KR101049096B1 - 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법 - Google Patents

목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 목재의 보존처리방법에 관한 것으로, 특히 목초액을 이용하여 인체에 대한 독성이 없으면서도 목재를 부후시키는 부후균 및 목재의 표면 오염이나 목재를 변색 시키는 미생물 모두에 높은 저항성을 가진 새로운 목재의 친환경 보존처리방법에 관한 것이다.
목초액, 목재, 친환경, 보존처리

Description

목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법{Nature-friendly method for wood preservation using wood vinegar}
본 발명은 목재의 보존처리방법에 관한 것으로, 특히 천연소재를 이용하여 인체에 대한 독성이 없는 목재의 친환경 보존처리방법에 관한 것이다.
목재는 소재의 천연성, 가공의 용이성, 미려성, 친근성 등으로 인하여 다양한 용도로 사용되고 있다. 그러나 목재가 천연소재라는 한계 때문에 시간경과에 따라 목재가 수분을 흡수하고, 부패하여 강도가 감소되거나, 목재의 표면에 균이 생육함에 의해 표면이 변성, 변색되어 품질이 저하되는 단점이 있다. 특히 공원의 벤치나 놀이터에 설치되는 놀이기구, 또는 건물의 외벽, 지붕 등, 외기에 노출되어 설치되는 목재의 경우, 비, 바람, 안개, 태양광선, 눈 등의 열악한 환경에 직접적으로 노출되므로, 각종 목재방부제를 이용한 방부처리가 필수적이다.
종래 사용되는 화학약품 목재방부제로서 구리크롬비소화합물(CCA)계 목재 방부제는 가격은 낮지만 인체에 매우 위험한 중금속인 비소를 함유하고 있어 그 사용 이 점차 제한될 수밖에 없고, 또한 구리알킬암모늄화합물(ACQ)계 목제방부제는 방부목재 표면에서 곰팡이가 발생하고, 처리공장의 처리기계와 방부목재에 사용되는 철물의 부식이 문제가 되며, 사용된 방부목재의 폐기시 구리를 함유한 폐기물로 처리되어야 한다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 적절한 방부성능을 가지면서도 인체의 접촉이 빈번한 곳에 사용되기 위해 인체에 독성이 없는 친환경적인 목재의 보존처리방법에 대한 필요성은 나날이 높아가고 있다.
본 발명은 인체에 독성이 있는 목재보존제를 사용하지 않고 친환경적인 천연 소재를 이용한 목재의 보존처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목재 보존처리방법은 보존처리할 목재를 목초액에 5 ~ 80 시간 침지시키고 그늘에서 100 ~ 300 시간 건조시킨 후, 건조된 목재에 목타르 및 송진 혼합물을 0.1 ~ 5 mm 도포하고 그늘에서 50 ~ 200 시간 건조시키는 것으로, 천연소재를 이용한 친환경 보존처리방법인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목재 보존처리방법은 상기 목초액 침지 및 건조 과정 후, 목초액 100 중량부에 탈아세틸화도가 70% 이상인 키토산 0.1~10 중량부 용해된 키토산 및 목초액 혼합물을 건조된 목재에 0.01 ~ 0.5 mm 도포하고 그늘에서 20 ~ 80 시간 건조시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목재 보존처리방법에서, 상기 목타르 및 송진 혼합물은 목타르 10 중량부에 송진 0.5 ~ 5 중량부, 탄소수 1 내지 5의 저급 알코올 10 ~ 100 중량부 포함하는 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 목재 보존처리방법에서 상기 목타르 및 송진 혼합물에 쑥 추출물 0.1 ~ 2 중량부 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목재 보존처리방법에서 상기 보존처리할 목재를 300 mmHg 이하의 압력으로 10분 ~ 2시간 유지하여 전배기시키고, 목초액을 유입시킨 후 5 ~ 30 kg/cm2의 압력으로 3 ~ 5 시간 목초액을 강제주입시키고, 600 ~ 740 mmHg로 목초액을 회수하여 후배기시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목재 보존처리방법은 상기 목타르 및 송진 혼합물 도포 및 건조 과정을 1 ~ 4회 더 반복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 목재의 보존처리란 목재에 방부 및 방미 효과를 부여하는 단위조작 또는 이를 포함하는 공정을 의미한다. 방부란 목재의 부후균을 억제하는 효과를 의미한다. 목재의 부후균에는 셀룰로스를 분해시키는 갈색부후균, 리그닌을 분해시키는 백색부후균 및 이들과 부후형태를 약간 달리하는 연부후균 등이 있다. 표면 오염균과 달리 이들 부후균은 종류를 막론하고 목재의 강도 저하를 수반한 다.
