JPH0260705A - 改質木材の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、住宅設備、建築材料等として用いられる改
質木材の製法に関し、とりわけ、従来は防火規制等の何
らかの制約を受けて木材が使用できなかった分野にも利
用できる改質木材を対象とするものである。

〔従来の技術〕

木材の改質方法として、不溶性不燃性無機物を木材中に
生成させることにより、難燃性（防火性）１寸法安定性
、防腐・防虫性、力学的強度１表面硬度等を付与する方
法が研究、開発されている。

一般に、木材に難燃性を付与するための改質方法は、以
下のような難燃化のメカニズムに基づいて大別されてい
る。

（ａｌ　　無機物による被覆 （ｂ）　　炭化促進 ｆｃ）　　発炎燃焼における連鎖反応の阻害（ｄ）　　
不燃性ガスの発生 （ｅ）　　分解・結晶水放出による吸熱（ｆ）　　発泡
層による断熱 ここで、木材に不溶性不燃性無機物を含ませるという改
質方法は、以下に説明するように、上記（ａｌ以外にも
、無機物の種類によっては（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄｌ
等による効果も併せて期待できる優れた方法である。し
かも、この不溶性不燃性無機物は、いったん木材組織内
に定着させられれば、それ以降木材から溶は出す恐れが
少ないため、それらの効果が薄れるといった心配も少な
い。

上記において、（ａｌの無機物による被覆とは、たとえ
可燃性の材料であっても、それを不燃性の無機物と適当
な配合比で複合させることにより難燃化させうる、とい
うことである。たとえば、従来知られている木片セメン
ト板は、可燃性木材を不燃性のセメントと約１対１の重
量配合比で混合し、板状に成形されたものであって、Ｊ
ＩＳにより準不燃材料として認められている。

（ｂ）の炭化促進とは、以下のようなメカニズムである
。すなわち、木材は、加熱されると熱分解して可燃性ガ
スを発生し、これが発炎燃焼するわけであるが、このと
きリン酸あるいはホウ酸が存在すると木材の熱分解すな
わち炭化が促進され、速やかに炭化層が形成される。こ
の炭化層は、断熱層として作用し、難燃効果を与えるた
め、前記不溶性不燃性無機物がリン酸成分あるいはホウ
酸成分を含む場合は、この改質木材における難燃効果は
一層高いものとなる。

（Ｃ）の発炎燃焼における連鎖反応の阻害とは、ハロゲ
ンにより寄与されるものであり、炎中でのラジカル的な
酸化反応においてハロゲンが連鎖移動剤として作用する
結果、酸化反応が阻害されて難燃効果が生じるというメ
カニズムである。したがって、不溶性不燃性無機物がハ
ロゲンを含むものであれば、こうした効果も得られる。

最後に、（ｄｌの不燃性ガスの発生について説明する。

これは、炭酸塩、アンモニウム塩等の化合物は熱分解に
より炭酸ガス、亜硫酸ガス、ハロゲン化水素等の不燃性
ガスを発生するが、これらのガスが可燃性ガスを希釈し
て燃焼を妨げるという効果である。したがって、不溶性
不燃性無機物が炭酸塩等の上記不燃性ガス類を発生しう
るものを含んでいれば、このメカニズムによる難燃化効
果も併せて得られることになる。

ついで、この不溶性不燃性無機物を含む木材の防腐・防
虫効果について説明する。菌類が木材を腐敗させる際は
、まず、菌糸が木材内腔中に侵入していくのであるが、
この木材内腔中に異物が存在すると菌糸の侵入が妨げら
れ、結果的に腐敗されにく（なる。この木材内腔中の異
物は、特に防腐効果のある薬剤（防腐剤）等である必要
はなく、菌類の養分になるものでさえなければ、何であ
ってもよい。防虫についても防腐と同様である。

ただし、異物は、薬剤効果があるものであればそれにこ
したことはな（、たとえば、虫に対して消化性の悪いも
の、消化しないもの、あるいは、忌避作用のあるものが
好ましい。したがって、不溶性不燃性無機物を木材内腔
中に含ませれば、木材の防腐・防虫に効果的なのである
。

