KR20230172767A - 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법 및 가변적 투명도를 갖는 투명목재 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계; 상기 셀룰로오스 구조체에 액정 중합용 조성물을 주입하는 제 2단계; 및 상기 액정 중합용 조성물을 경화하는 제 3단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 가변적 투명도를 가져 상황에 따라 투명도를 제어할 수 있는 투명목재 제조방법에 관한 것이다.
목재는 오래동안 사용된 천연 재료로서, 기본 골격인 셀룰로오스를 포함하는 특징적인 구조를 가지고 있어 널리 사용되는 재료 중 하나이다. 특히 대다수의 목재는 나무에서 물 및 영양물질을 수송하기 위하여 수직으로 정렬된 관 구조를 포함하며, 이를 통해 물, 이온 및 기타 성분을 이송한다.
이러한 목재는 주로 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스 및 리그닌을 포함한다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 목재의 길이방향으로 관 형태로 정렬되어 있으며, 이러한 관의 평균 직경은 목재의 종류 및 나무의 크기 등에 따라 달라질 수 있다. 이렇게 정렬된 셀룰로오스 관 사이로 리그닌이 분포하며, 리그닌에 의해 목재가 강화되는 특징이 있으며, 이러한 목재의 셀룰로오스 구조를 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0090302호에서는 셀룰로오스 구조 사이에 폴리머를 주입하여 투명한 목재를 제조하는 제조방법이 개시되어 있으나, 이는 목재의 투명도만을 확보하였을 뿐이며 다른 기능을 포함하지 않는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 투명도의 제어가 가능하여, 필요에 따라 투명도를 높이거나 낮출 수 있는 투명목재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계강도가 우수하여 다양한 분야에 응용이 가능한 투명목재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열용량이 높은 투명목재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계;
상기 셀룰로오스 구조체에 액정 중합용 조성물을 주입하는 제 2단계; 및
상기 액정 중합용 조성물을 경화하는 제 3단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 온도에 따라 광투과도가 달라지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 액정 중합용 조성물은 시아노계 액정 화합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 시아노계 액정 화합물은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐, 4-시아노-4'-헥실바이페닐 및 4-시아노-4'-(2-메틸부틸)바이페닐에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 액정 중합용 조성물은 시아노계 액정 화합물을 20 내지 50 중량% 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 액정 중합용 조성물은 말단에 하기 화학식 1의 작용기를 2개 이상 포함하는 폴리티올계 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1은 탄소수 1 내지 5의 직쇄 또는 분쇄형 알킬렌기이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 액정 중합용 조성물은 경화제를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 제 1단계는, 염기 및 아황산염을 포함하는 처리용액으로 목재를 처리하는 염기 처리단계; 및
상기 처리용액으로 처리된 목재를 과산화수소수로 처리하는 과산화수소 처리단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 염기 처리단계에서 아황산염 : 염기의 몰비는 1:3 내지 10인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 염기 처리단계는 12 내지 60시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 과산화수소 처리단계에서 과산화수소수에 포함된 과산화수소 : 물의 중량비는 1:1 내지 5인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 과산화수소 처리단계는 10 내지 120분간 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 가변적 투명도를 갖는 투명목재를 제공하며, 본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 셀룰로오스 구조체; 및
상기 셀룰로오스 구조체에 충진된 액정 중합체;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재에서 상기 셀룰로오스 구조체는 목재로부터 유래된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 500 내지 800 ㎚의 파장 범위에서 최대 광투과도가 60% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 최대 광투과도와 최소 광투과도의 차이가 30% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 투명목재 제조방법은 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계; 상기 셀룰로오스 구조체에 액정 중합용 조성물을 주입하는 제 2단계; 및 상기 액정 중합용 조성물을 경화하는 제 3단계;를 포함하며, 제조되는 투명목재가 투명도 제어가 가능하여 필요에 따라 투명도를 높이거나 낮출 수 있으며, 기계강도가 우수하고 열용량이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제조예에 의한 투명목재의 온도에 따른 투명도 차이를 육안으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재에서 액정 화합물의 함량에 따른 상온조건에서 투명도를 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 의한 투명목재의 온도에 따른 투명도 차이를 육안으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재에서 나무의 종류 및 파장에 따른 광투과도 차이를 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재와 다른 소재의 열용량을 비교하고 이를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재에서 액정 화합물의 함량에 따른 상온조건에서 투명도를 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 의한 투명목재의 온도에 따른 투명도 차이를 육안으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재에서 나무의 종류 및 파장에 따른 광투과도 차이를 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 의한 투명목재와 다른 소재의 열용량을 비교하고 이를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계;
상기 셀룰로오스 구조체에 액정 중합용 조성물을 주입하는 제 2단계; 및
상기 액정 중합용 조성물을 경화하는 제 3단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법으로 제조된 투명목재는 가변적 투명도를 가져 광투과도를 조절할 수 있는 특징이 있다. 좋게는 상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 온도에 따라 투명도가 달라질 수 있으며, 구체적으로 온도가 높아질 경우 광투과도가 상승하여 투명도가 높아질 수 있다. 나아가, 본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법으로 제조된 투명목재는 일반 광중합 폴리머를 첨가한 경우와 대비하여 높은 기계적 물성을 갖는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에서 상기 액정 중합용 조성물은 시아노계 액정 화합물 및 폴리티올계 화합물을 포함할 수 있으며, 이러한 조성을 포함함으로써 상기 제 3단계에서 경화를 통해 최종적으로 가변적 투명도를 갖는 투명목재를 제조할 수 있다.
