JP2018089898A - 繊維補強木質集成材 - Google Patents

Abstract

【課題】強度と施工性に優れた繊維補強木質集成材を提供すること。【解決手段】補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂とからなるものであり、補強ラミナと木質ラミナとが幅方向と垂直な方向に積層している繊維補強木質集成材。さらには、補強用繊維が補強材の長さ方向に配向したものであることや、補強用繊維が連続繊維であること、補強用繊維が炭素繊維、ガラス繊維または芳香族ポリアミド繊維であることが好ましい。また、補強用繊維が補強材の周辺部に主に配置されたものであることや、補強材が矩形であること、補強材が管状であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は繊維含有樹脂によって補強された木質集成材に関し、さらに詳しくは引き板（ラミナ）構造を有する繊維補強木質集成材に関する。

従来、単一木材や、木材の繊維方向に長く切削加工した引き板（ラミナ）あるいは小角材を、その繊維方向を互いに平行にして接着剤をもちいて張り合わせた集成材は、主に建築における柱、梁のような骨組材として、あるいは木橋や大型のドーム等に使われている。
特に、集成材は、ひき板、小角材を集成するため寸法、形状の自由度が高く、製品強度のばらつきや干割れ、狂いなどが小さい上に、曲がり材を容易に製造できるなどの優れた特性を持っている。

ところが、これらの集成材を大型建築物や構造物に用いる場合、集成材の剛性や強度を高くする必要があるため集成材の厚みを大きくしなければならず、その結果、建築物や構造物の天井が低くなったり、過剰な厚み設計が必要になったりする。このような課題を解決すべく、剛性と強度の高い強化繊維を、接着剤を介して接着した強化単一木材や強化集成材を用いることが提案されている。

例えば特許文献１では、木材素材の層間に、開繊処理で薄く拡げられた帯状の補強用の繊維を含む繊維強化集成材が開示されている。しかしこの発明は接着力を重視するために「開繊処理で薄く拡げられた繊維」を用いることを必須要件としており、具体的には繊維層の厚さを数十μｍに抑えることを前提にした技術であった。繊維層が厚くなる場合には、接着性が低下するものと考えられていたからである（特許文献１、第［００２９］項）。
しかしこのような薄く広げられた繊維束では、繊維の絶対量が不足し、十分な補強強度を確保できないという問題があった。

一方比較的繊維層が厚い例である特許文献２では、繊維を含有する炭素繊維プリプレグを用い、その両面に熱硬化樹脂を含浸させた木質系シートを貼り付け一体化し、複合シートとして用いる方法が開示されている。さらにこの発明では、その補強繊維を含有した複合シートを、さらに木材と接着させ、木材接着性と取扱い性、加工性に優れた木質集成材が開示されている。
しかし、そこで用いられる複合シートはその接着性を施工時まで保つために、揮発分を乾燥させる程度の低温乾燥を行っており、またこの複合シートを接着して木材と一体化するためには、積層後高温状態にて長時間加熱処理することが必要であった（特許文献２、第［００２７］、［００３２］、［００３５］項等）。

また、特許文献２の技術では複合シートを木材に積層する際に、接着する場所を確保する必要が生じ、例えば木材側に溝を掘り接着プレス時にずれが発生しないようにする等の加工方法を採用する必要があった。そのため、既存の集成材よりも製造プロセスが煩雑になり、製造の難易度やコストが高くなるという問題があった。
さらに比較的多くの繊維を用いる特許文献２の技術であっても繊維層はまだまだ薄く、繊維の絶対量が不足し、十分な補強強度を確保できないという問題があった。

特開２００７−２４５４３１号公報 特開平９−２５４３１９号公報

本発明は、強度と施工性に優れた繊維補強木質集成材を提供することにある。

本発明の繊維補強木質集成材は、補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂とからなるものであり、補強ラミナと木質ラミナとが幅方向と垂直な方向に積層していることを特徴とする。
さらには、補強用繊維が補強材の長さ方向に配向したものであることや、補強用繊維が連続繊維であること、補強用繊維が炭素繊維、ガラス繊維または芳香族ポリアミド繊維であることが好ましい。また、補強用繊維が補強材の周辺部に主に配置されたものであることや、補強材が矩形であること、補強材が管状であることが好ましい。
またもう一つの本発明の繊維補強木質集成材の製造方法は、補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂であり、補強ラミナと木質ラミナとを幅方向と垂直な方向に積層して接着処理することを特徴とする。

本発明によれば、強度と施工性に優れた繊維補強木質集成材を提供される。

実施例１の繊維補強木質集成材の断面の模式図 実施例２の繊維補強木質集成材の断面の模式図 実施例３の繊維補強木質集成材の断面及び接合する場合の模式図 実施例４の繊維補強木質集成材の断面の模式図 実施例４の繊維補強木質集成材を接合する場合の模式図

