JP4173520B2

JP4173520B2 - 可撓性積層木質材およびその製法

Info

Publication number: JP4173520B2
Application number: JP2007010038A
Authority: JP
Inventors: 一孝中山
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: CN101622110A; WO2008087963A1; JP2008173879A; CN101622110B; US20090297761A1

Description

本発明は、高度の弾性変形が可能な可撓性積層木質材およびその製造方法に関する。
本発明によって得られた可撓性積層木質材は、ゴムと同様の極めて弾性に富み、弱い力で大きく変形し、復元するユニークな特性を有する新しい木質系材料である。

木質積層材として、ラワン合板、パーティクルボード、ＭＤＦ（中密度繊維板）、ＯＳＢ（オリエンテッドストランドボード）などが周知である。
しかしながら、これらの周知の木質積層材にあっては、板厚が２ｍｍ以下の板材であれば、ある程度の曲げ変形が可能であるが、厚さが厚いものでは実質的には剛体であって、そのような変形を生じさせることは、不可能である。

一方、特開平１１−７７６１９号公報、特開２００５−２０５７９９号公報には、木材を高圧水蒸気下で軟化処理し、この軟化処理した木材を型に入れて三次元形状を有する木材加工品を製造することが開示されている。
しかし、この先行発明では、木材を三次元加工して、変形を永久に保つようにするもので、変形を弾性的に復元させることには言及されていない。

さらに、特開２００６−３０５８４２号公報には、木材を軟化処理したのち、これを厚さが１／３〜２／３に圧縮し、ついで加圧力をわずかに減少させて、この木材を元の体積未満に復元する改質処理方法が開示されており、これによれば木材に柔軟性、弾力性を与えることができるとしている。
しかし、この先行発明では、木材として太い角材、丸太などが用いられており、間伐材などを使用することができず、コストが高くなる問題がある。
特開平１１−７７６１９号公報特開２００５−２０５７９９号公報特開２００６−３０５８４２号公報

よって、本発明における課題は、間伐材などの小さな木材や加工時に発生するフレーク状の木質材を有効に使用して、高度の弾性変形が可能な可撓性積層木質材を安価に得ることができるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、複数の木質材の表面に接着剤を塗布し、これら木質材をその繊維方向がおおむね同一方向になるように積層した状態で６０〜１４０℃で加熱し、加熱したまま積層方向に圧縮して積層厚さを１／２〜１／５とし、この圧縮状態を保って冷却し、得られた積層物を積層方向に平行にスライスし、
前記積層方向に平行な方向に特異的に曲げることができ、かつ復元しうる性質を有する可撓性積層木質材を製造することを特徴とする可撓性積層木質材の製法である。

請求項２にかかる発明は、複数の木質材の表面に接着剤を塗布し、これら木質材をその繊維方向がおおむね同一方向になるように積層した状態で６０〜１４０℃で加熱し、加熱したまま積層方向に圧縮して積層厚さを１／２〜１／５とし、この圧縮状態を保って冷却し、得られた積層物を積層方向に平行にスライスして得られた可撓性積層木質材であって、
この可撓性積層木質材が、前記積層方向に平行な方向に特異的に曲げることができ、かつ復元しうる性質を有するものであることを特徴とする可撓性積層木質材である。

請求項３にかかる発明は、さらに、その積層方向に平行な引っ張り力を与えた時の破断時の伸びが４０〜１００％であることを特徴とする請求項２記載の可撓性積層木質材である。

本発明によれば、間伐材などの従来廃棄されていた木質材を有効に利用でき、高度の弾性変形が可能な可撓性積層木質材を得ることができる。
また、加熱温度を６０〜１００℃とすれば、耐圧容器内で処理する必要がなく、製造設備が簡略化でき、製造コストを安価にできる。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１ないし図５は、本発明での可撓性積層木質材の製法の一例を工程順に示すものである。
図１において、符号１は、木質材を示す。

この木質材１には、その形状が単板状、フレーク状、ファイバ状などであるものが用いられ、その寸法が、厚さ５〜３０ｍｍ、幅１０〜３００ｍｍ、長さ５０〜１０００ｍｍ程度の寸法のもので、種々の樹種、例えばスギ、マツ、ツガ、ヒノキ、ヒバなどの主に針葉樹からなるものが用いられる。その水分量は５〜２０％程度であるものが好ましい。
なお、図面では木質材１として単板を用いたものを例示してある。

