KR102141682B1 - 개질처리 목재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최적화된 중온에서의 건조온도와 건조시간을 설정한 건조공정을 통하여 먼저 침엽수가 가지고 있는 송진을 제거한 후 조성물이 주입되도록 하여, 나무크기, 즉 소경목, 중경목, 대경목에 상관없이 조성물이 목재 섬유질에 고착화되되도록 함으로써 내후성을 확보한 다음, 추가로 고열 건조를 통한 탄화 과정을 거치도록 함으로써 목재 변형이나 균열, 그에 따른 할렬 및 뒤틀림 등을 미연에 방지하여 개질처리 목재의 내구성을 증대시킬 수 있는 개질처리 목재 제조방법에 관한 것이다.

Description

개질처리 목재 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR MODIFIED WOOD}
본 발명은 증기를 이용한 중온 증기건조 단계에서 침엽수에 다량 함유된 송진을 제거한 후, 순차적으로 진공감압 단계, 조성물주입 가압단계 및 고온 열처리를 위한 고온건조 단계를 거쳐 방부성능 향상 및 변형방지 효과가 큰 개질처리 목재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 목재는 벌목시 수분 함량이 상대적으로 높고 송진 등을 다량 함유한 상태에 있어 벌목한 목재를 그대로 사용하게 되면 목재 뒤틀림 현상이 생기고 제품 변형을 초래하게 된다. 이에 따라서 벌목한 목재는 건조공정을 거치는 것이 필수적이며 이러한 건조공정을 거치게 되면 함수율이 낮아지고 목재 변형을 최소화하면서 부패균이 서식하기 어려운 환경이 조성되어 목재 내구성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
대표적인 침엽수 중 하나인 소나무 목재에 함유된 송진은 목재의 성능에 나쁜 영향을 미친다. 즉, 건조가 미진한 상태에서의 송진은 목재를 변형시키고 끈적한 표면에는 벌레가 먹거나 수축으로 인한 갈라짐과 도료의 탈색을 유발한다.
일반적으로 리그닌과 셀룰로오스 조직이 붕괴되면서 나오는 송진과 같은 휘발성 나무오일이 끓게 되면 옅은 나무가스가 발생하고 이 나무가스에 열이 가해지면 나무는 고온 상태가 되고 리그닌과 셀루로오스 조직을 구성하는 탄소와 산소가 결합하면서 격렬한 연소를 시작하며, 이와 같은 건조증발 및 연소특성을 적절하게 이용하는 것이 송진을 제거하는 목재 처리공정의 핵심이라 할 수 있다.
또한, 최근 리모델링 또는 목조 전원주택 등 건축공정에서는 표면개질 처리된 목재를 많이 사용하는데, 표면개질이란 재료 본연의 특성만으로 원하는 성능과 기능을 발휘할 수 없는 때 기재 표면에 열에너지, 응력 등을 부가하여 새로운 표면층을 형성하는 방법으로, 화학처리나 압축처리 등으로 원래의 목재와는 다른 성질을 부여하기 위하여 개질처리를 하여 내구성이 증대하고 안정성 및 견고함을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 방법으로 목재의 시공 후 보존 상태를 지속적으로 유지하기 위해 목재에 방부처리를 별도로 하여 방부 및 방충기능이 구비되는 방부목의 생산도 보편화되어 용도에 맞게 다양한 장소에서 사용되고 있는 상황이다.
하지만 방부제에서 유출될 수 있는 크롬, 비소 등의 유해물질 검출로 인체 유해성 논란이 지속되고 있으며, 특히 방부목재가 사용되는 공간에서 활동시 직접노출(피부, 눈) 또는 간접노출(손→입)로 인체 유해가능성이 급증하고 있다
한 예로, 한국특허등록 제10-0986174호 "증기에 의한 목재의 방부처리 약제의 강제 양생방법"에는 구리아민계 방부제의 용해조에서 방부제를 용해시켜 방부목재 양생조로 이송시키고, 증기발생기로부터 온도가 조절된 증기을 강제로 목재에 처리하여 단시간 내에 목재 조직과 방부제 약제 성분 간의 화학반응을 유도하여 양생하는 것을 포함함으로써 짧은 시간 내에 양생을 완료시키고, 종래의 비건조식 일반 가속 양생방법에 비하여 양생기간이 단축되는 목재의 방부처리 방법을 개시하고 있다.
하지만, 상기 특허는 양생의 주요 수단으로서 증기을 이용하여 101 ~ 115 ℃ 의 고온을 목재에 지속적으로 제공하여 목재조직과 방부제 약제 성분 간의 화학반응을 용이하게 유도하나, 목재가 45분 내지 90 분간 고온에 노출됨으로써 목재의 강도가 저하되는 문제점이 발생할 우려가 있으며, 증기에 노출되는 목재에 대한 별도의 건조 과정이 포함되지 않아 최종단계를 거쳐 방부처리되는 목재의 수분함유율이 비교적 높은 상태로 유지되어 목재의 보존성이 저하되는 문제점이 있었다.
