JP2020100129A - 高周波による無接着圧縮の新型硬木 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波による無接着圧縮の新型硬木の平均硬度と平均密度が非常に高く、密度と硬度が均一に分布し、内部ハニカム構造の面積が小さく、空気、樹脂とタンニン化合物の含有量が極めて低く、硬木の内外部において、吸水率が低く、水煮や水の侵入に耐えられ、性質が安定的である新型硬木を提供する。【解決手段】平均密度０．８２−１．６ｇ／ｃｍ３、平均硬度３４−５１．２ＭＰａ、密度差０．４８ｇ／ｃｍ３未満、硬度差１．７ＭＰａ未満の高周波による無接着圧縮の新型硬木を提供する。当該新型硬木は、木材の前処理、加熱圧縮処理、硬化処理、冷却処理及び養生処理のステップで製造し得る。【選択図】図２

Description

本発明は、硬木加工の製造分野に属し、特に高周波による無接着圧縮の新型硬木に関する。

硬木は、固くて緻密で、色が華やかで、繊細な模様で美しく、家具と木製品を作る優れた材料であるが、その成長が遅くて、木質構造が緻密であるので、これらの木材は高価である。軟質木材は、成長速度が速く、その内部が放射線配列の多くの扁平細胞で構成され、細胞腔内に樹脂とタンニン化合物が含まれ、空気で満たされ、質が柔らかく、弾力性があるが、物理力学的性能が悪く、例えば密度が低く、硬度が低く、乾燥変形が生じやすく、腐食しやすい。軟質木材の上記性能を高めるために、木材に対して表面処理と熱処理を行う必要がある。生産加工の条件を満たすためには、場合によって、より硬い木に圧縮するように硬木を圧縮処理する必要がある。

従来の表面処理、熱処理や圧縮技術で得られた硬木は、脱ゴム・塗料抜けなどが起こりやすく、しかもその内部が腐食しやすくて、割れやすく、硬度が低く、吸水して割れやすい。硬木の硬度を高めるためには、複数の硬木を接着剤で積層して複合板に製造する必要があり、しかしながら、製造した複合板には、ホルムアルデヒド、ベンゼン系物質が含有し、健康によくないため、硬度が高く、接着剤のない硬木を提供することは現在早急に解決しなければならない問題である。

上記課題に対して、本発明は、平均密度０．８２−１．６ｇ／ｃｍ^３、平均硬度３４−５１．２ＭＰａ、密度差０．４８ｇ／ｃｍ^３未満、硬度差１．７ＭＰａ未満の高周波による無接着圧縮の新型硬木を提供する。前記新型硬木は、以下のステップで得られる。

（１）木材の前処理：木材を前処理し、木材の平均含水率を１０−２０％に制御する。

（２）加熱圧縮処理：前処理された木材を木材の平均温度が１００−１１０℃に高周波で加熱し、５−７ｍｉｎ保温し、第一圧縮率Ｙで圧縮する。

（３）硬化処理：加熱圧縮処理された木材を木材の平均温度が１８０−２２０℃に高周波で加熱し、５−８ｍｉｎ保温し、硬化処理を行う。

（４）冷却処理：硬化処理された木材の表面を水冷技術で５−１５℃／ｍｉｎの速度で冷却し、木材の平均温度が７０−９０℃に冷却する。

（５）養生処理:冷却処理された木材を室温に置き、１３−１５日間養生し、新型硬木を得る。

前処理された木材が直ちに加熱圧縮処理を行わない場合は、前処理された木材を錫紙やプラスチックで巻いて、前処理された木材の含水率を保証する必要がある。

本発明において加熱圧縮処理と硬化処理に用いる高周波加熱は、同一の設備で実施してもよいし、異なる設備で実施してもよく、加熱過程で木材の上下面を金属板で加熱することができる。

冷却処理の過程では、木材の大きさや材質によって、適切に３０−５０℃まで冷却することができる。実際の生産では、低い温度まで冷却する必要がある場合、コンベアの長さを長くすることで実現することができる。また、冷却時に木材の上下面に温度１８０−２２０℃の金属板を置く必要があり、金属板と木材の面積比は１．４−１．６：１が好ましい。冷却効果を保証するとともに、資源を消費することはない。水冷技術は、木材上の金属板を水で冷却することで、使用する水温が１６−１７℃で、冷却後の水温が３５℃で、冷却後の水温が３５℃を超えると冷却効果が低い。金属板の表面温度が高いため、大量の水が金属板に流し込まれた場合、金属板の温度も蒸気で低下し、木材を等速で降温し、降温効果を高めることができる。

