KR20010081137A - 건목재의 압축가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건목재의 압축가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 건목재 가공중 반제품을 적은 압축력으로도 고압축비로 압축하면서 원하는 목재의 특성을 살릴 수 있으며, 강도향상과 더불어 작업시간도 대폭 단축할 수 있도록 한 건목재의 압축가공방법을 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 함습률이 10% 이하인 건목재 반제품을 압축성형기에 투입하여 1차로 약 10% 정도 압축하고, 상기 1차로 압축된 목재 반제품을 압축성형기내에서 고주파 전파장을 가하는 환경내에서 1차 목재 온도가 100℃까지 가열토록하며, 1차 가열된 목재 반제품을 원하는 압축배율까지 고주파 전파장을 지속적으로 가하는 환경내에서 균등히 한 방향으로 2차로 압축하고, 2차로 압축된 목재의 온도가 압축된 반제품을 고주파 전파장 내에서 목재 온도가 약 120~130℃에 이르도록 2차 가열한 후 목재 반제품을 냉각 후 압축성형기에서 인출하여 건목재를 압축가공토록 한 것으로서, 본 발명에 의하면 건목재를 압축가공함에 있어서 높은 압축비를 비교적 작은 압력으로 도달 할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특징이 목재 전체에 균일한 양질의 압축목재를 제공받을 수 있고, 목재의 압축가공공정을 매우 간단하게 구성할 수 있도록 하며, 압축가공에 따른 작업시간을 대폭 줄일 수 있어 양산성을 배가할 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Description

건목재의 압축가공방법{Method for compressing dried wood}

본 발명은 건목재의 압축가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 마른 통나무 반제품을 압축하여 강도를 높일 수 있도록 하되, 적은 압축력으로도 고비율로 압축하면서 원하는 목재의 특성을 살릴 수 있으며, 작업시간도 대폭 단축할 수 있도록 한 건목재의 압축가공방법을 제공코자 하는 것이다.

기존에 알려져 있는 목재 압축하는 기술은 다수 제안된 바 있었다.

즉, 그러한 선행기술로는 목재 반제품을 1atm(1㎏/㎠)의 증기로 압력관에 반제품 내부를 약 85∼90℃ 까지 증숙한다. 그리고 증숙된 목재를 압축하고 목재 습기가 6∼8% 되도록 온도 약 110∼130℃ 조건에 난로 또는 건조기 내부에서 건조를 한다.

압축과 건조된 목재 제품을 약 30∼40℃ 까지 냉각한다. 목재 압축 및 건조 및 냉각하는 단계는 압축성형기 안에서 행하여진다.

상기한 방법으로 실행하면 증숙된 목재가 가공하기 쉬운 것 때문에 압축하면서 높은 압축비에 도달할 수 있다. 목재를 증숙하는 것 외에도 증기를 공급하는 증기환경에 넣는 것으로 한다. 증숙한 후 압축단계로 가는 목재는 뜨겁고 섬유의 함습 포화점 가까이(약 20∼30%)있는 함습률이 높은 목재이다.

이 상태의 목재는 아주 높은 탄력성을 가지면서 압축하면 높은 압축비에 도달할 수 있다.

그러나 이와 같은 방법은 압축에 따르는 작업 실행시간이 길고 외부에서 열을 제공하는 증기공급을 행하여야 하므로 목재 압축기술이 상당히 복잡하게 된다.

건조 상태의 목재, 즉 구체적으로는 함습률이 약 8∼10% 정도의 목재를 압축하는 기술 중에는 또한 다음과 같은 기술이 개시된 바 있다.

즉, 압축성형기에 있는 목재 반제품을 미리 약 10% 약간 압축하고 반제품 중심에 온도가 약 90∼95℃ 정도 되도록 온도 약 140∼160℃에 1~1.5시간 동안 1차 가열을 한다.

가열하는 것은 뜨거운 가스로(난로)에서 행하거나 접촉 방법으로(뜨거운 압축성형기에)한다. 1차 가열을 실행한 후에 요구하는 압축비에 도달될 때까지 최종 압축을 수행한다.

그 후에 반제품을 1차 가열온도 보다 약 10∼20℃ 정도 높은 온도에서 1~1.5시간 동안 2차 가열을 한다. 그 후에 온도 약 40~50℃까지 반제품을 냉각하고 압축성형기에서 인출한다.

미리 약간 압축하는 것은 1차 목재 가열에 압축된 목재의 물리적, 기계적 특성을 나쁘게 하는 점, 즉 속히 건조되는 것과 목질이 깨어지는 것 등을 예방하기 위한 것이다.

