KR20220164828A

KR20220164828A - 닥나무 섬유를 혼입한 목모보드

Info

Publication number: KR20220164828A
Application number: KR1020210072000A
Authority: KR
Inventors: 추용식; 김남일; 조기식; 서성관
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-12-14
Also published as: KR102552348B1

Abstract

본 발명은 닥나무 섬유의 제조 조건 및 혼입 조건 특정을 통해 흡·방습 성능을 향상시킨 목모보드에 관한 것이다.
발명은 「닥나무 백피를 분쇄한 닥나무 섬유 5~45 중량부; 목모 130~150 중량부; 시멘트 450~500 중량부 및 물-시멘트비 40~80% 배합 조건의 혼합 조성물을 가압 성형 후 양생하여 제조한 목모보드」를 제공한다.

Description

닥나무 섬유를 혼입한 목모보드{Wood Wool Board Mixed with Paper-Mulberry Fiber}

본 발명은 닥나무 섬유의 제조 조건 및 혼입 조건 특정을 통해 흡·방습 성능을 향상시킨 목모보드에 관한 것이다.

국민 소득 수준 향상에 따라 새집 증후군, 유해물질 저감 등 실내 공기질 개선에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 하루 중 80~90% 이상을 실내에서 생활하는 현대인들은 아토피나 알레르기 비염, 천식 등의 확산에 따라 건강을 위한 친환경 주거공간을 구축하려는 욕구가 계속 증가하고 있다. 2018년 10월부터 시행된 실내 공기질 관리법에는 '다중이용시설, 신축되는 공동주택 및 대중교통차량의 실내 공기질을 알맞게 유지하고 관리함으로써 그 시설을 이용하는 국민의 건강을 보호하고 환경상의 위해를 예방함을 목적으로 한다.’라고 실내 공기질에 대한 인식과 관리가 중요사안임을 명시하고 있으며, 이에 대한 법적 규제도 점차 강화되는 추세이다.

건강을 위한 실내 공기질 관리의 주요 요인 중 하나로 적정 실내 습도 범위를 유지하는 것이 중요하게 대두되고 있으며, [참고도 1]과 같이 40~60%의 습도 범위가 가장 적절한 것으로 알려져 있다. 하지만 에너지 사용 효율을 위해 건물의 단열 및 기밀 성능을 향상시키는 추세로 인해 환기량이 감소되어 실내 적정 습도 유지가 쉽지 않은 상황이다. 습도가 높은 환경에서는 곰팡이 및 세균의 증식이 유발되는 반면 습도가 낮은 환경은 아토피, 천식 및 피부 건조 등 인체에 악영향을 끼친다. 더불어 정전기 축적으로 정밀기기의 오작동, 발화 및 미술품 등의 열화로 재산피해까지 발생할 수 있다. 이에 따라 실내 적정 습도를 유지하기 위해서 제습기나 가습기의 사용이 필요하나, 에너지 소비가 크고 장기간 사용 시 기기 내부에 곰팡이와 진드기 등 각종 세균이 번식하여 오히려 인체 건강을 해치게 된다.

따라서 기계설비 등의 도움 없이도 적합한 실내 습도를 유지하여 거주자의 쾌적한 실내 환경 확보가 가능한 기능성 건축 자재들의 필요성이 더욱 커지고 있는 상황이다. 이러한 이유로 우수한 조습특성을 통하여 자율적으로 실내의 적정 습도를 유지할 수 있으며, 더 나아가 유해화학 물질을 방출하지 않는 천연 조습 재료를 활용한 조습 제품의 개발 필요성이 높아지고 있다.

[참고도 1]

최근 기능성 건축자재들 중 벽지, 타일 또는 패널 등 실내 건축재의 시공을 통해 자율적 실내 적정 습도를 유지하고자 하는 시도가 늘어나고 있다. 또한, 이러한 흐름과 함께 조습 제품에 대한 관심과 수요 또한 증가하고 있다. 조습 제품은 켈빈(Kelvin)의 모세관 응축 원리에 따라 특정 상대습도가 되면 제품 재료의 기공에서 수증기가 응축 또는 기화하여 주변 환경의 대기 중 습도를 조절한다. 조습타일 또한 해당 원리를 통해 미세기공을 통하여 고습 시 수분을 흡습하였다가 건조 시 수분을 방출함으로써 실내 적정 습도를 유지시킨다. 조습타일의 조습 특성은 수분 흡습 및 방습량으로 결정되며, 우수한 흡습성을 가지기 위해서는 마이크로 기공을 지니고 있어야 한다. 일반적으로 석회 모르타르(Lime mortar), 실리카 겔(Silica gel), 제올라이트 시멘트(Zeolite cement) 등이 조습 소재로 알려져 있으며, 최근에는 규조토, 화산재, 점토와 같은 초다공성 천연 광물이 주목받고 있다. 닥나무 섬유 또한 앞서 언급한 다공성 물질들과 같은 조습특성을 지닌 천연 재료로서, 여러 관심과 연구가 이루어지고 있는 상황이다.

