专利名称：改质木材的制造方法
技术领域：
本发明涉及将木材进行高压水蒸汽处理进行改质的改质木材的制造方法技术背景多年来的研究是利用各种化学处理进行木材改质。例如，在木材学会志Vol.38，No.12，P.1119～1125(1992年，矢野浩之等)中记载了将木材在间苯二酚水溶液中浸渍后，经过风干，通过在甲醛蒸气中加热，达到减少正切(tanδ)损失，提高强度、降低吸湿性、提高尺寸稳定性等目的。除此之外，利用如下处理，对木材进行改质处理。
有(1)甲醛化处理、(2)乙酰化处理、(3)低分子酚树脂处理、(4)间苯二酚甲醛处理、(5)水杨醇处理，等等。
这些处理的具体条件如下。
甲醛化处理中，使用试剂四噁烷、二氧化硫，处理条件120℃、24小时；甲酰化处理中，使用试剂醋酸酐，处理条件120℃、24小时；低分子酚树脂处理中，使用试剂低分子酚，处理条件；48小时(浸渍)160℃、3小时(硬化)；间苯二酚甲醛处理中，使用试剂间苯二酚、多聚甲醛，处理时间120℃、24小时；水杨醇处理中，使用试剂邻羟甲基酚，处理时间120℃、24小时等处理条件。
然而，上述各种方法都使用了化学药品，所以对环境和人体造成很大影响。处理工序繁杂，时间长，存在成本费用大的问题。这些方法是向木材纤维素中导入官能基、向空隙中导入树脂的方法，所以处理后，木材的重量和密度都存在增加的趋势。所以，存在的问题是当木材的密度增大时，音响变换效率降低，作为乐器用材料，有不良影响。
发明内容
因此，本发明的课题是提供一种不使用化学试剂，处理工序简单，而且，处理后木材的音响特性良好，适宜作乐器用构材的改质木材制造方法。
为了解决上述课题，本发明的改质木材制造方法，是在120～200℃、0.2～1.6Mpa的高压水蒸汽中，使木材保持1～60分钟。这时高压水蒸汽的最佳处理条件，可根据要求处理的程度、木材的种类、木材的尺寸等适当确定。
本发明乐器是将用上述方法得到的改质木材用作响板等乐器。
附图的简单说明
图1是本发明中关于高压水蒸汽处理的时间，设定温度的代表例示意图。
图2是阔叶树(乔木材)在170℃，处理时间和材料色度变化的关系示意图。
图3是阔叶树(乔木材)在处理温度170℃，保持时间15分钟时，材料厚度和材料色度变化的关系示意图。
图4是阔叶树(乔木材)在处理温度170℃，材料长度和材料色度变化的关系示意图。
图5是针叶对(杉树材)在处理温度170℃，处理时间和材料色度变化的关系示意图。
图6是表示使用乔木材，将保持温度恒定为170℃，改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)的曲线图。
图7是表示使用乔木材，将保持时间取为30分钟，改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)的曲线图。
图8是表示使用乔木材，将保持温度恒定为170℃，改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的动弹性模数(E)变化率(％)的曲线图。
图9是表示使用乔木材，将保持时间取为30分钟，改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的动弹性模数(E)变化率(％)的曲线图。
图10是表示使用杉树材，将保持温度恒定为170℃，改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)的曲线图。
图11是表示使用杉树材，将保持时间取为30分钟，改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)的曲线图。
图12是表示使用杉树材，将保持温度恒定为170℃，改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的动弹性模数(E)变化率(％)的曲线图。
