木材をアセチル化する方法およびその産物
木材を圧力下にアセチル化液中に浸漬し、次に木材を制御された条件下に加熱して２通りの別個の発熱反応を開始させることを含む、木材をアセチル化する方法。該方法は、自然耐久性４級または５級を有する大量の商業的サイズの木材を耐久性１級または２級の無類の製品に同時に品質向上させることを可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材成分の改質に関し、特に、耐久性、寸法安定性、紫外線に対する安定性および熱伝導性などの望ましい特性を改善するために、アセチル化によって非耐久性の固形の木材種を改質することに関する。一般的には、非耐久性の木材種は、針葉樹由来の軟木、ならびにＢＲＥ耐久性４級および５級に記載されているような非耐久性の堅木であると一般に考えられている（以下を参照されたい）。
【背景技術】
【０００２】
固形の軟木、固形で非耐久性の堅木および木材薄板（以下、まとめて木材と称する）をアセチル化する利点は、実験室規模で広く研究されており、学術的および商業的刊行物に記載されている。広義には、木材アセチル化により、木材成分中のヒドロキシ基がアセチル基へ変換される。したがって、この化学的改質は、親水性のヒドロキシル基を疎水性のアセチル基に変換する効果を有する。
【０００３】
従来技術文献の大部分では、主として実験室での研究のために木材小片の耐久性および寸法安定性の改善に集中しており、商業的意義は低い。耐久性とは本質的に、カビにより惹起されるものなど、自然の腐朽過程に対する木材の耐性であり、一方、寸法安定性は、木材が水または水分により濡らされ、続いて乾燥されるサイクルを経たときの、膨潤および収縮の減少（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）として記述することができる。
【０００４】
初期の木材アセチル化の研究（非特許文献１）において、ポンデローサマツ、サトウカエデおよびホワイトオークへの浸透を促進するために、無水酢酸をキシレンおよびトルエンなどの希釈剤中に溶解していた。耐久性および寸法安定性の観点から木目浸透（ｃｒｏｓｓ−ｇｒａｉｎ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）が欠かせない、商業的に使用されるサイズの木材に対してこの技法が適用かのうかどうかについては検討されていない。また、副生物の水流は、分離するのが困難な無水酢酸、酢酸およびキシレンのブレンド混合物である。
【０００５】
特許文献１に記載された方法は主として、木材の繊維およびチップのアセチル化を対象としているが、商業的サイズの木材を対象としていない。固形木材について示された例は、実験室規模における非常に小さい片に対する方法の適用だけである。
【０００６】
特許文献２では、商業的サイズの固形木材のアセチル化を試みているが、それを行う際には、木材中で発生する反応熱の効果的な制御をせずに、無水酢酸による含浸に依存している。それ故、木材中の温度は、内部亀裂およびタール化を惹起し得るレベルに上昇し、アセチル化された木材の強度を著しく低下させ得る。特許文献２は、アセチル化された木材をスチームで後処理する特徴的なステップにも依存する。本出願人は、これは残留酢酸を除去するのに非常に非効率的であることを見出した。
【０００７】
特許文献３は、オーブンで乾燥した木材（これは木材が微量の水分も殆ど含まないことを意味する）のアセチル化に殆ど専ら関係している。この方法は報告された実験で使用された短い木材には適用可能かもしれないが、商業的長さ（例えば２〜４メートル）での強度の乾燥により損傷が生ずることを主な理由として、オーブン乾燥された木材というものは商業界では基本的に知られていない。通常１２〜２０％の水分を含む商業的サイズの木材に過熱アセチル化液を適用すると、アセチル化液の高温をさらに上昇させる急速な熱の発生が惹起され、木材内部の全体的温度が、木材の内部構造の亀裂およびタール化を惹起し得るレベルに押し上げられる。
【０００８】
先行技術に特有の欠点として一般的に、いわゆる「エンベロープ処理」があるが、これは、非特許文献２に例示されている。エンベロープ処理は、木材の表面付近のアセチル化であり、内部の木材は効果的でないレベルのアセチル化で残されるか、または全くアセチル化されない。木材のアセチル化の深さが効果的でないと、アセチル化された木片が鉋掛けされたとき、切り抜かれたとき、または横に切られたときに水分に直接曝され得る。アセチル化された木材では、水分が断面全体中に透過して出入りすることが可能になる。適切にアセチル化された部分では、水分は、保護された細胞壁に遭遇するので、カビの成長を助長するのに利用され得ない。アセチル化が不十分なまたはアセチル化されていない部分では、水分は、細胞壁に付着して、そこで木材を腐朽させるカビを助ける。そのような部分に達する水分により最終的には、木材が内部から外部に向かって腐朽してしまう。
【０００９】
他の通常の木材防腐処理には、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、第四級銅塩、ペンタクロロフェノール、およびクレオソートの使用が含まれるが、アセチル化とは異なって、これらの処理は周囲温度で実施され、発熱反応を伴わない。
【００１０】
木材アセチル化に関する出版物は、一般に、得られた木材の基礎化学および性質を扱っている。これらの出版物では、反応器中の全木片において、木片全体にわたって、全木片について一様なアセチル化を得るために、如何にして木材アセチル化反応において体積効率を達成するか、熱の粗雑な適用以外に如何にして反応を開始させるか、発熱反応により発生した熱を如何にして放散させるかについては殆ど指針が提供されず、また、反応器中に積み重ねられた多数の木材片周囲の温度の変化を如何にしてプロファイルするかについての指針は提供されていない。
【００１１】
文献および以前の特許文書に現れる業績の多くは、実験室で調製された小さな木材試料の耐久性および寸法安定性に関するにすぎない。これらの研究は、建設産業および商業において通常使用されるようなより大きい木材サイズがアセチル化されるときの、望ましい特性の組込みまたは達成については基本的に触れてない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第２１３２５２号
【特許文献２】欧州特許第６８０８１０号
【特許文献３】国際特許公開ＷＯ２００５／０７７６２６
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｆｏｒｅｓｔ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｆｅｂ １９６４，ｐａｇｅ ６，Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｄｒｅｈｅｒ ａｎｄ Ｃｒａｍｅｒ
【非特許文献２】文書Ｎｏ ＡＣ２９７「アセチル化された木材防腐剤系のための許容基準（Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ Ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ Ａｃｅｔｙｌａｔｅｄ Ｗｏｏｄ Ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」（ＩＣＣ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅｓにより２００５年３月１日に発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、木目に対して垂直になされた浸透のみを利用する、無水酢酸による商業的サイズの木材片への均一な浸透および反応熱の管理が解決されるべき技術的問題である。木材内、特に芯における熱の管理に失敗すると、最小でも、アセチル化された木材の強度低下または部分的アセチル化が結果として生じるであろう。最悪の場合、放出されなかった反応熱に起因する木材の完全なタール化が結果として生じるであろう。熱管理は、各木材片の断面全体に均一に適用されなければならないだけでなく、各片の全長に均一に、かつ反応器中の各片に平等に適用されなければならない。
【００１５】
木材の耐久性は、細胞壁をカビの成長から保護することにより達成され、それには、ヒドロキシル基のアセチル基への変換が必要である。これは、木材片全体にわたって一様な様式で行わなければならない。
【００１６】
寸法安定性は、キルンで乾燥された木材を、細胞壁の弾性限界を超えることなく膨潤させて、その未乾燥の体積に戻すことにより達成される。やはり、これも、木材片全体にわたって一様に行わなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このように、本発明は、
