JP4445991B2 - 木質材料用不燃化薬剤及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、住宅や店舗、その他建築構造物の内外装に利用される木材を不燃化する木質材料用不燃化薬剤と、その製造方法とに関する。

平成１０年度に建築基準法が改正になり、一定の性能を満たせば、木質材料も不燃材料としての認定が受けられるようになった。それ以降、木質材料の不燃化に関する研究開発が盛んになった。
木質材料の不燃性能の評価方法の一つとして、コーンカロリーメータを用いた発熱性試験が規定されている。かかる評価方法において不燃の基準を満たすには、同装置による２０分間の加熱試験において以下の３つの基準を満たす必要がある。
第１の基準：総発熱量が８ＭＪ／ｍ² 以下であること。
第２の基準：防火上有害な裏面まで貫通する亀裂および穴がないこと。
第３の基準：最高発熱速度が１０秒以上継続して２００ｋｗ／ｍ² を超えないこと。

かかる第１から第３の３つの基準を満たすためには、木質材料中にかなり大量の薬剤を導入する必要がある。この木質材料中に大量の薬剤を導入するためには、高濃度の溶液を調製するか、特許第３５３８１９４号に記載されているように、木質材料への薬剤の含浸と、薬剤が浸透した木質材料の乾燥を複数回繰り返すことが必須となる。高濃度の溶液を得る方法としては、リン酸やリン酸の無機化合物など溶解度が極めて高い薬剤を使用するか、あるいは特開２００６−２１９３２９に記載されているように処理溶液を加温する、またあるいは、複数の薬剤を用いて溶解度を高めることを挙げることができる。

一方、複数の薬剤を混合して溶解度を高める方法としては以下のような方法が知られている。
（１）特開２００６−０８２５３３のように炭酸水素ナトリウムを添加することによりホウ素系化合物の濃度を高める方法。
（２）特開２００７−０９０８３９のように水酸化ナトリウムあるいは水酸化カリウムでｐＨを調整してホウ酸を高濃度に溶解させる方法。
（３）特開平０８−０７３２１２のようにＥＤＴＡやクエン酸などのキレート剤を使ってホウ素系化合物の溶解度を高める方法。
（４）特開平０３−２２３２０５や特開平０７−０８８８０８のように有機アミンを用いてホウ素化合物を高濃度に溶解する方法。

特許第３５３８１９４号 特開２００６−２１９３２９ 特開２００６−０８２５３３ 特開２００７−０９０８３９ 特開平０８−０７３２１２ 特開平０３−２２３２０５ 特開平０７−０８８８０８ 北海道立林産試験場報 第１３巻 第２号 ８〜１４ページ

しかしながら、上述した方法のうち、特許第３５３８１９４号のように、木質材料への薬剤の含浸と、薬剤が浸透した木質材料の乾燥を複数回繰り返す方法では、処理期間が極めて長くなるという致命的な欠点がある。

また、高濃度の溶液を得るために、溶解度が高いリン酸やリン酸の無機化合物などを使用する方法には、リン酸やリン酸の無機化合物などの極めて高い吸湿性のため、それで処理された木質材料が空気中の湿気を多量に吸い込み、それによって薬剤が滲み出すという大きな欠点を有している。

さらに、その薬剤の滲み出しを抑制するために、木質材料の表面に塗装などの表面コーティング膜を形成するが、薬剤の滲み出しは表面コーティング膜にも悪影響を及ぼし、剥離や亀裂が短時間で発生することになる。すなわち、リン酸やリン酸の無機化合物などを用いた高濃度の溶液を木質材料に導入する方法は、リン酸やリン酸の無機化合物などがもっている極めて高い吸湿性のため、現実には実施できないものである。

また、特開２００６−２１９３２９に記載されているように処理溶液を加温することで、溶解度を高め、高濃度の溶液を得ることは難しいことではないが、木質材料への含浸等の処理時にも加温が必要で、作業が煩雑になり、装置も複雑なものとなる。したがって仮に実用化されたとしても、製造コストが高くなると考えられる。

