JP5503582B2 - 着色木材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、着色木材の製造方法に関する。

従来、特許文献１で提案されているように、高温高圧の水蒸気雰囲気内で木材を熱処理して着色する方法が知られているが、その熱処理の最終段階において高圧状態から大気圧に降圧する際に木材の表面が過度に乾燥して乾燥割れが生じるという問題があった。そこで、本出願人は、高温高圧の水蒸気雰囲気内で木材を着色した後、高温高圧状態のまま着色木材を水没させてから降圧する方法を提案している（特許文献２参照）。

特開平８−１５５９０９号公報 特開２０１０−６０４５号公報

特許文献２の方法によれば、降圧前に着色木材を水没させているので、降圧する際の木材表面の乾燥が抑制され、着色木材の乾燥割れが低減する。また、着色木材の水没により着色木材が迅速に冷却されるため処理の時間短縮が図れるという効果も有する。しかしながら、その後の検討により、保水性の高い種類の木材に対して本方法を適用した場合には乾燥割れを低減することができるものの、その保水性の高さ故に木材の含水率が高くなり、次工程の機械加工において含水率高に起因する問題が見出された。具体的には、処理済み木材の集成接着が十分でなかったり、スライス加工時に単板が付着したりクラックによる割れが単板に生じたりするなどの問題が指摘される。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、木材の乾燥割れを低減でき、かつ、適正な含水状態に調整可能な着色木材の製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の着色木材の製造方法は、下記の工程を順次経て着色した木材を製造することを特徴とする。
工程Ａ：木材が収納された密閉空間を昇温、昇圧して大気圧よりも高い雰囲気圧力下で高圧水蒸気処理により木材を着色する工程、
工程Ｂ：密閉空間の雰囲気圧力を降圧する工程、
工程Ｃ：工程Ａの高圧水蒸気処理によって上昇した木材の温度が室温になる前に密閉空間に水を導入し、大気圧雰囲気下で木材を水没させる工程、
工程Ｄ：密閉空間の水を排水し、密閉空間の雰囲気圧力を大気圧よりも低い圧力まで減圧する工程。
この着色木材の製造方法においては、工程Ｂは、前記密閉空間の雰囲気圧力を大気圧よりも低い圧力まで減圧することが好ましい。
また、工程Ｃとその後の工程Ｄとを一サイクルとして複数サイクル繰り返すことことが好ましい。

本発明によれば、着色木材の乾燥割れを低減でき、かつ、着色木材を適正な含水状態に調整できる。

本発明の着色木材の製造方法の一実施形態を工程順に示したフローチャートである。 木材の処理装置の一例を示した概略構成図である。 図１のフローチャートにしたがって着色木材を製造した際の圧力容器内の雰囲気圧力と木材の温度の経時変化を示した図である。 木材の処理装置の圧力容器に収納される木材の積載状態の一例を示した模式図である。 本発明の着色木材の製造方法の別の一実施形態を工程順に示したフローチャートである。 図５のフローチャートにしたがって着色木材を製造した際の圧力容器内の雰囲気圧力と木材の温度の経時変化を示した図である。

本発明の着色木材の製造方法は、上記のとおり、工程Ａから工程Ｄを順次経て着色した木材を製造する。以下、本発明の着色木材の製造方法を図面に沿って説明する。図１は、本発明の着色木材の製造方法の一実施形態を工程順に示したフローチャートであり、図２は、木材の処理装置の一例を示した概略構成図である。図３は、図１のフローチャートにしたがって着色木材を製造した際の圧力容器内の雰囲気圧力と木材の温度の経時変化を示した図である。図中、破線が圧力容器内の雰囲気圧力であり、実線が木材の温度である。

図２の木材の処理装置１は、密閉空間を形成する圧力容器２を備え、その内部には木材２０が結束固定された台車３が配置される。圧力容器２は、高温高圧の状態に耐えられるように例えばステンレスなどで作製された筒体であり、台車３を出し入れするための開閉自在な蓋が取り付けられている。この圧力容器２は、水蒸気発生源４に連絡する水蒸気供給弁５、真空ポンプ６に連絡する減圧弁７、水タンク８に連絡する給水弁９、大気圧雰囲気に連絡する水蒸気排気弁１０、水を排水する排水弁１１などを有する。また、圧力容器２にはヒータなどの熱源が組み込まれており、圧力容器２の密閉空間の雰囲気温度が昇温可能とされている。
＜木材＞

