JP5161123B2

JP5161123B2 - 複合木材の製造方法

Info

Publication number: JP5161123B2
Application number: JP2009007333A
Authority: JP
Inventors: 敏彦三上
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: JP2010162784A

Description

本発明は、複合木材の製造方法に係り、特に、木材としての加工性等の優れた特性と合成樹脂としての耐水性等の優れた特性とを併有し、しかも所定の機械的強度を有する複合木材の製造に好適な複合木材の製造方法に関する。

近年、環境問題が社会的に注目されているが、特に二酸化炭素による地球温暖化が現実的になりつつある今日、樹木の伐採による森林破壊が大きな問題となってきている。
通常、木材は伐採された樹木を乾燥して製材し、各種の用途に応じた形状や構造に加工されるのが一般的であるが、廃木材、間伐材あるいは木屑等は、最終的に焼却処分されることが多く、木材が有効に利用されていなかった。

他方、一般的に広く利用されているポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系の熱可塑性樹脂は親油性を示し、親水性を示す木材、パルプ、紙、鋸屑等とは相互の濡れ性が悪いことから、相互を上手く混ぜることができず、無理に混合しても相互の結合力が弱く、これらの複合材の製造は難しかった。
そこで、木質材料とフェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂とを用いてファイバーボード、パーティクルボード、木質ブロック等の複合材料を製造する方法が種々提案されているが、熱硬化性樹脂を使用する関係でコスト高になっていた。

これに対し、廃木材、間伐材あるいは木屑を木片に粉砕し、木片と溶融した廃プラスチックとを混練し、押出し成形することにより製品とし、資源の有効利用を図る方法として、加熱ヒーターを備えた混練機において、篩目２ｍｍ以上かつ含水率が１０％以上の木片を加熱して木片の含有水分を蒸発させると同時にバインダー樹脂を溶融させ、該溶融したバインダー樹脂と上記複数の木片とを混練し、上記木片とバインダー樹脂の混練物をプレス機において強加圧し、該強加圧状態を維持したまま冷却するか又は上記強加圧と冷却とを繰り返して上記バインター樹脂を硬化させるようにしたことを特徴とする複合木材の製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の複合木材の製造方法の特徴は、微小腔の立体的形態がほぼ残存するような形状の木片をバインダー樹脂によって強加圧状態で相互に結合することにある。すなわち、加熱によって水分が蒸発して空隙となった微小腔に溶融したバインダー樹脂を浸透させて木片どうしを結合するというものである。

特開２００４−１３５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、木片とバインダー樹脂の性状や温度や湿度といった外因の影響を受け易いため、木片どうしの結合が不十分となり複合木材としてまともに成形できない場合がある。
また、プレス機で強加圧しながら冷却・成形するので、複合木材を平板状に精度よく成形することは困難である。

さらに、加熱混練時に大量に発生する蒸気が、プレス機で強加圧する際に複合木材とプレス機との間にエア溜まりの原因となり複合木材の成形性に悪影響を及ぼすという問題がある。
さらに、原料となる木片のサイズが大きいことから木片と樹脂の混合状態が均一になり難く、複合木材の機械的強度や耐水性といった性状が不安定になりやすいという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、加工性等の木材としての優れた特性と耐水性等の合成樹脂としての優れた特性とを併有し、しかも所定の機械的強度を有する複合木材を安定的に製造し得る複合木材の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、木質ペレットと樹脂ペレットとから板状の複合木材を連続して製造する方法であって、前記木質ペレットと前記樹脂ペレットとを混合する混合工程と、該混合工程で混合された木質ペレットを木粉に解砕するとともに前記樹脂ペレットに対して均一に分散するように攪拌する攪拌工程と、該攪拌工程で攪拌された木粉と樹脂ペレットとの混合物を加圧しつつ加熱して木粉と溶融した樹脂との複合混合物となるように前記樹脂ペレットを溶融する加圧溶融工程と、該加圧溶融工程で加圧溶融された複合混合物を所定型枠から押し出す押出工程と、該押出工程で押し出された複合混合物を冷却する冷却成形工程と、該冷却成形工程で冷却された複合混合物を所定寸法に裁断して板状の複合木材にする裁断工程とを含むことを特徴としている。

本発明に係る複合木材の製造方法によれば、木質ペレットと樹脂ペレットを混合〜攪拌〜溶融〜押出〜冷却成形〜裁断という各工程を個別に行いながら、木質ペレットが、攪拌工程において木粉に解砕されて分散し、樹脂ペレットに対して均一に混合され、木粉と樹脂ペレットとの混合物は、溶融工程において溶融した樹脂と木粉の混合物となり、押出工程と冷却成形工程において板状の複合木材に成形され、最終的に裁断工程において製品のサイズに裁断されることで板状の複合木材を製造するので、原料の性状や温度や湿度といった外因の影響を極力排して安定した操業が可能となる。

