JP5181099B2 - 木材の撥水処理方法及び撥水処理木材及び撥水処理木材使用製品 - Google Patents

Description

本発明は、常温常圧下で作業が行え、さらに簡便な作業で木材に撥水機能を付与することができる木材の撥水処理方法、並びにその撥水処理方法を施した撥水処理木材、及びその撥水処理木材を使用した撥水処理木材使用製品に関する。

木材の耐水加工や撥水加工は、防汚性向上や耐久性向上の観点から重要な加工であり、現在は合成樹脂での加工が主である。
また近年は、自然回帰思考によって自然塗料が普及しており、木材の耐水加工剤や撥水加工剤として蜜ロウや亜麻仁油などが使われている。
しかし、これらの塗料は、木が持つ特有の感触などの素材感を損ねるものであり、さらに加工時に悪臭が発生したり、自燃性があったり、又、乾燥時間が長いなどの欠点があった。
一方、上記した欠点がなく、かつエコロジーな天然の脂肪酸から成る脂肪酸アルカリ金属塩である石鹸を木材に塗布した木材処理方法（ソープフィニッシュ）が知られているが、このソープフィニッシュでは十分な撥水効果が得られないという問題を残していた。
このような問題を解決するために、例えば、温水中に固形石鹸を高濃度に溶融させて木材に塗布する方法があるが、石鹸が析出しやすいため、温度管理や石鹸濃度の管理が必要となり、煩雑な作業となる。
また、固形の石鹸を直接木材に擦り込む方法もあるが、この石鹸が木材表面に不均一に積層するため、耐水性は乏しい。
いずれの場合も石鹸を過剰に木材表面に塗布する方法であって、高濃度の石鹸が木材表面に積層するため、木の素材感を損ねる嫌いがあった。
そこで、木材にて撥水性を持つ脂肪酸金属塩を生成する方法が公知になっている（特許文献 特開平７−５２１０６号公報参照）。
この方法は、真空、加圧、加熱操作などを行って、水中で石鹸状に溶融した脂肪酸処理液および無機物処理液を、それぞれ木材へ含浸させるものである。
しかし、前記した特許文献に記載の技術においては、脂肪酸処理液が溶解していないことから、木材に浸透させるためには真空減圧できる減圧容器、加熱加圧できる加熱加圧容器が必要であり、このような装置を持っていない一般の日曜大工を行うユーザーや木工者は使えない。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、木が持つ特有の触感などの素材感を損ねることがないソープフィニッシュを用い、常温常圧下で作業が行え、さらに作業が簡便であり、かつ均一に木材表面から木材内部に撥水機能がある界面活性剤−金属塩層を生成させて、木材表面に撥水機能を付与できる木材の撥水処理方法、並びに撥水処理木材及び撥水処理木材使用製品を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明（請求項１）の木材の撥水処理方法は、親水基にカルボン酸又はスルホン酸又はリン酸を持つ誘導体又はそれぞれの誘導体が塩を持つ１又は複数の界面活性剤と、これらを溶解させるために低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールを０．１〜５０重量％を含んでいる撥水処理組成液で木材を処理する木材の撥水処理方法であって、
前記撥水処理組成液による処理後に、カルシウム、バリウム、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、錫、ニッケル、鉛、カドミウム（より好ましくは、カルシウム、アルミニウム、マグネシウム、鉄）から選ばれた１又は複数の金属を含む無機水溶液又は分散液又は懸濁液（以下、無機水溶液、分散液、懸濁液を総称して「無機液」と言う）で処理する構成とした。
ここで、界面活性剤の濃度は撥水機能を付与するのに十分な０．１〜５０重量％（以下、単に「％」で表示する）、および低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールの濃度は上記の界面活性剤が溶解する０．１〜５０％とする。
これによって、界面活性剤が水−低級アルコール混合溶液に完全に溶解するため、常温常圧下であっても木材への浸透が容易になり、減圧容器などの特別な装置や操作が必要ない。
又、本発明（請求項１）の撥水処理方法で使用する撥水処理組成液において、前記カルボン酸を持つ界面活性剤としては、脂肪酸であるカプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、リノール酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、イコサン酸から選ばれた１又は複数を主体とすることができる。
なお、カルボン酸を持つ界面活性剤である脂肪酸塩は、脂肪酸とアルカリ金属を反応させる中和法、或いはグリセリンと脂肪酸が結合したグリセリントリエステルを主体とする油脂とアルカリ金属を反応させた鹸化法で得られる。
また、脂肪酸塩は脂肪酸ナトリウム塩が好ましいが、脂肪酸カリウム塩を含めて使っても良い。
また、前記撥水処理組成液において、スルホン酸を持つ界面活性剤には、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどのアルキルベンゼン系、アルキルナフタレンスルホン酸ナトリウム塩などのアルキルナフタレン系、アルキル硫酸エステルナトリウム塩、アルキルスルホン酸ナトリウム塩、アルキルエーテル硫酸エステルナトリウム塩などのアルコール系、アルファオレフィンスルホン酸ナトリウム塩などのオレフィン系がある。
