JP2018103452A - 不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 不燃化木材の表面の白華現象を抑制する。
【解決手段】
不燃薬剤を含浸する含浸工程と、木材を乾燥する工程と、前記木材を不溶化する不溶化薬剤に短時間浸漬することによって、不溶化層を形成し、木材中の不燃薬剤を不溶化する不溶化工程と、を備え、前記不溶化層は表面及び木材空孔に形成され、含浸に用いる不燃薬剤はアルカリ性であり、不溶化する薬剤への浸漬時間は１０分〜６０分であり、不溶化する薬剤は、水素イオンよりもイオン化傾向の高い金属による塩であり、不燃化薬剤の成分は、リン酸塩、ホウ酸を用い、該ホウ酸は結晶水等を含まない単純構造のホウ酸を用い、リン酸塩の不溶化措置によって不燃薬剤全体を溶脱しない組成に変化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、薬剤により不燃化された木材の審美性を継続するだけでなく、品質の信頼性、木材の持つ調湿性を維持する発明である。

木材を不燃化する発明は古くから研究されてきており、製造コストを勘案した場合、リン酸化合物及び硼素化合物を用いることが一般的であり、性能の安定性も高く、有害物質の残滓がない。リン酸塩、ホウ酸の不燃薬剤は水溶性であるため扱いが容易であることも重要な要素である。

一方、リン酸塩、ホウ酸の不燃薬剤は水溶性であり、乾燥した後にも空気中の水分の影響を受けやすいという特徴を持っている。また、木材は多孔質であり調湿性を持っている。木材は湿度の高い時には水分を吸収し、湿度の低い時には水分を放出する。このため、高温高湿度の雰囲気が長時間継続すると、大気中から取り込まれた水分は木材中で凝縮する。その時に潜熱を放出するため、木材中の温度は上昇し、比較的低温では溶解しにくい薬剤であっても再溶解し、表面に流れ出す現象が発生する。表面に現れた薬液は、使用環境の雰囲気が乾燥雰囲気になると溶け出した薬液の水分が蒸発するため、凝固し木材表面に薬剤の結晶を生じる。これを白華といい、不燃木材の美観を失わせる最も深刻な問題である。

不燃薬剤として、リン酸塩とホウ酸との混合薬品が一般的に用いられている。不燃薬剤に用いられている水溶性のリン酸塩は非常によく水に溶ける一方、吸湿性の高い性質のものが多いため、高温高湿度の雰囲気では、まず、リン酸塩から溶解する。ホウ酸の溶解度は温度の影響が大きく、低温では多くの量は溶解できないが、高温であると溶解量が増える。ホウ酸としては結晶水を含むもの等、比較的溶解度の高いもの、またホウ酸と硼砂を混合して用いることによって溶解度を高くするなどの方法が用いられている。水溶性を高めたホウ酸の配合ではリン酸塩と同等な問題を発生しやすい。

また、不燃薬剤と水の乾燥速度の違いも白華の発生に関係している。同一重量の水及び不燃薬剤水溶液（不燃薬剤としてホウ酸とリン酸水素ニアンモニウムを使用、重量比＝３０％）を室内に放置して、重量変化を観測すると、不燃薬剤水溶液は水よりも乾燥速度が遅い。これは、薬剤が溶解する時、カチオン基には水が水素結合する性質があることに由来する。すなわち、水素結合のエンタルピーは５〜３０kJ/molであるため、不燃薬剤のカチオン基が水と分離し析出する時にエンタルピーとしてのエネルギーが余分に必要になり、潜熱として使用するエネルギー量と合わせ、気化に必要なエネルギー量が増加し、乾燥速度が水と比べると遅くなる。

