森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点はじめにわが国には約 1, 万 ha の人工林が育っておりその多くが伐期を迎えつつありますこれらの木材資源の有効利用は林業および木材産業の活性化だけでなく地球環境保全にも重要な役割を担っていますこのうちスギは人工林による蓄積の 6 割近くを占め

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ゆずさいさやま
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1 [ 森林総合研究所第 1 期中期計画成果集 18] ISBN スギ乾燥のための 1 の要点独立行政法人森林総合研究所 Forestry and Forest Products Research Institute

森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点はじめにわが国には約 1, 万 ha の人工林が育っておりその多くが伐期を迎えつつありますこれらの木材資源の有効利用は林業および木材産業の活性化だけでなく地球環境保全にも重要な役割を担っていますこのうちスギは人工林による蓄積の 6 割近くを占める主要な樹種ですが他の樹種に比べ乾燥が難しく既存の乾燥技術では乾燥時間が長くかかり

2 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点はじめにわが国には約 1, 万 ha の人工林が育っておりその多くが伐期を迎えつつありますこれらの木材資源の有効利用は林業および木材産業の活性化だけでなく地球環境保全にも重要な役割を担っていますこのうちスギは人工林による蓄積の 6 割近くを占める主要な樹種ですが他の樹種に比べ乾燥が難しく既存の乾燥技術では乾燥時間が長くかかり乾燥コストが高くなる問題点がありますこのためスギ材乾燥の効率化を目指して平成 12 年度から 16 年度の 5 年間にわたり交付金プロジェクトスギ材の革新的高速乾燥システムの開発を実施しましたこの資料はプロジェクトの研究成果の一部をスギ乾燥のための 1 の要点として取りまとめたものです今後スギ材乾燥技術の普及スギの需要拡大につながることを期待していますスギ乾燥のための 1 の要点 1. スギ原木の材質を知る p1 乾燥コストを低減し品質の向上を図るために原木の含水率や密度ヤング率等のバラツキを把握します 2. 原木の材質を選別する p3 スギ材の合理的な加工利用を図るため最終製品の品質に影響する含水率等を原木段階で判別します 3. 最終製品の強度を予測する p5 目的に合った原木を選ぶために丸太段階において製材品のヤング係数を予測します

心持ち材の乾燥割れを防止する p9 乾燥材の品質向上のため熱処理を活用し温度条件を適切に制御して乾燥割れを防止します 6.

組み合わせ処理を考える p13 乾燥材の品質確保とコスト低減のため場合によってはいくつかの方法を組み合わせて処理します 8.

3 森林総合研究所第 1 期中期計画成果集製材木取りを考える p7 製品の用途に求められる性能や含水率に応じて丸太を仕分け最適な木取りで製材します 5. 心持ち材の乾燥割れを防止する p9 乾燥材の品質向上のため熱処理を活用し温度条件を適切に制御して乾燥割れを防止します 6. 乾燥を速める p11 乾燥コストを低減するためには割れを防止しながら乾燥を速める工夫が必要です 7. 組み合わせ処理を考える p13 乾燥材の品質確保とコスト低減のため場合によってはいくつかの方法を組み合わせて処理します 8. 乾燥材の性能を知る p15 建築用部材として性能を保証するため乾燥材の強度や耐久性を明らかにします 9. エネルギー循環を考える p17 スギ材乾燥の省エネルギーを進めるためカーボンニュートラルの木質系廃材の利用を考えます 1. 効率的なシステムをつくる p19 スギ乾燥材の生産コスト低減を図るため効率的な乾燥材生産システムをつくります

4 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 1. スギ原木の材質を知る木材製品の品質は多くの用途において原木の品質が影響します乾燥コストを低減し品質の向上を図るためにはまず乾燥のしやすさに影響する原木の含水率や密度ヤング率等のバラツキを把握することが大切です生材含水率針葉樹材の生材含水率は一般的に辺材で高く心材では低いものですがスギ材では心材でも高い場合があります特に黒心材では含水率が高いことが知られています品種や生育条件によっても異なり図 1-1に示すように 4% 26% の広い範囲でばらつきますこの心材含水率が高いことと一本一本の含水率が大きく異なることがスギ材の乾燥を難しくする根本原因です現れた個体の数 ( 本 ) N = 945 ( 518 クローン ) 生材含水率 (%) 心材辺材図 1-1 生材含水率の分布密度木材の密度は収縮率や乾燥速さに影響しますスギ材の密度には心材含水率ほどの違いはありませんが良く知られている 15 品種の個体内の平均容積密度数は 287~384(kg/m 3 ) の範囲にあります図 1-2 は精英樹の容積密度数ですが心材の平均値は 322(kg/m 3 ) ですなお容積密度数は密度の表し方の一つで水を含まない状態の木材重さ生材の単位容積で求めます乾燥のしやすさは密度に大きく左右されますがそれだけではなく年輪や細胞壁の構造水分のかたよりなどにも複雑な影響を受けます現れた個体の数 ( 本 ) N = 15 ( 558 クローン ) 容積密度数 (kg/m 3 ) 心材辺材図 1-2 容積密度数の分布 1

