JP4813932B2 - 繊維強化集成材 - Google Patents

Description

本発明は、木材を建築用構造材などとして使用するための繊維強化集成材に関する。

従来から、木材は、無垢材の状態で、建築用構造材として広く用いられている。木材を適正な条件で使用すれば、１０００年以上の耐久寿命があることは、各種文化遺産などの実績からも明らかである。しかし、木材は自然の環境の支配を受けて生育した樹木から得られるものであり、他の材料に比べ、構造材としては異方性であることと、不均一でかつ不定であるという著しい特徴がある（たとえば非特許文献１参照。）。また、使用条件に適合するように、充分に生育している樹木は減少しつつある。したがって、建築用構造材を、無垢材として得ることは困難になってきている。

今日では、建築用構造材として構造用集成材が用いられるようになってきている。構造用集成材は、ラミナと呼ばれる板材を積層材として重ね合せ、フェノール樹脂やレゾルシノール樹脂等で貼り合わせて、柱状に形成したものである。構造用集成材は、同一断面の無垢木材と較し、材料強度の均一性という利点がある。無垢材特有の木表、木裏がないからである。ラミナを薄くすれば、局所的に見た強度のばらつきも少なくなる。通常、構造用集成材の連結には金属製ボルト結合を使用することが多い。これは、材料強度が均一であることによる。無垢材でこのような下降を施す場合、穴あけ位置に細心の注意が必要となる。局所的な材料強度にばらつきがあるため、穴あけ位置によっては経時的に割れを生じ、後々重大な構造的欠陥を生じることとなるためである。

また、構造用集成材にすれば、材料の経時変化が少なくなる。木材は生き物であり、構造物としての完成後も、空気中の湿度変化によって微妙な変形を繰返し、年月を経てから落着く。このような現象は無垢材特有のものであり、集成材は、積層材を多数組合わせて、方向性を打消すことができ、また、積層材は元々小断面であるため乾燥させやすいからである。

さらに、集成材は経済的である。樹木を材木として有効に利用するためには、木取り図を作成し、丸太に材木の割り付けを行う。大断面の無垢材は、１本の丸太で１〜２本しか取れない。これに対し、大断面集成材の場合、積層材の断面は極めて小さく、また、集成材は長さ方向にも素材よりも長いものとすることができるので、元の樹木を無駄なく、有効に利用することができる。また、大断面集成材は、樹種さえそろえれば、小断面を組合わせて大断面にすることができるので、間伐材や端材の利用率も高くすることができる。

構造用集成材は、重量鉄骨と類似の機能を有しているけれども、比重が小さいので、軽量であるという利点がある。構造材が軽くなることは、輸送費の低減、重機選定の容易化など、施工性向上をもたらす。また、梁材は上部に使われることが多いので、軽量化による耐震性向上、構造全体の重量が軽減されることによる基礎や地盤補強の軽減なども、経済性や安全性に寄与する。

さらに、構造用集成材は火災に強いことも期待される。火災に対する強さは、必ずしも燃えるか燃えないかではない。２００１年に起きたニューヨーク貿易センタービル崩壊は、熱による鉄骨の強度低下が原因とされている。木材は燃えても、ある程度は強度を確保することができる。阪神大震災では、不燃材で覆われた木造工業化住宅で、周囲が焼け野原になっても、熱による類焼は居室内部の家具類など、裸で置かれた可燃物にとどまり、不燃材で覆われた構造体には被害が及んでいないことが報告されている。

実際に、構造用集成材は、長野オリンピックのメイン会場であるＭウェーブや、島根県の出雲ドームなど、大規模公共構造物にも使用されている。しかし、現状では、スパンが６ｍを超えると、鉄骨が構造用集成材よりも安価になり、構造用集成材の市場が制限されている。

佐藤庄五郎著、「図解木工技術 −日曜工作から専門まで−」、第２版、共立出版株式会社、昭和５８年６月１０日、ｐ．８４−１０３

構造用集成材の適用分野を拡げるためには、強度の向上を図る必要がある。一般的な構造材料等では、繊維強化複合材料が知られている。繊維強化複合材料は、繊維材料の持つ優れた機能性を引き出すため、母材の中に繊維材料を分散させて形成される。繊維材料としては、ガラスや炭素などの無機繊維や、芳香族ポリアミド（アラミド）等の有機繊維、ウイスカ、金属繊維などが用いられる。繊維強化複合材料として代表的なものは、母材として合成樹脂を用いる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が知られている。また、母材として金属やセラミックを用いる金属系複合材料やセラミック系複合材料も知られている。