본 발명에서 방미라 함은 주로 목재의 표면 오염균 즉, 목재 표면의 색깔 변화를 유발하는 미생물의 생장을 억제하는 효과를 의미한다. 표면 오염균은 종류에 따라 표면 오염색상을 달리 나타내는 바, 이러한 표면 오염균으로는 아스퍼질러스속 (Aspergillus: 흑색), 리조푸스속(Rhizopus: 흑색), 푸사리움속(Fusarium: 빨강, 자주), 글로클라디움속(Glocladium: 녹색), 트리코더마속(Trichoderma: 녹색), 모닐리아속(Monilia: 오렌지색)의 미생물을 들 수 있다. 목재의 표면 오염균은 목재 세포벽의 구성성분인 셀룰로스를 분해시키지 않기 때문에 목재의 강도 변화는 수반하지 않으나 목재의 표면을 오염시킴으로써 목재의 미적가치 및 상품가치를 현저하게 낮춘다.
본 발명은 목재의 보존처리방법은 목초액을 이용하여 인체에 대한 독성이 없으면서도 목재를 부후시키는 부후균 및 목재의 표면 오염이나 목재를 변색 시키는 미생물 모두에 높은 저항성을 가진 새로운 목재의 친환경 보존처리방법을 제공한다. 특히 사람이 생활하거나 인체가 직접 접촉되는 건축 내장재로 적합함은 물론 방부 및 방미 성능이 뛰어나므로 건축 외장재로도 사용될 수 있다.
본 발명의 목재 보존처리방법은 보존처리할 목재를 목초액에 10 ~ 140 ℃에서 5 ~ 80 시간 침지시키는 단계; 그늘에서 100 ~ 300 시간 건조시키는 단계; 건조 된 목재에 목타르 및 송진 혼합물을 0.1 ~ 5 mm 도포하는 단계; 및 그늘에서 50 ~ 200 시간 건조시키는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기 보존처리할 목재라 함은 건축자재, 가구자재, 토목자재 등을 포함하는 목재가 적용되는 다양한 분야에 사용되는 목재로서, 바람직하게는 건축자재로서, 주로 통나무집이나, 목조주택의 건설에 사용되는 데크 자재를 말한다.
목재는 나무를 벌목을 하고 일반적으로 벌목된 나무의 껍질을 제거하는 단계를 거친다. 이와 같이 외피(껍질)가 제거된 목재는 그 용도에 따라 원목 그대로 또는 용도에 맞게 절단하여 일정한 형상을 만든 후에 건조하는 단계를 거친다. 원목의 형태로 그대로 살리고 싶은 경우에는 껍질만 제거한 채로 건조할 수도 있고, 기둥이나 기타 용도에 따라 이에 알맞은 형상이나, 이러한 용도에 맞게 후가공하기에 적당한 외형으로 가공한 후에 이를 건조할 수도 있다. 상기 건조단계에서 어떻게 건조가 되는가에 따라, 이후에 목초액의 흡수량이 달라지고, 제작과정에서 뒤틀림이나, 목재 조직의 균일도, 내부 조직의 조밀도 등에 차이가 발생하므로, 목초액의 흡수량을 최대화하고, 뒤틀림을 방지하고, 목재의 균일도 및 조밀도 등에 영향을 적게 주는 건조공정이 필요하다. 바람직하게는 상기 건조공정 또는 본 발명의 다른 건조공정에서 목재의 수분 함량을 25% 이하, 더욱 바람직하게는 22% 이하, 더더욱 바람직하게는 12~18%로 하는 것이 바람직하다.
