Efficacy of wollastonite-enriched acrylic coatings against fungal decay in non-treated and thermally-modified wood

木材は、何千年も前から人類の住処を築いてきた生命力のある素材ですが、それでもなお自然環境に対して脆弱なままです。保護されないまま放置されると、菌類によって腐敗し、火災で燃え、水分量の変化によって反ってしまいます。科学者たちは、この腐敗を止めるための化学的な処理法を長らく開発してきましたが、それらの解決策の多くは毒性が強かったり、塗布が困難であったりします。一般的な代替案の一つは熱改質であり、これは木材を高温で焼き、内部の化学組成を変化させることで、腐敗を引き起こす生物にとっての「美味しさ」を減らすプロセスです。しかし、熱処理された木材であっても、あらゆる種類の腐敗に対して無敵というわけではなく、このプロセスに必要な産業用機械は高価です。このことは、特に厳しい化学薬品を避けたい人々にとって、よりシンプルで安価な木材保護の方法が必要であることを示しています。研究者たちは、プラスチックやセラミックスによく使われる、針状の形をした一般的な鉱物である「ウォラストナイト」に注目し、それが保護塗料を強化し、木材の腐敗を防ぐことができるかどうかを調査しました。

イラン、ヨーロッパ、オーストラリアの大学からなる科学者チームは、この鉱物を標準的なアクリル塗料に混ぜることで、木材を菌類の腐敗から守ることができるかどうかを検証するために着手しました。彼らは、緻密な広葉樹であるブナ、軽い広葉樹であるポプラ、そして針葉樹であるトウヒという、性質の異なる3種類の木材を用いて実験を行いました。現実世界の条件をシミュレートするため、彼らは各木材につき2組のセットを用意しました。一組は自然な状態のままの木材であり、もう一組は185℃で4時間加熱する熱改質を施したものです。この熱処理は、菌類が餌とする糖分の一部を取り除くことで、木材の化学構造を変化させます。熱処理の後、木材のサンプルは安定させるためにコンディショニングされました。

その後、研究者たちはこれらのサンプルにさまざまなコーティングを施しました。一部のピースは、何も保護されていない状態での腐敗の度合いを示すコントロール（対照群）として、そのままの状態にされました。他のピースには、多くのホームセンターで見られる一般的な水性アクリル塗料が塗られました。最後のグループは、その同じ塗料にウォラストナイトを混合した特別なバージョンのものでした。鉱物は特定の比率で添加され、塗布前に塗料の中に完全に混ざり合った懸濁液が作られました。各木材には、1日の間隔を空けて2回塗料が塗られ、その結果、乾燥した層の厚さは約210マイクロメートルになりました。コーティングされたすべてのサンプルは、制御された環境下に置かれ、2種類の攻撃的な木材腐朽菌に4ヶ月間さらされました。一つは褐色腐朽菌として知られる、木材の構造繊維を攻撃する菌であり、もう一つは白色腐朽菌で、木材の色と強度を分解する菌です。

4ヶ月間の曝露期間の後、結果は驚くべきものでした。未処理の木材サンプルは深刻なダメージを受け、菌類が材料を食べてしまうことで、かなりの質量を失いました。ケースによっては、未保護の木材が重量の4割近くを失うこともありました。標準的なアクリル塗料はある程度の助けとなり、質量の減少を抑えましたが、完璧な盾ではありませんでした。特定の条件下、特にブナの木においては、塗料の膜にひび割れや剥離が生じ、微細な菌糸が下の木材へと侵入することを許してしまいました。しかし、ウォラストナイトを強化した塗料を塗布したサンプルは、非常に優れた性能を示しました。これらのサンプルの質量減少は劇的に低く、木材が熱処理されているかどうかにかかわらず、多くの場合3パーセント未満に抑えられました。

研究者たちは、なぜこの鉱物を強化した塗料がこれほど上手くいったのかを理解するために、強力な顕微鏡を用いてサンプルを観察しました。彼らは、ウォラストナイト粒子の針のような形状が塗料膜の中で物理的な補強材として機能し、膜をより強く、ひび割れに対する耐性を高めていることを見出しました。さらに重要なことに、この鉱物は塗料自体とも強い化学結合を形成しているようで、菌類が突破するのが困難な、まとまりのある層を作り出していました。通常の塗料は著しく劣化しましたが、鉱物を配合した塗料の膜は、数ヶ月の菌類攻撃の後でもほぼ完全な状態を維持していました。また、この鉱物は酸素や水の動きを木材の表面への移動を遅らせる障壁としても機能しているようで、これらは菌類の成長に不可欠な要素です。いくつかの事例では、研究者たちは、鉱物自体が表面での菌類の成長を妨害し、カビの広がりを制限している可能性も観察しました。

研究では、菌類の攻撃を受けた後に木材がどれだけの強度を保持しているかも測定されました。菌類によって食べられた木材は弱く脆くなり、荷重を支える能力の多くを失います。しかし、ウォラストロンナイト塗料によって保護されたサンプルは、その構造的完全性を維持していました。熱処理されていない木材であっても、この鉱物塗料を塗布されたものは、曝露されていない木材とほぼ同等の状態を保っていました。これは、塗料が単に表面に乗っているだけでなく、腐敗プロセスが木材の内部構造を損なうのを能動的に防いでいることを示唆しています。熱改質と鉱物塗料の組み合わせが最高の保護を提供しましたが、塗料単体でも未処理の木材に対する強力な防御となりました。

この研究結果は、一般的な安価な鉱物を標準的な塗料に加えることで、木材の腐敗に対する非常に効果的な盾を作れることを示しています。この手法は、毒性のある化学薬品や高価な産業用熱処理施設に頼ることなく、木材を保護するための実用的な解決策を提供します。研究者たちは、この方法は適用が容易であり、広葉樹と針葉樹の両方において信頼できるものであると結論付けました。本研究は実験室の設定で行われましたが、その結果は、木材の寿命を延ばしながら、保護プロセスをシンプルかつ環境に優しい方法で行うための、実社会での応用における有望な道筋を示しています。