WO2020050439A1

WO2020050439A1 - 파라핀 강화 목재와 그 제조방법

Info

Publication number: WO2020050439A1
Application number: PCT/KR2018/010498
Authority: WO
Inventors: 정만섭; 장두순
Original assignee: 정만섭
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12
Also published as: US20210260788A1; CN112566763A; CA3110306A1; AU2018440465A1

Abstract

본 발명은 파라핀 강화 목재와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연 목재 내부에 용해된 파라핀을 진공 함침시켜서 가공함으로써, 목재 내에 수분의 침투를 방지하고 목재의 내구성과 내부식성을 증대시켜서 각종 데크목(Dec-Wood)이나 농업용 지주목, 수상지주목 등으로 매우 유용한 친환경적인 파라핀 강화 목재와 이를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

파라핀 강화 목재와 그 제조방법

목재는 천연재료가 가지는 가볍고 가공이 용이한 장점이 있어서 다양한 구조물에 가장 친환경적인 재료로 인정받고 있다. 그러나 다른 한편으로는 천연재료이기 때문에 조달에 한계가 있고, 많은 장점에도 불구하고 수분에 약하고 부패하기 쉬워서 내성과 강성이 그다지 강하지 못하므로 경제적인 면에서 사용에 제한이 있고, 장기간 유지해야 하는 구조물에 적용하기 어려운 재료적인 결점도 있는 문제가 있다.

이러한 목재의 재료상의 문제가 있지만, 목재는 구조물의 재료로 가장 선호하고 있는 재료 중의 하나이다.

그러므로 종래에 이와 같은 목재의 사용 수명을 길게 하기 위한 다양한 기술이 적용되고 있는바, 목재의 사용 수명을 연장시키는 방부처리 기술은 오래전부터 널리 이용되었던 철도 침목의 방부처리 기술이 대표적이다. 철도 침목의 경우 크레오소트유 가압 함침법이나 중금속이 함유된 살균 방부액의 서용 등의 기술이 적용되고 있다. 그 외에도 유사한 방법으로 아마인유 등 각종 오일 성분으로 목재를 가공 처리하는 기술도 제안되어 있다.

그러나 이러한 철도 침목과 같은 목재 가공기술이나 각종 오일 성분으로 목재를 처리하는 경우 목재 수명은 상당 기간 연장할 수 있지만 가공처리에 적용된 물질로 인해 환경이 2차 오염이 발생하고 환경 오염물질로 인해 수질오염으로 이어져서 최근에는 이러한 가공물질의 사용이 금지되고 있으며, 오일 성분의 처리방법도 한계를 보이고 있다.

이런 문제로 인해 목재에 관한 새로운 가공기술이 나타나고 있는데, 방부 함침액 등의 사용에 의한 가공처리가 금지되어 이를 대체하기 위한 새로운 기술로 목재의 표면을 처리하는 기술이 다양하게 제안되어 있다.

목재의 표면 처리 기술로는 간단하게 목재 표면을 도료로 피복 처리하는 방법, 열 압축 처리하는 방법, 고온 열화 처리하는 방법, 수용성 멜라민이나 에폭시 수지, 수용성 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지 등 각종 수지를 목재 조직 내에 주입시켜서 경화시키는 방법 등 매우 다양한 방법들이 제안되고 연구되어 오고 있으며, 이러한 가공 목재의 제조기술에 대하여 실제 제품으로 개발하여 생산되고 있다.

그 중에서 최근 목재의 가공방법으로, 천연 목재가 아닌 목재 부산물을 이용하는 합성목재 제조 기술도 다수 제안되어 있어서, 목분과 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 등을 혼합한 제품이 방부목 대체재로 상품화되어 야외 설비의 데크목으로 널리 사용되고 있다. 이러한 합성목재 제품은 천연목재와 유사한 느낌의 질감은 유지하면서도 천연목재의 단점인 열, 습도, 휨, 뒤틀림 등에 약한 점을 보완한 천연목재 질감의 자재로 그 활용이 널리 확산되고 있으며, 천연목재 부산물의 재활용이나 내구성 목재의 대체재라는 점에서 각광을 받고 있다.

그러나 이런 합성목재는 그 적용 분야가 확장됨에도 불구하고, 제품이 쉽게 휘어지거나 틀어지는 문제가 여전히 남아 있고 특히 화학물질에 의한 환경적 문제도 있어서, 모든 구조물로 널리 적용하기 어렵고 특히 식생활에 관련된 인삼 재배 지주묙이나 기타 농업용 지주목으로도 사용할 수 없는 문제가 있다.

종래에 천연목재 가공 방법으로, 한국공개특허 제10-2013-0076535호에서는 표면이 연마 처리된 나무 판재의 표면에 파라핀을 도포하는 표면 도포공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파라핀을 이용한 나무 판재의 무늬결 형성 방법에 제안되어 있고, 한국등록특허 제10-0650347호에서는 트럭상용차 적재함용 프레임 목재에 파라핀 용해액을 코팅처리 함으로써, 상기 트럭상용차 적재함용 프레임 목재 표면 및 내부에 도막을 형성하여 대기중 습도, 건도의 변화에 따른 목재에 수분의 침투를 차단시켜 상기 목재 표면에 내구성을 향상시켜 목재의 기능적 수명을 연장하는 기술이 제안되어 있다.

