JP2007530307A - 強度が増強された軽量リグノセルロース複合厚板材料類及びそれらの製造方法 - Google Patents

強度が増強された軽量リグノセルロース複合厚板材料類及びそれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

好ましい機械的物性を維持しつつ低減した密度を有する配向性木材薄片厚板等の軽量リグノセルロース厚板材料類及びそれらの製造方法。
【選択図】 図2

Description

発明の詳細な説明
発明の分野
本発明は、低減した密度と曲げ強さ等が持続する機械的物性を有する配向性木材薄片厚板等の軽量リグノセルロース複合厚板材料類及びそれらの製造方法に関する。
発明の背景
配向性木材薄片厚板[オリエンテッド ストランド ボード (“OSB”)]は商業的に入手可能である。配向性木材薄片厚板材料は一般に加熱圧縮下で樹脂により結合された木材“フレーク(flakes)”または“薄片(strands)”の多層で形成されて一体状の厚板構造体を与える。これらのフレークは樹皮を剥いだ原木の長さに平行に向けたナイフの刃で原木を薄片に切り出して作られる。この切り出されたフレークを、薄片幅よりも大きい、木目に対して平行に配向した長さを有する細長い薄片へ砕かれる。
配向性木材薄片厚板の一つの普通の作製において、一般に該フレークを最初に乾燥して水分を除き、次に配合機中で結合剤及び糊付剤の薄層で被覆する。この被覆フレークを次にコンベヤーベルト上に拡げ、該コンベヤーベルトと一般に一致して配向したフレークを有する表面プライまたは層を与え、それから完成した厚板の1以上の内部プライを形成すことになる1以上のプライをそれらが該コンベヤーベルトに対して一般に垂直に配向するように堆積する。次に該コンベヤーベルトと一般に一致して配列したフレークを有する別の表面プライを、該コンベヤーベルトと一般に垂直に配向したフレークを有する該介在する1以上のプライの上に堆積する。得られた構造体は、各表面プライ及び隣接する内部プライ等において隣接するプライに対して一般に垂直に配向したフレークを有する複数の層を含む。配向性“薄片”または“フレーク”のこれらの複数の層は最後に熱と圧力に晒され、該薄片と結合剤が互いに結合してプレス厚板構造体を形成する。例えば、米国特許B1第6,479,127号に示されているようなこの基本的な製造体系の別の変形類も知られている。得られた製品は次に大きさに合わせて切断されて出荷される。典型的には該樹脂及び糊付剤は該配向性木材薄片厚板の10重量％未満を含有する。
リグノセルロース複合材料で達成される製造制御は用いられる原料の質に強く影響される。合板製品は、典型的には剥ぎ取られた単板を用いてより少ない木材圧縮で工学強度の設計値を達成するように積層構造の複合材料を作製する。一般に、合板の木材圧縮率は普通1.05乃至1.15の範囲にあり、このことは合板の密度は原料木材材料より普通5％乃至15％高いことを意味する。例えば、サザンパイン(southern pine)でできた合板の密度は35乃至38 ポンドキュービックフィート[pounds cubic feet(pcf)]前後になる。
対照的に、配向性木材薄片厚板は 主としてはるかに短い木材薄片またはフレーク、高分子結合剤及び撥水剤とからなる。技術的には、強度要求を満たすために配向性木材薄片厚板に合板に匹敵する強度性能を持たせるためにははるかに高い圧縮率が必要である。配向性木材薄片厚板のための好ましい圧縮比率は1.15乃至1,30の範囲にある。商業用サザンパイン配向性木材薄片厚板を作製するための現状の密度範囲は、その用途のための機械的及び構造上の要求を満たすために一般に42乃至45 pcf前後である。
サザンパインはまたしばしば サザンイエローパイン(Southern Yellow Pine)と呼ばれ、典型的にはダイオウショウ(Pinus palustris Mill.)、キマツ(Pinus echinata Mill)、テーダマツ(Pinus Taeda L.)及びスラッシュパイン(Pinus elliottii Engelm.)を含むマツ群と考えられる。
建築及び建設産業、特に住宅建設において伝統的な合板に代えてサザンパインでできた配向性木材薄片厚板を用いることが増加している。商業用の配向性木材薄片厚板製品は他の用途の中で、陸屋根、外壁、床下地材及びコンクリート型枠に広く用いられている。商業用配向性木材薄片厚板のいくつかは寸法安定性及び機械的強度性能の意味において合板より性能が優れている。配向性木材薄片厚板の曲げ強さは、例えば反りの少ない商品合板より10乃至20％を超えて高く、また厚み膨潤は合板に匹敵している。曲げ強さは建築建造に用いられる厚板類の工学設計値を決定する場合最も重要な工学的パラメーターの一つである。
配向性木材薄片厚板の諸特性を合板と比較すると、用途の意味での配向性木材薄片厚板の欠点の一つは現行の商業用配向性木材薄片厚板の重量がしばしば合板の同様な寸法のパネルの重量よりも約10乃至20％重いことである。合板に対してこのより高い配向性木材薄片厚板の重量は、建築業者及び他のこれらの製品の使用者の間で、特にこの製品が例えば屋根で、そして他の建設現場等において手で運んで取り扱われなければならない場合、問題である。その結果、不可欠の強度性能を維持する更に軽量の配向性木材薄片厚板が建築業者及び厚板材料で以って建設に携わる人々等にとって非常に望ましいものとなろう。
しかし、一般に複合リグノセルロース材料の密度を減少させると、その機械的物性もまた同時に減少する傾向がある。従って、同時に起こる有用な配向性木材薄片厚板の機械的特性の損失を招くことなく与えられたパネルの大きさに対して配向性木材薄片厚板の密度または重量を減少させる技法が必要とされている。
複合厚板を張る場合の前記密度及び強度の問題に取り組む努力が過去に成されている。例えば、岩田らの米国特許第5,554,429号は発泡性樹脂と非発泡性樹脂の4:1及び1:4の範囲の割合での混合物である発泡性樹脂を木材厚板配合に用いる方法を記載している。製造された配向性木材薄片厚板は低密度且つ高強度で特別の含水量耐性を有するものであると記載されている。しかし、普通用いられる圧蜜樹脂の変わりに特製の発泡性結合剤を用いることは製造費用、工程及び製品品質管理の問題及び厚板製造工程の複雑化を増すこととなる。
商業用配向性木材薄片厚板における木材フレークの作製において別の考慮事項は、不連続に薄片を互いに結合させて有意な空隙が製品に残るようにマットを形成するという慣例である。これらの空隙は工程管理及び最終マット製品の究極的機械特性に著しい影響を与える。不連続に結合したリグノセルロース木材薄片等を含んでなるフレーク厚板で起こるこれらの空隙の大きさ及び形状は、機械的特性及び空隙の分布に著しく影響されるパネル内での水平及び垂直密度分散に影響を与える。これらの空隙の多くはフレーク厚板製品中に目視される。従って、配向性木材薄片厚板等のフレーク厚板は典型的には複合構造体であり、そこではその木材構成成分が典型的にその主要構成成分を構成し、そして空隙または空気空間を含む。
種々の低密度充填剤材料が、繊維強化複合材料またはシンタクチックフォーム複合材料の密度を減少させるために用いられている。中空マイクロスフェアー類（microspheres）は広くいきわたった低粘度充填剤である。それらは一般に中空ガラスマイクロスフェアー、中空セラミックマイクロスフェアー、中空高分子マイクロスフェアーまたはパーライトである。マイクロスフェアー技術の発展は近年非常に活発になっている。
マイクロスフェアー材料は、浴槽製品及び海洋物質の繊維強化プラスチック配合物、合板及び石膏壁板の補修用配合物、技芸及び建築用模型用粘土、石膏板の軽量及び強化建築材料、消音、爆薬、強化エポキシ樹脂発泡体、捺染インク、紙添加物、接着剤及び封止材充填材、軽量コンクリート、電線ケーブル、化粧品、薬物送達用医薬品、航空宇宙シンタクチックフォームパネル、水中車両、工作機械材料、石油掘削用管路断熱材料等の種々の用途で用いられている。
Zhengらの米国特許B1第6,171,688号には高分子マトリックス、高分子マイクロスフェアー、ガラスマイクロスフェアー、乾燥天然繊維及び木粉を含む繊維強化複合材料を含有するシンタクチックフォームが記載されている。この米国特許は、殆どの場合該材料はパテ状に混合されるか或いは該材料が丁度流延すことができる状態になるように混合されると述べている。この米国特許の実施例では厚板の製作に用いた全ての配合においてポリエステル樹脂を主成分とし、ケナフ繊維を非主成分とすることが記載されている。該乾燥天然繊維はケナフ繊維等の植物繊維でその長さに沿って毛状突起物を有し、40乃至60 μ (0.04乃至0.06 mm)の幅寸法と約2.5 cm程度の長さを有する植物繊維として記載されている。
