バイオ由来難燃処理を施したパイン材の耐火性能向上

バイオ由来難燃処理とは

バイオ由来難燃処理とは、植物や微生物から得られる天然成分を用いて木材に難燃性を付与する技術です。
従来の難燃剤はハロゲン系やリン系の化学合成物質が中心で、燃焼時に有毒ガスを放出する懸念がありました。
一方、バイオ由来成分は再生可能資源から抽出されるため、環境負荷と健康リスクを同時に低減できます。
具体的には、フィチン酸、タンニン、キトサン、セルロースナノファイバーにリンや窒素を導入した複合材料などが候補です。
これらを水溶液化し、含浸または表面塗布によって木材内部へ浸透させることで、炭化促進層と不燃ガス発生層を形成し、延焼を防ぎます。

パイン材の特徴と課題

パイン材は成長が早く価格も安価で、建築や家具、内装、DIYまで幅広く利用されます。
柔らかく加工性に優れる反面、樹脂分が多く比重が軽いため火の回りが速いという弱点があります。
加えて、節が多い部位は樹脂成分の燃料化が顕著で、火災安全設計上のボトルネックになりがちです。
これらの特性から、パイン材に難燃処理を施して耐火性能を高めるニーズが高まっています。

バイオ難燃処理のメカニズム

バイオ由来難燃剤は乾燥時に木材内部でリン酸エステルやポリリン酸ネットワークを形成します。
加熱されると酸触媒反応によりセルロースの脱水炭化が促進され、厚い炭化層が生成されます。
同時に窒素を含む成分は非可燃性ガス（N₂やNH₃）を放出して酸素希釈効果をもたらし、炎の拡大を阻止します。
タンニンやキトサンが形成するポリフェノール骨格は熱分解温度が高く、断熱性も担保するため、木材内部温度の上昇を遅らせます。
この多重要因により、木材の発火点到達時間が大幅に延伸し、熱釈放率（HRR）が低下します。

処理方法と工程

含浸処理

真空加圧含浸装置を用い、前処理として木材を乾燥させ含水率を15％以下に調整します。
次に真空状態で気泡を除去し、難燃剤溶液を圧力1〜1.2MPaで30分〜1時間注入します。
その後、大気圧下で2時間程度保持し、内部深層まで拡散させます。
最後に低温乾燥炉でゆっくりと水分を蒸発させ、加水分解を防ぎながら難燃成分を定着させます。

表面塗布・スプレー

薄膜化したバイオ由来難燃コート剤をスプレーまたはローラーで塗布し、自然乾燥もしくはUV硬化樹脂を併用します。
再塗布を2〜3回行うことで表面濃度を高め、家具や内装材などサイズが小さい部材でも効率良く難燃性を向上させることが可能です。

耐火性能評価

コーンカロリーメーター試験

熱フラックス50kW/m²下でのピーク熱釈放率を比較すると、未処理パイン材が250kW/m²に達するのに対し、バイオ難燃処理材では80kW/m²以下に抑制されました。
発火時間は未処理が40秒、処理材は150秒以上と約4倍延長され、実火災時の避難時間確保に寄与します。

JIS A 1321燃焼試験

難燃2級の基準である炎の広がり距離65mm以下、残炎時間120秒以下を余裕をもってクリアし、さらに表面炭化層の厚さが2mmに達することで後燃えを防止できました。

実大炉試験

壁倍率2.5倍相当の構造用集成材パネルに処理したパイン材を張り、60分耐火要求の加熱曲線に対し、裏面温度上昇を140℃以内に保持できることを確認しました。

環境・健康へのメリット

バイオ由来難燃剤はVOC発生量が従来品の1/5以下に抑えられ、塗装作業時の作業環境も改善します。
燃焼時にダイオキシンやハロゲン系ガスを排出しないため、火災後の二次被害や消防隊員の健康リスクを最小化できます。
また、原料が植物性でカーボンニュートラルにカウントされるため、建材のLCA評価でCO₂排出量を削減できます。

建築・家具への応用例

内装制限が厳しい劇場や病院、木造3階建て共同住宅では、難燃合板の代替として処理パイン材を壁・天井に採用できます。
家具分野では、子供向け玩具や保育施設の什器に利用することで、有毒ガス発生リスクを低減しながら天然木の温かみを提供できます。
屋外デッキやフェンスにも適用可能で、炭化層が紫外線を遮断する副次効果により耐候性が向上し、メンテナンス周期を延長できます。

コストと経済性

難燃処理コストは1m³あたり2万〜3万円程度で、従来のハロゲン系薬剤より1割高い水準です。
しかし、付加価値として火災保険料の割引や、内装制限を緩和できることで設計の自由度が拡大し、総合的な建築コスト低減が見込めます。
さらに、バイオ原料の量産が進めば化学合成難燃剤と同等の価格帯になると予想されています。

今後の研究開発動向

大学・企業連携で進む最新の研究では、セルロースナノファイバーとフィチン酸をナノレベルで組み合わせたハイブリッド難燃剤が注目されています。
これにより、木材の機械強度を保持しつつ耐火性能をさらに30％向上できるとの報告があります。
また、AIを活用した含浸シミュレーションにより、木材の密度分布に応じた薬剤濃度の最適化も進行中です。
今後は、建築基準法の大臣認定取得や、国際的な防火規格ISO 5660との整合性確保が鍵となります。

まとめ

バイオ由来難燃処理を施したパイン材は、優れた加工性・意匠性を維持しながら、耐火性能を飛躍的に向上させられます。
天然成分を活用することで環境負荷と健康リスクを同時に低減し、サステナブル建材としての価値が高まります。
火災安全・脱炭素・設計自由度の三拍子を実現する本技術は、木造建築の可能性を広げ、次世代の防火ソリューションとして市場拡大が期待されます。