KR100272767B1 - 통나무의 목질의 경도와 강도를 단단하게 하는 압축 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 목재를 압축성형다이스를 통해 강제적으로 압축성형 시켜서 목재에 함유한 수분의 제거와 목질조직의 수축현상에 의한 치밀화 작업을 보다 능률적이고 경제적으로 이행하기 위한 음향진동부여 방식의 새로운 목재 가공 방법을 제공코져 하는 것으로 이의 구성적 특징은 통나무를 규격화하여 횡열된 압축성형틀2의 원통형 성형다이스3로부터 밀어 넣어 강제적으로 섬유조직을 압축가공 함에 있어서, 압축성형틀2은 수평축심0-0′이 일정각도θ로 경사지게 설치하고 성형다이스3의 상방에는 초음파발생기15에 연결된 초음파집중기16를 수직축심A-A 으로부터 일정한 범위에 편심상태A'-A'로 설치하여 목질조직에 초음파 진동을 균형 있게 전달시키고, 또한 공급목재를 지지하는 협지장치인 척6에 캠11과 좌우대향적으로 캠가이드13를 설치하여 목재의 압력 삽입시 이들의 연동으로 교번(交番: Twist)운동을 부여함을 특징으로 한데 요지가 있음.

Description

통나무의 목질의 경도와 강도를 단단하게 하는 압축 가공방법

본 발명은 채벌된 통나무를 후가공처리하여 목질을 단단하게 하므로서 가공상 목재제품의 품질을 고품질로 향상시킬 수 있도록 한 새로운 방법을 제공코져 하는 것이다.

일반적으로 자연상태에서 벌목된 나무를 가공함에 있어서는 목질 내부에 함유된 수분을 최대한 제거하여 수분 함유도를 낮추어야만이 가공목재제품의 균열, 비틀림 등 변형의 요소를 제거할 수 있게 된다.

그러나 종래의 목재 가공방법은 벌목된 나무를 자연건조, 인공건조 등 여러 가지 수단으로 수분 함유율을 감소시켜야 하였는 바, 이들 방법은 건조 시간이 많이 걸리므로 목재제품의 생산 코스트를 높이는 원인이 되고 있다.

본 발명은 채벌된 나무를 장기간 건조시키는 재래식 과정을 거치지 않고 특별한 후가공 처리공정을 통하여 목질중의 수분을 균형있게 제거시키고 목질의 섬유조직이 파괴되지 않고 규칙적인 수축현상을 일으켜 목밀도(木密度)를 높이므로서 목재의 후 가공성을 개선하고 목질변형으로 인한 목재자원의 낭비나 제품의 하자 발생 등의 비합리적인 문제점을 일거에 개선토록 한 것이다.

목재는 벌목당시 생육과정에 있었던 만큼 섬유질 조직속에는 최대한도의 수분이 함유되어 있으며 수분이 함유된 섬유조직은 일종의 미세한 수분 저장실의 연속 분포 상태에 놓여져 있다고 할 수 있다.

따라서 이들 수분을 최대한 건조시키는 경우 목질내부의 미세 수분 저장실은 공동화 현상을 일으켜 섬유밀도가 낮아지므로 목질이 단단하지 못하게 되는 문제점이 따른다.

이러한 재질 특성은 목재제품을 완성할 때 제품의 견고성, 내구성의 취약성을 수반할 수 있으므로 가급적 목재의 수분 함유량은 낮고, 밀도는 높은 상태가 바람직한 현상으로 된다.

본 발명은 이러한 필요성에 착안하여 채벌된 목재를 소구경의 압축 성형기에 강제적으로 밀어 넣어 부피를 축소화 시키면서 섬유질속에 함유한 수분을 강제 취출시킴과 동시에, 수분이 점유하였던 섬유조직의 기공조직을 축소화시켜 그 부피를 감소 시키므로서 섬유조직의 밀도를 높여 목재의 단단한 정도를 높이고 제품 가공후 수분 증발에 의한 목질에서 발생되는 균열현상, 뒤틀림 현상 등 변형의 단점이 해소되도록 한 것이다.