特に、本発明に係る複合木材の製造方法によれば、出発原料を木質ペレットとしているので、木粉を直接投入する場合に比べて複合木材への充填効率が高くなり、分散性が向上するので樹脂ペレットとの混合状態が均一になる。また、出発原料として木粉を原料として取り扱う際に生じる粉塵処理に悩まされることもない。
ここで、本発明に係る複合木材の製造方法において、木質ペレットは、篩目２ｍｍ以下の木粉を成形したものであって、含水率が８％以下に調整されているとよい。木粉の篩目が２ｍｍ以上だと攪拌工程において樹脂との混合状態が均一になり難く、さらに、仮に木粉の篩目が２ｍｍ以下であっても含水率が８％よりも高いと加圧溶融工程において多量の水蒸気が発生するので、複合木材の成形性に悪影響を及ぼすからである。また、木質ペレットは長粒径２０ｍｍ以下、上記樹脂ペレットは長粒径７ｍｍ以下とすると、木質材料と樹脂材料の混合状態がより均一となるので好ましい。

さらに、本発明に係る複合木材の製造方法において、加圧溶融工程および押出工程は、２軸減容機と当該２軸減容機に連接する一軸押出機およびＴダイスとで行うと、減容機の溶融作用と押出機およびＴダイスの押出作用を最適に機能分担させる上で好適である。また、冷却成形工程は、ダブルベルトプレスによって弱加圧すると、板状の複合木材を精度よく連続成形するのに好適である。

また、本発明に係る複合木材の製造方法において、木質ペレットは廃木、樹脂ペレットは廃プラスチックに由来するものを用いると、環境に配慮した製品となり好ましい。さらに、裁断工程における端材は、これを破砕後に、混合工程での木質ペレットと樹脂ペレットの混合物に投入して複合木材の材料として再利用すると、カーフロスを有効に活用することができるため、原料利用効率を向上させることができる。

上述のように、本発明に係る複合木材の製造方法によれば、加工性等の木材としての優れた特性と、耐水性等の合成樹脂としての優れた特性とを併有し、さらに、所定の機械的強度を有し寸法精度の良い板状の複合木材を安定的に製造することができる。

本発明に係る複合木材の製造方法を実施するための製造装置の一例の模式図である。本発明に係る複合木材の製造方法の一実施形態の工程図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この複合木材製造装置は、木質原料貯留装置１０、樹脂原料貯留装置２０、傾斜コンベヤ３０、投入ホッパー４０、ミキサー５０、定量供給機６０、減容機７０、押出機８０、Ｔダイス９０、ダブルベルトプレス１００、クロスカット装置１１０、養生ステーション１２０、トリミング装置１３０、完成品ステーション１４０、破砕機１５０および、再生原料貯留装置１６０を備えている。

木質原料貯留装置１０は、貯留ホッパー１１と、その下部に設けられた定量供給機１２とを有し、定量供給機１２は図示しないロードセルによって木質原料を切り出すようになっている。樹脂原料貯留装置２０は、同様に、貯留ホッパー２１と、その下部に設けられた定量供給機２２とを有し、定量供給機２２は図示しないロードセルによって樹脂原料を切り出すようになっている。そして、それぞれの定量供給機１２、２２は、その排出口が、下方に配設された傾斜コンベヤ３０に向けて開口している。

また、傾斜コンベヤ３０には、後述する再生原料貯留装置１６０の定量供給機１６２の排出口も開口している。この傾斜コンベヤ３０は、その揚程が、投入ホッパー４０の上部に達しており、複合木材の各種原料を、投入ホッパー４０へと運搬し、投入するようになっている。
また、投入ホッパー４０の下段にはミキサー５０が連設されており、さらに、このミキサー５０の下段には定量供給機６０が連設されている。ミキサー５０では、投入ホッパー４０へ投入された木質ペレットと樹脂ペレットを攪拌混合する。このとき、木質ペレットは攪拌作用により木粉に解砕されて分散し、樹脂ペレットと均一に混合される。なお、本実施形態の例では、ミキサー５０はターボ型ミキサーであり、定量供給機６０はオートフィーダーである。

