닭털로 제조한 접착제의 반응기작 및 경화 특성과 이를 이용하여 제조한 중밀도섬유판의 접착 특성 Reaction Mechanism and Curing Characteristics of Chicken Feather-Based Adhesives and Adhesive Properties of Medium-Density Fiberboard Bonded with the Adhesive Resins원문보기
도계부산물인 닭털(CF)의 알칼리 및 산 가수분해물과 폼알데히드계 가교제를 혼합하여 조제한 접착제의 반응기작 및 경화특성을 조사하였다, 또한 이를 적용시켜 제조한 중밀도섬유판(MDF)의 물성 및 폼알데히드 방산량 측정 결과를 토대로 CF 접착제의 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용 가능성을 확인하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 고형분 함량이 40% 이상인 CF 접착제는 상온에서 점도가 높았으나, $50^{\circ}C$에서 측정한 점도는 $300{\sim}660m{\cdot}Pa{\cdot}s$로 측정되어 낮은 점도를 요구하는 분사형 접착제로 적용이 가능하였다. 적외선 분광기 분석을 통하여 폼알데히드계 가교제의 사용에 따른 methylol기의 부가 및 축합반응을 확인하였다. 시차주사 열량계 분석을 통하여 CF 접착제가 현재 목질계 판상재 제조에 사용되고 있는 요소수지(C-UF)와 비교하여 높은 열압온도 또는 긴 경화시간이 필요한 것으로 조사되었다. 5% NaOH 농도의 수용액에서 가수분해된 CF 가수분해물(이하 CF-AK-5%)과 formaldehyde/phenol 몰비가 2.5인 phenol-formaldehyde prepolymer (PF-2.5)로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF에서 높은 휨강도(MOR)와 박리강도(IB)를 보였다. 또한 이 접착제로 제조한 MDF의 MOR과 IB는 대부분의 접착제 조제 및 열압 조건에서 C-UF로 제조한 MDF보다 높았다. 이 측정치를 KS 규격과 비교하였을 때, IB는 모든 조건에서 기준을 상회하였으나, MOR은 CF-AK-5%와 PF-2.5로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF를 제외하고 그 기준을 만족하지 못하였으며, 24-TS도 모든 조건에서 기준을 만족하지 못하였다. 그러나 MDF 제조시 보드의 목표밀도를 높이거나 내수성 부여를 위하여 접착제에 첨가하는 wax emulsion의 양을 증가시킬 경우 MOR과 24-TS는 충분히 향상될 것으로 생각한다. 한편, MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 폼알데히드 방산량을 크게 감소시켰으며, 따라서 적절한 조건에서 조제된 CF 접착제는 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
도계부산물인 닭털(CF)의 알칼리 및 산 가수분해물과 폼알데히드계 가교제를 혼합하여 조제한 접착제의 반응기작 및 경화특성을 조사하였다, 또한 이를 적용시켜 제조한 중밀도섬유판(MDF)의 물성 및 폼알데히드 방산량 측정 결과를 토대로 CF 접착제의 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용 가능성을 확인하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 고형분 함량이 40% 이상인 CF 접착제는 상온에서 점도가 높았으나, $50^{\circ}C$에서 측정한 점도는 $300{\sim}660m{\cdot}Pa{\cdot}s$로 측정되어 낮은 점도를 요구하는 분사형 접착제로 적용이 가능하였다. 적외선 분광기 분석을 통하여 폼알데히드계 가교제의 사용에 따른 methylol기의 부가 및 축합반응을 확인하였다. 시차주사 열량계 분석을 통하여 CF 접착제가 현재 목질계 판상재 제조에 사용되고 있는 요소수지(C-UF)와 비교하여 높은 열압온도 또는 긴 경화시간이 필요한 것으로 조사되었다. 5% NaOH 농도의 수용액에서 가수분해된 CF 가수분해물(이하 CF-AK-5%)과 formaldehyde/phenol 몰비가 2.5인 phenol-formaldehyde prepolymer (PF-2.5)로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF에서 높은 휨강도(MOR)와 박리강도(IB)를 보였다. 또한 이 접착제로 제조한 MDF의 MOR과 IB는 대부분의 접착제 조제 및 열압 조건에서 C-UF로 제조한 MDF보다 높았다. 이 측정치를 KS 규격과 비교하였을 때, IB는 모든 조건에서 기준을 상회하였으나, MOR은 CF-AK-5%와 PF-2.5로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF를 제외하고 그 기준을 만족하지 못하였으며, 24-TS도 모든 조건에서 기준을 만족하지 못하였다. 그러나 MDF 제조시 보드의 목표밀도를 높이거나 내수성 부여를 위하여 접착제에 첨가하는 wax emulsion의 양을 증가시킬 경우 MOR과 24-TS는 충분히 향상될 것으로 생각한다. 한편, MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 폼알데히드 방산량을 크게 감소시켰으며, 따라서 적절한 조건에서 조제된 CF 접착제는 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
