JP4417561B2 - フェノールホルムアルデヒドバインダーを使用する複合板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、パーティクルボード、繊維板、チップボード等の複合板の製造法に関し、より詳細にはフェノールホルムアルデヒドバインダーを使用する、複合板の製造法に関するものである。前記板は、硬化可能な又は硬化可能なフェノールホルムアルデヒド樹脂で処理された、木質粒子、チップ及び／又は繊維から製造される。
【０００２】
【従来の技術】
板等の複合木質製品は、個々のリグノセルロース成分が互いに固着して、無垢の木質様製品を形成するまで、加熱及び加圧下でリグノセルロース物質のゆるんだマットを固めることによって形成され得る。リグノセルロース物質は、粒子、チップ、繊維等の木質物質の形体を取り得り、本明細書ではこれらの用語は互換性をもって使用されることが理解されるであろう。典型的には、マットを形成する物質は、その物質の固着性を高めて、最終製品の得られる特性を向上させるために、加熱及び固化される前に、樹脂等のバインダーで処理される。
【０００３】
マットの固化は一般的には、圧縮機の中で行なわれる。バインダーで処理された木質複合マットを、特定の成形された形状、例えば板等に固化させるための従来の圧縮機は、成形キャビティーを画定するために間隔を置いた、２つの対峙する圧縮プラテンを有する。少なくとも１つのプラテンを、例えば電気加熱コイルによる伝導によって、又は、プラテン本体に位置させられるコンジットから、加熱された流体又はガス媒体、例えば蒸気を通すことによって加熱される。マットと接触すると、熱は、伝導によって、プラテンからマットに移る。この方法は、熱圧縮として知られている。
【０００４】
尿素−ホルムアルデヒド（ＵＦ）樹脂又はイソシアネート（ＭＤＩ）樹脂は、硬化温度が低めであり、適度に短い圧縮サイクルであり、かつ、短い圧縮サイクルの最終製品に与えられる特性が優れているために、複合木質製品の熱圧縮の際に、典型的に選択されるバインダーである。近年、使用の際に非常に低い費用であるために、フェノールホルムアルデヒド（ＰＦ）樹脂を使用する方法に、注目が寄せられている。しかしながら、ＰＦ樹脂を用いて熱圧縮された複合製品の特性は、ＵＦ又はＭＤＩ樹脂を用いて製造された製品よりも劣り、ＰＦ樹脂での圧縮時間は、典型的には、顕著に長いことが判った。
【０００５】
この様に、例えば硬化速度が速い又は硬化温度が高い或る樹脂により、熱圧縮によって従来の圧縮で製造された場合、特性の劣る複合木質製品が生じることが知られている。Ｈｓｕ等への米国特許第 4,850,849 号明細書には、フェノールホルムアルデヒド樹脂等のバインダーの硬化を成し遂げるためには、従来技術の圧縮機は、適当な時間枠内で、充分に高温を生じさせ得ないことが開示されている。更には、マット、特には厚いマットに従来のプラテンから伝導によって熱が移るのが遅いことによって、マットの厚みに渡って温度差が生じると考えられている。温度差によって、例えば、加熱されたプラテンに近接するマットの表面又は表面近くの樹脂及び繊維は、過剰の熱に晒され得るのに対して、マットの内側の物質は、充分に熱に晒され得ない。従って、従来の圧縮機における硬化の間、マットの厚みに渡る温度差によって、マットの厚みの部分が硬化されすぎたり、及び／又は、硬化不足が生じ得り、その結果最終製品の構造的及び／又は美的欠陥が生じる。硬化速度が速いか又は硬化温度が高い樹脂は特に、マットの厚みに渡る温度差の樹脂の硬化に対する悪影響に敏感である。前述の理由のために、フェノールホルムアルデヒド樹脂は一般的には、従来の圧縮機で厚い複合板状製品を製造するのには適さないと考えられている。
【０００６】
