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문제 정의
- 본 연구에서는 녹차-목재섬유복합보드에 기능성을 보강한 복합보드를 개발하기 위하여 3종류의 숯을 혼합한 녹차-숯-목재섬유 복합보드를 제작하였고, 구성원료의 종류 및 배합비율이 복합보드의 물리적 특성에 미치는 영향을 조사하여 다음의 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 더 나아가 녹차와 목재섬유를 복합한 보드에 탈취력, 흡착력 등의 기능성을 보강한 건축내장재를 개발하기 위하여 탄화온도에 따라 제조되는 흑탄, 백탄, 활성탄 등 3종류의 숯을 혼합한 녹차-숯-목재섬유 복합보드를 제작하였고, 이들 복합보드의 흡수두께 팽윤률, 시간경과에 따른 암모니아가스 감소율, 포름알데히드 방산량을 측정하여, 복합보드 구성원료의 종류와 배합비율이 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 치수안정성, 탈취성 및 포름알데히드 방산량에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 단위면적당 흡수량 및 흡수두께 팽윤률을 측정하기 위하여, 각 보드조건당 평균 18개씩 제작한 가로 50 mm × 세로 50 mm ×두께 12 mm의 시험편에 폭 및 길이방향으로 중앙에 기준선을 긋고, 중량과 치수를 측정하였다. 그후, 105℃의 드라이오븐에 넣어 항량에 도달할 때까지 48시간 이상 건조시켰고, 제습용 실리카겔을 넣은 데시케이터 속에서 식힌 후, 25℃의 항온수조에 넣고, 24시간 동안 침지한 후, 여분의 수분을 제거하고, 다시 중량과 치수를 측정하였다. 수분흡수에 따른 복합보드 시험편의 단위면적당 흡수량(Q)을 식 (1)를 이용하여 계산하였고, 또한, 복합보드의 흡수 두께 팽윤률(TS)을 식(2)을 이용하여 계산하였다.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 24시간 데시케이터 법에 의한 포름알데히드 방산량 측정은 10ℓ 용량의 데시케이터의 바닥에 300 ㎖의 증류수를 담은 직경 120 mm, 높이 60 mm의 결정접시를 놓았고, 그 위에 50 mm × 150 mm의 시험편을 10개를 세워서 놓은 후, 20℃, 65% RH의 항온항습챔버에 넣어 24시간 방치하였다. 그후, 결정접시 내의 증류수 중에 포함되어 있는 포름알데히드를 분광광도계를 사용하여 비색정량하여 복합보드의 포름알데히드 방산량을 측정하였다. 시험은 각 조건 당 3회 반복시험하였고, 시험편의 개수는 총 600개를 제작하여 사용하였다.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 단위면적당 흡수량 및 흡수두께 팽윤률을 측정하기 위하여, 각 보드조건당 평균 18개씩 제작한 가로 50 mm × 세로 50 mm ×두께 12 mm의 시험편에 폭 및 길이방향으로 중앙에 기준선을 긋고, 중량과 치수를 측정하였다.
- 각 시간대별 측정 점에서 시험가스의 제거율은 식(3)에 의해 계산되었다. 단, E0급 요소수지로 제조된 복합보드 시험편에 한해서 실시하였고, 시험편의 개수는 각 조건 당 3회 반복시험으로 총 60개로 하였다.
- 반응기에 초기 농도 50µmol/mol로 암모니아 가스를 주입하고 시험 가스의 농도를 초기(0분), 30, 60, 120분 단위로 측정하였다.
- 5 mg/ℓ 이하)를 사용하였다. 보드 제조시의 열압조건은 열압기의 열판온도 150℃, 압체압력 1.96 MPa, 압체시간 4분 30초로 설정하였고, 보드제조 후, 20℃, 65% RH의 항온항습실에서 일주일 이상 양생하였다. 제조된 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 사진을 Fig.
- 복합보드는 목재섬유에 대한 녹차분말 및 숯분말 (흑탄, 백탄, 활성탄)의 배합비율을 Table 1과 같이 하여 가로 330 mm, 세로 330 mm, 두께 12 mm의 녹차-숯-목재섬유 복합보드 20종류를 제조하였다.
- 시험 중 온도는 23℃ ± 5℃, 습도는 50% ± 10%를 유지하였고, 복합보드시료를 넣지 않은 상태로 같은 조건에서 시험을 실시하여 이를 blank 농도로 하여 복합보드 시험편과 비교하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 목재섬유는 (주)한솔홈데코사의 시판용 섬유판 제조에 사용되는 함수율 8%의 리기다소나무 목재섬유를 사용하였다. 녹차는 경상남도 하동군 화개면 소재 산곡다원에서 녹차제조 후 남은 상품화가치가 없는 녹찻잎을 매입하여 건조한 후 분말화 하였고, 100 mesh의 체로 쳐서 복합보드용 녹차원료로 사용하였다. 숯은 기능성을 고려하여 시판되고 있는 흑탄, 백탄 및 활성탄을 구매하여 분쇄기로 분말화한 후, 100 mesh의 체로 쳐서 복합보드용 숯원료로 사용하였다.
