(57)【要約】【課題】木材、竹材などの様に、軸方向に配向した繊維組織とその他の組織からなる天然系素材を、流体圧力を利用して前記軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮することにより、繊維もしくは繊維同士の結合組織に損傷を与えることなく、かつ簡便に緻密化する方法を提供する。【解決手段】木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を乾燥処理２した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化３し、次いで、加熱処理を施して固定化４する天然系素材の加圧緻密化処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を乾燥処理した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化し、次いで、加熱処理を施して固定化することを特徴とする天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項２】
前記乾燥処理を温度８５〜１２０℃の大気中で行うことを特徴とする請求項１に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項３】
前記流体圧力が３０〜４００ＭＰａであることを特徴とする請求項１または２に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項４】
前記加熱処理を１５０〜１８０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項５】
前記流体圧力が、円筒状の前記高圧容器内面に装着され流体圧力を封じ込める弾性体を介して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化することを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項６】
前記天然系素材を複数個に分割すると共に、これら分割された素材間に剛性を有する型板を挟み込んで加圧圧縮し緻密化することを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法。
【請求項７】
円筒状の高圧容器の円筒部内面と、この円筒部内面に装着された弾性体からなる円筒状メンブランの外面とによって加圧空間が形成され、この加圧空間に加圧流体を導入する加圧流体導入孔が設けられると共に、前記円筒状メンブランの内側に、前記加圧流体による加圧圧縮力を伝達するため軸方向に有孔部を設けられた円柱状有孔弾性体が収納され、この円柱状有孔弾性体の有孔部に木材もしくは竹材等からなる天然系素材を装填して、前記加圧空間に導入された流体圧力によって、前記天然系素材をその軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に、前記円柱状有孔弾性体を介して加圧圧縮するよう構成したことを特徴とする天然系素材の加圧緻密化装置。
【請求項８】
前記円柱状有孔弾性体の有孔部が、複数の孔から構成されたことを特徴とする請求項７に記載の天然系素材の加圧緻密化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を、流体圧力を利用して、前記軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮することにより緻密化する方法およびそのための加圧緻密化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護の観点から天然資源の有効利用が重要視されて、自動車や家電製品等の部材としての利用が進みつつある。これらの分野では、天然のケナフの繊維にポリ乳酸をマトリックスとなるように加えて複合材料化しての利用が検討されているが、木材や竹材を、これらの欠点である低密度に起因する強度不足を補正することによって、そのままに近い形態での利用も検討されている。
【０００３】
後者の場合、基本的に高密度化の処理が必要であり、このための研究開発が行われて、種々のプロセスが提案されている。最も単純な処理方法としては、高圧の水蒸気雰囲気内で木材を軟化させた後、高圧条件下で圧縮成形・固定化処理する方法（例えば、特許文献１参照）や、木材に吸水させた後、マイクロ波加熱の様な高周波誘電加熱をしてから加圧する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。これらの方法では木材全体が緻密化される。
【０００４】
