WO2022004796A1 - 流動成形用木質材料及びそれを含む流動成形用材料並びに木質成形体 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a wood material for flow molding used in a method for producing a wood molded body by shaping by applying pressure, a flow molding material containing the same, and a wood molded body using the flow molding material. ..
- the wood cells contained in the wood material are composed of cellulose, hemicellulose and lignin, and the crystalline cellulose microfibrils in which cellulose aggregates and is oriented in a fibrous form form a cell skeleton in a helical winding structure, while microfibrils. It has a structure in which lignin is filled via hemicellulose.
- the present inventors utilize the fact that the wood cells constituting the wood material are compressed by pressure in the fluid molding, and since the amount of deformation thereof is limited, a part of lignin is decomposed or removed. It has been found that a wood-based material having a specific absorption pattern in the infrared absorption spectrum, which is considered to be due to this, provides a molding material having excellent productivity of the wood-based molded product by fluid molding.
- a wood-based material used in a method of forming a wood-based molded body by applying pressure which is detected at 2850 to 2950 cm-1 in the ATR spectrum inside or on the surface of the material by infrared spectroscopic analysis.
- a wood-based material for flow molding, characterized in that HA) is 1.10 or less.
- the slip between the wood cells at the time of fluid molding can be improved, so that it is possible to provide a molding material having excellent productivity of the wood molded body.
- the wood material for flow molding having a lignin content of 20% by mass or more, since it has excellent fluidity, it is possible to apply a larger deformation at the time of forming the wood molded body, and the wood molded body having a desired shape can be efficiently obtained.
- the wood-based material for fluid molding having a lignin content of 15% by mass or less a wood-molded body having excellent mechanical properties can be obtained.
- the material for flow molding of the present invention is excellent in fluidity when pressure is applied, it is useful for producing a wood molded product having a woody appearance and excellent shape stability by flow molding.
- flow molding when pressure is applied to the wood material, the fibers contained therein flow irregularly without being divided, and as a result, fibers of almost the same length as in the wood material are dispersed and contained. Since it is a wood-based molded body, it can have a reinforcing effect.
- the material for fluid molding of the present invention may further contain a resin or a precursor thereof, but the content ratio of the resin is lower than that of a conventionally known composition containing a thermoplastic resin and wood powder.
- the obtained wood molded product is more useful for resource / environmental problems related to the disposal and recycling of wood resources, as compared with the resin molded product obtained by such a composition.
- a flow molding material having a three-dimensional shape and having excellent productivity can be efficiently manufactured.
- the wood molded body of the present invention has a wood appearance and is excellent in shape stability.
- ATR infrared absorption spectrum
- FIG. 6 is an enlarged view of the wavenumber range of 1150 to 1750 cm- 1 in the ATR spectrum of FIG. It is a graph which shows the compressive stress with respect to the compressibility for the fluidity evaluation which concerns on the wood-based material (A0)-(A5) obtained in [Example]. It is a graph which enlarged the area (a) of FIG. It is a graph which shows the change of the flow start stress for the fluidity evaluation which concerns on the wood-based material (A0)-(A5) obtained in [Example]. It is an appearance image after the wood-based material (A5) was subjected to a free compression test at a saturated water vapor temperature of 40 ° C. and the shape was fixed.
- FIG. 6 is an image showing the appearance of a molded product obtained by lateral extrusion of a wood-based material (C1) and an image showing how to cut out a test piece for a bending test.
- It is a schematic explanatory drawing which shows the compression test of the material for flow molding impregnated with PEG20000.
- It is a graph which shows the stress curve obtained by the compression test of the flow molding material obtained by impregnating a wood material (D0) with PEG20000.
- FIG. 5 is a perspective image showing a container-shaped wood molded body obtained by using a resin-free flow molding material (wood material E) in [Example].
- FIG. 5 is a perspective image showing a container-shaped wood molded body obtained by using a resin-free flow molding material (wood material F) in [Example].
- FIG. 5 is a perspective image showing a container-shaped wood molded body obtained by using the flow molding material G containing a resin in [Example].
- the wood-based material for flow molding of the present invention is a wood-based material used in a method for producing a wood-based molded body by shaping it by applying pressure, and has an ATR spectrum (ATR method) inside or on the surface of the material by infrared spectroscopic analysis.
- ATR method ATR spectrum
- the measurement sample used to obtain the ATR spectrum is, for example, a dried product obtained by placing it in a blower dryer and drying it at 105 ° C. until it reaches a constant weight.
- the prism used for obtaining the ATR spectrum is not particularly limited, and may be any of KRS-5, ZnSe, Ge, BaF 2 , diamond and the like.
- the wood material for fluid molding of the present invention includes wood (coniferous trees such as cedar, cypress, and pine; broad-leaved trees such as poplar, beech, nara, and hippo), bamboo, and hemp (jute, kenaf, flax, hemp, ramie, sisal, etc.). ), Herbs and the like, which are derived from a plant having a cell wall, and may be either the plant itself (ground plate, veneer, veneer, etc.), its waste material, or a chemically treated product thereof.
- the shape and size of the wood material for flow molding of the present invention are not particularly limited, but the flow molding is usually a molding method in which a molded body is manufactured in a state where the material for flow molding is housed in a mold. Therefore, when a wood material for flow molding is used as a material for flow molding and a wood molded body having excellent shape stability is to be obtained, it may be in the form of chips containing fibers having a length of at least 5 mm or more. preferable.
- the shape of the wood material is not particularly limited, and may be either a fixed shape such as a veneer or an irregular shape.
- the wood-based material for fluid molding of the present invention has a ratio of the heights of two peaks in the ATR spectrum in a specific range.
- This ATR spectrum is shown in FIG. 1, for example, an absorption peak due to CH expansion and contraction vibration detected at 2850 to 2950 cm -1 , and an absorption peak due to skeletal vibration of an aromatic ring detected at 1480 to 1540 cm -1.
- These absorption peaks are those derived from the woody cells of the plant, in particular cellulose, hemicellulose and lignin (or their degradation products).
- the absorption peak ⁇ detected at 1480 to 1540 cm -1 is derived only from lignin (or a decomposition product thereof), and is a peak related to the effect of the present invention.
- the peak height ratio (H B / HA ratio) is set to 1.10 or less in order to provide a material for flow molding having excellent productivity of a wood molded body by flow molding. This ratio is preferably 1.00 or less, and the lower limit is usually 0.05, preferably 0.20.
- draw tangents at both ends of the peak to make a baseline draw a perpendicular line from the apex of the peak to this baseline, determine the intersection with the baseline, and then set the peak from this intersection.
- FIG. 3 shows two examples for determining the height (H B).
- the upper part (P) of FIG. 3 shows the determination method in the case of the spectrum obtained when the amount of lignin (or its decomposition product) is large, and the lower part (Q) shows the determination method of lignin (or its decomposition product). The determination method in the case of the spectrum obtained when the amount is small is shown.
- the wood-based material for fluid molding of the present invention has an absorption peak detected at 1480 to 1540 cm -1 of the ATR spectrum, and therefore, the present inventors contain lignin (or a decomposition product thereof). I think there is.
- wood materials for flow molding of the present invention preferably, part of the lignin is processed from the above plant (removal or degradation) has been a result, H B / H A ratio of the satisfies 1.10 or less ..
- Additional plant pre-treatment
- the lignin content may not be low, and is preferably 3% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and particularly preferably 7% by mass or more.
- the lignin content may be 20% by mass or more.
- the mechanical properties of the obtained wood-based material are equivalent to those of the untreated wood-based material, but the fluidity of the wood-based material is superior to that of the untreated wood-based material. It is possible to apply a large amount of deformation, and it is possible to obtain a molding material having excellent productivity of a wood-based molded body.
- the lignin content is 3% by mass or more and 15% by mass or less, the mechanical properties of the obtained wood molded body are greatly improved as compared with the untreated wood material, and the productivity of the wood molded body is improved. It can be an excellent molding material.
- the upper limit of the lignin content is preferably 15% by mass from the viewpoint of the mechanical properties of the obtained wood molded product, but 15% by mass when the mechanical properties may be equivalent to those of the untreated wood material. It may exceed, and it is usually the content of the wood-based material itself before the delignin treatment. That is, the effect of the present invention can be obtained as long as the H B / HA ratio is 1.10 or less even in a state where there is almost no quantitative change due to the delignin treatment.
- the lignin content can be measured by the acetyl bromide method.
- the acetyl bromide method is a method in which powdered wood material is decomposed with an acetic acid solution of acetyl bromide, and the amount of lignin dissolved out is converted by ultraviolet absorbance (K. Iiyama et al. "An improved acetyl bromide procedure for determining”. lignin in woods and wood pulps ", Wood Science and Technology, 1988, 22: pp.271-280).
- the above-mentioned plants are treated with lignin such as conventionally known Klaudiz method, Wizard method, kraft pulping method, soda method, phenol pulping method, organic acid pulping method, organosolv pulping method, ASAM method, and bleaching treatment.
- lignin such as conventionally known Klaudiz method, Wizard method, kraft pulping method, soda method, phenol pulping method, organic acid pulping method, organosolv pulping method, ASAM method, and bleaching treatment.
- the degree of condensation of lignin is lowered, and a relaxed state can be formed in the cell wall. Therefore, the wood-based material thus obtained relaxes the bonds between the polymer chains in the amorphous polymers hemicellulose and lignin, for example, as in the method described in JP-A-2006-247974.
- wood-based materials during fluid molding compared to those obtained by adding water to untreated plants or straining untreated plants in order to develop fluidity. The slip between wood cells can be further improved. Then, it is
- the material for flow molding of the present invention is a molding material containing the above-mentioned wood material for flow molding of the present invention, which is used for manufacturing a wood molded body by flow molding.
- the material for flow molding of the present invention is a composite consisting of the wood material for flow molding of the present invention and water and / or organic components contained (attached) in at least one of the surface and the inside of the wood material. can do.
- the content ratio of water and / or organic components to the whole composite is preferably 1 to 70% by mass, more preferably 5 to 40% by mass.
