JP4747318B2 - 再生木材の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、廃材や間伐材などのような従来は不要であった木材を利用し、これを加工して大断面木材まで製造することができる技術に係り、特にバインダに有害成分を用いずに再生木材を製造する技術に関するものである。
背景技術
木材は、建築や室内装置品などに広く利用することが可能な自然材であるが、その用途の増大によって自然木が枯渇する一方である。そして、乱伐、無計画な植林によって資材が減るだけでなく、地球環境をも悪化させる大きい要因となっている。その一方、木材廃材は生活の向上に伴って大量に発生するが、これを有効に活用しなければ単に焼却するだけにとどまってしまい、資源の無駄につながる。また、間伐材の再利用が提唱されているものの、その利用範囲は狭く、用途、品質、量とも限られている。
これを解消し、木材繊維をひも状としてこれを接着剤によって圧着し、大断面集成材や積層材等を製造する方法が公知である（米国特許第４０６１８１９号）。この構成では、接着剤としてレジンを用いている。しかしながら、レジンはその種類によっては一般的に火災などの場合には有毒ガスを発生するので、多量のレジンが構造材に用いられるのは好ましくない。また、レジンがいわゆるシックハウスの原因となることも知られており、有害要因となるレジンの使用は回避すべきである。
発明者は、これら従来の技術の課題に着目し、本発明によって、木材のバインダとして有害物質を用いることなく、廃材などを再利用して大断面木材などを再生することができる技術を開示することを目的とした。
発明の開示
本発明では、上述した目的を達成するために、小片からなる木材原料に対して天然成分を主剤料とする高分子剤のミストを噴霧し、その後に前記噴霧された原料を長手方向に整列させて加圧し、加圧状態下でスチーム加熱することによって隣合う前記木材原料同士を高分子結合させて再生木材を製造するという手段を用いることとした。ここで、高分子剤のミストは、小片の木材原料同士に含浸させて一定の条件を付与することにより、バインダとして機能する。ミストを噴霧する手段は、高分子剤を木材原料の表面に均等に付着させるための手段である。また、加圧状態は、隣合う木材原料をより強固に結合するための手段であり、さらにスチーム加熱は、木材繊維を軟化させ、さらに膨張させるために機能するものであり、これによって高分子剤を活性化させて高い結合力を生ぜしめる。ここに、高分子剤としてはリグニン、セルロース、ヘミセルロース、タンニンなどを挙げることができる。そして、この高分子剤によって木材繊維中の細胞を融合するものである。
高分子剤としてタンニンを主成分とする高分子剤を使用する手段では、タンニンがホルムアルデヒドと結合するので、ホルムアルデヒドが単独でバインダに存在することを拒絶し、有害物質の再生木材からの放出を適格に抑制する。
また、高分子剤のミストを噴霧する前に木材原料を予備加熱する手段は、木材原料によってはスチーム加熱のみでは繊維の内部まで十分に加熱されずに高分子剤が含浸しない場合があるので、予備的に原料を加熱し、高分子剤の働きをより活性化するという作用を行う。
一方、別の手段として、第１の手段におけるミスト状の高分子剤を噴霧する手段に換えて、高分子剤を塗布する手段を用いる発明も開示した。高分子剤をミスト状にして噴霧する手段では、剤の粘性が高すぎれば効果的な細かい粒径のミストを発生できないが、木材によっては粘性の高い高分子剤が要求されることがある。この場合には高分子剤を塗布する手段を採用する。また、タンニン系などの高分子剤のみでは接着剤として期待する接着力を得ることができない場合には、天然成分からなる接着剤を補強のために混合するという手段を採用することがある。さらに、タンニン系の高分子剤は一般的に濃色であるから、再生木材も色の濃い木材になってしまうが、明色の再生木材を得ようとすれば、白色の天然顔料をさらに混合する。なお、天然顔料は白色に限らず、再生木材に期待する色合いに応じて決定される。
さらに、木材原料の長手方向への整列を函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具によって行う手段は、治具の函体自体が再生木材の寸法を決定する機能を有すると同時に、高分子剤を噴霧した木材原料を整列させた状態で搬送する機能を有する。
スチーム加熱を約８０〜１２０℃の１次加熱と、これに続く１２０〜１８０℃の２次加熱とする手段では、１次加熱によって木材繊維を軟化させ、２次過熱によって繊維を膨張させるものであり、これによって高分子剤による結合を確実に行う機能を発揮する。また、小片からなる木材原料を製材機によって予め所望の寸法に成型する手段は、完成した再生木材の精度を向上させる。