また、従来の圧縮機は、伝導熱（熱圧縮）のみを使用して、繊維板製品を製造する際には上手くいくが、今日の製造需要は、非常に精密な、より高い密度の、及び、より厚い繊維板製品を製造するために、圧縮のサイクル時間がより速いこと、及び、より強い高温樹脂を使用することを要求している。従来のプラテンの幾つかの欠点は、その目的のために蒸気注入孔を備えた変更させられた圧縮プラテンを通して、マットに直接に蒸気を供給又は注入することによって、克服され得ることが知られている。これは、「蒸気注入」圧縮として、一般的に知られている。蒸気は、マットを形成する、木質粒子、チップ及び／又は繊維の間の間隙空間に、注入孔から通り、その結果マットの内部に素早くかつ均一に熱が運ばれることになる。蒸気注入圧縮には、幾つかの利点がある。蒸気注入圧縮は、従来の樹脂を使用する典型的な寸法の板の硬化の速度を速め、その結果顕著に圧縮サイクルを短縮させる。蒸気注入圧縮はまた、従来の圧縮機での使用に典型的には適さない、より安価で、より安全で、及び／又は、より強く結合した製品を生じさせ得る、高温で硬化する樹脂を使用するのを可能にする。また、蒸気注入により、従来の圧縮機では適切に硬化しないか、又は、コスト的に競合する製品を与える程充分に速くは硬化しない、比較的厚い複合板を固化及び硬化させるのが可能になる。この様に、蒸気注入は、樹脂の硬化の速度を速め、製品の品質を向上させ、木質複合製品、特には厚い寸法を有する製品の製造時間を短縮させることが知られている。
【０００７】
蒸気注入の利益及び利点は、密閉された圧縮機内、即ち取り巻く大気から圧縮キャビティーを隔離する圧縮機内で、注入を行うことによって、顕著に向上し得る。これは、キャビティーの周辺を密閉することによって、成し遂げられ得る。その代わりに、圧縮機全体が、密閉されたチャンバー内で隔離されてもよい。密閉された圧縮機により、貴重な蒸気の損失が顕著に減るか又はなくなり、昇温下でマットに蒸気を注入するのが容易になる。
【０００８】
尿素−ホルムアルデヒド樹脂（ＵＦ）又はイソシアネート樹脂（ＭＤＩ）等の、適度の温度で硬化するバインダーと比較して、フェノールホルムアルデヒド樹脂バインダーは、硬化に高い温度を必要とし、その結果複合板状プロフィールの厚みに渡って、硬化を行うのに、長めの圧縮サイクルを必要とする。圧縮サイクル時間は、木質複合製品の製造の経済性を決める際の主な因子であると考えられるので、樹脂が必要とする長めの圧縮サイクル時間は、樹脂を硬化させるのに必要とされる更なる時間のために避けられている。樹脂の高い硬化温度によって必要とされる長めの圧縮サイクルは、樹脂を硬化するために、蒸気注入又は予備加熱及び続く蒸気注入で、早く硬化する樹脂を素早く加熱することで打ち消され得る、と考えられていた。しかしながら、高圧蒸気注入、又は、予備加熱及び高圧蒸気注入の組み合わせのいずれか一方による、速い加熱は、早く硬化する樹脂を予め硬化させてしまうことが知られている。
【０００９】
ゆっくりめに硬化する樹脂を使用することによって、固化のために、マットを形成する前に、樹脂で木質繊維を処理するように適合されている処理装置内で、樹脂が予め硬化するのを防止されることが、知られている。Teodorczykへの米国特許第 5,629,083 号明細書には、マットの形成前に、木質繊維に樹脂を塗工するためのブローライン法で、予備硬化を防止するために、ゆっくり硬化するＰＦバインダーを用いて複合木質製品を形成することが開示されている。
【００１０】
1991年4月10日、ワシントン州プルマンでの、ワシントン州立大学国際パーティクルボード／複合体物質シンポジウムの議事録（Proceedings of the Washington State University International Particleboard / Composite Materials Symposium）である、表題が「木質複合体用の実用的な蒸気圧縮技術（A Practical Steam Pressing Technology for Wood Composites）」の、Ernest W.Hsuによる雑誌出版には、フェノールホルムアルデヒド樹脂等の高温で硬化する樹脂が、密閉された圧縮機で蒸気注入によって、適度な範囲の圧縮時間で硬化され得ることが開示されている。ＰＦ及びＵＦ樹脂で結合された繊維板の比較（Comparison of Fiberboards Bonded with PF and UF Resins）という表題の、Ernest W.Hsuに帰する会議の要約（1995年）には、繊維質マットの温度、ＰＦ樹脂の分子量分布、及び圧縮パラメーターを操作することによって、フェノールホルムアルデヒド樹脂で結合された繊維板での圧縮時間が、実質的に減少させられ得り、その結果、ＵＦで結合された繊維板と比較され得ることが開示されている。