本発明の着色木材の製造方法が適用される木材としては、床、壁、天井などの建材、造作部材、家具、工芸品などに使用される各種の樹種からなる木材が対象となる。木材の形態としては板状に加工されたものを例示することができ、例えばフリッチを挙げることができる。

木材は、図２に示すように台車３に複数段積み重ねられ、また結束固定されて圧力容器２内に収納される。このとき、処理効率を高めるために、隣接する木材２０同士が接触しないように上下左右に所定の間隔をあけて木材２０が配置される。例えば図４に示すように、各段に載置される木材２０同士が接触しないように間隔をあけて並べ、また上段と下段の木材２０同士が接触しないようにスペーサー２１を介在させて段積みするなどして木材２０を桟組み積載することもできる。
＜昇温、昇圧工程（工程Ａ）＞

この工程では、木材が収納された密閉空間を昇温、昇圧して大気圧よりも高い雰囲気圧力下で高圧水蒸気処理により木材を着色する。密閉空間に収納された木材が高温高圧の水蒸気と接触すると、木材の組成成分であるセルロース、ヘミセルロース、リグニンが変質して木材が茶褐色に着色する。

具体的には、圧力容器２内の密閉空間を熱源で昇温する。また、減圧弁７、給水弁９、水蒸気排気弁１０、排水弁１１を閉じ、水蒸気供給弁５を開いて水蒸気発生源４から圧力容器２に飽和水蒸気などの水蒸気を導入する。減圧弁７を開き、真空引きを行って水蒸気を導入することもできる。水蒸気が導入された圧力容器２内の雰囲気温度は、木材２０が着色可能に、例えば１２０℃以上に調整される。着色ばらつき及び木材２０の劣化を抑える観点から、好ましくは１２０℃〜２３０℃、より好ましくは１３０℃〜２００℃、特に１４０℃〜１６０℃であることが望ましい。圧力容器２内の雰囲気圧力は大気圧よりも高い圧力であり、上限は処理すべき木材２０の種類によって異なるが、例えば大気圧基準で３ＭＰａと設定することができる。水蒸気導入後は水蒸気供給弁５を閉じる。
圧力容器２内の木材２０の温度は、図３に示すように雰囲気温度の上昇とともに上昇する。
＜保持工程＞

本実施形態では、密閉空間を昇温、昇圧した後、その高温高圧状態を一定時間保持する。保持時間は、処理すべき木材の量、大きさ、樹種などによって異なるが、例えば３０分以上とすることができる。処理効率、木材の劣化などを考慮すると５時間以下とすることができる。好ましくは１時間以上４時間以下であり、特に２時間以上３時間以下であることが望ましい。かかる範囲で高温高圧状態を保持することにより、木材の着色が良好となり、また着色木材の寸法安定性が向上する。
＜降温、降圧工程（工程Ｂ）＞

この工程では、密閉空間の雰囲気圧力を高圧状態から大気圧まで降圧する。
具体的には、水蒸気排気弁１０を開放して雰囲気圧力を降圧する。水蒸気排気弁１０の開放により雰囲気温度も低下し木材２０の温度は木材２０の自然放冷により低下する。

なお図示しないが、密閉空間の雰囲気圧力を大気圧まで降圧した後、さらに大気圧よりも低い圧力まで減圧することもできる。このような減圧処理により、木材の内部を効果的に冷却することができる。また、後段の第１水没工程において木材組織への水の含浸が効果的なものとなる。その結果、木材の表面割れ低減に有効になるほか、木材をより迅速に冷却できるという効果も有する。減圧処理は、具体的には、圧力容器２の水蒸気排気弁１０を閉じ、減圧弁７を開放して真空ポンプ６を駆動させて大気圧基準で例えば−１ＭＰａ〜−０．３ＭＰａ程度まで減圧するなど圧力容器２内の密閉空間を真空引きし、その状態を１分〜１０分程度保持する。
＜第１水没工程（工程Ｃ）＞

この工程では、昇温、昇圧工程において上昇した木材の温度が室温になる前に密閉空間に水を導入し、大気圧雰囲気下で木材を水没させる。木材の温度が室温になる前に木材を水没させることにより、図３に示すように、木材を短時間で冷却できる。また木材組織に水を含浸させるため、木材の乾燥割れを低減できる。ここで室温とは、一般的には１５℃〜２５℃である。

