KR101996507B1 - Silicification을 이용한 목재의 개질 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목재의 개질 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Silicification을 이용한 목재의 개질 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 Silicification을 이용한 목재의 개질 방법은, 아미노실란 또는 아민 화합물을 알코올에 희석한 1차 함침액을 목재에 침투시킨 후 건조시키는 단계를 거친 다음에, 1차 함침된 목재를 에폭시실란 또는 알킬알콕시실과 수분이 포함된 실리카졸이 혼합된 2차 함침액으로 함침하고 건조시키는 공정으로 이루어지질 수 있다.

Description

Silicification을 이용한 목재의 개질 방법{MODIFICATION METHOD OF WOOD USING SILICIFICATION}
본 발명은 목재의 개질 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Silicification을 이용한 목재의 개질 방법 및 장치에 관한 것이다.
지구환경 문제와 관련하여 숲의 역할은 점차 중요시되고 있다.
UN 환경기구에서는 환경 파괴형 벌채 임업에 대한 규제가 강화되고 있으며 열대우림을 포함한 지구상의 모든 목재에 대한 사용규제를 강화하는데 의견을 모으고 있다.
일부 선진국에서는 당장 목재 사용량을 규제하기에 어려움이 있으므로 목재 소비 절약 정책, 즉 내구성 증가 및 방부처리 대책을 우선시 하고 있다.
우리나라의 경우 목재 자급율이 6%에 불과하며 인구 1,000명당 방부처리 목재 사용량은 1.1㎥로 목재 자원국인 뉴질랜드와 비교했을 때 1/260 배로 매우 낮은 편이다.
목재의 방부처리란 목재의 사용 연한을 늘려서 최소한의 벌목만을 허용한다는 것으로 해석된다.
목재는 자연 친화적인 친환경 소재로 장점이 많지만 주 성분인 셀룰로오스가 수분을 쉽게 받아들일 수 있는 수산기(OH)라는 친수성 관능기를 많이 포함하고 있는 것이 단점이기도 하다.
외부에 노출되어 비나 눈같은 요인에 의하여 목재의 도관안으로 침투되고 빠져나가는 물의 양의 많고 적음의 차이는 도관의 벽(셀벽)에 가해지는 물리적 화학적인 충격의 크고 작음의 척도가 될 수 있기 때문에 흡수율을 낮추는 것이 목재의 사용 연한을 늘리기 위한 근본적인 방법이 될 수가 있다.
목재의 셀룰로오스 수산기(OH)의 친수성 수산기의 단점을 해결하기 위한 방법으로는,
첫째, 목재의 도관에 오일, 퍼프릴알콜 같은 물질을 채워 넣어서 수분이 침투하는 것을 방지하는 방법과, 둘째로 목재의 수산기(OH)와 초산을 반응시켜 친수성 관능기인 수산기(OH)를 소수성인 아세테이트기(O=C-CH3)로 바꾸는 화학적 처리 방법([수학식 1])이 있다.
Figure 112018085886299-pat00001
목재의 도관에 오일이나 퍼프릴알콜 같은 물질을 채워 넣는 방법은 채워진 오일이나 퍼푸릴 알코올이 경화되지 않았을 때에는 밖으로 흘러나와 오염이 될 수 있고, 경화될 경에는 도관의 벽을 경화된 오일이나 퍼푸릴이 밀어서 목재에 균열이 발생할 우려를 낳게 된다.
그러므로 오일이나 퍼프릴레이션된 목재는 사람의 손길이 닿는 곳이나 외관에 민감한 부분에는 시공이 불가능하고 옥외 마루같은 제한적인 부분에만 시공이 가능하다는 단점이 있다.
또한 친수기인 수산기(OH)를 소수성인 아세테이트기(O=C-CH3)로 바꾸는 화학적 처리에 사용되는 초산(HOOC-CH3)은 분자량이 60.05g/mol로 매우 작은 단분자이며, 수산기(OH)와 반응할 수 있는 카르복실기(COOH)가 한 개만 존재하므로 수산기(OH)간의 가교반응(Cross-Linking Reaction)이 이루어지지 않으므로 수분의 침투로 인한 팽창 및 흡수율은 줄어 들 수 있지만 목재의 강도는 높아지지 않는다.
