JP5355887B2 - 乾式形成3次元木繊維ウェブ - Google Patents

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Description

木繊維から多種多様な林産物が製造される。米国特許第5,900,304号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、複合構造繊維板パネルの構造的な主成分として機能する構造的な木繊維ウェブを作製するために、熱および圧力の条件下で3次元的に成型される木繊維製品の分類に焦点を当てている。ウェブの幾何学的配置により、1次元的な力でプレスされ得る簡単な硬質モールドを使用することが可能となる。繊維ウェブをシート外被や外装に接着して複合パネル製品を製作すれば、その複合構造が強力かつ軽量の剛直3次元トラスを形成する。
3次元部材を有する他の繊維板製品がある。例えば、米国特許第4,702,870号(米国’870特許)(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、木繊維から3次元構造要素を形成する方法および装置について述べている。この方法および装置では、完成繊維板製品における3次元的特徴を形成する弾性モールドインサートを使用する必要がある。弾性モールドインサートは、ごく一般的には、エラストマー突起の配列からなるものである。エラストマーは、硬質支持プレートに取り付けられる。木繊維製品を大量生産する場合には、エラストマーモールド部材は、製品強化および乾燥のために必要な熱および圧力による圧縮永久ひずみおよび比較的急速な劣化という問題を呈することがある。その結果、エラストマーモールド部材は、寿命が比較的短く、高速生産設備において頻繁に交換する必要がある。モールド寿命が短いことに加えて、開示された3次元繊維板は、平面を有し、該平面に対して略垂直に延びるウェブにより支持され、同一の繊維組成のウェブにより支持される物体に限定されてしまう。
米国’870特許の弾性モールドインサートから繊維マットへの熱伝達は、モールドインサートのエラストマー部材の熱伝導率が低いことと、エラストマーモールド部材間の繊維領域に至る伝熱経路が長いことから、ゆっくりしたものとなる。ゆっくりとした熱伝達の結果、プレス内での乾燥時間が長くなり、この方法にとっての、特に厚い製品にとっての大きな問題となる。繊維マットの電波加熱を用いることにより、乾燥速度を高めることができるが、これにより複雑さが増し、繊維板製品を形成し乾燥させるために使用される装置のコストが上昇してしまう。
米国特許第5,277,854号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)に述べられている繊維からグリッドを作るプロセスもまた3次元的に物体を形成することが可能な弾性モールドインサートの考えを用いている。この発明は、弾性モールドインサートを用いているので米国’870特許と同一の問題を有している。さらに、このモールドインサートは3次元的な力を作ることができるが、一般に2次元的特徴のみを有する繊維製品を作るために用いられている。
米国特許第5,198,236号および第5,314,654号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、構造的な繊維板製品において3次元的な特徴を形成するために硬質モールドを用いる方法および装置について述べている。これらの繊維板製品は、平面に対して略垂直に延びるウェブにより支持される平面形状の物体に限定される。さらに、開示された硬質モールド部材は、繊維の強化中には引っ込めておかなければならない。米国特許第5,314,654号においては、米国’870特許と同様の弾性モールドインサートを用いる第2の形成ステップが必要とされる。したがって、この構造的繊維板製品の形成は、米国’870特許について指摘したのと同一の問題を有している。さらに、伸縮自在のモールド部材が必要であるため、この方法は複雑で高価なものとなっている。
米国特許第5,316,828号(米国’828特許)(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、単純な波形繊維板構造に3次元部材を追加することにより従来の波形繊維板に比べて強度および剛性を増した強化溝付き媒体および波形繊維板を示している。この3次元部材は、溝を横切る線に沿って塗布された接着材の形をとる。接着材は、少なくとも部分的に溝の谷部を充填して埋め、波に沿った方向と横切る方向の圧縮および曲げ応力により波形板をより剛直にする。
したがって、米国’828特許の構造は、単一部材として形成されておらず、多数の製造ステップを必要とする。さらに、谷部を溝の頂部まで充填するためにかなりの接着材が必要となる。厚い波形板においては溝の小さな部分にしか接着材を充填して埋めることができないので、この方法は厚い波形パネルに対しては効果がない。最後に、溝媒体の両側に接着材を塗布することは、製品の重量および材料コストの上昇を招き、板の製造を複雑にする。
米国特許第4,726,863号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、高強度複合板紙パネルを作る方法について述べている。このパネルは、下層と上層が接着材により接着される波状中間層からなる。起伏により形成された溝に沿った構造に変化がなく、概して構造が2次元的になっており、本願とは異なる構造分類に入る。従来の波形板の構造と同様であるその2次元的構造のために、このパネル製品は、起伏に沿った方向に比べて起伏を横切る方向の強度および剛性が低くなっている。
米国特許第5,900,304号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、構造的要素用の湿式形成された3次元コアについて述べている。3次元木繊維ウェブは、1次元的な押圧力によりプレスされる単一の硬質モールドを用いて作製することができる。この繊維ウェブは、繊維を水に混合した木繊維を用意することによりスラリを形成する湿式形成プロセスを用いて作られる。繊維ウェブは、硬質モールドがプレスされ、スラリからキャリア流体の多くが排出され圧搾された後、加熱および圧力下で1つの部材として形成される。硬質モールドを用いて形成された後、繊維ウェブは、波形の隆起部に沿って間隔をおいてウェブの両側の波形の隆起部に沿って向斜(V字)凹みを有する波形を含む。凹みの反対側の面は、波形の溝に架かる波形補剛材として機能する背斜(逆V字)突起を形成している。これらの部材により傾斜ウェブ面が作られる。これらの部材の谷部と隆起部は平坦であってもよい。平坦な隆起部により、ウェブを付加的な要素に接着する接着材を塗布するための外表面が提供される。傾斜しているまたは平坦な面によって、1次元的な押圧力によりプレスされる単一の硬質モールドを用いてウェブを形成することが可能となる。
