KR102284590B1

KR102284590B1 - 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법

Info

Publication number: KR102284590B1
Application number: KR1020190174000A
Authority: KR
Inventors: 장은석; 강춘원
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-08-03
Also published as: KR20210081745A

Abstract

본 발명은 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 목재의 다공체의 공극형태 중, 공극의 양 끝이 연결되어 있는 쓰로우 포어(through pore), 공극의 한쪽면이 막혀있는 블라인드 포어(blind pore) 및 다공체의 내부에 함침되어 있는 클로어즈 포어(closed pore)가 형성되는 목재의 공극 측정방법은 기 설정된 크기의 원형시편과 기설정된 크기의 메쉬로 체거름한 목분을 준비하는 단계; 원형시편의 겉보기 부피(V_{bulk_c})를 구하고, 밀도분석장비(Gas pycnometer)를 이용하여 공극이 포함되지 않은 실부피(V_{true_c})를 구하는 단계; 목분을 밀도분석장비를 이용하여 실부피(V_{true_s})를 구하는 단계; 원형시편에서 겉보기 부피(V_{bulk_c})와 목분의 실부피(V_{true_s})를 이용하여 대상 목재의 총 공극률(Φ_total)을 아래식을 이용하여 계산하는 단계;

밀도분석장비(Gas pycnometer)로 측정된 원형시편의 실부피(V_{true_c})는 클로어즈 포어(closed pore)가 고려되며, 이때의 공극률은 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)과 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)의 합으로 아래식을 이용하여 계산하는 단계;

(1) 식과 (2) 식의 차를 계산하여 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률(Φ_closed)을 계산하는 단계;

그 다음으로, 원형시편을 Galwick 용액에 함침시킨 후 진공챔버에 25 ~ 35분간 유지시켜 Galwick 용액이 원형시편 내의 블라인드 포어(blind pore)와 쓰로우 포어(through pore)로 침투시키는 단계; 원형시편을 진공챔버에서 꺼내어 기공측정기(Capillary flow porometer)에 장착시킨 후 쓰로우 포어(through pore)에 있는 Galwick 용액이 빠져나오도록 수직방향으로 공기압력을 가해주는 단계; 원형시편에 Galwick 용액의 함침시키기 전의 무게와 공기압력을 가한 후의 무게 차를 계산하고, 이를 Galwick 용액의 비중으로 나누어 블라인드 포어(blind pore)의 볼륨(V_{blind pore volume})을 계산하고, 이를 원형시편의 겉보기 부피(V_bulk-c)로 나누어 아래식을 이용하여 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)을 계산하는 단계;

아래의 식으로부터 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)을 계산하는 단계;를 포함한다.

Description

목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법{Method to measure porosity of through pore, blind pore and closed pore}

본 발명은 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 목재의 쓰로우 포어(through pore), 블라인드 포어(blind pore) 및 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률을 정확하게 산정할 수 있는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법에 관한 것이다.

목재는 다수의 세포로 구성되어 있는 유기체이다. 세포는 세포벽과 세포내강으로 구성되어 있고, 세포벽에는 벽공이나 미세한 공극구조가 다수 존재한다. 따라서 목재는 목재실질과 공그부분으로 구성되어 있다고 볼 수 있다.

다공성 재료는 비중을 줄일 수 있고, 통기성을 확보하면 열효율이나 흡음성을 증대시킬 수 있는 등 여러 장점이 많은 재료이다. 여타 재료의 경우 재료 내에 공극을 만들기 위하여, 발포, 압축, 섬유 방사, 상전이(phase transition)와 같은 다양한 물리 화학적 처리가 필요하지만 목재의 경우 자연이 만들어 낸 천연 다공체임으로 공극구조를 면밀하게 파악한다면 그 자체만으로도 용도에 맞게 활용이 가능하며, 약간의 가공을 더 거친다면 다양한 산업현장에서 손쉽게 활용이 가능할 것으로 예상된다.

IUPAC 에서는 다공체의 공극형태를 공극의 양 끝이 연결되어 있는 쓰로우 포어(through pore), 공극의 한쪽면이 막혀있는 블라인드 포어(blind pore), 다공체의 내부에 함침되어 있는 클로어즈 포어(closed pore)로 분류하였는데 각각의 함량을 구하는 방법에 대하여는 특정되지 않았다.

한편, 목재에서 공극을 함량을 구하는 방법은 KS F 2199의 측정법을 이용하여 겉보기 부피를 구하고, 수종에 관계없이 목재실질의 비중을 1.5로 일정하게 계산하여 다음과 같은 식에 의하여 구하는 것이 일반적이다.

