KR102441112B1

KR102441112B1 - 치수안정성이 개선된 압축가공목재 제조방법

Info

Publication number: KR102441112B1
Application number: KR1020170063159A
Authority: KR
Inventors: 이원희; 황성욱; 조범근; 이정민
Original assignee: 유한회사 지승
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2022-09-07
Also published as: KR20180127864A

Abstract

본원은 열압축 목재의 수분 흡습에 의한 스프링백 현상을 방지할 수 있는 압축가공목재 제조방법에 관한 것이다.

Description

치수안정성이 개선된 압축가공목재 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING COMPRESSED WOOD HAVING IMPROVED DIMENSIONAL STABILITY}

목재의 열처리 가공은 고온가열에 의해 목재 성분의 열분해를 조절하면서 화학적 성분의 변화를 유도하여 치수안정성 및 내후성을 증대시키고 흡습성을 감소시키기 위한 목적으로 수행된다. 이렇게 처리된 열처리 목재는 정원용 가구, 울타리, 기둥, 목재수납장, 창문틀, 도어, 가구, 데크재, 외장벽판재 및 마루판 등 치수안정성이나 내후성이 요구되는 다양한 용도에 적용이 가능하다. 그러나 열처리 공정 중 고열에 의한 일부 목재성분의 열분해로 인해 목재가 가지는 고유의 밀도 감소, 휨탄성계수(modulus of elasticity;MOE)와 휨강도(modulus of rupture; MOR) 감소, 충격강도 감소, 취약해지는 재질, 짙어지는 색상, 냄새, 금속부식성 증가 등의 문제점을 가지는 것도 사실이다 (Sandberg & Kutnar, 2015; Guo et al., 2014). 이와 관련하여, 1946년 Stamm 등이 목재의 내후성 증대와 같은 성능 개선을 위해 체계적인 열처리 가공을 처음 보고한 이래 현재까지 열처리로 발생하는 문제점과 공정의 효율성 개선을 위해 지속적인 연구가 이루어져 왔다.

또한, 열처리에 의한 도장성, 표면가공성, 접착성, 금속부식성 등 기타 물성 변화 및 개선에 대한 연구들이 수행되어온 바 있다. 예를 들어, 열처리 목재의 기상열화 저항성은 무처리재와 유사한 수준이므로, 옥외 사용 시 도장 등의 표면가공이 필요한 것으로 보고된 바 있으며 (Mayes & Oksanen, 2002), 열처리 가공에서 가열온도 및 시간을 증가시킬수록 기상열화 저항성은 개선되나 MOR이 무처리재의 50%까지 감소하는 현상이 나타나 문제가 되는 것도 보고된 바 있다 (Yildiz, et al., 2010). Petric 등 (2007)은 열처리 목재의 기상열화 저항성을 개선하기 위해 다양한 표면도료를 사용한 결과, 야외에서 도장 열처리 목재가 미도장 열처리 목재에 비해 퇴색방지가 잘 되었고, 투명 도료보다는 불투명도료가 표면 열화 방지 효과가 크다는 것을 보고하였다. 또한 열처리 목재에 접착가공을 시행하는 경우, 열처리로 인해 전단강도가 낮아지고 목재 손상이 많아 접착품질에 문제가 발생하고, 열처리로 의한 소수성 증대로 접착제의 용매 침투가 지체되는 특성이 있어 접착공정에 개선이 요구된다고 보고된 바 있다 (Sandberg와 Kutnar, 2015; Mayes와 Oksanen, 2002; Rapp 등, 2000). 또한, 열처리 자체가 목재의 성분열화를 가져와 친수성기의 소실에 의한 치수안정화를 기할 수도 있지만, 일반적으로 열압축목재는 시간의 경과에 따라 습기를 흡수하면서 치수회복이 이루어지므로 (스프링백 현상) 장기노출 외기에 사용하기에는 불안정하다는 점 또한 극복해야 할 문제점 중 하나이다.