상기 시아노계 액정 화합물은 구체적으로 4-시아노-4'-펜틸바이페닐, 4-시아노-4'-헥실바이페닐 및 4-시아노-4'-(2-메틸부틸)바이페닐에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 이러한 시아노계 액정 화합물을 이용함으로써 외부 조건에 의하여 투명도를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 폴리티올 화합물을 단독으로 경화한 경우 대비 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법으로 제조된 투명목재는 시아노계 액정 화합물을 포함함으로써 가변적 투명도를 가지는 효과 뿐만 아니라, 시아노계 액정 화합물 투입에 의한 효과로 제조되는 투명목재의 기계적 물성이 향상되어 높은 기계강도를 갖는 특징이 있다.
상기 액정 중합용 조성물은 20 내지 45 중량%, 좋게는 25 내지 40 중량%의 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물의 함량이 낮은 경우 불투명도가 확보되지 못하여 투명도 제어가 어렵고 불균일한 투명도를 갖는 목재가 제조되는 문제점이 있으며, 액정 화합물을 다량 포함하는 경우 최대 광투과도 저하를 유발하여 투명도 제어가 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 액정 중합용 조성물은 말단에 하기 화학식 1의 작용기를 2개 이상 포함하는 폴리티올계 화합물을 함유할 수 있다.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1은 탄소수 1 내지 5, 좋게는 탄소수 1 내지 3의 직쇄 또는 분쇄형 알킬렌기이다.
액정 중합용 조성물이 상기 화학식 1의 작용기를 포함하는 폴리티올계 화합물을 포함함으로써 액정 화합물 혼합에 의한 투명도 저하를 예방하여, 높은 투명도를 갖는 투명목재를 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적인 일예로 상기 폴리티올계 화합물은 펜타에리스리톨 테트라키스(3-메르캅토 프로피온산)에스테르, 트리메틸올프로판 트리스(3-메르캅토 프로피오네이트), 에틸렌글리콜 비스(3-메르캅토 프로피오네이트) 및 펜타에리스리톨 테트라키스(메르캅토 아세테이트)에스테르에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 이러한 폴리티올계 화합물을 이용함으로써 투명목재의 최대 투명도를 현저히 향상시킬 수 있다.
상세하게는 상술한 폴리티올계 화합물을 혼합하여 투명목재를 제조하는 경우 제조되는 투명목재는 광투과도가 가장 높은 조건에서 500 내지 800 ㎚의 파장의 평균 광투과도가 60% 이상, 좋게는 65% 이상일 수 있다. 이러한 높은 광투과도에 따라 목재를 통과한 빛을 통하여 물체 등을 쉽게 식별할 수 있다. 이때, 상기 광투과도가 가장 높은 조건은 구체적으로 50 내지 80 ℃, 더욱 구체적으로는 60 내지 75℃의 온도범위 일 수 있다. 또한 본 발명에서 정의하는 광투과도는 두께가 2 ㎜인 투명목재를 기준으로 한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법으로 제조된 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 광투과도가 가장 낮은 조건에서 500 내지 800 ㎚의 파장의 평균 광투과도가 40% 이하, 좋게는 37% 이하일 수 있다. 이때, 상기 광투과도가 가장 낮은 조건은 구체적으로 20 내지 30 ℃의 온도범위 일 수 있다.