ケナフ繊維は年成長期を有する天然リグノセルロース植物材料であって、含水量が2％未満にオーブン乾燥し、次いで直接他の成分類と混合される。ケナフ繊維をシンタクチックフォーム配合に用いる前に典型的にはその寸法を小さくする必要はない。ケナフ繊維強化複合材料は厚板強度が重要な設計上の考慮事項とはならない非構造的用途において室内装飾パネルとして用いられることが知られている。
厚板強度において妥協することなく特に重量軽減ができ、そして上で検討した空隙構造に関係する問題を緩和するフレーク厚板技術において改良の必要がある。
発明の概要
本発明は厚板形成組成物に中空またはセルマイクロスフェアーを含有する低密度充填材を導入することにより良好な構造強度を維持しつつ低減した厚板密度を有するリグノセルロース複合厚板材料類に関する。
一態様において、硬化した高分子結合剤と表面で該結合剤と接触している中空マイクロスフェアーの混合物と主にリグノセルロース木材片を含有し、該木材片が該結合剤と不連続に結合しているリグノセルロース複合厚板材料がある。一好ましい態様において、該リグノセルロース複合厚板材料が木材薄片である木材片で形成されている配向性木材薄片厚板を提供する。
本発明の一態様において、該マイクロスフェアーを含有しない以外は同一組成で同一寸法のパネルを作製する場合に比べて、曲げ強さの低減に遭遇することなく少なくとも5％減の密度低減が配向性木材薄片厚板のような複合リグノセルロースパネルにおいて達成可能である。
別の側面において、該リグノセルロース複合厚板材料は、少なくとも5％の、特に10％を超える空隙率（void volume）であって、該マイクロスフェアーまたは存在する任意の発泡体セルに帰せられない空隙率を有する配向性木材薄片厚板である。実際は、本発明の該リグノセルロース複合厚板材料は発泡性結合剤を必要としないし、むしろ使用しないことが好ましい。本発明は特に該マイクロスフェアーを含む熱硬化性樹脂で部分的に噴霧されたサザンパイン薄片またはフレークでできており、空隙を含む一体状の厚板へ固められたリグノセルロース複合材料に適用できる。
一例において、サザンパインフレーク及び薄片と熱硬化性樹脂の組成を含有する配向性木材薄片厚板に該中空またはセルマイクロスフェアーを配合すると、それらの複数のプライでできた固化パネルの密度は、該マイクロスフェアーを省くこと以外は同一の厚板形成組成物で作製したと仮定した場合、該パネル密度は42 pcf (pounds per cubic feet) 以上となったであろうものが、曲げ強さの損失もなく効果的に40 pcf未満に減少する。
一非限定的側面において、本発明の一態様の複合厚板の曲げ剛性は21,000 lb・in2/ftを超え、そして一般的には約21,000乃至約30,000 lb・in2/ftの範囲となる。本明細書においてそうでないと表示されない限り、該曲げ剛性はASTM D1037-98に従って測定される。
一好ましい態様において、本発明の圧蜜配向性木材薄片厚板パネルは(i) 一般に約70乃至約96重量％の、好ましくは約75乃至約90重量％の乾燥リグノセルロース材料; (ii) 約20乃至約0.8重量％の、好ましくは約15乃至約5重量％の全ての硬化した高分子結合剤; (iii) 約12乃至約0.9重量％の、好ましくは約5乃至約1重量％の中空マイクロスフェアー；及び (iv) 約3乃至約0.8重量％の追加の添加剤を含有する。該追加の添加剤は例えばスラックワックス等の撥水剤を含むことができる。また木粉も本明細書に記載されている工程上の対処において好ましくは用いられる。別の好ましい態様において、該硬化した高分子結合剤はイソシアネート樹脂から得られる。
本発明はまたこれらのリグノセルロース複合厚板材料の特異な製造方法を包含する。一好ましい態様において、該中空マイクロスフェアーと熱硬化性樹脂が、加湿された粒状材料を与えるために有効な表面被覆として該樹脂が該中空マイクロスフェアーの外表面上に担持されるための夫々の充分な量で配合される。この加湿された粒状材料は、マイクロスフェアーの樹脂分散体の代わりに該マイクロスフェアー上に担持される樹脂源を供給するために用いられる。該加湿された粒状材料はその後の厚板製造工程で木材薄片と都合よく混和される。別の好ましい態様において、木粉は、該樹脂及びマイクロスフェアーの配合中の流動性を減少させるために該木材フレークとの合体前にその成分が鋤型混合機で液状樹脂と予備混合されるときに該マイクロスフェアーと合体される。
本明細書において言及される該リグノセルロース複合材料は、配向性木材薄片厚板、パーティクルボード、繊維板、積層ベニヤひき材、平行薄片ひき材及び藁板(すなわち農業副産物)等の建築及び建設工業で広く用いられる複合材料を含む。本発明に従って作られた該リグノセルロース複合材料製品は工学構造構成材料として建設及び建築工業に適用される。例えば、本発明に従って作られた該リグノセルロース複合材料製品は床下地材、外壁、陸屋根、コンクリート型枠等として用いられる。
本明細書のために、用語“マイクロスフェアー”は充填材との関係において厳密な幾何学的意味で用いられておらず、代わりに1つ以上の空隙または空気空間を取り囲む壁を含む規則的な或いは非規則的な周辺輪郭を有する任意の結節状の粒子を言う。該マイクロスフェアーは単内腔であっても、代わりに分離したマイクロスフェアー粒子において多数の空隙が壁で囲まれている程度のものでもよく、本明細書において言及されるマイクロスフェアーはセル状（cellular）であるか、そうでなければ多内腔性である。本明細書の目的のために、“主に”は少なくとも50％を意味する。“表面”はそうでないと表示されない限り、外面をいう。“木材片”は木材薄片、フレーク、チップ、ウェハー、粒子等の一種以上をいう。そうでないと表示されない限り用語“木材薄片”及び“木材フレーク”は本明細書においては互換的に用いられ、幅寸法を超える長さ寸法を有する木材の小さな分離片をいう。“不連続に結合した”とは該木材片を互に付着させるために用いた樹脂で包埋されていないことを意味する。代わりに結合は、樹脂により隣接する木材片と接着付着している該木材片の多数の分離した非連続的表面部位を持つ点結合により類似している。
図面の簡単な説明
図1は本発明の一態様による複合厚板の一例を示す斜視図である。
図2は本発明の一態様による方法を示すブロック線図である。
図面は例示的なものであり必ずしも縮尺で描かれてはいない。
発明の詳細な記述
図1を参照して述べるが本発明の一態様により製造された配向性木材薄片厚板10が示されている。この配向性木材薄片厚板10は各層すなわちプライが樹脂11により結合された木材フレーク(薄片)の複合材料で形成されている多数の層またはプライ12、13及び14を含んでなる。層12及び14は該配向性木材薄片厚板10の外部または反対側の表面層を形成する。しかし予想される実施によっては、0、1或いは2以上の中間または芯層を有することも可能である。
マイクロスフェアーを含んでなる低密度充填材15はプライ12、13及び14の各々に分散されている。このマイクロスフェアーは一般にミクロンの大きさであるから該図面は例示的であり、縮尺ではないことを意図する。本発明は、該配向性木材薄片厚板10または他のこれに匹敵する多層木材複合材料の少なくとも1以上の該プライ12、13及び14の製造においてフレーク配合工程中に合体される新しい充填材系に向けられている。本明細書における詳細な説明は便宜上配向性木材薄片厚板型の厚板に言及されているが、本発明が他の種類の多層リグノセルロース複合材料に対してより広く適用可能であることが認識されるであろう。
一般に、該配向性木材薄片厚板10の成形加工において、最初に表面層(例えば層12)が、以下により詳細に記載されている中空セル充填材を含む結合材組成物11の薄層で配合機中の乾燥木材薄片またはフレーク13を被覆することにより形成される。典型的には、該結合材被覆は配向性木材薄片厚板の製造において不連続である。この図に示される配向性木材薄片厚板パネルは該マイクロスフェアーまたは他の任意の存在する発泡体セルにより限定される空隙に帰せられない空隙すなわち空気空間16を含む。この空隙16は薄片13が樹脂11で不連続に被覆される通常配向性木材薄片厚板パネルの成形加工中に発生する。薄片上に樹脂を連続的に被覆すると該厚板の費用が著しく増加することになろう。一方不連続被覆は圧蜜および性能の考慮事項を充分満たすことができる。