【００１１】
木質複合マットを予備加熱することは、圧縮時間を減少させて、圧縮サイクルで、マットの表面層が予め硬化されるのを防止することが知られている。Carlssonへの米国特許第 3,649,396 号明細書には、圧縮時間を短縮し、圧縮機内のマットの表面層の早すぎる硬化を防止するために、バインダーの硬化温度に近い温度まで、蒸気飽和した空気流を用いて、完成紙料を予備加熱することが開示されている。Carlssonはまた、予め硬化することは、予備加熱で避けられ得ることも教示している。
【００１２】
Ｈｓｕ等への米国特許第 5,246,652 号明細書には、フェノールホルムアルデヒドバインダーの優れた結合力が、蒸気注入によって達成され得ることが開示されている。Ｈｓｕ等の‘652号特許明細書には、生物学的攻撃に対する耐性及び耐火性の改良された、フェノールホルムアルデヒド樹脂で結合された木質複合体の製造方法が開示されている。Ｈｓｕの‘652号特許明細書は、ゆっくり硬化するフェノールホルムアルデヒド樹脂と早く硬化するフェノールホルムアルデヒド樹脂との間を識別していない。
【００１３】
フェノールホルムアルデヒドバインダーの優れた結合力が、蒸気注入によって達成され得り、高温で硬化する樹脂が、蒸気注入によって適当な範囲の圧縮時間で硬化され得るという、Ｈｓｕによる指摘に関わらず、蒸気圧縮でフェノールホルムアルデヒド樹脂を使用することは、商業用途で特に、一般的には不満足であることが見出されている。一般的に不満足な結果は、固化した製品の内部結合力が低いこと又は一致しないことに起因する（Lim氏らの米国特許第 5,217,665 号明細書参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記に注目される通り、フェノールホルムアルデヒド樹脂は、使用するのに非常に安価である。この様に、製品が例えば高い内部結合力、寸法安定性、耐久性等の適する特性を首尾一貫して有するように、適度な圧縮時間でフェノールホルムアルデヒド樹脂を使用して複合板製品を製造する方法が必要とされている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ゆっくり硬化する、アルカリ性の低いフェノールホルムアルデヒド（ＰＦ）バインダーで処理された木質繊維から、木質複合板、特には外装グレードの板を製造する方法である。本発明の方法は、ゆっくり硬化する、アルカリ性の低いフェノールホルムアルデヒドバインダーで処理された木質繊維からマットを形成させるステップ、そのマットを予備加熱するステップ、及び、高圧蒸気注入、プラテン加熱及びプラテン圧力の組み合わせによって、処理されたマットを硬化及び固化させるステップを有する。本発明において、予備硬化は、ゆっくり硬化するＰＦ樹脂を使用することによって避けられる一方、短い圧縮サイクルは、高圧蒸気注入の素早い熱転位で、ＰＦ樹脂の遅い硬化速度及び高い硬化温度を打ち消すことによって、達成される。圧縮サイクルは、マットを予備加熱することによって、更に短縮され得る。この様に、ＰＦで結合された複合板は、ＵＦ又はＭＤＩで結合された板と比較され得る圧縮サイクルで製造され得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明によると、木質複合板は、ゆっくり硬化し、アルカリ性の低いフェノールホルムアルデヒド（ＰＦ）バインダーで処理された木質繊維から形成されるマットから製造される。マットは、予備加熱し次いで蒸気注入されることからなる圧縮サイクルで、硬化させられ、固化させられる。
【００１７】