5 FFPRI ヤング係数の樹幹内分布スギに限らず多くの樹種では髄から樹皮側に向かって性質が変化し品質が向上していく領域を未成熟材部品質が安定する領域を成熟材部と呼びますヤング係数は材料の変形のしやすさを表す指標で木材の強さや乾燥のしやすさに関係しますその値は樹幹横断面内の部位によって異なり ( 図 1-3) 樹幹の高さ方向でも異なっていますヤング係数 (GPa) y =.28x r=.53 (x<8) 収縮率表 1-1 に示すように品種や地上高によって収縮率の大きさが異なります品種にもよりますが地上高の低い 1 番丸太から採材しヤング係数の低い柱材では軸方向の収縮率が大きいため大きな曲がりが生じやすく ( 図 1-4) また内部割れも生じやすくなりますそれに対して樹幹の上部から取ったヤング係数が高い材では表面割れが発生しやすい傾向にありますこのように含水率ヤング率収縮率等は品種間固体間樹幹内で異なるためそれらが乾燥材の品質に影響します原木の性質に合わせて乾燥方法や条件を調整することが必要です曲がり (2 面の矢高合計 ) (mm) 髄からの距離 (mm) 図 1-3 ヤング係数の樹幹横断面内分布柱材のヤング係数 (GPa) ボカスキ 1 番ボカスキ 4 番ヤブクグリ 1 番ヤブクグリ 4 番アヤスキ 1 番アヤスキ 4 番リュウノヒゲ 1 番リュウノヒゲ 4 番クモトオシ 1 番クモトオシ 4 番表 1-1 収縮率 *1 番 4 番はそれぞれ根元に一番近い丸太高さ方向の順に 4 番目の丸太から取ったものです樹幹の内側樹幹の外側地上高品種名容積密度全収縮率 (%) T/R 容積密度全収縮率 (%) T/R (m) (g/cm 3 ) T R L (g/cm3) T R L.3 ボカスギアヤスギリュノヒゲクモトオシヤブクグリボカスギアヤスギリュノヒゲクモトオシヤブクグリ *T は年輪に沿った方向 R は年輪に直角方向 L は樹幹高さ方向 T/R は比を表します 2

6 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 2. 原木の材質を選別するスギは丸太によって品質が様々であるため最終的な製品の品質や価値を向上させ効率的に原木を利用するためには目的別に選別することが必要ですばらつきが少なく品質の安定した乾燥材を供給するためには最終製品の品質に影響する含水率等を原木段階で判別しその後の合理的な加工利用を図ることが大切です含水率と密度の評価方法丸太内の生材含水率を評価する方法として丸太に周波数を変えながら電気を加えそのインピーダンス及び位相角を測定することによって丸太内の含水率分布を推定できます ( 図 2-1) 密度を簡便に測定する方法としてはピロディン ( 図 2-2) を使う方法が考えられますが品種や材質等の丸太条件が整わないと密度を正確に推定することは困難ですヤング係数の評価方法丸太のヤング係数は図 2-3 に示す縦振動法によって求めることができます丸太木口をハンマーで打撃することによって振動を発生させ対面の木口から放射される振動をマイクロフォンで測定する簡便な方法です手順 1: みかけの密度と長さを測定します 3 25 推定値 ( 低含水率 ) 測定値 ( 低含水率 ) 推定値 ( 高含水率 ) 測定値 ( 高含水率 ) 原木丸太含水率 (%) ( 樹皮 ) 丸太横断面内における位置 (cm) ( 樹皮 ) 図 2-1 電気測定による含水率分布の評価手順 2:FFT アナライザによってピークを示す周波数として固有振動数を求めます手順 3: 丸太のヤング係数 (GPa) は固有振動数 (f:hz) みかけの密度 (ρ:kg/m 3 ) および材長 (L:m) を使って下式により計算しますヤング係数 = 4 L 2 f 2 ρ 1-9 FFT アナライザー図 2-2 ピンが出た状態のピロディン * ピンの打ち込み深さと丸太の平均密度との間には相関関係があります図 2-3 縦振動法による丸太ヤング係数の測定方法 3

7 FFPRI 原木の選別方法ばらつきが少なく品質の安定した乾燥材を生産するためには乾燥性に基づいて選別を行い被乾燥材の初期条件をできるだけ整えることが必要ですまたスギは他樹種と比較してヤング率の低い丸太の出現頻度が高いという問題もありますこのため図 2-4 に示すように含水率とヤング係数を指標として用途に合わせて合理的な原木利用を図ることが大切です一般に木材は密度が大きく生材含水率が高いほど乾燥しにくいものですしたがって簡易的にみかけの密度 ( 図 2-5) を使って選別することも考えられますただし丸太内の含水率のばらつきや密度の区別はできないことに注意が必要です含水率 (%) みかけの密度 (kg/m 3 ) 図 2-5 みかけの密度と含水率の関係 ( 小ブロック ) みかけの密度は丸太重量 / 丸太材積で求めます丸太の重量は木材実質の重さに水分の重さが加わったものですしたがって実質の量が同じであれば重量は含水率の指標になります原木丸太低強度 (E<5 GPa) ヤング係数高強度 (8GPa<E) 非構造材等中強度 (5<E<8GPa) 低含水率 (MC<1%) 含水率 or or みかけの密度高含水率 (1%<MC) 構造用 ( 柱梁桁材等 ) 集成材ラミナ等低含水率 (MC<1%) 含水率 or or みかけの密度高含水率 (1%<MC) 構造用 ( 柱梁桁材等 ) 板平割材ラミナ等図 2-4 原木丸太をヤング係数と含水率の指標に基づいて用途を判別するフロー 4

