JP2018514422A - 複合製品および前記製品を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱改質されたセルロース材料およびポリマーを含む複合材料の層でコーティングされた、熱改質された無垢木材成分を含む複合製品に関する。本発明はまた、この複合製品を製造する方法に関する。

Description

本発明は、熱改質された無垢木材成分（ｓｏｌｉｄ ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含む複合製品であって、この熱改質された無垢木材成分が、熱改質されたセルロース材料およびポリマーを含む複合材料の層でコーティングされている、複合製品に関する。

未処理の多くの木材種は、外部環境によって引き起こされる影響を非常に受けやすい。持続可能な期間にわたって水分および／または土壌にさらされている未処理の木材は、さまざまなタイプの微生物や昆虫による攻撃によって弱くなる。したがって、耐久性の低い木材を湿気および真菌の攻撃に対する耐性を高めるために処理することが重要である。 さらに、紫外線放射に曝される木材は、変色および劣化の影響を受けやすい。

木材の抵抗性を高める多くの異なる処理方法が存在する。生物学的耐久性と強度を高めるための木材の化学的処理は、長い間使われてきた。多くの異なる化学物質を加えることができる。これらの化学物質は、通常殺菌剤と呼ばれ、木材の劣化を引き起こす生物に対する長期間の耐性を提供する。正しく適用されると、木材の生産寿命を５〜１０倍に延ばすことができる。

木材の耐性を改善する別の公知の方法は、木材を高温で処理して木材を熱的に改質することである。熱改質の間、木材中に見出される特定の有機化合物が除去され、それによって木材上で菌類増加および腐敗が進行する可能性が減少する。したがって、木材をある特定の温度に加熱することによって、リグノセルロース繊維を、真菌および昆虫にとっての食欲が低下したものとすることが可能である。熱改質はまた、液体および湿度の両方の水分に関する木材の特性を改善することができ、すなわち、より低い平衡水分量、より少ない水分変形および改善された耐候性をもたらすことができる。熱改質された木材の１つの潜在的な欠点は、改質プロセスの結果としての曲げ強度および表面硬度の両方における強度の低下であり、それは材料の有用な耐用年数を減少させるおそれがある。

従って、熱改質された木材を環境の影響に対してさらに保護する必要もある。現在、無垢木材製品を保護する最も一般的な方法は、木材製品の表面にポリマーコーティングを施すことである。最も一般的に使用されるポリマーコーティングは、ハードウェア店舗および工業生産者の両方から入手可能な従来の塗料およびコーティングである。これらのコーティングは、手作業または工場環境で塗布することができ、通常、ベース（プライマー）コーティングを最初に塗布し、次に１つまたは２つのオーバーコート層を追加して基材の表面に保護フィルムを構築することに基づいている。この種のコーティングは、変化する気候条件に敏感であり、経時的に基材から浸食、亀裂または剥がれが生じ、定期的な修復メンテナンスが必要となる。別の既知の方法は、無垢木材製品の上または周囲にポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ポリマーの層を塗布することであり、ＷＯ２００７／０５７０２９Ａ１に記載されている。熱改質された木材または通常の無垢木材（キルン乾燥木材）のいずれかである場合、無垢木材をポリマーでコーティングするときの問題は、基材とポリマーの間の寸法変化および界面強度であり、すなわち無垢木材および／またはコーティングされたポリマー層の寸法が異なる速度で時間の経過とともに変化し、それによって界面点に応力を生じさせ、木質基材が完全にカプセル化されていない限り、性能が最終的に低下する可能性がある。

標準的な木質繊維ポリマー複合材料（ＷＰＣ）について、共通する問題は、繊維、熱可塑性樹脂および添加剤に基づく材料の高い重量および熱可塑性の両方に起因するクリープである。クリープは、重量、熱および湿気の両方によって引き起こされる可能性があり、したがって、クラッディングやファサードボードにおけるような、より長いスパンが必要であって製品が自重を担持する必要があるより詳細かつ困難な用途に適用することに対して、標準的な木質繊維ポリマー複合材料の使用がしばしば限定される。

