KR20010081136A - 목재의 압축가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재의 압축가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 목재 가공중 생나무 반제품(예; 각재, 판재 등)을 적은 압축력으로도 고비율로 압축하면서 원하는 목재의 특성을 살릴 수 있으며, 강도향상과 더불어 작업시간도 단축할 수 있도록 한 목재의 압축가공방법을 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 목재 반제품을 증숙하여 압축, 건조, 냉각하여 목재를 압축가공하는 목재의 압축가공방법에 있어서, 상기 목재 반제품은 고주파 전파파장을 압축성형기 내에서 증숙, 압축, 건조과정에서 지속적으로 가하면서 수행토록하고, 고주파 전파파장에 의하여 가열증숙된 목재는 일방향으로 압축을 수행하며, 상기 목재 반제품의 최초 함습률은 20% 이상이고, 가열증숙시 목재의 온도는 100℃까지 가열하는 조건에서 목재를 압축가공토록 하며, 목재 반제품의 건조는 고주파 전파파장을 가하면서 목재 온도가 약 120~130℃까지 가열 후 최후 함습률에 도달할 때까지 상기 온도에서 저장하면서 건조되도록 한 것을 특징으로 하는 것으로서, 본 발명에 의하면 목재를 압축가공함에 있어 높은 압축비에 비교적 작은 압력으로 도달 할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특징이 목재 전체에 균일한 품질을 보장받을 수 있고, 목재의 압축가공공정을 매우 단순하게 구성할 수 있도록 하며, 압축가공에 따른 작업시간을 대폭 줄일 수 있어 양산성을 배가할 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Description

목재의 압축가공방법{Method for compressing wood}

본 발명은 목재의 압축가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 목재 가공중 생나무 반제품(예; 각재, 판재 등)을 적은 압축력으로도 고비율로 압축하면서 원하는 목재의 특성을 살릴 수 있으며, 강도향상과 더불어 작업시간도 단축할 수 있도록 한 목재의 압축가공방법을 제공코자 하는 것이다.

목재를 압축가공하는 방법에 관해서는 기히 다수의 제안이 안출된 바 있다.

일예로 압축성형기에 있는 목재 반제품은 순환적으로 금형에 있는 목재 반제품을 물에 담아 적시고 압축성형기에서 제품을 인출하지 않고 건조하는 것으로 자동 압축을 도달하는 방법이 개시된 바 있다.

상기한 방법의 경우 높은 목재 압축정도를 얻을 수 없고 압축가공에 따르는 작업소요시간이 많이 든다는 문제점을 안고 있었다.

그리고 또 다른 방법으로는 한(축) 방향으로 목재를 압축하는 저 온도 기술이 개시된 바 있는바, 이는 판자형의 생 목재를 함습률이 약 14~19% 정도 되도록 건조한 후에 그 온도에서 금형을 사용하여 목재를 압축하고, 그 후에 다시 목재의 함습률이 약 6~8% 정도 되도록 건조관에서 건조한 후에 온도를 약 20~30℃ 까지 건조토록 하고 있다.

이러한 방법에 의하면 압축된 목재의 재질이 자연 목재질과 비슷하다. 구체적으로 목재 구조는 틈이 많은 자연 목재 구조를 가졌고 다른 물질을 목재 섬유에 넣을 수 있었다. 그러나 이 방법으로는 높은 압축정도에 도달 할 수 없었던 것이다.

또한 알려져 있는 기술 중 목재압축방법 중에는 나무 습기의 목재 반제품을 1atm(1kg/cm²)의 증기로 압력관에 반제품 내부를 약 85~90℃까지 증숙한다.

그 후에 증숙된 목재를 압축하고 목재 함습률이 약 6~8% 정도가 되도록 온도를 약 110~130℃의 조건으로 하여 난로 또는 건조기에 건조토록 한다.

건조된 목재 제품을 약 30~40℃까지 식힌다. 상기 과정 중 목재의 압축 및 건조 및 냉각단계는 압축성형기 내부에서 행해진다.

