JP6450489B1 - 塑性加工木材 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、杉材、檜材のように低密度で強度や硬度が不足しているものにあっては、例えば、本発明者が先に特許を取得している特許文献1等で開示したように、圧縮して高密度化することによる強度特性の改良を行うことで、建築材料、家具材料等として実用化している。
したがって、節が高比重で硬いことに加え、例えば、木材の繊維方向に対して垂直方向に圧縮力を加える圧縮(放射方向圧縮、板目面の加圧)では、加える圧縮力の方向に節の繊維が走向しており、年輪の木目と節部の繊維走向の相違による圧縮強度の異方性からしても、節の部分は、極めて圧縮され難いものとなっている。
このため、1対の熱板プレス等を用いて板目材の厚み全体をその年輪の繊維方向に対して垂直方向に圧縮(放射方向圧縮、板目面の加圧)したとき、その圧縮方向に繊維が走向する硬い節が存在していると、その節の部分では圧縮され難いことで大きな圧縮応力が生じる。また、節周辺においても年輪の木目の繊維走向に乱れ、傾斜があることで比較的大きな圧縮応力が生じ易い。したがって、節の繊維方向に無理な圧縮力が加えられると、節の繊維やその周辺の木材の繊維が座屈して或いは破壊されて、節部に割れ(クラック、亀裂)等が発生する。更に、節及びその周辺の割れ(クラック、亀裂)が広がることで板目面の繊維方向にも割れが生じる。
このため、例えば、1対の熱板プレス等を用いて板目材の厚み全体をその年輪の繊維方向に対して垂直方向に圧縮(放射方向圧縮、板目面方向の加圧)したとき、硬い節の部分では圧縮され難いことで比較的大きな圧縮応力が生じ、また、節周辺においても年輪の木目の繊維走向に乱れ、傾斜が生じていることで比較的大きな圧縮応力が生じ易い。したがって、節部に無理な圧縮力が加えられると、節の繊維の傾斜が大きくなって木材内部に割れ(クラック、亀裂)等が発生する。特に、高い圧縮力を加えた際には、木材表面にまで、割れ(クラック、亀裂)が達する。
なお、上記板目面とは、木材の年輪の繊維方向(木目の長さ方向)と並行にあって年輪線の接線方向に切断された材面のことである。また、上記木口面とは、木材の年輪の繊維方向に対して交差する方向に切断された材面、即ち、木材の繊維方向に対して垂直または斜めに切断された材面のことである。更に、上記柾目面とは、木材の年輪の繊維方向と並行にあって年輪線の放射方向(半径方向)に切断された材面のことである。加えて、上記追柾(流れ柾、半柾と云われることもある)とは、柾目と板目の中間的な木取りまたは木目のことである。また、木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮により前記木材が塑性加工されてなる塑性加工木材とは、木材の圧縮成形により圧密加工された木材であることを意味する。
上記裏層部は、前記表層部に対して反対面側に形成され、圧縮率が前記表層部に次いで高い中密度塑性加工領域であり、前記表層部よりも低い圧縮率であるが内層部よりは高い圧縮率により気乾比重、繊維密度が高くなった領域である。
上記内層部は、前記表層部と前記裏層部の間に介在し、圧縮率が最も低い低密度塑性加工領域であり、低圧縮率のために気乾比重、繊維密度が低い領域である。
これら、前記表層部と前記裏層部と前記内層部によって、前記圧縮率を異にする3層構造からなる少なくとも前記表層部と前記裏層部を圧縮した表層圧縮としている。
そして、上記木口面において前記表層部と前記内層部の境界に年輪線の屈曲点を有するとは、前記表層部と前記内層部の圧縮率の相違、即ち、細胞の圧縮変形量の相違が、早材部の細胞の圧縮変形による空隙の減少、細胞壁の重複による早材部と年輪線を構成している晩材部との配列状態に影響し、前記表層部と前記内層部で明らかな密度差があることにより、年輪線の曲線方向が変わる点があることを意味する。つまり、塑性加工による前記表層部と前記内層部の圧縮率の相違が、早材部と晩材部より構成される年輪幅に表れ、その年輪幅の相違が木口面の年輪線に屈曲として顕在化したものであり、その屈曲点は前記表層部と前記内層部の境界上に存在している。