图13是表示使用杉树材，将保持时间取为30分钟，改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的动弹性模数(E)变化率(％)的曲线图。
图14是表示使用杉树材，在保持温度150～170℃，保持时间8～30分钟范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后密度变化的曲线图。
图15是表示使用枫树材，在保持温度150～170℃，保持时间8～30分钟范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后密度变化的曲线图。
图16是表示使用杉树材，在保持温度150～170℃，保持时间8～30分钟范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后EL/GLT变化的曲线图。
图17是表示使用枫树材，在保持温度150～170℃，保持时间8～30分钟范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后EL/GLT变化的曲线图。
发明的实施方案以下详细说明本发明。
本发明的改质木材制造方法，是将木材在120～200℃、0.2～1.6MPa的高压水蒸汽中，放置并保持1～60分钟使木材改质的方法。例如，厚度为15～60mm的木材板，通过在120～180℃的高压水蒸汽中处理1～60分钟，看到了效果。通过在160～180℃的高压水蒸汽中保持8～30分钟获得最有效的改质。
作为高压水蒸汽处理方法，可按如下方法进行，例如，将未加工的木材放入高压水蒸汽环境的高压釜内的方法，或者将加工在型后的木材在高压水蒸汽环境的高压釜中进行处理的方法等。
图1示出了使用厚度20mm的枫木板在高压水蒸汽处理时的时间与温度的设定实例。本发明中，所谓保持时间，例如如图1所示例，是指除了升温升压时间和降温降压时间以外的时间。
高压水蒸汽含有大量的活性种(氢离子、氢氧化物离子、氢游离基、氢氧化物游离基等)，能使木材的三大成分，即纤维素、半纤维素、木质素等水解。使木材置于这样的条件下，它们的活性种与水蒸汽进入木材中，使半纤维素水解，与木质素再部分聚合，进而分解纤维素的非结晶部分，进行再排列，这样就消除了残留在木材内部的变形，增大了纤维素的结晶度、巢宽度。其结果是增大了改质木材的动弹性模数(E)，降低了正切(tanδ)损失。
由于木材的分解成分和提取成分与一部分水同时脱离，所以降低了密度(ρ)。
因此，在得到的改质木材中，以下式音响放射衰减率(外部衰减率)与材料内部衰减率的倒数积的形式，表示的音响变换效率增大，可用作振动特性优良的乐器用材料。
E/ρ3·1tanδ····(0)]]>式中，E材料的纵向弹性模数ρ材料的密度tanδ振动中的正切损失。
作为乐器用构件，有小提琴、中提琴(ビオラ)、大提琴(チエロ)、低音提琴等拉弦乐器的响板和构件；吉他、电吉他、竖琴、琴、大正琴、键盘琴等拨弦乐器的响板和构件；钢琴等击弦乐器的响板和构件；打击乐器中钢管木琴和木琴等音板、鼓及和太鼓等的体部、构件、木鱼和拍子木等本体；管乐器中木管乐器的本体和构件等，而且，可用该改质木材置换整个乐器的木制的构成构件。
由本发明获得的改质木材，由于赋与了深度的某种色调，所以可缩短涂饰工序，就可获得未处理材料所不具有的独特质地和深度感。制造后，经数百年仍能保持古木的质地。
作为本发明中用作材料的木材，没有限制，例如可使用云杉、枫树、乔木(シデ)等，除此之外，还可使用将这些天然木材制成山毛举板的复合板等木质系材料等，可根据所要获得改质木材的用途等，使用适宜的木材。