8 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 3. 最終製品の強度を予測するスギ丸太のヤング係数の横断面内分布をモデル化することによって原木丸太の縦振動法によるヤング係数と半径および採材される製材品の位置 ( 髄からの距離 ) をパラメタとして丸太段階において製材品のヤング係数を予測します正角材等のヤング係数の推定 12 丸太のヤング係数を非破壊的に測定するにはいくつかの方法がありますその中の 1 つの方法が縦振動法 ( 前章参照 ) です図 3-1 に示すように正角材および平角材などの心持ち一丁取りの製材品のヤング係数は丸太のヤング係数との間で高い相関関係にあるためこの間の回帰式から製材品のヤング係数を推定することができます平角の曲げヤング係数 (GPa) y =.89x +.79 r =.87 (n=6) ラミナ材等のヤング係数の推定ラミナ材など丸太から数多くの製材品を採材する際それぞれの製材品のヤング係数は次のように推定しますまず髄から樹皮に向かう半径方向におけるヤング係数の変動 ( 図 1-3) について未成熟材部での傾きを.28 成熟材部との境界を髄から 8mm と仮定しますこれにより横断面内でのヤング係数と丸太のヤング係数 (Efr Log ) 丸太半径 (R) および髄からの距離 (r) との関係を表す数式を求めることができますすなわち図 3-2 に示すような髄から距離 r に位置する板材のヤング係数 (Efr timber ) を丸太の大きさにより以下の二つの計算式を使って推定します丸太のヤング係数 (GPa) 図 3-1 丸太の縦振動法による丸太ヤング係数と平角材のヤング係数との関係 R r EfrLog EfrTimber 図 3-2 木取り位置 (r) と丸太半径 (R) との関係 3 8 Timber =.28 ( r ) Efr Log Efr + 3R 3 8 Tmber =.28 Efr 2 Log Efr + 3R (r<8 の場合 ) (r 8 の場合 ) 5

9 FFPRI この推定法は正確か実際にスギ丸太に適用し推定した製材品のヤング係数と採材して実際に測定した製材品のヤング係数との関係を求めましたその結果図 3-2に示すように推定値と実測値の間には高い相関関係が認められますこの結果から原木丸太の段階で丸太内部の各位置から採る製材品のヤング係数を高精度に推定できることがわかりますヤング係数実測値 (GPa) y =.9x +.76 r =.85 (n=55) ヤング係数推定値 (GPa) 図 3-2 製材品のヤング係数の推定値と実測値との関係 * 推定値は含水率 15% のときの値に補正しています製材品のヤング係数分布の推定図 3-2で使用したデータを元に丸太段階で求めた製材品のヤング係数推定値の分布と製材後に実測したヤング係数実測値の分布を図 3-3に示しました両ヤング係数はほぼ同様の分布であることが確認できますしたがって丸太の段階で丸太のヤング係数を把握し木取り方法を決めれば製材品のヤング係数の分布も把握できることになりますこれによって集成材用ラミナの製材では強度の等級区分にあわせてラミナの在庫管理ができるようになりラミナの歩留まり向上に役立てることができます平均値 :8.1GPa 変動係数 :2.6% 平均値 :8.6GPa 変動係数 :21.9% ラミナの数 1 ラミナの数ヤング係数の推定値 (GPa) ヤング係数の実測値 (GPa) 図 3-3 ラミナ材の推定値 ( 左図 ) と実測値 ( 右図 ) の分布 6

10 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 4. 製材木取りを考える一般に丸太は曲がりなどの形質によって仕分けされていますしかし製品の用途に求められる性能や含水率に応じて丸太を仕分け最適な木取りで製材すれば要求性能を満たす製品の歩止りが向上しより効率的な製材生産および乾燥の効率化につながります丸太の仕分け方法の考え方表 4-1に示すようにヤング係数と含水率の高低によって丸太を4つのグループに分けることができますここでは丸太の仕分け効果について検証するため図 4-1に示すようにヤング係数は 7.GPa( スギ材の平均的な値であり JAS 機械等級区分 E7の製品を取る目安でもある ) 含水率は1%( 生材含水率の平均的な値である ) を区分の目安とし用途に合った木取りを行います表 4-1 丸太仕分け方法の考え方ヤング係数含水率グループⅠ 低い低いグループⅡ 低い高いグループⅢ 高い低いグループⅣ 高い高い注 ) ヤング係数と含水率の求め方ヤング係数は縦振動法 (3ページ) によって求め含水率は丸太の見かけの密度から次の式を使って推定します u = ρ e g ρ = V 2 2 ( lt + 2 lm + l 2 + l l + V = b t m 24π l l m b ) L ここで u e : 推定含水率 (%).374: スギの平均全乾密度 (g/cm 3 ) ρ: 見かけの密度 (g/cm 3 ) g: 丸太の重量 (g) V: 丸太材積 (cm 3 ) l t : 末口の周囲長 (cm) l m : 中央部の周囲長 (cm) l b : 元口の周囲長 (cm) L: 材長 (cm) ですスタート小 ( 7.GPa) 丸太の動的ヤング係数大 (>7.GPa) 小丸太の推定大小丸太の推定大 ( 1%) 含水率? (>1%) ( 1%) 含水率? (>1%) グループ Ⅰ グループ Ⅱ グループ Ⅲ グループ Ⅳ 図 4-1 動的ヤング係数と推定含水率による丸太の仕分け方法 7