構造用集成材についても、繊維材料を利用して強化することが考えられる。特に、炭素繊維は、高温でも強度の低下が少ないので、建築用材料として火災に強くなることが期待される。しかし、集成材を繊維強化複合材料の母材とすると、繊維を積層材の内部に配置することはできず、積層材間の接合部にしか配置することができない。通常の強化繊維は、複数の繊維が束の状態で撚られている糸状であり、積層材間の接合部に配置すると、局地的に高強度の糸が偏在する状態となる。高強度の糸を密に配置すれば、強化繊維の使用量が多くなって、材料費を高くしてしまう。また、糸を接合部に整列して配置する施工には、手間がかかり、加工費も高くなってしまう。

本発明の目的は、安価で容易に製造することができる繊維強化集成材を提供することである。

本発明は、相互に接合されて集成材を形成する複数の木材素材層と、
木材素材よりも高強度を有し、木材素材の層間に、開繊処理で薄く拡げられている状態で配置される帯状繊維束とを含むことを特徴とする繊維強化集成材である。

本発明に従えば、複数の木材素材層を相互に接合し、集成材を形成する。木材素材の層間には、木材素材よりも高強度を有する繊維が、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束として、配置される。集成材の木材素材層間に、開繊処理で薄く拡げられた状態の帯状繊維束を配置するので、複数の繊維をまとめて、かつ層間に分散して容易に配置することができる。繊維は拡げられているので、少ない使用量でも、層間に充分に分散させることができ、材料費や加工費を低減して繊維強化集成材を製造することができる。

また本発明で、前記帯状繊維束は、外表面から予め定める長さ以上、内部に配置されていることを特徴とする。

本発明に従えば、帯状繊維束は、繊維強化集成材の外表面から見えないので、木材としての外観を損わないようにすることができる。火災が起きても、帯状繊維束が存在する部分まで燃焼するまでに時間がかかるので、繊維強化集成材を使用する構造体の強度を保ち、建物等に残された人員が救助を待ったり避難したりする生存空間を確保することができる。

また本発明で、前記帯状繊維束は、炭素繊維で形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、炭素繊維を開繊した帯状繊維束の状態で集成材の層間に配置し、効率的に強化を図ることができる。

また本発明は、相互に接合されて集成材を形成する複数の木材素材層と、
木材素材よりも高強度を有し、木材素材の層間に形成される樹脂層とを含み、
前記樹脂層は、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束を含む熱硬化性樹脂で形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、複数の木材素材層を相互に接合し、集成材を形成する。木材素材の層間には、木材素材よりも高強度を有する樹脂層が、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束を含む熱硬化性樹脂で形成される。樹脂層は、開繊処理で薄く拡げられた状態の帯状繊維束を含むので、複数の繊維をまとめて、かつ分散して容易に熱硬化性樹脂に含むことができる。繊維は拡げられているので、少ない使用量でも、熱硬化性樹脂に充分に分散させることができ、材料費や加工費を低減して繊維強化集成材を製造することができる。

以上のように本発明によれば、木材素材よりも高強度を有する繊維を、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束として、木材素材の層間に配置して集成材を形成するので、複数の繊維をまとめて、かつ層間に分散して容易に配置し、材料費や加工費を低減して、容易に繊維強化集成材を製造することができる。

また本発明によれば、繊維強化集成材の外表面からは帯状繊維束が見えないので、木材としての外観を維持することができる。火災時には、燃焼が帯状繊維束の存在部分まで達するまで、強度を保ち、構造材として使用する建物等に残された人員が救助を待ったり避難したりする生存空間を確保することができる。

また本発明によれば、炭素繊維を有効に利用して、効率的に集成材の強化を図ることができる。

また本発明によれば、木材素材よりも高強度を有する樹脂層は、開繊処理で薄く拡げられた状態の帯状繊維束を含むので、複数の繊維をまとめて、かつ分散して容易に熱硬化性樹脂に含むことができる。繊維は拡げられているので、少ない使用量でも、熱硬化性樹脂に充分に分散させて、木材素材の層間に配置することができ、材料費や加工費を低減して繊維強化集成材を製造することができる。

図１は、本発明の実施の一形態として、複数層の木材素材１，２，３，４を積層して形成する繊維強化集成材１０の概略的な断面構成を示す。たとえば４層の木材素材１，２，３，４の層間の一部、すなわち１層目と２層目の木材素材１，２間、および３層目と４層目の木材素材３，４間には、開繊状態の炭素繊維束１１，１２，１３，…が配置される。炭素繊維束１１，１２，１３，…は、繊維強化集成材１０の外表面から深さＤ以上内部に配置される。繊維強化修正材１０の外形が１０５ｍｍ角であるとき、たとえばＤ＝２５ｍｍである。

