JP4093313B2 - 木材料の加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木材料を加熱圧縮等して成形加工する木材料の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
木材料の圧縮変形加工においては、変形後の固定化を図るために、加熱しながら木材料内に水分を保持した状態として水蒸気処理し、これにより変形後の形状もどりを少なくしている場合がある。
【０００３】
このような水蒸気処理では、水蒸気を木材料へ与えたり、木材料内部の水分が蒸発しないようにして、木材料内の水分を保持した状態としている。例えば、従来の加工方法として、密閉自在な剛性容器内に木材料（木質材）を収容して加熱圧縮する方法等がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この従来の加工方法では、使用する密閉容器の構造が複雑になり、また、この密閉容器内では複雑な加工が制限される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−４７５１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事実を考慮し、水蒸気処理の際に密閉容器が不要で、加工の自由度が大きい木材料の加工方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載する本発明の木材料の加工方法は、木材料をシール処理液に浸漬する工程と、浸漬後の前記木材料をシール処理液から取り出す工程と、前記木材料の表面に密着した前記シール処理液を乾燥状態にする工程と、前記木材料を加熱圧縮手段で加熱圧縮成形する工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載する本発明の木材料の加工方法によれば、木材料はシール処理液に浸漬されて、木材料の全周にシール処理液が密着する。この状態で木材料をシール処理液から取り出して、密着したシール処理液を乾燥状態にする。この乾燥状態はシール処理液中の溶媒（例えば、水分等）が完全に蒸発する完全乾燥状態だけでなく、溶媒がある程度蒸発した半乾燥状態であっても良い。これにより木材料の表面に密着したシール処理液は、木材料の表面に開口している細胞の開口部内に若干入り込んだ状態で開口を塞ぐことになり、通気が遮断される。また、木繊維の表面でもシール処理液が乾燥状態とされ、結果として木材料の表面全体が覆われて密閉状態となる。
【００１２】
その後、この木材料は加熱圧縮手段で加熱圧縮成形される。ここで、圧縮した後も加工中の木材料は、全面にされるシールによって密閉される。このとき、シール処理された木材料内の空気は、木材料と共に圧縮され、加熱によって熱膨張する。また、木材料内では、加熱によって発生した水蒸気が、木材料内に閉じ込められる。このため、シール処理された木材料内の圧力は上昇し、発生した水蒸気は、激しい分子運動を伴いながら木材料中に残存する。このように、木材料内部が水蒸気処理されることにより圧縮変形後にも形状のもどりが少なく、その後も圧縮された形状を維持する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
−浸漬工程−
浸漬工程は、木材料をシール処理液中に浸漬する工程である。
【００１４】
この浸漬塗布方法に供されるシール処理液としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が用いられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等が用いられ、その中でも、フェノール樹脂が木材表面のシール性等の理由より特に望ましい。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール、セルロース系樹脂、ポリエチレン等が用いられる。なお、接着剤や塗料として用いられるものをシール処理液としても良い。接着剤としては、例えば、シリコン系、ウレタン系接着剤等を挙げることができる。
【００１５】
