JP6490184B2 - 機能性木質材料の製造方法、及び、機能性木質材料 - Google Patents
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Description
<1.尿素の加水分解反応を利用する方法>
尿素の加水分解反応を利用する場合、尿素を配合した含浸液を木材内に含浸させ、その後、加熱処理することによって、木材中の尿素を加水分解させてアンモニアと炭酸ガスとを発生させ、これらアンモニアあるいは炭酸ガスにより、上記の含浸液の溶媒(水や有機溶媒)に不溶性の水酸化物、酸化物、炭酸塩、無機塩、場合によっては有機化合物を木材に機能性を付与する物質(以下、「機能性付与物質」とも云う。)として生成させ、木材内部に固定化させる。
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2 ……(1)
2CuSO4 + 2CO(NH2)2 + 5H2O
→Cu(OH)2CuCO3 + 2(NH4)2SO4 + CO2
……(2)
TiOSO4 + H2SO4 + 2CO(NH2)2 + 8H2O
→TiO(OH)2 + 2(NH4)2SO4 + 2CO2 ……(3)
Me(H2PO4)2 + CO(NH2)2 + H2O
→ MeHPO4 +(NH4)2HPO4 + CO2 ……(4)
3Me(H2PO4)2 + 2CO(NH2)2 + 3H2O
→ 2Me3(PO4)2 + 2(NH4)2HPO4 + 2NH4HCO3
……(5)
アルミニウム(III)のシュウ酸塩はシュウ酸酸性水溶液に対して可溶であり、クロム(III)のシュウ酸塩、および、鉄(III)のシュウ酸塩は共に水溶性である。そして、これらは単体でも熱分解して水不溶性物質が生成するので、本発明で用いる一液性の含浸液の溶質として用いることができる。
Me2(C2O4)3 → Me2O3 + 3CO2 + 3CO ……(6)
尿素と有機酸塩とを含む含浸液を用いる場合では、有機酸塩の分解温度以下であっても、尿素の加水分解温度以上であれば、金属イオンは不溶化する。三価金属塩の場合、それが硫酸塩であっても中和され、脱水されれば不溶性となる。このように尿素を併用することで、硫酸金属塩と有機酸金属塩との組み合わせた溶質であっても利用できる。
尿素と発煙硫酸とを反応させて得られるスルファミン酸(アミド硫酸)は、加熱すると次の反応式(7)に示されるように加水分解してアンモニアが生成するが、同時に生成する硫酸により中和されても、中性にもアルカリ性にもならず、酸性のままである。このような弱い中和によって無機塩を不溶化させることは、一般にはできない。
(NH2)HSO3 + H2O → NH4HSO4 ……(7)
Me(II)(NH2HSO3)2 + H2O
→ MeSO4 + (NH4)2SO4 ……(8)
木材を構成するセルロースは、酸成分あるいはセルロース分解酵素(セルラーゼ)によって糖化される。このため、これらの少なくとも一方を含む含浸液に添加された成分は、含浸後に生成した糖成分によって還元される。この作用を利用し、たとえばモリブデン酸塩、および/または、タングステン酸塩を含む燐酸系含浸液と組み合わせると、モリブデン酸、タングステン酸が還元されて燐酸と反応し、発色した上に、木材内部に固定される。同様に、銀イオン、銅イオンも糖によって還元されて析出し、木材内部に固定化される。ここで、モリブデンおよびタングステンはそれぞれ、木材に着色作用と同時に、共存する含浸液成分のモニターとしての機能を付与する。
燐酸と尿素との混合水溶液を用いて木材に含浸処理し、150℃の加熱処理を行うと、木材を構成しているセルロースの一部は燐酸エステル化される。このような燐酸エステル化木材は、難燃性を有し、さらに、種々の金属イオン、すなわち、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、鉄、マンガン、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、クロム等のイオンオンを取り込む性質がある。硫酸エステル化木材も同様である。
以上のように、内部に不溶性の無機化合物、場合によっては、有機化合物が固定化された木材、あるいは、誘導体化された木材は、次に示すようなさまざまな機能を発揮する。