炭素繊維束１１，１２，１３，…は、たとえば直径７μｍ程度の原糸を１２０００本程度束ねて「１２Ｋ」と呼ばれるものや、原糸を２４０００本程度束ねて「２４Ｋ」と呼ばれるものなどを、特許第３０４９２２５号公報や特許第３０６４０１９号公報で開示されている技術で薄く拡げる開繊処理を施して用いる。帯状に拡げられる幅は数１０ｍｍであり、厚みは数１０μｍである。炭素繊維は、引張り強度が１０００ＭＰａ以上あり、最大で２００ＭＰａ（２０００ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度の木材よりも引張り強度が充分に大きい。炭素繊維束１１，１２，１３，…は、重ならないように、間隔をあけて配置する。

すなわち、木材素材１，２，３，…の層間には、木材素材よりも高強度を有する繊維が、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束として、配置される。繊維強化集成材１０の木材素材１，２，３，…層間に、開繊処理で薄く拡げられた状態の炭素繊維束１１，１２，１３，…を配置するので、複数の炭素繊維の原糸をまとめて、かつ層間に分散して容易に配置することができる。炭素繊維の原糸は拡げられているので、少ない使用量でも、層間に充分に分散させることができ、材料費や加工費を低減して繊維強化集成材１０を製造することができる。

また、炭素繊維束１１，１２，１３，…は、繊維強化集成材１０の外表面から見えないので、木材としての外観を損わないようにすることができる。すなわち、外観的には、本実施形態の繊維強化集成材も、従来の集成材と全く変らないようにすることができる。

図２は、図１の木材素材１，２，３，４間に炭素繊維束１１，１２，１３，…として配置する帯状繊維束の模式的な形状を、原糸を少なくして糸を形成し、形成した糸を並べている状態と比較して示す。すなわち、（ａ）は開繊状態の炭素繊維束１１を使用する場合を示し、（ｂ）はたとえば１０００本程度に少なくした糸２０を並べている状態を示す。炭素繊維束１１および糸２０は、それぞれ複数の炭素繊維の原糸２１，２２，２３，…を束ねて形成される。開繊処理による炭素繊維束１１では、原糸２１，２２，２３，…が幅方向に並ぶ開繊状態で使用される。開繊処理では、サイズ剤などを使用して、開繊状態の仮止めが行われ、木材素材１，２，３，４間への配置作業を容易に行うことができる。

（ｂ）に示すような糸２０の状態では、原糸２１，２２，２３，…が局所的に集中してしまう。原糸２１，２２，２３，…の径が７μｍ程度でも、１０００本集れば数ｍｍに達してしまう。このような介在物が存在すると、木材素材１，２，３，４の間隔が広がって、接着性が低下してしまうおそれもある。（ａ）に示す繊維強化集成材１０では、炭素繊維束１１の厚みを数１０μｍ程度にすることができるので、前述のようなフェノール樹脂やレゾルシノール樹脂等で貼り合わせて、従来の集成材と同様な接合強度を得ることができる。

また、図２（ｂ）に示すような１０００本程度の糸２０は、１２０００本程度の炭素繊維束１１と同様な強度とするためには、１２本程度使用しなければならない。開繊した炭素繊維束の元になる繊維束の原価も、１０００本程度の繊維束の原価も、同程度である。したがって、糸２０を１２本使用すると、原価は増大し、炭素繊維束１１で開繊処理に要するコストを考慮しても、１０倍程度のコストとなってしまう。また、炭素繊維束１１，１２，１３，…で開繊処理にコストがかかっても、木材素材１，２，３，４間に配置する手間は、糸２０を並べる場合に比較して少なくなり、低コスト化を図ることができる。

さらに、図２（ａ）のように炭素繊維束１１を用いる場合と、図２（ｂ）のように糸２０を用いる場合とを、それぞれ試作し、曲げ強度を比較すると次の表１のようになる。

図２（ａ）に示す実施形態の方が、良好な結果が得られている。
図３は、本発明の他の実施形態である繊維強化集成材３０の概略的な断面構成を示す。繊維強化集成材３０は、木材素材３，４間に、開繊状態の炭素繊維束１１を配置する代わりに、開繊状態の炭素繊維束１１を含む熱硬化性樹脂からなる樹脂層３１を配置する以外は、上記実施形態と同様である。樹脂層３１は、開繊状態の炭素繊維束１１を、たとえばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂で板状にした炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＰＲ）である。

