녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률에 미치는 녹차배합비율의 영향 및 휨 진동법에 의한 정적 휨 강도성능 예측 Effect of Green Tea Content on Dynamic Modulus of Elasticity of Hybrid Boards Composed of Green Tea and Wood Fibers, and Prediction of Static Bending Strength Performances by Flexural Vibration Test원문보기
이 연구에서는 녹차와 목재섬유를 복합한 친환경 복합보드를 건축내장재로 활용하기 위하여, 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율을 달리한 녹차-목재섬유 복합보드를 제작하였고, 복합보드의 동적탄성률에 미치는 녹차의 배합비율 및 바인더로 사용한 접착제의 영향을 조사하였다. 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률은 녹차를 넣지 않은 대조보드(control boards)의 그것보다 적었고, 녹차배합비율이 증가할수록 커지는 경향을 나타내었다. 또한, 보드제조에 사용된 바인더의 종류에 따라 동적탄성률의 차이가 나타났는데, $E_1$급의 요소수지가 $E_0$급의 요소수지보다 1.06~1.54배의 높은 값을 나타내었으며, 녹차의 배합비율이 커질수록 양자의 차이는 커지는 것이 확인되었다. 한편, 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 휨 강도성능과는 비교적 높은 상관관계가 확인되어 일부 편차가 큰 조건을 제외하고 동적탄성률로부터 정적 휨 강도성능의 예측이 가능할 것으로 확인되었다.
이 연구에서는 녹차와 목재섬유를 복합한 친환경 복합보드를 건축내장재로 활용하기 위하여, 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율을 달리한 녹차-목재섬유 복합보드를 제작하였고, 복합보드의 동적탄성률에 미치는 녹차의 배합비율 및 바인더로 사용한 접착제의 영향을 조사하였다. 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률은 녹차를 넣지 않은 대조보드(control boards)의 그것보다 적었고, 녹차배합비율이 증가할수록 커지는 경향을 나타내었다. 또한, 보드제조에 사용된 바인더의 종류에 따라 동적탄성률의 차이가 나타났는데, $E_1$급의 요소수지가 $E_0$급의 요소수지보다 1.06~1.54배의 높은 값을 나타내었으며, 녹차의 배합비율이 커질수록 양자의 차이는 커지는 것이 확인되었다. 한편, 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 휨 강도성능과는 비교적 높은 상관관계가 확인되어 일부 편차가 큰 조건을 제외하고 동적탄성률로부터 정적 휨 강도성능의 예측이 가능할 것으로 확인되었다.
In this study, eco-friendly hybrid composite boards were manufactured from green tea and wood fibers for application as interior materials with various functionalities of green tea and strong strength properties of wood fibers. In this relation, the effect of green tea content on dynamic MOEs (modul...
In this study, eco-friendly hybrid composite boards were manufactured from green tea and wood fibers for application as interior materials with various functionalities of green tea and strong strength properties of wood fibers. In this relation, the effect of green tea content on dynamic MOEs (modulus of elasticity) of these green tea and wood fibers composite boards were investigated. The dynamic MOEs of hybrid composite boards were lower than those of control boards without green tea, and the values decreased with the increase of green tea content. Also, the dynamic MOEs appeared to be somewhat different by resin type used for board manufacture. The hybrid composite boards manufactured from $E_1$ grade urea resin, which has higher molar ratio of formaldehyde to urea than that of $E_0$ grade one, were 1.06~1.54 times higher than that manufactured from $E_0$ grade. And, the differences between hybrid composite boards manufactured from both adhesive increased with the increase of green tea content. On the other hand, high correlations were found between dynamic MOE and static bending strength performances, it was concluded that static bending strength performances could be estimated from the dynamic MOE, except for a few hybrid board types with large variations.
In this study, eco-friendly hybrid composite boards were manufactured from green tea and wood fibers for application as interior materials with various functionalities of green tea and strong strength properties of wood fibers. In this relation, the effect of green tea content on dynamic MOEs (modulus of elasticity) of these green tea and wood fibers composite boards were investigated. The dynamic MOEs of hybrid composite boards were lower than those of control boards without green tea, and the values decreased with the increase of green tea content. Also, the dynamic MOEs appeared to be somewhat different by resin type used for board manufacture. The hybrid composite boards manufactured from $E_1$ grade urea resin, which has higher molar ratio of formaldehyde to urea than that of $E_0$ grade one, were 1.06~1.54 times higher than that manufactured from $E_0$ grade. And, the differences between hybrid composite boards manufactured from both adhesive increased with the increase of green tea content. On the other hand, high correlations were found between dynamic MOE and static bending strength performances, it was concluded that static bending strength performances could be estimated from the dynamic MOE, except for a few hybrid board types with large variations.
