JP4997650B2 - 植物の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、木材などの植物材料の加工方法に関するものである。

従来、木材加工に関する様々な技術が知られている。近年では、低環境負荷材料の開発が盛んに行われており、特に木材等の植物資源への注目が高くなっている。

特許文献１には、短尺の複数の木片を配列し高温水蒸気雰囲気で軟化する接着剤により接合して相対的に長尺に形成された集成材を用いてブランク部材を形成し、当該ブランク部材を金型により高温水蒸気雰囲気で圧縮成形する技術が開示されている。この技術によれば、高温水蒸気雰囲気で接着剤が軟化するため、複数の木片間の相対移動が可能となることにより、応力負荷が軽減され、割れを起こすことなく成形することができる。

また、非特許文献１には、木材を粉末状にし、ホットプレスにより、接着剤を用いることなく所望の形状に成形する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１の技術では、木材を高温水蒸気雰囲気で軟化させ、割れが生じない範囲で小さな変形をさせるものであり、木材自体を任意の形状に変形させるものではない。また、複数の木片を接着剤で接合させており、接着剤が必須である。

一方、非特許文献１の技術では、木材を粉末状にする工程が必要となる。
特開２００６−３２７１３７（２００６年１２月７日公開） 倉松竜平 他、「木材粉末のホットプレスによる容器の成形」、第５７回塑性加工連合講演会講演論文集、p299-300、2006年10月17日

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接着剤を用いることなく、かつ、粉末状にする工程を必要としないで、木材などの植物材料を任意の形状に成形することが可能な植物の加工方法を実現することにある。

本願発明者らは、上記問題点に鑑み鋭意検討を行った結果、水分を含む植物片（例えば木片）に対して、当該植物片中の水分を保持した状態で加圧および加熱を行うことにより、植物片が熱軟化して粘土のように流動性を有することを見出し、全く新しい植物（例えば木材）の加工方法である本願発明を行うに至った。

即ち、本発明に係る植物の加工方法は、水分を含む植物片に対して当該植物片中の水分を保持した状態で加圧および加熱を行うことにより流動性を与え、上記流動性を有する植物片を所定の形状に成形し、上記植物片の成形体中の水分を抜いたのち常圧かつ常温に戻して当該木片の成形体を得る。

ここで、植物片とは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを主成分とする植物材料のきれはしのことであり、例えば、木片、種子、根、茎、葉などの植物を構成するあらゆる部分が含まれる。ただし、植物片には、植物材料を粉末状に加工したものは含まれない。

上記の構成によれば、水分を保持した状態で加圧および加熱を行うことにより植物片（例えば木材）が流動性を得るため、粘土や金属のように塑性加工によって、任意の形状に成形することができる。そして、任意の形状に成形した流動性を有する植物片の水分を抜くことにより当該植物片の流動性がなくなり固形化する。そして、常圧かつ常温に戻すことにより、任意の形状に成形および固形化された成形体を得ることができる。

このように本発明によれば、植物材料（例えば木材）を粉末状にすることなく、かつ、接着剤を用いることなく、植物（例えば木材）を任意形状に成形することができる。

これにより、従来廃棄物として処分されていた木材などの端材、木材として利用価値のない樹木等も材料として使用することができる。すなわち、森林資源の有効利用に多大の効果を発揮する。

また、本発明の植物の加工方法は、水分を含む植物片（例えば木片）を成形型の内部に設置し、上記成形型の内部を密閉状態にして、上記植物片に対して加熱及び加圧を行う第１工程と、上記植物片が所定の成形温度及び成形圧力に達した後に、上記成形型の内部と外部とを通気可能にする第２工程と、所定時間だけ圧力及び温度を保持した後、冷却してから上記成形型から上記植物片の成形体を取り出す第３工程と、を含む。

上記の構成によっても、第１工程において、成形型の内部を密閉状態にして植物片に対して加熱および加圧を行うため、植物片中の水分が保持されたまま加熱されることになる。その結果、植物片が熱軟化して流動性を有することとなり、成形型に充填する。

