、均一な密度を持った非常に均質な材料が形成される。そこでは、実質的に全ての隙間（void spaces）が発泡構造で満たされ、繊維が実質的に完全に発泡体に囲まれる（封じられる）。

さらに、本発明に係る方法は、特に、結合材として２成分のポリウレタンシステムを用いた場合に、初期の硬化が無視できるほどの熱の供給で済む点で有利である。必要とされる熱は、マクロ繊維の軽度の予備加熱（例えば、３０〜９０℃、好ましくは、５０℃）により供給することができる。

結合材は、その硬化の直前にマクロ繊維に接触するので、本質的に結合材の１００％が、チップの接着および封じに利用できる。

結合材システムが圧縮機の中で完全に硬化するように制御できるとすれば、プレス機を速やかに開くことができる。本発明に係る木質複合材のパネルは、完全に硬化しない場合でも、所謂、分裂（splitters）により破壊されることはない。後続の硬化過程があるとしても、本発明に係る木質複合材は、いくらか膨張するだけである。

本発明に係る木質複合材は、チップボードまたはＯＳＢなどのような無垢材もしくは木質材料から生産される全ての製品に適合する。本発明に係る木質複合材を用いると、その低密度により、この方法で生産された製品の低重量化を実現できる。

本発明に係る木質複合材の使用は、重量は別として、特に、湿気に晒らされている間の寸法の安定性、および、剛性が重要な製品に対して有利である。野外の保護のない使用の観点から、そのような製品には、
・型枠の桁、および、そのフランジ、ウェブのような部品などの型枠製品
・コートまたは非コートの型枠板、および、その心材または被覆層のような部材
・作業用および防御用の足場のための踏板
・踏板を形成もしくは支持するための型枠製品であって、１次元、２次元および３次元形状において円形もしくは平板形状である型枠製品
・消失した型枠、または、構造体に残るその部分
が含まれる。

本発明に係る木質複合材から有利に生産される他の製品には、
・中空でない材料から作られるか、もしくは、空洞を有する木質の建築用桁、または、フランジ、ウェブのようなその部品（利点；低重量、無垢材に見られるコブのような欠陥のない均質性；桁の製造における選択肢（Ｉビーム、または、金属桁に似た他の最適化された断面））
・木質構造パネルおよび家具用構造パネル（利点；低重量および経済的な製造キャパシティを兼ね備え、強度、膨張、耐湿性に関し合板に似た特性を有する）
・木質構造パネルの部品（被覆材、心材）
・平行に配列された繊維を含むブロックを繊維に対して垂直方向に切断することにより製造された、大部分が垂直方向を向いた繊維を含む心材（利点：低重量、実質的に厚さ方向の膨張が無いこと、経済的な生産性（例えば、繊維組織の端が露出したバルサ材の代替））
・ベニヤような適合する材料からなる耐性のある被覆層を有し、特に軽量なマクロ繊維の心材から作られたサンドイッチ構造のパネル、合板、または、縦もしくは平面の木目を有する心材を用いたアクリルパネルでも良い
・壁もしくは天井に用いられる５ｃｍ〜２０ｃｍの厚さを有する厚手の木質パネル（利点：重量、断熱、強度、耐湿性）
・空洞を有する厚手の木質パネル（利点：上記に同じ、いくらか軽量、材料の節約）
・構造部品、窓、ドアおよび家具に用いられる中空ではない材料から作られた複数の部分品、または、空洞を有する複数の部分品（利点：材料の無駄なしに製造可能、重量、強度）
・車両製造用のパネル、梁、および、部分品（利点：重量、強度、耐湿性）
・車両製造における木質構造、および、室内装飾、家具のための円形および平板状の２次元および３次元成形部品（利点：実質的にいかなる形状も製造可能、強度、重量）
が含まれる。