したがって、無垢木材および繊維ポリマー複合材料のコーティングを含む、改善された複合製品についての必要性がある。

本発明の目的は、改良された特性、例えば、クリープの減少傾向、および、ポリマーコーティングと無垢木材成分との間の改善された接着性を有する繊維ポリマー層でコーティングされた無垢木材成分を含む複合材料を提供することである。

本発明の別の目的は、前記複合材料を容易かつ効率的に製造する方法を提供することである。

これらの目的および他の利点は、独立請求項による製品および方法によって達成される。本発明は、無垢木材成分の少なくとも１つの側面が、熱改質セルロース材料とポリマーとを含む複合材料の層でコーティングされている、熱改質された無垢木材成分を含む複合製品に関する。

複合材料は、熱改質されたセルロース材料を５０重量％未満、好ましくは２０〜４５重量％、さらにより好ましくは２０〜３０重量％または１５〜２５重量％含んでよい。

熱改質されたセルロース材料は、１ｍｍ未満、好ましくは０，５０ｍｍ未満、さらにより好ましくは０．２５ｍｍ未満または０．１ｍｍ未満の粒径を有してよい。複合材料中のセルロース材料のより均一な分散および分布が達成されるので、セルロース材料は小さい粒形を有することが好ましい。熱改質されたセルロース材料がセルロース繊維の形態である場合、繊維は好ましくは１ｍｍ未満、好ましくは０，５０ｍｍ未満、さらにより好ましくは０．２５ｍｍ未満または０．１ｍｍ未満の繊維長を有する。

熱改質されたセルロース材料は、粉末の形態であってよい。したがって、熱改質されたセルロース材料は、機械的に粉末に処理された、熱改質されたセルロース繊維を含んでいてよい。セルロース材料の粒径は、セルロース材料が均一に分布している複合材料を達成するために重要である。セルロース材料が粉末の形態であれば、良好な分散およびポリマーとの混合を達成することが容易であることが分かった。

熱改質されたセルロース材料は、熱改質されたミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）であってよい。熱的に改質されたＭＦＣを使用することにより、複合材料の機械的特性が改善されることが分かった。また、複合材料の流動特性が改善され、材料の加工がより容易になる。さらに、ＭＦＣの熱改質は、ＭＦＣのポリマーマトリックスへの分散性を改善し、平衡含水率を低下させ、複合製品の寸法安定性をさらに向上させると考えられる。

ポリマーは、１８０℃を超える融点を有する高溶融ポリマーであってよい。ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）であってもい。本発明により、熱的に改質された無垢木材は、通常のキルンの乾燥無垢木材の成分／製品に比べて耐熱性が高いので、熱的に改質された無垢木材のコーティングのための複合材料において高溶融ポリマーを使用することが可能であることが見出されたが、これは１６０℃超の温度で通常は滲出するであろう樹脂および揮発性物質の欠如に起因する。

複合材料の層は、好ましくは１〜５ｍｍの厚みを有する。層が厚すぎるとクリープの問題が生じる。また、厚すぎる層を有することは経済的に有益ではない。

無垢木材成分および／またはセルロース繊維は、好ましくは大気圧で１６０〜２５０℃、好ましくは２００〜２３０℃の温度で、または加圧下で１２０℃を超える温度で熱処理によって熱改質されている。

無垢木材成分の２つ以上の側面は、複合材料を含む層でコーティングされたものであってよい。無垢木材成分の全体が複合材料を含む層でコーティングされていることが好ましい場合がある。

無垢木材成分の少なくとも１つの側面が複合材料を含む２つ以上の層でコーティングされていることも可能である場合がある。このようにして、複合材料の２つ以上の層を含む複合製品を製造することが可能である。これらの層は、改良された特性を有する複合製品を製造することを可能にする異なる種類の複数の複合材料からなっていてよい。