닥나무는 뽕나무과에 속하는 낙엽성 관목으로서, 셀룰로오스(60~90wt%)와 리그닌(10wt% 이하)을 함유하고 있는 비목재 원료의 특성을 보유하며, 껍질과 목질부 사이에서 추출되는 인피부(靭皮部)가 섬유화된다. 닥나무 섬유는 일반 목재 펄프로 제조된 종이에 비해 인열강도 및 인장강도가 우수한 특성을 지니며, 천연 셀룰로오스로 이루어져 있어 인체에 해가 없는 인체 친화적 제품에 사용하기에 적합하고, 미세 기공을 통한 환기가 가능하게 하여, 자율적 조습 기능 및 신축성 등의 기능성 또한 보유하고 있다.

그러나 이러한 닥나무 섬유의 활용 분야가 주로 한지, 의복 및 공예품 정도로 한정되어 활용도가 다소 부족한 실정이다. 따라서, 보유하고 있는 특성 및 기능성에 비하여 활용 범위가 협소한 닥나무 섬유를 건축 소재화 하기 위한 연구, 분석 및 이를 기반으로 한 제품 적용성 확인이 필요한 상황이다. 특히, 한지 제조 후 발생하는 다량의 폐닥나무를 자원으로 활용할 수 있는 방안이 필요하다.

닥나무에 관한 기존 연구 자료를 검토해보면,

조남석(N. S. Cho., 1993, Studies on the manufacturing of pollution-Free Korean traditional paper without bleaching(Ⅰ), Mokchae Konghak, 21(2), pp.2049-2056.)은 닥나무를 이용한 새로운 전통한지 제조에 관한 연구에서 부위별 인피섬유의 변화를 측정한 결과 섬유 장, 섬유 폭 및 막벽두께 모두 근원부나 상부보다 중앙부에서 크게 나타났다고 보고하였다. 아울러 리그닌의 함량은 인피부가 8.4%로서 목질부의 23.7% 전간부의 22.3%에 비하여 매우 낮았으며, 회분의 함량은 인피부가 5.6%로서 목질부나 전간부에 비해 월등히 높게 나타났다고 보고하였다.

임강혁 등(Gang-Hyouk Lim, Tae-Ho Kim, 2008, The Effects of the Cutting Length of Paper Mulberry Bast Fiber on Pulping and Hanji Properties(I) -White bast of Korea grown paper mulberry-, J. Korea TAPPI, 40(2), pp.57-64.)은 닥나무 인피섬유의 절단장이 펄프화 및 한지의 물성에 미치는 영향에서 한지 제조 시 고해특성 및 작업성의 향상을 통한 고품질의 한지 제조법 개발을 목적으로 국산 닥나무 백피의 절단장이 펄프화 및 한지의 품질에 미치는 영향을 비교 검토하였다. 연구에 따르면 닥나무 백피의 절단 장 변화가 펄프의 수율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 펄프의 수율은 설포메틸화법이 평균 57.4%, 알칼리-과산화수소법이 평균 55.4%, 일반적인 알칼리법이 53.5%로 가장 낮게 나타났다고 보고하였다. 아울러 인피 섬유의 절단장이 증가할수록 광학적 특성인 백색도, 불투명도, 광 산란계수 및 광흡수계수가 약간 증가하는 경향을 나타내었으며, 인피섬유의 절단 장 1~3cm의 범위에서는 절단장이 증가할수록 지합이 불량해지는 것으로 나타났으나, 그 이상의 범위에서는 지합의 변화가 미미하다고 보고하였다.

닥나무 인피섬유는 석유계 원료의 합성섬유, 차량 및 실내용 내장재 등을 대체할 수 있는 재료특성을 보유하고 있으며, 실제로 세계 각국에서는 초본류 인피섬유를 활용한 대체재 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 폐닥나무 섬유사로 제작된 기능성 소재는 수분 흡수 능력과 건조 능력 모두 우수하여 스포츠 의류소재로도 가공되고 있으며 황색포도상구균 및 폐렴구균에 대한 향균성, 원적외선 방출 등의 효과를 나타내 유아용품 등에도 활용되고 있다. 최근에는 방음성, 향균성, 소취성 등이 증명되어 벽지, 방음소재, 위생용품, 의료용품 산업으로 활용되고 있어 폐닥나무 인피섬유의 수요가 증가하고 있는 추세이다.

폐닥나무 인피섬유를 원료로 하는 한지의 고유한 원료 특성에 소취성, 보습성, 흡착성 등의 다양한 기능성을 극대화할 수 있는 소재화 기술을 융합하는 연구가 진행되고 있다. 폐닥나무 인피섬유를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조한 후 복합필름, 코팅, 의료용 첨단 신소재, 강화복합소재, 화장품 보습원료, 복합 섬유 등 신소재 원료로 사용하고 있다. 유렵 및 미국 등의 선진국에서는 나노셀룰로오스 대량 생산 설비가 구축되어 있으나 국내에는 나노셀룰로오스 생산 업체가 전무하며, 주로 연구소나 대학 단위에서 자체 생산해 사용하는 수준이다.