나아가, 상기 투명목재는 광투과도가 가장 높은 조건 및 가장 낮은 조건에서 500 내지 800 ㎚의 평균 광투과도 차이가 30% 이상, 좋게는 33% 이상일 수 있으며, 이러한 차이에 의하여 투명목재를 통해 투과되는 광의 식별여부가 달라질 수 있다.
상기 액정 중합용 조성물은 상기 폴리티올계 화합물을 35 내지 65 중량%, 좋게는 45 내지 60 중량% 포함할 수 있다. 폴리티올계 화합물을 소량 포함하는 경우 투명도 확보가 어려우며, 폴리티올계 화합물을 다량 포함하는 경우 기계강도가 저하되고 투명도 제어가 어려울 수 있다.
상기 액정 중합용 조성물은 경화제를 더 포함하며, 경화제는 상기 액정 화합물 및 폴리티올계 화합물을 경화시킬 수 있는 경화제를 이용할 수 있다. 좋게는 상기 경화제는 트리아릴 이소시아누레이트를 이용할 수 있다. 트리아릴 이소시아누레이트를 경화제로 이용함으로써 높은 투명도를 확보하고 균일하고 빠른 경화를 수행할 수 있다.
상기 액정 중합용 조성물은 상기 경화제를 15 내지 30 중량%, 좋게는 15 내지 22 중량% 포함할 수 있으며, 경화제를 소량 포함할 경우 충분한 경화가 어려울 수 있고, 경화제를 다량 포함할 경우 투명목재의 투명도가 낮아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계를 포함한다.
구체적으로 상기 제 1단계는 염기 및 아황산염을 포함하는 처리용액으로 목재를 처리하는 염기 처리단계; 및
상기 처리용액으로 처리된 목재를 과산화수소수로 처리하는 과산화수소 처리단계;를 포함한다.
상기 처리용액에서 아황산염 : 염기의 몰비는 1:3 내지 10, 구체적으로는 1: 4 내지 8 이며, 아황산염의 농도는 0.2 내지 0.6 mol/L일 수 있다. 상기 아황산염 : 염기의 몰비 및 아황산염의 농도를 만족함으로써, 리그닌 제거 효율을 극대화하여 잔류 리그닌에 의한 목재의 투명도 저하를 예방할 수 있다.
상기 염기는 수산화나트륨 및 수산화칼륨에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 아황산염은 아황산나트륨 및 아황산칼륨에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 염기 처리단계는 리그닌 제거 효율을 향상시키면서도, 가혹한 조건에 의한 셀룰로오스의 손상을 예방하기 위항 90 내지 110 ℃, 12 내지 60시간 동안 수행될 수 있다. 상기 염기 처리단계의 온도가 낮거나 처리시간이 짧은 경우 리그닌이 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 상기 염기 처리단계의 온도가 높거나 처리시간이 긴 경우 셀룰로오스의 손상으로 인하여 제조되는 투명목재의 기계강도 저하를 유발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 상기 염기 처리단계 후, 목재에 잔류하는 염기 및 아황산염을 제거하는 세척단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 세척단계를 거침으로써 상기 과산화수소 처리단계에 영향을 미치는 것을 방지하고 잔류 리그닌을 함께 제거할 수 있다. 이때 세척은 증류수 또는 탄소수 1 내지 3의 알코올을 이용하여 1 내지 10회 수행될 수 있으며, 다만 상기 과산화수소수 처리단계의 수행 전 마지막 세척은 증류수를 이용하여 세척할 수 있다.
상기 제 1단계는 염기 처리단계에서 처리용액으로 처리된 목재를 과산화수소수로 처리하는 과산화수소 처리단계를 포함한다. 이러한 과산화수소 처리단계를 포함하여 잔류 리그닌을 한번 더 제거하며, 표백 작용을 통해 셀룰로오스 구조체를 표백하여 최종적으로 제조되는 투명목재의 투명도를 현저히 향상시킬 수 있다.
이때 상기 과산화수소수에 포함되는 과산화수소 : 물의 중량비는 1: 1 내지 5, 구체적으로는 1:2.5 내지 4일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 과산화수소수를 이용하여 표백함으로써, 본 발명의 일 실시예에 의한 투명목재의 500 내지 800 ㎚ 파장 범위에서 최대 광투과도가 60% 이상일 수 있다. 물이 적정범위보다 다량 첨가되는 경우 표백이 충분히 이루어지지 않아 투명도 저하가 발생할 수 있으며, 물이 소량 첨가되는 경우 셀룰로오스 조직의 손상 등으로 인하여 투명목재의 인장강도 및 유연성 등의 저하가 발생할 수 있다.
