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문제 정의
- 본 연구는 Bi-Sn 용융합금의 목질복합체의 표면도장방법에 따른 외관품질을 수종, 무늬(Wood grain)와 착색(Color-clear coating)방법에 따라 어떻게 발현되는지를 구명하기 위하여 국산재 10가지 수종에 대하여 Bi-Sn 혼합합금을 주입한 후에 이에 따른 Clear 도장 및 착색 도장을 실시하고 그에 따른 도장성능과 외관적 품질을 비교 평가하고자 한다.
- 본 연구는 국내에서 생산되는 10개 수종에 대하여 Bi-Sn 합금을 주입한 금속주입목재복합체에 대한 도장 및 착색 도장을 통한 도장성과 목재 무늬와 색상의 변화에 대하여 연구 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 10가지 주요 국산재 수종에 대하여 미도장 원목, UV도장 원목, 미도장 금속주입목재복합체, UV도장 금속주입목재복합체, Color-clear도장 금속주입목재복합체에 대한 표면 무늬와 도장 색상의 변화를 사진으로 촬영하여 서로 육안 비교하였다.
- Clear (투명)도장공정순서는 소지연마과정(2Head drum sander를 이용한 Sanding, #180, #240)을 거친 후, 하도 1회, 중도 3회 상도 2회의 도장 공정을 실시하였다.
- 또한 금속주입 후 중량증가율이 가장 낮게 나타난 아카시아를 대표수종으로 하여 도막물성을 측정하였다. 금속 침투량이 가장 낮은 아카시아수종을 최저품질로 간주하여 그 기준으로 비교 평가하였다.
- 내마모성 시험은 각 시료에서 지름 100 mm인 원판 시험편 3개를 채취하여 중앙에 지름 10 mm의 구멍을 뚫고 시험편 제작하였고, KS F 3111의 시험방법에 따라 시험편의 질량을 측정한 후 회전반에 수평으로 고정시키고, 연질 마모륜 2개를 설치하여 시험하였다. 이때 시험편 위에 가해지는 총 하중량은 고무제 원판 질량을 포함하여 1,000 g으로 하고, 500회전 마다 마모륜을 재생하여 사용하며, 시험에 적용하는 연질 마모륜의 입도는 CS-17로 하였다.
- 내산성 시험은 각 시료에서 한 변이 75 mm인 정사각형 시험편 2개를 채취하여 제작하였고, KS F 3111의 시험방법에 따라 시험편을 수평으로 놓고 시험편 표면에 5% 아세트산 수용액을 떨어뜨리고 시계 접시로 6시간 피복한 후, 증류수로 씻어내어 실내에서 24시간 방치하는 과정을 거쳤다. 또한 내알카리성 시험의 경우 시험편을 수평으로 놓고 시험편 표면에 1% 탄산나트륨 수용액을 떨어뜨리고 시계 접시로 6시간 피복한 후, 즉시 증류수로 씻어낸 후 실내에서 24시간 방치하였다.
- 내열성 시험은 시험편을(80±3)°C 항온기에서 2시간 방치한 후 상온에서 2시간 방치시키는 과정을 4회 반복하여 시험을 진행하였다.
- 도장된 금속주입목재복합체의 도막 성능은 국산재가 건축내장재로써 가장 많이 사용되고 있는 마루판에 관한 규정인 KS F 3111(천연무늬목치장마루판)에 의거하여 내한성, 내열성, 내산성, 내알카리성, 내마모성, 도막 밀착력, 연필경도, 충격강도를 측정하였다. 또한 금속주입 후 중량증가율이 가장 낮게 나타난 아카시아를 대표수종으로 하여 도막물성을 측정하였다.
- 도장된 금속주입목재복합체의 도막 성능은 국산재가 건축내장재로써 가장 많이 사용되고 있는 마루판에 관한 규정인 KS F 3111(천연무늬목치장마루판)에 의거하여 내한성, 내열성, 내산성, 내알카리성, 내마모성, 도막 밀착력, 연필경도, 충격강도를 측정하였다. 또한 금속주입 후 중량증가율이 가장 낮게 나타난 아카시아를 대표수종으로 하여 도막물성을 측정하였다. 금속 침투량이 가장 낮은 아카시아수종을 최저품질로 간주하여 그 기준으로 비교 평가하였다.
- 목재에 금속주입의 최적주입조건을 구명하기 위하여, 질소가스 주입 시 가압압력(10 kgf/cm2, 30 kgf/cm2, 50 kgf/cm2)과 가압온도와 시간(185℃, 2분 30초, 6분 30초, 10분), 그리고 가압 전의 진공도 및 시간(700 mg, 5분, 10분)을 변수로 하여 금속주입목재복합체를 3반복으로 제조하였다.
