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문제 정의
- 그러나 왕겨에는 탄소성분이 약 40∼50%, 규소함량이 30∼40%인 점에 착안하여 최근에는 탄화 왕겨로부터 활성탄을 제조하는 연구도 진행되고 있기 때문에 왕겨를 가공 처리하여 목질패널제품과 신소재 개발의 원료로 이용한다면 농가소득 및 목재수입의 대체효과가 클 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 제재과정에서 발생되는 톱밥과 농업부산물인 왕겨를 이용하여 혼합비율에 따라 혼합보드를 제조하고 수지를 함침한 후 고온에서 탄화하여 혼합세라믹을 제조한 다음 물성을 조사하여 왕겨의 혼합비율에 따른 혼합세라믹의 특성을 조사함으로써 톱밥과 왕겨의 새로운 용도개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 각 조건별로 제조된 함침보드와 탄화 후의 혼합세라믹의 치수 및 중량을 측정하여 중량변동 및 밀도 변화를 계산하였다. 휨강도는 만능강도시험기(Shimadzu, AGS-10 kN, Autograph)를 이용하여 하중속도 5mm/min 조건으로 측정하였다.
- 보드를 제조하기 위하여 균일하게 선별된 톱밥과 왕겨 및 분말 상 페놀수지를 충분히 혼합하여 열압기의 열판 위에 있는 스테인레스 정방형 몰드 속에 넣고 시료상부의 높이를 일정하게 조절한 후 열압성형하여 26cm × 26cm × 1.4cm의 보드를 제조하였다.
- 4cm의 보드를 제조하였다. 보드의 제조조건은 톱밥과 왕겨의 중량혼합비(이하 혼합비율로 함) 3 : 7, 4 : 6, 5 : 5, 6 : 4, 7 : 3에 따라 밀도 0.6 g/cm3로 총 5타입의 보드를 제조하였다. 이때 열압온도는 190℃, 가압압력은 40 kgf/cm2 → 30 kgf/cm2 → 20 kgf/cm2(3단 가압), 가압시간 6분 → 5분 → 4분(3단 가압시간)으로 하였다.
- 본 연구에서는 제재 시 발생하는 톱밥과 농업부산물인 왕겨를 이용하여 왕겨의 혼합비율별로 혼합보드를 제조하고 수지를 함침한 다음 고온에서 탄화하여 혼합세라믹을 제조한 후 왕겨의 혼합비율에 따른 물성을 조사하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 왕겨의 혼합비율별로 제조하여 함침된 보드 중 수지 함침율이 40 ± 2%, 50 ± 2%, 60 ± 2% 및 70 ± 2%인 시편을 탄화온도 800℃로, 수지 함침율 50 ± 2%인 시편을 탄화온도 600℃, 800℃, 1000℃ 및 1200℃로 각각 10개씩 진공 탄화로를 이용하여 혼합 세라믹을 제조하였다.
- 제조한 보드를 두께 1.4cm, 그리고 단면의 크기를 12cm × 12cm의 크기로 재단한 다음 항온항습기(20 ± 1℃, 습도 65 ± 5%)에서 조습처리한 후 밀도를 계산하였다.
- 준비된 시편을 액상 페놀수지가 들어있는 함침탱크에 넣은 후 감압(1기압)과 상압 및 초음파처리(주파수: 28 kHz, 출력: 564 W)를 반복 병행하여 수지 함침율을 40∼70%로 조절하였다.
- 각 조건별로 제조된 함침보드와 탄화 후의 혼합세라믹의 치수 및 중량을 측정하여 중량변동 및 밀도 변화를 계산하였다. 휨강도는 만능강도시험기(Shimadzu, AGS-10 kN, Autograph)를 이용하여 하중속도 5mm/min 조건으로 측정하였다.
대상 데이터
- 또한 시험조건을 일정하게 하기 위하여 혼합비율별로 밀도 ± 0.02 g/cm3인 시편을 20개씩 선정하였다.
