JP3919438B2

JP3919438B2 - Method for producing modified wood

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Publication number: JP3919438B2
Application number: JP2000316962A
Authority: JP
Inventors: 道夫加島
Original assignee: 道夫加島
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2002120204A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質木材の製造方法に関し、更に詳しくは、レーザー加工により木材に浸透孔を設け、次いで、上記木材に珪酸化合物を含ませて木材内でゲル化させることにより、難燃性等の性質を付与した改質木材を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質木材の製造方法として、例えば特公平４−４１２２号公報には、木材にアルキルシリケート化合物の溶液を含浸させた後に、このアルキルシリケート化合物を加熱硬化させて改質木材を得る方法が開示されている。また、特開平８−２５３１４号公報には、リン酸化合物系の難燃剤溶液とシリカ溶液とを木材に順次含浸させた後に、加熱加圧処理をして改質木材を得る方法が開示されている。特開昭６２−１４４９０２号公報には、▲１▼二酸化珪素、酸化アルミニウム等の不燃性無機物の超微粒子を飽水処理木材中に拡散させるか或いは▲２▼混合により不燃性無機物（リン酸塩、硼酸塩等）を生じさせる複数の液体を木材に順次含浸させた後、この不燃性無機物の脱落を防ぐためにシリカゾル、珪酸リチウム等の固定化剤を含浸させて硬化させる加工木材の製造方法が開示されている。特開平３−５１１０４号公報には、木材内部の空気を二酸化炭素で置換し、この木材に、二酸化炭素と反応して不燃性無機化合物を生じる無機化合物の水溶液を含浸させる加工木材の製造方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特公平４−４１２２号公報に記載の実施例では、アルキルシリケート化合物を硬化させる際に、この化合物の沸点に近い温度まで加熱している。この方法によると、木材中に含浸させた溶液が漏れ出すためアルキルシリケート化合物の無駄が多く、十分な難燃性を付与することは困難である。この公報には、アルキルシリケート化合物を加水分解により硬化させることも記載されており、この場合にはアルキルシリケートの加水分解液を木材に含浸させるものと推察される。しかし、この加水分解液は時間経過に伴いゲル化するため可使時間の制約をうけ、作業性、経済性に問題がある。
【０００４】
一方、特開平８−２５３１４号公報および特開昭６２−１４４９０２号公報に記載の▲２▼の方法では、二種以上の液体を木材に順次含浸させるため、二液目以降の含浸液は、前工程で木材中に含浸された液により汚染されるので長時間の繰り返し使用ができないという問題がある。また、これらの方法では液−液拡散を用いており、特開昭６２−１４４９０２号公報に記載の▲１▼の方法も液体中に分散させた超微粒子を飽水木材中に拡散移動させるものであるため、この拡散工程に時間がかかり、さらに木材の深部にまで液体や超微粒子を拡散させることは非常に困難である。そして、特開平３−５１１０４号公報に記載の方法によると、木材中にある二酸化炭素の量に限りがあるので、十分な難燃性を付与するだけの不燃性無機化合物を生じさせることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、簡単な工程により十分な難燃性を有する加工木材が得られる改質木材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、以前にアルカリ珪酸塩、コロイダルシリカ等の珪酸化合物を木材に含ませ、これらを酸無水物ガスによってゲル化させる方法によれば、上記問題が解決されることを見出して出願をしている（特願平１１−２７５０３７号）。そして、引き続き改質木材の製造方法について検討した結果、レーザー加工により木材に浸透孔を設けることにより、従来よりも高い精度で容易に浸透孔を設けることができると共に、珪酸化合物の浸透性を向上させて、より効率的に難燃性等の性質を付与した改質木材を製造できることを見い出して、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明の改質木材の製造方法は、レーザー加工により木材に浸透孔を設ける工程と、上記木材に珪酸化合物を含ませる工程と、上記珪酸化合物を含む木材に酸無水物ガスを用いて、上記珪酸化合物を上記木材内でゲル化させる工程と、上記工程で生成した珪酸化合物ゲルを含む上記木材に、シランカップリング剤および反応性樹脂化合物の少なくとも一方を含む下地処理剤を浸透させ、該下地処理剤により上記珪酸化合物ゲルと上記木材とを化学的に結合させる工程と、を備えることを特徴とする。これにより、珪酸化合物ゲルの木材からの脱落を防止し、加工木材中の水分移動を抑えて難燃性を維持するともに、この加工木材に優れた寸法安定性を付与することができる。上記珪酸化合物としては、アルカリ珪酸塩およびコロイダルシリカから選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。
【０００８】
木質系材料に珪酸化合物を含ませる上記工程は、木質系材料中の水分および空気を実質的に除去した後、上記珪酸化合物を溶解または分散させた珪酸化合物溶液を上記木質系材料に含浸または圧入することにより行うことが好ましい。ここで、上記珪酸化合物溶液は、水性コロイダルシリカおよびオルガノコロイダルシリカの少なくとも一方と、塩基性化合物と、を含むシリカゾル溶液であることが好ましい。
【０００９】
そして、上記珪酸化合物の含浸量は、木材の乾燥重量に対してＳｉＯ _２換算で４０〜２００重量％とすることが好ましい。
【００１０】
以下、本発明をより詳細に説明する。
（１）木材について
本発明の改質木材の製造方法は、針葉樹、広葉樹など全ての天然木材、およびそれらの加工木材に適用することができる。これらの木材は十分に乾燥し、収縮、反りなどの狂いを取り除き、十分に強度を挙げた状態にして使用することが好ましい。また、本発明の方法により改質する木材は、柱材、板材等の他、合板、繊維板、パーティクルボード、フローリング、集成材、積層材等の加工木材等、いずれの形態であってもよい。
【００１１】
木材の水分率は、一般に屋外保存では平衡水分率で約１５重量％、室内保存では８〜１５重量％、平均では１２重量％程度である。本発明の製造方法を実施するにあたっては、木材に珪酸化合物を含ませる前に、この木材を水分率０〜７重量％の範囲にまで乾燥して組織内の導管や細胞壁などの強度を向上させ、珪酸化合物溶液の含浸圧等に耐え得る木材組織をつくる処理を行うことが好ましい。また、生材では水分率が５０〜１００重量％程度と多いため、高周波加熱加工、過熱蒸気加熱加工、熱板加熱加工等により木材を急速乾燥させ、脂を除去し、細胞壁孔を貫通させて、珪酸化合物溶液等の木材への浸透性を向上させる処理を行うことが好ましい。あるいは、上記両方の処理を組み合わせた前処理を行った木材を使用してもよい。
【００１２】
（２）珪酸化合物について
本発明の製造方法において使用する「珪酸化合物」は、後述する酸無水物ガスによりゲル化させることのできる化合物であって、アルカリ珪酸塩およびコロイダルシリカが好適に用いられる。
【００１３】
（ｉ）アルカリ珪酸塩
珪酸化合物としての「アルカリ珪酸塩」は、一般式Ｍｅ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂〔ｎは０．５〜１０であり、ＭｅはＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｒ₃ＮまたはＲ₄Ｎ（Ｒは水素原子またはコリン、モノメチルトリエタノールアンモニウム等の有機基）である。〕で示される珪酸化合物であって、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸リチウム、第３級アミン珪酸塩、第４級アンモニウム珪酸塩等が例示される。このうち、得られた改質木材の変色が少ないことから、珪酸リチウム、第３級アミン珪酸塩、第４級アンモニウム珪酸塩から選択される一種または二種以上の化合物を用いることが好ましい。
【００１４】
上記アルカリ珪酸塩を木材に含ませる際には、この化合物をＳｉＯ₂濃度１０〜５０重量％（より好ましくは１５〜３０重量％）の珪酸塩溶液として用いることが好ましい。ＳｉＯ₂濃度が５０重量％を超えると、珪酸塩溶液の粘度が高くなりすぎてこの溶液を木材内部に浸透させることが困難となる。一方、ＳｉＯ₂濃度が１０重量％未満では、十分な量の珪酸化合物を木材に含ませることができず、木材改質の効果が不足する場合がある。
【００１５】
（ｉｉ）コロイダルシリカ
