[논문]숯과 황토 복합소재의 흡착성능

이원희

문제 정의

이 결과로부터 황토는 수분흡착력이 거의 없는 반면, 숯의 수분흡착력이 매우 큰 것을 알 수 있다. 온돌방에 바닥재 원료로서 시공할 경우, 바닥열의 증감에 따라 할렬이 생겨 문제가 되는 것으로 알려져 있어, 본 연구에서는 황토와 숯을 혼합한 재료의 할렬 특성에 대해서도 검토하였다. 그 결과, 복합재 제조직후 100℃의 고온건조기속에서 급속건조를 되풀이하여도 표면에는 인장응력에 의한 할렬은 전혀 나타나지 않았다.
황토를 접착매체로 하여 숯을 마루바닥재, 벽장재 및 가구용 친환경 복합소재로서 사용하고자 하는 본 연구과제는 무엇보다도 거주공간의 습도조절성능을 판별할 수 있는 수분흡착 성능의 분석이 가장 중요하다고 할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 숯의 탄화조건에 따른 물리화학적인 특성 및 황토 등의 무기물을 가교제로서 접착시켜 이들의 성형가능성과 각종 흡착실험을 통한 함수율에서의 수분 흡착성능을 비교하여 최적의 배합 비율을 조사하고 각종 기능성 소재 개발과 산업적 이용성을 검토하는 것을 목표로 하고 있다.

제안 방법

판상소재의 건조 전후의 밀도 변화를 측정하여 분석하고 성형 후 판상소재의 표면을 조사하여 숯과 황토 비율에 따른 할렬의 정도를 파악하여 성형성을 알아보았다. 그리고 건조기에서 꺼낸 복합소재를 3 X 1.5cm로 각각 절단하여 칭량병에 넣어 O.lmg정도의 디지털밸런스 로 전건중량을 측정한 후각기 다른 포화염수 용액(10, 33, 54, 85, 95%의 상대습도)으로 조정한 데시케이터에 넣어서 일정한 시간 간격으로 칭량병의 질량변화를 측정하여 각기 다른 상대습도 하에서의 흡착성능을 분석하였다.
흡착실험을 위한 재료로서 숯(거여산업제공) 은 건조 후 파쇄기로 분쇄 후 200mesh로 조정하였고 황토(목포대 황혜주교수제공) 역시 건조 후 200mesh로 조정하였다. 다양한 상대습도를 조절하기 위해 포화염 수용액을 이용하였고, 정확한 함수율 측정을 위해 칭량병과O.lmg 정도의 디지털밸런스를 사용하였다.
목질계 탄화소재인 숯과 무기계 소재인 황 토를 가교제로 하여 만든 복합소재의 수분흡착 성능 및 성형가능성과 그 배합비를 조사하였다. 그 결과 숯과 황토를 원료로 한 복합소재는 성형가능한 것으로 판단되었다.
실험에 앞서 숯과 황토소재 각각의 전건시 료를 칭량병을 이용하여 항온항습실(20℃, 50%RH)내에 방치하여 약 270시간 동안 흡착평 형함수율의 경시변화를 측정하였다.
황토소재와 목탄소재를 배합하여 판상소재 를 만들어 실험에 사용하였다. 제작방법으로는 미세분말 상태의 원료소재를 일정비율(총중량 100g, 숯: 황토; 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100)로 혼합하여, 적당량의 물을 첨가 후 판상소재로 성형가능 하도록 조정하였다. 성형된 판상소재는 100℃의 건조기에서 24시간동안 급속 건조하여 전건상태로 만들어 시험체의 성상을 조사하였다 <Fig.
판상소재의 건조 전후의 밀도 변화를 측정하여 분석하고 성형 후 판상소재의 표면을 조사하여 숯과 황토 비율에 따른 할렬의 정도를 파악하여 성형성을 알아보았다. 그리고 건조기에서 꺼낸 복합소재를 3 X 1.

