JP3824862B2 - 木材の透過性を増大させる方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、木材の処理に関し、詳しくは木材、とりわけ湿材の透過性（permeability）を増大させる方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
木材に保存剤および他の薬剤、たとえば防燃剤（fire-proofing）を含浸させて処理することは非常によく知られている。含浸処理の問題の一つは、薬剤が木材に完全にまたは少なくとも充分に含浸されたことを確実にすることである。
蒸気を用いて木材の温度と圧力を上げて（圧力が速やかに低下した後に）木材の細胞の幾つかを破壊し、それによって木材の天然の透過性を高めることによって含浸用の木材を調製することもまた知られている。たとえば、丸い木材の放射相称松材蒸気調節（round wood radiata pine steam conditioning）のための最新の蒸気仕様は、圧力を速やかに低下させる前の木材の厚みに依存して、１２７℃の温度、１３８ｋＰａの圧力で１.５〜１８時間の蒸気を使用することを推奨している。この処理は含浸プロセスの改良に役立つものではあるが、なお幾つかの欠点、とりわけ処理の継続時間および高圧蒸気の必要性を有している。
【０００３】
マイクロ波エネルギーを用いて木材を乾燥させ木材構造を破壊することによって繊維を形成させることもまた知られている。マイクロ波エネルギーを用いて木材を乾燥させる際に木材を損傷しないことが重要であり、種々の木材種に対して特別の乾燥スケジュールが提唱されている。これら全てのスケジュールにおいて、マイクロ波照射の強度は木材の損傷を回避するために５〜１０Ｗ／ｃｍ2と極めて低い。
マイクロ波エネルギーを用いて繊維を形成するための木材の破壊は、木材中の水分を加熱して蒸気を非常に迅速かつ木材構造を完全に破壊するのに充分な量で生成させるために、相当高い照射強度、たとえば１５０ｋＷ／ｃｍ2までで行う。
【０００４】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題とその解決方法）
本発明の一つの側面によれば、木材の透過性を増大させる方法であって、（乾燥重量に基づき）少なくとも１５％の含水率を有する木材を、約０.１〜約２４ＧＨｚの範囲の周波数（ｆ）で約１０Ｗ／ｃｍ2〜約１００ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さ（power intensity）（ｐ）のマイクロ波照射に約０.０５〜約６００秒の間供し、木材内の水分を蒸発させて木材内の内部圧を生じさせ、放射細胞組織の部分的または完全な破壊、木材樹脂の軟化または置換、木材の半径方向の経路の形成により、および／または破壊された放射組織に基づき木材中に空洞を形成することにより木材の透過性が増大するようにすることを含み、該空洞は主として木材の半径−長軸（radial-longitudinal）平面にあり、木材の全体的な一体性が実質的に保持されていることを特徴とする方法が提供される。
【０００５】
上記記載の方法によっていずれのときであれ処理された木材もまた提供される。
本発明の方法を用い、木材を選択的またはランダムに処理し、異なる透過性の領域を有する木材を製造することができる。それゆえ、本発明の他の側面に従い、異なる透過性の領域を有する木材が提供され、その際、該領域の少なくとも一つは未処理の木材に比べて透過性が増大するように処理されている。
【０００６】
本発明のマイクロ波処理は、典型的に、木材に含まれる水を蒸発させて内部圧および１００℃を超える温度を生じさせ、その結果、木材中の放射細胞の破壊、木材中の樹脂の軟化および流動化（mobilising）および空白の孔との少なくとも部分的な置換、および主として半径−長軸平面に配置される空洞という結果となる薄い放射状の割れ（checks）の形成の１またはそれ以上によって木材構造を修飾させることにより、木材の透過性を増大させる。本発明のプロセスの間に木材の実質的な乾燥はない。本発明は、含浸または急速乾燥のためなどの木材の直列形（in-line）処理を容易にする。すなわち、本発明の方法によって形成された薄い放射状の割れおよび空洞は、ある種の処理剤の一層有効な含浸を可能とする。薄い放射状の割れまたは空洞はまた、本発明の処理を行わない従来の乾燥法に比べてその後の乾燥処理を一層迅速にする。たとえば、ユーカリノキなどの硬質の木材種（すなわち、処理しにくい（refractory）木材）は、本発明の前処理をせずに急速に乾燥させると木材の内部に蓄積する過剰の圧力のために内部の割れ（checking）や崩壊を蒙る。
【０００７】
本発明のマイクロ波処理は、必ずしも木材を単一のマイクロ波周波数または動力の強さに供することに限定するものではない。本発明は、たとえば、単一の処理において木材を種々のマイクロ波周波数および動力の強さに供することを含む。好ましくは、動力の強さは単一の動力の強さを使用するにせよ幾つかの異なる動力の強さを用いるにせよ、１０Ｗ／ｃｍ2以上に維持する。しかしながら、好ましい態様においては、動力の強さは１０Ｗ／ｃｍ2を超えるように維持する。
【０００８】
本発明のマイクロ波処理はまた、木材の一部の透過性を増大させるために選択的かまたはランダムに用いることができる。たとえば、前以て決定した継続時間でかつセット時間間隔で隔てられたエネルギー衝撃（impulses）またはランダムな衝撃を用いて木材を処理することができる。あるいは、マイクロ波は、処理すべき木材の一部に向けられてよい。そのような処理すべき一部が複数ある場合には、これらはランダムに、または最終的な生成物について提唱される使用を思い描きながら前以て決定した仕方で選択してよい。すなわち、生成物について必要とされる可撓性、強度、透過性およびその他の必要な特性に依存して。この選択的またはランダムな処理のいずれかにより生成した木材は異なる透過性の領域を含み、その際、木材の処理部分は少なくとも一つの領域を構成し、未処理部分は他の領域を構成し、処理部分は未処理部分に比べて高い透過性を有する。
【０００９】
本発明の方法は湿材の処理に適用するのが好ましい。本明細書において使用する「湿材」なる語は、当業者によって理解されるように、広く鋸で挽いた後の「緑の（green）」木材を意味する。湿材中に存在する水の量は、もちろん植物の種によって変わるであろうが、湿材は一般に木材の乾燥重量に基づいて約３０％から約２００％の範囲の含水率を有するであろう。本発明の方法はまた、１５％〜３０％などの含水率が一層低い木材の処理に対しても適用できる。
【００１０】
木材は非常に多量のマイクロ波エネルギーを吸収できる。マイクロ波エネルギーは木材の細胞中の水を加熱および沸騰させて細胞内に蒸気圧を生じさせ、その結果、細胞壁が破壊される。放射細胞は主要な木材組織（仮導管、靱皮（libriform））の細胞に比べて薄い細胞壁を有し、それゆえ放射細胞は主要な木材組織が破壊される前にマイクロ波エネルギーによって破壊される。破壊された放射細胞は、外側表面から内部への液体および蒸気の一層容易な移送のための経路を半径方向に形成する。放射細胞は木材容量の約５％〜約３５％を形成するため、その破壊は木材の透過性を実質的に増大させる。
