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문제 정의
- 잣나무 열압밀화재의 치수안정성을 평가하기 위해 KS F 2204에 의거하여 24시간 동안 흡수시험을 실시하였다. KS F 2204에서는 흡수면이 아닌 다른 면에는 내수성 도료를 도포하여 방수하게 되어 있으나, 본 연구에서는 바닥재의 치수안정성을 함께 평가하기 위하여 방수처리 없이 모든 면을 노출하였다. 각조건별 모든 시험편 60개를 3단면이 모두 노출된 상태로 데시케이터 내에 넣고 구멍이 뚫린 하중판을 이용하여 시험편이 수면으로부터 약 50 mm 깊이에 잠기게 하였다.
- 본 연구는 국내 주요 조림수종인 잣나무를 이용한 바닥재 개발을 목적으로 하였다. 잣나무의 재질 개선을 위해 열압밀화를 실시하였으며, 열압밀화재 생산을 위한 최적의 조건을 탐색하였고 표면경도와 치수 안정성을 조사하여 바닥재로의 이용 가능성을 평가 하였다.
제안 방법
- 국산 잣나무재를 바닥재로 이용하기 위해 열압밀화를 실시하였다. 잣나무 열압밀화재의 표면경도와 흡수성 시험 결과 다음의 결론을 얻었다.
- 두께의 측정은 흡수성시험과 함께 실시되어 흡수시간에 따른 두께회복도를 측정하였다. 그리고 24시간 흡수시험이 종료된 후시험편을 103℃의 온도에서 전건시킨 다음 각 시험 편의 두께를 측정하여 최종적인 치수회복도를 측정하였다. 다음의 식 (2)를 통해 치수회복도가 계산되었다.
- 치수회복도는 압밀화에 의해 감소된 시험편의 두께회복도를 측정하였다. 두께의 측정은 흡수성시험과 함께 실시되어 흡수시간에 따른 두께회복도를 측정하였다. 그리고 24시간 흡수시험이 종료된 후시험편을 103℃의 온도에서 전건시킨 다음 각 시험 편의 두께를 측정하여 최종적인 치수회복도를 측정하였다.
- 열압밀화 시험편 60개와 비압밀화재 5개 등 총 65개의 시험편의 표면경도를 측정하였다. 모든 시험편은 접선단면의 경도를 측정하였으며, 각 시험편당 6회 반복 실시하였다.
- 선별된 판목판재를 70 mm (L) × 30 mm (R) × 6 mm (T) 크기로 재단하여 열압밀화 가공을 실시하였다.
- 흡수시간에 따른 흡수량을 측정하기 위해 초기 2시간 동안은 30분 간격으로, 2시간 이후 9시간까지는 1시간 간격, 9시간 이후 24시간까지는 3시간 간격으로 시험편의 중량을 측정하였다. 시험편의 중량 측정은 마른 수건으로 시험편 표면의 물기를 제거한 다음 측정하였다.
- 압축률은 3 mm 두께의 stop-bar를 이용하여 압축 전 두께 기준 50%로 조정하였으며, 80 kgf/cm2의 압력으로 시험편의 방사방향을 압축하였다. 열압밀화는 압체온도 140℃, 160℃, 180℃, 200℃ 와 압체시간 10분, 20분, 30분의 조건으로 실시되었다. 압체온도 및 압체시간 조건별로 각각 5개, 총 60개의 열압밀화재 시험편을 제작하였다.
- 급속한 열압밀화는 시험편 내부의 수분 배출이 원활하지 않으며 미쳐빠져 나가지 못한 수분에 의한 팽윤압으로 인해 시험편 중앙이 부풀어 오르는 현상이 발생할 수 있다. 이를 예방하기 위해 압밀화 초기에 2분간 가압한 후 30초간 압력을 해제하는 과정을 3회 반복하여 시험편 내부에 존재하는 수분의 원활한 배출을 유도하였다.
- 본 연구는 국내 주요 조림수종인 잣나무를 이용한 바닥재 개발을 목적으로 하였다. 잣나무의 재질 개선을 위해 열압밀화를 실시하였으며, 열압밀화재 생산을 위한 최적의 조건을 탐색하였고 표면경도와 치수 안정성을 조사하여 바닥재로의 이용 가능성을 평가 하였다.
