JP5597748B2 - 高強度パーティクルボードの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、木質チップに接着剤を貼着した後熱圧成板するパーティクルボードの製造方法に関する。
木質パーティクルボード(以下単に「パーティクルボード」という。)は、住宅等の解体材、廃材(廃木材)、小径木、樹木の枝等の原料木材をナイフリングフレーカーやハンマーミルなどで切削して得られる木質チップ(木質小片)から製造され、家具等の芯材、住宅の壁材、床下地材、キッチンキャビネット等住宅機器の芯材等に利用されている。
パーティクルボードの製造は、乾燥した木質チップに吹き付け等により接着剤を塗布し、マット状に形成した後、ホットプレスに挿入して加熱及び加圧して板状に成形する方法等が採用されている。
多くのパーティクルボードは、図1に示すように、小サイズ(細粒)の木質チップを用いた表層1及び裏層2と、大サイズ(粗粒)の木質チップを用いた芯層3との三層から構成されている。
通常のパーティクルボード用の接着剤としては尿素樹脂、メラミン樹脂、尿素メラミン共縮合樹脂、フェノール樹脂、イソシアネート低重合物等があり、パーティクルボードの用途や、耐水性、耐久性等の必要な性能によって使い分けがされている(例えば、特許文献1参照)。
最近、地球環境保全や森林資源保護のために合板用原木の入手難が生じ、合板の価格高騰及び供給不足等の問題により、パーティクルボードを、従来は合板が使われている用途に使用したいというニーズがある。しかし、従来のパーティクルボードは、強度性能的に合板より劣り、その代替使用は余り進んでいない。
とりわけトラックボデー(架台)や輸送コンテナーの床材は、その上に重量物が積載され、さらに雨水等に曝されることもあるため、表面が硬く強靭で曲げ強度が高く、重量物を載せても余り撓まないいわゆるヤング率が高い他、耐水性、耐久性の要求性能が高い。そのため、従来は、アピトン材やクルイン材等、南洋材の中でも特に硬く強固な木材を材料とする合板が使われている。しかしながら、それらの樹種の材木は特に入手難であり、その代替材料が求められている。
また、特許文献2には、原木を剥いだ1枚板をパーティクルボードの片面または両面に接着して補強した、型枠用合板の代替が可能な型枠板が開示されている。
しかし、木質単板を用いることなく、木質チップのみを木質材料として用いたパーティクルボード(素地パーティクルボード)の場合、現行の日本工業規格(JIS A5908)で曲げ強さによる区分のうち最も強い「18タイプ」でも縦方向・横方向の曲げ強さが18N/mm以上(横方向の曲げヤング係数3000N/mm以上)である。
これに対して、合板の日本農林規格(平成15年2月27日農林水産省告示第233号)の1級の構造用合板は、表示厚さ15.0mm以上18.0mm未満及び18.0mm以上21.0mm未満においては、曲げ強さ24.0N/mm以上、かつ曲げヤング係数が5000N/mm以上であるべきことが規定されている。
トラックボデーや輸送コンテナーの床材としての使用に耐え得る、高い曲げ強さ及び曲げヤング係数を有するパーティクルボードを製造可能な方法は、いまだ知られていない。
特開2002−200608号公報 特開2001−90339号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、木質チップのみで構成されるパーティクルボードであっても高い曲げ強さ及び曲げヤング係数を発現し得るパーティクルボードを製造可能な方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、メラミン樹脂の水溶液を木質チップに含浸して樹脂含浸チップを得る含浸工程と、前記樹脂含浸チップから表層及び裏層を、芯層と合わせた三層のマットを相互に積層し、加熱及び加圧して板状に成形する成形工程とを備えるパーティクルボードの製造方法であって、前記含浸工程において、表層及び裏層の樹脂含浸チップには、樹脂固形分の含有率が70〜80質量%で樹脂粘度が50〜200mPa・sの範囲内であるメラミン樹脂の水溶液を供給し、木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を15〜80質量部含有する樹脂含浸チップを得ることを特徴とするパーティクルボードの製造方法を提供する。