さらに、木材の寸法安定性および力学的強度についてみ
れば、たとえば、木材を水で膨潤させておき、その状態
で木材細胞壁中に何らかの物質を固定できれば、バルク
効果により上記両特性が向上する。すなわち、木材細胞
壁内が充填材によって占められていれば、木材自体の膨
張あるいは収縮が起こりにくくなり、同時に、各種力学
的強度も向上するのである。ここで、固定物質としては
、水に熔けにくい無機物も使いうるため、不溶性不燃性
無機物を木材細胞壁中に固定すれば、こうした効果が得
られる。

最後に、木材の硬度（表面硬度）については、一般に、
木材の硬度を上げるためには、木材内部の導管等の空隙
や木材の細胞壁に無機物等の硬い物質を詰め込んでやれ
ばよいため、木材内に不溶性不燃性無機物を定着させる
ことにより、木材細胞の補強ならびに硬度の上昇という
効果が得られる。ここで、木材の表層部分に集中的に無
機物を生成させれば、より効果的である。

以上のように、不溶性不燃性無機物を含ませるという方
法は、難燃化をはじめとする木材の改質において非常に
有効的であるが、下記のような問題を有していた。

一般に、たとえば不溶性不燃性無機物をそのまま水等の
溶媒に分散させ、この分散液（処理液）中に木材を浸漬
して液を木材中に浸透させようとしても、浸透していく
のはほとんど水等の溶媒のみとなってしまう。というの
も、処理液が木材中に浸透していく際に通過すべき通路
のうち、最も狭い部分はピットメンプランであるが、こ
こにおける空隙径が約０．１　ｕｓであるのに対し、分
散粒子である不溶性不燃性無機物の粒径は、通常、０．
１μよりもかなり大きいからである。

そこで、発明者らは、先に、この問題を解決できる方法
を開発している。すなわち、混合することにより反応し
て不溶性不燃性無機物を生じさせるカチオンおよびアニ
オンを別々に含ませた２種の水溶液（順に「カチオン含
有処理液」、「アニオン含有処理液」と称す）を用意し
、両者を順次原料木材に含浸させて木材内部で両イオン
を反応させ、不溶性不燃性無機物を定着させるようにす
る改質木材の製法（特開昭６１−２４６００３号公報）
であって、このようにすれば、極めて多量の不溶性不燃
性無機物を効率よく木材中に含ませることができるので
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の製法において、特に、得られる改質木材の難燃性
に着目した場合、リン酸イオンの有効性は既知の通りで
ある。ところが、従来の方法でリン酸イオンを含浸させ
ると、どうしても、不溶性不燃性無機物の生成に関与し
なかった未反応のリン酸イオンが木材内に多量に残され
てしまう。すると、この残存する水溶性のリン酸イオン
は、難燃性向上に貢献する一方で、木材の吸湿量を高め
て耐湿性（耐水性）を低下させるため、湿度の高い雰囲
気下に置かれると、改質木材表面が湿った状態になるこ
とがあり、ひいては寸法安定性等を低下させる結果も招
いていた。そこで、この問題を回避するために、含浸処
理後の木材を所定時間水中に浸漬する、等の溶成処理工
程を儲け、木材中の可溶性のリン酸イオンを除去するこ
とも行われてきた。しかし、その結果、木材の耐湿性は
向上しても、除去されたリン酸イオン量に相当する難燃
性の低下は避けられない、という矛盾が起こっていた。

こうした事情に鑑み、この発明は、高度な難燃性と耐湿
性を共に備え、寸法安定性、防腐・防虫性、力学的強度
等にも優れた改質木材を効率よく製造する方法を提供す
ることを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために検討を重ねた結果、木材内の
リン酸イオンを有機物により固定化して溶は出てこない
ようにすれば、木材の難燃性と耐湿性を共に向上させう
ろことを見出し、この発明を完成させるに至った。

したがって、この発明は、改質しようとする原料木材に
対し、混合することにより不溶性不燃性無機物を生じさ
せる２種以上の水溶性無機物水溶液を個々に含浸させて
木材組織内に同不溶性不燃性無機物を生成・定着させる
改質木材の製法であって、最後に有機物とリン酸塩を含
浸させて定着させるようにする。