- the organic component in the above complex is not particularly limited, but is preferably a resin or a precursor thereof.
- the precursor may be either a low molecular weight compound or a high molecular weight compound.
- the resin may contain either a thermoplastic resin or a curable resin.
- the organic component in the above complex may be only one kind or two or more kinds.
- thermoplastic resin examples include acrylic resin; polyethylene, polyolefin such as polypropylene; cyclic polyolefin; polyethylene glycol; polystyrene; polyvinyl chloride; polyvinylidene chloride; polyvinyl acetate; polytetrafluoroethylene; ABS resin; AS resin; nylon and the like.
- curable resin examples include phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester, urea resin, melamine resin, diallyl phthalate, silicon resin, vinyl ester resin, polyimide, polyurethane and the like.
- a curing agent can be used in combination.
- the resin can further contain a plasticizer, an antioxidant, an ultraviolet absorber, an antiaging agent, a filler, an antibacterial agent, a preservative, an antistatic agent and the like.
- a preferred embodiment of the fluid molding material of the present invention is a composite in which water and / or an organic component is contained in the cell wall of a wood-based material having a cell wall in a relaxed state.
- the method for producing a flow molding material composed of such a composite is not particularly limited.
- impregnating the wood-based material for fluid molding of the present invention with the resin hereinafter referred to as "impregnation step"
- impregnation step a method including a step of impregnating the wood-based material for fluid molding of the present invention with the resin
- the resin and the resin are used.
- a liquid containing a medium for dissolving the resin and a liquid containing (3) a resin and a medium for dispersing the resin without dissolving the resin can be used.
- the medium of the resin-containing liquids (2) and (3) preferably contains water from the viewpoint of permeability to the cell wall, but if the resin does not dissolve in water, a medium for dissolving the resin may be used as appropriate. , Can be selected.
- the solution replacement method shown in FIG. 4 it is preferable to apply the solution replacement method shown in FIG. 4 or the drying / impregnation method shown in FIG.
- a wood material (X1) containing lignin 4 and water 6 between the cellulose fibers 2 and swollen with water is immersed in, for example, a resin-containing liquid, and cooled under reduced pressure conditions as necessary.
- a resin-containing liquid a resin-containing liquid
- liquid substitution is performed so that the resin is contained between the cellulose fibers 2 to obtain a wood material (X2) containing the resin-containing liquid 8 between the cellulose fibers 2, and then the resin-containing liquid is obtained.
- the fluid molding material 1 containing the resin 10 between the cellulose fibers 2 can be obtained.
- the immersion time when the wood-based material (X1) is immersed in the resin-containing liquid depends on the shape, size or mass of the wood-based material (X1), but is usually 1 to 200 hours per 10 grams of the dry wood-based material. Is. Further, in the drying / impregnating method of FIG. 5, the wood material (Y1) containing lignin 4 and water 6 between the cellulose fibers 2 and being swollen with water is dehydrated by blowing air drying, vacuum drying, high temperature drying, or the like.
- a wood material (Y2) having a water content of 10% by mass or less is used, and then, for example, the cellulose is immersed in a resin-containing liquid and, if necessary, under reduced pressure conditions, pressurizing conditions, cooling / heating conditions, and the like.
- the liquid is injected so as to contain the resin between the fibers 2 to obtain a wood material (Y3) containing the resin-containing liquid 8 between the cellulose fibers 2, and then the medium of the resin-containing liquid 8 is removed to obtain cellulose.
- a fluid molding material 1 containing the resin 10 between the fibers 2 can be obtained.
- the immersion time when the wood-based material (Y2) is immersed in the resin-containing liquid depends on the shape, size or mass of the wood-based material (Y2), but is usually 1 minute to 24 per 10 grams of the dry wood-based material. It's time.
- water or the medium used may be contained (residual) between the cellulose fibers 2 of the fluid molding material 1.
- 4 and 5 are schematic views of a method of impregnating the cellulose fibers 2 in the cell wall with the resin, and the obtained flow molding material 1 is the surface of the cell wall or the surface of the wood material. Resin may be adhered to a part or the entire surface.
- excellent in shape stability means a state in which the shape immediately after molding is maintained even after one month or more after molding.
- a flow forming material 22 made of a small piece of wood material is supplied to a mold 24, pressure is applied using a punch 26, and a shearing force is applied to cells (cell walls and intercellular layers).
- cells cell walls and intercellular layers.
- the flow molding material 22 used for manufacturing the wood molded body may be made of a wood material having the same composition, or may be made of a plurality of kinds of wood materials having different configurations from each other. ..
- a method of accommodating in a mold in a state can be applied.
- the difference of the plant, or the difference in color of each wooden material by H B / H A ratio be from the same plant are different from one another, for example, the difference in brightness, A wood-based molded body having a different appearance (woody pattern, etc.) may be obtained in the molded body of 1.
- the material for fluid molding of the present invention can be impregnated with a resin, if necessary, it can efficiently produce a wood molded product having good physical or mechanical properties and having a small variation in performance. Can be manufactured. Further, since it is excellent in fluidity, it is possible to manufacture a molded product having a three-dimensional shape. Therefore, the wood-molded body of the present invention provides a fundamental solution to the resource problem and the waste problem by industrial use of the flow molding using a plant-based material which is a recycling type resource as a raw material.
- wood-based materials (1) The sapwood (shirata) of hinoki is made into small pieces with a size of 5 mm (L: fiber direction) x 5 mm (T: tangential direction) x 5 mm (R: radial direction), and the processing time is 10 for multiple small pieces. Wood-based materials (A1) to (A7) were obtained by delignin treatment for minutes, 30 minutes, 1 hour, 3 hours, 6 hours, 24 hours or 96 hours.
- the delignin treatment is based on the Kladiz method (Takahide Sakaguchi et al .: “Chemistry of Wood", Bunagado Publishing, 1985, pp.69-70), the concentration of the sodium chlorite aqueous solution is 4%, and the temperature is 45.
- the treatment time was changed at ° C.
- the pre-heated treatment liquid was infiltrated by vacuum injection so that the treatment liquid quickly reached the inside of the hinoki cypress pieces and the reaction proceeded, and then the delignin treatment was performed. After the delignin treatment, the reaction was stopped by immersing in water at room temperature.
- the weight loss rate was calculated from the dry weight before and after the treatment in order to grasp the quantitative change of lignin with respect to the delignin treatment time.
- the drying conditions were air drying at 105 ° C for 24 hours before the treatment, air drying at room temperature for 24 hours, air drying at 35 ° C for 24 hours, air drying at 50 ° C for 18 hours, and air drying at 105 ° C. Blast drying for 3 hours.
- a weight loss rate was obtained in the same manner for a hinoki cypress piece immersed in water at room temperature for 96 hours or more (A0).
- the delignin treatment time is up to 30 minutes, the increase in the weight loss rate is small (within 1%), and the change in the residual lignin amount is small.
- the delignin treatment time was 1 hour or more, the weight loss rate increased remarkably and the residual lignin amount decreased as the treatment time was increased. Since the amount of lignin contained in cypress is 25 to 32% by mass (see Nobuhiko Umeda et al .: "Wood Chemistry (Vol. 1)", Kyoritsu Publishing, 1968, pp.72), delignin treatment is performed for 24 hours or more. It is considered that the amount of residual lignin in the obtained wood material is very small.
- the inner cross section (grain surface) and the surface of the grain surface when cut in half in the fiber direction Infrared absorption spectrum (ATR) was measured for each.
- the measuring device was an infrared spectrophotometer "NICOLET 6700 FT-IR" (model name) manufactured by Thermo Fisher, and diamond was used as a prism.
- the measured wavenumber range was set to 4000 to 500 cm -1 .
- FIG. 6 is a wide-area (4000 to 500 cm -1 ) ATR spectrum
- H 7 is a narrow-range (1150-1750 cm -1 ) ATR spectrum. From the ATR spectrum of each wood-based material, the height of the absorption peak ( HA ) due to the CH expansion and contraction vibration detected at 2850 to 2950 cm -1 , and the absorption due to the skeletal vibration of the aromatic ring detected at 1480 to 1540 cm -1. The ratio (H B / HA ratio) to the peak height (H B) was calculated. H A has a small change due to delignification, because H B was reduced with the progress of the delignification, H B / H A ratio decreased with increasing delignification time. These results are shown in Table 2. The height of each absorption peak was determined as shown in FIGS. 2 and 3.
- the wood-based material (A0) after water treatment has an H B / HA ratio of 1.2 or more, but by performing the delignin treatment for at least 10 minutes, the H B / HA ratio is 1. It can be seen that it has become 10 or less.
- FIG. 8 is a graph showing the compressive stress with respect to the compressibility when saturated water vapor at 40 ° C. is used.
- the inflection could not be detected, which is considered to be because the cell wall was deformed and plastically deformed at the same time, and the material was buried in the flat region of the compressive stress.
- This inflection point is the "flow start point" at which the wood-based material is plastically deformed and flows, and the compressive stress at this time is the "flow start stress”.
- FIG. 10 is a graph showing changes in flow starting stress with respect to the wood-based material (A0) after water treatment and the wood-based materials (A1) to (A4) after delignin treatment. From FIG. 10, it can be seen that the higher the temperature of the saturated water vapor (that is, the higher the temperature when heating is used in combination with the flow molding), the lower the stress starts the flow. It was also found that when the H B / HA ratio was 1.00 or less, the flow starting stress decreased (that is, the fluidity improved).
- FIG. 11 is an external image of the wood material (A5) after being subjected to a free compression test at a saturated water vapor temperature of 40 ° C. and fixed in shape.
- a thin-walled sheet-shaped molded product having a fixed shape could be obtained.
- H B / H A ratio or saturated steam temperature is different, it was confirmed that the shape fixed molded body is obtained.
- the area S a is measured by binarizing the appearance image of the LT surface in the obtained molded body, and the molded body area S a / W d per unit weight standardized by the dry weight W d of the molded body is calculated. It was used as an index of liquidity.