- 바인더로 사용된 접착제는 포름알데히드 방산량을 기준으로 분류되는 E0급 요소수지(0.5 mg/ℓ 이하)와 E1급 요소수지(1.5 mg/ℓ 이하)를 사용하였다. 보드 제조시의 열압조건은 열압기의 열판온도 150℃, 압체압력 1.
- 본 연구에 사용된 목재섬유는 (주)한솔홈데코사의 시판용 섬유판 제조에 사용되는 함수율 8%의 리기다소나무 목재섬유를 사용하였다. 녹차는 경상남도 하동군 화개면 소재 산곡다원에서 녹차제조 후 남은 상품화가치가 없는 녹찻잎을 매입하여 건조한 후 분말화 하였고, 100 mesh의 체로 쳐서 복합보드용 녹차원료로 사용하였다.
- 녹차는 경상남도 하동군 화개면 소재 산곡다원에서 녹차제조 후 남은 상품화가치가 없는 녹찻잎을 매입하여 건조한 후 분말화 하였고, 100 mesh의 체로 쳐서 복합보드용 녹차원료로 사용하였다. 숯은 기능성을 고려하여 시판되고 있는 흑탄, 백탄 및 활성탄을 구매하여 분쇄기로 분말화한 후, 100 mesh의 체로 쳐서 복합보드용 숯원료로 사용하였다.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 탈취성 시험은 5 l 크기의 반응기에 40 mm (가로) × 40 mm (세로) ×12 mm (두께) 크기의 시험편을 넣고 밀봉하였다. 시험용 가스는 KS I 2218 (2009년)에 근거하여, 악취 발생의 원인물질로 가장 많이 취급받고 있는 암모니아 가스를 사용하였다. 반응기에 초기 농도 50µmol/mol로 암모니아 가스를 주입하고 시험 가스의 농도를 초기(0분), 30, 60, 120분 단위로 측정하였다.
- 그후, 결정접시 내의 증류수 중에 포함되어 있는 포름알데히드를 분광광도계를 사용하여 비색정량하여 복합보드의 포름알데히드 방산량을 측정하였다. 시험은 각 조건 당 3회 반복시험하였고, 시험편의 개수는 총 600개를 제작하여 사용하였다.
성능/효과
- 1) 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 단위면적당 흡수량은 바인더로 사용한 양접착제 모두에서 백탄 < 흑탄 < 활성탄 함유 복합보드의 순으로 나타났고, 목재 섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 높아질수록 증가하는 경향을 나타내었다.
- 2) 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 흡수두께 팽윤률은 백탄 함유 복합보드에서 5.69~7.72%로 가장 낮은 값을 나타내었고, 활성탄 함유 복합보드에서 7.62~27.3%로 가장 높은 값을 나타내었다. 이 값은 시판용 중밀도섬유판의 흡수두께 팽윤률 KS규정(12% 이하)보다 활성탄 함유 복합보드 이외의 모든 보드에서 현저히 낮은 두께 팽윤률을 나타내어 건축내장재로 활용가능성이 확인되었다.
- 3) 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 암모니아가스 감소율은 활성탄 > 백탄 > 흑탄 함유 복합보드의 순이었고, 활성탄 함유 복합보드의 경우, 활성탄의 배합비율 10%에서 30분 경과 시 약 96%의 암모니아 가스의 감소율을 나타내었고, 흑탄과 백탄 함유 복합보드에서도 1시간 경과 후 95% 전후의 높은 암모니아 가스 감소율을 나타내어 기능성 건축내장재로 응용가능성이 확인되었다.
- 4) 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 포름알데히드 방산량은 두 종류의 요소수지 모두에서 흑탄< 백탄 <활성탄 함유 복합보드의 순으로 나타났고, 그 양은 E0급 요소수지를 바인더로 사용시는 super E0급 (0.3 mg/ℓ)에 근접한 복합보드, E1급 요소수지를 바인더로 사용시는 E0급(0.5 mg/ℓ)에 근접한 복합보드의 제조가 가능한 것이 확인되었다.
- Fig. 3에 나타낸 것처럼, 복합보드의 암모니아 가스 감소율은 모든 종류의 복합보드에서 목재섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 증가할수록 증가하였고, 숯의 종류에 따른 감소율의 크기는 활성탄 함유 복합보드 > 백탄 함유 복합보드 > 흑탄 함유 복합보드의 순으로 3종류의 숯 가운데 활성탄이 함유된 복합보드에서 가장 높은 암모니아 가스 감소율을 나타내었다.