木材の水没は、具体的には、給水弁９を開放して水タンク８から圧力容器２内に水を導入することによって行われる。その際、降温、降圧工程において雰囲気圧力を大気圧未満に減圧した場合にはその減圧状態のまま減圧弁７を閉じ給水弁９を開いて圧力容器２内に水を導入することができる。水の導入により徐々に減圧度合いが低下して最終的には圧力容器２内の雰囲気圧力は大気圧となる。減圧状態から水蒸気排気弁１０などを開放して圧力容器２内の雰囲気圧力を大気圧とした後、給水弁９を開いて圧力容器２内に水を導入することもできる。

降温、降圧工程において雰囲気圧力を大気圧未満に減圧しない場合、雰囲気圧力を大気圧まで降圧する途中に給水弁９を開いて水を導入してもよいし、大気圧まで降圧した後に給水弁９を開いて水を導入してもよい。降圧途中に水を導入する場合には、雰囲気圧力が大気圧基準で例えば０．０５ＭＰａ以下になった後に行うことができる。

圧力容器２内に導入する水量は、木材２０が完全に浸水する量である。木材２０の水没時間は特に制限はなく、木材２０を水没させた後、直ちに給水弁９を閉じ排水弁１１を開けて排水してもよいし、給水弁９を閉じて１分〜１０分程度水没させることもできる。また、圧力容器２に水を導入しつつその導入水を圧力容器２からオーバーフローさせて排水するなどして圧力容器２内に水を循環させることもできる。この場合、新鮮な水が常に木材２０に供給されるため木材２０の冷却効果が向上する。
＜第１減圧工程（工程Ｄ）＞

第１水没工程を経た木材は、木材の水没にともなう木材組織への水の含浸により含水率が高くなっている。そこでこの第１減圧工程では、密閉空間の水を排水して第１水没工程で水没させた木材を非水没状態とし、密閉空間の雰囲気圧力を大気圧よりも低い圧力まで減圧する。この減圧により、木材の内部を効果的に冷却することができる。また、木材組織に含浸した水が蒸発するため、第１減圧工程を経た木材は、第１水没工程を経た直後の木材と比べて含水率が低くなる。このため保水性の高い木材を被処理木材として用いた場合、第１水没工程を経た段階においては木材の含水率が高くなっているが、第１減圧工程を経由することにより木材の含水率をより低く調整するなど適正な含水状態に調整することができる。したがって、この方法によって製造された木材を用いて集成接着する場合には含水率高による接着不良を低減することができる。またスライス加工時に単板同士が付着したりクラックによる割れが単板に生じたりするなどの不具合の発生を抑えることもできる。

この第１減圧工程は、具体的には、排水弁１１を開放し圧力容器２内の水を排水して木材２０を非水没状態とする。次いで、排水弁１１を閉じ減圧弁７を開放して真空ポンプ６を駆動させて真空引きする。負圧度及び減圧時間は、目的の含水率に応じてそれぞれ−１ＭＰａ〜−０．３ＭＰａ程度、１分〜１０分程度の範囲で適宜設定される。目的の含水率は、木材２０に乾燥割れが生じない程度に設定される。
＜着色木材＞

減圧終了後は水蒸気排気弁１０を開けるなどして圧力容器２内を大気圧雰囲気とし、蓋を開放して台車３を搬出し、目的の木材２０を得る。得られた木材２０は着色木材であり、適正な含水状態に調整されている。しかも、乾燥割れを起因とする不良率も低く抑えられている。

図５は、本発明の着色木材の製造方法の別の一実施形態を工程順に示したフローチャートである。図６は、図５のフローチャートにしたがって着色木材を製造した際の圧力容器内の雰囲気圧力と木材の温度の経時変化を示した図である。図中、破線が圧力容器内の雰囲気圧力であり、実線が木材の温度である。

この図５のフローチャートにおいて、昇温、昇圧工程から第１減圧工程までは図１と同じであり、さらに第２水没工程及び第２減圧工程が追加されている。第２水没工程及び第２減圧工程はそれぞれ実質的に第１水没工程及び第１減圧工程と同じであり、木材の水没とその後の木材の非水没状態での減圧を一サイクルとしてこのサイクルを繰り返している。