フェノール樹脂を用いた場合、シール処理液の濃度は、５〜５０重量％となるようにするのが良く、好ましくは、１０〜３０重量％となるようにするのが良く、より好ましくは、１０〜２０重量％となるようにするのが良い。５重量％未満であると、木材表面のシールが不十分となり、５０重量％を超えると、粘度が高くなるからである。また、シール処理液の粘度は、５０〜１０００ｍＰａ・ｓとなるようにするのが良く、好ましくは、５０〜５００ｍＰａ・ｓとなるようにするのが良く、より好ましくは、１００〜３００ｍＰａ・ｓとなるようにするのが良い。５０ｍＰａ・ｓ未満であると、乾燥が困難となり、１０００ｍＰａ・ｓを超えると、余剰分の除去が困難となるからである。さらに、シール処理液の溶媒には、例えば、水、有機溶媒等が用いられ、その中でも、水は取り扱いが容易であって安全衛生の理由より特に望ましい。
【００１６】
シール処理液への浸漬時間は、１０分〜２４時間となるようにするのが良く、好ましくは、１０分〜１８時間となるようにするのが良く、より好ましくは、１０分〜１２時間となるようにするのが良い。１０分未満であると、塗布不十分となり、２４時間を超えると、乾燥困難となるからである。
【００１７】
ここで、シール処理液の粘度、浸漬時間の組み合わせとしては、粘度が１００〜３００ｍＰａ・ｓで、浸漬時間が１０分〜１２時間とするのが好ましい。但し、これはあくまでも好ましい組み合わせ例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、状況に応じて、適宜設定することが可能である。
−取出工程−
取出工程は、浸漬後の木材料をシール処理液から取り出す工程である。
−乾燥工程−
乾燥工程は、木材料の表面に密着したシール処理液を乾燥状態にする工程である。シール処理液の乾燥は、シール処理液の余剰の溶媒（例えば、水分）を取り除くために行い、自然乾燥及び強制乾燥の両方を含む。
【００１８】
乾燥させる際の温度は、４０〜９０℃となるようにするのが良く、好ましくは、５０〜８０℃となるようにするのが良く、より好ましくは、６０〜８０℃となるようにするのが良い。４０℃未満であると、乾燥が不十分となったり長時間乾燥が必要となったりし、９０℃を超えると、材質の劣化を招いたり過乾燥状態となったりするからである。
【００１９】
木材料の乾燥の程度は、含水率が５〜４０％となるようにするのが良く、好ましくは、含水率が５〜３０％となるようにするのが良く、より好ましくは、含水率が５〜２０％となるようにするのが良い。５％未満であると、木材料内部における水蒸気が不十分となって木材料の変形固定ができないからであり、４０％を超えると、圧縮加工時に木材料が破壊される可能性が高くなるからである。
−加熱圧縮工程−
加熱圧縮工程は、木材料を加熱圧縮手段で加熱圧縮成形する工程である。
【００２０】
加熱圧縮する際の加熱温度は、１６０〜２４０℃となるようにするのが良く、好ましくは、１８０〜２２０℃となるようにするのが良く、より好ましくは、２００〜２２０℃となるようにするのが良い。１６０℃未満であると、木材料内部の水蒸気処理が不十分となり、２４０℃を超えると、木材料の変色が著しくなり、熱分解が生じるからである。また、加熱時間は、５〜３０分となるようにするのが良く、好ましくは、１０〜２５分となるようにするのが良く、より好ましくは、１０〜２０分となるようにするのが良い。５分未満であると、木材料内部の水蒸気処理が不十分となり、３０分を超えると、木材料の変色が著しくなり、熱劣化が生じるからである。
【００２１】
加熱圧縮する際の圧力は、特に制限はなく、木材料を必要形状に変形するのに十分なプレスを用いる。
【００２２】
次に、本発明による木材料の加工方法が適用された加工手順の第１の実施形態を図面に基づき説明する。
【００２３】
図１（Ａ）には、この実施形態に用いる木材料１０の斜視図が示されている。この木材料１０は、予め直方体形状に切断されている。この木材料１０は、繊維方向Ｃとほぼ直角に切断された木口面１０Ａと、繊維方向Ｃにほぼ沿って切断された木端面（柾目面）１０Ｂ、表裏面（板目面）１０Ｃ、とを有する六面体に切断されている。この木材料１０は、広葉樹であるため、木繊維や道管（詳細後述）を有するが、針葉樹の場合には、仮道管を有することとなる。なお、木口面１０Ａは、幹を切った切り口面であり、この木口面１０Ａは、水分の導通しやすい繊維方向Ｃに交差して切断されている。
【００２４】
図１（Ｂ）には、木材料１０の全周にシール剤１２が塗布された状態が示されている。この木材料１０はその後、加熱圧縮成形機１４（図３参照）で成形される。
