作成： 1997/10/18 蛭川 寛
データ番号 ：010064
γ線照射ウッドプラスチックの圧縮強度向上による応用
目的 ：γ線照射による木材の強化
放射線の種別 ：ガンマ線
放射線源 ：60Co線源
線量（率） ：3 - 8kGy/h
利用施設名 ：大阪府立放射線中央研究所
照射条件 ：窒素気流中
応用分野 ：家具、考古学、スポーツ用品
概要 ：
木材の空隙部に液状のビニルモノマー又はオリゴマーを含浸させて放射線照射を行い、モノマーを重合することによりプラスチック化して木材を強化させた研究報告である。ここでは、ゴルフクラブヘッドの柿材をこの方法にて処理しショアー反発硬さ等の改良及び多くの照射架橋性モノマーやオリゴマーの中より、あらゆる種類の木材に適用可能な照射架橋性含浸物の調査研究結果が報告されている。
詳細説明 ：
1.γ線照射によるWood-Plastic Combinationを用いたゴルフクラブの製造
放射線照射法で得られるWood-Plastic Combination(WPC)は、木材に適切なビニルモノマーを含浸させて放射線照射を行い、モノマーを重合することによりプラスチック化して木材を強化させたものである。
具体的には、木材としてゴルフクラブヘッドの柿材(persimmon)、ビニルモノマーとしてアクリルニトリル(AN)とスチレン(St)の混合溶液をクラブヘッドの形状に削りだした柿材に含浸後、常温、常圧下でγ線照射(線源60Co、6時間で20kGyの照射)した。図1に示すモノマー含浸装置に柿材を入れて減圧脱気した後、窒素置換されたアクリルニトリルとスチレンの混合モノマーを柿材に注ぎ込み、窒素加圧によりモノマーの浸透を確実にした。照射後の試料は減量しなくなるまで風乾後、各種試験を行った。
図1 モノマー含浸用装置の模式図（原論文1より引用）
ゴルフクラブヘッドの柿材へはAN/Stのモノマーが含浸されγ線照射された結果、柿材へは約30%のポリマーが充填されたため比重も0.73から0.96に増大した。またクラブヘッドとして重要なWPCの機械的性質を測定した結果を表1に示した。これらより、ショアー反発硬さは未処理品と比較して36%向上していたほか、圧縮破壊強さ、破壊時曲げ応力等に関しても向上が見られた。またモノマー含浸時に着色のための顔料を同時に混入出来るため塗装工程は、ヘッド表面に透明塗料を施すだけで天然木目を生かしたヘッド表面を形成出来るという利点もある。
表1 Mechanical properties of WPC*1.（原論文2より引用）
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Rockwell Durometer Shore Compressive Flexural breaking
hardness*2 hardness*2 hardness*3 strength strength*4
[JIS K 7202 [JIS K [JIS Z 2246] [JIS K 7208] [JIS K 7203]
(R-scal)] 7215(D)]
130-500h(kgf) 100-40h(gf) HSD=k h/h0 (kg/cm2) σfB= 3FB・L/2bh2
Specimen (kgf/cm2)
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Controle <50(Immeasurable) 70.3 30.3 144 18.3
WPC*5 62.3 84.0 41.3 353 25.4
Red 70.3 80.7 46.0 - -
sandalwood
Blackwood 102.3 81.0 55.3 - -
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*1 Average of five measurements.
*2 h: Indentation depth(mm), f: Unit of load(g or kg).
*3 k: Coefficient, h0: Constant height of the hammer, h: Height of the hammer jummped up.
*4 FB: Load at breakage(kgf), b: Width of test piece(mm), h: Height of test piece(mm),
L: Span length(mm).
*5 Conversion: 90.2%, Polymer loading: 30.1%, Density: 0.95.
