JP2008525244A

JP2008525244A - 桐を含む木材複合材料

Info

Publication number: JP2008525244A
Application number: JP2007549501A
Authority: JP
Inventors: ローソン，エリック・エヌ; トーマス，ヴィンセント・ビー; セシリオ，フェデリコ・アール
Original assignee: フーバー・エンジニアード・ウッズ・エルエルシー
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2008-07-17
Also published as: US20060142428A1; WO2006071736A2; TW200635765A; PE20060905A1; CN101090937A; BRPI0519413A2; WO2006071736A3

Abstract

桐材のストランドを含む木材の複合板が開示される。木材の複合板は好ましくは、約１wt％から約１００wt％までの桐材のストランドを含む。
【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明

発明の背景
木材はドアやその他の建築要素を製作するために用いられる一般的な材料である。今日でさえ、幾つかの新しい種類の複合材料が開発された後であっても、木材は、その優れた強度と剛性、好ましい審美性、良好な絶縁性と容易な加工性のために、依然として最も広く用いられる構造材料のうちの一つである。

しかし、近年、原生林と原始林が次第に減少していることにより、その供給量が縮小しているために、むく（solid）の製材のコストは劇的に上昇している。そのような材料からドアを製造するのは特に費用がかさむ。というのは、切り出された木材の典型的に半分未満が天然のむくの製材に変えられ、残りはスクラップとして廃棄されるからである。

従って、高級な製材のコストと天然資源を保護することの重要性の高まりの両者の故に、切り出された木材をより有効に利用し、そしてスクラップとして廃棄される木材の量を減少させる、天然のむくの製材に対する木材をベースとする代替物が開発されてきた。合板、パーティクルボードおよび配向ストランドボード（「OSB：oriented strand board」）が、天然のむくの製材に対する木材をベースとする複合代替材の例であり、これらが過去の７５年間に多くの構造物用途において天然のむくの製材の代わりに用いられてきた。これらの木材をベースとする複合材は、利用できる製材の供給をより有効に用いるのみならず、低級な木材の種類から形成することもできて、廃材から形成することさえもできる。

しかし、木材の複合板は非常に高い密度を有する傾向があるという欠点があり、例えば、ポプラ材から製造されたOSBについては立方フィート当り少なくとも約３８lbs（「pcf」）であり、一方、松材についてはOSBは典型的に４２pcfを超える密度を有する。このことは、OSBのような木の複合材を、住宅の建設のような典型的なOSBの用途において作業者が据え付けるのに非常に重いものにしているだけでなく、それらを例えばレクリエーション用車両（RV）のような特定の用途に用いることを妨げてもいる。特に、OSBのような木の複合材はレクリエーション用車両（RV）の製造において頻繁には用いられず、その理由は、それらの重量が電気装置やその他の設備を取り付けるのに利用可能な容積を低減させるからである。しかし、それらの高い密度は、もっと根本的な欠点をもたらしてもいる。例えば、OSB材の重量は、この材料を輸送して流通させるためには、しばしば制限的な要因となる。例えば、OSB材を運搬するトラックのトレーラーは、トレーラー上のスペースを空にして残さなければならない。というのは、トレーラーが積載可能な最大重量にすでに達してしまうからである。

また、これらの木材をベースとする複合材の強度や絶縁性などの性能特性は天然のむくの製材に匹敵するか、あるいはそれよりも優れているが、外部の壁板などの特定の高湿度の環境において複合材の縁に水が浸入すると材料の縁が膨潤して割れてしまい、そのために膨張する、という不満を呈するユーザーがいた。この縁の膨潤を防ぐために、木の複合材の製造業者の中には、木材の縁に金属またはポリマーのモールディングをはり付ける者がいた。このモールディングは、縁の膨潤を起こす水分の浸入を低減し、また縁を摩耗や摩滅から保護もする。しかし、木の複合材にモールディングを付加すると、木の複合材を製造する際のコストと複雑さがかなり増大する。別個のゴムまたは金属のモールディングを用いることよりもコストと複雑さが低いのは、複合材の感受性の高い縁にポリマーのコーティングまたはフィルム層を付加することである。この処理は、例えば米国特許6,558,748号に記載されている。さらにまた、米国特許6,558,748号に示された縁の封止用組成物は木材の複合板に膨潤と割れに対する優れた耐性を提供するが、この縁の封止用組成物を適用する簡単な工程であっても、材料のコストとそれを用意するのに用いられる製造プロセスの複雑さを増大させるだろう。