상기 과산화수소 처리단계는 85 내지 110 ℃에서 10분 내지 120분간 수행될 수 있으며, 이러한 범위에서 셀룰로오스 조직의 손상 없이 표백과 함께 잔류하는 리그닌의 제거가 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법은 상기 과산화수소 처리단계 후, 목재를 세척하고 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 세척은 증류수를 이용하여 수행될 수 있고, 상기 건조는 세척 후 증류수를 제거할 수 있는 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 가변적 투명도를 갖는 투명목재를 제공한다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 상술한 본 발명의 일 실시예에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 셀룰로오스 구조체; 및 상기 셀룰로오스 구조체에 충진된 액정 중합체;를 포함한다.
본 발명에 의한 가변적 투명도를 갖는 투명 목재는 충진된 액정 구조체에 의하여 조건에 따라 투명도가 달라질 수 있으며, 이러한 조건에 따른 투명도 변화에 의하여 다양한 분야에 응용 가능한 장점이 있다.
상기 셀룰로오스 구조체는 목재로부터 유래된 것일 수 있으며, 구체적을 목재에서 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 제거하는 방법으로 제조된 것일 수 있으며, 구체적인 리그닌 및 헤미셀룰로오스 제조방법은 상술한 셀룰로오스 구조체를 제조하는 단계와 같을 수 있다.
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재에 포함된 목재 : 액정 중합체의 중량비는 1:3 내지 8, 구체적으로는 1:4 내지 7일 수 있다.
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 500 내지 800 ㎚의 파장 범위에서 최대 광투과도가 60% 이상, 좋게는 65% 이상, 일 수 있으며, 최대 광투과도와 최소 광투과도의 차이가 30% 이상일 수 있다. 이러한 투명도 차이에 의하여 투명목재 너머 물체의 식별 여부를 제어할 수 있는 특징이 있다.
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 변형률이 1.4 내지 4.5%일 수 있으며, 인장강도가 18 내지 30 MPa, 좋게는 20 내지 25 MPa일 수 있고, 탄성계수가 8 내지 15 MPa이며, 인성이 15 내지 35 Jm-3일 수 있다.
가변적 투명도를 갖는 투명목재는 특히 인장강도가 우수한 특징이 있으며, 액정 화합물을 혼합하지 않고 폴리티올 화합물만을 중합한 경우 대비 15% 이상, 좋게는 18% 내지 30%, 더욱 좋게는 20 내지 28% 향상된 인장강도를 갖는 특징이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1-1]
1.셀룰로오스 구조체의 제조
20㎜×20㎜×2㎜인 Balsa wood 조각을 준비하고, 80 ℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 Balsa wood 조각을 NaOH(2.5mol/L)와 Na2SO3(0.4mol/L)가 포함된 끓는 수용액에 함침하여 36시간 동안 방치한 뒤, 증류수로 3회 세척하였다. 이후, 과산화수소:증류수의 비율이 1:3인 끓는 용액에 목재를 1시간 동안 함침한 후, 냉수로 세척하고 에탄올로 3회 추가 세척하였다. 세척된 목재 시편을 건조하여 리그닌이 제거되고 셀룰로오스 구조체가 남은 목재를 제조하였다.
2. 투명목재의 제조
액정 화합물로 4-시아노-4'-펜틸바이페닐 30 중량%, 폴리티올계 화합물로 Pentaerythritol tetrakis(2-mercaptoacetate) 51.1 중량% 및 경화제로 트리아릴 이소시아누레이트(Triallyl Isocyanurate) 18.9 중량%를 혼합하여 액정 중합용 조성물을 제조하였다. 제조된 액정 중합용 조성물에 아세톤을 첨가하여 희석하였으며, 이때 아세톤은 전체 대비 6 중량%가 되도록 첨가하였다.
아세톤이 첨가된 액정 중합용 조성물을 앞서 제조된 셀룰로오스 구조체에 주입한 뒤, 건조 환경에서 UV를 조사하여 액정 중합용 조성물을 중합하였다.
[제조예 2]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, Balsa wood 대신 참피나무 조각을 이용하여 투명목재를 제조하였다.
[제조예 3]
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, Balsa wood 대신 소나무 조각을 이용하여 투명목재를 제조하였다.