一態様において、被覆フレークを次いでコンベアーベルト上に拡げて、一般にコンベアーベルトの方向と平行に配向した該フレークの主寸法を有する第1プライすなわち層12を与える。次いで該中空セル充填剤を配合する組成物を用いて続けて該第1プライ層12上に堆積された第2プライ13及び第3プライ14を形成する。この第2プライ13はそのフレークが一般にコンベアーベルトに対して垂直な方向に配向させるように堆積することができ、一方第3プライ14はコンベアーベルトと同じ向きに配向したフレークを有するか或いは配向性木材薄片厚板に有用な何か他の配向体系を有する。
例えば、この方法で集成されたプライは隣接するプライ中のフレークの配向に対して一般に垂直に配向したフレークを有する。代わりに、一またはいくつかの或いは全てのプライが不規則に配向した薄片を有することができる。一般に知られている多路(multi-pass)技法及び薄片配向機装置を用いて多プライすなわち多層を堆積することができる。認識されることと思われるが、複数の堆積した別の中間または芯層が、縦方向に配向した2枚の表面プライに隣接して設けられた不規則な薄片配向を有することもできる。パイルの堆積を集成した後でこの集成体を圧蜜して一体状の被覆材料(sheathing)またはパネル10とするために該集成体を熱圧締めする。
一好ましい態様において、本発明は完成厚板において該中空またはセルマイクロスフェアー充填材により占められる空隙を除いた相対的に有意な空隙率を有する複合リグノセルロースパネル材料に適用できる。本発明によれば、一態様において中空またはセルマイクロスフェアー充填材または存在する任意の発泡体セルに帰せられる空隙を含まず少なくとも約5％の空隙率、更に特に少なくとも10％の空隙率を有する完成配向性木材薄片厚板において、該中空またはセル充填材を省いた同一厚板組成物に対して曲げ強さを犠牲にすることなく配向性木材薄片厚板の密度を少なくとも5％低減することが可能となる。
本発明の一態様において、結果として加工された複合材料の強度を大きく低減することなく40 pcf未満の配向性木材薄片厚板の密度が達成可能である。強度を犠牲にすることなく達成されるこの密度の低減は該配向性木材薄片厚板の製造で用いられた組成物中に該中空セル充填材を配合することにより達成される。
一態様において、少なくとも約7％、そして特に約7％乃至約45％の曲げ強さの増加は、本発明による空隙含有複合厚板に該マイクロスフェアーを配合する場合、達成される。別の態様において、本発明により作製した該配向性木材薄片厚板は、該マイクロスフェアーを省いたことを除いて同一の組成で作製した配性木材薄片厚板の曲げ強さの42 pcf以上に匹敵する曲げ強さを有することとなる。
本発明の軽量リグノセルロース複合材料は広く建築及び建設産業に用いることができる。それらは主としてセルロース、ヘミセルロース及びリグノセルロース材料でできた木材系複合材料とも言われる。これらの複合材料を製作する基本的方法は原料のリグノセルロース材料を所望の形態と大きさ(フレーク/薄片、ウェハー、チップ、粒子等の単板または木材片)へと寸法を小さくし、そして目標含水量へ乾燥し、特定の高分子結合剤及び他の添加物を配合することを含む。混合した構成成分を連続または不連続のマットにする。次いでこのマットは多開型または連続圧締め作業により特定の熱及び圧力下で固められる。固められたパネルは、与えられた建設用途により異なる厚みで、例えば4ft×8ftのシート等に任意の適宜の大きさに切断される。
上で検討したごとく、製造された複合材料の密度は、製造工程において該配向性木材薄片厚板の性能を制御する最も重要なパラメーターの一つである。一般に、該複合材料が密であればあるほど複合材料の機械的特性は強くなる。更に、好ましい態様において、本発明は、完成厚板において充填材として用いられた該マイクロスフェアーにより占められる空隙を除いた相対的に有意な空隙率を有する複合リグノセルロースパネル材料に適用できる。
以下、便宜上配向性木材薄片厚板[オリエンテッドストランドボード(OSB)]が説明において主に言及されるが他のリグノセルロース複合“厚板（boards）”、特に空隙率が該マイクロスフェアーまたは任意の存在する発泡体セルに帰せられない空隙率が少なくとも約5％を超えるものに置き換えてもよいことが理解されるべきである。
本発明で利用される好ましいリグノセルロース材料は、天然の硬い或いは柔らかい木材であって、単独に或いは混合して、生の或いは乾燥した木材に由来する。典型的には、この原料木材出発材料は、未使用の或いは再生の何れでもよいが好ましい形状の薄片、フレーク、ウェハー、チップ、粒子等に切断される。
一好ましい態様において、原木を個別薄片へ寸法を減らすことにより得たリグノセルロース木材薄片/フレーク材料が用いられる。これらの薄片またはフレーク材料は一般に長さが約0.28乃至約8 in(約0.7乃至約15から20 cm)、より特に約0.75乃至約5 inの範囲、幅が約0.1乃至約2 in(約2.5乃至約5 cm)の範囲、そして厚さが約0.001乃至約0.040 in(約0.0025乃至約0.1 cm)の範囲にある。木材薄片の含水量は乾燥後3乃至12％の範囲にある。従って、配向性木材薄片厚板及び同様のフレーク厚板に用いられる木材薄片の幾何学的及び形態的特徴は天然植物繊維とは完全に異なる。木粉等の木材の微粒子の少ない方の量を更に該リグノセルロース材料としての薄片、ウェハーまたはフレーク材料へ含ませることができる。
一般に、該パネルの製造は、リグノセルロース木材材料、特に薄片またはフレーク材料を高分子熱硬化性結合剤、マイクロスフェアー及び木粉及びワックス等の他の任意の添加剤類を含有する樹脂混合物が有効に該木材材料を被覆して1層以上のプライを形成するために用いられる厚板形成組成物を与えるように該樹脂混合物を被覆することを含有する。該樹脂混合物は該木材薄片上に噴霧被覆または他の適当な技法により被覆することができる。この樹脂被覆は該材料表面上に連続的な被覆を形成しない。一態様において、先に述べたこの被覆木材材料は上で示したごとくコンベヤーベルト上に不規則なマットまたは配向性多層マットの形で広げられる。
次いで、形成したマットまたは集成体は、該被覆木材材料を溶融結合させて種々の厚み及び大きさの圧蜜配向性木材薄片厚板を形成するための一般用の通常の型の機械である熱プレスの下で圧締めされる。このパネルは一態様において約175℃乃至約250℃の温度で2乃至5分間圧締されるが与えられたリグノセルロース複合材料に対しては他の温度が適切であることがあり、そして得られる複合体パネルは約38乃至50 pcfの密度（ASTM D1037-98）、約0.25乃至約2 inの厚み、そして該マイクロスフェアーにより寄与される空隙率を含まない少なくとも5%の空隙率の有するものとなる。
一態様において、本発明の圧蜜配列ストランド厚板パネルは(i) 一般に約70乃至約98重量％の、好ましくは約75乃至約90重量％の乾燥リグノセルロース材料；(ii) 約0.8乃至約20重量％の、好ましくは約5乃至約15重量％の全ての熱硬化した高分子結合剤；(iii) 約0.9乃至約20重量％の、好ましくは約1乃至約5重量％の中空マイクロスフェアー；及び (iv) 約0.8乃至約3重量％の追加の添加剤を含有する。
上で指摘したごとく、中空ガラスマイクロスフェアー、中空セラミックマイクロスフェアー、中空高分子マイクロスフェアー及び/またはパーライト等の低密度充填材を配向性木材薄片複合材料へ配合することによって、サザンパイン薄片でできた配向性木材薄片厚板パネルの場合、配向性木材薄片厚板パネルの密度を工学厚板強度特性を維持しつつ、42から38 pcf以下へと少なくとも5％低減させることができる。
一非限定的側面において、本発明の一態様の該複合厚板の曲げ剛性は20,000 lb・in2/ftを超え、そして一般的には約20,000乃至約30,000 lb・in2/ftの範囲にある。一態様において、本発明の該複合厚板の破壊係数は少なくとも約2,200 psiを超え、好ましくは約2,750 psiを超え、そしてより好ましくは3,000 psiを超え、そして該複合厚板は一般に約2,200乃至約5,000 psiの、更に特に約2,500乃至 約4,500 psiの範囲の曲げ強さ値を含む。