圧縮率〈%〉
=[1−{(元の木材の気乾密度)/(塑性加工木材の特定の層の気乾密度)}]
×100 ・・(A)
で定義されるものである。
例えば、杉材を塑性加工してなる塑性加工木材において、高密度濃色領域である表層部のみを切削して取出し、その表層部の気乾密度を測定したときに表層部の気乾密度が760〈kg/m3〉であるとすると、杉材の気乾密度は平均380〈kg/m3〉であるから、上記(A)式より、表層部の圧縮率は50%である。
そして、上記圧縮率は、最終製品の寸法形状に対応するものであり、最終製品の気乾密度を測定し、元の木材の気乾密度からの変化を算出したものである。
例えば、自然物の国産或いは国内でよく使用される材木の杉の平均気乾密度は380〈kg/m3〉、檜の平均気乾密度は440〈kg/m3〉、カラマツの平均気乾密度は500〈kg/m3〉、ドドマツの平均気乾密度は440〈kg/m3〉、エゾマツの平均気乾密度は430〈kg/m3〉、アカマツの平均気乾密度は520〈kg/m3〉、キリの平均気乾密度は300〈kg/m3〉、クリの平均気乾密度は600〈kg/m3〉、ヒバの平均気乾密度は470〈kg/m3〉、ケヤキの平均気乾密度は690〈kg/m3〉、ウォールナットの気乾密度は470〈kg/m3〉、ブナの平均気乾密度は650〈kg/m3〉、ナラの平均気乾密度は630〈kg/m3〉、クリの平均気乾密度は600〈kg/m3〉、カバの平均気乾密度は600〈kg/m3〉、イタジイの平均気乾密度は610〈kg/m3〉、カリンの平均気乾密度は610〈kg/m3〉、ファルカタの平均気乾密度は270〈kg/m3〉は0.27、マラパパイヤの平均気乾密度は500〈kg/m3〉、グメリナの平均気乾密度は450〈kg/m3〉、ゴムの平均気乾密度は640〈kg/m3〉、イエローポプラの平均気乾密度は450〈kg/m3〉、イタリアポプラの平均気乾密度は350〈kg/m3〉、アカシアマンギウムの平均気乾密度は630〈kg/m3〉である。
なお、上記気乾密度の測定は、例えば、高密度濃色領域である表層部、低密度薄色領域である内層部、中密度濃色領域である裏層部をそれぞれ切削して切り離すことで測定できる。
また、前記表層部側からその反対面側の前記裏層部側までの厚み方向の密度分布は、前記表層部の表面側及び前記裏層部の裏面側から前記内層部の中心側に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化しているものである。即ち、前記表層部と前記内層部、また、前記内層部と前記裏層部には明らかな密度差があるが、各表層部、内層部、裏層部内において、その密度分布は均一でなく、それらの密度は表層部の表面や裏層部の裏面に近いほど高く、木材内側に向かって徐々に低下しているものである。
なお、上記板目面とは、木材の年輪の繊維方向(木目の長さ方向)と並行にあって年輪線の接線方向に切断された材面のことである。また、上記木口面とは、木材の年輪の繊維方向に対して交差する方向に切断された材面、即ち、木材の繊維方向に対して垂直または斜めに切断された材面のことである。更に、上記柾目面とは、木材の年輪の繊維方向と並行にあって年輪線の放射方向(半径方向)に切断された材面のことである。加えて、上記追柾(流れ柾、半柾と云われることもある)とは、柾目と板目の中間的な木取りまたは木目のことである。また、木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮により前記木材が塑性加工されてなる塑性加工木材とは、木材の圧縮成形により圧密加工された木材であることを意味する。
上記裏層部は、前記表層部に対して反対面側に形成され、内層部よりも高い圧縮率により気乾比重、繊維密度が高くなり濃色化した濃色領域である。
上記内層部は、前記表層部と前記裏層部の間に介在し、前記表層部及び裏層部よりも低い圧縮率のために気乾比重、繊維密度が低いことで前記表層部及び前記裏層部よりも薄色の色調を呈する薄色領域である。