本発明の繊維補強木質集成材は、補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなるものである。
通常木質集成材は、複数の木材素材層（ラミナ）を相互に接合し集成して形成されるが、本発明の繊維補強木質集成材では、その木材素材層（ラミナ）の１枚または複数に、補強用繊維と樹脂とからなる補強材を構成要素とする補強ラミナを用いることを必須要件としている。さらに補強ラミナとしてはそのような補強材と木材とが幅方向に配置されているものであることが好ましい。

そして本発明の繊維補強木質集成材は、そのような補強用繊維を含有する補強ラミナと木材のみからなる木質ラミナとが、幅方向と垂直な方向に積層しているものである。ラミナ層は通常、幅と長さの広がりをもつ板状の物であるが、本発明ではそのような幅方向、長さ方向と垂直な方向に、積層した集成材として用いることが好ましい。また積層の向きとしては梁部材のように一方向の高強力が用いられる場合は木材の木目方向、補強用繊維の繊維方向を一方向に合せることが好ましい。一方壁材等に用いる場合はラミナ層毎の木材の木目方向や補強用繊維の繊維方向に角度を付けて、例えば９０度の角度を付けて積層することも好ましい態様である。

本発明の繊維補強木質集成材は、補強材を構成要素とする補強ラミナと、木質ラミナとから構成されている。そしてここで補強材は、補強ラミナを構成する一構成要素であって、補強用繊維と樹脂とからなる。より具体的には好ましくは、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の樹脂と、補強用の繊維とからなる繊維強化樹脂（ＦＲＰ）であることが好ましい。熱膨張係数や熱伝導率、材料物性の異方性、重量などにおいて優れるからである。

このような本発明の繊維補強木質集成材に好ましく用いられ、補強材に含有される補強用繊維としては、木材の補強に適した強度を有する汎用的な強化繊維を用いることができる。さらには、その補強用繊維の融点またはガラス転移温度としては、２００℃以上である有機繊維または無機繊維であることが好ましい。さらに繊維が有機材料の場合、それらの融点またはガラス転移温度は２００℃以上、さらに好ましくは２５０℃以上であることが好ましい。本発明の繊維補強木質集成材は、その主要用途が建物を成り立たせるための部材であるので、火災時においても強度低下が起こりにくい材料であることが好ましい。

補強用繊維としては、具体的には例えば、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維（アラミド繊維）、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、四フッ化エチレン繊維、ガラス繊維などであることが好ましい。特には補強用繊維（強化繊維）としては炭素繊維、ガラス繊維または芳香族ポリアミド繊維であることが好ましい。また、これらの強化繊維はそれらの単独または２種類以上を複合して用いてもよい。

そしてこのような補強用繊維の中でも、本発明においては炭素繊維を補強用繊維として用いることが好ましい。中でもポリアクリロニトリル系繊維を焼成して得られるアクリルニトリル系の炭素繊維であることが最も好ましい。さらに、窒素含有量が０．１〜１５重量％であることや、引張り強度が２５００〜７０００ＭＰａであること、弾性率が１５０〜７００ＧＰａである炭素繊維であることが好ましい。特には、窒素含有量３〜１０重量％を有する３５００ＭＰａ以上の引張り強度と２００〜３５０ＧＰａの弾性率を有する直径５から９ミクロン（μｍ）の炭素繊維であることが、接着性の観点からも最適である。また、このような炭素繊維表面におけるＥＳＣＡ表面分析装置による表面の酸素／炭素比率としては、０．１／１〜０．３／１であることが好ましい。さらには０．１５／１〜０．２５／１の範囲であることが、樹脂との接着強度を高く確保する点からも好ましい。

また用いる補強用繊維は、その繊維直径としては５〜９μｍであることが好ましいが、さらに繊維束であることが好ましい。繊維束としては、構成本数が１０００〜３０００００本からなる繊維束（ストランド）であることが好ましい。さらに補強用繊維が繊維束である場合には、繊維束を所望分集束し、または、所望の形状に拡幅して使用することが好ましい。

本発明の繊維補強木質集成材においては、このような補強用繊維は樹脂とともに補強材を構成するのであるが、その補強材中における繊維の形態としては、一方向に繊維を引き揃えたＵＤ基材やその２方向以上の組合せ、織物、不織布など様々な形態が採用可能であって、必要とする強度に応じて設計することができる。但し実際の性能とコストとのバランスを加味した場合、一方向に引き揃えたＵＤ基材として用いることが特に好ましい。特にはＵＤ基材としては、引張強度や引張弾性率が高く、かつ耐熱性が高い炭素繊維を一方向に引き揃えたＵＤ基材を用いることが好ましい。

また本発明にて繊維と共に補強材に用いられる樹脂としては、繊維補強複合材料のマトリックス樹脂となるものであれば特に制限はないが、特には熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂の例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂などを好ましくは挙げることができる。中でも物性のバランスの観点からはエポキシ樹脂であることが、後に述べる木質系シートや最終的な木材との接着性や耐熱性の観点からはフェノール樹脂であることが好ましい。