- 3배의 값을 나타내었다. 그러나 이 값은 두께 7~15 mm 범위의 중밀도 섬유판의 흡수두께 팽윤률은 12%이하가 되도록 규정되어 있는 한국산업규격 KS F 3200 규정을 활성탄 함유 복합보드를 제외하고는 모두 만족시켰고, 특히, 백탄 함유 복합보드의 경우 현저히 낮은 흡수두께 팽윤률을 나타내어 기능성을 가진 우수한 재료로 활용가능성이 확인되었다.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 밀도는 E0급 요소수지의 경우, 0.752~0.786 g/cm3의 범위를 나타내어 숯의 종류 및 구성비율에 따른 뚜렷한 차이는 확인되지 않았다. E1급 요소수지의 경우에서는 0.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 포름알데히드 방산량은 E0급 요소수지를 사용하였을 경우, 녹차 : 숯 :목재섬유의 모든 배합비율에서 흑탄 함유 복합보드가 0.275~0.282 mg/ℓ로 가장 적은 포름알데히드 방산량을 나타내었고, 그 다음이 백탄 함유 복합보드, 그리고 활성탄 함유 복합보드에서 가장 많은 포름알데히드 방산량을 나타내는 것이 확인되었다. E0급 요소수지를 바인더로 사용하였으나, 대부분의 복합보드에서 포름알데히드 방산량은 0.
- 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 함수율은 E0급 요소 수지의 경우, 7.5~9.0%의 범위에 있었고, 백탄함유 복합보드에서 가장 높은 함수율을 나타내었고, 활성탄함유 복합보드에서 가장 낮은 함수율을 나타내었다. 이 값들은 목재섬유만으로 된 대조보드(control 보드)의 함수율 7.
- 598 mg/ℓ의 포름알데히드 방산량을 나타내었고, 함유한 숯의 종류에 따른 크기는 흑탄 함유 복합보드 < 백탄 함유 복합보드 < 활성탄 함유 복합 보드의 순서로 포름알데히드 방산량의 차이를 나타내었으나, 전체적으로 그 차이는 크지 않았다. 녹차와 숯의 배합비율 증가에 따라 포름알데히드 방산량은 전반적으로 감소하는 경향을 나타내었다. E1급 요소수지를 사용하였으나, 거의 대부분의 보드에서 포름알데히드 방산량이 0.
- 4%의 값을 나타내었고, 이 값은 E0급 요소수지로 제조된 복합보드보다 전체적으로 약간 적은 값을 나타내었으나, 그 차이는 크지 않았다. 또한, 이 값은 목재섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 증가할수록 커지는 경향을 보였고, 그 증가비율은 활성탄 함유 복합보드에서 가장 컸고, 흑탄 함유 및 백탄 함유 복합보드는 양자의 명확한 차이가 나타나지 않았다. 이 값은 대조보드에 비해 1.
- 0%의 범위에 있었고, 백탄함유 복합보드에서 가장 높은 함수율을 나타내었고, 활성탄함유 복합보드에서 가장 낮은 함수율을 나타내었다. 이 값들은 목재섬유만으로 된 대조보드(control 보드)의 함수율 7.4%와 비슷하거나 약한 높은 값을 나타내었고, 녹차 및 숯의 배합비율에 따른 명확한 함수율의 증감은 나타나지 않았다.
- 또한, 이 값은 목재섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 증가할수록 커지는 경향을 보였고, 그 증가비율은 활성탄 함유 복합보드에서 가장 컸고, 흑탄 함유 및 백탄 함유 복합보드는 양자의 명확한 차이가 나타나지 않았다. 이 값은 대조보드에 비해 1.07~4.39배의 값을 나타내었고, E1급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드 역시 활성탄 함유 복합보드를 제외하고 흡수두께 팽윤률은 한국산업규격 KS F 3200에 규정된 중밀도 섬유판의 두께 팽윤률이 12%이하가 되도록 규정되어 있는 것보다 훨씬 낮은 두께 팽윤률을 나타내었다. 이 결과로부터 활성탄 함유 복합보드를 제외하고, 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 치수 안정성은 시판용 중밀도 섬유판과 우수하거나 대등한 것이 확인되었고, 건축내장재 및 다양한 기능성 생활소품으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 087 g/cm2로 가장 적은 단위면적당 흡수량을 나타내었다. 이 값은 대조보드의 그것보다 흑탄 및 백탄 함유 복합보드에서는 1.0~1.6배, 활성탄 함유 복합보드에서는 1.9~3.9배의 값을 나타내었고, E0급 요소수지로 제조된 복합보드에서와 같이 활성탄 함유 복합보드에서 대조보드에 비해 현저한 흡수량의 증가를 나타내는 것이 확인되었다.
