JP2021130242A - 構造用単板積層材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造材として用いることができる新たな構成による構造用単板積層材と、その製造方法の提供を図る。【解決手段】薄板材である単板１１、１２が接着剤１３を介して複数枚上下に積層された構造用単板積層材である。複数の単板には、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板１２と、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板１１とを用いる。構造用単板積層材の表面側に配置された上下の表面層２１と、上下の前記表面層１２の間に配置された中間層２２とを備え、これらの積層材が厚み方向に圧縮されて圧密の構造用単板積層材２が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、構造用単板積層材及びその製造方法に関するものである。

従来、積層複合木質材として本願出願人によって特許文献１や２の発明が提案されている。これらの発明は、複数種類の樹種の木質材を使用することにより、所望の曲げ強度などの諸特性を備えた積層複合木質材およびその製造方法を提供することを目的とするものであったが、圧密による加工を施すことを前提とする提案ではなかった。

他方、戦後大量に植林された国産針葉樹は地域環境の観点からも間伐・主伐を必要としているが、スギは気乾比重０．３６〜０．４５と軽いために強度やヤング係数が低いという物性と節が多いなどの表面性の問題で充分な需要開発が進んでいない。しかも、材質のバラツキが大きく、均一な乾燥が困難、水分通導性が悪いという問題点もあるため、建築物構造用材としての利用が少なく、技術的な用途開発が待たれている。

ポプラは中国の華東地区などで大量に植林されて植樹後約１０年で収穫伐採が可能な早生樹であるが、気乾比重が約０．４前後と軽くて弱いうえに、材質のバラツキが大きいために建築構造用の木材としては使われていない。
ユーカリは気乾比重約０．５５で、中国の華南地区などに大量に植林されて資源量が豊富であるが、その辺材は、強度は高いが裂けやすいという問題があり、その未成熟心材の比重は辺材と変わらないが脆くて弱いという問題があるため有効な利用法が少ないという課題がある。

木材の強度を高くする方法として、圧縮して比重を高くする圧密という方法がある。一例として圧密した単板を接着して高い強度を出すことが行われているが、単板1枚毎の圧密には手間がかかり大量生産できないという問題点がある。従来の圧密木材は化粧材としての表面性(平滑性・摩耗性等)を向上させる目的で様々な試みが行われてきたが、建築用構造用木材の強度向上用で大量生産のための圧密方法はほとんど実施されておらず、特許文献３に示す提案がなされているに止まる。
特に低比重樹種を製材品の様な角材で圧密した場合には、表層部分が多く圧密され、中芯部分が不十分で、圧密状況が不十分なままに仕上がってしまうという問題点があり、結果として性能のバラツキが大きなものになるという問題点があった。

特許４０１２８８１号公報 特許第６４０７１３４号公報 特開２０１１−１４３６９８号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、構造材として用いることができる新たな構成による構造用単板積層材と、大量生産が可能な構造用単板積層材の製造方法を提案することを課題とする。

本発明は、薄板材である単板が接着剤を介して複数枚上下に積層された構造用単板積層材を提供するものである。前記複数の単板には、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板と、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板とを用いる。この構造用単板積層材は、その表面側に配置された上下の表面層と、上下の前記表面層の間に配置された中間層とを備えるものであり、これらの上下の前記表面層と前記中間層とを含む積層材は厚み方向に圧縮された圧密の積層材から構成される。
本発明においては、前記表面層には前記低比重樹種の単板のみが複数枚配置される。前記中間層には前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とが混在して配置され、且つ、前記中間層における前記表面層の単板に接する単板は前記高比重樹種の単板によって構成されるものである。
本発明においては、前記表面層には２枚又は３の前記低比重樹種の単板のみを配置して実施することが適当である。
また本発明の実施においては、前記表面層には前記低比重樹種の単板のみが配置され、前記中間層には前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とが混在して配置され、圧密済みのこれらの単板は、前記低比重樹種の単板の平均厚みが前記高比重樹種の単板の平均厚みと等しいかそれ以上であるものとすることができる。
本発明においては、前記中間層は、前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とが交互に配置されているものとすることができる。
前記接着は、水溶性接着剤、特に熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用いて、ホットプレスによって圧密を行うことが好ましい。