リン酸を持つ界面活性剤には、モノアルキルリン酸エステルナトリウム塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルリン酸エステルナトリウム塩などがある。
この他、カルボン酸とスルホン酸、又はこれらの誘導体が複合した界面活性剤として、アルファスルホ脂肪酸エステルナトリウム塩、高級脂肪酸硫酸エステルナトリウム塩、ジアルキルスルホコハク酸エステルナトリウム塩、スルホコハク酸アルキル２ナトリウム塩などがある。
界面活性剤を溶解させるための低級アルコールとしてはエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールに限定した。
又、前記木材の撥水処理組成液は、芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性から選ばれた１又は複数の化合物を含むことができる。
前記撥水処理組成液は、撥水機能に加えて、低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールを含むため、オイル状または粉体状の芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性などの機能性物質を容易に溶解できるものである。
このため、木材表面から木材内部に均一に界面活性剤と機能性物質が浸透でき、本発明の撥水処理方法（請求項１）を適用することによって撥水機能に加えて、芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性を併せ持つ木材を作製できる。
なお、芳香性物質には、適量のヒノキ油、リモネンなどのオイル状、プロテカテキュアルデヒド、バニリンなどの粉末状の物質があり、抗菌性を付与したい場合はカテキンなどを、防虫性にはショウ脳などを、耐光性にはサリチル酸系の紫外線吸収剤などを、着色性には染料や顔料の色素の他、没食子酸、プロテカテキュアルデヒドなどを上記撥水処理組成液に加える。
また、無機液の金属濃度は１〜２０％とする。
このように撥水処理組成液と無機液をそれぞれ木材に浸透させることにより、常温常圧下でも木材表面から木材内部に十分浸透した界面活性剤−金属塩層が均一に生成し、木が持つ特有の触感などの素材感を損ねることなく、木材に撥水機能を付与できる。
また、前記撥水処理組成液と無機液をそれぞれ木材に浸透させた後、サンドペーパーなどで研磨することにより、木材の撥水性は更に向上できる。
なお、この無機液には品質の安定化のために、水溶性のメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、１−プロパノールなどのアルコールを加えても良い。
この場合は、前記したオイル状、粉体状の芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性などの機能性物質も容易に溶解でき、無機液でも木材に芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性などの機能性を付与できる。
本発明（請求項２）の撥水処理木材は、請求項１記載の木材の撥水処理方法で処理することにより得た構成とした。
本発明（請求項３）の撥水処理木材使用製品は、請求項２記載の撥水処理木材を全体或いは一部に使用して製造した構成とした。
本発明の撥水処理方法で使用する撥水処理組成液は、界面活性剤と低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールを含んでおり、水−低級アルコール混合溶液が界面活性剤を溶解できるため、常温常圧下でも界面活性剤が木材へ浸透できる。
従って、１〜２時間程度で乾燥し、従来の塗料よりも乾燥時間が短い。
又、減圧容器、加圧加熱などの特別な装置や操作が必要ない。
又、温度の低下などによって界面活性剤が析出せず、悪臭や自燃性がなく、防腐性があるため、安全で、かつ品質が安定した木材の撥水処理組成液が得られる。
又、上記のように、悪臭や自燃性がないので、加工時に換気を必要とせず、室内でも簡便に加工でき、一般の日曜大工を行うユーザーや木工者が簡単に使え、界面活性剤処理液の保管にも煩雑な手間が必要ない。
また、前記撥水処理組成液は、撥水機能に加えて、芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性を併せ持つ木材を作製できる。
この場合、低級アルコールによって、芳香性、抗菌性、防虫性、耐光性、着色性などの機能性物質を容易に溶解でき、機能性物質を木材へ十分浸透できる。
本発明の木材の撥水処理方法（請求項１）は、撥水処理組成液と無機液を組み合わせて木材を処理するため、木が持つ特有の触感などの素材感を損ねることがなく、木材表面から内部まで十分に浸透した界面活性剤−金属塩層が生成でき、木材表面に撥水機能を付与できるし、同時に防炎性も付与できる。
又、木材で界面活性剤と無機液が接触することにより、直ちに撥水機能を持つ界面活性剤−金属塩を生成するため、完全な乾燥を待つことなく、次の工程に移ることができる。