- 톱밥⋅왕겨 혼합보드 제조를 위하여 분말 상 페놀 수지(코오롱유화(주), KNB-100PL)를 사용하였으며, 수지첨가량은 톱밥⋅왕겨 혼합량의 10%(중량 비)로 하였다. 세라믹 제조를 위한 함침에는 액상 페놀수지(코오롱유화(주), KPD-L777)를 사용하였으며 각 수지의 특성은 Table 1과 같다.
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2. 왕겨
왕겨(신동진 벼)는 정미소에서 구입하여 음건한 후 보드 제조 시 결합력을 높이기 위하여 분쇄기로 분쇄하여 입자크기를 18mesh로 선별하고 함수율은 5% 이하로 조절하여 사용하였다
. - 톱밥⋅왕겨 혼합보드 제조를 위하여 분말 상 페놀 수지(코오롱유화(주), KNB-100PL)를 사용하였으며, 수지첨가량은 톱밥⋅왕겨 혼합량의 10%(중량 비)로 하였다.
- 톱밥은 낙엽송(Larix kaempferi C.) 제재 시 발생된 것을 시중 제재소에서 구입하여 사용하였으며, 보드 제조 시 시료의 균일함을 위하여 입자의 크기를 18mesh로 선별하고 함수율은 6% 이하로 조절하였다.
- 함침에 사용한 감압⋅초음파 함침장치는 함침탱크, 초음파진동부, 초음파 발진부, 진공펌프 등으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 동일한 수지 함침율 조건에서 왕겨 혼합비율이 증가함에 따라 탄화 후 밀도 및 휨강도는 증가하였으나 중량 감소율은 감소하였다. 또한 수지 함침율 증가에 따라 탄화 후 밀도 및 휨강도는 증가하였으나, 중량 감소율은 감소하였다.
- 2) 동일한 탄화온도 조건에서 밀도와 휨강도는 왕겨 혼합비율 40%일 때 가장 컸으며, 중량 감소율은 왕겨혼합비율이 증가함에 따라 감소하였다. 또한 탄화온도가 증가할수록 탄화 후 밀도, 중량 감소율 및 휨강도는 증가하였다.
- 이는 왕겨 속에 들어있는 규소성분이 세라믹의 밀도를 증가시키는 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 같은 왕겨 혼합비율별 수지 함침율에 따른 휨강도는 왕겨 혼합비율 30%인 경우 수지 함침율 40% 일 때 36.2 kgf/cm2, 50%일 때 47.2 kgf/cm2, 70%일 때 50.7 kgf/cm2이었으며, 왕겨 혼합비율 70%인 경우 수지 함침율 40%일 때 49.5 kgf/cm2, 60%일 때 78.0 kgf/cm2, 70%일 때 78.2 kgf/cm2로 수지 함침율이 증가할수록 탄화 후 휨강도도 증가하였다. 이는 세포내강에 침투되어있는 페놀수지가 탄화과정에서 유리질탄소(glassy carbon)로 변환되면서 수지함량이 많을수록 세포벽을 더욱 강화시켰기 때문으로 판단 된다(Oh and Byeon 2002).
- 1) 동일한 수지 함침율 조건에서 왕겨 혼합비율이 증가함에 따라 탄화 후 밀도 및 휨강도는 증가하였으나 중량 감소율은 감소하였다. 또한 수지 함침율 증가에 따라 탄화 후 밀도 및 휨강도는 증가하였으나, 중량 감소율은 감소하였다.
- 2) 동일한 탄화온도 조건에서 밀도와 휨강도는 왕겨 혼합비율 40%일 때 가장 컸으며, 중량 감소율은 왕겨혼합비율이 증가함에 따라 감소하였다. 또한 탄화온도가 증가할수록 탄화 후 밀도, 중량 감소율 및 휨강도는 증가하였다.
- 1∼3에 나타내었다. 밀도는 수지 함침율 40%인 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 0.57 g/cm3, 70%일 때 0.64 g/cm3이였으며, 수지 함침율 70%인 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 0.65 g/cm3, 70%일 때 0.73 g/cm3로 같은 수지 함침율 조건에서 왕겨 혼합비율이 증가함에 따라 탄화 후 밀도도 증가하였다. 이는 왕겨의 수지 침투율이 톱밥에 비해 떨어지지만 같은 수지 함침율 조건에서는 왕겨 속에 많이 함유되어 있는 규소가 밀도를 증가 시키는 요인인 것으로 생각되며, 고밀도의 세라믹 제조에 왕겨의 이용가능성이 있을 것으로 판단된다.