そして、第２工程において、植物片が所定の成形温度および成形圧力に達した後に、上記成形型の内部と外部とを通気可能にするため、植物片中の水分が抜け、植物片が流動性がなくなる。すなわち、植物片が成形型に沿った形状のまま固形化しはじめる。その後、所定時間だけ圧力（成形圧力）及び温度（成形温度）を保持した後、冷却してから上記成形型から上記植物片の成形体を取り出すことにより、任意の形状に成形された成形体を得ることができる。

このように本発明によれば、粉末状にすることなく、かつ、接着剤を用いることなく、植物を任意形状に成形することができる。

なお、上記植物片が含む水分の含水率が１０％（重量比）以上であることが好ましい。これにより、加圧および加熱を行ったときに植物片が流動性を得やすくなり、複雑な形状であっても成形しやすくなる。

また、上記植物片に対して１００ＭＰａ以上の圧力を加圧することが好ましい。これにより、加圧および加熱を行ったときに植物片が流動性を得やすくなり、複雑な形状であっても成形しやすくなる。

さらに、上記植物片を１３０℃以上２００℃以下に加熱することが好ましい。これにより、加圧および加熱を行ったときに木片が流動性を得やすくなり、複雑な形状であっても成形しやすくなる。

本発明の一実施形態に係る木材の加工方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態で用いられる加圧器具の一例を示す図であり、（ａ）は加圧器具全体の断面図であり、（ｂ）は加圧器具に備えられる成形金型の断面図である。 本発明の一実施形態に係る木材の加工方法の各工程の状態を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図１のＳ１、Ｓ２及びＳ３、Ｓ４、Ｓ５の状態を示している。 成形体のビッカース硬さおよび密度の測定位置を示す図であり、（ａ）は測定用に切り出される箇所を示す図であり、（ｂ）は切り出された成形体の一部の測定箇所を示す図である。 ビッカース硬さの測定結果を示すグラフである。 密度の測定結果を示すグラフである。 ３点曲げ試験用の成形体を成形する場合の金型および木片を示す図であり、（ａ）は成形金型の円柱状の中空部分の軸方向と木目とがほぼ垂直になるように設置した状態を、（ｂ）は当該軸方向と木目とがほぼ垂直になるように設置した状態を示している。 ３点曲げ試験の試験条件を示す図である。 ３点曲げ試験の試験結果を示すグラフである。 木片の流動挙動を示す図である。

符号の説明

１ 加圧器具（成形型）
２ 加圧工具
３ 外型
４ 開閉式コック
５ 密閉金型（成形型）
６ 上ポンチ
７ 半割型
８ 下ポンチ
９・９’ 成形金型（成形型）
１０ 木片（植物片）
１１ 木目

以下、本発明の実施形態に係る植物の加工方法について、図１〜９に基づいて説明する。

本実施形態は、これまで知られていなかった植物の新たな性質、つまり、水分を含んだ状態で加圧および加熱することにより植物片が熱軟化して粘土のように流動性を有することに着目して、植物片を加工するという全く新しい加工方法である。ここで植物片とは、植物のきれはしのことである。また、植物片には、植物材料を粉末状にしたものは含まれない。

（加工対象）
植物材料は、主成分としてセルロース、ヘミセルロース、リグニンを含む。これらは植物細胞を構成する成分である。以下に木材の成分含有率を示す（「佐道健、「木材工学」、養賢堂」参照）。
・広葉樹：ヘミセルロース２０〜２５％、リグニン２０〜２５％、セルロース４５〜５０％
・針葉樹：ヘミセルロース１５〜２０％、リグニン２５〜３０％、セルロース４５〜５０％
このように、植物の主成分は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンであり、その含有率が９０数％に達する。その他、副成分として、灰分、樹脂、精油、タンニン、色素、含窒素化合物がある。