珪酸化合物としての「コロイダルシリカ」は、一般式Ｍｅ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂〔ｎは５０〜３００であり、ＭｅはＮａ、Ｒ₃ＮまたはＲ₄Ｎ（Ｒは水素原子またはコリン、モノメチルトリエタノールアンモニウム等の有機基）である。〕で示される粒径５〜５０ｎｍのシリカ（上記アルカリ珪酸塩とは異なり、ＳｉＯ₂のモル比が５０〜３００と大きい。）が分散したコロイド溶液である。ＳｉＯ₂濃度２０〜５０重量％（より好ましくは３０〜４０重量％）のものを用いることができ、水分散系のものと有機溶媒分散系のものとがある。このコロイダルシリカを木材に含ませる際には、低粘度（好ましくは１〜５０ｃｐｓ／２５℃、より好ましくは１〜３０ｃｐｓ／２５℃）で小粒径のものが木材への浸透性に優れるので好ましく、改質効果の点からはＳｉＯ₂濃度の高いものが好ましい。
【００１６】
水分散系のコロイダルシリカ（水性コロイダルシリカともいう。）を使用する場合には、ＳｉＯ₂濃度２０〜５０重量％（より好ましくは２０〜４０重量％）、シリカの粒径２０ｎｍ以下（より好ましくは１５ｎｍ以下）の低粘度品を用いることが好ましい。なお、上記一般式におけるＭｅがＲ₄Ｎである水性コロイダルシリカ（アンモニウムシリケート）は、他の化合物に比べて、溶液中のＳｉＯ₂濃度が比較的高い（例えば４０重量％程度）場合にも低粘度であり、かつ結合力が強いなどの特長を有することから、本発明において好適に用いられ、良好な結果を示す。
【００１７】
一方、有機溶媒分散系のコロイダルシリカ（オルガノコロイダルシリカともいう。）を使用する場合には、ＳｉＯ₂濃度２０〜４０重量％（より好ましくは２０〜３０重量％）、シリカの粒径２０ｎｍ以下（より好ましくは１５ｎｍ以下）の低粘度品を用いることが好ましい。溶媒がメタノール、イソプロパノールまたはキシレン−ブタノール混合系である場合には、低粘度でＳｉＯ₂濃度の高いものとすることができ、いずれも本発明において良好な結果を示す。
【００１８】
尚、本発明において好ましく用いられるコロイダルシリカの粒径は、木材の細胞壁孔の直径（例えば７〜１０μｍ程度）に対して１／１０〜１／１０００程度であるため、容易に木材の細胞壁の内部等にまで含浸させることができる。
【００１９】
（ｉｉｉ）珪酸化合物溶液について
上記珪酸化合物は、これを溶媒に溶解または分散させた「珪酸化合物溶液」とし、含浸または圧入等の方法によって木材中に、木材の組織内（導管や細胞壁等の内部）にまで含ませることが好ましい。この珪酸化合物溶液は、アルカリ珪酸塩および／またはコロイダルシリカを含むものとすることができる。コロイダルシリカとしては、水性コロイダルシリカおよびオルガノコロイダルシリカのいずれか一方を用いてもよく、両方を用いてもよい。特に、アルカリ珪酸塩として変色しやすいものを使用する場合には、コロイダルシリカを併用することにより、アルカリ金属による変色を著しく抑制することができる。アルカリ珪酸塩とコロイダルシリカとを併用する場合、珪酸化合物の合計量に占めるアルカリ珪酸塩の割合（固形分比）は５０重量％以下とすることが好ましく、３０重量％以下とすることがより好ましく、１０重量％以下とすることが更に好ましい。
【００２０】
珪酸化合物溶液がアルカリ性である場合には、後続する工程でこの溶液への酸無水物ガスの溶解性が高くなり、これによりゲル化が容易となるので好ましい。珪酸化合物溶液をアルカリ性とするために、この溶液に塩基性化合物を添加することができ、特に珪酸化合物溶液がアルカリ珪酸塩を含まない（すなわち、コロイダルシリカ単体からなる）場合には、塩基性化合物を含有するシリカゾルとすることが好ましい。
【００２１】
（３）浸透孔を設ける工程について
本発明の改質木材の製造方法は、レーザー加工により、予め木材に「浸透孔」を設けている。上記「浸透孔」を設ける箇所、浸透孔の形状、個数については特に限定はなく、木材の性質、使用用途等により種々のものとすることができる。例えば、木材の裏面や木端等の目立たない箇所に必要数だけ浸透孔を設ければ、木材の変形や強度の低下もなく、外観についてもほとんど変化させることなく、容易に薬液を木材に浸透させることが可能となる。このように「浸透孔」を設ける場合、木の硬度、木目（年輪）の密度、板目、正目等の状況を見て、縦孔にするか、横孔にするかを決めたり、疎にしたり密にしたりする配慮が必要である。
【００２２】
上記「浸透孔」の形状についても特に限定はなく、略円状（図１参照）や四角状等のスポット穿孔としたり、あるいは、直線状（図２参照）、折線状、曲線状等の割れ目カットとしたりすることができる。そして、スポット穿孔の場合、図３に示すように、板目面に対して上から下へ木目を直角に貫通するように穿孔するのが効果的であり、直線状の割れ目カットの場合、図３に示すように、板目面に対して垂直方向にカットを入れるのが最も効果的である。また、木材の使用用途等の条件により、上記「浸透孔」は木材を貫通するように設けても、あるいは、途中で止めるように設けることもできる。上記「浸透孔」の大きさは、略円状の場合、直径は０．５〜１ｍｍ程度とすることが好ましい。浸透孔一つにつき、その周囲２５〜７５ｍｍの範囲に溶液を浸透させることができる。また、上記「浸透孔」の形状を割れ目カットとした場合、図２に示すように、横方向全体に渡って長い１本の割れ目カットとする他、木材の強度保持のため、図４に示すように、中央部分に未カット部を残して割れ目カットを設けることもできる。
【００２３】
本発明におけるレーザー加工で使用するレーザーの種類、波長、出力等の条件については特に限定はなく、木材の性質、設ける浸透孔の形状、深さ等の条件により種々のものとすることができる。通常は、炭酸ガスレーザーにより行われる。
【００２４】
かかる工程を経ることにより、珪酸化合物溶液の浸透性が大幅に改善されて、、厚み、長さ又は面積のある大きな木材や、木目の詰まった堅い木材等のように、加圧や加熱を行っても、珪酸化合物溶液を木材内部深くまで浸透させることは困難な木材であっても、木材表面のみならず、上記浸透孔からも珪酸化合物溶液が圧入されるので、木材内部に珪酸化合物溶液を容易に（例えば低圧力、短時間で）深く浸透させることが可能となる。また、レーザー加工を用いることにより、従来の木工加工機により穿孔する場合と比較して、より簡単に高い精度で穿孔することができ、直線状の割れ目カットを入れることにより、１／２０〜１／５０程度の処理時間で十分な含浸率が得られる。
【００２５】
（４）珪酸化合物を含ませる工程について
（ｉ）操作方法および操作条件
木材に珪酸化合物を含ませる際の好ましい操作方法としては、まず木材中の水分および空気を実質的に除去して木材内の導管や組織細胞内等に空隙を形成させ、次いでこの木材に珪酸化合物溶液を含浸または圧入して、上記空隙（導管、組織細胞内等）に珪酸化合物溶液を充満させる方法が挙げられる。上記「水分および空気を実質的に除去」する程度としては、水分は木材の重量に対して０〜７重量％となるまで、空気は気圧１３ｋＰａ以下（より好ましくは６．７ｋＰａ以下）の真空度となるまで除去することが好ましい。
【００２６】
木材に珪酸化合物溶液を含浸または圧入する際の圧力条件は、含浸される木材の真空度および水分率、さらに木材の種類、木目の状態、木材の大きさや形状等により異なるが、常圧で行ってもよく、必要に応じて９．８ＭＰａ程度以下の圧力を加えてもよい。ただし、軟質系の木材では０．９８〜２．９ＭＰａ程度以上、硬質系の木材では４．９ＭＰａ程度以上となると、木材の種類や形状により反り、変形、割れなどが生じる場合がある。このため、常圧〜４．９ＭＰａ（軟質系木材では常圧〜２．９ＭＰａ、より好ましくは常圧〜１．５ＭＰａ）の圧力とすることが好ましい。また、珪酸化合物溶液を圧入する場合、低圧力で十分な浸透速度を得る方法の一つとして、珪酸化合物溶液の液温を上げる方法がある。このとき、液温を１８０℃以上とすると木材の損傷、溶液の変質等が起こる場合があるので、木材の種類や形状に応じて４０〜１５０℃程度の液温とすることが好ましい。液温をこの程度に上げることにより、常温の場合と比較して木材への浸透速度は２〜５倍となり、浸透工程に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００２７】
（ｉｉ）木材に含ませるＳｉＯ₂の量
十分な難燃効果を得るためには、原材料である木材の乾燥重量に対して２００重量％以上の珪酸化合物溶液を木材に含ませることが好ましく、２５０重量％以上とすることがより好ましく、３００重量％以上とすることがさらに好ましい。また、ＳｉＯ₂換算としては、木材の乾燥重量に対して４０〜２００重量％を含ませることが好ましく、５０〜１８０重量％がより好ましく、１００〜１５０重量％がさらに好ましい。なお、木材の種類および処理条件等を調節することによって、木材の乾燥重量に対して２００重量％を超えるＳｉＯ₂を含有させることも可能であり、この場合にも優れた性質を有する加工木材が得られる。
【００２８】
（５）酸無水物ガスについて
