持続可能な発展：廃木材製品の可能性

持続可能な開発の概念に準拠した、環境に優しい木材製品の機会、廃木材製品の可能性は何ですか
今後、林業および林業関連産業が将来の主な課題についての議論の焦点となるでしょう。人類が直面する大きな課題の一つは、持続可能な社会の発展です。そのような社会には、再生可能な材料の使用、再生不可能な天然資源の使用の大幅な削減、温室効果ガス排出量の大幅な削減を含む環境への影響の大幅な削減が必要となります。
CO2 排出量を削減する 1 つの方法は、より多くの木材製品を使用し、これらの製品の寿命を延ばし、炭素がより長く貯蔵されるようにすることです。もう一つの可能​​性は、エネルギー集約型の材料を木材や木材ベースの製品に置き換えることです。 。森林資源と木材製品は、持続可能な開発と人間の環境への影響を軽減するための長期戦略において重要な役割を果たします。
再生可能な材料
再生不可能な材料を木材製品に置き換えることは、持続可能な社会の発展にとって極めて重要であり、環境への影響が低く、資源効率の高い木材製品のプロセスを設計および実装する方法を実証するには、新しい知識が必要です。
将来的には、製造、運用、改修、耐用年数終了といったライフサイクルのすべての段階を総合的に考慮して最適化するために、木材製品も改善する必要があります。
熱水発電と熱水機械技術、森林から最終サービスまでのエネルギーとマテリアルチェーンを含む木材加工プロセスの開発は、この点で重要な役割を果たすことができます。
広い意味で木材が他の素材と競争するためには、ライフサイクル評価基準に基づく計算によるCO2排出量が少ない木材の環境優位性だけに頼るだけでは十分ではありません。木材はまた、技術的特性の点でも競争力があり、使用中の材料利用率が高いだけでなく、競争力のある経済的成果も提供する必要があります。
一部の水熱電気プロセスまたは水熱機械プロセスは、材料利用率が高く、エネルギー消費が低いため、他の材料の処理と比較して経済的利点があります。
TH または THM 処理された木材製品の技術的および環境的性能は、他の材料からの製品と比べて必ずしも競争力があるわけではないため、改善が必要です。さまざまな領域でのTHまたはTHM処理の結果は、形状安定性、強度、表面硬度、耐久性などの木材の特性が改善できることを示しています。

TH または THM 製品の潜在的な応用分野は、建設業界や家具製造において特定されています。耐久性と安定性を向上させることで、木製製品の寿命を延ばします。 TH および THM 処理は現在、木材本来の特性を改善し、新しい製品市場ポートフォリオを開発するための基礎として産業界で大きな関心を集めています。
TH および THM 処理の概念
TH は木材に塗布され、その特性を高め、内部応力を分散し、木材を乾燥させ、柔らかくします。一般的な熱処理プロセスには、高温での木材の乾燥、木質複合材や合板製品の乾燥が含まれます。
対照的に、THMは主に木材の成形や金型加工に使用され、緻密化、エンボス加工、木材の曲げ加工などにより木材の品質を向上させます。
これらのテクノロジーの中には、古くから存在しているものもありますが、TH または THM 加工の結果は、プロセスがオープンかクローズドかによって決まります。開放システムでは、要素の水分含有量などのプロセスパラメータを適切に制御することは困難ですが、閉鎖システムでは、媒体の種類、時間、温度、湿度など、処理プロセスに関係するすべてのパラメータを制御できます。正確に制御されること。
伝統的な例は木材の熱劣化で、空気の有無でまったく異なる結果が生じる可能性があります。
通常、密閉系での木炭の製造など、空気を使用しない加熱は熱分解と呼ばれますが、空気を使用した加熱は燃焼と呼ばれ、完全または不完全な場合があります。
異なる TH および THM プロセスは、オープン プロセスまたはクローズド プロセスとして実行でき、多くの場合、完全に異なる結果が得られます。
熱処理
熱処理プロセスは古くから存在しており、いくつかの異なる方法が含まれています。古代アフリカの先住民は、真っ赤に熱した石炭の中に鋭い棒を入れ、燃えた端を石で打ち、端が鋭く硬くなるまでこの作業を何度も繰り返して棒を作りました。
熱処理プロセスにより木材の音響特性も変化する可能性があり、これは楽器にとって特に興味深いと考えられます。今日のほとんどの工業化プロセスでは、熱処理には 150 ～ 260°C の温度と、数分から数時間の範囲の処理時間が含まれます。
木材を処理する目的は、寸法安定性を達成し、生分解に対する耐性を高めることです。熱処理プロセスは、木材を軸方向または横方向に圧縮することによって実行することもできます。ほとんどの場合、このプロセスは真空中、空気中、または不活性ガスを使用して実行されます。予熱した油も使用できます。