上記有機物は、エリア樹脂、変性エリア樹脂。

メラミン樹脂および変性メラミン樹脂の中から選ばれた
少なくとも１種を含み、かつ、同有機物とリン酸塩の混
合物を減圧法により含浸させることが好ましい。

〔作　用〕

木材内に含浸された遊離のリン酸イオンは、有機物と反
応して化学的な結合（エステル結合等）を形成するか、
あるいは、有機物と相互作用したり有機物に包接された
りした状態になって、木材内に固定化される。その結果
、リン酸イオンは木材外に溶出することなく、すなわち
木材の耐湿性を低下させることなく、木材の難燃性向上
に貢献できるようになる。

〔実　施　例〕

この発明に用いられる改質のための原料木材としては特
に限定はされず、原木丸太、製材品、スライス単板１合
板等が例示できる。それらの樹種等についても何ら限定
されることはない。

木材中に生成させて木材組織内に分散・定着させる不溶
性不燃性無機物としては、特に限定はされないが、たと
えばホウ酸塩、リン酸塩およびリン酸水素塩、炭酸塩、
硫酸塩および硫酸水素塩。

ケイ酸塩、硝酸塩、水酸化物等が挙げられる。これらの
無機物は、２種以上が木材中に共存されるようであって
もよい。

また、１種の不溶性不燃性無機物中に、下記に述べるカ
チオンおよび／またはアニオン部分が、それぞれ２種以
上含まれていてもよい。

さらに詳しくは、上記不溶性不燃性無機物のカチオン部
分の元素としては、Ｎａ、に等のアルカリ金属、Ｍｇ、
、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｍｎ、Ｎｉ
、Ｚｎ、Ｃｄ等の遷移元素、Ｓｉ、Ｐｂ等の炭素族元素
、Ａ１等が好ましく使用できる。なかでも、アルカリ土
類金属（ＭｇＣａ、Ｂａ）およびＺ　ｎ　％　Ａ　Ｉの
各元素は、とりわけ好ましい一例として挙げられる。

不溶性不燃性無機物を構成するアニオンとしては、ＢＯ
，、ＰＯ，、Ｃｏｗ　、ＳＯ４およびＯＨアニオンが、
好例として示される。ＢＯ，アニオンでは前記Ｎ燻化メ
カニズムｆｂ）および（ｅ）による効果、Ｐｏ４アニオ
ンでは同（′ｂ）、ＣＯ，アニオンでは同（ｄｌによる
効果が得られるために、−層好適である。しかし、これ
らに限定されることはなく、たとえば、Ｏ，Ｎｏｔ　、
Ｓ　ｔＱ４．Ｓ　ｔＱ、、Ｆ。

ＣＩ、Ｂｒアニオン等であっても構わない。

上記カチオンとアニオンは、木材内に生じさせようとす
る所望の不溶性不燃性無機物の組成に応じて任意に選択
され、それらの各イオンを含んだ水溶性無機物を別々に
水に溶かすことにより、所望のカチオンを含んだカチオ
ン含有処理液、および、所望のアニオンを含んだアニオ
ン含有処理液が調製される。

なお、上記ＯＨアニオン等は、単独で使用される他、カ
チオン含有処理液および／またはその他のアニオンを含
んだアニオン含有処理液中にともに含まれるようにし、
木材中にアパタイト等を生じさせるように調製されてい
てもよい。

水に溶けて上記所望のカチオンを生じさせる無機物とし
ては、ＭｇＣＬ　、ＭｇＢ　ｒｚ　、ＭｇＳＯ４・Ｈｚ
　Ｏ，Ｍｇ　（ＮＯｓ）ｚ　　・６Ｈｚ　Ｏ，ＣａＣｌ
ｘ　、ＣａＢｒｚ　、Ｃａ　　（Ｎｏｔ）ｚ　、ＢａＣ
１ｚ・２Ｈｚ　Ｏ，ＢａＢｒｔ　、Ｂａ　　（Ｎｏｗ）
ｚ　、ＡｔＣｌ３　、ＡＩＢｒｔ　、ＡＩｇ　　（３０
４）３　、Ａｌ（Ｎｏりｓ　　’９Ｈ，Ｏ，ＺｎＣＬ等
が一例として挙げられるが、これらに限定はされない。

