KR100990583B1 - 목재의 방염처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재의 방염처리 방법에 관한 것으로서, 목재를 마이크로웨이브로 가열하여 건조시키는 단계와; 마이크로웨이브로 가열된 목재의 열기를 제거하여 잔존 수분을 증발시키는 열기제거 단계와; 열기가 제거된 목재를 방염액에 침지시킨 후 자연 건조시키는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

목재, 마이크로웨이브, 마이크로파, 방염, 방염액, 건조, 침지

Description

목재의 방염처리 방법{retardant method of wood}

본 발명은 목재의 방염처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로웨이브로서 목재를 단시간에 건조시키고 건조시킨 목재를 방염액에 일정 시간동안 침지시키는 목재의 방염처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 화재 시에는 고열과 유독가스에 의해 많은 인명피해가 발생한다. 따라서, 이러한 인명피해를 사전에 예방하고자 건축 내장재로는 가급적 불에 잘 타지 않고 유독가스의 방출이 많지 않은 것들이 요구되고 있다. 이러한 요구사항에 부응하기 위해, 최근에는 표면에 방염처리가 된 목재를 건축용 내장재로 많이 사용하고 있다.

한편, 방염처리되지 않은 목재에 화재가 발생되면 목재가 연소되면서 고열 및 유독가스가 발생하게 되는데, 이러한 고열 및 유독가스로부터 인명피해를 줄이기 위해 목재의 연소가 확대되지 않도록 약제 처리된 물질(이하 방염액 이라 한다) 등을 목재의 표면에 도포하는 것을 방염처리라 하는데, 목재의 표면에 멜라민수지와 같은 방염액를 발라서 불길이 닿더라도 쉽게 타지 않고, 설사 불이 붙어도 유독가스가 적게 발생하도록 표면에 도장처리를 한 것이다.

이러한 종래의 방염처리 방법은 방염대상물품(목재 등의 건축내장재로서, 이하에서는 "목재" 로 통칭한다)의 표면에 붓 또는 롤러 등을 이용하여 방염액을 얇게 3회 도포하였다. 하지만, 이러한 종래의 방염처리법은 약 3회 이상의 방염액 도포가 요구될 뿐만 아니라 최대 10시간 이상의 방염처리 시간이 필요하므로 이에 따른 인력, 방염처리 시간, 하자보수비용 등이 꾸준히 증가하고 있는 실정이다.

또한, 전술한 바와 같이, 목재의 표면에 방염액을 단순 도포하는 종래의 방염처리법으로는 목재의 화재 발생 시에 완벽한 방염효과를 기대할 수 없어 큰 피해가 예상되므로 방염처리된 목재의 근본적인 방염성능 및 방염 내구성을 향상시킬 수 있고, 방염처리 시간을 단축할 수 있으며, 유지관리 비용을 절감시킬 수 있는 경제적인 새로운 방염처리법이 요구되어 왔다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 목재에 방염액의 침투가 원활히 이루어지도록 마이크로웨이브를 이용하여 적정 함수율까지 목재를 가열 및 건조하고 자연적으로 열기를 제거한 후 방염액에 일정시간 동안 침지시켜 목재를 방염처리 함으로써 목재의 방염성능 및 방염 내구성이 향상되고, 방염처리 시간이 단축되는 목재의 방염처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적은, 목재의 방염처리 방법에 있어서, 목재를 마이크로웨이브로 가열하여 건조시키는 단계와; 마이크로웨이브로 가열된 목재의 열기를 제거하여 잔존 수분을 증발시키는 열기제거 단계와; 열기가 제거된 목재를 방염액에 침지시킨 후 자연 건조시키는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 목재의 방염처리 방법에 의해 달성된다.

그리고, 상기 목재를 마이크로웨이브로 가열하기 전, 선정된 목재의 초기 함수율을 체크하고 바탕처리하는 단계가 더 포함되어 구성된다.

또한, 상기 마이크로웨이브에 의해 가열되는 목재는, 목재의 부피와 수종에 따라 활엽수는 10～15분, 침엽수는 7～10분 동안 가열하고, 상기 목재를 가열하는 마이크로웨이브는 내장용 및 외장용 목재에 따라 2.0㎾～5.0㎾ 로 출력되어 지속 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 침지 전 상기 마이크로웨이브에 의해 가열, 건조되는 목재는 최소 4~5% 이상, 최대 7~8% 이하의 함수율을 갖고, 상기 방염액에 침지된 후의 목재 중 내장용 목재는 6~8%, 외장용 목재는 12~14%의 함수율을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 목재의 방염처리 방법에 의하면, 원목에서 제재된 목재를 마이크로웨이브를 이용하여 건조시켜 방염처리 함으로써 종래의 도포방식에 비하여 방염처리 시간을 3배 이상 단축할 수 있어, 제품의 J.I.T(just in time)가 가능해지고, 또한 마이크로웨이브에 의해 건조된 목재를 바로 방염액에 침지시키므로 필요한 작업 인력을 감소할 수 있으며, 작업자의 능력에 따른 방염성능의 편차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 마이크로웨이브에 의해 최적의 상태로 건조된 목재를 방염액에 침지함으로써 목재의 내부 및 외부가 모두 완전하게 방염처리 되므로 방염성능이 향상되고, 종래에 도포된 방염액의 탈락에 따른 유지ㆍ보수 횟수가 감소되어 경제성이 좋아지며, 종래의 방염처리보다 공기가 단축, 공정의 간소화 및 방염처리된 목재의 적재장소와 보관 시간이 절약되어 경제적이고 효율적인 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1 내지 17을 참조하여 설명한다.