1. Boonstra, M.J., Tjeerdsma, B.F., Groeneveld, H.A.C. 1998. Thermal modification of non-durable wood species. 1. The PLATO technology: thermal modification of wood. The International Research Group on Wood Protection, Document no. IRG/WP 98-40123. 2. Sandberg, D., Kutnar, A. 2015. Recent Development of Thermal Wood Treatments: Relationship between Modification Processing, Product properties, and the Associated Environmental Impacts, IAWPS 2015, International Symposium on Wood Science and Technology, p. 55-59. 3. Tjeerdsma, B.F., Boonstra, M., Militz, H. 1998b. Thermal modification of non-durable wood species. 2. Improved wood properties of thermally treated wood. International Research Group on Wood Preservation, Document no. IRG/WP 98-40124. 4. Guo F., Huang, R., Lu, J., Chen, Z., Cao, Y. 2014. Evaluating the effect of heat treating temperature and duration on selected wood properties using comprehensive cluster analysis, J. Wood Sci. 60: 255-262. 5. Kamdem, D. P., Pizzi, A., Guyonnet, G., Jermannaud, A. 1999. Durability of heat-treated wood, The International Research Group on Wood Protection, Document no. IRG/WP 99-40145. 6. Won, K.R., Hong, N.Y., Kwon, S.S., Jeong, S.H., Byun, H.S. 2015. Application of heat-treated wood with heat medium, 2015. Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting, 344-345. 7. Hong, N.Y., Kwon, S.S., Jeong, S.H., Won, K.R., Byun, H.S. 2014. Decay of heat-treated wood by concentration of heat medium, 2014. Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting: 320-321. 8. Ra, J.B., Kim, K.B., Lim, K.H. 2012. Effect of heat treatment conditions on color change and termite resistance of heat-treated wood, J. Korean Wood Sci. & Tech. 40(6): 370-377. 9. Lee, S.J., Kang, S.K., Kang, C.W., Kang H.Y. 2012. FSP Mesurement of Heat-treated Hardwoods Using Volumetric Swelling Method, Journal of the Korea Funiture Society 23: 163-168. 10. Byun, H.S., Park, J.H., Park, H.M., Park, B.S., Jeong, S.H. 2008. Compression stregth and hardness of heat-treated wood, Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting: 169-170. 11. Kamdem, D. P., Pizzi, A., Guyonnet, G., Jermannaud, A. 1999. Durability of heat-treated wood, The International Research Group on Wood Protection, Document no. IRG/WP 99-40145. 12. Won, K.R., Hong, N.Y., Kwon, S.S., Jeong, S.H., Byun, H.S. 2015. Application of heat-treated wood with heat medium, 2015. Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting, 344-345. 13. Hong, N.Y., Kwon, S.S., Jeong, S.H., Won, K.R., Byun, H.S. 2014. Decay of heat-treated wood by concentration of heat medium, 2014. Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting: 320-321. 14. Ra, J.B., Kim, K.B., Lim, K.H. 2012. Effect of heat treatment conditions on color change and termite resistance of heat-treated wood, J. Korean Wood Sci. & Tech. 40(6): 370-377. 15. Lee, S.J., Kang, S.K., Kang, C.W., Kang H.Y. 2012. FSP Mesurement of Heat-treated Hardwoods Using Volumetric Swelling Method, Journal of the Korea Funiture Society 23: 163-168. 16. Byun, H.S., Park, J.H., Park, H.M., Park, B.S., Jeong, S.H. 2008. Compression stregth and hardness of heat-treated wood, Proceedings of the Korean Society of Wood Science and Technology Annual meeting: 169-170. 17. Hong, B.H. 1986. Dynamic viscoelasticity of heat treated wood, J. Korean Wood Sci. & Tech. 14(2): 2013-2020.

친수성 고분자 물질인 목재는 고온에서 열압축가공을 한다고 해도, 흡습에 의해 원형으로 복원되는 스프링백 현상에 의해 고밀도 목재의 특성을 상실하게 된다. 이러한 수분 흡습에 따른 치수안정성의 저하는 사용상 변형이나 결함을 발생시켜 실생활에서 문제가 되기도 한다. 더욱이, 산업적으로 국내시장에 열처리 목재가 공급되고 있고, 목재 열처리에 대한 국내 연구보고도 있기는 하나, 아직 국내 유용수종에 대한 열처리 적용 연구 정보는 부족한 여건이다.

이에 본원에서는, 국내 유용수종에 적용가능하고 열압축 목재의 수분 흡습에 의한 스프링백 현상을 방지할 수 있는 압축가공목재 제조방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 목재를 건조시키는 단계; 건조된 목재를 열경화성 수지 내에 함침시키는 단계; 열경화성 수지가 침투된 목재를 건조시키는 단계; 건조된 목재를 100℃ 내지 180℃의 온도에서 열압축하는 단계; 및 열압축된 목재를 25℃ 내지 60℃의 온도에서 냉각압축하는 단계를 포함하는, 치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법을 제공할 수 있다.