なお、冷却時の金属板と高周波加熱時の金属板は、同一の金属板でも異なる金属板でもよい。

木材の平均含水率は、木材の表面と内部の異なる層で測定した含水率の平均値であり、木材の平均温度は、木材の表面と内部で異なる層で測定した温度の平均値である。

さらに改良して、冷却処理の水流速は０．９−１．３ｍ／ｓとなる。水流速を限定することで、気化割合を高め、降温効果を高めることができる。

さらに改良して、冷却処理の過程で、木材の表面温度を８５−９０℃に冷却する時、風冷却を行い、風速が９．２−９．７ｍ／ｓで、風の温度が５５−６０℃である。

好ましくは、風向と木材の上下面とのなす角度は、いずれも５５−５８°である。

風源は、木材の上面と下面にそれぞれ位置し、木材の上面に対して、木材の上面と５５−５８°のなす角度で上向きに風が吹きつけ、木材の下面に対して、木材の下面と５５−５８°のなす角度で下向きに風が吹きつける。

木材の表面温度が低下することにつれて、水蒸気の蒸発速度が低下する。木材表面の等速降温を保証するために、木材の表面温度が８５−９０℃に低下する時、空冷が必要となる。水冷過程で発生した水蒸気が木材の表面に接触するため、風冷却は乾燥の役割を果たす。風の温度と風向を制御し、水蒸気の蒸発速度を高め、乾燥効率を高め、スプリングバックを防止する。

さらに改良して、加熱圧縮処理過程では、前処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_１、予め設定された温度差ΔＴ_１を維持した状態で加熱する。ここで、ｖ_１＝５−７℃／ｍｉｎ，ΔＴ_１＝４−７℃、高周波数が８−１０．５ＭＨｚである。

さらに改良して、硬化処理過程では、加熱圧縮処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を維持した状態で加熱する。ここで、ｖ_２＝２０−２５℃／ｍｉｎ，ΔＴ_２＝２−５℃、高周波数が２．８−１６．５ＭＨｚである。

本発明における温度差は、木材の上下面、厚さの異なる層に対して測定した全ての温度のうち最高温度と最低温度の差であり、温度差を合理的に制御して圧縮効果を高める。木材の含水率差を合理的に制御して、圧縮効果を高めることも本発明の保護の範囲内にある。

さらに改良して、加熱圧縮処理と硬化処理の間には、さらに昇温圧縮処理を含み、具体的な方法は、加熱圧縮処理された木材を木材の平均温度１５０−１５５℃に高周波で加熱し、５−１０ｍｉｎ保温し、高周波数が１５−１７ＭＨｚで、加熱速度が１５−２０℃／ｍｉｎで、そして、木材の平均温度１００−１１０℃に水で冷却し、冷却速度が３−５℃／ｍｉｎであり、また、二回目の圧縮を行うことである。

加熱圧縮処理された後、木材にも昇温圧縮処理を行うことで、木材が吸水する構造を再圧縮し、圧縮した木材に存在可能な吸水状況をなくし、その安定性を顕著に高め、吸水性能を低下することを目的とする。二回目の圧縮率＝５−１０％である。

木材の含水率の均一性を高めるため、木材の前処理の具体的な方法は、木材の表面を平らに加工し、木材を高周波で乾燥し、木材の平均含水率１０−２０％に乾燥し、高周波数が２−２．５ＭＨｚで、木材の平均温度が５５−６０℃であることである。

さらに改良して、一回目の圧縮率Ｙは、以下の式で得られる。

圧縮率=(木材の圧縮前の厚み-圧縮後の厚み)/圧縮前の厚み*100%で、密度の単位ρはｇ／ｃｍ^３である。

さらに改良して、硬化処理の具体的な方法は以下のとおりである。

１）圧縮処理された木材を木材の平均温度１３５−１４０℃に高周波で加熱し、２−５ｍｉｎ保温し、高周波数が１４．２−１６．５ＭＨｚである。

２）木材を木材の平均温度が１８０−２２０℃に高周波で加熱し、２−３ｍｉｎ保温し、高周波数が３．７−４．３ＭＨｚであり。

３）加熱を停止し、木材を木材の平均温度が１６５−１７０℃に風で冷却し、２−３ｍｉｎ保温し、風速が６．８−８ｍ／ｓであり。

４）木材を木材の平均温度１８０−２２０℃に高周波で加熱し続け、３−５ｍｉｎ保温し、高周波数が２．８−３．５ＭＨｚである。

本発明は、硬化処理を具体的に限定し、硬化効果を顕著に高める。

さらに改良して、養生処理の具体的な方法は、冷却処理された木材を水平乾燥面に置き、木材の上面に５．５−７．２ＭＰａの圧力を加え、３日間養生した後、毎日１．２−１．５ＭＰａの圧力を圧力が０になるまで減少させ、１０−１３日間養生し続ける。