본 발명의 목재의 방염처리 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 원목을 가공한 내.외장용 규격의 목재를 선정하는 단계와, 선정된 목재의 초기 함수율을 체크하고 바탕처리하는 단계와, 바탕처리된 목재를 마이크로웨이브로 가열하여 건조시키는 단계와, 마이크로웨이브로 가열된 목재의 열기를 제거하여 잔존 수분을 증발시키는 열기제거 단계와, 열기가 제거된 목재를 방염액에 침지시킨 후 자연 건조시키는 단계를 포함하여 구성된다.

즉, 마이크로웨이브로 가열된 목재는 내부 공극의 증대를 위해 수분이 완전히 빠져나갈 때까지 열기제거를 위해 약 40~60분 가량 자연 상태에서 건조를 실시한 후 방염액에 완전 침지시켜 일정량 이상의 방염액이 목재 내부로 자연스런 침투가 이루어질 때까지 약 40~60분 가량 완전 침지시킨다. 그리고, 침지가 끝나면 목재를 꺼내어 자연건조를 실시한다.

한편, 상기와 같은 목재의 방염처리 단계를 하기에서 상세히 설명키로 한다.

<방염처리 대상 내.외장용 목재>

방염처리 대상 목재의 수종은 내장용으로는 활엽수가, 외장용으로는 침엽수가 사용되고, 내장용 활엽수는 Ash, Maple, Oak로 하며, 외장용 침엽수는 Sprus, Pine, Fir가 사용되고 있으나, 본 발명의 방염처리 방법은 전술한 수종 뿐만 아니라 모든 목재 및 합판 등에 균등하게 적용된다.

<바탕처리>

본 단계에서는, 선정된 목재 표면의 수분이나 먼지 등 기타 오염물질을 제거하고, 연마지로 나뭇결에 따라 가볍게 밀어내면서 목재의 거친 표면을 연마한다.

<목재의 가열 및 건조>

본 단계에서는 바탕처리된 목재를 마이크로웨이브(Microwave)로 가열하여 건조시키는데, 이를 하기에서 일반적인 목재의 건조방법과 비교 설명한다.

통상적으로 목재는 산업용으로 사용하기 전에 건조시키는데, 다수의 세포 종류에 비하여 복잡한 구조로 엮여 있는 목재의 세포 구성으로 인하여 건조된 목재는 건조도, 즉 건조 품질에 의해 제품으로의 활용 여부를 결정할 수 있게 된다. 목재를 산업용으로 사용이 가능한 제품으로 건조하기 위해서는 천연건조 및 인공건조 등의 건조방법을 선택하여 함수율을 섬유포화점(28％) 이하 까지 건조시키는 것이 반드시 필요하며, 대략 함수율 20％ 이하 일 경우 제품으로써의 활용이 가능해 진다.

이와 같은 건조 방법에 따른 목재의 건조는 건조 대상의 특성에 따라 매우 상이하게 나타나는데, 이는 여러 종류의 유기세포(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등)로 구성된 목재 내부의 복잡성에 기인된다. 이들 세포는 목재에 따라 크기, 형태, 배열, 구성, 비율 등이 모두 다르게 나타나므로 목재의 조직 차이에 의해서 재질의 불균질성과 이방성(異方性)을 나타내고 수분이동과 열전도성의 차이를 나타낸다. 따라서, 효율적인 목재건조를 위해서는 목재 자체의 지식뿐만 아니라 건조매체의 물리적 성질과 건조 장치에 대한 공학적 지식이 요구된다.

목재의 건조가 복잡성을 가지는 요인은 하기와 같다.

(1) 목재는 수종, 동일수종에서도 개체, 동일수목에서도 생장부위에 따라 해부학ㆍ물리 및 기계적 성질이 다르기 때문에 건조특성 또한 다르다. 일반적으로 활엽수재는 침엽수재, 심재는 변재, 고밀도 목재는 저밀도 목재보다 건조하는데 어려움이 있다.

(2) 건조대상 목재의 크기와 형태가 다종다양하다. 목재의 두께, 목취(정목 또는 판목), 세포의 배열 및 심재와 변재의 구성 비율 등의 차이에 의해 건조특성이 달라진다.

(3) 건조실 내부 곳곳에 균일하고 적절한 온도, 습도 및 풍속 등의 적절한 건조조건을 제공하지 않으면 목재는 불균일하게 건조된다.

(4) 목재는 수축률 차이가 있고 목재의 두께와 길이 방향에서 수분경사가 나타나서 불균일한 건조에 의해서 발생한 건조응력이 목재강도를 초과하면 할렬과 찌그러짐이 발생한다.

(5) 목재와 목제품의 평형함수율은 사용 장소에 따라 다르기 때문에 적정 건조도를 결정하기 어렵다. 즉 평형함수율은 실내일지라도 난방의 설치 여부와 난방의 정도에 따라 다르고 계절에 따라서도 변한다.

(6) 목재의 인공건조에는 고가의 건조시설과 고도의 건조기술이 요구된다.

한편, 위와 같은 건조에 대한 복잡성을 안고 있는 목재와 같이 함수율이 높은 유전 물질의 건조에 마이크로웨이브를 사용하면, 일반적인의 목재 건조 방식인 인공건조(열풍건조)에 비하여 정반대의 함수율 분포를 보이며 건조가 되기 때문에 목재의 어느 부분도 100℃ 이상으로 높일 필요가 없다.

그리고, 목재 내부를 건조하기 위해 200℃ 이상의 고온 열풍을 흘려보내는 인공건조(열풍건조)에 비하여 마이크로웨이브는 수분을 함유한 목재 내부의 물 분자에 흡수되어 열로 변하므로 내부에서부터 물 분자의 확산, 전도, 기화가 이루어져 우선적으로 내부 증기압력이 높아지게 되고, 이에 따라 외부로의 수분 이행이 쉬워지기 때문에 외부보다 내부의 함수율이 낮아져 인공건조(열기건조)와는 정반대의 함수율 분포를 보이게 되며, 이는 내부 응력(수증기 압력)에 의한 표면 균열을 발생시키지 않도록 작용하며 균일한 건조가 가능해지므로 내부 공극의 양도 매우 높아지게 된다.