그러나 이러한 목재 가공처리 기술은 목재의 표면처리로 일부 수명연장 효과는 얻을 수 있으나, 목재 고유의 성질로 인한 방부 효과를 얻기에는 한계가 있으며, 본질적인 내구성 향상을 이루지 못하는 문제는 여전하게 남아 있어서 이에 관한 개선이 요구되고 있다.

또한, 데크목이나 농업용 지주목 등에 유용한 천연목재를 친환경적으로 가공 처리하여 목재의 내구성이 개선시킬 수 있는 새로운 가공기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

{선행기술문헌}

{특허문헌}

(특허문헌 1) 한국공개특허 제10-20103-0076535호

(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-0650347호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 개선 요구를 충족시키기 위하여, 기존의 천연목재에 대한 가공기술을 단순한 표면처리를 벗어나 친환경적이면서도 근본적으로 목재의 내구성을 개선시키는 새로운 목재 가공 기술과 이렇게 제조되는 강화 목재의 제공을 해결과제로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 목재의 내부까지 완전하게 내구성, 방부성 물질인 파라핀을 침투시켜서 내구성과 강도를 향상시킨 새로운 구성의 파라핀 강화 목재를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 친환경적이면서도 내구성이 강한 가공목재를 제조하기 위해, 천연 목재 내부에 용해된 파라핀을 진공 함침시켜서 목재 내에 수분의 침투를 방지하고 목재의 내구성과 내부식성을 증대시킨 파라핀 강화 목재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 파라핀 강화 목재로 이루어진 친환경 농업용 지주목을 제공하는 데 있다.

위와 같은 과제 해결을 위하여, 본 발명은 진공처리로 수분과 유기산 함유 셀룰로오스, 휘발성분이 실질적으로 제거된 천연 목재에 파라핀이 함침되어 있되 목재 내부의 기공을 포함한 목재의 내부 조직 전체에 파라핀이 함침되어 이루어진 파라핀 강화 목재를 제공한다.

또한, 본 발명은 천연목재를 절단 가공하는 단계; 절단된 목재를 예비 가열처리하여 건조하는 단계; 건조된 목재를 진공 챔버에 유입시켜 진공 처리하는 단계; 용해된 액상의 파라핀을 진공챔버에 주입하여 진공 처리된 목재에 파라핀을 함침시키는 단계; 파라핀이 함침된 목재를 꺼내어 냉각시키는 단계를 포함하는 파라핀 강화 목재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 파라핀 강화 목재를 제조하기 위한 장치로서, 진공챔버와 파라핀 보일러 및 진공펌프를 구비하되 진공챔버는 목재를 진공 함침시키기 위한 내부 공간을 가지며 진공펌프와 연결되어 있고, 상기 파라핀 보일러는 진공챔버에 파라핀 용액을 주입할 수 있는 주입라인 및 진공챔버에서 함침되고 남은 파라핀 용액을 배출하는 배출라인과 연결되어 있으면서, 파라핀을 용융 상태로 가열하여 용액화하는 파라핀 가열수단을 포함하며, 상기 진공펌프는 진공챔버 내부의 진공상태를 조절함에 따라 작동되도록 상기 진공펌프에 연결 설치된 구조를 포함하는 파라핀 강화 목재의 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 제조된 파라핀 강화 목재로 이루어진 친환경 농업용 지주목을 포함한다.

본 발명에 따른 파라핀 강화 목재는 기존의 표면 처리나 오일 함침목과는 달리 내구성이 우수하고 강도도 우수하며, 특히 친환경적이므로 각종 데크목이나 야외 구조물, 농업용 지주목 등으로 널리 활용할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따른 파라핀 강화 목재는 목재의 수분이나 휘발성분 등을 건조 및 진공 처리하여 제거하고 그 기공에 파라핀이 함침되어 있어서 내구성이 기존에 비해 월등하게 우수하면서도 강도 역시 우수하여 외기 환경이나 물, 토양 등에 오래 견딜 수가 있고 인체에 무해한 친환경 성분으로 가공처리된 것이므로, 인삼재배 지주목 등과 같은 오랜 시간 견뎌야 하는 농업용, 산업용 구조물에 매우 적합하게 이용될 수 있는 새로운 소재로 적용 가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 이러한 친환경 목재의 제공으로 기존의 환경 문제를 개선하면서도 목재 수요를 장기간 유지할 수 있는 자연 친화적인 기술이므로 임업 진흥에도 크게 이바지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 파라핀 함침 전 목재와 본 발명에서 따른 진공함침 후 파라핀 강화 목재 시험편의 목재 표면 사진 및 부분 확대 사진을 비교한 것이다.

도 2a와 도 2b는 파라핀 함침 전 목재(도 2a)와 본 발명에서 따른 진공함침 후의 파라핀 강화 목재 시험편(도 2b)의 현미경 사진이다.