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3. 충격 강도 시험
시험편을 이용하여 KS K ISO 24335F (적층 바닥재-충격 저항성 측정)를 참고하여 자유낙하 시험 장치를 사용하여 198 g의 연마된 스테인리스 강구를 150 mm에서 50 mm씩 상승하는 조건으로 측정하였다
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대상 데이터
- mono (Maxim. Ohashi)), 잣나무(Pinus koraiensis Siebold & Zucc.), 가래나무(Juglans mandshurica Max.) 등의 10가지 수종으로 선택하여 실시하였으며, 시편의 규격은 120 × 900 × 7 mm의 생재를 자연건조하여 100 × 250 × 5 mm로 정재단한 기건상태의 성숙재(함수율 11~13%)를 이용하였다.
- 금속주입목재복합체 제조를 위하여 비스머스(Bi: 융점 271.5℃)와 주석(Sn: 융점 232.06℃)을 Bi : Sn의 중량비 58 : 42로 합금하여 용융온도가 138℃가 되도록 하여 처리 시 목재의 열분해가 일어나지 않도록 한 저온용융합금을 사용하였다.
- 금속주입목재복합체의 도장은 UV도장 공정을 이용하여 실시하였으며, UV도료는 C社의 UV용으로 사용되는 무용제 타입의 하도용 우레탄아크릴레이트를 사용하였으며, 중도용으로는 무용제타입의 에폭시아크릴레이트, 상도용으로는 우레탄 아크릴레이트를 각각 사용하였다.
- 목재에 금속을 주입 처리하여 제품으로 생산하는 기술은 1930년 독일에서 lignum vitae (유창목) 대신에 선박의 스크류베어링(screw bearing)으로 사용하기 위하여, Naeser와 Martel (1930)이 개발하였다. 이 제품의 조성은 Bi 50%, Pb 31.2%, Sn 18.8%이며 97℃의 융점을 갖고 있는 저온용융합금으로 목재 시편을 고압 주입 처리하여 제조하였다. 그러나 제품 개발 이후 적합한 활용도를 찾지 못하고 폐기되었으며 이 기술은 인체에 유해한 납을 다량 함유하고 있으므로 1980년대 이후에 납이 인체에 해로운 것으로 알려지면서 납은 더 이상 사용 할 수 없게 되었다(Martel, P.
- 각각의 조건별로 합금의 주입이 완료되면 액상의 합금에서 처리된 목재를 꺼내어 표면에 묻어 있는 합금은 칼날로 긁어 처리조로 회수한 후 상온에서 냉각시켰다. 표면에 냉각된 금속은 샌딩하여 금속주입목재복합체 제품을 제조하였다.
이론/모형
- 내한성 시험은 KS F 3111의 시험방법에 따라 75 mm × 150 mm인 시험편 2개를 채취하여 제작하였고, 시험편을(60±3)°C 항온기에서 2시간 방치한 후 다시(-20±3)°C의 항온기에서 2시간 방치시키는 과정을 2회 실온에 도달할 때까지 반복하였다.
- 도막밀착력시험은 KS F 3111의 시험방법에 따라 한 변이 75 mm인 정사각형 시험편 2개를 채취한 시험편으로 하였으며, 시험편의 표면에 2 mm 간격을 두어 수직으로 11개, 수평으로 11개의 선을 긋고 흠집을 내어 테이프를 붙이고 강하게 떼어낸 후 표면의 박리현상을 측정하여 등급을 판정하였다.
- 연필경도 시험은 시험편을 이용하여 KS M ISO15184 (도료와 바니시-도막의 연필경도 측정법)에 의거하여 각각의 경도연필을 도료 표면에 대하여 750 g의 하중으로 45° 각도로 눌러질 수 있도록 장착하였고, 속도 60 mm/분, 이동거리 12 mm의 조건으로 측정하였다.
성능/효과
- 1) 일반 목재에 Bi-Sn 합금을 주입할 경우, 목재의 무늬는 그대로 유지하면서 금속의 회백색이 표면에 나타난다. 또한, 금속주입목재복합체의 중량증가율이 높을수록 더 높은 회백색을 나타냈다.
- 2) 금속주입목재복합체는 Clear도장을 통하여 목재의 무늬가 더 선명해지며, 목재의 색상에 회백색이 가미된 새로운 색상이 나타난다. 또한, Color-Clear도장의 경우에도 목재와 동등이상으로 잘 되어 다양한 색상 조정이 가능함을 알 수 있었다.
- 3) 또한 금속주입목재복합체의 도막 성능은 KS F 3111에 의거하여 내한성, 내열성, 내산성, 내알카리성, 내마모성, 도막 밀착력, 연필경도, 충격강도를 측정 실험한 결과 기준을 만족시켰다. 이는 본 시험에 적용된 국내 주요 10수종 중 중량증가율이 가장 낮은 아카시아 수종을 최저품질로 간주하였을 시에도 도막물성 중 연필경도, 충격강도에도 높은 수치, 내충격성을 갖는 것으로 나타났다.