また、ホウ素系化合物の溶解度を高めるために用いられている薬剤はいずれも、吸湿性が高く、処理後にも木質材料中に全てが残存するために、それで処理された木質材料は著しく重く、吸湿性も高く、自ら吸った湿気で薬剤が滲み出すという現象が生じる。また、（３）や（４）の方法で用いられている薬剤は有機物で加熱時には発熱があると考えられ、不燃性の発現を目的とする処理薬剤としてはその添加は好ましいものではない。ちなみに（４）の薬剤は防虫を主な目的としたものであるが、それを防火薬剤として用いた研究では、所期の目標を達成することができなかった旨の報告（北海道立林産試験場報 第１３巻 第２号 ８〜１４ページ) がある。

このように、従来公知となっている不燃処理薬剤により処理された木質材料は、いずれも吸湿性が決めて高く、空気中の湿気を吸い込み、それが原因で薬剤の滲み出しや塗装等の表面コーティング膜の剥離や亀裂が発生することから、使用環境が著しく制約されるという基本的な問題を含んでいた。
このため、不燃木質材料の吸湿性を抑制できれば、その用途は飛躍的に拡大すると考えられ、その処理技術の確立が強く望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、処理期間が短く、加工装置も簡単で加工作業も容易で、吸湿性に起因する表面コーティング膜等に悪影響を及ぼす木質材料用不燃化薬剤の木質材料からの滲み出しが発生することがない木質材料用不燃化薬剤、この木質材料用不燃化薬剤の製造方法、木質材料の不燃化方法及び不燃化木質材料を提供することを目的としている。

本発明に係る木質材料用不燃化薬剤は、水に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤が溶解されるとともに、リン酸系不燃薬剤が単独の溶解度以上溶解されており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩である。

さらに、前記アンモニウム系薬剤としては、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムのいずれか、あるいは両者の混合物を用いる。

一方、本発明に係る木質材料用不燃化薬剤の製造方法は、水にリン酸系不燃薬剤を単独の溶解度以上に混ぜる工程と、この水に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤を溶解させて、リン酸系不燃薬剤を水に溶解させる工程とを有しており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩である。

また、本発明に係る木質材料用不燃化薬剤の製造方法は、水にリン酸系不燃薬剤を単独の溶解度以上に混ぜる工程と、この水に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤を溶解させて、リン酸系不燃薬剤を水に溶解させる工程とを有しており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩である。

発明者は、このような状況下にあって、できる限り簡便な手法により、不燃木質材料の吸湿性を抑制する技術を開発すべく検討を重ねてきた。既知の事実により、有機アミンや第４級アンモニウム塩の存在下で、ホウ素系化合物が溶解度をはるかに超えて溶解することは明らかであり、無機アンモニウム塩においても同様の効果が得られるであろうことは推察できた。ここでは、その吸湿性が問題となるので、処理後の木質材料にそれが残存しなければ、全て問題が解決すると思われた。

化学大辞典（共立出版株式会社、昭和４６年 縮小版第１１刷発行) の第５巻、「炭酸アンモニウム」の項には、「加熱すれば５８℃で分解する。水溶液は７０℃で分解してアンモニアと二酸化炭素と水になる。市販の炭酸アンモニウムはＮＨ ₄ ＨＣＯ ₃ ・ＮＨ ₄ ＣＯ ₂ ＮＨ ₂ の組成をもった白色結晶で、熱すれば昇華する。」とあった。また、「炭酸水素アンモニウム」の項には「３５〜６０℃でアンモニアと二酸化炭素および水に分解する。」とあった。

アンモニウム塩は一般に吸湿性が高いが、これらのどちらか、あるいは両者の混合物を用いて不燃薬剤を所定の濃度に溶解し、木材中に持ち込んだ後、所定の温度をかけることで木材中から分解除去すれば、軽量で吸湿性のない不燃木質材料が製造できると推量した。後述するように、その後いくつもの実験を行い、その製造方法を確立し、本発明を完成するに至った。