도 3은 본 발명에 따른 파라핀 강화 목재의 제조를 위한 제조장치를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 발명에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에서, 목재 내부의 기공을 포함한 목재의 내부 조직 전체에 파라핀이 함침되었다는 것은 목재가 진공처리 상태에서 목재 내부에서 수분 등이 제거된 공간의 전체에 걸쳐서 파라핀이 침투되어 목재의 표면뿐만 아니라 내부까지 전체에 대해 파라핀의 함침이 이루어진 현상을 의미하는 것이다.

본 발명은 천연 목재의 활용성으로 높이기 위해 목재의 표면 처리 기술을 크게 개선하여 천연목재를 환경 친화적 물질인 파라핀으로 진공 함침시켜서 내구성 등 천연목재의 물성을 새롭게 개선함으로써, 장기간 사용에도 목재의 물성과 친환경성을 유지하여 목재의 활용성을 크게 개선한 것이다.

본 발명에서 사용된 파라핀왁스는 일반적으로는 윤활성이 있는 석유 원료를 탈랍해서 얻으며, 양초, 납지, 광택제, 화장품, 전기절연체 등로 사용한다. 파라핀 왁스는 꽃에서 향료를 추출하는 것을 돕고, 의료용 연고의 주성분이며, 나무의 방수용 도장제로도 사용된다. 파라핀(paraffin)은 C_nH_2n ₊₂(n≥19)의 화학식으로 표현되는 알칸 탄화수소를 두루 일컫는다. 물에 녹지 않으나 에테르나 벤젠, 에스테르에는 녹는다. 파라핀은 20 혹은 40개의 탄소분자로 이루어진 탄화수소분자의 혼합물로 석유나 석탄, 오일셰일에서 도출된 하얗고 색깔 없는 부드러운 고체로서, 고체의 파라핀을 파라핀왁스라고 한다.

이러한 파라핀왁스는 인체에서 소화 또는 흡수되지 않고, 각종 독성 실험결과 대부분 독성이 없고 특수한 경우 미미한 독성이 나타나는 정도이므로 친환경 성향의 물질로 알려져 있다. 파라핀왁스는 대표적인 비수용성 물질로서, 무색무취이며, 끓는점은 약 370℃ 이상이고, 상온에서 고체이지만 녹는점은 50-57℃ 정도이므로 일반적인 야외 조건에서는 잘 녹지 않는다.

이와 같이 본 발명에서 사용된 파라핀은 목재에 함침 처리하게 되면 상온에서 고체이기 때문에 주변을 오염시킬 염려가 전혀 없고, 독성이 없는 물질로 알려져 있어서 이런 파라핀으로 진공함침된 목재의 경우 친환경 목재로 사용이 가능하다. 특히, 독성에 매우 민감하고 기후 환경에 노출된 상태로 내구성과 가공성, 작업성 등을 필요로 하는 농업용 지주목으로 예컨대 인삼재배 지주목 등으로 사용하기에 매우 적합하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 천연목재에 침지되는 파라핀은 용해된 상태에서 진공함침에 의해 목재 내에 형성된 기공에 전체적으로 침투하여 목재의 심부까지 존재하여 실질적으로 목재의 전체 부피에 존재하게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 파라핀의 목재 내부 침투를 위해 목재를 건조한 다음 진공 처리하여 목재 내부에 존재하는 수분, 유기산 함유 셀룰로오스 및 목초액 등 휘발성분을 제거한 다음 이렇게 수분 등이 제거되어 형성된 목재 내부 기공에 액상의 파라핀을 진공 함침시켜서 기공 내부까지 파라핀이 침투된 형태로 제조된 것이다. 그러므로 실질적으로는 진공함침 후에는 목재 내부의 각 조직의 전체에 걸쳐서 파라핀이 함침된 상태를 가진다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 파라핀 강화 목재는 천연목재로 사용되는 목재의 종류에 따라 상이하지만 그 함침 목재 내부에 2.0-50.0중량%로 파라핀을 함유할 수 있다, 만일 그 함량이 너무 적으면 내구성 등 좋지 않아서 발명의 목적 달성이 어렵고, 너무 과다하게 함유되면 내수성과 방부 효과는 우수하지만 오히려 목재의 강도가 저하될 수 있고 또 함침 주입이 곤란한 제조공정 상의 어려운 문제가 있어서 바람직하지 않다. 이러한 파라핀의 함침량은 목재의 종류에 따라 그 세포성상이나 모양으로 인해 달라질 수 있는데, 바람직하게는 천연목재가 침엽수의 경우는 그 목질 특성상 활엽수에 비해 파라핀의 함량이 적게 함유될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 본 발명에 사용되는 천연목재로는 일반적으로 각목재로 사용 가능한 목재는 모두가 적용 가능하다. 본 발명에서 사용 가능한 목재로서는 예컨대 낙엽송, 소나무, 참나무, 아피통, 뉴송, 라디에타 파인(Radiata Pine) 등이 바람직하게 적용 가능하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 천연목재에 파라핀을 함침시켜서 파라핀이 함침된 강화 목재를 제조하기 위해서는 다음과 같은 공정으로 제조할 수 있다.