このような補強用繊維と樹脂は補強材を構成するのであるが、補強用繊維は補強材の長さ方向に配向したものであることが好ましい。そして、補強用繊維が連続繊維であることが好ましい。そのような繊維形態をもちいることによって、繊維による補強効果を、より効果的に発揮することが可能となる。さらに本発明で用いる補強材における繊維と樹脂の体積分率としては４０／６０〜６０／４０の範囲であることが好ましい。また、補強用繊維の補強材における存在密度は、その長さ方向の断面において１０，０００〜１８，０００本／ｍｍ^２の範囲に有ることが好ましい。

このような補強材は、特に最終的に得られる集成材と他の部材（例えば柱部材等）との接合強度を向上させるためには、補強材の圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ以上５，０００Ｎ／ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは５００Ｎ／ｍｍ以上４，５００Ｎ／ｍｍ以下、さらには１０００Ｎ／ｍｍ以上４，０００Ｎ／ｍｍ以下であることが好ましい。圧縮強度が低い場合は厚さを厚くする必要が生じる懸念があり、圧縮強度が高すぎる場合は、他の部材の強度が不足し、特に接合部分での材破壊形状をコントロールするために、他の部材の強度を過剰にする必要が生じる懸念がある。全体としてコスト高になってしまう傾向にあるのである。

さらに本発明にて用いられる補強材では、補強用繊維が補強材の周辺部に主に配置されたものであることや、補強材が管状であることが好ましい。さらには補強用繊維が補強材の周辺部に主に配置された管状であることが好ましい。補強材の周辺部に繊維が配置されたことにより、木質集成材における補強材の補強効果をより向上させることができる。また補強材が管状であることにより、重量減やその中心部を他の部材との接合などの用途に用いることがより容易になる。ここで周辺部とは管状補強材の外周部１／３の範囲をいい、特には１／５の範囲に有ることが好ましい。また管状補強材の管状とは補強用繊維と樹脂からなる主要構造体が管状構造であることを意味し、管状構造の内部は中空であることが好ましいが、他の材質によって充填されていても良い。

また補強材が管状（パイプ形状）である場合、同じ補強性を確保する際に、補強材の壁の厚さをコントロールすることによって、容易に繊維含有量の調整が可能となる。管状断面とすることで、管の外壁を形成する層の肉厚により、補強材に必要な物性を最適にコントロールすることが可能となり、過剰に補強繊維や樹脂を使用することを避けられ、補強材の重量を軽くすることも可能となる。さらに管状とすることで、補強材全体の厚さを、ラミナ１枚ないしは２枚に相当する厚さに容易に調整が可能となる。ラミナの整数倍に相当する厚さ補強材を揃えると、同一面内で補強材とラミナの他の部分を構成する木材とを横並びに加工することができ、加工性に優れた面一の補強ラミナを、容易に得ることが可能となる。接着ラミナや集成材を得るために必要な加工工程を、大幅に減少させることができるのである。

また本発明で用いる補強材の形状としては、矩形であることが好ましい。本発明にて用いられる補強ラミナは、補強材と木材とが幅方向に配置されているのであるが、補強材が矩形であることにより、一般的な矩形の木材と組み合わせて、容易に平滑な板状の補強ラミナを形成することが可能となる。このようにすることにより応力集中が起こりにくくなって集成材の物性が向上するのみならず、その製造工程においても作業性に優れた集成材が得られる。例えば補強材の断面が円形（全体として円柱形状）の場合、左右上下に配置された木質材料からなる他のラミナとの間に隙間ができやすく、ラミナとの接着が線となり、接着力が低下する傾向にある。補強材の特に好ましい断面形状は、正方形または長方形の中空矩形であることである。

補強材が矩形である場合、その断面の寸法としては短辺の外寸が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、長辺の外寸が１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。さらには、短辺の外寸が１５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、長辺の外寸が１５ｍｍ以上４００ｍｍ以下であることが好ましく、短辺が集成材を構成する補強ラミナの厚さに相当することが好ましい。また補強材の長辺は、集成材の幅方向に用いることが好ましい。短辺は集成材を構成する他の接着ラミナ以外の木質ラミナの整数倍、例えば１ないしは２枚の厚さに相当することで、同一面内で補強材と木材からなる補強ラミナを他の木質ラミナと横並びに加工することが可能となり、加工性や、接着性が向上する。

また補強材が中空である場合、その補強材の各辺の厚さは１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。さらには、２ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。厚さが薄すぎると、曲げ方向の加力があった場合に、中空補強材の縦辺において座屈破壊を起こしてしまう可能性もあり、十分な補強効果が得られないことがある。一方、厚すぎると、補強材を成形する際に、内部の樹脂が十分に硬化できない懸念が増え、曲げ方向の加力があった場合に、補強材内でのせん断破壊がおこりやすくなる懸念が有る。この傾向は集成材を梁として用いる場合に特に顕著である。