この実施形態では、木材の水没とその後の木材の非水没状態での減圧を繰り返すことにより、図６に示すように、第２減圧工程終了時における木材の温度が第１減圧工程終了時に比べてさらに低くなる。第２減圧工程終了時における木材の温度がより室温に近づくので、圧力容器から搬出した木材に生じる乾燥割れがより一層低減される。本実施形態ではこのサイクルを２回繰り返しているが、３回以上繰り返して木材を冷却することもできる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。例えば、工程Ｂの雰囲気圧力を大気圧まで降圧する段階において圧力容器に水蒸気を意図的に導入して木材の表面温度を上げることにより木材の水分調整効果を高めることができる。この水蒸気の導入を間欠的に行うことでその効果をさらに高めることができる。
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。

＜実施例１＞
下記の木材を被処理木材として２５０本準備し、隣接する木材同士が接触しないようにパレット上に桟組み積載して台車に結束固定し、図２の木材の処理装置の圧力容器に搬入して、下記処理条件で着色木材を製造した。深さ１ｍｍ以上の割れが発生した着色木材を不良品と判定し、被処理木材２５０本中に発生した不良品数から乾燥割れ不良率を求め、その結果を表１に示した。また製造した着色木材の含水率の測定結果も表１に示した。なお、含水率は木材の試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２１０１）により次式にしたがって求めた。
含水率[%]＝（乾燥前の木材の質量[g]−全乾質量[g]）／全乾質量[g]×１００
ここで全乾質量とは、乾燥前の木材を換気が良好な乾燥器の中で温度１００℃〜１０５℃で乾燥し、恒量に達したときの質量である。
また、製造した着色木材を用いて、下記のとおり集成適性とスライス加工適性を評価した。その結果も表１に示した。

木材
樹種：カバ製材フリッチ
含水率：６２〜７４％
サイズ：厚み４０ｍｍ×巾１１０ｍｍ×長さ６５０ｍｍ
処理条件
・昇温、昇圧工程
蒸気脱気（圧力容器への水蒸気の導入）：１００℃、３分
昇温時間：３０分（常温から１４０℃まで昇温した）
・保持工程
温度、保持時間：１４０℃、２時間
・降温、降圧工程
約２時間かけて圧力容器内の水蒸気を大気開放しながら自然放冷により木材を冷却した。
・第１水没工程、第１減圧工程
圧力容器の雰囲気圧力が０．０５ＭＰａ以下に下がったら注水を開始し、水を循環させながら木材を１分間水没冷却した。その後排水し、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。
＜集成適性の評価＞

製造した着色木材をモルダーにて精寸仕上げし、長手はのこでカットし、切断面に湿気硬化型ウレタン接着剤を塗布したものを複数組み合わせ集成接着し、集成材を得た。集成されたフリッチをスライサーにて０．２５ｍｍ厚薄単板に加工し、得られた単板がバラケなければ「○」とし、わずかにバラケが生じたものは「△」とし、バラケが多く生じたものは「×」とした。
＜スライス加工適性の評価＞
製造した着色木材をスライサーにて０．２５ｍｍ厚薄単板に加工した。得られた単板にクラックによる割れがなければ「○」とし、わずかに割れが生じたものは「△」とし、割れが多く生じたものは「×」とした。
＜実施例２＞

下記処理条件で着色木材を製造した以外は実施例１と同様である。製造した着色木材の乾燥割れ不良率と含水率を表１に示した。また製造した着色木材を用いた集成適性とスライス加工適性の評価結果も表１に示した。
処理条件
・昇温、昇圧工程
蒸気脱気（圧力容器への水蒸気の導入）：１００℃、３分
昇温時間：３０分（常温から１４０℃まで昇温した）
・保持工程
温度、保持時間：１４０℃、２時間
・降温、降圧工程
約２時間かけて圧力容器内の水蒸気を大気開放して自然放冷により木材を冷却した。その後、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。
・第１水没工程、第１減圧工程
圧力容器に注水して木材を水没冷却した。冠水後排水し、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａ保持して３分後に大気開放した。
＜実施例３＞

下記処理条件で着色木材を製造した以外は実施例１と同様である。製造した着色木材の乾燥割れ不良率と含水率を表１に示した。また製造した着色木材を用いた集成適性とスライス加工適性の評価結果も表１に示した。