ついで、この木質材１の表面に接着剤を塗布する。この接着剤には、酢酸ビニルエマルジョン系、フェノール樹脂系、メラミン樹脂系、ユリア樹脂系、ポリウレタン樹脂系などの合成高分子系接着剤やタンニン系接着剤、ニカワなどの天然系接着剤などが用いられる。これらのなかでも、次工程の加熱の際に硬化しない性質の接着剤、例えばタンニン・ニカワ系接着剤などが、圧縮工程での木質材の成形を阻害しない点で好ましい。

接着剤を塗布した木質材１を、図２に示すようにその複数枚積層する。この積層の際に、図示のように、各木質材１の繊維方向がおおむね同一方向になるように積層形態が定められる。
ついで、図３に示すように、この積層物２全体を、耐圧容器４内に収める。この耐圧容器４内には、プレス装置７が設置されており、プレス装置７の載置台７１上に置かれた枠７２内に積層物２が置かれ、押圧盤７３によって鉛直方向に加圧されるように構成されている。

また、この耐圧容器４内には、その内部に管５を通って高圧水蒸気が導入されるようになっており、この高圧水蒸気により積層物２が水分の共存下で加熱されるように構成されている。
この際の水蒸気の温度は、１００〜１４０℃とされ、約０．５〜５時間水蒸気処理を行う。この水蒸気処理により木質材１の組織が軟化した状態となり、大きな変形を与えることができる。

ついで、耐圧容器４内の温度を１００〜１４０℃とし、積層物２を加熱すると同時にプレス装置７を動作させて、積層物２をその積層方向に加圧し、積層物２の積層厚さが元の厚さの１／２〜１／５となるようにする。加熱温度が１４０℃を越えると、木質材１の可撓性が低下して好ましくない。積層物２の積層厚さを元の厚さの１／２よりも厚くすると必要な弾性が得られず、元の厚さの１／５よりも薄く圧縮するには過大なプレス力が必要となり、経済的な観点から現実的でない。

この加圧状態を０．５〜２時間保ち、その後加熱を停止し、積層物２を放冷し、その温度が５０℃以下となったのち、加圧を開放し、積層物２を耐圧容器４から取り出す。
以上の加熱加圧処理により、接着剤が固化し、個々の木板１が相互に接合し、ブロック状の積層体８となるとともにその厚さが１／２〜１／５に圧縮された状態となる。

この処理の際の加熱方法としては、上述の水蒸気雰囲気中での加熱に限られず、耐圧容器４内の空気の温度を６０〜１４０℃として加熱する方法、プレス装置７の押圧盤７２内にヒータを内蔵したものを用いて加圧中に加熱する方法、高周波加熱による方法、積層物２を温水中に浸した状態で加熱する方法などを用いても良い。

加熱温度は、原則、木質材１の軟化温度以上であればよく、この軟化温度は、木質材１中の水分量が多くなると低下するので、木質材１の水分量を３〜５％程度以上とすることが好ましく、このようなことを加味して、６０〜１４０℃の範囲で良く、１００℃未満で水蒸気中で加熱しない方法を採用すれば耐圧容器を用いなくともよい。また、加熱温度が低い方が可撓性が増加して好ましい。加熱温度が６０℃未満では細胞壁の軟化がほとんど生じない。

ついで、このようにして得られたブロック状の積層体８を、図４に示すように、スライスして板状とする。このスライスの際の切断方向は、図４に示すように積層体８の積層方向に平行とされ、スライスには鋸などが用いられる。
図５は、このようにして得られた板状の可撓性積層木質材１１を示すものである。図５において、符号１１ａは木質板１相互の積層面を示し、符号１１ｂは、木質材１の木理を示す。

この板状の可撓性積層木質材１１に積層面方向の外力を与えると、図６に示すように、容易に大きく湾曲し、外力を取り去ると元の板状に復元する。したがって、このものでは、その曲げ弾性率は、元の木質材１の曲げ弾性率の約１／４００の値を示す。
このような可撓性積層木質材１１にあっては、積層物２を水分の共存下で加熱することによって木質材１中の細胞壁が軟化し、変形が可能な状態となり、この状態で圧縮し、冷却することで、細胞壁が収縮した状態が保たれた積層体８が得られる。

