含浸樹脂

含浸樹脂は、木材改質のために林業で使用される、わずかに粘性のある有機液体です。通常、ホルムアルデヒドを含み、主分子の二量体と三量体で構成されています。これらは木材基材内で硬化するとポリマー溶液になり、安定化特性を付与します。これらの樹脂の含浸には、樹脂を木材に完全に分散させる真空チャンバー手順が含まれます。木材内に入ると、樹脂は細胞壁に拡散し、木材の物理的強度をさらに高めることができます。^[1]

含浸樹脂は、木材を改質し、その自然特性を高めるために林業で使用されるように設計された。木材含浸樹脂は通常、木材細胞壁の内側に浸透するように設計されており、そこで強度、硬度、寸法安定性、および耐腐食性を高める。 [ ^2]近年、木を木材に変換するために必要なエネルギーが他の建築材料よりも少ないため、木材への関心が高まっている。^[3]木材は他の建築材料に比べて利点があるが、大きな欠点もある。木材は湿度が高いと膨張し、空気が乾燥すると収縮する。^[4]また、長時間湿ったままにしておくと腐敗する可能性があり、板ごとに特性が異なる。樹脂含浸により、これらすべての特性を改善できる。樹脂を木材基材に含浸させるには、真空処理プロセスを使用して、木材内部の微細構造全体にモノマー溶液を分散させる。樹脂の重合は、熱で硬化させて含浸樹脂を固体物質状態にすることで達成される。木材に樹脂を含浸させて硬化させると、木材の細胞壁が膨らみ、特性が向上します。^[1]自動車や電子部品の全体的な電気絶縁プロセスの効率が向上したため、含浸樹脂の需要は世界中で急増しています。

木材改質用の含浸樹脂に関する新たな商業的開発はないが、産業界や研究機関では絶えず革新が発見されている。^[5]

フェノールホルムアルデヒド樹脂（PF）は、フェノールとホルムアルデヒドを反応させて作られ、硬化時に木材の内部にポリマーネットワークを形成する、最初の商業的に重要な含浸樹脂でした。^[7]フェノールはオルト位とパラ位でホルムアルデヒドと反応し、反応生成物としてモノ、ジ、トリメチロールフェノールを生成します。^[6]商業化された最初の合成ポリマーであることに加えて、^[7] PF樹脂は、木材基材に強度、安定性、耐腐食性を付与するという点で、他の樹脂よりも優れた性能を持つことが研究で示されています。^[1] PF樹脂を含浸させた木材サンプルが示す寸法安定性は、主に木材細胞壁内の樹脂の質量の関数です。^{[8] [9] [10]} PF含浸木材は、インプレグと呼ばれることもあります。硬化前は、PF樹脂は細胞壁可塑剤として機能し、木材をより簡単に圧縮できるようにします。硬化後、PFは木材の反発を防ぎます。これは、「コンプレグ」または「ステイウッド」として知られる、高密度で非常に硬い木材製品の製造に使用されています。^[11]木材の強度と安定性の両方の向上は、樹脂成分の架橋と樹脂の細胞壁のかさ増し能力によるものです。PFは黒色で、木材の自然な色を覆い隠します。

尿素ホルムアルデヒド樹脂（UF）は、尿素とホルムアルデヒドを反応させて作られる木材改質用含浸樹脂の一種です。この樹脂は、木材基材に含浸させた後、オーブンで硬化させて重合することができます。UF樹脂は、他の含浸樹脂よりも耐久性が低く、厳しい気象条件に耐えられないことから、木材改質業界では使用されなくなっています。^[13] UF樹脂は水にさらされると加水分解して木材基材からホルムアルデヒドを放出します。^[14]このため、木材基材が屋内で使用される場合は、含浸樹脂として主に使用されます。^[13]木材は屋外での使用のために改質され、気象条件に対する安定性が向上します。そのため、PF樹脂はこの目的に適しています。^[1]