不燃薬剤を含浸させて木材を乾燥させる場合、上述したように薬剤と水との水素結合のために乾燥効率が悪くなるだけでなく、外部から与えるエネルギーが内部に届きにくいという問題がある。その理由は、不燃薬剤を含浸させた木材の乾燥は表面から内部へと進行するが、表面からの乾燥によって出現する木材内部の空隙は断熱効果を持ち熱の伝達が容易でなくなると共に、木材中の空隙に存在する薬剤のため、中心部まで均等に乾燥が進まないからである。ここで、乾燥雰囲気温度を上げれば乾燥が促進されるが、不燃薬剤の性質が変化する可能性があるため７０℃以上の温度に上げることができない。一般の木材を乾燥させる場合、１３０℃の加熱雰囲気が使用されるが、不燃薬剤含浸木材ではそのようなことが出来ないため、乾燥時間が長引くと共に、中心部の含水率は高く、表面部分は乾燥しているという不均衡な状態となりやすい。その後、時間を経過させると、木材中の水分は拡散によって均一になっていく。この時、表面と中心部の乾燥度の差が大きいと、拡散する不燃薬剤を含む水分が多くなり、不燃薬剤が析出しやすい状態となる。その結果、不燃薬剤を含浸させた木材は、白華が発生しやすくなる。

特許文献１（特開２００４−５０８２８）は、不燃薬剤を改質し、溶脱を抑制したものである。

特許文献２（特開２００７−１３６９９２）は、薬剤の不溶化措置を行った後に、木材表面にポリマーを用いて遮断層を形成させる発明である。

特許文献３（特開２０１２−１２１２７４）は、酸性のリン酸二水素アンモニウムと硫酸マグネシウムの混合液を含浸させた後に、アルカリ処理し不溶化させる発明である。

特許文献４（特開２０１４−１４４５４０）は、水ガラスを含浸させることによって、ケイ酸塩による不燃性能の出現に期待している。

特開２００４−５０８２８号公報 特開２００７−１３６９９２号公報 特開２０１２−１２１２７４号公報 特開２０１４−１４４５４０号公報

特許文献１は薬剤の改質による溶脱防止の発明ではなく、かかる要望に応えることができない。

特許文献２は、木材と外気を遮断するための遮断層を設け、木材を封入する発明である。不適合な接着剤がある課題がある。また、特許文献２は木材を不燃化しても、さらにその表面に遮断層を作るので、あまり意味がないのではないかと考えられる。遮断層たとえばコーティング層を作るのであれば、それだけで白華は止められるはずである。コーティング層では、木材を塗装した時に光が反射したり、いろいろな弊害があり、無垢の風合いを保つことが難しい。このことから、木材独特の風合いを保ちながら白華を防止する要望に応えることができない。

特許文献３はリン酸二水素アンモニウムと硫酸マグネシウムの混合液という酸性の薬剤を木材の中に注入して酸性とし、それをアルカリで処理をして、中和反応を起こさせて、そこで不溶性のリン酸マグネシウムアンモニウムを生成するという発明である。不燃薬剤を不溶化にして白華現象を抑えるという考え方であるが、酸性の不燃薬剤であるため、接着剤の種類、例えばイソシアネート接着剤では、接着剤がゲル化し接着効果が発揮出来なくなり、木材の用途が制限されてしまう欠点がある。また、特許文献３の方法では木材深部にまで不燃材が不溶化し、不燃材としての本来の性能が低下してしまうという欠点がある。

特許文献４は、薬剤の改質による溶脱防止の発明ではなく、リン酸塩の水溶性及び吸湿性を中和反応によって除去することができない。

木材を不燃薬剤により処理し不燃化木材を製造すると、水溶性の不燃薬剤を使うため、製品使用時に空気中の湿度の影響を受けやすい。特に高温高湿の雰囲気が長時間継続する場合、薬剤の吸湿性及び木材の多孔性などの性質により木材中に水蒸気が入り、凝縮することによって薬剤が溶脱し、それが乾燥し、木材の表面の白華が発生する。本発明はこの白華現象を抑制することを目的とする。

そこで、本発明１は、不燃薬剤を木材に含浸する不燃薬剤含浸工程と、前記木材を乾燥する乾燥工程と、前記木材を不溶化薬剤に短時間浸漬することによって、不溶化層を形成し、木材中の不燃薬剤を不溶化する不溶化工程とを備え、前記不溶化層は表面及び木材空孔に形成されることを特徴とする不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法である。

一般的には、「不燃材」とは２０分間で総発熱量が８MJ以下のもの、「準不燃材」とは１０分間で総発熱量が８MJのもの、「難燃材」とは５分間で総発熱量が８MJのものをいうが、本発明の「不燃化木材」とは「不燃材」、「準不燃材」および「難燃材」を含む。