（１）木質材料用不燃化薬剤
水５００ｍｌに加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤としての炭酸水素アンモニウム１００ｇを溶解させた後、リン酸系不燃薬剤としてのリン酸グアニル尿素１５ｇ、リン酸グアニジン２８５ｇからなる有機リン酸塩混合物３００ｇを投入し、約３０℃に水温を保ちながら撹拌した結果、有機リン酸塩混合物は全てが溶解して、透明な溶液（木質材料用不燃化薬剤）が得られた。
なお、リン酸グアニジンの２０℃での溶解度は１５．５ｇ／１００ｍｌであるので、炭酸水素アンモニウムが溶解された水５００ｍｌに、リン酸グアニジンが２８５ｇも溶解したのは、単独の溶解度以上に水に溶解させていることになる。
（２）試験材
本実施例における試験材は、６０℃で十分に乾燥させた密度０．２９ｇ／ｃｍ ³ のスギ辺材板目板（厚さ１５ｍｍ、板幅１２０ｍｍ、繊維方向の長さ１２０ｍｍ）である。
（３）試験材への木質材料用不燃化薬剤の浸透、加熱乾燥
かかる試験材を前記木質材料用不燃化薬剤中に沈め、加圧式注入缶を用いて、約５０ｈＰａの減圧を４５分、続いて約１．２ＭＰａの加圧を１．５時間という条件で含浸し、送風式の乾燥機を用いて、６０℃で恒量になるまで乾燥させた。
その結果、試験材の重量増加率は、１０３％となった。乾燥後の試験材にはアンモニア臭は全くなく、加熱乾燥工程において炭酸水素アンモニウムが完全に除去されたことが確認された。これは、炭酸水素アンモニウムが、加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤であるため、両試験材から加熱乾燥時にガス化して蒸散したためと考えられる。また、加熱乾燥後の試験材の重量増加率から推定しても、加熱乾燥後の試験材中に炭酸水素アンモニウムが残存しているとは考えられない。
（４）試験材に対する発熱性試験
次いで、かかる試験材を２３℃で相対湿度５０％の恒温恒湿器中で調湿した後に、コーンカロリーメータによる２０分間の発熱性試験を行った。
その結果、試験材の総発熱量は６．４０ＭＪ／ｍ ² となり、不燃の基準値を満たした。同条件で処理した試験材であるスギ材の３０℃、相対湿度９０％における平衡含水率は１４．６％で、無処理木材のそれより（１９．２％）もはるかに低くなった。

（１）木質材料用不燃化薬剤
水５００ｍｌに加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤としての炭酸水素アンモニウム１００ｇを溶解させた後、リン酸系不燃薬剤としてのリン酸グアニル尿素１５ｇ、リン酸グアニジン２８５ｇからなる有機リン酸塩混合物３００ｇと、ホウ酸１４ｇを投入し、約３０℃に水温を保ちながら撹拌した結果、有機リン酸塩混合物は全てが溶解して、透明な溶液（木質材料用不燃化薬剤）が得られた。
なお、リン酸グアニジンの２０℃での溶解度は１５．５ｇ／１００ｍｌであるので、炭酸水素アンモニウムが溶解された水５００ｍｌに、リン酸グアニジンが２８５ｇも溶解したのは、単独の溶解度以上に水に溶解させていることになる。
（２）試験材
本実施例における試験材は、６０℃で十分に乾燥させた密度０．２９ｇ／ｃｍ ³ ならびに０．３６ｇ／ｃｍ ³ のスギ辺材板目板（厚さ１５ｍｍ、板幅１２０ｍｍ、繊維方向の長さ１２０ｍｍ）である。なお、本実施例中において、密度０．２９ｇ／ｃｍ ³ のスギ辺材板目板を第１の試験材、密度０．３６ｇ／ｃｍ ³ のスギ辺材板目板を第２の試験材とする。
（３）試験材への木質材料用不燃化薬剤の浸透、加熱乾燥
第１及び第２の試験材を前記木質材料用不燃化薬剤中に沈め、加圧式注入缶を用いて、約５０ｈＰａの減圧を４５分、続いて約１．２ＭＰａの加圧を１．５時間という条件で含浸した。そのとき、前記木質材料用不燃化薬剤の試験材への浸透性は良好であり、理論最大値どおりの注入量を得た。
次いで、第１及び第２の試験材を送風式の乾燥機を用いて、６０℃で恒量になるまで乾燥させた結果、第１の試験材の重量増加率は１０５％、第２の試験材の重量増加率は９０．２％となった。
乾燥後の第１及び第２の試験材にはアンモニア臭は全くなく、加熱乾燥工程において炭酸水素アンモニウムが完全に除去されたことが確認された。これは、炭酸水素アンモニウムが、加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤であるため、両試験材から加熱乾燥時にガス化して蒸散したためと考えられる。
また、第１及び第２の乾燥後の試験材の重量増加率から推定しても、乾燥後の試験材中に炭酸水素アンモニウムが残存しているとは考えらない。
（４）試験材に対する発熱性試験
次いで、２３℃で相対湿度５０％の恒温恒湿器中で調湿した後に、コーンカロリーメータによる２０分間の発熱性試験を行った。
その結果、総発熱量は第１の試験材では４．８０ＭＪ／ｍ ² 、第２の試験材では６．２０ＭＪ／ｍ ² となり、ともに不燃の基準値を満たした。同条件で処理した試験材であるスギ材のの３０℃、相対湿度９０％における平衡含水率は１５．５％で、無処理木材のそれより（１９．２％）もはるかに低くなった。