본 발명 발명자들은 닥나무 섬유의 특성과 조습능력을 분석 및 평가하고, 가공된 원료의 비표면적 증가에 따른 조습능력의 변화를 검토함으로써, 최적의 조습능력을 가지는 분쇄 조습섬유 형태를 도출하고자 하였다. 또한, 발명자들은 이용 분야가 한정되어 있는 닥나무 섬유의 조습 기능을 중심적으로 연구, 분석하여 천연재료를 활용한 조습 제품을 개발하고자 하였다

1. 등록특허 10-1340280 "닥나무 성분이 함유된 건축 내장재" 2. 등록특허 10-1594015 "닥나무를 이용한 매트재의 제조방법" 3. 등록특허 10-0632462 "천연 식물성 장섬유를 이용한 벽지와 그 제조 방법" 4. 등록특허 10-1540754 "천연 마감재 조성물 및 이의 제조방법"

본 발명은 닥나무 섬유의 조습 기능을 활용하여 건축용 내·외장재로 활용되는 목모보드의 흡습력과 방습력을 함께 향상시킬 수 있는 기술 수단을 제시함에 그 목적이 있다.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「닥나무 인피부(靭皮部)를 분쇄한 닥나무 섬유 5~45 중량부; 목모 130~150 중량부; 시멘트 450~500 중량부 및 물-시멘트비 40~80% 배합 조건의 혼합 조성물을 가압 성형 후 양생하여 제조한 목모보드」를 제공한다.

닥나무 인피부를 분쇄하여 상기 닥나무 섬유는 길이 3~16 ㎛, 폭 13~42 ㎛ 및 루멘폭 3~16 ㎛ 인 닥나무 섬유를 제조할 수 있으며, 상기 닥나무 인피부를 블레이드 회전속도 25,000~30,000 rpm인 분쇄기로 30~120 초간 분쇄함으로써 분쇄 과정에서의 셀룰로오스 구조 및 기공 형성 구조 손상을 최소화시킬 수 있다.

닥나무 섬유는 가능한 인피섬유이며, 한지 제조에 사용되기도 한다. 하지만 현재 국내에서는 활용 분야가 활용도가 다소 부족한 실정이다.

상기 목모는 폭 0.8~1.2 ㎜, 두께 0.1~0.5 ㎜ 인 것을 적용하여, 이러한 목모가 목모보드의 균열 및 휨에 저항하는 기초 구조 기능을 수행토록 할 수 있다. 상기 시멘트는 FeO 성분을 0.6~1.0 wt% 포함한 백시멘트를 적용하여, 목모보드의 색상을 건축 내장용으로 적합하도록 밝게 조절할 수 있다.

상기 혼합 조성물에 사용되는 물 100 중량부에 규산나트륨(Na₂SiO₃) 2.8~3.2 중량부를 용해시킴으로써, 시멘트의 수화반응이 촉진되도록 하고, 상기 혼합 조성물에 점착성을 부여하여 목모와의 물리적 결합력을 증대시킨다.

상기 혼합 조성물은 플로우값 215~225 ㎜ 범위로 조성하여, 몰드 내 충전에 문제가 없도록 할 수 있다.

상기 혼합 조성물은, 상기 닥나무 섬유 및 시멘트를 혼합하는 건식 혼합 과정 후, 물을 투여한 후 목모를 혼합하는 습식 혼합 과정을 실시하여 조성할 수 있다.

구체적으로 상기 건식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여, 상기 닥나무 섬유 및 시멘트를 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 과정으로 진행하고,

상기 습식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여, 물 투입 후 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 후, 25~35 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하고, 80~100 초간 정지 후, 상기 목모를 추가 투입하여 110~130 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하는 순서로 실시할 수 있다.

상기 가압 성형은, 상기 혼합 조성물을 판형 몰드에 투입한 후, 2,600~3,000 kgf의 하중을 100~140 초간 가하는 과정으로 실시할 수 있으며, 20~25℃ 조건에서 2일간 양생이 진행되도록 할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 닥나무 섬유 제조 조건 및 혼입 조건에 따라 적정 구조, 적정량의 닥나무 섬유가 목모보드에 고르게 분산 혼입되고, 이러한 목모보드의 흡·방습 성능이 함께 향상된다.

[도 1]은 본 발명에 적용되는 닥나무 백피의 XRD 패턴 그래프이다.
[도 2]는 닥나무 백피 분쇄시간에 따른 닥나무 섬유의 미세구조를 촬영한 SEM 사진이다.
[도 3]은 분쇄시간별 목조보드 시험체들을 촬영한 사진이다.
[도 4]는 분쇄시간별 시험체들의 흡ㆍ방습량(률) 그래프이다.
[도 5]는 분쇄시간별 시험체들의 내부 미세구조를 촬영한 SEM 사진이다.
[도 6]은 분쇄시간별 시험체들의 흡·방습량을 단위면적당 흡·방습량(g/m²)으로 환산한 값을 나타낸 그래프이다.
[도 7]은 닥나무 섬유 혼합량 제어에 따라 제조된 목모보드 시험체들의 촬영 사진이다.
[도 8]은 닥나무 섬유 혼합량별 시험체들을 사용하여 측정된 흡방습 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
[도 9]는 닥나무 섬유 혼입량별 시험체들의 흡ㆍ방습량을 단위면적당 흡ㆍ방습량(g/m²)으로 환산한 값으로 나타낸 그래프이다.