そして、この木口面の年輪線が、濃淡の相違により区別できる前記表層部と前記内層部の境界上、及び、同じく濃淡の相違により区別できる前記内層部と前記裏層部の境界上に屈曲点を有する。
このような請求項1の発明に係る塑性加工木材は、木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮で、表面側からその反対面側の裏面側までの厚み方向において、その表層側及び裏層側で圧縮率を高くし、その間の内部を低い圧縮率とする塑性加工材であるから、表層側及び裏層側が圧縮され易く木材内部が圧縮され難い状態とされ、木材内部に圧縮によるストレスが掛かり難いようにされたものである。
なお、前記表層部と前記裏層部と前記内層部からなる表層圧縮材は、木口面に表れる前記表層部と前記内層部の境界及び前記内層部と前記裏層部の境界に年輪線の屈曲点を形成したものであるが、木材が自然物であるから、明確な年輪線の屈曲点が現れるのみではなく、場所によっては明確な年輪線の屈曲点が現れない場合も、複数現れる場合もある。
また、請求項1の発明に係る塑性加工木材によれば、表層部を最も高い圧縮率の高密度塑性加工領域として元の木材の傷付き易さを解消でき、更に、内層部よりも高い圧縮率の表層部及び裏層部で内層部を平行的に挟んだ3層構造により、機械的に安定した強度となるから、元の木材よりも機械的強度を強くできる。そして、内層部よりも高い圧縮率の表層部及び裏層部で内層部を挟んでいることで、表裏で膨張収縮率のバランスがよい。特に、膨張収縮率の大きい木表側を表層部としたとき、そこを高密度の塑性加工とする一方で、膨張収縮率の小さい木裏側の裏層部を表層部よりも低い圧縮率の塑性加工とするから、元の木材の表裏の膨張収縮率の差がバランスされる。更に、節部及びその周囲の高い吸放湿特性により周囲環境条件の変化でそこに収縮膨張力が生じても、内層部は圧縮率の低い低密度塑性加工領域であるから、そこが緩衝作用を持つ。よって、周囲環境条件が変化したときでも内部の応力の発生が少ないものとなる。
したがって、節部が存在する場合であっても、周囲環境条件の変化で節部に掛かるストレスは少なく、木材の割れ(クラック、亀裂)を生じさせない対応である。また、全体の歪みの発生も少なく、寸法形状安定性が高いものである。
本発明者らの実験研究によれば、加熱圧縮により各層の気乾密度が上記範囲内とされる塑性加工によって、請求項1または請求項2に記載の効果に加えて、全体で膨張収縮率のバランスがよく、周囲環境条件が変化したときの木材の収縮膨張による内部の応力を少なくできる。よって、木材に10%〜20%の高い占有率で節部が存在している場合であっても、周囲環境条件が変化したときの収縮膨張率の違いによるストレスで木材内部の節部Kやその周囲で割れ(亀裂、クラック)が生じることがなく、安定した品質が確保される。
また、前記表層部側からその反対面側の前記裏層部側までの厚み方向の密度分布は、前記表層部の表面側及び前記裏層部の裏面側から内側に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化していることから、木材の厚み方向で密度差の急激な変化が生じないことで、収縮膨張力の相違による応力の集中も生じ難いものである。よって、節部が存在する場合であっても、周囲環境条件の変化による節部へのストレスを小さくでき、節部の割れ(クラック、亀裂)、木材の割れ、全体の歪み等が生じ難い。
よって、木材内部で節部やその周囲の繊維に圧縮による過剰なストレスが掛かり難く、加熱圧縮力による節部の応力の発生を少なくしたものであるから、節部やその周囲の繊維の傾き、座屈、潰れ、破壊等が生じ難く、木材の割れ(クラック、亀裂)が生じ難いものである。
したがって、節部が存在する場合であっても、周囲環境条件の変化で節部に掛かるストレスは少なく、木材の割れ(クラック、亀裂)を生じさせない対応である。また、全体の歪みの発生も少なく、寸法形状安定性が高いものである。
