熱化学還元処理
Thermo Chemical Reduction Method (TCR)

木質バイオマスの燃焼ガス特性を応用した熱化学還元法による木材の形状・寸法安定化技術

本技術を含めた木材乾燥技術全体の問題点

（I）乾燥技術上の問題

本技術は、従来「燻煙乾燥」と呼ばれ、木材廃材を燃やした折に発生する煙で処理材を燻すことで乾燥させる直熱式乾燥技術と定義されているが、木材に対する煙の作用機能についての明確な科学的裏付けも少なく、技術上、システム上の問題も多く、未だに社会認知が進んでいない。

他方、従来の木材乾燥技術そのものも安易に含水率を軽減させることだけに終始し、木材の材料特性を科学的に解明した結果に基づいたものではなく、対症療法のような手段による試行錯誤がいまだに繰り返されている。この最たるものが最近の木材乾燥の主流と成っている「高温乾燥法」である。乾燥の困難な梁桁、柱材など木造建築の構造部材の乾燥に用いられている。しかし、材内部に多くのミカン割れが発生し、大きな問題を抱えているにもかかわらず、表面割れが発生しないというだけでごまかしで用いられているが近い将来この技術の瑕疵が問われることになるだろう。

（II）木材学会・木材関連業界の問題

• 1960年代から工業立国として国策の転換。
• 林業の切捨て。
• 外国産材の輸入自由化による国産材の低迷。
• 木材工業の急速な発展による木材の原料化と連動して国産材の低価格化が林業衰退に拍車を掛けた。
• 関連学問分野が木材素材そのものの材料特性を総合的・全体的に行う研究を等閑にしてきた。
• 木材素材関連業界も関連学問分野同様旧態のまま革新的な技術開発が等閑にされ、素材の規格化が進められなかった。
• 木材代替品の規格化とその大量生産システムの波に飲み込まれ、素材本来の持っている優れた機能を商品化する機会を失した。
• 国の対症療法に終始した無策が今日の衰退を更に促進させた。

木材が変形する要因

樹木が、巨木になると数十トンにもなる樹体を支え、風や雪などの外力に抗して生きていくために樹幹内部に種々のプレストレスの場を作り出している。これらのプレストレスは、樹木を構成する組織細胞の構造、細胞を構成する組成分の構造、更には組織内に蓄えられた水との複雑極まりない相互作用によって作り出されるが、我々が木材として利用する上ではこのプレストレスが大変な障害となる。

このプレストレスは、（1）成長応力、（2）アテ、（3）旋回木理、（4）樹幹内の水分分布、（5）節の存在などが原因となって発生する。

このプレストレスが原因となって木材利用上の種々の欠点、すなわち、割れ、反り、曲がり、捩れに加え、材の膨潤・収縮が生ずる。

（1）樹幹内に発生する内部応力（成長応力）　幹の垂直方向で形成される力

幹の表面から半径の1/3のところまでは、垂直方向で引張り応力が働いており、外皮側で最大になり、半径1/3のところで応力はゼロになる。

半径1/3から幹の中心部（髄）に向かって垂直方向の力は圧縮応力に変わり、髄の部分では理論上無限大の圧縮応力となる。

（2）樹幹内に発生する内部応力（成長応力）　幹の接線方向で形成される力

• 幹の接線方向（円周方向）では、外周部で圧縮応力が、内部では引張り応力が働き、均衡を保っている。
• 製材後、板目面が木表側に反るのはこれが原因の一つになる。

（3）旋回木理・交錯木理

通直で高木になる樹木は幹を支えるための手段として幹の周囲に螺旋を巻くようにして組織を形成する。このような木から板や柱を製材すると捩れてしまう。

周囲の環境で、枝が一方向にしか伸びられないで育つ樹木も幹を支えるために同様の組織を形成する場合がある。 このような組織を旋回木理と呼び、図に示したような三つの形態がある。

（4）アテの形成（傾斜地の場合）

（5）樹幹通直部でのアテの形成

• 風が強い環境では幹の通直部分にもアテが形成される。
• アガチスやパラナパインの様に、樹幹の先端部に枝葉を付ける樹木は風の影響を受け易く、通直部に多くのアテが形成される。
• わが国東北地方の日本海側で特に風の強いところの地域のスギも多くのアテが通直部で見られる。このような材は、通常のスギと比べて強度は高いため構造材に用いれば効果的。