（ａ）圧力反応容器中で、含水率が６重量％〜２０重量％の木材をアセチル化液中に１０℃〜１２０℃の温度で浸漬するステップ、
（ｂ）上記容器中の圧力を１０〜３００分の間、２〜２０バールに上昇させるステップ、
（ｃ）過剰のアセチル化液を上記容器から除去するステップ、
（ｄ）上記容器中に不活性流体を導入して、木材の内部温度が発熱（ｅｘｏｔｈｅｒｍ）を示し始めるまで該流体を循環および加熱し、発熱が完了するまで木材への熱の供給を制御して、木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｅ）上記循環流体を８５℃〜１５０℃の温度に１０〜３０分の間加熱して２度目の発熱反応を開始させ、発熱が完了するまで木材への熱の供給を制御して、木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｆ）上記循環流体を除去して、アセチル化された木材を周囲温度まで冷ますステップ
を含む、木材をアセチル化する方法を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（ａ）において、木材の含水率は、好ましくは１２重量％未満であり、望ましくは８重量％未満である。アセチル化液は、６０体積％〜９５体積％の無水酢酸および５体積％〜４０体積％の酢酸を含んでいてよい。上記アセチル化液は８０体積％〜９２体積％の無水酢酸および８体積％〜２０体積％の酢酸を含むことが好ましい。上記アセチル化液の温度は３５℃〜５５℃であることが望ましい。
【００１９】
（ｂ）において、容器中の圧力は、処理されるべき木材の浸透性および寸法に応じて、３０〜９０分間、１０〜１５バールに上げられることが好ましい。窒素を用いる加圧が好ましいが、二酸化炭素などの他の不活性ガスを使用してもよい。
【００２０】
（ｃ）において、過剰という語は、木材に含浸しなかったアセチル化液を意味する。このアセチル化液は、容器内に存在する圧力、例えば窒素ガスを使用して該液を貯蔵容器中に押し込むことにより、または容器中の窒素の圧力を保ちつつ該液をポンプで出すことにより、圧力容器から除去することができる。
【００２１】
（ｄ）において、不活性流体（すなわち、無水酢酸または酢酸と反応しない流体）は、典型的には、２０℃〜１２０℃の温度に加熱されたガス状窒素、ガス状二酸化炭素または燃焼ガス（ｆｌｕｅ ｇａｓ）である。発熱の開始、持続および完了は、木材中に置かれた熱電対により検知されかつ監視される。幾つかの例において、ガス状流体、例えば窒素は、不活性でない無水酢酸および／または酢酸で部分的にまたは完全に飽和されていてよい。これは、２０％から完全飽和（１００％）の範囲にすることができる。
【００２２】
（ｄ）および（ｅ）においては、循環流体を冷却して、木材の（熱電対により検知される）内部温度が１７０℃を超えること、好ましくは１５５℃を超えないことを避けることが必要であり得る。
【００２３】
（ｅ）において、循環流体の好ましい温度は１００℃〜１３５℃であり、好ましい時間は１０〜１５分である。
【００２４】
アセチル化された木材の冷却中に、残留無水酢酸および酢酸副生成物を、例えば真空下での蒸発により除去することができる。
【００２５】
幾つかの方法の状況においては、「乾燥した」木材をアセチル化液に浸す前に、まず木材を圧力容器中に導入して、その中の圧力を、木材の浸透性に応じて、例えば、０．０５〜０．５バールに１０〜３００分間、好ましくは３０〜１２０分の間下げることにより、アセチル化されるべき木材の含水率を減少させることが好ましい。真空は、アセチル化液を反応容器に入れることにより解除するのが便利である。
【００２６】
本発明は、商業的サイズの木材片のアセチル化により、均一かつ予測可能な特性を有するアセチル化された木材を生ずることにおいて特に価値がある。本発明は、幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルであり、その幾何学的中心においてアセチルが少なくとも１４重量％になるまでアセチル化されるべき木材片に特に適用可能である。上記木材片は、幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルであることが好ましい。
【００２７】
本発明のアセチル化された木材の重要な特徴は、その最初の強度および外観の全てが基本的に保持されるということである。先行技術に記載された木材アセチル化方法では、通常、処理された木材は暗色化したまたは変色した表面を有し、製品の美的外観が著しく損ねられる。本発明においてはそのような結果が起こることは稀であり、たとえ起こったとしても、平削り、サンディングまたはならい削り（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）により容易に除去することができる。認められている他の利点としては、優れた湿潤剛性、寸法安定性および機械的作業性がある。
【００２８】
アセチル化されるべき木材が、高い含水率、低い浸透性、または高密度を有する場合には、所望のアセチルレベルを達成するために、アセチル化液による２度目の含浸、それに続く２度目のアセチル化が必要になり得る（ステップ（ａ）〜（ｆ）、原文４頁）。このような場合、無水酢酸および酢酸で未だ部分的に濡れている、本発明による部分的にアセチル化された木材が、予想より多くのアセチル化液を取り込むことが見出されており、それは、浸透を促進するか、または担体流体として作用する炭化水素希釈剤の作用なしで可能である。
【００２９】
本発明により、無類の（すなわち、これまで知られておらず、または達成し得なかった）湿潤剛性（弾性係数）および湿潤強度（破壊係数（ｍｏｄｕｌａｒ ｏｆ ｒｕｐｔｕｒｅ））を有するアセチル化木材も提供される。ニュージーランドマツ（ｒａｄｉａｔａ ｐｉｎｅ）の場合、アセチル化されていない試料は、およそ１０５４０Ｎ／ｍｍ２の乾燥剛性および６７６０Ｎ／ｍｍ２オーダーの湿潤剛性を有し、すなわち乾燥剛性から３６％の減少があることが見出された。それに対して、アセチル化後の同じマツでは、剛性については１０６０２Ｎ／ｍｍ２および９６９０Ｎ／ｍｍ２という結果が対応し、剛性の減少は１０％未満、すなわち８．６％であった（参考文献 ＢＳＥＮ４０８：２００６−Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ−ＢＳＩ）。また、アセチル化された木材は、アセチル化されていない木材と比較して、半径方向および接線方向の収縮に関して顕著に改善された寸法安定性を有することもできる（木材の半径方向および接線方向の収縮の測定法は、文書にて十分説明されている）。以下の表１を参照されたい。表では、アセチル化された試料の収縮は非常に小さいものである。
【００３０】
【表１】
【００３１】
アセチル化された木材片は、開始時の幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルであることが好ましい。木材片は、開始時の幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルであることが望ましい。
【００３２】
また本発明は、自然耐久性４級または５級を有する商業的サイズの大量の木材を耐久性１級または２級に同時に品質向上させる無類の展望も提供する。英国Ｇａｒｓｔｏｎのｔｈｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ Ｌｔｄにより考案され、ＢＲＥ Ｄｉｇｅｓｔ ２９６，１９８５により刊行された（１９９８年にＤｉｇｅｓｔ ４２９により更新）、広く認められている「５段階」木材種耐久性格付けを参照のこと。すなわち、
１級は、「高耐久性」と称され、すなわち、２５年以上大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：チーク、ニセアカシア。
２級は、「耐久性」と称され、すなわち、１５年を超えるが２５年未満大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：アメリカンホワイトオーク、ベイスギ。
３級は「中程度に耐久性」と称され、すなわち、１０年を超えるが１５年未満大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：ヨーロッパカラマツ、サペリ。
４級は「非耐久性」と称され、すなわち、強度または質量の減少が微少であるのは大地に接して５年を超えるが１０年未満である。例：ニュージーランドマツ、イエローパイン、ベイマツ。
５級は「腐敗しやすい」と称され、すなわち、強度または質量の減少が微少であるのは大地に接して最大で５年である。例：ポプラ、ヨーロッパブナ。