- FIG. 12 is a graph showing changes in the molded body area S a / W d per unit weight with respect to the wood-based materials (A0) to (A5). From FIG. 12, as the temperature of the saturated steam is high, S a / W d is increased, it is seen that high fluidity. It was also found that when the H B / HA ratio was 0.5 or less, S a / W d was remarkably increased and the fluidity was greatly improved.
- FIG. 13 is a cross-sectional image of a compressed product of wood-based material (A0)
- FIG. 14 is a cross-sectional image of a compressed product of wood-based material (A5).
- plastic flow occurs due to intercellular slip, but it can be seen that the wood-based material (A5) flowed in smaller cell units.
- Wood-based materials (B1) to (B5) were obtained by performing delignin treatment in the same manner as above for 1 hour, 3 hours or 6 hours for 30 minutes, 30 minutes and 1 hour. Then, the ATR spectrum was measured on the end surface of the obtained dry wood material, and the height of the absorption peak due to the CH expansion and contraction vibration detected at 2850 to 2950 cm -1 (H) was measured in the same manner as above.
- H B height of the absorption peak due to skeletal vibration of the aromatic ring to be detected in the 1480 ⁇ 1540cm -1
- H B / H a ratio The H B / HA ratios are 1.05, 0.94, 0.91, 0.77, respectively, in the order of wood materials (B1), (B2), (B3), (B4) and (B5). It was 0.65.
- small pieces of cypress the ATR spectrum was measured in the same for those immersed more than 96 hours in water at room temperature (B0), and calculates the H B / H A ratio, Obtained 1.24.
- each wood-based material is in a water-swelled state (water content). Rate: 200% or more), place in water, raise the water temperature from 30 ° C to 100 ° C at a temperature rise rate of 0.5 ° C / min, and in the R direction under the conditions of a load of 70 ⁇ 20 mN and a frequency of 0.01 Hz. Dynamic viscoelasticity measurement was performed.
- FIG. 15 is a graph showing the water temperature dependence of tan ⁇ .
- All wood-based materials have a peak in tan ⁇ , but the temperature (peak temperature) showing the peak is different, and the peak is in the order of (B0), (B1), (B2), (B3), (B4) and (B5).
- the temperature has dropped. That is, it was found that the peak temperature of tan ⁇ shifted to the lower temperature side as the H B / HA ratio became smaller.
- the peaks seen in each curve are due to the glass transition of lignin, and the shift of the peak temperature of tan ⁇ to the low temperature side suggests a decrease in the degree of condensation of lignin. Therefore, the H B / HA ratio. If it is 1.10 or less, it can be seen that a qualitative change such as a decrease in the degree of condensation of lignin and a relaxed state in the cell wall has occurred.
- the lignin contents of the wood materials (C1) to (C4) were measured by the acetyl bromide method and found to be 26%, 20%, 13% and 7%, respectively.
- these wood-based materials (C1), (C3) and (C4) are humidity-controlled in an environment of a relative humidity of 60% at a temperature of 20 ° C. to an air-dry state (moisture content: about 9%), and FIG. It was subjected to the side extrusion test shown in.
- each wood-based material (about 4.5 g) is placed in a container (26 mm ⁇ 26 mm), and the fiber direction (L) is extruded in the extrusion direction (cavity).
- the punch By placing the punch so that it is perpendicular to the longitudinal direction of the cavity and lowering the punch to a load of 15 tons (punch surface pressure: about 220 MPa) at a constant speed (10 mm / min), each wood-based material is placed in the cavity in the T direction. Extruded and molded. Then, after holding the pressure for 5 minutes, the mixture was cooled and the molded product was taken out.
- FIG. 17 shows an external image of the molded product obtained by the side extrusion test and an example of the cutting direction of the bending test piece from the extruded material (using wood material (C1)).
- the cut out test piece (about 26 mm ⁇ 5 mm ⁇ 1.2 mm) was subjected to a bending test in accordance with JIS 7171 after adjusting the humidity in an environment of a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 60%.
- a side extrusion test was performed twice for each wood-based material, and at least five test pieces were subjected to the bending test.
- a hinoki veneer immersed in water at room temperature for 96 hours or more (C0) was also subjected to a lateral extrusion test and a bending test in the same manner.
- the hinoki sapwood (shirata) is made into small pieces with a size of 5 mm (L: fiber direction) x 18 mm (T: tangential direction) x 18 mm (R: radial direction), and the processing time is 30 for multiple small pieces.
- the delignin treatment was carried out in the same manner as above for 1 minute or 6 hours to obtain wood materials (D1) and (D2).
- the weight loss rates of these wood-based materials (D1) and (D2) were measured and found to be 0.0% and 12.6%, respectively.
- a wood-based material (D0) that had not been delignin-treated was also used.
- the wood-based materials (D0), (D1) and (D2) are impregnated with a resin to obtain a molding material containing the resin by a solution substitution method (see FIG. 4) or a drying / impregnation method (see FIG. 4). (See FIG. 5).
- a solution substitution method see FIG. 4
- a drying / impregnation method see FIG. 4
- FIG. 5 As the liquid for impregnating the resin, an aqueous solution having a concentration of 20% by mass (hereinafter referred to as "PEG aqueous solution") in which polyethylene glycol having an average molecular weight of 20000 (hereinafter referred to as "PEG20000”) was dissolved in water was used.
- each wood-based material is first brought into a saturated state (moisture content: 200% or more) immediately after the delignin treatment, and then immersed in a PEG aqueous solution at 20 ° C., and PEG is provided every 24 hours. This operation was continued for 7 days while exchanging the aqueous solution. Then, the wood material is taken out from the PEG aqueous solution, cured under the conditions of 35 ° C. and 11 RH% until the constant amount is reached, and further dehydrated and dried in a vacuum dryer at 35 ° C. until the constant amount is used for each flow molding. Obtained the material.
- each wood-based material in a saturated state moisture content: 200% or more
- moisture content 200% or more
- each wood-based material in a saturated state moisture content: 200% or more
- it is placed on silica gel and dried under reduced pressure, and then, under reduced pressure conditions, a PEG aqueous solution is injected into each dried wood material and immersed, and then the pressure conditions are applied for 22 hours, and PEG is applied.
- the wood-based material is taken out from the aqueous solution, cured under the conditions of 35 ° C. and 11 RH% until the constant amount is reached, and further dehydrated and dried in a vacuum dryer at 35 ° C. until the constant amount is obtained to obtain each flow molding material. rice field.
- Table 4 shows the measurement results of the weight increase rate and the swelling rate in the T direction by PEG20000 for each of the flow molding materials obtained above.
- the weight increase rate and the T-direction swelling rate are both values based on the dry wood materials (D0) to (D2) before impregnation with PEG20000.
- the wood material (D1) was used as the fluid molding material using the wood material (D2) in which the delignin treatment was further advanced.
- the weight increase rate was higher than that of the flow forming material, and the impregnation rate of PEG20000 was high.
- the T-direction swelling rate is also higher in the flow molding material using the wood material (D2) than in the flow molding material using the wood material (D1), and the impregnation ratio of PEG20000 into the cell wall. Was expensive.
- the compressive stress (flow start stress) at the flow start point was obtained for each flow molding material and graphed (see FIG. 20). From FIG. 20, the flow starting stress is in the order of the flow molding material using the wood material (D0), the flow molding material using the wood material (D1), and the flow molding material using the wood material (D2). Was found to be lower and the liquidity to be higher.
- wood-based molded material A hinoki veneer having a diameter of 45 mm and a thickness of 4 mm is subjected to delignin treatment for 6 hours and 48 hours, respectively, in the same manner as above, and then dried and humidity-controlled. Wood-based material E (weight loss rate: about 6%, moisture content: 11%) and wood-based material F (weight loss rate: about 25%, moisture content: 11%) were obtained. Then, using the rear extrusion molding apparatus 20 shown in FIG. 21, the containers shown in FIGS. 22 and 23 (diameter of opening: about 45 mm, height: about 50 mm) were obtained.
- a plurality of wood materials E or wood F are stacked and housed as a flow molding material 22 in a state of about 60 g, and the punch 26 is lowered at 1 mm / sec. Then, a load was applied until the maximum punch surface pressure (diameter 50 mm) reached 200 MPa, and then the container was cooled to obtain the above container. As is clear from FIGS. 22 and 23, the obtained container had a woody appearance and was excellent in shape stability.
- the wood-based material E is impregnated with the water-soluble urethane resin "E-37" (trade name) manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. by a solution substitution method, and the weight increase rate based on this water-soluble urethane resin is about 30%.
- a material G for flow molding was obtained.
- backward extrusion molding was performed in the same manner as in the case of using the flow molding material made of the wood material E to obtain a container having the same shape.
- the obtained container was shown in FIG. 24, had a woody appearance similar to those in FIGS. 22 and 23, and was excellent in shape stability. Even when the above-mentioned PEG20000 and the terpene resin were used instead of the above-mentioned water-soluble urethane resin, back-extrusion molding could be performed satisfactorily.
- the wood material for flow molding of the present invention and the material for flow molding containing it are used for manufacturing daily necessities, furniture / furniture, building materials / building materials, housings for electrical appliances or audio equipment, vehicle members, and the like. Is suitable for.