11 FFPRI 木取り方法図 4-2 は図 4-1 によって仕分けた丸太の標準的な木取りを示していますなおいずれも丸太の外周部からは平割や板を木取りしますグループ Ⅰ 正角木取りグループ Ⅱ 板平割木取りグループ Ⅲ 平角木取りグループ Ⅳ ラミナ木取り中心部から平角ほど強度要求の高くない正角を取る中心部から強度要求の低い下地材用の平割を取る中心部から強度要求が高く乾燥しにくい平角を取る中心部から強度要求が高いラミナを取る図 4-2 丸太含水率と動的ヤング係数を考慮した標準木取り選別の効果図 4-3 に示すように丸太段階で仕分けることによって製材後の製品の含水率を低くすることができますまた図 4-4 に示すようにヤング係数によって仕分けした場合製材直後の cm 材についてヤング係数の高い製品の割合が高くなりましたこのように丸太段階で含水率や強度を考慮した仕分けを行いそれに適した木取りで製材することにより用途に適した製品を効率よく生産できることになります 1 9 正角平角 4 3 仕分けあり仕分け無し含水率 (%) 頻度 (%) ( 仕分けた丸太 ) ( 仕分けない丸太 ) ヤング係数 E(GPa) 図 4-3 製材直後の材の平均含水率 * 高周波型含水率計により測定図 cm 材の製材直後のヤング係数の分布 8

12 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 5. 心持ち材の乾燥割れを防止する心持ち材は中心の心材が乾燥しにくく表層との間に大きな水分傾斜ができてこれと接線方向の収縮量が半径方向より 2 倍以上も大きなことが相まって普通に乾燥すれば表面割れ ( 材面の割れ ) が発生しますしかし高温処理を活用することによりこれを防ぐことが可能になりましたただし高温のまま終わりまで乾燥すると内部割れが発生しやすくなります表面割れと内部割れの両方を防ぐためには乾燥途中の温度条件を適切に制御することが大切です割れの発生と乾燥温度一般的に針葉樹材の場合乾燥温度を高くしてもそれほど割れの発生に影響しませんこのため低温の 5 6 の乾燥温度よりも中温の 7 9 で乾燥したほうが乾燥時間を考えると有利です ( 図 5-1) 1 以上の高温でも適正な処理条件を用いると表面割れを防止することができますしかし内部割れの危険性は大きくなりますまた内部割れは含水率が低い材ほど多くなります ( 図 5-2) 8 割れの発生数 ( 箇所 ) 6 乾燥条件一定 7 12 一定一定 4 2 表面割れ内部割れ乾燥時間試験番号 4 乾燥時間 (hr) 図 5-1 割れの発生と乾燥温度との関係材面割れの防止心持ち材の乾燥では乾燥中に表面に大きな引っ張りの応力が生じやすくこれが表面割れの原因となりますしかし高温で乾燥することにより表面にドライングセット ( 乾燥時の自由な収縮が引っ張りの力によって抑制される結果小さな収縮量に固定されること ) を形成させ表面割れを防ぐことが可能になりますこの処理は蒸気式乾燥機による高温乾燥 ( 高温セット処理 ) や圧力容器を用いる過熱蒸気処理により行うことができます 1 本当たりの内部割れ面積 (cm 2 ) % 以下 1~15% 15~2% 2~25% 25~3% 3% 以上含水率の範囲 (%) 図 5-2 含水率と内部割れとの関係 9

13 FFPRI 温度の制御方法高温セット処理は乾球温度 12 湿球温度 9 の条件で時間行いますこの処理によって大きなドライングセット効果が得られます ( 図 5-3) 乾燥初期に高温セット処理を取り入れた乾燥工程では乾燥後半には処理温度を 1 以下にする ( 図 5-3) あるいは減圧乾燥や天然乾燥などによって乾燥時の材温を低下させますこれによって内部割れを防止することができます ( 図 5-4) 高周波減圧乾燥と組み合わせると内部割れを少なくし急速乾燥することも可能になります含水率 (%) 温度 ( ) 高温セット処理含水率乾燥時間 (H) 乾球温度湿球温度図 5-3 乾燥スケジュールと含水率経過 * 材寸法 : cm セット処理を活かす条件表面割れを防ぐには乾燥初期の高温処理の時間を長くする必要がありますが内部割れを防ぐには早めに材温を下げることが必要ですこれらは相反する条件であるため製品として求められる品質に合わせて乾燥処理条件を適宜調整することが必要ですなおセット処理を活かすには ; 1 温度湿度風量の制御を適切に行うことのできる装置を選ぶ 2 乾燥前に表層が乾きすぎないようにする 3 表層の含水率が少なくとも 2% 付近に達したことを終了の目安とする 4 乾燥前の選別により初期含水率を揃えるようにする 1 本当りの内部割れ面積 (cm 2 ) 1 本当りの内部割れ面積 (cm 2 ) 2. 近似曲線 ( 高温乾燥 ) 高温乾燥 1.5 高温セット + 中温乾燥含水率 (%) 2. 高温乾燥高温セット + 高周波減圧乾燥高温セット + 高周波減圧乾燥 2 近似曲線 ( 高温乾燥 ) 含水率 (%) 図 5-4 乾燥条件が内部割れに与える影響 1