우선, 가공하기 위한 천연목재를 선정하여 절단 가공하는 단계를 거친다. 이러한 절단목재는 통상의 방법으로 용도에 따라 크기를 정하여 각목재, 원통목재, 일정 두께의 판재형 목재 등으로 제조할 수 있는데, 전형적으로 각목재로 가공될 수 있다. 목재 가공은 예컨대 수십 mm 내지 수백 mm로 절단 가공될 수 있지만, 그 두께가 너무 두꺼우면 진공 처리와 함침 처리에 시간이 너무 과도하게 소요되므로 바람직하지 않다. 바람직하게는 수십 mm 내외의 두께, 예컨대 가장 좋기로는 10-50mm 정도의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 절단 목재 제조 전에 또는 제조 후에 건조하여 수분 함량이 적을 목재를 가지고 진공 함침 처리하는 것이 바람직하다. 만일, 수분을 많이 함유하고 있는 목재를 그대로 진공 처리하게 되면 많은 양의 수분과 휘발성분을 한꺼번에 진공 제거 처리해야 하므로 진공처리에 어려움이 발생할 수 있다. 그러므로 우선 건조를 통해 수분 함량이 8-15중량% 이하의 정도가 되도록 건조한 목재를 가공 목재로 사용하는 것이 바람직하다.

이렇게 절단된 목재는 어느 정도 건조가 된 것이지만, 진공 처리하기 이전에 우선 절단된 목재를 예비 가열처리하여 건조하는 단계를 거치는 것이 바람직하다.

여기서, 건조되고 절단된 목재를 미리 가열처리하는 것은 진공처리를 용이하게 하기 위함이다. 이때의 예비 가열처리는 100-200℃, 더욱 좋기로는 110-130℃의 온도조건에서 2-10시간 건조하여 목재의 심부까지 건조가 잘 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 만일, 그 온도가 너무 낮으면 목재 내부에서 발생하는 여러 가스에 의해 파라핀 용액의 함침량이 낮아지고, 너무 높으면 작업성이 저하되거나 불필요한 가열 조건에 의해 비경제적이다.

또한, 이렇게 예비 가열된 목재는 식어서 냉각되기 전에 바로 진공처리를 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 가열처리된 건조목을 진공 챔버에 유입시켜 진공 처리하는 단계를 거쳐서 목재를 진공 처리한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 진공조건은 약 0.01-5.0 torr, 더욱 좋기로는 0.1-1.0 torr의 진공도에서 시행하는 것이 바람직하다. 이렇게 진공처리를 하게 되면, 목재 내부에 함유된 잔여 수분이 실질적으로 거의 다 제거되며, 또 수분과 더불어서 유기산이 함유된 셀룰로오스와 목초액 등 각종 휘발성분들도 모두 제거될 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 상기 진공도를 유지한 채 약 3-20분 정도, 더욱 바람직하게는 5-10분 정도 유지하는 것이 바람직하다.

다른 한편으로, 상기 목재에 주입할 파라핀왁스는 별도로 준비하고 가열처리하여 용해시켜서 용액 상의 파라핀으로 미리 준비하여 둘 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 용해된 액상의 파라핀을 진공처리된 목재에 주입하여 목재를 파라핀에 함침시키는 단계를 거친다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 파라핀의 목재 내 함침공정은 진공챔버 내에서 진공흡입 방법으로 주입하거나 별도의 파라핀 이송펌프를 이용하는 가압 방법으로 주입하여 함침되도록 할 수 있다. 이 과정에서 진공흡입은 상기 진공도 이상의 진공도를 그대로 유지하면서 시행할 수 있다. 또한, 온도 역시 상기 온도를 그대로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 여기서 사용되는 용액상의 파라핀은 100-150℃, 더욱 좋기로는 110-125℃의 액상 파라핀을 주입하여 목재 내 심부까지 함침되도록 할 수 있다. 파라핀왁스는 고체 상태에서 용해온도가 43-95℃이지만, 용해시에 그 온도가 너무 낮으면 점도가 커서 진공 함침이 어렵고, 너무 높으면 작업성이 저하되고 에너지 소모가 불필요하게 과다하므로 바람직하지 않다.

여기서 사용되는 진공챔버와 파라핀왁스 용해를 위한 용해로는 외부에 배기계와 용해로에서 유해물질이나 휘발성분에 의한 냄새의 유출을 방지하기 위한 수단으로 냉각수나 쿨러에 의한 응축수단 등이 설치될 수 있다,

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 방법으로 수행된 파리핀 함침 목재를 꺼내어 냉각시키는 단계를 거치면 본 발명에 따른 파라핀 강화 목재를 제조할 수 있게 된다. 여기서 냉각은 통상적인 방법으로 냉각하면 되고 상온 유지 또는 저온 처리로 냉각하는 것도 가능하다.

