(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質繊維等の繊維に該繊維同士を結合するための結合剤が混合された繊維状物を圧縮して板状に成形してなる繊維板であって、
上記繊維板を構成する繊維が、板面に平行な少なくとも１つの方向において板面に対し垂直に切断した切断面において板面に対して０．５５以上の垂直配向度でもって配向されている
ことを特徴とする繊維板。
【請求項２】
請求項１記載の繊維板において、
繊維の垂直配向度は、切断面のデジタル画像信号の２次元フーリエ変換により誘導された２次元パワースペクトルを極座標解析して得られる繊維の配向方向の頻度分布に基づいて計測されたものである
ことを特徴とする繊維板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は繊維板に関し、特に重量化を招くことなく圧縮強度を高める対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、木質繊維を用いた繊維板のうち、ＪＩＳ  Ａ  ５９０５に規定されている軟質繊維板は、その密度が０．３５ｇ／ｃｍ3未満であって、中硬質繊維板（密度：０．３５ｇ／ｃｍ3以上でかつ０．８０ｇ／ｃｍ3未満）及び硬質繊維板（密度：０．８０ｇ／ｃｍ3以上）と比べて軽量であるにも拘らず、比較的優れた厚さ方向の圧縮強度（圧縮比例限界点は例えば０．２２５ＭＰａ、また圧縮ヤング率は例えば２．９０ＭＰａ）を具備していることから、吸音板や壁板等、広い方面で使用されている。
【０００３】
上記軟質繊維板は、木質繊維等からなる繊維状物を湿式又は乾式でマット状に成形して製造されるが、その成形の際にマットの厚さ方向に圧縮するために、繊維の大半が上記圧縮方向に直交する方向、つまり板面に平行な方向に配向するようになり、よって、曲げ強度の大きい板材が得られることとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、畳芯やパネル芯材等に使用される場合には、曲げ強度等はさして要求されず、むしろ、圧縮比例限界点や圧縮ヤング率等、ＪＩＳには規定されていない圧縮強度の高さが要求される。
【０００５】
実際には、上記のような使用分野では、軟質繊維板よりも遥かに軽量であり、かつ圧縮強度（特に圧縮ヤング率）に優れた発泡スチレンボードや発泡ウレタンボード等が多く使用されている。これら発泡ボードでは、密度は例えば０．０２８ｇ／ｃｍ3であり、圧縮比例限界点は０．２０５ＭＰａであって軟質繊維板の場合と同程度であるが、圧縮ヤング率は例えば８．３３ＭＰａであって軟質繊維板よりも優れている。ところが、発泡ボードの場合には、端材の処分や廃棄後の処理等が困難であるという欠点がある。
【０００６】
そこで、上記軟質繊維板の圧縮強度を発泡ボードの場合と同程度に高める対策として、密度を高くすることが考えられる。しかしながら、密度を高くすると、それに略比例して圧縮強度は確実に高くはなるが、その分だけ重量化することにもなるため、今度は軽量性が損なわれることになる。
【０００７】
この発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、繊維状物が圧縮により板状に成形された繊維板において、繊維の配向性に改良を加えることで、軟質繊維板よりも遥かに軽量でありながら、発泡ボードと同程度の圧縮強度が得られるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、板面に対する繊維の垂直配向度を高くすることで、密度が低い場合でも厚さ方向の圧縮強度を高めることができるようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、木質繊維或いはその他の繊維に該繊維同士を結合するための結合剤が混合された繊維状物を圧縮して板状に成形してなる繊維板が前提である。そして、上記繊維板を構成する繊維が、板面に平行な少なくとも１つの方向において板面に対し垂直に切断した切断面において板面に対して０．５５以上、好ましくは０．６以上の垂直配向度でもって配向されているものとする。
【００１０】
上記の構成において、板面に平行な少なくとも１つの方向での繊維の垂直配向度が０．５５以上であるので、軟質繊維板の垂直配向度が例えば０．３７３であるのに比べて厚さ方向の圧縮強度は高くなり、発泡ボードの場合と略同程度になる。その際に、軟質繊維板と比べると、基本的に繊維の配向方向が異なるだけであるのに対し、密度を１／２ないしは、場合によってはさらに低くすることもできる。また、例えば互いに略直交する２方向の各々において、垂直配向度がそれぞれ高いと、１方向においてだけ垂直配向度が高い場合に比べて圧縮強度はさらに高くなる。よって、軟質繊維板よりも遥かに軽量でありながら、それよりも優れた厚さ方向の圧縮強度が得られる。
