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接着木材の加工技術

製材単板切削乾燥鉋・研削接合接着塗装

木材接着の仕組み

スギ板とその接着物の写真

スギ板とその接着物の写真

同じ種類または違った種類の材料AとBを第3の材料Cによって接合させ一つの材料にすることを接着といいます。この場合AとBを被着材、Cを接着剤といいます。接着の際には被着材と接着剤が接する面(界面)に水素結合やファンデルワールス力という分子間で引き合う力が働きます。この力の働きがもたらすもの(比接着)が、接着の主な要因と考えられています。

接着層の電子顕微鏡写真

接着層の電子顕微鏡写真

一方で、木材の場合には接着面に道管などの開孔部が多くあるため、その中へ接着剤が入りこみ、ちょうど釘や錨のようになって(投錨効果)、幾分は機械的に接着へ貢献することが考えられます。

右の写真は、化学処理により木材部を取り除いた接着層の電子顕微鏡写真です。道管内腔などに接着剤がよく浸透しているのがわかります。木材接着の場合には特に投錨効果が有効であることが推定されます。

の写真

図1 Five link theoryによる接着層の構成

Fw:木材の強さ

Fc:接着剤の強さ

Fv:木材と接着剤の結合力

もしFv、Fw>Fcならば、破壊は接着剤層でおき、Fc、Fw>Fvならば、破壊は接着剤と木材の接する面(界面)で起きるので、Fw<Fv、Fcとなるような接着剤を選ぶことが大切です。

また、接着剤によっては、その成分が木材中の水酸基と化学接合(一次結合)することで接着にいくぶん寄与していることが、赤外線吸収スペクトルで推定されています。固体の表面はどんなに平滑に磨いても、その微小な凹凸をなくすることは出来ませんので、そのまま材料を重ねあわせても点と点でしか接触しないでしょう。したがって、接着剤は固体の表面の凸凹を埋めて、表面全体が接触するようにしなければなりません。

そのためには1 流動が容易なこと、2 被着材をよく濡らすこと、3 液状の接着剤が塗布後固まってから、一定の強さをもつ、4 接合した部分に、接着剤の物理的、化学的変化による体積収縮や残留応力がおきないなどの条件を満たすことが必要です。

いずれにしても、接着後は製品の破壊が被着材と接着剤の間や接着剤の層の中におきずに、被着材のなかにおきることが、接着にさいして望ましいことです。ということは、接着する力が接着した木材自身を破壊する力よりも大きいと、よい接着が出来たといえることを意味しています。

の写真

図2 接着剤に対する接着剤の接触角(θ)

接着剤液が木材表面をよくぬらすほど、接着剤は木材のすみずみまでゆきわたって密着し、接触面積も増えます。このことが接着強さを増やす一つの要因です。

接着剤が固体表面をぬらす現象を”ぬれ”といい、ぬれの程度を接触角θまたはcosθであらわします。θが小さいほど(cosθが1に近くなるほど)ぬれはよくなり、接着も良好となることが考えられます。

木材接着剤

酢酸ビニル樹脂エマルジョンの攪拌の写真

酢酸ビニル樹脂エマルジョンの攪拌

合板や集成材用接着剤としては木材接着に必要な性能を十分にもつだけでなく、水溶性で鉄・ゴムなどを腐朽・老化させず、洗浄性のよい、粘度調節の容易なものが求められます。もちろん大量入手が可能で、値段の安いことも大事です。

通常合板用にはユリア樹脂接着剤、メラミン・ユリア樹脂接着剤、フェノール樹脂接着剤などが、用途に応じて使い分けられます。化粧用の薄単板の接着には主として酢酸ビニル樹脂エマルジョン接着剤が使われますが、単板の厚さ、樹種、用途に必要な耐熱性や耐水性などによって、しばしば、ユリア樹脂接着剤や合成ゴムラテックスを混ぜて使います。紙布類オーバーレイには、ユリア樹脂、酢酸ビニル系樹脂などを用います。其の他合板用接着剤として、ホルムアルデヒドの放散を嫌う用途には、用途によってカゼイン木材接着剤、水性高分子-イソシアネート系接着剤、α-オレフイン無水マレイン酸樹脂接着剤などが使われます。

<b>図</b> いろいろな接着剤(下線は木材にも使用されるもの)

いろいろな接着剤(下線は木材にも使用されるもの)