本発明の木材の撥水処理組成液は、低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールの濃度が０．１〜５０％（より好ましくは、１〜３０％）含むように液を調整し、この溶液にカルボン酸、スルホン酸、リン酸及びこれらの誘導体または塩を持つ１又は複数の界面活性剤を０．１〜５０％（より好ましくは、１〜１５％）濃度になるように加えて作製する。
この撥水処理組成液を木材に刷毛で塗布したり、スプレーなどで吹き付け塗布したり、浸漬したりして、この撥水処理組成液を十分に木材表面から木材内部へ浸透させる。
その後、例えば塩化カルシウムを１〜２０％含んだ無機液を、先に撥水処理組成液で浸透させた部分に刷毛で塗布したり、スプレーなどで吹き付け塗布したり、浸漬したりする。
これら２種の処理液をそれぞれ木材に浸透させて、木材内で接触させることにより、常温常圧下でも、木材表面から木材内部に十分浸透した界面活性剤−金属塩が均一に生成し、木が持つ特有の触感などの素材感を損ねることなく、木材表面に撥水機能を付与することができる。
この他、木材に特定の機能を付与させる場合は、その機能性物質を撥水処理組成液又は無機液に適量加えると良い。
例えば、木材に特定のヒノキの香りを施したい場合は、撥水処理組成液にヒノキ油を適当量加えると、この芳香性物質は容易に溶解することができ、均一な芳香性撥水処理組成液が調整できる。
このため、界面活性剤と同様に芳香性物質も浸透でき、その後、塩化カルシウムなどを含む無機液にて処理することで、撥水機能と芳香性を併せ持つ木材を作製できる。