액정 화합물 함량에 따른 투명도 변화
제조예 1과 같은 방법으로 제조하되, 액정 화합물의 함량을 표 1과 같이 달리하며, 폴리티올계 화합물 및 경화제는 액정 화합물을 제외한 잔부를 73 : 27의 중량비로 나누어 투입하여 액정 중합용 조성물을 제조하였다. 이후, 제조된 액정 중합용 조성물을 이용하여 투명목재를 제조하였다.
| 액정 화합물(중량%) | |
| 제조예 1-1 | 30 |
| 제조예 1-2 | 45 |
| 제조예 1-3 | 5 |
| 제조예 1-4 | 10 |
| 제조예 1-5 | 20 |
먼저 제조예 1-1에서 제조된 투명목재에 대하여 온도에 따른 투명도 변화를 육안으로 관찰하고 그 결과를 도 1로 나타내었다. 도 1에서 좌측은 온도가 25 ℃인 조건이며, 우측은 70 ℃인 조건에서의 투명도를 관찰한 것이다.
도 1을 참고하면, 온도가 낮은 경우 투명목재 뒤에 물체가 전혀 식별되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 온도가 높은 경우 투명목재 뒤에 물체가 명확하게 식별되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제조예 1-1 내지 1-5에서 제조된 투명목재를 25 ℃에서 액정 화합물의 함량에 따라 배열하고 육안으로 관찰한 결과를 도 2로 나타내었다.
도 2를 참고하면, 액정 화합물 함량이 20 중량% 이하인 경우, 투명목재 뒤에 있는 물체가 쉽게 식별되며 균일한 투명도를 갖지 않는 것을 확인할 수 있으며, 30 중량% 이상인 경우 만이 뒤에 위치한 물체가 식별되지 않는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 투명목재 뒤에 위치한 물체가 식별되지 않는 제조예 1-2(액정 화합물 함량이 45 중량%)인 경우 온도 변화에 따른 투명도 변화를 관찰하고 그 결과를 도 3으로 나타내었다.
도 3을 참고하면, 제조예 1-2의 경우 낮은 온도에서 뒤에 위치한 물체가 식별되지 않으나, 높은 온도에서도 투명도가 크게 높아지지 않아 투명도 확보가 어려운 것을 확인할 수 있다.
투명도의 수치적 비교
구체적으로, 액정 화합물을 30 중량% 포함하는 액정 중합용 조성물로 제조한 투명목재인 제조예 1-1, 액정 화합물을 50 중량% 포함하는 액정 중합용 조성물로 제조한 투명목재인 제조예 1-6에 대하여, 최대 광투과도 조건 및 최소 광투과도 조건에서의 500 내지 800 ㎚ 범위에서 평균 광투과도를 계산하고 그 결과를 표 2로 나타내었다.
| 액정 화합물(중량%) | 평균 광투과도(%) | ||
| 최대 광투과도 | 최소 광투과도 | ||
| 제조예 1-1 | 30 | 81.6 | 23.5 |
| 제조예 1-6 | 50 | 50.5 | 36.2 |
나무 종류에 따른 투명도 차이 확인
제조예 1-1(a), 제조예 2(b) 및 제조예 3(c)에서 제조된 투명목재에 대하여 각각 70 ℃ 및 25℃에서 파장에 따른 광투과도를 관찰하고 그 결과를 도 4로 나타내었다.
도 4를 참고하면, 나무의 종류에 따라 낮은 온도에서의 광투과도에서는 다소 차이를 보이지만, 대부분 500 내지 800 nm 파장 범위에서 30% 이하의 평균 광투과도를 보이며, 높은 온도에서는 동일 파장 범위에서 70% 이상의 광투과도를 나타냄을 확인할 수 있다.
액정 화합물 투입에 따른 기계강도 변화
Balsa wood 조각(천연나무로 표시함), 제조예 1-1과 같은 방법으로 제조하되, 액정 화합물을 첨가하지 않고 나머지 조성만을 혼합한 뒤, 셀룰로오스 구조체에 주입하여 제조한 투명목재(UV polymer로 표시함) 및 제조예 1-1에서 제조된 투명목재에 대하여 기계강도를 측정하고 그 결과를 하기 표 3으로 나타내었다.
| Balsa wood | 변형률(%) | 인장강도(MPa) | 탄성계수(MPa) | 인성(J m-3) |
| 천연나무 | 0.65 | 13.48 | 21.19 | 4.40 |
| UV polymer | 5.21 | 18.26 | 3.85 | 47.59 |
| 제조예 1-1 | 2.00 | 22.65 | 11.27 | 22.59 |
위와 같은 실험 방법으로 제조예 1-2의 참피나무, 1-3의 소나무에 대하여 동일한 조건에서 기계강도를 측정하고 하기 표 4 및 5로 나타내었다.