【００１１】
請求項２の発明では、上記請求項１の発明において、繊維の垂直配向度は、切断面のデジタル画像信号の２次元フーリエ変換により誘導された２次元パワースペクトルを極座標解析して得られる繊維の配向方向の頻度分布に基づいて計測されたものとする。
【００１２】
上記の構成において、繊維に全く配向性がない場合には、そのデジタル画像信号を２次元フーリエ変換して誘導される２次元パワースペクトルを極座標表示すると、そのパターンは円形状を示す。一方、繊維に配向性がある場合には、パワースペクトルパターンは楕円形状を示す。そして、その楕円の長軸方向が繊維の主配向方向として示される。つまり、上記パワースペクトルパターンには方位毎のパワーの各強度が角度分布として示されるが、その角度分布は繊維の配向方向毎の頻度分布と考えられる。したがって、上記主配向方向を極座標のθ＝０°に一致させ、−４５°≦θ≦＋４５°の範囲のパワーの各強度を集計し、その集計値を、極座標の−９０°≦θ≦＋９０°の範囲のパワーの各強度の合計値で除することにより、上記垂直配向度が得られる。よって、繊維板を構成する各繊維が種々多様な形態や長さ等を有するものであるにも拘らず、繊維の垂直配向度が適正に計測でき、その垂直配向度に基づいて繊維板の圧縮強度が適正に評価できるようになる。尚、上記画像処理については、「フーリエ変換画像処理によるパーティクルの配向解析」（雑誌「材料」Vol.44,No.498,pp.267-272,Mar.1995）にパーティクルボードの表面について記載されている。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、この発明の木質繊維板についての実施形態を図面に基づいて説明する。この発明の実施形態に係る繊維板は、木質繊維に、それら繊維同士を結合するための結合剤が混合された繊維状物を圧縮して板状に成形してなるものであって、図１に示すように、上記繊維板を構成する繊維１，１，…が、板面２に平行な少なくとも１つの方向３において板面２に対し垂直に切断した切断面４において板面２に対して０．５５以上、好ましくは０．６以上の垂直配向度でもって配向されている。
【００１４】
具体的には、上記垂直配向度は、切断面４に見える全ての繊維１，１，…のうち、板面２に垂直な方向に対し−４５°〜＋４５°の角度をなす方向に配向された繊維１，１，…の占める割合を示すものとされている。したがって、全ての繊維１，１，…が上記角度の方向に配向されている場合の垂直配向度は１．０であり、また繊維の配向方向が完全にランダムである場合の垂直配向度は０．５である。因みに、軟質繊維板の垂直配向度は例えば０．３７３である。
【００１５】
そして、上記垂直配向度は、切断面４のデジタル画像信号の２次元フーリエ変換により誘導された２次元パワースペクトルを極座標解析して得られる繊維１，１，…の配向方向の頻度分布に基づいて計測されたものである。
【００１６】
ここで、配向度を計測するために行った繊維板の切断面４の画像処理について説明する。
【００１７】
先ず、上記繊維板を厚さ方向に切断し、その切断面４を拡大して複写する。この原画像を画像解析装置（例えばニレコ社製のＬｕｚｅｘ  III）に入力し、その矩形状の表示画面内にデジタル画像として表示する。表示画面の解像度は５１２×５１２ドットであり、各ドットにおける輝度は０〜２５５の２５６階調である。また、繊維板の厚さ方向（垂直方向）は、表示画面の縦軸に一致させる。
【００１８】
上記表示画面を、半径が２５６ドットである円で切り取り、その円外の輝度のレベルを０に設定して原画像とし、この原画像から２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によりパワースペクトルを誘導する。これは、矩形画像のままで２次元フーリエ変換を行うと、その画像の形状がパワースペクトルパターンに現れて大きな誤差が生じるからである。
【００１９】
そして、上記パワースペクトルを、図２に模式的に示すように、極座標表示する。このとき、繊維に全く配向性がない場合には、そのパワースペクトルパターンは円形状を示す。一方、この実施形態のように繊維１，１，…に配向性がある場合には、パワースペクトルパターン５は楕円形状を示す。そして、その楕円の長軸方向が繊維１，１，…の主配向方向として現れる。
【００２０】
次に、上記パワースペクトルパターン５の極座標解析を行う。上記原画像における繊維１，１，…の配向状態は、パワースペクトルパターン５では該配向状態と直交する方向に反映されるので、原画像の垂直方向の配向は、パワースペクトルパターン５の水平方向の配向（θ＝０°）として現れる。
【００２１】