따라서 아세틸레이티드(초산처리)목재의 용도는 외부 충격에 영향을 적게 받는 부분으로 제한될 수 밖에 없다.
도 1은 목재의 도관 기공을 확대한 사진이다.
대한민국 등록특허공보 10-1222416
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목재의 셀루로오스의 수산기와 반응할 수 있는 관능기가 1개 이상인 알콕시실란 및 수산화규소[ Si(OH)4)]의 반응으로 목재의 셀룰로오스의 친수성인 수산기(OH)간, 그리고 셀룰로오스 구조간의 가교결합(Cross-link)을 유도하여 목재의 강도를 증가시키고 동시에 소수화시켜서 내구성을 증진하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Silicification을 이용한 목재의 개질 방법은, 아미노실란 또는 아민 화합물을 알코올에 희석한 1차 함침액을 목재에 침투시킨 후 건조시키는 단계를 거친 다음에, 1차 함침된 목재를 에폭시실란 또는 알킬알콕시실과 수분이 포함된 실리카졸이 혼합된 2차 함침액으로 함침하고 건조시키는 공정으로 이루어지질 수 있다.
여기서, 상기 함침과 건조 단계는, 진공압력탱크에 상기 목재를 투입한 후 수분 및 불순물을 제거한 후, 교반탱크로부터 교반된 1차 함침액을 진공압력을 풀어서 압력탱크 내부로 유입시키는 1차 함침 단계; 1차 함침된 목재에 포함된 알코올 용매를 증발 시키기 위하여 소정 시간 동안 상온에서 진공장치가 장착된 마이크로파 건조장치에 투입하여 건조시키는 1차 건조 단계; 1차 함침 처리된 목재를 냉각이 가능한 진공 압력탱크에 투입하고 진공압력을 이용하여 교반탱크로부터 교반된 2차 함침액을 압력탱크 내부로 유입시키는 2차 함침 단계; 및 2차 함침된 목재의 표면에 함침액의 잔유물이 보이지 않을 때까지 상온 건조한 후 진공장치가 부착된 마이크로파 건조장치에 투입하여 건조시키는 2차 건조 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 1차 함침 단계에서, 상기 1차 함침액이 목재의 미세 도관까지 도달될 수 있도록 상기 1차 함침액의 점도가 50 cps(25℃) 내외로 상기 압력탱크의 압력이 1 kgf/㎠에서 1시간 정도 경과시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 2차 함침 단계에서, 상기 교반탱크의 교반시와 상기 압력탱크 내에서의 함침과정에서 내용물의 온도를 20℃ 이내로 관리하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 1차 함침액은 아미노알킬알콕시실란(Aminoalkylalkoxysilane), 아미노알킬실라놀(3-Amino alkylsilanol), 아민알콕시실란(aminealkoxysilane), 디포달아민 관능기실란(Dipodal amine functional silane), 씨크릭아자실란(Cyclic Azasilane), 피리딜알킬치오알킬알콕시실란((Pyridylalkyl)thioalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알킬우레아(Alkoxysilylalkylurea), Alkylidene-amino-alkyl-alkoxy-silane(알킬리덴아미노알킬알콕시실란), 쎄미카바지딜알킬알콕시실란(Semicarbazidylalkylalkoxysilane), 숙신니미딜옥시운데실알킬알콕시실란[(Succinimidyloxy)undecylalkylalkoxysilane], 알콕시실릴알킬퍼프로우로헥산아민(Alkoxysilylalkylperflourohexanamine), 유레이도알킬알콕시실란(Ureidoalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알콕시알킬피페리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl piperidine), 알콕시실릴알콕시알킬카보알콕시아지리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl carboalkoxyaziridine), 알콕시실릴아자옥소알킬카프로락탐(Alkoxysilyl-aza-oxo-alkyl caprolactam), 구아니딜알킬알콕시실란(Guanidinylalkylalkoxysilane), 아로마틱아민(Aromatic amine) 또는 알킬아민(Alkyl amine) 중 1종 이상을 1~20 % 중량비로 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올 중 1종에 희석하여 준비할 수 있다.