상기 목초액은 침엽수, 활엽수, 교목, 관목, 상록수, 낙엽수, 상록침엽수, 낙엽침엽수, 상록활엽수, 낙엽활엽수, 및 초목의 잎, 줄기, 뿌리, 열매, 꽃 중에서 선택된 어느 하나 이상을 열분해, 가온, 증류, 추출, 및 덖음 중에서 선택된 하나 이상의 과정에서 생성한 액체 또는 정유 또는 증기를 포집하여 냉각, 응축, 분리, 숙성, 여과, 증발, 및 증류 중에서 선택된 하나 이상의 가공 과정을 통하여 제조될 수 있고, 바람직하게는 참나무를 이용해 제조한 참나무 목초액이다. 예를 들어, 본 발명의 목초액은 침엽수, 활엽수, 교목, 관목, 상록수, 낙엽수, 상록침엽수, 낙엽침엽수, 상록활엽수, 낙엽활엽수, 및 초목의 잎, 줄기, 뿌리, 열매, 꽃 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 150 내지 350 ℃에서 직접 또는 간접 열분해 하거나, 가마솥에서 대기압 또는 감압 상태에서 80 내지 150 ℃로 가온하거나, 용매 추출 또는 초임계유체 추출 방법에 의하여 추출하거나, 또는 가마솥에서 데워 익히는 덖음을 하고, 상기 열분해, 가온, 추출, 또는 덖음 과정에서 발생하는 액체 물질 또는 증기를 포집하여 이를 냉각 및 응축하고, 상기 냉각 또는 응축된 목초액 속에 함유된 식물 정유 성분을 회수하기 위하여 유수 분리하고, 상기 목초액 속에 함유된 이물질 및 타르를 여과하고, 상기 목초액을 화학적 안정화를 위하여 상온 또는 가온하여 숙성하고, 상기 목초액 속에 함유된 이물질 및 타르를 분리하여 제조한다. 특히 열분해하여 탄화시키지 않은 온도에서 가마솥에 넣어 상압 또는 감압 상태로 80 내지 150 ℃에서 가온하거나, 용매 추출 또는 초임계유체 추출 방법에 의하여 추출하거나, 가온 또는 증류 또는 덖는 과정에서 발생하는 액체 물질 또는 증기 또는 정유를 포집하고 이를 냉각 및 응축 및 분리 과정을 거쳐 제조된 목초액 조성물이 타르 함량이 낮아 바람직하다. 본 발명의 목초액은 원재료나 제조방법이 다른 2종 이상의 목초액을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 보존처리할 목재를 목초액에 침지시키는 단계는 3 ~ 80 시간 이루어진 다. 목초액 침지시간이 3 시간 미만인 경우에는 충분한 방부 및 방미효과를 얻을 수 없고, 80 시간을 초과하더라도 목재에 대한 목초액의 침투량이 증대되지 않는다. 목초액의 포화 침투량을 달성하면서 침지시간을 단축하기 위해서는, 상기 목초액을 가압하여 강제주입시키는 것이 바람직하다. 목초액의 강제주입을 위해서는 상기 보존처리할 목재를 300 mmHg 이하의 압력으로 10분 ~ 2시간 유지하여 전배기시키고, 목초액을 유입시킨 후 5 ~ 30 kg/cm2의 압력으로 3 ~ 5 시간 목초액을 강제주입시키고, 600 ~ 740 mmHg로 목초액을 회수하여 후배기시킨다.
목초액에 침지된 목재는 그늘에서 100 ~ 300 시간 건조하는 것이 바람직하다. 햇볕에서 건조하거나 건조시간이 100 시간 미만인 경우 목재의 표면만 건조되고 내부는 건조되지 않아 목초액의 고착율이 낮아 방부 및 방미성의 지속력이 저하되고 목재의 뒤틀림이 발생할 수 있다.
상기 목초액이 강제주입된 목재 또는 목초액에 침지된 목재는 목초액의 목재 내부 융착을 위하여 목초액 100 중량부에 탈아세틸화도가 70% 이상인 키토산 0.1~10 중량부 용해된 목초액 키토산 혼합물에 1 ~ 5 시간 침지시키는 것이 바람직하다.