아울러, 한국특허등록 제 10-1866155호 "방부목재 가공처리방법"에서는 절단단계를 통해 절단된 제재목을 방부처리하는 방부처리단계 및 상기 방부처리단계를 통해 방부액이 주입된 제재목을 3주 동안 양생하는 양생단계를 거치도록 하고 있으나, 방부제 사용시 발생할 수 있는 환경문제 및 별도의 방부처리 기간이 길어 목재 생산 효율성에 문제점이 있었다
한편, 한국 공개특허공보 10-2014-0062542에서는 목재 진공 건조방법 및 장치에 대하여 개시하고 있는데, 이 경우는 건조챔버 내부에서 건조공정과 진공공정 및 목재가압 단계를 거치도록 하고 있는데, 동일 공간에서 이러한 일련의 열처리 공정을 함으로써, 충분한 열처리 효율을 얻기에 한계가 있었고 공정시간 또한 길어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 최적화된 건조온도 및 시간을 설정한 중온건조 방법을 통하여 침엽수가 가지고 있는 건조과정에서 유해한 성분인 송진을 최대한 제거하는데 그 목적이 있다.
또한, 송진 제거 후 진공상태에서 조성물이 주입되도록 가압하여, 나무크기, 즉 소경목, 중경목, 대경목에 상관없이 조성물이 목재 섬유질에 용이하게 고착화되되도록 하여 내후성을 확보하고 내구성을 증대하는데 목적이 있다.
아울러, 조성물 주입 후 추가로 고온 열처리를 통한 고열 건조 과정을 거치도록 하여 목재 변형이나 균열, 그에 따른 할렬 및 뒤틀림 등을 미연에 방지함으로써 개질처리 목재 내구성을 큰 폭으로 증대시키는데 목적이 있다.
그리고, 건조공정과 진공감압 및 조성물주입 가압단계를 공정별로 별도의 건조실 및 진공압력탱크에서 진행되도록 하여 열처리 효율을 높이고 전체 공정시간을 줄이도록 하는 데 또 다른 목적이 있다.
상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 개질처리 목재의 제조방법은, 생목을 용도에 따라 규격에 맞게 판형의 목재로 제재한 후, 제재된 목재가20~50% 범위의 함수율을 갖도록 외부에서 자연건조 시키는 자연건조단계(S100)와; 싱기 자연건조된 목재를 적층한 상태로 건조실(310) 내부에 탑재하고 건조실을 밀폐시키는 목재탑재단계(S200)와; 상기 건조실(310) 내부로 탑재된 목재를 증기 건조시켜 목재가 함유하고 있는 송진을 제거하고 함수율 12% 이하 범위로 목재를 건조시키는 중온건조단계(S300)와; 상기 중온 건조된 목재를 진공 압력탱크(450)에 이송 적재하여 외부에 설치된 진공펌프(451)를 작동시켜 내부 공기를 상기 진공압력탱크(450) 일측에 형성된 공기배출관(453)을 통하여 외부로 배출시켜 상기 탱크(450) 내부를 진공상태로 만드는 진공감압단계(S400)와; 상기 진공감압된 목재에 방부성능 향상 및 변형방지를 위한 조성물을 상기 진공압력 탱크(450) 내부로 중량 증가율 10% 이상 범위로 주입시키기 위하여 가압하는 조성물주입 가압단계(S500); 및 상기 조성물이 주입된 목재를 고온열처리실(610) 내에서 건조시키고 안정화시켜 목재를 고형화하는 고온건조단계(S600);를 포함하되, 상기 중온건조단계(S300)는 상기 건조실(310) 천정부에 다수 형성된 에어벤트(316)를 통하여 105~110℃의 증기를 48시간 동안 분사하여 가열하는 증기가열공정(S310) 및 히터 및 송풍팬에 의하여 60~80℃에서 72시간 열풍 건조하는 열풍건조공정(S320)을 포함하고, 상기 조성물은 물 50~60중량%, 인산(Phosphoric Acid) 5~15중량% 및 가용성 셀룰로오즈(Cellulose) 30~40중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 고온건조단계(S600)는 150~160℃에서 48시간 및 180~200℃에서 48시간 고온처리에 의하여 원하는 개질처리된 목재의 색깔로 변할 때까지 수행되는 고온처리공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명은 최적화된 건조온도 및 시간을 설정한 중온건조 방법을 통하여 침엽수가 가지고 있는 건조과정에서 유해한 성분인 송진을 제저한 후 조성물이 주입되도록 하여, 나무크기, 즉 소경목, 중경목, 대경목에 상관없이 조성물이 목재 섬유질에 고착화되되도록 하여 내후성을 확보한 다음, 추가로 고온 열처리를 통한 고열 건조 과정을 거치도록 하여 목재 변형이나 균열, 그에 따른 할렬 및 뒤틀림 등을 미연에 방지함으로써 개질처리 목재 내구성을 증대시키는 효과를 갖는다.