본원의 제 2 측면은, 목재를 100℃ 내지 200℃의 온도에서 열압축하는 단계; 열압축된 목재를 150℃ 내지 270℃의 온도에서 열처리하는 단계; 및 열처리된 목재를 1 일 내지 2 주일 동안 숙성시키는 단계를 포함하는, 치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법을 제공할 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 구현예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 구현예 및 실시예가 존재할 수 있다

종래에는 목재의 치수안정화를 위해 고온열처리나 화학약품으로 친수성기를 치환하여 수분의 흡착을 억제하는 방식이 주로 이용되어 왔다. 본원발명에서는 화학약품을 사용하지 않고, 일반 열압프레스를 이용하여 열경화성 수지의 일부를 표면에 도포하거나 또는 도포하지 않은 상태로 열압축목재를 제조한 다음, 180℃ 이상의 고온에서 단시간 후열처리 공정에 의해 열압축 목재의 치수안정화를 달성하였다.

본원발명에 의해 제조된, 수분에 대한 치수안정성이 높은 바닥재 또는 데크재 등으로 사용되기에 특히 적합한 압축가공목재는 탄소 저감에 기여하여 환경 친화적이고, 천연 목재의 나뭇결 및 무늬 형태를 그대로 유지하여 질감이 좋고 외관이 미려하며, 압축판재 자체의 경도와 강도가 매우 높고 강하므로 외부에서 강한 충격이 가해져도 압축판재 자체가 손상되지 않아 제품의 상품성과 사용성을 대폭 향상시킬 수 있다. 특히, 본원발명의 방법에 따르면 잣나무 등과 같은 저비중 침엽수재에 효율적으로 적용할 수 있고, 제조공정이 간편하여 생산시간을 단축시킬 수 있고 인건비 및 제조원가를 대폭 절감시킬 수 있어 저렴한 가격의 압축목재를 소비자에게 널리 제공할 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따라 열압축된 원목의 압축률에 따른 외관을 보여주는 사진 이미지이다.
도 2는 열처리 과정에서 목재 성분의 화학적 변환을 일으키는 열과 목재성분 사이의 반응 기구를 나타내는 개략도이다.
도 3은 열처리 목재의 중량감소율과 ASE와의 관계를 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.

이하, 본원의 치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 1 측면은, 목재를 건조시키는 단계; 건조된 목재를 열경화성 수지 내에 함침시키는 단계; 열경화성 수지가 침투된 목재를 건조시키는 단계; 건조된 목재를 100℃ 내지 180℃의 온도에서 열압축하는 단계; 및 열압축된 목재를 25℃ 내지 60℃의 온도에서 냉각압축하는 단계를 포함하는, 치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 열압축은 130℃ 내지 150℃의 온도에서 수행될 수 있고, 및/또는 상기 냉각압축은 35℃ 내지 45℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 목재가 침엽수재, 특히 국산 침엽수재일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 침엽수는 잣나무, 소나무 및/또는 낙엽송을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 침엽수로부터 제한 없이 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 침엽수재는 판재 또는 각재 등의 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열경화성 수지는 폴리비닐알코올(PVA) 또는 페놀-포름알데히드 알콜용성 액상수지일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열경화성 수지는 액상수지 접착제일 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열경화성 수지 내에 함침시키는 단계는 120℃ 내지 150℃의 열경화성 수지를 이용해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 함침은 약 20 내지 30분 동안 수행됨으로써 목재 내로 상기 열경화성 수지가 침투하도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