本発明はまたこれらのリグノセルロース複合厚板材料の独特の製造方法を包含する。図2を参照して一好ましい態様 20において、該マイクロスフェアーは熱硬化性樹脂と随意に木材粉と該樹脂がマイクロスフェアーの外表面上に担持されて効果的に該加湿された粒状材料を与えるための充分な量で配合される(工程21)。この加湿された粒状材料は、次に加工(工程23)で注型または成形用の液相材料を嵩張らせるために用いられるマイクロスフェアーの樹脂分散物を用いる代わりに木材片を圧蜜するための樹脂源を与えるために用いられる。該木材薄片に、典型的には該樹脂被覆マイクロスフェアーを配合する前にスラックワックス等の撥水剤(工程22)配合されることになる。この加湿された粒状材料はその後の厚板製造過程で該厚板中の木材薄片と適宜に混和され、次いで該混合物を熱圧締めして一体状の厚板構造体を形成する(工程25)前に複数の配向プライの堆積を集成する(工程24)ために用いられるか或いは単一プライまたは層へ成形される(工程26)。
厚板用マイクロスフェアー充填材
本発明で用いた低密度充填材は一般に中空またはセルガラスマイクロスフェアー、中空高分子マイクロスフェアー、中空セラミックマイクロスフェアー、天然パーライト等である。他の利点のうち、本発明の発見は中空ガラスマイクロスフェアー(時にはマイクロバルーン、マクロバルーン及びガラスセルと呼ばれることもある)、中空高分子マイクロスフェアー、中空セラミックマイクロスフェアー及び天然パーライト材料等の低密度セル質充填材をリグノセルロース原料材料へ配合して複合物を作ることにより曲げ物性を維持しながらリグノセルロース材料の密度を低密度充填材を省いた同一厚板組成に対して約5乃至20％低減することである。
中空またはセルマイクロスフェアーは、配合機中で飛び散ることなく木材薄片―樹脂結合複合物との優れた配合能力を有し、それにより配合した樹脂混合物が木材薄片/ストランド成分と均一に分散混合され、そして現行の配向性木材薄片厚板(OBS)の製造工程で有効に配合できる。
本発明における使用に適したガラス及びセラミックマイクロスフェアーは一般に直径が約25乃至約250ミクロンの間にある。本発明における使用に適した高分子マイクロスフェアーは一般に直径が約10乃至約100ミクロンの間にある。
適当なマイクロスフェアーは3M、Expancel、Pierce & Stevens Corp.またはEmerson & Cuming, Inc.により製造されたもの等の商業的に入手可能なものを含むことができる。パーライトは天然の多胞中空マイクロスフェアーである。パーライトは乃至％の化学結合水を含む流紋岩の火山ガラス水和物であって、その鉱石を軟化点に加熱すると非常に低密度の発泡セル物質を創り出すことができる。該マイクロスフェアー充填材は、いかなる浮遊または沈下をも著しく起こすことなく該熱硬化性樹脂中で分散及び懸濁可能な充分な密度を持たなければならない。
また本発明により判明したことであるが、イソシアネート樹脂等の高分子樹脂で中空マイクロスフェアーを予備被覆することにより該樹脂の薄い反応性層が該中空マイクロスフェアーの表面に形成することが可能となる。得られる湿潤粒状材料は粒状様である。次に、これらの反応性樹脂被覆中空マイクロスフェアーを適切な量で木材フレーク構成成分と配合すると、該複合マットを上首尾で圧蜜するための容易で実用的な溶液を与える。この樹脂混合物は反応性低密度充填材として役立つ。
これらの軽量マイクロスフェアー充填材の真密度は0.05乃至0.70g/ccの範囲にあり得る。好ましい態様において、該中空マイクロスフェアーは0.1乃至0.35 g/ccの密度を有する中空ガラスマイクロスフェアーである。
該反応性中空マイクロスフェアー材料に用いられる材料は表1に列挙したガラス、セラミック、パーライト及び高分子材料等の有機または無機材料でできている。これらの材料の形態は一般に幾何学的に球状であり、単胞で空気または他の軽量気体物質が封入されている。不規則な形状の多胞マイクロスフェアーもまた商業的に入手可能である(例えば、パーライト)。
例えば、好ましい中空ガラスマイクロスフェアーはK1マイクロスフェアーで、ミネソタ州セントポールの3M社により製造されている。K1の真比重は約0.125g/ccである。ソーダ石灰ホウケイ酸塩型の無機材料でできている。S22は同供給者により提供されている別の中空ガラスマイクロスフェアーである。K1とS22の差は、K1が0.125 g/ccの真密度を有するのに対してS22は0.22 g/ccの真密度を有する。K1マイクロスフェアーの直径はS22の直径よりもはるかに大きい。S22はK1球体よりもより良好な圧潰強さを持つ。
別の好ましい態様において、特に流動性を減ずるために該マイクロスフェアーと液状樹脂が鋤型混合機で予備混合される場合、得られる配合物が木材薄片と合体される前に木粉もまた含められ、そして厚板構造体へ圧蜜される。該木材粉成分は一般に約50乃至約44μの粒度を有する。200メッシュまたはより小さな木材粉が好ましい。該木材粉はこれらの大きさで商業的に入手可能である。
一態様において、本発明の特徴は該軽量中空マイクロスフェアー材料を配向性木材薄片厚板等に配合させるための2段工程を含み、そこにおいて配合及び熱圧縮により木材薄片またはフレークの表面に施される熱硬化性樹脂及び該マイクロスフェアーを含む樹脂予備混合物によりこれらの木材薄片がその表面で不連続に結合されて一体状の厚板構造体となる。
一態様において、木材フレークと共に配合機に添加される前に中空マイクロスフェアー材料と木粉及びイソシアネート樹脂または他の熱硬化性樹脂を混和することは、中空マイクロスフェアー材料と該樹脂及び木材成分との直接一段混合に対して利点を示した。
この方法の一態様において、低密度マイクロスフェアーを配合容器に入れる。次いで、微細木材粉を同一の容器中で中空マイクロスフェアー材料と混合する。4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)等の重合体熱硬化性樹脂を無気及び噴霧ノズル圧力装置のいずれかを通して同一容器に入れ、そして該成分類を配合して樹脂予備混合物を与える。
一態様において、混合されたマイクロスフェアー/木粉の好ましい嵩容量は全混合機室容量の30％乃至50％の範囲になるであろう。室中の成分類の量が過剰な場合は、不良不均一配合になるであろう。ある種の低密度充填材は配合中に大きな嵩高効果を創り出し、その混合物は混合機の室全体を満たすようになるであろう。過度に少ない量の成分類を該配合機に入れられるならば、該混合機はその有効容量で用いられないことになろう。
中空マイクロスフェアーと該樹脂及び隋意的に該木粉とを配合するために用いられる混合機は、また配合工程中の該中空マイクロスフェアーの破壊を最小にし、そしてそれを避けるために低乃至中剪断装置であるべきである。混合された成分類が該高分子樹脂を該マイクロスフェアーの表面上に実質的に均一に被覆させることができるように充分な配合時間が与えられるべきである。このレベルの被覆を与えるために十分な樹脂が添加されるべきであるが、多すぎる樹脂が添加されると、該樹脂-マイクロスフェアー混合物は凝集して大きな塊となり、続く加工中に該木材フレーク上へ均一な分散をするには有用とはならないであらう。
本発明の実施に用いられる配合装置の一例は、例えばLittleford Day M-5混合機である。この混合機は5機能群：(1) 該配合機室中の混合ヘッド及び/または鋤、(2) 該ヘッドまたは鋤を駆動するモーター、(3) モーター速度調節制御装置及び時間制御スイッチ、(4) 粉末、液状樹脂 または薬品装填用注入口及び (5) 安全キー類及び緊急スイッチ類からなる。この機械の好ましい回転速度は250乃至300rpm付近であり、好ましい混合物配合時間は少なくとも6分である。
非常に軽いマイクロスフェアー材料に対しては、配合操作中、特に配合が鋤型混合機で行われる場合、該マイクロスフェアー材料の懸濁及び付着は、得られる混合物をMDI樹脂または他の熱硬化性樹と混合する前に木粉を該マイクロスフェアー材料に添加合体させることにより該懸濁を補償し、該低密度マイクロスフェアー充填材自体を均一に該木材フレーク上により良く分散させることができるようにすることにより制御される。
該マイクロスフェアー、木材及びMDI樹脂間の比例構成成分は混合物効率にとって重要である。特に鋤型混合機で配合する状況において、該木粉は混合された成分中で以下のごとく二つの主要な役割を果たすと考えられる。第1は、該マイクロスフェアー材料とMDI樹脂とで共凝集を形成することに関係すると考えられる。低密度充填材を懸濁させる確率は木粉/MDI/中空マイクロスフェアー材料のこの凝集によって大きく低減さられる。第2は、該木粉は圧蜜複合材料中で該中空マイクロスフェアー/MDI材料を結合させるための中間剤として働くと考えられる。中空マイクロスフェアーと該熱硬化性樹脂の配合中に木粉を添加すると、中空マイクロスフェアー材料と続いて導入される木材フレーク/薄片との間の相溶性を増加させることができる。