さらに、上記定量供給機６０の下段には減容機７０が連設されている。この減容機７０は、ヒーター（図示略）を備えた２軸式の減容機であり、スクリュー（図示略）の加圧によって樹脂ペレットを溶融させるとともに、木粉との間で緊密な混合溶融状態の複合混合物を形成し、この複合混合物を、ヒーターの熱によって混合溶融状態を保ったまま次工程へと送るようになっている。

また、減容機７０の排出口には押出機８０が接続されており、さらに、この押出機８０の排出口にはＴダイスが接続されている。本実施形態の例では、押出機８０は一軸の押出機であり、押出筒（図示略）の周囲が熱媒体油を導入する保温ジャケット（図示略）で囲繞されており、上記複合混合物を混合溶融状態のままＴダイス９０へと圧送するようになっている。また、Ｔダイス９０は、カートリッジヒーターを備え、その吐出口が水平方向に隣接して９箇所に分岐して設けられており、各吐出口はギャップ調整が可能となっている。

このＴダイス９０の下流には、ダブルベルトプレス１００が設けられている。このダブルベルトプレス１００は、上下に対向するステンレスベルト（上）１０１とステンレスベルト（下）１０５とを有し、これらステンレスベルト（上）１０１とステンレスベルト（下）１０５で混合溶融状態の複合混合物を冷却しながら圧延する。
ステンレスベルト（上）１０１は、フレーム（上）１０２に設けられた駆動ローラ（上）１０３と従動ローラ（上）１０４に掛け回されている。また、フレーム（上）１０２には図示しないローラが多数設けられている。同様に、ステンレスベルト（下）１０５は、フレーム（下）１０６に設けられた駆動ローラ（下）１０７と従動ローラ（下）１０８に掛け回されており、フレーム（下）１０６には図示しないローラが多数設けられている。

さらに、このダブルベルトプレス１００には、各種ローラに熱媒体油、および冷却水が供給されており、複合混合物の成形温度勾配を適正に制御している。ここで、このダブルベルトプレス１００は、その各種ローラの温度が、上流側（Ｔダイス９０側）では熱媒体油によって高く、下流側（後述するクロスカット装置１１０側）では冷却水によって低く設定されている。

また、このダブルベルトプレス１００には、各種ローラに加圧機構を備えており、冷却しながら圧延する複合混合物の板厚および表面の平滑度を適正に制御している。ダブルベルトプレス１００の各種ローラに付与する荷重は上流側（Ｔダイス９０側）では大きく、下流側（後述するクロスカット装置１１０側）では小さく設定されている。
ここで、ダブルベルトプレス１００における狭圧荷重は、製品の形状を整えるための最適荷重に設定されており、例えば上述の特許文献１に記載のプレス機のような強加圧に比してあくまでも弱加圧である。

さらに、このダブルベルトプレス１００の下流には、クロスカット装置１１０が設けられている。このクロスカット装置１１０は、テーブル１１１と、その上部に配設されたカッター１１２とを有し、連続した板状に成形された複合混合物を、所定の長さの複合木材に切断する。なお、このクロスカット装置１１０で発生する切断くず等の端材は、破砕機１５０へと送られ、これを破砕機１５０で破砕後に、再生原料貯留装置１６０から傾斜コンベヤ３０の上流側に戻されて再利用される。この破砕機１５０は、本実施形態の例では、２軸のシュレッダ式の破砕機であり、端材を再投入可能なサイズ（例えば□７０ｍｍ以下）に破砕する。再生原料貯留装置１６０は、貯留ホッパー１６１とサークルフィーダー方式の定量供給機１６２とを有し、破砕機１５０で破砕された再生原料を貯留し、傾斜コンベヤ３０を介して投入ホッパー４０へと切り出す。

クロスカット装置１１０の下流には、養生ステーション１２０が設けられている。この養生ステーション１２０では、所定の長さに切断された複合木材を、その物性が安定する６０℃程度まで冷却する。
さらに、この養生ステーション１２０の下流にはトリミング装置１３０が設けられている。このトリミング装置１３０は、テーブル１３１と、その上部に配設されたカッター１３２とを有し、養生を終えた複合木材を最終製品の寸法に裁断する。このトリミング装置１３０で発生する切断くず等の端材は、上記クロスカット装置１１０同様に、破砕機１５０へと送られ、破砕機１５０で破砕後に、再生原料貯留装置１６０から傾斜コンベヤ３０の上流側に戻されて再利用される。なお、トリミング装置１３０には図示しない計測装置が設けられており製品の寸法を常に測定している。