さらにまた、本発明では加圧状態下でスチーム加熱することによって隣合う前記木材原料同士を結合させる工程に引き続いて、前記加圧状態を維持したままで常温附近まで空冷あるいは自然冷却による養生工程を任意選択工程として採用することとしている。本発明で予定しているタンニン系の高分子剤などは、接着力が緩やかに上昇する性質がある。従って、木材原料を加圧によって結合させた後に、潜熱を維持したままで加圧状態を解除した場合には、接着が不十分な状態で乾燥してしまい、見かけの再生木材よりも結合力が低い製品になるおそれがある。本手段では、これを回避するために加圧状態を維持しながら接着を確実とするものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付した図面に従って説明する。図１は本発明の製造方法の第１例を示した工程図であって、先ず最初の工程Ａとして、材料を準備する。この工程は再生木材を製造するに当って必須であるが、たとえば選択する材料としては廃材、間伐材など、自然の木材であれば問わない。ただし、バインダとして化学品を用いた集成材は、製造工程において好ましくない化学反応を起こすおそれがあるので、材料から排除される。なお、本発明において完成した積層材が不要になった場合にリサイクルして再利用することも含まれる。次に、第２の工程Ｂとして集荷した材料を分別・分類する。この工程では、たとえば杉材、檜材など、木材の種類に応じて選別される。また、用途などに応じて木材をミックスブレンドすることも可能である。続いて、第３の工程Ｃでは分別・分類した材料を製材機によって加工し、１次原料とする。これは、後の工程において１次材料を積層する際にある程度は材料の大きさなどを統一しておくことが好ましいからである。例えば、この工程では建築解体物を材料とする場合には、くぎ抜き、金物撤去、接着剤やペイントの除去を行い、必要に応じて洗浄し、プレナー処理を行うことが例示される。一方、材料が山林伐採によって得られた間伐材の場合には、樹皮をはぎ、必要に応じてプレナー処理を行う。材料については大きさや長さを厳密に統一する必要はなく、長短混ざった材料を積層することを排除するものではない。１次材料の形状としては、ストランド状、チップ状、細めの丸太状、あるいはベニヤ状など、特に限定するものではない。なお、間伐材の工程において剥がされた樹皮にはタンニンが多量に含まれている素材もあるので、後述するように接着剤として利用するためにタンニンを抽出することもある。
次に、これらの材料は配送コンベアによる配送工程Ｄによって高周波加熱槽に搬送され、予備加熱のために高周波を照射される（工程Ｅ）。そして、予備的に加熱された材料に対してバインダとして作用する高分子剤を噴霧する（工程Ｆ）。高分子剤は材料表面に対して均一に付着させることが好ましいので、ミスト状で噴霧する。その後、材料を整列させて積層するために、これら材料を治具に投入し（工程Ｇ）、高圧の加圧状態下で８０〜１２０℃の１次加熱と、これに続く１２０〜１８０℃の２次加熱からなるスチーム加熱を行う（工程Ｈ）。そうすると、加圧状態の下で高分子剤が作用し、隣合う材料同士の繊維細胞を結合することになる。治具は積層材の外形・寸法を決定するものであり、治具内で加圧されているので、完成した積層材は治具のサイズに応じたものとなる。なお、高周波加熱槽は、１次材料の内部組織までも均等に加熱することを目的とするものであるから、１次材料が比較的薄いストランド状のものや、薄いベニヤ状である場合にはこの工程を省略することもある。
なお、工程Ｅの高周波照射による予備加熱は、任意に採用される工程であって、省略することがある。すなわち、材料の性質や大きさ、厚さによっては予備加熱工程を採用した場合には内部に含んでいる水分が短時間で沸騰して爆裂するものもある。したがって、このような場合には予備加熱は積極的に省略することになる。
上述したように完成した積層材は、適宜製材が施され、所望の寸法の製材として取り扱われることになる（工程Ｉ）。なお、工程Ｆでは高分子剤を加熱した状態で噴霧するもので、工程Ｅと工程Ｆによって工程Ｈのための予備加熱工程をも構成している。
ところで、本発明において使用する高分子剤は、従来のような化学品ではなく、主に天然成分から抽出された薬剤からなっている。たとえば、原料としてタンニン系高分子などが利用される。また、これに加水することもある。加水は、後の工程におけるスチーム加熱・加圧工程Ｈでのスチーム付与のための水分を補完することを目的としている。また、加水によってタンニン系高分子エマルジョン剤の濃度を噴霧に適するように調整することも目的とする。タンニン系高分子は、たとえば「木材技術第６１号、１９８５年４月、１〜８頁」に開示されている構造があり、これらの構造はホルムアルデヒドと容易に反応するために、完成した再生木材からホルムアルデヒドが析出することを大幅に抑制することができる。
