JP2019502580A - 人工木板材の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、人工木板材の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、高耐久性、低コスト、環境にやさしい人工木板材の製造方法に関する。さらに、本発明は、本発明の方法によって得られる人工木板材に関する。

Description

本発明は、人工木板材の製造方法に関する。さらに、本発明は、本発明の方法によって得られる人工木板材に関する。

一般に、パーティクルボード又はファイバーボードとしても知られている人工木板材は、例えば木材チップ、製材削りくず、おがくずといった木材パーティクル、及び、麻、ケナフ、ジュート、麦わら等の繊維から製造された人工パネル製品である。これらの木材パーティクルは、典型的にプレスされ、化学接合材を使用して一緒に結合される。人工木板材には、板の密度が異なった、パーティクルボード（低密度）、ＭＤＦとしても知られる中密度のファイバーボード、及びハードボードといった、いくつかのタイプがある。これらの木板材、特にＭＤＦは、建物及び家具産業によく使用されている。

木板材を作製するプロセスは、繊維同士を接合材で接合することと、繊維を加圧して最終製品にすることを含んでいる。まず、使用されるための原材料を粒子又はファイバーに粉砕した後に、続いて粒子を乾燥させる。それから、樹脂又は接合材を粒子に噴霧して、粒子及び接合材の混合物を得る。接合材は、粒子同士を接合し、又は「接着」するのに使用され、最終製品である木板材を製造する。次に、混合物をシートにした後に、続いて２０〜３０ｂａｒ、１４０〜２２０℃の温度で混合物を圧縮する。このプロセスは、接着剤（接合材）を硬化させて、材料の粒子／繊維を接合する。最終的に、この板を冷却し、切り出して研磨して使える状態になる。

接合材は、通常、有毒なホルムアルデヒドから作製されることが多い熱硬化性樹脂または加熱重合樹脂である。使用される接合材の種類は、最終製品の特性を決定する上で重要な役割を果たす。コストや使いやすさを考慮した場合には、樹脂をベースとしたアミノホルムアルデヒドは、最も性能を発揮する。尿素フェノールホルムアルデヒド樹脂と尿素メラミン樹脂は、木板材の耐性を高めるメラミンを増強して耐湿性を提供するために使用されている。一般に、木板材の製造プロセスにおいて、繊維は、低コスト及び最終製品に与える有効な物理的機械的特性のために、尿素ホルムアルデヒド（ＵＦ）樹脂及びフェノールホルムアルデヒド（ＰＦ）樹脂に接合させる。例えば、ＵＦ樹脂は、それらの低コスト及び速い硬化の特性のために、ＭＤＦ産業において主に使用される。

木板材の製造において、ＵＦ樹脂及びＰＦ樹脂の使用の欠点は、これらの樹脂がホルムアルデヒドの排出への健康影響およびホルムアルデヒドの排出に伴う潜在的な問題のために、環境にやさしくなく、使用するのに安全でもないことである。ＰＦ樹脂は、ＵＦ樹脂より耐久性がありホルムアルデヒドを放出しないが、ＰＦ樹脂の使用は、ＵＦ樹脂と比較して、高いコストが生じ、ＰＦ樹脂は、ＵＦ樹脂よりかなり遅い硬化速度である。さらに、ホルムアルデヒドベースの樹脂は、全く持続可能でない石油化学プロセスに由来する。現在の木板材の欠点は、湿気による膨張及び変色が非常に起こりやすいことである。木板材は、それ故、湿潤環境において建設に適しておらず、湿度が高い屋外又は場所においてはめったに使用されない。

急速な都市化は、限られた天然資源の利用可能性のために、従来の建築用建材の不足を生み出している。一方、従来の建築用建材を製造するために消費されたエネルギは、空気、水、及び土地を汚染する。エネルギ効率のよい建築用建材へのさらに増えつづける要求を満たすために、費用対効果が高く、環境に適した「グリーン」技術を採用し、伝統的な技術を再開発する必要がある。