예를 들어, 상기 열경화성 수지가 침투된 목재를 건조시키는 단계는 열경화성 수지로서 사용된 접착제가 일부 굳도록 약 3 내지 4시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압축하는 단계 또는 냉각압축하는 단계는 유압 실린더를 이용하여 1,000 내지 2,500 톤의 압력을 가함으로써 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열압축은 약 20 내지 30분동안 수행될 수 있고, 및/또는 상기 냉각압축은 약 25 내지 35분동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 제조된 압축가공목재를 추가적으로 원하는 면적 및/또는 형상으로 절단하는 단계, 이를 바닥재 또는 데크재를 포함하는 건축자재 또는 가구재로 형성하는 단계, 및/또는 표면 마감 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원발명의 제조방법은 예를 들어, 중소경급의 국산 잣나무 판재를 함수율 12% 이하로 건조시키는 수분 건조단계; 건조된 원목 판재를 활성온도가 120~150℃인 열경화성 수지인 PVA 또는 페놀-포름알데히드 알콜용성 액상수지 접착제가 담긴 함침통 내에 약 20~30분 동안 투입하여 원목 판재의 조직 내로 접착제가 고르게 침투되게 하는 접착제 함침단계; 접착제가 일부 굳도록 정해진 시간 (예를 들어, 약 3~4시간) 동안 건조시키는 접착제 건조단계; 정해진 양의 원목 판재를 설정하여 소정 면적을 갖는 열성형 프레스의 하부 금형에 고르게 펼쳐 놓는 단계; 상, 하부 금형 온도가 히터에 의해 일정 온도 (예를 들어, 약 130~150℃)를 유지하는 열성형 프레스의 유압 실린더를 정해진 시간 (예를 들어, 약 20~30분) 동안 정해진 압력 (예를 들어, 약 1,000-2,500톤)으로 작동시킴으로써 원목 판재 내에 침투된 접착제를 경화시켜 정해진 두께 및 폭을 갖는 압축판재로 성형되게 하는 열성형 압축단계; 상, 하부 금형 온도가 히터에 의해 일정 온도 (예를 들어, 약 35~45℃)를 유지하는 냉각 프레스의 유압 실린더를 정해진 시간 (예를 들어, 약 25~35분) 동안 정해진 압력 (예를 들어, 약 1,000~2,500톤)으로 작동시켜 접착제의 경화로 인해 정해진 두께 및 폭을 갖도록 성형된 압축판재의 부피변화를 방지하는 냉각 압축단계; 그리고 상기 압축판재를 원하는 면적 및/또는 형상으로 절단하여 바닥재 또는 데크재를 포함하는 건축자재 또는 가구재로 형성하고 표면 마감 처리하는 단계를 포함할 수 있으나, 본원발명은 이에 제한되지 않고, 상기한 모든 단계가 반드시 수행되어야 할 필요는 없으며 수행되는 단계의 순서 및 구체적인 조건은 통상의 기술자가 적절하게 조절할 수 있다.

예를 들어, 목재를 열압축하기 전에 원하는 크기를 가지는 판재로 천연 목재를 가공하는 단계를 먼저 수행할 수 있다.

예를 들어, 상기 열압축하는 단계는 120℃ 내지 180℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 약 5 내지 20분간 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열압축하는 단계는 목재의 함수율이 10% 이하가 되도록 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 약 180℃ 내지 240℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 약 24 시간 이하의 처리기간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

예를 들어, 상기 숙성시키는 단계는 온도와 습도가 일정하게 유지되는 숙성실 내에서 수행될 수 있다.

예를 들어, 상기 압축가공목재의 제조방법은 숙성이 완료된 목재를 원하는 용도 및/또는 규격에 따라 절단 및/또는 가공하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

예를 들어, 상기 압축가공목재의 제조방법은 제조된 압축가공목재의 일 측면 또는 양 측면에 신축 부재를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 제조된 압축가공목재를 추가적으로 원하는 면적 및/또는 형상으로 절단하는 단계, 이를 바닥재 또는 데크제를 포함하는 건축자재 또는 가구재로 형성하는 단계, 및/또는 표면 마감 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원발명은 잣나무와 같은 침엽수 제재목 판재의 단일 목재층으로 이루어지면서도 고온 열압밀화 처리에 의해 장기간 사용하여도 목재가 썩지 않고, 또한 전도가 원활히 이루어져 온돌 바닥용이나 외장용으로 사용시 열손실이 저감되도록 하며, 수분흡수에 의한 변화율이 낮아 치수안정성이 향상되도록 하는 압축가공목재의 제조방법에 관한 것이다.