여기서, 상기 2차 함침액은, 알킬알콕시실란(에폭시시크로알킬) [Alkylalkoxysilane(Epoxycycloalkyl)], 알킬알콕시실란(글리시독시알킬)[Alkylalkoxysilane(Glycdoxyalkyl)] 중 1종 이상의 에폭시 관능기 실란(Expoxy functional silane) 5~10% 중량비와, 알킬알콕시실란(Alkylalkoxysilane) 1종 이상을 60 ~ 75% 중량비, pH 9~11, 고형분 30%의 실리카졸(콜로이달실리카) 20~30% 중량비로 하여 혼합하여 얻을 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 목재의 셀루로오스의 수산기와 반응할 수 있는 관능기가 1개 이상인 알콕시실란 및 수산화규소[ Si(OH)4)]의 반응으로 목재의 셀룰로오스의 친수성인 수산기(OH)간, 그리고 셀룰로오스 구조간의 가교결합(Cross-link)을 유도하여 목재의 강도를 증가시키고 동시에 소수화시켜서 내구성을 증진시킬 수 있다.
도 1은 목재의 도관 기공을 확대한 사진이다.
도 2는 마이크로파 건조장치 내에서의 실라놀과 목재의 수산기의 반응을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 목재의 Silicification 공정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 2차 함침액 냉각 교반탱크를 간략 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 Silicification을 이용한 목재의 개질 방법과 장치 및 작용 효과를 살펴본다.
첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 목재의 셀룰로오스의 친수성인 수산기(OH)간, 그리고 셀룰로오스 구조 간의 가교결합(Cross-link)을 유도하여 목재의 강도를 증가시키고 동시에 소수화시켜서 내구성을 증진시킬 수 있는 목재의 Silicification에 의한 개질 방법을 제공한다.
[수학식 2]와 같이 목재의 셀루로오스의 수산기와 반응할 수 있는 관능기가 1개 이상인 알콕시실란 및 수산화규소[Si(OH)4)]의 반응으로 목재의 Silicification에 의한 개질 구현이 가능하다.
Figure 112018085886299-pat00002
여기서 m은 규소화합물의 알콕시 개수, R, R'은 알킬이다.
이런 방법의 목재 개질 처리로 목재의 강도를 증가시키고 동시에 소수화시켜서 내구성을 증진시킬 수 있게 된다.
목재의 Silicification에 의한 개질 방법은 1차 함침과 2차 함침으로 나뉘며,
1차 함침액에 포함된 아민과 2차 함침액에 포함된 물 또는 에폭시기의 반응으로 점도가 급격하게 상승하여 목재로의 함침처리가 거의 불가능하게 될 수 있다.
따라서 먼저 아미노실란 또는 아민 화합물을 알코올에 희석한 1차 함침액을 목재에 침투시켜서 마이크로파 건조장치에서 건조시키는 단계를 거친 다음에 에폭시실란, 알킬알콕시실과 수분이 포함된 실리카졸이 혼합된 2차 함침액을 함침하고 건조시키는 과정으로 진행되어야 한다.
또한 2차 함침액만으로도 가수화 반응이 일어나기 때문에 낮은 온도에서의 작업이 필수적이다.
일반적으로 목재에 포함된 수분 등을 건조시킬 때에는 일반 상온에서 오랜 시간 동안 서서히 수행하여야 목재에 균열이 발생하지 않게 된다.
그러나 이런 방법은 시간적으로 매우 불리할 뿐 아니라 건조 시 목재를 펼쳐 놓아야할 장소도 문제가 된다.
진공장치가 부착된 마이크로파 건조장치에서는 목재의 균열 문제도 발생하지 않을 뿐만 아니라 건조시간도 수분 내에 이루어지기 때문에 작업의 수월성은 물론 협소한 장소에서도 가능하다.
또는 건조작업 중에 발생하는 대기오염의 원인 물질인 알코올을 진공장치를 이용하여 포집함으로써, 대기오염도 줄이고 알코올을 재활용할 수가 있게 된다.
마이크로파 장치안에서 목재에 침투된 알콕시실란은 실리카졸에 포함된 물분자로 인하여 먼저 가수화 반응을 하여 실리놀로 바뀌게 된다(수학식 3).