【００３３】
農場栽培された軟質木材の耐久性を改善することにより、本発明のアセチル化木材を、熱帯林の木材、ならびにヒ素、銅、クロムおよびペンタクロロフェノールなどの毒性化学物質で処理された木材の代替とすることができる。商業的利点に加えて、環境に対する利益、すなわち、天然の熱帯性硬質木材の使用の削減、および毒性化学物質を使用する処理の回避、があるのは自明である。
【００３４】
本発明の大きな利点は、アセチル化反応で使用されるのと同じ循環不活性流体を使用してアセチル化木材を乾燥することである。上記流体は（ガス状のとき）、酢酸副生成物と残留無水酢酸との混合物が除去される凝縮器を通過させられる。
【００３５】
本発明のもう一つの利点は、循環不活性流体から凝縮した液体混合物は水、高沸点木材抽出物および残渣を含まず、したがって費用のかかる回収工程の必要が避けられることである。
【００３６】
回収された液体混合物をリサイクルするために、少なくとも２つの選択肢が利用可能である。１つは、液体をフラッシュ蒸留して酸無水物から酢酸を粗分離することである。次に、回収された酢酸はケテン分解装置に供給し、回収された無水酢酸は木材アセチル化工程へ再循環させることができる。
【００３７】
第２の選択肢は、回収された液体から酢酸を蒸留して、それを工業銘柄の酸として販売することである。そして、凝縮物中に捕集された未使用の無水酢酸は、木材アセチル化工程へ戻される。
【００３８】
本発明では、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）を使用して、アセチル基のケン化から生ずる酢酸イオンの濃度を定量する。これは、通常使用される重量増によるものよりも、アセチル含有率を直接測定することができる。さらに、これは、アセチル化された各木材片の小面積に適用することができる。それに加えて、較正されたフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）および近赤外分光光度計（ＦＴＮＩＲ）を、厚さ２ｍｍおよび面積４ｍｍ×２ｍｍの木材切片のアセチル含有率を測定するために使用することができる。これにより、微少サイズの箇所のアセチル化の確認が可能になり、かつ個々の木材片を横切るアセチル化の勾配を調べることが可能になる。
【実施例】
【００３９】
以下の実施例は、本発明を例示することのみが意図されている。これらは、少しでも本発明を限定するものと受け取られるべきではない。
【００４０】
実施例１
水分１１％の約０．４Ｍ３の粗く鋸引きされた複数のチリ産ニュージーランドマツ板を、１５ｍｍの支え棒（ｓｔｉｃｋｅｒ）で垂直および水平に分離した。板は、長さが３．９メートル、厚さが５５ｍｍ、幅が１３０ｍｍであり、少しの心材と大半を占める辺材とで構成されていた。木材を、２．５立方メートルの液体の入る圧力反応容器中に充填した。この容器はガス循環ループを備えていた。
【００４１】
所望により、板を真空にさらした。本実施例において、真空は０．１〜０．２絶対バールであり、３０分間適用した。アセチル化液（９０％無水酢酸および１０％酢酸、周囲温度）を使用して、真空を解除し、各板を浸漬した。窒素を使用して圧力を１０絶対バールに上げ、９０分間保った。遊離液体を排出すると木材１キログラム当たり１．５〜１．７キログラムの液体を含有する飽和した板が残った。
【００４２】
無水酢酸で飽和した窒素ガスを、アセチル化反応のための加熱媒体として使用した。ガスを無水酢酸で飽和する目的は、アセチル化前および最中に木材表面におけるアセチル化液の蒸発を回避することである。上記循環ループは、４立方メートルの体積を有し、それは、反応器の体積と合わされたとき０．４Ｍ３の木材に対しておよそ６立方メートルのガスを提供した。アセチル化サイクルの間、ガス循環ループ中の圧力は、１．１〜１．９絶対バールの間で変化した。
【００４３】
循環ガスの温度がおよそ６０℃に達すると、無水酢酸と木材中の水分との間の反応および木材のアセチル化が開始した。これは、数枚の板の中に挿入された熱電対により測定される温度の増大する急速な上昇によって証明された。この反応により発生する熱に加えて循環窒素による若干の加熱により木材内部の温度が１３０℃〜１４０℃に上昇し、木材のヒドロキシル基と無水酢酸との間の反応が始まった。
【００４４】
およそ９０分のアセチル化段階中、循環ガスの圧力および温度を制御するために、若干の酢酸−無水酢酸の蒸気を凝縮させることが必要であった。回収された液体は、およそ５％の無水酢酸と９５％の酢酸との組成を有した。
【００４５】
アセチル化段階の終わりに、より多くの未使用の無水酢酸および副生酢酸が循環ガスから凝縮した。温度を徐々に約１３０℃に上昇させた。これらの作用が組み合わされて揮発性物質を板の表面に押しやり、それらをガス流中に蒸発させた。回収された液体は全く水を含まず、３％〜４％の無水酢酸と９６％〜９７％の酢酸とからなっていた。
【００４６】
最後に、板を、木材１キログラム当たり約１５グラム〜３０グラムの酢酸を含有する点まで乾燥した。如何なる表面の欠陥も、平削り、サンディングまたはならい削りにより除去した。
【００４７】
系には水が加えられなかったので、未使用の無水酢酸は回収可能であった。
【００４８】
アセチル化された板は、表面において２０〜２１％および芯において１８〜２０％のアセチル含有率を有することが見出された。
【００４９】
実施例２
およそ０．４Ｍ３の粗く鋸引きされた１２％の水分を含有する複数の南部イエローパインの板を、１５ｍｍの支え棒により垂直および水平に分離した。板は、長さ３．９メートル、厚さ４０ｍｍ、幅１４０ｍｍであり、少しの心材と辺材とで構成されていた。木材を、２．５Ｍ３の液体が入る圧力反応容器中に充填した。この反応容器はガス循環ループを備えていた。
【００５０】
所望により、板を真空にさらした。本実施例において、真空は０．１〜０．２絶対バールであり、３０分間適用した。アセチル化液（９２％無水酢酸および８％酢酸、周囲温度）を使用して、真空を解除し、各板を浸漬した。窒素を使用して圧力を１０絶対バールに上げ、６０分間保った。遊離液体を排出すると木材１キログラム当たり１．０〜１．２キログラムの液体を含有する飽和した板が残った。
【００５１】
無水酢酸蒸気で飽和した窒素ガスを、アセチル化反応のための加熱媒体として使用した。ガスを無水酢酸で飽和する目的は、アセチル化前およびその最中に木材表面におけるアセチル化液の蒸発を回避することである。上記循環ループは、４Ｍ３の体積を有し、それは、反応器の体積と合わされたとき０．４Ｍ３の木材に対しておよそ６Ｍ３のガスを提供した。アセチル化サイクルの間、ガス循環ループ中の圧力は、１．１〜１．９絶対バールの間で変化した。
【００５２】
循環ガスの温度がおよそ８０℃に達すると、無水酢酸と木材中の水分との間の反応が開始した。これは、数枚の板の中に挿入された熱電対により測定される温度の増大する急速な上昇によって証明された。木材アセチル化による２度目の発熱はおよそ１２０℃で開始した。この第１の木材アセチル化段階の間、およそ６０分、循環ガスのガス圧および温度を制御するために、若干の酢酸および無水酢酸の蒸気を凝縮させることが必要であった。回収された液体は、およそ１０％の無水酢酸と９０％の酢酸の組成を有した。
【００５３】
第１のアセチル化段階の終わりに、若干の未使用の無水酢酸および酢酸副生成物が循環ガスから凝縮した。反応器に真空を適用して、木材から使用したアセチル化液を除去した。この液を反応器から汲み出して、真空を再度適用した。
【００５４】
新しく投入したアセチル化液を使用して、真空を解除し、各板を浸漬して、木材に２度目の含浸を行った。組成は９１重量％が無水酢酸であり、残余は酢酸であった。窒素の圧力をおよそ１０絶対バールにして適用した。６０分の間加圧した後、過剰の流体をポンプで反応器から出して、約１絶対バールの圧力で、無水酢酸で飽和した窒素を循環させ始めた。飽和した窒素の温度を、約９０℃に上昇した。
【００５５】
循環ガス中の圧力の上昇および数枚の板の芯において熱電対により測定された温度の上昇により立証されたように、２度目の木材アセチル化が進行させた後は、循環ガスに熱を追加することはなかった。圧力が１．５〜１．８絶対バールに上昇すると、流体が循環ガスから凝縮して圧力が低下し、かつ／または温度が低下した。凝縮した流体の組成は、３０％〜４０％が無水酢酸であり、残余は酢酸であった。
【００５６】
およそ６０分の第２の木材アセチル化段階の後、循環ガスの温度を徐々に１３０℃に上昇し、循環ガスの副流から液体が凝縮した。
【００５７】
これらの作用が組み合わされて揮発性物質を板の表面に押しやり、それらをガス流中に蒸発させた。
【００５８】
板のアセチル含有率は、表面での２０〜２２％から芯での約１５〜１７％へと変化するものに形成された。
【００５９】
さらなる５つの実施例を以下の表に詳細に示す。