【００２５】
図２（Ａ）には、木材料１０の全周にシール剤１２を塗布するためのシール剤容器１６が示されている。このシール剤容器１６内には液状のシール剤１２として、フェノール樹脂（水を加えてフェノール樹脂を２０％に希釈）が収容されている。シール剤１２としては、木材料１０の周囲に密着して木材料１０の木材細胞の開口部を塞ぐことが出来る材料であれば各種のシール剤１２が適用でき、フェノール樹脂の他には、一例として、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂が適用できる。これらの熱硬化性樹脂は、火気の点、取り扱いの点等から水溶性タイプ、エマルジョンタイプが好ましい。
【００２６】
木材料１０は、このシール剤容器１６内のシール剤１２へ所定時間浸漬される。この浸漬時間は、粘性のあるシール剤１２であっても木材料１０の全周にシール剤１２が密着するまでの時間とする。一例として、２０％希釈フェノール樹脂の場合には１０分〜１２時間が好ましい。シール剤容器１６は、図２（Ａ）に示されるように、頂部が開放された箱状とされているが、シール剤１２の蒸発を防ぐ等の目的で蓋を設けても良い。
【００２７】
その後、図２（Ｂ）に示されるように、木材料１０をシール剤容器１６内から取り出して乾燥させる。この乾燥は、自然乾燥又は強制乾燥（加熱、送風など）により、次の加熱圧縮成形に支障がない程度の乾燥とする。すなわち、加熱圧縮成形機（図３参照）での圧縮時にシール剤１２が加熱圧縮成形機１４へ不必要に付着しない程度の粘性であり、なおかつ、木材料１０の木細胞の開口部端面を適切に塞いで水分蒸発を防ぐ程度の粘性である必要がある。
【００２８】
図４には、図２（Ｂ）にてシール剤１２より取り出した木材料１０の表面付近の拡大断面図が示されている。木材料１０には、円筒状の木繊維１８が略一定方向へ延びている。この木繊維１８の繊維方向に沿って道管２０が貫通する。道管２０は、木繊維１８よりも大径の円筒状とされ、その端面２０Ａが木口面１０Ａに露出している。一般的に、木繊維１８には、細胞壁１９に結合した結合水としての水分が存在し、また、道管２０内には、幹内を通過して枝葉へ搬送する水分が残留しており、木材料１０の乾燥に従ってこれらの水分が木材料１０表面の細胞の開口部１８Ａ、２０Ｂから蒸発する。
【００２９】
この実施形態における木材料１０では、外周にシール剤１２が塗布されているので、シール剤１２の一部が木材料１０表面の細胞の開口部１８Ａ、２０Ｂへ若干量入り込んでいる。ここで、木材料１０が十分な時間にわたって自然乾燥されたり、加熱や送風により強制乾燥されるとシール剤１２が乾燥状態になり、木材料１０表面の細胞の開口部１８Ａ、２０Ｂ内へ入り込んだシール剤１２が固化する。このため、このシール剤１２は、木材料１０内の水分を木材料１０内へ閉じ込めて、木材料１０表面の細胞の開口部１８Ａ、２０Ｂからの流出や蒸発を防ぐ。
【００３０】
図３には、シール剤１２が固化した木材料１０が加熱圧縮成形機１４へ設置された状態が示されている。加熱圧縮成形機１４では一対の上下熱板２２、２４が図示しない油圧駆動源等の駆動力で互いに接離される構成であり、これらの上下熱板２２、２４の間に木材料１０が設置されている。さらに、上下熱板２２、２４には、図示しない電熱線などの熱源が配置されており、木材料１０を必要温度まで加熱するようになっている。この実施形態では、加熱温度は２００℃とし、加熱保持時間は約１５分とする。加熱温度は木材料１０の硬さ、加工寸法にもよるが、通常の木材料１０の場合には１８０℃以上で、加熱時間は１０分以上が好ましい。なお、加熱は上下熱板２２、２４によるものだけでなく、例えば、高周波加熱等の他の加熱手段も適用できる。
【００３１】
図３（Ｂ）は、上下熱板２２、２４を接近させる方向（矢印Ｐ方向）に駆動力を加えて、木材料１０の高さ寸法を減少させた状態を示しており、図３（Ｃ）は加工後に上下熱板２２、２４の間から加工後の木材料１０を取り出した状態が示されている。
【００３２】
ここで、上下熱板２２、２４による加圧状態では、同時に上下熱板２２、２４によって木材料１０が加熱されているので、図４に示すように、木繊維１８及び道管２０内等に存在する水分が熱を吸収して高温になり、一部は蒸気となる。しかし、これらの水分は、木材料１０の周囲がシール剤１２で覆われているので、木材料１０からの水分流出が防止される。この結果、木材料１０は高温の水分が保持されたままとなり、全体的に高温状態が維持され、変形固定効果が付与される。