より低温で水分蒸発を速めたりしますしかしどの方法も心持ち材特有の表面割れや内部割れを生じさせない工夫を施すことが大切です過熱蒸気の利用

日程度で乾燥するのが一般的です圧力容器 ( 写真 6-1) を用いて過熱蒸気乾燥を行うと内部割れを発生させずに高温で乾燥することができます過熱蒸気による乾燥では

写真 6-2 に示すように内部割れ表面割れが防止できますただし高温高湿処理ですので大きな変色が生じます材色変化を防止するためには過熱蒸気処理を 2 日程度に止め

材色を著しく改善できますこの場合の乾燥時間は過熱蒸気により高温乾燥する場合よりも約 1 日延びることになります写真 6-1 過熱蒸気式木材乾燥装置 * 過熱蒸気として 1

14 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 6. 乾燥を速める乾燥コストを低減するには乾燥を速め乾燥時間を短縮するのが一つの方法ですそのためには高温蒸気を用いたりあるいは減圧して沸点を下げより低温で水分蒸発を速めたりしますしかしどの方法も心持ち材特有の表面割れや内部割れを生じさせない工夫を施すことが大切です過熱蒸気の利用一般的な蒸気式乾燥機を用いて心持ち柱材を処理した場合乾燥温度を高めて乾燥を速めようとすると内部割れが多く発生しますそのため平均温度を下げて 7~9 日程度で乾燥するのが一般的です圧力容器 ( 写真 6-1) を用いて過熱蒸気乾燥を行うと内部割れを発生させずに高温で乾燥することができます過熱蒸気による乾燥では乾燥初期の湿度条件を高く保ち乾燥に伴って湿度を徐々に低下させます ( 図 6-1) 乾燥時間は 3 4 日程度で済みます過熱蒸気処理の特徴 13 の高温処理にもかかわらず写真 6-2 に示すように内部割れ表面割れが防止できますただし高温高湿処理ですので大きな変色が生じます材色変化を防止するためには過熱蒸気処理を 2 日程度に止めその後は減圧乾燥により低い温度で乾燥します写真 6-2 の右側に示すように高周波加熱減圧乾燥との組み合わせによって表面割れ内部割れの程度は変わらずに材色を著しく改善できますこの場合の乾燥時間は過熱蒸気により高温乾燥する場合よりも約 1 日延びることになります写真 6-1 過熱蒸気式木材乾燥装置 * 過熱蒸気として 1 以上で常圧より高い圧力を持ちかつ飽和温度より高い温度の蒸気を使います温度 ( ), 相対湿度 (%) 含水率 (%) 含水率温度絶対圧力湿度処理時間 (hr) 絶対圧力 (MPa) 図 6-1 温度と圧力の制御方法 * 絶対圧力を制御することによって湿度を調整します過熱蒸気乾燥過熱蒸気前処理 + 高周波加熱減圧乾燥写真 6-2 乾燥後の内部割れと材色 11

15 12

16 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 7. 組み合わせ処理を考えるスギ材は初期含水率が高くコスト低減が難しいまた含水率のばらつきが仕上がりを均一化するのを難しくしています生産方法によっては品質を確保することが難しい場合やコストの低減に限界が生じる場合も考えられますしたがって一つの方法や装置を使って乾燥することが効率的ですが場合によってはいくつかの方法を組み合わせて処理することも必要になります組み合わせ処理の考え方要点 5(9ページ ) に示すように天然乾燥等の低温条件で心持ち材を乾燥すると材面に大きな割れが生じやすくまた含水率等の管理が難しいという問題がありますまた人工乾燥ではコスト低減が難しい場合もありますこのため表 7-1に示すように前処理と仕上げ処理を異なる方法で行うなど目的に合わせて乾燥材の品質向上やコスト低減を図ることが考えられます表 7-3には柱材を対象にした様々な組み合わせ処理条件を示しています主に乾燥割れの防止もしくは乾燥時間の短縮を考慮したものです組み合わせの効果組み合わせ処理により仕上がりの均一化などの利点が得られると同時に図 7-1 に示すように天然乾燥を導入する場合にはコストを削減できる可能性があります乾燥コスト ( 円 /m 3 ) 蒸気式 ( 中温 ) 蒸気式 ( 高温 ) 5 天然 + 蒸気式 ( 中温 ) 蒸気式 ( 高温 )+ 天然乾燥材生産量 (m 3 / 月 ) 図 7-1 天然乾燥との組み合わせがコストに与える影響表 7-1 組み合わせ処理の方法と目的方法高温処理目的前処理仕上げ材種等表面割れの防止含水率の低減含水率の均一化乾燥時間の短縮中温乾燥天然乾燥高周波加熱併用乾燥内部割れの防止省エネルギー仕上がりの均一化心持ち材断面の大きな材 13