これらの木材の複合板の別の欠点は、それらが典型的に低級な木材の種類あるいはそのような材料に類似したものの小さな粒子（パーティクルボード）や木材のストランド（OSB）や平坦なピースからなるために、それらから製造された製品は粗い縁と平らでない表面を有する傾向があり、そのため、製造する際の最終工程として紙やすりで磨く必要があることである。

最後に、これらの木の複合材は製材をより効率的に用いるものではあるけれども、それでも完全に置き換えるのにしばしば何年も、おそらくは１５〜２０年も要する木材資源を消費する。また、現在のペースで住宅や事業所が建築されるとすれば、木材と全ての木の複合材の使用は確実に増大するだろう。

上のことを考慮すると、これらの不適当な事柄を処理することの可能な木の複合材に対する継続的な需要が存在する。特に、この木の複合材は、従来のOSB材よりも軽い（密度が低い）けれども、むくの製材よりも優れているかあるいはそれに匹敵する特性を有し、プレスした後の紙やすりで磨く工程の必要性をおそらく解消するであろう良好な表面仕上げを有し、また縁の膨潤およびその他の水分に関係する欠陥に対する優れた耐性を有するであろう。さらに、この木の複合材は、木の複合材のために従来用いられている種類のものよりも速く成長する木の種類から得られた繊維をある程度含むであろう。

発明の簡単な概要
本発明は桐（paulownia）のストランドを含む木材の複合板に関する。この木の複合材は好ましくは、約１wt％〜約１００wt％の桐材のストランドを含む。

発明の詳細な説明
ここで用いられる全ての部、パーセントおよび比率は、特に明示しない限り、重量によって表される。ここで引用される全ての文献は、参考文献として本明細書に取り込まれる。

ここで用いるとき、「木材」とは、リグニンポリマーによって結合したセルロース繊維およびヘミセルロース繊維からなる細胞壁を有する細胞質構造を意味することが意図されている。さらに、「木材」という用語は、一般にリグノセルロース物質を含むことに留意されたい。

「木の複合材」というとき、それは木材と、接着剤またはワックスなどの１以上の木材複合添加剤とを含む複合材料を意味する。木材は典型的に、張り板、フレーク、ストランド、ウエハース、パーティクル（粒子）、およびチップ（かけら）の形状になっている。木の複合材の非限定的な例としては、配向ストランドボード（「OSB」）、ウエハーボード、パーティクルボード、チップボード、中密度ファイバーボード、合板、平行ストランドひき材（lumber）、配向ストランドひき材、および積層ストランドひき材がある。木の複合材の共通した特徴は、それらはポリマー樹脂とその他の特殊な添加剤で結合したストランドと重ね張り板からなる複合材料であることである。ここで用いるとき、「フレーク」、「ストランド」、「チップ」、「パーティクル」および「ウエハース」は互いに同等物であるとみなされ、それらは互換可能に用いられる。木の複合材についての非排他的な説明は、Kirk-Rothmer Encyclopedia of Chemical Technology, pp 765-810, 第６版の補遺の巻に見出されるだろう。

