JP2016027958A - 木材成分のアセチル化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】変化する気候条件の影響下において膨張挙動が低減されかつ天候又は生物攻撃の影響下で腐敗又は分解しない木材系複合材製品を提供する。【解決手段】木材チップ等木材成分にたいし真空を印加し内在ガスを除去し、次いで、３０〜１９０℃、常圧〜１５ｂａｒｇの条件で無水酢酸で最大８０分間処理し、次いで、１〜５ｂａｒｇの条件で無水酢酸と又は無水酢酸及び酢酸の混合物と混合されうる不活性ガスで、５〜３００分間、１５０〜１９０℃に加熱してアセチル化木材成分を作製し、次いで、アセチル化木材成分を複合木材製品に成形するステージを含む、方法。【選択図】なし

Description

本発明は、無地の又は装飾の施された板材（sheets）及び／又は繰形（mouldings）に関し、特に、木材のストランド、パーティクル、繊維及び／又はセルロール繊維からなるシングル又はマルチラップ・コア層をプレスしたものであって、かかる木材成分（wood elements）がアセチル化、合成樹脂バインダーによる含浸、熱硬化及びプレスされてなる屋内又は屋外用の板材及び／又は繰形に関する。
以下、便宜上、上述のような板材及び繰形を「複合材（composite）」という。これらには、スプルースやパイン等の軟材から主に作製される、中密度繊維板、配向性ストランドボード、パーティクルボード等のエンジニアード・ウッド製品が含まれる。
このような複合材を含む物品は、建物の外壁クラッディング；外部羽目板用途；網、筋かい、壁、屋根、床における構造物用途；バルコニーのクラッディング；胸壁パネルや腰壁パネルのクラッディング；壁や家具の内部ライニング；ウェットルームや実験装置の内部ライニングに使用することができる。
複合材の表面は、無地であっても、コーティング又はラミネートベニアからなる化粧層で仕上げられてもよい。
従来、合成樹脂又はセメントを母材とした、木材チップや木材繊維からなる板材が開示されている。このような板材は、一般的に密度が均一であり、また湿気のある屋外や屋内の用途には通常適していない。また、いずれもメンテナンス・フリーではなく、端部や表面からの水分の吸収が激しいため、通常、全側面を後処理する必要がある。水の吸収は激しい膨張を引き起こし、板材の寸法が大きくなったり、材料の機械的強度が実質的に失われることがある。
また、これら材料は耐候性の点でも不十分である。耐候性試験２〜３週間後、激しい水分吸収とそれに伴う周囲部の膨張とコアの分裂が起こり、表面にクラックが発生しうることが観察されている。また、アセチル化木材成分から作製された板材と比較して、既存の板材は生物攻撃に対する耐性を尺度とした耐久性が悪い。
よって本発明は、前記問題が無く、変化する気候条件の影響下において膨張挙動が好都合に低減された木材系複合材を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、長寿命且つ丈夫な、すなわち、天候又は生物攻撃の影響下で腐朽、腐敗又は分解しない木材系複合材を提供することである。
本発明の更に他の目的は、常温の水中に長時間浸漬させて水と平衡状態にした後の機械的強度の低下が、既存の複合材と比較して実質的に小さい木材系複合材を提供することである。本明細書において「長時間」とは数週間又は数ヶ月を意味する。
本発明の他の目的は、湿潤つまりプライミング処理を行った後に、繊維が取れやすくなったり表面から立ち上がることが実質的に無い、表面が滑らかな木材系複合材を提供することにある。これにより、コーティングや塗料を効率的に、よって安価に塗工することができる。さらに、寸法安定性も改善されるためコーティングの耐用年数が実質的に延び、メンテナンス・コストが低くなる。繊維つまり木材成分が複合材の表面から１〜２ｍｍ立ち上がり、表面に「有毛感」を付与することがある。
本発明の更なる目的は、本発明の木材系複合材の製造の基本原料となるアセチル化木材成分の製造方法を提供することにある。
本発明に係るアセチル化に適する木材成分は、典型的には下記表Ｉに示すものである。
Figure 2016027958
好適にアセチル化された木材成分は、大面積の木材成分（ウェハー状など）をアセチル化して次いで所望の最終寸法に小型化して得ても、まず未処理木材を直接所望の最終寸法に小型化した後にアセチル化して得てもよい。
したがって、本発明は、表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験サイクルを２５回行った後の、厚み膨張の平均値が５％以下であることを特徴とする、アセチル化木材成分を含む複合木材製品である。
