JP-2026514832-A - 水安定性が向上した植物材料およびその製造方法

Abstract

植物材料に、安定化剤および／または安定化剤前駆体を有する溶液を含浸させることができる。安定化剤および／または前駆体は、植物材料の細胞壁の非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域内に吸収され得る。含浸後、非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロースは、安定化剤により架橋することができる。安定化剤前駆体は求核剤および求電子剤を含み、安定化剤は求核剤と求電子剤の反応生成物を含み得る。含浸中、安定化剤および／または前駆体の各々は、分子量が５００ｇ／ｍｏｌ以下であり得る。架橋後、安定化剤は植物材料に向上した耐水安定性を付与し、特に、植物材料の膨潤が、水への曝露時間および／または植物材料に吸収された水の量に関わらず制限されるようにすることができる。

Inventors

• ジャック ジー ウィンタロウド
• アラン ブラッドショー
• ジャーチー ダイ
• キショア ラマクリシュナン
• スーファン ジャン

Assignees

• インベントウッド インコーポレイテッド

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20240419

Priority Date

20230420

Claims (20)

1. 第１の植物材料に安定化剤および／または安定化剤前駆体を含む溶液を含浸させ、前記安定化剤および／または安定化剤前駆体が、前記第１の植物材料の一つまたは複数の細胞壁の非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域内に吸収されるようにすることと； 前記第１の植物材料に前記溶液を含浸させた後に、前記安定化剤により前記非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域を架橋することと、 を含む方法であって、 （ｉ）前記安定化剤前駆体は、求核剤と求電子剤とを含み、前記安定化剤は前記求核剤と前記求電子剤の反応生成物であり、（ｉｉ）前記安定化剤および前記安定化剤前駆体の各々は、前記第１の植物材料に前記溶液を含浸させる際に、分子量が５００ｇ／モル以下である、方法。
2. 前記安定化剤を含有する前記第１の植物材料の、該第１の植物材料の厚さ方向の膨潤度が、水への曝露時間および／または前記第１の植物材料に吸収された水の量にかかわらず１０％以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記求核剤が芳香族求核剤を含み； 前記求電子剤が、（ｉ）アルデヒド、オキシラン、オキサゾリジン、もしくはビスオキサゾリジン；（ｉｉ）アルデヒドおよびオキサゾリジンの両方；（ｉｉｉ）アルデヒドおよびオキシランの両方；または（ｉｖ）アルデヒドおよびビスオキサゾリジンの両方を含む、請求項１に記載の方法。
4. （ｉ）前記芳香族求核剤がフェノールもしくはクレゾールを含み； （ｉｉ）前記求電子剤が水に可溶であり； （ｉｉｉ）前記アルデヒドがホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、クロトンアルデヒド、もしくはグルタルアルデヒドを含み；または （ｉｖ）（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）の２つ以上の任意の組合せである、 請求項３に記載の方法。
5. 前記求核剤がフェノールであり、前記求電子剤がホルムアルデヒドであり、前記安定化剤前駆体がメチロール化フェノールのモノマーおよび／またはオリゴマーであり、ならびに、存在する場合、各オリゴマーの分子量が５００ｇ／モル以下である、請求項１に記載の方法。
6. 前記安定化剤前駆体のホルムアルデヒド対フェノールのモル比が１：１～３：１の範囲内である、請求項５に記載の方法。