对高压水蒸汽处理后的木材，利用木材的内外压差，以不损伤木材的速度，慢慢地将压力、温度降到常温、常压，随后送入干燥工序。这种干燥方法，可合作已知的木材干燥方法，如风干、加热干燥、加热和减压干燥、或将它们组合的方法等。根据要求得到的改质木材的用途等，设定最终要求的含水率，例如，最好设定在5～15％左右的范围内。
如上所述，本发明的改质木材制造方法，由于都不使用各种化学试剂，所以，对环境和人体完全没有影响。在通常的木材干燥工序之前，只进行高压水蒸汽处理，以极简单的工序即可进行处理。这种处理由于在短时间内结束，所以成本低廉。
本发明中，木材的处理程度，如果在相同的温度(压力)下，则处理时间会加长。即使进行相同时间的处理，因处理木材的种类加大小，处理程度有时也会产生差异。例如，根据树种，对于某大小的立方体形状的材料，对厚度、宽度、长度分别为2倍的同一树种材料进行相同时间处理时，则后种材料处理变得缓慢，为了获得和前种材料同等的处理程度，有时需要长达2倍以上的处理时间。
作为定量探讨处理程度的一种方法，可采用测定木材色度变化量的方法。究竟要根据处理时间进行哪种处理、或根据材料尺寸进行哪种处理，要根据出现的不同处理程度进行研究，结果如下所示。作为村种，分别对阔叶树和针叶树进行研究。
木材色度的测定，利用分光测色计，以D65光源(100视野)进行，测定值以LAB表色系统获得。LAB表色系统是将色度在三维座标(L轴亮度，A轴、B轴色相)位置上表示的表色系统，2个色差ΔE(色差)是2个座标间的距离。将处理前后的材料色差ΔE(色差)用作材料色度的变化量。作为测定部位，对于处理后的材料色度测定，是在处理结束后将长度(纤维)方向的中央沿纤维方向垂直切割，测定切割面的中央部位，处理前的材料色度值，可通过测定同一材料(未处理材料)同一部位的值，作为代用值。
首先，介绍阔叶树的研究结果，图2中示出了阔叶树(乔木材)的处理时间(保持时间)与材料色度变化的关系。这时的处理温度为170℃，材料形状是木口剖面边长15mm的正方形、长度200mm的立方体。根据图2的曲线，进行处理的时间(保持时间)越长，材料色度变化越大，可以说在测定范围内处理时间和材料色度变化趋于正直线关系。
图3中示出了材料的木口剖面(正方形)的边长(厚度＝宽度)与材料色度的关系，这时的处理条件是温度为170℃，保持时间为15分钟，材料是阔叶树(乔木材)，材料形状为长200mm的立方体。根据曲线，可以说在测定范围内，木口剖面(正方形)的边长和材料色度变化趋于负直线关系。可知剖面的边长越长，处理越缓慢，达到处理程度越需要时间。采用厚度和宽度不同的材料进行实验，对彼此调换厚度和宽度尺寸的材料，比较处理程度时没有发现差异，厚度和宽度涉及到的处理程度差异是一样的。
图4中示出了材料长度与材料色度变化的关系。这时材料(立方体)的木口剖面形状是边长为45mm的正方形，树种、处理条件、测定部位等和上述一样。由图4曲线可知，可以说在测定范围内，材料的长度和材料色度变化趋于负直线关系，材料长度越长，处理越缓慢，达到处理程度越需要时间。
根据这些结果，对于阔叶树，在处理材料大小(厚度＝宽度＝剖面边长和长度)不同的材料时，根据其厚度、宽度、长度，调整处理时间，可提高所要求的处理程度。
下面介绍针叶树的研究结果。图5中示出了针叶树(杉树材)的处理时间(保持时间)与材料色度变化的关系。这时的处理温度为170℃，材料形状木口剖面边长为15mm的正方形、长度为200mm的立方体。由曲线可知，进行处理的时间越长，材料色度变化越大，可以说在测定范围内，处理时间和材料色度变化趋于正直线关系。
而且，针叶树(杉树材)也和上述阔叶树(乔木材)的情况一样，获得处理材料的大小与材料色度变化的关系，如阔叶树中所见到的那样，处理程度与尺寸无依赖性，针叶树等密度较低的材料，水蒸汽容易出入，可以说进行处理会很快达到内部。
图2和图5中，当将近似直线外插到处理时间(保持时间)0分钟时，图2中，y轴上具有负切段，图5中，y轴上具有正切段。这就显示出，在处理时间短的区域(0～7.5分钟)内，阔叶树和针叶树有不同的反应出现，阔叶树相对于处理时间的处理程度上升缓慢，相反，针叶树相对于处理时间的处理程度上升迅速。