本発明はまた、熱改質された無垢木材成分を提供するステップ、熱的に改質されたセルロース材料とポリマーとを含む複合材料を提供するステップ、前記複合材料を押出機に供給するステップ、前記の改質された無垢木材成分を押出機を通して運搬するステップ、および、前記複合材料の層を適用して、前記押出機を通って搬送される間に前記無垢木材成分の少なくとも一方の側面上にコーティング層を形成するステップを含む方法に関する。したがって、改善された複合製品を容易に製造することが可能である。

押出機中の無垢木材に適用される複合材料の温度は、好ましくは１８０℃超である。

無垢木材成分の２つ以上の側面は、好ましくは、複合材料の層でコーティングされている。無垢木材の全体、すなわち製品の全側面が複合材料の層でコーティングされていることが好ましい場合もある。

詳細な説明
本発明は、無垢木材成分の少なくとも１つの側面が、熱改質されたセルロース材料とポリマーとを含む複合材料の層でコーティングされている、熱改質された無垢木材成分を含む複合製品に関する。驚くべきことに、熱改質された無垢木材成分を熱改質されたセルロース材料とポリマーとを含む複合材料でコーティングすることにより、クリープの問題は、市場で入手可能な既存の繊維熱可塑性複合材料およびコーティングされた無垢木材製品と比べて大幅に減じられていることが分かった。これは、熱改質された無垢木材が、通常の木材繊維熱可塑性複合材料および通常のキルン乾燥無垢木材成分と比較して、クリープ変化なしにはるかに良好に自重を担持することができるためである。重量誘起クリープに加えて、本発明は、太陽または凍結状態から発生する水分および表面熱の変化によって引き起こされるクリープをはるかに受けにくい。熱的に改質された無垢木材は、良好な生物学的耐久特性を有する非常に安定した材料であり、また重量比に対して良好な強度を有する。

さらに、熱改質された無垢木材成分と、熱改質されたセルロース材料およびポリマーを含む複合材料とを組み合わせることによって、複合材料と無垢木材成分との間の接着性が改善されることが分かった。これは、材料の類似の性質によるものであり、安定性、耐久性および全体的な美観の両方において、より大きな適合性およびより高い性能をもたらす。この点で、熱改質されたセルロース材料は、熱改質された無垢木材成分と接触しているときに接着促進剤として複合配合物中で使用することができる。接着は、無垢木材の表面処理、改質によって、または、複合材料と無垢木材成分との接触面積を設計を通じて増大させることによって（例えば、無垢木材の表面上に溝またはパターンを適用し、改良された機械的接着をもたらすことによって）さらに改善されうる。他の表面改質は、木材表面の熱改質のような、無垢木材成分と複合材料との間の化学結合を増大させる表面処理を包含しうる。

本発明の一実施形態では、熱改質された無垢木材成分は、熱改質されたセルロース材料とポリマーとを含む複合材料でコーティングする前に難燃剤で処理される。本発明の一実施形態では、難燃剤はＭＰ ＦＲ Ｕｌｔｒａである。

また好ましくは、複合材料は、１８０℃を超える、好ましくは２００℃を超える融点を有するＰＥＴなどの高溶融ポリマーを含む。通常の無垢木材（キルン乾燥木材）をコーティングするための複合材料中の高溶融ポリマーの使用は、押出プロセス中に無垢木材を燃焼させる危険性のために可能ではなかった。したがって、熱改質された無垢木材を用いることにより、押出機中で２５０℃までのより高い温度を使用することができる。なぜなら、無垢木材は、燃焼を開始する可能性のある抽出物およびＶＯＣと同じ濃度を有していないからである。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）に加えて、ポリアミド（ＰＡ）、好ましくはポリアミド６または６１０、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）および／または高密度ポリエチレン（ＨＤ−ＰＥ）のような高融点を有する他のポリマーも使用できる。