本発明２は、不燃薬剤は、ｐＨ７．０を超えるアルカリ性であり、不溶化薬剤は酸性である、不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法である。

不燃薬剤の重量濃度は１５〜３５％が好ましく、不溶化薬剤の重量濃度は１５〜３０％が好ましい。

本発明３は、前記不溶化薬剤への浸漬時間は１０分〜６０分である、不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法である。

本発明４は、不溶化薬剤は、水素イオンよりもイオン化傾向の高い金属による塩を含む不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法である。

本発明５は、前記不燃薬剤には、リン酸塩及びホウ酸を用い、該ホウ酸は結晶水等を含まない単純構造のホウ酸を用いることを特徴とする不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法である。

不燃薬剤中のホウ酸を不溶化するにはホウ酸を化学反応させて不溶性ホウ酸を生成すればよいのだが、常温常圧の環境下では生成しにくいという性質を持つため、ホウ酸を含浸させた木材を反応薬液に浸漬しただけでは不溶化したホウ酸を生成できない。

一般の家庭で使用されているゴキブリ団子は、ホウ酸を主成分としてできている。このゴキブリ団子は梅雨のような高温高湿の雰囲気中でもべたべたすることはない。ホウ酸の２０℃、１気圧における溶解度は４．７２g／１００cm³である。ホウ酸（結晶水を含まない単純構造）自体は吸湿性が低く、溶け出しにくい。リン酸塩とホウ酸との混合薬剤では単純構造のホウ酸を用いればリン酸塩を不溶化することによって、溶脱を押さえることができる。

リン酸塩、とくに、無機リン酸塩で不燃薬剤に用いるものには、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸アンモニウム、リン酸ナトリウムなどがあり、それぞれのポリマーもある。アンモニウムなどの窒素化合基を含むものを用いるのは、P-N効果を期待できるからである。（Ｐ−Ｎ効果：窒素があることによってリンの働きが顕著になり、リン単独の使用時よりも不燃効果が高まる。）無機リン酸化合物だけでなくリン酸グアニジンなどの有機リン酸塩も窒素含むものが不燃薬剤として有効とされている。

前項のアンモニア基を含むリン酸塩は、それぞれｐＨが異なっている。リン酸二水素アンモニウムは酸性、リン酸水素二アンモニウムは弱アルカリ性、リン酸アンモニウムはアルカリ性である。水素イオンは酸性を示し、アンモニアイオンはアルカリ性を示す。どちらの電荷も等しいため、それぞれのイオン基の量によってｐＨの状態が変化している。

水に解けにくいあるいは全く解けないリン酸塩は、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸素鉛、リン酸バリウム、リン酸タリウム、リン酸リチウム、リン酸マグネシウム、リン酸リチウムなど多くが存在する。これらの中で安全性、薬剤の価格、一般的に使用されている薬剤などを勘案すると、アルミニウム化合物、亜鉛化合物、カルシウム化合物、マグネシウム化合物等が挙げられる。

一般的に使用されている安価なリン酸塩とホウ酸が混合された不燃薬剤の溶脱白華現象を抑えるためにはそれぞれの塩の組成やｐＨに着目して、構成を決定する必要がある。

先に示したように、ホウ酸は浸漬等の常温常圧での中和反応は発生しにくく、適切な薬剤が存在しない。一方、リン酸塩については、常温常圧で中和反応をし、不溶化リン酸塩を生成する多くの一般的な安価な薬剤が存在している。

そこで、ホウ酸については、常温の範囲での溶解度が低いことを利用し、リン酸塩については適切な不溶化を行うことで、総合的に建築物の構成一部としての使用範囲の中で白華を防止できる方法を発明した。

不溶化処理での反応は中和反応による置換塩の生成である。リン酸塩が酸性であるならば、不溶化薬剤はアルカリ性でなければならない。逆の場合も同様な位置づけとなる。

リン酸塩を不溶化する場合、水素基もしくはアンモニア基を置換して新たな塩を生成し、それが不溶性を示すものでなければならない。水素基よりも結合力の高いイオン基でなければ反応が発生しない。そのため、水素よりもイオン化傾向の高いイオンでなければならない。