さらに、補強材が矩形中空構造である場合の補強材の壁の厚さに関しては、少なくとも一方の長辺（横辺）の厚さが短辺（縦辺）や残りの長辺（横辺）のいずれかよりも厚いことが好ましい。より具体的な数値としては、集成材の中心点から遠い方の横方向の１辺（横辺）の厚さが１〜３０ｍｍの範囲であり、厚さ方向の１辺（縦辺）や残りの長辺（横辺）の厚さが、１〜１０ｍｍであることが好ましい。あるいは、横辺が縦辺よりも厚いことや、中心点から遠い方の横方向の１辺（横辺）の厚さが、他よりも厚いことが好ましい。

例えば本発明の集成材を梁部材として用いた場合の、梁上部に位置する補強材の各辺を例にすると、短辺（縦辺）を３ｍｍ厚とした場合に、長辺（横辺）の内、中心に近い辺は同じく３ｍｍ厚とするが、中心から遠い方の辺は５ｍｍとするなどの構成とすることが好ましい。集成材の中心点からより遠い方の長辺（横辺）の厚さを厚くすることで、より補強効果を効率的に発揮することが可能となる。ただし、厚くする程度は他の辺の厚さに対し、＋１０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。厚すぎる場合には、補強材の成形時または集成材内に配置するまでの間に、補強材が厚い辺の方向に沿りやすくなる傾向にある。補強材の形状保持に影響が出ない範囲で、この厚さを変更することが好ましい。

このような補強材は、他の木材と一体化されることにより、本発明の補強ラミナを構成する。用いる接着剤はエポキシ系接着剤やアクリル系接着剤など木材と樹脂を接着できるものであれば、任意に用いることができる。ここで集成材への一体化を考えると、集成材作製に使用される水溶性高分子−イソシアネート系接着剤やレゾルシノール系接着剤を使用することが、プロセスコストを低減するためにも好ましい。接着方法は、接着剤の反応に合わせて選定することが可能であり、常温でプレスしてもよいが、高周波で短時間に接着する方法が、プロセスコストを低減できる観点からは特に好ましい。また、より接着効果を高めるために、補強材の表面に凹凸をつけて、接着面積を高くしておくことも有用である。

さらに強固な接着強度を得るために、補強材の少なくとも１辺にあらかじめ樹脂が含浸された木質系シートを配置するものであることも好ましい。さらには補強材の幅方向の全面に木質系シートを配置することが好ましい。ここで木質系シートとは、スライスされた木材及び／または木質パルプと熱硬化性樹脂とからなるものである。好ましくは、さらにその熱硬化性樹脂の硬化度が４０％以上９０％以下の範囲であることが好ましい。
本発明にて好ましく用いられる木質系シートについて、さらにその詳細を以下に述べる。ここで木質系シートとは、スライスされた木材及び／または木質パルプを必須成分として含み、さらに熱硬化性樹脂を含むものである。

本発明にて用いることができる木質系シートとしては、特に多孔質構造を有するシートを選択することが好ましい。接着剤が孔内に浸透し、アンカー効果が発揮されやすくなり、接着性能が向上するからである。このような木質系シートには、より具体的には、ダオ、ナラ、パーチ、ビーチ、檜、杉、桜、メープル、チークなどの公知の天然木材をスライサーを用いて造られるもの、および木質系のパルプを用いた公知の紙、不織布などの薄板、あるいは繊維シートであることが好ましい。木質系シートの厚みは０．０１〜０．３ｍｍであることが好ましい。厚みが薄すぎる場合はシート性が乏しくなって取扱いが困難になる傾向にある。一方、厚すぎる場合は柔軟性が低下するため後加工性が悪くなる傾向にある。

またこのような木質系シートは、上記の木材やパルプに加えて、熱硬化性樹脂を含有するのであるが。熱硬化性の樹脂としては、具体的にはフェノール、クレゾール、キシレノール、エチルフェノール、クロルフェノール、ブロモフェノールの如きフェノール水酸基を１個有するフェノール類あるいはオリゴマーおよびレゾルシン、ハイドロキノン、カテコール、フロログリシノールなどフェノール性水酸基を２個以上有するフェノール類と、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、フルフラール、ベンズアルデヒド、トリオキサン、テトラオキサンの如きアルデヒド類とをフェノール類／アルデヒド類＝２／１〜１／３、好ましくは５／４〜２／５のモル比で、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムの如きアルカリ触媒の存在下でメチロール化して得られる公知のレゾール型フェノール樹脂（フェノールホルムアルデヒド類初期付加縮合樹脂）およびレゾルシノール樹脂であることが好ましい。さらに好ましくは、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）によるポリスチレン換算の数平均分子量が１２０〜２０００のものが好ましく、特には１５０〜５００のものが好ましい。また、２５℃における粘度が３〜１５０ポイズに調整した樹脂であることが好ましい。

