JPH01306202A - 改質木材の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は特に寸法安定性と耐候性に優れた改質木材を工
業的に非常に有利に製造する方法に関するものである。

［従来の技術］ 木材は軽くて強く、また加工しやすいために、古くから
建築用材料および家具用材料をはじめ、その他広範な用
途に使用されているが、木材中の結合水の増減により寸
法変化が起こりやすいという欠点があった。また、外壁
材、軒天、雨戸などの屋外用として用いられている木材
は、太陽光線中の紫外線、水分、および酸素などによっ
て劣化が起こりやすく、耐候性に問題を有していた。

上記木材の寸法安定性および耐候性を改善する手段とし
て、木材に化学物質を注入し、加熱反応し、木材を改質
する方法が行われている。

しかしながら、こうした加熱処理の方法は主に被加熱物
体の外部から熱を与えるものであり、まず表面が加熱さ
れ、次に熱伝導によって内部が加熱されるものである。

そのため、厚板や柱状体などの大きな木材を加熱処理す
る場合、木材の表面は処理ができるとしても、できるだ
け木材内部まで処理を行うためには、長時間を要し、そ
の間に表面が加熱され、変色や劣化を起こすという問題
があった。また、この場合、表面から化学処理が行われ
るため、木材内部の未反応溶液を吸引減圧により回収す
る過程で未反応溶液が除去しにくくなるという問題があ
った。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は厚板や柱状体などのような大きな木材をできる
だけ内部まで化学処理し、表面の変色や劣化および割れ
がなく、特に寸法安定性と耐候性に優れた改質木材を工
業的に非常に有利に製造する方法を提供するにある。

［課題点を解決するための手段］ 本発明者らは、上述の如き実情に鑑み、性能の優れた改
質木材を工業的に有利に得る方法を見い出す目的で研究
を重ねた結果、木材に多塩基酸無水物とエポキシ化合物
からなる反応溶液を含浸し、次いで該反応溶液含浸木材
と含浸の工程で木材に含浸されなかった余分の反応溶液
を分離し、しかるのち該反応溶液含浸木材を高周波を用
いて４０〜１６０℃の温度に加熱して、木材中に存在す
る木材成分の水酸基に多塩基酸無水物とエポキシ化合物
を交互に付加させることにより、木材の内部から化学修
飾が良好に行われ、特に寸法安定性と耐候性に優れた改
質木材が工業的に有利に得られることを見い出したので
ある。

また、上記反応溶液含浸木材を高周波を用いて加熱し、
化学修飾しながら、または化学修飾したのち、吸引減圧
することにより、未反応溶液を内部から加熱し、効率よ
く気化させて回収するとともに、上記加熱中に副反応生
成物として生成する多塩基酸無水物とエポキシ化合物の
オリゴマーを該処理木材中に存在させることにより、特
に寸法安定性において一段と優れた効果が認められる改
質木材が経済的に有利に得られることを見い出したので
ある。

即ち、本発明は化学修飾に先だって木材中に上記反応溶
液を含浸する際に、含浸されなかった余分の反応溶液を
分離するので、このことが分離回収された反応溶液の長
期的安定性につながり、反応溶液の連続使用ないし循環
使用を可能にするという特徴があり、また高周波を用い
ることにより、厚板や柱状体などのような大きな木材を
できるだけ内部まで処理ができ、熱効率がよく、反応時
間の短縮ができ、また、木材中心部の温度が表層部より
も幾分高くなることから、吸引減圧による未反応溶液の
回収も割れ等の損傷が少なく容易に行うことができると
いう改質木材の工業生産に適した製法を提供するもので
ある。

本発明において使用する木材とは、木材の組織構造を保
有したままのものである。その形状は柱状、板状、また
はブロック状など種々のものが用いられ、特に厚板や柱
状体などのような大きな木材に適している。また樹種に
おいても特に制限はない。

また、多塩基酸無水物としては、特に制限はないが、具
体的には、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水コハク
酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水へキサヒドロフタ
ル酸、無水イタコン酸、無水ヘット酸、無水ピロメリッ
ト酸などが挙げられる。特に工業的に有利で低度な無水
フタル酸、無水マレイン酸、無水コハク酸などが好まし
く、なかでも無水フタル酸が木材の改質効果が大きく好
ましい。