水素よりもイオン化傾向の高いイオンは、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｐｂである。Ｋが最も反応度が高いのであるからなるべくＫに近いイオン化合物を用いたい。Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａが適していると考えられるが、Ｃａは、高水溶性で安価の化合物が少ない。また、化学反応に使おうとすると、カルシウムイオンの液体濃度が上がってこない。そのため、現実的に適していると考えられるのは、Ｍｇ及びＡｌのイオンを持つ化合物である。

不溶化反応は中和反応になる。例えば、リン酸塩がアルカリ性であれば、不溶化薬剤が酸性でなければいけない。イソシアネート等の接着剤の使用等も考慮し、不燃薬剤の薬剤資材を弱アルカリ性にしている。

反応させる不溶化薬剤として、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムの四品を選択した。これらは、酸性の性質を持つ。アルカリ性のリン酸塩を用いれば、これらの酸性の不溶化薬剤と中和反応が発生し、不溶化リン酸塩を生成できる。

本発明で用いることのできる無機リン酸塩は、モノマーで示すと、次のものがある。
リン酸水素二アンモニウム (NH₃)₂HPO₄
リン酸アンモニウム (NH₃)₃HPO₄
リン酸ナトリウム Na₃PO₄
これらのポリマーも同様にアルカリ性を持つ。

中和反応によって不溶化されたリン酸塩だけでなく、副生成物についても考慮する必要がある。リン酸水素二アンモニウムとそれぞれの不溶化薬剤との反応を以下に示す。
（１）リン酸水素二アンモニウム＋塩化アルミニウムであり、化学式１となる。

（２）リン酸水素二アンモニウム＋塩化マグネシウムであり、化学式２となる。

（３）リン酸水素二アンモニウム＋硫酸アルミニウムであり、化学式３となる。

（４）リン酸水素二アンモニウム＋硫酸マグネシウムであり、化学式４となる。

上記（１）〜（３）の副生成物には強酸が含まれ、溶液全体は強酸性を示すため、木材組成を傷める可能性がある。（４）についての生成物は弱酸性を示す。また、(NH₃)₂SO₄は不燃薬剤として用いられることもあるため、この反応が最も適した反応である。

上記（４）の反応で副生成された硫酸アンモニウム（(NH₃)₂SO₄）の性質として、吸湿性があるため、生成後は除去するために水洗いをすることが望ましい。

この（１）〜（４）の不溶化反応は、常圧常温の状態で薬液を混合すれば直ちに始まる。２つの薬液は混合された場所から反応が発生し、最初析出した微細結晶から時間をおけば結晶が成長してくる。このため、不燃薬剤を含浸、乾燥させた木材を不溶化薬液に浸漬すると、内部へ薬液が進行するが、ある一定時間以上経過すると、液に接触している木材空孔は結晶で塞がれることになる。したがって、空孔が塞がれてしまった後は、不溶化の効果に寄与しないため、浸漬する時間の管理が重要である。

木材の含水率が高ければ、それだけ、木材中の空隙部分が少ないため、薬剤の反応できる容積が減る。不溶化反応できる場所が限定的になり、充分な効果を得られない場合が発生しやすい。

不燃薬剤を含浸させ、乾燥させた木材を、不溶化させる薬剤溶液に浸漬させ、不溶化反応を起こす時、木材は含水率（この場合、不燃薬剤を含浸する前の木材の全乾密度に対する含水率を指す）は低い方が望ましい。

上述のように、不燃薬剤として、リン酸塩とホウ酸との混合薬品が一般的に用いられている。ホウ酸は、常温常圧の状態で化学反応を起こして、水溶性のものを不溶性にするのは困難である。ホウ酸は金属原子と結合するが、高圧高温でないと結合しない。

そこで、リン酸塩を上述のように不溶化処理をし、ホウ酸を水溶性のままで残した場合に、不燃薬剤全体として不溶化しているかどうかを検討する。リン酸塩は不溶化しているので、吸湿された水分がホウ酸を溶解するために使われると、どの程度の量のホウ酸が溶解できるのか検討した結果、ホウ酸が溶け出る量は極めて微小な量である。したがって、リン酸塩を不溶化することによって、ホウ酸とリン酸塩の混合液であっても、不燃薬剤全体として不溶化が可能ということになる。