さらに木質系シートにおいて熱硬化性樹脂と共に用いる硬化剤としては、レゾルシノール樹脂、レゾール型系フェノール樹脂などの硬化剤として用いられている公知のものが用いられ、特にはパラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、フルフラール、トリオキサン、の如く当該樹脂と混合しペースト状あるいは液状なるものであることが好ましい。さらに硬化触媒として、パラトルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、キシレンスルホン酸、フェノールスルホン酸などの当該樹脂と混合して液状に溶解するものを用いることが好ましい。

本発明に好ましく用いられ、補強材の表面に存在することがある木質系シート中の熱硬化性樹脂の硬化度としては、４０〜９０％の範囲にあることが好ましい。特に補強材を他のラミナを構成する木材と接着時する際に、木質系シート中の熱硬化性樹脂の硬化度をこの範囲内に制御することにより、高周波接着に特に適した状態となる。熱硬化性樹脂の硬化度が高すぎると、木材用接着剤との反応による化学結合が形成されにくく、木材―補強材界面の接着力が低下する。一方、硬化度が低すぎるとシート自体の強度が弱くなり、木質系シート部分が破れ、被着体の木材と補強材の界面にて、乖離する懸念が高くなる。

また樹脂量が低すぎると木材との接着性に劣り、高すぎると強化繊維から樹脂が落下するなど、取扱性が低下する傾向にある。その観点からは樹脂量は３０〜９０重量％、特には４０〜６０重量％の範囲が好ましい。さらに、使用する樹脂の２５℃における粘度が３〜１５０ポイズの範囲であることが好ましい。粘度が低すぎる場合は補強用繊維から樹脂が落下し易く、逆に高すぎる場合は、補強用繊維への樹脂の含浸性が劣る傾向にある。このような樹脂の粘度の調整方法としては、水を添加して粘度を下げることも可能である。

本発明の繊維補強木質集成材は、上記のような補強用繊維と樹脂とからなり、必要に応じその表面に木質シートが配置された補強材と、木材とからなるものである。そして補強材は、その補強材と他の木材とが幅方向に配置されている補強ラミナを構成し、木材のみからなる木質ラミナと、その補強ラミナとが、幅方向と垂直な方向に積層し、本発明の集成材を構成する。

補強ラミナの補強材以外を構成する木材や、木質ラミナを構成する木材としては、スギ、ヒノキ、カラマツ、ベイマツ、トウヒ等の建築物に用いられる公知の木材や、ナラ、キリ、ケヤキ、カエデ、トチ、ホオ、サクラ、チーク、ラワン、スピナールなどの合板などに用いられる公知の木材がいずれも使用できる。

また本発明の繊維補強木質集成材においては、その補強材の配置として、その集成材の断面の中心から等距離の位置に複数本配置されたものであることや、補強材が集成材の中心に対し、点対称にて複数本配置されたものであることが好ましい。特には集成材断面の中心点から等距離に２本または４本配置されたものであることが好ましい。

このように集成材断面の中心点から等距離に上下対象となるように配置することより、集成材の剛性をより向上させることができる。さらには断面二次モーメントの観点から極力集成材の上面と下面に近い位置に配置することが好ましく、より補強効果を向上させることができる。ことに集成材を梁として用いる場合に効果的である。

補強材は集成材の最外層（上面と下面）に配置されてもよいが、特に集成材を梁として用いる場合、梁の上方または下方から補強材が見えないように、最外層からラミナ一層分以上、内側に設置することが好ましい。補強材の使用する本数は必要に応じ設計することができ、集成材断面の中心点から上方に１本、下方に１本の合計２本であってもよいが、上方／下方のそれぞれを同一面内で左右に分割して配置することが好ましい。例えばより具体的には、集成材断面の中心点から上方に２本、下方に２本をそれぞれ左右に分割し、合計４本であることが好ましい。特にこのように集成材断面における４角に中空形状の補強材を配置した場合、梁上面からくぎやボルトを使用できるスペース（補強材がなく、木材のみで成形されている場所）をより大きく確保できるため、梁使用を考えた場合、より好ましい形状となる。

また本発明の繊維補強木質集成材の上下左右の表面は平滑であることが好ましい。本発明では、モルダー等にて集成材の上下面や、長さ方向左右の積層断面を表面切削処理し、平滑な部材の表面を形成することが可能となる。通常木材を繊維補強した場合、その繊維が表面に露出し平滑化処理が困難であったが、本発明では繊維を含有する強化材が集成材の内部に配置されるため、容易に平滑面を得ることが可能である。

さらに本発明の繊維補強木質集成材の長さ方向の端部には軟質性材料が配置されていることが好ましい。このような軟質性材料が長さ方向の端部に配置されていることにより、モルダー等にて積層断面を表面切削処理し、平滑な部材の表面を形成することが可能となる。通常木材を繊維補強した場合、その繊維が表面に露出し平滑化処理が困難となるが、本発明では繊維を含有する強化材が集成材の内部に配置されるため、その長さ方向の端面のみに軟質性材料を配置することにより、容易にすべての面において平滑面を得ることが可能となる。軟質性材料としては繊維補強されていない樹脂でも良いが、木材であることが好ましい。
そしてこのような本発明の繊維補強木質集成材の大きさとしては、特に梁用途に用いる場合、その長さ方向が２，８５０〜１８，０００ｍｍ、幅方向が１０５〜２４０ｍｍ、厚さ方向が１２０〜２，０００ｍｍの範囲であることが一般的である。