가수화 반응열로 인하여 침투된 반응물은 목재의 도관을 좀더 연화시키고 넓혀서 안착하게 될 것이다.
Figure 112018085886299-pat00003
도 2는 마이크로파 건조장치 내에서의 실라놀과 목재의 수산기의 반응을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 마그네트론에서 발생한 전자 e-가 건조장치 내부로 유입되면 목재 및 침투액에 보함된 수분(H2O) 및 수산기(OH)의 H+은 전자 e- 방향으로 배열하며 분리된 H+는 O--을 유리시켜서 H2O로 안정하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 목재의 Silicification 공정을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, Silicification에 의한 목재의 개질 작업은 진공압력탱크(230)에 목재를 투입한 후 진공펌프(미도시)를 가동하여 목재의 수분 및 불순물을 제거한 다음, 냉각교반탱크(210)로부터 교반된 1차 함침액(220)을 진공압력을 풀어서 압력탱크(230) 내부로 유입시킨다.
1차 함침액(220)의 점도가 50 cps (25℃) 내외로 압력탱크(230)의 압력이 1 kgf/㎠에서 1시간 정도 경과시키면 충분히 목재의 미세 도관까지 도달될 수 있다.
이때 화재의 우려가 있으므로 1차 함침된 목재에 포함된 알코올 용매를 증발 시키기 위하여 1일 정도 상온에 정치한 후, 진공장치가 장착된 마이크로파 건조장치(240)에 투입하여 건조한다.
목재에 잔존하는 알코올은 진공장치를 이용하여 별도의 용기에 수거 보관할 수 있다.
1차 함침 처리된 목재를 냉각이 가능한 진공 압력탱크(270)에 투입하고 진공압력을 이용하여 냉각교반탱크(250)으로부터 교반된 2차 함침액(260)을 압력탱크(270) 안으로 흡입시킨다.
2차 함침액은 고속으로 교반 작업중에 실리카졸의 수분과 알킬알콕시실란의 알콕시가 가수화 반응을 하여 점도가 급격하게 상승하여 함침액을 목재의 도관 내부로 침투시키기 곤란하게 될 수가 있다.
그러므로 2차 함침액의 제조 시 냉각교반탱크(250) 및 함침탱크에서의 함침과정에서도 내용물의 온도를 20℃ 이내로 관리하여야 한다.
2차 함침된 목재의 표면에 함침액의 잔유물이 보이지 않을때까지 상온 건조한 후 진공장치가 부착된 마이크로파 건조장치(280)에 투입한다.
수분에서 수십분에 걸쳐서 마이크로파 건조장치(280)를 가동하여 완전히 건조한다.
냉각교반 탱크(210, 250)는 1차 함침액과 2차 함침액이 섞이면 반응할 수 있으므로 별도 설치한다.
도 4는 본 발명에 따른 2차 함침액 냉각 교반탱크를 간략 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 2차 함침액 냉각교반탱크(350)에는 교반과정에서 가수화 반응이 일어나며 점도가 급격하게 상승하지 않게 하기 위하여 냉각수(401)를 냉각수 탱크(403)로부터 순환시켜서 내용물의 온도가 20 ℃이하로 유지되게 하여야 하며 내용물이 가수화되어 경화되면 세척이 어려우므로 탱크의 내부 표면은 테프론(405)이 코팅되어 있어야 한다.
압력탱크(330)의 경우, 1차 함침액(320)과의 접촉으로 인하여 가수화 반응 및 탱크 표면에 잔류된 아민과 에폭시기의 반응이 일어나면서 급속하게 내용물의 점도가 상승할 수 있다.
따라서 1차 함침처리 후 반드시 압력탱크(330)를 세척하여 사용하여야 한다.
가수화 반응에 이어서 실란 간의 가교반응이 일어나면 내용물의 점도 상승은 물론 경화까지 이루어지기 때문에 함침된 목재의 표면에 남아있는 겔(gel)상태의 잔유물은 완전히 경화되면 떼어내가 어렵다.
그러므로 첫째 2차 함침액(360)의 원료적인 면에서 실리카졸의 함유율을 30% 이내로 줄여서 가수화 반응의 정도를 최소화하고, 둘째 2차 함침액(360)의 혼합 및 목재 도관 내부로의 함침 과정은 냉각 장치를 이용하여 최저 온도 및 높은 압력에서 짧은 시간 안에 수행하는것이 중요하다.
