研究論文

木材の改質処理技術の開発
西 沢 美 代 子 ＊ 1、 福 田 聡 史 ＊ 1、 太 田 幸 伸 ＊ 2、 稲 村 元 則 ＊ 1

Development of Wood Reforming Processing Technology
Miyoko NISHIZAWA * 1 , Satoshi FUKUTA * 1 , Yukinobu OTA * 2and Motonori INAMURA * 1
Industrial Technology Division, AITEC * 1 * 2
木材への機能付与のため、樹種や部位を限定することなく均質な薬剤処理が可能となる技術の開発を目指し、難注入性の木材であるスギの薬剤浸透性を向上させるための改質処理条件について検討した。スギ
供 試 木 材 に 十 分 な 量 の 改 質 処 理 剤 を 含 浸 す る た め の 減 圧 お よ び 加 圧 条 件 を 調 べ 、1.2MPa、24h 加 圧 保 持 する こ と に よ り 、3h 加 圧 保 持 の 場 合 と 比 べ て 注 入 量 が 約 2 倍 増 加 し 、長 時 間 の 加 圧 保 持 が 必 要 で あ る と 分 かった。また、最適な減圧加圧条件で改質処理した供試木材は、未改質処理材と比べて浸潤長が長く、浸透性の向上が確認された。

１．はじめに程と乾燥工程からなる。改質処理剤は、断りがない限り、CO2 排出量増加対策および石油資源枯渇対策のため、カチオン化剤 SY-GTA80（阪本薬品工業㈱製）2wt%と持続的利用可能な木材の普及が期待されており、難燃性、炭酸ナトリウム水溶液 0.2wt%の混合溶液とした。改質耐朽性等の機能を付与する薬剤処理が近年改めて注目さ処理後の薬剤処理は、視覚的に浸透性の確認を行うため、れている。しかし、心材や伐採され乾燥した木材は、水あらかじめ酸性染料と酢酸コバルトを混合し、キレートため、木材内部へ均化させた酸性コバルト媒染染料黒 2wt%（以下、コバル

一に薬剤等の水溶液を浸透させることは容易ではない。

ト染料という）を用いた。改質処理剤およびコバルト染

そのため、二次加工が限定的な薄板材の薬剤処理が主と料の含浸は、真空加圧含浸装置（(株)ヤスジマ製）にてして行われているが、薬剤浸透が可能な樹種や材料の厚行い、含浸前後の供試木材の質量差から、供試木材 1m3さ、部位等が限定されるといった問題があり、製品化を当たりの薬剤注入量を算出した。

分通導を担う壁孔が閉塞している

1)困難にしている。そこで本研究では、難注入性の厚板材

木材の改質処理においても心材、辺材の部位を限定することなく中心部まで薬剤浸透可能な改質処理条件について検討を行った。

改質処理剤の乾燥

目的とする

含浸

60℃

薬剤処理

２．実験方法図１

2.1 供試木材

木材改質処理工程

改質処理効果は、改質処理剤を浸透させ、乾燥を兼ね供試木材は、針葉樹植林木のスギ材 100mm（幅）×て温度をかけることにより、閉塞している壁孔周囲の沈100mm（厚さ）×950mm（長さ）の気乾材とし、心材着物が可溶化し、水分通導が容易になると考えられる。

および辺材の部位の違いは区別せず、共に含む材料を用

そのため浸透性向上を図るには、第一に改質処理剤が中いた。長尺材料と想定するため、供試木材の木口の一端心部まで拡散浸透し、壁孔に作用することが必要不可欠

をエポキシ樹脂にてシールし、シールした木口面をシーである。そこで、事前に以下の 2 点について検討した。

ル側、未シールの木口面を木口側とした。また、供試木

2.2.1 改質処理剤の減圧加圧含浸条件の検討

材は、木材水分計 HM-520（(株)ケツト科学研究所製）

木材の薬剤処理は、一般的に減圧加圧含浸法で行われ、により水分管理し、含水率 10～15%の範囲とした。

木材内の空気を排気するための減圧後、加圧する 2)こと

2.2 木材改質処理工程で行う。減圧および加圧の圧力と保持時間は、樹種、材木材の改質処理工程を図１に示す。改質処理は目的とする薬剤処理の前処理として行い、改質処理剤の含浸工＊

