木材中への液体浸透に及ぼす初期含水率の影響

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(1)Sci･. Repts･. Yokohama. Nail.. Uniu･,. Sec･. II,. No･. 34, p･. 59-66,. October,. 1987.. 木材中への液体浸透に及ぼす初期含水率の影響欠. The. Effect. Changes. of. in. 樹*. 茂. lnitial. Moisture. Liquid. into. the. Penetration. the. on. 田. of. Content. Wood. By. Shigeki. Abstract. by. uptake. The. vestlgated. differences very. poor. rapidly percent polnt･ ing. in the. 1.緒. found. were. in. the. moisture In Akamatsu 80 low. range. drying. with. from. of. effect. pressure capillary drying from with. to. in of. below. content. and. 7 percent. moisture. content. YATA*. (Received. April. in changes in sapwood. the. green. was. 7. to. wood. Yamazakura,. as. in. Water increased. Increment high. moisture. of. the. uptake. that. as. much. uptake. content.. of Sugi but. content,. woods. water. of. the. Hinoki. and value. in dry 丘ber. successively uptake. water. in_. w･as. Species. content.. moisture. penetration point.. times. domestic. of. the. on. content. species. moisture. water. that. moisture. percent. Water. saturation. 2.5-5.5. moisture than. initial. of丘ve. penetration. 180-30 percent the丘ber. 30, 1987). wood. of 7. saturation. with was. was. increased. dry-. greater. content.. 言. 塗布,浸漬法による木材の注入加工において,木材中-の液体浸透は主として毛管内. の表面張力現象として取扱うことができる｡この毛管圧による浸透はメニスカスにおける接触角を適切な値に調節すれば,外力を加えなくとも液体表面張力によって自然に起こる現象であるから,極めて簡便な注入処理法と言うことができる｡しかしながらこの. 処理法でほ注入量の少ないことがしばしば問題になる｡その改善策として,著者らほ1)2) これまで｢ぬれ+の制御について検討し一定の成果を得た｡一方,木材の空隙構造はその含水率により変化する｡すなわち木材含水率が増加すればそれだけ空隙量が少なくなるし,織維飽和点(以下,. FSPと略記)付近の含水率においては細孔-の水蒸気の毛管. 凝縮も起こりうる｡したがって木材中-の液体の浸透性も含水率により変化すると考えられる｡そこで本実験では毛管圧浸透において最大の浸透量をもたらす木材含水率を明らかにするため,生材から含水率7%まで徐々に乾燥したときの含水率低下に伴なう液体浸透性の変化を調べることにした｡. *教育学部技術学教室.