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Abstract
本発明の流動成形用木質材料は、圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられ、赤外線分光分析法による材料の内部又は表面のATRスペクトルにおいて、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA)が1.10以下である。
Description
本発明は、圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられる流動成形用木質材料及びそれを含む流動成形用材料並びに該流動成形用材料を用いてなる木質成形体に関する。
木質外観を有する成形体(木質成形体)の製造方法として、流動成形が利用されている(特許文献1、2参照)。この流動成形は、塊状の木質材料を、任意の金型内に収容し、圧力を作用させて型内に流動充填させ成形する技術であり、圧縮加工のように木質細胞の内腔の閉塞によって緻密化させて形状変化を与える方法と比べて、木質細胞間のすべり現象による位置変化によって変形を与えるため、その変形量をより大きくすることができる。また、流動成形では、従来、圧縮加工のみでは不可能であった任意形状の木質材料の塑性加工を実現でき、繊維状の木質細胞の損傷が抑えられるため、得られる木質成形体に補強効果が付与される。
木質成形体を、生産性を向上させつつ製造するためには、圧力を加えた際に変形する木質材料の流動性が鍵となる。本発明は、圧力を加えた際の流動性が良好であり、木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料を与える流動成形用木質材料を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、流動成形による木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料及びその製造方法並びに木質外観を有し、形状安定性に優れた木質成形体を提供することを目的とする。
木質材料に含まれる木質細胞は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンで構成されており、セルロースが凝集し繊維状に配向した結晶性のセルロースミクロフィブリルがヘリカルワインディング構造状に細胞骨格を構築しつつ、ミクロフィブリル間にヘミセルロースを介してリグニンが充填された構造を有する。
本発明者らは、流動成形が、木質材料を構成する木質細胞が加圧により圧縮されることを利用するなかで、その変形量に制約があることから、リグニンの一部が分解又は除去されたことによると考えられる赤外線吸収スペクトルにおいて特定の吸収パターンを有する木質材料が、流動成形による木質成形体の生産性に優れた成形材料を与えることを見い出した。
本発明者らは、流動成形が、木質材料を構成する木質細胞が加圧により圧縮されることを利用するなかで、その変形量に制約があることから、リグニンの一部が分解又は除去されたことによると考えられる赤外線吸収スペクトルにおいて特定の吸収パターンを有する木質材料が、流動成形による木質成形体の生産性に優れた成形材料を与えることを見い出した。
本発明は、以下に示される。
(1)圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられる木質材料であって、赤外線分光分析法による材料の内部又は表面のATRスペクトルにおいて、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA)が1.10以下であることを特徴とする、流動成形用木質材料。
(2)アセチルブロマイド法によるリグニン含有率が3質量%以上である上記(1)に記載の流動成形用木質材料。
(3)上記リグニン含有率が20質量%以上である上記(2)に記載の流動成形用木質材料。
(4)上記リグニン含有率が15質量%以下である上記(2)に記載の流動成形用木質材料
(5)上記(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料を含有することを特徴とする流動成形用材料。
(6)更に、樹脂を含有する上記(5)に記載の流動成形用材料。
(7)上記(6)に記載の流動成形用材料を製造する方法であって、上記(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料に樹脂を含浸させる工程を備えることを特徴とする、流動成形用材料の製造方法。
(8)上記(5)に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
(9)上記(6)に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
(1)圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられる木質材料であって、赤外線分光分析法による材料の内部又は表面のATRスペクトルにおいて、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA)が1.10以下であることを特徴とする、流動成形用木質材料。
(2)アセチルブロマイド法によるリグニン含有率が3質量%以上である上記(1)に記載の流動成形用木質材料。
(3)上記リグニン含有率が20質量%以上である上記(2)に記載の流動成形用木質材料。
(4)上記リグニン含有率が15質量%以下である上記(2)に記載の流動成形用木質材料
(5)上記(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料を含有することを特徴とする流動成形用材料。
(6)更に、樹脂を含有する上記(5)に記載の流動成形用材料。
(7)上記(6)に記載の流動成形用材料を製造する方法であって、上記(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料に樹脂を含浸させる工程を備えることを特徴とする、流動成形用材料の製造方法。
(8)上記(5)に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
(9)上記(6)に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
本発明の流動成形用木質材料によれば、流動成形の際の木質細胞間のすべりを向上させることができるので、木質成形体の生産性に優れた成形材料を与えることができる。
リグニン含有率が20質量%以上である流動成形用木質材料によれば、流動性に優れるため、木質成形体の形成時により大きな変形を加えることができ、所望の形状の木質成形体を効率よく製造することができる。
リグニン含有率が15質量%以下である流動成形用木質材料によれば、機械的特性に優れた木質成形体を得ることができる。
本発明の流動成形用材料は、圧力を加えた際の流動性に優れるため、流動成形による、木質外観を有し、形状安定性に優れる木質成形体の製造に有用である。流動成形において、木質材料に圧力が作用されると、それに含まれた繊維が分断されることなく不規則的に流動するため、結果として木質材料におけるとほぼ同じ長さの繊維が分散しつつ含まれた木質成形体となるため、補強効果を有するものとすることができる。本発明の流動成形用材料は、更に、樹脂又はその前駆体を含有することができるが、従来、公知の熱可塑性樹脂及び木粉を含む組成物に比べて、樹脂の含有割合を低くすることが可能であるため、得られる木質成形体は、このような組成物により得られた樹脂成形体に比べて、木材資源の廃棄、リサイクルに関する資源・環境問題に対しても有用性が高い。
本発明の流動成形用材料の製造方法によれば、例えば、三次元形状を有する木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料を効率よく製造することができる。
本発明の木質成形体は、木質外観を有し、形状安定性に優れる。
リグニン含有率が20質量%以上である流動成形用木質材料によれば、流動性に優れるため、木質成形体の形成時により大きな変形を加えることができ、所望の形状の木質成形体を効率よく製造することができる。
リグニン含有率が15質量%以下である流動成形用木質材料によれば、機械的特性に優れた木質成形体を得ることができる。
本発明の流動成形用材料は、圧力を加えた際の流動性に優れるため、流動成形による、木質外観を有し、形状安定性に優れる木質成形体の製造に有用である。流動成形において、木質材料に圧力が作用されると、それに含まれた繊維が分断されることなく不規則的に流動するため、結果として木質材料におけるとほぼ同じ長さの繊維が分散しつつ含まれた木質成形体となるため、補強効果を有するものとすることができる。本発明の流動成形用材料は、更に、樹脂又はその前駆体を含有することができるが、従来、公知の熱可塑性樹脂及び木粉を含む組成物に比べて、樹脂の含有割合を低くすることが可能であるため、得られる木質成形体は、このような組成物により得られた樹脂成形体に比べて、木材資源の廃棄、リサイクルに関する資源・環境問題に対しても有用性が高い。
本発明の流動成形用材料の製造方法によれば、例えば、三次元形状を有する木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料を効率よく製造することができる。
本発明の木質成形体は、木質外観を有し、形状安定性に優れる。
本発明の流動成形用木質材料は、圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられる木質材料であり、赤外線分光分析法による材料の内部又は表面のATRスペクトル(ATR法により得られた赤外線吸収スペクトル)において、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA)が1.10以下であることを特徴とする。尚、ATRスペクトルを得る際に用いる測定試料は、例えば、送風乾燥器内に載置して105℃で恒量に達するまで乾燥させて得られた乾燥体である。また、ATRスペクトルを得る際に用いるプリズムは、特に限定されず、KRS-5、ZnSe、Ge、BaF2、ダイヤモンド等のいずれでもよい。
本発明の流動成形用木質材料は、木材(スギ、ヒノキ、マツ等の針葉樹;ポプラ、ブナ、ナラ、カバ等の広葉樹)、竹、麻類(ジュート、ケナフ、亜麻、ヘンプ、ラミー、サイザル等)、草本類等の、細胞壁を有する植物体に由来するものであって、植物体そのもの(挽板、単板、突板等)若しくはその廃材又はこれらの化学処理物のいずれでもよい。また、本発明の流動成形用木質材料の形状及びサイズは、特に限定されないが、流動成形は、通常、金型の中に流動成形用材料を収容した状態で成形体の製造を行う成形方法であるため、流動成形用木質材料を流動成形用材料として用い、形状安定性に優れた木質成形体を得ようとする場合には、長さが少なくとも5mm以上の繊維を含むチップ状であることが好ましい。木質材料の形状は、特に限定されず、単板等の定形及び不定形のいずれでもよい。