7. （ｉ）前記安定化剤前駆体を含む溶液が水溶液であり； （ｉｉ）前記溶液の粘度が２０℃において１～４０ｃＰｓの範囲内であり； （ｉｉｉ）前記安定化剤および／または前記安定化剤前駆体が、前記溶液の質量の１～７０％の範囲内で存在し；または （ｉｖ）（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）の２つ以上の任意の組合せである、 請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の植物材料に前記溶液を含浸させる前に、初期の植物材料の天然リグニンを分解して前記第１の植物材料を形成することをさらに含み、前記天然リグニンの分解は、前記初期の植物材料内の天然リグニンを修飾し、および／または前記初期の植物材料から少なくとも一部の天然リグニンを除去することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記天然リグニンの分解が、 前記初期の植物材料に負荷溶液を含浸させることと； 前記負荷溶液を含有する初期の植物材料を第１の温度および第１の圧力に曝して、前記天然リグニンを修飾し、修飾リグニンを得ることと、 を含み、 前記第１の温度は２０～２００℃の範囲内であり、前記第１の圧力は１～８バールの範囲内である、請求項８に記載の方法。
10. 前記負荷溶液が水酸化ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、酸化剤、またはこれらの任意の組合せを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記酸化剤がオゾン、酸素、過酸化水素、または有機過酸化物を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記負荷溶液が水を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記負荷溶液を前記初期の植物材料に含浸させる前の前記初期の植物材料の水分含有量が、１～２０重量％の範囲内であり； 前記負荷溶液を前記初期の植物材料に含浸させた後かつ前記負荷溶液を含有する初期の植物材料を前記第１の温度および圧力に曝す前の前記初期の植物材料の水分含有量が、２０～１００重量％の範囲内である、請求項９に記載の方法。
14. 前記修飾リグニンの分子量が、前記初期の植物材料中の天然リグニンの分子量と比較して低減されており、前記修飾リグニンが室温で水に不溶である、請求項９に記載の方法。
15. 前記天然リグニンの分解が、前記初期の植物材料に化学的リグニン除去処理を施し、前記初期の植物材料から天然リグニンの全てではなく一部を除去することを含む、請求項８に記載の方法。
16. 前記初期の植物材料に前記化学的リグニン除去処理を施すことが、前記初期の植物材料を少なくとも１００℃の温度で１種または複数の化学溶液に部分的または全体的に浸漬することを含み、 前記１種または複数の化学溶液はアルカリ性溶液を含む、 請求項１５に記載の方法。
17. 前記１種または複数の化学溶液が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ ２ ＳＯ ３ ）、硫酸ナトリウム（Ｎａ ２ ＳＯ ４ ）、硫化ナトリウム（Ｎａ ２ Ｓ）、尿素（ＣＨ ４ Ｎ ２ Ｏ）、ＮａＨ ２ Ｏ ３ 、二酸化硫黄（ＳＯ ２ ）、アントラキノン（Ｃ １４ Ｈ ８ Ｏ ２ ）、メタノール（ＣＨ ３ ＯＨ）、エタノール（Ｃ ２ Ｈ ５ ＯＨ）、ブタノール（Ｃ ４ Ｈ ９ ＯＨ）、ギ酸（ＣＨ ２ Ｏ ２ ）、過酸化水素（Ｈ ２ Ｏ ２ ）、酢酸（ＣＨ ３ ＣＯＯＨ）、酪酸（Ｃ ４ Ｈ ８ Ｏ ２ ）、過ギ酸（ＣＨ ２ Ｏ ３ ）、過酢酸（Ｃ ２ Ｈ ４ Ｏ ３ ）、アンモニア（ＮＨ ３ ）、トシル酸（ｐ－ＴｓＯＨ）、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）、亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ ２ ）、二酸化塩素（ＣｌＯ ２ ）、塩素（Ｃｌ ２ ）、オゾン（Ｏ ３ ）、またはこれらの任意の組合せを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記初期の植物材料の天然リグニンを分解した後の前記第１の植物材料のリグニン含有量が、前記初期の植物材料のリグニン含有量の５％～９５％である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記天然リグニンを分解した後、かつ前記第１の植物材料に前記溶液を含浸させる前に、前記第１の植物材料を１～２０重量％の水分含有量となるように乾燥させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
20. 前記第１の植物材料に前記溶液を含浸させる前に、初期の植物材料に水を含む液体を含浸させることと； 前記液体を含有する初期の植物材料を少なくとも５０℃の温度に曝すことと、 をさらに含む、請求項１に記載の方法。