- 치수회복도는 압밀화에 의해 감소된 시험편의 두께회복도를 측정하였다. 두께의 측정은 흡수성시험과 함께 실시되어 흡수시간에 따른 두께회복도를 측정하였다.
- 각조건별 모든 시험편 60개를 3단면이 모두 노출된 상태로 데시케이터 내에 넣고 구멍이 뚫린 하중판을 이용하여 시험편이 수면으로부터 약 50 mm 깊이에 잠기게 하였다. 흡수시간에 따른 흡수량을 측정하기 위해 초기 2시간 동안은 30분 간격으로, 2시간 이후 9시간까지는 1시간 간격, 9시간 이후 24시간까지는 3시간 간격으로 시험편의 중량을 측정하였다. 시험편의 중량 측정은 마른 수건으로 시험편 표면의 물기를 제거한 다음 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 대표적인 국산 침엽수종인 잣나무(Pinus koraiensis)를 재료로 사용하였다. 잣나무재는 경상남도 거창 소재의 제재소에서 구매하여 두께 30 mm의 판재로 절삭하였으며, 그중 판목판재만을 선별하여 열압밀화에 이용하였다.
- 열압밀화는 압체온도 140℃, 160℃, 180℃, 200℃ 와 압체시간 10분, 20분, 30분의 조건으로 실시되었다. 압체온도 및 압체시간 조건별로 각각 5개, 총 60개의 열압밀화재 시험편을 제작하였다.
- 32 mm일 때의 하중 P (N)를 측정하여, 아래의 식(1)을 이용하여 브리넬 경도 HB를 계산하였다. 열압밀화 시험편 60개와 비압밀화재 5개 등 총 65개의 시험편의 표면경도를 측정하였다. 모든 시험편은 접선단면의 경도를 측정하였으며, 각 시험편당 6회 반복 실시하였다.
- 본 실험에서는 대표적인 국산 침엽수종인 잣나무(Pinus koraiensis)를 재료로 사용하였다. 잣나무재는 경상남도 거창 소재의 제재소에서 구매하여 두께 30 mm의 판재로 절삭하였으며, 그중 판목판재만을 선별하여 열압밀화에 이용하였다. 선별된 판목판재를 70 mm (L) × 30 mm (R) × 6 mm (T) 크기로 재단하여 열압밀화 가공을 실시하였다.
이론/모형
- 잣나무 열압밀화재의 치수안정성을 평가하기 위해 KS F 2204에 의거하여 24시간 동안 흡수시험을 실시하였다. KS F 2204에서는 흡수면이 아닌 다른 면에는 내수성 도료를 도포하여 방수하게 되어 있으나, 본 연구에서는 바닥재의 치수안정성을 함께 평가하기 위하여 방수처리 없이 모든 면을 노출하였다.
- 잣나무 열압밀화재의 표면경도 시험은 KS F 2212에 의거하여 만능재료시험기(HOUNSFIELD TEST EQUIPMENT LTD, H50K-S)를 이용하여 측정하였다. 직경(D) 10 mm인 쇠구슬을 0.
성능/효과
- 1) 압축률 50%로 열압밀화를 실시하여 비중 0.82 ∼0.92의 고비중재를 얻을 수 있었다.
- 2) 열압온도 160℃까지는 온도의 증가와 함께 표면경도가 증가하였으며, 열압온도 160℃에서 30분간 열압밀화를 실시한 시험편의 표면경도는 23.6 N/mm2로서 가장 높은 값을 나타내었다. 그러나 180℃ 이상의 고온에서는 목재표면의 열분해에 오히려 경도가 감소하였다.
- 3) 열압온도의 증가와 함께 흡수량은 감소하였다. 흡수 초기 급격한 흡수량이 증가를 나타낸 후흡수 6∼8시간 경과한 시점에서 흡수가 정체되었다.
- 4) 열압온도의 증가는 치수회복률의 감소를 야기하였으며, 열압온도 200℃에서는 14.9%로 가장 낮은 치수회복률을 나타내었다. 열압시간의 증가 또한 치수회복률 감소에 영향을 미치지만 열압온도에 의한 영향이 더욱 지배적이다.
- 5) 국산 잣나무재의 바닥재 이용을 위한 최적의 열압밀화 조건은 열압온도 180℃, 열압시간 30분이라 판단된다.