【００３３】
木材料１０が圧縮された状態では、道管２０のほぼ軸直角方向（図４の上下の矢印Ｐ方向）に圧縮力を受けて、道管２０が圧縮されて直径が小さくなる。このため、道管２０内に入り込んでいるシール剤１２も圧縮されて、より深く道管２０内に入り込むとともに、道管２０内周面との密着面積が広くなり、シール剤１２の反発力により密着力も強くなる。
【００３４】
シール剤１２の固化状態としては、シール剤１２内の液体成分が全て蒸発した完全固化状態まで乾燥した後に、加熱圧縮加工をする以外にも、木材料１０表面の細胞内腔内に入り込んだシール剤１２の一部が半乾燥状態で密着して細胞内腔内に残留する状態となる半乾燥状態とするものであれば良い。この半乾燥状態は含水率３０％程度の乾燥状態であれば良い。
【００３５】
図５（Ａ）は、本発明の第２の実施形態を示し、上下熱板２２、２４（図３参照）の変形例を用いて木材料１０を前記実施形態とは異なる形状に加熱圧縮成形するようになる。この実施形態の上下熱板２８、３０は、対向面に凹部２８Ａ、３０Ａを有しており、これらの凹部２８Ａ、３０Ａ内に変形された木材料１０が収容されるようになっている。図５（Ｂ）は、上下熱板２８、３０を互いに接近させて木材料１０を加熱圧縮した状態であり、木材料１０は圧縮変形されて凹部２８Ａ、３０Ａ内に入り込んでいる。
【００３６】
この実施形態においても木材料１０は、前記実施形態と同様に予め表面にシール剤１２が付与されており、加熱圧縮成形中の水分流出を防止している。このため、前記実施形態と同様に、加熱圧縮中に温度上昇した内部の水分の保有熱で木材料１０を軟化させ、変形を容易にしている。図５（Ｃ）は、加熱圧縮成形機１４から取り出した後の製品である木材料１０を示し、断面が楕円形の棒状となっている。この木材料１０にあっても内部に水分が保持されているので、前記実施形態と同様に加工後の形状もどりを防止できる。
【００３７】
なお、塗膜は、図６で示す温度曲線のように、蒸発潜熱により温度上昇鈍化が生じない程度のシール（被膜）厚さであるのが好ましい。
【００３８】
【実施例】
上記実施形態の作用を確認するために、以下に示す２つの実施例に係る試料（以下、これらを実施例１、実施例２という）と２つの比較例に係る試料（以下、単に比較例１、比較例２、という）との比較実験を行った。使用する木材料１０は、杉辺材とし、寸法はいずれも２０ｍｍ×５０ｍｍ×３００ｍｍとした。木材料１０の加工は、２００℃に加熱した一対の平板状の加熱加圧板により加圧成形して、厚み寸法を２０ｍｍから１０ｍｍへ変形させた。このときの加熱保持時間は、試料の温度が約１８０°に到達してから約１５分とした。
（実施例１）
実施例１に塗布されるシール剤１２には、２０％に希釈したフェノール樹脂（商品名：ＰＸ−３４１、アイカ工業（株）製）を用いた。このシール剤１２内に木材料１０を２４時間浸漬して全面にシール剤１２を塗布し、シール剤１２から取り出した後に２８時間自然乾燥させて実施例１を得た。
（実施例２）
実施例２に塗布されるシール剤１２には、２０％に希釈したフェノール樹脂（商品名：ＰＸ−３４１、アイカ工業（株）製）を用いた。このシール剤１２内に木材料１０を２４時間浸漬して全面にシール剤１２を塗布し、シール剤１２から取り出した後に４時間自然乾燥させて実施例２を得た。
（比較例１）
比較例１に塗布されるシール剤１２には、エポキシ接着剤（商品名：ボンドクイック３０、コニシ（株）製）を用いた。木材料１０の木口面１０Ａにブラシを用いてシール剤１２を塗布した後に４時間自然乾燥させて比較例１を得た。
（比較例２）
比較例２には、シール剤１２を塗布しない木材料１０を用いた。
＜評価＞
（試料中心部の温度）
加工中の加熱時間と温度変化の状態が図６に示されている。シール剤１２を塗布しない比較例２では、内部の水分流出により１２０℃付近から温度上昇の鈍化が見られた。シール剤１２を塗布した実施例２及び比較例１では内部の水分が保持されているので、１２０℃付近で温度上昇が妨げられることがなく、短時間で変形固定可能となる温度まで昇温可能となる。木口面１０Ａだけにシール剤１２が塗布された比較例１では、１６０℃付近から温度上昇の鈍化が見られ、全面にシール剤１２が塗布された実施例２に比べて試料内部で十分な水蒸気処理がされる状態となるのに時間がかかる。