17 FFPRI 表面割れ抑制のための主な前処理表 7-2 に主な前処理装置とその処理条件を示しています ( 高温セット処理 ) 蒸気式乾燥機を使って高温セット処理を行いその後は天然乾燥あるいは中温の蒸気式乾燥など他の乾燥方法を用います表層の含水率が 2% 程度になるまで処理すると材面割れの抑制効果が得られますので含水率が特に高い場合には処理時間を長くする必要があります ( 蒸煮減圧処理 ) 圧力容器を使って 1 以上で蒸煮処理したあと減圧処理を行うことによってその後の乾燥における心持ち材の割れ発生を抑制します処理後に短時間天然乾燥した後一般の蒸気式乾燥法等で仕上げることもできます ( 高温過熱蒸気処理 ) 心持ち材の表面割れ防止は乾燥温度が高いほど有利なので要点 6(11 ページ ) に示したように高温過熱蒸気を使うことによって通常よりも処理温度を高めて処理時間を短縮することができます表 7-2 割れを防止するための前処理条件装置蒸気式乾燥機過熱蒸気処理装置蒸煮減圧処理装置前処理条件蒸煮処理乾燥処理温度 :95 乾球温度 :12 時間 :6hr 湿球温度 :9 時間 :18 24hr なし缶内温度 :14 相対湿度 : 約 4% 処理時間 :4hr 減圧時間 :7 8hr 温度 :12 時間 ;6 7hr ( 含む解放時間 ) 処理後含水率 ( 目安 ) 4-5% 6-7% 5-6% 表 7-3 組み合わせ処理による柱材の乾燥条件組み合わせ方法温度 ( ) 処理日数の目安 ( 日 ) 割れの抑制効果処理後乾燥方法別合計表面割れ内部割れ含水率コスト備考蒸気式高温セット処理 12 1 天然乾燥柱材過熱蒸気処理天然乾燥柱材蒸煮減圧処理天然乾燥平角材過熱蒸気処理蒸気式中温乾燥柱材蒸気式高温セット処理 12 1 蒸気式中温乾燥柱材過熱蒸気処理高周波加熱減圧乾燥柱材蒸気加熱減圧処理蒸気高周波併用減圧乾燥柱材蒸気式高温セット処理 12 1 高周波加熱減圧乾燥柱材蒸気式高温セット処理 12 2 マイクロ波加熱乾燥丸太 1 調湿 5 6 * : 良好 : 普通 : やや問題あり 14

18 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 8. 乾燥材の性能を知る生材を使って短期間に住宅を建てるときしみが生じたり壁に亀裂が入るなどの不具合が生じるばかりではなく構造性能にも影響を及ぼしますそのため住宅を建てるときには建築用部材として品質が優れた乾燥材が必要ですしかし乾燥条件によっては部材の強度や耐久性が低下するため乾燥材の性能を理解することが大切ですめり込みクリープ変形量 [mm] 耐力壁の性能耐力壁は地震や風の水平力に抵抗し建物の安全を確保するための重要な要素です耐力壁には筋かい壁針葉樹合板壁ボード壁せっこう壁など様々な種類があります生材を使用すると時間経過に伴い耐力壁を構成する部材の含水率が低下しますこの際図 8-1 に示すように初期剛性は低下し変形しやすい壁になりますこれを防ぐには施工段階から乾燥材を用いることが必要です接合部の性能接合部は建物を構成する部材と部材を繋ぐ所です生材を用いたボルト接合部は図 8-2 に示すように時間経過に伴い部材含水率が低下し部材の収縮がはじまると同時にクリープ変形量の急激な増加が生じますこのため構造的な狂いが生じやすくなります図 8-3に示すように乾燥材を使った接合部は変形しにくくなります屋内 84% 恒温恒湿室 67% 屋内 67% 含水率クリープ変形量経過時間 [hr] 屋内 84% 恒温恒湿室 67% 屋内 67% 図 8-2 ボルト接合部のクリープ変形量と部材含水率との関係部材含水率 [%] 初期剛性 ( kn/mm) 強さの比 ( 生材を 1 としたときの値 ) 剛性の比 ( 生材を 1 としたときの値 ) % 1.5 筋かい壁針葉樹合板壁ボード (OSB) 壁せっこう壁 % 16. 4% 15. % 6. 5% 15. 3% % 15. 4% 15. 6% 17. 2% 15. 7% 15. 6% 48. 7% 17. 1% 15. 2% 16. % 数字は実験時含水率時間経過 ( 年 ) 図 8-1 乾燥を伴う時間経過と耐力壁の初期剛性との関係 * 初期剛性は耐力壁の変形のしにくさを表します人工乾燥材 ( 乾燥強 ) 人工乾燥材 ( 乾燥強 ) 人工乾燥材 ( 乾燥中 ) 人工乾燥材 ( 乾燥中 ) 生材生材図 8-3 釘接合部における生材と人工乾燥材強さの比較 * 乾燥程度が違うスギ乾燥材と生材で作製した釘接合部について強さ ( 上図 ) と変形しにくさ ( 下図 ) を比較しています * クリープ変形とは加わる力が同じでも変形が進む現象です図中の % は接合部にかかる力のレベルを表しています 15