本発明において使用する「酸無水物ガス」は、使用温度（通常は常温）において気体であり、珪酸化合物溶液等に溶解して酸性を呈する化合物であって、木材に含ませた珪酸化合物のゲル化剤として機能する。このような酸無水物ガスとしては、ＣＯ₂等の炭素酸化物、ＳＯ₂等の硫黄酸化物、ＮＯ₂等の窒素酸化物、ＨＣｌ等のハロゲン化水素、ＯＦ₂等の弗化酸素が挙げられ、これらを一種単独で、または二種以上を任意の割合で混合して用いることができる。このうち、経済性、作業性、毒性等の点から、酸無水物ガスとしては、燃焼ガスまたは純粋な二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用することが最も好ましい。これらの酸無水物ガスが木材中の珪酸化合物溶液に溶解すると、酸無水物ガスの溶解量に比例して溶液のｐＨが低下する。そして、珪酸化合物溶液のｐＨが８．５〜６．５付近まで低下すると、珪酸化合物のゲル化が進行する。
【００２９】
珪酸化合物溶液がアルカリ珪酸塩を含むか、あるいはアルカリ珪酸塩およびコロイダルシリカを含む場合には、珪酸化合物溶液がアルカリ性となるので酸無水物ガスを容易に十分に溶解させることができる。一方、珪酸化合物溶液がコロイダルシリカ単体からなる場合には、珪酸化合物溶液に塩基性化合物を含有させることにより、酸無水物ガスの溶解速度を高めることが好ましい。これにより、珪酸化合物のゲル化不良を防止することができる。この塩基性化合物としては、アンモニア、トリメチルアミン等の各種アミン類、水酸化リチウム等の水酸化アルカリ金属類等を使用することができる。ｐＨが高すぎるとゲル化開始までに多量の酸無水物ガスを溶解させることとなるので、酸無水物ガス溶解前における珪酸化合物溶液のｐＨは８．０〜１１．０（より好ましくは８．５〜１０．０）であることが好ましい。
【００３０】
このゲル化工程は常圧で行ってもよいが、酸無水物ガスの珪酸化合物溶液への溶解を促進させるために加圧下で行ってもよい。この加圧の程度は、通常常圧から９．８ＭＰａ程度以下であり、好ましくは０．４９〜６．９ＭＰａ、より好ましくは０．９８〜４．９ＭＰａである。特に、上記酸無水物ガスとして炭酸ガスを用いる場合の加圧の程度は、通常常圧から２．９ＭＰａ程度以下であり、好ましくは０．４９〜２．９ＭＰａ、より好ましくは０．９８〜２．０ＭＰａである。圧力が高すぎると、木材の種類や形状によって反り、変形、割れなどが生じる場合がある。酸無水物ガスが燃焼ガス又は純粋な二酸化炭素である場合には、例えば０．９８〜２．０ＭＰａの圧力に１〜１０時間（より好ましくは２〜６時間）維持することにより珪酸化合物をゲル化させることができる。また、酸無水物ガスが塩化水素ガスである場合には、例えば０．２〜０．４９ＭＰａの圧力に０．５〜３時間（より好ましくは１〜２時間）維持すればよい。また、処理温度は通常は常温であるが、加熱または冷却してもよい。
【００３１】
（６）下地処理について
ゲル化工程終了後の木材は、適当に（例えば水分率１〜４０重量％程度に）乾燥させることにより不燃性の加工木材として使用可能である。また、木材は多くの水酸基を有し、シリカゲルも多くのシラノール基を持っている。そこで、木材内部で生成したシリカゲルのシラノール基や木材（セルロース等）の水酸基と、反応性樹脂化合物（エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レゾルシノール樹脂及びその前駆体等）および／またはシランカップリング剤とを反応固化させる下地処理を行い、シリカゲルと木材とを化学的に結合させることができる。これにより、木材中における水分移動が抑制されて狂いが防止されるので、難燃性および寸法安定性に一層優れた加工木材となる。また、後述のように加工木材の表面を塗装する場合には、この下地処理を行うことにより塗料の接着性が向上する。
【００３２】
（ｉ）シランカップリング剤
シランカップリング剤としては、ビニルトリエトキシシラン、３−メタリロキシプロピルトリメトキシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン等の代表的なシランカップリング剤、又はシラン縮合物等を使用することができる。このシラン縮合物としては、エポキシシランとアミノシランとの縮合反応によるシラン縮合物、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーやエポキシ樹脂等の反応性基含有プレポリマーとシランとの縮合反応によるシラン縮合物等が挙げられる。
【００３３】
本発明において特に好ましく用いられるシランカップリング剤の市販品としては、アミノシラン系シランカップリング剤である商品名「ＫＢＰ−４３」、「ＫＢＰ−４１」、「ＫＢＰ−４０」、および、イソシアネート基を有するシランカップリング剤である商品名「Ｘ−１２−４１３」（以上、いずれも信越化学工業株式会社製）を挙げることができる。これらのシランカップリング剤は、短時間で硬化し、接着性が高く、また得られた加工木材の耐水性及び耐候性に優れ、適応性も良いという良好な結果を示す。
【００３４】
（ｉｉ）反応性樹脂化合物
本発明において使用できる反応性樹脂化合物としては、ポリウレタン系樹脂、ポリアクリルウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ユリア系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、レゾルシノール系樹脂等が挙げられる。このうち、ポリエーテル、ポリエステル、アクリルポリオール、ブタジエンポリオールアルキッド、エポキシ、ひまし油及び飽和ポリエステル等を、ポリイソシアネートと反応させて得られる「ポリイソシアネートオリゴマー」が特に有用である。
【００３５】
(ｉｉｉ)処理方法
上記シランカップリング剤および反応性樹脂化合物は、いずれか一方を使用してもよい。例えば、シランカップリング剤を溶媒等で希釈して木材に浸透させることにより、木材中のシリカゲル表面を改質して、木材組織、反応性樹脂化合物、塗料等の有機材料との接着性を著しく向上させることができる。また、シランカップリング剤および反応性樹脂化合物の両方を同時にあるいは順次に使用する下地処理を行うことにより良好な結果が得られる。例えば、まずシランカップリング剤を溶媒等で希釈した下地処理剤を木材に浸透させてシリカゲル表面を改質し、次いで反応性樹脂化合物を溶媒等で希釈した下地処理剤を浸透させて表面改質されたシリカゲルや木材組織と反応固化させる。あるいは、シランカップリング剤と反応性樹脂化合物とを予め混合した下地処理剤、更にはこれらを必要に応じて適宜反応させたオリゴマーからなる下地処理剤を使用してもよい。
【００３６】
なお、この下地処理を行うにあたっては、ゲル化後の木材を適度に乾燥させておくことが好ましい。この乾燥の程度としては、シリカゲル含有木材の水分率が１〜５０重量％（より好ましくは２〜４０重量％）となる範囲が好ましい。下地処理剤としてエポキシ樹脂ベースの水分散型及び水溶型樹脂を使用する場合には残存水分率が比較的高くてもよいが（例えば２０〜４０重量％）、ポリウレタン系樹脂、ポリアクリルウレタン系樹脂等のように水分に敏感でゲル化しやすい化合物を下地処理剤に用いる場合には、過剰水分によるイソシアネート基の加水分解を抑えるために、木材の水分率を５〜３０重量％の範囲に調整することが好ましい。このように水分を多く残す理由は、シリカゲル中の水分による吸熱作用（２２４４Ｊ／ｇ）を利用し、難燃効果を補助するためである。
【００３７】
（７）表面塗装について
本発明の改質木材の製造方法により製造された改質木材は、ウレタン系、アクリル系、フッ素系、シリコーン系、アミノアルキッド系、不飽和ポリエステル系、フェノール系等の従来公知の塗料から選択される一種または二種以上を用いて、従来公知の各種方法により表面塗装することができる。本発明の改質木材の製造方法において、下地処理工程および塗装工程は必須ではないが、これらの工程を実施した場合には、下地処理材および塗料によって木材の内部や表面を完全に覆うことにより、木材内の水分移動による狂いを防ぎ、長期にわたってこの木材に寸法安定性および難燃性を付与することができる。一方、例えば敷物とする木材チップの不燃化加工等においてはこれらの工程を行うことなく最終製品とすることができる。
【００３８】
（８）改質木材の用途について
本発明の改質木材の製造方法により製造された改質木材は、難燃性および寸法安定性に優れ、また防腐性、防虫性、高強度をも備えることから、例えば以下の用途に好ましく使用される。
【００３９】
（ｉ）建築用内装部材
建築材料のうち、天井材、間仕切材、壁材、床材等の内装部材として使用することができる。これらの部材は、薄物の板材が主体であるため珪酸化合物溶液を含浸させやすく、目的に合わせてＪＩＳＡ１３２１やＪＩＳＡ５８０１等に合格するよう含浸量を調整して加工することができる。珪酸化合物溶液の含浸量としては、乾燥木材に対して２３０〜３２０重量％（ＳｉＯ₂換算で４０〜１６０重量％）とすることが好ましい。
【００４０】
（ｉｉ）建築用構造部材
建築材料のうち、柱、梁、床、壁等の構造部材として使用することができる。これらの用途向けの木材としては、水分率を下げて木材組織の強度を上げる前処理、および脱脂により細胞壁孔を貫通させて珪酸化合物溶液の浸透性を改善する前処理を施した木材を使用することが好ましい。目的に合わせて、ＪＩＳＡ１３０１に合格するよう含浸量を調整して加工することができる。珪酸化合物溶液の含浸量としては、乾燥木材に対して２３０〜３２０重量％（ＳｉＯ₂換算で４０〜１６０重量％）とすることが好ましい。尚、大型の部材に関しては、経済性を考慮して、部材の表面から所定の深さまでの範囲に珪酸化合物溶液を含浸させてもよい。この場合にも十分な難燃性を付与することができる。