本発明の繊維補強木質集成材は、このような補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂とからなるものであり、補強ラミナと木質ラミナとが幅方向と垂直な方向に積層しているものである。
そしてもう一つの本発明の繊維補強木質集成材の製造方法は、補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂であり、補強ラミナと木質ラミナとを幅方向と垂直な方向に積層して接着処理する発明である。

接着方法としては、補強材と木材や、接着ラミナと木質ラミナは、一般的な接着剤を介して集成材として一体化される。用いる接着剤はエポキシ系接着剤やアクリル系接着剤など木材と樹脂を接着できるものを使用することができる。ここで集成材への一体化を考えると、集成材作製に使用される水溶性高分子−イソシアネート系接着剤やレゾルシノール系接着剤を使用することはプロセスコストを低減するためにも好ましい。接着方法は、接着剤の反応に合わせて選定することが可能であり、一般的な常温でプレスする方法を採用することができる。しかし特には、高周波で短時間に接着することが好ましい。プロセスコストも低減することが可能である。また、より接着効果を高めるために、補強繊維を含有する補強材の表面に凹凸をつけて、接着面積を高くしておくことも有用である。

特に本発明の製造方法では、補強ラミナと木質ラミナとが積層している幅方向から高周波処理することが好ましい。幅方向における補強ラミナは木材と補強材とが交互に配置されているのであるが、その高周波通過性の違いにより、より効率的に高周波加熱加工がおこなわれるためである。さらには補強材中の繊維が集成材の長さ方向に配向されており、高周波加工の処理方向と垂直な方向に繊維が存在することが好ましい。そして特には補強材の周辺部に、あるいは管状に繊維が配置されており、高周波加工の処理方向の一定面積に存在する繊維量として多い部分と、少ないまたは繊維が存在しない部分とが共存することが好ましい。特に補強用繊維が炭素繊維である場合に顕著であるが、そのような集成材を高周波加工した場合に、その繊維の不均一性により発熱がより効果的に発生し、十分な接着力を得ることが可能となる。

好ましい製造方法としては、本発明では接着ラミナと木質ラミナとを公知の方法で接着剤を介して積層したのち、高周波プレスにより接着層を選択的に加熱し、短時間での剤硬化による接着を実施することが好ましい。高周波プレスによる選択的な加熱温度としては、接着層を８０〜１００℃程度の温度に加熱することが好ましい。高周波効率（高周波出力／接着剤塗布面積）としては、０．２〜０．８Ｗ／ｃｍ^２の条件であることが好ましい。低すぎると接着剤の加熱・硬化速度が遅く、必要なプレス時間が長くなる傾向にある。逆に高すぎると接着剤の加熱が急速に進み、スパークやパンキング（木材含有水分の蒸発によるサンプルの部分破裂）などのリスクが高まる傾向にある。

さらに高周波処理する方向に加圧加工を同時に行うことや、さらに高周波加工時にその高周波加工と垂直なすなわち各ラミナの積層方向に同時に加圧処理することが好ましい。
そしてこのような本発明の繊維補強木質集成材は、通常の木材および集成材として使用される用途に適用できるが、特に、学校、体育館、講堂、各種室内球技場やドームなどの大型建築物、３階以上の住宅、木橋の骨材として好適である。

以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り下記実施例に限定されるものではない。各種物性は下記方法にて測定した。

（１）補強材の圧縮強度
繊維補強された補強材から、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの測定用試料を切り出した。ステンレス製長さ２ｍｍ、幅４ｍｍの圧縮端子を補強材の長さ方向に直交する向きで上から置き、圧縮速度０．５ｍｍ／分で圧縮し、試料が破壊された時の最大荷重（Ｎ）を測定した。

（２）せん断接着応力度
得られた集成材から、サンプルとして幅２５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚み６０ｍｍ（木質ラミナ―補強ラミナ各１層、計２層分）を切り出し、補強ラミナ側を固定し木質ラミナ側を木目方向に沿って小口面上から圧縮力を印加することで、主にサンプルの接着面をせん断破壊させた。せん断破壊時の荷重を接着面積（２５ｍｍ×３０ｍｍ）で除することでせん断接着応力度を算出した。

（３）曲げ弾性率および曲げ強度
集成材の曲げ弾性率および曲げ強度は、ＪＡＳ Ｚ２１０１に準じて測定した。すなわち、支点間距離は梁成の１８倍とし、支点間距離を３等分する箇所それぞれに荷重を印加する４点曲げ試験を実施した。
曲げ強度、曲げ弾性率はそれぞれ以下式にて算出した。