도 1은 파라핀을 진공 함침에 의해 처리하기 전후의 목재를 비교하여 제시한 사진을 도시한 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 목재에 파라핀 왁스를 함침하는 경우 목재의 수종이나 목재의 수분함량 예열온도 진공도 함침온도 함침시간에 따라서 함침되는 파라핀의 함침 용량과 함침되는 형태가 결정될 수 있으므로, 필요시 요구되는 제품의 용도에 맞게 진공 함침의 조건을 설정하여 바람직한 함침이 가능하도록 구성할 수 있다.

일반적으로, 파라핀은 재료가 석유화학의 부산물로 일반적인 고분자 재료보다는 가격이 저렴한 편이나 목재보다 비싼 경우도 있고 원가절감을 위해서는 파라핀의 함침 용량을 정확히 조절하여 최소로 사용하고서도 원하는 물성을 얻도록 하는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면, 건조목재에 파라핀을 진공 함침시키는 경우 진공 함침율은 수분함량이 많을수록 낮아지고, 진공함침 시간에 비례하여 증가하며 함침 진공압에 반비례하여 파라핀 함침량이 증가한다.

그러므로 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 진공함침 압력을 조절하여 파라핀 함침량을 조절할 수 있는 것으로 매우 유용한 방법으로 생각된다. 따라서 본 발명은 진공함침 압력을 조절하여 파라핀 함침량을 조절하는 방법으로 파라핀 함유 강화목을 제조하는 방법을 포함한다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 파라핀 강화 목재를 제조하기 위한 장치로서, 진공챔버(10)와 파라핀 보일러(20) 및 진공펌프(30)를 구비하는 장치를 포함한다. 이러한 장치 구성은 도 3에 예시한 바와 같다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 진공챔버(10)는 목재를 진공 함침시키기 위한 내부 공간을 가지며 파라핀 보일러(20) 및 진공펌프(30)와 연결되어 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 진공챔버(10)에는 내부의 진공도를 측정하고 조절할 수 있는 진공게이지(11)와 압력조절밸브(12)가 설치되어 있으며, 필요시 진공챔버(10) 내부를 관찰할 수 있는 뷰포트(13)를 설치할 수 있다. 또한, 진공챔버(10)에는 진공챔버(10)의 내부를 승온시키기 위한 챔버 가열수단(14)과 그 내부의 온도를 확인할 수 있는 챔버 온도센서(15)를 구비할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파라핀 보일러(20)는 진공챔버(10)에 파라핀 용액(21)을 주입할 수 있는 주입라인(22) 및 진공챔버(10)에서 함침되고 남은 파라핀 용액을 배출하는 배출라인(23) 연결되어 있으면서 파라핀을 용융 상태로 가열하여 용액화하는 파라핀 가열수단(24)을 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파라핀 보일러(20)에는 파라핀 용융 온도를 체크하는 파라핀 온도센서(25)를 포함할 수 있으며, 상기 주입라인(22)과 배출라인(23)에는 각각 파라핀 주입펌프(220)와 파라핀 배출펌프(230)가 설치될 수 있다. 또한, 파라핀 보일러(20)에는 예컨대 파라핀 용액의 순환을 위한 내부 순환시스템을 구비할 수 있다.

상기 진공펌프(30)는 진공챔버(10) 내부의 진공상태를 조절함에 따라 작동되도록 상기 진공챔버(10)에 연결 설치된 구조를 포함한다. 여기서 진공챔버(10)와 진공펌프(30) 사이에는 냉각수단(41)이 구비된 응축기(40)가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 파라핀 강화 목재를 제조하기 위해서는 상기와 같은 진공챔버(10)를 미리 예열 후에 그 진공챔버(20) 내에 강화시키고자 하는 목재를 넣고 진공펌프(30)를 이용하여 진공 건조한 다음, 파라핀 보일러(20)에서 용융된 파라핀 용액(21)을 진공챔버(10)에 주입하여 건조된 목재 내부로 파라핀 용액이 침투하도록 진공 함침시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 파라핀 강화 목재는 천연목재를 건조하여 그대로 파라핀으로만 진공 함침하여 이용하는 것이므로 다른 화학제가 함유되어 있지 않으며, 파라핀의 경우는 인체에 무해한 친환경 물질이므로 환경 소재로서 다양한 용도로 사용될 수 있다.

특히, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 파라핀 강화 목재는 수분에 매우 강하며, 방부효과가 뛰어나 내구성과 강도가 우수한 물성을 나타낸다. 본 발명의 파라핀 강화 목재는 보통 실외에서 20-30년 이상 사용해도 본래의 목재 기능을 유지할 수 있고, 강도도 기존의 목재에 비해 월등하게 우수하다. 또한, 파라핀은 밀도가 0.79-0.94 g/㎤로서 물에 비해 밀도가 낮아서 가공 처리에도 불구하고 그 무게 역시 기존 건조 전 천연목재에 비해 무겁지 않기 때문에 운반이나 설치 등 작업성에 그다지 큰 불편이 없다.