構造的パネルの応用においては、材料シートが、形作られたウェブの平坦な隆起部にウェブの片側または両側で接着材により接着され、ウェブを覆う滑らかな外装が提供される。これにより、ウェブは、複合パネルを形成するためにシート外装の間に挟まれる剛直かつ軽量の構造コアとして機能する。この組み合わせ構造は、シート材に接着された3次元ウェブからなる。
米国特許第6,451,235号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)は、強いコア構造を作製するためにプレス乾燥を用いて、繊維からなる水溶性スラリから3次元コアを形成するための湿式プロセスについて述べている。湿式形成方法は、湿った繊維の自然可塑性および順応性といわれるものを用いて深絞り3次元構造コアを作製するために用いることができる。湿った繊維を使用することにより、複雑なモールドデザインや複雑な形成プロセスを用いることなく、そのような構造の形成、絞り、および接着を行うことが可能となる。
米国特許第4,702,870号(その内容はそのまま参照により本願に組み込まれる)に記載された技術に基づいた市販品SONOBoard(商標)は、繊維からなる水溶性スラリを1つの平坦面を有する3次元ハニカムにすることができる変形可能な複合モールドを利用することができる。湿ったプリフォーム構造を湿式プレスした後、ホットプレスに送ることができ、プレス乾燥させて半硬質複合構造を形成することができる。これらの構造をハニカム面に沿って2つ重ねて平坦な剛直パネルを作製することができる。この製品の他の形態は、市販されているものとしてGridcore(商標)が知られている。
発明の概要
湿式形成された3次元コアの乾燥は、完了するのに時間がかかり、効率の悪い形成方法であるとされている。これは、湿式形成された材料の乾燥プロセスを実施するために高価な熱エネルギーを過度に必要としている。また、湿式形成は、多量の水をリサイクルする必要がある。水溶性廃液は、汚染対策処理を必要とする廃水の流れにおいて最終的に取り除かれる微細な繊維片や溶解固形物を含んでいる。
上述したように、米国特許第5,900,304号で述べられたタイプの3次元構造コアは、湿式形成モールドを用いて作製される。湿式形成プロセスを行うための典型的なモールドについての説明は、米国特許第5,900,304号のカラム5の1〜52行およびカラム5の65行からカラム6の6行においてなされている。
乾式形成された繊維から好ましい深絞り複合3次元構造コアを作製することは、乾式形成されたパネルにおける順応性の欠如と乾燥繊維の「スプリングバック」とによる高密度化の低下と機械的特性の開発について述べた従来技術が教示することではなかった。従来技術は、深絞りを形成するために必要な柔軟性および可動性と、そのような複合3次元構造において必要とされる接着力を得るための繊維間の密着性とが欠如しているため、乾燥した繊維を形成し高密度化するためには複雑で高価な装置および方法が必須であると結論づけている。
しかしながら、湿式形成プロセスを用いることは、これらの3次元コアを作製する方法として費用効率または時間効率のよいものではないということが確かめられている。したがって、濡れた繊維の塊を伴うかなりの排水が生じるような状況、特に水溶性繊維スラリからの湿式プレス乾燥、すなわち湿式形成において使用することを意図した米国特許第5,900,304号で使用されたタイプのモールドは、乾式形成方法において用いることができる。このように、3次元コアの湿式形成において必須とされる湿式形成繊維流、高い繊維可塑性、および崩壊が実質的に生じるにもかかわらず、乾式形成プロセスを用いて均一で強固な複合コア構造を作製することができる。
対象とする乾式形成方法は、湿式形成技術により作製されたものと比べて高品質な3次元構造コアを形成することができる。また、米国特許第5,900,304号のモールドのデザインにおける変更を加えて、パネル外装を通じてコアパターンを電信することなく構造的な完全性、高強度、および優れた積層特性を維持しつつ、より深い絞りのコアを乾式形成により作製する場合の性能を向上させることができる。
本発明の開示の一部となる添付した図面を参照することにより本発明をより良く理解することができるであろう。
詳細な説明
ここで示される典型的な構造は、湿式形成方法ではなく乾式形成方法を用いている点を除いて、米国特許第5,900,304号において作製されるものと設計上同じである。ウェブの基本構造を明確にするために、実施形態における異なる斜視図が図1〜図3に示されている。図1に表された構造は、波形の隆起部内を下方に向かう多数のV字開口(以下、向斜凹み4という)と、波形の谷部から上方に向かう多数の逆V字突出部(以下、背斜突起5という)とがそれに沿って形成された一連の起伏または波形1からなるプレス繊維ウェブの上面図を示している。図1に示されるように、背斜突起5は波形と同じ高さであってもよいし、波形の隆起部から後方に設定されていてもよい。
参考までに、図1においては、波形の軸の方向が矢印3で示されている。平面の周りに形成されたウェブに対しては、ウェブの中央平面を、限られた全体の高さ寸法において構造の中央を通る水平面として定義することができる。一般的に、中央平面は、ウェブを形成するために加えられる力の方向に対して垂直である。
向斜凹み4の谷部と背斜突起5の隆起部の方向は、波形の軸に対して略垂直である。必要に応じて他の相対角が用いられる。背斜突起5は、図1に示される構造の下側から波形の谷部を凹ませることにより形成される。向斜凹み4と背斜突起5のいずれも、繊維ウェブ構造の反対側からではあるが同じようにして形成される波形隆起部への凹みであるといえる。
向斜凹み4および背斜突起5により形成される壁は、波形の隣り合う壁の間の空間に広がり架け渡されている。この空間を架け渡すことにより、向斜凹み4と背斜突起5とを波形1のガセットまたは補剛材として作用させることができる。また、波形の軸に対して垂直な方向における強度と剛性が提供される。繊維ウェブは、付加的な支持を必要とせずに、その常態を保持することができる。繊維ウェブの自己支持の特徴は、積層構造にする組立作業を非常に簡単で便利なものにする。また、この自己支持の特徴により、パッケージングにおいては有用となり得る常態条件でウェブを使用することができる。