本発明の流動成形用木質材料は、上記のように、ATRスペクトルにおける2つのピークの高さの比を特定の範囲に有するものである。このATRスペクトルは、例えば、図1に示され、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピーク▼と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピーク▽とを有する。これらの吸収ピークは、植物体の木質細胞を構成する、特に、セルロース、ヘミセルロース及びリグニン(又はその分解物)に由来するピークである。このうち、1480~1540cm-1に検出される吸収ピーク▽は、リグニン(又はその分解物)のみに由来するものであり、本発明の効果に関連するピークである。本発明においては、流動成形による木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料を与えることから、ピークの高さの比(HB/HA比)を1.10以下とする。この比は、好ましくは1.00以下であり、下限は、通常、0.05、好ましくは0.20である。尚、各ピークの高さは、ピークの両端で接線を引いてベースラインとし、このベースラインに対してピークの頂点から垂線を下ろし、ベースラインとの交点を決定した後、この交点からピークの頂点まで計測された長さである(図2及び図3参照)。木質材料の種類により、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による赤外線吸収が小さいことがあるので、図3には、高さ(HB)を決定する2例を示した。図3の上部の(P)は、リグニン(又はその分解物)の量が多いときに得られたスペクトルの場合の決定方法を示し、下部の(Q)は、リグニン(又はその分解物)の量が少ないときに得られたスペクトルの場合の決定方法を示す。
本発明の流動成形用木質材料は、上記のように、ATRスペクトルの1480~1540cm-1に吸収ピークが検出されることから、本発明者らは、リグニン(又はその分解物)を含有していると考えている。しかしながら、本発明の流動成形用木質材料は、好ましくは、上記の植物体から一部のリグニンが処理(除去又は分解)された結果、上記のHB/HA比が1.10以下を満たす。上記の植物体(処理前)は、通常、リグニンを含有するが、ATRスペクトルによる上記のHB/HA比が1.10を上回る木質材料では、本発明の効果は得られない。リグニン含有率は低くても良いわけではなく、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、特に好ましくは7質量%以上である。尚、このリグニン含有率は、20質量%以上であってもよい。リグニン含有率が20質量%以上である場合は、得られる木質成形体の機械的特性は未処理の木質材料と同等であるが、木質材料の流動性に優れるため、未処理の木質材料よりも大きな変形を加えることができ、木質成形体の生産性に優れた成形材料とすることができる。また、リグニン含有率が3質量%以上15質量%以下である場合は、未処理の木質材料に比べて得られる木質成形体の機械的特性が大きく向上し、かつ、木質成形体の生産性に優れた成形材料とすることができる。リグニン含有率の上限は、得られる木質成形体の力学特性の観点から、好ましくは15質量%であるが、力学特性が、未処理の木質材料と同等であってよい場合には、15質量%を超えてもよく、通常、脱リグニン処理前の木質材料そのものの含有率となる。即ち、脱リグニン処理による量的変化がほとんどない状態でも、HB/HA比が1.10以下である限りにおいて、本発明の効果が得られる。尚、木質材料の種類や生育環境、同じ個体内でも部位の違い等で、変化するため、一律の上限値を示すことはできない。上記リグニン含有率は、アセチルブロマイド法により測定することができる。アセチルブロマイド法とは、粉末化した木質材料をアセチルブロマイドの酢酸溶液で分解し、溶け出したリグニン量を紫外線吸光度で換算する手法である(K. Iiyama et al. "An improved acetyl bromide procedure for determining lignin in woods and wood pulps"、Wood Science and Technology、1988,22:pp.271-280参照)。
上記の植物体を、従来、公知のKlaudiz法、Wize法、クラフトパルプ化法、ソーダ法、フェノールパルプ化法、有機酸パルプ化法、オルガノソルブパルプ化法、ASAM法、漂白処理等のリグニン処理に供すると、リグニンの縮合度が低下し、細胞壁内に弛緩状態を形成することができる。従って、このようにして得られた木質材料は、例えば、特開2006-247974号公報に記載された方法のように、非晶性高分子であるヘミセルロース及びリグニンにおける高分子鎖間の結合を弛緩させて流動性を発現させるために、未処理の植物体に水を添加する方法や、未処理の植物体にひずみを加える方法により得られたものに比べて、流動成形の際に木質材料における木質細胞間のすべりを更に向上させることができる。そして、木質成形体の生産性に優れた流動成形用材料を与えることができる。
本発明の流動成形用材料は、流動成形により木質成形体の製造に用いられる、上記本発明の流動成形用木質材料を含有する成形材料である。本発明の流動成形用材料は、上記本発明の流動成形用木質材料と、該木質材料の表面及び内部の少なくとも一方に含まれた(付着した)水及び/又は有機成分とからなる複合物とすることができる。この複合物において、複合物の全体に対する、水及び/又は有機成分の含有割合は、好ましくは1~70質量%、より好ましくは5~40質量%である。
上記複合物における有機成分は、特に限定されないが、好ましくは樹脂又はその前駆体である。前駆体は、低分子化合物及び高分子化合物のいずれでもよい。また、上記樹脂は、熱可塑性樹脂及び硬化性樹脂のいずれを含んでもよい。上記複合物における有機成分は、1種のみでも2種以上でもよい。
熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;環状ポリオレフィン;ポリエチレングリコール;ポリスチレン;ポリ塩化ビニル;ポリ塩化ビニリデン;ポリ酢酸ビニル;ポリテトラフルオロエチレン;ABS樹脂;AS樹脂;ナイロン等のポリアミド;ポリアセタール;ポリカーボネート;変性ポリフェニレンエーテル;ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂;ポリフェニレンスルファイド;ポリサルフォン;ポリエーテルサルフォン;非晶ポリアリレート;液晶ポリマー;ポリエーテルエーテルケトン;ポリイミド;ポリアミドイミド等が挙げられる。
また、硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート、ケイ素樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン等が挙げられる。硬化性樹脂を用いる場合、硬化剤を併用することができる。
また、硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート、ケイ素樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン等が挙げられる。硬化性樹脂を用いる場合、硬化剤を併用することができる。
上記樹脂は、更に、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、老化防止剤、充填剤、抗菌剤、防腐剤、帯電防止剤等を含有することができる。
本発明の流動成形用材料の好ましい態様は、弛緩状態にある細胞壁を有する木質材料の該細胞壁の中に、水及び/又は有機成分が含まれた複合物である。このような複合物からなる流動成形用材料を製造する方法は、特に限定されない。水のみを含む複合物を製造する場合、飽和水蒸気を上記本発明の流動成形用木質材料に接触させる工程を含む方法、一定の相対湿度環境下で上記本発明の流動成形用木質材料を調湿する工程を含む方法等とすることができる。また、樹脂を含む複合物を製造する場合、上記本発明の流動成形用木質材料に樹脂を含浸させる工程(以下、「含浸工程」という)を含む方法とすることができる。以下、この含浸工程を備える本発明の製造方法について、説明する。
樹脂を含む複合物からなる流動成形用材料を製造する本発明の製造方法では、上記含浸工程では、樹脂を木質材料に含浸させる限りにおいて、(1)樹脂のみ、(2)樹脂と、該樹脂を溶解する媒体とを含む液、(3)樹脂と、該樹脂を溶解せず分散させる媒体とを含む液のいずれかを用いることができる。これらのうち、(2)及び(3)の液を用いることが好ましい。尚、(2)及び(3)の樹脂含有液の媒体は、細胞壁への浸透性の面から水を含むことが好ましいが、水に樹脂が溶解しない場合は、樹脂を溶解する媒体を、適宜、選択することができる。
上記含浸工程では、図4に示す溶液置換法、又は、図5に示す乾燥・含浸法を適用することが好ましい。
図4の溶液置換法では、セルロース繊維2の間にリグニン4及び水6を含み、水で膨潤状態にある木質材料(X1)を、例えば、樹脂含有液に浸漬し、必要により減圧条件、冷却・加熱条件等とすることにより、セルロース繊維2の間に樹脂を含むように液置換を行って、セルロース繊維2の間に樹脂含有液8を含む木質材料(X2)とし、その後、樹脂含有液8の媒体を除去することにより、セルロース繊維2の間に樹脂10を含む流動成形用材料1を得ることができる。木質材料(X1)を、樹脂含有液に浸漬する場合の浸漬時間は、木質材料(X1)の形状、サイズ又は質量に依存するが、通常、乾燥状態の木質材料10グラムあたり、1~200時間である。
また、図5の乾燥・含浸法では、セルロース繊維2の間にリグニン4及び水6を含み、水で膨潤状態にある木質材料(Y1)を、送風乾燥、減圧乾燥、高温乾燥等により脱水して、例えば、含水率が10質量%以下の木質材料(Y2)とし、その後、例えば、樹脂含有液に浸漬し、必要により減圧条件、加圧条件、冷却・加熱条件等とすることにより、セルロース繊維2の間に樹脂を含むように液注入を行って、セルロース繊維2の間に樹脂含有液8を含む木質材料(Y3)とし、その後、樹脂含有液8の媒体を除去することにより、セルロース繊維2の間に樹脂10を含む流動成形用材料1を得ることができる。木質材料(Y2)を、樹脂含有液に浸漬する場合の浸漬時間は、木質材料(Y2)の形状、サイズ又は質量に依存するが、通常、乾燥状態の木質材料10グラムあたり、1分間~24時間である。