1 工業技術部

応用技術室（現工業技術部

環境材料室）の形状・寸法、目的含浸量などに応じて適宜選定 3)する必要があるため、心材、辺材を含む難注入性のスギ中心＊

2 工業技術部

応用技術室（現産業労働部新産業課）

部まで改質処理剤を拡散浸透させるために有効な減圧加質処理剤による改質処理を行った。表３に検討に用いた圧含浸条件について、それぞれ表１および表２に示すと改質処理剤濃度を示す。含浸条件は、減圧 35mmHg・おり含浸を行い、改質処理剤の薬剤注入量を求めた。ま1h 保持後、加圧 1.2MPa・24h 保持とした。
表３

た、表２の加圧条件のプログラムを図２に示す。
表１

減圧条件の検討

減圧条件

改質処理剤濃度の検討

試料
加圧条件

配合割合改質圧力(mmHg)

保持時間
(h)

圧力(MPa)保持時間(h)（カチオン性イオン改質剤 2wt% +試料

処理剤１炭酸ナトリウム水溶液 0.2wt%）混合溶液

改質（カチオン性イオン改質剤 4wt% +減圧 1h3511.23

処理剤２炭酸ナトリウム水溶液 0.4wt%）混合溶液

減圧 5h35

51.23改質（カチオン性イオン改質剤 10wt% +表２

加圧条件の検討

処理剤３炭酸ナトリウム水溶液 1wt%）混合溶液

減圧条件
試料

①

圧力(mmHg)

保持時間
(h)

35

2.3 改質処理による薬剤浸透性の評価

加圧条件

加圧方法、圧力1.2MPa まで一気に加圧1し、3h 保持

保持時間
合計(h)

335する操作を 3 段階に130.4MPa ずつ加圧上昇さ④35せ、1h 保持後、大気135圧に戻す操作を 3 段階に

1

木口側からシール側に向かって断面 A～断面 E として、浸透性の評価に用いた。各断面の断面積を 100%とした
とき、染料が浸透した部分の面積割合をそれぞれ算出し、それぞれの断面部分を撮影し、画像解析ソフトで 2 値化処理することにより算出した。

分け、1.2MPa まで③に示すように 235mm 間隔で繊維方向に垂直に 4 等分し、薬剤浸透性を評価した。染料が浸透した部分の面積は、0.4MPa 加圧、1h 保持②

改質処理後、コバルト染料を含浸した供試木材を図３

木口側

3

シール側

235mm

分け、1.2MPa まで

断面A

断面B

1.2MPa まで一気に加圧

図３

供試木材の浸透性評価試験片し、24h 保持

24

断面C

断面D

断面E

2.4 改質処理による薬剤の均質状態の評価

圧力（MPa）

圧力（MPa）

改質処理による薬剤の均質状態を確認するため、コバ
試料①1.2

試料②1.2４に示すように断面の側面表層の幅 1/2 を基準点として、その基準点から反対側の側面に向かって 25mm ごとに測色測定を行った。測色測定は、簡易型分光色差計

1.2

試料③圧力（MPa）

3h時間（h）
圧力（MPa）

ルト染料を含浸した供試木材断面内の色差を求めた。図NF333（日本電色工業（株）製）を用いた。木材は均質試料④がないよう処理しているため、色差は木目を考慮し、印

1.2

1h 1h 1h時間（ h）

図２1h 1h 1h
時間（h）

な材料ではなく、また、木目があり木質感を損なうこと象としては同色とされる色差 4)の 2 倍で、別の色と判断される色差 4)の ΔE*ab＞13 を超えない、ΔE*ab＜12 を目標値とした。
基準点24h時間（h）