この構造の頂部または隆起部6は、ウェブの上面および底面の双方において平坦であってもよい。これらの隆起部に沿った平坦な特徴は、この構造を様々な種類のシート外被または外装に接着する際あるいはいくつかのウェブをまとめて接着して積層構造を形成する際に使用される接着材を塗布するための便利で有効な場所となり得る面を形成する。図1に表されているように、これらの頂部の平坦な隆起部が、波形1の頂部または隆起部に加えて、背斜突起5の頂部または隆起部を備えていてもよい。
図2は、第1の実施形態におけるさらなる斜視図を提供している。この図においては、構造の断面および下部の特徴を明らかにするために、図1に示された構造が図1の平面2−2に沿って切断されている。図3は、1つの波形の中央を通る平面で分割された波形を示す他の斜視図である。図2および図3では、波形の谷部の凹みにより背斜突起5を形成することが分かりやすくなっている。この構造は、傾斜した面と平坦な隆起部とを有する比較的薄い3次元ウェブである。
本発明の構造のトポロジにより、1次元的な形成力によりプレスされる単一の硬質モールドを用いた単一の成型操作によって3次元ウェブを単一の連続部材として形成することが可能となる。本発明を形成するために使用されるモールド上面および底面は、構造のそれぞれ上面および底面の凹型を含んでいる。ウェブ構造の平面軸または中央平面に概して垂直な方向に一定方向の成型圧力が加えられる。
硬質モールドを用いて単一の成型ステップで繊維ウェブを単一部材として形成する能力は、ウェブ面がその構造の中央平面の座標の一価関数となっている点に特徴づけられる。したがって、モールドがその完成形のウェブに向かって移動する際に、ウェブのどの部分も2回以上交差しない。ウェブのどの部分も折り返しがなく、単一の連続ウェブを形成する単一の成型ステップにおいて硬質モールドへのアクセスを不可能にするような中空部もない。
ウェブの角度のついたあるいは傾斜した面により3次元ウェブ構造を素早く形成することが可能となるので、ウェブの形成後にモールドをウェブから素早く分離することも可能となる。優れた成型分離特性が得られる。
図4Aは、図1および図2に表されたウェブと同様の3次元繊維ウェブの上面図を示している。この場合において、より多くの凹みおよび突起を有する少し大きなウェブが示されている。上面図は、ウェブ構造またはパターンを分かりやすくするために、意図的に偏った形を示している。ウェブは、縁を切り落としたり、ウェブの周囲を所望の形状に形成したりすることによって、矩形状の周囲または他の周囲形状を有するように作ってもよい。
図4Aにおいては、構造の頂部の平坦な隆起部7が上面図において濃い黒色の線で表されており、底部の平坦な谷部8が上面図においてハッチングされたパターンで表されている。図1〜図3に関連して既に述べたように、隆起部7の平坦部は、ウェブを外装または他の繊維ウェブに接着するために使用される接着材を塗布するための優れた面を形成する。上面図において角度のついた細い線は、紙面に向かう向斜凹みと紙面から出る背斜突起の縁である。このように、ハッチングされた水平線を含む図4の菱形要素は向斜凹み9を表し、濃い実線を含むものは背斜突起10を表している。
図4Bは、図4Aに表された構造の下端図を示している。図4Bに示される図は、図4Aにおいて断面4B−4Bで示されている。波形11の端面および背斜突起10の側面は、この図で見ることができる。図4Cは、向斜凹み9と背斜突起10のさらに他の図を示すウェブの右端図を示している。図4Cの右端図は、図4Aにおいて断面4C−4Cで示されている。
図4において、向斜凹み9と背斜突起10の位置は、隣り合う波形に沿って少しずつずらして並べられている。これらの部材を少しずつずらして並べることにより、波形に沿った方向と波形を横切る方向の双方についての曲げ強度および剛性を構造に与えることができる。
図5Aは、波形を横切る方向にウェブを曲げたり折り曲げやすくするために、向斜凹み12と背斜突起13とが波形に対して垂直な方向に並べられたウェブの上面図である。この実施形態の下端図は図5Bに示されており、右端図は図5Cに示されている。この実施形態の特有のトポロジにより、硬質材料からなる単一部材から3軸フライス盤で簡単に加工することができるモールドを使用することが可能となる。図5においては、凹みと突起の間に図4と比べていくらか大きな距離があることが示されており、向斜凹み12と背斜突起13の間隔および位置が変化し得ることを示している。適切な位置および間隔は、波形を横切る方向の強度や成型設備の経済性、完成品形状、最終用途などの製品用途要件によって決定される。
ウェブを折り曲げたり曲げたりすることができることは、種々の用途において有利なことである。例えば、箱の製造において、隅でウェブを折り曲げた後、外装で覆って滑らかな面を作ることができる。ウェブが常態で自己支持されていることにより、この順序による箱の組立が非常に簡単になる。木材や金属、硬質プラスチックのような堅いシート材料や、薄い繊維板や板紙のようなより柔軟なシート材料をウェブに適用して、この事例における箱面を形成することができる。異なる組立順序を用いることで、従来の波形板の製造においてなされていたように、ウェブに外装を施した後に折り曲げることができる。この場合において、外装を曲げる前に折り曲げ線に沿って折り目をつけることができるように、外装は柔軟でなければならない。
所定の折り曲げ線を除くウェブのほとんどの領域において凹みまたは突起を少しずつずらして並べた繊維ウェブを形成することもできる。これらの折り曲げ線に沿って凹みと突起が並べられる。直線的で少しずつずらして並べられたウェブの特徴の組み合わせを用いることにより、波形に沿った方向および波形を横切る方向の双方について剛直な折り曲げ容易なパネルを作製することができる。
図6は、繊維ウェブ19の隆起部18に接着可能な、滑らかでかつ平坦な面を有するシート17を示している。図5に示されたものと同様のウェブ19を絞ることができる。この複合構造は、繊維ウェブ19支持またはコアを有する平坦面パネルになる。ウェブ19に付けられるシート材17は、剛直3次元トラスを形成する向斜凹み12の頂部にわたるギャップを埋めている。このようにして形成された3次元トラスは、複合パネルにかなりの剛性を与える。