鉄粉1モルを燐酸3モルと水1L(リットル)とからなる燐酸水溶液に溶解させ、この溶液に30重量%の過酸化水素水を、鉄を三価イオンに酸化するのに必要な量加えて、薄すみれ色のFe(H2PO4)3水溶液を調整した。これに尿素5モルを溶解させ、比重1.22(25℃)の、木材に難燃性を付与するための含浸液Aを調製した。この含浸液Aを用いて、12mm厚の杉辺材板(以下、「12mm厚の杉辺材板」を単に「杉板」とも云う。)および経木(杉の薄板:厚さ約0.2mm。以下、「経木」とも云う。)に常温で真空含浸処理をおこなった。すなわち、これら杉材を含浸液Aに浸漬させた状態で減圧容器に入れ、気圧:30hPaまで減圧し、そのまま30分保ち、その後、常圧に戻した。なお、以下、真空含浸処理における減圧条件は、特に記載がない限り、この実施例1での真空含浸処理と同じである。
無水クロム酸2モル、燐酸6モルを0.5Lの水に溶解し、これにヒドラジン1.5モルを少量ずつ添加して、六価クロムを三価クロムに還元させて、酸性燐酸クロム(Cr(H2PO4)3)水溶液を調整し、さらに、この水溶液に尿素6モルと水とを加え、全容量を2Lとして含浸液Bを得た。この含浸液Bの比重は1.29(25℃)であった。この含浸液Bを用いた以外は実施例1と同様に、経木および杉板に常温で真空含浸処理を行った。
酸性燐酸アルミ(Al(H2PO4)3)−尿素系の含浸液を調整した。すなわち、水酸化アルミニウム1モルを50重量%−燐酸水溶液(燐酸3モル相当量)に溶解させた後、尿素6モルと水を加えて含浸液C(比重:1.26(25℃))を調製した。
酸性燐酸マグネシウム(Mg(H2PO4)2)−尿素系の含浸液を調整した。すなわち、すなわち、水酸化マグネシウム1モルを水に分散させたスラリーに、75重量%の燐酸水溶液を燐酸2モル相当量混合して溶解させ、これに尿素4モルを添加して含浸液D(比重:1.24(25℃))を調製した。
酸性燐酸銅(Cu(H2PO4)2)0.1モル、燐酸1.6モル、ホウ酸1モル、尿素6モルを水に溶解させ、さらに水を加えて全量を1Lに調整して含浸液Eを得た。この含浸液Eの比重は1,20(25℃)であった。この含浸液Eを用いたこと、及び、常温ではなく35℃で行った以外は実施例1と同様にして、経木および杉板に対して真空含浸処理を行い、その後、温度を変えて加熱処理(90〜150℃、60分間)を行った。上記で真空含浸処理を35℃で行ったのは、低温ではホウ酸の溶解度が小さいので、十分な量の含浸ができないためである。
硫酸チタニル(TiOSO4)、硫酸(H2SO4)、尿素、水からなる含浸液Fを調整した。具体的には、市販の硫酸チタニル(テイカ社製)を水に溶解させ、これに尿素を相溶させて調製した。この含浸液Fを用いて経木および杉板に常温で真空含浸処理を行い、その後、90℃で240分間の加熱処理を行った。一部のサンプルについて溶出試験を行ったところ、硫酸チタニルの不溶化が確認されたものの、硫酸イオンは溶出した。そのため、150℃での加熱処理を30分間行ったところ、酸性硫酸イオンの溶出もなくなった。このような結果から、150℃での加熱処理により、尿素の加水分解による硫酸の中和だけでなく、木材のセルロースの硫酸エステル化反応が生じたと考察される。すなわち、ここではセルロースのエステル化反応によりチタン化合物の固定化が達成された。
なお、真空含浸処理後に150℃で加熱処理した経木に対する防燃テストでは、その最高レベルの評価であるV−0を満足した。
水に、酸性燐酸バリウム(Ba(H2PO4)2):0.15モル、燐酸:0.8モル、尿素:1モルを加えて、比重1.14の含浸液Gを調整した。この含浸液Gを用いて経木に常温で真空含浸処理を行った。その後150℃で加熱処理したサンプルについて溶出試験を行ったところ、バリウム、及び、燐酸がともに溶出せず、これらの固定が確認された。すなわち、ここでは尿素の加水分解反応およびセルロースの燐酸エステル化反応により、バリウム化合物の固定化が達成された。
0.15モル/L−シュウ酸第二鉄水溶液、0.2モル/L−シュウ酸アルミニウム水溶液、及び、0.2モル/L−シュウ酸クロム水溶液の3種類の水溶液をそれぞれ調製し、これらをそれぞれ含浸液H1〜H3として用いて常温で経木および杉板に真空含浸処理を行った。その後、110℃、あるいは、170℃でそれぞれ120分間の加熱処理を行った。これら処理品について溶出試験を行ったところ、これらすべてで、それぞれ第二鉄イオン、アルミニウムイオンあるいはクロムイオンの溶出は認められず、それぞれ鉄、アルミニウムおよびクロムの固定が確認された。ただし、鉄を含むもの、及び、クロムを含むものは、黒系色に着色した。すなわち、ここではシュウ酸塩の熱分解反応により鉄化合物、アルミニウム化合物、あるいは、クロム化合物の固定化が達成された。この真空含浸処理後に加熱処理されたこの経木について燃焼テストをしたところ、易可燃性であることが判った。