図4の溶液置換法では、セルロース繊維2の間にリグニン4及び水6を含み、水で膨潤状態にある木質材料(X1)を、例えば、樹脂含有液に浸漬し、必要により減圧条件、冷却・加熱条件等とすることにより、セルロース繊維2の間に樹脂を含むように液置換を行って、セルロース繊維2の間に樹脂含有液8を含む木質材料(X2)とし、その後、樹脂含有液8の媒体を除去することにより、セルロース繊維2の間に樹脂10を含む流動成形用材料1を得ることができる。木質材料(X1)を、樹脂含有液に浸漬する場合の浸漬時間は、木質材料(X1)の形状、サイズ又は質量に依存するが、通常、乾燥状態の木質材料10グラムあたり、1~200時間である。
また、図5の乾燥・含浸法では、セルロース繊維2の間にリグニン4及び水6を含み、水で膨潤状態にある木質材料(Y1)を、送風乾燥、減圧乾燥、高温乾燥等により脱水して、例えば、含水率が10質量%以下の木質材料(Y2)とし、その後、例えば、樹脂含有液に浸漬し、必要により減圧条件、加圧条件、冷却・加熱条件等とすることにより、セルロース繊維2の間に樹脂を含むように液注入を行って、セルロース繊維2の間に樹脂含有液8を含む木質材料(Y3)とし、その後、樹脂含有液8の媒体を除去することにより、セルロース繊維2の間に樹脂10を含む流動成形用材料1を得ることができる。木質材料(Y2)を、樹脂含有液に浸漬する場合の浸漬時間は、木質材料(Y2)の形状、サイズ又は質量に依存するが、通常、乾燥状態の木質材料10グラムあたり、1分間~24時間である。
上記の溶液置換法及び乾燥・含浸法のいずれにおいても、流動成形用材料1のセルロース繊維2の間には水又は用いた媒体が含まれ(残存し)ていてもよい。また、図4及び図5は、細胞壁内のセルロース繊維2の間に樹脂を含浸させる方法の模式図であるが、得られる流動成形用材料1は、細胞壁の表面、あるいは、木質材料の表面の一部又は全面に樹脂が付着したものであってもよい。
本発明の流動成形用材料を用いて、木質外観を有し、形状安定性に優れる木質成形体を製造することができる。ここで、形状安定性に優れるとは、成形後、1か月以上経ても成形直後の形状を維持している状態を意味する。
例えば、図21に示すように、金型24に小片の木質材料からなる流動成形用材料22を供給し、ポンチ26を用いて圧力を加え、細胞(細胞壁及び細胞間層)に剪断力を作用させるとともに細胞間すべりによる塑性流動を生じさせて、金型24内で所定の自由空間に細胞を移動させ、該自由空間を満たし、賦形することにより、樹脂や金属を用いて得られたと同様の、所期の形状、サイズ及び表面性を有する木質成形体を得ることができる。圧力を加える際には、流動成形用材料の構成に応じて、加熱を行ってもよい。このように、木質成形体を製造する場合には、成形温度を、適宜、設定することができるが、その他、加圧時の圧力、原料含水率、成形時間等を設定し、木質成形体の性状等を制御することもできる。
尚、木質成形体の製造に用いる流動成形用材料22は、同一の構成を有する木質材料からなるものであってよいし、互いに異なる構成を有する複数種の木質材料からなるものであってもよい。後者の場合には、例えば、(1)複数種の木質材料からなる混合物を金型に収容する方法、(2)第1の木質材料と、第2の木質材料とを、それぞれ、偏在させた状態で金型に収容する方法を適用することができる。(2)の方法によると、植物体の違い、又は、同じ植物体に由来していてもHB/HA比が互いに異なることで各木質材料の色の違い、例えば、明暗の差により、1の成形体において異なる外観(木質模様等)を有する木質成形体が得られることがある。
例えば、図21に示すように、金型24に小片の木質材料からなる流動成形用材料22を供給し、ポンチ26を用いて圧力を加え、細胞(細胞壁及び細胞間層)に剪断力を作用させるとともに細胞間すべりによる塑性流動を生じさせて、金型24内で所定の自由空間に細胞を移動させ、該自由空間を満たし、賦形することにより、樹脂や金属を用いて得られたと同様の、所期の形状、サイズ及び表面性を有する木質成形体を得ることができる。圧力を加える際には、流動成形用材料の構成に応じて、加熱を行ってもよい。このように、木質成形体を製造する場合には、成形温度を、適宜、設定することができるが、その他、加圧時の圧力、原料含水率、成形時間等を設定し、木質成形体の性状等を制御することもできる。
尚、木質成形体の製造に用いる流動成形用材料22は、同一の構成を有する木質材料からなるものであってよいし、互いに異なる構成を有する複数種の木質材料からなるものであってもよい。後者の場合には、例えば、(1)複数種の木質材料からなる混合物を金型に収容する方法、(2)第1の木質材料と、第2の木質材料とを、それぞれ、偏在させた状態で金型に収容する方法を適用することができる。(2)の方法によると、植物体の違い、又は、同じ植物体に由来していてもHB/HA比が互いに異なることで各木質材料の色の違い、例えば、明暗の差により、1の成形体において異なる外観(木質模様等)を有する木質成形体が得られることがある。
本発明の流動成形用材料は、必要に応じて、樹脂を含浸したものとすることができるので、良好な物理的性質又は機械的性質を有し、性能のバラツキの小さい木質成形体を効率よく製造することができる。また、流動性に優れることから、3次元形状を有する成形体を製造することもできる。
従って、本発明の木質成形体は、循環型資源である植物系材料を原料としている流動成形の工業的利用によって、資源問題、廃棄物問題に対する根本的な解決策を与えるものである。
従って、本発明の木質成形体は、循環型資源である植物系材料を原料としている流動成形の工業的利用によって、資源問題、廃棄物問題に対する根本的な解決策を与えるものである。
以下、実施例により、本発明を更に具体的に説明する。但し、これらの実施例は、本発明の一部の実施形態を示すものに過ぎないため、本発明をこれらの実施例に限定して解釈するべきではない。
1.木質材料の製造及び評価(1)
ヒノキの辺材(しらた)を、5mm(L:繊維方向)×5mm(T:接線方向)×5mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、10分間、30分間、1時間、3時間、6時間、24時間又は96時間として脱リグニン処理を行い、木質材料(A1)~(A7)を得た。脱リグニン処理は、Klaudiz法(坂口隆英他:「木材の化学」、文永堂出版、1985,pp.69-70参照)に準拠し、亜塩素酸ナトリウム水溶液の濃度を4%とし、温度45℃で処理時間を変化させて行った。尚、ヒノキ小片の内部にまで処理液が速やかに到達し反応が進行するよう、予め加熱しておいた処理液を減圧注入にて浸透させてから脱リグニン処理を行った。脱リグニン処理後は、室温の水に浸漬して反応を止めた。
ヒノキの辺材(しらた)を、5mm(L:繊維方向)×5mm(T:接線方向)×5mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、10分間、30分間、1時間、3時間、6時間、24時間又は96時間として脱リグニン処理を行い、木質材料(A1)~(A7)を得た。脱リグニン処理は、Klaudiz法(坂口隆英他:「木材の化学」、文永堂出版、1985,pp.69-70参照)に準拠し、亜塩素酸ナトリウム水溶液の濃度を4%とし、温度45℃で処理時間を変化させて行った。尚、ヒノキ小片の内部にまで処理液が速やかに到達し反応が進行するよう、予め加熱しておいた処理液を減圧注入にて浸透させてから脱リグニン処理を行った。脱リグニン処理後は、室温の水に浸漬して反応を止めた。
得られた木質材料において、脱リグニン処理時間に対するリグニンの量的変化を把握するために、処理前後の乾燥重量から重量減少率を算出した。乾燥条件は、処理前は、105℃で24時間の送風乾燥であり、処理後は、室温で風乾、35℃で24時間の送風乾燥、50℃で18時間の送風乾燥、及び、105℃で3時間の送風乾燥である。尚、脱リグニン用の処理液に代えて、ヒノキの小片を室温の水に96時間以上浸漬したもの(A0)についても同様にして重量減少率を得た。これらの結果を表1に示す。
脱リグニン処理時間が30分までは、重量減少率の増加が小さく(1%以内)、残存リグニン量の変化が少ない。 脱リグニン処理時間が1時間以上では、処理時間を増すに連れ、重量減少率が顕著に増加し、残存リグニン量が減少した。ヒノキに含まれるリグニン量は、25~32質量%(右田伸彦他:「木材化学(上巻)」、共立出版、1968,pp.72参照)とされているので、脱リグニン処理を24時間以上行うと、得られた木質材料の残存リグニン量は僅少であると考えられる。
また、得られた木質材料(A1)~(A7)のサイズは、処理直後の飽水状態(水膨潤状態)では、処理時間が長くなるほど、処理前に比べて膨張しており、明色化傾向にあった。また、乾燥状態では、処理時間が長くなるほど、処理前に比べて収縮しており、明色化傾向にあった。尚、いずれの木質材料(A1)~(A7)においても、処理前の木質材料の組織構造(細胞の配置等)がほとんど維持されていた。
また、得られた木質材料(A1)~(A7)のサイズは、処理直後の飽水状態(水膨潤状態)では、処理時間が長くなるほど、処理前に比べて膨張しており、明色化傾向にあった。また、乾燥状態では、処理時間が長くなるほど、処理前に比べて収縮しており、明色化傾向にあった。尚、いずれの木質材料(A1)~(A7)においても、処理前の木質材料の組織構造(細胞の配置等)がほとんど維持されていた。
次に、水処理後の木質材料(A0)及び脱リグニン処理後の木質材料(A1)~(A7)に対し、繊維方向に半分に切断したときの内断面(板目面)及び木口表面のそれぞれについて、赤外線吸収スペクトル(ATR)を測定した。測定装置は、サーモフィッシャー社製赤外分光光度計「NICOLET 6700 FT-IR」(型式名)であり、プリズムとしてダイヤモンドを用いた。また、測定波数域を、4000~500cm-1とした。
図6は、広域(4000~500cm-1)のATRスペクトルであり、図7は、狭域(1150~1750cm-1)のATRスペクトルである。各木質材料のATRスペクトルから、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA比)を算出した。HAは脱リグニン処理による変化が小さく、HBは脱リグニン処理の進行に伴い減少したため、HB/HA比は脱リグニン処理時間の増加に伴い減少した。これらの結果を表2に示す。尚、各吸収ピークの高さは、図2及び図3に示す要領で決定した。
図6は、広域(4000~500cm-1)のATRスペクトルであり、図7は、狭域(1150~1750cm-1)のATRスペクトルである。各木質材料のATRスペクトルから、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA比)を算出した。HAは脱リグニン処理による変化が小さく、HBは脱リグニン処理の進行に伴い減少したため、HB/HA比は脱リグニン処理時間の増加に伴い減少した。これらの結果を表2に示す。尚、各吸収ピークの高さは、図2及び図3に示す要領で決定した。
表2から、水処理後の木質材料(A0)は、HB/HA比が1.2以上であるが、脱リグニン処理を少なくとも10分間行うことにより、HB/HA比が1.10以下になったことが分かる。