【００１１】
それゆえ、本発明の処理は有利にも木材の全体的な一体性は実質的に保持しながら放射細胞が破壊されるという結果となる。すなわち、放射細胞の破壊が主要な木材組織（普通、木材の木理（grains）または繊維質（fibers）と呼ばれる）の有意の破壊なしに起こり、その結果、以下に記載するように、ねじれ（tortional）強度は低下しているが半径方向の曲げ（flexural）強度は実質的に影響を受けていない処理木材が得られる。約４秒の継続時間の処理では、たとえば、約０.４ＧＨｚの低い周波数（ｆ）を約６ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さ（ｐ）で用いるのが好ましい。一層高い周波数、たとえば１０ＧＨｚは、約０.２４ｋＷ／ｃｍ2の一層低い動力の強さで用いるのが好ましい。最も好ましくは、約１〜約２.４ＧＨｚの周波数を約２.４ｋＷ／ｃｍ2〜約１ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さで用いる。
【００１２】
上記に記載したように、木材に供給するマイクロ波エネルギーの強度を増大させていくと、蒸気圧が、仮導管（靱皮）壁が破壊し始める程度の放射組織容量まで増大する。木材の引っ張り強さは半径方向よりも接線方向が２〜３倍小さく、たとえば、マイクロ波エネルギーの強度の増大に対応して内部圧が上昇すると木材は主要な木材組織に沿って破壊されるであろう。このことは、半径−長軸平面に広がる割れという結果となる。さらに、木材の接線方向の引っ張り強さが低下するにつれ、温度（および圧力）が高くなるにつれ、割れは木材に比較的低圧で形成される。それゆえ、処理した木材は、一般に半径方向でのねじれ強度は低下しているが曲げ強度は実質的に影響を受けない。
【００１３】
マイクロ波エネルギーを受けたとき、木材中の樹脂は融解および沸騰する前に軟化する。木材内の蒸気圧は軟化した樹脂を放射組織から追い出し、木材中に孔または空洞を残す。このことは、樹脂量の多い木材の透過性を増大させるのに特に有効な手段である。
約１２秒の継続時間の処理で樹脂を軟化させ、たとえば放射相称松材（radiata pine）から除去するため、約０.４ＧＨｚの周波数および約２ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さを用いるのが好ましい。約１０ＧＨｚの一層高い周波数を用いる場合には、動力の強さは約０.０８ｋＷ／ｃｍ2であるのが好ましい。さらに好ましくは、約１〜約６ＧＨｚの周波数を約０.０８〜約０.１３ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さで用いる。
【００１４】
本発明は、木材の一体性または全体的な構造を実質的に保持しているが、その後の処理で含浸を促進させる増大した透過性を提供する。木材処理に適したマイクロ波周波数の範囲は、約０.１ＧＨｚ〜約２４ＧＨｚに限られる。約０.１ＧＨｚ未満の周波数で細胞壁を破壊するのに充分なエネルギーを木材に生じさせることは不可能である。なぜなら、必要とされる動力密度（power density）では電気的な故障（パンチアウト（punch-out））が起こり、木材は炭化してしまうからである。約２４ＧＨｚを超える周波数では、湿材でのマイクロ波の浸透深度は約１０〜１５ｍｍ未満である。これは一般に所望の効果を得るのに充分なエネルギー（温度）の分布をもたらさないであろう。
【００１５】
所望の動力の強さは、選択したマイクロ波周波数により変わるであろう。約２４ＧＨｚの周波数ではマイクロ波の動力の強さは約１０Ｗ／ｃｍ2で充分である。しかしながら、約０.１ＧＨｚのマイクロ波周波数では、１００ｋＷ／ｃｍ2まで、好ましくは５０ｋＷ／ｃｍ2まで、さらに好ましくは１０ｋＷ／ｃｍ2まで、木材細胞の速やかな加熱および破壊に必要である。マイクロ波周波数（ｆ）および動力の強さ（ｐ）の範囲は、およそｆ＝０.４ＧＨｚでｐ＝６ｋＷ／ｃｍ2からおよそｆ＝１０ＧＨｚでｐ＝０.２４ｋＷ／ｃｍ2、さらに好ましくはおよそｆ＝１ＧＨｚでｐ＝２.４ｋＷ／ｃｍ2からおよそｆ＝６ＧＨｚでｐ＝０.４ｋＷ／ｃｍ2である。
【００１６】
周波数および動力の強さの所定範囲内でのマイクロ波処理の継続時間は、０.０５〜６００秒、好ましくは０.１〜６００秒の範囲であり、一般に２５０秒未満、好ましくは１００秒未満、さらに好ましくは約１〜約２０秒であろう。木材の透過性を増大させるためのマイクロ波処理の最小の継続時間は、使用したマイクロ波発生器の動力によって決定される。木材産業で使用される発生器の最大動力は一般に５００ｋＷである。実験は、半径−長軸方向の割れを生じるための木材中の最高の過剰圧が約４００ｋＰａでなければならないことを示しており、実際的な観点から０.０５秒未満の間に木材の透過性を増大させる条件を設定することは不可能である。６００秒を超えるマイクロ波木材処理は含浸のために良質の木材を作製するとは思えないが、長い継続時間は非常に低いマイクロ波周波数および動力の強さと組み合わせて用いることができる。しかしながら、商業的にはそのような長い継続時間は通常許容されないであろう。
【００１７】
木材中の異なる領域に木材修飾（たとえば、透過性の改善）を行うため、異なる周波数のマイクロ波照射が有利に用いられる。たとえば、木材の断面が１００×１００ｍｍである場合、２.４ＧＨｚの周波数を用いてマイクロ波修飾を達成できる。その後、木材を２０ｍｍの深度まで修飾させ、その際、該修飾は放射細胞に限定されたものとする。０.９１５ＧＨｚの周波数を用いる場合には、半径−長軸平面での放射細胞の修飾または破壊および多数の空洞の形成により木材の中心領域の修飾が達成される。
【００１８】
木材細胞は、電界強度ベクトルＥが細胞の長さ方向に平行に方向付けられたときにマイクロ波エネルギーの最大吸収を有する。放射細胞は半径方向（主要な木材組織（仮導管、靱皮）とは垂直）に配置されているため、ベクトルＥが半径方向にあるときに放射細胞は最大のマイクロ波エネルギー吸収を有するであろう。放射細胞と平行で主要な木材組織とは垂直なベクトルＥの方向付けにより、放射細胞は木材の他の組織よりも速やかに加熱され、多くのエネルギーを吸収し、主要な木材組織を破壊することなく放射細胞を破壊することが可能となる。本発明の方法はまたエネルギー消費の低減を可能とする。
【００１９】
木材の誘電特性は、主要な木材組織の方向へのベクトルＥの方向付けに依存する。ベクトルＥが主要な木材組織に平行に方向付けられたときの湿材の誘電損失係数（dielectric loss factor）は、ベクトルＥが該組織に垂直に方向付けられたときよりも約１.６〜２.２倍高い値を有する。さらに、マイクロ波の浸透深度はベクトルＥの方向付けが主要な木材組織に垂直から該組織に平行へと変わったときに約１.５〜２倍低下し、それに対応して木材の吸収能は増大する。従って、木材へマイクロ波エネルギーを適用する効果は、木材組織への好ましい垂直方向および木材組織と平行方向との間でベクトルＥの方向付けを動かすことにより制御することができる。
【００２０】