このため、この積層体８をスライスした可撓性積層木質材１１では、これを伸長すると処理過程での圧縮する前の状態まで伸びることができ、しかも圧縮すると細胞壁の変形の余地が残っているところまで縮むことができる。
また、この可撓性積層木質材１１では、積層方向に平行に引っ張り力を与えた時の破断時の伸びは４０〜１００％で、破断強度は１〜２．５Ｎ／ｍｍ^２の範囲となり、この値からも通常の木材に比べて格段に変形しやすいことがわかる。
このため、極めて可撓性に富む木質材料となる。

なお、この可撓性積層木質材１１では、製造後に一度、引張、圧縮、曲げなどの変形を与えておくと、次回以降の変形では１回目の変形に要した外力よりも小さな外力で変形すると言う性質を有している。

ただし、この可撓性積層木質材１１では、全ての方向に変形できるわけではなく、曲がる方向に異方性がある。可撓性積層木質材１１の切断面に対して直交する方向に特異的に曲がる。この方向は、木質材１を積層する際の積層方向に平行な方向である。

図７は、本発明の可撓性積層木質材１１の引張試験の結果を示す応力−歪み曲線の代表的な例を模式的に示すものである。
この曲線の形状から、変形初期領域では弾性率が高く弾性体として挙動し、その後は弾性率が緩やかに上昇し、塑性変形を示す領域となることを示している。このことから、本可撓性積層木質材１１は、比較的硬く粘り強い特性を有していることがわかる。

図８および図９は、本発明で得られた可撓性積層木質材を曲げた際の木質組織の走査型電子顕微鏡写真であり、図８は曲げた際に圧縮された側の部分を、図９は同じく引っ張られた側の部分を示している。
圧縮側では空隙がほとんど認められない状態にあり、曲げ応力（圧縮）が加わっても簡単には歪みが増加しにくいことが理解できる。一方、引張側には空隙が認められ、大きな変形回復が確認できる。曲げ応力（引張）が加わった際に、容易にひずみやすいことがわかる。

また、図１０は、木質材としてのスギ木片の組織を示す走査型電子顕微鏡写真であり、図１１は、このスギ木片を加熱下に圧縮したものの組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。これより、細胞組織が圧縮されてほぼ空隙が無くなっていることがわかる。

このような可撓性積層木質材１１では、例えば円筒状に加工して木製パイプとして用いることができる。また、可撓性があることから、免振材料としても使用できる。さらに、水分を吸収すると体積が膨張するので、基礎杭として用いれば高い摩擦力を発揮する摩擦杭として使用できるなど種々の用途が考えられる。

以下、具体例を説明する。
（実施例１）
厚さ２０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ５００ｍｍのスギ板を２５枚用意し、この表面にタンニン系接着剤を塗布し、その繊維方向がおおむね同一方向となるように積層した。ついで、この積層物をオートクレーブ内に設けられたプレス装置の枠内に収めた。

オートクレーブ内に高圧水蒸気を導入し、オートクレーブ内を１１０〜１２０℃としたのち、３０分後にプレス装置を作動させ、積層物の厚さを１６７ｍｍとした。この状態を１時間持続したのち、高圧水蒸気の導入を停止し、加圧状態を維持したまま３時間かけて常温まで冷却して、厚さ１６７ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ５００ｍｍのブロック状の積層体を得た。

この積層体をその積層方向に平行な二面を鋸でスライスして、厚さ５ｍｍ、幅１６７ｍｍ、長さ５００ｍｍおよび厚さ５ｍｍ、幅１６７ｍｍ、長さ約１０５ｍｍの２枚の板状の可撓性積層木質材を得た。
これらの可撓性積層木質材は、図６に示すように簡単に曲げることができ、また元の平板状に復元した。

（実施例２）
本発明で得られた可撓性積層木質材の曲げ試験を行った。
試験片は、Ａ、Ｂ、Ｃの３種である。
試験片Ａは、厚さ２０ｍｍのスギ板を用い、９０℃で６０分加熱して軟化させたのち、圧縮し、さらに９０℃で６０分加熱したもので、圧密度６７％である。
試験片Ｂは、同様のスギ板を用い、９０℃で６０分加熱して軟化させたのち、圧縮し、９０℃で３０分加熱したのち、圧縮力を若干軽減して圧縮量を減少させ、さらに１２０℃で３０分加熱したもので、圧密度５３％ものである。この試験片Ｂは、上述の特開２００６−３０５８４２号公報に開示の方法に準じたものである。