【００４１】
(ｉｉｉ）建築用開口部材
建築材料のうち、戸、窓、階段等の開口部材としても使用することができる。これらの部材は、柱状、板状等、様々な形状のものがある。防火戸、防火戸木枠、木製サッシ、階段等の部材については、ＪＩＳＡ１３０１やＪＩＳＡ１３１１の試験に合格するように珪酸化合物溶液を木材に十分含浸させることが必要となる。具体的には、乾燥木材に対して２５０〜３３０重量％（ＳｉＯ₂換算で５０〜１７０重量％）含浸させることが好ましい。また、アルミサッシ内部の中空部分に、珪酸化合物溶液を十分に含浸させて製造した加工木材を充填することにより、アルミサッシの強度および耐熱性を向上させる、という使用方法も有用である。
【００４２】
（ｉｖ）その他
本発明の改質木材の製造方法により得られた改質木材は、その寸法安定性、難燃性、防腐性、防虫性、高強度等の性質を利用して、上記建築材料に限らず、電柱、ベンチ、木冊、庭園橋、ガードレール等の木質材料として好適に使用することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の改質木材の製造方法につき、実施例を挙げて説明する。なお、以下における「部」および「％」は、特に記載のない場合は重量基準である。
【００４４】
〔実験例１〕
（１）木材及び珪酸化合物溶液
実験例１の木材として、杉板（板目）及び突板張りタイプ２合板を使用した。木材の水分率は杉板（板目）が５％、突板張りタイプ２合板で６％である。また、大きさは１５ｔ×２２０×２２０ｍｍである。珪酸化合物溶液として、ＪＩＳ３号珪酸ナトリウム９０部と水１０部との混合物を使用した。
【００４５】
（２）レーザー加工
実施例１〜２として、炭酸ガスレーザー加工機「ＭＬ３０２０Ｄ」（三菱電機株式会社製）を用いて、上記（１）の木材１の裏面に対してレーザー加工を行い、図４に示すように、両端２５ｍｍ及び中央部分３０ｍｍを補強のために未カット部分として残して、直線状の割れ目カットである浸透孔２を設けた。浸透孔２の大きさは、長さ８０ｍｍ、幅０．８ｍｍ、深さ１２ｍｍである。そして、実施例１では、中心部の１１０ｍｍの箇所に左右各２本の浸透孔を設け、実施例２では、上下５５ｍｍ間隔で左右各２本ずつ、計６本の浸透孔を設けた。
【００４６】
（３）含浸工程
上記（２）で浸透孔を設けた実施例１〜２の木材及びレーザー加工を行っていない比較例の木材を圧力タンク内に入れ、圧力タンク内を４．０ｋＰａまで減圧して木材中の水分および空気を吸引除去する。引き続き、５０℃に加温した水溶性シリケート液を注入し、Ｎ₂ガスを用いて圧力タンク内を０．４９ＭＰａの圧力を維持して５〜２０時間加圧して、珪酸化合物溶液を含浸させた。
【００４７】
（４）ゲル化工程及び含浸率測定
上記（３）の含浸工程終了後、炭素ガスを用いて圧力タンク内を常温で１．５ＭＰａに５時間維持し、木材内の珪酸化合物のゲル化を確認した後、各木材を圧カタンクから取り出し、実施例１〜２及び比較例の木材につき、珪酸化合物溶液の含浸率を測定した。その結果を表１及び表２に示す。
【００４８】
【表１】

【００４９】
【表２】

【００５０】
表１に示すように、杉板（板目）の場合、５時間後の段階で比較例の含浸率が１５５％であるのに対し、実施例１では１８５％、実施例２では２４０％と高い含浸率を示していることが判る。また、含浸率が２２０〜２４０％の範囲に到達する時間は、比較例で２０時間であるのに対し、実施例１では１０時間、実施例２では５時間であることから、浸透孔を設けた実施例１及び２は、浸透孔を設けていない比較例と比べて浸透速度が大きく、比較例の１／２〜１／４程度の処理時間で同等以上の含浸率とすることができることが判る。
【００５１】
また、表２に示すように、耐水合板の場合も、５時間後の段階で比較例の含浸率が１４０％であるのに対し、実施例１では１７０％、実施例２では２１０％と、上記杉板（板目）の場合と同様に高い含浸率を示している。また、含浸率が２１０％前後の範囲に到達する時間は、比較例で２０時間であるのに対し、実施例１では１０時間、実施例２では５時間であることから、上記杉板（板目）の場合と同様に、浸透孔を設けた実施例１及び２は、浸透孔を設けていない比較例と比べて浸透速度が大きく、比較例の１／２〜１／４程度の処理時間で同等以上の含浸率とすることができることが判る。
【００５２】
〔実験例２〕
（１）木材及び珪酸化合物溶液
実験例２の木材として、大きさが３５ｔ×２２０×２２０ｍｍで水分率４．５％杉板（板目）を使用した。また、珪酸化合物溶液として、ＪＩＳ３号珪酸ナトリウム６５部と水３５部との混合物を使用した。
【００５３】
（２）レーザー加工
実施例３として、炭酸ガスレーザー加工機「ＭＬ３０２０Ｄ」（三菱電機株式会社製）を用いて、図１に示すように、上記（１）の木材１の裏面に対してレーザー加工を行って、略円状の浸透孔２を網目模様状に設けた。浸透孔２の大きさはφ０．７×深さ３０ｍｍであり、浸透孔２間の間隔は１５ｍｍである。
【００５４】
（３）含浸工程
上記（２）で浸透孔を設けた実施例３の木材及びレーザー加工を行っていない比較例２の木材を圧力タンク内に入れ、圧力タンク内を２．７ｋＰａまで減圧して木材中の水分および空気を吸引除去する。引き続き、常温（３０℃）で水溶性シリケート液を注入し、Ｎ₂ガスを用いて圧力タンク内を２．９ＭＰａの圧力を維持して０．５〜２０時間加圧して、珪酸化合物溶液を含浸させた。
【００５５】
（４）ゲル化工程及び含浸率測定
上記（３）の含浸工程終了後、炭素ガスを用いて圧力タンク内を常温で１．５ＭＰａに６時間維持し、木材内の珪酸化合物のゲル化を確認した後、各木材を圧カタンクから取り出し、実施例３及び比較例２の木材につき、珪酸化合物溶液の含浸率を測定した。その結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】

【００５７】
表３に示すように、浸透孔を設けていない比較例２の含浸率はかなり低く、２．９ＭＰａで２０時間加圧しても１４８％（ＳｉＯ₂濃度９．４％）しか含浸していないのに対し、浸透孔を設けた実施例３では、２．９ＭＰａで２０時間加圧した結果、含浸率が４３１％（ＳｉＯ₂濃度６４．５％）と、比較例２の約３倍もの含浸率を示し、約７倍ものＳｉＯ₂を含有している。しかも、比較例２では含浸時間が２０時間で１４８％であるのに対し、実施例３では含浸時間が０．５時間の段階で含浸率が１５０％と、比較例２とほぼ同程度の含浸率を示している。かかる結果より、浸透孔を設けた実施例３では、浸透孔を設けていない比較例２の１／４０の時間で同程度の含浸率を示し、大幅に工程の時間短縮が実現し、著しく含浸率の高い改質木材が得られることが判る。
【００５８】
尚、本発明においては、上記具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の改質木材の製造方法では、レーザー加工により木材に浸透孔を設け、次いで、アルカリ珪酸塩、コロイダルシリカ等の珪酸化合物を木材に含ませ、これらを酸無水物ガスによってゲル化させることにより、従来よりも高い精度で容易に浸透孔を設けることができると共に、珪酸化合物の浸透性を向上させて、より効率的に難燃性等の性質を付与した改質木材を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実験例２において、浸透孔（スポット穿孔）を設けた状態を示す斜視図（Ａ）及びａ−ａ’断面図（Ｂ）である。
【図２】本発明において、浸透孔として割れ目カットを設けた例を示す斜視図（Ａ）及びａ−ａ’断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明において、浸透孔を設ける方向を説明する斜視図である。
【図４】本実験例１において、浸透孔を設けた状態を示す斜視図（Ａ）及びａ−ａ’断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
１：木材、２：浸透孔、３：木目[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing modified wood, and more specifically, by providing a penetration hole in the wood by laser processing, and then adding the silicic acid compound to the wood to cause gelation in the wood, thereby providing flame retardancy and the like. The present invention relates to a method for producing modified wood imparted with the above properties.