따라서, 이와 같이 목재의 자연적인 수분 흡수 원리를 응용하여 마이크로웨이브로 가열 및 건조된 목재를 방염액에 일정 시간동안 침지하여 방염액이 목재 내부로 침투되도록 한다.

한편, 상기와 같은 마이크로웨이브는 내장용 및 외장용 목재에 따라 2.0㎾～5.0㎾의 저출력으로 지속 가열한다. 또한, 목재 수종(종류)에 따른 함수율의 차이에 의해 마이크로웨이브의 출력은 조정이 가능하나, 일반적으로는 전술한 저출력 범위 내에서 가열하는 것이 바람직하다. 이는 낮은 출력으로 일정시간 이상 마이크로웨이브를 가열하였을 경우 목재에 더해지는 응력 및 변색에 의한 부담을 줄일 수 있기 때문이며 많은 수분을 함유하고 있는 목재와 그렇지 않은 목재의 건조도에 의한 차이가 확연히 나타나기 때문이다. 함수율이 작은 목재를 마이크로웨이브로 가열하였을 경우 할렬, 비틀림, 갈라짐 등 품질결함의 발생률이 높아질 수 있지만, 섬유포화점(28％) 정도의 목재는 전술한 내용과 같이 마이크로웨이브의 유전 특성이 잘 나타나므로 목재에 가해지는 좋지 못한 응력의 배제가 가능해 진다. 하지만, 반드시 목재의 섬유포화점에서 마이크로웨이브 가열을 실시하지 못할 경우 전술한 출력의 범위 내에서 목재의 함수율에 따라 출력을 조정하는 것이 바람직하다.

그리고, 이와 같이 가열되는 마이크로웨이브의 조사시간은 출력과 목재의 함유수분 및 부피에 따라 다르게 나타나므로 예비 준비 단계를 거쳐야 한다. 본 발명의 방염처리법에서 마이크로웨이브 조사시간이라 함은 마이크로웨이브 조사 및 건조된 목재가 방염액 침지 후 나타내는 함수율이 내장용 목재의 경우 6～8％, 외장용 목재의 경우 12～14％를 나타낼 수 있을 정도의 함수율까지 건조시키는 시간을 의미한다. 즉, 최초 마이크로웨이브로 가열된 목재의 목표 함수율은 가열 전 함수율에서부터 가열 후 최소값이 4～5％, 최대값이 7～8％ 정도로 이루어져야 하는데, 내장용 목재의 경우 4～5％ 이상, 외장용 목재의 경우 7～8％ 이하의 함수율을 갖는 것이 바람직하며, 이때까지의 가열 시간을 마이크로웨이브 조사시간으로 한다.

본 발명의 방염처리법에서의 마이크로웨이브 조사를 위한 고려 사항으로 목재는 290×190×38㎜(2093.8㎤)의 크기로 가공되었으며, 마이크로웨이브 가열 전 초기 함수율은 19～21％ 로서, 조사시간은 출력에 따라 최대 15분에서 최소 7분 정도의 시간이 소요된다.

또한, 마이크로웨이브로 가열된 목재는, 목표 함수율에 맞게 마이크로웨이브로 가열/건조된 목재의 잔존 수분, 즉 가열 후에 목재 내에서 열기를 포함한 수증기 상태로 뿜어져 나오는 수분들만 제거한 후에 방염액에 침지한다. 활엽수는 최대 60분 이하 침지, 침엽수는 최대 40분 이하의 침지시간이 필요하다. 이는, 수종에 따라 구성된 세포의 비율과 배열(도관(활엽수)과 가도관(침엽수))이 다르며 수분이 증발되고 남은 공극량의 차이 따라 침지시간에 차이가 나타나게 되는 것이다.

<마이크로웨이브로 건조된 목재의 방염액 침투 원리>

목재의 세포는 생장이 왕성한 것으로서 도관으로부터의 유기물이나 물의 출입이 많아지게 되는데, 대부분의 분자는 세포벽을 투과할 수 있으나 세포를 둘러싸고 있는 원형질막은 분자를 선택해서 투과시키게 된다. 그 결과 세포 내에서 이온이나 분자를 농축시키게 되고 이는 세포의 침투압으로 작용하게 된다. 이 침투압 과 원형질막을 세포벽으로 꽉 누르게 되는 압력인 팽압 사이의 미세한 차이에 의해 흡수력이 발생하게 되어 수분을 흡수하는 원리로서, 본 발명의 방염처리 방법은 전술한 바와 같이 목재의 자연적인 수분 침투 원리를 응용하여 액상 방염액이 목재 내부로 자연 침투할 수 있는 조건을 제공함으로써 방염처리된 목재의 내구성 보존 및 방염성능의 향상은 물론 방염처리시간을 대폭적으로 단축시킬 수 있게 된다.(도 2a 및 도 2b 참조).

<마이크로웨이브로 건조된 목재의 방염액 침지방법>

본 발명에 따른 침지방법은, 마이크로웨이브로 건조된 목재를 방염액에 완전 침지하는 침지법으로서, 마이크로웨이브로 단시간에 목재를 가열시켜 목재 내부의 도관(또는 가도관)과 세포 및 목질부에 남아있는 수분의 함유량을 저하시킨 후, 목재 내의 빈 공극으로 방염액의 침투가 수월하게 이루어져 침지시간의 단축과 방염성능의 향상이 가능하고, 침지시간은 약 40분에서 최대 약 60분 가량 소요된다.