上記を踏まえ、当該技術分野においては高耐久性、低コスト、環境にやさしい人工木板材の製造方法に関する需要がある。この方法は、好ましくは、追加の化学接合材を使用せずに高品質の人工木板材を費用対効果が良く、無公害に生産することをもたらすはずである。

本発明の目的は、とりわけ当該技術における上記の必要性に対処することである。本発明の目的はとりわけ、添付の特許請求の範囲に概説された本発明によって達成される。

具体的には、第１の側面において、上記課題は、他の目的の中でも、本発明により、人工木板材の製造方法であって、以下のステップを含む方法によって達成される。
ａ）リグニン含有の植物原料を粉砕し、粉砕混合物を得るステップ
ｂ）前記粉砕混合物を調整し、１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の平衡含水率を得るステップ
ｃ）調整された前記粉砕混合物を均質化するステップ
ｄ）ステップｃにおいて得られた均質な混合物をコールドプレスし、脆性板を得るステップ
ｅ）１．２〜１．４ｇ／ｃｍ³の密度に達するように前記脆性板をホットプレスし、人工木板材を得るステップ

本発明の人工木板材は、「グリーン」原材料であると考えられるリグニン含有の植物原料から製造される。この原料のリグニン含有率は、特定の植物材料中に高水準で天然に存在する。本発明の方法で使用される接合材は、ホルムアルデヒドまたは他の非天然化学接合材を添加していないすべての天然物である。

リグニンは、複雑な有機ポリマー類であり、繊管束植物及び藻類の支持組織における主成分である。リグニン含有の植物原料中のリグニンは、高圧下で加熱すると架橋して熱硬化性フェノール樹脂となる。このリグニンのおかげで、追加の接合材なしで有機パーティクルボードの製造ができる。植物原料のリグニン部内のフェノール分子は、十分な二重共有結合を有し、それにともなって熱硬化性樹脂としての化学反応性を有するので、植物原料をホットプレスすると高品質の人工木板材が得られる。人工木材の機械的特性は、リグニンの架橋度及び材料の密度によって調節できる。架橋密度の度合いは、人工木板材の製造工程で使用される、温度と、ホットプレス中の圧力と、粉砕混合物の含水率とに依存する。架橋度を増やすと機械的特性が向上すると考えられる。

好ましい実施態様において、本発明は、リグニン含有の植物原料が、５ｍｍ未満、好ましくは２．５ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍ未満の粒径の粒子を含む人工木板材の製造方法に関する。

別の好ましい実施態様において、本発明は、リグニン含有の植物原料がココナッツ殻の髄を含む、人工木板材の製造方法に関する。ココナッツ殻は、木板材を製造するのに適した良好な廃材料である。ココナッツ殻の髄のリグニン含有率は、天然に高水準で存在する。そして、髄内のリグニン含有率は４０％〜５０％の範囲であり、一方繊維では３０％〜３５％である。ココナッツ殻の髄は安く、防虫性があり、真菌や腐敗に耐性があり、難燃性であり、優れた遮熱性や遮音性を有する。ココナッツ殻の髄は、高いリグニンとフェノール類含有量を有し、製造中に人工接合材を加えずにホットプレスして人工木板材を得ることができる。殻の髄中の天然化合物のおかげで、接合材を必要とすることなくホットプレスして人工木板材を得ることが可能になっている。

さらに別の好ましい実施態様において、本発明は、人工木板材の製造方法に関する。リグニン含有の植物原料は、材齢６ヶ月未満の新鮮な植物原料を含む。植物原料に独特なリグニンは、人工木板材の硬化において重要な役割を果たす。原材料が乾燥し過ぎると、最終板製品に熱硬化性を付与するためのフェノール樹脂の作用が失われてしまう。