- 밀도는 탄화온도 600℃인 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 0.55 g/cm3, 70%일 때 0.58 g/cm3이었으며, 탄화온도 1000℃의 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 0.64 g/cm3, 70%일 때 0.66 g/cm3로 왕겨 혼합비율이 증가할수록 탄화 후 밀도도 약간 증가하는 경향을 보였으며, 특히 모든 탄화온도에서 왕겨 혼합비율 40%일 때 밀도가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 중량 감소율은 수지 함침율 40%인 경우 왕겨혼합율 30%일 때 61.8%, 70%일 때 56.3%이었으며, 수지 함침율 70%인 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 57.5%, 70%일 때 53.4%로 같은 수지 함침율 조건에서 왕겨 혼합비율이 증가함에 따라 탄화 후 중량 감소율은 감소하였다. 이는 수지 함침량이 같을 때 탄화과정에서 왕겨보다 톱밥이 빨리 연소되어 톱밥양이 많을수록 중량 감소율이 증가함을 의미한다.
- 중량 감소율은 탄화온도 600℃인 경우 왕겨 혼합비율 30%일 때 59.2%, 50%일 때 56.1%, 70%일 때 54.7%이었으며, 탄화온도 1200℃인 경우 왕겨 혼합 비율 30%일 때 60.7%, 50%일 때 58.3%, 70%일 때 55.9%로 왕겨 혼합비율이 증가할수록 탄화 후 중량 감소율은 감소하였다. 이는 왕겨 혼합량이 많을수록 톱밥의 연소량이 적어 중량 감소율이 적은 것으로 판단된다.
- 한편 같은 왕겨 혼합비율별 수지 함침율에 따른 밀도는 왕겨 혼합비율 30%인 경우 수지 함침율 40%일 때 0.57 g/cm3, 60%일 때 0.6 g/cm3, 70%일 때 0.65 g/cm3이었으며, 왕겨 혼합비율 70%인 경우 수지 함침율 40%일 때 0.64 g/cm3, 60%일 때 0.72 g/cm3, 70%일 때 0.73 g/cm3로 수지 함침율이 높을수록 탄화 후 밀도도 증가하였다. 이는 수지 함침율이 높은 함침보드의 세포벽에 들어있는 많은 양의 페놀수지가 탄화과정에서 유리질탄소(glassy carbon)로 변환되어 세포벽을 강화시켜 탄화 후 밀도 증가요인으로 작용하였기 때문으로 생각되며 일반적인 woodceramics 성질과도 같았다(Oh and Piao, 2004; Okabe and Saito 1995; Okabe et al.
- 한편 같은 왕겨 혼합비율별 수지 함침율에 따른 중량 감소율은 왕겨 혼합비율 30%인 경우 수지 함침율 40%일 때 61.8%, 50%일 때 61.3%, 70%일 때 57.5%이었으며, 왕겨 혼합비율 70%인 경우 수지 함침율 40%일 때 56.3%, 50%일 때 55.8%, 70%일 때 53.4%로 수지 함침율이 높을수록 중량 감소율은 감소하였다. 이는 탄화과정에서 페놀수지가 유리질 탄소로 변하면서 중량감소량이 목질재료보다 많았다는 것을 알 수 있다.
- 한편 같은 왕겨 혼합비율별 탄화온도에 따른 중량 감소율은 왕겨혼합비율 30%인 경우 탄화온도 600℃일 때 59.2%, 800℃일 때 61.3%이었으며, 왕겨혼합율 70%인 경우 탄화온도 600℃일 때 54.7%, 1000℃일 때 55.2%, 1200℃일 때 55.9%로 탄화온도가 높을수록 중량 감소율도 큰 것으로 나타났다. Oh and Byeon (2002)은 MDF로 제조된 우드세라믹의 성질 조사에서 수지 함침율 40%일 때 탄화온도 500℃의 중량 감소율은 59.
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