ウェブに付けられる平滑面シート17は、情報を伝達したり広告したりするのに有用な文章や画像を印刷したり表示したりするのに優れた面を提供する。印刷を行うのはシートがウェブに結合される前または後のいずれであってもよい。図5においては概して平坦なパネルとして示されているが、ウェブ19を円弧状に形成しまたは曲げ、シートが繊維ウェブ19の湾曲に追従するように柔軟シートをウェブ19に接着することにより、湾曲した形状も簡単に作ることができる。
繊維ウェブの実施形態のいずれについても、シート外装に多くの異なる材料を使用することができる。例えば、外装は、木製ベニヤ、木繊維材料からなるシート、木質粒子パネル材料、プラスチックまたは金属シートからなっていてもよい。
図7Aは、いくつかの繊維ウェブ19のそれぞれが互いに接着され積層構造にされた実施形態の上面図である。図7Bは、ウェブの積層部の底端図であり、図7Cは積み重ねられたウェブの右端図である。ウェブ19は、それぞれのウェブ19の隆起部14に形成された面に沿って簡単に接着することができる。図7Bの端面図に示されるようにウェブ19を少しずつずらして並べることにより、向斜凹み12の頂部のギャップは、隣り合うウェブ19の隆起部14の剛直部により架け渡される。このように、この構造は、すべての方向についてかなりの剛性を有する複合剛直3次元トラスとなる。この場合においては、シート外装を使用することなく剛性が得られる。
図5のように並べられた凹みを有するウェブであっても、ウェブを積み重ねることによって、凹みの折り曲げ線を横切る方向を含むすべての方向について剛性を持たせることができる。これは、適切な積層構造における凹みのギャップにわたって形成された剛直橋部が、曲げの力がかかった凹みの閉塞に耐えるからである。ウェブ内に凹みを並べることにより、これらの積層構造において波形に沿った方向と横切る方向の双方に関して剛性を維持することができる。
所定のパネル厚さについて、積層ウェブは、一般的に単一の大きなウェブのみからなるパネルに比べて断熱特性がよい。この利点は、主に積み重ねられたウェブの厚みを通して空間が分離または区画されていることによるものである。空間を区画することにより、循環空気流は分かれて互いに分離される。これらの空気流に沿った熱対流により、積層ウェブの厚みにわたる伝熱は最小限になる。
図7には示されていないが、ウェブの積層部の中のウェブ19の間にシート材を付けてもよい。このシート材による付加的な層の形成は、複合パネルに付加的な強度および剛性を与え、パネルにおける対流伝熱抵抗を増やす。対流伝熱抵抗の増加は、これらの実施形態における積層ウェブ内の空間をさらに分離および区画することにより生じる。
積層構造におけるウェブ19間にシート材を追加するさらなる利点としては、種々の層の接着材による接着が簡単になることがある。シートが広い接着面を提供するためにこの利点が生じる。この状況において、積層部の隣り合う層は、シート層がない場合に必要とされるほど正確に位置決めする必要がない。シート層がなければ、接着する前にウェブ隆起部7と14を注意深く揃えなければならない。
図8は、積層部に対してより大きな剛性と平滑面を与えるために、積層構造の外部ウェブの隆起部14にシート外装17を適用した例を表している。用途に応じて、積層部内のウェブ19の間にシートを置くこともできるし、置かなくてもよい。
図9は、多数のウェブ19が水平に積み重ねられた実施形態を示している。この場合において、シート外装は外部ウェブ隆起部14ではなく、積層部の縁部に付けられる。この構成に関して、典型的には、それぞれのウェブは、ウェブ全長(図9の紙面に向かう寸法)に対して幅(図9における高さ寸法)が狭い。図9に表された積層ウェブとシート外装は、ウェブ19の縁部に大きな負荷がかかる比較的太い梁やプラットフォームを形成する際に有用である。さらに、積層パネルの縁部に沿ったシート外被は、屑がウェブの積層部の中に入らないようにしている。
もう一度言うが、図9に示される積層部内のウェブの間にシート材を置き複合構造に付加的な強度および剛性を与えてもよい。図9には示されていないが、図9に表された構造の右、左、正面において複合パネルの縁部にシート外装を簡単に付けてもよい。これらのシート外装を追加することで、平滑な外装によって複合パネルのすべての側面を完全に囲むことができる。
繊維ウェブを入れ子にすることもできる。入れ子構造において多数のウェブを互いに接着することにより、単一のウェブの強度および剛性に比べて、ウェブの強度および剛性を実質的に増加させることができる。入れ子により、単一のウェブ構成と単一の形成装置を用いて、ウェブ厚さ、強度、および剛性を広い範囲で変化させることが可能となる。
本発明は、種々の形態において、パッケージング、材料取扱、建築および家具産業における多様な構造的製品を作るために使用することができる。製品には、パレット、バルク容器、頑丈な箱、運送コンテナ、壁パネル、屋根パネル、セメント型、仕切壁、ポスターディスプレイ、リール、机、小箱、棚、テーブル、およびドアが含まれる。
本発明は、あらゆる種類の木繊維から形成することができる。化学添加物を含まない木繊維だけで形成して、製品を簡単にリサイクル可能にすることができる。また、樹脂またはバインダ添加材で形成して特性を高めることもできる。また、本発明は、耐水性、耐火性、耐虫性のような特定の特性を構造に与えるためにその他の様々な添加物や処理法を含むことができる。
上述した米国特許第5,900,304号に記載されたモールドを使用すれば、以下の乾式形成処理を行うことができる。
まず、処理済みの木繊維から、予め形成された実質的に平坦なマットが乾式形成される。これらの木繊維は、例えば、木材チップ、おが屑またはかんな削り屑、再生クラフト紙または古い波形繊維、古新聞または他の形態の再生紙を回転ディスクリファイナーで粉砕した木繊維全体を含んでいてもよい。
再生または未使用プラスチック材料およびポリエチレン、ポリ塩化ビニル、難燃成分、粘土、湿潤強力添加剤、ワックス、および/または殺虫剤をはじめとする(これに限られるものではない)最終製品に特定の特性を与えるために選択された他の成分に木繊維を混合してもよい。例えば、尿素ホルムアルデヒドまたはフェノールホルムアルデヒド樹脂、メチレンジイソシアネート樹脂または同類のバインダを木繊維に添加することもできる。