(2) 60. 2.材料および実験方法 1)供試木材本実験の供試材料はアカマツ(Pinus D.. japonica masakura. Don),ヒノキ(ChamaecyParis. Sieb.)およびアベマキ(Quercus. densiPora. Sieb･. obtusa. et. Zucc･),スギ(CryPtomeria. ja-. Endl･),ヤマザクラ(Prunus. variabilis. Blume)の辺材である.これら. の材料の全乾比重ほアカマツ:0.50,スギ:0.35,ヒノキ:0･34,ヤマザクラ:0･59, 2.5｡R)×2.5(T)×5orlO(L)Cmの 1.00であった｡いずれも生立木を伐倒後, 試験片を採取した｡一部を除いて他の試験片は30oC,相対湿度80%あるいは90%の空気循環式恒湿器中で徐々に乾燥した｡さらに含水率11%と7%の試験片についてはアベマキ:. 硝酸アンモニウムおよび塩化マグネシウム飽和塩上で調湿した｡こうして生材から7% まで,種々の乾燥段階の試験片を用意した｡ 2)実験方法. ここでは前報3)と同様,繊維方向-の毛管圧による蒸留水の自然縦浸透を行った｡各含水率の試験片数および浸透重量の測定方法も前報と同様であった｡所定の含水率で1. 回目の浸透実験を終えた試験片は25oC,相対湿度67%の恒温恒湿室内で含水率11･5% に調湿した｡その後,蒸留水と接触する木口面を深さ約1mmにわたって切除したのち 2回目の浸透実験を行った｡そして浸透量の比-(1回目の浸透量)/(2回目の浸透量) を求めた｡これほ樹種によってはサンプリング誤差が相当大きくなると予測されたため,. それに対する対策として行ったものである｡さらにアカマツについては0.2(T,×2.0(i)×10(L)Cmの含水率1115%と320/oの試験片を用意し, 5%酢酸鉛水溶液を前述と同様の方法で15分間浸透させた｡そして液体浸透通路を軟Ⅹ線撮影した｡撮影条件は電圧: 用装置はSoftex. 50kV,電流:. 3mA,露出時間:. 2秒で使. C-60型であった｡. 3.結果と考察 1)浸透量と時間の関係 Fig.. 1aほヒノキ材べあ蒸留水の浸透量をy軸に時間をⅩ軸にとって両者の関係を図. 示したものである｡乾燥軌生材ともに浸透量は放物線を描いて増加している｡. Ⅹ軸に. 浸透時間の平方根をとると正比例関係が得られ,実験式としてはy-a＋bJ首タイプの式が適合する(Fig.. 1b)｡これまで乾燥木材については毛管圧浸透量と時間の平方根. との間には初期段階において正比例関係の成立することが知られているが4)3),生材の場合にもこの関係式の成り立つことが本実験の結果明らかとなった｡ただしFig･. 1から. 明らかなように,生材は乾燥材と比較して難浸透性である｡ここに供試した生材の含水. 率は平均171%であった｡このため有効通路が乾燥材と比較して著しく減少しているものと考えられる｡ 2)液体浸透性の含水率依存性 Fig.. 2aはアカマツの浸透時間60分の浸透量(1回目)と初期含水率との関係を示し. たものである｡アカマツは本実験の供試材料中,最も易浸透性であった｡この図をみると変動が大きいため含水率依存性は判然としない｡そこで1回目の実験を終えた試験片を含水率11.5%に再調湿した後2回目の浸透実験を行った｡そして浸透量の比-(1回目の各含水率における浸透量)/(2回目の含水率11･5%における浸透量)を求め,初期.

(3) 61. l). a. =8 iヨ U ＼ bD. f)ry wood I)ry wood. も6 I-li. X ヽ■_一′. 4. B くロイJ. l =. 岳2. Wet. wood. .) く8 ≡r. O. 60. 120. Wet, wood. 180. 240. 0. Fig･. 1･. between. Relationship. and. water Dry. time.. penetration. by. uptake. MC. wood:. 122. in Hinoki pressure capillary Wet MC 171%. wood:. 7%,. 162. (min). time. PenetraLio□. 82. 42. sapwood. b. a Q) ′. I. ､. (づ. ). 1qE. ●. 6. i. A. も8. (ユ. =!. I. ヽー. a). L a). ●. ●. .i く弓 ) EL =J. +J. ●. くロ. ●. 4. :王 -. .ヽ ●. ●. ●. 遥2. ●●. ●. ●. ●. ∫. J-. }. ●. ∫. ●. O. I. ･IJ. 0.8. く⊃. ●. L a). 1_2. くづ. ●●. 凸ゴ. 0.4 ●. ● ● ●. ●. ●ー. ●. ●. ■l. 50 Initial Fig･. 2･. E庁ect. by. the丘rst tent.. of. ll.5%. to. for. pressure. experiment ち; Ratio of. content. in the. changes. of. capillary. the vs.. uptake the. 0. 100. water on. initial. 60min. the. at. moisture. various uptake. the. initial moisture. moisture. into. sapwood. moisture on. the丘rst. secondary content.. 50. 100. content,(某) the. on. content. of Akamatsu. content. vs.. experiment. experiment. at. penetration a;. the at. Water. of. initial moisture the. the丘Ⅹed. various moisture. water on. uptake. con_. moisture content.