Description

関連出願の相互参照 本願は、先の出願日を有する米国仮出願第６３／４６０，７３６号（２０２３年４月２０日出願、題名「High Density Wood Compositions Made with Methylolated Phenol for Improved Water Resistance」）の利益および優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本明細書に参照により組み込む。 本開示は、一般的に植物材料（例えば、木材、竹等）から形成される構造体に関し、より具体的には、水安定性が向上した植物材料の製造方法に関するものである。 従来の木材製品（無垢材および積層単板材を含む）は、密度が約３００～８００ｋｇ／ｍ３、引張強度（強軸）が約１００ＭＰａ、弾性率（強軸）が約１１ＧＰａ、圧縮強度（強軸方向）が約５０ＭＰａである場合がある。従来の木材製品は入手が容易であり、建築用途、特に住宅建築において一般的に使用されている。建築には鋼材も用いられる。木材と比較して、鋼材は密度が約７，８００～８，０００ｋｇ／ｍ３、降伏点での引張強度が約４００ＭＰａ、弾性率が約２００ＧＰａ、圧縮強度が約１７０ＭＰａである場合がある。 鋼材は従来の木材よりも強度が高いが、木材１立方メートルの生産には約１１０ｋｇの炭素排出が伴う一方、鋼材１立方メートルの生産には約１２，０００ｋｇの炭素排出が伴う。したがって、鋼材を木材に置き換えることが望まれている。この代替戦略は、木材の強度を高めるために圧密化等の新規の改質技術を用いることで、より実現可能となる。 強度に加えて、建築材料には寸法安定性も重要である。鋼材は、降雨または洪水等の水曝露事象に関して、従来の木材よりも寸法安定性が高い。鋼材は水を吸収せず、水に曝されても膨潤しない。残念ながら、木材等の従来の植物材料から形成された構造体が水に曝されると、多量の水（例えば、植物材料の乾燥重量と同程度）を吸収する場合がある。ほとんどの従来の植物材料製品も、水を吸収するにつれて顕著な膨潤（例えば、約２０％超）を示す。場合によっては（高密度植物材料製品等）、膨潤量が建築構造内の隣接部材同士の適切な適合を妨げることがある。この状態は、建設プロセスの手間および複雑さを増大させる可能性がある。例えば、既存建物内の従来の木質建材が水に曝された場合（例：洪水）、その結果生じる膨潤は時に不可逆的であり、修理が必要となる場合がある。 木材および他の植物材料の耐水性を向上させるための種々のコーティングおよびシーラントが存在するが、これらのコーティングおよびシーラントは一般に材料の外表面に層を形成することで機能する。多くの場合、これらのコーティングは疎水性であり、処理材料への水の吸収速度を効果的に遅らせる。しかし、水曝露が十分に長時間に及ぶ場合、植物材料は完全に水和し膨潤する。さらに、膨潤が生じると、塗布されたコーティングが亀裂を生じたり、および／または、植物材料表面から剥離したりすることがある。油（例：桐油、アルキド樹脂等）が木材の耐水性向上のために用いられてきたが、これらの油が疎水性であることに少なくとも部分的に起因して、膨潤の要因となる植物材料の重要領域への効果的な浸透能力に限界がある。実際、吸収された油は水の吸収を遅らせることはできるが、処理された植物材料は長時間水に曝されると最終的には完全に水和し膨潤する。 開示された主題の態様は、とりわけ、上記の問題および不利な点の一つまたは複数に対処し得る。 本開示の態様は、水存在下での膨潤に対する耐性が向上した圧縮植物材料および該植物材料の製造方法を提供する。植物材料は、該植物材料の断面に浸透する安定化剤前駆体を均一に吸収させることにより改質され得る。いくつかの態様では、安定化剤前駆体は、水で膨潤し得る植物材料の特定領域（例えば、非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース）に移動させることができる。特定領域に到達すると、前駆体は反応して安定化剤を形成し得る。