【００６０】
【表２】
【００６１】
０．４Ｍ３の木材を使用する２つの実施例および３７〜４０Ｍ３の木材を使用する５つの実施例において、ＢＳＥＮ３５０−１：１９９４（ＢＳＩ）にしたがって測定された耐久性１級を有するアセチル化された木材が得られた。
【００６２】
７つの実施例の各々において、試料をオーブン乾燥と９０％の湿度との間を循環させたとき、アセチル化された木材は、耐収縮効率により測定された寸法安定性が少なくとも７０％の改善を示した。
【００６３】
７つの実施例の各々において、アセチル化された木材のＵＶ安定性は、ＢＳＥＮ ９２７−３：２０００（ＢＳＩ）に記載された１６週の加速実験室試験またはＢＳＥＮ ９２７−６（ＢＳＩ）に記載された１年屋外曝露試験において、測定可能な低下を示さなかった。
【００６４】
７つの実施例の各々において、アセチル化された木材の熱伝導度は、木目に並行または木目に垂直のいずれかで測定されたとき約４０％減少した。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材成分の改質に関し、特に、耐久性、寸法安定性、紫外線に対する安定性および熱伝導性などの望ましい特性を改善するために、アセチル化によって非耐久性の固形の木材種を改質することに関する。一般的には、非耐久性の木材種は、針葉樹由来の軟木、ならびにＢＲＥ耐久性４級および５級に記載されているような非耐久性の堅木であると一般に考えられている（以下を参照されたい）。
【背景技術】
【０００２】
固形の軟木、固形で非耐久性の堅木および木材薄板（以下、まとめて木材と称する）をアセチル化する利点は、実験室規模で広く研究されており、学術的および商業的刊行物に記載されている。広義には、木材アセチル化により、木材成分中のヒドロキシ基がアセチル基へ変換される。したがって、この化学的改質は、親水性のヒドロキシル基を疎水性のアセチル基に変換する効果を有する。
【０００３】
従来技術文献の大部分では、主として実験室での研究のために木材小片の耐久性および寸法安定性の改善に集中しており、商業的意義は低い。耐久性とは本質的に、カビにより惹起されるものなど、自然の腐朽過程に対する木材の耐性であり、一方、寸法安定性は、木材が水または水分により濡らされ、続いて乾燥されるサイクルを経たときの、膨潤および収縮の減少（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）として記述することができる。
【０００４】
初期の木材アセチル化の研究（非特許文献１）において、ポンデローサマツ、サトウカエデおよびホワイトオークへの浸透を促進するために、無水酢酸をキシレンおよびトルエンなどの希釈剤中に溶解していた。耐久性および寸法安定性の観点から木目浸透（ｃｒｏｓｓ−ｇｒａｉｎ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）が欠かせない、商業的に使用されるサイズの木材に対してこの技法が適用かのうかどうかについては検討されていない。また、副生物の水流は、分離するのが困難な無水酢酸、酢酸およびキシレンのブレンド混合物である。
【０００５】
特許文献１に記載された方法は主として、木材の繊維およびチップのアセチル化を対象としているが、商業的サイズの木材を対象としていない。固形木材について示された例は、実験室規模における非常に小さい片に対する方法の適用だけである。
【０００６】
特許文献２では、商業的サイズの固形木材のアセチル化を試みているが、それを行う際には、木材中で発生する反応熱の効果的な制御をせずに、無水酢酸による含浸に依存している。それ故、木材中の温度は、内部亀裂およびタール化を惹起し得るレベルに上昇し、アセチル化された木材の強度を著しく低下させ得る。特許文献２は、アセチル化された木材をスチームで後処理する特徴的なステップにも依存する。本出願人は、これは残留酢酸を除去するのに非常に非効率的であることを見出した。
【０００７】
特許文献３は、オーブンで乾燥した木材（これは木材が微量の水分も殆ど含まないことを意味する）のアセチル化に殆ど専ら関係している。この方法は報告された実験で使用された短い木材には適用可能かもしれないが、商業的長さ（例えば２〜４メートル）での強度の乾燥により損傷が生ずることを主な理由として、オーブン乾燥された木材というものは商業界では基本的に知られていない。通常１２〜２０％の水分を含む商業的サイズの木材に過熱アセチル化液を適用すると、アセチル化液の高温をさらに上昇させる急速な熱の発生が惹起され、木材内部の全体的温度が、木材の内部構造の亀裂およびタール化を惹起し得るレベルに押し上げられる。
【０００８】
先行技術に特有の欠点として一般的に、いわゆる「エンベロープ処理」があるが、これは、非特許文献２に例示されている。エンベロープ処理は、木材の表面付近のアセチル化であり、内部の木材は効果的でないレベルのアセチル化で残されるか、または全くアセチル化されない。木材のアセチル化の深さが効果的でないと、アセチル化された木片が鉋掛けされたとき、切り抜かれたとき、または横に切られたときに水分に直接曝され得る。アセチル化された木材では、水分が断面全体中に透過して出入りすることが可能になる。適切にアセチル化された部分では、水分は、保護された細胞壁に遭遇するので、カビの成長を助長するのに利用され得ない。アセチル化が不十分なまたはアセチル化されていない部分では、水分は、細胞壁に付着して、そこで木材を腐朽させるカビを助ける。そのような部分に達する水分により最終的には、木材が内部から外部に向かって腐朽してしまう。
【０００９】
他の通常の木材防腐処理には、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、第四級銅塩、ペンタクロロフェノール、およびクレオソートの使用が含まれるが、アセチル化とは異なって、これらの処理は周囲温度で実施され、発熱反応を伴わない。
【００１０】
木材アセチル化に関する出版物は、一般に、得られた木材の基礎化学および性質を扱っている。これらの出版物では、反応器中の全木片において、木片全体にわたって、全木片について一様なアセチル化を得るために、如何にして木材アセチル化反応において体積効率を達成するか、熱の粗雑な適用以外に如何にして反応を開始させるか、発熱反応により発生した熱を如何にして放散させるかについては殆ど指針が提供されず、また、反応器中に積み重ねられた多数の木材片周囲の温度の変化を如何にしてプロファイルするかについての指針は提供されていない。
【００１１】
文献および以前の特許文書に現れる業績の多くは、実験室で調製された小さな木材試料の耐久性および寸法安定性に関するにすぎない。これらの研究は、建設産業および商業において通常使用されるようなより大きい木材サイズがアセチル化されるときの、望ましい特性の組込みまたは達成については基本的に触れてない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第２１３２５２号
【特許文献２】欧州特許第６８０８１０号
【特許文献３】国際特許公開ＷＯ２００５／０７７６２６
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｆｏｒｅｓｔ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｆｅｂ １９６４，ｐａｇｅ ６，Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｄｒｅｈｅｒ ａｎｄ Ｃｒａｍｅｒ
【非特許文献２】文書Ｎｏ ＡＣ２９７「アセチル化された木材防腐剤系のための許容基準（Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ Ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ Ａｃｅｔｙｌａｔｅｄ Ｗｏｏｄ Ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」（ＩＣＣ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅｓにより２００５年３月１日に発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、木目に対して垂直になされた浸透のみを利用する、無水酢酸による商業的サイズの木材片への均一な浸透および反応熱の管理が解決されるべき技術的問題である。木材内、特に芯における熱の管理に失敗すると、最小でも、アセチル化された木材の強度低下または部分的アセチル化が結果として生じるであろう。最悪の場合、放出されなかった反応熱に起因する木材の完全なタール化が結果として生じるであろう。熱管理は、各木材片の断面全体に均一に適用されなければならないだけでなく、各片の全長に均一に、かつ反応器中の各片に平等に適用されなければならない。