또한 사용 후 내용물이 경화되어 쉽게 분리될 수 있도록 압력 탱크 내부에 테프론이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
1차 함침된 목재는 주 용매가 알코올이고, 1, 2차 함침목재 공히 가수화 반응에서 알코올이 다량 발생하므로 상온에서 1일 정도 방치하여 용매가 증발된 후 마이크로 장치에 투입해야 한다.
목재의 균열 및 뒤틀림등의 방지 및 남아 있는 알코올의 회수를 위하여 마이크로파 건조장치(340, 380)에는 진공장치가 부착되어야 한다.
마이크로 주파수는 우리가 일반적으로 이용하고 있는 2.45 GHz가 바람직하다.
1차 함침액(320)의 아미노실란 및 아민은 아미노알킬알콕시실란(Aminoalkylalkoxysilane), 아미노알킬실라놀(3-Amino alkylsilanol), 아민알콕시실란(aminealkoxysilane), 디포달아민 관능기실란(Dipodal amine functional silane), 씨크릭아자실란Cyclic Azasilane), 피리딜알킬치오알킬알콕시실란((Pyridylalkyl)thioalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알킬우레아(Alkoxysilylalkylurea), Alkylidene-amino-alkyl-alkoxy-silane(알킬리덴아미노알킬알콕시실란), 쎄미카바지딜알킬알콕시실란(Semicarbazidylalkylalkoxysilane), 숙신니미딜옥시운데실알킬알콕시실란[(Succinimidyloxy)undecylalkylalkoxysilane], 알콕시실릴알킬퍼프로우로헥산아민(Alkoxysilylalkylperflourohexanamine), 유레이도알킬알콕시실란(Ureidoalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알콕시알킬피페리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl piperidine), 알콕시실릴알콕시알킬카보알콕시아지리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl carboalkoxyaziridine), 알콕시실릴아자옥소알킬카프로락탐(Alkoxysilyl-aza-oxo-alkyl caprolactam), 구아니딜알킬알콕시실란(Guanidinylalkylalkoxysilane), 아로마틱아민(Aromatic amine) 또는 알킬아민(Alkyl amine) 중 1종 또는 1종 이상을 1~20 % 중량비로 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올 중 1종에 희석하여 준비한다.
1차 함침액(320)은 점도가 매우 낮기 때문에 목재에 쉽게 침투되므로 압력탱크(330)에 목재를 가득 채워서 함침액의 손실을 최소화한다.
목재를 투입한 후 밀폐시켜서 진공장치를 1 시간에 걸쳐 가동하여 목재 도관에 있는 불순물이나 수분등을 밖으로 토출시킨다.
압력을 이용하여 1차 함침액을 압력 탱크(330) 내부로 주입시킨 다음 진공 밸브를 잠근 후 압력 밸브를 열어서 1~7 kgf/㎠로 1시간 가량 유지 시킨다.
목재에 1차 함침액이 완전히 침투된 것을 확인한 후 압력탱크(330)의 하부 밸브를 열어서 남아있는 여분의 1차 코팅액을 회수하여 밀폐된 용기에 보관한다.
압력 탱크(330)를 열어서 1차 함침액 함침된 목재를 그늘 진 곳에서 약 24시간 방치하여 목재에 남아 있는 알코올을 증발시킨다(수학식 4와 같다).
Figure 112018085886299-pat00004
위와 같이 처리된 목재를 균열이나 튀틀림의 방지를 위해 진공장치가 부착된
2.45 GHz의 마이크로 건조장치(340)에 투입하여 5 ~20 분간 건조한다.
증발되는 알코올은 진공장치를 가동하여 별도의 용기에 포집하여 보관한다.
1차 함침 처리하여 건조된 목재를 압력탱크에 투입하고 진공장치를 가동시켜서 남아있는 알코올 용매를 완전히 건조시킨다.
2차 함침액(360)은 다음과 같다.
