(57)【要約】【課題】作業が簡単で大がかりな設備を必要とせず、木質材料の表面を均一性高く、強化できる表面強化方法を提供する。【解決手段】木質材料に、樹脂液を塗布して木質材料の表面部に樹脂を浸透させるにあたり、塗布する樹脂液の温度を、木質材料の温度以下の温度とすることにより、樹脂液を効果的に浸透させること、次いで浸透された該樹脂液を硬化させることを特徴とする木質材料の表面強化方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質材料の処理すべき表面に、該木質材料の温度以下の温度の反応硬化性を有する樹脂液を塗布して、樹脂液を浸透させ、次いで浸透された該樹脂液を硬化する工程からなることを特徴とする木質材料の強化方法。
【請求項２】
木質材料をあらかじめ加熱してから、該加熱温度以下の温度の反応硬化性を有する樹脂液を木質材料の処理すべき表面に塗布して、樹脂液を浸透させ、次いで浸透された該樹脂液を硬化する工程からなることを特徴とする木質材料の強化方法。
【請求項３】
反応硬化性を有する樹脂液が、常温硬化性樹脂、又は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の木質材料の強化方法。
【請求項４】
請求項３の反応硬化性を有する樹脂液が、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂及びこれらの樹脂の組み合わせからなる樹脂液であることを特徴とする木質材料の強化方法。
【請求項５】
請求項３の反応硬化性を有する樹脂液が、不揮発分が、６０％以上の高固形分タイプであることを特徴とする木質材料の強化方法。
【請求項６】
浸透された反応硬化性を有する樹脂液を硬化する工程で、加温することを特徴とする請求項１又は２に記載の木質材料の強化方法
【請求項７】
木質材料が、柱、板等の無垢材、集成材、突き板用単板、或いは／及び、ＭＤＦ、パーティクルボード等の木材チップを樹脂で固化した加工材、或いは／及び、突き板、合板、ＬＶＬ等の積層材であることを特徴とする木質材料の強化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、木質材料に化学処理を施して強度を向上させる為の木質材料の強化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】わが国においては、木質材料は建築その他に多用されている。木材は、再生産可能な資源であるうえに、加工性、風合い、美観等も良好であるために、建築材料としては好適である。しかしながら、我が国でも豊富に産生する生産性の良いスギやヒノキの様な針葉樹は、材が軟質であり、使用が限定される。これらの問題を解決するために、従来は、▲１▼ＷＰＣと称される樹脂を注入する方法や、▲２▼ポリエステル系樹脂等の塗料を基材表面に厚塗りし、厚さ０．１〜１ｍｍ程度の強靭な塗膜を形成する方法、或いは、▲３▼熱プレス、もしくは、熱圧ロールにより木材を圧縮強化する方法も提案されている。
【０００３】しかしながら、▲１▼のＷＰＣでは樹脂の注入は木質材料を減圧や加圧注入装置内に仕込み、減圧や加圧或いはその両方を行い、樹脂液を装置内で木質材料に注入するバッチシステムで行われるため、注入に時間がかかり、しかも注入後の木質材料はべたつくため取り扱いが面倒であるなどの問題点を有する。更に、注入は木質材料全体にされるため、木質材料が厚いと樹脂量が多くなり、コストアップとなるほか、注入樹脂のために加工がしずらく、重量が大となるため搬送が困難などの欠点を示す。又、木としての風合いもなくなり、プラスチック様になってしまう。