【００１５】
木材の耐久性は、細胞壁をカビの成長から保護することにより達成され、それには、ヒドロキシル基のアセチル基への変換が必要である。これは、木材片全体にわたって一様な様式で行わなければならない。
【００１６】
寸法安定性は、キルンで乾燥された木材を、細胞壁の弾性限界を超えることなく膨潤させて、その未乾燥の体積に戻すことにより達成される。やはり、これも、木材片全体にわたって一様に行わなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このように、本発明は、
（ａ）圧力反応容器中で、含水率が６重量％〜２０重量％の木材をアセチル化液中に１０℃〜１２０℃の温度で浸漬するステップ、
（ｂ）上記容器中の圧力を１０〜３００分の間、２〜２０バールに上昇させるステップ、
（ｃ）過剰のアセチル化液を上記容器から除去するステップ、
（ｄ）上記容器中に不活性流体を導入して、木材の内部温度が発熱（ｅｘｏｔｈｅｒｍ）を示し始めるまで該流体を循環および加熱し、発熱が完了するまで木材への熱の供給を制御して、木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｅ）上記循環流体を８５℃〜１５０℃の温度に１０〜３０分の間加熱して２度目の発熱反応を開始させ、発熱が完了するまで木材への熱の供給を制御して、木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｆ）上記循環流体を除去して、アセチル化された木材を周囲温度まで冷ますステップ
を含む、木材をアセチル化する方法を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（ａ）において、木材の含水率は、好ましくは１２重量％未満であり、望ましくは８重量％未満である。アセチル化液は、６０体積％〜９５体積％の無水酢酸および５体積％〜４０体積％の酢酸を含んでいてよい。上記アセチル化液は８０体積％〜９２体積％の無水酢酸および８体積％〜２０体積％の酢酸を含むことが好ましい。上記アセチル化液の温度は３５℃〜５５℃であることが望ましい。
【００１９】
（ｂ）において、容器中の圧力は、処理されるべき木材の浸透性および寸法に応じて、３０〜９０分間、１０〜１５バールに上げられることが好ましい。窒素を用いる加圧が好ましいが、二酸化炭素などの他の不活性ガスを使用してもよい。
【００２０】
（ｃ）において、過剰という語は、木材に含浸しなかったアセチル化液を意味する。このアセチル化液は、容器内に存在する圧力、例えば窒素ガスを使用して該液を貯蔵容器中に押し込むことにより、または容器中の窒素の圧力を保ちつつ該液をポンプで出すことにより、圧力容器から除去することができる。
【００２１】
（ｄ）において、不活性流体（すなわち、無水酢酸または酢酸と反応しない流体）は、典型的には、２０℃〜１２０℃の温度に加熱されたガス状窒素、ガス状二酸化炭素または燃焼ガス（ｆｌｕｅ ｇａｓ）である。発熱の開始、持続および完了は、木材中に置かれた熱電対により検知されかつ監視される。幾つかの例において、ガス状流体、例えば窒素は、不活性でない無水酢酸および／または酢酸で部分的にまたは完全に飽和されていてよい。これは、２０％から完全飽和（１００％）の範囲にすることができる。
【００２２】
（ｄ）および（ｅ）においては、循環流体を冷却して、木材の（熱電対により検知される）内部温度が１７０℃を超えること、好ましくは１５５℃を超えないことを避けることが必要であり得る。
【００２３】
（ｅ）において、循環流体の好ましい温度は１００℃〜１３５℃であり、好ましい時間は１０〜１５分である。
【００２４】
アセチル化された木材の冷却中に、残留無水酢酸および酢酸副生成物を、例えば真空下での蒸発により除去することができる。
【００２５】
幾つかの方法の状況においては、「乾燥した」木材をアセチル化液に浸す前に、まず木材を圧力容器中に導入して、その中の圧力を、木材の浸透性に応じて、例えば、０．０５〜０．５バールに１０〜３００分間、好ましくは３０〜１２０分の間下げることにより、アセチル化されるべき木材の含水率を減少させることが好ましい。真空は、アセチル化液を反応容器に入れることにより解除するのが便利である。
【００２６】
本発明は、商業的サイズの木材片のアセチル化により、均一かつ予測可能な特性を有するアセチル化された木材を生ずることにおいて特に価値がある。本発明は、幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルであり、その幾何学的中心においてアセチルが少なくとも１４重量％になるまでアセチル化されるべき木材片に特に適用可能である。上記木材片は、幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルであることが好ましい。
【００２７】
本発明のアセチル化された木材の重要な特徴は、その最初の強度および外観の全てが基本的に保持されるということである。先行技術に記載された木材アセチル化方法では、通常、処理された木材は暗色化したまたは変色した表面を有し、製品の美的外観が著しく損ねられる。本発明においてはそのような結果が起こることは稀であり、たとえ起こったとしても、平削り、サンディングまたはならい削り（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）により容易に除去することができる。認められている他の利点としては、優れた湿潤剛性、寸法安定性および機械的作業性がある。
【００２８】
アセチル化されるべき木材が、高い含水率、低い浸透性、または高密度を有する場合には、所望のアセチルレベルを達成するために、アセチル化液による２度目の含浸、それに続く２度目のアセチル化が必要になり得る（ステップ（ａ）〜（ｆ）、原文４頁）。このような場合、無水酢酸および酢酸で未だ部分的に濡れている、本発明による部分的にアセチル化された木材が、予想より多くのアセチル化液を取り込むことが見出されており、それは、浸透を促進するか、または担体流体として作用する炭化水素希釈剤の作用なしで可能である。
【００２９】
本発明により、無類の（すなわち、これまで知られておらず、または達成し得なかった）湿潤剛性（弾性係数）および湿潤強度（破壊係数（ｍｏｄｕｌａｒ ｏｆ ｒｕｐｔｕｒｅ））を有するアセチル化木材も提供される。ニュージーランドマツ（ｒａｄｉａｔａ ｐｉｎｅ）の場合、アセチル化されていない試料は、およそ１０５４０Ｎ／ｍｍ２の乾燥剛性および６７６０Ｎ／ｍｍ２オーダーの湿潤剛性を有し、すなわち乾燥剛性から３６％の減少があることが見出された。それに対して、アセチル化後の同じマツでは、剛性については１０６０２Ｎ／ｍｍ２および９６９０Ｎ／ｍｍ２という結果が対応し、剛性の減少は１０％未満、すなわち８．６％であった（参考文献 ＢＳＥＮ４０８：２００６−Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ−ＢＳＩ）。また、アセチル化された木材は、アセチル化されていない木材と比較して、半径方向および接線方向の収縮に関して顕著に改善された寸法安定性を有することもできる（木材の半径方向および接線方向の収縮の測定法は、文書にて十分説明されている）。以下の表１を参照されたい。表では、アセチル化された試料の収縮は非常に小さいものである。
【００３０】
【表１】
【００３１】
アセチル化された木材片は、開始時の幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルであることが好ましい。木材片は、開始時の幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルであることが望ましい。
【００３２】
また本発明は、自然耐久性４級または５級を有する商業的サイズの大量の木材を耐久性１級または２級に同時に品質向上させる無類の展望も提供する。英国Ｇａｒｓｔｏｎのｔｈｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ Ｌｔｄにより考案され、ＢＲＥ Ｄｉｇｅｓｔ ２９６，１９８５により刊行された（１９９８年にＤｉｇｅｓｔ ４２９により更新）、広く認められている「５段階」木材種耐久性格付けを参照のこと。すなわち、
１級は、「高耐久性」と称され、すなわち、２５年以上大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：チーク、ニセアカシア。
２級は、「耐久性」と称され、すなわち、１５年を超えるが２５年未満大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：アメリカンホワイトオーク、ベイスギ。