本発明は桐のストランドを含む木材の複合板を対象とする。材料としての桐は、木材の複合板において典型的に用いられる他の木材を上回る多くの利点を有する。特に、桐は他の類似する木材の種類よりも速く成長する。加えて、桐は高い水分の環境から受ける影響が少ないことが示されている。さらに、桐は優れた強度対重量の比率を有し、他の木材の種類よりも密度がずっと低い。桐などの速く成長する木材の種類の一つの欠点は、それらの種類は密度の低い木材として産出され、若木（juvenile wood）の割合が高い傾向があることである。所定の種類の中で、若木は十分に発育した木材よりも木の複合材において用いるには望ましくなく、その理由は若木の強度が低いためである。密度は剛性および強度と互いに関係があるので、桐などの密度の低い種類は木の複合材において用いるには価値が低い傾向がある。例えば、特定のサイズの桐のひき材は同じ寸法の他の木材ほど強くはなく、従って、桐をより厚いピースに切断するか、あるいは他の木材と組合わせて用いることによって、優っているかあるいは同等の強度特性が得られるはずである。

Paulownia tomentosa、Paulownia elongata、Paulownia kawakamii、Paulownia fortunei、Paulownia fargesii、Paulownia catalpifolia、Paulownia albiphloea、Paulownia australis、およびPaulownia taiwanianaなどの種を含む桐の木は中国本土原産の樹木の属である。それは何世紀もの間、特に日本人によって、装飾的な目的のためと特定の構造上の用途において用いられてきた。それは、春に花をつける長いジギタリスに似た花と大きくてしなやかな葉をもつ魅力的な木である。それは典型的に競争相手のほとんどいない荒れた地域で生育し、合衆国の大部分にわたって、鉱山地帯、放棄された地所、道の切り通し、および植林地において見出される。実際に、桐の急速に成長した外形は、植林環境において育つ桐の木が、木の複合材のための収穫可能な大きさにわずか２〜３年で達することが示されていることを意味している。

本発明に従って用意される板またはパネルは、木材または木の複合材（例えば、配向ストランドボード（「OSB」））のような様々な異なる材料の形に製造することができる。桐に加えて、OSBパネルは、天然の硬質または軟質の木材の種類を含めて、他の木材の種類の材料からのストランドも含んでいてもよく、そのような木材の種類は単独でも混合のものでもよく、そのような木材は乾燥したもの（２wt％から１２wt％の間の含水量を有する）または未乾燥のもの（３０wt％から２００wt％の間の含水量を有する）である。桐の他に適当な木材の種類としては、テーダマツ、ヴァージニアマツ、低湿地マツ（slash pine）、短葉マツ（Short leaf pine）およびダイオウマツなどの松の種類、さらにはポプラまたはポプラ材に類似した他の硬材種がある。本発明の木の板材は約１wt％〜約１００wt％の桐材を含むだろう。

典型的に、未使用のものかまたは再生利用される未加工の木材出発材料は、所望の大きさと形状のストランド、ウエハースまたはフレークに切断される。これらは当業者によく知られている。ストランドは好ましくは、長さが２インチを超え、幅が０.３インチを超え、そして厚さが０.２５インチ未満であるのが好ましい。理論によって限定されることは意図していないが、長いストランド、すなわち約６インチよりも長いストランドは、良好な整列を可能にすることによって最終製品の機械的強度を改善する、と考えられる。また、均一な幅のストランドは良好な製品の品質のために好ましいことも知られている。均一なストランドの形態は、製造者が各々の大きさのストランドについての加工処理を最適なものにするのを可能にする。例えば、全てのストランドが４インチ×１インチであったとき、それらのストランドを単一層の範囲内で整列させるために、配向機械を最適にすることができた。長さが１インチで幅が０.２５インチのストランドが添加されたとき、これらの幾分かは配向機械を通して横方向に滑らせることができた。斜めに配向したストランドは製品の全体的な機械的強度または剛性を低下させる。