この場合、油は熱伝達媒体として機能し、木材から酸素を排除します。木材の劣化が激しいため、300℃を超える木材の熱処理は実用的価値が限られています。木材の加速老化は、より低い温度を使用する熱処理プロセスです。つまり、100 ～ 150 °C の範囲で処理されます。ほとんどの場合、これは制御された相対湿度と圧力の下で行われます。
20 世紀には、木材の熱処理に関するいくつかの報告があり、主に木材の高温乾燥による変色、寸法安定性の向上、吸湿性の低下が観察されました。
酸化と強度への影響を最小限に抑え、急速な熱伝達を実現するために、彼らは溶融金属の表面の下で木材を加熱する方法を使用しました。
木材を空気中で加熱すると、空気を排除して加熱した場合よりも収縮効率単位当たりの強度の損失が大きくなります。この発見に基づいて、Staywood と呼ばれる製品が開発されましたが、加熱すると圧縮木材の寸法安定性が向上し、形状記憶などの重要な特性が失われる可能性があります。
しかし、木材の強度が許容できないレベルに低下したため、製品は商品化されませんでした。木材を蒸気や水中で加熱すると、乾燥状態で加熱した場合よりも早く劣化します。オーク、ブナ、トウヒ、パインの熱安定条件を経験的に最適化するために、Feuchte-Wärme-Druck と呼ばれる熱処理方法が開発されました。
このような条件下での松の最適な処理は、密閉容器内で湿度20〜30％、温度160℃で15時間処理することです。このような条件下では、松は褐色腐朽菌に対してかなりの耐性を持っています。能力が向上し、強度の低下はほとんどありません。
熱処理は、吸湿性、耐腐朽性、耐久性、強度、寸法安定性などの木材の特性に大きな影響を与えます。
熱処理された木材に生じる化学変化についての理解を深めるために、熱処理中に一連の化学反応が起こる際の木材成分の化学分解を解明するために多くの研究が行われてきました。これらの反応は吸熱性と発熱性の両方があるため、さまざまな反応の開始温度を決定することはほとんど不可能であり、さまざまな成分が関与する反応間の相互作用により分析がさらに複雑になります。
これは、個々の成分の分離された誘導反応を含む分析は、木材内の成分間だけでなく、木材と処理雰囲気の間の相互作用も含めて、木材内部で実際に起こっていることとは大きく異なる可能性があることを意味します。木材の成分ごとに熱分解速度は異なり、ヘミセルロースが最も高く、セルロースが低く、リグニンが最も低くなります。

一般に、広葉樹は針葉樹よりも熱安定性が低く、これはヘミセルロース含有量と組成の違いに起因すると考えられます。
熱処理中に水溶性ヘミセルロース糖が失われ、吸湿性の低いフランベースのポリマーに変換されるため、平衡含水量は未処理木材の約半分に減少します。
減量の初期段階ではヘミセルロースポリマーが分解しますが、セルロースは変化せず、木材の熱処理中に細胞壁成分の自己触媒反応により化学構造の変化が起こります。
湿潤条件下での木材の熱処理中に、ヘミセルロースのアセチル基の開裂により最初に炭酸が形成されることが知られています。
酸の濃度と温度に応じて、ヘミセルロースは加水分解してオリゴマー構造とモノマー構造になり、針葉樹よりも広葉樹の方が重量損失が大きくなります。これはおそらく広葉樹の方が酢酸アセチル基の含有量が高いためです。熱処理中に酢酸が放出され、酸加水分解が促進されます。
その後、単量糖単位が脱水されてアルデヒドが形成され、ペントース糖がフルフラールになり、六糖単位がヒドロキシメチルフラナールに脱水されると、吸湿量が減少することが示されています。
寸法安定性と耐久性が向上するだけでなく、改質により色の変化や強い臭気の発生も生じます。 150℃を超える木材の熱処理では強度が低下し、機械的試験では熱処理された木材の破壊モードはほとんどが脆くなります。
熱処理中に木材の密度は 5 ～ 15% 減少します。これはもちろん強度に影響しますが、全体的な強度の低下を説明するものではありません。強度の低下は、ヘミセルロースポリマーの劣化による細胞壁マトリックスの劣化によるものです。
強度低下の一般的なガイドラインは、硬度の 5 ～ 10% の低下、曲げ強度の 10 ～ 20% の低下、弾性率の 5 ～ 20% の低下、および衝撃曲げ強度の 30 ～ 80% の低下です。現在の形状 木材は荷物を運ぶ目的には適していません。
熱処理された木材は、耐久性と寸法安定性に優れているため、グレード以上の屋外用途に適している可能性があります。
熱処理された木材を屋外に放置すると、その茶色はすぐに消え、最終的には灰色に変わります。これは、木材表面の露出部分からの光分解とリグニンの損失を示しています。