３級は「中程度に耐久性」と称され、すなわち、１０年を超えるが１５年未満大地に接しても強度または質量の減少が微少である。例：ヨーロッパカラマツ、サペリ。
４級は「非耐久性」と称され、すなわち、強度または質量の減少が微少であるのは大地に接して５年を超えるが１０年未満である。例：ニュージーランドマツ、イエローパイン、ベイマツ。
５級は「腐敗しやすい」と称され、すなわち、強度または質量の減少が微少であるのは大地に接して最大で５年である。例：ポプラ、ヨーロッパブナ。
【００３３】
農場栽培された軟質木材の耐久性を改善することにより、本発明のアセチル化木材を、熱帯林の木材、ならびにヒ素、銅、クロムおよびペンタクロロフェノールなどの毒性化学物質で処理された木材の代替とすることができる。商業的利点に加えて、環境に対する利益、すなわち、天然の熱帯性硬質木材の使用の削減、および毒性化学物質を使用する処理の回避、があるのは自明である。
【００３４】
本発明の大きな利点は、アセチル化反応で使用されるのと同じ循環不活性流体を使用してアセチル化木材を乾燥することである。上記流体は（ガス状のとき）、酢酸副生成物と残留無水酢酸との混合物が除去される凝縮器を通過させられる。
【００３５】
本発明のもう一つの利点は、循環不活性流体から凝縮した液体混合物は水、高沸点木材抽出物および残渣を含まず、したがって費用のかかる回収工程の必要が避けられることである。
【００３６】
回収された液体混合物をリサイクルするために、少なくとも２つの選択肢が利用可能である。１つは、液体をフラッシュ蒸留して酸無水物から酢酸を粗分離することである。次に、回収された酢酸はケテン分解装置に供給し、回収された無水酢酸は木材アセチル化工程へ再循環させることができる。
【００３７】
第２の選択肢は、回収された液体から酢酸を蒸留して、それを工業銘柄の酸として販売することである。そして、凝縮物中に捕集された未使用の無水酢酸は、木材アセチル化工程へ戻される。
【００３８】
本発明では、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）を使用して、アセチル基のケン化から生ずる酢酸イオンの濃度を定量する。これは、通常使用される重量増によるものよりも、アセチル含有率を直接測定することができる。さらに、これは、アセチル化された各木材片の小面積に適用することができる。それに加えて、較正されたフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）および近赤外分光光度計（ＦＴＮＩＲ）を、厚さ２ｍｍおよび面積４ｍｍ×２ｍｍの木材切片のアセチル含有率を測定するために使用することができる。これにより、微少サイズの箇所のアセチル化の確認が可能になり、かつ個々の木材片を横切るアセチル化の勾配を調べることが可能になる。
【実施例】
【００３９】
以下の実施例は、本発明を例示することのみが意図されている。これらは、少しでも本発明を限定するものと受け取られるべきではない。
【００４０】
実施例１
水分１１％の約０．４Ｍ３の粗く鋸引きされた複数のチリ産ニュージーランドマツ板を、１５ｍｍの支え棒（ｓｔｉｃｋｅｒ）で垂直および水平に分離した。板は、長さが３．９メートル、厚さが５５ｍｍ、幅が１３０ｍｍであり、少しの心材と大半を占める辺材とで構成されていた。木材を、２．５立方メートルの液体の入る圧力反応容器中に充填した。この容器はガス循環ループを備えていた。
【００４１】
所望により、板を真空にさらした。本実施例において、真空は０．１〜０．２絶対バールであり、３０分間適用した。アセチル化液（９０％無水酢酸および１０％酢酸、周囲温度）を使用して、真空を解除し、各板を浸漬した。窒素を使用して圧力を１０絶対バールに上げ、９０分間保った。遊離液体を排出すると木材１キログラム当たり１．５〜１．７キログラムの液体を含有する飽和した板が残った。
【００４２】
無水酢酸で飽和した窒素ガスを、アセチル化反応のための加熱媒体として使用した。ガスを無水酢酸で飽和する目的は、アセチル化前および最中に木材表面におけるアセチル化液の蒸発を回避することである。上記循環ループは、４立方メートルの体積を有し、それは、反応器の体積と合わされたとき０．４Ｍ３の木材に対しておよそ６立方メートルのガスを提供した。アセチル化サイクルの間、ガス循環ループ中の圧力は、１．１〜１．９絶対バールの間で変化した。
【００４３】
循環ガスの温度がおよそ６０℃に達すると、無水酢酸と木材中の水分との間の反応および木材のアセチル化が開始した。これは、数枚の板の中に挿入された熱電対により測定される温度の増大する急速な上昇によって証明された。この反応により発生する熱に加えて循環窒素による若干の加熱により木材内部の温度が１３０℃〜１４０℃に上昇し、木材のヒドロキシル基と無水酢酸との間の反応が始まった。
【００４４】
およそ９０分のアセチル化段階中、循環ガスの圧力および温度を制御するために、若干の酢酸−無水酢酸の蒸気を凝縮させることが必要であった。回収された液体は、およそ５％の無水酢酸と９５％の酢酸との組成を有した。
【００４５】
アセチル化段階の終わりに、より多くの未使用の無水酢酸および副生酢酸が循環ガスから凝縮した。温度を徐々に約１３０℃に上昇させた。これらの作用が組み合わされて揮発性物質を板の表面に押しやり、それらをガス流中に蒸発させた。回収された液体は全く水を含まず、３％〜４％の無水酢酸と９６％〜９７％の酢酸とからなっていた。
【００４６】
最後に、板を、木材１キログラム当たり約１５グラム〜３０グラムの酢酸を含有する点まで乾燥した。如何なる表面の欠陥も、平削り、サンディングまたはならい削りにより除去した。
【００４７】
系には水が加えられなかったので、未使用の無水酢酸は回収可能であった。
【００４８】
アセチル化された板は、表面において２０〜２１％および芯において１８〜２０％のアセチル含有率を有することが見出された。
【００４９】
実施例２
およそ０．４Ｍ３の粗く鋸引きされた１２％の水分を含有する複数の南部イエローパインの板を、１５ｍｍの支え棒により垂直および水平に分離した。板は、長さ３．９メートル、厚さ４０ｍｍ、幅１４０ｍｍであり、少しの心材と辺材とで構成されていた。木材を、２．５Ｍ３の液体が入る圧力反応容器中に充填した。この反応容器はガス循環ループを備えていた。
【００５０】
所望により、板を真空にさらした。本実施例において、真空は０．１〜０．２絶対バールであり、３０分間適用した。アセチル化液（９２％無水酢酸および８％酢酸、周囲温度）を使用して、真空を解除し、各板を浸漬した。窒素を使用して圧力を１０絶対バールに上げ、６０分間保った。遊離液体を排出すると木材１キログラム当たり１．０〜１．２キログラムの液体を含有する飽和した板が残った。
【００５１】
無水酢酸蒸気で飽和した窒素ガスを、アセチル化反応のための加熱媒体として使用した。ガスを無水酢酸で飽和する目的は、アセチル化前およびその最中に木材表面におけるアセチル化液の蒸発を回避することである。上記循環ループは、４Ｍ３の体積を有し、それは、反応器の体積と合わされたとき０．４Ｍ３の木材に対しておよそ６Ｍ３のガスを提供した。アセチル化サイクルの間、ガス循環ループ中の圧力は、１．１〜１．９絶対バールの間で変化した。
【００５２】
循環ガスの温度がおよそ８０℃に達すると、無水酢酸と木材中の水分との間の反応が開始した。これは、数枚の板の中に挿入された熱電対により測定される温度の増大する急速な上昇によって証明された。木材アセチル化による２度目の発熱はおよそ１２０℃で開始した。この第１の木材アセチル化段階の間、およそ６０分、循環ガスのガス圧および温度を制御するために、若干の酢酸および無水酢酸の蒸気を凝縮させることが必要であった。回収された液体は、およそ１０％の無水酢酸と９０％の酢酸の組成を有した。
【００５３】
第１のアセチル化段階の終わりに、若干の未使用の無水酢酸および酢酸副生成物が循環ガスから凝縮した。反応器に真空を適用して、木材から使用したアセチル化液を除去した。この液を反応器から汲み出して、真空を再度適用した。
【００５４】
新しく投入したアセチル化液を使用して、真空を解除し、各板を浸漬して、木材に２度目の含浸を行った。組成は９１重量％が無水酢酸であり、残余は酢酸であった。窒素の圧力をおよそ１０絶対バールにして適用した。６０分の間加圧した後、過剰の流体をポンプで反応器から出して、約１絶対バールの圧力で、無水酢酸で飽和した窒素を循環させ始めた。飽和した窒素の温度を、約９０℃に上昇した。
【００５５】
循環ガス中の圧力の上昇および数枚の板の芯において熱電対により測定された温度の上昇により立証されたように、２度目の木材アセチル化が進行させた後は、循環ガスに熱を追加することはなかった。圧力が１．５〜１．８絶対バールに上昇すると、流体が循環ガスから凝縮して圧力が低下し、かつ／または温度が低下した。凝縮した流体の組成は、３０％〜４０％が無水酢酸であり、残余は酢酸であった。