典型的には、上記木繊維に接着材が混合され、接着材の完全な混合と調合が達成される。これらの接着材は、木繊維を接着して予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維のマットとし、最終的には3次元木繊維構造コアとするために用いられる。本発明の接着システムは、概して、イソシアネートポリマーおよび/またはアルデヒドポリマー樹脂を有する。また、この接着システムは、イソシアネート/ラテックス共重合体またはフェノール−フォルムアルデヒド/ラテックス共重合体であってもよい。ここで用いることができる他の接着システムは、単一の混合添加により、または連続した2成分の接着材塗布により木繊維に塗布可能なアルデヒド非含有の湿潤強度添加材を有する大豆ベースの接着システムである。典型的には、接着システムを形成するポリマーは液状であり、リグノセルロース材の層の主面に直接塗布することができる。ポリマー樹脂を塗布する前に組み合わせてもよい。
アルデヒドポリマー樹脂は、フェノール−ホルムアルデヒド、レゾルシノール−ホルムアルデヒド、メラニン−ホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、改質リグノスルホナート、尿素−フルフラールおよび凝縮フルフリルアルコール樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよい。フェノール成分は、これまでフェノール樹脂の形成に用いられてきた、2つのオルト位または1つのオルト位とパラ位で置換されない1以上のフェノールを含むことができる。そのような非置換位は重合反応に必要である。フェノール環の残存炭素原子のいずれか1つまたはすべてを置換してもよく、あるいはいずれも置換しなくてもよい。置換基の性質は著しく変化し得るが、アルデヒドの重合において、置換基がオルト位および/またはパラ位でフェノールに干渉しないことだけが必要である。フェノール樹脂の形成において用いられる置換フェノールは、アルキル基置換フェノール、アリール基置換フェノール、シクロアルキル基置換フェノール、アルケニル基置換フェノール、アルコキシ基置換フェノール、アリールオキシ基置換フェノール、およびハロゲン置換フェノールを含み、上記置換基は、1〜26個、好ましくは1〜12個の炭素原子を含んでいる。好適なフェノールの具体例としては、フェノール、2,6キシレノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、3,5−キシレノール、3−4−キシレノール、2,3,4−トリメチルフェノール、3−エチルフェノール、3,5−ジエチルフェノール、p−ブチルフェノール、3,5−ジブチルフェノール、p−アミルフェノール、p−シクロヘキシルフェノール、p−オクチルフェノール、3,5−ジシクロヘキシルフェノール、p−フェニルフェノール、p−クロチルフェノール、3,5−ジメトキシフェノール、3,4,5−トリメトキシフェノール、p−エトキシフェノール、p−ブトキシフェノール、3−メチル−4−メトキシフェノール、およびp−フェノキシフェノールが挙げられる。
フェノールと反応するアルデヒドは、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、フルフルアルデヒド、およびベンズアルデヒドのようなこれまでフェノール樹脂の形成に用いられてきたいずれかのアルデヒドを含み得る。概して、用いられるアルデヒドは、R’を1〜8個の炭素原子を有する水素または炭化水素ラジカルとすると式R’CHOとなる。最も好ましいアルデヒドはホルムアルデヒドである。
好適には、イソシアネートポリマーは、分子毎に少なくとも2つの活性イソシアネート基を含む有機イソシアネートポリマー化合物またはそのような化合物の混合物であってもよい。概して、本発明の方法で用いられるイソシアネートポリマーは、イソシアナト基官能価が少なくとも約2価であるものである。好ましくは、この官能価は、132〜135のイソシアネート当量で2.3〜3.5の範囲にある。イソシアナト官能価は、利用可能なNCO基の割合とイソシアネートポリマー組成の平均分子量から決定することができる。利用可能なNCO基の割合は、ASTMテスト方法D1638の手順によって決定することができる。
本発明の方法で用いることのできるイソシアネートポリマーは、典型的な芳香族、脂肪族、および脂環式のイソシアネートポリマーをはじめとする接着材の組成において典型的に用いられるものであってもよい。代表的な芳香族イソシアネートポリマーとしては、2,4−ジイソシアン酸トルエン、2,6−ジイソシアン酸トルエン、4,4’−メチレンビス(フェニルイソシアネート)、1,3−フェニレンジイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート、2,4,4’−トリイソシアナトジフェニルエーテル、2,4−ビス(4−イソシアナトベンジル)および同類のポリアリルポリイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネートおよびその混合物がある。代表的な脂肪族イソシアネートポリマーとしては、ヘキサメチレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、および1,12−ドデカンジイソシアネートおよびリジンエチルエステルジイソシアネートがある。代表的な脂環式イソシアネートポリマーとしては、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)、1,4−シクロヘキシレンジイソシアネート、1−メチル−2,4−シクロヘキシレンジイソシアネートおよび2,4−ビス(4−イソシアナトシクロヘキシルメチル)シクロへキシルイソシアネートがある。
典型的には、イソシアネートポリマーは液状で塗布される。一般に、フェノール樹脂としてフェノール−ホルムアルデヒド樹脂が使用される場合、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂は、本発明の方法において使用される接着材の組成中に接着材の総重量に対して約50〜90重量%、好ましくは約60〜80重量%の範囲で存在する。一般に、イソシアネートポリマーは、木繊維のマットの総重量を基準として、好ましくは約3重量%から、より好ましくは約5重量%から、最も好ましくは約7重量%から、約30重量%まで、より好ましくは約25重量%まで、最も好ましくは約20重量%までの量だけ存在する。これらの割合で接着システムを使用することにより、所望のボード特性と経済的な利点という商業的に魅力的な組み合わせを得ることができる。
予め形成された実質的に平坦な処理済み木繊維の乾燥マットの形成は、その割合を制御しつつ空気を通じて処理済み乾燥木繊維またはその混合物を重力により供給することにより行うことができる。重力により供給されたこれらの処理済み乾燥木繊維または混合物は、平坦な形成領域または真空形成ベッドに均一に散布され、所定の斤量(単位面積当たりの重量)を有するマットが形成される。そして、このマットは予圧縮され、その後の取扱および米国特許第5,900,304号において略述されたタイプの3次元モールドを装備した不連続または連続ホットプレスへの装填に十分なようにその機械的粘着性が高められる。