도 1은 본 발명의 구성장치의 일실시예를 보인 단면도

도 2는 도 1의 종단면도

도 3은 도 2의 사시도

도 4는 요부 확대도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1:기체 2:압축성형틀

3:성형다이스 4:피스톤

5:피스톤 끝 6:척(CHUCK)

7:와셔 8:볼트

9:조우(JAW) 10:목재

11:캠 12:캠요구

13:캠가이드 14:즙받이

15:초음파발생기 16:초음파집중기

V:일방음향진동 V₁,V₂,V₃:입체음향진동

A-A:수직축심 A'-A' :편심상태

O-O＇:수평축심

도1은 본 발명의 구성장치의 일실시예를 보인 단면도이다.

성형기 기체1 상부에는 철관체 등 내압 강도가 높은 실린더관 형태의 압축성형틀2을 일정한 경사도θ가 유지되게 비스듬히 설치하고 압축 성형틀2의 주면에는 수액(樹液)이 하부로 흘러내릴수 있도록 다수의 통공2a을 천공하며 하부에는 이 수액을 받아낼 수 있는 즙받이판14을 설치한다.

압축성형틀2의 전방에는 통나무가 삽입되는 원통형의 압축성형다이스3(이하 성형다이스라 한다)를 설치하고 성형다이스3의 상부에는 초음파발생기15를 설치하며 초음파발생기15의 하측에는 초음파집중기16를 목재10의 축방향에 대해 일측으로 약간 편심되도록 설치한다.

성형다이스3의 입구측에는 가공을 요하는 목재10를 배치하고 그 후방에 유압 피스톤4을 압축성형틀2 및 성형다이스3의 축 방향0-0'과 일치되게 설치하여 그 전방에 상기 목재를 홀딩할 수 있는 척(Chuck: 6)을 와셔7와 볼트8로 조립하여 좌우 양방향으로 척6이 회전 상태를 유지하면서 목재10를 조우(Jaw)9의 잇빨로 홀딩할 수 있도록 한다.

척6의 일측에는 목재10의 측방향에 고정되는 캠가이드13를 설치하고 캠가이드13의 내측에 캠요구12를 요설하여 척6의 양측에 돌설한 캠11이 상기 캠요구12에 슬라이딩 안내 되게 하여 목재10를 성형다이스3에 밀어 넣을시 자체가 좌우 요동 즉 트위스트(Twist) 운동을 하면서 압축성형틀2 속으로 강제 삽입되게 설계한다.

본 발명의 상기 구성을 이용하여 통나무의 섬유조직을 단단하게 하는 구체적인 방법을 설명한다.

본 발명에 사용되는 목재는 벌목 직후는 물론 미건조 상태의 모든 목재를 대상으로 한다.

따라서 쓸모없는 통나무 종류로서 소나무, 버드나무, 사시나무 등 장기간 건조 및 양생과정을 거치지 않은 모든 나무를 대상으로 한다.

본 발명은 상기 가공대상의 목재10를 압축 성형기의 입구관 즉 성형다이스3에 목재10의 선단이 물리도록 놓고 목재10 끝을 척6의 조우9로 홀딩하여 압축성형틀2의 축방향으로 피스톤4에 정압력을 가하여 밀어 넣는다. 피스톤4이 진행할 때 척6의 측면에 설치한 캠11이 캠가이드13의 캠요구12에 안내되므로 미리 설계된 각도대로 목재10는 시계방향 및 반시계 방향으로 교번회전 즉 트위스트 운동을 한다.

이와 동시에 초음파발생기15로부터 발생시킨 음향진동이 초음파집중기16를 통하여 입체적으로 목재10에 가하여 진다.

이때 초음파발생기15에서 발생된 일방음향진동V은 초음파집중기16와 이방체 재질의 성형다이스3를 동일 축에 연결하지 않고 편심되게 연결한 것이므로 이의 진동력은 입체음향진동V₁, V₂, V₃으로 나뉘어져 V₁(진동력)은 성형다이스3의 축방향으로, V₂는 성형다이스3의 축에 대해 수직방향으로, V₃는 성형다이스3의 접선 방향으로 분파되어 전달된다.

성형다이스3에 전달되는 입체음향진동V_1,V_2,V₃의 특징은 성형다이스3의 축의 수직방향으로 전달되는 음향 파장이 성형다이스3의 단면 치수보다 더 길다.