위와 같이, 본 발명에 따라 제조된 파라핀 강화 목재는 내수성, 내부식성, 내구성 등에서 매우 우수하고 인체에 무해한 친환경적 천연 가공목재이므로 기존의 천연목재가 사용되는 각종 구조물이나 각목이나 판재 형태를 가지는 데크목 등에 천연 소재로 널리 활용이 가능하고, 특히 수상지주목, 농업용 지주목, 그중에서도 인삼재배 지주목 등으로 매우 활용성이 높을 것으로 기대된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 특히 인삼재배 지주목으로 사용하는 경우 기존의 지주목에 비해 내구성이 우수하여 철골 지주목 구조물에 버금가는 장기간 사용이 가능하고, 특히 철골 구조물이 태풍 등에 취약한 문제가 있는 반면에 인삼작물에 유해가 없는 환경 친화적 목재이면서도 내구성이나 강도가 강하여 그 활용 가치가 매우 높다.

또한, 각종 야외 목재 구조물, 판재 등에도 본 발명의 파라핀 강화 목재가 널리 적용되는 경우 기존의 합성목재나 표면 코팅 목재에 비해 내구성이 수배이상 우수하고, 천연 질감을 그대로 유지할 수 있어서 야외 구조물, 각목 또는 판재 형태의 데크목 등의 대체 천연소재로 적용 가능하므로 그 활용범위가 매우 넓을 것으로 기대된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 임업진흥 효과와 환경적 효과는 물론 경제적 측면에 현저한 효과가 있을 것으로 기대된다.

1) 방부목재에 함유된 중금속의 영향으로 환경과 인체에 큰 유해성을 감수해야 하였으나, 본 발명에 따르면 방부 효과가 우수한 내구성이 강한 강화목의 사용이 가능하면서도 친환경 소재로 강화목재가 제조되므로 인해 자연환경을 유지하고 인체에 무해하며 환경오염의 걱정으로부터 해방될 수 있다.

2) 목재의 지나친 벌목으로 인해 기후 변화와 환경 파괴가 점점 심해지고 있는 환경에서, 본 발명에 따른 강화목재의 탄생으로 인해 목재의 내구성이 향상되므로 벌목을 줄이고 숲이 보존되어 지구 환경 보호에 기여할 수 있다.

3) 합성목재는 사용 후 폐기되었을 때 썩지 않고, 또 이를 소각하는 경우 유독성 가스를 배출하여 환경오염의 원인이 되었으나, 본 발명의 강화목재를 사용하는 경우 반영구적으로 사용이 가능하고, 설령 폐기하더라도 일반 천연 목재와 동일한 방법으로 폐기할 수 있어서 환경 피해를 줄일 수 있다.

4) 예컨대, 인삼 지주목은 내구성이 약하여 수시로 교환해야 하고 수입의존도가 높아 매년 약 500억 이상의 재구매 비용을 부담해야 하고, 데크목의 경우도 내구성이 약하므로, 수입목재로 인해 매년 막대한 외화를 낭비하고 있다. 그러나 본 발명의 강화목재를 사용하는 경우 순수 우리 목재의 이용으로도 수입목재를 대체하거나 저가에 수입하여 본 발명에 따른 파라핀 함침 처리 후에 강화목재를 고가로 역수출하여 국가 경제에 크게 기여할 수 있다.

5) 기존에는 수입목재나 합성목재의 가격이 비싸서 소비자들에게 부담이 컸으나, 기존의 수입목재나 합성목재보다 내구성이 우수한 제품을 더 저렴한 가격에 이용할 수 있어서 경제적인 효과가 매우 크다.

6) 국내에서 많이 생산되는 목재일지라도 내구성이 낮아서 그 이용 효율이 떨어지는 경우가 많이 있으나, 본 발명의 강화목재를 사용하면 저가의 목재들이 파라핀 함침 처리 후에 고부가가치의 목재로 바뀌어 국내 임업 자원의 활용에 크게 기여할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-4 : 파라핀 강화 목재의 제조

목재로는 낙엽송, 참나무, 아피통, 뉴송 등 4종의 목재를 원료로 사용하였다. 상기 목재는 가로×세로 각각 33mm, 길이 2,4m 크기의 각목재로 절단 가공하여 사용하였다.

가공된 각각의 각목재는 수분 함량 8중량% 이하로 자연 건조하여 사용하였으며, 진공챔버에 투입하기에 앞서서 우선 열처리 건조기에서 150℃로 3시간 건조하여 예비 가열처리를 시행하였다.

예비 가열된 물재의 무게를 측정하고, 예열된 목재가 냉각되기 전에 120℃로 예열된 진공챔버로 이송하고 진공펌프를 가동하여 진공계 내의 진공도가 0.1-0.7torr가 될 때까지 진공 배기하고, 이 상태로 10분간 진공상태를 유지하여 목재 내부의 수분과 유기산 함유 셀룰로오스 및 목초액 등 휘발성분을 모두 제거하여 배출하였다. 이때 상기 목재의 종류에 따라 배기시간을 조절하여 목재 내부의 수분 등을 모두 제거하도록 하였다.