さらに、このトリミング装置１３０の下流には、製品完成ステーション１４０が設けられている。最終製品の寸法に裁断された複合木材は、この製品完成ステーション１４０に一旦保管され、最終的な検査を経て、マーキング等の作業を行った後に製品として出荷される。なお、最終検査で不合格となった複合木材は、上記破砕機１５０へと送ることも可能である。

次に、上述した複合木材製造装置を用いて複合木材を製造する工程を、図２を適宜参照しつつ説明する。
木質原料である木質ペレットは、篩目２ｍｍ以下の木粉を含水率８％以下に調整し、長粒径２０ｍｍ以下でペレット化したものである。木粉は廃木材を粉砕したものや鋸くずを利用することが可能である。一方、樹脂原料である樹脂ペレットは長粒径７ｍｍ以下であり、廃プラスチックのリサイクル品である。

これら木質ペレットと樹脂ペレットは、それぞれフレコン（登録商標）に格納されており、各フレコンをクレーンでつり揚げて、上記木質原料貯留ホッパー１１と樹脂原料貯留ホッパー２１にそれぞれ投入される。そして、木質原料貯留ホッパー１１と樹脂原料貯留ホッパー２１とに貯留された木質ペレットと樹脂ペレットとは、定量供給機１２、２２によって所定の重量比で傾斜コンベヤ３０へと切り出される。次いで、傾斜コンベヤ３０に切り出された木質ペレットと樹脂ペレットとは、投入ホッパー４０を介してミキサー５０へと投入され混合される（ステップＳ１）。ミキサー５０では、木質ペレットは攪拌作用により木粉に解砕されて分散し、樹脂ペレットと均一に混合され（ステップＳ２）、定量供給機６０によって減容機７０へと切り出される。なお、この投入ホッパー４０からミキサー５０において行われる混合および攪拌が本発明の混合工程および攪拌工程に対応する工程である。

次いで、減容機７０では、スクリューの加圧によって樹脂ペレットが溶融して木粉との間で緊密な混合溶融状態とされた複合混合物を形成し（ステップＳ３）、さらに、この複合混合物は、ヒーターの熱によって混合溶融状態を保ったまま押出機８０へと送られる。なお、この減容機７０において行われる加圧溶融が本発明の加圧溶融工程に対応する工程である。

次いで、押出機８０およびＴダイス９０は、混合溶融状態の複合混合物を板状に押し出し（ステップＳ４）、続くダブルベルトプレスに送る。なお、この押出機８０およびＴダイス９０において行われる押出しが本発明の押出工程に対応する工程である。
次いで、ダブルベルトプレス１００は、上下のステンレスベルト１０１、１０５の間で複合混合物を冷却しながら狭圧成形し（ステップＳ５）、続くクロスカット装置１１０に送る。なお、このダブルベルトプレス１００において行われる冷却および成形が本発明の冷却成形工程に対応する工程である。

次いで、クロスカット装置１１０は、連続した板状に成形された複合混合物を粗切断し、続くステーション１２０は、成形された複合混合物をその物性が安定する６０℃程度まで降温させ、続くトリミング装置１３０は、最終製品となる複合木材の寸法に裁断する（ステップＳ６。なお、このクロスカット装置１１０およびトリミング装置１３０において行われる裁断が本発明の裁断工程に対応する工程である。

ここで、トリミング装置１３０において行われる裁断で発生する端材は、破砕機１５０で破砕され再生原料として再生原料貯留装置１６０に送られ、再度上記の一連の工程に投じられる。

次に、上述した複合木材製造装置を用いた複合木材の製造方法の作用および効果について説明する。
この複合木材製造装置を用いた複合木材の製造方法によれば、上述したように、木質ペレットと樹脂ペレットを、図２に示す、混合（Ｓ１）〜攪拌（Ｓ２）〜加圧溶融（Ｓ３）〜押出（Ｓ４）〜冷却成形（Ｓ５）〜裁断（Ｓ６）という各工程を個別に行いながら、木質ペレットが、攪拌工程（Ｓ２において木粉に解砕されて分散し、樹脂ペレットに対して均一に混合され、木粉と樹脂ペレットとの混合物は、溶融工程（Ｓ３）において溶融した樹脂と木粉の複合混合物となり、押出工程（Ｓ４）と冷却成形工程（Ｓ５）において板状の複合混合物に成形され、さらに、最終的に裁断工程（Ｓ６）において製品のサイズに裁断されることで板状の複合木材を製造するので、原料の性状や温度や湿度といった外因の影響を極力排して安定した操業が可能となる。