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문제 정의
이 연구에서는 녹차-목재섬유 복합보드의 동적탄성률에 미치는 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율 및 바인더로 사용한 접착제의 영향을 조사하여 다음의 결과를 얻었다.
제안 방법
그 후, 제조된 복합보드의 가장자리를 15 mm씩 잘라낸 가로 300 mm, 세로 300 mm의 정방형의 판으로부터 폭 20 mm, 길이 300 mm의 크기로 절단하였고, 20°C, 65%RH의 항온항습실에서 7일 이상 조습하였다.
녹차-목재복합보드제조용으로 사용된 목재섬유는 시판용 중밀도섬유판(MDF) 제조용으로 사용되는 함수율 약 8%의 리기다소나무 섬유를 (주)한솔홈데코로부터 제공받아 사용하였고, 녹차는 경남 하동의 산곡다원에서 생엽을 매입하여 건조시킨 후, 분말화하여 사용하였다. 녹차-목재섬유복합보드는 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율을 0 (control), 5, 10, 20%로 하여, 가로 330 mm, 세로 330 mm, 두께 12 mm의 크기로 포름알데히드 방산량 E0급(0.5 mg/ℓ 이하)과 E1급(1.5 mg/ℓ 이하)의 요소수지를 바인더로 사용하여 제조하였다. 보드제조시의 열압조건은 열압기(hot press)의 열판온도 150°C, 압체압력 1.
이것은 전항에서 언급된 것처럼 복합보드의 시험편의 개수가 많지 않고, 휨 강도값의 범위가 협소한데 기인한 것으로 판단된다. 따라서 녹차-목재섬유복합보드 전체를 통합하여 상관회귀를 실시하였고, Fig. 6에 나타낸다. E0급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 0.
따라서, 본 연구에서는 선행연구에 이어 녹차와 목재섬유를 복합한 복합보드를 녹차의 배합비율을 달리하여 제조하여 양단자유 휨 진동시험을 실시하였고, 복합보드의 동적탄성률에 미치는 녹차배합비율의 영향을 조사하였다. 또한, 동적탄성률로부터 정적 휨강도성능과의 상관회귀모델을 개발하여 정적 휨강도성능을 비파괴적으로 예측하였다.
따라서, 본 연구에서는 선행연구에 이어 녹차와 목재섬유를 복합한 복합보드를 녹차의 배합비율을 달리하여 제조하여 양단자유 휨 진동시험을 실시하였고, 복합보드의 동적탄성률에 미치는 녹차배합비율의 영향을 조사하였다. 또한, 동적탄성률로부터 정적 휨강도성능과의 상관회귀모델을 개발하여 정적 휨강도성능을 비파괴적으로 예측하였다.
목재섬유-톱밥-녹차 복합보드의 정역학적 특성을 조사하기 위하여 실시한 정적 휨 시험은 시험편의 스팬 260 mm, 하중점과 지점 사이의 거리 130 mm, 하중속도 10 mm/min의 중앙집중식 3점 하중방식으로 실시하였다.
2에 나타낸 것처럼, 시험편의 양쪽 하단에 직경 5mm의 아연철편이 부착된 시험편은 양단이 자유로운 상태에서 진동의 마디점(절점)에 실을 걸어 수평으로 달아내렸다. 시험편에 진동에너지를 가하기 위한 여진기 및 진동을 수진하기 위한 수진기를 아연철편 밑에 놓은 후, 마그네틱드라이버를 통하여 한쪽 끝에서는 여진하고, 다른 쪽 끝에서는 수진하여 공진곡선을 그렸고, 고유진동수를 측정하였다. 시험 장치는 Sine Wave Generator (Type 1023, B&K), Universal Counter Timer (Type 5001, GSP), 그리고 Oscilloscope (Type 1740A, HP)로 구성되었고, 오실로스코프의 공진곡선이 최대가 되었을 때의 Frequency counter timer의 값(고유진동수)을 취하였다.
하중은 복합보드의 축방향에 직교하게 부하하였고, 만능재료시험기(Instron 8516, UK)를 통하여 목재섬유-톱밥-녹차 복합보드 시험편의 하중-처짐(변위량) 곡선을 구하였고, 하중-처짐 곡선으로부터 탄성한도내의 상한하중 및 하한하중의 차 및 그때의 변위로 부터 다음 식 (1)을 이용해 휨 탄성계수(MOE)를 구하였다. 또한, 최대하중으로부터 식 (2)를 이용하여 휨 강도를 구하였다.