透過性を増大させるためのマイクロ波エネルギーの使用は上昇した温度で最も有効であり、本発明の方法は約８０〜約１１０℃、好ましくは約９０〜約１００℃の木材温度で行うのが有利である。木材の加熱は適当な手段、たとえば、対流法、接触法または導電（electroconductive）法により行うことができる。木材の加熱は、たとえば約０.１〜２４ＧＨｚの周波数範囲で約０.１〜約１０Ｗ／ｃｍ2の動力の強さにてマイクロ波エネルギーにより行うのが有利である。マイクロ波による前加熱は、適当な時間、たとえば約２０〜約６００秒かけて行ってよい。
【００２１】
放射細胞の破壊および樹脂の軟化に対するマイクロ波エネルギーの選択的効果を増大させるため、約１００℃を超える木材温度で高エネルギー密度のエネルギー衝撃を用いるのが有利である。このことは、木材の本体を過剰に加熱するのを避けるのに役立つ。
高強度のマイクロ波処理の間に木材の表面は過剰に加熱され、炭化することがある。この問題を解消するため、気体流または空気流、好ましくは１ｍ／秒未満、さらに好ましくは２ｍ／秒未満の速度のものを用いて表面を冷却するのが望ましい。木材の表面に気体流または空気流を適用することはまた、照射した領域から蒸気、塵および水分を除くのに有利であり、マイクロ波アプリケーターでの水分の凝結をも防ぐ。
【００２２】
均一な修飾のためには、特定の周波数のマイクロ波で照射しながら木材をマイクロ波の照射領域から一定の速度で動かせばよい。ある場合には、処理領域と未処理領域、あるいは異なる程度の処理を施した領域（それゆえ異なる透過性）を有する木材を提供するのが有利である。木材の修飾を均一なものにするか非均一なものにするかを制御するため、必要に応じて所望の効果を提供できるように処理の間にマイクロ波照射の強度および周波数を変えることができる。このことは当業者には容易に決定されるであろう。
【００２３】
本発明の他の側面に従い、少なくとも１５％（乾燥重量に基づいて）の含水率を有する未処理木材のマイクロ波処理により生成された木材ベースの材料が提供され、該木材ベースの材料は、未処理木材の処理の間に放射細胞の完全なまたは部分的な破壊によりおよび破壊された放射細胞の空洞への拡張により主として半径−長軸平面に形成された多数の空洞を有し、未処理の木材に比べて少なくとも５倍の半径方向および長軸方向の透過性を有し、未処理木材の全体的な一体性が木材ベースの材料で実質的に保持されている。
【００２４】
木材ベースの材料は、該材料の本体に均等に隔たった多数の空洞を有する透過性という点で均一である。しかしながら、他の態様では、木材ベースの材料は高密度の空洞を有する領域と低密度の空洞を有する領域あるいは空洞を有しない領域とが交互に混在している。さらに詳しくは、これら交互の領域は木材ベースの材料の長軸方向、半径方向および／または接線方向で交互になっていてよい。さらに、これら交互の領域は木材ベースの材料で選択的に形成されていてもよいし、あるいはランダムであってもよい。これら領域の特別な配置は、一般に最終生成物の予定された用途に依存するであろう。
【００２５】
未処理木材と比較した木材ベースの材料の透過性の増大は極めて顕著である。そのようであるから、木材ベースの材料による処理溶液の取り込みもまた未処理木材に比べて劇的に増大している。一般に、木材ベースの材料は約１２０〜５５０ ｌ／ｍ3の処理溶液の取り込みを有するであろう。さらに詳しくは、木材ベースの材料は約１９０〜５２０ ｌ／ｍ3の銅−クロム−ヒ素溶液の取り込みを有するであろう。さらに、本発明による木材ベースの材料は、たとえばクレオソートなどの処理材料の良好な取り込みを有するのが好ましい。好ましくは、本発明による木材ベースの材料は、クレオソート中に３０分間浸漬した後に約１１５〜２２０ ｋｇ／ｍ3の取り込みを有する。
【００２６】
未処理木材の全体的な一体性は本発明による木材ベースの材料で実質的に保持されている。すなわち、上記に記載したように、木材ベースの材料中の主要な木材組織の細胞の有意の破壊はない。しかしながら、木材ベースの材料の機械的特性は未処理木材に比べて一般に低減しているであろう。とりわけ、木材ベースの材料は未処理木材に比べて低下した弾性率（ＭＯＥ）および低下した破壊係数（ＭＯＲ）を有することが予測できる。これら係数は下記実施例で考慮し、一層詳細に検討されるであろう。
【００２７】
本発明は、丸い木材、製材（lumber）、梁（beam）および種々の形状の他の木材および半加工品（blanks）に適している。木材の透過性を増大させる方法は、木材を乾燥させる前に用いることができる。本発明の方法はあらゆる種の木材に適しているが、オウシュウナラ（English oak）などの放射細胞の容量の高い硬乾燥（hard drying）種に特に適している。
【００２８】
つぎに、例示として添付の図面を参照しながら本発明をさらに記載する。
図１を参照すると、装置１０は、導波管（waveguide）１４のそれぞれ上流および下流のコンベヤーローラーペア１８および２０によって定められる処理パス（treatment path）１６に対して垂直な導波管１４によりマイクロ波エネルギーを向けるマイクロ波発生器１２を含む。
導波管１４は処理パス１６の上部側で開いており、ウォーターロード（water load）２２と連結されている。ウォーターロード２２は所定の長さの木材２４を通過したマイクロ波エネルギーを吸収する。
【００２９】
所定の長さの木材２４は、コンベヤーにより導波管１４の反対側に所望の処理時間を与える前以て決定した速度で処理パスに沿って運ばれる。
導波管１４は、矢印２６によって示されるように所定の長さの木材に対して垂直にマイクロ波を向ける。それゆえ、電界強度ベクトルＥは木材の長さ方向に対して（すなわち、主要な木材組織に対して）垂直に方向付けられる。ベクトルＥの方向付けは、当業者によって認識されるであろうように電気的手段または機械的手段により主要な木材組織に対して平行に変えることができる。
【００３０】
図２〜図４を参照すると、接線−長軸方向の切片の顕微鏡写真は、図２および図３では左から右へ、図４では上から下へ延びる木材の木理および個々の繊維（仮導管）２８を明らかに示している。該切片の顕微鏡写真にほぼ垂直に延びる多くの放射細胞３０もまた明らかに示されている。図２はマイクロ波処理前に採取した放射相称松材の切片を示しており、各放射組織中の個々の放射細胞が明らかに認められる。
【００３１】
図３および図４において、これら切片は、装置１０で２.４５ＧＨｚの周波数、２５０Ｗ／ｃｍ2のマイクロ波の動力の強さにて７秒の処理時間に供して個々の放射細胞を破壊し、それによって木材の透過性を増大させた木材のものである。図２および図３から木材の全体の構造または一体性が保持されていることも明らかである。
木材の半径−長軸平面に延びる樹脂チャネルは、周囲の木材に比べて高いマイクロ波吸収能を有する。それゆえ、マイクロ波処理すると樹脂は軟化および融解し、蒸気圧下で木材の表面へと押しやられて空虚なチャネルを残す。樹脂の少なくとも一部はまた、隣接する木材細胞に存在する孔によって置換される。空虚なチャネルは有利にも木材の透過性、それゆえ木材の化学物質の浸透の受け易さを実質的に増大させる。