水に溶けて上記所望のアニオンを生じさせる無機物とし
ては、Ｎａｇ　Ｃｏｔ　ｌ　　（ＮＨ４）ｚ　Ｃｏｔ　
、Ｈ！ＳＯ４、Ｎａｇ　ＳＯ４１（ＮＨ４）ｆｆｉ　Ｓ
Ｏ４、ＨｓＰＯ４，Ｎａｇ　ＨＰＯ４＋　　（ＮＨＪｉ
　ＨＰＯ４。

Ｈａ　Ｂｏｗ　、ＮａＢｏｇ　、ＮＨ４Ｂｏｘ等が一例
として挙げられるが、やはり、これらに限定されること
はない。以上の水溶性無機物は、各々が単独で用いられ
る他、互いに反応せずに均一な水溶液を形成できる範囲
内で、１処理液中に複数種が併用されるようでもよい。

木材の処理は、以上のカチオン／アニオン含有画処理液
を順次含浸させて行われる。たとえば、まず、上記画処
理液のうちのいずれか一方（第１液）を、同処理液中に
原料木材を浸漬させるなどして、木材中に含浸させる。

このとき、含浸に先立ち、原料木材に飽水処理を施して
、木材を充分に飽水された状態にしておくことが好まし
い。それにより、木材中の水を媒体として第１液中のイ
オンが速く拡散していくようになり、含浸処理時間を短
縮することができるためである。上記飽水処理方法とし
ては、水中貯木、スチーミング、減圧下含浸、加圧下含
浸等が挙げられる。

つぎに、上記第１液と反応して不溶性不燃性無機物を生
成させる相手方のイオンを含んだ処理液（第２液）を含
浸させて、木材内部において同不溶性不燃性無機物を生
成させる。

その後、さらに必要に応じては、第３液、第４液・・・
等を用意して繰り返し含浸させ、生成物層の緻密化を図
るようにしてもよい。このとき用いられるカチオン／ア
ニオン含有画処理液は、それぞれ同一種のものであって
も、異種のものであっても構わない。また、第１液、第
２液・・・等の含浸処理方法も、特に限定されることは
なく、たとえば、減圧下で含浸させることもできる。な
お、第１液について減圧含浸を行う場合は、上記の原料
木材に対する飽水処理は必要ない。

この発明では、こうした含浸処理の最後に、育成物とリ
ン酸塩を含浸させることが特徴である。

ここで、両者は一緒に含浸されても、別々に含浸されて
もよく、さらには不溶性不燃性無機物生成のための水溶
性無機物と共に含浸されてもよく、特に限定はされない
。具体的には、たとえば以下のような工程で行うことが
できる。

■　上記不溶性不燃性無機物生成のための最終処理液中
に有機物とリン酸塩を加えて、たとえば、最終の第２あ
るいは第３液・・・等として、その他の水溶性無機物と
共に両者を含浸させる。

■　上記不溶性不燃性無機物生成のための最終処理液と
してリン酸塩を含むアニオン含有処理液を用い、これを
含浸させた後、任意の有機物を含浸させる。

■　上記カチオンおよびアニオン含有処理液とは別に、
すなわち、任意の不溶性不燃性無機物を木材内に生成・
定着させた後に、有機物とリン酸塩を一緒に、あるいは
別々に含浸させる。

さらに、その含浸方法についても、特に限定はされず、
処理液中に浸漬して行う通常の、浸漬法の他、減圧下含
浸、加圧下含浸あるいは塗布等により行ってもよい。

ただし、短時間で多量に含浸させるためには、減圧法に
よる含浸を行うことが特に好ましい。また、有機物とリ
ン酸塩を所定量溶かして混合溶液を調製するようにする
と、両者の量比を調整しやすい点で好ましい。以上の点
から、不溶性不燃性無機物を生成・定着した後の処理木
材をいったん乾燥させた後、減圧下で有機物−リン酸塩
混合水溶液を減圧下で含浸させるやり方が推奨される。