대상 데이터
그 후, 제조된 복합보드의 가장자리를 15 mm씩 잘라낸 가로 300 mm, 세로 300 mm의 정방형의 판으로부터 폭 20 mm, 길이 300 mm의 크기로 절단하였고, 20°C, 65%RH의 항온항습실에서 7일 이상 조습하였다. 그 후 각 시험편의 치수와 중량을 측정하여 밀도를 계산한 후, 시험편의 양쪽끝 하단에 아연철편을 부착하였고, 양단자유 휨 진동 시험용 시험편으로 사용하였다. 시험편의 개수는 각 조건 당 평균 25개로 하였다.
녹차-목재복합보드제조용으로 사용된 목재섬유는 시판용 중밀도섬유판(MDF) 제조용으로 사용되는 함수율 약 8%의 리기다소나무 섬유를 (주)한솔홈데코로부터 제공받아 사용하였고, 녹차는 경남 하동의 산곡다원에서 생엽을 매입하여 건조시킨 후, 분말화하여 사용하였다. 녹차-목재섬유복합보드는 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율을 0 (control), 5, 10, 20%로 하여, 가로 330 mm, 세로 330 mm, 두께 12 mm의 크기로 포름알데히드 방산량 E0급(0.
시험편의 개수는 각 조건 당 평균 25개로 하였다. 단, 포름알데히드 방산량 E0급 요소수지를 사용하여 제조한 녹차배합비율 20%의 복합보드는 보드내층의 할렬이 심하여, 할렬이 없는 시험편만 선택하여 시험에 사용하였다. 시험편의 형상을 Fig.
시험 장치는 Sine Wave Generator (Type 1023, B&K), Universal Counter Timer (Type 5001, GSP), 그리고 Oscilloscope (Type 1740A, HP)로 구성되었고, 오실로스코프의 공진곡선이 최대가 되었을 때의 Frequency counter timer의 값(고유진동수)을 취하였다.
성능/효과
1) 양단자유 휨 진동에 의해 구한 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률은 녹차를 배합하지 않은 대조보드의 그것보다 전반적으로 낮은 값을 나타내었고, 복합보드의 녹차배합비율이 높아질수록 동적탄성률은 감소하는 경향을 나타내었다.
2) 녹차-목재섬유복합보드의 밀도와 동적탄성률 및 정적 휨 강도성능은 비교적 높은 상관을 나타내는 것이 확인되었다.
3) 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 정적 휨 탄성계수와의 높은 상관관계가 확인되어, 동적탄성률로부터 비파괴적으로 정적 휨 탄성계수를 신뢰도 높게 예측가능한 것이 확인되었다.
4) E0급 요소수지의 경우, 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 정적 휨 강도와의 높은 상관관계가 확인되어, 동적탄성률로부터 비파괴적으로 정적 휨 강도가 신뢰도 높게 예측이 가능하였으나, E1급 요소수지의 경우, 동적탄성률로부터 정적 휨 강도를 예측시 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.
녹차의 배합비율에 관계없이 모두 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었고, 양자간에 밀접한 상관있는 것이 확인되었다. Fig. 4에 나타낸 것처럼, 녹차-목재섬유복합보드 전체를 통합한 상관회귀에서도 E0급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 0.868, E1급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 0.866의 값을 나타내어 밀접한 상관이 있는 것으로 확인되었고, 바인더로 사용한 접착제에 따른 차이는 명확하게 나타나지 않았다.
Fig. 5에 나타낸 것처럼, 녹차의 배합비율에 관계없이 복합보드 전체를 통합한 상관회귀에서는 E0급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 0.951, E1급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 776의 값을 나타내어 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었고, E0급의 요소수지가 E1급의 요소수지에 비해 현저히 높은 상관을 나타내는 것이 확인되었다. 이 결과로부터 전반적으로 동적탄성률에 의한 정적 휨 탄성계수의 예측이 신뢰성 높게 가능할 것으로 판단된다.
복합보드의 동적탄성률의 변동계수는 전반적으로 대조보드의 그것에 비해 비슷하거나 약간 높은 값을 나타내었다. 그러나 이 값은 E0급 요소수지에 비해 전반적으로 낮은 변동계수를 나타내어 보드내의 동적탄성률의 편차가 E0급 요소수지를 사용한 그것에 비해 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 복합보드의 동적탄성률은 정적 휨 탄성계수보다 1.