<방염액>

상기와 같이 방염액으로는 수성투명의 일반 방염액이 사용된다. 이때 상기 방염액은 1액형으로 부피고형분은 64％±2 이고 희석제로는 물을 사용한다. 하지만, 이와 같이 사용되는 방염액은 본 발명의 방염처리 방법에서 사용되는 방염액으로 한정되거나 국한되지 않고 액상으로 이루어진 방염액 모두 사용 가능하다.

[실시예]

본 실시예에서는 본 발명의 방염처리 방법의 방염성능 비교를 위해 일반적인 방염처리법인 3회 도포 방식과 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 목재의 방염처리 방법의 수치상 성능 비교를 함과 더불어 2종의 방염액을 대상으로 비교.분석 하였다.

1. 실험방법

가. 목재 건조

(1) 마이크로웨이브 조사 시간별 목재의 함수율

각각의 수종(樹種)에 맞는 마이크로웨이브 적정 조사시간을 도출하기 위하여 예비실험 단계를 가진다. 예비실험은 생재를 가공하여 반입된 목재를 마이크로웨이브의 조사 직전 전기저항식 목재 수분계를 이용하여 각 수종별로 함수율을 측정한 후, 생재 상태에서부터 방염처리에 필요한 적정 함수율까지 저하시켜 단계별로 적정 조사시간을 기록하여 둔다. 또한, 예비실험을 통하여 기록된 마이크로웨이브 적정 조사시간에 입각하여 각 수종별로 마이크로웨이브를 조사한 예비실험에 대한 타당성을 입증한다.

(2) 적정 함수율 도출

목재의 함수율이 20％ 이상인 조건에서 방염액 도포를 행하게 되면 방염액의 건조가 지연될 뿐만 아니라 기포 또는 백화의 발생, 도막의 부착력 저하에 따른 박리 현상 및 도막의 할렬이 일어날 위험성이 커지게 된다. 또한, 목재 제품일수록 함수율을 가능한 낮게 건조한 다음 방염을 실시하는 것이 더 좋은데, 그 이유는 생재 상태에서 건조될 때보다 건조 후 다시 흡습할 때의 평형함수율이 더 낮기 때문에(이력현상) 그 만큼 치수 변동과 그에 따른 결점의 발생이 줄어들 수 있기 때문이다. 방염실험을 위하여 준비된 목재의 방염액 도포와 침지를 위해 예비실험을 통하여 도출된 마이크로웨이브의 적정 조사시간에 따라 목재를 건조시킨다.

나. 방염액 3회 도포

연마지로 목재의 표면을 가볍게 정리한 다음 방염액이 자연스럽고 균등하게 도포가 되기 위하여 방염액을 유성용 붓으로 1회 도포 후 3시간, 그 다음 1회 도포 후 3시간, 마지막 1회 도포로서 6시간 동안 총 3회도포를 한다. 도포된 시험체는 24시간 자연 건조 후 전자저울로 도포량을 측정하고 방염시험을 실시한다.

다. 마이크로웨이브 건조 후 시간별 방염액 침지

연마지로 목재의 표면을 정리한 후 예비실험으로 도출된 마이크로웨이브의 적정 출력과 조사시간에 따라 가열/건조하여 적정 함수율까지 저하시킨 목재를 열기가 완전히 제거된 상태에서 방염액에 10, 20, 30, 40, 50분까지 수종별로 각각 침지를 하여 둔다.

건조된 목재는 내부 수분 증발에 의한 수분경사가 일어나게 되고 표면으로 빠져나가는 수분에 의하여 내부는 압축, 표면은 인장응력이 발생하게 되며 이때 목재 내부의 기압 차이를 이용하여 방염액의 침투가 용이하도록 하기 위한 방법이 침 지법이다. 이 같은 원리를 이용하여 목재를 방염액에 시간별로 침지 시킨 후 24시간 자연 건조를 시키며, 그 후 방염액의 침투량을 전자저울로 측정, 방염시험을 실시한다.

라. 방염 후 처리물품 시험

방염성능을 측정하는 방염 후 처리물품 시험방법은 연소방향, 연소방법, 측정항목에 따라 결정된다. 연소방향은 불꽃을 대는 방향에 따라 수평법, 경사법(30°, 45°, 60°), 수직법으로 구분하고, 연소원료(열원)에 따라 버어너법, 알콜램프법, 메틴아민법, 담뱃불법, 성냥불법으로 나눈다.

시험은 잔염시간, 잔신시간, 연소속도, 탄화면적, 탄화길이, 접염회수, 발열량, 연기량, 산소지수 등을 측정하여 방염성능여부를 결정한다.

우리나라에서는 45° 메켈버너법과 메틴아민법을 채택하고 있으며 잔염시간, 잔신시간, 탄화면적, 탄화길이, 접염회수를 측정하고 있다.

본 실험에서 방염성능을 알아보기 위한 시험은 "소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제20조 제2항" 에 의거하여 성능시험을 실시하였으며, 이에 따른 성능시험 측정기준 및 방염성능 기준은 다음과 같다.