- 4%로 거의 동일한 회복률을 나타내었다. 그러나 180℃에서는 치수회복률이 크게 감소되어 평균 34.1%의 회복률을 나타내었으며, 200℃에서는 회복률이 14.9%로 나타나 온도증가에 따른 압축고정효과를 확인할 수 있었다. 이러한 압축 고정은 높은 온도의 열에 의해 목재의 흡습성이 저하되고 결정화도는 증가하며, 분자간의 응집력 향상에 의한 것이라 알려져 있다.
- 전반적으로 흡수초기 급격한 흡수량을 나타낸 이후 빠른 시간 내에 흡수량이 정체되었으나 180℃-30분과 200℃-20분, 30분의 경우 흡수 초기 1시간 동안 높은 흡수량을 나타낸 후 8시간까지도 꾸준한 흡수량을 나타내었다. 그리고 12시간 경과 할때 까지도 소량의 흡수량 증가를 나타내어 가장 오랫동안 흡수하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 열압온도 140℃와 160℃의 시험편의 경우 온도에 의한 압축고정효과가 낮기 때문이라 판단된다.
- 그러나 가장 뛰어난 치수안정성을 나타낸 열압온도 200℃ 조건은 표면경도를 악화시켰다. 따라서 열압 조건별 표면경도 값과 치수회복률을 종합적으로 고려해보았을 때, 잣나무를 바닥재로 이용하기 최적의 열압밀화 조건은 열압온도 180℃, 열압시간 30분으로 판단된다. 삼나무 열압밀화재의 표면경도를 조사한 Takahashi et al.
- 열압밀화 처리를 하지 않은 대조군의 비중이 0.44인데 비하여 약 50% 수준으로 증가한 열압밀화 시험편의 비중은 0.82∼ 0.92로 나타나 압밀화처리에 의해 86%∼109%로 상승하였다.
- 특히 열압 온도의 증가에 의한 압축회복의 감소는 현저하였다. 열압온도 140℃의 평균 치수회복률은 약 54.6%, 160℃에서는 약 56.4%로 거의 동일한 회복률을 나타내었다. 그러나 180℃에서는 치수회복률이 크게 감소되어 평균 34.
- 전반적으로 열압시간이 증가할수록 치수회복률은 감소되었고, 특히 열압온도 160℃와 180℃에서 30분간 열압밀화한 시험편의 경우 동일한 온도에서 10분, 20분 열압한 시험편보다 치수회복률이 크게 낮았다.
- 흡수 초기 급격한 두께회복 이후 회복률이 정체되는 시간은 열압온도 140℃와 180℃는 6시간, 160℃는 4시간, 200℃는 8시간 이후로 안정되는 것으로 나타나 흡수량이 정체되는 시간 보다 약 2시간 정도 빨리 안정되었다. 즉, 두께회복이 정체되는 시간에서 각 조건별 시험편들의 세포벽은 결합수로 포화되고, 약 2시간 이후 흡수가 정체되는 시점에서 시험편이 포수상태에 도달한다는 것을 알 수 있었다.
- 2). 흡수 초기 급격한 두께회복 이후 회복률이 정체되는 시간은 열압온도 140℃와 180℃는 6시간, 160℃는 4시간, 200℃는 8시간 이후로 안정되는 것으로 나타나 흡수량이 정체되는 시간 보다 약 2시간 정도 빨리 안정되었다. 즉, 두께회복이 정체되는 시간에서 각 조건별 시험편들의 세포벽은 결합수로 포화되고, 약 2시간 이후 흡수가 정체되는 시점에서 시험편이 포수상태에 도달한다는 것을 알 수 있었다.
- 흡수시간 경과에 따른 두께회복률은 흡수량과 동일하게 흡수 초기에 높은 두께회복률을 나타내었다 (Fig. 2). 흡수 초기 급격한 두께회복 이후 회복률이 정체되는 시간은 열압온도 140℃와 180℃는 6시간, 160℃는 4시간, 200℃는 8시간 이후로 안정되는 것으로 나타나 흡수량이 정체되는 시간 보다 약 2시간 정도 빨리 안정되었다.
후속연구
- 바닥 복사난방에서 중요한 열전도율은 목재의 비중과 비례관계에 있다. 따라서 열압밀화에 의한 잣나무재의 비중 증가는 열전도율을 향상시켜 동절기 난방 에너지 절감에 도움이 될 것으로 예상된다.
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