본원발명의 제조 방법은 예를 들어, 일정한 크기를 가지는 판재로 천연 목재를 가공하는 1차 가공 단계; 상기 가공된 판재를 열압축을 위한 열 유압기에 넣고 약 120℃ 내지 180℃ 사이의 온도로 약 5 ~ 20분간 열압축하여 상기 가공된 열압축 판재의 함수율이 10% 이하가 되도록 열압밀화하는 판재 압축 단계; 상기 1차 압축된 상기 판재를 치구로 구속시켜 열처리실에 넣고 180℃ 내지 240℃ 사이의 온도로 24시간 이하로 가열하여 열처리를 하는 고온 열처리 단계; 열처리가 완료된 상기 열압축목재를 일정한 온도와 습도를 가지는 숙성실에 일주일 이내의 기간 동안 저장하여 숙성시키는 열압축목재 숙성 단계; 상기 숙성된 열압축목재를 다양한 용도의 규격에 맞게 일정한 크기의 규격재로 절단하여 가공하는 2차 가공 단계; 및 상기 규격재의 일측면에 신축성이 있는 재질의 신축부재를 부착하는 신축부재 부착 단계를 포함할 수 있으나, 본원발명은 이에 제한되지 않고, 상기한 모든 단계가 반드시 수행되어야 할 필요는 없으며 수행되는 단계의 순서 및 구체적인 조건은 통상의 기술자가 적절하게 조절할 수 있다.

본원발명은 또한, 일반 잣나무 목재를 소재로 사용하여 열유압기(hot press)를 이용하여 횡압축함으로써 고밀도 목재소재를 제조하고, 치구에 세팅하여 구속한 다음, 100℃ 이상의 고온에서 고주파 가열기에 의해 10분 이내의 단시간 열처리를 행함으로써 흡습에 의한 변형이 없는 치수안정화 압축목재를 얻는 방법을 제공할 수 있다.

본원발명은 특히, 비중이 0.4 정도인 저비중 국산 잣나무재를 원료로 하고 표면에 열경화성 수지를 피복도포하거나 또는 소재 그대로 50% 이하로 열압축하여 고밀도 목재를 만들고, 열압축한 직후에 압축목재를 치구에 구속하여 죔틀에 죈 상태에서 밀폐 또는 개방된 상태 하에서 고주파 등의 후 열처리를 단시간 행함으로써 치수안정성이 우수한 압축가공목재 제조방법에 관한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따라 열압축된 원목의 압축률에 따른 외관을 보여주는 사진 이미지이다. 왼쪽에서부터 각각 두께 압축률 100% (원목), 70%, 50%, 30%의 열압축목재이다.