また、テーブルの天板や階段のステップ板、床材などでは、傷の発生防止のために軽量かつ表面のみ硬い材料を製造する方が好ましく、近年では表面層のみを緻密化（硬化）させる方法が実用化もしくは提案されている。基本的には、表面部のみを熱板プレスで加熱して軟化させて加圧する方法が採用されているが、熱圧ロールプレスを用いた方法（特許文献３参照）の提案もなされている。更に、特に有効利用が期待されているスギやヒノキなど比較的低密度の木材では、間伐材の利用の観点から複数の小径木を接着剤で接着しつつ緻密化して集成材とするために、高温高圧下にて水蒸気処理してから加圧圧縮する方法（特許文献４参照）が提案されている。
【０００５】
これらの多くの従来技術では、加圧圧縮は一方向にプレスもしくはロールで加圧することにより行われるが、ガスや水等の流体を加圧して、流体圧力をゴム等の弾性体を介して等方的に圧縮する方法も提案されており、古くは１９１０年代の英国特許（特許文献５参照）において、９０〜１５０℃に加熱した木材を少なくとも２００ｋｇ／ｃｍ2（≒２０ＭＰａ）の圧力で流体（アスファルト）を用いて圧縮する方法が提案されている。
【０００６】
次に、他の従来技術に係る木材の圧力処理用装置について図８を用いて説明する。図８は、従来技術に係る一実施例による木材の圧力処理用装置の概略断面図である。この従来技術によれば、主として板材を含めて矩形断面の細長い木材要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃを高圧容器２１内で木材要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃを、隔膜２４を介して、更には気密なケーシング材２３に収納して、圧力媒体によって加えられた圧力で緻密化する方法が提案されており、案内面２６ａ，２６ｂを持つ部材を使用して特定の面を案内面に沿った形状で成形することも提案されている（特許文献６参照）。
【０００７】
これらの従来技術では、供試材を加熱した状態で加圧することを特徴としており、加圧緻密化処理の直前に加熱処理を行うか、加圧処理自体を１２０〜２００℃の高温下で行うことを特徴としている。また、木材や竹材は熱伝導率が小さいために加熱には長時間を要することから、これを短縮するために、加熱に水蒸気それも加圧した加圧水蒸気を用いるものが多いが、加熱時間が大幅に短縮される訳ではない。また、熱圧ロールや平板上のプレスでは床材などの板材にしか適用できないという欠点を有している。
【特許文献１】特開平３−２３１８０２号公報
【特許文献２】特開平３−９７５０３号公報
【特許文献３】特公平４−３７２２号公報
【特許文献４】特開平７−３２３２５号公報
【特許文献５】英国特許ＧＢ１００．７９２号公報
【特許文献６】特表平１１−５０３３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
更に、等方圧による加圧緻密化では、流体の圧力は木材・竹材の繊維の方向と垂直な方向はもちろん繊維の方向である軸方向にも圧縮を受けるが、繊維方向の圧縮は繊維の弾性率が１５０〜３００ＧＰａと大きいため、通常の加圧圧力１００〜１０００ＭＰａでは弾性変形するのみであり、減圧後には復元してしまい、実際は軸方向と垂直方向の圧力しか緻密化には寄与しない。更に、木材・竹材の軸方向の強度発現の要因である軸方向に並んだ繊維もしくは繊維同士の結合組織が損傷を受けるため、必ずしも最高の強度特性が得られず、強度部材としての使用を目的とする場合には有効ではないという欠点を有する。
【０００９】
従って、本発明の目的は、木材、竹材などの様に、軸方向に配向した繊維組織とその他の組織からなる天然系素材を、流体圧力を利用して前記軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮することにより、繊維もしくは繊維同士の結合組織に損傷を与えることなく、かつ簡便に緻密化する方法および加圧緻密化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を乾燥処理した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化し、次いで、加熱処理を施して固定化することを特徴とするものである。
【００１１】
尚、ここにおける「垂直」または「軸対称」の意味は、夫々ほぼ垂直またはほぼ軸対称であれば良く、完全に垂直または軸対称であることを要しない。また、ここにおける「揃える」の意味も概ね揃っていれば良く、完全に揃えることまでは要しない。
【００１２】