実施例として、本発明の効果を確認するために実施した撥水処理組成液と無機液の作製方法、この処理液を使った木材の加工方法、および木材の処理前と処理後の色彩変化と撥水試験結果について説明する。なお、実施例に用いた木材はナラ材で、予め２４０番サンドペーパーで表面処理したものを用いた。
［実施例１］
２０％イソプロピルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、３％濃度となるようにオレイン酸ナトリウム塩（まるは油脂化学（株）製）を加え、撥水処理組成液を作製した（以下、１−Ａ液とする）。
無機水溶液は５％濃度となるように塩化カルシウム無水（和光純薬工業（株）製）をイオン交換水に加えて作製した（以下、Ｂ液とする）。
次に、以下のように木材のサンプルを作製した。
（サンプル１）：木材表面に１−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、１−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル２）：木材表面に１−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル３）：木材表面にＢ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル４）：木材表面に１−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、１−Ａ液を塗布した場所に、卵の殼の微粒子を５％分散させたＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（比較サンプル１）：未処理のナラの木材。
（比較サンプル２）：木材表面にオイルワックス（リボス社製）を適量塗布し、自然乾燥させた。
［実施例２］
２０％イソプロピルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、３％濃度となるようにラウリン酸ナトリウム塩（まるは油脂化学（株）製）を加え、撥水処理組成液（以下、２−Ａ液とする）を作製した。
（サンプル５）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、２−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル６）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル７）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、２−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
その後、２−Ａ液とＢ液を塗布した場所を１０００番のサンドペーパーで表面処理した。
（サンプル８）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、２−Ａ液を塗布した場所に５％濃度となるように調整した塩化第一鉄（和光純薬工業（株）製）水溶液（以下、Ｃ液とする）を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル９）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、２−Ａ液を塗布した場所に５％濃度となるように調整した塩化第二鉄（和光純薬工業（株）製）水溶液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１０）：木材表面に２−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、２−Ａ液を塗布した場所に５％濃度となるように調整した塩化銅（ＩＩ）（和光純薬工業（株）製）水溶液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１１）：０．１％濃度となるように没食子酸（和光純薬工業（株）製）を加えた２−Ａ液を刷毛で木材表面に適量塗布し、自然乾燥した後、Ｃ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
［実施例３］
５％エチルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、９％濃度となるようにドデシル硫酸ナトリウム塩（和光純薬工業（株）製）を加え、撥水処理組成液を作製した（以下、３−Ａ液とする）。
（サンプル１２）：木材表面に３−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、３−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１３）：木材表面に３−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
［実施例４］
２０％イソプロピルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、１％濃度となるようにリン酸モノ−ｎ−ドデシルナトリウム塩（東京化成工業（株）製）を加え、撥水処理組成液を作製した（以下、４−Ａ液とする）。
（サンプル１４）：木材表面に４−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、４−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１５）：木材表面に４−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
［実施例５］
１０％エチルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、３％濃度となるようにＮ−アシルグルタミン酸ナトリウム塩（味の素（株）製）を加え、撥水処理組成液を作製した（以下、５−Ａ液とする）。
（サンプル１６）：木材表面に５−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、５−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１７）：木材表面に５−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
［実施例６］
１０％エチルアルコール（和光純薬工業（株）製）のイオン交換水に、３％濃度となるようにやし油のアルギニン塩（味の素（株）製）を加え、撥水処理組成液を作製した（以下、６−Ａ液とする）。
（サンプル１８）：木材表面に６−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥した後、６−Ａ液を塗布した場所にＢ液を刷毛で塗布し、自然乾燥させた。
（サンプル１９）：木材表面に６−Ａ液を刷毛で適量塗布し、自然乾燥させた。
撥水試験は、接触角計 ＣＡ−ＤＴ・Ａ型（協和界面科学（株）製）を用いて、水と木材表面の接触角を測定することで評価した。接触角の測定は、直径１．５２ｍｍの純水をサンプル表面に滴下し、５分経過した後に液滴法にて測定した。
試験回数は木材表面をランダムに１０回行い、平均値を求めた。
結果を表１に示すが、接触角が大きいほど木材表面が撥水していることを表す。
なお、表１中のＮＤとは、水が木材に浸透したために、水と木材表面に接触角がなく、測定ができなかったことを表す。
また、木材を処理することによる色彩変化はスペクトロカラーメーター（Ｓｐｅｃｔｒｏ Ｃｏｌｏｒ Ｍｅｔｅｒ ＳＥ２０００：日本電子工業（株）製）で評価した。
得られたＬａｂ値と処理前との色差値ΔＥを表１に示す。
これらの測定値は木材表面をランダムに１０回測定し、その平均値で表した。
この色差値ΔＥは、値が大きければ大きいほど処理前のサンプルの色との変化が明確に現れたことを意味する。