[0002]
[Prior art]
As a conventional method for producing modified wood, for example, Japanese Examined Patent Publication No. 4-4122 discloses a method in which wood is impregnated with a solution of an alkyl silicate compound and then the alkyl silicate compound is heated and cured to obtain a modified wood. It is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-25314 discloses a method for obtaining modified wood by heating and pressurizing treatment after sequentially impregnating wood with a phosphoric acid compound flame retardant solution and a silica solution. Yes. In Japanese Patent Laid-Open No. 62-144902, (1) ultrafine particles of noncombustible inorganic materials such as silicon dioxide and aluminum oxide are diffused in saturated water treated wood or (2) mixed with noncombustible inorganic materials (phosphates). In order to prevent the incombustible inorganic material from falling off, a method for producing processed wood is obtained by impregnating with a fixing agent such as silica sol or lithium silicate and then curing. It is disclosed. JP-A-3-51104 discloses a process for producing processed wood in which the air inside the wood is replaced with carbon dioxide, and this wood is impregnated with an aqueous solution of an inorganic compound that reacts with carbon dioxide to produce a nonflammable inorganic compound. It is disclosed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the examples described in Japanese Examined Patent Publication No. 4-4122, when the alkylsilicate compound is cured, it is heated to a temperature close to the boiling point of this compound. According to this method, since the solution impregnated in the wood leaks out, the alkyl silicate compound is wasted and it is difficult to impart sufficient flame retardancy. This publication also describes that the alkylsilicate compound is cured by hydrolysis. In this case, it is assumed that the hydrolysis solution of the alkylsilicate is impregnated into the wood. However, since this hydrolyzed solution gels with time, there is a problem in workability and economy due to restrictions on usable time.
[0004]
On the other hand, in the method {circle around (2)} described in JP-A-8-25314 and JP-A-62-144902, two or more liquids are sequentially impregnated into the wood. There is a problem that it cannot be used repeatedly for a long time because it is contaminated by the liquid impregnated in the wood in the previous step. In these methods, liquid-liquid diffusion is used, and the method (1) described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-144902 also diffuses and moves ultrafine particles dispersed in a liquid into saturated wood. Therefore, this diffusion process takes time, and it is very difficult to diffuse the liquid and ultrafine particles deep into the wood. And according to the method described in JP-A-3-51104, since the amount of carbon dioxide in the wood is limited, it is not possible to produce an incombustible inorganic compound that imparts sufficient flame retardancy. There is a problem.
[0005]
This invention is made | formed in view of the said present condition, and aims at providing the manufacturing method of the modified wood from which the processed wood which has sufficient flame retardance is obtained with a simple process.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventor has previously filed an application by finding that the above problem can be solved by a method in which silicic acid compounds such as alkali silicate and colloidal silica are contained in wood and gelled with acid anhydride gas. (Japanese Patent Application No. 11-275037). And, as a result of continuously examining the manufacturing method of modified wood, by providing penetration holes in wood by laser processing, penetration holes can be easily provided with higher accuracy than before, and the permeability of silicate compounds is improved. Thus, the inventors have found that modified wood imparted with properties such as flame retardancy can be produced more efficiently, and have completed the present invention.
[0007]
The method for producing a modified wood according to the present invention includes a step of providing a permeation hole in wood by laser processing, a step of containing a silicate compound in the wood, and an acid anhydride gas in the wood containing the silicate compound, A step of gelling the silicate compound in the wood, and the wood containing the silicate compound gel produced in the step is infiltrated with a base treatment agent containing at least one of a silane coupling agent and a reactive resin compound; And a step of chemically bonding the silicic acid compound gel and the wood with a treating agent . Thereby, it is possible to prevent the silicate compound gel from falling off from the wood, to suppress moisture movement in the processed wood and maintain flame retardancy, and to impart excellent dimensional stability to the processed wood . As the silicic acid compound, it is preferable to use at least one selected from alkali silicate and colloidal silica.
[0008]
In the step of adding the silicic acid compound to the wooden material, after substantially removing moisture and air in the wooden material, the wooden material is impregnated or pressed into the siliceous compound solution in which the silicic acid compound is dissolved or dispersed. It is preferable to carry out by doing. Here, the silicic acid compound solution is preferably a silica sol solution containing at least one of aqueous colloidal silica and organocolloidal silica and a basic compound.
[0009]
And it is preferable that the amount of impregnation of the silicate compound is 40 to 200% by weight in terms of SiO _{2 with} respect to the dry weight of wood .
[0010]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
(1) About Wood The method for producing modified wood of the present invention can be applied to all natural wood such as conifers and hardwoods, and processed woods thereof. It is preferable to use these woods in a state where the woods are sufficiently dried to remove irregularities such as shrinkage and warpage, and have sufficient strength. Further, the wood to be modified by the method of the present invention may be in any form such as processed wood such as plywood, fiberboard, particle board, flooring, laminated material, laminated material, etc. in addition to pillar material, plate material, etc. .
[0011]
The moisture content of wood is generally about 15% by weight in equilibrium for outdoor storage, 8 to 15% by weight for indoor storage, and about 12% on average. In carrying out the production method of the present invention, before including a silicic acid compound in the wood, the wood is dried to a moisture content in the range of 0 to 7% by weight to improve the strength of the conduits and cell walls in the tissue. It is preferable to perform a treatment for producing a wood structure that can withstand the impregnation pressure of the silicate compound solution. In addition, since the moisture content of raw materials is as high as about 50 to 100% by weight, wood is rapidly dried by high-frequency heating processing, superheated steam heating processing, hot plate heating processing, etc., fat is removed, and cell wall pores are penetrated. It is preferable to perform a treatment for improving the permeability of the silicate compound solution or the like into the wood. Or you may use the wood which performed the pre-processing which combined the said both processes.
[0012]
(2) Silicate Compound The “silicate compound” used in the production method of the present invention is a compound that can be gelled with an acid anhydride gas described later, and alkali silicate and colloidal silica are preferably used.
[0013]
(I) The “alkali silicate” as the alkali silicate silicate compound has a general formula of Me ₂ O.nSiO ₂ [n is 0.5 to 10, and Me is Na, K, Li, R ₃ N or R ₄ N (R is a hydrogen atom or an organic group such as choline or monomethyltriethanolammonium). ], And is exemplified by sodium silicate, potassium silicate, lithium silicate, tertiary amine silicate, quaternary ammonium silicate and the like. Among them, it is preferable to use one or more compounds selected from lithium silicate, tertiary amine silicate, and quaternary ammonium silicate because the obtained modified wood has little discoloration.
[0014]
When the above-mentioned alkali silicate is contained in wood, this compound is preferably used as a silicate solution having a SiO ₂ concentration of 10 to 50% by weight (more preferably 15 to 30% by weight). If the SiO ₂ concentration exceeds 50% by weight, the viscosity of the silicate solution becomes so high that it is difficult to penetrate the wood into the wood. On the other hand, if the SiO ₂ concentration is less than 10% by weight, a sufficient amount of silicic acid compound cannot be contained in the wood, and the effect of wood modification may be insufficient.
[0015]
(Ii) “Colloidal silica” as the colloidal silica silicate compound has the general formula Me ₂ O.nSiO ₂ [n is 50 to 300, Me is Na, R ₃ N or R ₄ N (R is a hydrogen atom or choline] , Organic groups such as monomethyltriethanolammonium). ] Is a colloidal solution in which silica having a particle diameter of 5 to 50 nm (unlike the alkali silicate, the SiO ₂ molar ratio is as large as 50 to 300) is dispersed. A SiO ₂ concentration of 20 to 50% by weight (more preferably 30 to 40% by weight) can be used, and there are an aqueous dispersion type and an organic solvent dispersion type. When this colloidal silica is contained in wood, a low viscosity (preferably 1 to 50 cps / 25 ° C., more preferably 1 to 30 cps / 25 ° C.) and a small particle size are preferable because they have excellent permeability to wood. From the viewpoint of the modification effect, those having a high SiO ₂ concentration are preferred.