マクロ繊維は、約１２％の材料湿度（timber humidity）となるように、暖気（５０℃）により乾燥され、雰囲気温度２０℃、相対湿度６５％において数日間保管される。２１０ｇのマクロ繊維をできるだけ精密に相互に平行となるように並べる。繊維の５０％は、５０℃に加熱されたアルミ金型（３０×１２ｃｍ）に載置され、６０ｇの２成分ポリウレタン（RAMPF No. 80 L86/4-1）に均一に濡らされる。そして、残りの５０％の繊維は、その金型に載置され、挿入されたマクロ繊維が１６ｍｍの高さに圧縮されるように金型を閉じる。木質中の利用可能な水分とポリウレタンの２つの成分が化学反応し、強く発泡する。３０分後、発泡体は完全に硬化され、金型から木質複合材を取り出すことができる。

Claims (16)

1. 細長比（繊維の厚さに対する長さの比）が２０を超えるマクロ繊維と、
   発泡構造を含む結合材と、
   を備え、
   ２００ｋｇ／ｍ^３以上、５５０ｋｇ／ｍ^３以下、好ましくは３００ｋｇ／ｍ^３以上、５５０ｋｇ／ｍ^３以下の密度を有し、
   ＥＮ７８９に従った４点曲げ試験により測定された剛性は、４０００以上１２０００ＭＰａ以下、好ましくは５０００ＭＰａ以上、１２０００ＭＰａ以下、より好ましくは６０００ＭＰａ以上、１２０００ＭＰａ以下である木質複合材。
2. 前記結合材は、主として微細孔を有する発泡構造を有し、９０％以上、９５％以下の微細孔が３０マイクロメートル（μｍ）以上、５００μｍ以下、好ましくは、５０μｍ以上、３００μｍ以下のサイズである発泡構造を含む請求項１記載の木質複合材。
3. 前記結合材は、拘束のない発泡条件において、３０ｋｇ／ｍ^３以上、３００ｋｇ／ｍ^３以下、好ましくは８０ｋｇ／ｍ^３以上、３００ｋｇ／ｍ^３以下の密度を有する発泡体を形成する請求項１または２に記載の木質複合材。
4. 前記結合材は、ポリウレタンシステムを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の木質複合材。
5. 電磁界により励起される粒子、好ましくは酸化鉄粒子をさらに含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の木質複合材。
6. ＥＮ３１７に従った厚さ方向の膨張は、５％以下、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の木質複合材。
7. 前記マクロ繊維は変形される請求項１〜６のいずれか１つに記載の木質複合材。
8. マクロ繊維を形成し、
   前記マクロ繊維を整列させ、
   結合材を塗布し、
   プレス機を閉じ、
   前記結合材を発泡させる請求項１〜７に従った木質複合材の製造方法。
9. 前記結合材システムは、主として前記プレス機が閉じられた後のみに発泡過程が開始されるように制御される請求項８記載の製造方法。
10. 前記発泡および硬化の過程は、電磁界により開始および促進され、もしくは、そのいずれかである請求項８または９に記載の製造方法。
11. 前記結合材に加えて、電磁界により励起されることが可能な粒子が塗布される請求項１０記載の製造方法。
12. 前記粒子は、前記結合材に含まれる請求項１１記載の製造方法。
13. 前記発泡および硬化の過程は、熱、ホットエアーまたは蒸気により開始および促進され、もしくは、そのいずれかである請求項８または９に記載の製造方法。
14. 例えば、コイルプレス法を用いた連続過程として実行される請求項８〜１３のいずれか１つに記載の製造方法。
15. 請求項８〜１４のいずれか１つに従った製造方法により得られる請求項１〜７のいずれか１つに記載の木質複合材。
16. 型枠製品およびその部品；コートもしくは非コートの型枠パネル、および、その部品；作業用もしくは保護用の足場の踏板、踏板を形成もしくは支持するための１次元、２次元もしくは３次元形状であって円形もしくは平板状の型枠製品；消失した型枠、もしくは、構造体に残るその部分；建築用木質桁またはその部分；木質構造パネル；家具用構造パネル；厚手の木質パネル；部分品；車両製造用のパネル、梁および部分品；および成形部品から特に選択された請求項１〜７および１５のいずれか１つに記載の木質複合材を含む製品。