重要なことであるが、該木粉は、特に鋤型混合機を用いる該熱硬化性樹脂と中空マイクロスフェアーとの配合中の流動性を低減することが観察されている。この配合操作に他の混合機、例えばKitchenAid型混合機を用いると、この目的のための該材粉の必要性が多分低減される。
一態様において、樹脂、中空マイクロスフェアー及び随意的に木粉の予備混合物のための一般に有用な配合比率は重量基準で約25乃至約80％のMDI樹脂、約30乃至約80％の中空マイクロスフェアー及び0乃至約40％の木粉である。一態様において、各100重量部の木材フレーク/薄片に対して、約3乃至約30重量部の該樹脂/マイクロスフェアー/木粉予備混合物を厚板形成中に配合する。しかし、最適比率の構成成分は用いる中空マイクロスフェアーの各種類により1件ごとの基準により決定されるべきである。例えば、一好ましい態様において、本明細書の他の場所で記載されているK1商業用マイクロスフェアーを選択した中空ガラスマイクロスフェアーに対する該樹脂予備混合物の比率は約42重量％であり、約22重量％が木粉で、そして約36重量％がMDI樹脂である。このMDI樹脂は液状または粉末状で用いられ、そして好ましくは液状で用いられる。
第2の製造工程において、予備被覆中空マイクロスフェアー/木粉MDI混合物を円筒配合機へ加える。どちらにしても、該樹脂の薄膜が該中空マイクロスフェアーの外表面上に形成されることとなる。該樹脂混合物と木材フレークは充分な混合に必要な時間該配合機中で混転される。通常は実験室用配合機で該樹脂混合物を木材フレークと良く混合させるには約5分間かかる。無論、粉末樹脂混合物の添加に加えて過剰のMDI樹脂を同時に或いは別々に噴霧することもできる。
木材フレーク中へ添加される樹脂混合物の添加量は配向性木材薄片厚板の最終目標密度及び樹脂混合物の真比重に依存する。一般に、混合した樹脂混合物の真比重が低ければ低いほど該パネルの比重を低減させるためにそれだけより効果的である。例えば、K1マイクロスフェアー/MDI/木粉を比率構成成分(重量による)が約42％/約36％/約22％で混合すると、木材フレークと合体させるために必要な樹脂混合物の量は、通常の配向性木材薄片厚板の密度を42 pcfから38 pcfへ低減させるためには約6.9重量％である。
対照的に、S22/MDI/木粉を重量で各々約56％/約27.5％/約17％で混合すると、必要な該樹脂混合物は11.88重量％(オーブン乾燥した木材フレーク100% 基準で)である。K1の真比重は0.125 g/ccであり、S22の真比重は0.25 g/ccである。従って、このK1は重量により該複合材料の密度を低減させるためにS22より2倍を超えて有効である。添加される樹脂混合物の好ましい範囲は、該樹脂混合物の真比重と製造される複合材料の最終目標密度に依存して3重量％乃至30重量％の範囲にある。
該木材薄片用及び中空マイクロスフェアー用の結合剤として用いられる該樹脂は熱硬化性樹脂である。好ましい樹脂類はMDI等のイソシアネート樹脂、Huntsman ICIにより製造された商標 RUBINATE 1840(登録商標)のもとで販売されている固体状のもの等のフェノール及びホルムアルデヒド(粉末または液状)等及びTembec Companyにより製造された CP-460(登録商標)等或いはPFレゾール樹脂、粉末PF樹脂等の他の種類の高分子材料を含む。好ましいMDI樹脂は、Bayer Corp.より製造されたMondur 451を含む。木材薄片をイソシアネート樹脂で被覆する場合、配向性木材薄片厚板における主要反応機作はポリウレタンに代わってポリ尿素であると一般に理解されている。該配向性木材薄片厚板を圧蜜して隣接する薄片間の蜜な接触を増すために熱及び圧力が用いられる。該結合剤の添加濃度は好ましくは該オーブン乾燥した木材重量に対して1乃至10重量％の範囲、より好ましくは2乃至5重量％の範囲にある。
木材フレーク100部に対して、該複合材料配合の他の成分の好ましい添加比率は、直接該木材フレークと配合される約3乃至約30部の前記樹脂/マイクロスフェアー/木粉予備混合物、約1乃至約3部のワックス及び該木材フレーク表面に噴霧される約0乃至約3部の追加のMDI樹脂を含む。
ワックスは、改良された撥水性を付与するために該複合材料形成混合物中に含めることができる。このワックス添加物は、一般に水分の吸収に対する該配向性木材薄片厚板パネルの抵抗を増強するために採用される。ワックスは、木材表面の親水性官能部位が水及び蒸気分子と結合すのを物理的に阻止することにより良好な寸法安定性を与える。添加されるワックスはスラック溶融固体ワックスまたは液状乳化ワックスである。好ましいワックスはスラックワックスまたはミクロクリスタリンワックスである。ワックス充填濃度は好ましくは該オーブン乾燥した木材重量に対して0.5乃至2.5重量％に範囲にある。
該樹脂混合物を木材フレーク/薄片及びワックスと配合機で配合した後に、木箱を用いては配向性木材薄片マットが形成される。該複合材料を特定の熱プレス条件下で圧蜜するために熱プレス成形機が用いられる。
本発明で判明したことであるが、中空マイクロスフェアー材料の真比重の外に、中空マイクロスフェアー材料の粒度、該中空マイクロスフェアー材料の種類及び該材料の表面処理も該中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板の強度性能に著しい影響を与えるであろう。中空マイクロスフェアーを選択する場合、大きい粒度と低密度を有する中空マイクロスフェアー材料が好ましい。
以下の実施例は更に例示するために役立つが本発明の好ましい態様のいくつかを限定するものではない。そうでないと表示されない限り本明細書における全ての量、分量及び比率は重量によるものである。
実施例
以下は本発明を代表する実施例及び比較実験例である。該軽量リグノセルロース複合材料及び本発明によりそれが製造される方法を以下の実施例により更に詳しく説明する。
表1は本発明の実施に有用ないくつかの典型的な中空マイクロスフェアーを本明細書に記載された実験例で用いられた中空マイクロスフェアーを含めて列挙している。表2は各実験例に対して20容積％の木材フレーク/薄片を樹脂混合物で置換することにより該配向性木材薄片厚板中へ添加される該樹脂混合物の計算量を列挙している。
Figure 2007530307
Figure 2007530307
これらの実施例のためのリグノセルロース複合材料の作製は以下の方法で行った。
(a)樹脂混合物の作製：
該複合材料を作製するために用いられた方法はマイクロスフェアーを含む樹脂結合剤を Littleford混合機または他の適当な混合機で予備混合して該中空マイクロスフェアー(HM)の表面及び木粉上にMDI樹脂により均一な樹脂/マイクロスフェアー被覆を得た。この配合手順は(1) 該Littleford混合機(Littleford Day M-5混合機)にマイクロスフェアー粉末材料を入れ、(2) 該Littleford混合機に木粉を入れ、(3) 該Littleford混合機にMDI樹脂を入れ、そして該MDI樹脂を約220乃至250 rpmの回転速度でダイヤル数を9に定めて約6分間配合した後、全混合物を放出してプラスチックの袋に詰めることを含んでいた。
(b)配向性木材薄片厚板の製造実験：
オーブン乾燥した木材フレーク(含水量3乃至5％)を以下に示すように円筒配合機中で該粉末樹脂と配合するか或いは対照として100％MDI樹脂で噴霧した。以下の一般的な工程条件を用いて配向性木材薄片厚板パネルを作製した。
(1) パネル寸法：20 in×20 in
(2) フレーク配向：3/8 inの配向性木材薄片厚板に対しては不規則配向
3/4 inの配向性木材薄片厚板に対しては垂直配向
(3) 層構造：単層、3層または5層
熱プレス条件：
プレス温度：400゜Ｆ
プレスクロージング時間：30→45秒
プレスクッキング時間：140 秒
プレスガス抜き時間：30秒
多数の配向性木材薄片厚板パネルを各条件で作製し、そして以下に示すように各バッチの別々の該パネルについていくつかの試験を行った平均結果が報告されている。
(c)配向性木材薄片厚板パネルの切断
(1) 曲げ試験及び密度[破壊係数(MOR)、弾性率(MOE)及び曲げ剛性(EI)]用に3試験片。