そして、上記のような、植物片が熱軟化して粘土のように流動性を有する性質は、植物の細胞の主成分であるセルロース、ヘミセルロース、リグニンに起因するものである。そのため、本発明は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを主成分とする植物材料であれば適用できる。すなわち、本実施形態において、植物片には、木片、種子、根、茎、葉などの植物を構成するあらゆる部分が含まれる。例えば、もみがらなども含まれる。

以下では、植物片として木片を用いたときの実施形態について説明するが、本発明は、上述したように、木片に限らず、植物のきれはしであればよい。また、言うまでもなく、以下で述べる木片の材質は木材の種類に限定されるものではない。例えば、杉、松、ヒノキなど様々な木材の切れ端などの木片を用いることができる。

（加圧装置）
本実施形態では、後述するように所定の成形温度になるまで加熱を行っている間は木片中の水分が逃げないように密閉状態とし、当該成形温度に到達した時点で水分を逃がすために開放状態にする。そのため、本実施形態で用いる加圧器具は、開閉式コックを有する密閉金型を備える。

図２の（ａ）（ｂ）は、本実施形態で用いられる加圧器具の一例を示す図である。加圧器具１は、内部の空間を密閉状態にすることが可能な密閉金型５と、当該密閉金型５の内部に設置され、木片を所望の形状に成形するための成形金型９とを備える。

密閉金型５は、円筒状の外型３と、当該外型３の内径よりもわずかに小さい直径を有する円板状の２つの加圧工具２と、外型３の内部の中空部分と外部空間との通気のオン／オフを切り換える開閉式コック４とを備えている。

２つの加圧工具２は、外型３の内部に上下方向から嵌め込まれる。加圧工具２の側壁にはＯリングが付けられている。これにより、外型３と２つの加圧工具２とで囲まれた空間は、開閉式コック４が閉状態である場合に密閉状態となる。そして、開閉式コック４を開状態にすることで、当該空間と外部との間で通気可能となる。

成形金型９は、木片を所望の形状に成形するためのものであり、当該所望の形状に応じた形状を有している。図２の（ｂ）は、杯型の形状に成形する場合の成形金型２の一例を示している。なお、図中の寸法の単位はｍｍである。この場合、図２の（ｂ）に示されるように、成形金型２は、半割型７と上ポンチ６と下ポンチ８とからなる。

加圧器具１は、成形金型９を外型３の内部に設置し、当該成形金型９を挟むように２つの加圧工具２を外型３に嵌め込む。そして、２つの加圧工具２に対して上下方向にプレス機により加圧して成形する。

（加工方法）
次に、本実施形態の植物の加工方法について説明する。図１は、本実施形態の植物材料（ここでは木材）の加工方法の流れを示す図である。また、図３は、図１に示す各工程の状態を示す図である。

まず、図１及び図３に示すように、木片１０を加圧器具１の中に設置する（ステップ（以下、Ｓ）１）。ここで、設置される木片１０は、加圧成形後の所望の体積および圧縮率を考慮して、その体積が定められる。

また、設置される木片１０は、所定の含水率（例えば１０％）を有するように予め処理されている。本明細書において、含水率は、乾量基準含水率であり、全乾重量（（乾燥器の中で温度１００〜１０５℃で乾燥させ、恒量に達した時の重さ）Ｗ０、水分を含んだ状態の重量Ｗ１としたとき、
含水率（％）＝（Ｗ１−Ｗ０）／Ｗ０×１００
により求められる。

なお、木片をある温度と湿度の所へ放置すると、それに見合った含水率になり変化しなくなる。通常の大気温度と湿度に平衡した状態を気乾含水率という。気乾含水率よりも小さい含水率にする場合には、乾燥状態（１１０℃の送風空間）の中に置けばよい。一方、気乾含水率よりも大きい含水率にする場合には、沸騰した蒸留水の中に木片を入れ、常温に戻るまで浸け込む。その後、所望の含水率になるまで乾燥状態（１１０℃の送風空間）におくことにより、所望の含水率の木片を得ることができる。

