KR20110010175A - 기능성목재 - Google Patents

Abstract

목재는 인류가 오래전부터 사용해온 천연재료이지만 수분에 따라 변형이 일어나는 문제점을 지닌 재료이다. 문화재 같은 고가의 목재는 폴리에틸렌글리콜을 목재 속으로 침투시켜 치수안정성을 높여 왔는데, 처리시간이 몇 년씩 소요되는 고도의 작업이어서 기능성목재의 제조법으로 사용하기 어려웠다. 본 발명에서는 알코올류를 용매로 사용하여 단시간에 기능성목재를 제조할 수 있으며, 또한 유기용매에 의한 탈수작용에 의해 목재 속으로 폴리에틸렌글리콜을 물용매법 보다 더 훨씬 짧은 시간에도 더 많은 양을 넣을 수 있어서 실용화가능성이 높은 기능성목재의 제조법을 확립하였다.

문화재복원, 기능성목재, 폴리에틸렌글리콜, 알콜류, 치수안정성

Description

기능성목재{High Performance Wood}

목재는 천연재료로서 재생산이 가능한 무한한 자원이다. 목재의 용도는 다양해서 오래 전부터 연료로 사용되었을 뿐만 아니라 건축 등 많은 분야의 소재로 사용되어 왔다.

재료로서의 목재의 장점은 첫째, 비중에 비해 압축 강도, 인장강도가 크며, 건축물의 자중이 작다. 둘째, 절단, 못박기, 대패질등 가공이나 시공성이 우수하다. 셋째, 열전도율이 적고 보온, 방한, 방시성, 방음, 흡수조절이 우수하다. 넷째, 외관이 아름답고, 내장재 및 가구재로서도 우수하며, 가격은 비교적 싸다. 다섯째, 재료의 선택이 풍부하고 재생이 가능하다.

반면에 목재의 단점은 첫째, 화재에 약하며, 둘째, 흡수 및 흡습성이 크고, 따라서 신축변형이 크다. 신축변형이 얼마만큼 일어나는냐 하는 문제는 치수안정성으로 표현한다. 셋째, 목재는 부패나 부식성이 크고, 비내구적이다. 넷째, 단열성은 뛰어나나 열전도율이 떨어진다. 다섯째, 목재응 구조재로 사용 시 옹이들이 있어 좋지 않다.

따라서, 이러한 목재의 단점을 보완하는 연구가 끊임없이 계속되어, 안정적으로 균질한 목재를 재생산할 수 있는 공학적목재라는 개념이 성립하게 되었다. 합 판, 중밀도섬유판, 각종 보드류가 여기에 속한다. 이와는 별개로 치수안정성이 뛰어난 기능성목재라는 새로운 재료도 출현하게 되었다.

본 발명은 목재의 단점 중의 하나인 흡수흡습성을 보완하여 치수안정성이 뛰어나며, 외부환경의 변화에 견딜 수 있는 기능성목재를 제공한다.

기능성목재가 가장 필요한 분야는 목재문화재와 악기분야 등이다. 문화재는 외부에 노출된 채 장기간 유지보존이 되어야 하고, 악기는 우수한 치수안정성성을 필요로 한다.

목재의 치수안정성을 높이기 위하여, 또한 목재문화재를 복원하기 위하여 문화재는 화학약품인 폴리에틸렌글리콜(Polyethyleneglycol;PEG)을 목재 속으로 주입하는 것이 가장 널리 알려진 방법이다. 다음 표 1은 PEG에 특성을 나타내었다.

표 1. PEG의 특성

PEG-4000의 경우는 상온에서는 고체이다가 낮은 온도(53-55℃)에서 액체로 변하기 때문에 목재 속으로 침투하여 목재 내에 있는 셀룰로오스의 -OH기에 수분 대신 치환하여 결과적으로 수분이 침투할 공간을 미리 선점함으로써 문화재로 사용되는 목재의 수명을 오래가게 해 주며, 수분을 차단함으로써 치수안정성을 높여준 다. 그러나, 처리시간이 매우 길어서 창원 대호리의 목조유물을 복원하는데는 2년이라는 시간, 신안유물선을 복원하는 데는 20년이라는 시간이 걸리기도 하였다. 따라서 이 방법도 실용적이지는 못하다.

이외에도 문화재를 복원하는 방법으로는 다당류인 슈크로오스(Sucrose)를 치환하는 방법, 고급알콜을 치환하는 방법 등이 있으며, 그 원리는 모두가 셀룰로오스의 말단 -OH기를 다른 물질로 치환반응시키는 것이다. 이중에서 가장 안정적인 방법으로는 PEG로 치환하는 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

시간이 많이 걸리는 단점 때문에 목재를 기능성화하는 방법으로 초산으로 반응시키는 아세틸화(Acetylation), 벤젤화(Benzilation)도 제안되고 있으나, 처리비용에 비하여 얻어지는 효과가 미흡하여 실용화되지는 못하였다.