（6）樹幹内部の水分分布

針葉樹は辺材、心材の含水率差は大きく、スギの正常材（赤芯材）では、辺材が平均200 %前後、心材は平均120 %前後であるが、黒芯材では逆転し、辺材部で平均120 %前後、心材部では250 %を超える場合がある。広葉樹では、辺心材の差は大きくなく、平均で100 %前後である。

木材素材そのものの形状・寸法安定化をどのようにして達成するか

木材の変形（割れ、反り、捩れ、浪打、膨潤、収縮、落ち込み）は、利用上の大きな障害となっていた。この変形の要因となる主なものを5項目にまとめたが、これら五つの変形要因を一まとめにして除去・緩和する技術はこれまで確立されていなかった。

これまで行われてきたのは、5番目の要因である木材中の水分を除去する方法で、昔から行われてきた自然乾燥による「枯らし」と人工乾燥法がある。しかし、この方法は残り四つの変形要因を除去することはほとんど出来ないため、生材からの製品歩留は40 %前後にまで減少し、木材素材産業のコストパフォーマンスは低レベルに留まっている。

この問題を解決するために、接着加工や機械加工の技術を高度化する努力が払われたが、大量生産、大量消費のシステムの肥大化と木材素材の原料化による資源の急速な枯渇を招く結果となり、関連産業の急速な衰退を引き起こすことになった。

木材素材の変形要因を一まとめに緩和・除去する技術を確立し、これまで不完全であった天然素材の規格化を実現し、その材料機能を商品化することが関連産業の再生につながる道であろう。これを可能にする唯一の技術が燻煙熱処理（木質バイオマスの燃焼ガス特性を応用した形状・寸法安定化技術）である。

木材素材そのものの利用に関するパラダイム・チェンジ

• 情緒的素材信仰の払拭　→　情緒的機能の科学的裏付け
• 天然乾燥信仰の見直し　→　非合理的手段からの脱却
• 人工乾燥信仰の見直し　→　機械システムの無駄を検証
• 木材素材研究における総合科学的視点からの学問分野の再構築
• これまで経験則に基づいて使われてきたそれぞれの樹種・材質の材料機能の特定とその商品化
• 各木材素材そのものの本質的な規格化
• 材料機能の数値化と最適デザインの構築

燻煙熱処理技術

• 一般的認識は低級・非科学的技術。
• 木材の形状・寸法安定化技術としては、最先端の総合科学技術。
• 低炭素化社会実現に対しても最短技術の一つ。
• 木材素材そのものの有効利用にとって最適技術であるばかりかエンジニヤリング・ウッドの製造にとってもコア技術となる。
• 木材素材寸法・形状安定化・改質の最適技術。

燻煙熱処理　→　熱化学還元処理

燻煙熱処理は、直熱式の木材乾燥法として木地師がロクロ加工に荒木取りした木地を乾燥するのに昔から用いられていた技術である。

この技術をケヤキの原木処理に初めて用いたのが、群馬県の銘木屋の氏家実という人物である。これまでは、ケヤキという暴れやすい材の形状寸法安定化させるために長期間林地に放置し、辺材（白太）を腐らせた後、赤身だけを利用する方法が主流であった。これではあまりにも時間が掛かり過ぎるため、短期間で利用できる方法を、落雷によって燃えた材が狂いの少ないことにヒントを得てこの処理方法が考えだされたと云われている。

最初は、高温で辺材が炭化するところまで処理したようだが、短期間で寸法が安定することが分かり、一躍脚光を浴びることになった。

しかし、思い付きの中途半端な技術であったため、瑕疵が多く、この技術の裏付けに関わった木材関連学者も乾燥学の専門家が主であったため、総合的な視点を欠いた。

この技術が、明確な熱化学に由来することを初めて明らかにしたのが私、野村隆哉である。燻煙の基本となる燃焼ガスの特性を明らかにし、総合的にそのメカニズムを解明し、燻煙と云うファジーな表現を「熱化学還元」と云う、明確な科学技術用語で定義したが、残念ながら未だに社会認知が得られていない。