ストランドが切断された後、それらは炉中で約１〜２０％、好ましくは２〜１８％、より好ましくは３〜約１５％の含水量になるまで乾燥され、次いで、１以上のポリマー熱硬化性結合剤樹脂、ワックスおよびその他の添加剤でコーティングされる。木材に塗布される結合剤樹脂およびその他の様々な添加剤はここではコーティングと呼ばれるが、この結合剤と添加剤は噴霧化した粒子または固体粒子などの小さな粒子の形態のものであってもよく、それらは木材の上で連続したコーティングを形成していない。通常、結合剤、ワックスおよびあらゆるその他の添加剤は、噴霧、配合または混合の方法のうちの１以上によって木材に塗布されるが、好ましい方法は、ストランドがドラム式配合機の中で混転されるときにワックス、樹脂およびその他の添加剤を木材のストランドの上に噴霧することである。

所望のコーティングと処理薬品でコーティングされて処理された後、これらのコーティングされたストランドは多層マットを形成するために用いられる。多層マットを形成するための通常のプロセスにおいては、コーティングされた木材はコンベヤーベルトの上に連続した２以上の層、好ましくは３層にして散布される。ストランドはコンベヤーベルトの上に交互の層として配置され、このとき隣接する層における「ストランド」は互いに概ね直角に配向される。このプロセスから製造される製品においては、ストランドを全て同じ方向に並べることができるか、あるいは特定の整列を伴わずにランダムに並べることができる、ということを当業者であれば理解できる。

様々なポリマー樹脂、好ましくは熱硬化性樹脂を、木材のフレークまたはストランドのための結合剤として用いることができる。適当なポリマー結合剤としては、イソシアネート樹脂、ユリアホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、メラミンホルムアルデヒド（「MUF」）およびこれらの共重合体がある。イソシアネートが好ましい結合剤であり、そして好ましくは、イソシアネートはポリマーのうちのジフェニルメタン-p,p’-ジイソシアネートの群から選択され、これは他の有機基と反応してポリ尿素-NCON-などのポリマーの群を形成しうるNCO-官能基を有し、そしてポリウレタン-NCOO-、4,4-ジフェニル-メタンジイソシアネート（「MDI」）が好ましい。適当な市販用のpMDI製品は、Huntsman（Salt Lake City、ユタ州）から入手できるRubinate 1840、およびBayer Corporation, North America（Pittsburgh、ペンシルベニア州）から入手できるMondur 541 pMDIである。適当な市販用のMUF結合剤はDynea corporationからのLS 2358およびLS 2250という製品である。

結合剤の濃度は、好ましくは約１.５wt％から約２０wt％までの範囲であり、より好ましくは約２wt％から約１０wt％までである。水分の浸入に対するOSBパネルの抵抗性を向上させるために、通常、ワックス添加剤が用いられる。好ましいワックスはスラックワックスまたはエマルジョンワックスである。ワックスの添加量は好ましくは約０.５〜約２.５wt％の範囲である。

上で説明したプロセスに従って多層マットが形成された後、それらは熱圧プレス機の下で圧縮され、これにより木材は融合して結合し、様々な厚さと大きさを有する団結したOSBパネルが形成される。好ましくは、本発明のパネルは約１００℃〜約２６０℃の温度において２〜１０分間圧縮される。木の複合材における桐のストランドの増大した濃度に関する一つの特別な結果は、この木の複合材は密度が低いであろうということである。例えば、PS-2の規格を満たし、そして桐のストランドを全く含まないOSBボードは約３５lbs/ft³から約４８lbs/ft³までの範囲の密度を有する。ダイオウマツ（southern pine）については密度の範囲は４０lbs/ft³から４８lbs/ft³までであり、そしてポプラについては３５lbs/ft³から４２lbs/ft³までの範囲である。それに対して、完全に桐のストランドからなり、PS-2の基準を満たすように製造されたOSBボードは、約２０lbs/ft³から約４０lbs/ft³までの範囲の密度を有するだろう。PS-2の規格を満たす必要がないような他の用途については、有用な木の複合材は１５lbs/ft³まで低い密度で製造することができ、このような他の用途においては、桐と他の木材の種類を混合したものが望ましいかもしれない。当然のことながら、これら混合の木材の種類の複合材において用いられる桐のストランドの割合が高いほど、ボードまたはパネルの密度は低いだろう。パネルは約０.６cm（約１/４インチ）〜約１０.２cm（約４インチ）の厚さを有するべきである。