図３に示すような樹脂層３１を用いた場合、木材素材同士、および木材素材と樹脂層３１を接着させることができるような適切な接着剤の選定により従来の集成材と同様な接合強度を得ることができる。上記適切な接着剤としては、たとえば、エポキシ系、レゾルシノール系およびフェノール系などの接着剤を用いることができる。

図３に示すような樹脂層３１を用いる場合を試作した結果、その曲げ強度は１０１．５ＭＰａであり、図２（ａ）に示すような開繊状態の炭素繊維束１１を使用する場合より強化された集成材が得られる。

図４は、図１に示す繊維強化集成材１０で、炭素繊維束１１，１２，１３，…が存在する外表面からの厚さＤの部分が燃焼で消失した状態を示す。嵩維持の木材の炭化スピードは、１分間に０．６〜０．８ｍｍ程度といわれている。たとえば２０分間火にさらされたとして１２〜１６ｍｍ、両側から燃えても２４〜３２ｍｍ程度しか炭化しない。建築基準法でも集成材の防火性能が認められているのは、木材自体、加熱による強度の低下が少なく、燃えても倒壊の危険が少ないからである。図に示すように、たとえばＤ＝２５ｍｍまで燃えるには、３０分以上時間がかかることになる。この状態で充分な強度が得られるように構造部分を設計しておけば、たとえ火災が生じても、３０分以上の時間は強度を保たせることができる。

すなわち、火災が起きても、炭素繊維束１１，１２，１３，…が存在する部分まで燃焼するまでに時間がかかるので、繊維強化集成材１０を使用する構造体の強度を保ち、建物等に残された人員が救助を待ったり避難したりする生存空間を確保することができる。

本実施形態の繊維強化集成材１０は、帯状繊維束として炭素繊維束１１，１２，１３，…を用いているけれども、無機繊維、有機繊維、ウイスカ、金属繊維などを用いることができる。無機繊維材料としては、炭素の他に、ガラス、ボロン、アルミナ、チタン酸カリウム、シリカ、ジルコニアなどを用いることができる。有機繊維としては、芳香族ポリアミド（アラミド）、芳香族ポリエステル、超高分子量ポリエチレン、高強度ビニロン、高強度アクリルなどを用いることができる。ウイスカとしては、グラファイト、窒化珪素、チタン酸カリウムなどを用いることができる。金属繊維としては、鋼やステンレス鋼を用いることができる。

また、繊維強化集成材１０を構成する木材素材１，２，３，４は、４層ばかりではなく、複数層であれば層間に帯状繊維束を配置することができる。また、柱状の外形ばかりではなく、板状の外形にも適用することができる。また、中間の層をチップ材とするパーティクルボードや、細い角材を組合わせるランバーコア材にも、同様に本発明を適用することができる。帯状繊維束を経糸および緯糸として織物を形成して層間に配置することもできる。

本発明の実施の一形態である繊維強化集成材１０の概略的な断面構成を示す軸線に垂直な断面図である。 図１で炭素繊維束１１を配置している状態を、炭素繊維の糸２０を配置する状態と比較して示す部分的な断面図である。 本発明の他の実施形態である繊維強化集成材３０の概略的な断面構成を示す。 図１の繊維強化集成材１０の外表面側が消失した状態を示す軸線に垂直な断面図である。

符号の説明

１，２，３，４ 木材素材
１０，３０ 繊維強化集成材
１１，１２，１３，… 炭素繊維束
２０ 糸
２１，２２，２３，… 原糸
３１ 樹脂層

Claims (4)

1. 相互に接合されて集成材を形成する複数の木材素材層と、
   木材素材よりも高強度を有し、木材素材の層間に、開繊処理で薄く拡げられている状態で配置される帯状繊維束とを含むことを特徴とする繊維強化集成材。
2. 前記帯状繊維束は、外表面から予め定める長さ以上、内部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の繊維強化集成材。
3. 前記帯状繊維束は、炭素繊維で形成されることを特徴とする請求項１または２記載の繊維強化集成材。
4. 相互に接合されて集成材を形成する複数の木材素材層と、
   木材素材よりも高強度を有し、木材素材の層間に形成される樹脂層とを含み、
   前記樹脂層は、開繊処理で薄く拡げられている帯状繊維束を含む熱硬化性樹脂で形成されることを特徴とする請求項１または２記載の繊維強化集成材。

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