- 시험체는 시험 받침틀에 고정할 것

- 버너의 불꽃의 길이는 65㎜로 할 것

- 불꽃의 선단이 시험체 중앙하단에 접하도록 버너를 설치 할 것

- 가열은 각 시험체에 대하여 2분간 실시할 것

방염성능 기준(소방시설설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제20조 제2항)

구분	얇은 표	두꺼운 표	카페트	합판, 섬유판, 목재
잔염시간	3초 이내	5초 이내	20초 이내	10초 이내
잔신시간	5초 이내	20초 이내	-	30초 이내
탄화면적	30㎠ 이내	40㎠ 이내	-	50㎠ 이내
탄화길이	20㎝ 이내	20㎝ 이내	10㎝ 이내	20㎝ 이내
접염회수	3회 이상	3회 이상	-	-

※ 잔염시간 : 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리며 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간

※ 잔신시간 : 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리지 아니하고 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간

※ 접엽회수 : 불꽃에 의하여 녹을 때까지 불꽃의 접촉회수

(1) 시험체의 크기

수종과 두께에 관계없이 시험편은 290×190㎜로 가공

(2) 잔염시간

시험편에 버너의 불꽃을 2분간 조사한 후 버너의 불꽃을 제거한 때부터 시험체가 불꽂을 올리며 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간

(3) 잔신시간

시험편에 버너의 불꽃을 2분간 조사한 다음 잔염시간 측정이 끝난 직후부터 시험편에서 나오는 연기가 완전히 사라질 때까지의 시간을 측정

(4) 탄화길이

잔염시간, 잔신시간의 측정이 끝난 후 시험체가 불꽃에 의하여 탄화한 부위를 버니어캘리퍼스를 이용하여 측정

(5) 탄화면적

탄화된 시험편의 탄화면적을 측정

(6) 방염성 시험 합격기준(도 3 참조)

- 잔염시간 : 10초 이내

- 잔신시간 : 30초 이내

- 탄화길이 : 20㎝ 이내

- 탄화면적 : 50㎠ 이내

2. 실험순서

도 4에 도시된 실험 순서에서와 같이, 기존의 3회 도포법과 본 발명의 마이크로웨이브 건조 후 침지법의 실험과정을 살펴보면, 후자의 실험 순서가 매우 간결하다는 것을 알 수 있다. 이는 선행실험을 통하여 획득한 목재침지 기술로서, 기존의 도포방법에 비하여 3배 이상 작업시간 단축이 가능한 방염처리법이다.

3. 실험인자

가. 마이크로웨이브 건조장치

본 실험에 적용된 마이크로웨이브의 사양은 다음과 같다.

- 부피 : 56,000㎤

- 주파수 : 2450±30㎒

- 적정출력 : 2㎾

- 안정성 : 가정용 전자레인지와 사용방법 동일(안전성, 간편성 증대)

- 사용목적 : 마이크로웨이브를 이용한 목재 등의 건조 및 살충, 살균

나. 방염액

(1) 유기계 방염액

방염대상물의 방염처리는 선처리 및 후처리 방법이 있으며, 본 실험에서는 후처리 방법을 선택하여 실험을 진행하였으며, 시중에 유통되고 있는 유기계 및 무기계 방염액 중 K사의 유기계 방염액을 선택하였다.

유기계 방염액은 연소과정에서 가연성 물질과 반응해 응축된 탄화막을 형성하고, 이로 인해 연소에 필요한 산소가 차단됨으로써 방염효과가 발생하는 것이다.

본 실험에서 사용한 유기계 방염액은 일반 건축물 내부 목재의 방염용으로서, 호텔, 관광숙박시설, 유흥주점, 노래연습장, 헬스클럽, 실내운동시설 및 공연관람장소 등 소방법에서 정한 방염도료 처리 대상인 곳에 사용되는 것이며, 물리적 특성은 하기의 표 2와 같다.

유기계 방염액의 물리적 특성

색상	광택(60°,％)	고형분 적용비(％)	비중	이론적 도포 면적
백색	무광	약 50	1.33～1.37	5.0㎡/ℓ
재도장 간격		건조도막두께(㎛)	주성분
최저 3시간 × 3회		100	아크릴 에멀젼 수지(발포성)

(2) 인산계 방염액

본 실험에 사용한 인산계 방염액은 국내 P사에서 연구개발하여 방염액으로서의 성능 및 품질을 만족하며, 또한 기존 시중에 유통되고 있는 방염액에 비하여 가격경쟁에서도 유리한 이점을 가지고 있다. 색상은 무광 투명하며 방염대상물품에 방염처리를 하면 기존 방염액의 문제점(대상물품의 표면상태 유지 및 확보)을 나타내지 않으며 표면이 깨끗한 상태로 보존이 된다.

이에 시중에 유통되고 있는 방염액에 비하여 가격대비 성능이 우수한 인산계 방염액을 사용하여 유기계 방염액과 같은 방법으로 실험을 진행하였으며, 인산계 방염액의 물리적 특성은 하기의 표 3과 같다.

인산계 방염액의 물리적 특성

구성 성분	화학식
인산나트륨	Na3(PO4)2
제2인산암모늄	(NH4)2HPO4
황산암모늄	(NH4)2SO4
붕사	Na2B4O710H2O
붕산	H3BO3
인산계면활성제
기타
물(희석제)	H2O
합 계

다. 목재

마이크로웨이브 가열시간에 따른 함수율 및 건조도를 알아보기 위하여 생재 상태에서 바로 가공이 된 목재를 부산소재 S사에서 수급하여 실험을 진행하였으며(이상 예비실험용), 방염실험은 국내 목재 수입가공 업체인 인천소재 D사에서 실험대상 목재를 수급하였다(이상 본 실험용). 방염실험 대상 목재는 생재가 아닌 건조목(함수율 15～20％)을 사용하였으며, 품질상태는 육안으로 확인 시 매우 균질하고, 할렬 및 비틀림 등의 불량점이 없는 깨끗한 상태로 수급되었다.

라. 함수율 측정기

전기저항식 목재 수분계의 특징은 하기의 표 4와 같다.