また、前記アセチル化木材成分を含む複合材は、表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験サイクルを２５回行った後、弾性係数が平均値で少なくとも９０％保持されていることを特徴としうる。
あるいは、前記アセチル化木材成分を含む複合材は、表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験サイクルを２５回行った後、曲げ強度が平均値で少なくとも９０％保持されていることを特徴としうる。
さらに、前記アセチル化木材成分を含む複合材は、常温で４８時間水中に浸漬した後、破断係数が少なくとも７０％保持されていることを特徴としうる。
前記アセチル化木材成分を含む複合材はまた、上記製品物性の２つ以上を有することを特徴としうる。
また本発明は、（ａ）３０〜１９０℃、常圧〜１５ｂａｒｇの条件で、木材成分を無水酢酸で最大８０分間処理するステージと、（ｂ）次いで、１〜５ｂａｒｇの条件で、前記木材成分を、無水酢酸と又は無水酢酸及び酢酸の混合物と混合されうる不活性ガスで、５〜３００分間、１５０〜１９０℃に加熱するステージとを含む、木材成分の２段階アセチル化方法である。
ステージ（ａ）及びステージ（ｂ）は好適な高圧容器内で容易に行うことができる。
木材成分は、アセチル化前に従来公知の方法で含水量２〜１０％（重量）まで乾燥させることが好ましい。
ステージ（ａ）に先だって、木材成分に真空を印加して内在ガスを除去することが望ましい。
アセチル化後、木材成分の常圧乾燥、真空乾燥、又は両方が都合良く行われうる。
ステージ（ａ）は、無水酢酸で６０〜１３０℃、８〜１２ｂａｒｇ、５〜２０分間が好ましく；一方、ステージ（ｂ）は、不活性ガス（窒素など）を用いて、１３０〜１４５℃、２〜４時間が好ましい。本ステージにおいて、容器内の圧力は１〜３ｂａｒｇに上昇しうり、不活性ガスは無水酢酸及び酢酸で完全に飽和される。
本発明の製造方法の一例において、スプルース由来の木材チップ（寸法：約４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍ；含水量４〜１０％（重量））をワイヤー・メッシュ壁のカゴ（流体の透過させるため）に入れ、高圧容器内に入れた。そして、−０．９５ｂａｒｇの真空を５分間チップに印加した。その後、１３０℃でプレ加熱したアセチル化用流体（無水酢酸９５％及び酢酸５％の混合液からなる）を容器内に導入し、１０分間１０ｂａｒｇに加圧した。反応器から流体を流出させ、１４５℃に加熱した循環窒素ガスにチップを６０分間暴露した。本製造方法の当該箇所において、容器内の圧力は１〜２ｂａｒｇに上昇しうる。圧力を開放した後、アセチル化したチップを−０．９２ｂａｒｇで真空乾燥し、合計５〜１０時間、典型的には６〜７時間冷却した（つまり、乾燥・冷却工程）。アセチル化度はアセチル基含有量で２０％程度であった（高速液体クロマトグラフィー／近赤外分光法を用いて測定）。
次いで、アセチル化したチップを従来公知の解繊機を通過させて繊維化し、接着剤ｐＭＤＩと混合し（下記詳細を参照）、高温・高圧を印加して複合材パネル（ボード）とした。かかるボードのサンプルと未アセチル化スプルース木材繊維から作製したボードのサンプルとについて、表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験手順（ＤＩＮ ＥＮ １２４６７／１２）を行った。
Figure 2016027958
ウェット・ドライ／凍結・融解試験サイクルを２５サイクル行った後のアセチル化繊維ボードの厚み膨張の平均値は、未アセチル化木材繊維を含むボードが２７％であるのに対して３％であり、アセチル化木材チップから作製したボードの値が優れていることが容易にわかる。
本発明に係るアセチル化木材成分を含む複合材（パネル）の更に優れた性能を下記表ＩＩＩ〜Ｘに詳細に示す。
２種類の接着剤を使用してパネルを作製した。これらは、フェノールホルムアルデヒド接着剤（ＰＦ、「ベークライト（Ｒ）ＰＦ １２７９ ＨＷ」 Ｈｅｘｉｏｎ ＧｍｂＨ）、ジ−フェニルメタンジイソシアナート・ポリマー（ｐＭＤＩ、「Ｄｅｓｍｏｄｕｒ（Ｒ） １５２０ Ａ２０」 Ｂａｙｅｒ ＡＧ)であり、後者が好ましい接着剤である。
厚み膨張
常温で水中に２４時間浸漬させた下記パネルについて測定を行った。
Figure 2016027958
アセチル化木材成分を含むパネルのサンプルの厚み膨張は１．２〜２．２％と最も小さいことに留意されたい。