[0016]
When water-dispersed colloidal silica (also referred to as aqueous colloidal silica) is used, the SiO ₂ concentration is 20 to 50% by weight (more preferably 20 to 40% by weight), and the particle size of silica is 20 nm or less (more preferably). It is preferable to use a product having a low viscosity of 15 nm or less. In addition, aqueous colloidal silica (ammonium silicate) in which Me in the above general formula is R ₄ N is low even when the SiO ₂ concentration in the solution is relatively high (for example, about 40% by weight) as compared with other compounds. Since it has characteristics such as a viscosity and a strong binding force, it is suitably used in the present invention and shows good results.
[0017]
On the other hand, when using colloidal silica (also referred to as organocolloidal silica) in an organic solvent dispersion system, the SiO ₂ concentration is 20 to 40% by weight (more preferably 20 to 30% by weight), and the silica particle size is 20 nm or less ( It is preferable to use a low-viscosity product (more preferably 15 nm or less). When the solvent is methanol, isopropanol or xylene-butanol mixed system, it can have a low viscosity and a high SiO ₂ concentration, and all show good results in the present invention.
[0018]
The particle diameter of colloidal silica preferably used in the present invention is about 1/10 to 1/1000 with respect to the diameter of the cell wall pores of wood (for example, about 7 to 10 μm). Etc. can be impregnated.
[0019]
(Iii) Silicate Compound Solution The silicate compound is a “silicate compound solution” in which the silicate compound is dissolved or dispersed in a solvent. The silicate compound solution is impregnated or pressed into a wood structure (inside a pipe or a cell wall). ) Is preferably included. The silicic acid compound solution may contain an alkali silicate and / or colloidal silica. As the colloidal silica, one of aqueous colloidal silica and organocolloidal silica may be used, or both may be used. In particular, when using an alkali silicate that is easily discolored, discoloration due to an alkali metal can be remarkably suppressed by using colloidal silica in combination. When the alkali silicate and colloidal silica are used in combination, the proportion (solid content ratio) of the alkali silicate in the total amount of the silicate compound is preferably 50% by weight or less, more preferably 30% by weight or less. More preferably, it is 10 wt% or less.
[0020]
When the silicic acid compound solution is alkaline, the solubility of the acid anhydride gas in the solution is increased in the subsequent steps, and this is preferable because gelation is facilitated. In order to make the silicic acid compound solution alkaline, a basic compound can be added to this solution. In particular, when the silicic acid compound solution does not contain an alkali silicate (that is, composed of colloidal silica alone), the basic compound is added. A silica sol containing is preferable.
[0021]
(3) About the process of providing a penetration hole The manufacturing method of the modified wood of this invention has previously provided the "penetration hole" in the wood by laser processing. There are no particular limitations on the location where the “penetration holes” are provided, the shape and number of the permeation holes, and various types can be used depending on the nature of the wood, the intended use, and the like. For example, if the necessary number of permeation holes are provided in inconspicuous places such as the back of the wood or the edge of the wood, the chemical solution can easily penetrate into the wood without any deformation or deterioration of the wood and almost no change in the appearance. It becomes possible to make it. In the case of providing “penetration holes” in this way, it is possible to decide whether to make vertical holes or horizontal holes by observing the conditions such as the hardness of the wood, the density of the grain (annual rings), the grain size, and the straightness. It is necessary to consider making it dense or dense.
[0022]
There is no particular limitation on the shape of the above-mentioned “penetrating hole”, and it may be a spot perforation having a substantially circular shape (see FIG. 1) or a square shape, or a crack having a linear shape (see FIG. 2), a broken line shape, a curved shape, or the like. It can be cut. And, in the case of spot drilling, as shown in FIG. 3, it is effective to drill so as to penetrate the wood at a right angle from the top to the bottom with respect to the grain surface. As shown in FIG. 3, it is most effective to make a cut in a direction perpendicular to the grain surface. Further, depending on conditions such as usage of wood, the “penetrating hole” may be provided so as to penetrate the wood or may be provided so as to be stopped halfway. When the size of the “penetrating hole” is substantially circular, the diameter is preferably about 0.5 to 1 mm. For each permeation hole, the solution can permeate in the range of 25 to 75 mm around it. Further, when the shape of the “penetration hole” is a crack cut, as shown in FIG. 2, in addition to a single long cut across the entire lateral direction, it is shown in FIG. 4 in order to maintain the strength of the wood. Thus, it is also possible to provide a cut cut while leaving an uncut portion at the center portion.
[0023]
There are no particular limitations on the conditions such as the type, wavelength, and output of the laser used in the laser processing in the present invention, and various conditions may be used depending on conditions such as the nature of the wood, the shape and depth of the penetration holes. Usually, carbon dioxide laser is used.
[0024]
Through this process, the permeability of the silicic acid compound solution is greatly improved, and pressurization and heating are performed, such as large wood with a thickness, length or area, or hard wood filled with wood. However, even if it is difficult for the silicate compound solution to penetrate deeply into the wood, the silicate compound solution is injected not only from the surface of the wood but also from the penetration hole. It is possible to penetrate deeply easily (for example, at a low pressure in a short time). In addition, by using laser processing, it is possible to perform drilling more easily and with higher accuracy than in the case of drilling with a conventional woodworking machine. A sufficient impregnation rate can be obtained in a treatment time of about / 50.
[0025]
(4) About the process of including a silicate compound (i) Operation method and operation conditions As a preferable operation method when a silicate compound is included in a wood, first, moisture and air in the wood are substantially removed, An example is a method in which voids are formed in conduits, tissue cells, etc., and then the silicate compound solution is impregnated or pressed into the wood so that the voids (conduit, tissue cells, etc.) are filled with the silicate compound solution. The degree of “substantially removing moisture and air” is that the air is at a pressure of 13 kPa or less (more preferably 6.7 kPa or less) until the moisture becomes 0 to 7% by weight with respect to the weight of the wood. It is preferable to remove until it becomes.
[0026]
The pressure conditions when impregnating or press-fitting a silicate compound solution into wood vary depending on the degree of vacuum and moisture content of the wood to be impregnated, the type of wood, the condition of the grain, the size and shape of the wood, etc. Alternatively, a pressure of about 9.8 MPa or less may be applied as necessary. However, if it is about 0.98 to 2.9 MPa or more for soft wood and about 4.9 MPa or more for hard wood, warping, deformation, cracking, etc. may occur depending on the type and shape of the wood. For this reason, it is preferable to set it as the pressure of normal pressure -4.9MPa (normal pressure -2.9MPa, more preferably normal pressure -1.5MPa in soft wood). In addition, when a silicate compound solution is injected, one method for obtaining a sufficient permeation rate at a low pressure is to raise the temperature of the silicate compound solution. At this time, if the liquid temperature is 180 ° C. or higher, damage to the wood, alteration of the solution, and the like may occur. Therefore, the liquid temperature is preferably about 40 to 150 ° C. depending on the type and shape of the wood. By increasing the liquid temperature to this level, the penetration rate into the wood is 2 to 5 times that at room temperature, and the time required for the infiltration step can be greatly shortened.
[0027]
(Ii) Amount of SiO ₂ contained in wood In order to obtain a sufficient flame retardant effect, it is preferable to contain 200% by weight or more of a silicic acid compound solution with respect to the dry weight of wood as a raw material. More preferably, it is more than 300% by weight. As the terms of SiO _2, preferably to include 40 to 200% by weight based on the dry weight of the wood, more preferably from 50 to 180 wt%, more preferably 100 to 150 wt%. In addition, it is possible to contain SiO ₂ exceeding 200% by weight with respect to the dry weight of the wood by adjusting the kind of wood and the processing conditions. can get.
[0028]
(5) Acid anhydride gas The “acid anhydride gas” used in the present invention is a gas which is a gas at an operating temperature (usually normal temperature) and dissolves in a silicate compound solution or the like, and exhibits acidity. It functions as a gelling agent for silicic acid compounds contained in. Examples of the acid anhydride gas include carbon oxides such as CO ₂ , sulfur oxides such as SO ₂ , nitrogen oxides such as NO ₂ , hydrogen halides such as HCl, and fluoride oxygens such as OF _2. These can be used singly or as a mixture of two or more in any ratio. Of these, it is most preferable to use combustion gas or pure carbon dioxide (CO ₂ ) as the acid anhydride gas from the viewpoints of economy, workability, toxicity, and the like. When these acid anhydride gases dissolve in the silicate compound solution in the wood, the pH of the solution decreases in proportion to the amount of acid anhydride gas dissolved. And when pH of a silicic acid compound solution falls to 8.5-6.5 vicinity, gelatinization of a silicic acid compound will advance.