表１の実施例１のサンプル１〜４、実施例２のサンプル５と６、実施例３のサンプル１２と１３、実施例４のサンプル１４と１５、実施例５のサンプル１６と１７、実施例６のサンプル１８と１９から本発明の親水基にカルボン酸、スルホン酸、リン酸、及びこれらの誘導体または塩を持つ撥水処理組成液は、無機液と併用することにより、木材に撥水性を付与できることが示された。
実施例１のサンプル１、４とサンプル２の比較から、従来のソープフィニッシュよりも撥水性が向上できたことが明らかである。
また、実施例２のサンプル５とサンプル７の比較からは、本発明の撥水処理組成液と無機液を処理した後、研磨工程を加えることで、その撥水性がさらに向上できることも示している。
また、無機液にカルシウムが含まれる場合、その色差値は少なく、従来の自然塗料（比較サンプル２）と比べても、元来の木材色彩が保持できる。
一方、木材製品では色の需要もあるが、サンプル８〜１１に示したように、無機液にカルシウムの代りに鉄、銅などの着色性物質を使うことにより、木材に撥水性と同時に色を施すこともできる。
これは、着色物質である鉄や銅が界面活性剤と反応して水に不溶な界面活性剤−金属塩を形成するのと同時に、木材に存在するポリフェノール類化合物と発色反応するためであると考えられる。
さらに、着色濃度を向上させるためには、サンプル１１のように撥水処理組成液にポリフェノールを含有させることにより、人為的により濃い色を発色できる。
次に、実施例１のサンプルを用いて防汚試験を行った。
防汚試験はＪＩＳ Ｋ５９６１の耐汚染性試験方法に従い、醤油、ソース、赤いクレヨンによりサンプル表面を汚し、１時間静置後、醤油とソースは大量の水で、クレヨンは石油ベンジンとエタノールで洗った。
その後、汚れは色彩変化としてスペクトロカラーメーター（Ｓｐｅｃｔｒｏ Ｃｏｌｏｒ Ｍｅｔｅｒ ＳＥ２０００：日本電子工業（株）製）で評価した。
汚染前との色差値ΔＥを表２に示す。

表２から本発明の撥水処理組成液と無機液で処理したサンプル１は、サンプル２、比較サンプル１に比べて、色差値ΔＥが小さく、防汚性が向上できたことが分かる。
以上の実施例から以下のことが分かる。
本発明の木材の撥水処理方法は簡便である。
親水基にカルボン酸、スルホン酸、リン酸を持つ本発明の撥水処理組成液と無機液とで木材を処理することにより、木材に撥水性が付与できる。
本発明の撥水処理組成液およびカルシウム液で木材を処理することにより、従来方法と比べて木材の色彩変化がない。
無機液に鉄、銅を使うことで、染料や顔料などの色素を使わずに木材を着色でき、本発明の撥水処理組成液にポリフェノールを添加すればその着色を濃くできる。
従来のソープフィニッシュ、未処理の無垢材に比べて、防汚性が向上できる。
本発明は、上記した実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を変更しない範囲での改良、変更などであっても本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、実施の形態では、ヒノキ油の芳香性物質について説明したが、他の芳香剤、機能性物質であっても本発明は適応できる。

Claims (3)

1. 親水基にカルボン酸又はスルホン酸又はリン酸を持つ誘導体又はそれぞれの誘導体が塩を持つ１又は複数の界面活性剤と、これらを溶解させるために低級アルコールであるエチルアルコール及び／又はイソプロピルアルコールを０．１〜５０重量％を含んでいる撥水処理組成液で木材を処理する木材の撥水処理方法であって、
   前記撥水処理組成液による処理後に、カルシウム、バリウム、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、錫、ニッケル、鉛、カドミウムから選ばれた１又は複数の金属を含む無機水溶液又は分散液又は懸濁液で処理することを特徴とする木材の撥水処理方法。
2. 請求項１記載の木材の処理方法で処理することにより得たことを特徴とする撥水処理木材。
3. 請求項２記載の撥水処理木材を全体或いは一部に使用して製造したことを特徴とする撥水処理木材使用製品。