상기 건조된 목재는 목재 내부에 고정된 목초액의 유탈 방지 및 목재의 방수성을 증진시키기 위해 목타르 및 송진 혼합물을 0.1 ~ 5 mm 도포한다. 목타르 및 송진 혼합물은 목타르 10 중량부에 송진 0.5 ~ 5 중량부, 그리고 이들을 용해시키기 위한 용제로 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등의 탄소수 1 내지 5의 저급 알코올 10 ~ 100 중량부 사용한다. 목타르 및 송진 혼합물을 1회에 일정 두께 예를 들어 5 mm로 도포하는 것 보다는, 2회에 걸쳐 2.5 mm씩 도포와 건조의 싸이클을 반복하는 것이 바람직하고, 도포와 건조 반복 싸이클은 1 내지 4회가 바람직하다.
상기 목타르 및 송진 혼합물의 방부성을 더욱 증대시키기 위해서는 상기 목타르 10 중량부에 대하여 쑥 추출물 0.1 ~ 2 중량부를 더 포함시키는 것이 바람직하다. 상기 쑥 추출물은 종래 천연항료의 추출에 사용된 예컨대, 수증기 증류 추출법, 유기용매추출법 등 어떤 추출방법도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 쑥을 수증기 증류 추출법에 의해 추출한 쑥 정유(essential oil) 또는 쑥 워터(water)이다. 예를 들어 쑥 추출방법은 쑥을 짧게 절단하여 추출기에 넣고, 물을 가열하여 증류된 수증기에 의해서 쑥의 활성성분을 추출하고, 추출된 추출액을 모아 비중에 따라 오일(oil) 층과 물(water) 층을 분리한다. 바람직하게는 방부활성이 뛰어난 쑥 정유를 사용한다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 것일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위가 변경되거나 축소되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예에서 목초액 및 목타르는 전남 무안 소재의 (주)한국티앤씨의 참나무 목초액(타르 함량 0.2% 미만) 및 목타르를 사용하고, 목재는 30 × 10 × 2 ㎝의 미국산 소나무를 사용하였다. 실시예에서 제조된 보존처리 목재는 “해수목”으로 명명하였다.
실시예 1:
목재를 목초액에 48 시간 침지시키고 그늘에서 168 시간 건조시킨 후, 건조된 목재에 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장하고, 그늘에서 84시간 건조하고, 다시 상기 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장한 후, 그늘에서 84시간 건조하였다.
실시예 2:
실시예 1에서 목재를 목초액에 48 시간 침지시키는 것 대신 목초액 침지단계를, 목재를 250 mmHg 압력으로 30분 유지하여 전배기시키고, 목초액을 유입시킨 후 15 kg/cm2의 압력으로 4 시간 목초액을 강제주입시키고, 650 mmHg로 목초액을 회수하여 후배기시키는 것 이외에 나머지 단계는 동일하게 목재의 보존처리를 하였다.
실시예 3:
목재를 목초액에 48 시간 침지시키고 그늘에서 168 시간 건조시킨 후, 건조된 목재에 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 3.0 mm 두께로 도장하고, 그늘에서 168시간 건조하였다.
실시예 4:
실시예 1에서 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물 대신 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량%, 쑥 추출물 0.5 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물을 사용하고, 나머지는 동일하게 목재의 보존처리를 하였다. 쑥 추출물은 인진쑥을 채취 후 하루 음건하여 수증기 증류법으로 2 시간 추출한 추출액에서 정유 부분과 물 부분을 분리하여 정유 부분을 사용하였다.
실시예 5:
목재를 목초액에 48 시간 침지시키고 그늘에서 168 시간 건조시킨 후, 목초액 100 중량부에 탈아세틸화도가 84% 인 키토산 3 중량부 500 rpm으로 교반하면서 용해시키고, 상기 키토산 및 목초액 혼합물에 3 시간 침지시킨 후 그늘에서 24 시간 건조시켰으며, 건조된 목재에 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장하고, 그늘에서 84시간 건조하고, 다시 상기 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장한 후, 그늘에서 84시간 건조하였다.
비교예 1:
어떠한 방부처리도 하지 않은 목재를 비교예 1로 하였다.
비교예 2:
목초액을 25 ℃에서 48 시간 침지시키고 그늘에서 168 시간 건조시킨 목재를 비교예 2로 하였다.
비교예 3:
실시예 1에서 목초액 침지단계를 생략하고, 건조된 목재에 에탄올에 목타르 20 중량%, 송진 2 중량% 용해한 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장하고, 그늘에서 84시간 건조하고, 다시 상기 목타르 및 송진 혼합물을 분체도장기로 1.5 mm 두께로 도장한 후, 그늘에서 84시간 건조하여 비교예 3으로 하였다.