モリブデン酸アンモニウム塩を10g、0.5モル/L−燐酸水溶液に加えて含浸液Iを調製した。この含浸液Iを用いて常温で経木および杉板に真空含浸処理を行い、その後、90℃の加熱処理を15時間行った。処理後に溶出試験を行ったところ、モリブデン酸塩の溶出は認められず、固定が確認された。さらに上記で処理された杉板の中央部を切断し、その断面中央でも周辺同様にモリブデンによる青系の着色が観察された。また、同様に断面中央でもリンの存在が、蛍光X線分析により確認された。これら結果より、これら元素を有する化合物が木材内部まで含浸され、かつ、これら元素が固定化されたことが確認された。ここでは、セルロースの糖化と、これによるモリブデン酸の還元反応によりモリブデン化合物の固定化が達成された。
酸性クロム燐酸、シュウ酸クロム、および、尿素を有する含浸液Jを調製した。すなわち、酸性燐酸クロム(Cr(H2PO4)3)を0.5モル/L、シュウ酸クロム(Cr2(C2O4)3)を0.1モル/L、及び、尿素(Urea)を3モルを/Lとなるように水に溶解して含浸液Jを調製した。この含浸液Jを用いて、上記同様に経木および杉板に対して含浸処理を行った後、150℃で120分間の加熱処理を行った。
(ケイ酸塩水溶液に尿素を相溶させた含浸液での実施例)
アルカリ金属と珪酸とからなるケイ酸塩が尿素と共存する溶液を木材に含浸させ、加熱処理によって尿素を加水分解させるとアンモニアガスと炭酸ガスとが発生し、このうちの炭酸ガスによって、アルカリ金属イオン、すなわち、リチウムイオン(Li+),ナトリウムイオン(Na+),あるいは、カリウムイオン(K+)が炭酸塩(炭酸イオンCO3-との塩)となって中和され、その結果、珪酸成分が不溶化し、木材内で固定化される。
(NaPO3)n + nH2O → nNaH2PO4 ……(8)
ただし、式中nは3以上の整数(以下同じ)
アルミン酸ナトリウムとメタ燐酸ナトリウムを溶解させた含浸液を用いて、含浸−加熱処理試験を行った。すなわち、アルミニウムとナトリウムとのモル比(Al/Na)が0.58のアルミン酸ナトリウムの45重量%水溶液300gと、ヘキサメタ燐酸ナトリウムの40重量%水溶液240gを相溶させて含浸液Lとして、経木および杉板に真空含浸処理を行った。その後、100℃で15時間の加熱処理を行ったものについて溶出試験を行ったところ、アルミニウムの溶出はなく、固定化が確認された。しかし、強アルカリ性の燐酸ナトリウムが溶出したので、5質量%−硫酸アルミニウム水溶液に浸漬すると、燐酸ナトリウムの溶出もなくなった。ここでは酸性塩とアルカリ塩の複合ゲル化反応によりナトリウム化合物の固定化が達成された。このような処理を行った経木は、難燃性テストの結果は最高レベルのV−0を満足した。
硫酸チタニル硫酸酸性水溶液を水酸化ナトリウム水溶液で中和して得た水酸化チタニルに、過酸化水素水を作用させると透明な水溶液となる。一般にチタニル塩に過酸化水素水を作用させると、水溶性となる。水酸化チタニルに過ホウ酸ナトリウムを作用させて得た、ペルオキソチタニルホウ酸ナトリウム水溶液を含浸液Mとして、経木および杉板に真空含浸処理を行った。含浸処理後に120℃の加熱処理を120分間行った。処理品についてX線回折分析を行った結果、アナターゼ型酸化チタンが杉板内に析出し、固定されていることが確認された。
シュウ酸チタニルと尿素とを溶解させて得た水溶液を含浸液として用いた。具体的には、シュウ酸チタニルカリウム150gと尿素600gとを水2kgに溶解して含浸液Mを得た。この含浸液Nを用いて、常温で真空含浸処理を行った後、150℃での加熱処理を12時間行った。こうして処理された杉板について、蛍光X線分析、及び、X線回折を行ったところ、杉板の中央部の断面の全体に、光触媒として機能するアナターゼ形二酸化チタンが固定化されていることが確認された。二酸化チタンの生成と固定とは、尿素の加水分解によって生じたシュウ酸アンモニウムの熱分解であると推定される。
0.4モルのスルファミン酸バリウムを1kgの水に溶解させた後、スルファミン酸を添加してpHを1.5に調整して含浸液Oとした。この含浸液Oを用いて経木に真空含浸処理した後、水蒸気を共存させながら、105℃で10時間加熱した。この経木について溶出試験を行ったが、バリウムの溶出は全く起こらず、スルファミン酸の溶出も生じず、これらから硫酸バリウムとして固定されたことが確認できた。ここではスルファミン酸化合物の加水分解反応によりバリウム化合物の固定化が達成された。
Claims (1)
- 溶液を木材に含浸させ、前記溶液の溶質を前記木材内で化学反応させて前記木材に機能性を付与する物質を生成させて木材内部に固定化させることを特徴とし、前記化学反応がポリ燐酸塩の加水分解反応である機能性木質材料の製造方法。
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