JP2595270B2

JP2595270B2 - 改質木質材料およびその製造方法

Info

Publication number: JP2595270B2
Application number: JP31345287A
Authority: JP
Inventors: 庄藤村; 清美田川
Original assignee: 庄藤村; 富士防火化学株式会社
Priority date: 1987-12-10
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPH01154702A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕この発明は、木材等の木質材料とプラスチックとの複
合体を得るためのWPC（Wood Plastic Combinationまた
はWood Plastic Composite）加工を利用した改質木質材
料およびその製造方法に関するものである。

〔背景技術〕

従来より、木材にスチレン、メタクリル酸メチル、酢
酸ビニル、アクリロニトリルなどのビニルモノマー類、
不飽和ポリエステル、アクリル系オリゴマーの単独また
はこれらを混合した重合性樹脂液を含浸注入し、木材中
で重合硬化させて得られる木材−プラスチック複合体
は、通常の木材に比べて耐摩耗性、耐水性、強度、寸法
安定性等がすぐれるため、単独または他の材料と組み合
わせて種々の用途に利用されている。

重合硬化させる方法としては放射線重合法や触媒重合
法があるが、通常は重合性樹脂液と重合開始剤とを混合
し、減圧または加圧下で木材中に含浸し、加熱して重合
硬化させる触媒重合法が主流である。

重合性樹脂液を木材に含浸する場合、木材は多孔体で
あるために内部の空隙の大部分が重合性樹脂液で充填さ
れるため、得られた木材−プラスチック複合体は通常12
0％以上のポリマー保持率（PL％＝樹脂重量／木材重量
×100）になる。したがって、大量の重合性樹脂液を必
要とするために、コストが高くなり、また得られた木材
−プラスチック複合体はプラスチック感の強いものとな
り、木材が本来有する木質感（木肌、暖かみ、柔らか
味、風合い等）が消失するという問題があった。

また、重合性樹脂を木材中で加熱して重合硬化させる
場合、重合時の硬化収縮のために、樹脂硬化体と木材組
織との間に空隙が生じ、このため水分がこの空隙内に浸
入し、その部分が白く見える、いわゆる白化現象が起こ
り、さらに寸法安定性等の耐水性があまり改善されない
という問題もあった。

さらに、重合硬化には均一な一定時間の加熱操作が必
要であり、材料の種類、厚さ、重合開始剤の量などの一
定条件が保持されなければ、完全硬化には到らない。こ
のとき、未反応の樹脂が残存していると、得られた木材
−プラスチック複合体に未反応物の臭気が残ったり、あ
るいは未反応物が浸出するなどの様々な問題が発生して
いた。

加えて、通常使用される過酸化ベンゾイル、クメンヒ
ドロペルオキシド、アゾビスイソブチロニトリルなどの
重合開始剤と重合性樹脂とを混合した樹脂液はポットラ
イフが短く、特に夏場などの高温期にはゲル化等のトラ
ブルが発生しやすかった。

近時、このような木材−プラスチック複合体の有する
問題点を改良すべく研究が進められた結果、モノマー類
やアクリル系官能性オリゴマーを適当な溶媒に溶解させ
て木材に注入し処理コストを低減化させる方法が行われ
ている。しかしながら、このような方法でも、重合硬化
に長時間を要したり、重合にむらが生じたり、硬化収縮
に伴う材の変形や割れが発生したりして、著しい改善に
は到っていない。

さらに、溶剤可溶型のポリマーを溶媒に溶解させて木
材内に注入し、溶媒を揮散させて処理する方法も行われ
ているが、通常でのポリマーは木材の細胞内腔に充填あ
るいは皮膜が形成されているだけで木材との相互作用が
なく、寸法安定性や機械的性能の向上は殆ど望めないの
が実情であった。

〔発明の開示〕

この発明の改質木質材料は、活性な水酸基を有するア
クリル系ポリマーとイソシアネート架橋剤とを主成分と
する樹脂組成物を木質材料中に分散硬化させてなるもの
である。