曲げ強度（１）：
曲げ弾性率（２）：

ただし、
Ｐ：最大荷重
Ｌ：支点間距離
Ｌ１：荷重点間距離
ｂ：試験体幅
ｈ：試験体厚み（梁成）
ΔＦ：最大荷重の１０％−最大荷重の４０％間の荷重増分
Δｙ：ΔＦに対応するたわみ増分
である。

（４）接合部の降伏耐力
接合構造体梁部材の接合部の降伏耐力として、２本の柱及び１本の梁をＨ型に接合させた接合体を準備し、めり込み防止用のＨ鋼を介して梁部分に一定のひずみ速度（１．０ｍｍ／ｓ）で荷重が最大荷重の８０％未満に低下するまで圧縮荷重を印加し、得られた荷重―ひずみ曲線から接合部の降伏耐力（ｋＮ）を得た。

（実施例１）
管状（中空パイプ形状）の補強材として、補強繊維に炭素繊維（東邦テナックス株式会社製、アクリルニトリル系炭素繊維「ＨＴＳ４０、２４Ｋ」、直径７μｍ）を用いたマトリックス樹脂がビニルエステル樹脂（硬化温度１１０−１５０℃、硬化所要時間５−１０ｍｉｎ）である引抜成形材を作製した。この補強材における補強繊維とマトリックス樹脂の体積比率は６０／４０であり、断面における炭素繊維の存在密度は１５０００本／ｍｍ^２の密度であった。さらに引抜成形時に、補強材表面の全面に木質シート（フェノール樹脂含浸紙、目付２８０ｇ／ｍ^２、厚み０．３ｍｍ、樹脂含浸率：５０−６０ｗｔ％）を一体化した。そして木質シートの樹脂硬化度は８５％になるように調整した。得られた補強材の断面形状は中空な正方形（矩形）であって、外寸は３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さは全辺均一で３ｍｍとした（内径２４ｍｍ角）。
上記の補強材２本の両端に、厚さ３０ｍｍ、幅１５ｍｍの木材２本を、補強材の間に厚さ３０ｍｍ、幅３０ｍｍの木材１本を配置し、接着ラミナとした。また厚さ各３０ｍｍの木質ラミナを５枚と、接着ラミナ２枚とを用いて、繊維補強木質集成材を作成した。

すなわち上記の管状の補強材を断面が幅１２０ｍｍ×高さ２１０ｍｍの集成材の上限面からラミナ１枚分（３０ｍｍ）内側に、左右対称となるように２本（集成材の両側面から１５ｍｍ内側）、計４本を配置した繊維補強木質集成材を得た。木材の種類としてはスギ（Ｅ６５−Ｆ２２５）を用い、スギとスギおよびスギと補強材の接着は、レゾルシノール系接着剤（オーシカ化学株式会社製、Ｄ３００／ＤＬ８８０を１００：３０重量部で混合したもの。レゾルシノール・フェノール・ホルムアルデヒド重縮合物を４５〜６０重量部、フェノールを５〜１０重量部、レゾルシノールを５〜１０重量部、非晶質シリカ含有量は０．８重量部以下）を使用した。接着剤の塗布量は１２５ｇ／ｍ^２であった。
木質ラミナと、接着ラミナとを積層し、積層方向、横方向からプレス処理（プレス圧７３．５ｋＰａ［７．５ｋｇｆ／ｃｍ^２］、プレス時間５分間）するとともに、積層の横方向から高周波効率０．２〜０．８Ｗ／ｃｍ^２（高周波出力／接着剤塗布面積）の条件にて高周波プレス処理を行い、集成材の積層面及び積層面と直交する面をモルダーにより表面切削処理し、平滑面を得るとともに寸法を調整した。作製した繊維補強木質集成材の断面図を図１に、得られた物性を表１に示す。なお構造用集成材のＪＡＳ規格に基づき、ブロックせん断試験を実施し、スギと補強材の接着強度が６．３ＭＰａであることを確認した（ちなみにスギ集成材の接着強度に関する規格は５．４ＭＰａ以上である）。

（実施例２）
実施例１で用いた補強材の各辺の厚さを短辺（縦辺）２ｍｍ、長辺（横辺）を、集成材断面の中心に近い方を３ｍｍ、遠い方を５ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様繊維補強木質集成材を作製した。作製した集成材の断面図を図２に、得られた物性を表１に併せて示す。なおスギと補強材の接着強度は６．１ＭＰａであった。

（実施例３）
実施例１で用いた補強ラミナの配置を、上、下面から各ラミナ１枚分（３０ｍｍ）内側への配置から、上面からラミナ２枚分（６０ｍｍ）内側と下側からラミナ１枚分（３０ｍｍ）内側に変更した以外は、実施例１と同様繊維補強木質集成材を作製した。作製した集成材の断面図を図３に示す。なおスギと補強材の接着強度は６．３ＭＰａであった。