その後、予形成され予圧縮された平坦な乾燥マットは、予形成され予圧縮された平坦な乾燥マットが絞り成型され単一のプレス動作で3次元構造に成型されるのに十分なプレスプロトコルを用いて、所定の時間の間3次元モールドによりプレスされる。対象コアを形成するために好ましい単一のプレス動作は、間欠的または連続的なモールド構成において実現することができる。
これらのマットは、マットの縦/横軸に平行な平面においてモールドに導入される。プレスのサイクル中に、マットがモールドの3次元外形において絞られると、熱硬化性のバインダ、ワックス、および他の接着材が硬化する。さらに、プレスサイクルの最後に圧力が開放される際に熱的に結合された強化コアが分離されることなく水蒸気が放出されることに備えて、存在する水分を熱的に蒸発させる。モールドに導入されたマットの水分含有量は、オーブン乾燥された木材固形物の総重量に対して、好ましくは約5重量%から、より好ましくは約6重量%から、最も好ましくは約8重量%から、約20重量%まで、より好ましくは約16重量%まで、最も好ましくは約12重量%までである。一方、同一のオーブン乾燥を基準に表現すれば、予圧縮後で脱水、乾燥、および強化のためのホットプレスステージへの導入前の湿式形成マットの水分含有量は、典型的には乾燥マットよりも少なくとも約5倍、他の形態では少なくとも約7倍、さらなる実施形態では少なくとも約8倍、さらなる実施形態では少なくとも約10倍高い。
ここで述べられた加熱された3次元モールドにマットが接触するプレスサイクルの期間は、対象となる予形成プレス乾燥マットを用いた場合、好ましくは約30秒から、より好ましくは約35秒から、最も好ましくは約40秒から、好ましくは約120秒まで、より好ましくは約100秒まで、最も好ましくは約70秒までである。一方、米国特許第5,900,304号または米国特許第4,702,870号のプロセスにより湿式形成されたマットが、プレスサイクル中に同一の3次元モールドを用いる場合、プレスサイクルの期間は、同様の温度および圧力において、典型的には少なくとも約200秒から約800秒の範囲である。換言すれば、本発明の乾式形成されたマットについてのプレスサイクルの期間は、湿式形成されたマットについてのプレスサイクルよりも少なくとも約2倍、他の形態では少なくとも約3倍、さらなる形態では少なくとも約4倍短い。
理論的には、ここで述べられたモールドを用いて約500°Fおよび2,500psiに近い圧力という極端な温度および圧力で乾燥させることにより湿式形成されたマットのプレス期間を短くすることが可能である。しかしながら、乾燥マットの着火点は典型的には約450°Fである。したがって、好ましくは約260°Fから、より好ましくは約280°Fから、最も好ましくは約300°Fの温度から、好ましくは約410°Fまで、より好ましくは約380°Fまで、最も好ましくは約340°Fまでの温度で、乾式形成されたマットをプレスすることができる。好ましくは約500psiから、より好ましくは約700psiから、最も好ましくは約800psiの圧力から、好ましくは約1,400psiまで、より好ましくは約1,200psiまで、最も好ましくは約1,000psiまでの圧力で、乾式形成されたマットをプレスすることができる。
乾式形成された繊維から複合3次元コアを作製することができるだけではなく、一般的にこれらの乾式形成されたコアは、同様の湿式形成されたコアよりも構造的に強い。これは、非常に高い全エネルギー効率で、かつ湿式形成プロセスに関連する水汚染問題を生じることなく実現することができる。工業的生産性と規模に限定すれば、乾式形成プロセスに関連した利点は、湿式プロセスと比較すると、より高い生産性とこれによる工業規模の経済性にある。
従来から、湿式形成によって優れた成型特性および強化型繊維間接着を得ることが提案されている。この考えは、コアと面要素とをサブパネルに一体的に形成し、これら2枚を重ねて応力外皮サンドイッチパネルを作製することにより効率を得ようとするSONOBoard(商標)やGridcore(商標)などの製品の製造において具体化されている。この製造方法において、必要な厚さ較正を行うためにその後砂で磨かれる面要素には湿式形成の変動性が多く存在している。この製造方法において面の積み重ねに付与される左右の変動性は、応力外皮製品に不均衡を与え、その結果として使用時にパネルのそりや曲がりの傾向を生ずる。
本発明は、薄肉ボードMDFを利用することによりこの左右の不均衡の傾向をなくしている。また、HDF面や優れた均一性とコンシステンシーを有する他の外装材料を用いている。対象のプロセスにおいて、最終製品の厚さ制御は、必要に応じて較正または表面処理もされ得る応力外皮パネル面からは独立して、応力外皮複合体に不均衡を与えることなくコアを較正することによって行われる。さらに、薄肉ボード面パネルの正面から背面への不均衡は実質的に最小限になる。
薄板ボードMDFまたはHDF面乾式形成パネルを利用することの他の重要な利点は、面を通じてコアパターンを電信しなくてもよいことにある。これは、一体コアと面サブパネルを使用する従来技術の湿式形成プロセスには本来的で避けられないものである。湿式形成技術においては、ハニカムコア構造を形成するために用いられる変形可能な塊状モールドインサートのそれぞれの周囲の領域において、湿式形成された繊維が外面に対する角度方向に平行な方向から方向を変えるときに、繊維の屈折率にずれが生じる。一体コア/面湿式形成プロセスにおける方向の変化により、SONOBoard(商標)やGridcore(商標)を作製するために使用された従来技術における電信コアパターンは消すことができなくなる。本発明の3次元コアの乾式形成を用いた薄板ボード面技術の使用により、好ましくは、薄板ボード面パネルを通した実質的な電信をしなくてもよくなり、これにより従来技術に固有の電信時の問題を解消し、精度、平坦性、および強度に優れたパネルを作製することができる。