| 참피나무 | 변형률(%) | 인장강도(MPa) | 탄성계수(MPa) | 인성(J·m-3) |
| 천연나무 | 1.09 | 15.56 | 18.60 | 8.51 |
| UV polymer | 5.21 | 18.26 | 3.85 | 47.59 |
| 제조예 1-1 | 2.00 | 22.65 | 11.27 | 22.59 |
| 소나무 | 변형률(%) | 인장강도(MPa) | 탄성계수(MPa) | 인성(J m-3) |
| 천연나무 | 0.74 | 14.91 | 20.28 | 5.51 |
| UV polymer | 5.21 | 18.26 | 3.85 | 47.59 |
| 제조예 1-1 | 2.00 | 22.65 | 11.27 | 22.59 |
표 3 내지 5를 참고하면, 천연나무와 대비하여 폴리머를 주입한 경우 변형률, 인장강도 및 인성이 전체적으로 향상됨을 확인할 수 있으며, UV polymer만을 주입한 경우 탄성계수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
나아가 제조예 1-1에서 제조된 투명목재의 경우 UV polymer만을 주입한 경우와 대비하여 인장강도 및 탄성계수가 현저히 향상됨을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 액정 화합물의 주입이 가변적 투명도를 확보할 뿐만 아니라 기계강도를 높이는 시너지 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
투명목재의 열용량 확인
투명목재의 열용량을 확인하기 위하여, 제조예 1-1에서 제조된 투명목재를 40 ℃ 까지 승온한 후, 상온 조건에서 시간에 따른 온도 변화를 확인하고 그 결과를 도시한 것이다.
다른 소재와의 비교를 위하여 제조예 1-1과 같은 방법으로 제조하되, 액정 화합물 없이 중합한 샘플 및 유리를 함께 대비하고 그 결과를 도 5로 나타내었다.
도 5를 참고하면, 제조예 1-1에 의한 투명목재의 열흡수가 가장 느리지만 열용량이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
Claims (16)
- 목재에서 리그닌을 제거하여 셀룰로오스 구조체를 제조하는 제 1단계;
상기 셀룰로오스 구조체에 액정 중합용 조성물을 주입하는 제 2단계; 및
상기 액정 중합용 조성물을 경화하는 제 3단계;를 포함하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 온도에 따라 광투과도가 달라지는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 액정 중합용 조성물은 시아노계 액정 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 3항에 있어서,
상기 시아노계 액정 화합물은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐, 4-시아노-4'-헥실바이페닐 및 4-시아노-4'-(2-메틸부틸)바이페닐에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 3항에 있어서,
상기 액정 중합용 조성물은 시아노계 액정 화합물을 20 내지 50 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 액정 중합용 조성물은 말단에 하기 화학식 1의 작용기를 2개 이상 포함하는 폴리티올계 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법.
[화학식 1]
(화학식 1에서 R1은 탄소수 1 내지 5의 직쇄 또는 분쇄형 알킬렌기이다.) - 제 1항에 있어서,
상기 액정 중합용 조성물은 경화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1단계는,
염기 및 아황산염을 포함하는 처리용액으로 목재를 처리하는 염기 처리단계; 및
상기 처리용액으로 처리된 목재를 과산화수소수로 처리하는 과산화수소 처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 염기 처리단계에서 아황산염 : 염기의 몰비는 1:3 내지 10인 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 염기 처리단계는 12 내지 60시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 과산화수소 처리단계에서 과산화수소수에 포함된 과산화수소 : 물의 중량비는 1:1 내지 5인 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 제 8항에 있어서,
상기 과산화수소 처리단계는 10 내지 120분간 수행되는 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재 제조방법. - 셀룰로오스 구조체; 및
상기 셀룰로오스 구조체에 충진된 액정 중합체;를 포함하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재. - 제 13항에 있어서,
상기 셀룰로오스 구조체는 목재로부터 유래된 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재. - 제 13항에 있어서,
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 500 내지 800 ㎚의 파장 범위에서 최대 광투과도가 60% 이상인 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재. - 제 13항에 있어서,
상기 가변적 투명도를 갖는 투명목재는 500 내지 800 ㎚의 파장 범위에서 최대 광투과도와 최소 광투과도의 차이가 30% 이상인 것을 특징으로 하는 가변적 투명도를 갖는 투명목재.
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