（試料中心部の煮沸回復）
実施例１、２及び比較例１、２の長手方向の中心部から幅２ｃｍ（１０ｍｍ×５０ｍｍ×２０ｍｍ）の試料を切り出し、煮沸水中に１時間放置し、その後取り出して乾燥させることにより、形状もどりの程度を示す煮沸回復率を調べた。すなわち、ここで回復率とは、厚さ方向に与えた変形量に対する、回復した変形量の割合であり、回復率が低いほど形状もどりが小さいことを示す。実験したのは、各試料の幅方向中央及び木端付近である。
【００３９】
各部における煮沸回復率が図７に示されている。図７に示すように、シール１２を施した実施例１、２及び比較例１は、シール剤１２を施さない比較例２と比較して煮沸回復率は低くなって、形状もどりが小さいことが分かる。特に、この傾向は、幅方向中央付近で顕著である。
【００４０】
また、全面シールが施された実施例１、２と、木口シールが施された比較例１とを比較すると、全面シールを施した実施例１、２のほうが、煮沸回復率が低くなっており、特に木端付近の回復率の差が顕著であることが分かる。これは、全面シールの場合には、シール剤１２により木端面１０Ｂからの水分蒸発も阻止されたためと考えられる。
【００４１】
さらに、全面シールを施した実施例１、２を比較すると、乾燥時間の長い実施例１のほうが実施例２に比べて煮沸回復率が低くなっている。
【００４２】
なお、上記実施の形態では、図１（Ａ）に示すように、木材料１０は、繊維方向Ｃに対してほぼ直角及びほぼ平行に切断されているが、本発明の木材料は、これに限定されず、何れの方向に切断されていても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１に記載する本発明の木材料の加工方法によれば、木材料をシール処理液に浸漬して取り出した後にシール処理液を乾燥状態としてから加熱圧縮成形するので、シール処理液塗布が容易で水蒸気処理の際に密閉容器が不要で加工の自由度が大きい加工方法が得られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に用いる木材料を示す斜視図である。
図１（Ｂ）は、シール剤が全面に塗布された木材料を示す斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、シール剤に木材料が浸漬された状態を示すシール剤容器の透視斜視図である。
図２（Ｂ）は、シール剤容器から取り出して乾燥している状態の木材料を示す斜視図である。
【図３】図３（Ａ）は、加熱圧縮成形機で木材料を挟持した状態を示す側面図である。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の加熱圧縮成形機で木材料を圧縮した状態を示す側面図である。
図３（Ｃ）は、加熱圧縮成形機から木材料を取り出した状態を示す側面図である。
【図４】木材料の表面付近を示す、図１（Ａ）の４−４線拡大断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る加熱圧縮成形機で木材料を挟持した状態を示す側面図である。
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の加熱圧縮成形機で木材料を圧縮した状態を示す側面図である。
図５（Ｃ）は、加熱圧縮成形機から木材料を取り出した状態を示す側面図である。
【図６】実施例に係る加熱時間と試料中心温度との関係を示す線図である。
【図７】実施例に係る各試料中心部の煮沸回復率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 木材料
１２ シール剤（シール処理液）
１４ 加熱圧縮成形機（加熱圧縮手段）
２２ 上熱板（加熱圧縮手段）
２４ 下熱板（加熱圧縮手段）
２８ 上熱板（加熱圧縮手段）
３０ 下熱板（加熱圧縮手段）

Claims (1)

1. 木材料をシール処理液に浸漬する工程と、
   浸漬後の前記木材料をシール処理液から取り出す工程と、
   前記木材料の表面に密着した前記シール処理液を乾燥状態にする工程と、
   前記木材料を加熱圧縮手段で加熱圧縮成形する工程と、
   を有することを特徴とする木材料の加工方法。

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