すなわち、この発明によれば、アクリル系ポリマーの
有する活性な水酸基がイソシアネート架橋剤と反応して
アクリル系ポリマーが３次元網状構造の硬化物となると
ともに、木質材料組織（セルロース成分の水酸基）とイ
ソシアネート架橋剤との結合が生じ、すなわち樹脂組成
物の硬化物と木質材料との強い相互作用（木質材料組織
との強固な密着）が出現する。従って、木質材料の空隙
内に樹脂を充填またはこの空隙の内壁面を覆うポリマー
膜の形成により従来にない顕著な硬化が発現され、木質
材料の耐久性、寸法安定性等の諸物性を飛躍的に向上さ
せることができる。

また、この発明の改質木質材料の製造方法は、活性な
水酸基を有するアクリル系ポリマーとイソシアネート架
橋剤とを主成分とする樹脂組成物を有機溶剤に溶解させ
て含浸液を作成する工程と、前記含浸液を木質材料内に
含浸させる工程と、含浸させた含浸液から前記有機溶剤
を揮散させ前記樹脂組成物を硬化させる工程とを含むも
のである。

この発明の方法によれば、樹脂組成物を有機溶剤に溶
解させて含浸液を作成し、これを木質材料に含浸させる
ため、樹脂組成物を単独で含浸させる場合に比して、樹
脂組成物の木質材料内部への含浸性、浸透性が高まり、
木質材料の性能を改善するうえで、より有効である。

この発明における活性な水酸基を有するアクリル系ポ
リマーとしては、たとえば２−ヒドロキシエチルアクリ
レート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（HEM
A）、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、２−ヒド
ロキシプロピルメタクリレートなどのアクリル系モノマ
ーの単独重合体のほか、これらのアクリル系モノマーと
ラジカル共重合可能なビニルモノマー、たとえばメチル
メタクリレート（MMA）、グリシジルメタクリレート（G
MA）、イソブチルメタクリレートなどのアクリル酸エス
テル類、さらにスチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル
などとの共重合体があげられる。アクリル系共重合体と
しては、具体的には、MMAとHEMAとの共重合体、GMAとHE
MAとの共重合体などが例としてあげられる。これらのア
クリル系ポリマーは単独で使用するほか、２種以上を混
合して用いてもよい。

この発明におけるアクリル系ポリマーは、イソシアネ
ート架橋剤との架橋密度を調節し木質材料に所望の物性
を付与するうえで、水酸基を有するアクリル系モノマー
の単独重合体であるよりも、他のビニルモノマーとの共
重合体の形態で用いるのが好ましい。

このとき、共重合体中の組成比、したがってポリマー
中の水酸基量は、使用する木質材料の種類や用途、さら
に要望される物性などにより適宜決定されるため、とく
に限定されるものではないが、水酸基量は通常HEMA/MMA
＋HEMA換算で５〜50重量％の範囲であるのが好ましく、
水酸基量がこの範囲を越えるときは分子の会合等により
粘度が上昇して含浸しにくくなり、またこの範囲より小
ないときは架橋密度が低くなって寸法安定性に劣るよう
になり、いずれも好ましくない。

また、アクリル系ポリマーの平均分子量は木質材料へ
の含浸性および木質材料の物性改良のうえから50,000以
下、なかんづく3,000〜30,000の範囲であるのが好まし
い。

かかるアクリル系ポリマーを溶解させる有機溶剤は、
相溶性がよく、木質材料組織に親和性のあるものを使用
する必要がある。このような有機溶剤としては、たとえ
ばメタノール、ｎ−ブチルアルコールなどのアルコール
類、酢酸エチル、酢酸ｎ−ブチルなどのエステル類、イ
ソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン
などのエーテル類、トルエン、キシレンなどの炭化水素
類、さらにアセトン、メチルエチルケトンなどのケトン
類などがあげられ、単独または２種以上を混合して使用
することができる。

有機溶媒に対する樹脂組成物の濃度は樹脂の含浸性や
含浸率、作業性などから適宜決定することができ、とく
に制限されるものではないが、通常は50％以下であるの
が好ましい。