好ましい実施態様において、本発明は、リグニン含有の植物原料が１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の含水率を含む、人工木板材の製造方法に関する。このような含水率は、人工木板材の製造の間にいくつかの効果を奏する。硬化工程にて１２％未満の含水率であると、リグニン含有の植物原料１６％以下の含水率で製造された板の場合に比べて未硬化材料が多くなってしまい、板が乾燥しすぎたものになってしまう問題がある。しかしながら、高すぎる含水率は、急速な水分蒸発から膨れを引き起こしてしまうので、脆性板をホットプレスして得られる筈の密度に届かなくなってしまう。これはおそらく、脆性板に存在する過剰な水によって物理的な粒子が過剰に移動することによるものである。一方、含水率が低すぎると、ホットプレスの間に粒子の粘塑性流動が抑制されてしまい、反応分子同士が近接してくれずに密度が上がらず、架橋度が低下してしまう。リグニン含有の植物原料における含水率が１６％〜２５％であると、最も高い密度と、最もよい曲げ弾性率と、最も良い曲げ強さとに関して人工木板材の最も高い質を示した。原材料の含水率は、選ばれるタイミング及び製造しようとする厚さに直接、関連する。高い含水率は、より高い熱伝導性を確保し、それゆえサンプルが硬化温度に達するまでの時間を短くできる。しかしながら、高い湿気は、圧力開放中に、蒸気爆発を引き起こし、材料の最終特性に最終的に影響を与える不均質性をもたらしうる。

別の好ましい実施態様において、本発明は、粉砕混合物に水を添加して平衡含水率を調節して得る、人工木板材の製造方法に関する。

さらに別の好ましい実施態様において、本発明は、ステップｅの後に続いて、少なくとも２４時間静圧下で人工木板材を調整することによって、形状安定な人工木板材を得る、人工木板材の製造方法に関する。木板材は、再調整の間、水を吸収して変形しやすい。それゆえ、木板材は、ホットプレス後に、直接、静的水平載荷方法を使用して静圧下に置かれる。この手法で板材の形状を安定させられる。

好ましい実施形態において、本発明は、コールドプレスする前に材料の厚さを比較した場合、ステップｄにおいて均質な混合物がコールドプレスされ、少なくとも１：３、好ましくは少なくとも１：４、より好ましくは少なくとも１：５、最も好ましくは少なくとも１：６の厚さを有する脆性板を得る、人工木板材の製造方法に関する。コールドプレスされる前の均質な混合物は、０．１〜０．２５ｇ／ｃｍ³、好ましくは０．２ｇ／ｃｍ³以下の密度を有する。コールドプレスした後、脆性板は、０．３〜０．６ｇ／ｃｍ³、好ましくは０．３５〜０．４５ｇ／ｃｍ³の密度を有する。

本発明において、ステップｅが脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり多くても合計で１〜４分、好ましくは脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり１〜３分、より好ましくは脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり１．５〜２分で実施される、人工木板材の製造方法に関する。ステップｅのタイミングは、蒸発によって水分を完全に飛ばされるマトリックスと、反応が完了するのに要する時間と、材料が均一に冷却される冷却時間との間のバランスに影響する。

さらに別の好ましい実施態様によれば、本発明は、ステップｅが１４０℃〜２２０℃、好ましくは１５０℃〜２００℃、より好ましくは１６０℃〜１８０℃の温度で実施される方法に関する。温度は、粒子の最適な流速及び化学架橋を実現するためのホットプレス中における不可欠な変数である。脆性板の温度は、架橋を起こすためには１４０℃を超えなければならない。そして、リグニンは１４０℃超で反応（又は硬化）し、リグニンを取り込んだ有機化合物と化学的に結合する。しかしながら、ホットプレスにおける時間を最小化し、プロセスのスピードを上げるためには、１６０℃〜１８０℃の温度が好ましい。２２０℃よりも高い温度を使用することは、膨れや塵のせいで、人工木板材の最終品に損害を与える危険性がある。温度はまた、リグニンの粘度に影響を及ぼし、粘度を低下させ、リグニンが多孔性媒体を通って流れ、繊維に均一に結合することを可能にする。