コーティングされているとは、複合材料が無垢木材成分を覆い、それに付着していることを意味する。コーティングは、押出機または繊維複合材料の層を無垢木材成分に適用するために使用される他の従来の既知の機械で行うことができる。

熱改質された無垢木材成分（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｓｏｌｉｄ ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）とは、大気圧において１６０〜２５０℃の間の高められた温度で、または１バールを超える高められた圧力において１２０℃を超える温度で熱処理された、いかなる種類であってもよい木材種の無垢木材成分を意味する。

熱改質されたセルロース材料とは、大気圧において１６０〜２５０℃の間の高められた温度で、または１バールを超える高められた圧力において１２０℃を超える温度で熱処理されたセルロース材料を意味する。このセルロース材料は、任意の種類のセルロース系木材の熱処理されたセルロース繊維であってよい。前記の熱改質されたセルロース材料を形成するために、熱改質されたセルロース繊維をさらに処理、例えば、機械的に処理及び／又は化学的に処理してよい。熱処理されたセルロース繊維の機械的処理は、粉末を形成するために行うことができ、熱改質されたセルロース繊維を機械的に処理する利点の１つは、それらが独特の形状を有する非常に小さな粒子に容易に壊れることである。サイズ（粒径）および形状は、強度および吸水率などの多数の複合材料特性に影響を及ぼす重要なパラメータである。通常の乾燥木材に見られるものと比較して、非常に微細な粒径および樹脂の欠如のために、繊維の束状化の危険性は、熱改質されたセルロース材料をポリマーに添加して複合材料を形成するときに大きく減少し、ひいてはより均一な分散および分布がもたらされる。熱改質されたセルロース繊維の化学的処理は、材料の反応性を改善するために行うことができる。機械的にまたは化学的に処理されたセルロース繊維を熱的に処理すること、例えば、粉末に粉砕されたセルロース繊維を熱処理することも可能である。

改質セルロース材料は、熱改質されたミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）であってよい。ミクロフィブリル化セルロースは、ナノセルロースとしても知られている。それは、典型的には、木材セルロース繊維、針葉樹繊維または広葉樹繊維の両方から形成された材料である。それはまた、微生物供給源から形成されていてもよく、例えば、海藻発酵繊維、小麦ストローパルプのような農業繊維、竹または他の非木材繊維源が挙げられる。ミクロフィブリル化セルロースにおいて、個々のミクロフィブリルは互いに分離している。ミクロフィブリル化セルロースのフィブリルは非常に薄く（例えば５〜２００ｎｍの幅）、長さは通常１００ｎｍ〜１０μｍである。しかしながら、ミクロフィブリルはまた、例えば１０〜２００μｍの間でより長くてもよく、また、長さ分布が広いために２０００μｍの長さでさえも見出すことができる。短い長さにフィブリル化され、表面にミクロフィブリルを有する繊維もこの定義に含まれる。

改質されたセルロース材料、すなわち非熱改質ＭＦＣと共に複合材料に添加剤としてミクロフィブリル化セルロースを添加することも可能である。複合材料の機械的特性、例えば、表面硬度、耐擦傷性、耐浸食性（ｅｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、曲げ強さ、衝撃強さなどの強度特性を高めるために、非改質ＭＦＣを添加してもよい。また、ＭＦＣを添加すると複合材料の流動能力が向上し、材料の取り扱いおよび加工がより容易になる。

無垢木材成分および／または熱改質セルロース材料の熱改質は、大気圧で１６０〜２５０℃、好ましくは１８０〜２３０℃の温度で行われる。上限範囲の温度が使用される場合、より多い量の成分、例えば、ヘミセルロースは、除去または分解され、これは、熱改質木材成分の重量が減少することを意味する。熱改質は、少なくとも２時間、好ましくは約４時間継続されてよい。木材成分および／またはセルロース繊維の熱改質のために選択されるパラメータは、使用される木材および熱改質された木材成分の最終用途に依存する。無垢木材成分を１２０℃より高い温度で、しかし増大された圧力で、すなわち１バールより高い圧力、好ましくは１．５〜１３バールの間の圧力で熱的に改質することも可能である。