なお、その場合の有機物とリン酸塩の混合比等に限定は
なり、適宜設定されうる。また、乾燥も、あえて絶乾状
態まで行う必要はない。

上記有機物としては、リン酸塩との反応あるいは相互作
用等により同リン酸塩を木材内に定着させることが可能
な有機化合物であれば、特に限定はされない。また、そ
れらの任意の化合物は、各々が単独で用いられる他、複
数種が併用されてもよい。具体的にはたとえば、アミノ
系樹脂（その低縮合物等も含める）およびその原料成分
等が好例として挙げられる。アミノ系樹脂のなかでも、
エリア樹脂、変性エリア樹脂（エリア樹脂誘導体）、メ
ラミン樹脂および変性メラミン樹脂（メラミン樹脂誘導
体）の中から選ばれる少なくとも１種を含んだ有機物を
用いることが好ましく、とりわけメラミン樹脂系のもの
が通している。なお、これらの有機物は、水に溶かした
伏態で含浸させることが好ましい。

リン酸塩におけるカチオンとしては、ＮＨａ。

Ｎａ、に、Ｃａ等が挙げられ、特に限定されることはな
い。これらのリン酸塩は、単独で、あるいは複数種を併
せて使用される。

以上のようにして有機物とリン酸塩が含浸された後、必
要に応じては木材表面の水洗等を施し、乾燥させて、改
質木材が得られる。このとき、加熱（８０〜１２０℃程
度）乾燥等を行って、両者間の化学的な反応、硬化等を
促進させることも好ましい。たとえば、アミノ系樹脂と
リン酸とは、縮合してエステル結合を形成できる。しか
し、特にこうした化学的な結合が存在する必要はなく、
要は、木材内のリン酸イオンが水に溶出してこないよう
に定着されればよいのである。

なお、この発明にかかる改質木材の製法が、上記一実施
例に限定されるものではないことは言うまでもない。た
とえば、含浸処理後に養生を行って、不溶性不燃性無機
物生成反応を促進させることもできる。

つぎに、この発明におけるさらに詳しい実施例について
、比較例と併せて説明する。

一実施例１− アガチス材の３１重厚ロータリー単板を水中に浸漬し、
３０１１Ｈｇ程度の減圧下で飽水処理を行い、木材内部
にまで充分に水を含浸させた。

得られた飽水単板を、水１１当たりにリン酸水素ニアン
モニウム３．５ｍｏｌおよびオルトホウ酸４゜０ｍｏｌ
が溶解されたアニオン含有処理液（第１液）中に２４時
間浸漬した。ついで、この単板を、水１１当たりに塩化
バリウム２．０ｍｏｌおよびオルトホウ酸２．０ｍｏｌ
が溶解されたカチオン含有処理液（第２液）中に２４時
間浸漬し、木材内に不溶性不燃性無機物を生成させた。

同処理木材を、いったん乾燥させてから、３０鶴Ｈｇの
減圧容器内に固定し、ここに、リン酸水素ニアンモニウ
ム（Ａ）水溶液とメラミン樹脂（Ｂ）水溶液からなる混
合液（Ａ　：　Ｂの混合モル比＝１＝２）を導入し、そ
の後大気圧に解放した。

得られた処理単板表面を軽く水洗した後、１１０℃で４
時間乾燥させて改質木材を得た。

一実施例２〜５− 上記実施例と同様に第１液および第２液を含浸させた後
、第１表に示したリン酸塩−有機物混合水溶液を上記同
様に減圧含浸させ、以降も同様に改質木材を得た。

一比較例１，２− 上記実施例と同様に第１液および第２液を含浸させた後
、最後にリン酸塩、有機物のどちらか一方のみを減圧含
浸させるようにし、水洗、乾燥して改質木材を得た。

上記得られた改質木材について、全含浸率、ｌｉ燃性お
よび耐湿性（吸湿量）を調べた。全含浸率は、全含浸物
質重量に対する未処理乾燥木材重量比である。難燃性は
、ＪＩＳ＾１３２１における難燃■級をＯ９難難燃紙と
■級の中間の性能を◎、Ｈ燃■級に達しないものを×と
して評価した。耐湿性は、６０℃、９５％ＲＨで４８時
間放置した後の重量測定を行い、重量変化率が未処理木
材と同等の場合をＯｌそれ以下のものを◎、それ以上を
ととした。