【０００４】▲２▼の塗料の厚塗りは、通常の塗装の１０倍以上の厚さに塗布するため、塗布むらが生じたり、乾燥・硬化に時間がかかるほか、塗膜硬化時の樹脂の収縮等の歪みによる基材面からの剥離ならびに基材の反りなどに注意しなければならないなどの問題点を有する。また、基材がスギやヒノキ等の軟質材では塗膜をより厚くしなければならないなどの問題も有する。更に、塗装の場合には、あらかじめ素地調整を行う場合が多いので、樹脂成分が木質材料の内部にまで浸透出来なくなっており、単に表層に付着しているに過ぎない。従って、表層のみが堅くなるので、丁度、柔らかいスポンジの上に堅いが薄いプラスチック板を固定した様な形となり、塗装された堅い塗膜の破壊強度を超える力が加わると、塗膜の割れが生じ、その部分に陥没などが生じたりする為、著しく美観を損ねてしまう。
【０００５】▲３▼の圧縮木材の場合には、物理的に圧縮されただけなので、そのままでは、空気中の湿気等の影響を受け、元のサイズ並びに元の強度に戻り、強度面での低下のみならず、寸法安定性に関しても問題があった。
【０００６】▲２▼の改良法としては、木質材料の表面の繊維組織内に無溶剤型熱硬化性樹脂液を高圧で噴射注入する方法（特開２００１−１７９７０８）もあるが、噴射圧力は、８０〜１００ｋＰａ必要であり、樹脂浸透深さは、せいぜい１〜２ｍｍ程度であり、且つ、樹脂噴射後、ヒートロールにより加熱加圧することにより表面強化された板材を得るが、加圧噴射装置やヒートロール等高価な設備が必要である。更に加圧噴射するので、処理速度は、１〜４ｍ／分程度と遅い。又、ロールプレスなどにより木質材料を高温高圧下で圧縮後、硬化性樹脂を塗布し、圧縮後の木質材料の復元力により該樹脂を浸透させ、次いで該樹脂を硬化することにより圧縮された形状を固定する方法（特開平９−１７４５１４）がある。更にこの硬化性樹脂に薬剤を混入したものを用いる方法（特開平９−２７７２０８）も有るが、これらの方法では、強度は木質材料を圧縮処理することにより得られるのであり、樹脂による処理は単に圧縮強化された状態の保持という目的のために使用するものであり、木質材料そのものの強度保持が目的ではない。更に、設備的にも▲３▼と同様に高価なロールプレス機械が必要である。
【０００７】木材圧縮による強化は、強度を大きくするために圧縮率をを上げると、木質材料の柔らかい部分が優先的に圧縮される。堅い部分は圧縮されにくく、そのままの厚さを保つため、うづくりの様になり、表面に凸凹が生じてしまい、平滑な表面が得られにくい。又、強度を上げるために圧縮率を上げると、木質材料自体が割れる場合があり、歩留まりが悪くなる。更に大きな欠点としては、平面状の板状の素材に対してしか有効でなく、立体構造物では適用出来ない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
木質材料は樹種、その基材により、部分的に性質が異なり、表面硬度や素材としての強度的にも非常にムラがあり、使いにくかった。我が国で豊富な原材料であるスギやヒノキは材質が柔らかく、強度的に弱く、単なる塗装のみでは十分な強度が得られず、押し傷を生じることが多く、そのままでは家具や建材など、特にテーブルの天板や床材として利用することが出来なかった。例えば下塗り塗料を木質材料の表面に塗布した後、中塗り塗料を塗布したものでは、上記のように柔らかい基材では塗装後も基材が強靭にならなかった。又、硬化後、塗膜自体のヤセが起こり、平滑な塗面が得られない場合が多かった。更に、導管の大きい木質材料では、下塗り塗料の１回の塗布では導管をシールする事が出来ず、中塗り塗料を塗装しても、木質材料中に含まれている空気と置換するために、時には泡が発生し、平滑な塗面が得られない場合が多かった。そのために、表面の硬度を上げることと平滑にするための工夫が種々なされてきたが、特に下地処理に付いては、実用的なコスト範囲内に於いて浸漬用の特殊な槽も必要としない木質材料の強化方法による解決が課題となっていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、木質材料の表面処理方法について種々研究した結果、木質材料の処理すべき表面に、該木質材料の温度以下の温度の反応硬化性樹脂液（以下樹脂液という）を塗布することにより、高い温度で塗布された場合に生じやすい導管等から発生する泡が抑えられる。