(4) 62. 含水率との関係を示したのがFig.2bである｡こうするとサンプリング誤差がかなり消去されるため変動の小さい結果が得られた｡他の樹種はアカマツより難浸透性であり, 試験片間のばらつきは元来アカマツよりも小さかった｡しかしその場合でも,浸透量の比で表示するとばらつきがさらに減少することが明らかになった｡したがって1回目の各初期含水率での浸透量をそのまま示すよりも,浸透量の比を用いた方が含水率依存性. を精度よく調べることができると考えられたので,以下の結果の葬示は浸透量の比で示すことにした(Fig.. 2.0. 3-4)｡いずれも浸透開始60分後の値である｡なお初期含水率11%. a. Sugi. sapwood. ●. 1β. 1.2. 0.8. G) A くづ ) CL.. ㍗. 0.4. ._ノ. L. ①. ●･旦●--●-. JJ. 吋 >. 100. 50. 200. 150. く十{. 0 0. b臼inoki. 1β. JP<. ) (8. sapwood. ●. 亡己. 1.2. ･tn. 0.8. ●. 0.4 ● ●. 0. 50 Initial. Fig.. 3.. Effect. for 60min. of changes into sapwood. in. the of. 1 00. 150. moisture. content(2;). initial moisture content (b). (a) and Hinoki. Sugi. on. the. ●. 200. penetration. of 甘ater.

(5) 63. a. ●. 2β. yamazaJ(ura. sapwood. b. l. Abemaki. sapwo`)d. ● ●. I. 良 1. .6. 3 1 :コ L. G). づ1. :王. ○. .≡ メ. 遥. i･.てrj:. ●. :82j ●. く･l一. ●. I. o.. ●. ●. ● ●. ●. ●. 0. 4. 20. 40. 60. Fig･. ●. 4･. Effect. for 60min. of into. changes sapwood. in the. ●. 80. lr)itial. 0. 20. moisture. initial moisture. of Yamazakura. ●. ヽ. ●. 40. 60. content(完) content. (a) and. on. Abemaki. the. penetration. of water. (b).. 6.2g/cm2,スギ: 2.1g/cm2,ヒノキ:0.62g/cm2,ヤマにおける浸透量はアカマツ: ザクラ: 0･21g/cm2,アベマキ: 0.033g/cm2であった｡アベマキは全乾比重1.0の高比重材であり,その空隙率を計算すると約31.5%となる｡木口単位断面積あたり0.033g. の蒸留水が浸透するとき,その空隙中の平均浸透長はたかだか1.Ommにすぎない｡すなわちこの材料に対しては蒸留水の毛管圧浸透は著しく困難であると結論される｡アカマツの場合,最大初期含水率は約90%であった(Fig.. 2)｡生材含水率ほこれよ. り大きな値をとるはずであるが,このような低い数値となったのはこの材料の水分移動. が容易なため試験片作成中に乾燥したためであろう｡本実験の≡含水率範囲(7-90%) では含水率低下につれ浸透量が漸増し,含水率7%の時の浸透量は90%の時に比較して 4-5倍に達している｡アカマツではFSP付近に変曲点が認められないがスギ,ヒノキの場合には明らかな変曲点が認められる(Fig.3)｡すなわちスギ,ヒノキの場合,坐材からFSP付近までは浸透量が少なく,含水率が低下してもわずかな浸透量増加を示すだけなのに対して,. FSP以下の含水率では急激に浸透量が増加している｡含水率が. FSPから7%まで低下するとスギの浸透量ほ5倍以上に,ヒノキの場合でも2.5-3倍に達している｡ FSP以下における浸透量には自由水としての流動量の他に細胞壁実質-の吸着水も含まれる｡したがって,図3に示された浸透量の差が真に自由水としての流動量の差にもとづくのか,あるいは吸着水の差にもとづくのかは必ずしも明確ではない｡この点を明確にするため,スギを例にとりれぞれの含水率から. FSP以下において各試験片が取りうる最大吸湿量(そ. FSPまで吸湿したときの重量増加を断面積で割ったもの)を求. め,その含水率依存性を浸透量のそれとともに図示したのが. Fig.. 5. である｡浸透量.

