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문제 정의
- 따라서, 이 연구에서는 선행연구(박 등, 2009)에 이어, 스프루스 직교형적층재의 중층에 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 오에스비(OSB)를 배열한 복합적층재를 제작하여 휨 크리프시험을 실시하였고, 스프루스 섬유직각방향의 휨 크리프성능의 개량 및 중층 목질보드라미나의 구성엘리멘트가 복합적층재의 휨 크리프거동에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 각각의 라미나는 20°C, 65%RH에서 2주일 이상 조습하여 밀도와 휨 탄성계수를 측정하였고, 표층과 중층라미나는 휨 탄성계수의 치우침이 적게 세분하여 조합한 후, 수성 비닐우레탄 접착제(MPU-500)를 사용하여 적층접착하였고, 0.34 MPa의 압체압력으로 24시간 동안 압체하였다.
- 복합적층재의 표층라미나는 스프루스의 섬유방향과 섬유직각방향라미나의 2종류로 구성되었는데 전자는 스프루스의 섬유방향에 평행하게 20 mm (R) × 5 mm (T) × 360 mm (L)의 치수로 제작하였고, 후자는 스프루스 섬유방향라미나를 18개씩 폭 접합하여 양생한 후, 섬유직각방향으로 폭 20 mm로 절단하고, 20 mm (L) × 5 mm (T) × 360 mm (R)의 치수로 제작하여 섬유직각방향라미나로 사용하였다.
- 단, 정적 휨 시험의 시험편의 개수는 4개로 하였고, 부하하중은 4개의 시험편의 평균으로 하였다. 시험편 중앙부의 처짐을 다이얼게이지를 통해 측정하였고, 각 시간의 처짐으로부터 다음의 식들을 통해 크리프 컴플라이언스(D(t))와 크리프 양(Dc(t))을 구하였다.
- 압체 후 항온항습실에서 2주일 이상 양생하고 여분의 접착제를 제거한 후, 20 mm (W) × 15 mm (H) × 340 mm (L) 크기의 2종류의 섬유방향 및 섬유 직각방향 평행형적층재와 20 mm (W) × 22 mm (H) × 340 mm (L) 크기의 6종류의 복합적층재(패널)를 제작하였다.
- 이 연구에서는 스프루스 직교형적층재의 중층에 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 오에스비(OSB)를 배열한 복합적층재를 제작하여 휨 크리프시험을 실시하였고, 스프루스 섬유직각방향의 휨 크리프성능의 개량 및 중층 목질보드라미나의 구성엘리멘트가 복합적층재의 휨 크리프거동에 미치는 영향을 조사하여 다음의 결과를 얻었다.
- 정적 휨 시험으로부터 얻은 휨강도의 25%에 상당하는 일정하중을 시험편에 가해, 20°C, 65%RH의 항온항습실에서 10일간 실시하였다.
- 대부분의 목질보드, 평행형적층재 및 복합적층재에서 초기변형 후 30분~1시간 이전에는 곡선적인 거동을 나타내었으나, 그 이후에는 거의 직선적인 거동을 나타내는 것이 확인되었다. 최소자승법으로 1시간에서 240시간까지의 크리프곡선 Dc(t)를 AtN에 적합시켜서 N과 A의 값을 구하였고, 그 평균값을 Table 1에 나타낸다. 양자간의 직선회귀에 의한 상관계수는 0.
- 휨 크리프 시험은 Fig. 2에 나타낸 모식도와 같이, 스팬 300 mm, 하중점간 거리 100 mm의 3등분점에 의한 4점 하중방식으로 실시하였다. 정적 휨 시험으로부터 얻은 휨강도의 25%에 상당하는 일정하중을 시험편에 가해, 20°C, 65%RH의 항온항습실에서 10일간 실시하였다.
대상 데이터
- 그리고 복합적층재의 중층라미나는 12 mm (H) × 1220 mm (W) × 2440 mm (L) 크기의 오에스비 (OSB), 파티클보드(PB), 중밀도섬유판(MDF)으로부터 12 mm (H) × 20 mm (W) × 360 mm (L)의 치수로 제작하여 중층라미나로 사용하였다.
- 본 연구에서는 수입산 스프루스 및 파티클보드(PB), 중밀도섬유판(MDF), 오에스비(OSB)를 공시재료로 채택하였다. 복합적층재의 표층라미나는 스프루스의 섬유방향과 섬유직각방향라미나의 2종류로 구성되었는데 전자는 스프루스의 섬유방향에 평행하게 20 mm (R) × 5 mm (T) × 360 mm (L)의 치수로 제작하였고, 후자는 스프루스 섬유방향라미나를 18개씩 폭 접합하여 양생한 후, 섬유직각방향으로 폭 20 mm로 절단하고, 20 mm (L) × 5 mm (T) × 360 mm (R)의 치수로 제작하여 섬유직각방향라미나로 사용하였다.