- 또한 Color-clear도장에 있어서도 목재와 비교하여 다양한 색상 조정이 가능함을 알 수 있었다. Clear도장과 Color-clear도장을 통하여 다양한 색상 표현이 가능하게 됨으로써 마루판재는 물론 인테리어 및 가구 표면 재료로서의 색상 적용이 용이함을 알 수 있었다.
- Fig. 4와 같이 금속주입목재복합체의 도장 후 도막의 도막밀착력의 실험결과는 테이프에 묻어나는 이물질이 모든 수종에서 나타나지 않고 격자의 전체의 부위도 박리되지 않아 1등급으로 품질기준에 합격하여 금속주입목재복합체의 금속주입이 도막밀착력에 어떠한 나쁜 영향도 주지 않았음을 알 수 있었다.
- Fig. 4와 같이 원목투명도장의 경우 아카시아 수종의 비중에 비례하여 높은 수치를 보였고, 금속도장은 원목도장에 비해 월등히 높은 값을 나타냈다.
- 내한⋅내열성 및 내산⋅내알카리성 실험 결과 도막의 표면에 갈라짐, 부풀음, 벗겨짐 및 광택의 변화가 없어 KS 규격품질기준을 만족시켰다.
- 도장된 금속주입목재복합체의 도막 성능은 KS F 3111에 의거하여 내한성, 내열성, 내산성, 내알카리성, 내마모성, 도막 밀착력을 측정 실험한 결과 모든 규격을 만족시키었으며 복합체의 도장성이 도장이 가장 쉬운 목재 그룹과 동등 이상으로 매우 우수하였다. 이는 목재에 금속주입 처리시 높은 온도와 압력에 의해 수분이 외부로 빠져나가면서 금속이 주입되고 제조된 금속주입목재복합체에 주입된 금속의 영향으로 개질 특성이 부여되어 수분 흡착이 감소되었기 되었기 때문이라고 사료된다.
- 도장처리된 금속주입목재복합체의 내마모성 실험결과 1,000회전에서 마모종점이 나타나지 않았으며, 이는 마루판규격(KS F 3111)의 품질기준에 적합한 수준으로 나타났다.
- 전체적으로 원목의 색상에서 금속의 색상인 회백색으로 변화되었고, 중량증가율에 따라 회백색의 농도가 증가하여 나타났다. 또한 Color-clear도장에 있어서도 목재와 비교하여 다양한 색상 조정이 가능함을 알 수 있었다. Clear도장과 Color-clear도장을 통하여 다양한 색상 표현이 가능하게 됨으로써 마루판재는 물론 인테리어 및 가구 표면 재료로서의 색상 적용이 용이함을 알 수 있었다.
- 2) 금속주입목재복합체는 Clear도장을 통하여 목재의 무늬가 더 선명해지며, 목재의 색상에 회백색이 가미된 새로운 색상이 나타난다. 또한, Color-Clear도장의 경우에도 목재와 동등이상으로 잘 되어 다양한 색상 조정이 가능함을 알 수 있었다.
- 1) 일반 목재에 Bi-Sn 합금을 주입할 경우, 목재의 무늬는 그대로 유지하면서 금속의 회백색이 표면에 나타난다. 또한, 금속주입목재복합체의 중량증가율이 높을수록 더 높은 회백색을 나타냈다.
- Table 1은 주요 10가지 국산재 수종의 금속주입 후의 중량증가율 및 물리⋅기계적 성질을 나타낸 것이다. 유연벽공을 갖는 소나무나 잣나무의 침엽수종이 8배 이상으로 가장 높은 증가율이 나타났으며, 활엽수 중에서는 가래나무, 자작나무 등이 7배로 가장 높게 나타났다. 아카시아를 제외한 모든 수종이 3배 이상의 중량증가율을 나타냈다.
- 3) 또한 금속주입목재복합체의 도막 성능은 KS F 3111에 의거하여 내한성, 내열성, 내산성, 내알카리성, 내마모성, 도막 밀착력, 연필경도, 충격강도를 측정 실험한 결과 기준을 만족시켰다. 이는 본 시험에 적용된 국내 주요 10수종 중 중량증가율이 가장 낮은 아카시아 수종을 최저품질로 간주하였을 시에도 도막물성 중 연필경도, 충격강도에도 높은 수치, 내충격성을 갖는 것으로 나타났다.
- 금속주입목재복합체는 주입금속의 영향에 따라 목재 무늬는 그대로 유지되면서 색상이 회백색으로 변화되었다. 전체적으로 원목의 색상에서 금속의 색상인 회백색으로 변화되었고, 중량증가율에 따라 회백색의 농도가 증가하여 나타났다. 또한 Color-clear도장에 있어서도 목재와 비교하여 다양한 색상 조정이 가능함을 알 수 있었다.
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