本発明者らの実験研究によれば、加熱圧縮により各層の厚みが上記範囲内とされる塑性加工によって、請求項1乃至請求項4の何れか1つに記載の効果に加えて、木表側板目面または追柾面での測定で直径1cm以上の大きな節部が木材の厚み方向に貫いて存在する場合でも、節部に掛かる圧縮ストレスを少なくできて、節部やその周辺の繊維の座屈、破壊等による木材の割れ(クラック、亀裂)等が発生し難い。その上、圧縮による節部及びその周囲の顕著な濃色化、黒色化が抑えられ、表面意匠性が損なわれることもない。また、表裏の厚み、圧縮率のバランスもよく、周囲環境条件が変化しても高い寸法形状安定性を確保でき、節部がある場合でも節部やその周囲の割れが生じ難い。
なお、本実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は、同一または相当する部分及び機能を意味するものであるから、ここでは重複する説明を省略する。
更に、木材の圧縮強度の異方性から、木材の強度特性を高めるために、通常、年輪の繊維方向(木目の長さ方向)に対し垂直方向に加圧、例えば、板目材であれば板目面に対し加圧(放射方向の圧縮)を行うところ、図4(a)や図5(a)に示すように、木材の節部Kは、木目の長さ方向に対し垂直方向、つまり、圧縮方向にその繊維が走向するから、圧縮に強い。
こうして節部Kが高比重で硬くなっていることに加え、年輪線RLと節部Kの繊維走向の方向性の相違からしても、節部Kは非常に圧縮され難いものとなっている。
更に、木材の厚み全体を高圧縮した場合には、節部K及びその周囲の比重が高まることで、木材表面の節部Kの濃色化、黒色化が顕著になり、意匠性を損ねてしまう問題もあった。
特に、表層部Fを最も高い圧縮率とし、表層部Fとは反対面側の裏層部Rを表層部Fよりも低い圧縮率とし、更に、表層部Fと裏層部Rの間に介在する内層部Iを最も低い圧縮率とする塑性加工は、木材の内部である内層部Iを表裏層側に比べ圧縮され難い状態とし、即ち、上下方向からの平面的なプレス圧縮によっても荷重が掛かり難い領域とし、更に、表裏で圧縮率が相違することで、木材の厚み方向に対して加えた加熱圧縮力に対する木材内部の応力の集中が緩和され、木材内部に掛かる圧縮ストレスが少なくされたものである。
したがって、木材に節部Kが存在する場合でも、その節部K全体に無理な圧縮力、ストレスが掛からず、特に、木材内部で節部Kの繊維に過剰なストレスが掛からないことで、節部Kの繊維の座屈、潰れ、破壊等が生じ難いものとなり、木材の割れ(クラック、亀裂)が生じ難くなる。
特に、節部Kの組織は、木材の木表側から木裏側にかけてサイズが縮小する傾向にあることで、木材の表裏面側から内部に向かって節部Kが押圧されても、サイズが大きい木表側の節部Kの組織の変化をサイズが小さい木裏側の節部K組織の周囲の木材組織の軟化変形によって節部Kの変形、動き、移動を吸収できる。このため、圧縮力を加えても節部Kに発生する応力は小さく、節部Kの破壊等を生じさせない対応となる。
よって、木材に節部Kが存在しても、木材割れ(亀裂、クラック)が生じない塑性加工である。
ここで、図1乃至図5で示したように、本実施の形態の塑性加工木材PWでは、圧縮率の相違による明らかな密度差から、木材の厚み方向において、濃色領域の表層部F、薄色領域の内層部I、濃色領域の裏層部Rが順に形成されており、これら濃色領域の表層部F、薄色領域の内層部I、濃色領域の裏層部Rは木口面で濃淡の色調で区別できる。
そこで、表層部F、内層部I、裏層部Rの各層を木目の繊維方向に対して並行方向(木口面に対して垂直方向)に切りだして、各層毎の気乾密度を測定することで、下記の式(A)より各層毎の圧縮率を求めることが可能である。
圧縮率〈%〉
=[1−{(元の木材の気乾密度)/(塑性加工木材PWの表層部F,内層部I,裏層部Rの気乾密度)}]×100 ・・(A)
よって、木表側板目面または追柾面での測定で、例えば、直径1cm以上の大きな節部Kが厚み方向に貫通して存在する場合でも、また、節部Kの占有率が10%〜20%のものでも、節部Kに掛かる圧縮ストレスが少なくて、節部Kの繊維の座屈、押し潰れ、破壊等が生じ難く、木材割れ(亀裂、クラック)が生じ難い塑性加工となる。また、節部Kが厚み方向に貫通して存在する場合でも、圧縮による節部K及びその周囲の顕著な濃色化、黒色化が抑えられ、表面意匠性を保持できる。更に、表裏の厚み、圧縮率のバランスもよく周囲環境条件が変化しても高い寸法形状安定性を確保できる。