본 발명은 「닥나무 인피부(靭皮部)를 분쇄한 닥나무 섬유 5~45 중량부; 목모 130~150 중량부; 시멘트 450~500 중량부 및 물-시멘트비 40~80% 배합 조건의 혼합 조성물을 가압 성형 후 양생하여 제조한 목모보드」를 제공한다.

목모보드는 톱밥 시멘트 보드, 프레이크 시멘트보드 등을 포함한 목질 판상재의 무기질 보드에 속하며, 목재성분의 주원료와 이들의 결합과 공극을 충전시켜주는 결합제(Binder) 등과의 조합으로 만들어진다. 목모보드는 목보, 시멘트, 혼합수를 활용하여 가압 성형 방식으로 제조하며, 가늘고 긴 형상의 목모를 시멘트가 둘러싸고 있는 형태로 엉켜있는 형태를 가진다. 목모보드의 흡·방습 원리는 [참고도 2]에 나타내었다.

[참고도 2]

본 발명이 제공하는 목모보드는 일반적인 목모 이외에 닥나무 섬유를 혼입시킨 것이다.

본 발명에 적용되는 목모는 폭 0.8~1.2 ㎜, 두께 0.1~0.5 ㎜ 인 것을 적용하여, 이러한 목모가 목모보드의 균열 및 휨에 저항하는 기초 구조 기능을 수행토록 할 수 있다. 상기 목모의 원목으로는 주로 소나무가 사용되며, 상기 목모의 길이는 20~25㎝ 범위에서 적용할 수 있다.

본 발명에 적용되는 닥나무 섬유는 닥나무 인피부(靭皮部)를 미세하게 분쇄하는 방식으로 제조한 것으로서, 목모보드의 기초 구조를 이루는 목모 사이에 충전되어 목모보드 방·흡습 성능을 향상시키는 기능을 수행한다. 상기 닥나무 인피부는 한지 등의 제조 후에 폐기된 폐닥나무에서 수득함으로써, 산업폐기물을 자원화할 수 있다.

본 발명에서는 닥나무 인피부(靭皮部)를 분쇄하여 길이 3~16 ㎛, 폭 13~42 ㎛ 및 루멘폭 3~16 ㎛ 가 되도록 제조된 닥나무 섬유를 적용할 수 있으며, 상기 닥나무 인피부를 블레이드 회전속도 25,000~30,000 rpm인 분쇄기로 30~120 초간 분쇄함으로써 분쇄 과정에서의 셀룰로오스 구조 및 기공 형성 구조 손상을 최소화시킬 수 있다.

아래 [표 1]은 본 발명에 적용되는 닥나무 섬유의 해부학적 성질인 섬유장(Fiber length), 섬유폭(Fiber width), 루멘폭(Lumen width), 룽켈비(Runkel ratio), 유연계수(Flexibilty factor) 및 섬유결합 면적비(Fiber bond area ratio)를 나타낸 것이다.

상기 시멘트는 본 발명 목모보드에서 목모 및 닥나무 섬유의 바인더 역할을 하는 것으로서, FeO 성분을 0.6~1.0 wt% 포함한 백시멘트를 적용하여, 목모보드의 색상을 건축 내장용으로도 적합하도록 밝게 조절할 수 있다.

목모보드 제작 과정에서 목모와 시멘트 간의 결합력 증대를 위해서, 특히 양생조건이 불리한 동절기에 목모보드를 제조하기 위해, 무기염계의 촉진성을 이용하여 시멘트를 자극하는 규산나트륨(Na₂SiO₃), 염화칼슘(CaCl₂) 등의 경화 촉진제를 사용할 수 있다. 염화칼슘은 시멘트의 수화반응을 촉진을 유도하고 규산나트륨은 수화반응 외에도 점착성으로 인한 물리적 결합력을 증가시킨다. 따라서 본 발명에서는 상기 혼합 조성물에 사용되는 물 100중량부에 규산나트륨(Na₂SiO₃) 2.8~3.2 중량부를 용해시켜 사용할 수 있다.

한편, 상기 닥나무 섬유는 흡습성이 강하므로 목모보드 제조를 위한 섬유 혼입량 증대에 따라 작업성이 불량해지며, 조성물의 플로우가 감소하게 된다. 따라서, 작업성 불량에 따른 몰드 내 충전 불량 문제를 방지하기 위해 상기 혼합 조성물의 플로우를 215~225 mm로 유지시키는 것이 바람직하며, 이에 따라 닥나무 섬유 함량 증가에 따라 물 혼합량도 증가하게 된다.

구체적으로 상기 건식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여, 상기 닥나무 섬유 및 시멘트를 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 과정으로 진행하고, 상기 습식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여, 물 투입 후 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 후, 25~35 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하고, 80~100 초간 정지 후, 상기 목모를 추가 투입하여 110~130 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하는 순서로 실시할 수 있다.