熱化学還元法という新しい技術として社会認知されるためには、多くの実証例を積み上げていく必要があるだろう。

この技術を今後は「熱化学還元法、Thermo Chemical Reduction Method （TCR）」と命名することにした。

人工乾燥（KD法）および熱化学還元処理（TCR）の比較

酸化雰囲気と還元雰囲気の化学反応の相違

酸化雰囲気

酸素および熱の相乗効果による木材組織の酸化劣化細胞の落ち込み、割れ、変形の発生。

還元雰囲気

無酸素状態での燃焼ガス成分および木材組織成分間における自己組織化による組織の固定、安定化。

酸化雰囲気中での木材の酸化劣化

人工乾燥（KD法）の場合、木材の乾燥に加熱空気を用いるが、その際、空気中に含まれる酸素によって木材組成分から水素が引き抜かれ、木材は酸化劣化を引き起こす。

加熱空気が高温になればなるほど酸化劣化は進む。

酸化雰囲気中での木材の酸化劣化の実例

 左図　熱化学還元処理、右図　高温乾燥

• 人工乾燥、特に高温乾燥では処理材表面がドライング・セットされることにより、続いて起こる材内部の収縮によりミカン割れが発生する。
• 活性化された酸素が木材組織成分から水素を引き抜き、組織を劣化させることがミカン割れを更に加速する。

還元雰囲気中での木材の自己組織化

模式図1

模式図2

模式図3

還元雰囲気での木材組織が自己組織化した証拠の具体例

（1）細胞壁の固定化

熱化学還元処理前後の走査型電子顕微鏡による 木口断面の比較（イタリアポプラ）

無処理材の細胞壁は切削面に多くのバリが観察されるが、処理材の切削面は滑らかな面になっている。この結果が意味するものは、細胞壁を構成する成分が自己組織化によって組成分相互が確りと結合したことを示している。

• 無処理材の細胞壁と比べてTCR処理材では細胞壁断面で切削による組織のむしれは見られずきれいな断面になっている。
• 細胞組織が自己組織化によって固定されたことを示す具体例。

（2）オイルパーム樹幹組織の固定化

• 老齢化して実の収穫の低下したオイルパーム（油椰子）の樹幹は高含水率（250～500 %）のため、再利用が難しく廃棄されている。
• マレーシア・インドネシアを合わせると年間約2億トン。
• このオイルパーム材の形状寸法安定化を達成。
• TCR処理の還元雰囲気での熱化学反応による自己組織化を証明。

自己組織化の実証例

（1）気乾含水率－気乾比重

• スギ自然乾燥材の気乾含水率（平衡含水率）は平均で18.2 %、熱化学還元処理材の含水率は12.7 %。
• 熱化学還元処理材では自然乾燥材に比べて気乾含水率は約30 %低下する。
• この結果は、熱化学還元処理材が自己組織化によって水と親和性のある部分が疎水化したことを示す。この結果、周囲の湿度環境に対して自然乾燥材に比べて安定であることを示している。
• すなわち、湿度変動に伴う材の膨潤、収縮に伴う材の狂いが軽減されることを意味する。

（2）接線方向収縮率比較

• 自然乾燥材の接線方向収縮率は平均で3.92 %。熱化学還元処理材は2.11 %と自然乾燥と比較して約46 %少なくなる。
• この結果は、木材組織を構成するセルロース、ヘミセルロース、リグニン等の構成分子間で自己組織化による新たな結合により組織が強固になることを示している。
• この結果からも熱化学還元処理を行うことで寸法・形状安定化が向上することが示された。

（3）半径方向収縮率比較

• 自然乾燥における半径方向収縮率は平均2.29 %。熱化学還元処理の場合、1.37 %と、接線方向同様半径方向でも収縮率の減少が示された。
• 一般的には、木材の収縮率は接線方向、半径方向、繊維方向で平均的比率は10:5:0.5～1とされている。
• 熱化学還元処理の場合、接線方向10に対して半径方向は6.5と収縮異方性は改善され、等方性に近づくことが示された。

TCRのメカニズム

処理炉内部の熱的・熱化学的環境

（I）処理炉内部の熱的・熱化学的環境熱量

• 上図は、丸太の大小に係らず重量減少率はほぼ一定であることを示している。
• TCRの最大のメリットである熱放射による内部加熱効果によって、丸太直径の大小に係らず、ほぼ均一加熱が行われることを示す。

（II）処理材内部の熱的・熱化学的環境（熱振動）

木質材料を熱源とする燃焼ガスは、燃焼過程で温度に揺らぎを生ずる。このゆらぎによる炉内温度の変動が材の膨潤収縮に変わり、熱によって軟化したリグニンを更に動きやすくする。これによってセルロース・ミクロフィブリルで形成された歪も解放される。