(6) 64. ;.-.6,】ヽー. A くづ ). 告0.8 L くD. IP. (弓. 3. o.4. 10 Initial Penetration Maximum Fig.. 5. water. 30. 20. content(%). moisture of. water. adsorptive. 40. by. capillary. pressure. moisture. E庁ect. in the initial moisture of changes for 20 min and the maximum adsorptive. content. moisture. on. the penetration of in sapwood of SugL. (国中,実線)は浸透開始後20分の値であるが,最大吸湿量(図中,破線)よりもほる. かに大きな値を示している｡すなわちFSP以下での急激な浸透量増加は細胞壁実質の吸着水分量の増加によるのではなく,主として自由水の毛管圧流動量の増加によるものと考えられる｡アカマツ,ヒノキもスギと同様であった｡ FSP以下で含水率が低下すると毛管圧流動量が急増する原因として水蒸気の毛管凝縮の影響が考えられる｡針葉樹において液体流動通路となるのは主として坂道管であり,. 仮道管相互の連絡通路には最大半径0.5f′m以下の壁孔壁小孔が多数存在している｡こうした細孔部では水蒸気の毛管凝縮が起こり易い｡毛管凝縮半径は低相対湿度で小さく, 高相対湿度では大きい｡すなわち含水率が高くなるにつれ水蒸気による細孔の目詰まりが増すと考えられる｡また細孔径の小さい樹種ほど毛管凝縮を起こし易いと考えられる｡ちなみに気体の通導係数の含水率依存性検討結果5)6)7)によるとFSP以下でほ含水率の. 増加とともに通導係数が小さくなり,. FSP付近ではほとんどゼロになる樹種もある｡気. 体の通導係数の低下は,液体の毛管圧流動過程において内部空気の移動を阻害することになるので液体流動性の低下をもたらすものと考えられる｡細孔径の大きさについては,電子顕徴顕微鏡による観察結果8)からアカマツほスギ･ヒノキよりも大きいことが知られている｡また電子顕微鏡写真の画像解析結果9)10)からヒノキの細孔径はスギよりも大きいと結論されている｡すなわち細孔径はアカマツ>ヒ. ノキ>スギの順序になる｡したがって,毛管凝縮の起こり易さほスギ>ヒノキ>アカマ Fig. 2-4に示した浸透量の含水率依存性を見ると,浸透量の変化がツの順序になる｡最も大きいのほスギ,次いでヒノキ,そしてアカマツが最小になっており,これほ前述. の毛管凝縮の起こり易さの順序と一致している｡. Fig.. 4aのヤマザクラにおいても低含. 水率域で浸透量が急増している｡この樹種の乾燥材は道管以外の一部の仮道管も有効通路として機能することが知られている3)｡これら広葉樹仮道管においても針葉樹と同様,.