また、本発明において使用するエポキシ化合物としては
、特に制限はないが、エピクロルヒドリン、メヂルグリ
シジルエーテル、エチルグリシジルエーテル、アリルグ
リシジルエーテル、グリシジルメタクリレート、フェニ
ルグリシジルエーテル、スチレンオキサイド、オレフイ
ンオギサイド、ブチルグリシジルエーテル、タレジルグ
リシジルエーテル、ビスフェノールＡグリシジルエーテ
ル、グリセリンジグリシジルエーテルなどが挙げられる
。特に工業的に多量生産されており、かつ比較的分子量
も小さく沸点も低いエピクロルヒドリン、メチルグリシ
ジルエーテル、エチルグリシジルエーテル、アリルグリ
シジルエーテル、グリシジルメタクリレート、スチレン
オキサイドなどが好ましく、なかでもエピクロルヒドリ
ンが木材の改質効果が大きく好ましい。

次に、本発明の製造方法を手順を追って説明する。まず
、柱状、板状、またはブロック状などの木材は、化学修
飾を容易にしたり、使用する薬剤との関係で、木材含水
率を１５％以下にして使用するのが好ましい。

一方、反応溶液としては多塩基酸無水物とエポキシ化合
物との混合溶液を用いる。その混合割合は多塩基酸無水
物とエポキシ化合物のモル比が１＝１〜３０となるよう
調製するのが好ましい。

このようなエポキシ化合物を多塩基酸無水物に比へて過
剰に用いるのは、エポキシ化合物が多塩基酸無水物の溶
媒として作用する効果と°、さらに化学処理の中間段階
で生成するエステル化木材の側鎖のカルボキシル基にエ
ポキシ化合物が付加する度合を大きくし、改質木材の酸
価を下げる効果があるからである。また該混合溶液は、
一般的には、無溶媒下で調製できるが、多塩基酸無水物
の種類によっては溶解できない場合もあり、その場合に
は、例えばジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシ
ドなどの溶媒を用いて調製するのが好ましい。また、木
材中の水酸基と多塩基酸無水物との開環エステル化反応
、およびこの開環エステル化反応によって生じた側鎖カ
ルボキシル基とエポキシ化合物との付加エステル化反応
は、いずれも無触媒下で充分に進行するが、反応を促進
させるために、例えば、硫酸、過塩素酸、パラトルエン
スルホン酸などの酸性触媒、或は炭酸ナトリウム、ジメ
チルベンジルアミン、ピリジンなどの塩基性触媒を用い
てもよい。

以上の如くして調製された反応溶液を木材に含浸させる
には、例えば、木材を該反応溶液中に浸せきしたり、或
は木材に該反応溶液を減圧下、加圧下、或は減圧加圧下
で注入する方法等を用いることができる。

次いで、上記方法で得られた反応溶液含浸木材と木材に
含浸されなかった余分の反応溶液を分離し、しかるのち
該反応溶液含浸木材だけを高周波加熱装置にいれ、上下
に電極板を置き、周波数５〜２７Ｍ１ｌｚで高周波を印
加して加熱するのである。この加熱方法では木材に含浸
された反応溶液自体が発熱するため、木材の内部から加
熱され、均一に改質することができ、また非常に熱効率
が高いので反応時間が短縮できる。加熱は４０〜１６０
℃で行う必要がある。こねは温度が４０℃未満の場合は
前記の反応がほとんど進まず、また１６０℃を越えると
木材の変色や劣化などの欠点が生じるためである。加熱
時間は多塩基酸無水物やエポキシ化合物の種類、反応温
度、および木材の形状・寸法などによりて異なるが、外
部加熱方法よりもかなり時間を短縮することができる。

上記反応溶液含浸木材を加熱して、化学修飾したのち、
反応容器内を、例えば、５０　ｎｏｎＪより高い真空度
で吸引減圧し、処理木材中の未反応溶液の沸点を下げて
気化させ、反応容器外で冷却、液化させて未反応溶液を
回収するのである。高周波加熱方法では木材中心部の温
度が表層部よりも若干高くなることから、吸引減圧によ
る未反応溶液の回収が効率よく行える。また、木材の割
れ等の損傷が少ない。所定時間吸引したのち、反応容器
から取り出した改質木材はそのまま製品となるもので改
めて洗浄、乾燥する必要はない。

このようにして得られた改質木材においては、その酸価
は小さな値である。これは反応ｍ　（ｒｉ中に存在する
多塩基酸無水物よりもエポキシ化合物のモル濃度が高い
ために、この化学処理の中間段階で得られるエステル化
木材の側鎖カルボキシル基の大部分は、同時に、エポキ
シ化合物中のエポキシ基と付加エステル化反応を起こし
たことを示すものである。

また、改質木材の赤外線吸収スペクトルにおいて、多塩
基酸無水物およびエポキシ化合物の付加物の特性吸収が
明瞭に見られ、このことからも開環エステル化反応およ
び付加エステル化反応が起こったことを示している。