従来の手段で製造される木質繊維は、硬化されていない、ゆっくり硬化し、アルカリ性の低いフェノールホルムアルデヒド樹脂で処理される。適する市販されている樹脂の例としては、GP99C28及びGP58C38等が挙げられる。両方とも、ジョージア州アトランタのGeorgia Pacific社によって製造されている。特にGP58C38が、優れた結果を示した。
【００１８】
好ましい実施形態において、樹脂は、３８０℃の硬化温度を有する。しかしながら、樹脂の硬化温度は、限定されるものではないが、処理される物質のタイプ、粒径、マットの厚み、水分含量等の変数によって影響される。本発明の文脈において、ゆっくり硬化する樹脂は、２０分より長い沸騰水ゲル化時間を有する樹脂である。沸騰水ゲル化時間は、２１２°Ｆで樹脂の硬化速度を測定する、標準的な樹脂の試験によって測定される。沸騰水ゲル化時間は、様々な樹脂のタイプ及び配合の相対硬化速度を確立するのに使用される。しかしながら、特定の樹脂の硬化速度は、それが塗工される物質、樹脂コーティングの厚み、硬化される物品の厚み、水分等の外因によって影響される。この様に、ゆっくり硬化するＰＦ樹脂は、２０分よりも幾分短い沸騰水ゲル化時間を有する。好ましくは、沸騰水ゲル化時間は、２０〜６０分の範囲である。
【００１９】
得られる複合板の吸水性を低くするために、樹脂のアルカリ性は２．５％未満であるのが好ましい。樹脂のｐＨは、１０未満である。
【００２０】
樹脂で処理されたリグノセルロース物質は、繊維質マットに形成される。繊維質マットは、蒸気注入に適合させられた圧縮機に装填される。好ましくは、圧縮機は、対峙する圧縮プラテン間で画定される圧縮キャビティーを有するタイプである。圧縮プラテンは、樹脂の硬化温度より高い温度まで加熱される。加えて、圧縮プラテンの少なくとも１つは、蒸気注入が可能なように適合させられている。
【００２１】
マット内で続く蒸気使用の凝縮を防止するために、繊維質マットは、２１２°Ｆ（１００℃）以上の温度まで、予備加熱されるのが好ましい。繊維質マットは、圧縮機内にマットを装填する前に、予備加熱チャンバー内で、例えば、マットを蒸気等の熱いガスに晒すことによって、予備加熱され得る。その代わりに、マットを圧縮キャビティーに装填し、蒸気に晒すことによって、又は、圧縮キャビティーを形成する圧縮プラテンからの熱の伝導によって、予備加熱され得る。第１の圧縮機内での予備加熱操作において、圧縮機は開いたまま、マットの厚み中に蒸気が浸透していることを示す２１２°Ｆの温度に、マットの上面が到達するまで、低圧蒸気をマットの底に導入する。この代わりに、圧縮キャビティーを密閉して、マット中の水分を蒸気に変えるために、マットに圧縮プラテンから熱を伝導させながら、マットを一定時間保持させる。続いてマット中で強められた蒸気圧力を抜くことで、マットの過剰の水分及び空気が取り除かれ、好ましくは少なくとも２１２°Ｆまでマットの温度を上げるために、マットの厚みに渡って均一に熱が浸透するのが確実にされる。他の代わりの予備加熱法では、圧縮キャビティーを密閉して、マットは例えば５０psiの低圧蒸気に一気にあてられる。再度、続いてマット中で強められた蒸気圧力を抜くことで、マットの過剰の水分及び空気が取り除かれ、好ましくは少なくとも２１２°Ｆまでマットの温度を上げるために、マットの厚みに渡って均一に熱が浸透するのが確実にされる。
【００２２】
この最初のマットの予備加熱に続いて、密閉され、閉じられた圧縮機内で、ＰＦ樹脂を硬化させるのに充分な高圧蒸気注入サイクルが行なわれる。好ましい実施形態において、マットを３８０°Ｆの温度にするために、２００psiの圧力で５０〜９０秒間、蒸気が供給される。しかしながら、蒸気は、１００psiの圧力で３０〜１２０秒間より長く、蒸気が供給されてもよい。マットは、高圧蒸気注入の前、間又は後のいずれかで、圧力下で固化され得る。板の厚みに渡って所望の密度のプロフィールを生じさせるために、高圧蒸気注入に対して、圧力下での固化のタイミングが選択される。均一な密度のプロフィールは、圧縮機を閉める前にマットに蒸気を注入することによって得られる。低めの密度の中心部上に高密度の表面を示す密度プロフィールは、マットを完全に固化した後、蒸気を注入することによって得られる。圧力固化のタイミングに対して、蒸気注入のタイミングを制御することによって、いかなる数の密度プロフィールでも得られ得る。