(에폭시시크로알킬)알킬알콕시실란 [(Epoxycycloalkyl)alkylalkoxysilane], (글리시독시알킬)알킬알콕시실란[(Glycdoxyalkyl)alkylalkoxysilane] 중 1종 또는 1종 이상의 에폭시 관능기 실란(Expoxy functional silane) 5~10 % 중량비와, [수학식 5]와 같은 알킬알콕시실란(Alkylalkoxysilane)을 1종 또는 1종 이상을 60~75% 중량비, pH 9~11, 고형분 30%의 실리카졸(콜로이달실리카) 20~30% 중량비로 하여 2차 함침액을 만든다.
Figure 112018085886299-pat00005
여기서, R과 R'은 알킬기이며, R+R' = 4개로 R'는 1 또는 1개 이상이다.
도 4와 같은 2차 함침액 교반 탱크에서 냉각펌프를 가동하여 내용물의 온도가 20 ℃ 이하로 유지되도록 하여 가수화 반응을 최소화시키며 골고루 분산 혼합한다.
진공장치를 가동시켜서 남아있는 알코올 용매가 완전히 건조된 압력탱크(370) 내에의 내용물의 토출 밸브와 2차 함침액 투입밸브를 연결하고 밸브를 열어서 2차 함침액을 진공압력을 연결하여 투입시킨다.
2차 함침액(360)이 완전히 투입된 후 밸브를 잠그고 압력밸브를 열어서 1~7 kgf/㎠ 압력에서 1 ~4 시간 유지한다.
2차 함침액(360)을 목재에 수월하게 침투시키기 위하여서는 2차 함침액(360)의 점도가 낮아야 하고 압력이 높아야 한다.
또한 2차 함침액(360)의 가수화 반응은 온도와 시간에 비례하기 때문에 될수록 낮은 온도와 높은 압력에서 빠르게 이루어지는 것이 바람직하다.
이를 위해서 압력 탱크에 냉각장치가 부착되는 것이 바람직하고 함침 압력이 높은 상태에서 짧은 시간 내에 이루어지는 것이 바람직하다.
위와 같은 과정으로 처리된 목재를 그늘에서 표면의 물기가 없을 정도로 약 1일 경과시킨 후 균열 및 뒤틀림 방지를 위하여 진공장치가 부착된 마이크로 건조 장치(380)에 투입 10분 정도 가동하여 완전히 건조시킨다.
위와 같은 과정을 표현하면, 다음의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112018085886299-pat00006
목재 셀룰로오스의 수산기는 물을 흡수하고 다시 건조되고 하는 과정을 반복하며 갈라지거나 뒤틀리게 되는데 이는 단위 부피당 최대 수분의 흡수량과 매우 밀접하다고 할 수가 있다.
동일 부피당 많은 량의 수분을 흡수한 목재의 경우는 적게 흡수한 목재 보다 수분의 흡수와 토출 과정에서 목재의 도관 및 세포가 많은 움직임이 있었다는 것이고 그 많큼 변화가 심하다는 것이다.
목재의 평균 분자량의 비교 확인이나 수산기 또는 봉쇄된 말단기를 측정할 수는 없지만 같은 수종이면서 같은 롯트의 제주산 삼나무를 Silicification 처리를 한것과 하지 않은 시료를 가지고 흡수율 및 치수 변형율의 비교 분석을 한 결과 상당한 차이가 나타나고 있음을 알수 가 있었다.
이는 수학식 7로 표현된다.
Figure 112018085886299-pat00007
셀룰로오스의 표면에 화합적 흡착은 3 단계로 묘사되는데, 먼저 실라놀 그룹을 생성하는 알콕시 실란의 가수화 반응이고, 두번째로 미정질의 셀룰로오스표면으로의 실라놀그룹의 흡착, 세번째 단계로 화학적 흡착을 뜻하는 실라놀 그룹과 셀룰로오스 표면의 수산기 그룹이 약 100 ℃ 에서 축합반응에 의하여 공유결합을 이룰 수가 있다.
이외에도 알콕시실란의 축중합 또는 동일한 실라놀 유도체는 폴리실록산 층을 생성한다.트리에틸아민의 존재하에서 미정질 셀룰로오스의 표면개질에 멜캅토프로필트리메톡시실란(3-mercaptopropyltrimethoxysilane)이 이용된다.