図５の横断面図において、放射相称松材を装置１０で２.４ＧＨｚの周波数、５００Ｗ／ｃｍ2の動力の強さにて８秒の継続時間でマイクロ波処理した後に該木材の半径−長軸平面で形成された割れ３２を認めることができる。
【００３２】
（実施例）
実施例１
弾性率（ＭＯＥ）および最大曲げ強度（破壊係数：ＭＯＲ）に対するマイクロ波処理の効果を放射相称松材およびユーカリノキ（Messmate wood）の試料で調べた。以下の結果が得られた。
放射相称松材
以下の処理パラメーターでの放射相称松材の透過性を増大させるためのマイクロ波処理
マイクロ波周波数− ０.９２２ＧＨｚ
マイクロ波動力− １８〜３６ｋＷ
電界強度ベクトルＥの方向付け− 木理に対して垂直
コンベヤーの速度 １６ｍｍ／秒
空気温度 １００〜１２０℃
【００３３】
下記表によって示されるように、マイクロ波の強度を上げていくと放射相称松材のＭＯＥおよびＭＯＲ（％）が低減することがわかった。
【００３４】
ユーカリノキ
以下の処理パラメーターでのユーカリノキの透過性を増大させるためのマイクロ波処理
マイクロ波周波数− ０.９２２ＧＨｚ
マイクロ波動力− ３６〜５７ｋＷ
電界強度ベクトルＥの方向付け− 木理に対して垂直
コンベヤーの速度 １２ｍｍ／秒
空気温度 １００〜１２０℃
【００３５】
下記表によって示されるように、マイクロ波の強度を上げていくとユーカリノキのＭＯＥおよびＭＯＲ（％）が低減することがわかった。
【００３６】
マイクロ波処理後、強度特性（すなわち、弾性率（ＭＯＥ）および破壊係数（ＭＯＲ））の最小低下を以下のとおり（％）決定した。
【００３７】
実施例２
マイクロ波処理前および処理後のユーカリノキの透過性についても調べ、以下の結果が得られた。
ユーカリノキ（含水率１２％、オーブン乾燥密度７４０ｋｇ／ｍ3）
空気透過性係数（ｃｍ3（空気）／ｃｍ気圧）：
マイクロ波処理後 ２９１〜１９９５
対照 １.７
透過性の増大（倍） １７１〜１１７４
【００３８】
実施例３
マイクロ波処理前および処理後の種々のタイプの木材の取り込みを調べ、以下の結果が得られた。
木材の透過性は非常に変わりやすいため、ＣＣＡ（銅−クロム−ヒ素溶液）の取り込み量をマイクロ波処理後の透過性の変化の指標として用いた。
【００３９】
実施例４
直径１２０ｍｍの剥皮した緑の丸太の放射相称松材を装置１０でのマイクロ波処理に供することにより保存剤の含浸のために調製する。０.９１５ＧＨｚのマイクロ波周波数が丸太の横断面での均一な温度分布を確実にするので、この周波数を工業目的のために選択する。
発生器１２のマイクロ波出力を５０ｋＷに設定して４２０Ｗ／ｃｍ2のエネルギー強度を与えるようにし、コンベヤーを９秒の処理時間（すなわち丸太の各部分がマイクロ波導波管１４を通過する時間）を与えるように設定する。
【００４０】
実施例５
図１の装置１０を２.４５ＧＨｚの周波数、８００Ｗ／ｃｍ2のエネルギー強度を与える２０ｋＷのマイクロ波出力、および３秒の処理時間にて用いて５×５ｃｍの横断面の辺材のマツ製材（sapwood pine lumber）を含浸のために調製する。
実施例４および５の両者において、木材の全体の構造または一体性を損うことなく木材の透過性が増大した。
【００４１】
本発明のマイクロ波処理を用いることにより、木材試料の透過性を処理前の試料に比べて１００倍までさらにそれ以上増大させることができる。たとえば、２.４ＧＨｚの周波数、約１０Ｗ／ｃｍ2の動力の強さで３５秒間マツ木材の試料を処理すると温度が９５〜１００℃に上昇する。約５００Ｗ／ｃｍ2の動力の強さでさらに３秒間処理すると、放射細胞は破壊され、樹脂は軟化し除去されて主として試料の半径−長軸平面に空虚な孔および薄い放射状の割れおよび空洞が形成される。木材試料の半径方向の透過性は最初の未処理試料の約１２０倍である。
【００４２】
処理後の木材の密度（木材ベースの材料の密度に対応）は、特定のマイクロ波処理スケジュールに依存して低下することがわかった。この低下は放射相称松材では１５％まで、アメリカトガサワラでは９.４％まで、ユーカリノキでは１３.４％までであることがわかった。
【００４３】
かくして新規な木材製品である「Torgvin」を製造することができ、これは半径−長軸平面に配置された多数の空洞を有している。さらに、試料の選択した領域を照射することにより、または断続的な照射またはパルス照射を用いることにより、処理領域と未処理領域とを有する材料を製造することができる。本発明による材料または本発明の方法により製造された材料は、天然の木材に比べて有利にも非常に高い透過性、増大した可撓性、変化した縮み特性および機械特性および低下した密度を有する。
【００４４】
当業者であれば、本明細書に記載した発明が本明細書に特に記載した以外にも変更や修正が可能であることを理解するであろう。本発明は、そのような変更および修正をすべて包含することを理解すべきである。本発明はまた、本明細書で個々にまたは集合的に言及したすべての工程、特徴、組成物および化合物、および該工程または特徴の２またはそれ以上のすべての組み合わせをも包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施するための装置の模式図を示す。
【図２】 放射相称松材の接線方向の切片の放射細胞を示す倍率×１００の顕微鏡写真である。
【図３】 マイクロ波処理後の放射相称松材の接線方向の切片の倍率×２００の顕微鏡写真である。
【図４】 マイクロ波処理後の放射相称松材の接線方向の切片の倍率×７００の顕微鏡写真である。
【図５】 マイクロ波処理後の木材の横断面切片の倍率×２０の顕微鏡写真である。
【符号の説明】 １０：装置
１２：マイクロ波発生器
１４：導波管
１６：処理パス
１８および２０：コンベヤーローラーペア
２２：ウォーターロード
２４：所定の長さの木材
２６：矢印
（技術分野）
本発明は、木材の処理に関し、詳しくは木材、とりわけ湿材の透過性（permeability）を増大させる方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
木材に保存剤および他の薬剤、たとえば防燃剤（fire-proofing）を含浸させて処理することは非常によく知られている。含浸処理の問題の一つは、薬剤が木材に完全にまたは少なくとも充分に含浸されたことを確実にすることである。
蒸気を用いて木材の温度と圧力を上げて（圧力が速やかに低下した後に）木材の細胞の幾つかを破壊し、それによって木材の天然の透過性を高めることによって含浸用の木材を調製することもまた知られている。たとえば、丸い木材の放射相称松材蒸気調節（round wood radiata pine steam conditioning）のための最新の蒸気仕様は、圧力を速やかに低下させる前の木材の厚みに依存して、１２７℃の温度、１３８ｋＰａの圧力で１.５〜１８時間の蒸気を使用することを推奨している。この処理は含浸プロセスの改良に役立つものではあるが、なお幾つかの欠点、とりわけ処理の継続時間および高圧蒸気の必要性を有している。
【０００３】
マイクロ波エネルギーを用いて木材を乾燥させ木材構造を破壊することによって繊維を形成させることもまた知られている。マイクロ波エネルギーを用いて木材を乾燥させる際に木材を損傷しないことが重要であり、種々の木材種に対して特別の乾燥スケジュールが提唱されている。これら全てのスケジュールにおいて、マイクロ波照射の強度は木材の損傷を回避するために５〜１０Ｗ／ｃｍ2と極めて低い。