（１）木質材料用不燃化薬剤
水５００ｍｌに加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤としての炭酸水素アンモニウム１００ｇを溶解させた後、リン酸系不燃薬剤としてのリン酸グアニル尿素及びリン酸グアニジンからなる有機リン酸塩混合物３００ｇを投入し、約３０℃に水温を保ちながら撹拌した結果、有機リン酸塩混合物は全てが溶解して、透明な溶液（木質材料用不燃化薬剤）が得られた。なお、これは上述した実施例１における木質材料用不燃化薬剤と同様のものである。
（２）試験材
本実施例における試験材は、６０℃で十分に乾燥させたスギ辺材板目板（厚さ１２ｍｍ、板幅７０ｍｍ、繊維方向の長さ１５０ｍｍ）である。
なお、本実施例においては、ウエザメータによる塗膜の耐候性試験では、１５ｍｍ×１５０ｍｍの大きさの板材が要求され、かつウエザメータには厚い板を入れることができないので、１２ｍｍ厚のものとした。
（３）試験材への木質材料用不燃化薬剤の浸透、加熱乾燥
かかる試験材を前記木質材料用不燃化薬剤中に沈め、加圧式注入缶を用いて、約５０ｈＰａの減圧を４５分、続いて約１．２ＭＰａの加圧を１．５時間という条件で含浸し、送風式の乾燥機を用いて、６０℃で恒量になるまで乾燥させた。
（４）試験材に対する耐候性試験
次いで、２３℃で相対湿度５０％の雰囲気中で調湿後、試験材の表面を♯２４０のサンドペーパーで軽く研削した後、耐候性クリア塗料（日本ペイント（株) 製のファインウレタンＵ）を、メーカーのカタログに示された条件にしたがって塗布した。
この耐候性クリア塗料を塗布して一定期間養生後、クロスカット法（碁盤の目テープ法）による塗膜の付着性試験および、スーパーキセノンウェザメータによる耐候性試験を実施した。その結果、碁盤の目テープ法による塗膜の付着性試験では分類０（傷の縁が完全に滑らかでどの格子の目も剥がれていない状態）となった。
また、ウェザメータ１０００時間後にも塗膜には亀裂や剥離が観察されなかった。
すなわちこの木質材料用不燃化薬剤が含浸、乾燥された試験材の塗膜の付着性や耐候性は、極めて良好であることが分かった。
なお、クロスカット法（碁盤の目テープ法）とは、ＪＩＳＫ５６００−５−６に定められた塗膜の付着性能を評価する試験方法であって、１乃至２ｍｍの間隔で縦横に塗膜を傷つけ、これにセロファンテープを貼り付けた後、一気にセロファンテープを剥がしとることで塗膜の付着性能を評価する方法をいう。