대상 데이터

황토소재와 목탄소재를 배합하여 판상소재 를 만들어 실험에 사용하였다. 제작방법으로는 미세분말 상태의 원료소재를 일정비율(총중량 100g, 숯: 황토; 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100)로 혼합하여, 적당량의 물을 첨가 후 판상소재로 성형가능 하도록 조정하였다.

성능/효과

<Fig. 5>로부터 비표면적 SBET값은 숯의 함량 비율이 높아질수록 거의 직선적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 80% 숯의 함량비인 복합소재의 비표면적은 0%인 경우에 비하여 약 5배 크기의 비표면적이 존재함을 알 수 있었다.
목질계 탄화소재인 숯과 무기계 소재인 황 토를 가교제로 하여 만든 복합소재의 수분흡착 성능 및 성형가능성과 그 배합비를 조사하였다. 그 결과 숯과 황토를 원료로 한 복합소재는 성형가능한 것으로 판단되었다. 그러나 숯 의 비율이 높을수록 가교역할을 하는 황토의 부족으로 쉽게 부서러지는 형태를 나타냈다.
온돌방에 바닥재 원료로서 시공할 경우, 바닥열의 증감에 따라 할렬이 생겨 문제가 되는 것으로 알려져 있어, 본 연구에서는 황토와 숯을 혼합한 재료의 할렬 특성에 대해서도 검토하였다. 그 결과, 복합재 제조직후 100℃의 고온건조기속에서 급속건조를 되풀이하여도 표면에는 인장응력에 의한 할렬은 전혀 나타나지 않았다. 이 결과는 황토와 숯의 비율이 다른 6가지 전체 제품에서 같은 결과를 나타내어, 황토-숯 복합소재가 건축 내외장 미장재나 가구용 친환경 복합소재로서 활용할 수 있음을 시사하는 것이라 할 수 있겠다.
이들 그림으로부터 상대습도 54%까지 직선으로 나타났으며, 그 이후에도 직선적인 분포를 나 타내어, 이 상대습도 영역에서 변곡점이 생기는 모양을 띄고 있음을 알 수 있다. 그러나 전체적으로는 직선적으로 각 복합소재 모두 숯 의 함량비율이 증가할수록 평형함수율은 직선 적으로 증가하는 경향을 나타내고 있슴을 알 수 있다. 다만 목재의 경우는 고습도영역에서 모세관 응축현상을 나타내는 반면에 이들 복합 소재에서는 이런 현상이 일어나지 않고 수분이 모두 흡수되어 응축되는 현상은 일어나지 않는 것으로서 수분제어 친환경소재로서 다양하게 할용할 수 있음을 알 수 있었다.
그러나 숯 의 비율이 높을수록 가교역할을 하는 황토의 부족으로 쉽게 부서러지는 형태를 나타냈다. 다양한 조건의 상대습도범위에서 수분흡착 성 능은 숯과 황토의 혼합비율이 80:20일때 가장 높은 흡착효과를 나타냈다. 따라서 습기에 대한 저항성은 황토가 강한 반면에 습도 제어 효과는 목탄이 효과적인 것으로 판단되었다.
따라서 숯의 수분흡착성능이 뛰어난 점을 고려하여 친환경 소재별 재료특성에 맞추어 숯 재료와 황토 원료를 적절하게 배합한다면 다양한 소재로서 적용할 수 있음을 알 수 있었다.
또한 숯의 함량비율이 같은 상태에서는 각 배합소재별로 상대습도의 고저에 의해 수분흡착량에 차이가 있었으며, 그 차이는 숯의 함량비율이 낮은 때보다 숯이 많이 함유된 복합재료일수록 흡착량의 증가와 더불어 그 차이도 크게 나타났다. 따라서 숯의 함량비율이 흡착량 증가의 결정적인 인자이지만, 수분 흡착에 대한 영향도는 상대 습도가 고습도일때 현저하게 나타남을 알 수 있었다.