本発明の製造方法に従って、木材の繊維、チップ又はストランドから複合材サンプルＡ〜Ｆを更に作製し、下記表ＩＶに詳述するとおり中密度繊維板及び配向性ストランドボードとした。
Figure 2016027958
表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験サイクルを２５サイクル行った後の平均厚み膨張の変化に対する影響を表ＩＶに示す。この結果はまた、アセチル化材料が厚み膨張に対して有利な効果をもたらすことを示している。
Figure 2016027958
破断係数及び弾性係数
常温で水中に４８時間浸漬させた、スプルース繊維から作製したＭＤＦパネルについて測定を行った。
Figure 2016027958
ｐＭＤＩ接着剤を使用した場合、アセチル化木材成分から作製したＭＤＦパネルのＭＯＲ及びＭＯＥに対する影響が最も小さいことに留意されたい。
弾性率及び曲げ強度
表ＩＩに記載されたウェット・ドライ／凍結・融解試験を２５サイクル行った後の、弾性係数及び平均曲げ強度の平均値変化に対する影響を表ＶＩＩ及び表ＶＩＩＩにそれぞれ示す。
Figure 2016027958
ｉ）未アセチル化のサンプルＤと比較して、アセチル化ＭＤＦのサンプルＣ，Ｂ，Ａの係数損失は最も小さく、ｉｉ）同様に、未アセチル化のサンプルＦと比較して、アセチル化ＯＳＢのサンプルＥの係数損失は最も小さいことに留意されたい。
Figure 2016027958
ｉ）未アセチル化のサンプルＤと比較して、アセチル化ＭＤＦのサンプルＣ，Ｂ，Ａの強度損失は最も小さく；ｉｉ）未アセチル化のサンプルＦの強度が低下したのに対して、アセチル化ＯＳＢのサンプルでは強度が向上したことに留意されたい。
表面接着性
本発明の他の利点は、簡単な試験によって示されうるように、アセチル化木材成分を含む複合材の表面接着性に対する有利な影響である。所定の長さのアルミニウム接着剤テープをサンプルＡの表面に付着した後、ウェット−ドライ／ストレスサイクルを２５サイクル行っても、テープを剥がしたときに実質的に全く繊維がテープに付着していない。サンプルＢの場合、２〜３本の繊維がテープに付着したが、テープをサンプルＤから剥がした場合、接着面のほぼ１００％が未アセチル化木材繊維で覆われている。
また、アセチル化したサンプルの表面は、未アセチルの化サンプルとは異なり、濡らした後でも滑らかなままであることがわかった。
生物分解
下記表ＩＸ及び表Ｘに示す結果は、複合材（パネル）製品の製造にアセチル化木材成分を使うことにより、微生物からの攻撃から守る点で更に有益な効果が得られることを示している。所定の菌類及び／又はバクテリアに暴露された木材は、多くの場合重量及び／又は強度の大幅な損失を伴って急激に劣化しうり、複合材製品の利用の重大な妨げとなることがよく知られている。本実験では、未アセチル化ボード及びアセチル化ボードのサンプルを制御温度及び制御湿度条件下で土壌内に部分的に埋める、従来公知の試験方法を使用した。そして、サンプルの劣化の兆候を最大７２ヶ月間に亘って調査した。
Figure 2016027958
Figure 2016027958

Claims (16)

  1. 木材成分から複合木材製品を製造する方法であって、
    （ａ）３０〜１９０℃、常圧〜１５ｂａｒｇの条件で、前記木材成分を無水酢酸で最大８０分間処理するステージと、
    （ｂ）次いで、１〜５ｂａｒｇの条件で、ステージ（ａ）で得られた前記木材成分を、無水酢酸と又は無水酢酸及び酢酸の混合物と混合されうる不活性ガスで、５〜３００分間、１５０〜１９０℃に加熱してアセチル化木材成分を作製し、前記アセチル化木材成分を前記複合木材製品に成形するステージとを含む、方法。
  2. 前記木材成分はスプルース又はパインを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記木材成分は、アセチル化前に含水量２〜１０％（重量）まで乾燥される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記ステージ（ａ）の前に、前記木材成分に真空を印加して内在ガスを除去する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ステージ（ａ）において、温度は６０〜１３０℃、圧力は８〜１２ｂａｒｇ、時間は５〜２０分間である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ステージ（ｂ）において、温度は１３０〜１４５℃、圧力は１〜３ｂａｒｇ、時間は２〜４時間である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記ステージ（ｂ）の圧力は１〜２ｂａｒｇである、請求項６に記載の方法。
