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流動・自己接着を利用した木質系粉末の三次元成形加工技術

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流動・自己接着を利用した木質系粉末の三次元成形加工技術

組織名 国立大学法人 電気通信大学 大学院情報理工学研究科 機械知能システム学専攻 梶川 翔平 助教
技術分野 ものづくり、環境/有機化学/無機化学
概要 木材は一般的に成形性が悪く、複雑形状への加工は難しいと言われています。また、木質チップにプラスチックなどの石油由来の添加剤を混ぜて流動性を高める技術(木質プラスチック、パーティクルボードなど)がありますが、廃棄時の環境汚染等が問題になっています。本研究では、天然の木質系粉末に、加熱および加圧処理によって流動性を高め、加圧後に冷却処理を行うことで、三次元を含む様々な形状に適応した木質成形品を製作する技術を開発しています。間伐材や廃材の利用も可能であり、生産性にも優れた技術です。本技術の実用化・活用に意欲的な企業を歓迎します。
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【簡略図】

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【背景】

 今の様々な地球環境問題を背景に、石油系プラスチックの代替材料として、持続的利用が可能なカーボンニュートラルの特性を持つ木質系資源の有効利用が求められています。しかしながら、加工性が悪いことからその活用用途は限られています。 

20171104113137.png 一般的な木質系材料の加工としては、木工(除去加工)が挙げられますが、歩留まりや生産性が悪いという課題があります。また、変形加工を行う場合、木材の加工性が悪いため無理な加工を行うと割れてしまいます。そこで、木材チップや粉末に対し、添加剤として合成樹脂を混合させる方法もありますが、使用時や廃棄時の環境汚染が問題となっています。合成樹脂などを全く用いることなく、複雑形状の部品を成形することが可能となれば、1000%天然由来の木質材料の利用用途拡大につながると期待できます。

20171104113159.png そこで本研究では、木材が本来有している流動性・自己接着特性を生かした新たな加工法を考案し、研究開発を進めています。本加工法により、安価かつ天然由来の木質系材料のみで、複雑な形状にも対応した成形品を製作することができます。

20171104113216.png 本研究の実用化および活用に意欲的な企業を歓迎します。

【技術内容】
 本研究では、加熱によりリグニンを軟化、ヘミセルロースを加水分解させて流動性を高めた状態にし、粉末を流動させることによって、任意の形状に成形します。その後、冷却すると、リグニン・ヘミセルロースが固化されて粉末間が接着することによって、高密度な成形品を得ることができます。

20171104113235.png 具体的には、あらかじめ所定の温度に加熱した金型内に木質系粉末を入れて、加圧すると、木質粒子が、粒子間に存在する流動化成分(軟化したリグニン、ヘミセルロースの加水分解物、水分)によって滑り、材料全体が流動することになります。すなわち、流動化成分が潤滑剤の役割を担っていることになります。 スギ、ブナ、ケナフコア、タケなど様々な材料に適用可能です。

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20171104113259.png20171104113443.png下記のような成形品が製作できます。

20171104113459.png【技術・ノウハウの強み(新規性、優位性、有用性)】

1) 下記の通り、180℃~200℃で加工することで成形後に粉末同士が隙間なく接着し、高強度化することがわかっています。

20171104113515.png また、成形前に木質系粉末に対して水蒸気処理を施しておくことによって、流動性が良くなるとともに、成形時において、短時間で粉末を流動化させることが可能です。

20171104113529.png2) 素材の前処理の手間が少なくて済みます。(化学修飾やプラスチックとの混錬は不要)
3) 製材によって多量に排出された端材や切りくず、形状の悪い材も原料として利用可能です。
4) 石油由来の材料は全く用いる必要がなく、環境に優しいです。
5) 高密度な成形品が得られます(通常の木材の3.5倍程度)
6) 小型かつ発熱量の高い燃料としての利用も期待できます。

 プレスを掛けたまま冷却することによって、固形化されるため、空隙は発生せず高密度化(高強度化)することが分かっています。

20171104113546.png20171104113602.png【連携企業のイメージ】
本技術の活用・実用化を希望する企業を歓迎します。
例えば、以下に該当する企業へご提案可能です。

1)木材を用いた事業を行っている企業。
2)プレス加工などを業務として行っており、新しい事業への取り組みに前向きな企業。
3)インテリア用品など木材を利用した製品を開発、販売している企業。
4)他、本技術を活用した事業展開に意欲的な企業。


【技術・ノウハウの活用シーン(イメージ)】
木材を用いた成形品としてインテリア用品などで活用可能です。形状が決定すれば大量生産にも適した加工法です。


【技術・ノウハウの活用の流れ】
研究室にてサンプルや加工機があります。サンプルを含めてご紹介いたしますので、お気軽にお問合せください。

【専門用語】
(カーボンニュートラル)
カーボンニュートラルは環境化学の用語で、直訳すればカーボンは炭素、ニュートラルは中立なので「環境中の炭素循環量に対して中立」という意味です。何かを生産したり、一連の人為的活動を行った際に、排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量である、という概念です。

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