以下示出本发明实施例，更具体地说明本发明。但本发明并不限定于以下实施例(测定例)处理和测定的顺序，按如下方法进行。
(1)将被检测材料进行尺寸加工。
(2)调整含水率(20℃，60％RH，EMC约11％)。
(3)测定高压水蒸汽处理前的数据。
(4)对被检测材料进行高压水蒸汽处理。
(5)进行干燥，调整含水率(20℃，60％RH，EMC约11％)。
(6)测定高压水蒸汽处理后的数据。
对于木材试验，使用阔叶树的乔木材、枫树材和针叶树的杉树材，任何一种都使用厚15mm、宽60mm、高450mm的立方体木材板。测定方法按如下方法进行。
<密度>
厚度、宽度、长度用数字卡尺测定到0.01mm位。
重量用电子天平测定到0.01g位。
利用重量、厚度、宽度、长度计算密度。
<振动特性>
利用两端自由挠曲振动法测定振动特性。
纤维方向的动弹性模数(E)使用FFT检偏振镜，利用自由振动法测定两端自由挠曲振动的共振频率数，按以下所示伯努利·欧拉(ベルヌ-イ·オイラ-)方程式结果进行计算。
伯努利·欧拉方程式为EI∂4y∂x4+ρA∂2y∂t2=0...(1)]]>E材料的纵向弹性模数ρ材料的密度I剖面的2次力矩A材料的剖面积X材料的长度方向y挠曲振动方向t时间由此获得关于时间的解(边界条件为自由振动时)2πfn=ωn=mn2λ2EIρA(n=0,1,2,3.....)...(2)]]>其中fn模式频率ωn模式角频率数λ材料长度mn决定频率的常数根据关于x解的结果，以cosmncoshmn-1＝0的解，求出mn。即m0＝4.73004m1＝7.85320m2＝10.99561m3＝14.13717m4＝17.27876由(2)演变成(2′)E=ρAλ4ωn2Imn4...(2′)]]>根据(2′)，由各振动模式的角频率(频率)求出纵向弹性模数。
正切损失(tanδ)＝振动吸收频率(Q-1)使用FFT检偏振镜，利用自由振动法，由两端自由挠曲振动的对数衰减率，按照以下福格特(フオ-クト)的粘弹性理论结果进行计算。
将福格特的粘弹性理论用于伯努利·欧拉方程式时，方程式变为(3)EI∂4y∂x4+ηI∂5y∂t∂x4+ρA∂2y∂t2=0...(3)]]>η粘性损失系数由此求出关于时间的解(边界条件为自由振动时)T=T0e-mn-1ηI2λ4ρAtsinmn4EIλ4ρA-(mn4ηI2λ4ρA)2t...(4)]]>e自然对数的底若式(4)的平方根号内的mn4EIλ4ρA-(mn4ηI2λ4ρA)2=ωq2=0]]>不产生周期性运动(振动)。此时的η叫作临界损失系数ηc。即ηc=2ωnλ4ρAmn4I=2Eωn...(5)]]>另一方面，对按式(3)付于的体系作强制振动时，方程式变为(6)EI∂4y∂x4+ηI∂5y∂t∂x4+ρA∂2y∂t2=P...(6)]]>P激振力[数4]由此，由关于时间的解(边界条件为自由振动时)T0=λ4P0EImn4=1(1-ω2mn4EIλ4ρA)+(ωηE)2...(7)]]>使用(2)、(5)时，式(7)变为(7′)T0=λ4P0EImn4=1(1-ω2ωn2)+(ωωn·2ηηc)2...(7′)]]>[数5]此时，Q(=1tanδ)]]>以Q=(T0Tst)max]]>定义。
此处TST是由激振力引起体系的静挠曲量，Tst=λ4P0EImn4...(8)]]>TO呈现最大振幅，已知式(7′)中分母为最小时，通过将该分母用ω/ωn进行微分得到式(9)ωωn=1-(ηηc)2...(9)]]>因此，Q=(T0Tst)max=12ηηc1-(ηηc)2...(10)]]>一般讲，像木材一类的材料， 微小，所以省略时，变成 或使用式(5)时，变成tanδ=1Q=ωnηE...(10′′)]]>[数6]另一方面，对数衰减率ΔΔ=logeTpTp+1...(11)]]>(p为任意的正整数)因此，由式(4)得到Δ=logee-ηImn42ρAλ4te-ηImn42ρAλ4(1+2πωq)=-ηImn4ωqρAλ4π...(11′)]]>一般讲，像木材一类材料时，由于η很小，所以可以认为ωq＝ωn，用式(2)变成Δ=ηImn4ωnρAλ4π=ωnηEπ...(11′′)]]>将式(10″)和(11″)比较时，得到tanδ=1Q=Δπ...(12)]]>只要求出对数衰减率Δ，就能计算出正切tanδ损失。