養生処理は、乾燥で暗い場所ですること。倉庫で行ってもよい。

さらに改良して、加熱圧縮処理と昇温圧縮処理の過程で、木材の中間領域と周囲領域を高周波でそれぞれ加熱し、中間領域の高周波数と周囲領域の高周波数比が１：０．８８−０．９４である。硬化処理の過程では、加熱圧縮処理された木材の中間領域と周囲領域を高周波でそれぞれ加熱し、中間領域の高周波数と周囲領域の高周波数比が１：０．９３−０．９６である。

木材の中間領域と周囲領域は、木材の大きさによって限定されてもよく、加熱と硬化温度の均一性を高めるため、一般的に中間領域と周囲領域の面積比が２：９の木材を選択する。

本発明に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木は、平均硬度と平均密度が非常に高く、密度と硬度が均一に分布し、内部ハニカム構造の面積が小さく、空気、樹脂とタンニン化合物の含有量が極めて低く、硬木の内外部において、吸水率が低く、水煮や水の侵入に耐えられ、性質が安定的である。

木材の圧縮前と圧縮後の構成を示す写真（左が圧縮前、右が圧縮後） 木材の圧縮前と圧縮後の細胞壁の変化の写真（左が圧縮前、右が圧縮後）

以下、本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。当然ながら、本明細書に記載の具体的な実施形態は、本発明を説明して解釈するためのものだけで、本発明を限定するものではない。

実施例１
本発明の実施例１は、平均密度１．２５ｇ／ｃｍ^３、平均硬度３４．１ＭＰａ、密度差０．４８ｇ／ｃｍ^３、硬度差１．７ＭＰａの高周波による無接着圧縮の新型硬木を提供する。前記新型硬木は、以下の製造ステップで得られる。

（１）木材の前処理：密度ρ＝０．６の木材を前処理し、木材の平均含水率を１０％に制御する。

（２）加熱圧縮処理：前処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_１、予め設定された温度差ΔＴ_１を高周波で維持した状態で加熱し、木材の平均温度１００℃に加熱し、７ｍｉｎ保温し、４５％圧縮率で圧縮し、ｖ_１＝５℃／ｍｉｎ，ΔＴ_１＝４℃、高周波数が６ＭＨｚである。

（３）硬化処理：加熱圧縮処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を高周波で維持した状態で加熱し、木材の平均温度１８０℃に加熱し、８ｍｉｎ保温し、硬化処理を行い、ｖ_２＝２０℃／ｍｉｎ，ΔＴ_２＝２℃、高周波数が１５．５ＭＨｚである。

（４）冷却処理：硬化処理された木材の表面を水冷技術で５℃／ｍｉｎの速度で冷却し、木材の平均温度が７０℃に冷却し、冷却処理の水流速が０．９ｍ／ｓで、木材の表面温度が８５℃に冷却する時に風冷却を行い、風速が９．２ｍ／ｓで、風の温度が５５℃である。

（５）養生処理：冷却処理された木材を水平乾燥面に置き、木材の上面に５．５ＭＰａの圧力を加え、３日間養生した後、毎日１．２ＭＰａの圧力を圧力が０になるまで減少させ、養生を１０日間続けて、新型硬木を得る。

本発明の実施例２−４に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木は、パラメータの変化において実施例１と異なり、具体的には表１に示される。

(表１)
表１ 実施例２−４に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木のパラメータ

実施例５
本発明の実施例５は、平均密度１．５６ｇ／ｃｍ^３、平均硬度４９．５ＭＰａ、密度差０．２５ｇ／ｃｍ^３、硬度差０．８２ＭＰａの高周波による無接着圧縮の新型硬木を提供する。前記新型硬木は、以下の製造ステップで得られるもので。