상기 구성장치에 의해 성형다이스3에 있는 목재10에는 공통적으로 성형다이스3의 축 방향으로 피스톤4의 정압력과 입체음향진동V₁, V₂, V₃이 목재를 죄어 주어 성형다이스3 입구의 형상과 동일하게 압축을 시키면서 압축성형틀2 쪽으로 진입되어 목재10 전용적이 동일한 강도 및 경도를 얻을 수 있도록 가공된다. 이와 같이 축방향의 정압력은 초음파발생기15, 초음파집중기16, 성형다이스3, 목재10로 전달되는 입체음향진동V_1,V_2,V₃으로 목재10 전용적에 동시에 축방향, 수직방향, 접선방향으로 압축을 시켜서 목질조직이 파괴되지 않는 상태에서 섬유밀도 및 강도를 치밀하게 변화시킨다.

이에 따라 정압력과 입체음향진동 파장이 목재10의 수분 저장실이었던 모관 및 모공 공간을 좁게 응축시키면서 목재10 세포속의 수분 즉 생즙을 강제로 취출을 시켜 목재구조를 변화시키지 않으면서 섬유질 조직을 단단하게 만들게 된다.

만일 길이가 긴 목재10를 교번회전(交番回轉) 및 음향진동을 주지 않고 압축성형할 때에는 목재10가 압축성형틀2 내벽과의 마찰력에 의하여 이송이 난이하고 고압의 정압력을 성형다이스3의 축방향으로 주어야만 하며 이때 목재10의 조직은 파괴될 수 있으며 목재구조에 응력이 생겨 목질의 변형 취약 현상이 발생할 수 있다.

그러나 본 발명은 길이가 긴 목재10를 입체음향 파장진동을 주어 이송시키면서 압축성형하게 되므로 음향진동이 목재10 전부분에 전달되어 압축성형틀2에서 마찰력이 본질적으로 적어지고 또한 목재10가 직선으로 이송되면서 캠가이드13에 형성된 캠요구12에 의해 자동으로 교번회전력이 생기므로 음향진동력, 정압력과 교번 회전력이 서로 연합하여서 압축성형틀2 내벽의 마찰계수를 줄여서 미끄럽게 삽입이 되므로 작은 압력으로 압축성형이 용이하게 이루어져 목재10를 손상시키지 않으면서 전 용적에 동등하게 고밀도를 유지시키게 된다. 다시 말하면 회전진동으로 목재 부분에 가해지는 응력이 좌우 교대적으로 목재10를 흔드는 효과를 발생시켜 수분을 쉽게 밖으로 빼내기 때문에 목재 구조가 변하지 않으면서 조직 밀도가 치밀하면서 단단함이 균등하게 유지되는 목재를 가공할 수 있는 것이다.

그리고 초음파집중기16의 방사면이 목재10가 들어가는 성형다이스3 입구에 설치된 것은 성형다이스3 입구에 음향에너지를 최고조로 집중하므로서 음향파장이 전달되는 조건을 최대한 경제적으로 유지시키며 가장 좋은 가공효율울 얻을 수 있게 한다.

본 발명은 이상과 같이 성형다이스3에 있는 목재10에 성형다이스3 축방향으로 피스톤4의 정압력을 가하면서 캠11과 캠가이드13 장치에 의한 교번회전력을 가하는 동시에, 초음파 발생기15에서 발생된 일방음향진동V을 초음파집중기16에서 모아 입체의 음향파장 진동V₁, V₂, V₃을 성형다이스3를 통하여 목재10에 전달하므로서 목재는 성형다이스3(압축성형틀:2)의 형상과 동일하게 압축이 되면서 압축성형틀2 속으로 이송이 되어 압축 가공이 되는 것으로 이를 이용한 목재제품은 구조 및 조직이 파괴되지 않은 양호한 경도와 강도를 구비하는 양질의 목재재료가 될 수 있는 것이다.

본 발명 과정에서는 목질 속의 함유수분 즉 목즙 성분이 가공 과정에서 압축성형틀2의 통공2a을 통해 다량으로 생산되므로 이 목즙을 즙받이14에 수거하여 별도로 가공처리 하면 영양 건강음료 등으로 재활용할 수 있다.

따라서 본 발명 목재 압축성형은 천연목재의 생즙 생산장치와 병용하여 건강음료 생산이라는 부수적인 경제적 이익을 얻을 수 있다.