1차 가열은 목재 압축에 유연성을 부여하는 것을 목적으로 한다. 그러면 1차 가열로 목재 반제품의 외부에서 습기 부분은 증발되고 다른 부분은 목재 속으로 들어가는 것으로 압축 단계로 가는 목재의 습기가 전체면에 균일하지 않다. 목재 반제품의 외층에 습기가 약 2~3% 되고 내부 중심에는 약 10~12%된다. 그리고 목재 온도도 절단면을 볼 때 동일하지 않다. 외부층은 약 100℃ 이상 되고 목재 중심층은 약 90~95℃된다. 이 상태에서 목재를 압축하면 압축이 균일하게 행해지지 않고 외부층이 파괴되는 것이다. 2차 가열은 압축비를 전체 목재 절단면에 균일하게 하는 것을 촉진시키고 압축된 목재가 그 형태에서 부동하게 하기 위한 것이다.

그러나 이러한 방법은 작업시간이 길고 압축에 요구하는 압축비에 도달하기 위해서 큰 압력을 주어야 하고, 2차 가열에도 불구하고 목재의 물리적, 기계적 특징이 동등할 수 없었던 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 낮다는점과, 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 건목재 압축가공방법을 제공코자 하는 것으로서, 본 발명은 특히 높은 압축비와 압축되는 목재 전체에 물리적, 기계적 특징이 동일한 건목재의 압축가공방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명의 주된 특징은 건목재의 강도를 높이기 위하여 한 방향으로 균등하게 압축토록 하며, 또한 압축성형기에 있는 목재 반제품을 미리 약간 압축한 후 1차 가열 및 최종 압축, 그리고 2차 가열과 압축된 목재를 냉각시켜 목재를 압축가공하는 것이며, 상기 목재의 1,2차 가열은 고주파 전파장을 사용하여 행하고, 1차 가열에서 목재의 온도를 약 100℃ 까지 가열하고, 2차 가열에서는 목재 온도를 약 120~130℃ 까지 가열토록 하는 것이다.

목재 가공에 있어서 1차 가열 및 최종 압축 및 2차 가열 과정 중에는 목재에 고주파 전파장을 계속 가하는 것이 합리적이다.

즉, 본 발명에서 가장 중요한 것은 1,2차 가열을 고주파 전파장 환경에서 행하는 것이다.

본 발명에서 사용하는 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)

고주파 전파장을 가하는 반제품 재료 속에서 열 에너지가 직접 나오는 것이다. 그리고 고주파 전파장 가열이 선택적인 특성을 가지기 때문에 반제품 절단면에 온도와 습기를 균일하게 하는 것을 보장한다.

본 발명에서는 수회의 테스트에 의해 목재 반제품 가공에 있어서 1,2차 가열조건을 찾아내게 되었다.

1차 가열온도는 100℃까지 행하도록 한다. 그 온도에 목재의 수열학적 상태가 가장 좋은 상태에 도달하기 때문에 그 후에 하는 압축 단계로 높은 압축 정도를 작은 압력을 주어도 도달할 수 있다.

본 발명자들이 한 시험 결과로 비교적 작은 압력(약 8㎫)을 주어 높은 압축 비(~2배)에 도달할 수 있었다.

시험으로 결정된 2차 가열의 온도 조건은 약 120~130℃ 압축된 반제품 절단면에 목재의 물리적, 기계적 특성이 동일한 수준에 도달하는 최상의 조건이다.

그뿐만 아니라 목재 반제품 가열을 고주파 전파장 환경에서 행하는 것이 고주파 전파장 특징에 달려있는 빠른 시간으로 정하는 것 때문에 목재 압축의 총 시간이 훨씬 적게 소요된다.

본 발명에서 개시하는 건목재의 압축가공방법을 합리적으로 수행하기 위하여 1,2차 가열 및 압축과정을 압축성형기 내에서 고주파 전파장을 지속적으로 주면서 행하도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 목재를 1,2차 가열 및 압축을 수행할 경우 목재 반제품을 가공공정 중에 프레스 등으로 운반하는 시간을 줄일 수 있다.

이하 본 발명을 구체적으로 실행하는 과정에 대하여 설명키로 한다.

함습률이 약 8~10% 정도되는 건목재 반제품을 압축성형기에 넣고 미리 약 10% 정도로 약간 압축한다. 그후에 압축된 반제품을 고주파 전파장에 1차 가열한다. 가열 중에 목재의 온도를 조사하면서 목재 온도를 약 100℃까지 올린다.

그후에 요구하는 압축배에 도달할 때 까지 뜨거운 목재 반제품을 균등히 한 방향으로 압축한다. 압축과정이 끝나면 압축된 반제품을 고주파 전파장 내에서 목재 온도가 약 120~130℃까지 올리면서 2차 가열을 수행한다.

그리고 2차 가열이 종료되면 반제품을 냉각하고 압축성형기에서 인출한다. 상기 압축 및 1,2차 가열은 단일 기계로 수행토록 하는 것이 합리적이다.

상기와 같이 압축성형기내에서 건목재 반제품을 1,2차 압축 및 1,2가열을 통하여 압축하는 실시예를 이하에 상세히 설명한다.

(실시예 1)

각재 형의 자작나무 반제품을 1차로 약간 압축하였다.