（１）木材の前処理：密度ρ＝０．６の木材を前処理し、木材の平均含水率を１０％に制御する。

（２）加熱圧縮処理：前処理された木材の中間領域と周囲領域を予め設定された加熱速度ｖ_１、予め設定された温度差ΔＴ_１を高周波で維持した状態で加熱し、木材の平均温度１００℃に加熱し、７ｍｉｎ保温し、４５％圧縮率で圧縮し、ｖ_１＝５℃／ｍｉｎ，ΔＴ_１＝４℃、中間領域の高周波数が９．８ＭＨｚであり、周囲領域の高周波数が８．８ＭＨｚである。

（３）昇温圧縮処理：加熱圧縮処理された木材の中間領域と周囲領域を木材の平均温度１５０℃に高周波でそれぞれ加熱し、５ｍｉｎ保温し、中間領域の高周波数が１６ＭＨｚであり、周囲領域の高周波数が１５ＭＨｚであり、加熱速度が１５℃／ｍｉｎで、木材の平均温度が１００℃に水で冷却し、冷却速度が３℃／ｍｉｎで、そして、二回目の圧縮を行い、二回目の圧縮率は５％である。

（４）硬化処理の具体的な方法は、以下のとおりである。

１）昇温圧縮処理された木材の中間領域と周囲領域を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を高周波で維持した状態で加熱し、木材の平均温度１３５℃に加熱し、５ｍｉｎ保温し、中間領域の高周波数が１５．６ＭＨｚであり、周囲領域の高周波数が１４．６ＭＨｚであり、ｖ_２＝２０℃／ｍｉｎ、ΔＴ_２＝２℃である。

２）ステップ１）で処理された木材の中間領域と周囲領域を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を高周波で維持した状態で再加熱し、木材の平均温度１８０℃に加熱し、２ｍｉｎ保温し、中間領域の高周波数が４ＭＨｚであり、周囲領域の高周波数が３．８ＭＨｚである。

３）加熱を停止し、木材の平均温度が１６５℃に風で冷却し、２ｍｉｎ保温し、風速が６．８ｍ／ｓである。

４）ステップ３）で処理された木材の中間領域と周囲領域を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を高周波で維持した状態で加熱し続け、木材の平均温度１８０℃に加熱し、３ｍｉｎ保温し、中間領域の高周波数が３．２ＭＨｚであり、周囲領域の高周波数が３ＭＨｚである。

（５）冷却処理：硬化処理された木材の表面を水冷技術で５℃／ｍｉｎの速度で冷却し、木材の平均温度が７０℃に冷却し、冷却処理の水流速が１ｍ／ｓで、木材の表面温度が８７℃に冷却する時に風冷却を行い、風速が９．２ｍ／ｓで、風向と木材の上面とのなす角度が５５°で、風の温度が５５℃である。

（６）養生処理：冷却処理された木材を水平乾燥面に置き、木材の上面に５．５ＭＰａの圧力を加え、３日間養生した後、毎日１．２ＭＰａの圧力を圧力が０になるまで減少させ、養生を１０日間続けて、新型硬木(無接着圧縮の硬木)を得る。

本発明の実施例６−９に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木は、パラメータの変化において実施例５と異なり、具体的には表２。

(表２)
表２ 実施例６−９に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木のパラメータ

比較例１−１４において、実施例１と実施例５の各ステップのパラメータを考察し、考察結果は表３−４にそれぞれ示される。

(表３)
表３ 比較例１−７に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木のパラメータ

(表４)
表４ 比較例８−１４に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木のパラメータ

基本性能の考察は以下のとおりである。

(表５)
表５ 本発明の各方法で製造する新型硬木の基本性能

吸水性能の考察は以下のとおりである。

ＧＢ／Ｔ １９３４．１−２００９「木材吸水性測定方法」を参照して、実施例１−９と比較例１−１４に係る新型硬木の６ｈでの平均吸水率（％）、吸水率差（％）及び吸水厚さ膨張率（％）を測定した結果を表６に示す。平均吸水率は、新型硬木の上下面において、厚さがそれぞれ２ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍと８ｃｍの層で測定した各吸水率の平均値（特定の厚さの吸水率を測定する場合は、切削やパンチなどの方式で加工して測定することができる）であり、吸水率差は、測定した各吸水率における最大値と最小値であり、吸水厚さ膨張率（％）＝（浸漬前の厚さ−浸漬後の厚さ）／浸漬前の厚さである。