次に、開閉式コック４を閉状態にする（Ｓ２）。

続いて、図１および図３の（ｂ）に示されるように、所定の成形圧力（例えば、１００ＭＰａ）を負荷した状態で、加圧器具１の内部が所定の成形温度（例えば、１６０℃）に到達するまで、加圧器具１を加熱する（Ｓ３）。このとき、図３の（ｂ）に示されるように、木片１０が熱軟化して流動性を有し、金型の形状に沿って変形し始める。この変形が生じていることは、上の加圧工具２のストローク量を見ることにより確認される。すなわち、Ｓ３のときにストローク量が大きく変化する。特に、加圧器具１の内部が１００℃付近のときに流動性が生じる。

なお、加圧器具１の内部の温度と外型４の温度との相関関係については予め実験によって求められている。この実験結果に基づいて、外型４の温度を測定することにより加圧器具１の内部の温度を求めることができる。

そして、図３の（ｃ）に示されるように、加圧器具１の内部が所定の成形温度に達した時点で、開閉式コック４を開状態にし、上記所定の成形圧力および成形温度を所定の保持時間ｔ２だけ保持する（Ｓ４）。これにより、木片１０に含まれていた水分が外部に排出される。水分が排出されることにより木片１０の流動性がなくなり、木片１０は成形金型に沿った形状を保持したまま固形化し始める。

なお、開閉式コック４を閉状態（Ｓ２）にしてから開状態にするまでの時間である開栓時間ｔ１は、加圧器具１の大きさや成形温度によって適宜設定すればよい。なお、図２の（ａ）（ｂ）に示すような加圧器具１を用いた場合、開栓時間ｔ１は、例えば６５分である。

また、保持時間ｔ２についても成形体の大きさに応じて適宜設定すればよい。図２の（ａ）（ｂ）に示すような加圧器具１を用いた場合、保持時間ｔ２は、例えば６０分である。

その後、加圧および加熱処理を終了し、図３の（ｄ）に示されるように、常温まで冷却してから加圧器具１を分解して、成形体２０を取り出す（Ｓ５）。

このように、密閉状態で加圧・加熱を行っているため、水分を含む木片１０が軟化温度に達し、流動性を保ちながら成形金型９内に充填する。そして、開閉式コック４を開状態にして水分を抜きながら加圧することで良好な成形体を得ることができる。一方、加熱中に開状態にすると水分が蒸発して抜けてしまい、木片１０の流動性が不十分になってしまう。

（成形体の評価１：硬さ、密度）
含水率約１０％（気乾含水率）のスギ材の木片および図２の（ａ）（ｂ）に示す加圧器具１を用いて得られた成形体のビッカース硬度および密度を測定した。なお、測定対象の成形体の成形条件は、成形圧力１００ＭＰａ、成形温度１６０℃、開栓時間ｔ１＝６５分、保持時間ｔ２＝１０分である。

図４の（ａ）（ｂ）は、測定位置を示している。まず、図４の（ａ）に示されるように、成形体の中心断面が得られるように厚さ５ｍｍの成形体の一部分を切り出す。その後、中心断面を１０００番やすりにて研磨後にビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さは、成形体の中心断面を図４の（ｂ）に示すように、Ｏ点からＬ方向に１ｍｍ間隔で測定した。なお、杯型の成形体の各部分を、図４の（ｂ）に示すように、土台部分、軸部分、容器部分とする。木片１０は、土台部分、軸部分、容器部分の順に流動する。

図５は、ビッカース硬さの測定結果を示すグラフである。図５において、横軸はＯ点からのＬ方向への距離（図４の（ｂ）参照）を示している。なお、図５では、参考のため同一木材の粉末（粒径３００μｍ以下）を用いて同じ成形条件にて成形して得られた成形体の測定結果についても示している。