성능/효과
- 1) 복합적층재의 크리프곡선은 우측상변이 증가하는 지수함수 그래프를 나타내었고, 하중부하 후 약 1시간까지는 곡선적인 거동을 나타내었으나, 그 이후는 거의 직선적인 거동을 나타내어, power law에 적합시켜 변형예측이 가능하였다.
- 2) 표층섬유직각방향 복합적층재의 초기변형은 목질보드 구성엘리멘트의 크기에 비례하여 감소하였으나, 크리프 변형은 PB를 중층에 배열한 복합적층재 타입에서 가장 컸고, OSB를 중층에 배열한 타입에서 가장 적은 것이 확인되었다.
- 3) 표층섬유방향 복합적층재의 크리프변형은 PB를 중층에 배열한 타입에서 가장 컸고, MDF를 중층에 배열한 타입에서 가장 적었으나, 복합적층에 의해 목질보드상호간의 차이는 현저히 감소하였고, 중층 목질보드의 종류에 따른 차이가 적어 중층라미나의 효율적이고 경제적인 구성이 가능할 것으로 판단되었다.
- 4) 복합적층재의 표층섬유방향에 대한 표층섬유직각방향의 크리프이방성은 초기변형에서는 1 : 6.52~9.93, 크리프변형에서는 1 : 12.1~24.1로 크리프변형이 현저히 큰 것이 확인되었다. 그러나 이것은 평행형적층재의 크리프이방성(초기변형 1 : 17.
- C∥ 타입의 크리프변형은 초기변형과 달리 중층에 PB를 삽입한 C∥(P)타입이 가장 많은 양의 크리프변형을 일으켰고, 그 다음이 OSB를 중층에 배열한 C∥(O)타입, 그리고 MDF 를 중층에 배열한 C∥(M)의 순으로 C⊥ 타입과 다른 경향을 나타내었으나, 복합적층재 상호간의 크리프 변형의 비는 C∥(M) : C∥(P) : C∥(O) = 1.00 : 1.08 :1.07을 나타내어, 3종류의 복합적층재 사이의 크리프변형의 차이는 적었고, 중층에 PB와 OSB를 배열한 복합적층재의 크리프변형의 차이는 매우 적은 것이 확인되었다.
- 선행연구(박 등, 2009)에서는 목재의 효율적인 이용의 일환으로 스프루스 직교형적층재의 중층에 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 오에스비(OSB)를 배열한 3층 목질계 복합적층재를 제작하여 중층목질재료라미나의 구성엘리멘트가 복합적층재의 휨 강도성능에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 복합적층 하는 것에 의해 스프루스의 섬유직각 방향 및 목질보드의 휨 강도성능은 현저하게 향상되었고, 스프루스소재의 이방성 및 목질보드상호간의 차이는 현저하게 감소하는 것이 확인되었다. 그리고 복합적층재의 각각의 라미나로부터 등가단면법을 이용하여 구한 복합적층재의 휨 탄성계수의 예측치는 표층이 스프루스 섬유직각방향라미나로 된 복합적층재에서는 실측치와 거의 차이가 없었으나, 표층이 스프루스 섬유방향라미나로 된 복합적층재에서는 실측치보다 큰 값을 나타내는 것이 확인되었다.
- 한편, 표층이 스프루스 섬유방향 라미나로 된 C∥ 타입에서는 그 기울기의 크기가 중층에 PB＞ OSB＞ MDF를 배열한 순으로, OSB를 중층에 배열한 타입이 MDF를 중층에 배열한 타입보다 그 기울기가 증가하여 C⊥타입과 약간 다른 경향을 나타내었다. 그러나 3종류의 목질보드를 중층에 배열한 복합적층재 상호간의 차이는 감소하였고, OSB와 MDF를 중층에 넣은 C∥(O)타입과 C∥(M)타입에서는 240시간 부근에서는 그 차이가 현저히 적어지는 것이 확인되었다.
- 이것은 3층보드의 코어에 저질원료를 혼합한 것은 파티클보드보다 큰 크리프변형을 일으킨다고 보고한 斎藤(1980)의 보고와 일치한다. 그러나 이 값은 목질보드의 크리프변형보다는 0.108~0.464배의 적은 크리프변형을 나타내어 복합적층에 의해 목질보드의 크리프변형의 현저한 감소가 나타났고, PB를 중층에 배열한 타입이 그 감소비율이 가장 큰 것이 확인되었다.