그 외에도 수은침투법, 가스비중계(Gas pycnometer) 등을 이용하여 목재의 공극율을 축정한 선행연구들이 있다. 수은침투법(Hg porosimeter)과 기체치환법(gas pycnometer)을 활용한 목재의 공극률 측정목재의 공극률을 분석하기 위해 여러 연구자들에 의하여 수은침투법이 사용되어져 왔다.

Stayton and Hart(1965)는 목재 분야에서는 최초로 MIP를 이용하여 침엽수(softwood) 내부에 3000psi 의 압력으로 수은을 가압시켜 목재 내의 공극의 크기와 부피, 공극률 등을 측정한 바 있다.

Schneider(1979)는 수은침투법(MIP)을 이용하여 독일의 30종의 목재시편의 공극크기를 margo capillaries(0.1 ~ 0.7 ㎛ and 2 ~ 0.5 ㎛), Mesopore (500 ~ 80 nm), Micropore(80 ~ 1.8 nm)로 분류하였으며, 수은 침투법 측정에서 얻은 비표면적(surface area)은 코팅 재료 또는 접착제의 주입 및 침투에 있어 산업 공정의 기술적 특성에 따른 수분흡수거동 및 유체침투에 대한 추가 정보를 제공할 수 있음을 시사하였다.

Zauer et al. (2014)은 수은침투법을 이용하여 Norway spruce (Picea abies (L.(Salicaceae)의 porous structure를 분석하여 비교하였다.

Pfriem et al. (2009)은 Helium pycnometry를 이용하여 Spruce(Picea abies (L.) Karst.)와 Maple(Acer pseudoplatanus L.)를 열처리 후 세포벽 밀도와 공극구조의 변화를 보고하였다.

Schoz et al. (2010) 는 주입목재(impregnated wood)의 공극률을 gas(He) pycnometer를 이용하여 분석하였다.

Zauer et al. (2014) 는 열처리된 목재의 세포벽 밀도를 gas pycnometer를 이용하여 분석하였다.

한편, 현재까지 목재의 공극형태별 함량을 분석하려는 방법에 제시되어 있지 않아, 목재의 건조, 약품주입 및 흡음처리에 대한 분석에 대한 활용이 어려운 측면이 있다.

(한국 XX 특허 제----------------호, 20 년 0월 0일)

본 발명의 목적은 목재의 쓰로우 포어(through pore), 블라인드 포어(blind pore) 및 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률을 정확하게 산정할 수 있는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 목재의 다공체의 공극형태 중, 공극의 양 끝이 연결되어 있는 쓰로우 포어(through pore), 공극의 한쪽면이 막혀있는 블라인드 포어(blind pore) 및 다공체의 내부에 함침되어 있는 클로어즈 포어(closed pore)가 형성되는 목재의 공극 측정방법은 기 설정된 크기의 원형시편과 기설정된 크기의 메쉬로 체거름한 목분을 준비하는 단계;

원형시편의 겉보기 부피(V_{bulk_c})를 구하고, 밀도분석장비(Gas pycnometer)를 이용하여 공극이 포함되지 않은 실부피(V_{true_c})를 구하는 단계;

목분을 밀도분석장비를 이용하여 실부피(V_{true_s})를 구하는 단계;

원형시편에서 겉보기 부피(V_{bulk_c})와 목분의 실부피(V_{true_s})를 이용하여 대상 목재의 총 공극률(Φ_total)을 아래식을 이용하여 계산하는 단계;

그 다음으로, 원형시편을 Galwick 용액에 함침시킨 후 진공챔버에 25 ~ 35분간 유지시켜 Galwick 용액이 원형시편 내의 블라인드 포어(blind pore)와 쓰로우 포어(through pore)로 침투시키는 단계;

원형시편을 진공챔버에서 꺼내어 기공측정기(Capillary flow porometer)에 장착시킨 후 쓰로우 포어(through pore)에 있는 Galwick 용액이 빠져나오도록 수직방향으로 공기압력을 가해주는 단계;

원형시편에 Galwick 용액의 함침시키기 전의 무게와 공기압력을 가한 후의 무게 차를 계산하고, 이를 Galwick 용액의 비중으로 나누어 블라인드 포어(blind pore)의 볼륨(V_{blind pore volume})을 계산하고, 이를 원형시편의 겉보기 부피(V_bulk-c)로 나누어 아래식을 이용하여 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)을 계산하는 단계;

여기서, 원형시편은 KS F 2199의 측정법을 이용하여 겉보기 부피를 구할 수 있다.

여기서, 원형시편의 크기는 지름 29mm 및 높이 10mm의 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 원형시편은 KS F 2199의 측정법을 이용하여 겉보기 부피할 수 있다.