また、成形工程に先立って、表層及び裏層の樹脂含浸チップを予備乾燥する予備乾燥工程を備えることにより、一層容易に効率良く本発明の実施が可能になる。
本発明によれば、木質チップのみで構成されるパーティクルボードであっても、トラックボデーや輸送コンテナーの床材としての使用に耐え得る、高い曲げ強さ及び曲げヤング係数を発現し得るパーティクルボードを製造することができる。
三層構成のパーティクルボードの一例を示す概略の断面図である。
以下、本発明を好ましい実施の形態に基づいて説明する。
本形態例のパーティクルボードの製造方法は、少なくとも、(1)樹脂水溶液を木質チップに含浸させて樹脂含浸チップを得る含浸工程、(2)樹脂含浸チップから表層及び裏層を、芯層と合わせた三層のマットを相互に積層する工程(フォーミング)、(3)加熱及び加圧して板状に成形する成形工程を、(1)〜(3)の順で有する。なお、(1)工程で得られた樹脂含浸チップを成形前に乾燥する場合には(1)と(2)の間に予備乾燥工程を設ける。
なお、以下の説明中、「表裏層」は「表層及び裏層」の略記である。
後述するパーティクルボードの製造方法によれば、厚さ9mm〜50mmにおいて曲げ強さ24.0N/mm以上、かつ曲げヤング係数が5000N/mm以上であるパーティクルボード(本発明において、「高強度パーティクルボード」という。)を得ることができる。
<木質チップ>
木質チップの製造は、通常の様に行う。即ち材料は住宅解体材、合板製材その他建材製造廃材、間伐材などであり、ハンマーミルやナイフリングフレーカーなど通常のチッパー設備を使ってチップにすることができる。チップ製造時の金属等の異物除去や、チップの乾燥等は、通常の様に行う。
表裏層に用いる木質チップは、長さ5mm以下、厚さ1mm以下、幅2mm以下とし、且つ芯層に用いる木質チップは、長さ40mm以下、厚さ2mm以下、幅30mm以下となるようにチッパーやシフターを調整する。
木質チップは所定のサイズに調整しても木材相手なので100%がコントロールされることはないので、質量換算で90%以上が規定の範囲に入っていれば実用上は問題無い。
表裏層の木質チップが長さ5mm以下、厚さ1mm以下、幅2mm以下であることにより、樹脂を含浸させた表層及び裏層が樹脂でコーティングされた様な緻密な板面を形成し、荷物が引っ掛かること無く丈夫なパーティクルボードが得られる。もしこれより大きなチップであれば樹脂の浸透が内部まで届かずチップの強化が不十分で表面に小さな窪みが発生しパーティクルボードの性能低下や荷物が引掛かるなどの不都合が生じる。またこれより小さなチップであればパーティクルボードの曲げ強度の低下などが起きる。
芯層の木質チップが長さ40mm以下、厚さ3mm以下、幅5mm以下であることにより、強固ではあるが、適当な空隙を有しパーティクルボード全体の比重を下げる事ができる。
<表裏層用の接着剤樹脂>
表裏層の木質チップの接着に用いる接着剤は、耐久性及び耐水性の観点から、メラミン樹脂が用いられる。これにより耐久性及び耐水性に優れたパーティクルボードを得ることができる。
本発明で用いる表裏層の木質チップの接着に用いるメラミン樹脂接着剤は、メラミンとホルムアルデヒドとの縮合物(メラミン−ホルムアルデヒド)であり、さらに少量のワックスエマルジョン、更には塩化アンモニウムや硫酸アンモニウム等の硬化剤が添加された水性配合物として調製される。なお、本発明で使用するメラミン樹脂は、合板や通常のパーティクルボードの製造に使われるメラミン樹脂の様に尿素と共縮合されていない純粋なメラミン樹脂である。但し、その性能に悪影響をあまり及ぼさない限り、10%程度以下の範囲で他の成分を添加することは構わない。