- 목재 종류에 따라 다이얼 선택

- 내장된 마이크로컴퓨터가 온도, 영점 등을 자동으로 보정

- 일반측정(4～35％) 및 고수분측정(30～120％) 가능

전기저항식 목재 수분계 사양

모델(Model)	TURKU H
측정방식	전기저항식
측정대상	목재전반
측정범위	고수분(30～120％), 저수분(4～35％)
측정정도	±0.5％
표시방법	Digital, LCD
최소표시	0.1％
전 원	1.5V × 4개
규 격	200×166×76㎜, 1㎏

마. 연소시험 장치

본 실험에서 사용한 목재 연소시험 장치는 "KS F 2819 45°메켈버너" 시험장치를 간소하게 제작하여 실험에 임하였다. 제작된 연소 시험장치는 방염 성능시험 측정 기준에 부합하도록 제작하였으며, 시험에 사용한 연료는 KS M 2150(액화석유가스) 제4호에 적합한 것으로 하였다.

4. 실험결과

<1> 마이크로웨이브 조사 시간별 목재의 함수율 변화

가. Ash

Ash의 함수율별 및 마이크로웨이브 가열시간은 하기의 표 5, 도 5와 같다.

Ash 함수율별 마이크로웨이브 가열시간

함수율(％)	출력(㎾)	건조 전(％)	건조 후(％)	가열시간 (min)	자연건조 시간(min)
가공 후->30	2	54.1	31.4	13	60
30->20		33.2	17.8	10
20->10		22.2	9.4	12
20->6～8		23.1	6.6	15

나. Maple

Maple의 함수율별 마이크로웨이브 가열시간은 하기의 표 6, 도 6과 같다.

Maple 함수율별 마이크로웨이브 가열시간

함수율(％)	출력(㎾)	건조 전(％)	건조 후(％)	가열시간 (min)	자연건조 시간(min)
가공 후->30	2	33.5	28.5	9	60
30->20		32.3	16.3	10
20->10		28	10	12
20->6～8		18.8	7.1	15

상기의 표 6과 도 6에서와 같이, Maple은 Ash에 비하여 가공 후의 평균 함수율이 많이 낮은 상태이기 때문에, 건조 초기에는 Ash에 비하여 건조시간이 4분 정도 단축 되었으며, 함수율 6～8％ 까지 저하시키기 위한 건조시간은 Ash와 동일한 시간대로 나타났다. 마이크로웨이브로 건조 시 수종(Ash, Maple, Oak)에 따라 약간의 차이는 있지만, 적정 함수율에 도달하기 위한 시간대는 비슷하거나 동일한 것을 알 수 있다.

다. Oak

Oak의 함수율별 마이크로웨이브 가열시간에 대한 실험결과는 하기의 표 7, 도 7과 같다.

Oak 함수율별 마이크로웨이브 가열시간

함수율(％)	출력(㎾)	건조 전(％)	건조 후(％)	가열시간 (min)	자연건조 시간(min)
가공 후->30	2	32.7	29.6	9	60
30->20		31.7	18.1	10
20->10		26.3	10.57	18
20->6～8		18.8	7.1	18

표 7과 도 7에서와 같이, 일반적으로 Oak와 같은 활엽수는 건조 시 부주의에 의하여 수축에 대한 응력으로 할렬 및 뒤틀림이 발생하는 것이 일반적이지만, 마이크로웨이브로 건조 시에는 이와 같은 현상은 발생하지 않았으며, Ash, Maple에 비하여 건조시간이 늘어난 것을 확인할 수 있었다.

하지만, 목재의 품질에 따라 건조 후 목재의 상태변화는 발생할 수 있는 것으로 사료되므로, 목재의 이용 시 색상이 고르고 변질되지 않은 품질이 우수한 목재를 선정하여야 할 것이다.

<2> 3회 도포 및 마이크로웨이브 건조 후 시간별 방염액 침지

수종별 방염액을 달리하여 도포 및 침지한 후의 방염실험 결과는 하기의 표 8, 표 9와 같다.

방염액 3회 도포 후 방염성능

방염 처리	방염액	수종	방염액 도포량(g)			방염성능
			도포전 중량	도포후 중량	도포량	잔연 시간 (sec)	잔신 시간 (sec)	탄화 길이 (㎝)	탄화 면적 (㎠)
3회도포	유기계	Ash	970.4	989.6	19.2	2.6	11.3	14.0	44.2
		Maple	1126.4	1160.2	33.8	4.1	12.3	13.5	43.7
		Oak	1556.4	1579.6	23.2	1.8	11.4	11.5	40.3
	인산 염계	Ash	1092.3	1097.1	4.8	7.7	15.9	18.3	38.7
		Maple	1192.0	1198.2	6.2	9.3	16.0	18.3	36.1
		Oak	1100.9	1104.7	3.8	8.4	15.9	19.1	36.8