本発明の請求項２に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、請求項１に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法において、前記乾燥処理を温度８５〜１２０℃の大気中で行うことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項３に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、請求項１または２に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法において、前記流体圧力が３０〜４００ＭＰａであることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項４に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法において、前記加熱処理を１５０〜１８０℃の温度で行うことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項５に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法において、前記流体圧力が、円筒状の前記高圧容器内面に装着され流体圧力を封じ込める弾性体を介して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項６に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法が採用した手段は、請求項１乃至５のうちの何れか一つの項に記載の天然系素材の加圧緻密化処理方法において、前記天然系素材を複数個に分割すると共に、これら分割された複合素材間に剛性を有する型板を挟み込んで加圧圧縮し緻密化することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の請求項７に係る天然系素材の加圧緻密化装置が採用した手段は、円筒状の高圧容器の円筒部内面と、この円筒部内面に装着された弾性体からなる円筒状メンブランの外面とによって加圧空間が形成され、この加圧空間に加圧流体を導入する加圧流体導入孔が設けられると共に、前記円筒状メンブランの内側に、前記加圧流体による加圧圧縮力を伝達するため軸方向に有孔部を設けられた円柱状有孔弾性体が収納され、この円柱状有孔弾性体の有孔部に木材もしくは竹材等からなる天然系素材を装填して、前記加圧空間に導入された流体圧力によって、前記天然系素材をその軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に、前記円柱状有孔弾性体を介して加圧圧縮するよう構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項８に係る天然系素材の加圧緻密化装置が採用した手段は、請求項７に記載の天然系素材の加圧緻密化装置において、前記円柱状有孔弾性体の有孔部が、複数の孔から構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を乾燥処理した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化し、次いで、加熱処理を施して固定化するので、収縮変形を防止して繊維組織を破壊することなく短時間に加圧緻密化処理でき、結果として高強度な天然系圧縮複合材を得ることが可能となる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記乾燥処理を温度８５〜１２０℃の大気中で行うので、前記天然系素材の真密度近くまで緻密化が可能となる上、残留した結合水が加圧時の変形の容易化に寄与する。
【００２１】
更に、本発明の請求項３に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記流体圧力が３０〜４００ＭＰａであるので、前記天然系素材の真密度の７０％以上となる高密度化が図られる。
【００２２】
また更に、本発明の請求項４に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記加熱処理を１５０〜１８０℃の温度で行うので、リグニンの熱分解による炭素の発生や酸化現象による黒色化が防止される。
【００２３】
また、本発明の請求項５に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記流体圧力が、円筒状の前記高圧容器内面に装着され流体圧力を封じ込める弾性体を介して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化するので、前記流体圧力の天然系素材への確実な伝達が可能となる。
【００２４】
更に、本発明の請求項６に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記天然系素材を複数個に分割すると共に、これら分割された複合素材間に剛性を有する型板を挟み込んで加圧圧縮し緻密化するので、前記天然系素材が前記型板に接触する部分に、前記天然系素材は勿論型板にもいびつな変形を生じることなく、必要とする形状を賦形することが出来る。
【００２５】