반제품의 압축 전 치수는 길이 300㎜, 넓이 29.63㎜, 높이 37.33㎜였고, 함습률은 9.7%, 밀도는 0.48×10³㎏/㎥이었다.

상기한 목재 반제품을 유리 플라스틱 압축성형기 안에 수평으로 투입하였다. 목재 반제품이 투입된 압축성형기를 프레스의 밑판 위에 설치하였다. 프레스의 윗판은 프레스의 다른 부분과 절연되어 있으면서 고주파 제너레이터 출력선과 연결된 것으로 고주파 제너레이터 축전기의 윗 전극으로 된다. 밑 전극은 프레스의 밑판이다.

4.0㎫의 압력을 가하면서 목재 반제품을 1차로 약간 압축했다. 그 후에 프레스 발동기를 끊으면서 압력을 해제하였다.

고주파 제너레이터를 켜고 1차로 목재 반제품을 가열하였다.

제너레이터의 사용 주파수는 13.56㎒, 콘덴서 전극 사이 전압은 2.7KV였다.

목재 반제품의 온도가 100℃가 되도록 가열을 진행하였다.

그리고 제너레이터를 OFF 시키지 않고 4.0㎫의 압력을 가하면서 2차로 최종압축을 행하였다.

고주파 가열을 계속하면서 목재 반제품의 온도를 약 120~130℃까지 올려 2차 가열을 수행하였다.

고주파 제너레이터를 조정하여 10분 동안 상기한 온도를 유지하였다. 그 후에 고주파 가열을 중단하고 압력은 유지한 상태에서 목재 반제품을 40℃까지 냉각하였다.

작업을 실행한 총 시간은 1시간 15분이었다.

이와 같은 1,2차 가열 및 1,2차 압축에 의해 압축가공된 목재 제품의 특징은 다음과 같았다.

제품의 높이는 24.4㎜가 되었고, 압축배는 높이 변화를 기준으로 하였을 때 1.53, 밀도는 0.61×10³㎏/㎥ , 함습률은 6.1%였다.

압축강도는 81.05㎫ 이었고, 파열강도는 14.15㎫이었으며, 제품의 길이 따라 밀도 변화는 3.5% 이하였다.

(실시예 2)

각재형의 자작나무 반제품을 압축해 보았다.

반제품의 압축 전 치수는 길이 300mm, 넓이 29.63mm, 높이 37.57mm이었고, 압축전 함습률은 9.7%, 밀도는 0.48×10³㎏/㎥이었다.

목재를 압축 및 가열하는 과정은 실시예 1과 동일하게 하고 하기의 조건에서 실시하였다.

1차로 약간 압축시 압력은 5.0㎫, 1차 고주파 가열에 따른 목재 온도는 100℃, 그리고 2차 최종 압축시 압력은 8.0㎫, 2차 고주파 가열에 따른 목재 온도는 130℃로 하였으며, 2차 가열 후 120~130℃ 정도의 온도에서 10분 동안 보관한 후 30℃가 되도록 냉각시켰다. 작업을 실행한 총 시간은 1시 46분이었다.

이와 같은 1,2차 가열 및 1,2차 압축에 의해 압축가공된 목재 제품의 특징은 다음과 같았다.

제품의 높이는 19.7mm가 되었고, 압축배는 높이 변화를 기준으로 하였을 때 1.91, 밀도는 0.97×10³㎏/㎥, 함습률은 6.2%였다.

압축강도는 119㎫ 이었고, 파열강도는 20.5㎫ 이었으며, 제품의 길이 따라 밀도 변화는 2.2% 이하였다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에 의한 건목재의 압축가공방법은 높은 압축비를 비교적 작은 압력으로 도달 할 수 있으며, 목재의 물리적, 기계적 특성이 목재 전체에 동등한 품질을 보장받을 수 있고, 목재의 압축가공공정을 매우 단순하게 구성할 수 있으며, 압축가공에 따른 작업시간을 대폭 줄일 수 있어 양산성을 배가할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims (1)

1. 건목재를 압축가공함에 있어서;

   함습률이 10% 이하인 건목재 반제품을 압축성형기에 투입하여 1차로 약 10% 정도 압축하고,

   상기 1차로 압축된 목재 반제품을 압축성형기내에서 고주파 전파장을 가하는 환경내에서 1차 목재 온도가 100℃까지 가열하는 단계와,

   1차 가열된 목재 반제품을 원하는 압축배율까지 고주파 전파장을 지속적으로 가하는 환경내에서 균등히 한 방향으로 2차로 압축하는 단계와,

   2차로 압축된 목재의 온도가 압축된 반제품을 고주파 전파장 내에서 목재 온도가 약 120~130℃에 이르도록 2차 가열하는 단계와,

   2차 가열된 목재 반제품을 냉각 후 압축성형기에서 인출하는 것을 특징으로 하는 건목재 압축가공방법.