여기서, 메쉬는 크기가 200mesh로 형성될 수 있다.

여기서, Galwick 용액의 표면장력은 15.9N/m로 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법은 목재의 쓰로우 포어(through pore), 블라인드 포어(blind pore) 및 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률을 정확하게 산정할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법의 순서도이다.
도 2는 목재 내부로 함침된 Galwick 용액이 공기압력에 따라 빠져나오는 개념도이다.
도 3은 본 발명을 이용하여 백합나무의 횡단면의 공극형태별 함량을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법의 순서도이며, 도 2는 목재 내부로 함침된 Galwick 용액이 공기압력에 따라 빠져나오는 개념도이고, 도 3은 본 발명을 이용하여 백합나무의 횡단면의 공극형태별 함량을 나타내는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 목재의 공극형태에 따른 함량은 다음과 같은 방법에 따라 순차적으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법은 목재의 다공체의 공극형태 중, 공극의 양 끝이 연결되어 있는 쓰로우 포어(through pore), 공극의 한쪽면이 막혀있는 블라인드 포어(blind pore) 및 다공체의 내부에 함침되어 있는 클로어즈 포어(closed pore)가 형성되는 목재의 공극을 측정하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 기 설정된 크기의 원형시편과, 상기 원형시편과 동일한 종류이며 동일한 크기의 목재를 기설정된 크기의 메쉬로 체거름한 목분을 준비한다(S10). 이때, 원형시편의 크기는 지름 29mm 및 높이 10mm의 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 목분은 톱밥(sawwood)으로 이해될 수 있다. 목분은 200 mesh(메쉬)로 체가름하여 준비될 수 있다. 원형시편의 크기 및 체가름하는 메쉬의 크기는 상기에 제시한 크기로 제한되는 것은 아니다.

그 다음으로, 상기 원형시편의 겉보기 부피(V_{bulk_c})를 구하고, 밀도분석장비(Gas pycnometer)를 이용하여 공극이 포함되지 않은 실부피(V_{true_c})를 구한다(S11). 이때, 상기 원형시편의 겉보기 부피(V_{bulk_c})는 KS F 2199의 측정법을 이용하여 구할 수 있다.

밀도분석장비(Gas pycnometer)는 고체 상태(분말, 덩어리)의 시료의 진부피를 측정하여 밀도를 계산할 수 있는 것으로서, 원형시편의 실부피(V_{true_c})를 측정하는 것이 밀도분석장비(Gas pycnometer)로 제한되는 것은 아니다.

상기 목분은 밀도분석장비를 이용하여 실부피(V_{true_s})를 산정한다(S12).

그 다음으로, 상기 원형시편에서 겉보기 부피(V_{bulk_c})와 목분의 실부피(V_{true_s})를 이용하여 대상 목재의 총 공극률(Φ_total)을 아래식 (1)을 이용하여 계산한다(S13). 이때, 상기 원형시편을 밀도분석장비(Gas pycnometer)로 측정하는 경우, 클로어즈 포어(closed pore) 내부로는 가스가 침투하지 못하므로 클로어즈 포어(closed pore)는 공극으로 인식하지 못하지만, 상기 목분의 경우에는 매우 작은 입자로 내부에 클로어즈 포어(closed pore)의 함량은 거의 없다고 가정하고 원형시편에서의 상기 겉보기 부피(V_{bulk_c})와 목분의 실부피(V_{true_s})를 이용하면 총 공극률(Φ_total)을 계산할 수 있게 된다.

그 다음으로, 공극률(Φ_{through + blind})은 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)과 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)의 합으로 아래식 (2)를 이용하여 계산한다(S14). 이때에는, 밀도분석장비(Gas pycnometer)로 측정된 상기 원형시편의 실부피(V_{true_c})는 클로어즈 포어(closed pore)를 인지한 것이다.

(1) 식과 (2) 식의 차를 이용하여 아래식 (3)으로 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률(Φ_closed)을 계산한다(S15).

그 다음으로, 상기 원형시편을 Galwick 용액에 함침시킨 후 진공챔버에 25 ~ 35분간 유지시켜 Galwick 용액이 상기 원형시편 내의 블라인드 포어(blind pore)와 쓰로우 포어(through pore)로 침투시킨다(S16). 그리고, 바람직하게는 진공챔버에 30분간 유지시키는 것이 바람직하다.

여기서, Galwick 용액은 표면장력이 낮은 습윤 물질의 용액으로서, 표면장력이 15.9N/m로 형성될 수 있다.