미세 크기의 닥나무 섬유와 상대적으로 큰 목모를 함께 혼합하는 경우에는 닥나무 섬유의 분산이 어려우나, 전술한 바와 같이 혼합 단계를 구분함으로써 닥나무 섬유가 시멘트 분체 내에 고르게 분산된 상태에서 습식으로 목모의 분산 혼합이 이루어질 수 있게 된다.

이하에서는 구체적 시험·분석 결과와 함께 닥나무 섬유 제조 및 혼입 조건별 목모보드 특성을 상세히 설명하기로 한다.

(1) 실험 방법

[참고도 3]에 나타난 바와 같은 과정을 통해 닥나무 섬유, 목모, 시멘트 및 혼합수를 혼합하여 목모 시멘트 보드를 제조하였다.

닥나무 인피부는 흑피, 청피 및 백피로 구분되며, 본 발명에서는 흑피, 청피 및 백피를 모두 섬유화하여 적용할 수 있으나, 이하의 분석은 한지의 원료로 주로 사용되는 백피를 대상으로 실시하였다.

상기 닥나무 섬유는 함안 칠서에서 입수한 닥나무의 백피를 분쇄하여 제조한 것으로, 닥나무 백피를 고속 분쇄기(RT-02A, Rong Tsong Precision Technology Co., Taiwan)를 이용하여 30초, 60초, 120초 및 180초간 분쇄한 것을 구분하여 적용하였다.

상기 목모로는 직경 1mm의 천연 소나무 목모를 사용하였다.

상기 시멘트로는 FeO 성분을 0.6~1.0 wt%로 낮추어 흰색이 나타나도록 한 백시멘트 제품을 구입하여 적용하였다.

상기 혼합수는 시멘트의 경화를 촉진하기 위하여 규산나트륨 분말을 투입하여 혼합수 중의 규산나트륨이 3 wt%가 되도록 제조한 것을 사용하였다.

[참고도 3]

목모보드 제조를 위한 제어인자는 1) 닥나무 백피의 분쇄 시간과 2) 닥나무 섬유의 혼입량 2가지로 구분하였다.

아래 [표 2]에 나타난 시험예들은 시멘트(Cement)와 목모(Wood wool) 혼입량을 각각 490 g, 140 g으로 고정하고 닥나무 섬유(Pulverization fiber) 혼합량도 15 g으로 고정하는 대신, 시험예 별로 닥나무 섬유 제조를 위한 닥나무 백피 분쇄 시간을 30초, 60초, 120초 및 180초로 설정한 것을 적용한 것이다.

아래 [표 3]에 나타난 시험예들은 닥나무 섬유 혼합량을 0 g, 15 g, 30 g 및 45 g으로 제어하였으며, 시멘트와 목모의 혼합량은 각각 490 g, 140 g으로 고정하였다.

위의 [표 2] 및 [표 3]의 각 시험예에 적용된 닥나무 섬유는 모두 건조된 상태에서 혼합되었다. 다만, 닥나무 섬유는 흡습성이 강하므로 목모보드 제조를 위한 섬유 혼입량 증대에 따라 작업성이 불량해지며, 조성물의 플로우가 감소하게 된다. 본 발명에서는 조성물 플로우를 220±5mm로 유지시키기 위해 닥나무 섬유 함량을 늘림에 따라 혼합수 함량도 함께 늘렸다.

원료별 혼합 방법으로, 먼저 시멘트 490 g과 닥나무 백피를 분쇄하여 제조된 닥나무 섬유를 1분간 건식 혼합한 후(60rpm), 혼합수(규산나트륨 농도 3 wt%)와 습식 혼합하였다. 습식 혼합은 1분간은 저속(60rpm)으로, 30초간은 고속(95rpm)으로 혼합하였으며, 1분 30초간 정지 후 목모 140 g을 투입하여 2분간 고속(95rpm)으로 혼합하였다. 이와 같이 혼합된 조성물을 가압 성형 몰드에 장입한 후 2분간 2,800 kgf의 하중을 가하여 가로, 세로 각 200 mm의 패널형 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체는 23℃의 환경에서 2일간 양생을 진행하였으며, 흡·방습 시험에 앞서 60℃ 온도조건에서 12시간 건조를 진행하였다.

제작이 완료된 목모보드 시험체의 흡방습 특성 측정은 JIS A 1470-1(조습건재의 흡방습성 시험방법-제1부 습도응답법-습도변화에 의한 흡방습 시험방법) 규격을 준용하여 진행하였다. 이 과정에서 흡방습기 내부의 상대 습도 차가 설정값과 비교하여 ±3% 이내로 유지되어야 한다. 항온항습기(CC600, 우진정밀社, Korea)를 사용하여 온도 및 습도 조건을 일정하게 유지하였으며, 시험체의 안정화를 위해 24시간 동안 50%-R.H., 온도 23.0 ± 0.5℃의 환경을 유지하였다.