次に、上述した実施例に対する比較例を挙げる。

比較例１
（１）木質材料用不燃化薬剤
水５００ｍｌにリン酸アンモニウム１００ｇを溶解させた後、リン酸グアニル尿素とリン酸グアニジンからなる有機リン酸塩混合物２５０ｇを投入し、約３０℃に水温を保ちながら撹拌した結果、リン酸グアニル尿素とリン酸グアニジンからなる有機リン酸塩混合物は全てが溶解して、透明な溶液（木質材料用不燃化薬剤）を得た。
なお、この比較例１における木質材料用不燃化薬剤は、前記実施例１における木質材料用不燃化薬剤での炭酸水素アンモニウムの代わりにリン酸アンモニウムを用いたものである。
（２）試験材
本比較例における試験材は、６０℃で十分に乾燥させた密度０．３４ｇ／ｃｍ ³ のスギ辺材板目板（厚さ１５ｍｍ、板幅１２０ｍｍ、繊維方向の長さ１２０ｍｍ）とする。
（３）試験材への木質材料用不燃化薬剤の浸透、加熱乾燥
前記試験材を前記木質材料用不燃化薬剤中に沈め、加圧式注入缶を用いて、約５０ｈＰａの減圧を４５分、続いて約１．２ＭＰａの加圧を１．５時間という条件で含浸した。そのとき、前記木質材料用不燃化薬剤の試験材への浸透性は良好であり、理論最大値どおりの注入量を得た。
次いで、第１及び第２の試験材を送風式の乾燥機を用いて、６０℃で恒量になるまで乾燥させた。その結果、試験材の重量増加率は１３０％となり、実施例１と比較しても明らかに重たくなった。なお、実施例１での試験材の重量増加率は、１０３％である。
（４）試験材に対する発熱性試験
かかる試験材を２３℃で相対湿度５０％の恒温恒湿器中で調湿した後に、コーンカロリーメータによる２０分間の発熱性試験を行った。その結果、総発熱量は４．６８ＭＪ／ｍ ² となり、不燃の基準値を満たした。
しかし、同条件で処理したスギ材の３０℃、相対湿度９０％における平衡含水率は４６．３％で、無処理木材のそれ（１９．２％）よりもはるかに高くなり、細胞壁内に取り込まれる結合水のほか、細胞内孔には明らかに自由水が存在して、木材表面からは薬剤の滲み出しによるべたつきが認められ、調湿時に試験片の下に置いておいた濾紙を汚染した。

比較例２
（１）木質材料用不燃化薬剤
水５００ｍｌにリン酸アンモニウム１００ｇを溶解させた後、リン酸グアニル尿素とリン酸グアニジンからなる有機リン酸塩混合物２５０ｇを投入し、約３０℃に水温を保ちながら撹拌した結果、リン酸グアニル尿素とリン酸グアニジンからなる有機リン酸塩混合物は全てが溶解して、透明な溶液（木質材料用不燃化薬剤）を得た。
なお、この比較例２における木質材料用不燃化薬剤は、前記比較例１における木質材料用不燃化薬剤と同等であり、前記実施例１における木質材料用不燃化薬剤での炭酸水素アンモニウムの代わりにリン酸アンモニウムを用いたものである。
（２）試験材
本比較例における試験材は、スギ辺材板目板（厚さ１２ｍｍ、板幅７０ｍｍ、繊維方向の長さ１５０ｍｍ）である。
（３）試験材への木質材料用不燃化薬剤の浸透、加熱乾燥
前記試験材を前記木質材料用不燃化薬剤中に沈め、加圧式注入缶を用いて、約５０ｈＰａの減圧を４５分、続いて約１．２ＭＰａの加圧を１．５時間という条件で含浸した。そのとき、前記木質材料用不燃化薬剤の試験材への浸透性は良好であり、理論最大値どおりの注入量を得た。
次いで、試験材を送風式の乾燥機を用いて、６０℃で恒量になるまで乾燥させた。その結果、試験材の重量増加率は１３０％となり、実施例１と較しても明らかに重たくなった。なお、実施例１での試験材の重量増加率は、１０３％である。
（４）試験材に対する発熱性試験
試験材を２０℃で相対湿度５０％の雰囲気中で調湿後、表面を♯２４０のサンドペーパーで軽く研削後、耐候性クリア塗料（日本ペイント（株) 製のファインウレタンＵ）をメーカーのカタログに示された条件にしたがって塗布した。
この耐候性クリア塗料を塗布して一定期間養生後、クロスカット法（碁盤の目テープ法）による塗膜の付着性試験を行った。その結果は、分類４〜５で、塗膜の付着性に極めて問題があることが分かった。