各加圧条件のプログラム

2.2.2 改質処理剤濃度の検討
木材の心材部分は、心材化に伴って壁孔が閉塞し、さ25mm

測定点

75mm

らに心材化物質で被覆され、完全に閉塞状態となってい100mm

る 1)。そのため、心材は辺材と比べて水分通導させることがより困難と考えられる。そのため、心材に改質処理剤を浸透させ強力に壁孔に作用させるため、高濃度の改50mm（供試木材断面）図４

測色測定の測定位置

３．実験結果および考察
3.1 難注入材の減圧加圧含浸条件

口側から最も遠い断面 E においても、未処理材と比較して染料の浸透範囲が大きい結果となった。また、染料含表１に示す減圧条件および表２に示す加圧条件にて含浸後の未処理材および試料④の表層と繊維方向に 1/2 に浸を行った際の改質処理剤の薬剤注入量を図５および切断したときの断面（以下、1/2 切断面とする）を図８

図６に示す。図５より、両試料はほぼ同量の注入量であに示す。これより、試料④は未処理材と比較して浸潤長り、減圧保持時間による注入量に及ぼす影響はあまり差が長く、一部でシール側までの染料の浸透が見られた。

がなかった。そのため、減圧は 1h 保持が適当と考えら

よって、木材中へ改質処理剤が多量に注入され、広範囲れ、以降の含浸時の減圧条件を 35mmHg・1h 保持に統の壁孔に作用することにより、目的とする薬剤浸透性の一した。

向上が確認された。

次に、図６より、加圧方法が異なる試料①～③の注入
100

響しなかった。しかし、24h 加圧保持した試料④は、試80

料①～③と比較して約 2 倍の注入量であり、長時間の加圧保持は注入量に大きく影響することが分かった。そのため加圧条件は、加圧方法によらず 24h 以上の保持が適当と考えられ、難注入材であるスギに適する減圧加圧含浸条件を減圧 35mmHg・1h 保持後、一気に加圧し、1.2MPa・24h 保持することとした。

40200

断面 A

断面 B

断面 C

断面 D

断面 E

断面 A～E の染料が浸透した部分の面積割合
シール 側薬剤注入量(kg/m3)

未処理材
試料④60

図７800

供試木材

600

400

20050mm
減圧1h

減圧5h
試料

減圧保持時間の長短による薬剤注入量

50mm

切断
切断面を1/2 切断面とする

図８800

木口側

0

図５

面積割合(％)

量はほぼ同量で、加圧方法の違いは注入量にほとんど影表層

1/2 切断面

未処理材

表層

1/2 切断面試料④

未処理材および試料④における薬剤注入量(kg/m3)

染料の浸透状態
3.3 薬剤処理の均質状態の確認

600

改質処理により染料の浸透性が良好であった試料④について、均質に染料浸透ができた範囲とその均質状態400を確認した。図７より、断面 B よりシール側では染料が未浸透の部分が存在するため、試料④の最も木口側の2001/4 供試木材（断面 A～B 間の供試木材）を用いて確認
0

図６①②③④を行った。図９に示すように木口側（断面 A）から 50mm

試料間隔で切断し、断面位置 50～200 として、各断面につい加圧条件の違いによる薬剤注入量て 2.3 および 2.4 節と同様に染料浸透の面積割合および3.2 改質処理による薬剤浸透性の確認

色差 ΔE*ab を求めた。その面積割合および色差を図１０、未改質処理の供試木材（以下、未処理材とする）およ

図１１に示す。図１０より、断面位置 100～150 つまりび試料④をコバルト染料にて処理したときの断面 A～E

木口側から 100～150mm まで、面積割合にしてほぼの染料浸透部分の面積割合を図７に示す。両試料とも供100％の染料浸透が認められた。また、図１１の色差に試木材全体を処理するには至らなかったが、試料④は、おいても、断面位置 150 までは各測定点において ΔE*ab