前記高比重樹種の単板には、気乾比重０．５以上の比較的高密な種々の樹木を用いることができるが、例えば早成樹の木材としてユーカリの単板を採用することができる。前記低比重樹種の単板には、気乾比重０．５未満の比較的低密な種々の樹木を用いることができるが、例えば日本の樹木としてスギの単板を採用することができ、又は中国産の樹木としてポプラの単板を採用することができるものでこれらを混在させても構わない。
また本発明は、薄板材である単板同士を接着して複数枚上下に積層する構造用単板積層材の製造方法を提供するものである。本発明の製造方法は、複数の前記単板を上下に接着剤を介して積層して単板積層材を得る積層工程と、前記単板積層材に対して上下方向の圧力を加えて圧密積層材を得る圧密工程とを備える。前記単板積層材に用いる前記複数の単板としては、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板と、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板とを用いる。前記積層工程は、表面層として前記低比重樹種の単板のみを積層し、上下の前記表面層の間の中間層として前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とを混在して積層して前記単板積層材を作成するものである。前記単板同士の接着には熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用いて、前記圧密工程は加圧と加熱を行うホットプレスによって圧密を行うことが効果的である。

本発明は、構造材として用いることができる新たな構成による構造用単板積層材と、大量生産が可能な構造用単板積層材の製造方法を提供することができたものである。
本発明の実施に際しては、高比重樹種の単板にはユーカリの単板を採用し、低比重樹種の単板にはスギの単板やポプラの単板を採用することができる。したがって、ヒノキ・カラマツ・レッドウッド・ダグラスファー等の構造用木質材料の原料が不足する我が国の木材資源の現状下、資源が豊富にあるスギやポプラやユーカリで構造用木質材料を生産することができる。
また、高比重樹種のユーカリ単板と低比重樹種のスギ単板又はポプラ単板とを交互に積層することで、部分的な圧密の偏りの可能性が減少して、比較的均一な圧密効果を得ることが可能である。これによって得られた構造用単板積層材の品質のばらつきを抑制して標準偏差を小さくすることができる。

圧密に際しては、高比重樹種の単板が低比重樹種の単板に対して、圧力を比較的均一に受けるとともに伝達するため低比重樹種の単板の圧密化を均一になすことができる。特に表面層においては複数枚の低比重樹種の単板を配置することによって、これに接する中間層の高比重樹種の単板が圧密加工時の圧力を比較的均一に受けることができる。なお、表面層においては複数枚の低比重樹種の単板の枚数をあまりにも多くすると均一な圧密が困難となるため２枚または３枚で実施することが好ましい。
また、水溶性接着剤中の水分、特に熱硬化性フェノール系接着剤水溶液中の水分が圧密の効果を誘発するために、低比重樹種のスギ・ポプラ単板の圧密効果が接着剤に近い部分に集中して繊維方向には線状に、且つ積層方向には間欠的に現れることで、比較的安定した圧密効果を得ることができる。
本発明の製造方法においては、レイアップに際して異樹種単板を複合するだけで、通常の単板積層材の生産工程内で熱圧条件を変更するだけで生産が可能である。
この生産方法では、接着工程と圧密工程を加圧圧力と過熱温度調整することで一度で実施できて生産性が高いという特徴がある。
また圧密効果の安定を図るために、加圧と加熱を行うホットプレス時に１３０℃〜１５０℃に加熱することで、寸法安定効果を得ることが可能になる。