【００５６】
およそ６０分の第２の木材アセチル化段階の後、循環ガスの温度を徐々に１３０℃に上昇し、循環ガスの副流から液体が凝縮した。
【００５７】
これらの作用が組み合わされて揮発性物質を板の表面に押しやり、それらをガス流中に蒸発させた。
【００５８】
板のアセチル含有率は、表面での２０〜２２％から芯での約１５〜１７％へと変化するものに形成された。
【００５９】
さらなる５つの実施例を以下の表に詳細に示す。
【００６０】
【表２】
【００６１】
０．４Ｍ３の木材を使用する２つの実施例および３７〜４０Ｍ３の木材を使用する５つの実施例において、ＢＳＥＮ３５０−１：１９９４（ＢＳＩ）にしたがって測定された耐久性１級を有するアセチル化された木材が得られた。
【００６２】
７つの実施例の各々において、試料をオーブン乾燥と９０％の湿度との間を循環させたとき、アセチル化された木材は、耐収縮効率により測定された寸法安定性が少なくとも７０％の改善を示した。
【００６３】
７つの実施例の各々において、アセチル化された木材のＵＶ安定性は、ＢＳＥＮ ９２７−３：２０００（ＢＳＩ）に記載された１６週の加速実験室試験またはＢＳＥＮ ９２７−６（ＢＳＩ）に記載された１年屋外曝露試験において、測定可能な低下を示さなかった。
【００６４】
７つの実施例の各々において、アセチル化された木材の熱伝導度は、木目に並行または木目に垂直のいずれかで測定されたとき約４０％減少した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）圧力反応容器中で、含水率が６重量％〜２０重量％の木材をアセチル化液中に１０℃〜１２０℃の温度で浸漬するステップ、
（ｂ）前記容器中の圧力を１０〜３００分の間、２〜２０バールに上昇させるステップ、
（ｃ）過剰のアセチル化液を前記容器から除去するステップ、
（ｄ）前記容器中に不活性流体を導入して、前記木材の内部温度が発熱を示し始めるまで該流体を循環および加熱し、発熱が完了するまで前記木材への熱の供給を制御して、前記木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｅ）前記循環流体を８５℃〜１５０℃の温度に１０〜３０分の間加熱して２度目の発熱反応を開始させ、発熱が完了するまで前記木材への熱の供給を制御して、前記木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｆ）前記循環流体を除去して、アセチル化された木材を周囲温度まで冷ますステップ
を含む、木材をアセチル化する方法。
【請求項２】
前記木材の含水率が１２重量％未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記木材の含水率が８重量％未満である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アセチル化液が、６０体積％〜９５体積％の無水酢酸および５体積％〜４０体積％の酢酸を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記アセチル化液が、８０体積％〜９２体積％の無水酢酸および８〜２０体積％の酢酸を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アセチル化液が３５℃〜５５℃の温度で導入される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記反応容器中の圧力が、３０分〜９０分の間、１０〜１５バールである、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記過剰のアセチル化液が、窒素ガスを用いて加圧することにより圧力容器から除去される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記過剰のアセチル化液が、前記容器中の窒素ガスの圧力を保ちつつ、前記圧力容器からポンプにより除去される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｄ）における前記不活性流体が、ガス状窒素、ガス状二酸化炭素または燃焼ガスから選択される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記不活性ガスが２０℃〜１２０℃の温度に加熱される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記発熱が前記木材中に置かれた熱電対により検知されかつ監視される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記循環不活性流体を冷却して、前記木材の内部温度が１７０℃を越えることを回避する、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記循環不活性ガスを冷却して、前記木材の内部温度が１５５℃を越えることを回避する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス状窒素が、不活性でない無水酢酸および／または酢酸で部分的にまたは完全に飽和されている、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記飽和が２０％〜１００％である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記アセチル化された木材の冷却中に、残留無水酢酸および酢酸副生成物が真空下に蒸発により除去される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記木材の含水率が、アセチル化液中に浸漬される前に減少される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記木材を１０〜３００分間、０．０５〜０．５バールの圧力にさらすことにより、木材の含水率が減少される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記時間が３０〜１２０分である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記木材が、その幾何学的中心においてアセチルが少なくとも１４重量％になるまでアセチル化される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
アセチル化液による２度目の含浸に続いて２度目のアセチル化がある、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルである木材片をアセチル化する、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記木材片は、幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記アセチル化された木材が、循環不活性流体（ガス状のとき）を使用して乾燥される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
ａ）０．２７〜０．６４の半径方向の収縮比Ｒ２／Ｒ１（Ｒ２はアセチル化後の半径方向の収縮であり、Ｒ１はアセチル化前の収縮である）、および
ｂ）０．２６〜０．４８の接線方向の収縮比Ｔ２／Ｔ１（Ｔ２はアセチル化後の接線方向の収縮であり、およびＴ１はアセチル化後の収縮である）
を有するアセチル化された木材。
【請求項２７】
前記比Ｒ２／Ｒ１が０．３０〜０．５８であり、かつ前記比Ｔ２／Ｔ１が０．２９〜０．４４である、請求項２６に記載のアセチル化された木材。
【請求項２８】
湿潤後の乾燥剛性の減少が１０％未満である、アセチル化された木材。
【請求項２９】
前記乾燥剛性の減少が８．６％以上である、請求項２８に記載のアセチル化された木材。
【請求項３０】
幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルである、請求項２６〜２９のいずれか１項に記載のアセチル化された木材片。
【請求項３１】
幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルである、請求項３０に記載のアセチル化された木材片。
【請求項３２】
幾何学的中心において１４重量％〜２２重量％までアセチル化された、請求項２６から３１のいずれか１項に記載のアセチル化された木材。
【請求項１】
（ａ）圧力反応容器中で、含水率が６重量％〜２０重量％の木材をアセチル化液中に１０℃〜１２０℃の温度で浸漬するステップ、
（ｂ）前記容器中の圧力を１０〜３００分の間、２〜２０バールに上昇させるステップ、