그 다음으로, 상기 원형시편을 진공챔버에서 꺼내어 기공측정기(Capillary flow porometer)의 샘플챔버에 장착시킨 후, 수직방향으로 공기압력을 가해주면서 압력증가에 따라 쓰로우 포어(through pore)에 있는 Galwick 용액이 빠져나오도록 한다(S17).

그 다음으로, 상기 원형시편에 Galwick 용액의 함침시키기 전의 무게와 공기압력을 가한 후의 무게 차를 계산하고, 이를 Galwick 용액의 비중으로 나누어 블라인드 포어(blind pore)의 볼륨(V_{blind pore volume})을 계산한다. 그리고, 이를 상기 원형시편의 겉보기 부피(V_bulk-c)로 나누어 아래식 (4)를 이용하여 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)을 계산한다(S18).

아래의 식으로부터 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)을 계산한다(S20).

이를 통하여, 본 발명을 통하여 3가지 목재의 쓰로우 포어(through pore), 블라인드 포어(blind pore) 및 클로어즈 포어(closed pore)의 공극 함량을 계산할 수 있게 된다.

본 발명의 실시 예 중 하나이 백합나무 횡단면 부위에 따른 목재의 공극 형태 함량을 살펴보면 도 3과 같다.

백합나무는 목재 횡단면 부위에 따른 목재실질의 함량은 27.8% ~ 28% 정도로 큰 차이는 없으나 심재에서 변재방향으로 쓰로우 포어(through pore)의 함량이 증가하였다. 이는 심재부의 타일로시스 영향에 의한 것으로 변재부에서 목재의 기체투과성이 증가하게 되는 특성과도 일치한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

목재의 다공체의 공극형태 중, 공극의 양 끝이 연결되어 있는 쓰로우 포어(through pore), 공극의 한쪽면이 막혀있는 블라인드 포어(blind pore) 및 다공체의 내부에 함침되어 있는 클로어즈 포어(closed pore)가 형성되는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법에 있어서,
기설정된 크기의 원형 시편과, 상기 원형시편과 동일한 종류이며 동일한 크기의 목재를 기설정된 크기의 메쉬로 체거름한 목분을 준비하는 단계;
상기 원형시편의 겉보기 부피(V_{bulk_c})를 구하고, 밀도분석장비(Gas pycnometer)를 이용하여 공극이 포함되지 않은 실부피(V_{true_c})를 구하는 단계;
상기 목분을 상기 밀도분석장비를 이용하여 실부피(V_{true_s})를 구하는 단계;
상기 원형시편에서 상기 겉보기 부피(V_{bulk_c})와 상기 목분의 실부피(V_{true_s})를 이용하여 대상 목재의 총 공극률(Φ_total)을 아래식을 이용하여 계산하는 단계;

상기 밀도분석장비(Gas pycnometer)로 측정된 상기 원형시편의 실부피(V_{true_c})는 상기 클로어즈 포어(closed pore)가 고려하고, 이때의 공극률은 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)과 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)의 합으로 아래식을 이용하여 계산하는 단계;

상기 (1) 식과 상기 (2) 식의 차를 계산하여 클로어즈 포어(closed pore)의 공극률(Φ_closed)을 계산하는 단계;

그 다음으로, 상기 원형시편을 Galwick 용액에 함침시킨 후 진공챔버에 일정시간을 유지시켜 상기 Galwick 용액이 상기 원형시편 내의 상기 블라인드 포어(blind pore)와 쓰로우 포어(through pore)로 침투시키는 단계;
상기 원형시편을 상기 진공챔버에서 꺼내어 기공측정기(Capillary flow porometer)에 장착시킨 후 상기 쓰로우 포어(through pore)에 있는 상기 Galwick 용액이 빠져나오도록 수직방향으로 공기압력을 가해주는 단계;
상기 원형시편에 상기 Galwick 용액의 함침시키기 전의 무게와 상기 공기압력을 가한 후의 무게 차를 계산하고, 이를 상기 Galwick 용액의 비중으로 나누어 상기 블라인드 포어(blind pore)의 볼륨(V_{blind pore volume})을 계산하고, 이를 상기 원형시편의 겉보기 부피(V_bulk-c)로 나누어 아래식을 이용하여 상기 블라인드 포어(blind pore)의 공극률(Φ_blind)을 계산하는 단계;

아래의 식으로부터 상기 쓰로우 포어(through pore)의 공극률(Φ_through)을 계산하는 단계;를 포함하는

것을 특징으로 하는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 원형시편의 크기는,
지름 29mm 및 높이 10mm의 원기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 메쉬는,
크기가 200mesh로 형성되는 것을 특징으로 하는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 Galwick 용액의 표면장력은,
15.9N/m 인 것을 특징으로 하는 목재의 공극형태에 따른 공극률 측정방법.