本発明の実施の形態に係る構造用単板積層材の層構造を示すもので、（Ａ）は圧密前の単板積層材の層構造の説明図、（Ｂ）は圧密後の構造用単板積層材の層構造の説明図である。 同構造用単板積層材の圧密の概念説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお以下の説明では、圧密前の積層材を単板積層材１と言い、圧密後の積層材を構造用単板積層材２と言う。

（概要）
単板積層材１は薄板材である単板が接着剤を介して複数枚上下に積層された単板積層材であり、構造用単板積層材２は単板積層材１に対して圧密加工を施したものである。
これらの単板には、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板１１と、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板１２とが用いられている。また層構造としては、表面側に配置された上下の表面層２１と、上下の表面層２１の間に配置された中間層２２とを備えるものである。

（低比重樹種の単板１１について）
低比重樹種の単板１１は、気乾比重０．５未満の樹種から得られた単板であり、例えば、トドマツ（気乾比重０．３６〜０．４０）、エゾマツ（気乾比重０．４０〜０．４３）などのマツ目マツ科及びマツ目ヒノキ科の樹種の単板を示すことができるが、特に、国産のスギ（気乾比重０．３６〜０．４５）の単板又は中国華東地区産のポプラ（気乾比重約０．４前後）を用いることが好ましい。

スギ（ヒノキ科スギ亜科）は、戦後大量に植林された国産針葉樹は地域環境の観点からも間伐・主伐を必要としておりその有効利用の促進が求められているが、比較的軽いために強度やヤング係数が低いという物性と節が多いなどの表面性の問題で充分な需要開発が進んでいない。しかも、材質のバラツキが大きく、均一な乾燥が困難、水分通導性が悪いという問題点もあるため、建築物構造用材としての利用が少ないという課題があるが、本発明の単板として用いることにより、上記の問題点を克服できる可能性が高く、その利用促進を図ることができる。

ポプラ（キントラノオ目ヤナギ科）は、中国の華東地区などで大量に植林されて植樹後約１０年で収穫伐採が可能な早生樹であるが、気乾比重が約０．４前後と軽くて弱いうえに、材質のバラツキが大きいために建築構造用の木材としては使われていないが、本発明の単板として用いることにより、その利用促進を図ることができる。
これらの低比重樹種の単板１１は、圧密前の状態でスギの低比重樹種の単板１１では約２ｍｍ厚、ポプラの低比重樹種の単板１１では約３ｍｍ厚など、２〜３ｍｍの厚みに整えられる。

（高比重樹種の単板１２について）
高比重樹種の単板１２は、気乾比重０．５以上の樹種から得られた単板であり、例えば、ニレ（気乾比重０．５９）センダン（気乾比重０．５５〜０．６５）シラカバ（気乾比重０．５７〜０．６３）などのブナ目カバノキ科、バラ目ニレ科及びムクロジ目センダン科の樹種を示すこともできるが、ユーカリ（気乾比重約０．５５）を用いることが好ましい。
ユーカリ（フトモモ科）は、中国の華南地区などに大量に植林されて資源量が豊富であるという利点がある。ところが、その辺材は、強度は高いが裂けやすいという問題があり、その未成熟心材の比重は辺材と変わらないが脆くて弱いという問題があるため有効な利用法が少ないという課題があるが、本発明の単板として用いることにより、その利用促進を図ることができる。
高比重樹種の単板１２は、圧密前の状態でユーカリの単板では約１．７ｍｍ厚など、低比重樹種の単板１１の厚みよりも薄い厚みに整えられる。