通常のパーティクルボード用接着剤は、製造上から樹脂固形分(不揮発分)の含有率は出来るだけ高い方が望ましいが、接着力の観点から、木質チップへの含浸工程前にある程度縮合を進めた初期縮合物が用いられるため、樹脂粘度や貯蔵安定性の制限がある。このため、一般にパーティクルボード用接着剤は、樹脂粘度は50〜200mPa・s且つ樹脂固形分の含有率はメラミン樹脂で60〜70質量%である。
しかし本発明では、表裏層用の樹脂接着剤の機能は、木質チップ間の接着だけでなく、木質チップ内部への浸透もある。その両機能を最大限発揮させるために、接着剤の粘度は一般と同程度(50〜200mPa・s)でありながら、樹脂固形分の含有率を、メラミン樹脂では70〜80質量%に高めている。
このように高濃度の接着剤樹脂を木質チップに供給することにより、接着剤の一部が木質チップ内部へ浸透しても、木質チップ間を接着する接着剤が不足することがなく、さらに、比較的水分が少ないため、ホットプレス解圧時のパンクが無い等のメリットがある。
メラミン樹脂接着剤の製造においては、メラミンに対するホルムアルデヒドのモル比(以下F/Mモル比と称す)は、1.6〜3.0が好ましく、1.8〜2.5がより好ましい。縮合反応に使用する触媒は、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウム等の無機の強アルカリ性のものを用いる。反応系のpHは、9.0〜11が好ましく、9.5〜10.5がより好ましい。反応温度は、80〜98℃が好ましい。反応終点は、F/Mモル比及び触媒の種類と反応系のpHを決めて予め作成した、分子量と粘度の換算表を用いて、所定の粘度に到達したかどうかで決めることができる。
表裏層用の接着剤樹脂組成物の粘度は、B型粘度計による粘度(25℃)が50〜200mPaの範囲内であることが好ましい。これにより、チップへの供給(吹き付けや塗布等)に際し、パイプラインを介した搬送のハンドリング性に優れたものとなる。
<芯層用の接着剤樹脂>
芯層に使う接着剤樹脂は、フェノール樹脂接着剤、メラミン樹脂接着剤、イソシアネート系接着剤等が挙げられ、常法の様に各々単独又は混合した状態で使用する事が出来る。これにより、上述したように比較的大きな芯層用の木質チップをしっかり接着することができる。
芯層用のフェノール樹脂接着剤及びメラミン樹脂接着剤は、通常のパーティクルボード用に用いられるフェノール樹脂(樹脂不揮発分40〜50質量%、樹脂粘度50〜200mPa・s、重量平均分子量800〜7000)又はメラミン樹脂(樹脂不揮発分60〜70質量%、樹脂粘度50〜200mPa・s)でも良く、上記表裏層に用いられるものと同じメラミン樹脂でも良い。
イソシアネート系接着剤は、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)の2核体(単量体)もしくは4核体(2量体)等のポリイソシアネートや、これらポリイソシアネートとポリオールとの初期縮合物を使用することができる。ポリオールとしては、各種のアルキレングリコール類やトリオール類、その他各種のポリオール類などが挙げられる。
イソシアネート系接着剤は水分を含まず、むしろ硬化する過程で水分を取り込む性質を有する。このため、芯層用に単独で用いる場合、イソシアネート系接着剤は、表裏層の接着剤樹脂の比率が通常より高く水分が多くなり熱圧時にパンク現象を生じがちな本発明の製造方法では、好適な接着剤である。
イソシアネート系接着剤をフェノール樹脂接着剤又はメラミン樹脂接着剤と混合して用いる場合には、少量のワックスエマルジョンを添加して水性配合物とすることが好ましい。
本発明では表裏層にメラミン樹脂接着剤を用いることから、芯層にもメラミン樹脂接着剤を単独で用いるか、またはメラミン樹脂接着剤とイソシアネート系接着剤と少量のワックスエマルジョンを含有する水性配合物が好ましい。
<含浸工程及び塗布工程>
表裏層は接着剤樹脂を木質チップに含浸する含浸工程を、芯層は接着剤樹脂を木質チップに塗布する塗布工程を、それぞれ別に行う。