屋外などの苛酷な環境条件下で使われたり、高度の耐久性が要求される構造部材などで使われる構造用集成材には、一般にレゾルシノール樹脂接着剤、レゾルシノール・フェノール樹脂接着剤などが使われます。屋内用の構造用集成材(大断面は除く)には水性高分子-イソシアネート系接着剤も使用されています。普通の住環境で使用される造作用集成材にはユリア樹脂接着剤あるいはこれと同等以上の性能を有する接着剤として酢酸ビニル樹脂接着剤、ホットメルト接着剤、水性高分子-イソシアネート系接着剤などを使います。化粧張り集成材でも高湿度の環境下で使ったり、ときには水濡れもおきるような条件で使うときには、メラミン・ユリア共縮合樹脂接着剤、酢酸ビニル樹脂エマルジョンと酸硬化型ユリア樹脂を混合した接着剤なども使われます。

接着操作

接着剤の塗布

接着剤の塗布

「製糊」木材用接着剤、とくに熱硬化性接着剤は普通、主剤に、充填剤、硬化剤、増量剤、添加物、水などを混ぜます。製糊過程で重要なのは、均一な混合(ミキサー等による)と気泡の混入を避けることです。指定の配合割合、添加順序の遵守も必須です。

「塗布」被着面の一方だけに塗布する片面塗布と両面にする両面塗布があります。いずれの場合も、所定の量を均等に塗布することが必要です。適性塗布量は接着剤の種類、被着材の条件で異なりますが、素材塗布で150-250g/m2(1層)、単板接着で220-230g/m2(2層)です。材面が粗いときには幾分塗布量を多くします。

「堆積」接着剤を塗布後、圧締するまで時間を堆積時間といいます。堆積の間に接着剤の揮発成分が空気中や木材中に拡散したり浸透したりし、接着剤が硬化して接着が進行します。

「圧締」圧締の目的は被着体と接着剤を密着させ、接着面の空気を追いだし、連続した接着剤膜を形成するとともに接着剤の硬化に伴う体積収縮を補うことにあります。圧締操作の要点は、各接着部に十分で、均等な圧力を加えることで、過小でも過大でも接着不良の原因になります。

適正な圧力は針葉樹や比重の低い広葉樹では5-10kgf/cm2、比重の高い広葉樹に対しては、10-15kgf/cm2とされています。「加熱と養生」木材接着の際の加熱時の温度範囲は、高温(110-140℃)、中温(40-60℃)、常温(20-30℃)です。

熱硬化性接着剤の場合、加熱によって硬化反応を促進することで、作業能率を高めます。加熱温度は接着剤の種類により異なります。熱板加熱、空気加熱、高周波加熱、低電圧加熱等の方法があります。加熱硬化のあとで、接着剤の後硬化、材料中の水分むらの均等化のために養生をする事が望まれます。

接着耐久性

曝露試験の写真

曝露試験

木材接着製品の耐久性はその製品を使うときの条件によって異なっています。製品が劣化する原因は水、熱、光、加えられる力、生物、空気(酸素)などで、これらが複雑に作用しあって、耐久性を下げる働きをします。これらの原因を具体的にいいますと、水は雨水、結露、湿度などで、熱は使われる場所の温度です。光は太陽光などで、その赤外線による熱の作用および紫外線による接着剤や木材の分解などがあります。力としては、製品として使用中に、それにかかるいろいろな荷重(静荷重、動荷重)、さらに温度や湿度が変わることによって木材や接着剤が膨張収縮をしますが、その度合いが両者の間で違うことによっておきる内部応力などが挙げられます。また、カビや菌などによる劣化、シロアリやキクイムシなどによる食害などが生物の害といえます。

接着耐久性評価法:接着耐久性の評価を、最も実際に近い条件で行うものとして屋外暴露試験がありますが、結果が出るまでに長時間必要なことが欠点です。そこで、短時間に結果が得られるように、乾湿繰り返し、加熱、塩水噴霧、煮沸繰り返し、紫外線照射などの劣化を促進するための試験が行われています。

合板に対する屋外暴露試験と促進劣化試験の結果の間の関係については、日本やアメリカで調査されており、両者の間にある程度類似の傾向があることが確かめられています。しかし、結果は暴露試験を行う地域の違い、接着剤の違いによって大きく違っています。これらの試験から、レゾルシノール・フェノール樹脂>フェノール樹脂>メラミン・ユリア樹脂>ユリア樹脂の順に耐久性が高いことが明らかになってます。