そして、最終的に製品化されるときの切削代(例えば、通常、1〜4mm)を含めても、表層部Fの厚みは、例えば、2mm〜7mmの範囲内、好ましくは、2mm〜5mmの範囲内であり、内層部Iの厚みは、10mm〜45mmの範囲内、好ましくは、15mm〜30mmの範囲内であり、裏層部Rの厚みは、2mm〜6mmの範囲内、好ましくは、2mm〜5mmの範囲内である。
ここで、屈曲点f1の屈曲度とは、木口面において、屈曲点f1から内層部Iの年輪線RLを表層部Fに向かって延長する直線状の仮想線I1を引いたときその仮想線I1に対する表層部Fの年輪線RLの傾き角度θ1のことである。また、屈曲点f2の屈曲度とは、木口面において、屈曲点f2から内層部Iの年輪線RLを裏層部R1に向かって延長する直線状の仮想線I2を引いたときその仮想線I2に対する裏層部Rの年輪線RLの傾き角度θ2のことである。そして、屈曲点f1の屈曲度が屈曲点f2の屈曲度よりも大きいとは、θ1>θ2であることを意味する。(図1及び図2参照)
したがって、木材に節部Kが存在する場合でも、その節部K全体に無理な圧縮力、ストレスが掛からないようにし、特に、木材内部で節部Kの繊維に過剰なストレスが掛からないことで、節部Kの繊維の座屈、潰れ、破壊等が生じ難く木材が割れを生じさせないものである。
ここで、屈曲点f1の屈曲度が±0〜30度とは、木口面において、屈曲点f1から内層部Iの年輪線RLを表層部Fに向かって延長する直線状の仮想線I1を引いたときその仮想線I1に対する表層部Fの年輪線RLの傾き角度θ1=±0〜30度である。なお、屈曲との表現からすれば、厳密には表層部Fの年輪線RLの傾きθ1=0度とならないが、自然物を相手にするものであるから、θ1≒0度の場合もあるので、傾き角度θ1=±0〜30度と表現することとする。
本発明者らの実測によれば、傾き角度θ1>30度となる高圧縮とすると、表層部Fと内層部Iの境界にストレスの集中、年輪線RLの座屈変形により割れ(クラック、亀裂)が入りやすくなるが、屈曲点f1の屈曲度が±0〜30度の範囲内、つまり、年輪線RLの傾き角度θ1=±0〜30度とすることで、割れ等が入らないで表面が傷付き難くなり、安定した強度が得られ、高い製品品質を確保できる。
そして、それら圧縮率の相違による明らかな密度差により、表層部F及び裏層部Rが濃色領域であるのに対し、それらの間の内層部Iが薄色領域である3層の区別が見られるが、木材の厚み方向の密度分布については、表層部F、内層部I、裏層部Rの各層で密度が均一ではなく、表層部Fの表面側及び裏層部Rの裏面側から内側に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化している。本発明者らの実験研究によれば、例えば、25mm厚の塑性加工木材PWでは、表層部Fの表面から10〜18mm程度の深さまで徐々に密度の低下が見られ、それ以降の深さでは、裏層部Rの裏面に近づくにつれ徐々に密度が高くなることを確認している。なお、杉材等では年輪線の間を構成している早材部と年輪線を構成している晩材部とが存在するところ、それら早材部と晩材部で密度差が存在するため、表層部Fの表面側及び裏層部Rの裏面側から内側に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化しているも、厳密にはその間の密度の変化は必ずしも直線的に密度の高い値から低い値に下降するのではなく、上下動する。
加工前木材NWは、間伐材、風害・水害・雪害・森林火災・凍害・虫害等の自然災害によって倒れたり芯割れを起こしたりして丸太の状態では使えなくなった傷害木材、端材等を用いてもよい。これによって、低コスト化を図ることができ、また、環境美化にも貢献することができる。