マイクロ波エネルギーを用いて繊維を形成するための木材の破壊は、木材中の水分を加熱して蒸気を非常に迅速かつ木材構造を完全に破壊するのに充分な量で生成させるために、相当高い照射強度、たとえば１５０ｋＷ／ｃｍ2までで行う。
【０００４】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題とその解決方法）
本発明の一つの側面によれば、木材の透過性を増大させる方法であって、（乾燥重量に基づき）少なくとも１５％の含水率を有する木材を、約０.１〜約２４ＧＨｚの範囲の周波数（ｆ）で約１０Ｗ／ｃｍ2〜約１００ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さ（power intensity）（ｐ）のマイクロ波照射に約０.０５〜約６００秒の間供し、木材内の水分を蒸発させて木材内の内部圧を生じさせ、放射細胞組織の部分的または完全な破壊、木材樹脂の軟化または置換、木材の半径方向の経路の形成により、および／または破壊された放射組織に基づき木材中に空洞を形成することにより木材の透過性が増大するようにすることを含み、該空洞は主として木材の半径−長軸（radial-longitudinal）平面にあり、木材の全体的な一体性が実質的に保持されていることを特徴とする方法が提供される。
【０００５】
上記記載の方法によっていずれのときであれ処理された木材もまた提供される。
本発明の方法を用い、木材を選択的またはランダムに処理し、異なる透過性の領域を有する木材を製造することができる。それゆえ、本発明の他の側面に従い、異なる透過性の領域を有する木材が提供され、その際、該領域の少なくとも一つは未処理の木材に比べて透過性が増大するように処理されている。
【０００６】
本発明のマイクロ波処理は、典型的に、木材に含まれる水を蒸発させて内部圧および１００℃を超える温度を生じさせ、その結果、木材中の放射細胞の破壊、木材中の樹脂の軟化および流動化（mobilising）および空白の孔との少なくとも部分的な置換、および主として半径−長軸平面に配置される空洞という結果となる薄い放射状の割れ（checks）の形成の１またはそれ以上によって木材構造を修飾させることにより、木材の透過性を増大させる。本発明のプロセスの間に木材の実質的な乾燥はない。本発明は、含浸または急速乾燥のためなどの木材の直列形（in-line）処理を容易にする。すなわち、本発明の方法によって形成された薄い放射状の割れおよび空洞は、ある種の処理剤の一層有効な含浸を可能とする。薄い放射状の割れまたは空洞はまた、本発明の処理を行わない従来の乾燥法に比べてその後の乾燥処理を一層迅速にする。たとえば、ユーカリノキなどの硬質の木材種（すなわち、処理しにくい（refractory）木材）は、本発明の前処理をせずに急速に乾燥させると木材の内部に蓄積する過剰の圧力のために内部の割れ（checking）や崩壊を蒙る。
【０００７】
本発明のマイクロ波処理は、必ずしも木材を単一のマイクロ波周波数または動力の強さに供することに限定するものではない。本発明は、たとえば、単一の処理において木材を種々のマイクロ波周波数および動力の強さに供することを含む。好ましくは、動力の強さは単一の動力の強さを使用するにせよ幾つかの異なる動力の強さを用いるにせよ、１０Ｗ／ｃｍ2以上に維持する。しかしながら、好ましい態様においては、動力の強さは１０Ｗ／ｃｍ2を超えるように維持する。
【０００８】
本発明のマイクロ波処理はまた、木材の一部の透過性を増大させるために選択的かまたはランダムに用いることができる。たとえば、前以て決定した継続時間でかつセット時間間隔で隔てられたエネルギー衝撃（impulses）またはランダムな衝撃を用いて木材を処理することができる。あるいは、マイクロ波は、処理すべき木材の一部に向けられてよい。そのような処理すべき一部が複数ある場合には、これらはランダムに、または最終的な生成物について提唱される使用を思い描きながら前以て決定した仕方で選択してよい。すなわち、生成物について必要とされる可撓性、強度、透過性およびその他の必要な特性に依存して。この選択的またはランダムな処理のいずれかにより生成した木材は異なる透過性の領域を含み、その際、木材の処理部分は少なくとも一つの領域を構成し、未処理部分は他の領域を構成し、処理部分は未処理部分に比べて高い透過性を有する。
【０００９】
本発明の方法は湿材の処理に適用するのが好ましい。本明細書において使用する「湿材」なる語は、当業者によって理解されるように、広く鋸で挽いた後の「緑の（green）」木材を意味する。湿材中に存在する水の量は、もちろん植物の種によって変わるであろうが、湿材は一般に木材の乾燥重量に基づいて約３０％から約２００％の範囲の含水率を有するであろう。本発明の方法はまた、１５％〜３０％などの含水率が一層低い木材の処理に対しても適用できる。
【００１０】
木材は非常に多量のマイクロ波エネルギーを吸収できる。マイクロ波エネルギーは木材の細胞中の水を加熱および沸騰させて細胞内に蒸気圧を生じさせ、その結果、細胞壁が破壊される。放射細胞は主要な木材組織（仮導管、靱皮（libriform））の細胞に比べて薄い細胞壁を有し、それゆえ放射細胞は主要な木材組織が破壊される前にマイクロ波エネルギーによって破壊される。破壊された放射細胞は、外側表面から内部への液体および蒸気の一層容易な移送のための経路を半径方向に形成する。放射細胞は木材容量の約５％〜約３５％を形成するため、その破壊は木材の透過性を実質的に増大させる。
【００１１】
それゆえ、本発明の処理は有利にも木材の全体的な一体性は実質的に保持しながら放射細胞が破壊されるという結果となる。すなわち、放射細胞の破壊が主要な木材組織（普通、木材の木理（grains）または繊維質（fibers）と呼ばれる）の有意の破壊なしに起こり、その結果、以下に記載するように、ねじれ（tortional）強度は低下しているが半径方向の曲げ（flexural）強度は実質的に影響を受けていない処理木材が得られる。約４秒の継続時間の処理では、たとえば、約０.４ＧＨｚの低い周波数（ｆ）を約６ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さ（ｐ）で用いるのが好ましい。一層高い周波数、たとえば１０ＧＨｚは、約０.２４ｋＷ／ｃｍ2の一層低い動力の強さで用いるのが好ましい。最も好ましくは、約１〜約２.４ＧＨｚの周波数を約２.４ｋＷ／ｃｍ2〜約１ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さで用いる。
【００１２】
上記に記載したように、木材に供給するマイクロ波エネルギーの強度を増大させていくと、蒸気圧が、仮導管（靱皮）壁が破壊し始める程度の放射組織容量まで増大する。木材の引っ張り強さは半径方向よりも接線方向が２〜３倍小さく、たとえば、マイクロ波エネルギーの強度の増大に対応して内部圧が上昇すると木材は主要な木材組織に沿って破壊されるであろう。このことは、半径−長軸平面に広がる割れという結果となる。さらに、木材の接線方向の引っ張り強さが低下するにつれ、温度（および圧力）が高くなるにつれ、割れは木材に比較的低圧で形成される。それゆえ、処理した木材は、一般に半径方向でのねじれ強度は低下しているが曲げ強度は実質的に影響を受けない。