供試木材の木口側から約 705mm 離れた位置にあたる断＜12 であった。よって、木口側より 150mm まで心材、面 D まで断面の 50％以上の範囲に染料浸透があり、木辺材の部位を問わず、均質に薬剤処理できたことが確認された。断面位置 200 および断面 B の ΔE*ab＞12 につスギ心材に含まれるフェノール類等の抽出成分が溶け出いては、目視検査により心材と見られる。このように心したものと考えられ、濃度を高くすることにより可溶化材では木口側から浸透した薬剤が 150～200mm 程度でが促進されていると推測される。そのため、薬剤浸透が滞っている部分も一部あることから、心材部分の浸透性困難な心材においても浸透性向上が期待できると考えらを向上させるためには、より強力な改質処理剤を用い、れる。
800

心材における改質処理剤の浸透を促進させることが必要
木口から

50mm

100mm

150mm

薬剤注入量(kg/m3)と考えられる。
200mm

木口側

断面A

断面位置
50

図９

断面位置
100

断面位置
150

断面位置
200

面積割合(％)

染料600

400

200

断面Ｂ

木口側 1/4 供試木材の各断面0改質処理剤 1 改質処理剤 2 改質処理剤 3試料100

図１２各改質処理剤濃度による薬剤注入量8060４．結び40

難注入性の木材であるスギの薬剤浸透性を向上させる20ための改質処理条件について検討した。スギ供試木材に0十分な量の改質処理剤を含浸するための減圧および加圧
断面A 断面位置 断面位置 断面位置 断面位置 断面B50100150200

図１０

条件を調べ、加圧力 1.2MPa、24h 加圧保持することに試料④の木口側 1/4 供試木材のより、3h 加圧保持の場合と比べて注入量が約 2 倍増加し、染料浸透部分の面積割合長時間の加圧保持が効果的で、最適な処理条件の設定が図られた。また、最適な減圧加圧条件で改質処理した供20

断面A
断面位置50
断面位置10015

色差ΔE*ab

改質処理剤

試木材は、未改質処理材と比べて浸潤長が長く、浸透性の向上が確認された。

断面位置15012

断面位置20010付記

断面B本研究は、平成 22 年度 JST 研究成果最適展開支援事
50業探索タイプで実施した成果の一部である。
25

図１１5075
側面表層部（基準点）からの距離（mm）

100

試料④側面表層部と断面内各測定点との色差

文献1)

表３に示す改質処理剤を用いて改質処理したときの2)

木材活用事典編集委員会：木材活用事典，
P451(1994)，株式会社産業調査会

注入量と、改質処理後、染料にて処理したときの注入量を図１２に示す。改質処理剤濃度が高濃度になるのに伴木材活用事典編集委員会：木材活用事典，P31(1994)，
株式会社産業調査会

3.4 改質処理剤の濃度3)

今村博之、安江保民、岡本一、横田徳郎、後藤輝男、い、改質処理剤自体の注入量が増加し、染料についても善本知孝：木材利用の化学，P308(1986)，共立出版

最も高濃度な改質処理剤 3 においての注入量が最も多か株式会社った。改質処理剤に比べて染料の注入量が少ないことについては、溶液中の染料の分散状況や粘度等の問題と考えられ、今後改善の余地がある。改質処理剤 1～3 は、同一の染料を使用しており、染料処理は同じ傾向を示すことが考えられる。無色透明の改質処理剤は、含浸後には赤茶色に着色し、濃度が高くなるのに伴い色が濃くなる傾向があった。この着色の原因は、改質処理によって4)

日本色彩学会：新編色彩科学ハンドブック
P288(1998)，財団法人東京大学出版会

第２版，