JPH056481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、木質材料の薬剤処理による改質方法
に関し、特に、木質材料を薬剤処理して寸法安定
化したり、曲げ加工した木質材料を薬剤処理して
その形状を固定化することによる木質材料の改質
方法に関するものである。 ［従来の技術］ 木材は家具用、建築用などの材料として広範に
使用されているが、乾燥、湿潤によつて反り、割
れ、ねじれ、伸縮などの変形が生じやすいという
欠点を有している。この欠点を改善する方法とし
てポリエチレングリコール（PEG）処理、フエ
ノール樹脂含浸処理、変成ポリエステル樹脂含浸
処理（特公昭53−5722号公報参照）、木材プラス
チツク複合材（WPC）化処理、アセチル化処理
等が既に知られている。 また、木質材料の曲げ加工は一般に高温蒸気処
理や、マイクロ波加熱処理などにより軟化した材
料を機械的に曲げ加工を施し、その状態で乾燥し
てその形態を保持している。しかしこのような曲
げ加工法で得られた製品は、乾燥湿潤の繰り返し
により元の形に戻つてしまうという欠点を有して
いる。この現象は、内部応力残存下でのセルロー
ス鎖に対する水分子の吸脱着に伴う膨潤、収縮
（メカノソープテイブ エフエクト）に起因する
ものと考えられている。この欠点を改善する方法
として、曲げ加工の前後において、ポリエチレン
グリコール（PEG）処理、フエノール樹脂含浸
処理などを施す方法が知られている。 ［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらの方法で使用している合
成樹脂モノマー乃至は合成樹脂溶液は、いずれも
木材に含浸した後、加熱処理等によつて硬化して
も、単に木材組織内に充填されているだけで、こ
れらの充填された合成樹脂と木材の組織とは物理
的に結合しているに過ぎないので、加熱水等によ
る膨潤作用に対して十分それを阻止する性能を有
していない。 特に、高温度における湿気や加熱水などによる
膨潤作用に対して十分それを阻止する性能を有し
ていないので、曲げ加工製品の用途も自ずから制
限されている。 また、これらの方法は薬剤の水への溶脱、比重
の極端な増加、薬剤の浸透性の悪さ、操作の煩雑
さ、脱臭処理の困難さ、コストアツプなどの理由
で実用化が難しく未だに一般化されていない。更
に、ポリエチレングリコール（PEG）処理は塗
装性が劣り、フエノール樹脂含浸処理は塗装性、
着色性、加工切削性が悪いという欠点もある。 本発明は、上記のような欠点を解決すべくなさ
れたものであつて、その目的とするところは、特
殊な薬剤で含浸処理した木質材料を加熱処理し
て、生成する縮合樹脂と木材組織とを化学的に結
合させることによつて、繰り返し乾燥湿潤処理を
施しても収縮、変形することなく、しかも寸法安
定性に優れ、対湿性、耐腐朽性の高い改質木材が
得られる木質材料の改質方法を提供することを目
的とするものである。 さらに本発明は、特殊な薬剤で含浸処理した木
質材料を曲げ加工処理を施した後、加熱処理し
て、生成する縮合樹脂と木材組織とを化学的に結
合させることによつて、繰り返し乾燥湿潤処理を
施しても収縮、変形することなく、しかも寸法安
定性に優れ、対湿性、耐腐朽性の高い曲げ加工木
質製品が得られる木質材料の改質方法を提供する
ことを第２の目的とするものである。 ［課題を解決するための手段］ 本発明の特徴は、多価カルボン酸またはその誘
導体と多価アルコールとの混合物を含浸した木質
材料または、曲げ加工を施した木質材料を、加熱
処理することにより、多価カルボン酸またはその
誘導体のカルボキシル基と多価アルコールの水酸
基とを脱水縮合させて、その縮合物で木質材料の
セルロース鎖を化学修飾すると同時に、多価カル
ボン酸またはその誘導体のカルボキシル基と木質
材料のセルロース鎖とを架橋結合させて、木質材
料構成成分（セルロース、ヘミセルロースまたは
リグニン）との間に三次元網目状構造を形成させ
る事にある。 本発明において、最も重要なことは、多価カル
ボン酸またはその誘導体のカルボキシル基と多価
アルコールの水酸基とを脱水縮合させて、その縮
合物で木質材料のセルロース鎖を化学修飾すると