【００１３】
マイクロ波エネルギーを受けたとき、木材中の樹脂は融解および沸騰する前に軟化する。木材内の蒸気圧は軟化した樹脂を放射組織から追い出し、木材中に孔または空洞を残す。このことは、樹脂量の多い木材の透過性を増大させるのに特に有効な手段である。
約１２秒の継続時間の処理で樹脂を軟化させ、たとえば放射相称松材（radiata pine）から除去するため、約０.４ＧＨｚの周波数および約２ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さを用いるのが好ましい。約１０ＧＨｚの一層高い周波数を用いる場合には、動力の強さは約０.０８ｋＷ／ｃｍ2であるのが好ましい。さらに好ましくは、約１〜約６ＧＨｚの周波数を約０.０８〜約０.１３ｋＷ／ｃｍ2の動力の強さで用いる。
【００１４】
本発明は、木材の一体性または全体的な構造を実質的に保持しているが、その後の処理で含浸を促進させる増大した透過性を提供する。木材処理に適したマイクロ波周波数の範囲は、約０.１ＧＨｚ〜約２４ＧＨｚに限られる。約０.１ＧＨｚ未満の周波数で細胞壁を破壊するのに充分なエネルギーを木材に生じさせることは不可能である。なぜなら、必要とされる動力密度（power density）では電気的な故障（パンチアウト（punch-out））が起こり、木材は炭化してしまうからである。約２４ＧＨｚを超える周波数では、湿材でのマイクロ波の浸透深度は約１０〜１５ｍｍ未満である。これは一般に所望の効果を得るのに充分なエネルギー（温度）の分布をもたらさないであろう。
【００１５】
所望の動力の強さは、選択したマイクロ波周波数により変わるであろう。約２４ＧＨｚの周波数ではマイクロ波の動力の強さは約１０Ｗ／ｃｍ2で充分である。しかしながら、約０.１ＧＨｚのマイクロ波周波数では、１００ｋＷ／ｃｍ2まで、好ましくは５０ｋＷ／ｃｍ2まで、さらに好ましくは１０ｋＷ／ｃｍ2まで、木材細胞の速やかな加熱および破壊に必要である。マイクロ波周波数（ｆ）および動力の強さ（ｐ）の範囲は、およそｆ＝０.４ＧＨｚでｐ＝６ｋＷ／ｃｍ2からおよそｆ＝１０ＧＨｚでｐ＝０.２４ｋＷ／ｃｍ2、さらに好ましくはおよそｆ＝１ＧＨｚでｐ＝２.４ｋＷ／ｃｍ2からおよそｆ＝６ＧＨｚでｐ＝０.４ｋＷ／ｃｍ2である。
【００１６】
周波数および動力の強さの所定範囲内でのマイクロ波処理の継続時間は、０.０５〜６００秒、好ましくは０.１〜６００秒の範囲であり、一般に２５０秒未満、好ましくは１００秒未満、さらに好ましくは約１〜約２０秒であろう。木材の透過性を増大させるためのマイクロ波処理の最小の継続時間は、使用したマイクロ波発生器の動力によって決定される。木材産業で使用される発生器の最大動力は一般に５００ｋＷである。実験は、半径−長軸方向の割れを生じるための木材中の最高の過剰圧が約４００ｋＰａでなければならないことを示しており、実際的な観点から０.０５秒未満の間に木材の透過性を増大させる条件を設定することは不可能である。６００秒を超えるマイクロ波木材処理は含浸のために良質の木材を作製するとは思えないが、長い継続時間は非常に低いマイクロ波周波数および動力の強さと組み合わせて用いることができる。しかしながら、商業的にはそのような長い継続時間は通常許容されないであろう。
【００１７】
木材中の異なる領域に木材修飾（たとえば、透過性の改善）を行うため、異なる周波数のマイクロ波照射が有利に用いられる。たとえば、木材の断面が１００×１００ｍｍである場合、２.４ＧＨｚの周波数を用いてマイクロ波修飾を達成できる。その後、木材を２０ｍｍの深度まで修飾させ、その際、該修飾は放射細胞に限定されたものとする。０.９１５ＧＨｚの周波数を用いる場合には、半径−長軸平面での放射細胞の修飾または破壊および多数の空洞の形成により木材の中心領域の修飾が達成される。
【００１８】
木材細胞は、電界強度ベクトルＥが細胞の長さ方向に平行に方向付けられたときにマイクロ波エネルギーの最大吸収を有する。放射細胞は半径方向（主要な木材組織（仮導管、靱皮）とは垂直）に配置されているため、ベクトルＥが半径方向にあるときに放射細胞は最大のマイクロ波エネルギー吸収を有するであろう。放射細胞と平行で主要な木材組織とは垂直なベクトルＥの方向付けにより、放射細胞は木材の他の組織よりも速やかに加熱され、多くのエネルギーを吸収し、主要な木材組織を破壊することなく放射細胞を破壊することが可能となる。本発明の方法はまたエネルギー消費の低減を可能とする。
【００１９】
木材の誘電特性は、主要な木材組織の方向へのベクトルＥの方向付けに依存する。ベクトルＥが主要な木材組織に平行に方向付けられたときの湿材の誘電損失係数（dielectric loss factor）は、ベクトルＥが該組織に垂直に方向付けられたときよりも約１.６〜２.２倍高い値を有する。さらに、マイクロ波の浸透深度はベクトルＥの方向付けが主要な木材組織に垂直から該組織に平行へと変わったときに約１.５〜２倍低下し、それに対応して木材の吸収能は増大する。従って、木材へマイクロ波エネルギーを適用する効果は、木材組織への好ましい垂直方向および木材組織と平行方向との間でベクトルＥの方向付けを動かすことにより制御することができる。
【００２０】
透過性を増大させるためのマイクロ波エネルギーの使用は上昇した温度で最も有効であり、本発明の方法は約８０〜約１１０℃、好ましくは約９０〜約１００℃の木材温度で行うのが有利である。木材の加熱は適当な手段、たとえば、対流法、接触法または導電（electroconductive）法により行うことができる。木材の加熱は、たとえば約０.１〜２４ＧＨｚの周波数範囲で約０.１〜約１０Ｗ／ｃｍ2の動力の強さにてマイクロ波エネルギーにより行うのが有利である。マイクロ波による前加熱は、適当な時間、たとえば約２０〜約６００秒かけて行ってよい。
【００２１】
放射細胞の破壊および樹脂の軟化に対するマイクロ波エネルギーの選択的効果を増大させるため、約１００℃を超える木材温度で高エネルギー密度のエネルギー衝撃を用いるのが有利である。このことは、木材の本体を過剰に加熱するのを避けるのに役立つ。
高強度のマイクロ波処理の間に木材の表面は過剰に加熱され、炭化することがある。この問題を解消するため、気体流または空気流、好ましくは１ｍ／秒未満、さらに好ましくは２ｍ／秒未満の速度のものを用いて表面を冷却するのが望ましい。木材の表面に気体流または空気流を適用することはまた、照射した領域から蒸気、塵および水分を除くのに有利であり、マイクロ波アプリケーターでの水分の凝結をも防ぐ。
【００２２】
均一な修飾のためには、特定の周波数のマイクロ波で照射しながら木材をマイクロ波の照射領域から一定の速度で動かせばよい。ある場合には、処理領域と未処理領域、あるいは異なる程度の処理を施した領域（それゆえ異なる透過性）を有する木材を提供するのが有利である。木材の修飾を均一なものにするか非均一なものにするかを制御するため、必要に応じて所望の効果を提供できるように処理の間にマイクロ波照射の強度および周波数を変えることができる。このことは当業者には容易に決定されるであろう。