In this study, reaction mechanism and curing characteristics of adhesives formulated with NaOH- and $H_2SO_4$-hydrolyzed chicken feather (CF) and formaldehyde-based crosslinkers were investigated by FT-IR and DSC. In addition, adhesive properties and formaldehyde emission of medium-densit...
In this study, reaction mechanism and curing characteristics of adhesives formulated with NaOH- and $H_2SO_4$-hydrolyzed chicken feather (CF) and formaldehyde-based crosslinkers were investigated by FT-IR and DSC. In addition, adhesive properties and formaldehyde emission of medium-density fiberboards (MDF) applied with the adhesives were measured. CF-based adhesives having a solid content of 40% and over were very viscous at $25^{\circ}C$, but the viscosity reduced to $300{\sim}660m{\cdot}Pa{\cdot}s$ at $50^{\circ}C$. Consequently, the adhesives could be used as a sprayable resin. Through the FT-IR spectra of liquid and cured CF-based adhesives, addition reaction of methylol group and condensation reaction between the functional groups with the use of formaldehyde-based crosslinkers were identified. From the analysis of DSC, it was elucidated for CF-based adhesives to require a higher pressing temperature or longer pressing time comparing to commercial urea-formaldehyde (C-UF) resin. MDF bonded with CF-based adhesives, which was formulated with 5% NaOH-hydrolyzed CF (CF-AK-5%) and PF of formaldehyde to phenol mole ratio of 2.5 (PF-2.5), and pressed for 8 min had higher MOR and IB than those with other CF-based adhesives. MOR and IB of MDF bonded with the CF-based adhesives regardless of formulation type and pressing time were higher than those with C-UF resin. When the values compared with the minimum requirements of KS standard, IB exceeded the KS standard in all formulations and pressing time, but MOR of only MDF bonded with CF-AK-5% and PF-2.5 and pressed for 8 min satisfied the KS standard. What was worse, 24-TS of MDF bonded with all CF-based adhesives did not satisfied the KS standard. However, MOR and 24-TS can be improved by increasing the target density of MDF or the amount of wax emulsion, which is added to improve the water resistance of MDF. Importantly, the use of CF-based adhesives decreased greatly the formaldehyde emission. Based on the results, we reached the conclusion that CF-based adhesives formulated under proper conditions had a potential as a sprayable resin for the production of wood panels.