- 3%의 흡수두께 팽윤률을 나타내어 활성탄 함유 복합보드에서 가장 높은 흡수두께 팽윤률을 나타내었고, 백탄 함유 복합보드에서 가장 낮은 두께 팽윤률을 나타내었다. 이 값은 숯의 배합비율이 증가할수록 증가하였고, 그 증가비율은 성활성 탄함유 복합보드에서 가장 높은 것이 확인되었다. 또한, 이 값은 대조보드의 그것보다 흑탄 함유 복합 보드의 경우 1.
- 3%로 가장 높은 값을 나타내었다. 이 값은 시판용 중밀도섬유판의 흡수두께 팽윤률 KS규정(12% 이하)보다 활성탄 함유 복합보드 이외의 모든 보드에서 현저히 낮은 두께 팽윤률을 나타내어 건축내장재로 활용가능성이 확인되었다.
- 39배의 값을 나타내었고, E1급 요소수지를 바인더로 사용한 복합보드 역시 활성탄 함유 복합보드를 제외하고 흡수두께 팽윤률은 한국산업규격 KS F 3200에 규정된 중밀도 섬유판의 두께 팽윤률이 12%이하가 되도록 규정되어 있는 것보다 훨씬 낮은 두께 팽윤률을 나타내었다. 이 결과로부터 활성탄 함유 복합보드를 제외하고, 녹차-숯-목재섬유 복합보드의 치수 안정성은 시판용 중밀도 섬유판과 우수하거나 대등한 것이 확인되었고, 건축내장재 및 다양한 기능성 생활소품으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 한편, E1급 요소수지를 바인더로 사용한 녹차-숯목재섬유 복합보드의 경우, 흡수두께 팽윤률은 5.69~23.4%의 값을 나타내었고, 이 값은 E0급 요소수지로 제조된 복합보드보다 전체적으로 약간 적은 값을 나타내었으나, 그 차이는 크지 않았다. 또한, 이 값은 목재섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 증가할수록 커지는 경향을 보였고, 그 증가비율은 활성탄 함유 복합보드에서 가장 컸고, 흑탄 함유 및 백탄 함유 복합보드는 양자의 명확한 차이가 나타나지 않았다.
- 한편, E1급 요소수지를 사용하였을 경우, Table 5에 나타낸 것처럼, 모든 구성원료의 배합비율에서 E0급 요소수지와 같이 흑탄 함유 복합보드에서 가장 적은 0.499~0.598 mg/ℓ의 포름알데히드 방산량을 나타내었고, 함유한 숯의 종류에 따른 크기는 흑탄 함유 복합보드 < 백탄 함유 복합보드 < 활성탄 함유 복합 보드의 순서로 포름알데히드 방산량의 차이를 나타내었으나, 전체적으로 그 차이는 크지 않았다.
- 073 g/cm2로 가장 적은 단위면적당 흡수량을 나타내었다. 흡수량은 목재섬유에 대한 녹차와 숯의 배합비율이 높아질수록 증가하였고, 녹차와 숯이 함유되지 않은 대조보드의 그것보다 흑탄함유 복합보드에서는 1.0~1.5배, 백탄 함유 복합보드에서는 0.97~1.2배, 활성탄 함유 복합보드에서는 1.3~3.8배의 흡수량을 나타내었다. E1급 요소 수지로 제조된 복합보드의 경우, 활성탄 함유 복합보드에서 0.
후속연구
- 이것은 메틸렌블루 흡착성능이 백탄보다 넓은 표면적을 가진 활성탄이 크고, 흑탄보다 표면적이 넓은 백탄이 우수하다고 보고한 정 등 (2004) 및 이와 김(2010)의 결과, 그리고 에틸렌가스의 흡착성능은 목탄의 혼합비가 증가할수록 증가하고, 목탄입자가 적을수록 증가한다는 이 등(2004)의 보고와 일치한다. 전체적으로 시험시작 후 1시간의 경과 후에는 모든 종류의 복합보드에서 95%이상의 우수한 암모니아 가스 감소율을 나타내었고, 이것은 다양한 용도의 탈취재료로 응용가능할 것으로 판단된다. 특히, 거실 전면의 고가의 고급 기능성내장재를 대체할 수 있는 우수한 기능성 재료 개발의 설계지침이 될 것으로 사료된다.
- 전체적으로 시험시작 후 1시간의 경과 후에는 모든 종류의 복합보드에서 95%이상의 우수한 암모니아 가스 감소율을 나타내었고, 이것은 다양한 용도의 탈취재료로 응용가능할 것으로 판단된다. 특히, 거실 전면의 고가의 고급 기능성내장재를 대체할 수 있는 우수한 기능성 재료 개발의 설계지침이 될 것으로 사료된다.
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