별도로 준비된 파라핀왁스는 용해로에서 120℃로 용해시켜서 용액 상태로 이송펌프를 이용하여 목재가 파라핀 용액에 모두 잠기도록 하고, 계속 진공펌프를 가동하여 30분간 배기하여 목재에 남아있는 가스를 탈포시킨다.

그 후 진공챔버에 밀폐된 상태에서 20초 내지 1분간 고압으로 공기를 주입하여 건조 목재 내부의 기공이 존재하는 심부에 이르기까지 파라핀 용액을 함침시켰다.

함침이 완료된 후 진공챔버에서 파라핀을 배출시킨 다음, 진공챔버를 열고 파라핀이 함침된 목재를 꺼내어 냉각시켜서 파라핀 강화 목재를 제조하였다.

제조된 파라핀 강화 목재의 무게를 측정하여 파리핀 함침 중량을 탐색하고, 물성 측정 결과는 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 1-2

상기 실시예와 비교하기 위해, 아피통 목재를 동일 조건으로 준비하고 건조한 다음, 그대로 물성을 측정하거나(비교예 1), 여기에 상기와 같이 용해된 파라핀 용액을 진공상태가 아닌 그대로 침지하여 함침한 다음, 냉각 건조하여 파라핀이 함침된 목재를 제조하였다.(비교예 2)

제조한 목재에 대한 물성 측정 결과는 다음 표 1에 나타내었다. 이 결과로부터 서로 다른 조직 구조를 가진 목재 종류에 따라 다르지만 진공함침에 의해 표면에만 파라핀이 침투하여 코팅되는 것이 아니라 목재 내부까지 파라핀이 깊이 침투되는 것을 확인할 수 있다.

실시예	목재	진공도(torr)	예열온도(℃)	파라핀 함침량(중량%)
실시예 1	낙엽송	0.3	120	5
실시예 2	참나무	0.5	120	18
실시예 3	아피통	0.5	120	25
실시예 4	뉴송	0.7	120	45
비교예 1	아피통	미처리	-	-
비교예 2	아피통	파라핀 함침	-	0.5

실험예 1

상기와 같은 나무시료인 아피통, 뉴송, 참나무, 낙엽송의 각목재(33mm× 33mm, 길이 250mm)에 대하여 진공도에 따른 파라핀 함침량을 측정하였다. 그 결과는 다음 표 2와 같다.

진공도(torr)		1 torr이하	10torr	100torr	300torr
파라핀함량(g)	아피통	49	45	35	23
	뉴송	90	85	73	47
	낙엽송	13	11	9	7
	참나무	46	41	31	22

상기 실험결과, 4가지 수종 모두가 진공압력에 반비례하여 파라핀 함침률이 정해지는 것으로 측정되었고, 이러한 실험결과로부터 진공함침 압력을 조절하면 파라핀 함침량을 조절할 수 있는 것으로 확인되었다.

실험예 2

각각의 목재 시료에 대해 상기 실시예와 같은 방법으로 파라핀 진공함침을 실시하고, 비교실험을 위해 파라핀 진공 함침처리 목재와 무처리 목재에 대하여 비교하여 방부효력을 시험하였다.

목재 시료는 아비통과 라디에타파인(Radiata Pine)을 사용하였으며, 방부효력 시험은 KS M 1701 방법에 의해 실시하고, 그 결과는 다음 표 3에 나타내었다.

시험항목	시험결과
방부효력시험(KS M 1701)	공시균	시험대상	평균중량감소율(%)
	Fomitopsis palustris	아비통(함침처리)	0.40
		라디에타파인(함침처리)	0.81
		라디에타파인(무처리)	24.14
	Trametes versicolor	아비통(함침처리)	0.00
		라디에타파인(함침처리)	0.00
		라디에타파인(무처리)	34.48

상기 표 3의 결과로부터 파라핀 진공함침 처리를 한 경우 공시균에 대한 함량 변화가 거의 없는 것에 반하여, 무처리 목재의 공시균에 대한 함량 변화는 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 이러한 방부효력 시험결과로부터 파라핀 함침 강화목재의 경우 기존의 미처리 목재에 비해 내구성이나 내방부성이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.

실험예 3

라디에타파인 목재에 파라핀을 진공함침하여 처리한 강화 목재에 대한 물성을 확인하기 위하여, 한국임업진흥원 표준시험법 KS F 2208 방법에 의하여 휨강도를 측정하였다. 그 결과 63.1 N/㎟로 측정되었다. 이것은 일반적인 목재가 사용되는 계단설치용 목재(계단목)에 대한 휨강도 기준인 30 N/㎟ 이상에 비해 월등하게 우수한 물성을 가지므로 파라핀 진공함침에 의한 목재는 내구성, 내부식성 뿐만 아니라 휨강도에서도 원목 이상의 강성을 가지므로 물성 면에서도 데크목 등 다양한 시설에 적용이 가능한 것으로 파악되었다.

실험예 4

한편, 파라핀 함침 전후의 목재 조직을 확인하기 위해 라디에타파인에 대하여 함침 전후의 상태를 비교하여 보았다.