또한, 건조공정과 진공감압 및 조성물주입 가압단계를 공정별로 별도의 건조실 및 진공압력탱크에서 진행되도록 하여 열처리 효율을 높이고 전체 공정시간을 단축하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 건조공정 흐름도
도 2는 본 발명에 따른 공정단계별 도식도
도 3은 본 발명에 따른 중온건조 단계 수행을 위한 건조실 평면도
도 4는 본 발명에 따른 중온건조 단계 수행을 위한 건조실 내부 정면도
도 5는 본 발명에 따른 진공감압 및 조성물 주입을 위한 진공압력탱크를 전방에서 도시한 구성도
도 6은 본 발명에 따른 고온열처리실 평면도
도 7은 본 발명에 따라 개질처리된 목재 사진
도 8은 본 발명에 따라 개질처리된 목재의 촉진내후성 시험성적서
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 개질처리목 생성 공정과정을 도식화한 도면이다. 도시된 바와 같이, 제재되어 자연건조 단계(S100)를 거친 목재를 건조실(310) 내부로 적층하여 탑재시켜 중온건조 단계(전배기)(S300)에서 송진을 제거하고, 진공갑압 단계(S400)에서 조성물을 주입하기 위한 최적 조건이 되도록 한 후, 조성물을 채워넣은 후 일정시간 가압(S500)하여 조성물이 목재 내부로 균일하게 충진되어 목재 섬유질 내부로 고착화되도록 한다. 이어서 고온건조 단계(후배기)(S600)를 거치도록 하여 탄화시켜 목재 변형이나, 할렬, 뒤틀림 등이 없도록 마무리처리 한 후, 일정 기간 자연상태에서 숙성 및 프로파일(profile)시키는 공정 단계를 거친다.
본 발명에 사용하는 침엽수는 소나무, 낙엽송, 잣나무, 리기다 소나무, 및 외국산 써든엘로우파인, 라디에타파인 등을 포함한다. 이러한 침엽수 재료로 본 발명에 따른 개질처리 목재 제조방법에 따라 생산된 개질처리 목재는 난간재, 목재텍, 퍼걸리, 정자 등 다양한 용도로 사용된다.
본 발명에 있어서 전체 제조 공정에 필요한 장치는 송진 제거를 위하여 중온 온도 범위에서 일정시간 적층 탑재된 목재를 건조시키기 위한 건조실(310), 진공감압 및 조성물 주입을 위한 가압 공정이 이루어지는 진공압력탱크(450) 및 조성물 주입 후 고온 열처리 단계인 탄화 공정을 거쳐 건축 용도에 맞도록 개질처리하기 위한 고온열처리실(610)로 구성된다.
이어서 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 개질처리 목재 제조방법에 사용되는 건조장치 구성에 대하여 설명한다. 이러한 건조장치는 공지되어 있는 일반적인 구성과 크게 다르지 않으므로, 본 발명에 따른 제조 공정에서 송진제거 효율을 높이기 위한 중요 장치인 중온 건조단계를 수행하는 중온 건조장치(310)에 대하여 상세하게 설명하되, 그 외 부분은 간단하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 중온건조 장치인 건조실(잔공배습장치, 310)에 대한 내부 구성을 살펴보면 다음과 같다.
적층목재 운송 장비는 건조실(310) 외부에서 로드 및 언로드하도록 하고, 목재를 스택 또는 패키지로 저장한 후 이송되도록 하며, 건조실(310) 내부 벽과 바닥은 습기에 강한 재료로 형성하고, 벽의 내부 표면은 발수성 화합물로 처리함이 바람직한데, 본 발명에서는 건조실(310) 내부는 이러한 기준에 따라서 스테인레스 재질로 구성하고 있다.
상기 건조실(310) 내부로는 제재되어 목재(W)를 스택(stack)으로 적층시키는 목재적층 탑재부(311)가 적어도 3개 이상 구비되며 탑재부(311) 이송은 정면에 설치된 건조실 문(350)을 개폐하여 이루어지며 적층탑재부(311) 하부로는 이를 지지하기 위한 탑재지지부(311a)가 구성된다.
그리고, 내부 천정부에는 다수 에어벤트(316)가 천정부 외부면으로 설치된 다수 덕트(312)와 연통 가능하게 설치된다. 이를 통하여 증기가열 공정(S310) 및 열풍건조 공정(S320)이 원활하게 수행되도록 내부 적층목재(W)에 고온의 증기 및 열원을 공급하게 된다.
상기 덕트(312) 형상은 일정 직경을 갖는 원통 형상으로 구성하며 상기 건조실(310) 천정부 외부로 상기 적층탑재부(311) 구성 개수에 맞춰 다수 배열 구성하며, 재질은 난연 재질로서 보온 단열 효과가 우수한 제질로 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 덕트(312) 배열은 건조실(310) 천정부 내측으로 구성되는 다수 에어벤트(316)로의 증기 및 온열 공기 이송이 가능하도록 한다.
아울러, 제어부가 구성된 외부 제어판넬(360)에서 공급되는 전원에 의하여 가열 후 온열을 발생시켜 적층된 목재(W)를 건조시키기 위한 고온 열원 발생장치인 히터(313)가 상기 덕트(312) 중앙부에 설치되고, 상기 히터(313) 선단부와 후단부에는 각각 모터(315)가 설치되어 제어부에 의하여 상기 히터(313) 및 송풍팬(314)을 동작시키기 위한 제반 기기 장치의 구동력을 제공한다.
상기 송풍팬(314)은 상기 건조실(310) 천정부 좌우방향 양 측면에서 전후방향 중앙부에 설치되며, 배출된 내부 공기를 원활하게 순환시키기 위한 구성이다. 즉, 상기 히터(313)에 의하여 가열된 공기를 건조실(310) 내부로 순환시켜 탑재된 목재 건조 효율을 높이게 된다.