上記のようにカルボキシル基にエポキシ化合物を付加す
る目的は親水性のカルボキシル基に疎水性の大きいエポ
キシ化合物残基を付加して、親水性を減少せしめること
にある。

［発明の効果］ 上述の如く、本発明の製法は、化学修飾に先だって木材
中に上記反応溶液を含浸する際に、含浸されなかった余
分の反応溶液を分離するために、反応溶液の安定性がよ
く、その再使用ないし循環使用が可能になり、また含浸
された木材を高周波を用いて化学修飾するため、従来の
外部加熱法に比べて、内部まで均一に処理ができ、熱効
率がよく反応時間の短縮が行える。また木材中心部の温
度が表層部よりも幾分高くなることから、吸引減圧によ
る未反応溶液の回収も容易になり、割れ等の損傷が少な
く、工業的に非常に有利な方法である。

一方、本発明の製法により得られた改質木材は特に寸法
安定性に優れており、無処理木材に比べて、吸湿による
膨潤率が小さく、また抗膨潤（抗収縮）率（ＡＳＥ）が
非常に高く、長期的に優れた寸法安定性を有するもので
ある。

優れた寸法安定性を示す理由としては、水分吸着能を持
つ木材中の水酸基とエステル化してブロッキングするこ
とにより、水酸基の数を減少させる効果、即ちブロッキ
ング効果と、木材の膨潤には細胞壁の構成にもとすく極
限値があり、木材の水の入りうる部分に多塩基酸無水物
とエポキシ化合物のかさ高い首換基が入ると吸着水の入
りつる余地が減少する効果によるものである。

また、耐候性においても本発明の改質木材は無処理木材
に比べて変色および劣化が非常に少なく優れたものであ
る。この優れた耐候性を示す理由は上記と同じである。

本発明の製法により得られた改質木材においては、木材
が有する優れた特徴を損なうことなく、木材の欠点であ
る水分による寸法変化を抑制し、太陽光線中の紫外線、
水分、及び酸素などによる劣化を抑制することが可能と
なった。さらに派生的な効果としては、各種木材腐朽菌
やシロアリなどによる木材の腐朽・損害を防止、または
抑制することが期待できるものである。

以上の如く、本発明の製造方法により得られた優れた特
性を有する改質木材は、建築用材料、家具用材料、その
他多くの分野において好適であり、例えば、柱、梁、土
台、下地材、床、軒天、雨戸、外壁材、机、本棚などに
用いられるものである。

［実施例］ 以下、本発明を実施例および比較例によってさらに具体
的に説明するが、これによって本発明は実施例に制限さ
れるものてないことは勿論である。

実７１＆例１ 接線方向３ｃｍＸ半径方向３ｃｍＸ繊維方向１２ｃｍの
乾燥された檜の木材（以下、乾燥木材と称す）を無水フ
タル酸２４．１ｇおよびエピクロルヒドリン２２５．８
ｇ　（無水フタル酸とエピクロルヒドリンのモル比１：
１５）からなる反応溶液中に浸せきし、減圧下（２５ｍ
ｍＨｇ）で１時間吸引を行い、さらに加圧下（１２，５
ｋｇ／ｃｍ２）で３０分間注入し、木材内に反応溶液を
含浸せしめた。次いでこの含浸木材を反応溶液中から取
り出し、これを高周波反応装置に入れ上下に極板をはさ
み、周波数６．７ＭＨｚ、出力３ｋｗで高周波を印加し
た。内部温度８０℃、３時間の条件で加熱を行った後、
さらに１１０℃、３時間加熱しながら５０　ｍｍＨ３で
吸引減圧を行い、未反応溶液を除去して改質木材を得た
。この改質木材中の無水フタル酸とエピクロルヒドリン
の重量増加率は木材を基準として、３３．３重量％であ
った。

実施例２ 実施例１の注入条件を減圧下（２０ｍｍｍｍ１ｌで１時
間、さらに加圧下（６，５ｋｇ／ｃｍ２）で１時間に、
また、加熱条件を内部温度１１０℃で２時間に換える以
外は実施例１と同様に処理して、改質木材を得た。この
改質木材中の無水フタル酸とエピクロルヒドリンの重量
増加率は、木材を基準として３３．１重量％であった。