いくつかの態様では、かかる安定化剤前駆体から形成された安定化剤は、特定領域内の成分と反応（例えば、架橋）し、植物材料が目標密度（例えば、９００ｋｇ／ｍ３超）に圧縮された後の水膨潤能を大幅に低減することができる。いくつかの態様では、圧縮された植物材料は、主に配向した潰れた細胞の配列を含み、細胞の特定領域が架橋され、細胞がリグニン（例えば、天然および／または分解リグニン）のマトリックス内に分布し、リグニンもまた架橋されている。いくつかの態様では、水安定化植物材料は卓越した強度を有し、高い吸水容量と比較的低い厚さ方向膨潤能（例えば、＜１０％、例えば≦５％等）の独自の組合せを示し得る。 いくつかの態様では、水安定化植物材料は多段階プロセスにより形成され得る。例えば、いくつかの態様の第１段階では、植物材料（例えば、材木または単板等の木材）の厚さ方向が、植物材料の放射方向、接線方向、または放射方向と接線方向の混合方向に概ね一致する部分を、植物材料に負荷溶液（loading solution）を含浸させることにより改質することができる。いくつかの態様では、植物材料中のリグニンが負荷溶液により部分的に分解される。この分解により、細胞を破壊またはリグニンを破断することなく（または、少なくとも破壊もしくは破断を低減し）、後続の圧縮処理が容易になり得る。いくつかの態様では、第１段階でリグニンの一部を植物材料から除去することもできる。あるいは、いくつかの態様では、負荷溶液が水を含み、植物材料は負荷溶液での処理後に約５０℃超に加熱される。 いくつかの態様では、第２段階は、処理済み植物材料を部分的に乾燥させ、例えば乾燥後の処理済み植物材料の含水率が処理済み植物材料の乾燥重量に対して約１～１０％となるようにすることを含みえる。いくつかの態様では、第３段階は、安定化剤および／またはその前駆体が処理済み植物材料の非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域に移動するのに適した条件下で、処理済み植物材料に安定化剤および／またはその前駆体を含浸させることを含み得、ここで、選択的吸収プロセスは植物材料の断面全体（または少なくとも９０％）で生じる。いくつかの態様では、含浸プロセスに要する時間は、植物材料内の安定化剤および／またはその前駆体の濃度勾配が平衡状態に達するのに十分であり得る。いくつかの態様では、含浸は、前駆体の反応により形成された安定化剤がセルロースおよび／またはヘミセルロースを架橋しない条件下で実施される。 いくつかの態様では、第４段階は、安定化剤および／またはその前駆体がセルロースおよび／またはヘミセルロースを架橋しないようにしつつ、処理済み植物材料を部分的に乾燥させ、乾燥後の処理済み植物材料の含水率が処理済み植物材料の乾燥重量に対して約１～２５％となるようにすることを含み得る。いくつかの態様では、第５段階は、植物材料の厚さ方向に平行な軸に沿って、例えば植物材料の密度が増加するまで（例えば、約９００ｋｇ／ｍ３超の値まで）処理済み植物材料に圧力（例えば、持続的な圧力）を加えることを含み得る。いくつかの態様では、第５段階での植物材料の圧縮は、安定化剤および／もしくはその前駆体が植物材料を架橋しないように、ならびに／または部分的に圧縮された植物材料の含水率が約１～２０％の範囲となるように行われる。 いくつかの態様では、第６段階は、安定化剤および／またはその前駆体が植物材料を架橋しないようにしつつ、植物材料をさらに乾燥させ、例えば、処理済み植物材料の含水率が１０％未満の値となるようにすることを含み得る。いくつかの態様では、第７段階は、処理済み植物材料の厚さ方向に平行な軸に沿って、例えば、植物材料の密度が増加するまで（例えば、約１２００ｋｇ／ｍ３超の値まで、例えば約１，２５０～１，４５０ｋｇ／ｍ３の範囲の値まで）処理済み植物材料に圧力（例えば、持続的な圧力）を加えることを含み得る。