(2) 24時間水浸漬試験用に2試験片。
(3) 2 in×2 inの内部結合(IB)試料用の5試験片を各配向性木材薄片厚板パネルに対して切断した10個の内部結合試料より選択した。その実施例を以下により詳細に記載する。
実施例1
1％のスラックで被覆した5,303 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、174 g のMDI樹脂を該木材フレーク上へ噴霧し、次いでこの混合物を該配合機中で約5分間混転（tumbled）した。約1,660 gのこれらの木材フレークを20 in× 20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。得られたマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、先に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
上記のパネル製作条件を2回繰り返すと計3枚の配向性木材薄片厚板パネルが得られる。
実施例2
1％のスラックワックスで被覆した4,326 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、そしてK1/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.416/0.362/0.222である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。91.5 g のK1中空ガラスマイクロスフェアー(3M)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで48.84 gのAce International Inc. から得た木粉(TI00)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約79.7 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。次いで得られた混合物をプラスチックのジップロック(zip-loc)の袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して440 gの該樹脂混合物を準備する。
約400.0 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,432.3 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。得られたマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標へ圧締めした。
実施例3
1％のスラックワックスで被覆した4,326 gの木材フレーク(含水率3.0％)を配合機に入れ、そして822マイクロスフェアー/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.556/0.2752/0.1687である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。155.7 gのS22中空ガラスマイクロスフェアー(3M)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで47.2 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約77.1 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して560 gの該樹脂混合物を準備する。
約526 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,326 gの木材フレークと混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約147 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。得られたマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いて蜜圧して0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例4
1％のスラックワックスで被覆した4,326 gの木材フレーク(含水率3.0％)を配合機に入れ、そしてA16/500中空マイクロスフェアー(3M)/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.477/0.324/0.199である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。119.2 g のA16/500中空ガラスマイクロスフェアー(3M)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで49.7 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約81.1 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して500 gの該樹脂混合物を準備する。
約447 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,326 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,458.9 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in ×24 inの液圧熱プレス機に入れ実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例5
1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、そしてH20/1000中空マイクロスフェアー(3M)/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.5324/0.2899/0.1777である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。146.4 g のH20/1000中空ガラスマイクロスフェアー(3M)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで48.9 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約79.7 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して500 gの該樹脂混合物を準備する。
約500 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,482 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例6
1％のスラックワックスで被覆した4,390 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、そしてG3500中空マイクロスフェアー(3M)/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.799/0.124/0.076である樹脂混合物をLittleford Day-5M混合機を用いて製造した。516.2 g のG3500中空セラミックマイクロスフェアー(3M)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで49.5 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約80.8 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して1,300 gの該混合物を準備する。