2.照射架橋性含浸物による木製美術品等の強化
これまでに考古学的発見物、農具、家具、美術品等のように古い木製物でポーラスな材料に対する照射架橋性モノマーやオリゴマーの含浸性および強化性を調査するための研究が行われてきた。その評価基準は、主に注入時の粘度、硬化挙動、硬化収縮、硬化物の硬度や柔軟性、木材との適応性や加熱特性である。ある種の含浸物を健全な木材と人工的に腐敗させた木材に適用し、その相関を研究した。強化された木材の性質は単一ポリマーの材質そのものの挙動からくる限定された範囲のものであるがいくつかの含浸物は、考古学的、民族学的なものに適用して成功している。
ここでの研究は、過去10年間に研究された照射架橋性モノマーやオリゴマー200種類の中より27種類を選び、あらゆる種類の木材に適用可能な照射架橋性含浸物を調査研究した。その結果、収縮や変形に関して最も良かったのは不飽和ポリエステル樹脂(Ebecryl 110)とBA(n-butyl acrylate)の混合物系であった。この組成を種々の木材に同一条件で適用した結果を表2に示した。
表2 Density and compressive strength of sound and artificially decayed wood samples before and after consolidation with 70% U150/30 % BA(30kGy), as well as resin uptake and consolidation factor.（原論文3より引用。 Reproduced from Radiat. Phys. Chem., Vol.35, Nos.1-3, pp.71-75(1990), Tab.3(p.74), R.SCHAUDY, RADIATION-CURABLE IMPREGNANTS FOR THE CONSOLIDATION OF WOODEN FINDS AND ART OBJECTS; Copyright(1990), with permission from Elsevier Science.）
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Wood State Density(kg/m3) Resin Compressive strength(MPa) Consolidation
-------------- uptake ------------------------- factor
before after M (%) before after
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Maple sound 655 855 72.1 18.17 96.47 5.31
decayed 640 1250 74.8 10.34 54.34 5.26
Oak sound 750 1020 35.2 13.83 28.69 2.07
decayed 600 1205 82.3 5.24 35.37 6.75
Spruce sound 430 950 112.9 2.78 5.09 1.83
decayed 330 875 147.2 1.82 4.19 2.30
Pine sound 530 1180 101.9 6.62 52.96 8.00
decayed 380 1120 194.6 2.33 21.75 9.33
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表２より木材の材質や腐敗状況によって含浸強化後の圧縮強度が含浸強化前の2-9倍に向上している事がわかった。同一の含浸物・架橋条件でもこれだけ強度が変化すると言うことは、木材の含浸強化の複雑性や強化度合いの予測が困難であることを示している。従って、27種類の含浸物の適応性に関する評価は完了したものの、種々の木材に対する最適な含浸物を予測する方法を見いだす事は出来なかった。
コメント ：
木材にビニルモノマーを含浸させて放射線照射を行い、モノマーを重合することによりプラスチック化して木材を強化させる技術は、考古学的、民族学的な適用は確かに有用と考えられる。しかし、工業的に見ると単に木材の物理的強度の向上だけではなくむしろ木材自身の良さ：例えば吸湿・保温・加工性・分解性等を保持しながらその弱点を補強した様な高機能・耐環境性を合わせ持った様なプラスチック複合木材への展開が可能かもしれない。地球温暖化原因物質である二酸化炭素を吸収しかつ再生産可能な木材は理想的な産業資材でありそのプラスチックとの複合化研究は循環型社会システムにて期待される研究分野のひとつと考えられる
原論文１ Data source 1：
γ線照射法Wood-Plastic Combinationの有用性とゴルフクラブヘッドの製造
山上 允之、三好 浩文
大阪府立大学付属研究所
放射線化学,第58号,p44(1994)
原論文２ Data source 2：
γ線照射によるWood-Plastic Combinationを用いたゴルフクラブの製造
山上 允之、高田 久年、辻井 幸雄、大西 徳博、三好 浩文、中鉢 光雄
大阪府立大学付属研究所、株式会社ベスターゴルフ・タカダゴルフ
RADIOISOTOPES,41,27-30(1992)
原論文３ Data source 3：
RADIATION-CURABLE IMPREGNANTS FOR THE CONSOLIDATION OF WOODEN FINDS AND ART OBJECTS
R.SCHAUDY
Department of Chemistry,Austrian Research Centre Seibersdorf
Radiat.Phys.Chem.,Vol.35, Nos.1-3, pp.71-75,1990
キーワード：γ線照射、照射架橋性含浸物、複合木材、朽木、強化、ゴルフクラブ、考古学的発見物
γ-irradiation, radiation-curable impregnants, wood-plastic combination(WPC), decayed wood, consolidation, golf club, archaeological finds
分類コード：010102,010302,010304