JP7067973B2

JP7067973B2 - 床材

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Publication number: JP7067973B2
Application number: JP2018048005A
Authority: JP
Inventors: 諭司長瀬
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP2019157562A

Description

本発明は軽量の建築材料に関し、詳しくは建築物の床構造の上面に設置して用いられる軽量な床材に関する。

木質材料は、軽量で加工性がよい材料的な特徴と、癒し効果やリラックス効果などの意匠的な特徴を合わせ持ち、従来から住宅用の建築物に多く使用されてきた。近年、木材、特に国産木材の利用がさらに進められており、住宅用の建築物を含む木造建築物の大型化と高層化の技術開発が盛んに行われている。

住宅用木造建築物において複数階のフロアを有する場合、快適な居住性を得るために、断熱性や高い遮音性能が必要とされる。木造床の遮音性能を向上する方法として、例えば、緩衝材や充填剤を含むポリマーシートを木質板材に積層したものを床材として用いる方法がこれまで提案されている（特許文献１）。しかし、この方法で低減できるのはいわゆる軽量床衝撃音であり、集合住宅で問題となる重量床衝撃音（例えば子供の飛び跳ねなどで発生する音など）の低減には至っていない。

重量床衝撃音を低減する方法として、質量層を床構造内に設け、床構造自体の重量を積極的に増加させる方法が提案されている（特許文献２）。しかし、床重量を増加させるために、柱や梁の強度を高くせざるを得ず、梁や柱の断面積が大きくなる傾向にあり、居住空間を狭める原因となるばかりでなく、さらに質量層による重量や施工工程の増加により、施工性の低下を招き、最終的には建築物のコスト高を招いている。

特開平６－９３７０６号公報特開２００３－２９３５７１号公報

本発明は、軽量でありながら高い振動抑制を得ることができ、特に重量床衝撃音を低減させることのできる軽量な床材を提供することを課題とする。

すなわち本発明は、厚さ２０～３００ｍｍの高断熱材料の層およびその少なくとも一方の面に設けられた厚さ０．１～３０ｍｍの支持体から成り、曲げ剛性が１．５×１０^７～１．５×１０^１１ＧＰａ・ｍｍ^４、かつ単位面積あたりの重量が２～１１０ｋｇ／ｍ^２であることを特徴とする床材である。

本発明によれば、軽量でありながら高い振動抑制を得ることができ、特に重量床衝撃音を低減させることのできる軽量な床材を提供することができる。

本発明の床材の概略図である。本発明の複合成形体の概略図である。本発明の繊維強化樹脂木材複合材の構造概略図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

［積層構造］
本発明の床材は、厚さ２０～３００ｍｍの高断熱材料の層およびその少なくとも一方の面に設けられた厚さ０．１～３０ｍｍの支持体から成る。

本発明では重量床衝撃音を低減する観点から、建築材料の曲げ剛性を高く設計することが重要である。このことから、高断熱材料の層の一方の面のみに支持体を設けた構成よりも、高断熱材料の層の両方の面に支持体を設けた構成が好ましい。すなわち、本発明の好ましい態様は、厚さ２０～３００ｍｍの高断熱材料の層と、その両方の面に設けられた厚さ０．１～３０ｍｍの支持体とから成る態様である。

さらに好ましい態様は、高断熱材料の層の両方の面と少なくとも二つの側面にも支持体を設けた構成である。すなわち、本発明のさらに好ましい態様は、厚さ２０～３００ｍｍの高断熱材料の層と、その両方の面および少なくとも二つの側面に設けられた厚さ０．１～３０ｍｍの支持体とから成る態様である。この構造にすることで曲げ剛性を高く設計することができる。

［曲げ剛性、単位面積あたり重量］
本発明の床材は、曲げ剛性が１．５×１０^７～１．５×１０^１１ＧＰａ・ｍｍ^４、好ましくは１．５×１０^８～１．５×１０^１０ＧＰａ・ｍｍ^４である。曲げ剛性が１．５×１０^７未満であると本発明の課題である重量床衝撃音を十分に低減させることができない。他方、１．５×１０^１１ＧＰａ・ｍｍ^４を超える場合、支持体の厚さを３０ｍｍよりも厚くするか、高断熱材料の厚さを３００ｍｍより厚くするか、またはその両方の対策を取る必要があり、その場合、重量が大きくなることやコスト上昇、居住空間の圧迫など様々な問題を起こす可能性がある。