木材全体の含水率として測定される含水率が、好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下であれば、木材の内部側の含水率が極めて低い状態となり木材の内部側が高い繊維強度を持って圧縮され難い状態となる。これより、後に水分付加される木材の表裏面側に後の加熱圧縮による圧縮が集中することになり、木材の内部側に圧縮ストレスが掛かり難くなる。よって、節部Kが存在する場合でも、後の加熱圧縮で木材の内部に圧縮ストレスが掛かり難いことで、節部Kに無理な圧縮力が加えられないから、節部Kの繊維の座屈、破壊等が生じ難い。また、このように木材内部の含水率を極めて低い状態としても、節部Kが存在すると、その節部Kの周囲では節部Kの高い吸湿特性によって後の加熱圧縮時に組織が適度に柔らかくなるから、節部Kが外力を受けたときでも節部Kの動きに追従して組織を変形させることができ、節部Kやその周辺に大きな応力、ストレスが掛かることがない。そして、木材全体の含水率として測定される含水率が、好ましくは5%以上、より好ましくは8%以上であれば、木材内部で圧縮され難い強度を確保でき、節部Kが存在する場合でも、節抜けが生じ難く、また、その後の寸法変化も生じにくい状態となる。
例えば、図6(c)や図7(c)に示すように、水Wが張られた水槽5内の水Wの中に乾燥木材DW全体を浸漬することにより、乾燥木材DWの表面側に対して水分付加を行うことができる。なお、乾燥木材DWを浸漬するための水槽5内の水Wの中に乾燥木材DWを浸漬するに際しては、枠体や金網状の容器等に入れ、乾燥木材DWが浮力で浮き上がらないようにするため、乾燥木材DWの上面側に、ストッパー、蓋等が設けられる。
ここで、図8及び図9に示すように、表面含水木材WWに対して圧密加工を行う塑性加工木材製造装置100は、主として、上プレス盤10Aと下プレス盤10Bとの2分割された構造体によって内部空間ISを形成するプレス盤10と、下プレス盤10Bの周縁部10bに対向する上プレス盤10Aの周縁部10aに配設され、上プレス盤10Aの所定の上下動の範囲で内部空間ISを密閉状態とするシール部材11と、上プレス盤10Aの上面側から内部空間IS内に連通され、内部空間IS内に蒸気を供給するための配管口12aを有する配管12と、その上流側のバルブV4と、下プレス盤10Bの側面側から内部空間IS内に連通され、内部空間IS内から水蒸気を排出するための配管口13aを有する配管13と、配管13内の蒸気圧を検出する圧力計P2と、その下流側のバルブV5と、バルブV5に接続されたドレン配管14等から構成されている。
本実施の形態では、プレス盤10の上プレス盤10A及び下プレス盤10Bの加熱に高温の水蒸気を導入しているが、本発明を実施する場合、プレス盤10の加熱媒体は高温の水蒸気に限定されず、油等を用いてもよいし、木材を高周波加熱、マイクロ波加熱、加熱ヒータ等の加熱手段で加熱することも可能である。特に、木材に対する高周波加熱は、マイクロ波による誘電過熱よりも、マイクロ波よりも若干周波数の低い高周波で、木材の中心から加熱する方法が好適である。
図7(d)に示すように、表面含水木材WWが追柾材の場合には、その木目の長さ方向に対して垂直方向の追柾面をプレス盤10の下プレス盤10Bに載置し、表面含水木材WWの木目の長さ方向に対して垂直な追柾面側がプレス盤10にてプレス圧縮される面となる。
特に、乾燥によって表面含水木材WWの内側が所定の低含水率で高強度状態とされ、また、表面含水木材WWの表面側に水分が付加されていることで、所定温度に加熱したプレス盤10について、下プレス盤10Bを固定し、上プレス盤10Aを可動させて表面含水木材WWの上面に所定の圧力で当接し所定の圧縮スピードで下降させると、木材内層側の高い繊維強度といった力学的特性から、また、表面側の水分及び高熱による木材成分の化学特性変化による強度低下(ヘミセルロースやリグニン等の非晶成分等の加水分解、軟化点の低下)から、上面側が最も圧縮されやすく、次いで下面側が圧縮されやすくなっている一方で、それらの内側では圧縮ストレスが掛かり難く上層側及び下層側よりも低い圧縮率となる。