【００２３】
樹脂の固化及び硬化後に、密閉された圧縮機を、排気して、固化され硬化されたマット中に強められた蒸気圧力を軽減させる。圧縮機を開けて、複合板を取り出す。
【００２４】
試料の０．５インチ厚みの板を、公知の方法によって従来の圧縮機、及び、本発明の方法によってＰＦ樹脂を使用して密閉された圧縮機で、調製した。特性の比較を、下記表１に要約する。米国硬質板協会（The American Hardboard Association）の基準を、その表１の右手欄に列挙する。
【００２５】
【表１】

【００２６】
「１時間の煮沸膨れ」は、１時間沸騰水中に１インチ×１２インチの板からなる試料を浸水した後に、板の厚みの変化割合を計算することによって、複合板製品の相対的な耐性を決めるための、発明者によって使用された試験である。沸騰水から取り出した後、板状試料の厚みは、測定され、煮沸前の板状試料の厚みと比較される。測定間の差異は、変化の割合を計算するために使用される。
【００２７】
表１の比較データーの結果により、本発明に従ってＰＦ樹脂を使用して製造された密閉され圧縮された製品試料は、顕著に改良された（低めの）煮沸膨れ及び耐腐食性、低めの比重（密度）、後圧縮加湿を減らすか又はなくすこと、並びに、顕著に短めの圧縮時間を示すことが、示されている。
【００２８】
後圧縮加湿を減らすか又はなくすことは、従来の圧縮と比較して、本発明の重要な利点である。製造後の複合板製品の水分含有量における変動は、例えば製品の線状膨張又は湾曲等の望まれない寸法変化を引き起こすことが知られている。典型的な末端での使用に晒されている間に、製品は、例えば湿度、雨、渇水等の環境因子に基づいて、水分を吸ったり、失ったりする。末端での使用に晒されている間の望まれない寸法変化を避けるために、複合板製品は、水分含有量の変動を最小限にするために、特定の地理的又は気候上の地域に適するレベルまで、製品の平均水分含有量を高めるために、従来の圧縮法の後、加湿されるのが典型的である。後−圧縮加湿は、複合板製品に水分含量を加える。後−圧縮加湿は、従来の熱プラテン圧縮で製造された製品では、特に重要であり、それは圧縮の間に「作り上げられた」実質的に全ての水分を有し、その結果ほぼ０％の水分量で圧縮機を出る。
【００２９】
複合木質製品の理想的な水分含量は、典型的には、環境的に乾燥した地域では、７％（２％の範囲をもって）であり、環境的に湿った地域では、１２％以上であるべきである。上記に注目される通り、本発明によって製造された板の水分含量は、４〜８％である。従って、本発明によって製造された板は、殆ど又は全く後−圧縮加湿なしで、様々な気候の内部又は外部用途に特に適する。板状製品に企図されている用途としては、限定されるものではないが、トリムボード、垣根の材料、サイジング、陸屋根、窓及びドア部材、家具工業用の収納家具基板、パレット及びコンテナー、内装成形品及び木工所の製品、見晴台部品、シャッター等の装飾品、並びに、壁面羽目板及び壁面システム等が挙げられる。多くの他の用途もまた、特に断りが無い限り、企図されることが理解されるであろう。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態が、説明の目的で開示されているが、当業者は、特許請求の範囲によって定義される本発明の概念及び精神から逸脱しない限り、多くの付加、修飾、及び、置換が可能であることを理解するであろう。

Claims (15)

1. 複合木質製品の製造方法であって、
   硬化されていない２０分より長い沸騰水ゲル化時間を有するフェノールホルムアルデヒドバインダーで処理された、木質粒子を備えるマットを形成させ、前記バインダーのアルカリ度が、２．５％未満であり、ｐＨが１０未満であるステップと、
   マットを固めるステップと、
   バインダーを硬化させるのに充分な圧力及び時間で、マットに蒸気を供給するステップと、
   マットから過剰の圧力を抜くステップと、を備えることを特徴とする複合木質製品の製造方法。