詳しくは後述するが、木質チップに対する樹脂固形分の量は、表裏層では木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を15〜80質量部、かつ芯層では木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を6〜16質量部とすることが好ましい。また、表裏層では木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を18〜70質量部、かつ芯層では木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を8〜12質量部とすることがより好ましい。
<含浸工程>
表裏層には、上記表裏層用の接着剤水性配合物を、樹脂含浸チップ中の樹脂固形分(含脂率)がチップ絶乾量に対し15〜80質量%の範囲内となるように使用する。これにより、十分な量の樹脂の浸透による木質チップの十分な補強及び木質チップ間の接着が充分に行われパーティクルボード表面が緻密になり、かつ耐久性・耐水性に優れた高性能なパーティクルボードを得ることができる。
表裏層用の樹脂含浸チップ中の樹脂固形分(含脂率)が80%を超えると、パーティクルボードの性能はもう余り向上しないのにコストが高くなり経済的ではなく、また、乾燥に要する設備が大きくなりすぎ実用的でない。
<塗布工程>
芯層には、上記芯層用の接着剤樹脂を、樹脂塗布チップ中の樹脂固形分がチップ絶乾量に対し6〜16質量%の範囲内となるように塗布する。これにより、表裏層用チップに比較して大きな芯層用チップをしっかりと接着することができる。
芯層にフェノール樹脂接着剤若しくはメラミン樹脂接着剤を用いる場合、樹脂塗布チップ中の樹脂固形分が16質量%を超えると、マット中の水分過多による熱圧成型時のパンク現象(解圧時水蒸気圧が高くなりパーティクルボード内に膨れが発生し製品にならない)及びチップの粘結力が強くなり過ぎてチップがプラント内をスムーズに移動せず、またフォーミングが上手くできず使用に耐えるパーティクルボードの製造が困難である。
芯層にイソシアネート系接着剤を用いる場合、樹脂塗布チップ中の樹脂固形分が16質量%を超えると、パーティクルボードの性能はもう余り向上しないのにコストが高くなり経済的ではなく、ホットプレスの熱盤上にこぼれ落ちたチップが熱盤と接着し、場合によってはパーティクルボードが熱盤から取り出せなくなるトラブルになる恐れがある。
<予備乾燥工程>
本発明では、樹脂含浸チップが多量の接着剤樹脂を含有するので、特に風力でチップを飛ばしてチップの粒径を連続的に変化させる方式のフォーミングシステムでの操業では、樹脂含浸チップが機器に付着したり、樹脂含浸チップ同士が粘結し合い、樹脂含浸チップの順調な搬送やフォーミングが困難である場合がある。そこで、本発明では、フォーミングに先立って表裏層用の樹脂含浸チップを予備乾燥する事が、機器への付着等のないスムーズなフォーミングが可能になる点から好ましい。
かかる、表裏層用の樹脂含浸チップの予備乾燥は100℃以下の温度条件で行う方法が挙げられる。乾燥温度が100℃を超えると、表裏層に用いた上記の接着剤樹脂は、予備乾燥の間に縮合反応が進みチップへの含浸が不十分となり、また接着力も低下し易くなる。また、乾燥温度が低ければ、乾燥時間が30分以上でも樹脂への影響は少ないが、パーティクルボードの生産効率の点から予備乾燥は30分以内に行うことが好ましい。このように乾燥効率及び生産性の点から、表裏層の樹脂含浸チップの乾燥は、60〜100℃で含水率が5〜20%になるように加熱乾燥させることが好ましい。
なお、芯層用の樹脂塗布チップは、特にイソシアネート系接着剤を用いると接着剤中に水分が含まれないので、予備乾燥をする必要はない。
予備乾燥には、熱風を用いる気流乾燥機、回転乾燥機、トンネル乾燥機等、その他高周波やマイクロ波乾燥機等が使われる。熱風を使う場合はチップを十分攪拌しながら乾燥させ、チップの温度むらがないようにする。