上記のことを詳細に具体例によって考察する。すなわち、リン酸塩とホウ酸からなる不燃薬剤において、リン酸塩を不溶化することで、薬剤全体の耐水性が高まるか、その条件を考察する。

（条件）
基材
密度 ＝０．３７
含水率＝１５％
不燃化木材の含水率＝２０％
ホウ酸
ホウ酸のモル質量＝ 61.83 g
エンタルピー＝ 14.12 kJ/mol
薬剤それぞれのモル比
リン酸塩＝８mol （重量比＝７０％）
ホウ酸 ＝５mol （重量比＝３０％）
の４０％溶液（重量比）とし、充填率８０％、リン酸塩は表面上のものは全て不溶化されているとし、気温４０℃ 湿度９０％ ２４ｈ として仮定する。このときの、ホウ酸の溶解度は ８．０８ｇ／１００ccである。

木材の吸収湿度Wは数式１の通りである。

ここで、
W ：吸湿量 (g/cc)
κ：試料定数 (0.049)
t ：時間
n =0.5

数式１の詳細は、木材工業ハンドブック、「木材の吸湿脱湿速度に関する研究」後藤徳郎らを参考されたい。

リン酸塩の影響を受けないためには、木材の吸湿性とその水分量におけるホウ酸の溶解量を数式２により、計算すればよい。

ホウ酸の溶解反応は吸熱反応である。ここでの外部からのエネルギー補充は吸湿によって凝縮した水分からのものである。４０℃の潜熱は数式３により計算される。

ここで、水の比重 ≒１とする。
吸収水分量は、0.24 g/cc であったから、吸収された湿度が水に変わった時に発生するエネルギーは数式４の通りに計算される。

このエネルギーで溶解できるホウ酸量は、ホウ酸のエンタルピーより、次の数式５の通り、決定される。

吸収された水分は基材が繊維飽和点以下の乾燥度になっていることから、木材組成のセルロースヘミセルロース等のもつ不飽和水酸基との水素結合がまず発生する。その後、空孔内に残存する水に対してホウ酸の溶解反応が発生することから、溶解に使える水分量はより少なくなる。

この溶解可能量では溶解された水分の移動は有り得なく、また、この条件が数日継続したとしても、白華に至までの量の水分が蓄積される条件は極めて稀である。このことから、リン酸塩のみを不溶化措置すれば、一般的な使用環境であれば、充分実用的であることがわかる。

本発明１〜５は、表面に大気との遮断面の形成が必要ないので、多孔質性の木材のもつ調湿効果を損なわないという利点がある。

本発明１〜５は、木材に含浸させた不燃薬剤を化学反応により不溶化させ、木材に存在する薬剤の吸湿等による溶脱を防ぐことができる。

本発明１〜５は木材の表面に造膜することなく適応することができ、木材の生地の風合いを損なわないばかりでなく、経年変化による表面保護膜の劣化等に対する措置を執る必要がなく、極めて容易に維持管理ができる。

本発明１〜５によれば、木材に不燃薬剤を含浸させた後、乾燥工程を経て、不溶化薬剤と反応させるため、木材深部に存在し不溶化できない不燃薬剤は本来の性能を担保しているため、不溶化による性能低下を最小に抑えることができる。

本発明１〜５によれば、不燃薬剤の不溶化は木材の１面のみに適用するだけでなく、他の面への適用が可能であり、要求する性能を任意に出せる。

本発明２によれば、不燃薬剤はPH７．０を越えるアルカリ性であることから、イソシアネート系の接着剤使用が可能であり、木材の審美性を損なうことなく大きな面を製造出来る。

本発明３によれば、仕上がり形状の製品を浸漬しても形状変化を最小に留めることができる。

本発明４によれば、水素よりもイオン化傾向の高い金属を用いての反応ではイオン化傾向が高いほど、よりラジカルに反応が発生するためイオン化傾向が低い金属を用いる場合よりも広範囲な反応が期待できる。