いくつかの態様では、安定化剤は、植物材料の特定領域、例えば、非晶質セルロース、ヘミセルロース、および／またはリグニン（例えば、分解済みまたは天然リグニン）を、植物材料が目標密度範囲まで圧縮された後（例えば、第７段階中または第７段階後）に架橋し得る。あるいはまたは追加的に、いくつかの態様では、第５段階および第６段階を省略することができる。 いくつかの態様では、特定部位で安定化剤により架橋された圧密化植物材料は、約９００～１，４５０ｋｇ／ｍ３の範囲の密度の値を有し、例えば、圧縮方向に沿った膨潤が約１０％を超えない範囲で、水中で該圧密化植物材料の乾燥重量の約１０～３０％を吸収する能力を示し得る。 一つまたは複数の態様において、方法は、植物材料に安定化剤および／または安定化剤前駆体を含む溶液を含浸させ、安定化剤および／または安定化剤前駆体が植物材料の細胞壁の非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域内に吸収されるようにすることを含み得る。方法はさらに、含浸後に、安定化剤により非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロースを架橋することを含み得る。安定化剤前駆体は求核剤および求電子剤を含み得る。安定化剤は求核剤と求電子剤の反応生成物を含み得るか、またはいくつかの態様では単に求核剤と求電子剤の反応生成物であり得る。含浸時、安定化剤およびその前駆体の各々は分子量が５００ｇ／モル以下であり得る。 一つまたは複数の態様において、構造体は植物材料および安定化剤を含み得る。植物材料は、非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域を有する細胞壁を有し得る。安定化剤は、植物材料の細胞壁の非晶質セルロースおよび／またはヘミセルロース領域を架橋し得る。安定化剤は求核剤と求電子剤の反応生成物であり得る。求核剤、求電子剤、および安定化剤の各々は、架橋前に分子量が５００ｇ／モル以下であり得る。 本開示の各種技術的革新は、組み合わせてまたは個別に用いることができる。本概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化して紹介するためのものである。本概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために用いられることを意図するものでもない。開示される技術の前記およびその他の目的、特徴および利点は、添付図面を参照する以下の詳細な説明から、より明らかとなるだろう。 本開示の態様は、添付図面を参照して以下に説明する。図面は必ずしも縮尺通りに描かれているとは限らない。該当する場合、基礎的特徴の説明および図示を補助するために、一部の要素が簡略化または図示されていない場合がある。図面全体を通じて、同一の参照符号は同一要素を示す。 本開示の主題の一つまたは複数の態様に係る、水安定性が向上した植物材料の製造方法を示す簡略化されたプロセスフロー図である。本開示の主題の一つまたは複数の態様に係る水安定化処理の対象となり得る、天然木材の放射切断片、縦切断片、ロータリー切断片および天然木材の放射－接線平面の断面を示す図である。図３Ａおよび図３Ｂは、安定化剤有りまたは無しの圧縮ポプラ木材サンプルの厚さ膨潤率（％）対吸水率（％）のグラフである。 一般的事項 本説明の目的のために、開示された主題の特定の態様、利点、および新規の特徴についてここに記載する。開示された方法およびシステムは、いかなる限定も意図するものではない。むしろ、本開示は、ここに開示された全ての新規かつ非自明な特徴および態様に向けられており、それらの単独または様々な組合せおよび部分組合せを含む。方法およびシステムは、特定の態様もしくは特徴またはその組合せに限定されるものではなく、開示された態様は、一つもしくは複数の特定の利点があること、または問題が解決されることを要件とするものでもない。いずれの態様または例の技術も、他の態様または例の一つまたは複数に記載された技術と組み合わせることがで