19 FFPRI 部材の強度住宅の梁などのたわみやすさの指標となる曲げヤング係数は乾燥条件による違いはありません ( 図 8-4) しかし強さの指標となる曲げ強さは 9 と 12 の乾燥でほとんど違いがありませんが 135 では他よりも明らかに低下します ( 図 8-5) 力の加わり方によっても乾燥条件が強度性能に及ぼす影響は異なりますが強さについて云えば乾燥温度が高すぎると低下してしまいますまた乾燥温度の他にも内部割れが大きいと強さに影響することが考えられます部材の耐久性心材は本来的に微生物や菌からの攻撃に対して強く辺材に比べて耐久性が高い部分ですシロアリに対する強さの指標となる耐蟻性は乾燥条件の影響がほとんど認められません ( 図 8-6) しかし腐朽菌に対する強さの指標となる耐朽性は乾燥温度が高くなるに従って少しずつ低下します ( 図 8-7) このように乾燥条件によっては耐久性が低下することに留意する必要があります曲げヤング係数 (kn/mm 2 ) 曲げ強さ (N/mm 2 ) 時間時間時間パーセンタイル図 8-4 乾燥条件が曲げヤング係数に与える影響 * パーセンタイルとは測定値を小さい方から並べてパーセントで見た数字です時間時間時間パーセンタイル図 8-5 乾燥条件が曲げ強さに与える影響シロアリによる質量減少率 (%) 時間 12 4 時間時間 9 12 時間スギ心材スギ心材スギ心材スギ辺材オオウズラタケによる質量減少率 (%) 時間 12 4 時間時間 9 12 時間スギ心材スギ心材スギ心材スギ辺材図 8-6 乾燥条件と耐蟻性との関係図 8-7 乾燥条件と耐腐朽性との関係 * 重量減少率が小さいほど耐蟻性があります * 重量減少率が大きいほど腐れやすいことを示しています 16

製材工場において主流を占める蒸気式乾燥機の多くが重油や灯油を燃料としています製材工程からは原木量の 3 4% の残廃材 ( 写真 9-1) が排出されますこのうち約 75% はチップや家畜敷料などとして残りの約 25% は燃料として利用できます乾燥用の蒸気をつくるには木屑炊きボイラー ( 写真 9-2) を使用しますがその設備費は高いので

20 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 9. エネルギー循環を考えるスギ材乾燥にはエネルギーを必要とします重油等の化石燃料を使用するとコストの低減には限界があるとともに地球温暖化対策としてカーボンニュートラルの木材利用を進める上でも意味がなくなります今後木材乾燥工場では使用エネルギーを木質系燃料に代えていくことを積極的に推進する必要がありこれが乾燥コスト低減にもつながると考えられます工場残廃材を活用する製材工場において主流を占める蒸気式乾燥機の多くが重油や灯油を燃料としています製材工程からは原木量の 3 4% の残廃材 ( 写真 9-1) が排出されますこのうち約 75% はチップや家畜敷料などとして残りの約 25% は燃料として利用できます乾燥用の蒸気をつくるには木屑炊きボイラー ( 写真 9-2) を使用しますがその設備費は高いのでコスト低減効果を得るためにはある程度の生産規模が必要になります表 9-1 に示すように生産規模が月産 5m 3 程度に大きくなると木屑燃料による乾燥コストの低減効果が大きくなります写真 9-1 工場残廃材廃材処理のために焼却炉を設置するかあるいは産業廃棄物として処理する必要がありこのための経費がかかります木屑燃料を使用すると廃材処理が不要になります表 9-1 蒸気式乾燥機による燃料の種類生産規模別の乾燥コスト燃料乾燥コスト ( 円 /m 3 ) 1m 3 / 月 3m 3 / 月 5m 3 / 月灯油 11, 9, 6 9, 1 木屑 11, 5 7, 3 6, 4 変化率 +5% 24% 3% 乾燥コスト : 設備償却費人件費燃料費乾燥温度 :12 9 乾燥日数 :7 日灯油価格 :7 円 /L 廃材価格 : 円写真 9-2 木屑炊きボイラー 17

21 FFPRI 乾燥工場におけるCO2 排出量国内 17の製材工場を対象にして行ったCO2 排出量の評価結果を図 9-1に示しています人工乾燥しなければ排出量は少ないのですが人工乾燥を行っても製材品の単位生産量あたりCO2 排出量は工場の生産規模が大きい場合には少なくなります人工乾燥の方法によっても排出量は異なりますが乾燥材製造によるCO2 排出量は平均すると約 15kg-CO 2 /m 3 程度になります単位生産量あたり排出量 (kg-co 2 /m 3 ) 乾燥材未乾燥材製品生産量 ( 千 m 3 / 年 ) 図 9-1 乾燥材および未乾燥材の単位生産量あたり CO2 排出量の関係木屑利用によるCO2 排出の削減効果表 9-1には製材工場における木屑利用によるCO2 排出量の削減効果を示しています乾燥工程では9% ほどの削減ができ平均すると工場全体では約 3% の削減が見込めることを示しています今後地球温暖化対策として省エネルギー化が進み生産工程における環境負荷が製品を評価する大切な尺度となることも考えられます木材乾燥にかかるエネルギーは比較的大きいのでその環境負荷を低減していく努力が大切です CO 2 排出量 (t-co 2 ) 木屑で代替した場合灯油または重油軽油電力 A B C D E F G H I J K L M 製材工場図 9-2 木屑で化石燃料を代替した場合の CO2 削減の効果 * 計算の根拠 : 熱量重油及び灯油 75kcal/l 木屑 26kcal/kg 排出原単位灯油 2.677kg-CO 2 /l 重油 2.835kg-CO 2 /l 木屑.112kg-CO 2 /kg *A~M はそれぞれ生産規模乾燥方法が異なる 18