【００２３】
本発明の他の側面に従い、少なくとも１５％（乾燥重量に基づいて）の含水率を有する未処理木材のマイクロ波処理により生成された木材ベースの材料が提供され、該木材ベースの材料は、未処理木材の処理の間に放射細胞の完全なまたは部分的な破壊によりおよび破壊された放射細胞の空洞への拡張により主として半径−長軸平面に形成された多数の空洞を有し、未処理の木材に比べて少なくとも５倍の半径方向および長軸方向の透過性を有し、未処理木材の全体的な一体性が木材ベースの材料で実質的に保持されている。
【００２４】
木材ベースの材料は、該材料の本体に均等に隔たった多数の空洞を有する透過性という点で均一である。しかしながら、他の態様では、木材ベースの材料は高密度の空洞を有する領域と低密度の空洞を有する領域あるいは空洞を有しない領域とが交互に混在している。さらに詳しくは、これら交互の領域は木材ベースの材料の長軸方向、半径方向および／または接線方向で交互になっていてよい。さらに、これら交互の領域は木材ベースの材料で選択的に形成されていてもよいし、あるいはランダムであってもよい。これら領域の特別な配置は、一般に最終生成物の予定された用途に依存するであろう。
【００２５】
未処理木材と比較した木材ベースの材料の透過性の増大は極めて顕著である。そのようであるから、木材ベースの材料による処理溶液の取り込みもまた未処理木材に比べて劇的に増大している。一般に、木材ベースの材料は約１２０〜５５０ ｌ／ｍ3の処理溶液の取り込みを有するであろう。さらに詳しくは、木材ベースの材料は約１９０〜５２０ ｌ／ｍ3の銅−クロム−ヒ素溶液の取り込みを有するであろう。さらに、本発明による木材ベースの材料は、たとえばクレオソートなどの処理材料の良好な取り込みを有するのが好ましい。好ましくは、本発明による木材ベースの材料は、クレオソート中に３０分間浸漬した後に約１１５〜２２０ ｋｇ／ｍ3の取り込みを有する。
【００２６】
未処理木材の全体的な一体性は本発明による木材ベースの材料で実質的に保持されている。すなわち、上記に記載したように、木材ベースの材料中の主要な木材組織の細胞の有意の破壊はない。しかしながら、木材ベースの材料の機械的特性は未処理木材に比べて一般に低減しているであろう。とりわけ、木材ベースの材料は未処理木材に比べて低下した弾性率（ＭＯＥ）および低下した破壊係数（ＭＯＲ）を有することが予測できる。これら係数は下記実施例で考慮し、一層詳細に検討されるであろう。
【００２７】
本発明は、丸い木材、製材（lumber）、梁（beam）および種々の形状の他の木材および半加工品（blanks）に適している。木材の透過性を増大させる方法は、木材を乾燥させる前に用いることができる。本発明の方法はあらゆる種の木材に適しているが、オウシュウナラ（English oak）などの放射細胞の容量の高い硬乾燥（hard drying）種に特に適している。
【００２８】
つぎに、例示として添付の図面を参照しながら本発明をさらに記載する。
図１を参照すると、装置１０は、導波管（waveguide）１４のそれぞれ上流および下流のコンベヤーローラーペア１８および２０によって定められる処理パス（treatment path）１６に対して垂直な導波管１４によりマイクロ波エネルギーを向けるマイクロ波発生器１２を含む。
導波管１４は処理パス１６の上部側で開いており、ウォーターロード（water load）２２と連結されている。ウォーターロード２２は所定の長さの木材２４を通過したマイクロ波エネルギーを吸収する。
【００２９】
所定の長さの木材２４は、コンベヤーにより導波管１４の反対側に所望の処理時間を与える前以て決定した速度で処理パスに沿って運ばれる。
導波管１４は、矢印２６によって示されるように所定の長さの木材に対して垂直にマイクロ波を向ける。それゆえ、電界強度ベクトルＥは木材の長さ方向に対して（すなわち、主要な木材組織に対して）垂直に方向付けられる。ベクトルＥの方向付けは、当業者によって認識されるであろうように電気的手段または機械的手段により主要な木材組織に対して平行に変えることができる。
【００３０】
図２〜図４を参照すると、接線−長軸方向の切片の顕微鏡写真は、図２および図３では左から右へ、図４では上から下へ延びる木材の木理および個々の繊維（仮導管）２８を明らかに示している。該切片の顕微鏡写真にほぼ垂直に延びる多くの放射細胞３０もまた明らかに示されている。図２はマイクロ波処理前に採取した放射相称松材の切片を示しており、各放射組織中の個々の放射細胞が明らかに認められる。
【００３１】
図３および図４において、これら切片は、装置１０で２.４５ＧＨｚの周波数、２５０Ｗ／ｃｍ2のマイクロ波の動力の強さにて７秒の処理時間に供して個々の放射細胞を破壊し、それによって木材の透過性を増大させた木材のものである。図２および図３から木材の全体の構造または一体性が保持されていることも明らかである。
木材の半径−長軸平面に延びる樹脂チャネルは、周囲の木材に比べて高いマイクロ波吸収能を有する。それゆえ、マイクロ波処理すると樹脂は軟化および融解し、蒸気圧下で木材の表面へと押しやられて空虚なチャネルを残す。樹脂の少なくとも一部はまた、隣接する木材細胞に存在する孔によって置換される。空虚なチャネルは有利にも木材の透過性、それゆえ木材の化学物質の浸透の受け易さを実質的に増大させる。
図５の横断面図において、放射相称松材を装置１０で２.４ＧＨｚの周波数、５００Ｗ／ｃｍ2の動力の強さにて８秒の継続時間でマイクロ波処理した後に該木材の半径−長軸平面で形成された割れ３２を認めることができる。
【００３２】
（実施例）
実施例１
弾性率（ＭＯＥ）および最大曲げ強度（破壊係数：ＭＯＲ）に対するマイクロ波処理の効果を放射相称松材およびユーカリノキ（Messmate wood）の試料で調べた。以下の結果が得られた。
放射相称松材
以下の処理パラメーターでの放射相称松材の透過性を増大させるためのマイクロ波処理
マイクロ波周波数− ０.９２２ＧＨｚ
マイクロ波動力− １８〜３６ｋＷ
電界強度ベクトルＥの方向付け− 木理に対して垂直
コンベヤーの速度 １６ｍｍ／秒
空気温度 １００〜１２０℃
【００３３】
下記表によって示されるように、マイクロ波の強度を上げていくと放射相称松材のＭＯＥおよびＭＯＲ（％）が低減することがわかった。
ユーカリノキ
以下の処理パラメーターでのユーカリノキの透過性を増大させるためのマイクロ波処理
マイクロ波周波数− ０.９２２ＧＨｚ
マイクロ波動力− ３６〜５７ｋＷ
電界強度ベクトルＥの方向付け− 木理に対して垂直
コンベヤーの速度 １２ｍｍ／秒
空気温度 １００〜１２０℃
【００３５】
下記表によって示されるように、マイクロ波の強度を上げていくとユーカリノキのＭＯＥおよびＭＯＲ（％）が低減することがわかった。
マイクロ波処理後、強度特性（すなわち、弾性率（ＭＯＥ）および破壊係数（ＭＯＲ））の最小低下を以下のとおり（％）決定した。
実施例２
マイクロ波処理前および処理後のユーカリノキの透過性についても調べ、以下の結果が得られた。
ユーカリノキ（含水率１２％、オーブン乾燥密度７４０ｋｇ／ｍ3）
空気透過性係数（ｃｍ3（空気）／ｃｍ気圧）：