이 방법으로 목재를 압축가공할 경우 증숙된 목재는 가공용이성 때문에 압축시 높은 압축정도에 도달 할 수 있다. 목재의 증숙은 압축성형기 외부에서 증기를 공급하는 증기환경에서 행하여지며, 증숙 후 압축단계로 가는 목재는 고온이면서 목재 중 섬유질의 함수 포화점 가까이(함습률 약 20~30% 정도)있는 함습률을 갖는 목재이다.

이러한 상태에서 목재는 아주 탄력성이 높은 성질을 가지며, 압축하면 높은압축정도에 도달 할 수 있었던 것이다.

그러나 상기한 목재압축가공방법은 외부에서 열을 주는 휴온물질(증기)을 사용하여 목재를 가열하는 점과, 목재의 열전도성이 낮은 것 때문에 온도 차이가 많으며, 목재 반제품 외부에 증기 온도와 압력이 목재의 내부 보다 더 높을 수 밖에 없었던 것이다.

결국 그러한 문제점으로 인해 압축하는 목재 제품은 절단면에 따라 함습률과 온도가 동등하지 않기 때문에 탄력성도 동일할 수 없었고, 그러한 연유 때문에 목재를 압축하기 위해서 큰 압력으로 압축을 행하여야 하고 압축된 목질은 물리적, 기계적인 특징이 부위마다 상이한 문제점을 안고 있었던 것이다.

뿐만 아니라 이러한 가공방법은 목재를 증숙한 후에 압력관에서 빼고 프레스에 옮긴 후 압축하고 다시 건조기로 이송하여 건조 후 냉각시켜야 하므로 이송과정이 번거로워 작업시간이 상당히 장시간 소요되었던 것이다.

그리고 국내 특허 제 276108 호에는 "고강도 목재의 제조방법"에 관한 기술이 개시되어 있는바, 이는 천연의 제재목을 마이크로 웨이브에 노출시켜 수분을 기화증발시키고 셀룰로우즈 조직을 연화시켜 프레스로 압착함으로서 목재조직을 파괴하지 않고 수축시켜 고강도의 목재를 제조할 수 있는 방법에 관한 기술로서, 이의 특징은 소나무를 제재하여 일정의 습기를 부여한 다음 마이크로 웨이브에 노출시켜 일정시간 가열하고 가열과정에서 목재 내부의 수분을 강제 배출시키고 셀룰로우즈 조직을 유연화시켜서 잠열이 내재하고 있을 때 유압프레스로 압축하여 목재의 체적을 원체적의 70%이상까지 수축되게 압착하는 방법이다.

그러나 상기한 선행기술은 다음과 같은 단점을 안고 있었다.

즉, 선행기술의 경우 마이크로 웨이브로 목재를 가열하므로 제품 횡단면과 길이방향을 따라 가열의 균일성을 보장받을 수 없다는 문제점을 안고 있었고, 제품 가열에서 동등한 균일 특성은 재료 안에 파장이 들어가는 깊이에 따라 좌우되는 것이다.

그 특성은 제품 표면에서부터 재료의 안으로 파장 강도가 e배(2,73배) 조사되는 Xo 길이로 정한다.

Xo는 아래 공식으로 알아본다.

상기 공식에서 f는 파장 주파수(Hz), H와 tgΓ는 가열하는 재료의 상대적 유전체 투과성과 유전체 상실의 탄젠트이다.

선행기술에서의 f=2450×10⁹Hz(발진주파수) 이고, 100% 수분의 목재의 H는 약 25이고, tgΓ는 -0.3이다.

그러면 위 공식 따라 Xo=2.6cm 이다. 즉, 선행기술에 의하면 마이크로 웨이브가 목재에 투과될 수 있는 깊이는 겨우 2.6cm 정도에 불과하여 명세서의 실시예에서 기술한 시료의 크기(7×5×5cm)에서도 마이크로 웨이브 가열의 균일성을 보장받을 수 없다는 문제점이 있었던 것이다.