同時に、多価カルボン酸またはその誘導体のカル
ボキシル基と木質材料のセルロース鎖とを架橋結
合させて、木質材料構成成分との間に三次元網目
状構造を成形させることである。そのためには、
加熱処理中常に、多価カルボン酸またはその誘導
体と多価アルコールとの縮合物中に反応可能なカ
ルボキシル基が多く残存している状態とすること
が必要である。 即ち、縮合物中に反応可能なカルボキシル基が
多く残存する状態とするには、多価アルコール中
のエステル化反応に関与する水酸基に対する多価
カルボン酸またはその誘導体のカルボキシル基の
当量比が1.2〜3.0の範囲になるように多価アルコ
ールに対して過剰の多価カルボン酸またはその誘
導体を使用する必要がある。 この当量比が1.2より少ないと、反応し得るカ
ルボキシル基が少なくなり、セルロース間に三次
元の架橋が起こりにくくなる。そのために、従来
法のWPCと同じように浸水時の膨潤抑制効果が
劣るようになる。また、未反応の水酸基が多く残
り、生成物の親水性が高くなり、浸水による溶脱
が多くなる。この溶脱は木材実質のヤセを生じ、
処理材の亀裂、落込み等の欠陥を生ずる。反対に
当量比が3.0より多いとカルボキシル基が多く残
留し、親水性が高くなり、上記と同じ欠陥を生じ
やすくなる。さらに、カルボキシル基が多く残留
すると、金属を腐食させる性質が強くなるばかり
でなく、処理木材自体も鉄汚染により変色するこ
とがある。 本発明において、多価カルボン酸またはその誘
導体と多価アルコールとの混合物を木質材料に含
浸させるためには、これらの化合物が液体状の場
合はそのまま用いることができるが、溶液状態で
用いるのが浸透性、均質性を高める上で好まし
い。溶媒としては、水；メタノールやエタノール
などのアルコール類；アセトン、ジオキサン、テ
トラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメ
チルスルホキサイドなどの極性の高いものが使用
できる。最も好ましいのは、水またはメタノール
である。これらの溶媒を用いて濃度５％〜60％程
度の溶液として用いるのが処理操作上好ましく、
また、経済的でもある。 更に、この含浸効果を高めるためには、多価カ
ルボン酸またはその誘導体と多価アルコールとの
混合物または、その溶液を加温して用いるのがよ
い。好ましい加温温度は60℃〜100℃程度である。
また、含浸効果を高めるためには、減圧含浸する
ことも有効である。 本発明において好ましく使用することができる
多価カルボン酸としては以下のものが挙げられ
る。マロン酸、マレイン酸、フマル酸、コハク
酸、アジピン酸、フタル酸などの二価のカルボン
酸、またはそれらの無水物、あるいはメチルエス
テルなどの誘導体；トリメリト酸、無水トリメリ
ト酸などの三価カルボン酸またはその誘導体；ピ
ロメリツト酸などの四価のカルボン酸またはその
誘導体；メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重
合体などのポリカルボン酸またはその誘導体。 また、本発明において好ましく使用することが
できる多価アルコールとして以下のものが挙げら
れる。エチレングリコール、ジエチレングリコー
ル、プロピレングリコールなどの二価のアルコー
ル類；１，１，１−トリス（ヒドロキシメチル）
エタン、１，１，１−トリス（ヒドロキシメチ
ル）プロパンなどの三価のアルコール類；ペンタ
エリトリトール、ジペンタエリトリトール、マン
ニツト、糖類、ポリビニルアルコールなどのポリ
オール類。 この他に、ヒドロキシ酸類、ラクトン類などの
分子内に水酸基及びカルボキシル基を有する化合
物または容易に両基を生成する化合物も使用する
ことも可能である。 本発明で用いる多価カルボン酸またはその誘導
体と多価アルコールとの混合物の使用量は求める
製品性能によつても異なるが、木質材料に対し１
〜100重量％が有効である。 本発明の対象となる木質材料として原木、製
材、合板、集成材、LVL（単板積層材）、LVB（単
板積層板）などが挙げられる。 本発明の処理は最終形状に近い状態で行なうの
がコスト、薬剤の浸透性等の点で好ましいが、原
木、製材等の加工前の状態で行なうことも可能で