22 森林総合研究所スギ乾燥のための 1 の要点 1. 効率的なシステムをつくるスギ乾燥材の生産効率を上げひいてはコスト低減を図るためには生産規模の拡大はもとより最終用途の品質を勘案した原材料選別天然乾燥との組み合わせの導入さらには木質廃材の活用などを考慮し効率的な乾燥材生産システムを構築することが必要です用途区分とその処理条件方法乾燥材に求められる品質は使用目的によって異なるため材種や用途によって適正な乾燥条件を選択することが大切です図 1-1に柱材向け及び造作材向けの蒸気式乾燥スケジュールの例を示しています表 1-1は乾燥材の品質や生産の効率性を勘案して原木選別から最終的な品質性能評価にいたる用途別の生産工程を示しています乾燥方法条件は乾燥材の品質だけではなく生産コストや生産を取り巻く社会環境等に基づいて決定されますが品質とコストは相反するため目的に合った乾燥条件や方法を選択するとともに合理的な生産システムをつくることが大切です乾燥温度 ( ) 乾燥温度 ( ) 乾球温度湿球温度乾燥時間 (hr) 乾球温度湿球温度乾燥時間 (hr) A. 柱材 ( 一般材 ) のための高温セット処理を取り入れたスケジュール B. 造作材のための天然乾燥後に中温乾燥する際のスケジュール図 1-1 用途による乾燥スケジュールの相違表 1-1 用途別の乾燥処理工程の例材種用途平角材正角材板材工程梁桁材管柱土台管柱土台管柱土台形質含水率ヤング率形質含水率自動木取り自動製材自動木取り自動製材前処理乾燥仕上げ重量選別蒸煮高温処理中温高周波含水率強度高周波複合式蒸気式天然乾燥中温含水率強度形質含水率重量選別蒸煮高温処理中温含水率強度蒸気式 ( 高温 ) 形質含水率重量選別蒸煮過熱蒸気減圧含水率強度圧力容器式化粧柱形質背割り加工低温含水率材色造作材下地用材原木選別製材製材選別形質自動木取り自動製材乾燥処理品質評価等天然乾燥中温含水率材色ラミナ - 曲がり挽き重量選別天然乾燥中温含水率強度蒸気式除湿式備考丸太建築用通直材蒸煮高温処理天然乾燥マイクロ波中温含水率 19

FFPRI 効率的な乾燥材生産システム乾燥材生産の効率向上には原木の性質に応じた適切な乾燥前選別とともに生産規模の適正化とエネルギ

生産の大規模化によって作業や操作の自動化や木屑等バイオマス利用のシステム化などのメリットが生じます図1-２には乾燥材品質確保と

しています原木原木選別機製材機自動さん積機重量選別機乾燥材グレーダー乾燥機電力乾燥材蒸気粉砕機サイクロンプレ乾燥

製材重量選別グレーディング省力化自動さん積み機省エネ化木屑炊きボイラーシステムスギ乾燥材生産のために

木質資源の循環利用を図りながら地域事情に合った乾燥材生産システムをつくることが必要ですスギ人工林原木選別技術丸太効率的な乾燥システム

23 FFPRI 効率的な乾燥材生産システム乾燥材生産の効率向上には原木の性質に応じた適切な乾燥前選別とともに生産規模の適正化とエネルギー費の削減方法を考える必要がありますエネルギー費削減には工場残廃材の利用が考えられまた様々な品質要求に対応できる乾燥施設が必要です生産の大規模化によって作業や操作の自動化や木屑等バイオマス利用のシステム化などのメリットが生じます図1-２には乾燥材品質確保と大幅なコスト低減をねらいとし選別機を導入し自動さん積み機によって生産の省力化を図りかつ工場残廃材等を利用した生産システムの一例を示しています原木原木選別機製材機自動さん積機重量選別機乾燥材グレーダー乾燥機電力乾燥材蒸気粉砕機サイクロンプレ乾燥小型蒸気タービン蒸気復水器木屑炊きボイラー集塵器煙突排ガス端材等図1-2 効率性を考慮した生産システムの例品質向上原木選別製材重量選別グレーディング省力化自動さん積み機省エネ化木屑炊きボイラーシステムスギ乾燥材生産のために森林施業の変化に伴う原木条件の多様化と消費者の品質要求に的確に対応する技術を活用することで乾燥材を市場へ安定的に供給することが大切です木質資源の循環利用を図りながら地域事情に合った乾燥材生産システムをつくることが必要ですスギ人工林原木選別技術丸太効率的な乾燥システム乾燥コスト低減生材含水率や強度の非破壊測定適正な乾燥制御省エネルギー自動制御原木供給規模拡大乾燥効率や製品の要求品質による乾燥品質の向上丸太や製材の選別市場への安定供給市場ニーズの把握強度, 耐久性, etc 含水率管理 2

24 独立行政法人森林総合研究所第 1 期中期計画成果集 18 スギ乾燥のための 1 の要点発行日編集発行お問い合わせメールアドレスホームページ印刷所平成 18 年 3 月独立行政法人森林総合研究所茨城県つくば市松の里 1 電話 29(873)3211 企画調整部研究情報科 kanko@ffpri.affrc.go.jp 株式会社梶本

スライド 1

スライド 1 1 木造トラスの基礎知識について第 2 回研修会木材の基礎知識についてー木材強度編ー愛媛県林業研究センター主任研究員玉置木材の強度特性強度とは強度に影響する因子とばらつき JASの等級区分と性能信頼性ヤング係数の測定方法について ( 実習方法 ) その他 2 木材の強度とは? 変形の起こりにくさヤング係数破壊の起こりにくさ強度力の種類方向によって圧縮引張曲げせん断座屈割裂など