実施例３ 乾燥木材を無水フタル酸１８．５ｇ　、およびエピクロ
ルヒドリン２３１．１ｇ　（無水フタル酸とエピクロル
ヒドリンのモル比１・２０）からなる反応溶液中に浸せ
きし、減圧下（２０ｍｍＨｇ）で１０分間吸引を行い、
さらに加圧下（２０ｋｇ／ｃｍ’）で２０分間註人し、
木材内に反応溶液を含浸せしめた。次いてこの含浸木材
を反応溶液中から取り出し、これを高周波反応装置に入
れ上下に極板をはさみ、周波数８．７　ＭＨｚ　、出力
３ｋｗで高周波を印加した。内部温度１１０℃、１時間
の条件で加熱を行った後、さらに１１０℃、６時間加熱
しながら５０ｍｍ）Ｉｇで吸引減圧を行い、未反応溶液
を除去して改質木材を得た。この改質木材中の無水フタ
ル酸とエピクロルヒドリンの重量増加率は木材を基準と
して、３４．０重量％であった。

実施例４ 乾燥木材を無水マレイン酸１３．５ｇおよびアリルグリ
シジルエーテル２３５．７ｇ　（無水マレイン酸とアリ
ルグリシジルエーテルのモル比１　：　１５）からなる
反応溶液中に侵せきし、減圧下（２０ｍｍＨｇ）で１時
間吸引を行い、さらに加圧下（６，５ｋｇ／ｃｍ２）で
１時間注入し、木材内に反応溶液を含浸せしめた。次い
でこの含浸木材を反応ｔ８　？＆中から取り出し、これ
を高周波反応装置に入れ上下に極板をはさみ、周波数６
゜７　ＭＨｚ　、出力３ｋｗで高周波を印加した。内部
温度１２０℃、３０分間の条件で加熱を行った後、さら
に１２０℃、３時間加熱しながら５０　ｍｍ１１ｇで吸
引減圧を行い、未反応溶液を除去して改質木材を得た。

この改質木材中の無水マレイン酸どアリルグリシジルエ
ーテルの重量増加率は木材を基準として２３．７重量％
であった。

比較例１ 乾燥木材を無水フタル酸２４．１ｇおよびエピクロルヒ
ドリン２２５．８ｇ（無水フタル酸とエピクロルヒドリ
ンのモル比１１５）からなる反応溶液に浸せきし、減圧
下（２０ｎ＋＋ｎｌ１ｇ）で１時間吸引を行い、さらに
加圧下（６，５ｋｇ／ｃｒＢ勺で１時間注入し、木材内
に反応溶液を含浸せしめた。次いでこの含浸木材を反応
溶液中から取り出し、これを反応容器に仕込み、外部加
熱方法で１１０℃、３時間の条件で加熱を行った後、さ
らに１１０℃、６時間加熱しなから２０　＋ｎｍＨｇで
吸引減圧を行った。その後、風乾および１０５℃の熱風
乾燥器を用いて、充分乾燥し、改質木材を得た。この改
質木材中の無水フタル酸とエピクロルヒドリンの重量増
加率は木材を基準として３５．３重量％であった。

比較例２ 無処理の乾燥木材を比較例として用いた。

（改質木材の物性試験） 実施例１〜４て得られた改質木材と比較例１の外部加熱
法による改質木材および比較例２の無処理木材を物性試
験に供した。

重量増加率は木材を基準として、多塩基酸無水物とエポ
キシ化合物との合計量を重量％で表した。

吸湿試験は次の如く行った。即ち、１０５℃の熱風乾燥
器で全乾試験片の重量および寸法を測定した後、ＮａＣ
１の飽和水溶液を入れた２３℃のデシケータ−中（７５
％ＲＨ）に入れて恒量に達するまで吸湿させ、試験片９
吸茹率および膨潤率（接線方向および半径方向）を求め
た。

乾水繰り返し試験は次の如く行なった。即ち、１０５℃
の熱風乾燥器で全乾にし、試験片の寸法を測定したのち
、蒸溜水に浸せきし、３０分間減圧（２０ｍｍＨｇ）　
　Ｌ、２２時間放置した。その後、これらを取り出して
吸水状態の試験片の寸法を測定し、抗膨潤率を求めた。

次に、これらの吸水状態の試験片を４０℃で４時間、そ
の後１０５℃で２０時間乾燥した後、試験片の寸法を測
定して抗酸縮率を求めた。なお、抗膨潤（抗収縮）率（
ＡＳＥ）は次式で定義される。

ここでＶＣは、無処理木材の容積膨潤（収縮）率、また
Ｖｔは、処理木材の容積膨潤（収縮）率を表わす。

第１表の結果から明らかな如く、実施例１〜４の本発明
の製法による改質木材は、比較例１の外部加熱処理木材
に比べ変色が少なく、また、比較例１および比較例２の
無処理木材に比べて、寸法安定性において優れており、
本発明の効果が認められることは明らかであフた。