안정화 완료 후 미세저울(HS 224S, HANSUNG Instrument Co., LTd., Korea)을 사용하여 2시간마다 질량 변화를 기록하였다. 안정화 완료 후 무게(m₀)와 방습 12시간 경과 후 종료 시점의 무게(m_d) 및 안정화 직후 무게(m₀)의 중량차를 산출하여 g/m²로 환산 및 계산하여 흡습량과 방습량을 구하였다. 본 발명의 시험체는 200 × 200 mm 크기의 패널형이기 때문에, 흡습 면적을 1m²으로 환산하기 위해 25를 곱해주었다([식 1] 및 [식 2] 참조).

[식 1]

흡습량(W_a, g/m²) = (m_a - m₀) × 25

[식 2]

방습량(W_d, g/m²) = (m_a - m_d) × 25

(2) 원료 분석

[도 1]은 본 발명에 적용된 닥나무 백피의 결정상 분석을 위한 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 결정상 분석 결과, 22.7°부근에서 셀룰로우스 I 피크가 측정되었으며, 15°부근에서의 비결정 영역이 측정되었다. 셀룰로오스는 바이오매스로부터 얻을 수 있는 가장 풍부한 고분자 물질로 기계적 특성이 우수하며, 밀도가 낮을 뿐 아니라 생분해성 등 다양한 장점을 보유하고 있어 여러 분야에서 활용되고 있다. 최근 세계적으로 환경 문제가 대두되고 석유 기반의 합성 고분자 물질을 천연자원으로 대체하고자 하는 움직임이 큰 가운데, 닥나무 섬유는 여타의 목재 섬유보다 우수한 셀룰로오스 함량 및 결정화도를 보유하고 있다. 더불어 부식에 대한 저항성이 강하여 여러 산업에 이용 가능한 친환경재료로 알려져 있다.

[도 2]는 닥나무 백피 분쇄시간에 따른 닥나무 섬유의 미세구조를 촬영한 주사전자현미경(JSM-6380, JEOL社, Japan) 사진이다. [도 2]의 (a)~(d)에서는 닥나무의 분쇄 상태 및 분포를 확인할 수 있으며, 30초 동안 분쇄를 진행한 30s 분쇄 시험체([도 2]의 (a))에서는 닥나무 섬유의 분리가 이루어지지 않은 다발이 다수 확인되었다. 이 후 분쇄 시간이 증가함에 따라 섬유 다발은 현저히 줄어드는 경향을 나타내었으나, 180s 분쇄 시험체([도 2]의 (d))에서는 섬유의 형태가 대부분 손상된 것으로 관찰되었다. [도 2]의 (e)~(h)는 분쇄 시간별 폐닥나무 섬유의 형태를 고배율(300배)로 관찰한 사진이다. 30s 및 60s 분쇄 시험체([도 2]의 (e), (f))에서는 비교적 손상이 없는 닥나무 섬유와 섬유 내 기공이 관찰되었다. 그러나 분쇄시간이 증가함에 따라 섬유 자체에 손상이 발생하였으며, 180s 분쇄 시험체([도 2]의 (h))는 온전한 형태를 보전한 섬유가 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 섬유 형태 자체의 손상이 심각히 발생한 경우, 섬유가 보유한 섬유 내 기공 또한 파괴되어 재료 자체의 기능적 특성이 대부분 소실될 것으로 사료된다.

(3) 분쇄 시간 제어에 따른 닥나무 혼합 목모보드의 흡·방습 특성

닥나무 백피 분쇄 시간별 닥나무 혼합 목모보드의 흡ㆍ방습 특성을 측정하였다. [도 3]은 시험예별로 제조된 목모보드 시험체들을 촬영한 사진이며, [도 4]는 목모보드 시험체별 흡ㆍ방습량(률) 그래프이다. 흡ㆍ방습 성능은 60s, 30s, OPC(Ordinary Portland Cement), 120s, 180s 시험체 순서로 확인되었으며, 방습률에 비해 흡습률이 높게 나타났다.

닥나무 섬유를 혼입하지 않은 OPC 시험체의 경우 흡습 과정 동안 2시간 간격으로 4.04 g, 2.30 g, 1.58 g, 1.24 g, 1.00 g, 0.38 g의 무게 증가가 나타났으며, 시간의 경과에 따라 흡습량이 감소하며 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 방습 과정에서는 2시간 간격으로 1.73 g, 0.69 g, 0.26 g, 0.16 g, 0.18g, 0.02g의 무게 감소가 확인되었으며, 흡습량과 마찬가지로 시간 경과에 따라 방습량이 감소하여 기울기가 완만해지는 경향이 관찰되었다.

30s 시험체는 흡습 과정에서 2시간 간격으로 4.43 g, 2.49 g, 1.61 g, 1.13 g, 0.89g, 0.84 g의 무게 증가가 이루어졌으며, 방습 과정에서는 2시간 간격으로 2.53 g, 0.89 g, 0.35 g, 0.23g, 0.21 g, 0.02g의 무게 감소가 확인되었다.