또한 표면 가열 방식과 마이크로파 가열 방식의 비교에서 마이크로파 가열 방식이 목재의 내부 도관내에 침투된 1차 및 2차 함침물질의 온도가 목재 표면의 온도가 높으므로 반응속도가 빨라진다.
이러한 반응속도는 특허 KR-100458856의 마이크로웨이브(Microwave)를 이용한 무기질 복합 산화물합성 방법, 독일 Berman University의 "TGA-Ms를 이용한 개질된 셀룰로오스의 정량 정성 분석" 및 한국화학 연구원의 "마이크로파 응용 화학공정"의 문헌을 참조할 수 있으며, 다음 [수학식 8]과 같다.
Figure 112018085886299-pat00008
본 개발을 수행하기 위하여 몇 단계의 목재처리 공정을 수행하는데, 먼저 아민형 실란 혹은 아민을 알코올에 1~20 % 중량비로 희석하여 [표 1] 과 같은 제주산 삼나무를 함침하여 달라진 규격([표 2])을 체크 하였을때 두께가 103.3%, 폭으로 102 %, 길이는 거의 변하지 않았고, 중량 133.5% 증가하였다.
원목 상태와 아민형 실란 또는 아민/ 알코올 희석제 용액의 건조 후 삼나무 규격([표 3])의 변화는 두께 100 %, 폭 99.8 %, 길이 100 %, 중량 93.99% 로 감소하였다.
아민형 실란 또는 아민/ 알코올 희석제 용액의 건조한 목재가 원목의 중량보다 감소한 이유는 목재부에 있는 오일 및 송진 그리고 불순물이 밖으로 용출된것으로 추정된다.
Figure 112018085886299-pat00009
Figure 112018085886299-pat00010
Figure 112018085886299-pat00011
Alkoxy Silane 60~75% 중량비/ Silica Sol 용액 25~40% 중량비를 고속믹서로 교반한 2차 함침액에 아민형 실란 또는 아민이 처리된 목재를 함침하였다.
2차 함침처리 및 건조 후의 규격은 다음 [표 4] 및 [표 5]에 각각 나타낸다.
Figure 112018085886299-pat00012
Figure 112018085886299-pat00013
[표 4]를 참조하면, 삼나무는 두께 102.7 %, 폭 101%, 중량 121.2% 로 증가하였다.
[표 5]를 참조하면, 2차 함침 처리한 다음, 건조 후의 목재의 변화는 두께 100.5%, 폭 100.1%, 중량 99.4%로 원목에 비하여 변화하였다.
즉 두께와 폭, 길이는 거의 변화 없었고 중량만 약 0.6 % 감소하였다.
그러나 아민형 실란 또는 아민/ 알코올 희석제 용액을 처리하고 건조한 목재보다 Alkoxy Silane/ Silica sol용액을 처리하고 건조한 목재의 중량이 104.8% 증가하였으므로 상기와 같은 원목에 4.8g의 Alkoxy Silane/ Silica 성분이 처리되었음을 알 수 있다.
위와 같이 처리된 목재 시료를 열팽창 및 흡수율 시험을 하였을 때, 처리되지 않은 시료와 비교하여 차이를 알 수가 있었다.
시료는 제주산 삼나무 수종을 개질 처리된 것과 되지 않은 목재를 가지고 시험한 결과 아래의 표 6 및 표 7에 나열한 것과 같은 결과를 나타내었다.
Figure 112018085886299-pat00014
Figure 112018085886299-pat00015
위의 결과에서 알 수 있듯이 흡수율의 감소는 친수성인 셀룰로오스 구조의 특성상 수분이 침투되었을 때 수분의 량이 많을 수록 너비 및 두께의 변화는 물론 뒤틀림, 균열의 정도가 커지게 된다.