이 경우, 바람직하게는 상기 송풍팬(314)은 건조실(310) 내부 천정부로 설치하며, 진공 전단계에서 적층 목재의 온전한 제습을 위하여 조성물 주입을 위한 가압공정 전 적재된 목재 내부 습기를 완전히 제거하도록 함이 바람직하다.
도면상으로는 건조실(310) 천정부 외부 측면 중앙으로 2개의 송풍팬 설치 위치를 도시하였지만 이에 국한되지 않으며 필요에 따라 다수 송풍팬(314)을 추가 설치할 수 있음은 물론이다.
그리고, 기계 제어실 내측 일벽, 건조실(310)과 맞닿아 있는 내벽으로는 가열되어 증기(증기)를 발생시키기 위한 물통(321)과 증기발생기(322)를 별도로 구비하여 105℃ ~ 110℃ 온도 범위에서 24시간 내지 48시간 동안 건조실(310) 내부로 공급하여 송진 제거를 위한 증기가열 공정이 진행될 수 있는 내부 환경을 조성한다. 또한, 기계 제어실(320) 일측으로는 창(330)이 설치되고, 정면으로는 방화문(355)이 구비되어 안전을 기하고, 제어부가 구비된 제어판넬(360)이 설치되어 관리자가 용이하게 건조실(310) 공정을 제어하도록 함이 바람직하다.
상기 증기발생기(322)는 내부에 수용되어 있는 물을 가열하여 증기 분사하기 위한 구성으로 가열수단으로 내부 전열선을 이용하는 것이 바람직하지만 이에 국한하지 않고 버너등 다른 가열 수단을 사용할 수도 있을 것이다. 상기 증기발생기(322)에 의하여 발생되는 고온의 증기는 증기분사관 역할을 하는 덕트(312)로 별도의 연결배관(미도시됨)을 통하여 연통된 뒤 관로상에 설치되는 개폐밸브 및 제어부에 의하여 상기 에어벤트(316)를 통하여 일정시간 건조실(310) 내부로 증기분사되어 침엽수가 가지고 있는 송진을 제거하게 된다.
한편, 상기 히터(313)에 의하여 가열된 따뜻한 공기는 진공제습을 위하여 설치된 건조실(310) 내부 다수 송풍팬(314)에 의하여 원활하게 건조실(310) 내부로 순환 유동되도록 하여 증기가열 공정 후 이어지는 열풍건조 공정이 원활하게 수행되도록 한다.
그리고, 상기 히터(313)의 일측 외부에는 설정된 일정온도를 넘지 못하도록 히터 제어센서(317)를 구비하고, 2차 안전 장치로 건조실(310) 천정부 일측에 별도의 온도 제어센서(318)를 더 구비하도록 하여 설정온도 최대치를 넘을 경우에는 자동으로 전원을 차단하여 고온 환경인 건조실(310) 내부 안전에 만전을 기하도록 하였다.
이 외에도 건조실(310) 천정 외부면으로는 증기 또는 온열 공기 통과용 파이프, 응축수 제거 장치, 다수 차단밸브 및 제어 장치가 포함될 수 있으며, 이에 대한 구성은 이미 공지된 일반 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 진공압력탱크(450) 구조에 대하여 도 5를 참조하여 간단하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 진공압력탱크(450)는 개폐 가능한 도어를 가지는 중공된 원통 형상으로 상기 중온건조 단계를 거친 후 대차(455)에 적층된 다수 목재를 내부로 수용하여 진공감압 및 조성물 주입을 위한 가압공정 단계를 수행한다. 원통 형상으로 도시하기는 하였지만 목재를 내부로 적층시킬 수 있는 다수 형태로 구비할 수 있음은 물론이다.
상기 대차(455)는 상기 진공압력탱크(450) 내부 바닥면에 설치된 레일을 따라서 수평 이동하며 상기 진공압력탱크(450) 내외부로 이동시킬 수 있게 된다.
상기 진공펌프(451)는 상기 진공압력탱크(450)에 연결관(452)을 통하여 연통되도록 외부에 설치되며, 상기 진공압력탠크(450) 내부 공기를 외벽 일측에 형성된 공기배출관(453) 외부로 배출시켜 상기 진공압력탱크(450) 내부를 진공 상태로 만들어 후공정인 조성물 주입 효율을 높일 수 있는 역할을 한다.
이 경우, 진공도가 높아질수록 물의 끓는점이 낮아지고 이에 따라서 비교적 저온에서도 목재 건조가 이루어지도록 하여 고온 가열시 생길 수 있는 목재변형을 방지하는 효과를 갖는다.
이어서, 개질처리되도록 고온건조 공정이 진행되는 고온열처리실(610)에 대한 구성을 간단하게 설명하면, 전술한 중온 건조공정에서 증기가열 공정이 없는 고온 온도범위에서의 열처리 공정이기 때문에, 상기 건조실 구성에서 물통 및 스팀발생기 구성이 없는 점과, 송풍팬(314) 설치 위치를 제외하면 동일하다.