マイクロ波処理後 ２９１〜１９９５
対照 １.７
透過性の増大（倍） １７１〜１１７４
【００３８】
実施例３
マイクロ波処理前および処理後の種々のタイプの木材の取り込みを調べ、以下の結果が得られた。
木材の透過性は非常に変わりやすいため、ＣＣＡ（銅−クロム−ヒ素溶液）の取り込み量をマイクロ波処理後の透過性の変化の指標として用いた。
実施例４
直径１２０ｍｍの剥皮した緑の丸太の放射相称松材を装置１０でのマイクロ波処理に供することにより保存剤の含浸のために調製する。０.９１５ＧＨｚのマイクロ波周波数が丸太の横断面での均一な温度分布を確実にするので、この周波数を工業目的のために選択する。
発生器１２のマイクロ波出力を５０ｋＷに設定して４２０Ｗ／ｃｍ2のエネルギー強度を与えるようにし、コンベヤーを９秒の処理時間（すなわち丸太の各部分がマイクロ波導波管１４を通過する時間）を与えるように設定する。
【００４０】
実施例５
図１の装置１０を２.４５ＧＨｚの周波数、８００Ｗ／ｃｍ2のエネルギー強度を与える２０ｋＷのマイクロ波出力、および３秒の処理時間にて用いて５×５ｃｍの横断面の辺材のマツ製材（sapwood pine lumber）を含浸のために調製する。
実施例４および５の両者において、木材の全体の構造または一体性を損うことなく木材の透過性が増大した。
【００４１】
本発明のマイクロ波処理を用いることにより、木材試料の透過性を処理前の試料に比べて１００倍までさらにそれ以上増大させることができる。たとえば、２.４ＧＨｚの周波数、約１０Ｗ／ｃｍ2の動力の強さで３５秒間マツ木材の試料を処理すると温度が９５〜１００℃に上昇する。約５００Ｗ／ｃｍ2の動力の強さでさらに３秒間処理すると、放射細胞は破壊され、樹脂は軟化し除去されて主として試料の半径−長軸平面に空虚な孔および薄い放射状の割れおよび空洞が形成される。木材試料の半径方向の透過性は最初の未処理試料の約１２０倍である。
【００４２】
処理後の木材の密度（木材ベースの材料の密度に対応）は、特定のマイクロ波処理スケジュールに依存して低下することがわかった。この低下は放射相称松材では１５％まで、アメリカトガサワラでは９.４％まで、ユーカリノキでは１３.４％までであることがわかった。
【００４３】
かくして新規な木材製品である「Torgvin」を製造することができ、これは半径−長軸平面に配置された多数の空洞を有している。さらに、試料の選択した領域を照射することにより、または断続的な照射またはパルス照射を用いることにより、処理領域と未処理領域とを有する材料を製造することができる。本発明による材料または本発明の方法により製造された材料は、天然の木材に比べて有利にも非常に高い透過性、増大した可撓性、変化した縮み特性および機械特性および低下した密度を有する。
【００４４】
当業者であれば、本明細書に記載した発明が本明細書に特に記載した以外にも変更や修正が可能であることを理解するであろう。本発明は、そのような変更および修正をすべて包含することを理解すべきである。本発明はまた、本明細書で個々にまたは集合的に言及したすべての工程、特徴、組成物および化合物、および該工程または特徴の２またはそれ以上のすべての組み合わせをも包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施するための装置の模式図を示す。
【図２】 放射相称松材の接線方向の切片の放射細胞を示す倍率×１００の顕微鏡写真である。
【図３】 マイクロ波処理後の放射相称松材の接線方向の切片の倍率×２００の顕微鏡写真である。
【図４】 マイクロ波処理後の放射相称松材の接線方向の切片の倍率×７００の顕微鏡写真である。
【図５】 マイクロ波処理後の木材の横断面切片の倍率×２０の顕微鏡写真である。
【符号の説明】 １０：装置
１２：マイクロ波発生器
１４：導波管
１６：処理パス
１８および２０：コンベヤーローラーペア
２２：ウォーターロード
２４：所定の長さの木材
２６：矢印
Claims (16)
- 木材の透過性を増大させる方法であって、（乾燥重量に基づき）少なくとも１５％の含水率を有する木材を、約０.１〜約２４ＧＨｚの範囲の周波数（ｆ）で約１０Ｗ／ｃｍ２〜約１００ｋＷ／ｃｍ２の動力の強さ（ｐ）のマイクロ波照射に約０.０５〜約６００秒の間供し、木材内の水分を蒸発させて木材内の内部圧を生じさせ、放射細胞組織の部分的または完全な破壊、木材樹脂の軟化または置換、木材の半径方向の経路の形成により、および／または破壊された放射組織に基づき木材中に空洞を形成することにより木材の透過性が増大するようにすることを含み、該空洞は主として木材の半径−長軸平面にあり、木材の全体的な一体性が実質的に保持されていることを特徴とする方法。
- 木材の処理の間の該マイクロ波照射の電界強度ベクトルＥが木材の木理に対して垂直に 方向付けられている、請求項１に記載の方法。
- 木材の処理の間の該マイクロ波照射の電界強度ベクトルＥが木材の半径方向に対して平行に方向付けられている、請求項１に記載の方法。
- 木材の処理の間の該マイクロ波照射の電界強度ベクトルＥが、木材の木理に対して垂直の方向付けと平行の方向付けとで交互になっている、請求項１に記載の方法。
- 単一の処理において木材を複数のマイクロ波周波数および／または動力の強さに供して異なるまたは均一の透過性の複数の領域を有する処理木材を提供する、請求項１に記載の方法。
- マイクロ波照射を、前以て決定した継続時間で設定時間間隔で隔てられた衝撃としてまたはランダムな衝撃として木材に適用して、処理領域と未処理領域とを有する処理木材を提供する、請求項１に記載の方法。
- 木材が照射前に木材の乾燥重量に基づいて約１５％〜約２００％の範囲の含水率を有する、請求項１に記載の方法。
- マイクロ波照射の継続時間が２５０秒未満である請求項１に記載の方法。
- マイクロ波照射の継続時間が約１〜約２０秒である請求項８に記載の方法。
- 木材の照射を約８０〜約１１０℃の木材温度で行う、請求項１に記載の方法。
- 木材の加熱を、対流法、接触法または導電法により、またはマイクロ波エネルギーにより行う、請求項１０に記載の方法。
- マイクロ波照射の間に木材の表面を少なくとも１ｍ／秒の速度の気体流または空気流に供する、請求項１に記載の方法。
- 請求項１ないし１２に記載の方法により処理した木材。
- 少なくとも１５％の含水率（乾燥重量に基づいて）を有する未処理木材のマイクロ波処理により生成された木材ベースの材料であって、未処理木材の処理の間に放射細胞の完全なまたは部分的な破壊によりおよび破壊された放射細胞の空洞への拡張により主として半径−長軸平面に形成された多数の空洞を有し、未処理の木材に比べて少なくとも５倍の半径方向および長軸方向の透過性を有し、未処理木材の全体的な一体性が実質的に保持されている、木材ベースの材料。
- 高密度の空洞を有する領域と低密度の空洞を有する領域または空洞を有しない領域とが交互に混在している、請求項１４に記載の木材ベースの材料。
- 該交互の領域が該木材ベースの材料の長軸方向、半径方向および／または接線方向で交互になっていている、請求項１５に記載の木材ベースの材料。
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