다양한 조건의 상대습도범위에서 수분흡착 성 능은 숯과 황토의 혼합비율이 80:20일때 가장 높은 흡착효과를 나타냈다. 따라서 습기에 대한 저항성은 황토가 강한 반면에 습도 제어 효과는 목탄이 효과적인 것으로 판단되었다. 흡착성능 및 흡착속도 그리고 비표면적 변화를 분석한 결과에 의하면, 숯의 비율이 높은 복합 재일수록 수분에 대한 조절능력이 큰 사실을 발견할 수 있었다.
또한 목탄의 경우에는 평형에 이를 것으로 예상되는 함수율 값 보다도 약 3%나 높은 값을 나타냄으로서 흡착성능이 황토의 6배 이상이나 됨을 알 수 있었다. 따라서 이들 각 원료소재의 배합비율을 달리함에 따라 복합체의 밀도변화는 원료구성 상태에 따라 다양하게 조절될 수 있고, 수분흡착성능을 다양하게 조정할 수 있음을 알 수 있었다.
따라서 이러한 일련의 결과들로부터, 황토를 접착제 대용으로 하여 만든 무기계 목탄 복합 소재는 그 용도에 맞추어 건축 내외장의 미장 재 및 바닥재, 목재와의 혼용 등에 의한 친환 경 가구용 소재 등, 다용도로 활용 가능함을 알 수 있었다.
또한 목탄의 경우에는 평형에 이를 것으로 예상되는 함수율 값 보다도 약 3%나 높은 값을 나타냄으로서 흡착성능이 황토의 6배 이상이나 됨을 알 수 있었다. 따라서 이들 각 원료소재의 배합비율을 달리함에 따라 복합체의 밀도변화는 원료구성 상태에 따라 다양하게 조절될 수 있고, 수분흡착성능을 다양하게 조정할 수 있음을 알 수 있었다.
그림으로부터 흡착속도는 각 배합소재별 동일한 상대 습도에서 숯의 함량비율이 높아질수록 직선적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 숯의 함량비율이 같은 상태에서는 각 배합소재별로 상대습도의 고저에 의해 수분흡착량에 차이가 있었으며, 그 차이는 숯의 함량비율이 낮은 때보다 숯이 많이 함유된 복합재료일수록 흡착량의 증가와 더불어 그 차이도 크게 나타났다. 따라서 숯의 함량비율이 흡착량 증가의 결정적인 인자이지만, 수분 흡착에 대한 영향도는 상대 습도가 고습도일때 현저하게 나타남을 알 수 있었다.
1)였다. 시트카스프루스에 의한 평형함수율 실험치 회귀값이 약 9.2%인 것을 생각할 때, 황토만의 재료인 경우에는 평형치의 20.6% 수준에 불과하며 수분흡착이 거의 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
그 결과, 복합재 제조직후 100℃의 고온건조기속에서 급속건조를 되풀이하여도 표면에는 인장응력에 의한 할렬은 전혀 나타나지 않았다. 이 결과는 황토와 숯의 비율이 다른 6가지 전체 제품에서 같은 결과를 나타내어, 황토-숯 복합소재가 건축 내외장 미장재나 가구용 친환경 복합소재로서 활용할 수 있음을 시사하는 것이라 할 수 있겠다.
이와 같이 황토소재는 수분흡습성이 거의 없었고, 숯이 흡습에 관여하는 이유로 황토비율이 클수록 복합소재 제조직후의 밀도는 작지 만, 건조 후에는 황토가 숯보다 밀도가 큰 탓에 숯이 많이 들어간 복합소재에 비하여 높은 값을 나타내었다,
따라서 습기에 대한 저항성은 황토가 강한 반면에 습도 제어 효과는 목탄이 효과적인 것으로 판단되었다. 흡착성능 및 흡착속도 그리고 비표면적 변화를 분석한 결과에 의하면, 숯의 비율이 높은 복합 재일수록 수분에 대한 조절능력이 큰 사실을 발견할 수 있었다.

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