処理条件
・昇温、昇圧工程
蒸気脱気（圧力容器への水蒸気の導入）：１００℃、３分
昇温時間：３０分（常温から１４０℃まで昇温した）
・保持工程
温度、保持時間：１４０℃、２時間
・降温、降圧工程
約２時間かけて圧力容器内の水蒸気を大気開放して自然放冷により木材を冷却した。その後、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。
・第１水没工程、第１減圧工程
圧力容器の雰囲気圧力が０．０５ＭＰａ以下に下がったら注水を開始し、水を循環させながら木材を１分間水没冷却した。その後排水し、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。
・第２水没工程、第２減圧工程
圧力容器に注水して木材を水没冷却した。冠水後排水し、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａ保持して３分後に大気開放した。
＜比較例１＞

下記処理条件で着色木材を製造した以外は実施例１と同様である。製造した着色木材の乾燥割れ不良率と含水率を表１に示した。また製造した着色木材を用いた集成適性とスライス加工適性の評価結果も表１に示した。

処理条件
・昇温、昇圧工程
蒸気脱気（圧力容器への水蒸気の導入）：１００℃、３分
昇温時間：３０分（常温から１４０℃まで昇温した）
・保持工程
温度、保持時間：１４０℃、２時間
・水没工程、減圧工程
圧力容器の雰囲気圧力を高圧に維持したまま注水を開始し、水を循環させながら木材を高圧状態で１分間水没冷却した。その後排水し、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。
＜比較例２＞

下記処理条件で着色木材を製造した以外は実施例１と同様である。製造した着色木材の乾燥割れ不良率と含水率を表１に示した。また製造した着色木材を用いた集成適性とスライス加工適性の評価結果も表１に示した。
処理条件
・昇温、昇圧工程
蒸気脱気（圧力容器への水蒸気の導入）：１００℃、３分
昇温時間：３０分（常温から１４０℃まで昇温した）
・保持工程
温度、保持時間：１４０℃、２時間
・降温、降圧工程
約２時間かけて圧力容器内の水蒸気を大気開放して自然放冷により木材を冷却した。その後、圧力容器内の雰囲気圧力を−０．８０ＭＰａに保持して３分後に大気開放した。

表１の結果より、実施例１−３で製造した着色木材は、乾燥割れ不良率が低くなることが確認できた。また、着色木材の集成適性やスライス加工適性も良好であることが確認できた。

実施例２で製造した着色木材はその製造過程において木材の水没前に減圧処理が施されているので含水率が比較的低めになっており、実施例１で製造した着色木材を用いた場合と比較して集成適性やスライス加工適性が良好である。

実施例３で製造した着色木材はその製造過程において木材の水没冷却とその後の減圧が複数回繰り返されているので木材が効果的に冷却され、実施例１−２で製造した木材と比較して乾燥割れ不良率が低減している。

一方、比較例１で製造した着色木材はその製造過程において高圧状態のまま水没冷却しているので含水率が高くなっており、この着色木材を用いた集成適性やスライス加工適性は実施例１−３と比べて劣っている。
また、比較例２で製造した着色木材はその製造過程において水没冷却を行っていないので実施例１−３と比べて乾燥割れ不良率が高くなっている。

２０ 木材

Claims (3)

1. 下記の工程を順次経て着色した木材を製造することを特徴とする着色木材の製造方法。
   工程Ａ：木材が収納された密閉空間を昇温、昇圧して大気圧よりも高い雰囲気圧力下で高圧水蒸気処理により前記木材を着色する工程、
   工程Ｂ：前記密閉空間の雰囲気圧力を降圧する工程、
   工程Ｃ：前記工程Ａの高圧水蒸気処理によって上昇した前記木材の温度が室温になる前に前記密閉空間に水を導入し、大気圧雰囲気下で前記木材を水没させる工程、
   工程Ｄ：前記密閉空間の水を排水し、前記密閉空間の雰囲気圧力を大気圧よりも低い圧力まで減圧する工程。
2. 前記工程Ｂは、前記密閉空間の雰囲気圧力を大気圧よりも低い圧力まで減圧することを特徴とする請求項１に記載の着色木材の製造方法。
3. 前記工程Ｃとその後の前記工程Ｄとを一サイクルとして複数サイクル繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載の着色木材の製造方法。

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