又、予め木質材料が樹脂液の温度より高い温度設定されているので、樹脂液の温度が木質材料の温度により昇温するため、樹脂液の粘度が低下し、その結果、浸透し易くなり、導管などから発生する泡はより抑えられ、均一な塗布が可能となる。一方、樹脂液の浸透性は、吸い込みやすい部分、即ち柔らかい部分に樹脂液がより多く浸透されるので、柔らかい部分、即ち、強度的に弱い部分が優先的に補強され、表面強度がより均一化された木質材料が得られることを見出して本発明を完成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明において、木質材料としては特に限定されない。例えば、針葉樹、広葉樹の柱や板等の無垢材、集成材、突き板用単板、或いは／及び、ＭＤＦ、パーティクルボード等の木材チップを樹脂で固化した加工材、或いは／及び、突き板、合板、ＬＶＬ等の積層材等いずれのものであってもよい。或いは／及び、合板、ＬＶＬ等の積層材を基材とし、その表面に樹脂処理すべき単板を積層したものなどを用いることもできる。
【００１１】本発明で使用する浸透用の樹脂としては、浸透に適する液状であるものが好ましく、低粘度で流動性のあるものが好ましい。樹脂液の粘度は、樹脂の種類および塗布温度によって異なるが、２，０００ｍＰａ・ｓ以下が好ましい。
【００１２】本発明の浸透させる為の樹脂液処理は、木質材料表面に塗布浸透後硬化させてもよく、また適当な段階まで予備反応させたプレポリマーを用いてもよい。
【００１３】流動性を得るために必要ならば樹脂液を、樹脂処理される木質材料の温度以下の温度に予め加熱してもよい。この場合には、木質材料を樹脂液の温度以上の温度に予じめ加熱（以下、予熱と称する）しておくことが必要である。
【００１４】これらの樹脂液には、必要に応じ、硬化剤、硬化促進剤、架橋剤、着色剤、浸透助剤、防腐剤、防黴剤、香料、難燃剤等を配合することもできる。
【００１５】樹脂液の成分としては、無溶剤型又はハイソリッド型の常温又は加熱硬化性樹脂が好ましく、更に、硬化時の収縮が小さい樹脂が好ましい。樹脂液としては、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂及びこれらの樹脂の組み合わせからなる樹脂液等が挙げられるが、エポキシ系樹脂が低収縮性ならびに密着性に優れるので特に好ましい。
【００１６】樹脂液として、エマルションやＮＡＤ（非水分散系）の様なポリマー微粒子を媒体に分散された系は、木質材料に浸透する際、強度を上げてくれるはずのポリマー粒予が木質材料の表面で濾過され、木質材料の表面に残り、奥深くまでは浸透できず、その結果、強度発現の期待は少ないし、又、樹脂濃度を高濃度にすることが困難なため、望ましくない。
【００１７】本発明における樹脂液浸透によって木質材料表面に効率よく注入される理由については下記のメカニズムによるものと思われる。木質材料の温度以下の温度の樹脂液を木質材料に塗布すると、木質材料の導管部分の空気が樹脂液により冷却されるため減圧状態となる。その結果、導管内部の空気は体積が減少するため、減圧状態となり、従って、外へ出て泡になるよりも、逆に樹脂液を吸引して木質材料の内部に樹脂液を導入することが出来る。この際、木質材料の温度をあらかじめ予熱しておくと、木質材料と樹脂液の温度差を大きく出来るので、その効果は更に大となり、効率的である。