この発明における前記イソシアネート架橋剤には、含
浸処理工程上最も重要な含浸液の保存性（ポットライ
フ）を高め、生産性、作業性を向上させるために、所定
の温度に達しなければ架橋反応が起こらないブロックイ
ソシアネート架橋剤を使用するのが好ましい。すなわ
ち、ブロックイソシアネート架橋剤は、ブロック剤をイ
ソシアネート基と結合させて一時的にイソシアネート基
を安定化（マスキング）したものであって、適当な熱処
理を行うと熱開裂によって元の活性イソシアネート基が
再生される。使用されるブロック剤としては、たとえば
メタノール、エタノール、フェノール、エチルメルカプ
タン、β−チオナフトール、Ｎ−メチルアニリン、アセ
チルアセトン、アセト酢酸エチル、アセトオキシム、シ
クロヘキサノンオキシム、重亜硫酸ソーダなどがあげら
れ、これらのブロック剤から物性、作業性、熱開裂温度
などを考慮して適宜選択することができる。

使用するイソシアネートとしては、たとえばヘキサメ
チレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネー
ト、トルイジンジイソシアネート、水添トルイジンジイ
ソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、4,
4′−ジフェニルメタンジイソシアネート、1,5−ナフタ
レンジイソシアネートなどがあげられる。

イソシアネート架橋剤の配合量は共重合体中の水酸基
に対して0.1〜５モル、なかんづく0.5〜２モルの範囲で
あるのが反応を完結させるうえで好ましい。

さらに、要すれば、樹脂組成物にジブチル錫ジラウレ
ートなどの硬化促進剤を添加してもよい。このときの添
加量は0.5〜2PHR程度が適当である。

含浸液を含浸する木質材料は、住宅等の建築材料とし
て従来より広く使用されている松、杉、檜、栂、ヒバな
どの針葉樹やナラ、ブナ、タモ、シオジ、欅などの広葉
樹の無垢材、合板、集成剤などがあげられる。木質材料
は含浸処理に際して、あらかじめ充分に乾燥させて平衡
含水率以下にしておくことが望ましい。

また、含浸方法としては、常圧下で木質材料を含浸液
に浸漬する常圧浸漬法のほか、減圧下で浸漬しついで常
圧下または加圧下で浸漬する減圧常圧浸漬法または減圧
加圧浸漬法などがいずれも採用可能であり、含浸量およ
び木質材料の種類等によって適宜決定する。

樹脂組成物の含浸量は、耐熱性、耐熱水性、耐候性、
さらに寸法安定性等を高め、かつ木質材料のもつ木味や
風合い等の木質感を損なわない範囲であることが必要で
ある。このような観点から種々検討を重ねた結果、樹脂
組成物の前記木質材料への含浸率は、樹脂が木質材料中
の空隙を完全に充填したときの含浸率を100％としたと
きに、２〜80％、好ましくは20〜80％の範囲であれば、
木質感の高い改質木質材料が得られることが見出され、
これよりも含浸量が大なるときは木質感がわるくなり、
また小なるときは木質材料の改質効果がなくなる。

含浸後、木質材料を乾燥させて有機溶媒を揮散させ、
加熱等により樹脂を硬化させる。溶媒の揮散方法として
は、風乾によるほか、温風や熱風による強制乾燥法、減
圧下で行う減圧乾燥法などが採用可能である。強制乾燥
では溶媒とともに主成分が揮散あるいは溶出しないよう
に徐々に行うことが望ましい。

硬化温度は、ブロックイソシアネート架橋剤を使用す
る場合、その活性化（開裂）温度が基本になるが、木質
材料自体の変形や割れなどのトラブルを防止するうえか
ら通常100℃以下の温度で行うのが好ましい。

このようにして得られた改質木質材料は、内部でアク
リル系ポリマーがイソシアネート架橋剤によって３次元
の網目構造体となり、また木質材料組織との反応によっ
て木質材料の空隙内壁面にその細胞組織と強固に結びつ
いたポリマー膜ができるため、高い耐熱性、耐水性、耐
熱水性、耐候性、さらに寸法安定性などを有し、しかも
低い含浸率での処理となるから木質感を保持させること
ができる。また、ブロックイソシアネート架橋剤を使用
することにより、含浸液のポットライフが高く安定して
いるため、生産性、作業性が向上する。さらに、従来の
ように残留モノマーによって臭気その他のトラブルが発
生することがない。