一方、本発明の請求項７に係る天然系素材の加圧緻密化装置によれば、円筒状の高圧容器の円筒部内面と、この円筒部内面に装着された弾性体からなる円筒状メンブランの外面とによって加圧空間が形成され、この加圧空間に加圧流体を導入する加圧流体導入孔が設けられると共に、前記円筒状メンブランの内側に、前記加圧流体による加圧圧縮力を伝達するため軸方向に有孔部を設けられた円柱状有孔弾性体が収納されている。
【００２６】
そして、この円柱状有孔弾性体の有孔部に木材もしくは竹材等からなる天然系素材を装填して、前記加圧空間に導入された流体圧力によって、前記天然系素材をその軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に、前記円柱状有孔弾性体を介して加圧圧縮するよう構成したので、前記天然系素材の繊維組織に損傷を与えることなく加圧圧縮し得る構成が可能となる。
【００２７】
また、本発明の請求項８に係る天然系素材の加圧緻密化装置によれば、前記円柱状有孔弾性体の有孔部が複数の孔から構成されたので、これら複数の有孔部に夫々天然系素材を装填することによって、同時に複数個の天然系素材の加圧圧縮が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態１に係る天然系素材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置について、以下図１〜図３を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る天然系素材の緻密化処理方法の工程を示す工程図、図２は本発明の実施の形態１に係る天然系素材の加圧緻密化装置の要部を示す模式的縦断面図、図３は本発明の実施の形態１に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【００２９】
図１において、本発明の実施の形態１に係る天然系素材の加圧緻密化方法は、先ず、木材や竹材等の天然系素材を、後述する加圧緻密化装置に収納可能な長さに切断すると共に、外形形状も整える（ステップ１）。次いで、大気中で乾燥炉を用いて乾燥処理を行う（ステップ２）。前記乾燥温度は８５〜１２０℃の範囲で行い、この温度での保持時間は、前記天然系素材の寸法、特に厚さに依存し、竹材のように厚さ１０ｍｍ以下の薄いものでは6時間以上、木材で厚さ５０ｍｍ以上のものでは１２〜４８時間の乾燥処理を行うことが好ましい。
【００３０】
尚、前記乾燥温度が１２０℃を越えると、天然系素材の一部変質が生じるので好ましくない。前記乾燥処理は、緻密化を阻害する余分な水分の除去が目的であり、水の蒸気圧が十分で、かつ、水の蒸散を制御している弁構造組織が軟化する温度が１２０℃である。
【００３１】
この様な乾燥処理により、木材・竹材の組織内部に包含された水のうち、いわゆる自由水と呼ばれる導管内の水の中でも閉塞状態にある導管内の水も除去される。この乾燥処理を行って閉空間内の水の除去がされていないと、加圧圧縮を行ってもこの水を包含した部分は圧縮されないために十分な緻密化が出来ない。
【００３２】
また、木材・竹材は繊維組織を構成するセルロースとそれ以外のヘミセルロースおよびリグニンから構成されるが、接着剤的な働きをするリグニンをこの乾燥処理による加熱により一部分解し、軟化させることが可能となる。軟化したリグニンの一部は室温に戻っても硬化しないため、加圧緻密化処理時にも圧力により自由に変形することを可能とするのである。
【００３３】
このような状態となった木材・竹材は、室温下での加圧でも高密度に緻密化が進み、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧することによって、容易に木材の真密度といわれる１．５×１０３ｋｇ／ｍ３に近い密度にまで緻密化される。因みに、温度８５〜１２０℃での乾燥処理を施していない木材、例えば、市販の自然乾燥されたスギ材（通常の密度約０．３５×１０３ｋｇ／ｍ３）やヒノキ材（通常の密度０．４５×１０３ｋｇ／ｍ３）では、室温下１０００ＭＰａの圧力で加圧しても、密度は（０．９〜１．０５）×１０３ｋｇ／ｍ３までしか緻密化されない。
【００３４】
この理由は、上記自由水の一部が閉空間に閉じ込められたままであるために、加圧された高圧時には圧縮状態にあっても、大気圧下に減圧後には元へ戻ってしまうためと考えられる。元の木材や竹材に含まれている水分の量は、自然乾燥の有無や保存状態にもよって異なり１０〜１３０％の範囲であるが、前記乾燥処理後には５〜１０％程度となる。この残留水分は、リグニンやセルロースなどの成分と結合した結合水であって、加圧処理時の変形の容易化にも寄与するものである。乾燥処理の温度を１５０℃以上に高くすると、この結合水までもが除去されてしまうため好ましくない。
【００３５】