本発明５によれば、リン酸塩の不溶化措置によって不燃薬剤全体を溶脱しない組成に変化させることができる。

本発明実施形態の不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法における不溶化処理後の木材外観を示す写真図である。 同じく吸湿試験前の写真図である。 同じく吸湿試験乾燥後の写真図である。 同じく比較燃焼試験結果１を示すグラフである。 同じく比較燃焼試験結果２を示すグラフである。 不溶化不燃木材の質量変化を示すグラフである。 不燃化木材への不溶化薬剤の含浸増加量を示すグラフである。

本発明実施形態の不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法について、図面及び表を参照して説明する。

（不燃薬剤含浸工程）
不燃薬剤を木材（本試験では、九州産スギを使用）に加圧減圧法（木材を薬剤水溶液に浸漬した状態で加圧と減圧を繰り返し行う）により含浸する。ここで、木材表面にＵＶレーザーなどにより不可視な微細な開孔を生成すれば（以下、単に表面UV加工という。）、開孔部分より、木材深部への不燃薬剤、不溶化薬剤の含浸をさせることが出来、より効率的に、溶脱しにくい状態を生成できる。含浸方法はＵＶレーザー表面加工があってもなくても同等な方法でかまわない。

ここでいう含浸に用いる不燃薬剤は、リン酸水素二アンモニウム、ホウ酸、助溶剤および希釈水を含みｐＨ７．０を超えるアルカリ性である。ホウ酸は結晶水等を含まない単純構造のホウ酸を用い、不燃薬剤の重量濃度は３０％である。

（乾燥工程）
不燃薬剤が含浸された木材を含浸前の重量と同等になるまで乾燥する。（乾燥温度：６０℃）。その後、必要あれば、表面の仕上げ加工をサンダー等を用いて行う。

（不溶化工程）
不燃薬剤含浸木材に含まれる不燃薬剤を不溶化する不溶化薬剤には、硫酸マグネシウム３０ｇ／１００ｃｍ^３濃度（２５℃）を用いる。１０〜６０分間、好ましくは１０〜３０分間浸漬することによって、０．１〜３．０ｍｍの不溶化層を形成し、木材中の不燃薬剤を不溶化する。ここで、効率的な不溶化反応を行うために、不溶化薬剤に不燃木材を浸漬した後、減圧処理または加圧減圧処理（溶液に浸漬した状態で加圧と減圧を繰り返し行う）を行ってもよい。この不溶化層は表面及び木材空孔に形成される。３０分の浸漬時間を越えると、木材中で反応生成した不溶化リン酸塩の結晶が成長するため、木材中の空隙を塞ぎ、不溶化薬剤の内部への含浸を止めて効果を上げることが出来ないばかりか、表面に成長した結晶層を形成し、かえって美観を損ねてしまう。

不燃薬剤のＰＨは７．４〜７．５であり、不溶化薬剤（硫酸マグネシウム水溶液）のＰＨは５．４〜５．５である。これらを中和反応させて、リン酸マグネシウムという不溶性の塩を作る。薬剤の中のリン酸塩がリン酸水素二アンモニウムからリン酸マグネシウムに変わることによって、不溶化することができる。

不溶化する薬剤は、水素イオンよりもイオン化傾向の高いマグネシウムによる硫酸マグネシウムである。以上の通り、薬剤反応について、また、製造された木材について以下の試験（１）〜（７）を行った。

（試験１）
まず、種々の不燃薬剤と種々の不溶化薬剤の反応について試験を行った。リン酸塩及びホウ酸からなる不燃化薬剤を作成し、試験管を用いて不溶化薬剤と混合し、表１に示す通り、その変化を視認した。反応が起きる場合は○、反応が起きない場合には×で示す。

リン酸二水素アンモニウムは酸性、リン酸水素二アンモニウムは弱アルカリ性、リン酸グアニジンは中性、リン酸ナトリウムは弱アルカリ性である。リン酸塩が酸性であると反応が起きず、中性からアルカリ性であると不溶化反応が起きた。このことからこの反応はイオン結合による中和反応の一種であることが確認できた。