또한 마이크로 웨이브를 사용할 경우의 또 다른 단점은 효율이 극히 낮다는 점과, 인체에 해로운 마이크로 웨이브선 방어장치를 확실하게 설치해야 하는 문제점 등을 안고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 기존의 목재 압축가공방법이 갖는 제반 문제점을 일소할 수 있는 신규한 목재 압축가공방법을 제공코자 하는 것으로서, 본 발명은 특히 작은 압력으로도 고압축비로 목재를 압축할 수 있으면서 동시에 압축된 목재의 물리적, 기계적 특징이 부위마다 동일하게 압축할 수 있도록 하며, 더불어 압축가공 공정에 따르는 작업시간은 대폭 줄일 수 있어 양산이 가능한 목재 압축가공방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명에서 제공하는 목재의 압축가공방법을 바람직한 실시예와 함께 이하에 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 목재 압축가공방법은 높은 목재 압축비와 압축된 목재 제품 전체면에 물리적, 기계적 특징이 동일하게 압축할 수 있는 신규한 기술을 제공한다.

본 발명은 목재를 단단하게 압축하기 위하여 한 방향으로 균등하게 압축토록 하며, 그 중에 목재 반제품을 증숙한 후 압축성형기에 넣고 압축 후 건조를 수행하며, 최종적으로 냉각토록 하는 것이다.

본 발명에서 처음 목재의 함습률은 약 20% 이상이어야 하며, 목재를 가열하는 방법은 고주파 전파장에 온도 약 100℃까지 가열하는 것으로 한다.

참고로 부언하면 본 발명에 사용되는 고주파 전파장의 발진 주파수 f=13.56×10⁶Hz이며, 상기 수식에서의 H와 tgΓ는 경우에 Xo=470cm 이면서 어떤 횡단면을 갖는 크기의 나무라도 가열의 균일성을 보장받을 수 있는 것이다.

이와 같은 이유로 건조 및 용접 과정에 세계 각국에서 산업용으로 사용하는 주파수는 13.56 MHz이다.(또는 적어도 27.12 MHz 이다)

목재 건조 과정에서는 목재의 최후 함습률을 요구하는 조건에 도달 할 때까지 고주파 전파장 가열로 목재온도를 약 120~130℃까지 상향 조정하여 건조하는 것이 바람직하다.

그리고 목재의 가열단계 및 압축 및 건조단계에서 목재 반제품에 고주파 전파장을 지속적으로 가하도록 한다.

본 발명의 가장 주된 특징은 목재 반제품을 가열하는 방법을 고주파 전파장 환경에서 가열하는 것이다.

고주파 전파장을 가하게 되면 열 에너지가 목재 전체에 골고루 미치면서 가열되어 동등한 가열효과를 얻을 수 있으며, 가열시에 목재에 포함된 수분이 증발하여 증기로 변환되면서 목재는 증숙하는 것과 동일한 가공공정을 거치게 되는 것이며, 상기 목재에 포함된 습기의 증발로 목재 절단면 전체에 골고루 습기증발이 발생하게 된다.

상기 목재의 가열, 즉 가열에 의한 목재의 증숙조건은 구체적으로 가열온도는 약 100℃, 그리고 목재의 함습률은 20% 일 때가 가장 이상적이다.

이는 본 발명의 창안 과정에서 행한 테스트 결과 확인할 수 있었으며, 최초 함습률이 20% 이상의 목재를 온도 100℃까지 고주파 가열하면 증숙된 목재의 수열학적 상태가 가장 이상적인 상태에 도달하기 때문에, 증숙단계 이후에 행하는 압축단계시 높은 압축비를 작은 압력으로도 행할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특징을 동일하게 할 수 있었다.

실제, 본 발명의 목재 압축가공방법에 의해 목재의 압축비를 3.25배로 압축하는데에는 비교적 작은 약 10.0Mpa의 압력으로 도달할 수 있었다.