고온열처리실(610) 내부로 입방체 형태의 목재를 탑재한 후에, 상기 고온열처리실(610)를 밀폐시킨 상태로 상기 적층목재를 설정된 온도범위에서 설정시간동안 고온열처리실(610) 내부를 가열하여 고온건조 공정에서 요구하는 함수율을 갖고 원하는 개질처리 목재 표면 색깔인 갈색이 나올때까지 상기 목재를 고온 열처리하게 된다. 송풍팬(314)은 고온열처리실(610) 내부 일측 후단부 천정부와 이와 대각 방향의 선단부 천정부에 설치하는데, 이는 고온으로 가열된 공기의 내부 유동을 원활하게 하기 위함이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 개질처리 목재 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 공정 순서대로 기술하기로 한다.
1. 자연건조단계(S100)
생목을 용도에 따라 규격에 맞게 판형의 목재로 제재한 후 제재된 목재가20% ~ 50% 범위의 함수율을 갖도록 외부에서 자연건조 시키는 단계로 개질처리용 목재를 원하는 용도에 맞는 크기로 절단하여 인공건조시키기 위한 전단계에 해당하며 바람직하게는 24시간 이상 진행한다.
나무는 본래 산 유기 물체이기 때문에 많은 수분을 함유하고 있으며, 함수율은 나무에 포함되어 있는 수분을 나타내는 수치를 말한다. 즉, 나무 본래의 무게와 속에 포함하고 있는 수분의 중량 비율을 함수율이라고 힌다.
미건조, 즉 마르지 않은 목재는 나무의 섬유세포 내에 스폰지처럼 수많은 수분을 품고 있으며, 제재된 순간부터 속에 있는 수분의 증발이 시작된다. 보통은 나무 속 수분들이 날아가고 함수율이 30% 이하에 다달았을 때부터 나무의 섬유세포에 포함되어 있는 수분이 증발되기 시작한다. 그리고, 벌채, 제재, 적삭, 건조 등의 가공과정을 거치면서 함수율이 감소하게 되고 열전도성을 감소시켜서 단열효과를 증가시키고 함수율을 20% 이하로 감소시키면 부후균이나 곤충으로부터 목재를 보호할 수 있게 된다.
목재를 이용할 때 함수율은 항상 고려해야 하며 상황과 용도에 따라서 함수율을 측정하는 것이 좋은 방법이고 나무의 수분관리를 적절하게 해주는 것은 목재의 품질을 높이고 나무를 오랫동안 사용할 수 있도록 하는 중요한 방법 중 하나이다.
자연건조 과정에서는 대기 공기의 영향으로 액체가 증발하게 되며, 보통은 통풍구에 있는 캐노피 아래에서 재료를 건조시키며, 태양 광선은 나무의 외부와 내부 층을 고르지 않게 가열하여 변형과 균열이 생기므로 주의하여 건조시켜야 한다.
2. 목재탑재단계(S200)
싱기 자연건조 단계(S100)를 거쳐 원하는 함수율을 갖는 개질처리용 목재를 입방 형태로 적층탑재부(311)에 적층한 상태로 건조실(310) 내부에 탑재하고 상기 건조실(310)을 밀폐시키는 단계에 해당한다. 이 경우 대차에 적층된 목재는 상기 덕트(312) 좌우로 일정면적 대칭 적재시켜 탑재하도록 함이 바람직하며, 적재 목재 사이는 대략 30㎝ 내지 50㎝ 이격시켜 건조실(310) 내부 증기 및 내부 열풍이 원활하게 순환 유동될 수 있도록 함이 더욱 바람직하다.
3. 중온건조단계(S300)
상기 탑재된 목재에 60℃ ~ 120℃ 온도 범위의 중온에서 증기를 분사하여 증기 건조시켜 목재가 함유하고 있는 송진을 제거하고, 함수율 12% 이하 범위로 목재를 건조시키는 단계로, 주요 목적은 침엽수에 다량 함유된 송진을 제거하여 목재 내부로 후술하는 조성물이 원활하게 주입되도록 하여 조성물이 목재 섬유질에 고착화되어 내후성을 확보하기 위함이다.
상기 가열되는 온도 범위를 건조공정을 나누어서 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 중온 건조단계는 105℃ ~ 110℃ 온도 범위의 수증기를 24시간 내지 48시간 가열하는 증기가열공정(S310) 및 60℃ ~ 80℃ 온도 범위에서 대략 72시간 히터 및 송풍팬에 의하여 수행되는 열풍건조 공정(S320)을 포함하도록 한다.,
이를 위하여 기계제어실 내측 일벽 건조실(310)과 맞닿아 있는 내벽 측면으로는 가열되어 증기(증기)를 발생시키기 위한 물통(321)과 증기발생기(322)가 구비되고 이와 연통되는 건조실(310) 천정 외부면에 형성된 증기주입관인 다수 덕트(312) 또는 별도의 증기주입관을 통하여 적층목재(W) 및 건조실(310) 내부로 증기을 주입하게 한다.