すなわち、比較例１〜２によると、炭酸水素アンモニウムの代わりにリン酸アンモニウムを用いた木質材料用不燃化薬剤であると、不燃基準は満たすが、明らかに実施例１〜３に示す木質材料用不燃化薬剤を用いたものより試験材が重くなり、かつ試験材の含水率が高くなる。
これは、試験材の細胞壁内に取り込まれる結合水のほか、細胞内孔には明らかに自由水が存在することを意味しており、この自由水に起因して、試験材の表面からは木質材料用不燃化薬剤の滲み出しが生じ、これによるべたつきという不具合が発生する。
このべたつきは、調湿時に試験片の下に置いておいた濾紙を汚染することでも確認することができる。

これに対して、実施例１〜３における木質材料用不燃化薬剤では、不燃基準を満たしつつ、木質材料用不燃化方法が施された木質材料を比較例１〜２より軽くする構成することができ、最大の問題点であった木質材料用不燃化薬剤の滲み出しに起因するべたつきが発生しないことが確認された。
しかも、簡単な加圧式注入缶を用いて、木質材料用不燃化薬剤を木質材料に含浸させるものであるから、簡単に不燃化木質材料を得ることができる。
その上、クロスカット法による塗膜の付着性試験やスーパーキセノンウェザメータによる耐候性試験も良好にクリアした。すなわち、この木質材料用不燃化薬剤が含浸、乾燥された木質材料の塗膜の付着性や耐候性は、極めて良好であることが分かった。

なお、上述した各種実施例では、水に対して加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤としての炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウムを溶解させた後、リン酸系不燃薬剤としてのリン酸グアニル尿素やリン酸グアニジンを単独での溶解度以上に溶解させているが、逆に、水にリン酸系不燃薬剤を単独での溶解度以上に混ぜ、その後に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤を溶解させることで、結果としてリン酸系不燃薬剤を単独での溶解度以上に溶解させるようにしてもよいことはいうまでもない。

Claims (7)

1. 水に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤が溶解されるとともに、リン酸系不燃薬剤が単独の溶解度以上溶解されており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩であることを特徴とする木質材料不燃化薬剤。
2. 前記アンモニウム系薬剤が、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムのいずれか、あるいは両者の混合物であることを特徴とする請求項１記載の木質材料不燃化薬剤。
3. 前記有機リン酸塩は、リン酸グアニジン又はリン酸グアニル尿素であることを特徴とする請求項１又は２記載の木質材料不燃化薬剤。
4. 加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤を水に溶解させる工程と、この水にリン酸系不燃薬剤を単独の溶解度以上に溶解させる工程とを有しており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩であることを特徴とする木質材料不燃化薬剤の製造方法。
5. 水にリン酸系不燃薬剤を単独の溶解度以上に混ぜる工程と、この水に加熱によりガス化するアンモニウム系薬剤を溶解させて、リン酸系不燃薬剤を水に溶解させる工程とを有しており、前記リン酸系不燃薬剤は、チッ素を含む有機リン酸塩であることを特徴とする木質材料不燃化薬剤の製造方法。
6. 前記アンモニウム系薬剤が、炭酸水素アンモニウム、炭酸水素アンモニウムのいずれか、あるいは両者の混合物であることを特徴とする請求項４又は５記載の木質材料不燃化薬剤の製造方法。
7. 前記有機リン酸塩は、リン酸グアニジン又はリン酸グアニル尿素であることを特徴とする請求項４、５又は６記載の木質材料不燃化薬剤の製造方法。