そして、同一方位のパワースペクトルをそれぞれ積分し、各方位毎（１°毎）の頻度を計算する。その際に、パワースペクトルパターン５の中心付近の輝度の値は２５５であって飽和しているために、その飽和している半径部分６を除いて積分する。
【００２２】
最後に、パワースペクトルの水平方向（−４５°≦θ≦＋４５°）の頻度を集計し、その値を全方位（−９０°≦θ≦＋９０°）の頻度の集計値で除することで、繊維板を構成する繊維１，１，…の垂直配向度が求められる。具体的には、繊維板の切断面４において任意の５点で測定し、それらの平均値を求めて上記切断面４における垂直配向度とする。
【００２３】
したがって、この実施形態によれば、木質繊維に該繊維同士を結合するための結合剤が混合された繊維状物を板状に成形してなる繊維板において、板面２に平行な少なくとも１つの方向３における繊維１，１，…の垂直配向度を０．５５以上にすると、その分だけ垂直方向における圧縮強度を従来の軟質繊維板よりも高めることができ、発泡ポリスチレンボードと同程度の優れた圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率を得ることができる。その際に、軟質繊維板に比べて繊維の配向方向が異なるだけであるが、密度としては１／２ないしは、場合によってはさらに低くして大幅な軽量化を図ることができる。また、例えば互いに略直交する２方向における繊維１，１，…の各垂直配向度をそれぞれ０．５５以上となるようにすると、１方向における垂直配向度だけが０．５５以上である場合に比べて圧縮強度をさらに高くすることができる。
【００２４】
さらに、上記垂直配向度を、繊維板の切断面４のデジタル画像信号の２次元フーリエ変換により誘導された２次元パワースペクトルを極座標解析して得られる繊維１，１，…の配向方向の頻度分布に基づいて計測するようにしたので、繊維板を構成する各繊維１が種々多様な形態や長さ等を有するものであるにも拘らず、繊維１，１，…の垂直配向度を適正に計測することができ、上記垂直配向度に基づいて繊維板の圧縮強度を適正に評価することができる。
【００２５】
尚、上記実施形態では、木質繊維について述べたが、他の繊維、例えばロックウール、グラスウール、綿花、麻、ナイロン、アクリル等でも同様に圧縮強度に優れたものが得られる。
【００２６】
【実施例】
次に、上記実施形態に係る繊維板を作製し、その垂直配向度と圧縮強度との関係を調べるために行った実験について説明する。
【００２７】
先ず、杉材を解繊して得た木質繊維としてのパルプに、結合剤としてのスターチを混合し、さらに清水を分散するように供給しつつ撹拌して上記スターチをパルプに付着させた。各添加量としては、１００重量部のパルプに対し、スターチを２２重量部、また清水を１５０重量部とした。
【００２８】
上記のようにして得た繊維状物を一定の高さから落下させ、縦横が５００×５００ｍｍでかつ厚さが２５ｍｍであるマットを形成した。このマットを、厚さを保持したままで、図３に示すように縦方向に１／２に圧縮し、スプリングバックさせた後、１６０℃のスチームを噴射しながら１５０℃の空気を通気させることによりマット内のスターチを糊化させ、次いでスチームを止めて熱風のみで乾燥させた。その際に、密度〔ｇ／ｃｍ3〕の互いに異なる３種類の繊維板を作製した。これらを発明例１ａ〜１ｃとする。
【００２９】
また、上記マットを、発明例１の場合と同じく厚さを保持したままで、図４に示すように縦方向に１／２に圧縮してスプリングバックさせ、次いで上記縦方向と９０°の角度をなす横方向に同じく１／２に圧縮してスプリングバックさせた後、上記発明例１の場合と同一条件でスターチを糊化し、次いで乾燥させた。その際に、密度の互いに異なる３種類の繊維板を作製した。これらを発明例２ａ〜２ｃとする。
【００３０】
さらに、上記発明例２ａの表面平滑性を得るために、上記の場合と同様にして厚さが３０ｍｍであるマットを成形し、その後、スターチ糊化前に上下方向の圧力をかけ、２５ｍｍ厚にしたものを発明例３とした。尚、圧縮方向等については発明例２ａの場合と同じである。
【００３１】
そして、上記発明例１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃ及び３の各々について、圧縮強度としての圧縮比例限界点〔ＭＰａ〕及び圧縮ヤング率〔ＭＰａ〕と垂直配向度とをそれぞれ調べた。上記圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率については、図５に示すように、縦横共に９５ｍｍでかつ厚さが２５ｍｍのサンプルＳの上に直径が８０ｍｍである円柱状の治具８を置き、その上から負荷９を加え、５ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮して測定した。
【００３２】