60s 시험체는 흡습 및 방습 과정에서 2시간 간격으로 4.93 g, 2.51 g, 1.58 g, 1.07g, 0.90 g, 0.65 g의 무게 증가와 2.66 g, 0.93 g, 0.34 g, 0.22 g, 0.14 g, 0.06 g의 무게 감소가 발생하였다.

30s 시험체 및 60s 시험체의 총 흡습 및 방습량은 OPC 시험체에 비해 높은 것으로 확인되었으며, 흡습 및 방습률은 30s 시험체와 60s 시험체가 동일한 수준인 것으로 추산되었다.

반면 120s 시험체와 180s 시험체는 OPC 시험체에 비해 낮은 흡습량 및 흡습률을 나타내었으나, 방습량 및 방습률은 OPC 시험체 보다 우수한 것으로 확인되었다.

120s 시험체의 경우 흡습 과정에서 2시간 간격으로 4.43 g, 2.02 g, 1.19g, 0.72 g, 0.62 g, 0.40 g의 무게 증가와, 방습 과정에서 2.64 g, 0.64 g, 0.20 g, 0.06 g, 0.08 g, 0.03 g의 무게 감소가 확인되었다.

180s 시험체의 경우 흡습 과정에서 2시간 간격으로 3.96 g, 1.95 g, 1.05 g, 0.70 g, 0.54 g, 0.45 g의 무게 증가와 방습 과정에서 2.41 g, 0.80 g, 0.24g, 0.19 g, 0.12 g, 0.11 g의 무게 감소가 확인되었다.

위와 같은 결과는 [도 2]에 나타난 닥나무 백피 분쇄 시간별 닥나무 섬유의 형태 보전 및 손상 정도가 중요하게 영향을 미친 것으로 사료되며, [도 5]에 나타난 바와 같은 목모보드 시험체별 내부 미세구조를 촬영한 SEM 사진을 통해 위 시험 결과의 원인을 함께 고찰하였다.

30s 시험체 및 60s 시험체([도 5] (a) 및 (b))의 경우 닥나무 섬유의 손상이 적어 재료 자체의 흡·방습 성능이 보드 혼합 시에도 발현되었을 것으로 추정된다. 반면 120s 시험체와 180s 시험체([도 5]의 (c)와 (d))의 경우 섬유가 크게 손상되어 중공형 섬유로서의 형태를 갖추지 못해 흡ㆍ방습 성능이 상당히 저하된 것으로 사료된다.

또한 OPC 시험체의 경우 [도 3]의 (a)에 나타난 바와 같이, 목모가 얽혀 있는 형태로 그 간극이 다수 존재하여 보드 내부로의 통기성이 확보되는 것으로 사료된다. 반면 닥나무 섬유를 혼합한 보드의 경우 보드 내 목모 사이의 간극이 닥나무 섬유 뭉치로 충진되어, 통기성 저하로 인해 흡ㆍ방습 성능이 저하된 것으로 보인다. 이와 같은 이유로 닥나무가 혼합된 보드는 모두 통기성 저하가 발생할 것이나, 30s 시험체와 60s 시험체의 경우 온전한 형태의 닥나무 섬유가 보드의 흡·방습 성능에 기여하는 것으로 판단된다. 반면 120s 시험체와 180s 시험체의 경우 온전한 형태의 섬유가 거의 존재하지 않아 통기성 저하로 인한 흡ㆍ방습 성능 저하의 완화가 어려워 OPC에 비해 낮은 특성을 발현하는 것으로 사료된다.

한편, 위 시험체들의 흡·방습량을 단위면적당 흡·방습량(g/m²)으로 환산한 값을 [도 6]에 나타내었다. OPC, 30s, 60s, 120s, 180s 시험체의 순으로 263.50g/m², 284.75g/m², 291.00g/m², 234.50g/m²및 216.25g/m²의 흡습 성능을, 76.0g/m², 105.75g/m², 108.75g/m², 91.25g/m²및 96.75g/m²의 방습 성능을 확인하였다.

아래 [표 4]는 시험체별 흡·방습 성능을 정리한 것이다.

(4) 혼입량 제어에 따른 닥나무 혼합 목모보드의 흡·방습 특성

[도 7]은 닥나무 섬유 혼합량 제어에 따라 제조된 목모보드 시험체들의 촬영 사진이다. [도 8]은 이들 목모보드 시험체들을 사용하여 측정된 흡방습 시험 결과를 나타낸 것이다. 본 시험에 적용된 닥나무 섬유는 흡ㆍ방습 성능이 뛰어난 60초 분쇄 섬유를 사용하였다. 닥나무 섬유 혼합량에 따른 흡ㆍ방습 성능은 30g, 15g, 0g, 45g 시험체의 순으로 나타났으며, 방습률에 비해 흡습률이 높게 나타났다.

0g 시험체의 경우 흡습 과정 동안 2시간 간격으로 3.64 g, 2.14g, 1.59 g, 1.06 g, 1.04 g, 1.01 g의 무게 증가가 나타났으며, 시간의 경과에 따라 흡습량이 감소하며 기울기가 완만해지는 것도 확인할 수 있었다. 또한 방습 과정에서는 2시간 간격으로 1.85 g, 0.72 g, 0.15 g, 0.28 g, 0.11 g, 0.00 g의 무게 감소가 확인되었으며, 흡습과 마찬가지로 시간 경과에 따라 방습량이 감소하며 기울기가 완만해지는 경향이 관찰되었다.