メラミンホルムアルデヒド樹脂（MF）は、木材改質用の含浸樹脂の一種で、メラミンとホルムアルデヒドを反応させてこれら2つのモノマーを縮合させることで作られる。メラミンホルムアルデヒド樹脂は、通常の含浸樹脂の利点に加えて、木材基材にさらなる改良を加える耐熱性と耐火性を備えている点で独特である。また、透明であるため、完成品に任意の色や模様を付けることができる。このため、例えば、formicaという商標でカウンタートップに広く使用されている。耐火性はメラミンに含まれる窒素に由来し、高熱にさらされるとガスとして放出され、炎を消すことができる。^[15]メラミンはヒートシンクでもあり、これは大量のエネルギーを熱の形で吸収できるため有益である。メラミンは炎にさらされると木材基材上に炭化層を形成し、これが木材とポリマーのより可燃性のグループを保護するため、耐火性をさらに高める。^[16] MF樹脂にはこのような利点があるが、遊離ホルムアルデヒド含有量が多いため、含浸樹脂として使用するのは困難である。^[1]業界では、あらゆる製品に含まれる遊離ホルムアルデヒドの量を検出限界以下に抑えるという厳しい規制が設けられている。ホルムアルデヒドは刺激物であり、濃度が高いと有害となる可能性があるため、これらの規制は、これらの製品に接触する人や動物の安全を守るために役立つ。^[17] MF樹脂に尿素を加えると、遊離ホルムアルデヒドの量が法定限度以下に低下することが示されており、この目的でよく使用されている。^[1] MF樹脂のもう1つの問題は、メラミンの水への溶解度が低いことである。^[16]このことと遊離ホルムアルデヒド含有量のため、MF樹脂は木材改質の分野ではそれほど一般的に使用されていない。

含浸樹脂が木材改質に成功するためには、以下の特性が求められる。^[1]

含浸による改質の理想的な条件は、樹脂が木材構造の奥深くまで流れ込み、すべての細胞に到達することです。^[18]ほとんどの木材細胞は、長さ数ミリメートル、幅数十ミクロンの中空のストローのような形をしています。^[19]樹脂は、内腔とピットのネットワークを流れ、理想的にはすべての細胞に到達し、次に樹脂が拡散によって細胞壁に入ります。木材の奥深くまで流れ込むには、多くの狭い箇所がある長く曲がりくねった経路のため、粒子のない低粘度の樹脂が必要です。理想的な樹脂であっても、乾燥によりピットが吸引され、すべての樹脂が細胞から出てしまう可能性があります。^[20]

水で飽和した木材細胞壁でも自由体積は非常に小さいため、分子量が1000（約5モノマー）のほとんどの樹脂などの大きな分子は入り込むことができません。^[21]含浸分子が小さいほど、細胞壁に充填できる樹脂の質量が多くなります。分子量が低いと粘度も低く保たれ、内腔とピット構造を通る流れが改善されます。^[22]

含浸樹脂は、工程中に水で希釈されることが多いため、極性溶媒に溶ける必要があります。極性溶媒は木材の細胞壁を膨張させ、樹脂が細胞壁の内部に拡散しやすくなるため、これも重要な要素です。樹脂分子自体も、細胞壁とその成分に親和性を持つのに十分な極性が必要です。^[1]木材の細胞壁の主成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンで、これらはすべて極性含浸樹脂に対して親和性を持つ極性成分を持っています。

木材に含浸樹脂を浸透させる最も広く使用されている方法は、真空処理プロセスです。^[23]このプロセスでは、処理中の木材サンプルを密閉可能な容器に収容します。サンプルをオーブンで乾燥させて容器に入れた後、手順に応じて一定のpsiまで真空にします。次に、選択した樹脂を充填プロセスによって容器に導入し、手順で指定された時間、真空引きされた状態を維持します。サンプルが十分な時間真空下に置かれ、樹脂が木材に入ると、真空が解除され、サンプルは樹脂溶液に留まり、拡散が起こります。^[24]拡散はプロセスの真空段階によって制御されるのではなく、純粋に時間によって制御されます。^[1]樹脂が必要な仕様をすべて満たしている場合、樹脂は細胞壁に拡散し、含浸プロセスが完了します。^[1]

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