本発明において、ステップｅが１２０〜１７０ｂａｒ、好ましくは１３０〜１６０ｂａｒ、最も好ましくは１４０〜１５０ｂａｒの圧力で実施される、人工木材の製造方法に関する。この圧力は、フェノール分子が結合し一緒に「接着」することができるほど接近して脆性板の粒子を保持するのに要される。この圧力は、リグニンが流動して全ての空洞を満たし、リグニンとマトリックスを密接に接触させる大きな要因となる。この二種の効果のうちの後者により、より多くの架橋点が生成して、結合及び材料の強度が促進される。選択された最適な圧力は、重要な役割を果たす二種の現象からの帰結である。すなわち、第１に高い粘度のリグニンが、マトリックスが有する非常に狭く圧力損失の大きな路を流動しなければならないこと。そして第２に、リグニンと繊維が反応するためにはその間の距離が短い必要があり、それゆえ最終生成物の強度を保証されるということである。

別の好ましい実施態様において、本発明は、ステップｂで得られた調整された粉砕混合物が他の木材類似材料及び／又は添加物及び／又はポリマー及び／又はセメント系組成物と混合される、本発明による方法に関する。製品の改善された特性（耐水性、耐火性、耐摩耗性など、又は艶消し若しくは光沢のある外観のようなさまざまな仕上げなど）を得るために、かつ、さらに持続可能な製品を開発するために、いくつかの天然及び化学添加材は、小麦グルテン、大豆たんぱく質、乳カゼイン、植物油、クエン酸、フルフラール、ワックス、染料、湿潤剤及び／又は離型剤などの粉砕混合物に加えることができる。

本発明は、第２の側面において、本発明の方法によって得られた人工木板材に関する。

さらに本発明の別の好ましい実施態様において、人工木板材は、少なくとも４６Ｎ／ｍｍ²、好ましくは少なくとも４７Ｎ／ｍｍ²の曲げ強度を有する。リグニン含有の植物原料の粉砕から得られた粒子の混合物は、混合物中に組み込まれた短い繊維を有する。これらの繊維は、人工木板材の曲げ強度に影響を与える。曲げ剛性は、リグニン含有の植物原料の加工品質における最もよい指標である。

本発明において、人工木板材は、１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の含水率を有し、本発明による人工木板材は、ヨーロッパ規格ＥＮ３１７によれば２４時間、水溶液に浸漬した後、水分吸収により、多くても１３％、好ましくは多くても１２％、より好ましくは多くても１０％、最も好ましくは多くても９％の厚さ膨潤率を有する。

本発明の別の好ましい実施形態において、人工木板材は、少なくとも１．８Ｎ／ｍｍ²、好ましくは少なくとも２．２Ｎ／ｍｍ²、より好ましくは少なくとも２．５Ｎ／ｍｍ²の内部結合強度を有し、人工木板材は、コイアダストを少なくとも２５％〜５０％ｖ／ｖ含む。

ハードボード（ＨＢ）とも呼ばれる高密度繊維板（ＨＤＦ）と比較して、本発明の人工木板材は、改善された特性を有する。本発明の人工木板材は、ヨーロッパ規格ＥＮ６２２−２に準拠し、「耐荷重及び湿潤状態のハードボード」（ＨＢ．ＨＬＡ１型）のクラスに属する。

本発明の別の好ましい実施形態において、人工木板材は、リグニン含有の植物材料を他の木材類似材料、添加物、及び／又はポリマー、及び／又はセメント系組成物と混合した組成物を含む。本発明の人工木板材は、製品のより良い特性を得て、さらに持続可能な製品を開発するために、小麦グルテン、大豆たんぱく質、乳カゼイン、植物油、クエン酸、及び／又はフルフラール等のいくつかの天然及び化学添加物を添加して開発することができる。本発明の人工木板材は、高い耐水性、耐火性、防虫性等の製品を得るためにワックス、染料、湿潤剤、離型剤等の様々な他の化学物質を含むことができる。