（試験２）
図１は、同一木材から切り出した試験片（表面UV加工無し）に上述した不燃化薬剤を含浸、乾燥した後、不溶化薬剤への浸漬（常圧）によって不溶化処理した不燃化木材の写真である。上段右側の試験体は、塩化アルミニウム水溶液を不溶化薬液として用いたものである。副製生物として塩酸が生成され強酸のため木材組織中のリグニンが溶け出したため、木材組織に脆弱性が発生し、一部が剥がれ落ちている。上段左側は、塩化アルミニウム水溶液を不溶化薬液として用いたが強酸であることを中和させるため水酸化ナトリウムを加えたものである。ｐＨ１０としたが、板目、木材組成のホロセルロース（セルロース＋ヘミセルロース）の脱水反応が発生し全体が暗色に変色した。下段右側は、硫酸マグネシウム水溶液を不溶化薬液として用いたものである。長時間（６時間）含浸させたため、表面に不溶化塩の結晶が白華と同等な見かけで発生しているが木材自体の変化は見られなかった。下段左側は塩化マグネシウムを不溶化薬剤として用いたものである。長時間（６時間）含浸させたため、表面に不溶化塩の結晶が白華と同等な見かけで発生しているが木材自体の変化は見られなかった。以上のことから、マグネシウム化合物を用いるものの方が見かけの変化が少なく反応するという結果になった。どちらのマグネシウム化合物を用いても同等の結果を得られるが塩化マグネシウムはハロゲンを含むため、硫酸マグネシウムを用いる方がよい。

（試験３）
同一木材から切り出した試験片に、上述した不燃薬剤を所定の時間含浸させ、充填率８０％まで、不燃薬剤を木材に注入した後、直ちに木材を上述した不溶化薬液（硫酸マグネシウム水溶液）に浸漬し、０．６Ｍｐで加圧した。２時間、その状態を維持し、取り出して変化状況を確認した。

不溶化させた木材の表面に厚さ０．５〜１．０ｍｍの白い化粧の固まりが見られた。その後、表面を約４５℃の水の流水で１０分、スポンジでこすったが、溶解することなく最初のままであった。このことから、不溶化したリン酸塩の結晶が肥大化したものが表面にできたと考えられる。

（試験４）
同一木材から採取した試験片３体（表面UV加工無し）に上述した不燃化薬剤を含浸させた後、60°Cで乾燥し、上述した硫酸マグネシウム水溶液への浸漬（常圧）によりリン酸塩を不溶化する不溶化処理を施した試験体を作成した。不溶化処理をしていない試験体を、比較試験のため、共に硝酸カリウムの飽和溶液と一緒に密閉容器に入れ、湿度９２％・５０℃で７２時間放置し、その後、６０℃で２４時間乾燥を行い、表面の状態を観察した。試験前の写真を図２に、試験後の写真を図３に示す。図３の下段３体が図２のものと同じ試験体であり、上段の２体が比較試験のために用いた不溶化処理をしていない不燃薬剤含浸木材である。

不溶化処理した試験体には白華が見られなかったが、無処理の試験体には、部分的に白華が出現した。リン酸塩を不溶化することによる白華抑制は十分に効果があると確認できた。

本実施形態は、不燃薬剤自体がアルカリ性であり、含浸させ乾燥させた後、酸性の硫酸マグネシウム溶液によって不溶化する。こうすることによって、木材深部に存在し不溶化でき無い不燃薬剤は本来の性能を担保しているため、不溶化による性能低下を最小に押さえることが可能な方法である。

（試験５）
３ｍの木材に上述の不燃薬剤を含浸させ、薬剤含浸率が同様なものを切り出し、表２に示す試験体は不溶化処理、表３に示す試験体は不溶化無処理とし、ほぼ同じ質量となるように調整した。不溶化処理した試験体と無処理の試験体それぞれの燃焼試験結果を図４、図５に示す。不溶化処理した試験体の総発熱量は６．８９ＭＪ、無処理の試験体の総発熱量は８．７０ＭＪであった。不溶化処理によって不燃性能の低下は見られなかった。

（試験６）
同一木材から切り出した試験体に、上述の不燃薬剤を含浸、乾燥させ、不溶化処理して作成した試験体を室内に放置し、吸湿放湿による重量の変化を観察した。乾燥機から取り出した即時の密度が０．５９g/cm³、最大時の密度が０．６１g/cm³、４０日経過後の現在密度が０．５８g/cm³である。