15g 시험체는 흡습 과정에서 2시간 간격으로 4.87 g, 2.29 g, 1.41 g, 0.59 g, 1.18 g, 1.12 g의 무게 증가가 확인되었으며, 방습 과정 시 2시간 간격으로 2.54 g, 0.82 g, 0.28 g, 0.31 g, 0.13 g, 0.15 g의 무게 감소가 확인되었다.

30g 시험체는 흡습 및 방습 과정에서 2시간 간격으로 5.40 g, 2.19 g, 1.30 g, 0.87 g, 1.01 g, 1.05 g의 무게 증가와 3.27 g, 1.06 g, 0.28 g, 0.56 g, 0.11 g, 0.16 g의 무게 감소가 확인되었다.

45g 시험체는 흡습 과정에서 2시간 간격으로 4.74 g, 1.96 g, 1.34 g, 0.78 g, 0.76 g, 0.99g의 무게 증가와 방습 과정에서 2.35 g, 0.82 g, 0.78 g, 0.04 g, 0.09 g, 0.04 g의 무게 감소가 측정 시간대별로 나타났다. 또한 45g 시험체 제조 과정 중 가압 성형 과정에서 섬유에 포함된 혼합수가 용출되는 현상이 발생하였다.

[도 9]는 닥나무 섬유 혼입량별 시험체들의 흡ㆍ방습량을 단위면적당 흡ㆍ방습량(g/m²)으로 환산한 값으로 나타낸 그래프이다. 0g, 15g, 30g, 45g 시험체의 순으로 262.00g/m², 286.50g/m², 295.50g/m² 및 264.25g/m²의 흡습 성능을, 77.75g/m², 105.75g/m², 136.00g/m²및 103.00g/m²의 방습 성능을 확인하였다.

즉 흡ㆍ방습의 절대량 또한 닥나무 섬유 30g 혼합 조건에서 매우 우수한 것으로 나타났으며, 시험값 중에서는 닥나무 백피를 60초 분쇄한 닥나무 섬유 30g을 혼합한 목모보드의 흡ㆍ방습 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.

또한, 목모보드 조성물 혼합 과정에서 닥나무 섬유의 분산성을 제어하여 뭉침 현상을 최소화할 수 있다면, 목모보드 내 통기성 저하를 개선할 수 있으며, 좀 더 우수한 흡ㆍ방습 특성이 발현될 것으로 추정된다.

아래 [표 5]는 시험체별 흡·방습 성능을 정리한 것이다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 시험예와 함께 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이전 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

해당 없음

Claims

닥나무 인피부(靭皮部)를 분쇄한 닥나무 섬유 5~45 중량부; 목모 130~150 중량부; 시멘트 450~500 중량부 및 물-시멘트비 40~80% 배합 조건의 혼합 조성물을 가압 성형 후 양생하여 제조한 목모보드.
제1항에서,
상기 닥나무 섬유는 닥나무 백피를 블레이드 회전속도 25,000~30,000 rpm인 분쇄기로 30~120 초간 분쇄하여 제조한 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항에서,
상기 닥나무 섬유는 길이 3~16 ㎛, 폭 13~42 ㎛ 및 루멘폭 3~16 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항에서,
상기 목모는 폭 0.8~1.2 ㎜, 두께 0.1~0.5 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항에서
상기 시멘트는 FeO 성분을 0.6~1.0 wt% 포함한 백시멘트인 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항에서,
상기 혼합 조성물에 사용되는 물 100 중량부에 규산나트륨(Na₂SiO₃) 2.8~3.2 중량부가 용해된 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항에서,
상기 혼합 조성물은 플로우값이 215~225 ㎜인 것을 특징으로 하는 목모보드.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
상기 혼합 조성물은,
상기 닥나무 섬유 및 시멘트를 혼합하는 건식 혼합 과정 후,
물을 투여한 후 목모를 혼합하는 습식 혼합 과정을 실시하여 조성한 것을 특징으로 하는 목모보드.
제8항에서,
상기 건식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여,
상기 닥나무 섬유 및 시멘트를 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 과정으로 진행하고,
상기 습식 혼합 과정은, 통돌이식 믹서를 이용하여,
물 투입 후 50~70 초간 55~65 rpm의 저속 혼합 후, 25~35 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하고,
80~100 초간 정지 후, 상기 목모를 추가 투입하여 110~130 초간 90~100 rpm의 고속 혼합을 진행하는 순서로 실시되는 것을 특징으로 하는 목모보드.
제8항에서,
상기 가압 성형은, 상기 혼합 조성물을 판형 몰드에 투입한 후, 2,600~3,000 kgf의 하중을 100~140 초간 가하는 과정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 목모보드.
제8항에서,
상기 양생은, 20~25℃ 조건에서 2일간 진행하는 것을 특징으로 하는 목모보드.