更に、水処理後の木質材料(A0)及び脱リグニン処理後の木質材料(A1)~(A5)に対し、流動成形時における流動性を評価した。即ち、40℃、60℃、80℃又は100℃の飽和水蒸気による加熱環境下で、2枚の加圧板を用いて各木質材料に、塑性領域まで荷重を負荷する自由圧縮試験を行った。具体的には、木質材料を飽水状態(含水率:200%以上)とし、これを加圧板同士の間に載置して、R方向に毎分1mmで圧縮させた。図8は、40℃の飽和水蒸気を用いた場合の、圧縮率に対する圧縮応力を示すグラフである。すべての木質材料(A0)~(A5)で、木質材料の細胞壁の変形による細胞内腔の閉塞が徐々に続くため、圧縮率が約60%までは圧縮応力がほぼ平坦な領域が見られた。更に圧縮していくと、圧縮応力が急激に立ち上がり、その後、ほぼ一定の圧縮応力の増加率を示し、更に圧縮していくと、圧縮応力の増加率が小さくなる変曲点が現れた(図8における(a)の拡大図である図9参照)。変曲点以降は、塑性変形が起きるため、圧縮応力の増加率が小さくなったのである。また、HB/HA比が小さいほど、変曲点の圧縮応力は小さくなっており、より小さな応力で塑性変形することが分かる。尚、木質材料(A5)の場合、変曲点は検出できなかったが、これは細胞壁の変形と同時に塑性変形が生じ、圧縮応力の平坦な領域に埋もれてしまったためと考えられる。この変曲点は、木質材料が塑性変形して流動する「流動開始点」であり、このときの圧縮応力は「流動開始応力」である。
図10は、水処理後の木質材料(A0)及び脱リグニン処理後の木質材料(A1)~(A4)に関する、流動開始応力の変化を示すグラフである。この図10から、飽和水蒸気の温度が高いほど(即ち、流動成形の際に加熱を併用するときのその温度が高いほど)、低い応力で流動が開始することが分かる。また、HB/HA比が1.00以下であれば、流動開始応力が低下(即ち、流動性が向上)することが分かった。
更に、自由圧縮試験後の飽水状態の木質材料を、試験後の圧縮状態を維持した状態で乾燥させて形状固定した。図11は、木質材料(A5)を飽和水蒸気温度40℃で自由圧縮試験し、形状固定した後の外観画像である。プレス後に乾燥させることで、形状固定された薄肉シート状の成形体を得ることができた。尚、図示しないが、HB/HA比や飽和水蒸気温度が異なる全ての実験条件において、形状固定された成形体が得られることを確認した。得られた成形体におけるLT面の外観画像を二値化することで面積Saを測定し、成形体の乾燥重量Wdで規格化した単位重量あたりの成形体面積Sa/Wdを算出し、流動性の指標とした。
図12は、木質材料(A0)~(A5)に関する、単位重量あたりの成形体面積Sa/Wdの変化を示すグラフである。この図12から、飽和水蒸気の温度が高いほど、Sa/Wdが大きくなり、流動性が高いことが分かる。また、HB/HA比が0.5以下で、Sa/Wdが著しく増大し、流動性が大きく向上することが分かった。
図12は、木質材料(A0)~(A5)に関する、単位重量あたりの成形体面積Sa/Wdの変化を示すグラフである。この図12から、飽和水蒸気の温度が高いほど、Sa/Wdが大きくなり、流動性が高いことが分かる。また、HB/HA比が0.5以下で、Sa/Wdが著しく増大し、流動性が大きく向上することが分かった。
また、水処理後の木質材料(A0)及び脱リグニン処理後の木質材料(A5)を、それぞれ、温度80℃で行った圧縮試験終了後に得られた圧縮物を走査型電子顕微鏡による断面観察に供した。図13は、木質材料(A0)の圧縮物の断面画像であり、図14は、木質材料(A5)の圧縮物の断面画像である。いずれも、細胞間滑りによる塑性流動が生じているが、木質材料(A5)のほうがより小さい細胞単位で流動したことが分かる。
2.木質材料の製造及び評価(2)
ヒノキの辺材(しらた)を、1mm(L:繊維方向)×3mm(T:接線方向)×30mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、10分間、30分間、1時間、3時間又は6時間として、上記と同様にして、脱リグニン処理を行い、木質材料(B1)~(B5)を得た。そして、得られた乾燥状態の木質材料の木口面に対してATRスペクトルを測定し、上記と同様にして、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA比)を算出した。HB/HA比は、木質材料(B1)、(B2)、(B3)、(B4)及び(B5)の順に、それぞれ、1.05、0.94、0.91、0.77及び0.65であった。
尚、脱リグニン用の処理液に代えて、ヒノキの小片を室温の水に96時間以上浸漬したもの(B0)についても同様にしてATRスペクトルを測定し、HB/HA比を算出し、1.24を得た。
ヒノキの辺材(しらた)を、1mm(L:繊維方向)×3mm(T:接線方向)×30mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、10分間、30分間、1時間、3時間又は6時間として、上記と同様にして、脱リグニン処理を行い、木質材料(B1)~(B5)を得た。そして、得られた乾燥状態の木質材料の木口面に対してATRスペクトルを測定し、上記と同様にして、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA比)を算出した。HB/HA比は、木質材料(B1)、(B2)、(B3)、(B4)及び(B5)の順に、それぞれ、1.05、0.94、0.91、0.77及び0.65であった。
尚、脱リグニン用の処理液に代えて、ヒノキの小片を室温の水に96時間以上浸漬したもの(B0)についても同様にしてATRスペクトルを測定し、HB/HA比を算出し、1.24を得た。
次に、水処理後の木質材料(B0)及び脱リグニン処理後の木質材料(B1)~(B5)に対し、リグニンの質的変化を把握するために、各木質材料を水膨潤状態(含水率:200%以上)として、水中に設置して、昇温速度0.5℃/分で、水温を30℃から100℃まで上げながら、荷重70±20mN及び周波数0.01Hzの条件でR方向に引張る動的粘弾性測定を行った。図15は、tanδの水温依存性を示すグラフである。いずれの木質材料もtanδにピークがあるが、そのピークを示す温度(ピーク温度)は異なり、(B0)、(B1)、(B2)、(B3)、(B4)及び(B5)の順にピーク温度が低下した。即ち、HB/HA比が小さくなるほど、tanδのピーク温度が低温側にシフトしたことが分かった。各曲線で見られるピークは、リグニンのガラス転移によるものであり、tanδのピーク温度が低温側にシフトしたことは、リグニンの縮合度の低下を示唆するものであるため、HB/HA比が1.10以下であれば、リグニンの縮合度が低下して細胞壁内が弛緩状態となるといった質的変化が生じたことが分かる。
3.木質材料の製造及び評価(3)
複数のヒノキ単板(サイズ:25mm(L:繊維方向)×22mm(T:接線方向)×3mm(R:半径方向))に対して、処理時間を、6時間、15時間、24時間又は96時間として、上記と同様にして、脱リグニン処理を行い、木質材料(C1)~(C4)を得た。これらの木質材料(C1)~(C4)における重量減少率を測定したところ、それぞれ、3.6%、10.9%、21.5%及び25.2%であった。また、木質材料(C1)~(C4)におけるリグニン含有率を、アセチルブロマイド法により測定したところ、それぞれ、26%、20%、13%及び7%であった。
次に、これらの木質材料(C1)、(C3)及び(C4)を、温度20℃の相対湿度60%環境下で調湿して気乾状態(含水率:約9%)とし、図16に示す側方押出試験に供した。即ち、上型及び底型からなる金型を150℃に加熱した後、コンテナ(26mm×26mm)の中に、各木質材料(約4.5g)を、繊維方向(L)を押出方向(キャビティの長手方向)と直交になるよう載置し、一定速度(10mm/min)で荷重15トン(パンチ面圧:約220MPa)までパンチを降下させることで、キャビティ内に各木質材料をT方向に押出して、成形した。次いで、5分間保圧後に冷却させ、成形体を取り出した。
側方押出試験により得られた成形体の外観画像と、押し出された材料からの曲げ試験片の切り出し方向の例(木質材料(C1)を使用)を図17に示す。切り出した試験片(約26mm×5mm×1.2mm)は、温度20℃の相対湿度60%環境下で調湿した後、JIS 7171に準拠した曲げ試験に供した。各木質材料につき、側方押出試験を2回行い、曲げ試験には試験体を少なくとも5本以上を供試した。
尚、脱リグニン用の処理液に代えて、ヒノキ単板を室温の水に96時間以上浸漬したもの(C0)についても同様にして、側方押出試験及び曲げ試験に供した。
複数のヒノキ単板(サイズ:25mm(L:繊維方向)×22mm(T:接線方向)×3mm(R:半径方向))に対して、処理時間を、6時間、15時間、24時間又は96時間として、上記と同様にして、脱リグニン処理を行い、木質材料(C1)~(C4)を得た。これらの木質材料(C1)~(C4)における重量減少率を測定したところ、それぞれ、3.6%、10.9%、21.5%及び25.2%であった。また、木質材料(C1)~(C4)におけるリグニン含有率を、アセチルブロマイド法により測定したところ、それぞれ、26%、20%、13%及び7%であった。
次に、これらの木質材料(C1)、(C3)及び(C4)を、温度20℃の相対湿度60%環境下で調湿して気乾状態(含水率:約9%)とし、図16に示す側方押出試験に供した。即ち、上型及び底型からなる金型を150℃に加熱した後、コンテナ(26mm×26mm)の中に、各木質材料(約4.5g)を、繊維方向(L)を押出方向(キャビティの長手方向)と直交になるよう載置し、一定速度(10mm/min)で荷重15トン(パンチ面圧:約220MPa)までパンチを降下させることで、キャビティ内に各木質材料をT方向に押出して、成形した。次いで、5分間保圧後に冷却させ、成形体を取り出した。
側方押出試験により得られた成形体の外観画像と、押し出された材料からの曲げ試験片の切り出し方向の例(木質材料(C1)を使用)を図17に示す。切り出した試験片(約26mm×5mm×1.2mm)は、温度20℃の相対湿度60%環境下で調湿した後、JIS 7171に準拠した曲げ試験に供した。各木質材料につき、側方押出試験を2回行い、曲げ試験には試験体を少なくとも5本以上を供試した。
尚、脱リグニン用の処理液に代えて、ヒノキ単板を室温の水に96時間以上浸漬したもの(C0)についても同様にして、側方押出試験及び曲げ試験に供した。
曲げ試験の結果を表3に示す。曲げ弾性率及び曲げ強度の各データを、「平均値±標準偏差」で表記した。
表3によれば、木質材料C0及びC1を用いるよりも、木質材料C3及びC4を用いる方が曲げ特性に優れていた。即ち、流動成形体の力学特性は、脱リグニンによる重量減少率が20%以上であり、且つ、アセチルブロマイド法によるリグニン含有率が15%以下である場合に良好であることが分かった。また、木質材料C1のように、リグニン含有率が20質量%以上であっても、木質材料C0と同等の力学特性を有する成形体が得られることが分かった。