본원에서 후열처리의 목적은 고온처리에 의한 구성성분의 열화, 셀룰로오스 결정화도의 증가 및 리그닌의 피복 등에 의해 목재섬유가 수분에 대한 활성도를 잃어버리도록 하는 것이다. 열처리 과정에서 목재 성분의 화학적 변환을 일으키는 열과 목재성분 사이의 반응 기구를 도 2에 나타내었다 (Mayes와 Oksanen, 2002). 목재를 구성하는 주요 성분은 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 리그닌, 및 추출성분 등으로 구성되어 있다. 도 2에 제시된 바와 같이, 목재에 열이 가해지면 120℃ 정도의 초기단계에서 목재의 수분 이탈과 함께 헤미셀룰로오스가 가장 먼저 열분해되면서 아세트산(acetic acid)과 같은 산이 생성된다. 이들 산 촉매에 의한 분해 반응에 의해 목재 중에 포름알데히드(formaldehyde), 푸르푸랄(furfural)과 알데히드(aldehyde)가 생성되고 목재 내 당고분자의 중합도가 감소되는 현상이 나타난다. 동시에 헤미셀룰로스에 수산기의 감소와 함께 탈수 반응이 일어나고, 목재 중에 탄수화물의 함량 감소가 초래된다. 또한, 셀룰로스보다 헤미셀룰로스가 더 쉽게 분해되는 것으로 보고되고 있다. 온도가 더 높아져서 180∼230℃ 정도에 이르면 자일로우스나 만노우스는 목재 중에서 감소하고, 아라비노오스와 갈락토오스는 거의 사라져 버린다. 셀룰로스는 결정영역을 가지기 때문에 헤미셀룰로스가 열분해 되는 온도에서 열분해 반응이 비교적 느린 것으로 알려져 있다. 목재 중의 온도가 높아짐에 따라 셀룰로스 비결정영역이 먼저 분해되면서 230℃ 부근에서 셀룰로스의 결정화도가 증가하고 결정영역의 크기가 커지는 현상이 나타나는 것으로 보고되어 있다. 셀룰로스의 결정화도가 증가하면서 셀룰로스에는 물분자가 접근할 수 있는 수산기그룹이 감소하게 되고, 결과적으로 셀룰로스에 흡착하는 물분자가 적어지면서 평형함수율과 흡습성 등의 감소 효과를 나타나게 된다. 이와 같은 현상으로 인해 목재의 치수안정성과 열화 생물에 대한 내후성을 증대시키는 효과를 가지게 된다. 동시에 이 과정에서 많은 고분자 당이 소실되어 중량감소로 인한 밀도감소, 기계적 성능 저하 등의 부작용을 동반하게 된다. 리그닌도 120℃에서 230℃로 이행하는 과정에서 헤미셀룰로스 분해로 인해 생성된 산 촉매 반응에 의해 리그닌의 Cα와 O4개열 등을 초래하여 포름알데히드 푸르푸릴 및 알데히드 등을 생성시키고, 화학결합의 개열로 인한 리그닌의 자가 축합 반응이 시작된다. 이때 이미 일부 리그닌의 방향환에 반응기 수가 증가하고, 메톡실기의 분리로 벤질(benzyl)의 Cα가 양이온성을 띠게 되는데 이때 초기 열분해산물인 알데히드 그룹 중 일부가 메틸렌 브리지(methylene bridge)로 연결되는 리그닌 방향환의 반응기들과 반응한다. 이러한 반응은 완만하게 일어나지만 리그닌에 가교결합(cross-linking)이 증가하면서 리그닌 구조가 변화되어 목재에 흡습성을 줄이거나 치수안정성을 증대시키는 결과를 초래한다고 보고되어 있다 (Candelier 등, 2013; Esteves 등, 2008; Dirol과 Guyonnet, 1993; Bourgois와 Guyonnet, 1988). 또한 열처리 목재가 무처리 목재에 비해 리그닌 함유율이 높아지는 경향이 있다. 이러한 현상에 대해 Esteves와 Pereira (2009)는 열처리 목재샘플에 사용된 분석방법에 의한 측정치가 순수한 리그닌이 아닐 수 있다는 가능성을 제시하였다. 즉, 열처리 과정에서 리그닌이 셀룰로스나 헤미셀룰로스와 같은 성분과 중축합 반응에 의해 가교결합이 일어나 외관상 리그닌이 많은 것처럼 측정되었을 수 있다는 것이다 (Tjeerdsma와 Milits, 2005; Boonstra와 Tjeerdsma, 2006; Esteves 등, 2008).

목재의 추출물 성분은 열처리 과정에서 120∼180℃ 정도에서는 추출물이 휘산되거나, 열분해되어 목재 내에 새로운 물질로 전환되어 추출물이 증가한다. 그러나 230℃ 이상의 고온에서는 목재 내 대부분의 추출물이 열분해되어 사라지는 것으로 보고되고 있다. 그러나 실제로 열처리 목재를 분석하면 추출물이 늘어나는 것처럼 높은 값이 나오는데 이는 목재 내 탄수화물의 열분해 산물에 기인한 것으로 추정하였다.(Esteves와 Pereira, 2009; Mayes와 Oksanen, 2002; Militz, 2002; Kotilainen, 2000; Tjeerdsma et al., 1998a).

열처리 목재가 가지는 큰 장점 중 하나는, 대기 중의 관계습도변화에 따른 목재의 흡습성이 무처리 목재에 비해 낮고 치수안정성 또한 현저하게 개선된다는 것이다. 열처리에 의해 목재의 온도가 상승하면 목재가 가지는 주요 조성분이 반응하여 성분 전환이 일어나면서 친수성기 노출이 감소되기 때문에 목재의 흡습성이 무처리 목재에 비해 현저히 낮아지고, 이로 인해 치수안정성이 향상된다.