試験片Ｃは、厚さ２０ｍｍのスギ板を用い、９０℃で６０分加熱して軟化させたのち、圧縮し、さらに１２０℃で６０分加熱したもので、圧密度６７％である。
試験片の寸法は、いずれも厚さ１９〜２０ｍｍ、幅１９〜２０ｍｍ、長さ３６０〜３７０ｍｍであった。

曲げ試験は、ＪＩＳＺ２１０１「木材の試験方法」における木材の３点曲げ試験に準拠し、スパン長さを２８０ｍｍとした。
載荷は、試験片のスパン間の中央位置に下向きの荷重を負荷させ、中央位置の変形量を測定した。１回目の載荷とその後の繰り返し載荷の影響を確認するために、載荷は２回行った。１回目は、試験片を切り出したままの状態で実施し、２回目は、１回目の試験を終了した試験片に対して、手により曲げおよび曲げ戻し処理を５往復（正曲げ、負曲げで１往復）行った後載荷を実施した。

結果を図１２に示す。なお、図１２および表１において、試験片Ａ（２）などの（２）との表示は、２回目の載荷での結果を示している。
圧密処理に関しては１２０℃での処理よりも９０℃での処理したものの方が剛性が小さく、曲がりやすくなっている。試験片Ｂについては、試験片Ｃと同様の曲げ特性を示している。
また、２回目の載荷による結果は、すべて試験片に共通して、１回目の載荷におけるものに比べて、剛性が低下している。

表１に曲げヤング率の結果を示した。ヤング率の値は、原点からの値である。比例部分（ここでは載荷質量３００ｇ）では、試験片Ａ、Ｂ、Ｃで１回目の載荷では、それぞれ２９．２Ｎ／ｍｍ^２、５９．１Ｎ／ｍｍ^２、６２．４Ｎ／ｍｍ^２であり、２回目の載荷では、１６．９Ｎ／ｍｍ^２、２５．０Ｎ／ｍｍ^２、３１．９Ｎ／ｍｍ^２であり、試験片Ａでは、試験片Ｂ、Ｃの約１／２となっている。
スギ板の曲げヤング率は、６８６０Ｎ／ｍｍ^２であることから、試験片Ａでのヤング率は、１回目では約１／２３５で、２回目では約１／４０６と非常に小さくなっている。

本発明で用いられる木質材の例を示す概略斜視図である。本発明での積層材の例を示す概略斜視図である。本発明で用いられる耐圧容器を示す概略構成図である。本発明での積層体の例を示す概略斜視図である。本発明で得られた可撓性積層木質材の例を示す概略斜視図である。本発明で得られた可撓性積層木質材を変形させた状態を示す図面である。本発明で得られた可撓性積層木質材の応力−歪み曲線の例を示すグラフである。本発明で得られた可撓性積層木質材の変形させた際の組織の走査型電子顕微鏡写真である。本発明で得られた可撓性積層木質材の変形させた際の組織の走査型電子顕微鏡写真である。木質材の細胞組織の走査型電子顕微鏡写真である。木質材を圧密処理したものの細胞組織の走査型電子顕微鏡写真である。曲げ試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・木質材、２・・・積層物、４・・・耐圧容器、７・・・プレス装置、１１・・・可撓性積層木質材

Claims

複数の木質材の表面に接着剤を塗布し、これら木質材をその繊維方向がおおむね同一方向になるように積層した状態で６０〜１４０℃で加熱し、加熱したまま積層方向に圧縮して積層厚さを１／２〜１／５とし、この圧縮状態を保って冷却し、得られた積層物を積層方向に平行にスライスし、
前記積層方向に平行な方向に特異的に曲げることができ、かつ復元しうる性質を有する可撓性積層木質材を製造することを特徴とする可撓性積層木質材の製法。
複数の木質材の表面に接着剤を塗布し、これら木質材をその繊維方向がおおむね同一方向になるように積層した状態で６０〜１４０℃で加熱し、加熱したまま積層方向に圧縮して積層厚さを１／２〜１／５とし、この圧縮状態を保って冷却し、得られた積層物を積層方向に平行にスライスして得られた可撓性積層木質材であって、
この可撓性積層木質材が、前記積層方向に平行な方向に特異的に曲げることができ、かつ復元しうる性質を有するものであることを特徴とする可撓性積層木質材。
さらに、その積層方向に平行な引っ張り力を与えた時の破断時の伸びが４０〜１００％であることを特徴とする請求項２記載の可撓性積層木質材。