例えば、バルブV4に接続された配管12、配管口12a(図8)を介して、密閉状態とされた内部空間ISに所定の蒸気圧を供給し、上プレス盤10A及び下プレス盤10Bの圧縮圧力及び加熱温度を加熱圧縮の際の圧力及び加熱温度と同じ所定圧力及び温度に保持したまま、密閉状態の内部空間ISが所定の温度及び蒸気圧で所定時間(例えば、20分〜90分)保持される。内部空間ISに所定温度(例えば、110〜210〔℃〕)の高温水蒸気を導入し、密閉状態の内部空間ISを所定の温度及び蒸気圧とすることにより、高温高圧の蒸気の作用によって密閉状態の内部空間IS内に配置されている加熱圧縮された木材全体に対し十分な化学変化を生じさせ性状を一様化させる。これにより、この後の冷却圧縮を解除したときに戻りのない塑性加工木材PWを形成できる。
その後、図9(f)に示すように、固定側の下プレス盤10Bに対して上プレス盤10Aを上昇させ、内部空間ISから仕上がり品である塑性加工木材PWを取出して一連の処理工程が終了する。
しかし、本発明を実施する場合には、上述した製造方法に限定されることなく、例えば、圧縮ローラや圧延ロールを用いた製造であってもよい。
また、表層部Fの気乾密度に対し、内層部Iの気乾密度が0.35〜0.65倍の範囲内であり、裏層部Rの気乾密度が0.6〜0.8倍の範囲内であると、全体で膨張収縮率のバランスがよく、周囲環境条件が変化したときの木材の収縮膨張による内部の応力発生を少なくできる。
よって、木材に10%〜20%の高い占有率で節部Kが存在している場合であっても、周囲環境条件が変化したときの収縮膨張率の違いによるストレスで節部Kやその周囲で割れ(亀裂、クラック)が生じることがなく、安定した品質が確保される。
当然、元の木材NWの全体の体積低下や全体比重が高くなることの重量増加が抑えられ、歩留まりも良好である。
したがって、節部Kが存在する場合であっても、周囲環境条件の変化によって節部Kに掛かるストレスが少なく、木材の割れ(クラック、亀裂)を生じさせない対応であり、また、全体の歪みの発生も少なく、寸法形状安定性が高いものである。
また、上記実施の形態は、節があった場合でも割れのない塑性加工木材PWとして節の問題を解決するものであるが、当然、節がない木材にも適用されて製品として商品化されるものであり、図1乃至図5等で示したように、節の有無を問わずに適用されるものである。
なお、上記板目面とは、木材の年輪の繊維方向(木目の長さ方向)と並行にあって年輪線の接線方向に切断された材面のことである。また、上記木口面とは、木材の年輪の繊維方向に対して交差する方向に切断された材面、即ち、木材の繊維方向に対して垂直または斜めに切断された材面のことである。更に、上記柾目面とは、木材の年輪の繊維方向と並行にあって年輪線の放射方向(半径方向)に切断された材面のことである。加えて、上記追柾(流れ柾、半柾と云われることもある)とは、柾目と板目の中間的な木取りまたは木目のことである。また、木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮により前記木材が塑性加工されてなる塑性加工木材とは、木材の圧縮成形により圧密加工された木材であることを意味する。
上記裏層部は、前記表層部に対して反対面側に形成され、圧縮率が前記表層部に次いで高い中密度塑性加工領域であり、前記表層部よりも低い圧縮率であるが内層部よりは高い圧縮率により気乾比重、繊維密度が高く濃色化した濃色領域である。
上記内層部は、前記表層部と前記裏層部の間に介在し、圧縮率が最も低い低密度塑性加工領域であり、低圧縮率のために気乾比重、繊維密度が低いことで前記表層部及び前記裏層部よりも薄色の色調を呈する薄色領域である。