도 1은 파라핀 함침 전 목재와 본 발명에서 따른 방법으로 라디에타파인에 파라핀을 진공 함침시킨 파라핀 강화 목재 시험편의 목재 표면 사진 및 부분 확대 사진을 각각 비교한 것이다. 여기서는 파라핀으로 진공 함침시킨 강화목재의 표면 상태가 함침 전의 목재에 비해 견고한 목재 구조를 가지는 표면 상태임을 보여주고 있다.

또한, 도 2a는 일반 라디에타파인 목재의 파라핀 침지 전의 단면 현미경 사진이고, 도 2b는 실시예에 따라 제조된 파라핀 강화 목재(라디에타파인)의 조직 구조를 나타낸 단면 현미경 사진을 나타낸 것이다. 여기서, 목재의 기공 조직에 파라핀 용액이 전체적으로 스며들어 굳어진 파라핀왁스의 함침된 상태를 보여주고 있다.

{부호의 설명}

10- 진공챔버

11- 진공게이지

12- 압력조절밸브

13- 뷰포트(view port)

14- 챔버 가열수단

15- 챔버 온도센서

20- 파라핀 보러

21- 파라핀 용액

22- 주입라인

23- 배출라인

24- 파라핀 가열수단

25- 파라핀 온도센서

220- 파라핀 주입펌프

230- 파라핀 배출펌프

30- 진공펌프

40- 응축기

41- 냉각수단

Claims

건조 및 진공처리로 수분과 유기산 함유 셀룰로오스, 휘발성분이 제거된 천연 목재에 파라핀이 함침되어 있되 목재 내부의 기공을 포함한 목재의 내부 조직 전체에 파라핀이 함침되어 이루어진 파라핀 강화 목재.
청구항 1에 있어서, 상기 천연목재는 각목재인 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재.
청구항 1에 있어서, 상기 천연목재는 낙엽송, 소나무, 참나무, 아피통, 뉴송 또는 라디에타파인인 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재.
청구항 1에 있어서, 파라핀은 천연목재 내부에 2.0-50.0중량%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재.
천연목재를 절단 가공하는 단계;

절단된 목재를 예비 가열처리하여 건조하는 단계;

건조된 목재를 진공 챔버에 유입시켜 진공 처리하는 단계;

용해된 액상의 파라핀을 진공챔버에 주입하여 진공 처리된 목재에 파라핀을 함침시키는 단계; 및

파라핀이 함침된 목재를 꺼내어 냉각시키는 단계

를 포함하는 청구항 1에 따른 파라핀 강화 목재의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 예비 가열처리는 100-150℃의 조건에서 2-10시간 건조하여 목재의 심부까지 건조하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 진공 처리는 0.01-3.0 torr의 진공도에서 시행하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 건조 목재를 파라핀에 함침시키는 단계는 진공챔버 내에서 진공흡입 방법으로 주입하거나 별도의 파라핀 이송펌프를 이용하는 가압 방법으로 주입하여 함침되도록 하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 용액상의 파라핀은 100-150℃의 액상 파라핀을 사용하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 진공함침 압력을 조절하여 파라핀의 함침량을 조절하는 방법으로 시행하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조방법.
진공챔버와 파라핀 보일러 및 진공펌프를 구비하되

진공챔버는 목재를 진공 함침시키기 위한 내부 공간을 가지며 진공펌프와 연결되어 있고,

상기 파라핀 보일러는 진공챔버에 파라핀 용액을 주입할 수 있는 주입라인 및 진공챔버에서 함침되고 남은 파라핀 용액을 배출하는 파라핀 용액을 배출라인과 연결되어 있으면서, 파라핀을 용융 상태로 가열하여 용액화하는 파라핀 가열수단을 포함하며,

상기 진공펌프는 진공챔버 내부의 진공상태를 조절함에 따라 작동되도록 상기 진공펌프에 연결 설치된 구조

를 포함하는 청구항 1에 따른 파라핀 강화 목재의 제조장치.
청구항 11에 있어서, 진공챔버에는 내부의 진공도를 측정하고 조절할 수 있는 진공게이지와 압력조절밸브가 설치되어 있으며, 진공챔버의 내부를 승온시키기 위한 챔버가열수단과 그 내부의 온도를 확인할 수 있는 챔버 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조장치.
청구항 11에 있어서, 파라핀 보일러에 연결된 주입라인과 배출라인에는 각각 파라핀 주입펌프와 파라핀 배출펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조장치.
청구항 11에 있어서, 진공챔버와 진공펌프 사이에는 냉각수단이 구비된 응축기가 설치된 것을 특징으로 하는 파라핀 강화 목재의 제조장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중에서 선택된 어느 하나 항에 따른 파라핀 강화 목재로 이루어진 농업용 지주목.
청구항 15에 있어서, 인삼 재배용 지주목인 것을 특징으로 하는 농업용 지주목.
청구항 1 내지 청구항 4 중에서 선택된 어느 하나 항에 따른 파라핀 강화 목재로 이루어진 데크목.
청구항 17에 있어서, 판재 형태인 것을 특징으로 하는 데크목.