図５に示されるように、木片を用いた得られた成形体のビッカース硬さの平均値は、２９．４ＨＶ０．１である。これに対し、粉末から得られた成形体のビッカース硬さの平均値は、２４．１ＨＶ０．０５である。このように、木片から得られた成形体は、粉末から得られた成形体に比べて、わずかに硬さが強いことがわかった。

また、ビッカース硬さの測定用に切断した厚さ５ｍｍの成形体の一部を５ｍｍ間隔に分割し、各片について密度を測定した。

図６は、密度の測定結果を示すグラフである。図６において、横軸はＯ点からのＬ方向への距離（図４の（ｂ）参照）を示している。図６に示されるように、密度の平均値は、約１．３６ｇ／ｃｍ^３であった。また、木片から得られた成形体と粉末から得られた成形体とでは差が見られなかった。つまり、木片を用いても密度の高い成形体を得ることができることがわかった。

また、ビッカース硬さおよび密度ともに、土台部分、軸部分、容器部分での差はほとんど見られなかった。また、各部分の端部でわずかにビッカース硬さおよび密度が小さくなる傾向が見られるが、これは、各部分の境界での木片の移動や割型間への流出が大きいことが原因であると考えられる。ただし、全体として硬さおよび密度が高く、安定した成形体が得られることが確認された。

（成形体の評価２：３点曲げ試験）
次に、上記成形体の評価１と同一の成形条件にて、直径５ｍｍの円柱状の成形体を成形し、３点曲げ試験を行った。円柱状の成形体を得るためには、図７の（ａ）（ｂ）に示されるような円柱状の中空部分を有する成形金型９’を用いればよい。

なお、ここでは、試験片として、木材の粉末から得られた成形体（比較例）、図７の（ｂ）で示されるように、成形金型９’の円柱状の中空部分の軸方向と木片１０の木目１１とがほぼ平行になるように設置した状態で成形することにより得られた成形体（実施例１）、図７の（ａ）で示されるように、当該軸方向と木片１０の木目１１とがほぼ垂直になるように設置した状態で成形することにより得られた成形体（実施例２）とを用いて測定した。

なお、３点曲げ試験の試験条件は、図８に示すとおりである。なお、図８において寸法の単位はｍｍである。

図９は、３点曲げ試験の試験結果を示す荷重−たわみ曲線のグラフである。図９に示されるように、比較例および実施例１・２の成形体は、いずれもほぼ同じたわみ量だけ撓むことがわかった。また、その際の荷重については、いずれも５０Ｎ以上あることがわかった。

（木片の流動性について）
含水率約１０％（気乾含水率）のスギ材の木片および図２の（ａ）（ｂ）に示す加圧器具１を用いて、成形圧力１２０ＭＰａ、成形温度１６０℃とした場合の時間の経過に伴う、すなわち１５分、３０分、４５分、６０分における成形体の形状を確認した。図１０は、時間の経過による成形体の形状の変化を示す図である。つまり、図１０は、木片を含水率約１０％、成形圧力１２０ＭＰａ、成形温度１６０℃の成形条件下で成形したときの当該木片の流動挙動を示している。図１０に示されるように、時間が増えるに従い、つまり、木片を含水率約１０％、成形圧力１２０ＭＰａ、成形温度１６０℃の条件下で保持している時間が増えるに従い、杯型の土台部分から軸部分へ、さらには容器部分へと順に流動している様子がわかる。なお、この流動挙動は、成形条件によって異なる。

（成形条件について）
含水率が高い場合、流動性が良好になるため低い成形圧力でも金型内に木片を充填させることができる。このように、含水率、成形圧力、成形温度は、木片の流動性を確保できる範囲で適宜設定することができる。

なお、本発明者らは、含水率１０％以上、成形圧力１００ＭＰａ以上、成形温度１３０℃以上２００℃以下において、木片の流動性が複雑な形状を成形するのに十分となり、硬さおよび密度の安定した成形体を得ることができることを確認している。