約1,164 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,390 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,683 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例7
1％のスラックワックスで被覆した4,388 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、そしてDualite 6001中空マイクロスフェアー(Pierce & Stevens Corp.)/MDI/木粉の比率構成成分が重量で0.425/0.356/0.218である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。95.7 g のDualite 6001中空高分子マイクロスフェアー(Pierce & Stevens Corp.)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで49.1 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約80.9 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して450 gの該樹脂混合物を準備する。
約406.3 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,388 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,453 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in× 24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例8
1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材フレーク(含水率4.5％)を配合機に入れ、そしてDualite 7020/MDI/木粉の比率構成成分が重量比で0.425/0.356/0.218である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。90.5 g のDualite 7020中空高分子マイクロスフェアー(Pierce & Stevens Corp.)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで49.1 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約80.2 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して450 gの該樹脂混合物を準備する。
約406.4 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,453 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。得られたマットを24 in× 24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例9
1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材フレーク(水分4.5％)を配合機に入れ、そして35BC中空高分子マイクロスフェアー(Silibrico Corp.)/ MDI/木粉の比率構成成分が重量比で0.587/0.265/0.157である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。176.2 g の35BC中空高分子マイクロスフェアー(Silibrico Corp.)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで47.0 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約76.75 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して約60乃至90秒で注入した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程をもう一度繰り返して600 gの該樹脂混合物を準備する。
約566.1 gの上記樹脂混合物を直接該1％のスラックワックスで被覆した4,389 gの木材片と混合し、次いで該混合物を該配合機中で約5分間混転した。約1,501.6 gのこれらの組成物を20 in×20 inの型枠箱へ不規則に拡げて1枚の配向性木材薄片厚板パネルを得た。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
実施例10
1％のスラックワックスで被覆した4,242 gの木材片(含水率4.5％)を配合機に入れ、そして実施例1の手順に従って139.0 g のMDI樹脂をこれらの木材片上に噴霧した。K1中空マイクロスフェアー(3M)/MDI/木粉の比率構成成分が重量比で0.416/0.362/0.222である樹脂混合物をLittleford Day-5混合機を用いて製造した。この工程で124.7 g のK1中空マイクロスフェアー(3M Corp.)を最初に該Littleford Day-5混合機に入れ、 次いで66.6 gの木粉(T100)を該Littleford混合機に入れた。それから該Littleford混合機の蓋を閉じ、該Littleford混合機を250 rpmの回転速度で回転させた。次いで約108.7 gのMDI樹脂を該混合機の上部の開いた溝孔を通して円錐漏斗から自重により混合した。配合のための混合時間は約6分に制御される。得られた混合物をプラスチックのジップロックの袋に集める。この樹脂混合工程を更に2回繰り返して約900 gの該樹脂混合物を準備する。
約664 gの上記MDIで処理した木材片を20 in×20 inの型枠箱内で不規則に積み上げた。この木材片の下部層の上に200 gの樹脂混合物をその全粉末樹脂混合物ができるだけ均一に分配されるように篩を用いて拡げた。こうして、該粉末樹脂混合物は該配向木材薄片厚板パネルの芯層として役立つ。この芯層の上に更に664 gの木材片を不規則に積み上げる。形成したマットの上面及び下面に剥離紙を用いて該MDI樹脂が熱盤に付着するのを防いだ。形成したマットを24 in×24 inの液圧熱プレス機に入れ、実施例1に記載した熱プレス条件を用いてプレスして0.375 inの目標厚へ圧締めした。
次に、これらの試験例の配向性木材薄片厚板パネル試料を特定の大きさに切断し、以下の物理的物性をASTM D1037-98に開示されている試験手順を用いて測定した。
(1) 弾性率[modulus of elasticity(MOE)]
(2) 破壊係数[modulus of rupture(MOR)]
(3) 内部結合[Internal bonding(IB)]
(4) 24時間厚み膨潤[24 hour thickness swelling(TS)]
(5) 試験パネルの密度(pcf)
(6) 曲げ剛性[bending stiffness(modulus of elasticity×moment of
inertia=EI)]
Figure 2007530307
Figure 2007530307
Figure 2007530307
中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルの平均値及び標準偏差を表3及び4に要約する。異なる中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルと対照配向性木材薄片厚板パネルとのフィッシャー法の対比較を表4及び5に示す。Ki、S22、Dualite 6001及びDualite 7020、AI6/500及びH20/1000からなる中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルはほぼ38 pcfの密度を有することは明らかである。対照的に、G3500中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルの密度は通常の対照配向性木材薄片厚板パネルと同等の密度を有する。全ての試験されたパネルに関しては、上記の中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルの全てにおいて、対照配向性木材薄片厚板パネルを該中空マイクロスフェアーで20容積％置換することが想定されていた。