건조실(310) 천정 외부면에는 제어판넬(360)에서 공급되는 전원에 의하여 가열 후 온열을 발생시키기 위한 다수 히터(313), 송풍팬(314) 및 구동부인 모터(315)가 구비되며, 상기 원통 형상의 덕트(312)를 통하여 건조실(310) 내부로 가열된 고온의 증기을 주입하고 히터(313)에 의하여 가열된 온열이 덕트(312)와 연통되어 건조실(310) 내부로 배출되도록 하는 증기분사부인 다수 에어벤트(316)를 통하여 상기 건조실(310) 내부로 배출되도록 한다.
이 경우, 바람직하게는 건조실(310) 가로방향 중앙 천정부 내측으로 다수 형성된 에어벤트(316)를 통하여 내부 순환된 온열 공기가 흡입되도록 하고, 중앙으로부터 소정거리 좌우 이격되어 설치되는 다수 에어벤트(316)를 통하여 가열증기와 온열공기가 배출되도록 하여 내부 기체 유동을 원활하게 하여 열 확산효율을 높이도록 하며, 이러한 건조실(310) 내부 기체 유동은 상기 송풍팬(314)에 의하여 더욱 원활한 흐름을 갖게 된다.
이 경우, 상기 에어벤트(316)는 공기 토출 방향을 다양한 각도로 조절 가능하도록 하고, 내부로는 회전날개를 구비하여 상기 건조실(310) 내부로의 공기 토출 효율을 높이도록 함이 바람직하다.
상기 증기가열 공정(S310) 및 열풍건조 공정(S320)은 제어부에 의하여 설정된 시간동안 이루어지도록 하며, 이 경우 상기 덕트(312)는 전술한 바와 같이 난연 재질로 보온 단열 효과가 우수한 재질로 구성하여 열효율을 높일 수 있도록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 건조실(310) 내부 천정부 일측으로는 진공 제습을 위한 송풍팬(314)이 각각 설치되어 후술하는 진공감압 및 조성물 주입을 위한 가압공정 전 적재된 목재 내부 습기를 충분히 제거할 수 있도록 함이 바람직하다
즉, 건조실(310) 내부로 주입된 증기는 건조실 제반 장치로 다수 구성된 상기 히터(313)와 진공제습을 위한 다수 송풍팬(314)에 의하여 가열되어 따뜻한 공기가 원활하게 건조실(310) 내부로 순환 유동되도록 한다. 이러한 증기가열 공정(S310)과 열풍건조 공정(S320)을 설정온도에서 설정된 시간 거치면서 목재에 함유되거나 붙어있는 송진을 원활하게 제거할 수 있게 된다.
4. 진공감압단계(S400)
상기 중온 건조된 목재의 수분을 제거한 개질처리용 목재를 별도 마련된 진공압력탱크(450) 내부로 이송시킨 후, 상기 진공압력탱크(450) 내부 압력을 1bar에서 0,1 bar로 감압하는 과정인데 감압시간은 30분 내지 60분 범위로 설정하는 것이 바람직하다
이를 위하여 진공압력탱크(450) 외부에 설치된 진공펌프(451)를 작동시켜 진공압력탱크(450) 내부 공기를 진공압력탱크(450) 일측에 형성된 공기배출관(453)을 통하여 외부로 배출시켜 건조챔버 내부를 진공상태로 만들게 된다.
이 단계는 후술하는 조성물 주입 가압단계(S500)에서 목재 내부로 조성물이 원활하게 주입되도록 하기 위한 과정으로 진공도를 높일수록 조성물 주입을 위한 가압 공정이 원활하게 된다.
5. 조성물 주입 가압단계(S500)
상기 진공감압된 목재에 방부성능 향상 및 변형방지를 위한 조성물을 중량 증가율 10% 이상 범위로 주입시키기 위하여 가압하는 단계로, 이를 위하여 진공 상태인 진공압력 탱크(450) 내부에 액조성물을 주입하여 가압함으로써 목재 내부로 조성물이 원활하게 침지되어 스며들어 코팅되도록 하는 과정이다.
이는 목재 내부 할열 및 목재 변형을 방지하기 위한 공정이며, 특히 사이즈가 작은 소목재의 경우 발생하기 쉬운 뒤틀림 등을 방지할 수 있게 되며, 후술하는 고온건조 단계를 거치면서 내구성이 크게 향상되는 효과를 주게 된다.
할렬은 목재 섬유가 분리되면서 조직이 파괴되어 목재가 갈라지는 현상인데 표면할렬, 내부할렬, 횡단면할렬 등으로 구분된다. 여기에서 내부 할열은 목재가 건조될 때 표면이 먼저 건조되어 수축을 시작하며 이때 표층과 내층의 응력이 발생되어 방사조직을 통하여 내부에서 횡단 방향으로 할열이 발생하는 것을 말한다.
상기 조성물을 채우고 가압하는 시간은 대략 3시간 내지 4시간 정도 걸리며, 이 경우 압력은 15 bar 내지 20 bar 범위로 가압된다. 이 경우, 가압공정이 완료되면 가압을 중지하고 3시간 정도 기다렸다가 압이 떨어질 경우 남게 되는 방부액은 별도 회수장치에 의하여 회수하도록 함이 바람직하다.
그리고, 바람직하게는 상기 조성물 성분은 물, 인산 및 가용성 셀룰로오즈로 구성된 혼합물로, 더욱 상세하게는 혼합되는 구성요소 중량비는 물 50 중량% ~ 60 중량%, 인산(Phosphoric Acid) 5 중량% ~ 15 중량%, 가용성 셀룰로오즈(Cellulose) 30 중량% ~ 40 중량% 범위에서 형성하도록 한다.