뿐만 아니라 본 발명의 특징은 목재의 가열에 의한 증숙, 압축, 건조에 이르는 전 과정을 단시간에 행할 수 있다는 것으로서, 목재를 고주파 가열에 의해 증숙하는 시간은 목재를 100℃ 까지 고주파 전파장에 가열하는 전기 파장 특성에 달려있는 빠른 시간으로 정한다.

압축된 목재를 요구하는 조건까지 여타 방법으로 건조할 수도 있지만 고주파 전파장 환경에서 건조하는 것이 건조시간을 단축할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특성을 균일하게 하는데 가장 합리적인 방법이다.

압축된 목재를 건조하는 온도는 약 120~130℃이다.

상기 목재의 건조시 온도조건은 선택할 수 있는 것이다. 즉, 건조온도를 120℃ 이하로 할 경우 건조시간이 길어지면서 목재 압축가공에 따른 작업시간은 길어진다.

그리고 건조시 온도를 130℃ 이상으로 할 경우는 목재에 극히 미세한 틈이 생겨 목재의 물리적, 기계적 특징이 나빠짐을 알 수 있었다.

본 발명의 목재 압축가공방법에 있어서 작업시간 단축과 합리적인 목재의 조직을 구현하기 위해서는 고주파 전파장 가열에 의한 증숙단계와 압축 및 건조단계에 지속적으로 고주파 전파장이 가해지는 환경에서 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 조건에서 본 발명을 실시할 경우 운반시간이 필요없고 압축 후에 목재가 식지 않은 상태에서도 건조가 조속히 수행된다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 압축가공 공정에 의하여 수행된다.

처음 수분의 함습률이 20% 이상되는 목재 반제품을 고주파 전파장을 가하여 가열하는 것으로 증숙과정을 실행한다.

온도를 체킹하면서 목재를 100℃ 까지 가열을 계속 진행시킨다.

목재를 상기한 과정에 의해 증숙한 후에 압축성형기에 투입하고 요구하는 압축비에 도달될 때 까지 한 방향으로 압축을 수행한다.

목재의 압축이 완료되면 압축된 목재를 요구하는 최후 함습률에 도달할 때 까지 건조시킨다.

상기 건조과정은 목재의 최후 함습률에 도달할 때 까지 고주파 전파장을 가하여 가열건조토록 하며, 목재온도를 약 120~130℃까지 올리면서 건조하는 것이 가장 합리적인 방법이다.

그리고 목재 반제품을 냉각한 후에 압축성형기에서 인출한다.

이상과 같은 본 발명은 목재를 압축하는 압축성형기내에서 고주파 전파장 가열이 행해지면서 압축, 건조과정이 동시에 이루어질 수 있도록 하여 가공시간의 단축을 기할 수 있을 것이다.

이하 본 발명에 의한 목재의 압축가공방법을 실시예와 더불어 상세히 살펴 보기로 한다.

(실시예 1)

각재형으로 이루어진 사시나무 반제품을 압축가공 하였다.

반제품의 가공 전 치수는 길이가 300mm, 넓이 30mm, 높이 38.4mm 이었고, 목재의 함습률은 25.1%, 밀도는 0.49³㎏/㎥이었다.

상기한 목재 반제품을 수평으로 유리 플라스틱으로 이루어진 압축성형기 안에 투입하였다.

목재 반제품이 투입된 압축성형기를 프레스의 작업대 상부에 설치하였다.

프레스의 상판은 프레스의 다른 부분과 절연되어 있으면서 고주파 제너레이터 출력선과 연결되도록 하고, 고주파 제너레이터 축전기의 상부 전극이 된다. 다른 한 전극은 프레스의 밑판이다.

그리고 목재를 고주파 전파장으로 가열, 증숙하기 위하여 고주파 제너레이터를 ON시켰다.

고주파 제너레이터의 주파수와 축전기의 전극 사이 전압이 약 2.4KV였다.

고주파 전파장을 가하는 것으로 목재 반제품은 가열되었으며, 목재의 온도가 100℃되도록 약 10분 정도 가열하니 증기가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

목재를 증숙한 후에 2.0㎫ 압력을 가하여 프레스를 가동하면서 가열증숙된 목재를 압축하였다.