次に実施例および比較例をあげてこの発明を詳細に説
明する。

実施例： MMA−HEMA共重合体（前出）の組成比を変えるため
に、仕込み量比（HEMA/MMA＋HEMA）を0,0.1,0.2,0.3,0.
4と変えて、平均分子量が20,000のそれぞれの共重合体
を得た。

得られた各共重合体をアセトンに濃度20％で溶解さ
せ、これにブロックイソシアネート架橋剤（第一工業製
薬（株）製の「Ｍ−2111」）をNCO/OHのモル比が1.2と
なるように添加し、さらに硬化促進剤としてジブチル錫
ジラウレート0.7PHRを添加して各含浸液を得た。

一方、米松柾目板（10×200×200（mm）、含水率12.3
％）を減圧加圧釜内に収容し、釜内を10torr以下に排気
減圧したのち、前記含浸液を注入して含浸処理し、各含
浸木材を得た。これを55℃の温風乾燥機内に17時間保持
したのち、90℃で３時間加熱し、各共重合体に対応する
各試料「実−ａ〜ｅ」を作成した。

比較例1: 実施例と同じ各共重合体をアセトンに20％濃度で溶解
させた含浸液を用いて含浸処理し、ついで55℃の温風乾
燥機内に20時間保持して溶媒を揮散させたほかは実施例
と同様して試料「比１−ａ〜ｅ」を作成した。

比較例2: MMAのモノマーに過酸化ベンゾイル（BPO）の0.5PHRを
添加した樹脂液を含浸液とし、減圧度を調整してポリマ
ー保持率（PL％）がそれぞれ50,90,120％となるように
したほかは実施例と同様にして含浸木材を作成し、これ
をアルミニウム箔でラッピックし、75℃で20時間加熱保
持して試料「比２−ａ〜ｃ」を作成した。

評価試験実施例および比較例で得られた各試料について、24時
間水中浸漬におけるASE（Anti−Swelling Efficiency;
抗膨張能）および官能検査による木質感の評価を行っ
た。それらの試験結果を次表に示す。

なお、表において、ポリマー保持率（PL％）は次式に
より求めた。

Wc:未処理材の絶乾重量（ｇ） Wt:処理材の絶乾重量（ｇ） ASE値は次式により求めた。

Vc:未処理材の容積膨潤率 Vt:処理材の容積膨潤率ここで、容積膨潤率は次式により求めた。

また、木質感（木肌感）は、試料である処理材と未処
理材とを比較して評価した。比較はパネラー10人の官能
検査により行い、以下の３段階で評価した。

木肌感が保持されている …Ａ木肌感がやや損なわれている …Ｂ木肌感がなくなっている …Ｃ表から、活性水酸基を有するアクリル系ポリマーにイ
ソシアネート架橋剤を配合し、所定の含浸率で木材に含
浸させることにより（実施例）、ASE値が向上し、しか
も木質感が損なわれていないことがわかる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、木質材料に高い耐久性と寸法安定
性を付与し、かつ木質感を保持させることができるとい
う効果がある。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】活性な水酸基を有するアクリル系ポリマー
とイソシアネート架橋剤とを主成分とする樹脂組成物を
木質材料中に分散硬化させてなる改質木質材料。
【請求項２】前記アクリル系ポリマーが、活性な水酸基
を有するアクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステ
ルと、ラジカル重合可能なビニルモノマーとの共重合体
である特許請求の範囲第（１）項記載の改質木質材料。
【請求項３】前記イソシアネート架橋剤がブロックイソ
シアネート架橋剤である特許請求の範囲第（１）項記載
の改質木質材料。
【請求項４】前記樹脂組成物の前記木質材料への含浸率
は、樹脂組成物が木質材料中の空隙を完全に充填したと
きの含浸率を100％としたときに、２〜80％の範囲であ
る特許請求の範囲第（１）項記載の改質木質材料。
【請求項５】活性な水酸基を有するアクリル系ポリマー
とイソシアネート架橋剤とを主成分とする樹脂組成物を
有機溶剤に溶解させて含浸液を作成する工程と、前記含
浸液を木質材料内に含浸させる工程と、含浸させた含浸
液から前記有機溶剤を揮散させ前記樹脂組成物を硬化さ
せる工程とを含む改質木質材料の製造方法。