- 그 결과 복합적층 하는 것에 의해 스프루스의 섬유직각 방향 및 목질보드의 휨 강도성능은 현저하게 향상되었고, 스프루스소재의 이방성 및 목질보드상호간의 차이는 현저하게 감소하는 것이 확인되었다. 그리고 복합적층재의 각각의 라미나로부터 등가단면법을 이용하여 구한 복합적층재의 휨 탄성계수의 예측치는 표층이 스프루스 섬유직각방향라미나로 된 복합적층재에서는 실측치와 거의 차이가 없었으나, 표층이 스프루스 섬유방향라미나로 된 복합적층재에서는 실측치보다 큰 값을 나타내는 것이 확인되었다.
- 대부분의 목질보드, 평행형적층재 및 복합적층재에서 초기변형 후 30분~1시간 이전에는 곡선적인 거동을 나타내었으나, 그 이후에는 거의 직선적인 거동을 나타내는 것이 확인되었다. 최소자승법으로 1시간에서 240시간까지의 크리프곡선 Dc(t)를 AtN에 적합시켜서 N과 A의 값을 구하였고, 그 평균값을 Table 1에 나타낸다.
- 목질보드 및 평행형적층재의 초기변형은 3층 모두가 스프루스 섬유직각방향으로 된 P⊥ 타입이 가장 많은 변형량을 나타내었고, 3층 모두가 스프루스 섬유방향으로 된 P∥ 타입이 가장 적은 변형량을 나타내었다.
- 복합적층재 상호간의 크리프변형의 비는 C⊥(M) : C⊥(P) : C⊥(O) = 1.00 : 1.16 : 0.538을 나타내어 OSB를 중층에 배열한 타입의 크리프변형이 MDF나 PB를 중층에 배열한 것의 2배 이상 적은 크리프변형을 일으키는 것이 확인되었고, 이 값은 P⊥타입의 크리프변형의 0.294 (C⊥(O))~ 0.637 (C⊥(P))배의 값을 나타내어 복합적층에 의해 스프루스 섬유직각방향의 크리프변형의 현저한 감소가 확인되었고, 그 감소비율은 초기변형보다 크리프변형에서 훨씬 큰 것이 확인되었다.
- 복합적층재의 A값은 크리프 변형량에 비례하여 증가하였고, 3층 모두가 스프루스 섬유방향라미나로된 P∥ 타입이 가장 적었고, 그 다음이 C∥ 타입, 그리고 3종류의 목질보드, 그리고 C⊥ 타입, 그리고 P⊥타입이 가장 적은 값을 나타내는 것이 확인되었다.
- 복합적층재의 표층섬유방향에 대한 표층섬유직각 방향의 크리프이방성은 초기변형에서는 1 : 6.52~9.30, 크리프변형에서는 1 : 12.1~25.8로 크리프변형이 현저히 큰 것이 확인되었다. 그러나 이것은 평행형적층재의 크리프이방성(초기변형 1 : 17.
- 양 타이프 모두 우측상변이 급격히 증가하는 지수함수의 그래프를 나타내었고, 그 기울기는 표층이 스프루스 섬유직각 방향으로 된 C⊥ 타입의 경우에서는, 목질보드의 그것과 같이 PB＞ MDF＞ OSB를 중층에 배열한 순서로 그 크기가 적어지는 것이 확인되었다.
- 0%의 순이었다. 이 값은 P∥ 타입의 1.78 (C∥(M))~2.12 (C∥(O))배의 값을 나타내어 복합적층에 의해 상대크리프는 P∥타입보다 약간 증가하였으나, 목질보드상호간의 상대크리프보다는 현저히 감소하였고, 특히, 중층에 MDF를 배열한 경우 그 감소비율이 가장 큰 것을 알 수 있었다.
- 227배의 적은 크리프변형을 나타내었다. 초기변형에 비해 크리프변형에서 평행형적층재 및 목질보드 상호간의 크리프변형의 비가 현저히 증가하는 것이 확인되었다.
후속연구
- 1로 크리프변형이 현저히 큰 것이 확인되었다. 그러나 이것은 평행형적층재의 크리프이방성(초기변형 1 : 17.5, 크리프변형 1 : 115)보다는 현저히 감소하여 크리프이방성을 감소시킨 다층 목질복합 판재료의 개발에 응용가능할 것으로 생각된다.
- 8로 크리프변형이 현저히 큰 것이 확인되었다. 그러나 이것은 평행형적층재의 크리프이방성(초기변형 1 : 17.5, 크리프변형 1 : 115)보다는 훨씬 적은 값을 나타내었으며, 복합적층에 의한 크리프이방성의 현저한 감소가 확인되었고, 이 결과는 다층목질복합판재료의 개발에 응용가능할 것으로 생각된다.
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