실시예1

사시나무 반제품을 직경 61m/m 길이 500m/m 0.42g/㎤를 가지고 직경 54m/m 성형기에 들어가는 입구 원추형에 넣어서 맞추고 초음파 집중기16로 음향 파장을 전달하면서 정압력 4,900kg을 피스톤4으로써 6m/m/1.Se 속도로 압력을 주었다.

동시에 전술한 바와 같이 반제품에 교번회전을 시켰다. 처음 회전 각도는 0.9 그라드소 반제품이 성형기에 들어갈때는 0.2°로 하였다.

교번회전속도는 0.12/Sec=360÷12/1초로 설정하였다.

압축가공후 제품을 성형기에서 건조하여 밖으로 인출한 결과 나무제품의 밀도는 1.5배로 되었고, 직경은 53m/m로 변하였으며 내마모성은 2배로 증가되었고, 강도는 1.8배로 증가되었다.

X레이 사진으로 확인 결과 횡단면 섬유조직이 균등하게 압축되었다.

외피에서 중심까지의 밀도차이가 8∼10%이였으며, 결과는 긴제품에서 좋은 성과로 판단되었다.

비교시험하기 위해서 교번회전을 시키지 않고 동일한 조건에서 시험을 하였는바 제품밀도 1.5배로 올리기 위하여서는 정압력을 7,000kg으로, 피스톤 속도를 3mm/Se로 설정해 주어야 하였다.

이는 목재에 음향 파장과 교번 운동을 부여하는 것이 압축 가공의 매우 효과적 요소가 됨을 입증하는 것이다.

목재10를 강제적으로 압축시키는 가공공정에 있어서 음향진동을 부여하는 방법이 목재10의 수축 효과를 촉진시키는 기본적 원리는 일종의 목질 섬유조직 자체의 분자운동을 촉진 하므로서 조직이 치밀화 되는 효과라고 보여진다. 즉 목질의 분자 조직에 규칙적인 음향 파장에 의한 진동을 부여하게 되면 목질조직의 분자등이 활성화 운동을 일으키게되고 이 상태에서 피스톤4에 의한 정압력과 교번회전력이 압축성형틀2쪽으로 가하여지면 목질 섬유조직 중 가장 취약한 수분 함유모관, 즉 기공들이 쉽게 수축 현상을 일으켜 수분을 강제 취출시키고 대신 수분이 차지하였던 모관 통공조직이 응축되어 부피가 감소하므로서 보다 쉽게 목재10의 치밀화 가공이 이루어 진다고 보여지는 것이다.

본 발명은 특히 음향전달에 있어서도 초음파 진동을 목재10의 중앙부분에 부여하지 아니하고 편심 상태로 이방체 재질의 성형다이스3를 이용하여 음향진동을 전달 시키므로서 역학적으로 섬유조직에 음향진동을 균형 있게 전달하여 수축 밀도가 균일하게 유도되는 잇점이 있는 것이다.

본 발명은 채벌된 자연 상태의 목재10를 즉시 가공 처리 할 수 있으므로 종래와 같이 목재의 장기간에 걸친 건조, 양생시간을 요하지 않으므로 목재제품의 생산에 합리적인 경제성을 부여할 수 있고, 특히 본 발명에 의해 가공된 목재제품은 균열, 뒤틀림 변형 등의 사후 하자가 발생하지 않는 장점이 있고, 또한 제품의 내구성, 충격감소등도 현저히 향상되는 잇점이 있어 각종 건축자재나 가구류를 비롯하여 이의 이용분야는 매우 다양한 것이다.

Claims (1)

1. 통나무를 규격화하여 횡열된 압축성형틀2의 원통형 성형다이스3로부터 밀어넣어 강제적으로 섬유조직을 압축 가공함에 있어서,

   이방체 재질의 성형다이스3의 상방에 초음파발생기15에 연결된 초음파집중기16를 수직축심(A-A)으로부터 일정한 범위에 편심상태A'-A'로 설치하여 목질조직에 초음파 진동을 균형 있게 전달시키도록 하고 목재10의 공급측 피스톤4측에 캠요구12를 갖는 캠가이드13를 설치하여 목재고정 척6의 캠11이 캠가이드13에 의해 요동시켜 목재10에 교번 운동을 부여하면서 압축 가공되게 함을 특징으로 하는 통나무의 목질 경도와 강도를 단단하게 하는 압축 가공방법.