[0029]
When the silicate compound solution contains an alkali silicate or contains an alkali silicate and colloidal silica, the silicate compound solution becomes alkaline, so that the acid anhydride gas can be easily and sufficiently dissolved. On the other hand, when the silicic acid compound solution is composed of colloidal silica alone, it is preferable to increase the dissolution rate of the acid anhydride gas by adding a basic compound to the silicic acid compound solution. Thereby, the gelation defect of a silicic acid compound can be prevented. As the basic compound, various amines such as ammonia and trimethylamine, alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, and the like can be used. If the pH is too high, a large amount of acid anhydride gas is dissolved before the start of gelation. Therefore, the pH of the silicate compound solution before dissolution of the acid anhydride gas is 8.0 to 11.0 (more preferably 8. 5 to 10.0).
[0030]
This gelation step may be performed at normal pressure, but may be performed under pressure in order to promote dissolution of the acid anhydride gas in the silicate compound solution. The degree of pressurization is usually from normal pressure to about 9.8 MPa, preferably 0.49 to 6.9 MPa, more preferably 0.98 to 4.9 MPa. In particular, when carbon dioxide is used as the acid anhydride gas, the degree of pressurization is usually from normal pressure to about 2.9 MPa, preferably 0.49 to 2.9 MPa, more preferably 0.98 to 2 0.0 MPa. If the pressure is too high, warping, deformation, cracking, etc. may occur depending on the type and shape of the wood. When the acid anhydride gas is combustion gas or pure carbon dioxide, the silicate compound is gelated by maintaining the pressure at 0.98 to 2.0 MPa for 1 to 10 hours (more preferably 2 to 6 hours), for example. It can be made. Moreover, what is necessary is just to maintain for 0.5 to 3 hours (preferably 1-2 hours) at the pressure of 0.2-0.49 Mpa, for example, when acid anhydride gas is hydrogen chloride gas. The treatment temperature is usually room temperature but may be heated or cooled.
[0031]
(6) Substrate treatment The wood after the gelation step can be used as non-combustible processed wood by drying it appropriately (for example, to a moisture content of about 1 to 40% by weight). Wood also has many hydroxyl groups, and silica gel also has many silanol groups. Therefore, silanol groups of silica gel produced inside wood and hydroxyl groups of wood (cellulose, etc.) and reactive resin compounds (epoxy resins, polyurethane resins, urea resins, melamine resins, phenol resins, resorcinol resins and their precursors) and It is possible to perform a surface treatment for reacting and solidifying the silane coupling agent and / or chemically bond the silica gel and the wood. As a result, moisture movement in the wood is suppressed and deviation is prevented, so that the processed wood is further excellent in flame retardancy and dimensional stability. Moreover, when the surface of the processed wood is painted as will be described later, the adhesion of the paint is improved by performing the base treatment.
[0032]
(I) Silane coupling agent As the silane coupling agent, vinyltriethoxysilane, 3-metalloxypropyltrimethoxylane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) 3-aminopropyl A typical silane coupling agent such as trimethoxysilane or 3-chloropropyltrimethoxysilane, or a silane condensate can be used. Examples of the silane condensate include a silane condensate resulting from a condensation reaction between an epoxy silane and an aminosilane, a silane condensate resulting from a condensation reaction between a reactive group-containing prepolymer such as an isocyanate group-containing urethane prepolymer or an epoxy resin, and the silane. It is done.
[0033]
Examples of commercially available silane coupling agents that are particularly preferably used in the present invention include amino-silane-based silane coupling agents having trade names “KBP-43”, “KBP-41”, “KBP-40”, and isocyanate groups. A trade name “X-12-413” (all of which are manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), which is a silane coupling agent to be included. These silane coupling agents show good results that they are cured in a short time, have high adhesion, are excellent in water resistance and weather resistance of the obtained processed wood, and have good adaptability.
[0034]
(Ii) Reactive resin compound Reactive resin compounds that can be used in the present invention include polyurethane resins, polyacryl urethane resins, epoxy resins, silicone resins, urea resins, melamine resins, phenol resins, and resorcinol. Based resins and the like. Of these, “polyisocyanate oligomers” obtained by reacting polyether, polyester, acrylic polyol, butadiene polyol alkyd, epoxy, castor oil, saturated polyester, and the like with polyisocyanate are particularly useful.
[0035]
(iii) Treatment method One of the silane coupling agent and the reactive resin compound may be used. For example, by diluting a silane coupling agent with a solvent or the like and infiltrating the wood, the silica gel surface in the wood is modified, and the adhesion to organic materials such as wood structure, reactive resin compounds, paints, etc. is remarkably increased. Can be improved. In addition, good results can be obtained by performing a base treatment using both the silane coupling agent and the reactive resin compound simultaneously or sequentially. For example, first, a surface treatment agent diluted with a solvent such as a silane coupling agent is infiltrated into the wood to modify the surface of the silica gel, and then a surface treatment agent obtained by diluting the reactive resin compound with a solvent or the like is infiltrated into the surface. It reacts and solidifies with the silica gel and wood structure. Alternatively, a ground treatment agent in which a silane coupling agent and a reactive resin compound are mixed in advance, and a ground treatment agent composed of an oligomer obtained by appropriately reacting these may be used as necessary.
[0036]
In addition, in performing this ground treatment, it is preferable to dry the gelatinized wood appropriately. As the degree of drying, a range in which the moisture content of the silica gel-containing wood is 1 to 50% by weight (more preferably 2 to 40% by weight) is preferable. When an epoxy resin-based water-dispersed or water-soluble resin is used as a base treatment agent, the residual moisture content may be relatively high (for example, 20 to 40% by weight), but a polyurethane resin or a polyacrylurethane resin. When a compound sensitive to moisture and easily gelled, such as the like, is used as a base treatment agent, the moisture content of wood is adjusted to a range of 5 to 30% by weight in order to suppress hydrolysis of isocyanate groups due to excess moisture. It is preferable. The reason why a large amount of moisture is left in this way is to use the endothermic action (2244 J / g) due to moisture in the silica gel to assist the flame retardant effect.
[0037]
(7) Surface coating The modified wood produced by the modified wood production method of the present invention is a conventional urethane, acrylic, fluorine, silicone, aminoalkyd, unsaturated polyester, phenol, etc. Surface coating can be carried out by various conventionally known methods using one or more selected from known paints. In the modified wood manufacturing method of the present invention, the ground treatment step and the coating step are not essential, but when these steps are carried out, the interior and surface of the wood are completely covered with the ground treatment material and the paint. In addition, it is possible to prevent deviation due to moisture movement in the wood, and to impart dimensional stability and flame retardancy to the wood over a long period of time. On the other hand, for example, in the incombustibility processing of wood chips used as a rug, a final product can be obtained without performing these steps.
[0038]
(8) Use of modified wood Modified wood produced by the method for producing modified wood of the present invention is excellent in flame retardancy and dimensional stability, and also has antiseptic properties, insect repellent properties, and high strength. For example, it is preferably used for the following applications.
[0039]
(I) Interior member for building Among building materials, it can be used as an interior member such as a ceiling member, a partition member, a wall member, and a floor member. Since these members are mainly thin plate materials, they can be easily impregnated with a silicate compound solution, and can be processed by adjusting the amount of impregnation so as to pass JIS A 1321 or JIS A 5801 according to the purpose. The impregnation amount of the silicate compound solution is preferably 230 to 320% by weight (40 to 160% by weight in terms of SiO ₂ ) with respect to the dry wood.
[0040]
(Ii) Structural member for building Among building materials, it can be used as a structural member such as a column, a beam, a floor, or a wall. As wood for these applications, use wood that has been pretreated to lower the moisture content and increase the strength of the wood structure, and to treat the cell wall pores by degreasing to improve the permeability of the silicate solution. It is preferable. According to the purpose, the amount of impregnation can be adjusted and processed so as to pass JIS A 1301. The impregnation amount of the silicate compound solution is preferably 230 to 320% by weight (40 to 160% by weight in terms of SiO ₂ ) with respect to the dry wood. In addition, about a large sized member, you may impregnate a silicic acid compound solution in the range from the surface of a member to a predetermined depth in consideration of economical efficiency. Even in this case, sufficient flame retardancy can be imparted.
[0041]
(iii) Opening member for building Among building materials, it can also be used as an opening member for doors, windows, stairs and the like. These members have various shapes such as a columnar shape and a plate shape. For members such as fire doors, fire door wooden frames, wooden sashes, and stairs, it is necessary to sufficiently impregnate the wood with a silicate compound solution so as to pass the tests of JIS A 1301 and JIS A 1311. Specifically, it is preferable to impregnate dry wood with 250 to 330% by weight (50 to 170% by weight in terms of SiO ₂ ). In addition, a method of use in which the strength and heat resistance of the aluminum sash is improved by filling a hollow portion inside the aluminum sash with a processed wood produced by sufficiently impregnating a silicate compound solution is also useful.