本発明は、下記実施例でさらに詳細にする。

実施例１ 粉砕
新鮮なココナッツ殻（材齢６ヶ月未満）は、インドネシアから輸入した。このココナッツ殻は、その殻の新鮮さを維持するために９５％相対湿度（ＲＨ）及び２８℃で調整された室にあるプラスチック袋に収納しておいた。後で、約２ｋｇのココナッツ殻をノコギリで小片に切り分け、３つの異なるステップ（ふるいなし、１０ｍｍのふるい、２ｍｍのふるい）においてＦＲＩＴＳＣＨモデル１５．３０２／６９４を用いて粉砕した。最後の結果物は、繊維と２ｍｍで篩別されたダストとの混合物である。

実施例２ 調整と含水率
粉砕されたココナッツコイアを、その含水率に応じて、２つの異なる気候室である２４℃／５０％ＲＨの室か２０℃／６５％ＲＨの室かに５〜１２日間入れて調整した。次に、湿潤サンプルを重量測定し、少なくとも１８時間１０３℃にてオーブンで乾燥し、最終的に乾燥サンプルを重量測定し、下記式から含水率を決定した。
「ｍｗ」と「ｍｄ」とは、それぞれ湿潤重量と乾燥重量である。

実施例３ 木板材の製造
工程は下記ステップを含む
１．コイアの調整
２．予備プレス
３．ホットプレス
４．静圧下の調整
５．切り出し
６．板の調整

１．コイアの調整
目標の平衡含水率（ＥＭＣ）に達するまで、このステップを実施する。

２．予備プレス
調整されたコイアを金型に詰めて１．３５ｇ／ｃｍ³の最終密度になるようにする。コイアを均一に広げた後、０．１５ｔｏｎ／ｃｍ²で１分間金型をプレスする。この場合、６９．８ｇのコイアを１０×１５ｃｍの鋼製金型に詰めて、２２．５ｔｏｎで１分間荷重する。

３．ホットプレス
予備プレスステップの結果物は、予備パックと呼ばれる脆性板である。厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板２つの間に置き、昇温時間を含む４分間１７０℃、２２．５ｔｏｎ（０．１５ｔｏｎ／ｃｍ²）で製造された「予備パック」をプレスした。その後、内部温度を熱電対で５０℃と測定するまで、サンプルをプレス内部で冷やした。

４．固定された圧力下の最初の調整
製造された板を一晩室温で荷重して調整した。

５．切り出し
最初の調整後、乾燥未硬化材料を除去するために２回目に調整するステップ前に、サンプルの切り出しを実施した。

６．第２の調整
切り出したサンプルはヨーロッパ規格ＥＮ３１０等に従って重量が０．０１％を超えて変化しないまで、６５％ＲＨ、２０℃で調整され、形状の安定した製造物を得た。平滑性を維持するためにサンプルを支持体の上に置いて上から荷重した。

実施例４ 人工木板材の物理的機械的性質の決定
形状安定した後に切断されたサンプルは、面積５０×５０ｍｍの２つと２×８ｍｍの細長い片の１つを重量計測する。ヨーロッパ規格ＥＮ６２２−２に従って、製造されたサンプルを試験した。この規格は、人工木板材をハードボード（ＨＢ）とも呼ばれる高密度繊維ボード（ＨＤＦ）で比較するために必要とされたすべての試験を含む。特定のテストのリストを下記に提供する。

結果
上記のようにヨーロッパ規格に従って、人工木板材の１１個のサンプルを試験した。サンプル１〜５、１０、１１は、１６．４％の含水率を有し、サンプル６〜９は、１２％の含水率を有する。