(表６)
表６ 本発明の各方法で製造する新型硬木の吸水率の測定結果

表５と表６から明らかなように、本発明に係る高周波による無接着圧縮の新型硬木は、その平均密度と平均硬度が顕著に向上し、また密度差、硬度差、吸水率差が小さく、そのため、本発明で製造する新型硬木は、その硬度と密度が均一に分布し、内外部にいずれも性能が高く、新型硬木内部における樹脂の含有量、タンニン化合物の含有量及びハニカム状態組織構造の含有量が顕著に低下し、新型硬木の安定性がさらに保証されたことを示している。

木材前処理効果の考察

前処理の木材の乾燥条件及び含水率を考察した結果を表７に示す。ここで、平均含水率は、木材の表面と内部の異なる層で測定した含水率の平均値であり、含水率差は、測定した各含水率の最大値と最小値の差である。

(表７)
表７ 木材前処理効果の考察結果

表から明らかなように、本発明に係る前処理乾燥方法は、時間が短く、含水率差が小さく、本発明に係る前処理方法で前処理された木材の含水率をより均一にすることを示している。

Claims (9)

1. （１）木材の前処理：木材を前処理し、木材の平均含水率を１０−２０％に制御し、
   （２）加熱圧縮処理：前処理された木材を木材の平均温度が１００−１１０℃に高周波で加熱し、５−７ｍｉｎ保温し、第一圧縮率Ｙで圧縮し、
   （３）硬化処理：加熱圧縮処理された木材を木材の平均温度が１８０−２２０℃に高周波で加熱し、５−８ｍｉｎ保温し、硬化処理を行い、
   （４）冷却処理：硬化処理された木材の表面を水冷技術で５−１５℃／ｍｉｎの速度で冷却し、木材の平均温度が７０−９０℃に冷却し、
   （５）養生処理:冷却処理された木材を室温に置き、１３−１５日間養生して得て、
   平均密度０．８２−１．６ｇ／ｃｍ^３、平均硬度３４−５１．２ＭＰａ、密度差０．４８ｇ／ｃｍ^３未満、硬度差１．７ＭＰａ未満である新型硬木を得る
   ことを特徴とする高周波による無接着圧縮の新型硬木。
2. 水冷技術の水流速が０．９−１．３ｍ／ｓである
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
3. 水冷技術は木材上の金属板を水で冷却することであり、使用する水温が１６−１７℃で、冷却後の水温が３５℃で、好ましくは、金属板と木材の面積比が１．４−１．６：１である
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
4. 冷却処理の過程で、木材の表面温度を８５−９０℃に冷却する時、風冷却を行い、風速が９．２−９．７ｍ／ｓで、風の温度が５５−６０℃である
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
5. 加熱圧縮処理過程では、前処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_１、予め設定された温度差ΔＴ_１を維持した状態で加熱する。ここで、ｖ_１＝５−７℃／ｍｉｎ，ΔＴ_１＝４−７℃、高周波数が８−１０．５ＭＨｚである
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
6. 硬化処理過程では、加熱圧縮処理された木材を予め設定された加熱速度ｖ_２、予め設定された温度差ΔＴ_２を維持した状態で加熱する。ここで、ｖ_２＝２０−２５℃／ｍｉｎ，ΔＴ_２＝２−５℃、高周波数が２．８−１６．５ＭＨｚである
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
7. 加熱圧縮処理と硬化処理の間には、さらに昇温圧縮処理を含み、具体的な方法は、加熱圧縮処理された木材を木材の平均温度１５０−１５５℃に高周波で加熱し、５−１０ｍｉｎ保温し、高周波数が１５−１７ＭＨｚで、加熱速度が１５−２０℃／ｍｉｎで、そして、木材の平均温度１００−１１０℃に水で冷却し、冷却速度が３−５℃／ｍｉｎであり、また、二回目の圧縮を行うことである
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
8. 木材の前処理の具体的な方法は、木材の表面を平らに加工し、木材を高周波で乾燥し、木材の平均含水率１０−２０％に乾燥し、高周波数が２−２．５ＭＨｚで、木材の平均温度が５５−６０℃のことである
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。
9. 加熱圧縮処理と昇温圧縮処理の過程で、木材の中間領域と周囲領域を高周波でそれぞれ加熱し、中間領域の高周波数と周囲領域の高周波数比が１：０．８８−０．９４である。硬化処理の過程では、加熱圧縮処理された木材の中間領域と周囲領域を高周波でそれぞれ加熱し、中間領域の高周波数と周囲領域の高周波数比が１：０．９３−０．９６である
   請求項１に記載の高周波による無接着圧縮の新型硬木。

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