[참고문헌]

안태현. 1993. 목조구조물의 내후성 방염처리 방법 및 그의 보존처리제 조성물 한국특허 1993-014599

진대우. 2006. 보존성이 우수한 목재의 제조방법. 한국특허 2006-0055010

최수정. 2008. 서울시 탐구발표대회. 숭례문 복원에 관한 나의 연구

최수정. 2008. 문화재복원용목재. 특허 2008-0090634(출원)

최수정. 2009. 문화재복원용 목재의 제조 및 그 응용. 2009. 전국과학전람회

서정호. 2008. 문화재를 위한 보존방법론. 경인문화사

초음파연구회 편. 1992. 쉬운 초음파의 응용. 기전연구사.

사와다 마시아키 저. 김성범/정광용 공역. 2000.문화재보존과학개설. 서경문 화사

본 발명은 많은 시간이 소요되는 PEG 처리법을 개선하여 단시간 내에 목재 속으로 PEG를 침투시키는 방법으로 목재의 치수안정성을 높여서 기능성목재를 제조하는 방법을 제공한다.

기능성목재를 완성하기 위해서 에틸알코올을 비롯한 스테아릴알코올 등 알코올류에 분자량 200∼4000 짜리 PEG를 알코올 100에 대하여 PEG 2∼80wt％를 넣은 후 50-60℃로 10분간 가열하여 PEG가 완전히 녹은 후 목재를 30분∼24시간 침지시킨다. 이때 반응을 촉진하기 위하여 초음파를 사용하면 침투효과는 배가된다. 경우에 따라서는 반응효과를 높이기 위하여 진공상태에서 반응시킬 수도 있다. 반응액에 수산화알루미늄 등 난연제를 섞어주면 난연효과도 있다. 또 이 반응액에 목재방부제로 사용되는 CCA계나 ZKFC 같은 방부제를 섞어주면 방부효과도 기대할 수 있다. 반응이 끝난 시료는 80℃로 조정된 건조기에서 건조시켜서 목재에 묻어 있는 알코올을 제거한 후 도장 등 후처리를 한다.

그림 1은 전체 반응Process이고, 그림 2는 상기 방법에 의해서 처리한 실시예이다. 그림에서 보면 알코올과 PEG가 모두 무색이므로 침투된 PEG를 식별하기 위하여 반응액 속에 빨간색 물감을 탄 것이다. 그림의 가운데 부분이 본 발명의 방법 대로 알코올에 PEG를 녹인 후 실험한 것이고, 왼쪽은 종래 방법대로 물에 의해 용해시킨 PEG용액에 담구던 방법이며, 오른쪽은 여기에 초음파처리법을 추가한 것이 다. 가운데그림이 붉은 색이 가장 진하여 목재 속으로 PEG가 가장 많이 침투한 것을 알 수 있다. 또, 붉은 색이 나이테를 중심으로 나이테의 엷은 부분, 즉 춘재(春材) 쪽에 많이 들어간 것은, 나이테의 진한 부분인 추재(秋材)보다 상대적으로 밀도가 낮기 때문이다.

그림 3은 무처리목재이며, 그림 4는 그림 2에서 알코올-PEG용액으로 처리한 목재시료를 각각 전자현미경으로 관찰한 것이다. 그림 3은 목재의 전형적인 세포벽이 잘 나와 있다. 그림 4는 세포벽에 PEG가 침투하여 다시 상온으로 변하면서 고체가 된 PEG가 목재 속에 증착한 것을 볼 수 있다. 이렇게 증착한 PEG는 목재가 수분에 의해서 변하는 것을 차단하며, 또 미생물의 부패도 막아준다. 그러므로 치수안정성이 높아지고, 기능성목재로서의 기능을 올릴 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 30분∼24시간 정도의 반응으로도 상기효과가 이루어져 종래 많은 시간이 소요되던 문화재복원 처리시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 이것은 알코올의 셀룰로오스 탈수효과 때문이다. 즉 알코올을 사용하여 셀룰로오스물질을 처리하면 머서라이징(Mercerizing)이라고 하는 탈수에 의해 뽀송뽀송하게 만드는 효과가 있고, 결과적으로 처리할 목재 내의 수분을 탈수시키고, 이 탈수효과에 의해서 PEG가 효과적으로 빠른 시간 내에 많은 양이 침투할 수 있다.

목재는 천연자원으로서 인류가 오래 전부터 사용해 온 익숙한 재료이지만 수분에 약해서 크기와 형상이 변형되는 단점을 가지고 있다.

이 단점을 해결하기 위하여 PEG같은 물질을 목재 속으로 주입시켜 변형을 막아주고, 목재의 수명을 오래 유지할 수 있게 해 주지만, 이 방법은 극단적으로 처 리시간이 길어서 문화재 같이 생산가격을 염두에 두지 않는 경우만 사용하였다. 또 침투되는 PEG의 양이 적어서 분자량이 낮은 것(200짜리)부터 시작해서 높은 것(4000) 까지 여러번 처리할 수 밖에 없었다.

따라서 기존의 방법으로는 치수안정성이 높은 기능성 목재를 제조하는 것이 불가능하였다.