乾燥機から取りだした後、重量増加が見られたが、その後、徐々に質量が低下した。不溶化不燃木材の室内環境における重量変化表を表４に示す。表４、図６から、不溶化処理を行っても、木材の持つ吸湿放湿性能は阻害されていないことがわかる。

（試験７）
不溶化層の厚みを算出する試験（n=4）を行った。同一木材（九州産スギ）から表５に示す試験片７−１、７―２、７−３、７−４を切りだし、上述の不燃薬剤を含浸させ、６０℃にて乾燥させ、重量が恒量になった試験片４体を用意した。最も入手しやすい硫酸マグネシウム・７水和物を用い、水和分を除いた硫酸マグネシウムの重量比が２５％になる水溶液を作成した。具体的には、モル質量がMgSO₄・7H₂O = 246.48 g/mol、MgSO₄ = 120.34 g/molで計算し、MgSO₄・7H₂Oを512 g、希釈水(H₂O) = 488 gを混合した。常圧の雰囲気にて、この硫酸マグネシウム水溶液（２５℃）に上記４体の試験片を含浸させ、１０分ごとに試験片を取り出し、増加重量を１時間まで計測した。図７は、各試験体における、不溶化薬剤含浸量の経時変化である。１時間後のそれぞれの試験体の重量増加は、試験体６−１は９．６ｇ、試験体６−２は１０．２ｇ、試験体６−３は９．５ｇ、試験体６−４は９．５ｇであった。

不燃薬剤を含浸させ、乾燥させた木材を不溶化薬液に浸漬すると、乾燥時に木材中の水分が抜け出るために発生している微細孔から可逆的に侵入し、固体となっているリン酸塩の表面において反応が発生し不溶化塩が生成する。木材内部に行くにしたがって乾燥時に発生した微細孔はより狭小となるが毛細管現象により液体の吸収性が高まる。不溶化薬液は木材の各所の状況により含浸深度もバラバラであるが、以下のように仮定して反応深度を計算した。

（仮定）
・不溶化薬液は木材の表面の全ての部分から均等に木材に含浸される。
・重量増加量≒含浸薬剤溶液量
以上のことから、不溶化深度＝（増加重量／（１―見掛け密度））／表面積として計算した。

上記の試験体の重量増加量から含浸深度を計算すると、試験体７−１は０．９８ｍｍ、試験体７−２は１．１３ｍｍ、試験体７−３は０．８８ｍｍ、試験体７−４は０．７４ｍｍの厚みの不溶化層が形成された。

また、図７から分かるように、最初の１０分間の吸収量が多くその後は緩やかに吸収されていく。１時間後の試験体では表面に成長したリン酸マグネシウムの結晶によって白華と同様の外観になるものが４体中１体あった。このことから、不溶化の結晶を成長させなく表面の美観を損なわない反応時間は１０〜３０程度で充分であると考えられる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、様々な改変、置換、欠失等を行うことが出来、改変、均等、置換、欠失等も本発明の技術的範囲に含まれる。

Claims (5)

1. 不燃薬剤を木材に含浸する不燃薬剤含浸工程と、
   前記木材を乾燥する乾燥工程と、
   前記木材を不溶化薬剤に短時間浸漬することによって、不溶化層を形成し、木材中の不燃薬剤を不溶化する不溶化工程と、を備え、
   前記不溶化層は表面及び木材空孔に形成されることを特徴とする不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法。
2. 前記不燃薬剤は、ｐＨ７．０を超えるアルカリ性であり、前記不溶化薬剤は酸性である、請求項１の不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法。
3. 前記不溶化薬剤への木材の浸漬時間は１０分〜６０分である請求項１又は２の不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法。
4. 前記不溶化薬剤は、水素イオンよりもイオン化傾向の高い金属による塩を含む請求項１ないし３いずれかの不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法。
5. 前記不燃薬剤には、リン酸塩及びホウ酸を用い、該ホウ酸は結晶水を含まない単純構造のホウ酸を用いる請求項１ないし４いずれかの不燃化木材に含まれる不燃薬剤の不溶化方法。