4.流動成形用材料の製造及び評価(1)
ヒノキの辺材(しらた)を、5mm(L:繊維方向)×18mm(T:接線方向)×18mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、30分間又は6時間として、上記と同様にして脱リグニン処理を行い、木質材料(D1)及び(D2)を得た。これらの木質材料(D1)及び(D2)における重量減少率を測定したところ、それぞれ、0.0%及び12.6%であった。尚、以下の実験では、脱リグニン処理を行っていない木質材料(D0)も用いた。
ヒノキの辺材(しらた)を、5mm(L:繊維方向)×18mm(T:接線方向)×18mm(R:半径方向)のサイズの小片とし、複数の小片に対して処理時間を、30分間又は6時間として、上記と同様にして脱リグニン処理を行い、木質材料(D1)及び(D2)を得た。これらの木質材料(D1)及び(D2)における重量減少率を測定したところ、それぞれ、0.0%及び12.6%であった。尚、以下の実験では、脱リグニン処理を行っていない木質材料(D0)も用いた。
上記の木質材料(D0)、(D1)及び(D2)に、樹脂を含浸させて、樹脂を含有する成形材料を得るために、溶液置換法(図4参照)、または、乾燥・含浸法(図5参照)に供した。樹脂含浸用の液として、平均分子量が20000のポリエチレングリコール(以下、「PEG20000」という)を水に溶解させた、濃度20質量%の水溶液(以下、「PEG水溶液」という)を用いた。
溶液置換法では、具体的には、まず、各木質材料を脱リグニン処理直後の飽水状態(含水率:200%以上)とし、次いで、20℃のPEG水溶液に浸漬し、24時間ごとにPEG水溶液を交換しながら、この操作を7日間継続した。その後、PEG水溶液から木質材料を取り出して、35℃及び11RH%の条件で恒量となるまで養生し、更に、35℃の減圧乾燥器内で恒量となるまで脱水乾燥させることにより、各流動成形用材料を得た。
乾燥・含浸法では、具体的には、まず、脱リグニン処理直後の飽水状態(含水率:200%以上)の各木質材料を、35℃及び11RH%の条件下で恒量になるまで乾燥させ、その後、シリカゲルの上に載置して減圧乾燥させ、次いで、減圧条件下、乾燥状態の各木質材料にPEG水溶液を注入して浸漬し、その後、22時間に渡って加圧条件とし、PEG水溶液から木質材料を取り出して、35℃及び11RH%の条件で恒量となるまで養生し、更に、35℃の減圧乾燥器内で恒量となるまで脱水乾燥させることにより、各流動成形用材料を得た。
溶液置換法では、具体的には、まず、各木質材料を脱リグニン処理直後の飽水状態(含水率:200%以上)とし、次いで、20℃のPEG水溶液に浸漬し、24時間ごとにPEG水溶液を交換しながら、この操作を7日間継続した。その後、PEG水溶液から木質材料を取り出して、35℃及び11RH%の条件で恒量となるまで養生し、更に、35℃の減圧乾燥器内で恒量となるまで脱水乾燥させることにより、各流動成形用材料を得た。
乾燥・含浸法では、具体的には、まず、脱リグニン処理直後の飽水状態(含水率:200%以上)の各木質材料を、35℃及び11RH%の条件下で恒量になるまで乾燥させ、その後、シリカゲルの上に載置して減圧乾燥させ、次いで、減圧条件下、乾燥状態の各木質材料にPEG水溶液を注入して浸漬し、その後、22時間に渡って加圧条件とし、PEG水溶液から木質材料を取り出して、35℃及び11RH%の条件で恒量となるまで養生し、更に、35℃の減圧乾燥器内で恒量となるまで脱水乾燥させることにより、各流動成形用材料を得た。
上記で得られた各流動成形用材料について、PEG20000による重量増加率及びT方向の膨潤率の測定結果を表4に示す。重量増加率及びT方向膨潤率は、いずれもPEG20000を含浸させる前の乾燥状態の木質材料(D0)~(D2)を基準とした値である。
表4から明らかなように、溶液置換法及び乾燥・含浸法の両方において、脱リグニン処理がより進んでいる木質材料(D2)を用いた流動成形用材料は、木質材料(D1)を用いた流動成形用材料よりも重量増加率が高く、PEG20000の含浸割合が高かった。また、T方向膨潤率も、同様に、木質材料(D1)を用いた流動成形用材料よりも木質材料(D2)を用いた流動成形用材料の方が高く、細胞壁内へのPEG20000の含浸割合が高かった。
5.流動成形用材料の製造及び評価(2)
溶液置換法により得られた上記流動成形用材料(PEG20000含浸物)を、約5mm×約5mm×約5mmの立方体に切断し、これを、変形挙動測定用の試料12として、図18に示すように160℃に加熱した2枚の熱板の間に載置して、R方向に毎分2mmで圧縮させ、変形挙動を測定した。その結果、いずれの流動成形用材料においても、変形挙動測定により図19に示すような応力曲線が得られ、圧縮率が約70%で応力が降伏し、それ以降、荷重が再び立ち上がり、測定が終了した。途中で見られるこの降伏点は流動開始点であるため、各流動成形用材料に対して、流動開始点における圧縮応力(流動開始応力)を求めて、グラフ化した(図20参照)。この図20より、木質材料(D0)を用いた流動成形用材料、木質材料(D1)を用いた流動成形用材料、及び木質材料(D2)を用いた流動成形用材料の順に、流動開始応力が低くなり流動性が高くなることが分かった。
溶液置換法により得られた上記流動成形用材料(PEG20000含浸物)を、約5mm×約5mm×約5mmの立方体に切断し、これを、変形挙動測定用の試料12として、図18に示すように160℃に加熱した2枚の熱板の間に載置して、R方向に毎分2mmで圧縮させ、変形挙動を測定した。その結果、いずれの流動成形用材料においても、変形挙動測定により図19に示すような応力曲線が得られ、圧縮率が約70%で応力が降伏し、それ以降、荷重が再び立ち上がり、測定が終了した。途中で見られるこの降伏点は流動開始点であるため、各流動成形用材料に対して、流動開始点における圧縮応力(流動開始応力)を求めて、グラフ化した(図20参照)。この図20より、木質材料(D0)を用いた流動成形用材料、木質材料(D1)を用いた流動成形用材料、及び木質材料(D2)を用いた流動成形用材料の順に、流動開始応力が低くなり流動性が高くなることが分かった。
6.木質成形体の製造
直径45mm及び厚さ4mmのヒノキ単板に対して、上記と同様にして、脱リグニン処理を、それぞれ、6時間及び48時間行った後、これらを、乾燥及び調湿することにより木質材料E(重量減少率:約6%、含水率:11%)及び木質材料F(重量減少率:約25%、含水率:11%)を得た。
次いで、図21に示す後方押出成形装置20を用いて、図22及び図23に示す容器(開口部の直径:約45mm、高さ:約50mm)を得た。即ち、170℃に加熱した金型24の中に、木質材料E又は木質材料Fを複数枚重ねて約60gとした状態で流動成形用材料22として収容し、1mm/秒でパンチ26を降下させて、最大パンチ面圧(直径50mm)が200MPaになるまで荷重を負荷し、その後、冷却することにより上記容器を得た。図22及び図23から明らかなように、得られた容器は木質外観を有し、形状安定性に優れていた。
直径45mm及び厚さ4mmのヒノキ単板に対して、上記と同様にして、脱リグニン処理を、それぞれ、6時間及び48時間行った後、これらを、乾燥及び調湿することにより木質材料E(重量減少率:約6%、含水率:11%)及び木質材料F(重量減少率:約25%、含水率:11%)を得た。
次いで、図21に示す後方押出成形装置20を用いて、図22及び図23に示す容器(開口部の直径:約45mm、高さ:約50mm)を得た。即ち、170℃に加熱した金型24の中に、木質材料E又は木質材料Fを複数枚重ねて約60gとした状態で流動成形用材料22として収容し、1mm/秒でパンチ26を降下させて、最大パンチ面圧(直径50mm)が200MPaになるまで荷重を負荷し、その後、冷却することにより上記容器を得た。図22及び図23から明らかなように、得られた容器は木質外観を有し、形状安定性に優れていた。
また、上記木質材料Eに、溶液置換法により、第一工業製薬社製水溶性ウレタン樹脂「E-37」(商品名)を含浸し、この水溶性ウレタン樹脂に基づく重量増加率が約30%である流動成形用材料Gを得た。その後、上記木質材料Eからなる流動成形用材料を用いた場合と同様にして後方押出成形を行い、同じ形状の容器を得た。得られた容器は、図24に示され、図22及び図23と同様に木質外観を有し、形状安定性に優れていた。
尚、上記水溶性ウレタン樹脂に代えて、上記PEG20000及びテルペン樹脂を用いた場合にも、良好に後方押出成形を行うことができた。
尚、上記水溶性ウレタン樹脂に代えて、上記PEG20000及びテルペン樹脂を用いた場合にも、良好に後方押出成形を行うことができた。
本発明の流動成形用木質材料及びそれを含む流動成形用材料は、日用品、家具・調度品、建材・建築部材、電化製品又は音響機器用筐体、車両用部材等として用いる木質成形体の製造に好適である。
1:流動成形用材料、2:セルロース繊維、4:リグニン、6:水、8:樹脂含有液、10:樹脂、12:変形挙動測定用試料、14:熱板、20:後方押出成形装置、22:流動成形用材料、24:金型、26:パンチ
Claims (9)
- 圧力を加えることにより賦形して木質成形体を製造する方法に用いられる流動成形用木質材料であって、
赤外線分光分析法による材料の内部又は表面のATRスペクトルにおいて、2850~2950cm-1に検出されるC-H伸縮振動による吸収ピークの高さ(HA)と、1480~1540cm-1に検出される芳香環の骨格振動による吸収ピークの高さ(HB)との比(HB/HA)が1.10以下であることを特徴とする、流動成形用木質材料。 - アセチルブロマイド法によるリグニン含有率が3質量%以上である請求項1に記載の流動成形用木質材料。
- 前記リグニン含有率が20質量%以上である請求項2に記載の流動成形用木質材料。
- 前記リグニン含有率が15質量%以下である請求項2に記載の流動成形用木質材料。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料を含有することを特徴とする流動成形用材料。
- 更に、樹脂を含有する請求項5に記載の流動成形用材料。
- 請求項6に記載の流動成形用材料を製造する方法であって、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の流動成形用木質材料に樹脂を含浸させる工程を備えることを特徴とする、流動成形用材料の製造方法。 - 請求項5に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
- 請求項6に記載の流動成形用材料を用いて得られたことを特徴とする木質成形体。
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