Ultrasonic–microwave-assisted impregnation of aspen wood with waterborne epoxy resin: process-structure-property relationships
本研究は、超音波・マイクロ波による相乗的な含浸処理と水系エポキシ樹脂を組み合わせることで、樹脂の浸透性が向上し、吸水率が低下し、寸法安定性と強度が向上することにより、カナダ産アスペンの木材の物理的、機械的、および熱的特性が著しく改善されることを実証している。
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木材は、強靭でありながら軽量であるよう樹木によって作り上げられた驚くべき素材ですが、根本的な欠陥を抱えています。それは水を好むということです。木材は微細な中空の細胞が微小な管でつながった構造をしているため、スポンジのように空気中の水分を吸収し、空気が乾燥するとそれを放出します。この絶え間ない「呼吸」により、木材は濡れると膨張し、乾くと収縮します。この繰り返される膨張と収縮が、長期的には反りやひび割れ、そして構造的な完全性の喪失を招き、建設や製造における木材の使用場所を制限しています。数十年にわたり、科学者たちは水を弾く化学物質で木材を処理したり、その孔を合成樹脂で満たしたりすることで、この問題を解決しようと試みてきました。しかし、これらの伝統的な処理法の多くは、環境中に有害な蒸気を放出する刺激の強い有機溶剤に依存しており、木材を耐久させることと、私たちが吸い込む空気を守ることとの間で葛らな葛藤を生み出していました。
南京林業大学と中国林業科学院の研究チームは、これら両方の問題を同時に解決することを目指した新しいアプローチを開発しました。彼らは特定の種類の木材であるカナダ産アスペンに着目し、通常は毒性のある溶剤の代わりに水と混合される、粘着性のあるプラスチックのような物質である水系エポキシ樹脂で処理を行いました。課題は、この水性の混合物を、単に表面に留めるのではなく、木材の微細で複雑な細胞ネットワークの奥深くまで浸透させることでした。これを克服するために、研究者たちは二つの強力な物理的力、すなわち音波とマイクロ波エネルギーを組み合わせました。彼らは高周波の音を用いて液体を撹拌して移動を助け、同時にマイクロ波を使用して木材内部の水を加熱することで、樹脂を材料の核（コア）のより深くへと押し込む内部圧力を生み出したのです。
プロセスは、樹脂を含有する溶液（樹脂なしから25パーセントの濃度まで異なる割合）に木材サンプルを浸すことから始まりました。その後、サンプルを特殊な装置に入れ、まず超音波を10分間照射し、続いて20分間のマイクロ波加熱によって液体を90度まで温めました。この激しい処理の後、真空状態に置くことでさらに多くの樹脂を孔の中に引き込み、注意深く乾燥させた後、高温で焼き付けて内部の樹脂を硬化させました。結果は驚くべきものでした。樹脂の濃度が増すにつれて、木材は著しく重くなり、密度も高くなりました。最高濃度では重量が4割近く増加しました。この増量分は、樹脂が木材細胞内の空隙を満たし、細胞壁に結合したことによるものです。
しかし、最も重要な変化は、水やストレスにさらされた際の木材の挙動に現れました。処理された木材は、未処理の木材よりも吸水量が大幅に少なく、木材特有の膨張や収縮に対する耐性を示しました。最も高い樹脂含有量のサンプルでは、半径方向への膨張傾向がほぼ半分に減少し、接線方向への収縮傾向は30パーセント低下しました。これは、湿度が変化しても、木材がサイズに対して非常に安定した状態を維持できることを意味します。また、素材はより強固になりました。折れることなく曲がる能力（曲げ強度）は、ほぼ30パーセント向上し、表面も、特に端材（エンドグレイン）からの圧力に対して非常に硬くなりました。表面の撥水性も向上し、水滴が染み込むのではなく玉状に弾かれるようになりましたが、この効果はある程度の量の樹脂が表面を覆うと限界に達するようでした。
研究者たちは、強力な顕微鏡を用いて材料を観察し、その化学組成を分析することで、内部で正確に何が起きているのかを解明しました。彼らは、この処理が木材の自然な構造を破壊するのではなく、むしろ細胞の内側をコーティングし、より大きな隙間を滑らかに硬化した樹脂の層で満たしていることを発見しました。樹脂濃度が低いときは、このコーティングは薄く斑点状でしたが、濃度が高くなるにつれて、樹脂は細胞壁に沿ってより厚く連続的な層を形成し、中空の中心部を部分的に埋めていきました。化学テストにより、樹脂が木材内部で正常に反応・硬化し、木材の天然繊維と相互作用する新しい安定したネットワークを形成していることが確認されました。また、樹脂を硬化させるために用いた熱処理により、木材の耐火性も向上し、未処理の木材よりも高い温度まで分解しにくくなりました。
この研究は、樹脂を材料の奥深くまで送り込むことができれば、クリーンな水系システムを用いて高性能な木材を作り出すことが可能であることを示しています。音と熱の組み合わせは、液状の樹脂を木材の最も深い部分まで押し込み、そこで硬化させて内部から構造を補強するための効果的な方法であることが証明されました。この手法は、長年業界の定番であった揮発性溶剤に頼ることなく、寸法安定性に優れた耐久性のある木材製品を作るための道筋を示唆しています。物理的なエネルギーを用いて水系樹脂を木材にうまく統合できることを証明することで、研究者たちは、木材改質の未来がより強く、かつよりクリーンなものになり得ることを示したのです。
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