含水率が１０％未満である場合、必要な成形圧力が大きくなるとともに、流動性が不十分となる可能性がある。一方、含水率が３０％を超えるような高い値の場合、木片の流動性が増大する。その結果、成形体に含まれる水分が多くなるため、開閉式コックを開状態にした後に収縮割れが生じる可能性がある。ただし、このような場合、保持時間ｔ２を増やすなどの対応が可能である。

さらに、成形圧力が１００Ｍｐａ未満である場合、複雑な形状の成形金型に対する木片の充填性が不十分となる可能性がある。

さらに、成形温度が１３０℃未満である場合、木片の流動性が得られない。一方、成形温度が２００℃を超える場合、木片に熱分解が生じ、良好な成形体が得られない。

なお、上記では、木片を用いた実施例について説明したが、本発明者らは、木片以外の植物片（例えば、もみがら）であっても、木片と同様の条件で加工することにより良好な成形体が得られることを確認している。

以上のように、本実施形態の植物の加工方法は、水分を含む木片（植物片）１０に対して、当該木片１０中の水分を保持した状態で加圧および加熱を行うことにより流動性を与え、流動性を有する木片を所定の形状に成形し、木片の成形体中の水分を抜いたのち常圧かつ常温に戻して当該木片の成形体を得るものである。

より具体的には、水分を含む木片１０を加圧器具（成形型）１の内部に設置し、加圧器具１の内部を密閉状態にする工程（Ｓ２）と、木片１０に対して加熱および加圧を行う工程（Ｓ３）と、木片１０が所定の成形温度に達した後に、加圧器具１の内部と外部とを通気可能にし、所定時間だけ圧力及び温度を保持した後（Ｓ４）、冷却してから加圧器具１から木片１０の成形体を取り出す工程（Ｓ５）と、を含むものである。

水分を保持した状態で加圧および加熱を行うことにより植物片である木片が流動性を得るため、粘土や金属のように塑性加工によって、任意の形状に成形することができる。そして、任意の形成に成形した流動性を有する木片の水分を抜くことにより当該木片の流動性がなくなり固形化する。そして、常圧かつ常温に戻すことにより、任意の形状に成形および固形化された成形体を得ることができる。

このように本発明によれば、植物材料を粉末状にすることなく、かつ、接着剤を用いることなく、植物を任意形状に成形することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、これまで廃棄物として処理されていた木片などの植物片を、粉末状にする処理および接着剤なしに任意の形状に成形することができる。そのため、本発明は、例えば木製の各種の容器や置物、部品などの製造工程に適用できる。

Claims (6)

1. 水分を含む植物片に対して、当該植物片を密閉状態の中において当該植物片中の水分を保持しながら加圧および加熱を行うことにより流動性を与え、上記流動性を有する植物片を所定の形状に成形し、その後、密閉状態を開放して上記植物片の成形体中の水分を抜いたのち常圧かつ常温に戻して当該植物片の成形体を得る植物の加工方法。
2. 水分を含む植物片を成形型の内部に設置し、上記成形型の内部を密閉状態にして、上記植物片に対して加熱及び加圧を行い植物片を流動させて成形する第１工程と、
   上記植物片が所定の成形温度及び成形圧力に達した後に、上記成形型の内部と外部とを通気可能にする第２工程と、
   所定時間だけ圧力及び温度を保持した後、冷却してから上記成形型から上記植物片の成形体を取り出す第３工程と、
   を含む植物の加工方法。
3. 上記植物片が含む水分の含水率が１０％（重量比）以上である請求項１または２に記載の植物の加工方法。
4. 上記植物片に対して１００ＭＰａ以上の圧力を加圧する請求項１から３の何れか１項に記載の植物の加工方法。
5. 上記植物片を１３０℃以上２００℃以下に加熱する請求項１から４の何れか１項に記載の植物の加工方法。
6. 上記植物片は木片である請求項１から５の何れか１項に記載の植物の加工方法。