弹性模数EL、刚性模数GLT的比(EL/GLT)利用FFT检偏振镜，通过自由振动法，测定两端自由挠曲振动从模式0到模式3的共振频率，由以下テイモシエンコ方程式的结果进行计算。
(此处EL、GLT简写为E、G)テイモシエンコ方程式EI∂4y∂x4+ρA∂2y∂t2-Iρ(1+αEG)∂4y∂t2∂x2+αIρ2G·∂4y∂t4=0...(13)]]>G横向(剪断)弹性模数α关于剪断的系数(矩形剖面α＝1.5)由此，关于时间的解(边界条件为自由振动时)2πfn=ωn=mn2λ2EIρA·11+αEG(n=0,1,2,3,·······)...(14)]]>作为关于x解的结果，mn必须是满足式(15)的值。2γ-φβ+φβγ(cosγλcoshβλ-1)+{βγ-(γ-φβ+φ)2}sinγλsinhβλ=0...(15)]]>而且γ=mnλ2mn2K2+mn4K4(1-4V+4V2)+4Vλ42...(16)]]>β=mnλ2-mn2K2+mn4K4(1-4V+4V2)+4Vλ42...(17)]]>或V=1+αEG,K2=IA,φ=αρωn2G]]>根据测定，ωn是已知的，对于未知数EL(以下简记为E)、GLT(以下简记为G)、mn三个，有效式是(14)和(15)，所以，这3个值不能确定。然而，可将G(或E/G)以E的函数表示。
将该函数导入2个模式角频率，其函数的交点可看作G(或E/G)的真值(实际上，由全部测定的模式角频率中，只取出2个进行组合的数，求出G(或E/G)，将其平均值作为真值)。
其原因，如从上式判断的那样，ティモシエンコ方程式的情况与伯努利·欧拉方程式的情况不同，即使确定了材料特性，其尺寸值不确定时，mn也就不确定。即，ティモシエンコ方程式对于振动特性是不可能获得标定效果的体系。
因此，使用テイモシエンコ方程式，根据材料尺寸、质量和ωn的测定，即可算出E、G(从而算出E/G)。
测定全部在20℃、湿度调到60％RH的室内进行。
图6～图7示出了高压水蒸汽处理结果产生的材料特性变化。
图6示出了使用乔木材、保持温度恒定在170℃并改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)。
图7示出了使用乔木材、将保持时间取为30分钟并改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)。
图8示出了使用乔木材、将保持温度恒定在170℃并改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的动弹性率(E)变化模数(％)。
图9示出了使用乔木材、将保持时间取为30分钟并改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的动弹性率(E)变化模数(％)。
图10示出了使用杉树材、保持温度恒定在170℃并改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)。
图11示出了使用杉树材、将保持时间取为30分钟并改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的正切(tanδ)损失变化率(％)。
图12示出了使用杉树材、将保持温度恒定在170℃并改变保持时间时，高压水蒸汽处理前后的动弹性率(E)变化模数(％)。