【００１８】この場合には、予熱によりの導管内部の空気が膨張し、その結果、導管内部の空気は押し出される。次いで予熱による木質材料の表面温度よりも低い樹脂液が塗布されることにより、表面温度が低下し、導管内部の空気が収縮する。同時に予熱された木質材料により樹脂液の温度が上がり、樹脂液の粘度が低下し、浸透しやすくなる。これらの相乗効果により、樹脂液は木質材料に吸引され浸透する。木質材料に樹脂液が塗布された後、次の硬化工程に入るが、この間に浸透した樹脂液は硬化反応が進み、樹脂液は増粘し、流動性が減少する。次いで硬化乾燥炉、或いは加熱乾燥炉に導入されて、硬化は完了する。なお、硬化時間を十分にとれる場合には、特に加熱乾燥炉に入れる必要はなく常温で硬化させても良い。加熱炉では、基本的には表面から加熱されてゆくので、表面がまず硬化する。その結果、表面がまず硬化されるので、加熱炉の温度が高すぎない限り、導管内部に存在していた空気は、出口を封じられ、泡吹きはかなり抑制される。従って、硬化させるための炉の温度は、はじめの予熱温度より高くても問題にならない場合が多い。
【００１９】本発明の方法により、木質材料の吸い込み易さの度合いや温度条件、樹脂液の粘度などに大きく依存するが、木質材料の表面部分に０．１〜２ｍｍ程度の深さに樹脂液を浸透させ、樹脂層を形成することができ、ＷＰＣと同程度又はそれ以上の表面強度を得ることができる。
【００２０】この方法は、加圧、減圧等による強制的な浸透と異なり、木質材料そのものの吸い込み特性を利用しているので、柔らかい部分は吸い込みやすく、従って、浸透される樹脂量は多くなり、その結果、その部分は堅くなる。一方、堅い部分は吸い込みにくく、浸透される樹脂量は少ない。その結果、柔らかい部分は、より堅く、一方、はじめから堅い部分は、不必要に堅くなることがない。つまり、木質材料の強度並びに表面硬度が均一化するというメリットも生ずる。更に、木質材料そのものの吸い込み特性によるので、木質材料表面ほど、樹脂の含有量が高く、従って表面の方が内部よりも高い高度が得られやすい。その結果、表面は堅く、一方、内部は柔らかさを保持出来るので、木質材料の素材としての材質感を損なうことが少ない。
【００２１】一般の塗料でも、若干の樹脂分は木質材料に浸透させることは可能であるが、塗装の場合には、浸透すると、目ヤセが生じ、商品価値が落ちるので、極力浸透しないように、あらかじめ目止めなどの操作を行う場合が多く、内部まで堅くすることは困難である。
【００２２】更に、一般の塗料では、表面状態、即ち見栄えを重視するため、表面の平滑性に充填を置くため、塗料の粘度は低く、更に、不揮発分も少ない場合が多い。たとえ、不揮発分が高いものであっても、作業性重視の為、硬化速度の速いものを好む故に、樹脂分が木質材料に浸透できる時間も短かく、樹脂液の浸透深さ及び浸透量も十分では無く、従って強度の向上も期待できない。
【００２３】
【発明の詳細】本発明は、処理すべき木材等の木質材料に、該木質材料の温度以下の温度の反応硬化性の樹脂液を塗布し、木質材料に浸透させ、その後、塗布浸透された樹脂液を硬化させる事を特徴とするが、木質材料と樹脂液との温度差が大きい方が有利である。この際、木質材料を加温しない場合には、樹脂液を冷却することが必要となるが、冷却操作はそれ自身コストが掛かる上に樹脂液粘度が増粘し浸透性が落ちる為、効果的ではない。従って、処理すべき木質材料を予熱することが好ましい。この予熱処理は熱風や遠赤外線等による乾燥炉等の加熱炉内で行っても良く、スチーム、マイクロ波、熱盤加熱等によってもよい。予熱温度は特には限定されないが、木質材料を変形したりしない限り高温度で処理するのが望ましい。一般的には、３０〜１２０℃であり、この内、特に望ましい温度は、４５〜８０℃である。この温度では木質材料の変形や劣化が少なく、かつ、次の工程で用いられる樹脂液の粘度の低下並びに樹脂液の硬化反応の促進に有効であり、更に、導管内の水分や空気の除去にも効果が期待できるので有効である。