[0042]
(Iv) Other modified wood obtained by the method for producing modified wood according to the present invention uses the properties such as dimensional stability, flame retardancy, antiseptic properties, insect repellent properties, high strength, etc. However, it can be suitably used as a wooden material such as a utility pole, bench, wooden book, garden bridge, guardrail and the like.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the modified wood production method of the present invention will be described with reference to examples. In the following, “part” and “%” are based on weight unless otherwise specified.
[0044]
[Experimental Example 1]
(1) Wood and silicate compound solution As wood of Experimental Example 1, cedar board (plate) and veneer type 2 plywood were used. The moisture content of wood is 5% for cedar board (grain) and 6% for veneer type 2 plywood. The size is 15 t × 220 × 220 mm. As a silicic acid compound solution, a mixture of 90 parts of JIS No. 3 sodium silicate and 10 parts of water was used.
[0045]
(2) Laser processing As Examples 1-2, the carbon dioxide laser processing machine “ML3020D” (manufactured by Mitsubishi Electric Corporation) was used to perform laser processing on the back surface of the wood 1 in (1) above, and FIG. As shown in FIG. 2, the penetration holes 2 that are straight crack cuts were provided, leaving both ends 25 mm and the central portion 30 mm as uncut portions for reinforcement. The penetration hole 2 has a length of 80 mm, a width of 0.8 mm, and a depth of 12 mm. In Example 1, two penetration holes on the left and right sides were provided at a central portion of 110 mm, and in Example 2, a total of six penetration holes were provided on the left and right sides at intervals of 55 mm.
[0046]
(3) Impregnation step The wood of Examples 1 and 2 provided with penetration holes in (2) above and the wood of a comparative example not subjected to laser processing are placed in a pressure tank, and the pressure tank is depressurized to 4.0 kPa. Remove the moisture and air from the wood by suction. Subsequently, a water-soluble silicate solution heated to 50 ° C. was injected, and the inside of the pressure tank was maintained at 0.49 MPa using N ₂ gas and pressurized for 5 to 20 hours to impregnate the silicate compound solution. .
[0047]
(4) Gelation step and impregnation rate measurement After completion of the impregnation step (3) above, the inside of the pressure tank is maintained at 1.5 MPa at room temperature for 5 hours using carbon gas, and the gelation of the silicate compound in the wood is confirmed. Then, each wood was taken out from the pressure tank, and the impregnation rate of the silicate compound solution was measured for the woods of Examples 1 and 2 and the comparative example. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0048]
[Table 1]

[0049]
[Table 2]

[0050]
As shown in Table 1, in the case of cedar board (grain), the impregnation rate of the comparative example is 155% at the stage after 5 hours, whereas in Example 1, it is 185%, and in Example 2, it is 240%. It turns out that the high impregnation rate is shown. Moreover, since the time for the impregnation rate to reach the range of 220 to 240% is 20 hours in the comparative example, it is 10 hours in the first example and 5 hours in the second example. In Examples 1 and 2, the permeation rate is larger than that of the comparative example in which no permeation hole is provided, and the impregnation rate can be equal to or higher than the treatment time of about 1/2 to 1/4 of the comparative example. I understand.
[0051]
Also, as shown in Table 2, in the case of water-resistant plywood, the impregnation rate of the comparative example is 140% at the stage after 5 hours, whereas in Example 1, 170%, in Example 2, 210%, A high impregnation rate is shown as in the case of the cedar board (plate). The time for the impregnation rate to reach the range of about 210% is 20 hours in the comparative example, 10 hours in the first example, and 5 hours in the second example. As in the case of the eye), Examples 1 and 2 provided with the permeation holes have a higher permeation rate than the comparative example not provided with the permeation holes, and the processing time is about 1/2 to 1/4 of the comparative example. It can be seen that the impregnation rate can be equivalent or higher.
[0052]
[Experimental example 2]
(1) Wood and Silicate Compound Solution As the wood of Experimental Example 2, a cedar board having a size of 35 t × 220 × 220 mm and a moisture content of 4.5% was used. Moreover, the mixture of 65 parts of JIS3 sodium silicate and 35 parts of water was used as a silicic acid compound solution.
[0053]
(2) Laser processing As Example 3, using a carbon dioxide laser processing machine “ML3020D” (manufactured by Mitsubishi Electric Corporation), as shown in FIG. 1, laser processing is performed on the back surface of the wood 1 in (1) above. The substantially circular penetration holes 2 were provided in a mesh pattern. The size of the penetration holes 2 is φ0.7 × depth 30 mm, and the interval between the penetration holes 2 is 15 mm.
[0054]
(3) Impregnation step The wood of Example 3 provided with the permeation holes in the above (2) and the wood of Comparative Example 2 not subjected to laser processing are placed in a pressure tank, and the pressure tank is depressurized to 2.7 kPa. Remove moisture and air from wood. Subsequently, a water-soluble silicate solution is injected at room temperature (30 ° C.), and the inside of the pressure tank is maintained at a pressure of 2.9 MPa using N ₂ gas and pressurized for 0.5 to 20 hours to impregnate the silicate compound solution. I let you.
[0055]
(4) Gelation step and impregnation rate measurement After completion of the impregnation step in (3) above, the inside of the pressure tank is maintained at 1.5 MPa at room temperature for 6 hours using carbon gas, and the gelation of the silicate compound in the wood is confirmed. Then, each wood was taken out from the pressure tank, and the impregnation rate of the silicate compound solution was measured for the wood of Example 3 and Comparative Example 2. The results are shown in Table 3.
[0056]
[Table 3]

[0057]
As shown in Table 3, the impregnation rate of Comparative Example 2 in which no permeation holes are provided is quite low, and only 148% (SiO ₂ concentration 9.4%) is impregnated even when pressurized at 2.9 MPa for 20 hours. On the other hand, in Example 3 provided with a permeation hole, the impregnation rate was 431% (SiO ₂ concentration 64.5%) as a result of pressurization at 2.9 MPa for 20 hours, which was about 3 times that of Comparative Example 2. About 7 times as much SiO ₂ . Moreover, in Comparative Example 2, the impregnation time was 148% at 20 hours, whereas in Example 3, the impregnation rate was 150% at the stage where the impregnation time was 0.5 hours, which was substantially the same as in Comparative Example 2. Shows the rate. From these results, in Example 3 with the permeation holes, the impregnation rate was comparable in 1/40 time of Comparative Example 2 without the permeation holes, and the process time was significantly shortened. It can be seen that a modified wood with a high rate can be obtained.
[0058]
The present invention is not limited to the specific examples described above, and can be variously modified examples within the scope of the present invention depending on the purpose and application.
[0059]
【The invention's effect】
In the method for producing modified wood according to the present invention, the wood is provided with a permeation hole by laser processing, and then a silicic acid compound such as alkali silicate and colloidal silica is contained in the wood, and these are gelled with an acid anhydride gas. Thus, it is possible to easily provide a permeation hole with higher accuracy than before, and to improve the permeability of the silicic acid compound, and to produce a modified wood imparted with properties such as flame retardancy more efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a perspective view (A) and a cross-sectional view taken along line aa ′ showing a state in which penetration holes (spot perforations) are provided in Experimental Example 2. FIGS.
FIG. 2 is a perspective view (A) and an aa ′ cross-sectional view (B) showing an example in which a crack cut is provided as a permeation hole in the present invention.
FIG. 3 is a perspective view for explaining a direction in which a permeation hole is provided in the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a perspective view (A) and a cross-sectional view taken along the line aa ′ showing a state where a permeation hole is provided in Experimental Example 1;
[Explanation of symbols]
1: Wood, 2: Penetration hole, 3: Wood grain

Claims

A process of providing penetration holes in wood by laser processing;
Adding a silicic acid compound to the wood,
Using an acid anhydride gas on the wood containing the silicic acid compound to gel the silicic acid compound in the wood;
A base treatment agent containing at least one of a silane coupling agent and a reactive resin compound is infiltrated into the wood containing the silicic acid compound gel generated in the above step, and the silicate compound gel and the wood are chemically treated by the base treatment agent. Combining the steps,
A method for producing modified wood, comprising:

The method for producing a modified wood according to claim 1, wherein the silicic acid compound is at least one selected from alkali silicate and colloidal silica.

The step of adding a silicate compound to wood is performed by substantially impregnating moisture and air in the wood and then impregnating or press-fitting the wood with a silicate compound solution in which the silicate compound is dissolved or dispersed. Item 3. A method for producing modified wood according to Item 1 or 2.

The method for producing modified wood according to claim 3, wherein the silicic acid compound solution is a silica sol solution containing at least one of aqueous colloidal silica and organocolloidal silica and a basic compound.

Impregnated amount of the silicate compound, the production method of the modified wood according to any one of claims 1 to 4 which is 40 to 200% by weight in terms of SiO ₂ based on the dry weight of the wood.