本発明の床材は、単位面積あたりの重量が２～１１０ｋｇ／ｍ^２、好ましくは２～７０ｋｇ／ｍ^２、さらに好ましくは２～４５ｋｇ／ｍ^２である。単位面積あたりの重量が２ｋｇ／ｍ^２未満であると本発明の課題である重量床衝撃音を十分に低減させることができない。また１１０ｋｇ／ｍ^２を超えると重量が大きいため、本発明の床材料が建築構造躯体に与える影響が大きく、構造設計において梁や柱の断面を大きくする検討をしなければならない可能性が高くなる。

［高断熱材料］
高断熱材料には、有機系発泡体を用いることが好ましい。有機系発泡体として例えば、フェノールフォーム、フェノール－ウレタンフォーム、ウレタンフォームを挙げることができる。なかでも、高い耐熱性を得ることができることから、フェノールフォームが好ましい。

高断熱材料の層の厚さは２０～３００ｍｍである。高断熱材料の層の厚さが２０ｍｍ未満であると曲げ剛性を担保することが難しくなることに加え、耐火性能を損なう。他方、厚さが３００ｍｍを超えると、本発明の床材を建築物の構造部材に取り付けて用いときに、床材の厚さが厚くなることで建物の居住空間を狭めてしまう。

床材として高い断熱性を得るために、高断熱材料の熱伝導率は０．０１～０．４０Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の材料は空気よりも高い断熱性を発現する材料となり、特殊で非常に高価かつ工業的に扱い難いものとなり好ましくない。他方、０．４０Ｗ／ｍ・Ｋを超えると断熱性が不足して好ましくない。

［支持体］
本発明では支持体として繊維強化樹脂を用いる。支持体は高断熱材料の形状を保持するために用いる。この支持体の厚さは０．１～３０ｍｍ、好ましくは０．３～３０ｍｍ、さらに好ましくは１～３０ｍｍである。支持体の厚さが０．１ｍｍ未満であると、複合体の曲げ剛性を担保できなくなるばかりか、床材を使用するときに、支持体に割れ裂けが発生してしまう恐れがある。他方、３０ｍｍを超えると、支持体の成型時の発熱が高くなるため成形性が著しく損なわれる。

支持体の曲げ弾性率は５０～５００ＧＰａである。曲げ弾性率が５０ＧＰａ未満であると、床材の曲げ剛性が低くなるか、それを防ぐために支持体の厚さを厚くすることが必要になる。他方、５００ＧＰａを超える支持を得るためには支持体における繊維の体積分率を高くする必要があり成形難易度が上がる傾向にあるほか、物性が高く高価な繊維を用いる必要がある。

支持体の曲げ弾性率を５０～５００ＧＰａの範囲とし、高断熱材料の厚さを２０～３００ｍｍとし、かつ支持体の厚さを０．１～３０ｍｍとすることで、重量床衝撃音を低減した床材を得ることができる。

支持体の繊維強化樹脂は、無機繊維または融点もしくはガラス転移温度が２００℃以上である有機繊維を含有する熱硬化性樹脂であることが好ましい。繊維強化樹脂の無機繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維を挙げることができる。有機繊維としては、例えばアラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、四フッ化エチレン繊維を挙げることができる。繊維強化樹脂の繊維としてはこれらの無機繊維または有機繊維を単独または２種類以上を用いる。繊維の形態として、例えば一方向に引き揃えたＵＤ基材やその２方向以上の組合せ、織物、不織布を用いることができる。繊維強化樹脂の樹脂としては熱硬化性樹脂を用いる。熱硬化性樹脂として、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂を挙げることができる。

［複合成形体］
本発明の床材の好ましい態様は、繊維強化樹脂の引抜成形により得られた断面が中空の成形体の中空部に有機系発泡体を充填固着させた複合成形体である。この断面は矩形中空であることが好ましい。繊維強化樹脂の引抜成形により得られた断面が矩形中空の成形体の中空部に有機系発泡体を充填固着させた複合成形体の概略図を、図２に示す。この複合成形体において、形状を保つ支持体の機能を担うのは、繊維強化樹脂の引抜成形により得られた断面が矩形中空の成形体である。有機系発泡体は、高断熱材料の層を形成する。

本発明において、支持体が繊維強化樹脂の引抜成形により得られた断面が矩形中空の引抜成形体であり、高断熱材料が引抜成形体の矩形中空部に充填固着された有機系発泡体である構成は、好ましい態様である。

有機系発泡体は、中空の成形体の中空部で発泡性の有機物を発泡させることにより、高断熱材料の層となる。この有機系発泡体は、繊維強化樹脂の引抜成形体に固着され、両者が一体化させていることが好ましい。高い接着性を得るために、発泡性の有機物または有機系発泡体の注入前に、成形体の中空部の壁面に接着剤を塗付しておいてもよい。