【００２４】予熱処理した木質材料に、予熱された温度と同じかそれ以下の温度に制御された樹脂液を塗布し、浸透させる。木質材料は予め加温されているが、より低温度の該樹脂液が接することにより表面温度が低下し、その結果、導管内部の空気層が冷却され、空気層の体積が減少する。この減少により減圧となり、木質材料の毛細管現象にプラスして、この吸引力により樹脂液は木質材料に浸透してゆく。更に、表面温度が樹脂液温度よりも高いために、樹脂液自体の温度が上昇し、その結果、樹脂液の粘度が低下し、浸透性を増すので、浸透には有効な力として相乗的に働く。
【００２５】樹脂液の塗布方法としては、スプレー、ロールコーター、フローコーター、ナイフコーター、刷毛、モップ、へら、しごき、ワイピング等、何れの方法も適用可能である。この内、ロールコーター、刷毛、モップ、へら、しごき、ワイピング等の塗布方法は、木質材料表面での吸い込みムラを減少出来るので好適である。
【００２６】浸透した樹脂液の硬化は、木質材料を１枚または多段に積み重ねて上下から加圧、圧締もしくは圧縮して加熱炉内等で加熱硬化させても良いし、又、ライン上で乾燥炉に入れて１枚ずつ硬化させても良い。また更に、加熱ロール間を通して加熱硬化させることもできる。硬化時間を十分にとれる場合には、室温で硬化しても良い。しかしながら、室温では、硬化時間を長くとれるので、浸透させる時間は長くできるが、作業時間も長くなるし、更に、加温による樹脂液の粘度の低下、ひいては、浸透性の向上という効果が期待できないので、必ずしも好ましくはない。
【００２７】浸透に使用される反応硬化性を有する樹脂液としては、熱硬化性樹脂、ラジカル等の開始剤による付加重合タイプの樹脂、硬化剤との反応による常温硬化型樹脂など、木質材料に浸透されて硬度、耐摩耗性等の強化効果を発揮するものであれば使用できる。例えば、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂及びこれらの樹脂の組み合わせからなる樹脂液を挙げることができる。
【００２８】これらの樹脂は、無溶剤型樹脂液として使用してもよく、また、浸透を容易にするためや、付加的な性能を付与させるため、例えば抗菌組成物等の混入のために、若干の溶剤を含ませることもできる。
【００２９】樹脂液の不揮発分としては６０％以上が望ましく、更に望ましくは、８０％以上が好ましい。不揮発分が少ないと、硬度や強度が出ないばかりか、硬化後の溶剤等の蒸発により、硬化樹脂の体積収縮が生じ、木質材料の変形にも繋がるからである。
【００３０】樹脂液の成分としては、硬化時に木質材料の成分と接着性が良く、木質材料中のセルロース等の繊維素等とのＦＲＰ（繊維強化プラスチック）化が図れるものが望ましく、更に、硬化時の体積収縮率の低い樹脂が更に望ましい。これらの条件からは、上記樹脂の中では、エポキシ系樹脂が特に望ましい。
【００３１】
【実施例】以下に本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３２】実施例１
木質材料として針葉樹の内で中程度の軟質材であるスギの乾燥板材（幅４５５×長さ９１０×厚さ２４ｍｍ）を試片として用い、予め木質材料を６０℃の雰囲気下におき、木質材料の表面温度が５５〜６０℃になるまで加熱した。ついで、室温（２５℃）のエポキシ樹脂液（三精塗料工業株式会社製　低粘度エポキシ樹脂−脂肪族アミン系硬化剤の組み合わせによる木材強化剤　「ＤＳ−４５」、配合比率は主剤：硬化剤＝２：１、硬化時間＝１２０分（５０ｇポット　２０℃）、混合粘度＝１１０ｍＰａ・ｓ（２０℃）、硬化物の硬度（ショワーＤ）＝８３）を、ロールコーター塗装により塗布量が１５ｇ／尺２となるように塗布した。セッティング時間１０分経過中に樹脂液は木質材料の温度により加熱され、低粘度化し、同時に、樹脂液により表面温度が４５℃まで下がったため、導管内部の空気が体積収縮し、大部分の樹脂が吸引された。更に、予熱による木質材料の温度により、樹脂液は一部反応硬化した。次いで、５５℃の乾燥炉に入れ、４０分間加熱した。導管表面の樹脂は表面が高温に曝されるため、表面から硬化したので、導管からの発泡は殆ど認められなかった。この間にハンドリング可能な程度まで硬化した。樹脂液の浸透量は、厚さ０．５ｍｍで、従来のＷＰＣと同等の表面強度を有していた。