単一ステップまたは多ステップの熱成型プロセスにおいて湾曲したパネルを作製するには、湿式形成よりも乾式形成の方が好ましい。また、本乾式形成コアにおいて用いられたモールドデザインは、積層プラットフォーム部材により、コアの負荷に耐えられる対角線状の部材における強度および接着材の受理性を独自に最適化する機会を提供し、その結果、強力なグルーラインが生じ、これにより強いパネルとなる。対照的に、湿式形成プロセスにおいて用いられる3次元エラストマーモールドおよび排液部材においては、中央で積層されたパネルにその面に垂直な曲げ力がかかったときに生じる最大剪断応力面と一致する、完成パネルのグルーラインに沿った弱い平面がどうしても生じてしまう。この本来的な欠陥は、エラストマー「塊状」部材が排液部材の面に付着(および固定)する面に沿って、繊維ウェブの高密度化が低下することから生じる。この繊維高密度化が低下した面は、積層面およびその面に対して垂直なパネルに曲げ負荷がかかっているときの最大剪断応力面と一致し、これによりパネル強度が制限される。
本発明においては、乾式形成された繊維マットから深絞り3次元構造および強固な積層複合体を形成することを容易にするために、ある程度の変更を組み込むことができる。これらの変更により、米国特許第5,900,304号のモールドデザインを用いた場合の結果が改善される。これらの変更は、モールドの幾何学上のパラメータを絞りの深さに対して所定の角度内に維持し、応力外皮面を通してパターンを電信しない積層隆起部を有するコアを作製しつつ、予形成マットを引き裂くことなく繊維絞りを得ることを含み得る。負荷に耐えられる対角線状の部材の角は、3次元コアの縦−横軸から測定して、好ましくは約35度から、より好ましくは約40度から、最も好ましくは約45度から、好ましくは約70度まで、より好ましくは約65度まで、最も好ましくは約60度までの範囲とすることができる。これらのコアの垂直軸方向の深さは、好ましくは約1/4インチから、より好ましくは約3/8インチから、最も好ましくは約1/2インチから、好ましくは約1−1/2インチまで、より好ましくは約1−1/4インチまで、最も好ましくは約1インチまでの範囲とすることができる。
また、これらの変更には、隅肉と湾曲コーナーをモールドデザインに組み込み、製品における応力集中を軽減し、成型プロセス中に積層プラットフォームとモールドデザインの負荷に耐えられる対角線状の部材の交差点における繊維絞りを容易にすることが含まれ得る。外装用の積層プラットフォームである隆起部の頂部および谷部の幅は可変であり、所定の厚さの完成パネルを作製するために必要とされる対角部材の深さと角度による。積層プラットフォームは、正確な完成パネル厚さ、積層面における十分な剪断強さを提供するとともに、外装ボードを通した電信(telegraphing)をなくすように寸法取りすることができる。外装ボードの水平面のパーセンテージとして、積層プラットフォーム寸法は、接触面積の好ましくは約10%から、より好ましくは約12%から、最も好ましくは約15%から、約30%まで、より好ましくは約25%まで、最も好ましくは約23%までである。また、繊維絞りを容易にするための曲率半径は、各辺で接する点において、隆起部の頂部または谷部の各辺で横積層プラットフォームに沿って隆起部または谷部を横切る距離の好ましくは約5%から、より好ましくは約10%から、最も好ましくは約15%から、約35%まで、より好ましくは約30%まで、最も好ましくは約25%までである。
さらに、これらの変更には、3次元コアの負荷に耐え得る積層部材の厚さおよび密度を独立して変化させることが含まれ得る。そのような壁厚さの範囲は、好ましくは約0.080インチから、より好ましくは約0.090インチから、最も好ましくは約0.10インチから、約0.180インチまで、より好ましくは約0.150インチまで、最も好ましくは約0.120インチまでである。上述した密度範囲は、好ましくは約45ポンド毎立方フィートから、より好ましくは約50ポンド毎立方フィートから、最も好ましくは約55ポンド毎立方フィートから、約70ポンド毎立方フィートまで、より好ましくは約65ポンド毎立方フィートまで、最も好ましくは約60ポンド毎立方フィートまでである。
隣り合う隆起部の好ましい縦方向寸法は、隆起部、すなわち橋部105(図10参照)の水平面で向斜凹み102および背斜突起103の交差点により形成される隆起部104または谷部の隣接する横列に沿って連続して明確に見える直線をなくすように、二者択一的に短いかあるいは長い。図10に示される構造により、薄板ボード面パネルを通したコアの実質的な電信をなくし、湿式形成/プレス乾燥プロセスに代えて乾式形成プロセスを用いて深絞り3次元構造コアを効率的に作ることが可能となる。
ここで述べた方法を用いて本発明のパラメータの範囲内で乾式形成により実験を行った。本発明の乾式形成プロセスを用いて作製したパネルについての試験で平面圧縮強さデータを得た。同等の重さで湿式形成されたパネルについて公表されている平面圧縮強さデータも得た。ここで開示された方法により作製されたパネルの平面圧縮強さが、同等の重さで湿式形成されたパネルについて公表されている平面圧縮強さよりも少なくとも約2倍、好ましくは少なくとも約3倍、より好ましくは少なくとも約4倍、最も好ましくは少なくとも約5倍大きいことをデータがはっきりと示している。
図1は、波形の隣り合う隆起部に沿って少しずつずらして並べられた凹みを有するウェブの片側にある波形と向斜凹みを示す成型された繊維ウェブの第1の実施形態の斜視図である。 図2は、図1に示されるウェブの正面の波形の隆起部を通る破断面を表した繊維ウェブの追加斜視図である。 図3は、図1に表された繊維ウェブの1つの波形の分離の斜視図であり、波形の頂部または隆起部を通る平面に沿って波形が切断されている。 図4は、波形の間に少しずつずらして並べられた向斜凹みおよび背斜突起を有する繊維ウェブの平面図(4A)、端面図(4B)、および側面図(4C)を表している。 図5は、ウェブを横切る方向に並べられた向斜凹みおよび背斜突起を示す、本発明の第2の実施形態の平面図(5A)、端面図(5B)、および側面図(5C)を示している。 図6は、剛直3次元トラス構造を形成する繊維ウェブの隆起部に接着されたシート外装を有するパネルの実施形態を示している。 図7は、厚い剛直繊維構造を形成するために積み重ねられ隆起部に沿って接着された複数の繊維ウェブの平面図(7A)、端面図(7B)、および側面図(7C)を示している。積層部内の各ウェブは図5に示されるウェブの第2の実施形態の形をしている。積層構造内で他のウェブの実施形態を使用することもできる。 図8は、図7の積層ウェブおよび平坦な外表面を有する剛直構造を形成するために外側ウェブの外部隆起部に取り付けられるシート外装の組立図である。 図9は、比較的多数のウェブ片を使ってウェブを水平に積層した後、シート外装を積層ウェブの垂直端部に接着することにより作られたパネル製品を示している。図9の積層部に示されているそれぞれのウェブは、図5に示されるウェブの第2の実施形態と同一の形態を有している。積層構造内で他のウェブの実施形態を使用することもできる。 図10は、連続して明確に見える直線をなくすように構成された好ましい3次元コアの平面図である。