あり、その場合はより精度の高い木材宇加工品の
生産が可能となる。 合板、集成材、LVL、LVB等の加工木質材料
の場合は、製品に対し処理することも可能である
が、製造工程中の単板、引き板等の状態で処理す
ることも可能であり、しかも、熱処理工程を含む
場合は同時に反応が進むためより好ましく、工程
の簡素化、省エネルギーになり、コストダウンが
図れる。 木質材料の曲げ加工処理は従来用いられている
いずれの方法を採用してもよいが、一例として、
加熱蒸気を用いるか、または蒸煮により木材を軟
化した後、トーネツト法で希望する曲率半径に加
工する方法が挙げられる。また、マイクロ波を用
いて曲げを行なう方法を採用することも可能であ
るが、その際には、加熱処理の前に含浸する水に
薬剤を溶解しておけば、加熱処理段階で曲げ加工
およびその固定化が可能となり、作業工程上で極
めて有利である。 本発明における加熱処理は、130℃〜220℃の温
度範囲で行なうのが好ましい。反応時間は温度に
よつて異なるが、例えば220℃の場合は１時間程
度、130℃の場合は数日間必要である。しかしな
がら、処理される木質材料の寸法によつても異な
るが、一般的には160℃で５時間、または、180℃
で３時間程度の反応条件が好ましい。また、この
反応条件はエステル化触媒の使用によつて若干低
下させることができる。 また、本発明におけるエステル化反応は、平衡
定数が１〜４程度と非常に小さいことから、反応
を進めるためには生成する水を除く必要があるの
で、開放系または減圧下で反応させることが好ま
しい。 この、エステル化反応を行なうための装置とし
ては、特殊な反応容器を必要としないことも本発
明の大きな特長である。すなわち、本発明では、
一般的な高温乾燥器や高温型木材乾燥室程度で十
分である。勿論、減圧反応釜や窒素置換装置を備
えたオートクレーブ等を用いて生産することも可
能である。本発明の反応は無触媒でも進行する
が、通常のエステス化に用いる触媒の使用も当然
可能である。 ［作用］ 多価カルボン酸またはその誘導体と多価アルコ
ールとの混合物を含浸した木質材料をそのまま、
または、曲げ加工処理を施した後、加熱処理する
と、木質材料の細胞組織内で多価カルボン酸また
はその誘導体と多価アルコールとが脱水縮合して
ポリエステルを生成する。このポリエステルは木
材構成成分のセルロース鎖を化学修飾すると同時
に、過剰に存在する多価カルボン酸またはその誘
導体のカルボキシル基と木質材料のセルロース鎖
とが架橋結合して、木質材料構成成分（セルロー
ス、ヘミセルロースまたはリグニン）との間に三
次元網目状構造が形成され、木質材料の寸法安定
性を高くすることができ、また、曲げ加工製品の
場合はその形状を固定し、長期に亘つてそれを保
存することができるようになる。 しかも、本発明に用いる薬剤（多価カルボン酸
またはその誘導体と多価アルコールとの混合物）
はそれ自身でも木質材料との親和性が高く、また
水溶液あるいは極性有機溶媒の溶液として用いた
場合はさらに膨潤状態で細胞壁の非晶領域の奥深
くまで薬剤が浸透し、その場所で反応して木質材
料構成成分と強固な結合組織が形成されるため、
吸湿による膨潤を抑制する効果が極めて大きい。
また、このように浸透性が非常に良いため薬剤は
万遍なく浸透してそれが硬化するため、木質材料
全体の材質が均質となり、改質処理後の切削が可
能となる。しかも、上記の膨潤抑制効果は切削し
ても切削前と変わらないという特長もある。 このように本発明で使用する薬剤は親水性であ
り作業工程上極めて有利でありながら、反応によ
り生成する物質は撥水性が極めて高く、耐水性の
向上に大きく寄与する。本発明で得られた曲げ加
工製品は市販木材塗料との親和性が非常に良いた
め塗装性が良く、寸法安定化とあいまつて耐久性
が著しく向上する。また本発明により得られる改
質木材または、曲げ加工製品は耐腐朽性にも優れ
ているが、これは本処理により木材表面はもとよ
り、内部の微少空隙まで薬剤が浸透し、強固な三
次元網目状分子が形成されるため、木材腐朽菌
が、攻撃できなくなるためと思考される。 実施例 １ 木材をアジピン酸／ペンタエリトリトールのメ
タノール30％溶液に浸漬した後、加熱、反応させ