熱処理では、青腐れに対する保護がほとんど、または非常に不十分です。熱処理により屋外にさらされた場合に木材の表面割れが軽減されるかについては、「天然木に比べて寸法変化による割れの程度が軽減される」としている。
対照的に、熱処理されたパイン材やスプルース材の表面は、屋外にさらされると未加工の木材と同様にひび割れが発生しやすくなります。
風化プロセス中に木材に亀裂が入る傾向は、木材断面の年輪の方向に強く関係しています。屋外で木材を使用する場合のひび割れを避けるために、年輪が露出した木材の表面に対して垂直に向いている木材を選択する必要があります。
屋外にさらされた場合のひび割れの傾向について意見が異なる主な理由は、熱処理木材は平衡含水率が低く、部分的に劣化するため、地面と接触して使用することは推奨されないことです。木材のコンポーネントのこと。
たとえば、ヘミセルロースのほとんどは解重合され、褐色腐朽菌による生分解に対する感受性が低下します。熱処理によるリグニンの分解が少ないため、白色腐朽菌に対する防御効果が乏しい。
白色腐朽菌は主に木材中のリグニンを攻撃し、古い木材を新鮮な木材よりも安定させ、音響特性を向上させます。木材の自然な老化とは、木材が気候や紫外線などの日常的な変化を受けるときに時間の経過とともに起こる構造的および化学的変化を指し、生分解プロセスは受けません。
一般的に、木材は何百年も経つと剛性と強度が増しますが、もろくなり、伸びに対する抵抗力が低下します。老化した木材の音響品質は改善され、化学処理や熱処理によって引き起こされる変化とは異なります。
温度が 50 度未満の低温での木材の自然な老化プロセスに関しては、老化プロセス中の木材の物理的、機械的、化学的特性にはほとんど、またはわずかな変化しかありません。
FTIR-ATR および UV 共鳴ラマン分光法技術を使用して、時間自体は老化プロセス中の木材の化学的特性に影響を及ぼさないと結論付けられました。紫外線、湿度、昆虫や菌類の攻撃、木材の供給源などの他の要因も、これらの変化に影響を与える可能性があります。

持続可能な木材加工は、環境に優しい木材製品の将来の可能性にとって重要です。
持続可能性を高め、持続可能な木材加工を行うことで、天然林への依存を減らし、合理的な管理と再生的な林業実践を通じて森林資源の持続可能な利用を促進することができます。
これは、生態系を保護し、生物多様性を維持し、地球規模の気候変動に対する森林破壊の悪影響を軽減し、炭素排出量を削減するのに役立ちます。木材は再生可能な素材です。
同時に、炭素固定特性があるため、持続可能な木材を選択し、エネルギー効率の高い加工方法を使用することで、炭素排出量を大幅に削減できます。
環境に優しい木材製品の製造は、温室効果ガスの排出量を削減し、循環経済を促進する重要な方法となり得、持続可能な木材加工は、循環経済の発展を促進することができます。
木くずのリサイクル・再利用率を高めることで、資源の無駄を最小限に抑え、製品の寿命を延ばすことができます。これにより、原材料の必要性が減り、環境圧力が軽減されます。
革新的な木材製品、持続可能な木材加工は、革新的な木材製品の開発も促進します。技術革新とプロセスの改善により、環境に優しい家具、建材、装飾品など、より環境に優しく高品質な木材製品を生産することができます。これらの製品は優れた分解性と再生特性を備えており、持続可能なライフスタイルに対する人々のニーズに応えます。
環境保護に対する世界的な意識が高まるにつれ、持続可能な木材加工や環境に優しい木材製品の生産を通じて、環境に優しい木材製品に対する市場の需要は成長し続けています。企業は市場競争力を向上させ、より多くのビジネスチャンスと消費者の認知を得ることができます。持続可能な木材加工は、環境に優しい木材製品に将来の大きなチャンスをもたらします。この実践は、森林資源と環境の保護に役立つだけでなく、企業に経済的利益と持続可能な発展の見通しをもたらします。