（比較例１）
補強材を使用せず、厚さ３０ｍｍの木質ラミナのみを用いて、幅１２０ｍｍ×高さ２１０ｍｍの断面であるスギの集成材を得た。このスギとスギの接着強度は５．８ＭＰａであった。得られた集成材の曲げ試験結果を表１に併せて示す。

（参考例１）
実施例３で得られた繊維補強木質集成材を９８０ｍｍの梁用の部材とした。そして梁部材の両側に１２０ｍｍ×１２０ｍｍの断面で長さが７５０ｍｍの柱を接合した。接合箇所は柱の長さ方向の中心部分であった。
接合方法としては、梁となる繊維補強木質集成材の断面にある中空部（内寸：２４ｍｍ×２４ｍｍ）４か所に相当する柱の部分に、２３ｍｍ×２３ｍｍの角穴を４か所あけ、その角穴に鉄製（ＳＳ４００）の棒状部材（断面は２３ｍｍ×２３ｍｍである）を差し込んだ。棒状部材の長さは３００ｍｍであり、梁への差し込み長さは１８０ｍｍであった。
作製したＨ型接合試験体の概要図と断面図を図３に示す。
得られた試験体の梁中心部分を加圧し、接合部のせん断強度を測定したところ、降伏点のせん断強度は８３ｋＮであった。

（実施例４）
実施例１で用いた中空な正方形の繊維樹脂複合体を補強材（外寸は３０ｍｍ角、内径は２４ｍｍ角）として用いた。この補強材料の圧縮強度は３７００Ｎ／ｍｍであった。そして補強材と木材とからなる厚さ３０ｍｍの接着ラミナを用意した。この接着ラミナと同じく厚さ３０ｍｍの木質ラミナを用いて、幅１２０ｍｍ×梁成２１０ｍｍ、長さ９８２ｍｍの繊維補強木質集成材を得て、梁部材とした。補強繊維と樹脂からなる補強材は上下、左右が梁材の外側から３０ｍｍの位置の４隅に配置された。補強材間の距離は３０ｍｍであった（図４）。
繊維補強材料のマトリックス樹脂はビニルエステル系樹脂を用い、他の木質材料との接着には水性高分子−イソシアネート系接着剤（エチレン・酢酸ビニル共重合体を３０〜５０重量部、スチレン・ブタジエン共重合体を５〜１５重量部含有する）を用いた繊維補強木質集成材であった。
一方、柱部材としては２本（１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、長さ７５０ｍｍ）用意した。梁、柱共に樹種はスギ（Ｅ６５−Ｆ２２５）を用いた。

接合金具として、柱側面に図４のような階段状の段差が存在し、梁側面に梁の中空部に対応する２３ｍｍ角の角柱状の鉄鋼（長さ３００ｍｍ）が４本突き出ているものを用意した。柱側面の階段状の段差は、高さ方向では幅の変わらない直方体であって、順に幅の小さい、しかし長さ同一の直方体が３段重なった物であった。
接合方法としては、柱部材に接合金具の階段状の段差と同じ穴を加工し、梁部材に接合金具を取り付け、その接合金具の梁と反対側の階段状の突起を、柱部材の穴に組み合わせた（図５参照）。
接合構造体の接合部材種数は１つ、接合構造体サンプル組立にかかる時間は３０分／１セット、さらに梁部材の小口面プレカット加工は不要であって、非常に施工性に優れた材料であった。またこの接合構造体梁部材の降伏耐力（ｋＮ）は８２．４ｋＮであった。

３１ 中空部を有する補強材
３２ 鉄製の棒状部材
４１ 接合金具（梁側面）
４２ 接合金具（梁側面）
４３ 梁部材（集成材）
５１ 柱部材

Claims (8)

1. 補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂とからなるものであり、補強ラミナと木質ラミナとが幅方向と垂直な方向に積層していることを特徴とする繊維補強木質集成材。
2. 補強用繊維が補強材の長さ方向に配向したものである請求項１記載の繊維補強木質集成材。
3. 補強用繊維が連続繊維である請求項１または２記載の繊維補強木質集成材。
4. 補強用繊維が炭素繊維、ガラス繊維または芳香族ポリアミド繊維である請求項１〜３のいずれか１項である繊維補強木質集成材。
5. 補強用繊維が補強材の周辺部に主に配置されたものである請求項１〜４のいずれか１項である繊維補強木質集成材。
6. 補強材が矩形である請求項１〜５のいずれか１項である繊維補強木質集成材。
7. 補強材が管状である請求項１〜６のいずれか１項である繊維補強木質集成材。
8. 補強材と木材とが幅方向に配置されている補強ラミナと、木材のみからなる木質ラミナとからなり、補強ラミナを構成する補強材が補強用繊維と樹脂であり、補強ラミナと木質ラミナとを幅方向と垂直な方向に積層して接着処理することを特徴とする繊維補強木質集成材の製造方法。