마이크로웨이브 건조 및 시간별 침지 후 방염 성능

방염 처리	방염액	수종	침지 시간 (min)	방염액 침투량(g)			방염성능
				침지전 중량	침지후 중량	침투량	잔연 시간 (sec)	잔신 시간 (sec)	탄화 길이 (㎝)	탄화 면적 (㎠)
Micro wave 건조후 시간별 침지	유기계	Ash	10	812.7	865.4	52.7	1초 미만	12.45	12.3	31.0
			20	736.6	792.9	56.3	6.7	12.4	13.5	41.8
			30	782.1	842.3	60.2	7.4	11.78	11.2	31.1
			40	737.4	808.4	71.0	7.4	12.6	11.0	27.6
			50	746.2	825.1	78.9	6.8	13.3	10.7	29.3
		Maple	10	857.7	925.4	67.7	9.4	17.46	12.7	39.9
			20	940.0	1012.4	72.4	2.9	15.03	12.0	29.8
			30	900.0	975.9	75.9	7.1	16.23	10.5	32.6
			40	885.1	974.5	89.4	8.3	14.1	11.2	36.4
			50	916.5	1020.9	104.4	5.1	13.7	10.0	28.1
		Oak	10	1253.1	1288.2	35.1	3.5	17.24	11.0	31.7
			20	1342.9	1384.2	42.0	1초 미만*	13.71	11.2	29.7
			30	1246.6	1289.3	42.7	1초 미만	13.88	11.0	26.8
			40	1199.1	1248.3	49.2	3.0	12.9	10.8	32.9
			50	1151.8	1203.7	51.9	3.1	12.2	11.0	25.7
	인산 염계	Ash	10	1106.3	1118.7	12.4	5.8	12.2	17.2	37.9
			20	1056.6	1073.6	17.0	7.0	13.8	16.3	34.1
			30	1061.6	1079.0	17.4	6.0	13.2	16.1	31.1
			40	1069.5	1090.8	21.3	5.6	11.6	14.3	25.4
			50	1065.9	1087.0	21.1	5.0	11.4	12.4	22.1
		Maple	10	1196.4	1215.7	19.3	7.6	14.3	15.9	33.7
			20	1183.4	1205.4	22.0	10.3	12.4	16.0	31.9
			30	1122.1	1149.3	27.2	6.5	13.6	14.3	26.6
			40	1196.0	1224.9	28.9	6.6	12.4	13.3	20.8
			50	1105.1	1141.3	36.2	6.6	11.2	13.1	23.1
		Oak	10	1103.8	1114.9	11.1	8.6	14.6	18.9	41.7
			20	1170.6	1184.1	13.5	7.9	12.2	17.6	22.8
			30	1251.1	1267.5	16.4	6.8	12.4	15.8	27.7
			40	1190.2	1208.9	19.7	5.5	12.4	14.1	22.3
			50	1103.1	1126.1	23.0	5.4	10.8	13.1	19.8

여기서, 1초 미만^* 은 불꽃은 나타나나 그 상태가 약하거나 급속하게 사라지는 경우

* 유기계 방염액 침지 후 평균 함수율 : 14～16％

* 인산계 방염액 침지 후 평균 함수율 : 11～13％

가. 도포량 및 침투량에 따른 수종별 방염 특성

3회 도포법 및 침지법에 의한 방염액 도포량과 침투량은 도 6 및 도 7, 잔염시간은 도 8 및 도 9, 잔신시간은 도 10 및 도 11, 탄화길이는 도 12 및 도 13, 탄화면적은 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같으며 수종별 방염성능 특성은 다음과 같다.

<1> Ash

물푸레나무과의 식물인 Ash는 다공질의 목질부와 골이나 있으며 관공이 큰 것이 특징인데, 이러한 특성은 방염액의 침투량에서 잘 나타나고 있다. Maple에 비하여 방염액이 침투되는 양은 작지만 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적 등에서 방염성능은 거의 유사한 것으로 나타나 Ash가 방염액의 침투되는 양은 작은 반면 방염성능은 우수하다는 것을 알 수 있다.

<2> Maple

Maple의 침투량은 비교 대상 수종보다 높았지만 방염성능은 비슷한 경향을 나타내고 있다. 이는, 조직이 치밀한 다공성의 Ash와 비교 시 Maple도 Ash와 유사하지만 그 조직은 비교적 연한 특성이 있으므로 많은 방염액이 침투되더라도 목재 자체의 특성에 기인하여 방염액의 침투된 양만큼의 방염성능 향상은 되지 않았다.

<3> Oak

본 실험에서 사용한 적참나무(red oak)는 조직이 치밀하여 매우 단단한 특성이 있다. 방염액에 도포 및 침지 시 비교 대상 수종에 비하여 작은 도포 및 침투량을 나타낸 것으로 볼 수 있는데, 이는 활엽수 중 매우 치밀한 조직으로 구성되어 있어 방염액의 침투량이 작았던 것으로 판단되며, 또한 다른 수종에 비하여 역학적 성능이 높으며 조직이 치밀한 Oak의 특성상 우수한 방염성능을 나타낸 것이라 사료된다.

5. 결 론

방염액의 종류에 따른 기존방염처리법과 마이크로웨이브를 이용한 방염처리 내장 목재의 방염능력 시험을 위하여 유기계, 인산계 방염액을 사용한 목재의 방염처리법(3회 도포, 마이크로웨이브 건조 후 침지법)으로 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적 등 방염 후 처리물품 시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 2㎾출력의 마이크로웨이브를 이용하여 생재에서부터 내장용 목재의 적정 함수율까지 저하시키는데 필요한 시간은 각 수종별로 함수율 10～15％를 저하시키기 위하여 10분 내외의 건조시간이 필요하며 건조율과 함수율은 반비례하는 것으로 나타났다. 이는 함수율이 낮아질수록 목재내에 수분의 양이 줄어들고 그에 따라 빈 공극이 많이 발생하였으며 공극을 통하여 수분이 수월하게 빠져 나왔기 때문이다.

2. 유기계 방염액과 인산염계 방염액을 목재에 3회 도포하여 방염처리를 할 경우, 유기계 방염액이 인산염계 방염액에 비하여 상회하는 성능을 나타냈지만, 이는 목재표면에 형성된 도막에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다. 또한 마이크로웨이브를 이용하여 목재를 적정함수율(6～8％)까지 건조한 후 방염액에 침지시켜 방염성능 시험을 한 결과, 유기계 방염액에 비하여 인산염계 방염액이 전체적으로 고른 분포와 침지시간이 늘어날수록 우수한 방염성능을 나타내었으며 30분 이상 침지 시 방염성능의 향상이 뛰어난 것으로 나타났다.