このような条件で乾燥処理を行った木材・竹材等の天然系素材は、次いで、後述する加圧緻密化装置を用いて、流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化処理する（ステップ３）。加圧緻密化の圧力は、処理後の密度をどの程度とするかに依存するが、真密度の７０％以上の高密度化とするには、３０〜４００ＭＰａの圧力で十分である。
【００３６】
前記圧力が３０ＭＰａ未満では十分な緻密化が図れず、４００ＭＰａを越えて大きくしても効果は余り変わらない。前記圧力は、１００〜２００ＭＰａ程度の圧力が更に良い数値範囲である。また、保持時間は、木材が粘弾性特性を示すことから、数秒程度余りの短時間では不十分であるが、1分以上であれば緻密化には問題がない。
【００３７】
このようにして加圧緻密化処理された木材や竹材は、そのままでは寸法・形状の保持が十分ではない不安定状態であって、雰囲気条件によっては一旦緻密化された組織がある程度復元状態に戻ってしまう。例えば、加圧緻密化処理された木材を煮沸水の中に数時間以上浸漬するとかなり膨潤してしまう。加圧緻密化処理後の緻密化状態を固定するためには、１５０〜２００℃の温度範囲で加熱処理するのが有効なことが知られている。処理時間は２４時間程度必要とされているが、多くの木材では１８０℃以上で２４時間も保持をすると、リグニンの一部の熱分解による炭素の発生や酸化現象により、黒色化が生じる。
【００３８】
このような黒色化を防止するため、本発明においては、緻密化処理後に温度１５０〜１８０℃の範囲で加熱する固定化熱処理をする（ステップ４）ことが推奨される。加熱保持時間は、処理温度１５０℃であれば２４〜３６時間、温度１７０℃では１２〜２４時間、温度１８０℃では６〜１２時間で十分であるが、ある程度黒色化しても強度特性等は損なわれないため、この保持時間には限定されない。前記処理温度が１５０℃未満では処理時間がかかり過ぎ、１８０℃より高いと黒色化と強度低下が生じるので望ましくない。
【００３９】
また、短時間での処理を行う方法として水蒸気加熱を組み合わせることが有効であることも知られており、本発明でも採用が可能である。この場合、温度１８０℃であれば５分程度で固定化が可能である。そして最後に、固定化熱処理された天然系素材は、最終製品や中間製品としての形状や寸法を整えるための仕上げ加工が施される（ステップ５）
【００４０】
前記加圧緻密化処理（ステップ３）を行なうための本発明の実施の形態１に係る加圧緻密化装置は、図２に示す如く、耐圧性を有する円筒部１１と、この円筒部１１の上端を密封するためのリング状上蓋１２ａ及び上プラグ１２ｂと、前記円筒部１１の下端を密封するためのリング状下蓋１３ａ及び下蓋１３ｂからなる高圧容器を備えている。符号２０は、前記リング状上蓋１２ａ及び上プラグ１２ｂを上部より押圧支持するプレスフレームである。
【００４１】
そして、本発明の実施の形態１に係る加圧緻密化装置１０は、この高圧容器の円筒部１１内面に加圧空間１４が形成されるように、両端に耳部１５ａを有する弾性体からなる円筒状メンブラン１５が装着されると共に、この円筒状メンブラン１５の内側には、図３にも示される如く、加圧流体による加圧圧縮力を天然系素材である円柱状木材１６に伝達するため、円形断面を有する有孔部１７ａを軸方向に設けられた円柱状有孔弾性体１７が収納されている。
【００４２】
同時に、この円柱状有孔弾性体１７の有孔部１７ａに、前記円柱状木材１６が装填出来るように構成されている。そして、前記加圧空間１４に加圧流体が導入され、前記円筒状メンブラン１５が加圧された時に、前記円柱状木材１６が、その軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮されるよう構成されている。
【００４３】
即ち、前記加圧緻密化装置１０において、円筒状メンブラン１５外面及びその両端の耳部１５ａと円筒部１１内面とで形成された加圧空間１４に、加圧ポンプ（図示せず）により加圧された加圧流体が、加圧流体導入孔１４ａを介して導入され、前記円柱状木材１６は、円筒状メンブラン１５の内側に配置された円柱状有孔弾性体１７を介して、二次元的もしくは軸対称的に求心方向の加圧圧縮力を受けるのである。この加圧圧縮力により、前記円柱状木材１６は求心方向に収縮し、この変形は圧力を除去しても弾性的な回復分を除いて変形状態が維持される。
【００４４】
尚、木材の組織は、スギ材やヒノキ材のような多くの針葉樹では年輪に代表される密な濃色の組織部分と疎な淡色の組織部分から構成され、かつ一様ではない。このため、円形断面の木材を加圧処理すると、疎な淡色部分がより多く圧縮され、断面形状は非円形状のいびつな形状となる。
【００４５】
また、木材に枝が出ていた部分を採取して円柱状木材１６として形成した場合には、枝を除去した痕部にはこの枝の軸方向組織が半径方向に向いているために圧縮されても収縮量は少なくなり、加圧処理後には周囲から突出していびつな形状となる。そのため前記円柱状有孔弾性体１７に損傷を与え易く、これを防止するために円柱状木材１６の外周に緩衝材１８を配置するのが好ましい。