引抜成形は、繊維を一方向に引き揃え金属製の口金より樹脂を含浸、固化しながら引き抜く成形方法である。本発明においては断面が矩形中空の口金を用いることで、矩形中空の引抜成形体を得ることができる。繊維強化樹脂における繊維と樹脂との体積比率は、例えば５０／５０～６０／４０である。複合成形体を引抜成形で成形することにより、繊維方向が一方向であるためその方向に対する曲げ物性を最大限に発揮させることでき、複合成形体における繊維強化樹脂の厚さを薄く設計できる。

複合成形体において、高断熱材料の層とその支持体である断面が矩形中空の引抜成形体との高い接着性を得るために、高断熱材料の層と支持体との界面に、熱硬化性樹脂を含浸した多孔質基材を備えることが好ましい。この場合、未硬化熱硬化性樹脂が多孔質基材の孔部分に入り込み、物理的なアンカー効果を得ることができ、強い接着を得ることができる。多孔質基材としては、例えば紙を用いることができる。

［繊維強化樹脂木材複合材］
本発明の床材の他の好ましい態様は、高断熱材料の層として木質材料の板を用い、木質材料の板の両面に、支持体として繊維強化樹脂板を設けた繊維強化樹脂木材複合材である。この繊維強化樹脂木材複合材の構造の概略図を図３に示す。

木質材料は、既存の木造建築で一般的に使用される木材であり、例えば、製材、合板、集成材、ＣＬＴ、ＬＶＬを用いることができる。繊維強化樹脂板は、繊維強化樹脂の板状の引抜成形体である。

この繊維強化樹脂木材複合材は、木質材料の板の両方の面に接着剤を塗付し、繊維強化樹脂板をプレス接着して製造することができる。ここで用いる繊維強化樹脂板は、その表面にシボ加工を備えることが好ましい。また、木質材料の板と繊維強化樹脂板との界面には接着剤を含浸した多孔質基材の配置することが好ましい。

繊維強化樹脂板の表面にシボ加工をすることにより、木質材料の板との強固な接着得ることができる。多孔質基材に含浸する接着剤として、集成材やＣＬＴを製造する際に使用される接着剤を用いることでき、特にレゾルシノール系接着剤や水溶性高分子－イソシアネート系接着剤が好ましい。プレス接着としては、常温プレスや高周波など高温プレスを適用することができる。

［床材の取付］
本発明の床材は、従来の鉄やセメント製の床材に比べて非常に軽く、かつ剛性が高い材料である。本発明の床材は、化学的に接着剤によって床構造に固着することもでき、またはビスやボルト等を用いて物理的に固着することもできる。なお、ここでいう床構造は、建築物の構造のうち床材を支持する機能を有する構造を構成する部材である。

床構造に本発明の床材を固定することで、床構造の剛性を高め、重量衝撃音を軽減する効果を得ることができる。また、重量が軽いため、床材を支え床構造を構成する梁や柱を補強する必要もなく、良好な施工性を得ることができる。

本発明を、さらに実施例を挙げて具体的に説明する。
（１）木造床構造
本発明の建築材料を固定する木造床構造として、幅３００ｍｍ×長さ６００ｍｍの木造床構造（木造住宅の実寸大の１／３スケール）を木材製材ならびに合板（９ｍｍ厚）を用いて作成した。梁と柱、および梁同士はＬ字金具を用いてビス留め固定とした。
（２）振動抑制効果（重量床衝撃音の低減効果）
試験体の中心を衝撃印加点し、インパルスハンマーで打撃し、衝撃印加点と試験体短辺までの距離の中心に設置した加速度計により振動データを取得した。このデータのフーリエ変換解析により、周波数６３Ｈｚ（重量床衝撃音に相当する周波数）での機械インピーダンス値を算出し、衝撃音（ｄＢ）に変換した。なお、この値は低いほど遮音試験体への衝撃印加時の振動抑制効果（重量床衝撃音の低減効果）が大きいことを示す。
（３）支持体の曲げ弾性率
支持体から幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片を、繊維方向が長さ方向になるように切り出し、支点間距離８０ｍｍで中心点加力の３点曲げ試験により、荷重－たわみ曲線を求めた。試験速度は５ｍｍ／ｍｉｎとした。得られた破断点荷重と荷重－たわみ曲線から、次式を用いて曲げ弾性率を算出した。
曲げ弾性率＝Ｌ^３×ΔＦ／４×ｂ×ｈ^３×ΔＳ
ΔＦ：Ｓ’とＳ”の差
（ここで、Ｓ’＝０．０００５×Ｌ^２／６×ｈ、Ｓ” ＝０．００２５×Ｌ^２／６×ｈ）
ΔＳ：Ｓ’とＳ”におけるたわみの差
（４）床材料の曲げ剛性
セメントスラブや木材のような無垢材料の場合は、各材料の基準曲げ弾性率と断面２次モーメントの積により剛性を算出した。支持体と高断熱材料の複合材料の場合は、支持体および高断熱材料のそれぞれの材料において曲げ弾性率と断面２次モーメントの積により各材料の剛性を算出し、それぞれの剛性を足し合わせることで曲げ剛性とした。
（５）高断熱材料の熱伝導率
高断熱材料を３００ｍｍ×３００ｍｍの大きさに切り出し（厚さは使用する厚さ）、厚さ方向の熱伝導率を測定した。測定温度は２０℃とした。測定機器は英弘精機社製ＨＣ－０７４を用いた。