In this study, reaction mechanism and curing characteristics of adhesives formulated with NaOH- and $H_2SO_4$-hydrolyzed chicken feather (CF) and formaldehyde-based crosslinkers were investigated by FT-IR and DSC. In addition, adhesive properties and formaldehyde emission of medium-density fiberboards (MDF) applied with the adhesives were measured. CF-based adhesives having a solid content of 40% and over were very viscous at $25^{\circ}C$, but the viscosity reduced to $300{\sim}660m{\cdot}Pa{\cdot}s$ at $50^{\circ}C$. Consequently, the adhesives could be used as a sprayable resin. Through the FT-IR spectra of liquid and cured CF-based adhesives, addition reaction of methylol group and condensation reaction between the functional groups with the use of formaldehyde-based crosslinkers were identified. From the analysis of DSC, it was elucidated for CF-based adhesives to require a higher pressing temperature or longer pressing time comparing to commercial urea-formaldehyde (C-UF) resin. MDF bonded with CF-based adhesives, which was formulated with 5% NaOH-hydrolyzed CF (CF-AK-5%) and PF of formaldehyde to phenol mole ratio of 2.5 (PF-2.5), and pressed for 8 min had higher MOR and IB than those with other CF-based adhesives. MOR and IB of MDF bonded with the CF-based adhesives regardless of formulation type and pressing time were higher than those with C-UF resin. When the values compared with the minimum requirements of KS standard, IB exceeded the KS standard in all formulations and pressing time, but MOR of only MDF bonded with CF-AK-5% and PF-2.5 and pressed for 8 min satisfied the KS standard. What was worse, 24-TS of MDF bonded with all CF-based adhesives did not satisfied the KS standard. However, MOR and 24-TS can be improved by increasing the target density of MDF or the amount of wax emulsion, which is added to improve the water resistance of MDF. Importantly, the use of CF-based adhesives decreased greatly the formaldehyde emission. Based on the results, we reached the conclusion that CF-based adhesives formulated under proper conditions had a potential as a sprayable resin for the production of wood panels.
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문제 정의
국내의 경우 우모분과 같은 동물성 사료 사용에 대한 법적 제재는 아직 시행되고 있지 않으나, 상기 사례를 토대로 국내에서도 향후 우모분의 사료 원료로서 이용이 법적으로 금지될 가능성은 충분할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 도계부산물인 닭털을 이용하여 접착제를 조제하고, 이 접착제의 반응기작과 경화특성을 각각 적외선 분광기와 시차주사 열량계로 측정하여 닭털 접착제의 특성을 조사하였다. 또한 이렇게 조제된 접착제를 중밀도섬유판 제조에 적용시킨 후, 이 중밀도섬유판의 물성과 폼알데히드 방산량을 측정한 결과를 토대로 닭털로 조제한 접착제의 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제의 적용 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 도계부산물인 CF의 알칼리 및 산 가수분해물에 가교제(HCHO, MUF, PF)를 혼합하여 조제한 접착제의 FT-IR 및 DSC 분석을 통하여 CF 접착제의 반응기작 및 경화특성을 조사하였으며, 이를 적용시켜 제조한 MDF의 물성 및 폼알데히드 방산량 측정 결과를 토대로 CF 접착제의 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용 가능성을 확인하였다.
이 가운데 두부비지와 유채박을 이용하여 제조한 접착제를 합판, 무늬목, 단판적층재, 중밀도섬유판 제조에 적용시켜 성공적인 결과를 얻었으나, 접착제의 고형분 함량이 낮은 상태에서 점도가 높아 석유화학계 접착제인 요소수지와 비교하여 긴 경화시간과 높은 열압온도가 요구되었다. 이와 같은 문제점은 두부비지와 유채박에 함유된 탄수화물에서 비롯된 것으로 접착제 제조에 사용될 원료의 단백질 함량이 높으면 해결이 가능하며, 따라서 단백질을 많이 함유하고 있고, 탄수화물의 함량이 낮은 원료를 탐색하는 과정에서 국내에서 대량으로 원료 확보가 가능한 닭털을 분사가 가능한 중밀도섬유판 제조용 접착제의 원료로 사용하는 연구를 수행하게 되었다.
제안 방법
CF 접착제에서 각 성분의 조성비를 보면, 반응기작과 경화특성을 조사하기 위하여 고형분 함량을 기준으로 CF-AK/CF-AC/가교제를 70/0/30, 65/5/30, 60/10/30 또는 55/15/30의 비율로 혼합하여 접착제를 조제하였다. MDF 제조에 사용된 접착제는 고형분 함량 기준으로 60%의 CF-AK, 10%의 CF-AC 그리고 30%의 PF를 혼합하여 조제하였다.