또한, 대기 중의 관계습도와 열처리된 유럽 적송(Scots pine)과 너도밤나무(Beech)의 흡습성과의 관계가 조사된 바 있다 (Tjeerdsma 등, 1998b). 목재의 흡습성은 평형함수율(Equilibrium Moisture Content: EMC)로 나타내었고, EMC의 변화를 열처리 목재와 무처리재의 흡착과 탈착곡선으로 나타내었다. 열처리된 유럽 적송과 너도밤나무의 경우, 두 수종 모두 대기 중의 관계습도가 높아질수록 EMC가 무처리재에 비해 현저하게 낮아지는 결과를 보였다. 두 수종 모두, 흡착과 탈착할 때 EMC가 유사하게 감소하고, 두 수종 모두 무처리재에 비해 흡습성이 약 30∼45% 감소하였다. 그러나 열처리 공정상 사용하는 열처리 조건을 달리했을 때는 열처리 목재의 EMC 변화가 다르다는 것을 소개하였다 (Millitz, 2002; Guo et al., 2014). Guo 등(2014)은 포플러(poplar)를 대상으로 시험한 결과 가열온도가 170℃에서 230℃까지 증가할수록 EMC가 최소 13% (170℃, 1시간 처리)에서 최대 54.3% (230℃, 4시간 처리)까지 감소하는 경향이 있고, 열처리에 의한 흡습성이 온도 및 처리시간 증가에 따라 현저하게 감소하는 내용을 보고하고 있다. 일반적으로 흡습성이 감소하여 섬유포화점이 낮아지면 치수안정성이 증대된다. 목재의 치수안정성은 항팽윤효과(anti swelling efficiency; ASE)로 나타낸다.

열처리 목재의 중량감소율과 ASE와의 관계를 도 3에 나타내었다. 여기에 제시된 바와 같이 열처리 목재의 중량감소율의 증가에 따라 ASE도 증가하고, 열처리 가공 시 가열온도가 높을수록 ASE 값이 높아진다. 즉, 가열온도가 높아질수록 목재의 흡습성이 감소되고 치수안정의 효과가 높아진다는 것을 의미한다. 열처리 목재의 ASE는 열처리조건에 따라 다르나 핀란드에서 산업화된 Thermowood라는 열처리 목재의 접선방향 ASE는 무처리재에 비해 약 50∼90% 정도, 독일의 OHT 열처리 목재는 가열온도에 따라 20∼40%, 프랑스의 Rectified wood는 50%, 네덜란드의 Plato wood는 15∼40% 정도 상승효과가 있는 것으로 소개하고 있다 (Mayes와 Oksanen, 2002; Rapp와 Sailer, 2001; Vernois, 2001; Homan과 Jorissen, 2004). Ozkan 등(2014)도 터키산 전나무에 OHT 처리를 했을 때 최적의 열처리조건에서 ASE가 50%에 이르는 결과를 제시하였다. Chaouch 등 (2012)은 5종의 침엽수와 활엽수 목재에 동일한 조건으로 중량감소율 10% 정도가 되도록 처리했을 때, 수종별로 ASE는 약 34∼48%로 서로 다른 치수안정성을 보고하였다. 또 다른 많은 보고들이 열처리에 의한 흡습성 감소에 의한 치수안정의 효과를 인정하였다 (Talei 등, 2015; Sandberg et al., 2013; Bazyar 등, 2010; Fojutowski 등, 2009; Sailer 등, 2000; Sakai 등, 2008; Welzbacher 등, 2009; Homan 등, 2004; MIlitz, 2002). 그러나 일부 연구자들은 상업용 열처리 기술을 다른 수종에 적용했을 때 충분한 ASE를 얻지 못했거나 변이가 심한 문제가 있으므로 산업화를 위해서는 대상수종과 열처리공정과의 관계에 대한 연구의 필요성을 시사하였다 (Hamamda 등, 2015; Vidrine 등, 2007).

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

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목재의 함수율이 10% 이하가 되도록, 목재를 100℃ 내지 200℃의 온도에서 열압축하는 단계(단계 1);
상기 열압축된 목재를 중량이 10 내지 15중량% 감소하도록, 239℃ 내지 241℃의 온도에서 열처리하는 단계(단계 2); 및
열처리된 목재를 1 일 내지 2 주일 동안 숙성시키는 단계(단계 3);를 포함하고,
상기 단계 1의 목재는 평균 비중 0.4의 잣나무인 것을 특징으로 하고,
상기 비중은 1기압 하에서 4 ℃ 물의 밀도를 기준으로 하여 잣나무의 밀도를 상대적인 비로 나태낸 것을 특징으로 하는,
치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법.
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제 6 항에 있어서,
제조된 압축가공목재의 일 측면 또는 양 측면에 신축 부재를 부착하는 단계를 더 포함하는, 치수안정성이 개선된 압축가공목재의 제조방법.