［実施例１］
繊維強化樹脂として、炭素繊維強化ビニルエステル樹脂を用いた。この繊維強化樹脂において、炭素繊維とビニルエステル樹脂（熱硬化性樹脂）の体積比率を５５体積％／６０体積％とした。繊維強化樹脂を引抜成形法により、矩形中空断面（外寸：幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍ、高さ１０２ｍｍ）で引き抜き、肉厚１ｍｍの引抜成形体とした。この引抜成形体から平面状の板材（１５ｍｍ×１００ｍｍ）を採取して曲げ弾性率は測定したところ８０ＧＰａであった。

引抜成形体の矩形中空部においてフェノールフォームを発泡成形して矩形中空部に充填固着させ、図２に示す形状の複合成形体を得た。矩形中空部に充填固着されたフェノールフォームの厚さは１００ｍｍであった。このフェノールフォームの熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋであった。得られた複合成形体を木造床構造に５０ｍｍ間隔でビス止めし、振動抑制効果を測定した。試験体の重量・曲げ剛性・測定した振動抑制効果の結果を表１に示す。

［実施例２］
繊維強化樹脂として、実施例１と同じものを用いた。繊維強化樹脂を引抜成形により、板状断面（外寸：幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍ）で引き抜き、肉厚２ｍｍの引抜成形体とした。この引抜成形体より採取した板材の曲げ弾性率は８０ＧＰａであった。引抜成形体の表面にエポキシ樹脂を含浸した多孔質基材を配置し、シボ加工も施した。予め３０ｍｍ厚のスギラミナを２枚集成した６０ｍｍ厚の集成材の両面に、水溶性高分子－イソシアネート系接着剤を塗付し、引抜成形体を常温プレスにて両面に接着した。このとき、炭素繊維の配列方向と木材の木質繊維の方向は同じ方向となるように接着した。図３に示す繊維強化樹脂木材複合材を得た。得られた繊維強化樹脂木材複合材を、木造床構造に５０ｍｍ間隔でビス止めを行い、振動抑制効果を測定した。試験体の重量・曲げ剛性・測定した振動抑制効果の結果を表１に示す。スギラミナの集成材の熱伝導率は０．１０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

［比較例１］
木造床構造の上面に厚さ７０ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍのセメントスラブを載せることで床を作成した。この床の振動抑制効果を測定した。重量・曲げ剛性・振動抑制効果の測定結果を表１に示す。

［比較例２］
木造床構造のみで振動抑制効果を測定した。重量・曲げ剛性・振動抑制効果の測定結果を表１に示す。

本発明の床材は、建築物の床構造に取り付けて用いる軽量な床材として好適に用いることができる。

１繊維強化樹脂
２高断熱材料
３有機系発泡体
４木質材料

Claims

厚さ２０～３００ｍｍの高断熱材料の層およびその少なくとも一方の面に設けられた厚さ０．１～３０ｍｍの支持体から成り、曲げ剛性が１．５×１０^７～１．５×１０^１１ＧＰａ・ｍｍ^４、かつ単位面積あたりの重量が２～１１０ｋｇ／ｍ^２である床材であって、支持体が炭素繊維強化ビニルエステル樹脂の引抜成形により得られた断面が矩形中空の引抜成形体であり、該炭素繊維強化ビニルエステル樹脂における繊維と樹脂との体積比率が５０／５０～６０／４０であることを特徴とする床材。
高断熱材料が該引抜成形体の矩形中空部に充填固着された有機系発泡体である、請求項１記載の床材。
支持体の曲げ弾性率が５０～５００ＧＰａである、請求項２記載の床材。
高断熱材料が熱伝導率０．０１～０．４０Ｗ／ｍ・Ｋの有機系発泡体である、請求項１または２記載の床材。
高断熱材料の層と支持体との界面に、熱硬化性樹脂を含浸した多孔質基材を備える、請求項１または２記載の床材。