密度
密度測定は、ヨーロッパ規格ＥＮ３２２に従ってサンプル１、２、３、４、８、９、１０、１１について２回行われた。

曲げ強度及び曲げ弾性率
曲げ強度及び曲げ弾性率試験は、ヨーロッパ規格ＥＮ３１０に従ってすべてのサンプルについて行われた。

内部結合及び沸騰試験後の内部結合
内部結合及び沸騰試験後の内部結合試験は、ヨーロッパ規格ＥＮ３１９及びＥＮ１０８７−１に従ってサンプル１〜４について実施された。

２４時間水に浸漬後の厚さの膨潤率
このテストは、ヨーロッパ規格ＥＮ３１７に従って下記サンプルについて行われた。

Claims (19)

1. 下記ステップを含む、人工木板材の製造方法。
   ａ）リグニン含有の植物原料を粉砕し、粉砕混合物を得るステップ
   ｂ）前記粉砕混合物を調整して、１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の平衡含水率を得るステップ
   ｃ）調整された前記粉砕混合物を均質化するステップ
   ｄ）ステップｃにおいて得られた均質な混合物をコールドプレスし、脆性板を得るステップ
   ｅ）１．２〜１．４ｇ／ｃｍ³の密度に達するように前記脆性板をホットプレスし、人工木板材を得るステップ。
2. 前記リグニン含有の植物原料は、５ｍｍ未満、好ましくは２．５ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍ未満の粒径の粒子を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記リグニン含有の植物原料は、ココナッツ殻の髄を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記リグニン含有の植物原料は、材齢６ヶ月未満の新鮮な植物原料を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記リグニン含有の植物原料は、１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の含水率を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記平衡含水率は、前記平衡含水率を得るために前記粉砕混合物に水を加えることによって調整する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. ステップｅの後に、続いて少なくとも２４時間固定された圧力下で前記人工木板材を調節し、形状の安定な人工木板材を得る、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ステップｄにおいて、前記均質な混合物がコールドプレスされ、コールドプレスする前に前記原料の厚さを比較した場合に、少なくとも１：３、好ましくは少なくとも１：４、より好ましくは少なくとも１：５、最も好ましくは少なくとも１：６の厚さを有する脆性板を得る、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. ステップｅは、前記脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり計１〜４分、好ましくは前記脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり１〜３分、より好ましくは前記脆性板の層厚さ１ｍｍ当たり１．５〜２分で実施される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. ステップｅは、１４０℃〜２２０℃、好ましくは１５０℃〜２００℃、より好ましくは１６０℃〜１８０℃の温度で実施される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. ステップｅは、１２０〜１７０ｂａｒ、好ましくは１３０〜１６０ｂａｒ、最も好ましくは１４０〜１５０ｂａｒの圧力で実施される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ステップｂで得られた前記調整された粉砕混合物は、他の木材類似材料、及び／又は添加物、及び／又はポリマー、及び／又はセメント系組成物と混合される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法によって得られる、人工木板材。
14. 前記人工木板材は、少なくとも４６Ｎ／ｍｍ²、好ましくは少なくとも４７Ｎ／ｍｍ²の曲げ強度を有する、請求項１３に記載の人工木板材。
15. 前記人工木板材は、１２％〜２５％、好ましくは１６％〜２５％の含水率を有する、請求項１３又は１４に記載の人工木板材。
16. 前記人工木板材は、ヨーロッパ規格ＥＮ３１７に従って２４時間水溶液に浸漬後の吸湿性の結果、多くても１３％、好ましくは多くても１２％、より好ましくは多くても１０％、最も好ましくは多くても９％の厚さ膨潤率を有する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の人工木板材。
17. 前記人工木板材は、少なくとも１．８Ｎ／ｍｍ²、好ましくは少なくとも２．２Ｎ／ｍｍ²、より好ましくは少なくとも２．５Ｎ／ｍｍ²の内部結合強度を有する、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の人工木板材。
18. 前記人工木板材は、コイアダストを少なくとも２５％〜５０％ｖ／ｖ含む、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の人工木板材。
19. 前記人工木板材は、他の木材類似材料、及び／又は添加物、及び／又はポリマー、及び／又はセメント系組成物と混合されたリグニン含有の植物原料を含有する組成物を含む、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の人工木板材。