2. 複合木質製品の製造方法であって、
   硬化されていない２０分より長い沸騰水ゲル化時間を有するフェノールホルムアルデヒドバインダーで処理された、木質粒子を備えるマットを形成させ、前記バインダーのアルカリ度が、２．５％未満であり、ｐＨが１０未満であるステップと、
   第１及び第２の圧縮プラテンとの間に画定される圧縮キャビティー中に、前記マットを置くステップと、
   前記圧縮キャビティーを密閉するステップと、
   前記第１及び第２の圧縮プラテンの少なくとも１つを、前記第１及び第２の圧縮プラテンの他方に向かって、動かすことによって、前記マットを固めるステップと、
   少なくとも１つの蒸気孔からマットに蒸気を供給するステップであって、前記蒸気が、バインダーを硬化させるのに充分な圧力及び時間で、供給される前記ステップと、
   前記圧縮キャビティーを開口する前に、前記マットから過剰の圧力を抜くステップと、 前記圧縮キャビティーを開口するステップと、を備えることを特徴とする複合木質製品の製造方法。
3. 複合木質製品の製造方法であって、
   硬化されていない２０分より長い沸騰水ゲル化時間を有するフェノールホルムアルデヒドバインダーで処理された、木質粒子からなるマットを形成させるステップであって、前記バインダーのアルカリ度が、２．５％未満であり、ｐＨが１０未満である前記ステップと、 前記マットを予備加熱するステップと、
   前記マットを圧縮キャビティー内で固めるステップと、
   バインダーを硬化させるのに充分な圧力及び温度並びに時間、マットに蒸気を供給するステップと、を備えることを特徴とする複合木質製品の製造方法。
4. バインダーが硬化した後に、マットから過剰の圧力を抜くステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
5. 前記マットが固められる前に、前記圧縮キャビティーを密閉するステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
6. 前記マットが固められた後に、前記圧縮キャビティーを排気するステップを更に備えることを特徴とする請求項５に記載の複合木質製品の製造方法。
7. 前記予備加熱ステップが、予備加熱チャンバーでマットを蒸気に晒すステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
8. 前記予備加熱ステップが、前記圧縮キャビティー内にマットを位置させて、かつ、前記マットに蒸気を与えるステップを更に備えることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
9. 前記予備加熱ステップにおいて与えられる蒸気が、昇圧下で与えられることを特徴とする請求項８に記載の複合木質板の製造方法。
10. 前記予備加熱ステップにおいて与えられる蒸気が、１００psi (６．９×１０ ^２ kPa) 未満の圧力で与えられることを特徴とする請求項８に記載の複合木質板の製造方法。
11. 前記予備加熱ステップにおいて与えられる蒸気が、５０psi (３．４×１０ ^２ kPa) の圧力で与えられることを特徴とする請求項８に記載の複合木質板の製造方法。
12. 前記蒸気が、１００psi (６．９×１０ ^２ kPa) 以上の圧力で、３０〜１２０秒間与えられることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
13. 前記蒸気が、２００psi (１．４×１０ ^３ kPa) の圧力で、５０〜９０秒間与えられることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
14. 前記蒸気が、マットの温度を３８０°Ｆにするのに充分な圧力で、及び、充分な時間与えられることを特徴とする請求項３に記載の複合木質製品の製造方法。
15. フェノールホルムアルデヒドバインダーが２０分〜６０分の範囲の沸騰水ゲル化時間を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。