以上の結果を同じく第１表に示す。

第１表にみるように、リン酸塩および有機物を共に含浸
させた実施例の改質木材はいずれも、高度な難燃性およ
び耐湿性を共に備えていることが判明した。それに対し
、最後のリン酸塩含浸が行われていない比較例１の改質
木材は、耐湿性に問題はなくても難燃性に劣り、比較例
２の改質木材では、リン酸イオンの固定化がなされずに
可溶性の状態で残されているため、難燃性は確保できて
も耐湿性に劣っている。

一実施例６− マツ、スギ、ブナの各３璽１厚ロータリー単板に飽水処
理を施して、含水率１８０％以上とした。

得られた飽水単板を、６０℃の塩化カルシウム水溶液（
第１液：濃度３ｍｏｌ／水１Ｎ）中に８時間浸漬し、つ
いで、６０℃のリン酸水素二アンモニウム水溶液（第２
液：濃度５ｍｏｌ／水１２）中に１６時間浸漬した。こ
れを、いったん熱風乾燥機にて絶乾状態まで乾燥させて
から、市販のメラミン樹脂水溶液（固形分４５〜５５％
）を減圧含浸させた。

得られた含浸処理木材を、乾燥しないようにラッピング
し、８０℃の乾燥機にて２４時間養生。

硬化させて、改質木材を得た。

一実施例７− 上記実施例と同様に第１液を含浸させた後、第２液とし
て６０℃の硫酸ナトリウム水溶液（濃度４ｍｏｌ／水１
１）を用い、１６時間の浸漬含浸を行った。最後に、水
１１当たりにリン酸水素二アンモニウム１ｍｏｌおよび
メラミン樹脂９．５ｍｏｌが溶解された水溶液（２５℃
）を同様に含浸させ、以下は、上記同様に養生、硬化さ
せ、改質木材を得た。

一実施例８− 上記実施例６と同様に第１液を含浸させた後、第２液と
して、水１１当たりにリン酸水素二アンモニウム２ｍｏ
ｌおよびメラミン樹脂１ｍｏｌが熔解された水溶液を（
２５℃）用い、１６時間の浸漬含浸を行った。以下、同
様に養生硬化させ、改質木材を得た。

−実施例９− 上記実施例７において、養生硬化に代えて１２０℃の熱
風乾燥（ラッピングなし）を行った。

一実施例１〇− 上記実施例８において、養生硬化に代えて１２０℃の熱
風乾燥（ラッピングなし）を行った。

上記実施例６〜１０で得られた改質木材について、難燃
性および耐湿性を調べた。

その結果、いずれの改質木材も、ＪＡＳ合板Ｉ類浸漬剥
離試験後、難燃■級以上の防火性を有していた。さらに
、６０℃／９０％ＲＨ−２０°Ｃ／６０％ＲＨで２サイ
クル後の改質木材について、絶乾状態の重量を測定した
結果、重量減少および外観変化はなく、したがって、木
材中に含浸された薬剤の流出等が起こらず、高度な耐湿
性を備えていることが確認された。また、実施例９およ
び１０から、養生硬化に代えて直接的な熱風乾燥を行う
ことにより、短時間で同様に優れた性能を有する改質木
材が得られることが明らかになった。

〔発明の効果〕

この発明にかかる改質木材の製法によれば、高度な難燃
性を有すると共に、耐湿性（耐候性）および寸法安定性
に優れた改質木材を効率よく得ることができる。同時に
、この改質木材は、防腐・防虫性、力学的強度および外
観等にも優れ、建材等として最適な、高度な性能を備え
ている。

代理人　弁理士　　松　本　武　彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　改質しようとする原料木材に対し、混合することに
   より不溶性不燃性無機物を生じさせる２種以上の水溶性
   無機物水溶液を個々に含浸させて木材組織内に同不溶性
   不燃性無機物を生成・定着させる改質木材の製法におい
   て、最後に有機物とリン酸塩を含浸させて定着させるよ
   うにすることを特徴とする改質木材の製法。 ２　有機物が、エリア樹脂、変性エリア樹脂、メラミン
   樹脂および変性メラミン樹脂の中から選ばれた少なくと
   も１種を含み、かつ、同有機物とリン酸塩の混合物を減
   圧法により含浸させるようにする請求項１記載の改質木
   材の製法。