<フォーミング工程>
木質チップと樹脂が混練された表裏層用の樹脂含浸チップ及び芯層用の樹脂塗布チップは、裏層、芯層、表層の順番で所定の厚さでマット状に成形し、三層に重ねていく。この過程をフォーミングと云い、各層をマットと云う。表層及び裏層の厚さは、熱圧後で例えば0.5〜2.0mm程度が好ましい。
フォーミングは通常の方法で行うが、通常行われている多数のピンを植え付けたロール群で樹脂含浸チップ又は樹脂塗布チップを均しながらコンベアー上に落としていく方法や、樹脂含浸チップ又は樹脂塗布チップを風力で飛ばしながらコンベアー上に落としていく方法が通常使われている。
三層のマットにフォーミングされたものは、加熱及び加圧(熱圧)を行いパーティクルボードとする。ホットプレスの熱盤は平滑面で表裏層のマットに接触し、表裏層を平滑に成形する。本発明においては、ホットプレスは多段熱盤方式、連続プレス方式いずれもが使用可能である。表裏層の樹脂分が多いことから、特に多段熱盤方式では無圧状態で或る時間熱盤上に放置される事に由来する、パーティクルボード表面の劣化が無く製品歩留まりの向上効果がある。連続プレス方式では通常のパーティクルボードと同様特に問題無く生産される。熱圧条件は160〜230℃、25〜50kgf/cmとし(ただし1kgfは約9.8N)、時間はパーティクルボードの厚さ1mm当たり10〜25秒の範囲が適当である。解圧時は常法の様に圧力を徐々に下げ、パンクを発生させないようにする。
パーティクルボードの性能とその比重は密接に関係するが、本発明の目的を果たすためにはパーティクルボードの密度を0.8〜1.0g/cmとする事が望ましい。
熱圧後には、耳きり(トリミング)や検査等の工程は、通常の様に行う。強固に樹脂が含浸された表裏層の表面が緻密で、且つ硬いので、表面の研磨(サンダー)は不要であるが、精密な厚み調整等が必要な場合は行うこともできる。
本発明によれば、構造用合板に匹敵する、高い曲げ強さ(24.0N/mm以上)及び曲げヤング係数(5000N/mm以上)を有する高強度パーティクルボードを製造することができる。
本発明によって得られる高強度パーティクルボードは、トラックボデーや輸送コンテナーの床材等のように、その上に重量物が積載される、従来合板が使用されている用途にも好適に用いることができる。
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、パーティクルボードの物性は、曲げヤング係数以外はJIS A5908により、曲げヤング係数は、合板の日本農林規格(構造用合板の小試験片による1級の曲げ試験)により、評価した。
(実施例1)
表裏層用の木質チップとして、90%以上が長さ4mm以下、厚さ0.3mm以下、幅1mm以下のサイズの木質チップを作製した。また、表裏層用の接着剤配合物として、不揮発分が75質量%かつ粘度が100mPa・sのメラミン樹脂と市販のワックスエマルジョン(ダイヤプルーフWY−4、固形分45%、大日本色材工業(株))を混合したものを調製した。
ブレンダーを用いて上記表裏層用の木質チップに上記表裏層用の接着剤配合物を混練して、表裏層用の樹脂含浸チップを製造した。
表裏層用の樹脂含浸チップ中、チップの絶乾量100質量部に対してメラミン樹脂の樹脂固形分(縮合物の不揮発分)は20質量部、ワックスの固形分は0.5質量部の比率で配合されている。
表裏層用の樹脂含浸チップは、80℃の熱風ドライヤーで樹脂固形分に対する水分率が15%になるまで30分間乾燥した。
一方、芯層用の木質チップとして、90%以上が長さ30mm以下、厚さ1mm以下、幅2mm以下のサイズの木質チップを作製した。また、芯層用の接着剤配合物として、不揮発分が75質量%かつ粘度が100mPa・sのメラミン樹脂とMDI(ミリオネートMR−100、日本ポリウレタン工業(株))を9:1の重量比で混合し、さらに市販のワックスエマルジョン(ダイヤプルーフWY−4、固形分45%、大日本色材工業(株))を混合したものを用意した。