상기 인산은 오산화인 P2O5가 수화하여 생기는 일련의 산을 말하며, 오산화인(P2O5)과 물(H2O)이 결합된 것으로서, 비율에 따라 정인산(H3PO4 : 오르토인산), 파라인산(H4P2O7), 메타인산(HPO) 등이 있다. 보통은 정인산을 말하며 조해성으로서 물에 잘 녹는 수용성으로, 처리법으로는 일반적으로 알루미늄, 철의 염류와 석회 등에 의한 응집 침전이 사용되고 있다.
상기 셀룰로오즈는 3,000개 이상의 포도당 단위체로 이루어진 복잡한 탄수화물 또는 다당류를 말하며 섬유소라고도 한다. 식물 세포벽의 기본구조 성분인 셀룰로오스는 모든 식물성 물질의 33％(면의 90％와 나무의 50％는 셀룰로오스로 이루어졌음)를 차지하며, 천연에서 산출되는 유기화합물 중에 가장 많이 존재한다. 사람은 셀룰로오스를 소화시킬 수 없으나, 소나 말 같은 초식동물에서는 섭취된 셀룰로오스가 초식동물의 소화관에 충분히 오랫동안 머물러 있어서, 이 속에 있는 미생물에 의해 소화되게 된다.
이러한 셀룰로오스 유도체들은 접착제, 폭발물, 음식의 농화제와 방습용 도장 등에 사용되며, 본 발명에서는 방습용 도장 용도로 혼합 사용하고 있다.
그리고, 이러한 상기 조성물은 수용성이므로 외부 설치시 비와 바람에 의하여 용출이 되지 않도록 표면 개질처리를 위하여 오일스테인칠을 병행하는 것이 바람직하다 할 것이다.
6. 고온건조단계(S600)
150℃ ~ 220℃ 온도 범위의 고온에서 상기 조성물이 주입된 목재를 고온건조설비인 고온열처리실(610) 내에서 건조시키고 안정화시켜 목재 표면을 개질처리하여 고형화하는 과정을 말한다. ;
표면개질이란 재료 본연의 특성만으로 원하는 성능과 기능을 발휘할 수 없는 때 기재 표면에 열에너지, 응력 등을 부가하여 새로운 표면층을 형성하는 방법으로, 화학처리나 압축처리 등으로 원래의 목재와는 다른 성질을 부여하기 위하여 개질처리를 하게 되는데, 이를 통하여 내구성이 증대하고 안정성 및 견고함을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 방부액 등을 부가한 화학처리가 아닌 친환경 공정인 압축처리 및 본 단계인 고온처리공정을 통하여 건축 용도에 맞는 사용자가 원하는 개질처리 효과를 얻을 수 있다.
최근 들어 목재를 200℃ 이상의 초고온으로 가열하여 건조하는 기술이 유럽 지역에서 개발되어 산업적으로 활용되고 있다. 초고온으로 목재를 열처리하는 목적은 내구성, 치수안정성, 흡습성, 음향성능 등 목재의 고유 물성을 개선하는데 있다. 표면을 불에 그슬린 목재가 잘 썩지 않는 원리를 적용한 기술이다.
이러한 고열처리로 형성된 탄소막에 의하여 목재 내화성이 30% 이상 증대되며, 20% 이상의 단열 및 흡음효과, 고열처리 결과로 비교적 장시간 균일한 색상을 유지할 수 있게 된다.
소나무, 스프러스 등 침엽수 등을 원자재로 하여 처리하며, 탄화 공정을 거친 개질처리 목재의 생산 목적은 저가 목재를 개질처리하여 경제성을 높이고, 치수 안정성, 목재의 경도, 항암성 및 내부성(부패가 잘 안 되는 성질)을 높이고 방부 처리를 위한 환경 오염을 억제하는 데 있다.
즉, 목재를 일정 고온으로 처리하여 목재 성분 중 수산기의 농도가 낮아져 목재의 방흡습성 및 치수안정성이 높아지며, 고온 처리를 하는 과정에서 화학 반응이 발생하여 목재 부후균이 좋아하는 영양 물질이 감소되어 내부성, 내후성 및 내구성이 향상된다.
또한, 이러한 고온열처리 단계를 거침으로써 고열증기 목재 구성분자의 화학적 열가수분해를 일으켜 수분을 흡수할 수 있는 수산기등의 분자구조를 입체적으로 변형 개질시켜 습기 부패에 강하기 때문에 옥외테크로 사용할 때 외장재로서 장점을 갖는다.
목재의 변형에 가장 큰 요인인 목재 세포내의 수산기(OH)와 부패의 요인인 당분과 지방을 상당부분 고열로 태워버리되, 목재 고유의 물리적 성질은 최소한 90% 이상 유지하여 건축 구조재로 사용하여도 손색없는 물성을 유지하는 것이 탄화공정 기술의 가장 중요한 요체이다.