一般に、製造した配向性木材薄片厚板パネルの最終密度は添加した中空マイクロスフェアーの密度の関数である。K1及び S22中空マイクロスフェアーの双方は、表3に示されるように通常の42 pcf密度の配向性木材薄片厚板パネルと比較しそれらの密度において42 pcfから38 pcfへと統計的に優位な減少を与えている。これらのパネルは該通常の配向性木材薄片厚板パネルと均等な剛性性能を有している。該中空マイクロスフェアーの真密度が低ければ低いほど該中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルはそれだけ軽くなり、他の全ての物性が等しいことは明らかである。このことは、K1が配合された中空マイクロスフェアー材料中で最も効果的な低密度充填材であるという因子により示される。対照的に、実験実施例6(G3500中空マイクロスフェアー)においては28.03％の樹脂混合物が該中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルに添加されているにも拘わらず該配向性木材薄片厚板パネルの密度の低減効率がはるかに低いことが明らかに示されている。その密度は42 pcfのままである。これらのパネルでは密度の低減は起こらなかった。
Figure 2007530307
補強繊維の表面改質が複合材料産業において広く用いられ、該補強繊維と高分子マトリックスとの間の相溶性を増加させている。マトリックス材料の物性に依存して表面処理繊維は大きな相乗効果を示し、複合材料の総合性能に対して著しい強度改良をすることができるであろう。表6で示されているように、該中空マイクロスフェアー表面をエポキシシランカプリング剤で適切に処理すると、実施例5の内部結合(IB)が著しく増加したことから、該中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネルの界面接着を有意に改良することとなる。対照的に、メタクリレートクロム酸クロリド(MCC)カブリング剤を用いて表面処理した中空マイクロスフェアーは通常の未処理中空マイクロスフェアー配向性木材薄片厚板パネル(実施例4)と同様の性能を示す。
本発明はその好ましい態様により説明したが、当業者には添付の請求項の精神及び範囲内での変更で以って本発明を実施することができるのが分かるである。
図1は本発明の一態様による複合厚板の一例を示す斜視図である。 図2は本発明の一態様による方法を示すブロック線図である。

Claims (28)

  1. 混和状態で、硬化した高分子結合剤、表面が該結合剤と接触している中空マイクロスフェアー及び主にリグノセルロース木材片を含有するリグノセルロース複合厚板材料であって、該木材片が該結合剤で各々不連続に結合しているリグノセルロース複合厚板材料。
  2. 該木材片が木材薄片、木材チップ、木材ウェハー及び木材粒子の少なくとも一種から選択される、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  3. 該木材片が木材薄片を含有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  4. 該複合厚板材料が約21,000乃至約30,000 lb・in2/ftの範囲の曲げ剛性を有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  5. 更に木粉及び有効量の撥水剤を含有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  6. 該厚板材料が該マイクロスフェアーを省いた同一の厚板材料に対して少なくとも5％減の密度減少を有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  7. 曲げ強さが該マイクロスフェアーを省いた同一組成を有する厚板材料に対して増加している、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  8. 該リグノセルロース複合材料が、該マイクロスフェアーまたは存在する任意の発泡体セルに帰せられない少なくとも5％の空隙率を有する配向性木材薄片厚板である、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  9. 該マイクロスフェアーが中空ガラスマイクロスフェアー、表面処理中空ガラスマイクロスフェアー、中空セラミックマイクロスフェアー、中空高分子マイクロスフェアー及び天然パーライトよりなる群から個別に或いはそれらを組合せて選択される、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  10. 該中空マイクロスフェアー材料が0.1乃至0.35 g/cの密度を有する中空ガラスマイクロスフェアーを含有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  11. 該木材片がサザンパイン薄片を含有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  12. 重量基準で、約70乃至約96重量％の乾燥リグノセルロース材料片；約20乃至約0.8重量％の全ての硬化した高分子結合剤；約12乃至約0.9重量％の中空マイクロスフェアー及び約3乃至約0.8重量％の追加の添加剤類を含有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  13. 該追加の添加剤類がスラックワックス及び木粉を含む、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  14. 該厚板材料が40 pcf未満の密度を有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  15. 該厚板材料が38 pcf 未満の密度を有し且つ該マイクロスフェアーを含有しない同一組成物を有する厚板材料よりも大きい曲げ強さを有する、請求項1のリグノセルロース複合厚板材料。
  16. 中空マイクロスフェアーを硬化性高分子結合剤と混和して結合剤被覆粒状物質を形成し；リグノセルロース木材片を該結合剤被覆粒状物質と合体させて複合材料形成混合物を与え；該木材片が該樹脂で不連続に結合している複合厚板を形成するために有効な熱及び圧力下で該複合材料形成混合物を固めることを含有するリグノセルロース複合厚板材料の作製方法。
  17. 該硬化性重合体結合剤と混和する前に、中空マイクロスフェアーが木粉とブレンドされて該結合剤被覆粒状物質を形成する、該請求項16の方法。
  18. 該複合厚板が約21,000乃至約30,000 lb・in2/ftの範囲の曲げ剛性を有する、請求項16の方法。
  19. 該複合材料形成混合物が約70乃至約96重量％の乾燥リグノセルロース木材片；約20乃至約0.8重量％の全ての硬化性結合剤；約12乃至約0.9重量％の中空マイクロスフェアー；及び約3乃至約0.8重量％の追加の添加剤類を含有する、請求項16の方法。
  20. 該追加の添加剤類がスラックワックス及び木粉を含む、請求項19の方法。
  21. 該厚板が連続或いは多開型操作により0.25 in乃至2 inの範囲にある厚みを有する、請求項16の方法。
  22. 該木材片が木材薄片、木材チップ、木材ウェハー及び木材粒子の少なくとも一種から選択される、請求項16の方法。
  23. 該木材片は木材薄片を含有し、そして得られる集成体をプレスして該厚板にする前に、該混和及び合体工程が数回繰り返されて互いのプライ上に複数のプライを堆積する、請求項16の方法。
  24. 該木材薄片の上部及び下部プライ上にMDI樹脂が噴霧される、請求項23の方法。
  25. 該木材薄片の配向が該集生体の各プライに対して非規則に配向されているか或いは方向性を以って配向されている、請求項23の方法。
  26. 該木材薄片の配向が該集成体の各プライに対して単向性である、請求項23の方法。
  27. 請求項16の方法により作製された厚板製品。
  28. 請求項23の方法により作製された厚板製品。
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