ブレンダーを用いて上記芯層用の木質チップに上記芯層用の接着剤配合物を混練して、芯層用の樹脂塗布チップを製造した。
芯層用の樹脂塗布チップ中、チップの絶乾量100質量部に対してメラミン樹脂の樹脂固形分(メラミン樹脂の固形分とMDIの合計)は10質量部、ワックスの固形分は1質量部の比率で配合されている。
表裏層用の樹脂含浸チップと芯層用の樹脂塗布チップをそれぞれ計量し、常法の通り三層マットに形成し、200℃、35kgf/cmで6分間熱圧し、実施例1のパーティクルボード(厚さ15mm、比重0.88)を製造した。
得られたパーティクルボードの物性を評価したところ表1のようであり、高強度パーティクルボードに該当するものであった。
(実施例2)
表裏層用の樹脂含浸チップ中、メラミン樹脂の樹脂固形分をチップの絶乾量100質量部に対して70質量部とした以外は、実施例1と同様にしてパーティクルボードを製造した(厚さ15mm、比重0.88)。
得られたパーティクルボードの物性を評価したところ表1のようであり、高強度パーティクルボードに該当するものであった。
以上の実施例1、2の評価結果を表1にまとめて示す。ここで、「含脂率」は、木質チップの絶乾量100質量部に対する樹脂固形分の比率をいう。
Figure 0005597748
1…表層、2…裏層、3…芯層、4…パーティクルボード。

Claims (5)

  1. メラミン樹脂の水溶液を木質チップに含浸して樹脂含浸チップを得る含浸工程と、前記樹脂含浸チップから形成される表層及び裏層を、芯層と合わせた三層のマットとなるように相互に積層し、加熱及び加圧して板状に成形する成形工程とを備えるパーティクルボードの製造方法であって、
    前記含浸工程において、表層及び裏層の樹脂含浸チップには、樹脂固形分の含有率が70〜80質量%で樹脂粘度が50〜200mPa・sの範囲内であるメラミン樹脂の水溶液を供給し、木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を15〜80質量部含有する樹脂含浸チップを得ることを特徴とするパーティクルボードの製造方法。
  2. メラミン樹脂の水溶液を木質チップに含浸して表層及び裏層用の樹脂含浸チップを得る含浸工程と、
    接着剤樹脂を木質チップに塗布して芯層用の樹脂塗布チップを得る塗布工程と、
    前記含浸工程で得られた表層及び裏層用の樹脂含浸チップと前記塗布工程で得られた芯層用の樹脂塗布チップを裏層用の樹脂含浸チップ、芯層用の樹脂塗布チップ、表層用の樹脂含浸チップの順番で三層に重ね、三層のマットをフォーミングするフォーミング工程と、
    前記フォーミング工程で得られた三層のマットを加熱及び加圧して板状に成形する成形工程とを備えるパーティクルボードの製造方法であって、
    前記含浸工程において、木質チップ、樹脂固形分の含有率が70〜80質量%で樹脂粘度が50〜200mPa・sの範囲内であるメラミン樹脂の水溶液を供給し、木質チップの絶乾量100質量部に対して樹脂固形分を15〜80質量部含有する樹脂含浸チップを得る請求項1記載のパーティクルボードの製造方法。
  3. フォーミング工程に先立って、表層及び裏層の樹脂含浸チップを予備乾燥する予備乾燥工程を備え、雰囲気温度60〜100℃で含水率が5〜20%になるように表層及び裏層の樹脂含浸チップを加熱乾燥させる請求項記載のパーティクルボードの製造方法。
  4. 表層及び裏層には、長さ5mm以下、厚さ1mm以下、幅2mm以下の木質チップを用い、かつ、芯層には、長さ40mm以下、厚さ3mm以下、幅5mm以下の木質チップを用いる請求項1〜3のいずれか1項記載のパーティクルボードの製造方法。
  5. 表層用の樹脂含浸チップの層と裏層用の樹脂含浸チップの層の厚さが加熱及び加圧後に0.5〜2.0mmである請求項1〜4のいずれか1項記載のパーティクルボードの製造方法。
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