複合材料はまた、複合材料の性能およびプロセスパラメータを向上させる添加剤を含むことができる。可能な添加剤は、潤滑剤、カップリング剤、顔料、ＵＶ安定剤またはブロッカーおよび／または充填剤であり得る。本発明の一実施形態では、複合材料は難燃剤を含む。

また、本発明は、押出機を用いて複合材料を無垢木材成分に供給することを含む、複合製品の製造方法に関する。複合材料の層を無垢木材コンパウンドに塗布するために、任意の種類の押出機を使用することが可能である。

無垢木材成分は、任意の種類の木材であってもよい。針葉樹または広葉樹または竹でさえも含む。

製造された複合製品は、クラッド、デッキ、窓およびドアプロファイル、ライトポール、桟橋、建具、家具などのような多くの異なる製品の製造に使用することができる。

例１
この実験では、通常の松材の鋸くずまたは熱改質された松材の鋸くずを含む複合材料でコーティングしたときの、通常の松材の特性と熱改質された松材の特性とを比較した。

木材板をコーティングする前に乾燥させた。通常の松材板は乾燥後にはっきりと反っていたが、熱改質松板では反り効果は目立たなかった。

複合材料は、以下の組成を有していた。

コンパウンディングは、Ｃｉｎｃｉｎａｔｔｉ Ｍｉｌａｃｒｏｎ ＣＭ４５コンパウンダーを用いて２０６℃（通常の松の鋸くずについて）またはＮＣＴ５５コンパウンダーを１９５℃（熱改質された松材の鋸くずについて）で行った。

コーティング材料の溶融体積流量を測定した。通常の松の鋸くずを含む複合材料の平均溶融体積流量は１９０℃で１６ｃｍ^３／１０分、２３０℃で４４５ｃｍ^３／１０分であった。熱改質された松の鋸くずを含む複合材料の平均溶融体積流量は、２３０℃で８８ｃｍ^３／１０分であった。

２０６℃で通常の松の鋸くずを含む複合材料を用いて通常の松材の押出しを実施することは実行可能ではないことが判明した。押出しの間、コーティング材料は押出方向に逆らって流れ、気泡が形成された。２０６℃で熱改質された松の鋸くずを含む複合材料による熱改質松材の押出しは、良好に機能した。

例２
この実験では、３種の異なる板材を沸騰水中に水没させたときの効果を測定した。

以下の試料を調製した。
Ａ．熱改質された松の鋸くずを含む複合材料でコーティングされた、通常の松材。
Ｂ．熱改質された松の鋸くずを含む複合材料でコーティングされた、熱改質された松材。
Ｃ．難燃剤の層が適用され、次いで熱改質された松の鋸くずを含む複合材料でコーティングされた、熱改質された松材。

複合材料は、以下の組成を有していた。

沸騰試験において、各試料は、５時間、沸騰水中に水没させた。

以下の結果が得られた。

実験終了後の各板の目視により、以下の事項が分かった。
・試料Ａ：コーティングの層剥離があり、無垢木材へのコーティングの接着力は弱かった。コーティングは本質的に無垢木材から離れていた。板材は大幅に歪んでいた。
・試料Ｂ：層剥離は限定的で、コーティングは無垢木材へ十分に接着していた。層剥離は切断端部でのみ見られた。熱改質された松板は歪みなく保持された。
・試料Ｃ：層剥離は本質的に観察されなかった。熱改質された松板は歪みなく保持された。

例３
この実験では、例３と同じ試料が調製された。これらの試料は、２８日経過まで、室温で水中に保管された。吸水率、厚みの拡大率、幅の拡大率および長さの拡大率が、保管１日後、保管７日後、および保管２８日後、各試料について測定された。以下の結果が得られた。