실험예 1: 방부성 시험
각 실시예 및 비교예마다 6개의 시료를 준비하여 목재를 대표적인 갈색부후균(Tyromyces palustris)에 4 주 및 12주 동안 노출시켜 중량감소율을 측정하고 그 평균값을 하기 표 1에 나타내었다.
구분 중량 감소율(%)
4주 12주
실시예 1 1.2 2.3
실시예 2 1.1 2.4
실시예 3 1.4 3.6
실시예 4 0.4 0.4
실시예 5 0.3 0.2
비교예 1 28.9 42.2
비교예 2 15.2 25.9
비교예 3 5.3 6.7
실험예 2: 방미성 시험
각 실시예 및 비교예마다 3개의 시료를 준비하여 임업연구원 목재보존연구실 규격 제2호(1997)에 정하는 방법에 따라 털곰팡이와 청변균을 사용하여 4 주 및 12 주간 시험한 후 개개 시편에서의 균체발육상황을 관찰하여 평가치를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 미생물 발육정도
4주 12주
실시예 1 - -
실시예 2 - -
실시예 3 - ±
실시예 4 - -
실시예 5 - -
비교예 1 +++ +++
비교예 2 ++ +++
비교예 3 + ++
-: 미생물 발육 전혀 없음
±: 3개의 시료 중 1 또는 2개의 시료에만 미생물 일부 발육
+: 3개의 시료 모두에서 표면의 1/3 이하로 미생물 발육
++: 3개의 시료 모두에서 표면의 1/3 이상 1/2 이하로 미생물 발육
+++: 3개의 시료 모두에서 표면의 1/2 이상으로 미생물 발육
실험예 3: 방수성 시험
각 실시예 및 비교예마다 3개의 시료를 물 속에 잠기도록 침지시키고 1일 1회 표면을 닦고 무게를 측정하여 수분흡수율을 계산하였다. 수분흡수율은 물 속에 침지시키기 전의 무게에서 침지 후의 무게변화를 백분율로 계산하여 표 3에 나타내었다.
구분 1일째 2일째 3일째 4일째 5일째
실시예 1 0.5 0.6 0.8 0.9 1.0
실시예 2 0.6 0.6 0.8 0.9 1.1
실시예 3 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3
실시예 4 0.5 0.6 0.7 0.7 0.9
실시예 5 0.4 0.4 0.5 0.6 0.6
비교예 1 31.8 36.6 37.8 40.2 41.3
비교예 2 28.1 32.1 35.1 38.8 40.3
비교예 3 0.7 0.9 1.1 1.2 1.4

Claims (6)

  1. 보존처리할 목재를 목초액에 5 ~ 100 시간 침지시키고 그늘에서 100 ~ 300 시간 건조시킨 후, 목타르 10 중량부에 송진 0.5 ~ 5 중량부, 탄소수 1 내지 5의 저급 알코올 10 ~ 100 중량부 포함하는 목타르 및 송진 혼합물을 상기 건조된 목재에 0.1 ~ 5 mm 도포하고 그늘에서 50 ~ 200 시간 건조시키는 것을 특징으로 하는 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 목초액 침지 및 건조 과정 후, 목초액 100 중량부에 탈아세틸화도가 70% 이상인 키토산 0.1~10 중량부 용해된 키토산 및 목초액 혼합물을 건조된 목재에 0.01 ~ 0.5 mm 도포하고 그늘에서 20 ~ 80 시간 건조시키는 것을 특징으로 하는 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 목타르 및 송진 혼합물에 쑥 추출물 0.1 ~ 2 중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보존처리할 목재를 300 mmHg 이하의 압력으로 10분 ~ 2시간 유지하여 전배기시키고, 목초액을 유입시킨 후 5 ~ 30 kg/cm2의 압력으로 3 ~ 5 시간 목초액을 강제주입시키고, 600 ~ 740 mmHg로 목초액을 회수하여 후배기시키는 것을 특징으로 하는 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 목타르 및 송진 혼합물 도포 및 건조 과정을 1 ~ 4회 더 반복하는 것을 특징으로 하는 목초액을 이용한 목재의 친환경 보존처리방법.
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