【００４６】
円筒状メンブラン１５と円柱状木材１６との間に配置された前記円柱状有孔弾性体１７は、このいびつな変形により円筒状メンブラン１５が損傷を受けるのを防ぐ機能を有している。もちろん、円柱状木材１６の直径は素材ごとに異なるため、この円柱状有孔弾性体１７はこの寸法や形状が若干異なっても、その形状に合わせて対応が可能という機能をも有している。円筒状メンブラン１５の内側に配置される前記円柱状有孔弾性体１７の役割は非常に重要であり、以下の実施の形態２〜５に示す如く、加圧処理する天然系素材の形状や数に応じて種々の対応が可能である。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態２に係る天然系素材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態２に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、天然系素材の形態とこれに伴う円柱状有孔弾性体の形状に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００４８】
即ち、上記実施の形態１に係る天然系素材の形態が円柱状木材であり、これに伴って前記円柱状有孔弾性体が円筒形状を有するのに対し、本実施の形態２に係る天然系素材は４本の細い円柱状木材１６ａからなり、これら４本の円柱状木材１６ａを一回で加圧処理するため、円柱状有孔弾性体１７には軸方向に４本の有孔部１７ａが形成されており、夫々の有孔部１７ａに緩衝材１８を介して細い円柱状木材１６ａが装填される。この様に比較的細い天然系素材の加圧処理においては、前記円柱状有孔弾性体１７の軸方向に複数の孔部１７ａを形成することによって、複数の天然系素材を一回の加圧圧縮によって緻密化できる。
【００４９】
次に、本発明の実施の形態３に係る天然系素材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置について、図５を参照しながら説明する。図５は本発明の実施の形態３に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。但し、本発明の実施の形態３が上記実施の形態１と相違するところは、天然系素材の形態とこれに伴う円柱状有孔弾性体の形状に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００５０】
即ち、上記実施の形態１に係る天然系素材の形態が円柱状木材であり、これに伴って前記円柱状有孔弾性体が円筒形状を有するのに対し、本実施の形態３に係る天然系素材は四角柱状木材１６ｂからなり、これに伴って円柱状有孔弾性体１７には矩形状断面の有孔部１７ａを設けたものを使用する。
【００５１】
前記四角柱状木材１６ｂが複数個の場合には、前記実施の形態２と同様にその数に応じた複数の矩形断面の有孔部を設けても良い。前記円柱状有孔弾性体１７に設けられた矩形状断面の有孔部１７ａは、隅部をスムーズ化するために通常Ｒ（曲面）加工が施されるので、四角柱状木材１６ｂとの隙間が生じ易く、緩衝材１８となる新聞紙等で前記四角柱状木材１６ｂを包んで装填することが推奨される。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態４に係る木材・竹材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置について、図６を参照しながら説明する。図６は本発明の実施の形態４に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。但し、本発明の実施の形態４が上記実施の形態１と相違するところは、天然系素材の形態とこれに伴う円柱状有孔弾性体の形状に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００５３】
即ち、上記実施の形態１に係る天然系素材の形態が円柱状木材であり、これに伴って前記円柱状有孔弾性体が円筒形状を有するのに対し、本実施の形態４に係る天然系素材は２個の四角柱状木材１６ｃからなり、これに伴って円柱状有孔弾性体１７には矩形断面の有孔部１７ａを設けたものを使用している。
【００５４】
但し、前記２個の四角柱状木材１６ｃは、加圧緻密化後に平面部分１６ｃ′が形成される様に、円柱状有孔弾性体１７と金属やセラミックスからなり剛性のある型板１９とを組み合わせて装填されている。この場合、前記四角柱状木材１６ｃを２個として、型板１９を挟むように対向して配置することが好ましい。四角柱状木材１６ｃを１個とすると、この四角柱状木材１６ｃは勿論、型板１９にもいびつな変形を生じてしまうからである。
【００５５】