なお、表層部及び裏層部は木材の木目の長さ方向に対して垂直方向、即ち、木材の厚み方向を上下方向としたとき、その上下の層のことである。そして、木目の長さ方向に対して垂直方向である木材の厚み方向において、圧縮率が最も高い高密度濃色領域を表層部とし、また、その反対面側の表層部よりも圧縮率の低い中密度濃色領域を裏層部として、圧縮率、密度、内層部との色調比較で表層部と裏層部を認識できるところ、例えば、塑性加工木材を床材等として使用する場合、通常、圧縮率の最も高い表層部を使用面、意匠面側とされる。しかし、必ずしも表層部側を使用面、意匠面側としてその使用方向までを特定するものではない。また、通常、加熱圧縮による歪み量から、例えば、板目材の場合、その木表側の板目面側が表層部側となり、木裏側の板目面側が裏層部側となる。なお、塑性加工した木材の樹種は、特に問われず、針葉樹または広葉樹の何れでもよい。例えば、杉、松(カラマツ等)、檜、欅、ウォールナット(胡桃)、イエローポプラ等が用いられる。更に、個々の塑性加工木材について、その節部の有無を問うものでもない。
したがって、節部が存在する場合であっても、周囲環境条件の変化で節部に掛かるストレスは少なく、木材の割れ(クラック、亀裂)を生じさせない対応である。また、全体の歪みの発生も少なく、寸法形状安定性が高いものである。
R 裏層部
I 内層部
PW1,PW2,PW3,PW4 塑性加工木材
NW1,NW2,NW3,NW4 加工前木材
RL 年輪線
BL1,BL2 境界線
f1,f2 屈曲点
Claims (5)
- 木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮により前記木材が塑性加工されてなる塑性加工木材であって、
前記加熱圧縮による圧縮率が最も高い高密度塑性加工領域である表層部及びその反対側で前記表層部よりも低い圧縮率の中密度塑性加工領域である裏層部が、前記表層部及び前記裏層部の間に介在する低密度塑性加工領域である内層部よりも高い圧縮率によって、前記表層部と前記裏層部と前記内層部の3層からなり、前記表層部側からその反対面側の前記裏層部側までの厚み方向の密度分布が、前記表層部の表面側及びその反対面側の前記裏層部の裏面側から内部に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化している表層圧縮材には、
前記木材の木口面に表れる前記表層部と前記内層部の境界及び前記内層部と前記裏層部の境界に形成された年輪線の屈曲点と
を具備することを特徴とする塑性加工木材。 - 前記表層部は、前記加熱圧縮により前記木材の気乾密度に対する圧縮率で45%〜65%の範囲内の圧縮率であり、前記裏層部は、前記木材の気乾密度に対する圧縮率で15%〜40%の範囲内の圧縮率であり、前記内層部は、前記加熱圧縮により前記木材の気乾密度に対する圧縮率で10%〜30%の範囲内の圧縮率であることを特徴とする請求項1に記載の塑性加工木材。
- 前記表層部の気乾密度に対し、前記内層部の気乾密度が0.35〜0.65倍の範囲内であり、前記裏層部の気乾密度が0.6〜0.8倍の範囲内であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の塑性加工木材。
- 木材の木目の長さ方向に対して垂直方向の加熱圧縮により前記木材が塑性加工されてなる塑性加工木材であって、
前記加熱圧縮された両面側である表層部及びその反対側の裏層部が、前記表層部及び前記裏層部の間に介在する内層部よりも高い圧縮率で、前記表層部側からその反対面側の前記裏層部側までの厚み方向の密度分布が、前記表層部の表面側及びその反対面側の前記裏層部の裏面側から内部に向かって徐々に密度の高い状態から低い状態に変化しており、木口面に表れる前記表層部と前記内層部の境界及び前記内層部と前記裏層部の境界に年輪線の屈曲点を有し、前記表層部と内層部の境界上の年輪線の屈曲点の屈曲度が前記裏層部と内層部の境界上の年輪線の屈曲点の屈曲度よりも大きいことを特徴とする塑性加工木材。 - 前記表層部の厚みに対し、前記内層部の厚みが2〜5倍の範囲内であり、前記裏層部の厚みが0.5〜1倍の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1つに記載の塑性加工木材。
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