6에서는 녹차배합비율에 관계없이 복합보드 전체를 통합한 상관회귀그래프를 나타낸다. 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 정적 휨강도와의 관계를 살펴보면, E0급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드의 경우, 목재섬유에 대한 녹차배합비율 5%와 10%에서 상관계수 r = 0.903, r = 0.905로 높은 값을 나타내었고, 녹차배합비율 5%에서 상관계수 r = 0.807로 녹차배합비율 10%나 20%보다는 비교적 낮은 값을 나타내었으나, 유의수준 1%에서 유의성이 인정되어 동적탄성률과 정적 휨강도사이에 밀접한 상관이 있는 것이 확인되었다. 한편, E1급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드의 경우에는, 녹차배합비율 10%에서 상관계수 r = 0.
녹차-목재섬유복합보드의 밀도와 동적탄성률의 관계를 살펴보면, E0급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드의 경우, 목재섬유에 대한 녹차배합비율 20%에서 상관계수 r = 0.973으로 가장 높은 상관계수를 나타내었고, 녹차배합비율 10%에서 상관계수 r = 0.891로 가장 낮은 값을 나타내었으나, 양자의 차이는 적고, 양자간에 밀접한 상관이 있는 것이 확인되었다.
866으로 비교적 높은 값을 나타내었다. 녹차의 배합비율에 관계없이 모두 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었고, 양자간에 밀접한 상관있는 것이 확인되었다. Fig.
복합보드의 동적탄성률에 대한 변동계수는 녹차를 함유하지 않은 대조보드(control boards)에 비해 전반적으로 높은 값을 나타내어 복합보드 내의 편차는 대조보드에 비해 약간 큰 것이 확인되었고, 이 값은 녹차의 배합비율이 증가함에 비례하여 증가하는 경향을 나타내었고, 정적 휨 탄성계수의 그것보다 1.33∼1.50배의 높은 값을 나타내어 Norimoto(1982)의 목재의 동적탄성률은 정적탄성률의 1.2배 정도의 높은 값을 나타낸다는 연구결과보다 약간 더 높은 값을 나타내었다.
54배의 높은 값을 나타내었고, 그 증가비율은 녹차배합비율이 가장 높은 20%에서 가장 높았다. 복합보드의 동적탄성률의 변동계수는 전반적으로 대조보드의 그것에 비해 비슷하거나 약간 높은 값을 나타내었다. 그러나 이 값은 E0급 요소수지에 비해 전반적으로 낮은 변동계수를 나타내어 보드내의 동적탄성률의 편차가 E0급 요소수지를 사용한 그것에 비해 감소하는 것으로 나타났다.
86GPa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이 값들은 녹차를 배합하지 않은 control 시험편에 비해 녹차배합비율 5% 및 10%는 약간 높거나 비슷한 값을 나타내었지만, 녹차배합비율 20%에서는 0.79배의 낮은 값을 나타내는 것이 확인되었다. 이것은 전보(박 등, 2010)의 정적 휨강도성능에서도 언급한바와 같이 녹차의 배합비율이 증가함에 따라 강도가 우수한 목재섬유의 영향은 감소하고 섬유가 미세하게 절단되어 강도가 감소한 녹차분말의 영향은 증가하기 때문이다.
97배의 낮은 값을 나타내었고, 복합보드의 녹차배합비율이 높아질수록 동적탄성률은 감소하는 경향이 확인되었다. 이 값은 E0급 요소수지를 사용하여 제조한 복합 보드에 비해 1.06~1.54배의 높은 값을 나타내었고, 그 증가비율은 녹차배합비율이 가장 높은 20%에서 가장 높았다. 복합보드의 동적탄성률의 변동계수는 전반적으로 대조보드의 그것에 비해 비슷하거나 약간 높은 값을 나타내었다.
이 값은 녹차를 배합하지 않은 대조보드의 그것보다 0.93∼0.97배의 낮은 값을 나타내었고, 복합보드의 녹차배합비율이 높아질수록 동적탄성률은 감소하는 경향이 확인되었다.
이 결과로부터 E0급의 요소수지를 사용한 복합보드는 동적탄성률에 의한 정적 휨강도의 예측이 신뢰성 높게 가능할 것으로 판단되나, E1급 요소수지를 사용한 복합보드의 경우에는 녹차배합비율 10%를 제외하고는 전반적으로 동적탄성률에 의한 정적 휨강도의 예측에 신중을 기해야 할 것으로 사료된다.