3. 3회 도포와 마이크로웨이브 건조 후 시간별 침지시 방염성능을 비교 분석 한 결과, 유기계 방염액은 3회 도포법 보다 침지법이 방염성능상 불리한 것으로 나타났으며, 인산염계 방염액은 3회 도포법 보다 침지법이 방염성능상 우수한 것으로 나타나 소량의 침투량만으로도 유기계와 동등한 방염성능을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는, 인산염계 방염액 침지와 동시에 침투되었던 수분이 자연건조 과정에서 수분이 증발되어 순수 약제만이 목재내부에 존재하게 됨으로써 소량의 침투량으로 유기계와 동등이상의 특성을 나타난 것이다. 또한 마이크로웨이브 건조과정에 대한 방염액 침지 30분 기준으로 침지법과 3회 도포법의 처리시간을 비교한 결과 침지법은 총 50～60분이 소요되는 반면 3회 도포법은 7시간 이상이 소요되는 것으로 나타났다. 이에, 마이크로웨이브를 이용하여 단시간에 목재를 적정 함수율까지 저하시켜 방염액에 목재를 침지를 시키는 과정이 기존 3회 도포방식보다 5～6 시간이 단축이 가능하다.

4. 유기계 방염액은 도포나 침지시 목재의 표면에 새로운 불투명 도막을 형성하는데 비하여 인산염계 방염액은 유기계와는 달리 맑고 투명하며 무색.무취하므로 사용시 목재의 표면 질감과 그 상태가 깨끗이 유지되는 것으로 나타났다. 또한 수종별로 방염액 종류 및 방염처리법에 따라 방염성능을 비교.분석을 한 결과, 도포법에 비하여 마이크로웨이브로 건조 한 후 인산염계 방염액에 침지된 목재 중 소량의 방염액 침투만으로 최대의 효과를 나타내고 있는 Oak가 가장 유리하며 그 다음으로 Ash, Maple인 것으로 나타났다.

이상의 결과에서 인산염계 방염액은 소량의 방염액만이 목재에 침투되었음에도 유기계 방염액과 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적을 비교시 큰 차이없이 동등한 성능을 나타내었으며, 3회 도포법에 비하여 마이크로웨이브 건조 후 유기계와 인산염계 방염액에 침지한 목재의 방염성능은 인산염계 방염액의 성능이 약간 상회하는 것으로 나타났지만, 방염액 침투량으로 비교하였을 경우 인산염계 방염액의 소모량이 유기계 방염액의 50％ 이하의 소량 방염액으로 최대의 효과를 낼 수 있어 경제성이 뛰어나다.

이상 최적의 경제성을 고려하고 우수한 성능 발휘를 위하여 다양한 범위의 수종을 선별하며, 유기계, 무기계, 인산염계 등을 포함한 다른 성분의 방염액을 사용한 방염목재의 적정 사용량에 대한 범위 도출과 데이터 확보가 이루어진다면 건축용 방염 내장목재 시장의 수준을 한 단계 끌어올릴 수 있는 계기가 될 것으로 사료된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 목재의 방염처리 방법을 도시한 공정도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 마이크로웨이브의 건조 메커니즘을 보인 도면이고, 도 2b는 건조 목재의 방염액 침투 메커니즘을 보인 도면이다.

도 3은 본 발명에 따라 방염처리된 목재의 방염성 시험을 한 목재를 나타낸 도면이다.(Oak 인산염계 50분 침지)

도 4는 본 발명에 따른 마이크로웨이브의 건조 후 침지법과 기존의 3회 도포법의 방염처리 순서를 보인 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 Ash, Maple, Oak의 함수율별 건조율 및 마이크로웨이브 가열시간을 보인 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 유기계 방염액, 3회 도포량 및 마이크로웨이브 건조 후 방염액 침투량을 보인 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 인산염계 방염액, 3회 도포량 및 마이크로웨이브 건조 후 방염액 침투량을 보인 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 유기계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 잔염시간을 보인 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 인산염계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 잔염시간을 보인 그래프이다.

도 10은 본 발명에 따른 유기계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 잔신시간을 보인 그래프이다.

도 11은 본 발명에 따른 인산염기계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 잔신시간을 보인 그래프이다.

도 12는 본 발명에 따른 유기계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 탄화길이를 보인 그래프이다.

도 13은 본 발명에 따른 인산염계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 탄화길이를 보인 그래프이다.

도 14는 본 발명에 따른 실험 중 방염액 3회 도포 방염성능 시험 후의 목재(Oak)를 나타낸 도면이다.

도 15는 본 발명에 따른 실험 중 마이크로웨이브 건조 후 방염액에 40분 침지 후 탄화 형태를 보인 목재(Maple)를 나타낸 도면이다.

도 16은 본 발명에 따른 유기계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 탄화면적을 보인 그래프이다.

도 17은 본 발명에 따른 인산염계 방염액, 3회 도포, 마이크로웨이브 건조 방염성능 시험결과 중 탄화면적을 보인 그래프이다.

Claims (6)

1. 선정된 목재의 초기 함수율을 체크하는 단계;

   상기 목재를 바탕처리하는 단계;

   상기 목재를 마이크로웨이브로 가열하여 건조시키는 단계;

   상기 마이크로웨이브로 가열된 목재의 열기를 제거하여 잔존 수분을 증발시키는 열기제거 단계; 및

   열기가 제거된 목재를 방염액에 침지시킨 후 자연 건조시키는 단계를 포함하고,

   상기 목재를 마이크로웨이브로 가열하여 건조시키는 단계에서는 내장용 및 외장용 목재에 따라 상기 마이크로웨이브를 2.1㎾~5.0㎾로 하여 7분∼15분 동안 조사하되, 상기 목재 중 활엽수는 10~15분, 침엽수는 7~10분 동안 상기 마이크로웨이브를 조사하는 ,

   목재의 방염처리 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로웨이브로 가열된 목재는 4%~8％의 함수율을 갖는 목재의 방염처리 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 열기가 제거된 목재를 방염액에 침지시킨 후,

   상기 목재 중 내장용 목재는 6%~8％, 외장용 목재는 12%~14％의 함수율을 갖는,

   목재의 방염처리 방법.

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