Claims (21)

  1. 負荷に耐え得る積層部材を有する深絞り3次元木繊維構造コアの乾式形成のための方法であって、
    予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットを用意し、
    積層プラットフォーム、負荷に耐えられる対角線状の部材、隅肉、および湾曲コーナーを備える3次元モールドを用意し、
    前記乾式形成された木繊維のマットを前記3次元モールドに導入し、
    前記木繊維のマットを前記3次元木繊維構造コアに絞り成型し、
    前記負荷に耐え得る積層部材は、その厚さおよび密度が変化しており、
    前記3次元モールドは、成型プロセス中に前記積層プラットフォームと前記負荷に耐えられる対角線状の部材との交差点における繊維絞りを容易にし、前記3次元木繊維構造コアの垂直軸方向の深さは、約1.5インチまでである方法。
  2. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットを予圧縮し、前記マットの機械的粘着性を高めてその後の取扱および前記3次元モールドへの装填を容易にするステップをさらに含む請求項1の方法。
  3. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットは、前記3次元モールド内で実質的に単一のプレス動作で絞り成型される請求項1の方法。
  4. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットの水分含有量は、オーブン乾燥された木繊維を基準として約20%以下である請求項1の方法。
  5. 前記単一のプレス動作における前記マットと前記3次元モールドとの間のプレス接触時間は約120秒以内である請求項3の方法。
  6. 前記木繊維からなるマットを前記3次元木繊維構造コアに湿式形成により単一のプレス動作で深絞り成型するプレスサイクルの時間を200〜800秒とした場合前記木繊維からなるマットを前記3次元木繊維構造コアに前記乾式形成により前記単一のプレス動作で深絞り成型するプレスサイクルの時間は、前記湿式形成による前記プレスサイクルの時間よりも少なくとも約2倍短い請求項3の方法。
  7. 薄板ボード面パネルが、該薄板ボード面パネルを通した実質的な電信がない状態で、乾式形成された3次元木繊維構造コアに付けられる請求項1の方法。
  8. 前記薄板ボード面パネルの正面から背面への不均衡が実質的に最小限にされている請求項7の方法。
  9. 前記3次元木繊維構造コアは負荷に耐えられる対角線状の部材を備え、前記負荷に耐えられる対角線状の部材の角度は、前記3次元木繊維構造コアの水平面に対して、約35度から約70度までである請求項1の方法。
  10. 薄板ボード面パネルが前記乾式形成された3次元木繊維構造コアに付けられ、前記積層プラットフォーム寸法は、前記薄板ボード面パネルの水平面の前記乾式形成された3次元木繊維構造コアに対する接触面積の約10%から30%である請求項1の方法。
  11. 前記3次元木繊維構造コアの壁厚さは約0.080インチから約0.180インチである請求項1の方法。
  12. 前記3次元木繊維構造コアの密度は約45ポンド毎立方フィートから約70ポンド毎立方フィートである請求項1の方法。
  13. 前記乾式形成により作製された前記3次元木繊維構造コアのパネルの平面圧縮強さは、同等の重さで湿式形成された3次元木繊維構造コアのパネルの平面圧縮強さよりも少なくとも約2倍大きい請求項1の方法。
  14. 負荷に耐え得る積層部材を有する深絞り3次元木繊維構造コアの乾式形成のための方法であって、
    木繊維を用意し、
    予め形成された実質的に平坦で乾式形成されたマットを前記木繊維から形成し、
    積層プラットフォーム、負荷に耐えられる対角線状の部材、隅肉、および湾曲コーナーを備える3次元モールドを用意し、
    前記乾式形成された木繊維のマットを前記3次元モールドに導入し、
    前記木繊維のマットを前記3次元木繊維構造コアに絞り成型し、
    前記負荷に耐え得る積層部材は、その厚さおよび密度が変化しており、
    前記3次元モールドは、成型プロセス中に前記積層プラットフォームと前記負荷に耐えられる対角線状の部材との交差点における繊維絞りを容易にし、前記3次元木繊維構造コアの垂直軸方向の深さは、約1.5インチまでである方法。
  15. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットを予圧縮し、前記マットの機械的粘着性を高めてその後の取扱および前記3次元モールドへの装填を容易にするステップをさらに含む請求項14の方法。
  16. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットは、前記3次元モールド内で実質的に単一のプレス動作で絞り成型される請求項14の方法。
  17. 前記予め形成された実質的に平坦で乾式形成された木繊維からなるマットの水分含有量は、オーブン乾燥された木材固形物の総重量に対して、約20%以下である請求項14の方法。
  18. 前記単一のプレス動作における前記マットと前記3次元モールドとの間のプレスサイクルの時間は約120秒以内である請求項16の方法。
  19. 前記木繊維からなるマットを前記3次元木繊維構造コアに湿式形成により単一のプレス動作で深絞り成型するプレスサイクルの時間を200〜800秒とした場合前記木繊維からなるマットを前記3次元木繊維構造コアに前記乾式形成により前記単一のプレス動作で深絞り成型するプレスサイクルの時間は、前記湿式形成による前記プレスサイクルの時間よりも少なくとも約2倍短い請求項16の方法。
  20. 前記木繊維のマットを前記3次元木繊維構造コアに深絞り成型するときに、約260°Fから約410°Fの温度でプレスされる請求項14の方法。
  21. 前記木繊維のマットを前記3次元木繊維構造コアに深絞り成型するときに、約500psiから約1,400psiの圧力でプレスされる請求項14の方法。
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