次に、本発明の実施の形態５に係る天然系素材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置について、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の実施の形態５に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。但し、本発明の実施の形態５が上記実施の形態１と相違するところは、天然系素材の形態とこれに伴う円柱状有孔弾性体の形状に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について説明する。
【００５６】
即ち、上記実施の形態１に係る天然系素材の形態が円柱状木材であり、これに伴って前記円柱状有孔弾性体が円筒形状を有するのに対し、本実施の形態５に係る天然系素材は４個の四角柱状木材１６ｄからなり、これに伴って円柱状有孔弾性体１７には矩形状断面の有孔部１７ａを設けたものを使用している。そして、一回の加圧緻密化処理によって、前記４個の四角柱状木材１６ｄの各々において直交する２面の平面部分１６ｄ′が形成される様に、型板１９を組み合わせたものである。
【００５７】
尚、上記本発明の実施の形態１〜５の如く、天然系素材１６〜１６ｄや型板１９の断面形状に合わせて前記円柱状有孔弾性体１７に設けられた有孔部１７ａに、前記天然系素材１６〜１６ｄを装填する際、周囲に緩衝材１８を用いた例で説明したが、このような緩衝材１８としては、新聞紙等の紙類や粒径が比較的大きな（数１０〜数１００μｍ）のアルミナ等のセラミック粒子等を用いることが推奨される。
【００５８】
前記円柱状有孔弾性体１７は半消耗品であるが、このような配慮を施すことにより、前記有孔部１７ａ内面と天然系素材１６〜１６ｄ外面との間に過大な隙間があったとしても、不要な損傷が回避されて、長期の使用も可能となる。
【００５９】
以上説明した様に、本発明に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法は、天然系素材を乾燥処理した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化し、次いで、加熱処理を施して固定化するので、収縮変形を防止して繊維組織を破壊することなく短時間に加圧緻密化処理できる。
【００６０】
また、本発明に係る天然系素材の加圧緻密化装置は、高圧容器の円筒部内面と、この円筒部内面に装着された弾性体からなる円筒状メンブランの外面とによって加圧空間が形成され、この加圧空間に加圧流体を導入する加圧流体導入孔が設けられると共に、前記円筒状メンブランの内側に、前記加圧流体による加圧圧縮力を伝達するため円柱状有孔弾性体が収納され、この円柱状有孔弾性体の有孔部に前記天然系素材を装填して、前記加圧空間に導入された流体圧力によって、前記天然系素材をその軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に、前記円柱状有孔弾性体を介して加圧圧縮するよう構成したので、前記天然系素材の繊維組織に損傷を与えることなく加圧圧縮し得る構成が可能となった。
【００６１】
次に、本発明に係る天然系素材の緻密化処理方法および加圧緻密化装置の実施例及び比較例について、前図２及び図５を併用しながら以下に説明する。
＜実施例１＞
自然乾燥されたスギの柾目材（寸法：幅３０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ１２ｍｍ、密度：０．３５×１０３ｋｇ／ｍ３）を天然系素材１６ｂとして、大気中１０５℃の温度で２４時間の乾燥処理を行った後、３枚を重ね合わせて断面が略正方形（幅３０ｍｍ×厚さ３６ｍｍ）となるようにして新聞紙に包み、硬度７０度のラテックスゴム製で矩形状の有孔部１７ａが形成された図５に示した円柱状有孔弾性体１７に収納して、図２に示した加圧緻密化装置１０に装填した。
【００６２】
次いで、加圧ポンプを駆動して、約５０ＭＰａ／ｍｉｎの速度で１５０ＭＰａまで加圧容器内を加圧した後１分間保持した。減圧後、この加圧緻密化装置１０から取り出したところ、前記天然系素材１６ｂは、年輪の間隔が縮まる方向に圧縮されて厚さが約４ｍｍに収縮していることが確認された。この天然系素材１６ｂを、更に大気中１７０℃の温度で２４時間熱処理を行った。
【００６３】
処理後の前記天然系素材１６ｂは、寸法形状に大きな変化は認められず、処理後の前記天然系素材１６ｂの密度を測定したところ、１．４×１０３ｋｇ／ｍ３であることが確認された。この処理後の前記天然系素材１６ｂを、煮沸水中で３時間処理したが、大きな膨潤現象等は観察されず、高密度で寸法変化を生じにくい材料に改質されていることが確認された。
【００６４】
＜実施例２＞