즉 목재에 수분이 침투하였다가 다시 증발되는 과정의 반복으로 목재의 변화는 커질 수가 있게 된다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
310, 350 : 냉각교반탱크
320 : 1차 함침액
360 : 2차 함침액
330, 370 : 압력탱크
340, 380 : 마이크로 건조장치

Claims (6)

  1. 아미노실란 또는 아민 화합물을 알코올에 희석한 1차 함침액을 목재에 침투시킨 후 건조시키는 단계를 거친 다음에,
    1차 함침된 목재를 에폭시실란 또는 알킬알콕시실란과 수분이 포함된 실리카졸이 혼합된 2차 함침액으로 함침하고 건조시키는 공정으로 이루어지고,
    상기 함침과 건조 단계는,
    진공압력탱크에 상기 목재를 투입한 후 수분 및 불순물을 제거한 후, 교반탱크로부터 교반된 1차 함침액을 진공압력을 풀어서 압력탱크 내부로 유입시키는 1차 함침 단계;
    1차 함침된 목재에 포함된 알코올 용매를 증발 시키기 위하여 소정 시간 동안 상온에서 진공장치가 장착된 마이크로파 건조장치에 투입하여 건조시키는 1차 건조 단계;
    1차 함침 처리된 목재를 냉각이 가능한 진공 압력탱크에 투입하고 진공압력을 이용하여 교반탱크로부터 교반된 2차 함침액을 압력탱크 내부로 유입시키는 2차 함침 단계; 및
    2차 함침된 목재의 표면에 함침액의 잔유물이 보이지 않을 때까지 상온 건조한 후 진공장치가 부착된 마이크로파 건조장치에 투입하여 건조시키는 2차 건조 단계;를 포함하는, Silicification을 이용한 목재의 개질 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 함침 단계에서, 상기 1차 함침액이 목재의 미세 도관까지 도달될 수 있도록 상기 1차 함침액의 점도가 50 cps(25℃) 내외로 상기 압력탱크의 압력이 1 kgf/㎠에서 1시간 정도 경과시키는, Silicification을 이용한 목재의 개질 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 함침 단계에서, 상기 교반탱크의 교반시와 상기 압력탱크 내에서의 함침과정에서 내용물의 온도를 20℃ 이내로 관리하는, Silicification을 이용한 목재의 개질 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 함침액은 아미노알킬알콕시실란(Aminoalkylalkoxysilane), 아미노알킬실라놀(3-Amino alkylsilanol), 아민알콕시실란(aminealkoxysilane), 디포달아민 관능기실란(Dipodal amine functional silane), 씨크릭아자실란(Cyclic Azasilane), 피리딜알킬치오알킬알콕시실란((Pyridylalkyl)thioalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알킬우레아(Alkoxysilylalkylurea), Alkylidene-amino-alkyl-alkoxy-silane(알킬리덴아미노알킬알콕시실란), 쎄미카바지딜알킬알콕시실란(Semicarbazidylalkylalkoxysilane), 숙신니미딜옥시운데실알킬알콕시실란[(Succinimidyloxy)undecylalkylalkoxysilane], 알콕시실릴알킬퍼프로우로헥산아민(Alkoxysilylalkylperflourohexanamine), 유레이도알킬알콕시실란(Ureidoalkylalkoxysilane), 알콕시실릴알콕시알킬피페리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl piperidine), 알콕시실릴알콕시알킬카보알콕시아지리딘(Alkoxysilylalkoxy-alkyl carboalkoxyaziridine), 알콕시실릴아자옥소알킬카프로락탐(Alkoxysilyl-aza-oxo-alkyl caprolactam), 구아니딜알킬알콕시실란(Guanidinylalkylalkoxysilane), 아로마틱아민(Aromatic amine) 또는 알킬아민(Alkyl amine) 중 1종 이상을 1~20 % 중량비로 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올 중 1종에 희석하여 준비하는, Silicification을 이용한 목재의 개질 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2차 함침액은, 알킬알콕시실란(에폭시시크로알킬) [Alkylalkoxysilane(Epoxycycloalkyl)], 알킬알콕시실란(글리시독시알킬)[Alkylalkoxysilane(Glycdoxyalkyl)] 중 1종 이상의 에폭시 관능기 실란(Expoxy functional silane) 5~10% 중량비와, 알킬알콕시실란(Alkylalkoxysilane) 1종 이상을 60 ~ 75% 중량비, pH 9~11, 고형분 30%의 실리카졸(콜로이달실리카) 20~30% 중량비로 하여 혼합한, Silicification을 이용한 목재의 개질 방법.
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