（表面層２１の層構造）
層構造としては、表面側に配置された上下の表面層２１と、上下の表面層２１の間に配置された中間層２２とを備えるものである。
表面層２１は、低比重樹種の単板１１のみを用いたもので、圧密の効果が大きくなるように複数枚を積層する。
表面層２１には低比重樹種の単板１１を複数枚積層することができるが、低比重樹種の単板１１の枚数をあまりにも多くすると均一な圧密が困難となるため多くとも３枚、より好ましくは２枚で実施することが適当である。
木材の物理的性質の特徴として粘弾性（弾性と塑性が複合したもの）があるが、木材に外側から圧力を加えた場合には外側から内側へ向かうに従いその応力は小さくなるため、外側のほうが強い圧縮力を受けることで圧密が大きくなる。従って、圧密効果を大きくするためには圧密され易い低比重樹種の単板１１を外側に配置したほうが効果的である。他方、高比重で比較的剛性が高いが粘弾性も少しあるユーカリなどの高比重樹種の単板１２を表層部に配置すると、圧力の効果が小さくなり、剛性が高いため圧縮に対する抵抗も大きくなる結果、圧密量が小さくなってしまう。

（中間層２２の層構造）
中間層２２は、低比重樹種の単板１１と表面層２１とが混在する層であり、これらが1枚ずつ交互に配置されている。なお１枚ずつではなく、２枚ずつ交互に配置したり、低比重樹種の単板１１と表面層２１との枚数の比率を変化させたりして実施することもできるが、圧密の圧縮効果を均一かつ有効に作用させるためには、１枚ずつ交互に配置することが好ましい。中間層２２における最も上下に配置された単板（言い換えれば表面層２１の単板に接着剤を介して接する単板）は高比重樹種の単板２１によって構成され、これによって圧密時の表面層２１の単板の圧縮をより均等になすことができる。

（積層用の接着剤１３）
積層用の接着剤１３には、単板積層材製造用の種々の接着剤を用いて実施することはできるが、耐水性の熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用いて接着することが好ましい。水溶性の接着剤を用いることによって、その中の水分と圧密時のホットプレスの高圧と高熱で単板が圧密される。
熱圧によって接着剤層から単板表層部の細胞内腔に浸入した熱硬化性フェノール系接着剤水溶液などの接着成分は、加熱によって樹脂が固まり固形化することで、接着剤層と単板表層部が固形化して固まる。これによって、接着層毎に固い層ができ、硬い層と柔らかい層が交互にできることで木質材料の性質が安定する。

（積層工程）
積層工程は上記の低比重樹種の単板１１、高比重樹種の単板１２、接着剤１３を用いてレイアップし、ＬＶＬの製造の定法に従って単板積層材１を製造する工程である。そのため通常のＬＶＬの生産工程を大きく変更する必要はなく、次に示す圧密工程として、ＬＶＬの製造工程においてもなされる熱圧の条件を変更するだけで、構造用単板積層材２の生産が可能である。

（圧密工程）
圧密工程は、積層工程で得られた単板積層材１に対して、所定の条件で単板積層材１の厚み方向に圧力を加える工程であり、必要に応じて加熱をなすこともできる。
熱圧圧力は１０気圧〜１５気圧（１．０１３２５〜１．５１９８７５ｍＰａ）が適当であり、加熱温度は１２０℃〜１５０℃が好ましい。熱圧時間は加熱方法と製品厚さによって異なるので、目的に合わせて設定する。熱処理による寸法安定化が必要な場合は、１３０℃〜１５０℃に設定することも可能である。
この圧密によって、図２に示すように、それぞれの単板は厚み方向に圧縮されるが、低比重樹種の単板１１は高比重樹種の単板１２に比べて密度が小さいため、圧縮率が大きくなる傾向を示す。また熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用いることによって、その水分が上下の単板の木質層に浸透した状態で高圧高温が加えられるため、その部分がより大きく圧縮される。圧密済みの積層複合木質材２にあっては、低比重樹種の単板１１の平均厚みが高比重樹種の単板１２の平均厚みと略等しいかそれ以上であることが適当であるが、高比重樹種の単板１２の平均厚みの方が大きくても構わない。
また、密度が高く硬質の高比重樹種の単板１２が存在する結果、低比重樹種の単板１１はより均等に圧力を受けることができ、全体として均等な圧密がなされることになる。
なお、上記単板積層厚さ及び熱圧条件は仕上り寸法・予定曲げ強度・予定曲げヤング係数を鑑みて設定することができるものであり、種々変更して実施することができる。