次に、スチーム加熱・加圧工程Ｈにおける条件であるが、温度条件としては１次加熱として約８０〜１２０℃とする。これは、木材軟化温度がおよそこの範囲であるからであり、木材原料を軟化させることによって高分子剤が木材繊維に十分にしみわたり、隣合う材料同士を強固に結合するからである。そして、これに続いて２次加熱として、前記５〜１０ｔの加圧状態を維持したまま、１２０〜１８０℃の木材膨張温度に昇温する。これによって繊維を膨張させて、加熱によって隣合う前記木材原料同士間でタンニンを基剤とした高分子結合反応を生じさせて繊維細胞を強く結合させている。
図２は、本発明方法を達成するために用いる装置の概略を示したものである。図中、１は原材料の製材機であり、図１における工程Ｃに対応している。２は高周波加熱槽であり、同様に図１の工程Ｅに対応する。３は高分子剤の噴霧機であり、図１の工程Ｆに対応する。そして、４は治具である。治具４は図面上において左右方向に移動可能に構成されており、一方側には高圧の加圧状態で蒸気を付与するための高圧スチームタンク５が接続しており、他方側には治具４から製材を取り出すための搬出口６に接続されている。
図３ａおよび図３ｂは治具４の具体的実施形態の一例であって、図３ａは先ず製材した後の１次原料を治具４の函体４ａに落とし込み、１次原料を長手方向に整列させた後に振動機（図示せず）によって前後左右に振動を与え、原料の方向を最終的に整列させ、大きく空隙が生じないようにする。そして、図３ｂに示すように油圧プレス４ｂなどを用いて所定の圧力を印加する。この状態で高圧スチームタンク５に導入し、繊維間の結合を行うのである。
なお、本実施形態では治具４を移動させて高圧スチームタンク５内に導入するように説明しているが、逆に高圧スチームタンク５を移動可能とし、治具４は固定式にすることも可能である。必要なことは、先ず治具４において１次原料を整列させて加圧し、その後に前記加圧状態下でスチームを供給することであり、装置の何れを移動させるかということは本発明の本質には直接影響するものではない。
次に、本発明方法を達成するための第２例を図４として示す。この例は、図１に示した第１例の工程中、高周波照射工程Ｅを省略することがあるのは、第１例と同様である。そして、第２例では第１例のミスト状の高分子剤の噴霧工程Ｆに換えて、高分子剤をローラやロータで直接材料に塗布する高分子塗布工程ＦＦを採用した。その他の工程は第１例と同様である。第１例において高分子剤をミスト状にするためには、粘性の低いエマルジョンなどを採用する必要があるが、この場合には接着性を極度に高めることは困難である。そのために、タンニン系の接着剤のみでは接着力が弱い場合には第２例の塗布工程ＦＦを採用する。そして、接着力を高めることを目的として、タンニンに対してカゼインなどの天然の接着成分を混合することがある。カゼインは動物性の蛋白質なのでそれ自身ではカビの発生が問題になるが、タンニンに殺菌、滅菌作用があるためにカビの発生や腐敗を防止することができる。また、タンニンは一般的に色調が濃色であり、再生した木材もタンニンの色調に影響されて濃色の木材になってしまう。したがって、用途に応じて明るい色調の再生木材を得ようとするのであれば、上記接着剤にさらに天然顔料を混合することがある。顔料は白色のものを用いれば木材は白木に似た色合いになるが、別の色彩を望むのであれば色は限定されるものではない。なお、顔料は水に溶解しない性質があるので、これを混合することによって再生木材表面を顔料で被覆することになり、耐水性を向上させる効果も得ることができる。
続いて、図１あるいは図４に示した例では、スチーム加圧による結合工程Ｈによって再生木材はほぼ完成するものとして説明した。しかしながら、例えば図３の装置を用いてスチーム加圧した再生木材を即座に外部温度雰囲気に曝した場合には、急激な熱傾斜によって木材にゆがみが生じることがある。また、タンニン系の高分子剤を主とする接着剤は接着性が緩やかに強力になる性質であるから、強固な接着性が出現する前に四周の拘束を解除した場合には、確実な接着ができない可能性もある。従って、本実施形態では結合工程Ｈに続いて、前記函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具による加圧状態を維持したままで常温に近い状態まで冷却するという養生工程を追加することとした。なお、冷却のための養生工程としては、水冷は避けるべきである。即ち、水冷を採用すれば未だ効果を発揮していない高分子剤が流出してしまうからである。そのため、養生工程は空冷あるいは自然冷却を採用する。