（III）処理材内部の熱的・熱化学的環境（過熱水蒸気）

熱媒体の違いによる水の蒸発速度勾配比較

加熱空気と過熱水蒸気の熱エネルギー比較

過熱水蒸気の効果的利用

高含水率（広葉樹生材平均100 %、針葉樹、スギの場合平均200 %、オイルパーム生材平均250 %）の丸太を処理する場合、処理温度を200 ℃まで上げても適切な処理時間内であれば過熱水蒸気の熱伝導特性を利用して処理材の含水率を効率よく下げることが出来る。

（IV）黒体輻射熱

煤（未燃炭素）の黒体輻射熱（熱放射）効果

• 煤の塊1個の大きさを直径0.1 mmの球体で考え、燃焼ガスによって20 kgの煤が発生したとすると、20 kgの煤の表面積の合計は533.68 m²。
• 炉内温度100 ℃、煤の表面積1 m²、1時間当りの輻射熱は960 kcal。 533.68 m²では約512,000 kcal。 100 ℃、24時間で約1230万kcalとなる。
• 燃料になる木材廃材の発熱量は、含水率50 %で1kg当り2500 kcalとされているから、煤20 kgの黒体輻射熱量1230万kcalは、木材廃材4.92トンの発熱量に相当する。
• この熱放射エネルギーは、直接木材に吸収され、熱に変わり材の温度を効率よく上げることになる。
• これだけの熱効果がコストを掛けないで得られる上、低炭素化に貢献できる。

（V）還元雰囲気下での熱化学反応

野村式TCR技術の理論的背景

• 木材樹幹部組織は生材状態で通常50～80 %前後の水を含み一種の固溶体状態
• 野村式TCR技術は、「固溶体」を「固体」化し、「組織の固定」と「寸法の安定化」を図る技術で、単なる「乾燥」とは異なる。
• ポイントは、「還元雰囲気での熱による水分除去」「熱化学反応及び煙成分による重合・架橋結合・置換」

処理炉内部の熱的・熱化学的環境（潜熱）

木材主要構成成分の熱軟化点（℃）

木材の狂い、割れ、変形原因の一つである内部応力（成長応力を含む）は、木材細胞壁内に形成される歪の結果である。Cellulose成分が歪を作り出し、Ligninがこの歪を固定している。この歪を固定しているLigninは、木材の含水率が高い状態で軟化点は低くなる。その結果、歪が解放され内部応力は緩和される。

リグノセルロース（天然木質材料）熱分解生成ガスの特性

野村式TCR技術まとめ

• 木質バイオマスの燃焼ガスによる熱化学反応を利用した木材の形状・寸法安定化と乾燥を同時に行うことが出来る。
• TCRは、KD法のような熱と湿度調節のみの単純に水分を除去するだけの乾燥技術ではない。
• 還元雰囲気での熱分解生成ガス成分と木材組成分との相互気相反応を伴った自己組織化による素材そのものの改質技術。

TCRプロジェクト事業の思想

「野村式TCR技術」実績

• 1985年　野村式TCR技術の研究に着手（従来にない、内部応力が緩和できる乾燥技術を目指して）
• 1990年　燻煙熱処理研究会を京都大学木質科学研究所で発足
• 1992年　北九州市の（株）「福木」に野村式燻煙熱処理装置第1号設置
• 2000年　香川県塩江町「ソリッドウッド事業協同組合」に野村式燻煙熱処理装置第2号設置
• 2001年5月　マレーシア名誉総領事大塚氏（福岡担当）が、パーム樹廃材の活用技術^*相談のため、京都大学木質科学研究所野村隆哉（当時）を訪問
  ＊マハティール首相の依頼・マレーシア政府懸案事項
• 2001年12月　予備検討として、日本でパーム材22本を用い、京都大学内の野村式燻煙処理実験炉による組織固定化・寸法安定化の実験開始。結果、良好を確認（野村隆哉の研究費充当）
• 2002年2月　マレーシア第1次産業省リム大臣、パームオイル庁ユソフ長官を訪問・報告、補助金支給を決定（2003年3月　野村隆哉京都大学退官）
• 2003年11月　オイルパーム庁バイオマスセンター構内に実験炉2基設置（1.6億円）、パーム材の野村式燻煙処理による現地テスト開始
• 2004年9月　野村式燻煙実験炉によるパーム廃材の木質化・寸法安定化の成功（マレーシア・プロジェクト一旦終了）
• 2006年5月　鹿児島県の（株）「ドリーミィ」に野村式TCR装置第3号設置
• 2011年3月　京都府宇治市笠取に京都府補助事業で4号炉設置