また、上記垂直配向度については、圧縮方向及びその圧縮方向に直交する方向でのものをそれぞれ調べた。つまり、縦方向に圧縮された発明例１ａ〜１ｃ、縦横２方向に圧縮された発明例２ａ〜２ｃ及び発明例３の各々について、縦方向において板面に対し垂直に切断した切断面、及び横方向において板面に対し垂直に切断した切断面の各々における繊維の垂直配向度をそれぞれ計測した。
【００３３】
一方、比較例１として、上記マットを圧縮しないままでスターチを糊化させて乾燥させたものを作製した。さらに、市販のインシュレーションボード（軟質繊維板）を比較例２、発泡スチレンボードを比較例３とし、これら比較例１〜３についても、密度、圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率をそれぞれ調べた。尚、垂直配向度については、比較例１及び２のみとした。以上の結果を、次の表１に併せて示す。
【００３４】
【表１】
0003544260.tif 000002
【００３５】
発明例１ａ〜１ｃ及び２ａ〜２ｃでみられるように、密度が上がるにつれて圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率は共に直線的に増加しており、しかも発明例１ａ〜１ｃの場合より発明例２ａ〜２ｃの方が値は遥かに大きい。その理由は、２方向に圧縮されることで板面の方向に関係なく略均一な状態で繊維が垂直に配向されるようになることによるものと判断される。これは、２方向に圧縮した発明例２ａ〜２ｃにおいては、発明例１ａ〜１ｃの場合に比べて縦横方向における各垂直配向度の間に大きな差がないことで示されている。
【００３６】
発明例１ａ〜１ｃ及び２ａ〜２ｃを、圧縮されていない比較例１と比べると、それと密度の略等しい発明例１ａの場合でも、圧縮比例限界点は約２倍であり、圧縮ヤング率では約３倍となっている。しかも、比較例２と比べると、２方向に圧縮された発明例２ａでは、密度が１／２以下であるにも拘らず、圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率が共に上回っており、密度の点を除けば、比較例３に匹敵する性能を有する。また、発明例３の場合には、発明例１ａ及び２ａと比べ、圧縮強度は低下するものの、表面性状は改善されたものとなった。
【００３７】
以上のことから、圧縮比例限界点ないし圧縮ヤング率が重視される用途の場合には、１方向のみの圧縮で比較例２の１／２以下の重量である発明例１ａ〜１ｃの場合でも、十分に満足できる性能の得られることが判る。また、２方向に圧縮された発明例２ａ〜２ｃの場合には、比較例３に代替可能な性能を発揮することが判る。さらに、発明例３のように、表面平滑性を向上させたものは、複合材を作るのに適している。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、木質繊維等の繊維に該繊維同士を結合するための結合剤が混合された繊維状物を圧縮により板状に成形してなる繊維板として、上記繊維板を構成する繊維が、板面に平行な少なくとも１つの方向において板面に対し垂直に切断した切断面において板面に対して０．５５以上、好ましくは０．６以上の垂直配向度でもって配向されているものとしたので、軟質繊維板よりも遥かに軽量でありながら、発泡ボードの場合と同程度に優れた圧縮強度を付与することができる。
【００３９】
請求項２の発明によれば、上記垂直配向度を、繊維板の切断面のデジタル画像信号の２次元フーリエ変換により誘導された２次元パワースペクトルを極座標解析して得られる繊維の配向方向の頻度分布に基づいて計測されたものとしたので、各繊維が種々多様な形態及び長さ等を有するものであるにも拘らず、その垂直配向度を適正に計測することができ、その垂直配向度に基づいて繊維板の圧縮強度を適正に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る繊維板の切断面における繊維の垂直配向度を説明するための斜視図である。
【図２】極座標に示されたパワースペクトルパターンを用いて繊維の垂直配向度を求める状態を模式的に示す状態図である。
【図３】この発明の実施例に係る発明例１ａ〜１ｃの圧縮方向を示す平面図である。
【図４】発明例２ａ〜２ｃ及び３の圧縮方向を示す平面図である。
【図５】圧縮比例限界点及び圧縮ヤング率の測定方法を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１    繊維
２    板面
３    方向
４    切断面
【図１】
0003544260.tif 000003
【図２】
0003544260.tif 000004
【図３】
0003544260.tif 000005
【図４】
0003544260.tif 000006
【図５】
0003544260.tif 000007