본 발명에서는 PEG를 처리하는 시간을 단축하여 한번의 처리로서 이 복잡한 처리과정을 끝낼 수 있으며, 또한 목재 속으로 침투하는 PEG의 양을 높여서 그 효과를 극대화할 수 있는 방법을 제시한다.

본 발명은 많은 시간이 소요되는 PEG 처리법을 개선하여 단시간 내에 목재 속으로 PEG를 침투시키는 방법으로 목재의 치수안정성을 높여서 기능성목재를 제조하는 방법을 제공한다.

기능성목재를 완성하기 위해서 에틸알코올을 비롯한 스테아릴알코올 등 알코올류에 분자량 200∼4000 짜리 PEG를 알코올 100에 대하여 PEG 2∼80wt％를 넣은 후, 50-60℃로 10분간 가열하여 PEG가 완전히 녹은 후 목재를 30분∼24시간 침지시킨다. 이때 반응을 촉진하기 위하여 초음파를 사용하면 침투효과는 배가된다. 경우에 따라서는 반응효과를 높이기 위하여 진공상태에서 반응시킬 수도 있다. 반응액에 수산화알루미늄 등 난연제를 섞어주면 난연효과도 있다. 또 이 반응액에 목재방부제로 사용되는 CCA계나 ZKFC 같은 방부제를 섞어주면 방부효과도 기대할 수 있다. 반응이 끝난 시료는 80℃로 조정된 건조기에서 건조시켜서 목재에 묻어 있는 알코올을 제거한 후 도장 등 후처리를 한다.

본 발명에 의해 제시된 방법은 기존의 방법인 물에 용해시킨 PEG를 주입시키는 방법보다 효과적이며, 기존의 알코올류로 치환시키는 방법에 비해서는 PEG가 더 들어가는 방법이어서 효과적이다.

또한 보다 물로 용해시킨 PEG를 넣는 방법 보다 건조속도도 빠르며, 물에 의해 목재가 갈라지는 부작용도 사전에 방지할 수 있는 방법이기도 하다.

기능성목재가 가장 많이 요구되는 것이 정밀한 악기이다. 그 이유는 목재의 조그마한 신축에도 악기로서 사용이 불가능하기 때문이다. 그러므로 악기는 얼마나 나무가 수분에 강하느냐가 생명이라고 한다. 집을 짓는 건축재도 마찬가지이다.

본 발명에 의해 제조된 목재는 PEG라는 플라스틱류가 목재 속에서 목재가 수분과 반응하는 -OH기에 치환되어 있어 수분으로 인한 목재의 변형을 막아준다.

본 발명은 기존의 방법보다 시간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 또한 제조과정에서 물로 용해시킨 PEG를 넣는 방법 보다 건조속도도 빠르며, 물에 의해 목재가 갈라지는 부작용도 사전에 방지할 수 있다.

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본 발명은 기능성목재를 완성하기 위해서 에틸알코올을 비롯한 ****등 알코올류에 분자량 200∼4000 짜리 PEG를 알코올 100에 대하여 PEG 2∼80wt％를 넣은 후, 50-60℃로 10분간 가열하여 PEG가 완전히 녹은 후 목재를 30분∼24시간 침지시킨다.

이때 반응을 촉진하기 위하여 초음파를 사용하면 침투효과는 배가된다. 경우에 따라서는 반응효과를 높이기 위하여 진공상태에서 반응시킬 수도 있다. 반응액에 수산화알루미늄 등 난연제를 섞어주면 난연효과도 있다. 또 이 반응액에 목재방부제로 사용되는 CCA계나 ZKFC 같은 방부제를 섞어주면 방부효과도 기대할 수 있다.

반응이 끝난 시료는 80℃로 조정된 건조기에서 건조시켜서 목재에 묻어 있는 알코올을 제거한 후 도장 등 후처리를 한다.

상기에서 제시된 실시예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 제시딘 실시예의 다양한 변형 및 수정발명을 얻을 수 있을 것이다. 이러한 변형 및 수정발명에 의하여 본 발명의 범위는 제한되지 않는다.

Claims (4)

1. 에틸알코올을 비롯한 스테아릴알코올 등 알코올류에 분자량 200∼4000짜리 PEG를 알코올 100에 대하여 PEG 2∼80wt％를 넣은 후, 50-60℃로 10분간 가열하여 PEG가 완전히 녹은 후 목재를 30분∼24시간 침지시키고, 반응이 끝난 시료는 80℃로 조정된 건조기에서 건조시켜서 제조하는 기능성목재의 제조방법
2. 청구항 1에서 목재를 침지시킬 때 초음파기기 내에서 반응시켜 기능성목재를 제조하는 방법
3. 청구항 1에서 목재를 침지시킬 때 진공상태로 반응시켜 기능성목재를 제조하는 방법
4. 청구항 1에서 PEG용액을 제조할 때 수산화알루미늄을 비롯한 난연제를 1∼5％첨가하여 기능성목재를 제조하는 방법

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