（ｃ）過剰のアセチル化液を前記容器から除去するステップ、
（ｄ）前記容器中に不活性流体を導入して、前記木材の内部温度が発熱を示し始めるまで該流体を循環および加熱し、発熱が完了するまで前記木材への熱の供給を制御して、前記木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｅ）前記循環流体を８５℃〜１５０℃の温度に１０〜３０分の間加熱して２度目の発熱反応を開始させ、発熱が完了するまで前記木材への熱の供給を制御して、前記木材の内部温度を１７０℃未満に保つステップ、
（ｆ）前記循環流体を除去して、アセチル化された木材を周囲温度まで冷ますステップ
を含む、木材をアセチル化する方法。
【請求項２】
前記木材の含水率が１２重量％未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記木材の含水率が８重量％未満である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アセチル化液が、６０体積％〜９５体積％の無水酢酸および５体積％〜４０体積％の酢酸を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記アセチル化液が、８０体積％〜９２体積％の無水酢酸および８〜２０体積％の酢酸を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アセチル化液が３５℃〜５５℃の温度で導入される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記反応容器中の圧力が、３０分〜９０分の間、１０〜１５バールである、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記過剰のアセチル化液が、窒素ガスを用いて加圧することにより圧力容器から除去される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記過剰のアセチル化液が、前記容器中の窒素ガスの圧力を保ちつつ、前記圧力容器からポンプにより除去される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｄ）における前記不活性流体が、ガス状窒素、ガス状二酸化炭素または燃焼ガスから選択される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記不活性ガスが２０℃〜１２０℃の温度に加熱される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記発熱が前記木材中に置かれた熱電対により検知されかつ監視される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記循環不活性流体を冷却して、前記木材の内部温度が１７０℃を越えることを回避する、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記循環不活性ガスを冷却して、前記木材の内部温度が１５５℃を越えることを回避する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス状窒素が、不活性でない無水酢酸および／または酢酸で部分的にまたは完全に飽和されている、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記飽和が２０％〜１００％である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記アセチル化された木材の冷却中に、残留無水酢酸および酢酸副生成物が真空下に蒸発により除去される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記木材の含水率が、アセチル化液中に浸漬される前に減少される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記木材を１０〜３００分間、０．０５〜０．５バールの圧力にさらすことにより、木材の含水率が減少される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記時間が３０〜１２０分である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記木材が、その幾何学的中心においてアセチルが少なくとも１４重量％になるまでアセチル化される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
アセチル化液による２度目の含浸に続いて２度目のアセチル化がある、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルである木材片をアセチル化する、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記木材片は、幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記アセチル化された木材が、循環不活性流体（ガス状のとき）を使用して乾燥される、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
ａ）０．２７〜０．６４の半径方向の収縮比Ｒ２／Ｒ１（Ｒ２はアセチル化後の半径方向の収縮であり、Ｒ１はアセチル化前の収縮である）、および
ｂ）０．２６〜０．４８の接線方向の収縮比Ｔ２／Ｔ１（Ｔ２はアセチル化後の接線方向の収縮であり、およびＴ１はアセチル化後の収縮である）
を有するアセチル化された木材。
【請求項２７】
前記比Ｒ２／Ｒ１が０．３０〜０．５８であり、かつ前記比Ｔ２／Ｔ１が０．２９〜０．４４である、請求項２６に記載のアセチル化された木材。
【請求項２８】
湿潤後の乾燥剛性の減少が１０％未満である、アセチル化された木材。
【請求項２９】
前記乾燥剛性の減少が８．６％以上である、請求項２８に記載のアセチル化された木材。
【請求項３０】
幅が２ｃｍ〜３０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１６ｃｍ、および長さが１．５メートル〜６．０メートルである、請求項２６〜２９のいずれか１項に記載のアセチル化された木材片。
【請求項３１】
幅が２ｃｍ〜１０ｃｍ、厚さが２ｃｍ〜１０ｃｍ、および長さが１．５メートル〜４．０メートルである、請求項３０に記載のアセチル化された木材片。
【請求項３２】
幾何学的中心において１４重量％〜２２重量％までアセチル化された、請求項２６から３１のいずれか１項に記載のアセチル化された木材。
【公表番号】特表２０１１−５１０８４２（Ｐ２０１１−５１０８４２Ａ）
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４４７７９（Ｐ２０１０−５４４７７９）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０００２６８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９５６８７
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０８２２９０３５）タイタン ウッド リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｉｔａｎ Ｗｏｏｄ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】Ｋｅｎｓｉｎｇｔｏｎ Ｃｅｎｔｒｅ， ６６ Ｈａｍｍｅｒｓｍｉｔｈ Ｒｏａｄ， Ｌｏｎｄｏｎ， ＳＷ１４ ８ＵＤ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０００２６８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９５６８７
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０８２２９０３５）タイタン ウッド リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｉｔａｎ Ｗｏｏｄ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】Ｋｅｎｓｉｎｇｔｏｎ Ｃｅｎｔｒｅ， ６６ Ｈａｍｍｅｒｓｍｉｔｈ Ｒｏａｄ， Ｌｏｎｄｏｎ， ＳＷ１４ ８ＵＤ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]