た。 試験片： 樹種：シナ 形状：３cm×３cm×１cm（半径方向・接線方
向・繊維方向） 個数：10個 重量：平均3.5ｇ 含浸処理： 薬剤：アジピン酸とペンタエリトリトールとの
当量比は２：１ 薬剤含浸後の重量増加率：平均28.7％ 加熱処理：加熱反応は窒素気流下で180℃、３時
間行なつた。 試験方法： 処理材を25℃の水中に96時間浸漬して、その寸
法変化を検討した。結果を表１に示す。

【表】 実施例 ２ 木材にマレイン酸／グリセリン20％水溶液を減
圧下で含浸させ、マイクロウエーブで曲げ加工を
施した後、加熱反応させた。 試験片： 樹種：センノキ 形状：1.5cm×0.5cm×42cm （放射方向・接線方向・繊維方向） 個数：10個 重量：平均14.3ｇ 含浸処理： 薬剤：マレイン酸とグリセリンとの当量比は
３：２ 曲げ加工： 含浸した試験片をラツピングフイルムに包み、
1kw出力のマイクロ波発信機で約２分間加熱し、
直ちに、トーネツト法を用いて曲率半径５cmまで
曲げた。ラツプを外した後、気乾状態になるまで
乾燥した。 加熱処理： 試験片を高温乾燥器中で160℃、５時間行なつ
た。 効果の判定： 製品の効果の判定は次のようにして行なつた。
最初に試験片を、恒湿室中で３週間以上調湿し常
態での曲率半径を求めた。 次に、この試験片を沸騰水中で２時間煮沸し、
曲率半径を求めた。 最後に、この試験片をさらに恒湿室中で４週間
以上調湿し、曲率半径を求めた。以上を比較検討
した結果を表２に示す。

【表】 実施例 ３ 木材にマレイン酸／グリセリンの30％水溶液を
減圧下で含浸した後、減圧下で加熱、反応させ
た。 試験片： 樹種：シナ 形状：３cm×３cm×10cm （放射方向・接線方向・繊維方向） 個数：10個 重量：平均34.9ｇ 含浸処理： 薬剤：マレイン酸とグリセリンと当量比は３：
２ 薬剤含浸後の重量増加率：平均35.5％ 加熱処理： 加熱は減圧下で200℃、１時間行なつた。 試験方法： 処理木材から試験片を切りだした後、カワラタ
ケ（Coriolus versicolor）を用い、JISA−9301
に準じて腐朽試験を行なつた。 得られた結果を表３に示す。

【表】 ＊ 無処理材の重量減少率は
50.4％
［発明の効果］ 本発明の方法によると、木材表面はもとより、
内部の微少空隙迄薬剤が浸透し、強固な三次元網
目状分子を形成するため、改湿木材の寸法安定性
や、曲げ加工製品の形状を長期に亘つて保存維持
することができる。しかも、耐湿性や耐腐朽性が
著しく改善されるので、吸脱湿による木材の反
り、割れ、ねじれ、伸縮などの変形や、腐朽など
を防止することができる。そのために複雑かつ精
密な曲げ加工、三次元曲面加工などが実用化で
き、切削によるロスを減少し、高付加価値の木材
加工製品の製造が可能となる。 しかも、本発明で使用する薬剤は安価で入手し
やすく、非常に安定で取り扱いやすく、毒性も問
題にならない。また、この薬剤はそれ自身で加温
により融解したり、あるいは水溶液として用いる
ため、有害で危険な有機溶媒を必要としない。 更に、得られた改湿木材や曲げ加工製品は無臭
であり、洗浄あるいは減圧等の脱臭処理は一切不
要である。さらこの改湿木材や曲げ加工製品は有
害な揮発性物質を放出しない等の優れた効果を有
する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 木質材料に対し多価カルボン酸またはその誘
   導体と多価アルコールとの混合物を含浸または塗
   布した後、加熱により多価カルボン酸またはその
   誘導体のカルボキシル基と多価アルコールの水酸
   基とを脱水縮合させると同時に、多価カルボン酸
   またはその誘導体のカルボキシル基と木質材料の
   セルロース鎖とを架橋結合させて木質材料構成成
   分との間に三次元網目状構造を形成させることを
   特徴とする木質材料の改質方法。 ２ 木質材料に対し多価カルボン酸またはその誘
   導体と多価アルコールとの混合物を含浸または塗
   布した後、曲げ加工を施して、加熱することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の木質材料の
   改質方法。