自然乾燥された直径約９０ｍｍの孟宗竹材を長さ２００ｍｍに裁断し、更に軸方向に切断してこれらを束ね、幅約１５ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの天然系素材１６ｂを形成した。これら孟宗竹材素材の密度は約０．６５×１０３ｋｇ／ｍ３であった。このような天然系素材１６ｂを、大気中９０℃の温度で２４時間乾燥処理を行った後、新聞紙に包み図５に示した様な矩形状断面の有孔部１７ａを有する円柱状有孔弾性体１７に収納して、図２に示した構成の加圧緻密化装置１０に装着し、２００ＭＰａで1分間の加圧処理を行った。
【００６５】
処理後の前記天然系素材１６ｂは主として厚さ方向に収縮して、厚さは約半分になっていることが確認された。この天然系素材を、大気中１８０℃の温度で１２時間熱処理を行った。処理後の天然系素材１６ｂは、色が若干濃色化してこげ茶色となったが、密度約１．３×１０３ｋｇ／ｍ３に緻密化されていることが確認された。材料の安定性を確認するために、煮沸水中で３時間の処理を行ったが、膨潤現象等は観察されず、非常に高密度で安定性が良好な材料に改質されていることが確認された。
【００６６】
＜比較例１＞
実施例１と同一のスギの柾目材を、自然乾燥されたままの状態で、実施例１と同様に加圧処理、固定処理を行った。密度は０．９３×１０３ｋｇ／ｍ３まで緻密化はされたものの、水の密度である１．００×１０３ｋｇ／ｍ３を超えるほどの緻密化は達成できなかった。
【００６７】
＜比較例２＞
実施例２と同一の孟宗竹材を、自然乾燥されたままの状態で実施例２と同一条件で加圧処理を行い、固定化処理は行わずに評価を行った。密度は１．０×１０３ｋｇ／ｍ３と緻密化はある程度達成されたものの、煮沸水中３時間の安定性評価試験後、若干の膨潤化現象が観察された。
【００６８】
以上の様に、本発明に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、木材、竹材など組織内に軸方向の繊維組織を含む天然系素材を乾燥処理した後、円筒状の高圧容器内に軸方向を揃えて収納して、前記天然系素材の軸方向に垂直な方向から流体圧力によって二次元的もしくは軸対称的に加圧圧縮して緻密化し、次いで、加熱処理を施して固定化するので、収縮変形を防止して繊維組織を破壊することなく短時間に加圧緻密化処理することが可能となった。
【００６９】
また、本発明に係る天然系素材の加圧緻密化処理方法によれば、前記乾燥処理を温度８０〜１２０℃の大気中で行うので、前記天然系素材の真密度近くまで緻密化が可能となる上、残留した結合水が加圧時の変形の容易化に寄与し得る。
【００７０】
一方、本発明に係る天然系素材の加圧緻密化装置によれば、高圧容器の円筒部内面と、この円筒部内面に装着された弾性体からなる円筒状メンブランの外面とによって加圧空間が形成され、この加圧空間に加圧流体を導入する加圧流体導入孔が設けられると共に、前記円筒状メンブランの内側に、前記加圧流体による加圧圧縮力を伝達するため円柱状有孔弾性体が収納され、この円柱状有孔弾性体の有孔部に前記天然系素材を装填して、前記加圧空間に導入された流体圧力によって、前記天然系素材をその軸方向に垂直な方向から二次元的もしくは軸対称的に、前記円柱状有孔弾性体を介して加圧圧縮するよう構成したので、前記天然系素材の繊維組織に損傷を与えることなく加圧圧縮し得る構成が可能となった。
【００７１】
尚、上記の実施の形態では、木材・竹材の例を説明したが、天然系素材としては木材・竹材に限定されず、葦材等の草類やこれらを組み合わせた素材であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る天然系素材の緻密化処理方法の工程を示す工程図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る天然系素材の加圧緻密化装置の要部を示す模式的縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係り、図２の矢視Ｘ−Ｘを示す模式的断面図である。
【図８】従来技術に係る一実施例による木材の圧力処理用装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１〜５：天然系素材の緻密化処理方法の工程を示すステップ
１０：加圧緻密化装置，    １１：円筒部
１２ａ：リング状上蓋，  １２ｂ：上プラグ
１３ａ：リング状下蓋，  １３ｂ：下蓋
１４：加圧空間，  １４ａ：加圧流体導入孔
１５：円筒状メンブレン，  １５ａ：耳部
１６，１６ａ：円柱状木材（天然系素材）
１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ：四角柱状木材（天然系素材）
１６ｃ′，１６ｄ′：平面部分
１７：円柱状有孔弾性体，  １７ａ：有孔部
１８：緩衝材，    １９：型板，    ２０：プレスフレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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