그리고 상기한 압력을 유지하면서 목재의 온도가 125℃ 되도록 약 11분 정도 고주파 전파장 가열을 하면서 약 120~130℃ 상간의 온도 범위내에서 40분 동안 계속 건조를 행하였다.

건조가 끝난 후에 고주파 제너레이터를 OFF 시키고 압력은 유지하면서 목재 반제품의 온도가 36℃가 되도록 냉각하였다. 냉각시간은 약 1시간 10분 정도 소요되었다. 목재의 가열, 증숙 및 압축, 건조에서 냉각에 이르기까지 총 작업시간은 2시 간 12분이었다.

상기한 압축가공방법에 의하여 압축가공된 목재 제품의 특징은 아래와 같았다.

목재 제품의 치수 중 높이는 24.2mm로 압축되었고, 압축배율은 1.59(높이 변화비를 기준으로 했을 경우)였다. 그리고 목재의 밀도는 0.6 10³㎏/㎥ 였으며, 목재 함습률은 7.9% 였다.

또한 압축강도는 59.6 ㎫이었고, 파열강도는 9.13 ㎫이었다. 목재 제품의 길이에 따라 밀도 변화는 5% 이하였다.

(실시예 2)

각재 형의 사시나무 반제품을 압축가공 하였다.

반제품의 가공 전 치수는 길이가 300mm, 넓이 30mm, 높이 38.3mm 이었고, 목재의 함습률은 25.1%, 밀도는 0.46 10³㎏/㎥이었다.

목재의 압축가공방법은 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 하기의 조건에 의해 가공작업을 수행하였다.

목재 온도 100℃ 까지 고주파 전파장 가열시간 11분, 프레스로 압축하는 압력은 10㎫, 목재의 건조온도는 129℃, 건조 온도 도달시간 13분, 건조온도 120~130℃에 저장하여 건조하는 시간 40분, 목재 반제품을 온도 33℃까지 냉각한 시간 1시 15분, 목재 압축가공에 따른 총 작업시간은 2시 20분이었다.

상기한 압축가공방법에 의하여 압축가공된 목재 제품의 특징은 아래와 같았다.

목재 제품의 치수 중 높이는 11.8mm로 압축되었고 압축배율은 3.25이었다.

그리고 목재의 밀도는 1.22 10³㎏/㎥ 였으며, 목재의 함습률은 6.1% 였다.

또한 압축강도는 102.0 ㎫ 이었고, 파열강도는 17.6 ㎫ 이었다. 목재 제품의 길이에 따라 밀도 변화는 2% 이하였다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에 의한 목재의 압축가공방법은 높은 압축비를 비교적 작은 압력으로 도달 할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특징이 목재 전체에 균일한 특성을 갖는 우수한 압축목재 품질을 보장받을 수 있고, 목재의 압축가공공정을 매우 단순하게 구성할 수 있으며, 압축가공에 따른 작업시간을 대폭 줄일 수 있어 양산성을 배가할 수 있으며, 작업 중 작업자의 안전을 보호받을 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims (2)

1. 목재 반제품을 증숙하여 압축, 건조, 냉각하여 목재를 압축가공하는 목재의 압축가공방법에 있어서;

   상기 목재 반제품은 고주파 전파장을 압축성형기 내에서 증숙, 압축, 건조과정에서 지속적으로 가하면서 수행토록하고,

   고주파 전파장에 의하여 가열증숙된 목재는 일방향으로 압축을 수행하며,

   상기 목재 반제품의 최초 함습률은 20% 이상이고, 가열증숙시 목재의 온도는 100℃까지 가열하는 것을 특징으로 하는 목재의 압축가공방법.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 목재 반제품의 건조는 고주파 전파장을 가하면서 목재 온도가 약 120~130℃까지 가열 후 최후 함습률에 도달할 때까지 상기 온도에서 저장하는 것을 특징으로 하는 목재의 압축가공방법.