951, E1급의 요소수지의 경우, 상관계수 r = 776의 값을 나타내어 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었고, E0급의 요소수지가 E1급의 요소수지에 비해 현저히 높은 상관을 나타내는 것이 확인되었다. 이 결과로부터 전반적으로 동적탄성률에 의한 정적 휨 탄성계수의 예측이 신뢰성 높게 가능할 것으로 판단된다.
한편, E1급 요소수지(포름알데히드방산량 1.5 mg/ℓ 이하)로 제조한 복합보드의 동적탄성률은 목재섬유에 대한 녹차배합비율 5%에서 4.23 GPa로 가장 높은 값을 나타내었고, 녹차배합비율 20%에서 4.04 GPa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이 값은 녹차를 배합하지 않은 대조보드의 그것보다 0.
807로 녹차배합비율 10%나 20%보다는 비교적 낮은 값을 나타내었으나, 유의수준 1%에서 유의성이 인정되어 동적탄성률과 정적 휨강도사이에 밀접한 상관이 있는 것이 확인되었다. 한편, E1급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드의 경우에는, 녹차배합비율 10%에서 상관계수 r = 0.768의 값을 나타내어 비교적 높은 상관을 나타내었으나, 녹차배합비율 5%와 20%에서는 상관계수 r = 0.276, r = 0.327의 값을 나타내어 유의성이 인정되지 않았다. 이것은 전항에서 언급된 것처럼 복합보드의 시험편의 개수가 많지 않고, 휨 강도값의 범위가 협소한데 기인한 것으로 판단된다.
한편, E1급의 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드의 경우에는, 목재섬유에 대한 녹차배합비율 20%와 5%에서 상관계수는 각각 r = 0.976, r = 0.974로 아주 높은 값을 나타내었고, 녹차배합비율 10%에서 상관계수 r = 0.866으로 비교적 높은 값을 나타내었다. 녹차의 배합비율에 관계없이 모두 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었고, 양자간에 밀접한 상관있는 것이 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
녹차의 특징은?
녹차는 항암, 항산화, 항균효과 등 건강에 유익한 다양한 요소뿐만 아니라, 녹차의 카테킨성분의 강한 탈취성(정동효, 2004)이 있음이 밝혀짐에 따라 일본의 음료회사 伊藤園을 중심으로 녹차음료를 제조하고 남은 잔사를 이용한 건축내장재의 개발에 많은 관심이 집중되고 있고, 국내의 녹차연구소 및 제다업체에서도 음료로써의 녹차에 부가하여 녹차제조 후, 다량 발생하는 부가가치가 낮은 늙은 잎을 효율적으로 이용할 수 있는 건축재료로의 응용을 검토코자 하는 움직임이 일어나고 있다.
환경친화형 생태건축재료가 시멘트, 플라스틱 등의 산업화재로 교체되면서 가져온 문제는?
오래전부터 사용되어온 환경친화형 생태건축재료가 시멘트, 플라스틱 등의 산업화재료로 교체되면서 새집증후군과 같은 다양하고 새로운 질병이 발생하여 사회적 문제로 대두되고 있다. 이에 따라 질병퇴치 및 완화에 도움이 되는 인체 및 환경친화형 하이브리드 건축재료가 다 방면에 걸쳐 요구되고 있고, 다양한 연구가 이루어지고 있다(이와 김, 2003; 박 등, 2003; 2004; 2007; 2009; 2010; 김 등, 2004; 이 등, 2006; 이 등, 2009).
녹차-목재섬유 복합보드의 동적탄성률에 미치는 목재섬유에 대한 녹차의 배합비율 및 바인더로 사용한 접착제의 영향을 조사한 결과는?
1) 양단자유 휨 진동에 의해 구한 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률은 녹차를 배합하지 않은 대조보드의 그것보다 전반적으로 낮은 값을 나타내었고, 복합보드의 녹차배합비율이 높아질수록 동적탄성률은 감소하는 경향을 나타내었다.
2) 녹차-목재섬유복합보드의 밀도와 동적탄성률 및 정적 휨 강도성능은 비교적 높은 상관을 나타내는 것이 확인되었다.
3) 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 정적휨 탄성계수와의 높은 상관관계가 확인되어, 동적탄성률로부터 비파괴적으로 정적 휨 탄성계수를 신뢰도 높게 예측가능한 것이 확인되었다.
4) E0급 요소수지의 경우, 녹차-목재섬유복합보드의 동적탄성률과 정적 휨 강도와의 높은 상관관계가 확인되어, 동적탄성률로부터 비파괴적으로 정적 휨강도가 신뢰도 높게 예측이 가능하였으나, E1급 요소수지의 경우, 동적탄성률로부터 정적 휨 강도를 예측시 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.
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