图13示出了使用杉树材、将保持时间取为30分钟并改变保持温度时，高压水蒸汽处理前后的动弹性率(E)变化模数(％)。
图14示出了使用杉树材、在保持温度150℃～170℃并保持时间8～30分钟的范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后的密度变化。
图15示出了使用枫树材、在保持温度150℃～170℃、保持时间8～30分钟的范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后的密度变化。
图16示出了使用杉树材、在保持温度150℃～170℃、保持时间8～30分钟的范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后EL/GLT的变化。
图17示出了使用枫树材、在保持温度150℃～170℃、保持时间8～30分钟的范围内的5种条件下进行高压水蒸汽处理时，处理前后EL/GLT的变化。
<振动特性>
由图8、图9、图12、图13可知动弹性模数(E)增大。乔木树材最大增加18％。由图6、图7、图10、图11可知，正切(tanδ)损失降低。乔木树材最大减少35％。由图14、图15可知，密度减少。杉树材最大减少8％。
由以上可知，通过高压水蒸汽处理，木材的音响变换效率显著提高。这类似于木材经过数百年变化时的变化趋势，称作古木化。由图16、图17可知，EL/GLT的减少趋势很强，基本强度得以提高。这也可以说是高压水蒸汽处理的特征。
<材料色度变化>
淡棕色的木材通过高压水蒸汽处理，变成具有独特质地和深度感的深棕色材色。通过木材色度的变化，简化了涂饰工序，提高了外观价值。木纹的清晰度变得明晰。
<音色变化>
将本发明中得到的改质木材用作乐器构件时，可获得如下音色变化。
(a)小提琴将改质处理的木材(树种杉树、枫树)用作响板和构件制作3台小提琴，由国内外著名演奏家10人进行演奏时，在音量、音色、表现力各个方面，任何一个处理的小提琴都受到了很高的评价。其音色与价值昂贵的古老小提琴非常接近。
(b)钢琴处理杉树材，将其用作响板，制作2台钢琴，与未处理的进行比较时，在音量、音色、表现力方面，任何一个处理的钢琴都受到了很高的评价。演奏者是2名著名的演奏家，评价者20人。对于弦马构件材料进行同样的处理和评价，获得同样的结果。
发明效果如上所说，根据本发明的制造方法，由于完全不使用甲醛等化学试剂，所以，对环境和人体没有任何影响。由于处理工序简单，在短时间内即可完成，所以，成本费用低廉。
通过使木材的纤维素链部分水解后再排列，消除了木材内部残留的变形，提高了结晶度，所以，能得到动弹性模数(E)和振动衰减率(tanδ)等振动特性优良的改质木材。这近似于木材经历数百年的变化趋势，所以称作古木化。
通过改质处理，材料带有浓重的褐色。木纹的清晰度很高，不仅缩短了涂饰工序，而且能获得具有透明感的深度外观。
这样的改质木材特别适于于作乐器用材料。
权利要求
1.一种改质木材的制造方法，其特征是将木材在120～200℃、0.2～1.6MPa的高压水蒸汽中保持1～60分钟。
2.一种使用了权利要求1中所得改质木材的乐器。
全文摘要
不采用以前使用间苯二酚和甲醛等化学试剂的化学处理改质方法，就能以简单的处理工序，以低成本获得音响特性良好，适于作乐器用材料的改质木材。将杉树、枫树、乔木等木材，在120～200℃、0.2～1.6MPa的高压水蒸汽中，保持1～60分钟进行处理，随后冷却、干燥。得到的改质木材，提高了音响特性，适于作响板等乐器用材料。色调浓重，具有像古木一样的质地。
文档编号B27K3/08GK1411964SQ0214298
公开日2003年4月23日 申请日期2002年8月28日 优先权日2001年8月30日
发明者阿部裕康, 藤井顺治 申请人:雅马哈株式会社