（製造例）
以下、より具体的な生産方法の一例を示す。
（１）低比重樹種の単板１１として、原料のスギ原木から３ｍｍ×１３００ｍｍ×１３００ｍｍの単板を採取して、未成熟心材単板以外を採用する。又は原料のポプラ原木から２．０ｍｍ×１３００ｍｍ×８４０ｍｍの単板を採取し、未成熟心材以外を採用する。
高比重樹種の単板１２として、ユーカリ単板を中国華南地区から１．７ｍｍ×１３００ｍｍ×６３０ｍｍの単板を調達採用する。
（２）接着剤１３として、熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を所定の量をスプレッダーで塗布する。圧密の効果が大きくなるように、表面層２１には２又は３層の低比重樹種の単板１１を、中間層２２には低比重樹種の単板１１と高比重樹種の単板１２を交互に積層するようにレイアップする。
（３）通常のポプラＬＶＬの生産に当たっては乾燥目減り・圧密縮小・仕上げ研磨の分を見て、仕上り厚さ寸法の１０％多くの単板厚さを積層するが、本発明の実施に際しては１５％〜２０％多くの厚さ単板を積層する。単板長さより長い単板積層材の生産に際しては、単板木口面をスカーフジョイントして繋ぐが、レイアップに際してはジョイント部分は構造用単板積層材の日本農林規格に従い、隣接ジョイント部分から厚いほうの単板厚さの３０倍以上離すようにする。
（４）圧密工程
ホットプレスによって圧密を行う。
熱圧圧力：１０気圧〜１５気圧（１．０１３２５〜１．５１９８７５ｍＰａ）
加熱温度：１２０℃〜１５０℃（１３０℃〜１５０℃に設定することもできる）
熱圧時間：加熱方法と製品厚さによって異なるので、目的に合わせて設定する。
（５）仕上り寸法に合わせて切断・サンダー加工をしてから、検品・梱包を行う。製品の品質検査は生産ロットから２０本を抜き取り、曲げ強度、曲げヤング係数、圧縮強度を測定して、平均値（ＡＶＥ）と標準偏差（ｃ）を算出して、ＡＶＥ−３σ（シグマ＝標準偏差）が規格値以上のロットを合格とする。

以下本発明の実施例を示すが本発明はこの実施例に限定して理解されるべきではない。
（実施例および比較例）
積層複合木質材２の試料寸法を３９ｍｍ×２０ｍｍ×５５０ｍｍとして実施例１と比較例１、２について製造例に従ってそれぞれ８個を作成し、その結果を評価した。
実施例１の構造用単板積層材２には、単板積層材１の低比重樹種の単板１１として２．０ｍｍ厚のポプラ単板を用い、高比重樹種の単板１２として１．７ｍｍ厚のユーカリ単板を用いた。表面層２１には3枚の低比重樹種の単板１１を配置し、中間層２２には高比重樹種の単板１２と低比重樹種の単板１１を交互に積層した。接着剤１３には、耐水性の熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用いた。
比較例１の構造用単板積層材２には、単板積層材１の低比重樹種の単板１１として２．０ｍｍ厚のポプラ単板のみを用いた。
比較例２の構造用単板積層材２には、単板積層材１の低比重樹種の単板１１として１．７ｍｍ厚のユーカリ単板のみを用いた。

（圧密条件）
圧密はホットプレスで実施した。
比較例１の圧密条件は、温度１１０℃度、圧力８気圧とした。
比較例２の圧密条件は、温度１２０℃度、圧力１４気圧とした。
実施例１の圧密条件は、温度１２０℃度、圧力１２気圧とした。