乾燥後、試料の目視を行った。以下の事項が観察された。
試料Ａ：乾燥により、木材が収縮し、層剥離および歪みを生じた。
試料Ｂ：層剥離も歪みも観察されなかった。
試料Ｃ：層剥離も歪みも観察されなかった。

例４
この実験では、難燃剤が複合材料のコーティングに加えられた。代替的に、板材は、コーティングに先立って難燃剤で処理された。

例１に上述されたコーティング組成物が、部分的に難燃剤で置換された繊維およびｇ−ＰＥＴと共に使用された。

火炎処理試験（ＳＢＩ試験のシミュレーション、３分間の火炎処理）を行った。以下の結果が得られた。

従って、難燃剤を含む複合材料でコーティングされた熱改質松材を含む製品は、火炎除去後数秒以内に自己消火されたことが分かった。難燃剤で処理された熱改質松を含む製品はまた、複合材料コーティングが難燃剤を含まなかった場合でさえも自己消火性であることが判明した。

本発明の上記の詳細な説明に鑑み、当業者には他の改変および変形が明らかになるであろう。しかしながら、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、そのような他の改変および変形を行うことができることは明らかである。

Claims (19)

1. 熱改質された無垢木材成分を含む複合製品であって、無垢木材成分の少なくとも１つの側面が、熱改質されたセルロース材料およびポリマーを含む複合材料の層でコーティングされている、複合製品。
2. 複合材料が、５０重量％未満の熱改質されたセルロース材料を含む、請求項１に記載の複合製品。
3. 熱改質されたセルロース材料が１ｍｍ未満の粒子径を有する、請求項１または２に記載の複合製品。
4. 熱改質されたセルロース材料が粉末の形態である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合製品。
5. 熱改質されたセルロース材料が熱改質されたミクロフィブリル化されたセルロースである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合製品。
6. ポリマーが、１８０℃を超える融点を有する高溶融ポリマーである、請求項１〜５のいずれか１項の複合製品。
7. ポリマーが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合製品。
8. 複合材料の層が１ｍｍと５ｍｍの間の厚みを有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合製品。
9. 無垢木材成分および／またはセルロース繊維が、１６０℃と２５０℃の間の温度で、好ましくは２００℃と２３０℃の間の温度にて大気圧で、または１２０℃を超える温度にて高められた圧力で、熱処理によって熱改質されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合製品。
10. 無垢木材成分の２つ以上の側面が、複合材料を含む層によってコーティングされている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の複合製品。
11. 無垢木材成分の全体が、複合材料を含む層によってコーティングされている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の複合製品。
12. 無垢木材成分の少なくとも１つの側面が、複合材料を含む少なくとも２つ以上の層によってコーティングされている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の複合製品。
13. 無垢木材成分が、複合材料でのコーティングに先立って表面処理されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合製品。
14. 無垢木材製品が、複合材料でのコーティングに先立って難燃剤で処理されている、請求項１３に記載の複合製品。
15. 複合材料が難燃剤を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の複合製品。
16. 複合製品を製造する方法であって、
    熱改質された無垢木材成分を提供するステップ、
    熱的に改質されたセルロース材料とポリマーとを含む複合材料を提供するステップ、
    前記複合材料を押出機に供給するステップ、
    前記の改質された無垢木材成分を、押出機を通して運搬するステップ、および、
    前記複合材料の層を適用して、前記押出機を通って搬送される間に前記無垢木材成分の少なくとも一方の側面上にコーティング層を形成するステップを含む、方法。
17. 押出機中の無垢木材に適用される複合材料の温度が１８０℃超である、請求項１６に記載の方法。
18. 無垢木材成分の２つ以上の側面が、複合材料の層でコーティングされている、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 無垢木材の全体、すなわち製品の全側面が複合材料の層でコーティングされている、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。