以下の特定の非限定的な実施例に関して、本発明をさらに詳細に説明する。
実施例
本発明に従って製造される木材板の優れた木材性能特性を証明するために、本発明および先行技術に従って木の複合材の板が製造された。

松材の丸太と桐材の丸太（paulownia elongataの種類で、サウスカロライナ州（米国）内の植林地から切り出されたもの）が、使用するために得られた。次いで、丸太は長さが１〜６インチ、幅が０.２５〜４インチ、そして厚さが０.００５〜０.１５０インチのストランドに切断された。次いで、ストランドは、実験室内で１０３℃においてGrunberg強制通風炉の中で一晩乾燥された。次いで、これらのストランドはプレスされて、１００％松材のパネル（先行技術のパネル）と１００％桐材のパネル（本発明に従うパネル）にされた。ストランドは単一の方向だけに配向され、各々のパネルは１/２インチの目標厚さを有していた。下記の実施例におけるパネルは５wt％のpMDI樹脂の濃度を有していた。このpMDI樹脂は、Bayer Corporation（Pittsburgh、ペンシルベニア州）から入手できるMondur G541 pMDIであった（実験においてはワックスは用いられなかった）。

次いで、パネルは小さなサイズに切断され、ASTM D1037で規定された実施要綱に従って木の複合材についての幾つかの異なる性能特性について試験された。これらの性能特性には、平行および直角の両方向での弾性率（「MOE」、パネルの剛性の尺度）、平行および直角の両方向での破壊係数（「MOR」、パネルの強度の尺度）、２４時間水浸吸水度、１インチ厚さでの膨張度、および縁の膨張度が含まれる。先行技術のパネルと本発明のパネルの両者について測定された性能特性を下の表Ｉに示す。

表Ｉからわかるように、本発明に従って製造されたOSBボードは明白に良好な性能特性を有していた。特に、本発明に従うOSBボードは、はるかに良好な厚さおよび縁の膨張度と吸水性能を有していて、湿度の高い環境において用いるのに非常に良好であることを証明している。強度特性については、本発明に従って製造されたボードは、全ての特性において同等であるか、あるいは優れた性能を有していた。先行技術のボードは平行な方向でのMOR試験において良好な性能を示したが、本発明に従って製造されたボードは、同等であるか、ほんのわずかに悪い性能を示した。また、本発明に従って製造されたボードは上述の性能特性において良好な性能を示しただけでなく、先行技術に従って製造されたボードと比較して著しく低い密度を有してもいた。

広範な本発明の概念から離れることなく上記の態様に対して変更を加えることができることを、当業者であれば認識するであろう。従って、本発明は開示された特定の態様に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲の中で修正されたものに及ぶことが意図されている、ということを理解されたい。

Claims

桐材のストランドを含む木材の複合板。
約１wt％から約１００wt％までの桐材のストランドを含む、請求項１に記載の木材の複合板。
約１wt％から約９９wt％までの桐材のストランドと約９９wt％から約１wt％までの他の木材の種類を含む、請求項１に記載の木材の複合板。
木材の複合板は約１５lbs/ft³から約５０lbs/ft³までの密度を有する、請求項１に記載の木材の複合板。
木材の複合板は配向ストランドボードの形態になっている、請求項１に記載の木材の複合板。
木材の複合材は約１wt％から約２０wt％までのポリマー結合剤を含む、請求項１に記載の木材の複合板。
桐材のストランドを含む木材の複合板であって：
約１wt％から約１００wt％までの桐材のストランド；および
約１wt％から約２０wt％までのポリマー結合剤；を含み、
このとき木材の複合板は約１５lbs/ft³から約５０lbs/ft³までの密度を有する、前記木材の複合板。