（試験結果）
試験結果を表1に示す。

・試料数は実施例、比較例各８個
・曲げ強度の単位：Ｎ/ｍｍ²
・曲げヤングの単位：１０００Ｎ/ｍｍ²
・試験は兵庫県立森林林業技術センターで実施

（評価）
（１）実施例及び比較例の全てにおいて、ホットプレスでの圧密による接着剤重量分増加の影響で、圧密前の単板より比重が高くなっている。
（２）比較例１は部分的な材質のバラツキが大きいが、曲げ強度は大きく、曲げヤングが低いという性質で、スギと同じような性質を持っていることが確認された。
（３）比較例１は圧密効果もあって比較例２に近い強度が出ているが、曲げ強度の標準偏差が８．３と大きかった。これは、素材の材質のバラツキが大きいために構造用単板積層材２においてもバラツキが大きくなったと考えられる。
（４）比較例２では、素材の比重と比較して大きな圧密効果は表れていないが、素材の剛性が高い性質なので、曲げヤング係数は比較例１よりも高かった。
（５）実施例１は、ポプラより熱圧条件が高温・高圧になっている影響で主にポプラの圧密効果が大きく、曲げ強度、曲げヤング係数の数値が高いうえに、標準偏差が小さくなり、材料としての性能改善効果が大きいことが確認された。
（６）以上、異樹種複合単板積層材の圧密効果に関する総合的な評価としては、低比重木材の圧密効果が大きく、高比重木材の処理後と同等以上の比重に圧密されて、曲げ強度と曲げヤング係数が高くなっているうえに、標準偏差が小さくなっている（バラツキが小さくなっている、即ち、性能の最低数値が高くなっている）ことが示唆されていると言える。

１…単板積層材
２…構造用単板積層材
１１…低比重樹種の単板
１２…高比重樹種の単板
１３…接着剤
２１…表面層
２２…中間層

Claims (6)

1. 薄板材である単板が接着剤を介して複数枚上下に積層された構造用単板積層材において、
   前記複数の単板は、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板と、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板とを含み、
   構造用単板積層材の表面側に配置された上下の表面層と、上下の前記表面層の間に配置された中間層とを備え、
   前記表面層には前記低比重樹種の単板のみが複数枚配置され、
   前記中間層には前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とが混在して配置され、且つ、前記中間層における前記表面層の単板に接する単板は前記高比重樹種の単板によって構成され、
   上下の前記表面層と前記中間層とを含む積層材は厚み方向に圧縮された圧密の積層材であることを特徴とする構造用単板積層材。
2. 前記表面層には２枚又は3枚の前記低比重樹種の単板のみが配置されたことを特徴とする請求項１に記載の構造用単板積層材。
3. 上下の前記表面層と前記中間層とを含む積層材が厚み方向に圧縮された圧密の積層材であり、圧密済みのこれらの単板は、前記低比重樹種の単板の平均厚みが前記高比重樹種の単板の平均厚みと等しいかそれ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層複合木質材。
4. 前記接着剤は水溶性接着剤であり、
   前記中間層には前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の積層複合木質材。
5. 前記高比重樹種の単板はユーカリの単板であり、前記低比重樹種の単板はスギ又はポプラの単板であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の積層複合木質材。
6. 薄板材である単板同士を接着して複数枚上下に積層する構造用単板積層材の製造方法において、
   複数の前記単板を上下に接着剤を介して積層して単板積層材を得る積層工程と、前記単板積層材に対して上下方向の圧力を加えて圧密積層材を得る圧密工程とを備え、
   前記単板積層材に用いる前記複数の単板として、気乾比重０．５以上の高比重樹種の単板と、気乾比重０．５未満の低比重樹種の単板とを用い、
   前記積層工程は、表面層として前記低比重樹種の単板のみを複数枚積層し、上下の前記表面層の間の中間層として前記高比重樹種の単板と前記低比重樹種の単板とを混在して積層して前記単板積層材を作成するものであり、
   前記単板同士の接着には熱硬化性フェノール系接着剤水溶液を用い、前記圧密工程は加圧と加熱を行うホットプレスによって圧密を行うことを特徴とする構造用単板積層材の製造方法。

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