そして、この一連の製造方法によれば、出発原料を木質ペレットとしているので、木粉を直接投入する場合に比べて複合木材への充填効率が高くなり、分散性が向上するので樹脂ペレットとの混合状態が均一になる。また、出発原料として木粉を原料として取り扱う際に生じる粉塵処理に悩まされることもない。
特に、本実施形態においては、木質ペレットは、篩目２ｍｍ以下の木粉を成形したものなので、攪拌工程（Ｓ２）において樹脂との混合状態が均一になり易く、さらに、含水率が８％以下に調整されているので、加圧溶融工程（Ｓ３）における水蒸気の発生が抑制されて複合木材の成形性が良い。また、木質ペレットは長粒径２０ｍｍ以下、上記樹脂ペレットは長粒径７ｍｍ以下としているので、木質材料と樹脂材料の混合状態がより均一となる。

さらに、本実施形態においては、加圧溶融工程（Ｓ３）および押出工程（Ｓ４）は、２軸減容機と当該２軸減容機に連接する一軸押出機およびＴダイスとで行うようにしたので、減容機の溶融作用と押出機およびＴダイスの押出作用を最適に機能分担させることができる。また、冷却成形工程（Ｓ５）は、ダブルベルトプレスによって弱加圧したので、板状の複合木材を精度よく連続成形可能である。

また、本実施形態においては、木質ペレットを廃木、樹脂ペレットを廃プラスチックに由来するものを用いたので、環境に配慮した製品となる。さらに、裁断工程（Ｓ６）における端材は、これを破砕後に、混合工程（Ｓ１）での木質ペレットと樹脂ペレットの混合物に投入して複合木材の材料として再利用したので、カーフロスを有効に活用することができる。そのため、原料利用効率を向上させることができる。

なお、本発明に係る複合木材の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、傾斜コンベヤを用いた例で説明したが、これに限定されず、傾斜コンベヤの代わりに空気搬送装置を用いてもよく、また、減容機は２軸式ではなく１軸式や他の形式のものを用いてもよい。

１０木質原料貯留装置
１１貯留ホッパー
１２定量供給機
２０樹脂原料貯留装置
２１貯留ホッパー
２２定量供給機
３０傾斜コンベヤ
４０投入ホッパー
５０ミキサー
６０定量供給機
７０減容機
８０押出機
９０Ｔダイス
１００ダブルベルトプレス
１０１ステンレスベルト（上）
１０２フレーム（上）
１０３駆動ローラ（上）
１０４従動ローラ（上）
１０５ステンレスベルト（下）
１０６フレーム（下）
１０７駆動ローラ（下）
１０８従動ローラ（下）
１１０クロスカット装置
１１１テーブル
１１２カッター
１２０養生ステーション
１３０トリミング装置
１３１テーブル
１３２カッター
１４０完成品ステーション
１５０破砕機
１６０再生原料貯留装置
１６１貯留ホッパー
１６２定量供給機

Claims

木質ペレットと樹脂ペレットとから板状の複合木材を連続して製造する方法であって、
前記木質ペレットと前記樹脂ペレットとを混合する混合工程と、該混合工程で混合された木質ペレットを木粉に解砕するとともに前記樹脂ペレットに対して均一に分散するように攪拌する攪拌工程と、該攪拌工程で攪拌された木粉と樹脂ペレットとの混合物を加圧しつつ加熱して木粉と溶融した樹脂との複合混合物となるように前記樹脂ペレットを溶融する加圧溶融工程と、該加圧溶融工程で加圧溶融された複合混合物を所定型枠から押し出す押出工程と、該押出工程で押し出された複合混合物を冷却する冷却成形工程と、該冷却成形工程で冷却された複合混合物を所定寸法に裁断して板状の複合木材にする裁断工程とを含むことを特徴とする複合木材の製造方法。
前記木質ペレットは、篩目２ｍｍ以下の木粉を成形したものであって、その含水率が８％以下に調整されていることを特徴とする請求項１に記載の複合木材の製造方法。
前記木質ペレットは、長粒径が２０ｍｍ以下であり、前記樹脂ペレットは、長粒径が７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の複合木材の製造方法。
前記加圧溶融工程および押出工程は、２軸減容機と、当該２軸減容機に連接する一軸押出機およびＴダイスとで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合木材の製造方法。
前記冷却成形工程は、ダブルベルトプレスによって弱加圧をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合木材の製造方法。
前記木質ペレットは、廃木に由来するものであり、前記樹脂ペレットは、廃プラスチックに由来するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合木材の製造方法。
前記裁断工程における端材は、これを破砕後に、前記混合工程での前記木質ペレットと前記樹脂ペレットの混合物に投入して複合木材の材料として再利用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合木材の製造方法。