(7) 65. Fig･. 6･. Softヌーray. pressure. (MC-32%).. into. image sapwood arrow;. the shoving of Akamatsu.. Vertical. resin. penetration a; duct. Dry. of liquid. process wood. by. (MC-ll.5%).. the b;. capi一lary Wet wood. penetrated.. 毛管凝縮の起こる可能性があるが細孔径,通導係数のデータがないため現段階では結論を下せない｡ FSP以上の含水率においてはスギ･ヒノキの場合,浸透量が少なく含水率依存性も小さいのに対してアカマツ･ヤマザクラはかなり大きな含水率依存性を示している｡広葉樹のヤマザクラの場合,水分による通路閉鎖の起こりにくい大径道管が有効通路として境能するから,この結果は当然であろう｡しかし針葉樹のアカマツの場合には,毛管径が細いと予想されるにもかかわらず,含水率40%でもかなりの浸透量が得られている｡そこで軟Ⅹ線による流動通路の観察を行ったところ,仮道管ばかりでなく,径の太い垂直樹脂道の一部も有効通路として機能していることが判明した(Fig.. 6)｡垂直樹脂道へ 6a)だけでなく,含水率32%の湿潤材においてもしばしば認め. の流動は乾燥材(Fig･ 6b)｡垂直樹脂道ほ樹脂で充填されている場合が多いが,何らかの理由でられた(Fig･樹脂が失われた場合には浸透通路として有効に機能するものと考えられる｡以上,毛管圧による水の自然縦浸透においては木材の初期含水率が低下すると浸透性が増すことが明らかにされた｡とくにFSP以下では変化が著しく大きく, すると浸透性は2-5倍に増すことが明らかになった｡しかしながら,これらの結果は溶媒としての水の場合に限定されたものである｡溶質を含む水溶液の場合には,含水率の低下が浸透性向上に寄与しない場合もありうる｡すなわちFSP以下でほ,浸透した水のうち一部は細胞壁中に選択的に収著されると考えられる｡その結果,木材中の水溶液は濃縮されることになろう｡含水率が低下するはどこの傾向ほ強まるから,溶質の種. 7%まで乾燥.

(8) 66. 類によっては沈殿生成もありうる｡沈殿物の生成ほ液体流動に対し抵抗となるから流速が低下することになろう｡したがって塗布･浸漬法による実際の注入加工においては, 溶質の溶解度,濃縮に伴なう粘度上昇などについての検討も必要と考えられる｡. 摘. 要. 毛管圧による液体浸透において最大の浸透量をもたらす木材含水率を明らかにするため,アカマツ,スギ,ヒノキ,ヤマザクラ,アベマキの辺材を用いて生材から含水率 7%まで徐々に乾燥したときの含水率低下に伴なう液体浸透性の変化を調べた｡その結 ①スギとヒノキほ生材からFSPまでほ難浸透性である｡ 7%まで乾燥するとFSP時の2･5 FSP以下でほ含水率低下につれ急激に浸透性が増す｡果次のことが明らかになった｡. ②アカマツ･ヤマザクラは生材(MC-80%)から7%までの乾燥過. ∼5.5倍に達する｡. 程において浸透性が連続的に漸増するo の1.5∼2倍に達する｡. FSP時. 7%まで乾燥すると生材時の3-5倍,. ⑨含水率変化に伴なう液体浸透性の変化の様相が樹種により異. なる原因ほ,主として木材中の個々の毛管をつなぐ連絡部の細孔サイズの差異によるものと推定された｡引 1. 2 3. HAlsHI,. 5. STAMM,. 7 8 9 10. 文. 献. 3g, 37ト375 (1984) 矢田茂樹,梅原勝堆:木材工業, 41, 209-213 (1986) 矢田茂樹:木材工業, 熊‥京都府立大学学術報告･農学, 矢田茂樹,椋代純輔,梶田. 4. 6. 用. T:. Mokuzai. Gakkaishi,. 26, 510-518. Report, Not 1075,ト15 A.∫: F.P.L. 2, 35-43 Wood Science, (1969) FoGG, P.J∴ 30, 666-672 (1981) 森稔:材料, 河辺純一, 10, 211-225 (1964) 原田浩: 木材学会誌,. 大越大越. 誠, 中戸莞二,佐道誠, 中戸莞二,佐藤. 33･. (1980) (1935). 健:木材学会誌,. 28,. 583-589. 健:木材学会誌,. 28,. 590-595. (1982) (1982). 73-85. (1981).

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