実施例５ 接線方向ｆｏｃｍＸ半径方向１０ｃｍＸ繊維方向２０ｃ
ｍの乾燥木材を無水フタル酸３４２．８ｇおよびエピク
ロルヒドリン酸４２８２．５ｇ　（無水フタル酸とエピ
クロルヒドリンのモル比１：２０）からなる反応溶液中
に浸せきし、減圧下（２０＋ｎｍＨｇ）で１０分間吸引
を行い、さらに加圧下（２０ｋｇ／ｃｍ２）で２０分間
注入し、木材内に反応溶液を含浸せしめた。次いでこの
含浸木材を反応？８液中から取り出し、これを高周波反
応装置に入れ上下に極板をはさみ、周波数６．７　Ｍ）
Ｉｚ　、出力３ｋｗで高周波を印加した。内部温度１１
０℃、１時間の条件で加熱を行った後、さらに１１０℃
、１５時間加熱しながら５０　ｍｍ）Ｉｇで吸引減圧を
行い、未反応溶液を除去して改質木材を得た。この改質
木材中の無水フタル酸とエピクロルヒドリンの重量増加
率は木材を基準として３２．１重量％であった。

比較例３ 接線方向１０ｃｎ＋Ｘ半径方向１０ｃ＋＋＋Ｘ繊維方向
２０　ｃｍの乾燥木材を無水フタル酸３４２．８ｇおよ
びエピクロルヒドリン４２８２．５ｇ（ｆｉ水ラフタル
酸エピクロルヒドリンのモル比１・２０）からなる反応
溶液中に浸せきし、減圧下（２０ｍｍ１ｇ）で１０分間
吸引を行い、さらに加圧下（２０ｋｇ／ｃｍ２）で２０
分間注入し、木材内に反応溶液を含浸せしめた。次いで
この含浸木材を反応溶液中から取り出し、これを反応容
器に仕込み、外部加熱方法で１１０℃、１時間の条件で
加熱を行った後、さらに１１０℃２０時間加熱しながら
５０　ｍｍ１１ｇで吸引減圧を行った。その後、風乾お
よび１０５℃の熱風乾燥器を用いて、充分乾燥し、改質
木材を得た。この改質木材中の無水フタル酸とエビクロ
ルヒ］・リンの重量増加率は木材を基準として４９．７
重量％であった。

（改質木材の物性試験） 実施例５で得られた改質木材と、比較例３の外部加熱に
よる処理木材の物性試験の結果を第２表に示した。

第２表 第２表の結果から明らかな如く、実施例５の本発明の製
法による改質木材は、表面および内部の残存酸価が低く
、処理が均一に行われ、オリゴマーは存在しているが、
未反応溶液はほとんど残っていない。一方、比較例３の
外部加熱による処理木材では内部の残存酸価が高く、ま
た、アセトン抽出洗浄によるかなりの重量減少が見られ
るか、これは処理木材内部にオリゴマーとかなりの未反
応溶液が残っていることによるものと考えられる。この
ように外部加熱方法では木材表面から処理されるため、
内部の未反応溶液が除去しにくくなるのに対し、高周波
加熱方法では内部から均一に処理されるため、未反応溶
液が効率よく除去され、また変色、割れ等もなく本発明
の効果が認められることは明らかである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）木材に多塩基酸無水物とエポキシ化合物からなる
   反応溶液を含浸させ、次いで該反応溶液含浸木材と含浸
   の工程で木材に含浸されなかった余分の反応溶液を分離
   し、しかるのち該反応溶液含浸木材を高周波を用いて４
   ０〜１６０℃の温度に加熱して、木材中に存在する木材
   成分の水酸基に多塩基酸無水物とエポキシ化合物を交互
   に付加させることを特徴とする改質木材の製法。
2. （２）木材に多塩基酸無水物とエポキシ化合物からなる
   反応溶液を含浸させ、次いで該反応溶液含浸木材と含浸
   の工程で木材に含浸されなかった余分の反応溶液を分離
   し、しかるのち該反応溶液含浸木材を高周波を用いて４
   ０〜１６０℃の温度に加熱し、化学修飾しながらまたは
   化学修飾したのち、吸引減圧することにより、未反応溶
   液を気化させて回収するとともに、上記加熱中に副反応
   生成物として生成する多塩基酸無水物とエポキシ化合物
   とのオリゴマーを該処理木材中に存在させることを特徴
   とする改質木材の製法。