本発明では、小片からなる木材原料に対して天然成分を主材料とする高分子剤のミストを噴霧し、その後に前記高分子剤を噴霧された原料を、函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具によって、長手方向に整列させて、繊維間の結合を行う所定の圧力を印加することで高圧の加圧状態とし、その後にこの加圧状態の下で、８０〜１２０℃の１次加熱と、これに続く１２０〜１８０℃の２次加熱からなるスチーム加熱をすることによって、前記１次加熱によって木材繊維を軟化させて高分子剤を木材繊維内にしみわたらせ、前記２次加熱によって繊維を膨張させて、加熱によって隣合う前記木材原料同士間でタンニンを基剤とした高分子結合反応を生じさせて繊維細胞を強く結合させ、これを、前記函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具による加圧状態を維持したままで常温附近まで空冷あるいは自然冷却させて隣合う前記木材原料同士を結合させて再生木材を製造するようにしたので、従来は廃材として廃棄処分されていた天然木材を有効に再利用することが可能となる。また、木材原料同士は天然成分を主原料とする高分子剤によって結合しているので、有害成分の含有はなく、再生木材自体をも再利用することが可能であり、いわゆるリサイクル製品として極めて有効な活用が可能となる。
また、高分子剤としてタンニンを主成分とする高分子剤を使用する場合には、タンニンがホルムアルデヒドと反応するので、完成した再生木材にはホルムアルデヒドが単体で存在することを阻害し、これを用いた場合でもホルムアルデヒドの析出はほとんどなくなる。したがって、内装材に用いた場合でも、いわゆるシックハウスの原因となることを確実に回避することができる。
さらに、高分子剤のミストを噴霧する前に木材原料を予備加熱するようにしているので、高分子剤は木材原料の内部まで含浸させることができ、強い結合力を発生することが可能となる。さらにまた、木材原料の整列などに専用の治具を用いているので、この治具において加圧および成型が可能となる。
さらにまた、スチーム加熱を約８０〜１２０℃の１次加熱と、これに続く１２０〜１８０℃の２次加熱という２段階に設定したので、１次加熱によって繊維を確実に軟化させ、さらに２次加熱によって繊維を確実に膨張させることができ、高分子剤の作用をいかんなく発揮させることができるようになるなど、本発明の効果は非常に高いものである。
一方、第１の発明において高分子剤をミスト状にして噴霧した工程に換えて高分子剤を塗布するようにした発明では、粘性の高い高分子剤にも適用することができる。また、塗布工程であるから高分子剤にさらに接着力を期待する場合には天然成分の接着剤を混合することができ、再生木材の色調を整えるために天然顔料を混合することも可能になる。そして、天然顔料を混合した場合には種々の色調の再生木材を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は 本発明の製造方法の一連を示した工程図、第２図は本発明の製造方法に用いる装置の一例を示す概略図、第３図は本発明に用いる治具の一例を示す斜視図、第４図は本発明の第２の製造方法の一連を示した工程図である。

Claims (5)

1. 小片からなる木材原料に高周波を照射して予備加熱し、加熱した木材原料に対してタンニンを主成分とする高分子剤のミストを噴霧し、その後に前記高分子剤を噴霧された原料を、函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具によって、長手方向に整列させて、繊維間の結合を行う所定の圧力を印加することで高圧の加圧状態とし、その後にこの加圧状態の下で、８０〜１２０℃の１次加熱と、これに続く１２０〜１８０℃の２次加熱からなるスチーム加熱をすることによって、前記１次加熱によって木材繊維を軟化させて高分子剤を木材繊維内にしみわたらせ、前記２次加熱によって繊維を膨張させて、加熱によって隣合う前記木材原料同士間でタンニンを基剤とした高分子結合反応を生じさせて繊維細胞を強く結合させ、これを、前記函体およびこの函体の開口部からのプレスを備えた治具による加圧状態を維持したままで常温附近まで空冷あるいは自然冷却させて再生木材を製造する再生木材の製造方法。
2. 高分子剤には、さらに天然成分からなる接着剤を混合した請求項１に記載の再生木材の製造方法。
3. 高分子剤には、さらに天然顔料を混合した請求項１または２に記載の再生木材の製造方法。
4. 高分子剤を噴霧された木材原料を函体に落とし込み、当該木材原料を長手方向に整列させた後に前後左右に振動を与え、原料の方向を最終的に整列させ、大きく空隙が生じないようにし、この整列させた状態で前記所定の圧力を印加する請求項１〜３のいずれか記載の再生木材の製造方法。
5. 小片からなる木材原料は、製材機によって予め所望の寸法に成型された請求項１〜４のいずれか記載の再生木材の製造方法。

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