이를 위하여 한국건설생활환경 기술연구원에 개질처리된 잣나무를 시료로 hk여 2019년 09월 11일이 기산일인 시험기간에서 촉진내후성시험 측정 결과 균열이 없음을 이미 확인한 바 있다. 촉진내후성 시험은 자연 조건하의 일사량, 바람과 비, 온도, 습도 등 보다도 엄격한 조건을 인공 광(카본 아크, 크세논 램프 등을 광원으로 사용한다)을 사용하여 설정하고 강제적으로 재료의 열화를 촉진하여 그 내후성을 단기간에 조사하는 시험을 의미한다.
또한, 바람직하게는 자외선에 의한 변색에 대한 저항을 갖고 곰팡이 활동을 억제하기 위하여 고온 열처리시 설정온도 및 시간 조절을 통하여 적절하게 큐링(Curing) 하면서 고열처리 하도록 하여야 한다.
본 발명에 따른 상기 고온 열처리 단계에서 가장 바람직한 실시예는 150℃ ~ 160℃ 온도 범위에서 24시간 내비 48시간 고온 열처리하고, 이어서 180℃ ~ 200℃온도 범위에서 24시간 내지 48시간 고온 열처리 하는 단계를 포함하며, 이러한 전체 열처리 시간은 대략 3일 내지 4일 정도 소요된다.
상기 고온 열처리 단계에서 열처리 온도는 150℃ 내지 220℃ 사이인데, 이는 열처리 온도가 150℃보다 낮으면 일정 함수율을 갖는 목재로 열처리하는데 많은 시간이 소요되어 생산성이 떨어지게 되고, 열처리 온도가 220℃보다 높으면 목재의 발화점 이상의 온도가 되어 상기 목재가 탄화/발화될 위험이 있기 때문이다.
상기 본 발명에 따른 제조방법으로 개질처리된 목재는 상기 중온건조 단계(S300))와 상기 고온 열처리 단계(S600)를 거치면서 단계적으로 열처리 건조되어 목재 균일이나 할열, 파열, 뒤틀림 및 변형이 방지된 상태로 큐링(curing)되어 최종적으로는 10% 미만의 함수율을 갖는 가볍고 견고하며 치수안정성이 좋은 개질처리된 목재가 된다. 이렇게 완성된 목재는 사후처리인 숙성 및 프로파일(profile) 단계를 거쳐 원하는 개질처리 야외목 용도로 사용 가능하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 실시예는 이에 국한되지 않고 균등 범위에서 다양한 변화와 변경이 가능할 것이며, 상기 기재된 내용은 하기 특허청구범위에 의하여 정해지는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아님은 자명하다 할 것이다.
310: 건조실 311: 적층탑재부
312: 덕트 313: 히터
314: 송풍팬 315: 모터
316: 에어벤트 317, 318: 온도제어센서
321: 물통 322: 증기발생기
360: 제어판넬 450: 진공압력탱크
451: 진공펌프 452: 연결관
453: 공기배출관 455: 대차
456: 조성물 저장탱크 457: 조성물 주입관
610: 고온열처리실

Claims (3)

  1. 생목을 용도에 따라 규격에 맞게 판형의 목재로 제재한 후, 제재된 목재가20~50% 범위의 함수율을 갖도록 외부에서 자연건조 시키는 자연건조단계(S100)와;
    싱기 자연건조된 목재를 적층한 상태로 건조실(310) 내부에 탑재하고 건조실을 밀폐시키는 목재탑재단계(S200)와;
    상기 건조실(310) 내부로 탑재된 목재를 증기 건조시켜 목재가 함유하고 있는 송진을 제거하고 함수율 12% 이하 범위로 목재를 건조시키는 중온건조단계(S300)와;
    상기 중온 건조된 목재를 진공 압력탱크(450)에 이송 적재하여 외부에 설치된 진공펌프(451)를 작동시켜 내부 공기를 상기 진공압력탱크(450) 일측에 형성된 공기배출관(453)을 통하여 외부로 배출시켜 상기 탱크(450) 내부를 진공상태로 만드는 진공감압단계(S400)와;
    상기 진공감압된 목재에 방부성능 향상 및 변형방지를 위한 조성물을 상기 진공압력 탱크(450) 내부로 중량 증가율 10% 이상 범위로 주입시키기 위하여 가압하는 조성물주입 가압단계(S500); 및
    상기 조성물이 주입된 목재를 고온열처리실(610) 내에서 건조시키고 안정화시켜 목재를 고형화하는 고온건조단계(S600);를 포함하되,
    상기 중온건조단계(S300)는 상기 건조실(310) 천정부에 다수 형성된 에어벤트(316)를 통하여 105~110℃의 증기를 48시간 동안 분사하여 가열하는 증기가열공정(S310) 및 히터 및 송풍팬에 의하여 60~80℃에서 72시간 열풍 건조하는 열풍건조공정(S320)을 포함하고,
    상기 조성물은 물 50~60중량%, 인산(Phosphoric Acid) 5~15중량% 및 가용성 셀룰로오즈(Cellulose) 30~40중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 개질처리목재 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고온건조단계(S600)는 150~160℃에서 48시간 및 180~200℃에서 48시간 고온처리에 의하여 원하는 개질처리된 목재의 색깔로 변할 때까지 수행되는 고온처리공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 개질처리목재 제조방법.



  3. 삭제
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