【００３３】実施例２
実施例１で、木質材料の予熱を行わず、室温のまま（２５℃）で、同じ温度の樹脂液（実施例１と同じ樹脂液）でロールコーターにより塗布量が１０ｇ／尺２塗布した。セッティング時間３０分間放置後、５０℃の乾燥炉に入れ、４５分間加熱した。導管部分の空気の出入りは殆ど無く、泡吹きも少なかった。樹脂液の浸透量は、厚さ０．３ｍｍであった。
【００３４】比較例１
木質材料は室温（２５℃）のままで、一方、実施例１と同じ樹脂液を温度を５０℃として刷毛により塗布量を１０ｇ／尺２で塗布した。塗布直後は樹脂液自体が低粘度化しているので吸い込みは良く、浸透したが室温で放置中に導管から数多くの泡が出、このまま硬化した。一方、浸透厚さは０．２ｍｍであり、表面の見栄えも悪く、強度的にも不満足であった。
【００３５】比較例２
樹脂液として、実施例１で用いたＤＳ−４５をエポキシシンナーで樹脂固形分として５０％に希釈して用いた以外は実施例と同じ方法で行った。泡吹きは無く、且つ、樹脂液が低粘度であるため、浸透性は大きく、厚さ２ｍｍまで浸透していることが認められたが、２ヶ月経過後、塗布された側が収縮し、凹状に変形した。更に、強度的にも不満足であった。
【００３６】本実施例や比較例で得られた表面処理木質材料と処理前の木質材料の表面硬度の比較を表１に示す。それぞれについての処理前後の硬度を示す。ここで、硬度評価はバーコル硬度計（針式）による。〔値の大きい方が硬い〕
【００３７】
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【００３８】
【発明の効果】本発明の表面強化方法は、従来の各種樹脂浸透強化方法に比べて以下の点で優れている。
▲１▼連続生産が可能である。処理すべき木質材料を連続して流せるので、長大材等にも加工が可能である。
▲２▼装置が小型、簡便、且つ安価である。基本的には、塗装機及び硬化乾燥炉があればよく、更に望ましくは予熱炉としての加温炉があれば良いので、極めて安価かつ簡単な装置で済む。なお、予熱炉と硬化乾燥炉とは共に木質材料を加熱加温出来れば良いので、両者を同じ設備で共用できることもメリットとして上げられる。
▲３▼安全性が高い。破裂の危険性がある圧力容器を使用する必要がない。
▲４▼表面からの一定深度までの樹脂浸透が可能である。表面から０．１〜２ｍｍ程度の深さであれば、強化用樹脂液を浸透できる。強化用樹脂液の他、着色剤等の浸透も容易である。一般に樹脂液の浸透は深さ０．２ｍｍ程度以上が確保されれば、ほぼムラなく均一に見えるので、充分な注入量が確保できる。従って、不必要な大量の樹脂は不要であり、コスト的に優れる。
▲５▼木質材料の表面だけの強化が可能であるので、ＷＰＣの様なプラスチック感は生じない。更に、特に柔らかい部分は、樹脂液の吸い込み性が高いため、より大くの樹脂液を浸透するため、堅さがより増し、一方、既に堅い部分は一般に吸い込み性が低いため、樹脂液をあまり吸い込まず、従って過多さの増し方は少ないため、堅さや強度が均一化される。
▲６▼化粧単板等の化粧材を基材に貼着した状態での強化も可能である。
▲７▼仕上がり感が良好である。従来の「塗料の厚塗り品」と比べ、樹脂が木質材料内に浸透されているため不自然さがなく、また、「樹脂液塗布による熱圧処理品」に比べて樹脂液が十分な深さに注入されているため、樹脂ムラもない。以上述べたように、本発明によれば従来のＷＰＣ等では実施できない樹脂加工が可能である。本発明で使用する樹脂は必ずしも、高硬度、高強度の得られる樹脂である必要はなく、木質材料の加工、例えば切削等を容易にする樹脂等でもよく、塗布も２段に分けて行うなど、任意の形態で実施してよい。
▲８▼高価且つ複雑な設備が不要であり、平面状のもの以外に、どの様な形状の製品にも適用が可能である。