  8. 前記不活性ガスは窒素である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記窒素は無水酢酸及び酢酸で完全に飽和される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記木材成分は、長さが１．０〜７５ｍｍであり、幅が０．０５〜７５ｍｍであり、厚さが０．０５〜１５ｍｍである、請求項１に記載の方法。
  11. アセチル化木材成分を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された複合木材製品であって、
    １回のウェット・ドライサイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの試験サンプルを２０℃の水中に１８時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルをオーブン内で６０℃、相対湿度２０％の条件で６時間乾燥させることからなり、１回の凍結・融解サイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの前記試験サンプルを２０℃の水中に３時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルを−２０℃で３時間凍結させることからなる、ＤＩＮ ＥＮ１２４６７／１２に準拠するウェット・ドライ／凍結・融解サイクルを２５回行った後の厚み膨張の平均値が５％以下である、複合木材製品。
  12. アセチル化木材成分を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された複合木材製品であって、
    １回のウェット・ドライサイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの試験サンプルを２０℃の水中に１８時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルをオーブン内で６０℃、相対湿度２０％の条件で６時間乾燥させることからなり、１回の凍結・融解サイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの前記試験サンプルを２０℃の水中に３時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルを−２０℃で３時間凍結させることからなる、ＤＩＮ ＥＮ１２４６７／１２に準拠するウェット・ドライ／凍結・融解サイクルを２５回行った後の弾性係数が平均値で少なくとも９０％保持されている、複合木材製品。
  13. アセチル化木材成分を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された複合木材製品であって、
    １回のウェット・ドライサイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの試験サンプルを２０℃の水中に１８時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルをオーブン内で６０℃、相対湿度２０％の条件で６時間乾燥させることからなり、１回の凍結・融解サイクルが、寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍの前記試験サンプルを２０℃の水中に３時間貯蔵し、次いで、前記試験サンプルを−２０℃で３時間凍結させることからなる、ＤＩＮ ＥＮ１２４６７／１２に準拠するウェット・ドライ／凍結・融解サイクルを２５回行った後の曲げ強度が平均値で少なくとも９０％保持されている、複合木材製品。
  14. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された複合木材製品であって、常温で４８時間水中に浸漬した後の破断係数が少なくとも７０％保持されている、複合木材製品。
  15. 請求項１１〜１４に記載された複合木材製品の物性の２つ以上を有する、アセチル化木材成分を含む複合木材製品。
  16. ジ−フェニルメタンジイソシアナート・ポリマー接着剤を含んでなる、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の複合木材製品。
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