CF 접착제의 물성을 조사하기 위하여 CF-AK, CF-AC, PF를 이용하여 조제된 접착제의 고형분 함량, 점도, pH를 각각 조사하였다. 먼저 고형분 함량은 ASTM에 명시된 pan solids technique 방법에 의거하여 측정하였다[36].
CF 접착제에서 각 성분의 조성비를 보면, 반응기작과 경화특성을 조사하기 위하여 고형분 함량을 기준으로 CF-AK/CF-AC/가교제를 70/0/30, 65/5/30, 60/10/30 또는 55/15/30의 비율로 혼합하여 접착제를 조제하였다. MDF 제조에 사용된 접착제는 고형분 함량 기준으로 60%의 CF-AK, 10%의 CF-AC 그리고 30%의 PF를 혼합하여 조제하였다. 조제 공정을 요약하면, 먼저 CF-AK에 CF-AC를 넣고 70 ± 5 ℃에서 5분간 충분히 교반한 후, 그 온도를 유지시킨 상태에서 가교제와 wax emulsion을 넣고 추가적으로 5분간 반응시켜 접착제의 조제를 완료하였다.
MDF의 제조를 위하여 약 900 g의 목섬유(한솔홈데코무상제공)를 60 리터의 플라스틱 통에 넣고 8%의 함지율로 조제된 접착제를 고점도 페인트용 분무기를 사용하여 골고루 분사하였다. 접착제 분사가 완료된 목섬유를 caul plate 위의 성형틀(350 mm × 350 mm)에 골고루 분산시키면서 성형하였다.
pH는Fisher Scientific사의 ACCUMET® Model 1600 pH meter로 측정하였다.
고형분 함량을 기준으로 60%의 CF-AK-5%에 경화제로 10%의 CF-AC-5% 그리고 가교제로 30%의 PF를 이용하여 조제한 접착제에서 PF의 formaldehyde와 phenol의 몰비(F/P)가 접착능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 PF의 F/P를 2.0과 2.5로 달리하여 조제하였다. 먼저 PF-2.
휨강도는 시험편의 표면에 평균 10 mm/min의 속도로 하중을 가하여 구하였으며, 박리강도는 알루미늄 블록에 시험편을 에폭시 접착제로 접착하고 시험편의 표면에 수직으로 인장하중을 가하여 최대하중을 측정하여 구하였다. 두께팽윤율은 두께를 미리 측정한 시편을 냉수에 24시간 침지시킨 후, 늘어난 두께를 측정하여 구하였다.
먼저 FT-IR 분석을 통하여 CF의 NaOH 가수분해물의 화학적 구조를 비교하였다. Fig.
Table 3은 CF 접착제를 이용하여 제조한 MDF의 폼알데히드 방산량(HCHO-E) 결과를 나타낸 것이다. 먼저 MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 C-UF로 제조한 MDF의 HCHO-E 결과와 비교하여 HCHO-E를 크게 감소시켰다. 열압시간이 HCHO-E에 미치는 영향을 조사한 결과, CF-AK-5%/CF-AC-5%/PF 접착제를 적용시키고 8분간 열압하여 제조한 MDF의 HCHO-E가 높았는데.
제조된 접착제의 경화 특성을 분석하기 위하여 시차주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC 2910, TA instruments)를 사용하였는데, 상온에서 300 ℃까지 10 ℃/min의 승온속도로 경화온도와 경화속도를 측정하였다. 먼저 각 접착제의 경화 시작온도(onset temperature; To) 및 경화피크 온도(peak temperature; Tp)를 측정하였으며, 이를 통하여 경화온도 범위와 경화시간을 비교 및 분석하였다.
먼저 박 등(2016)의 선행연구 결과를 토대로 CF의 알칼리 가수분해를 위하여 5%, 7.5%, 10% 농도의 NaOH 수용액을 사용하였으며, 이 가수분해물(CF-AK)의 고형분 함량은 38 ± 1% 기준으로 준비하였다[34].
충청북도 청주시 내에 있는 육거리시장의 도계업소에서 수거한 닭털(CF)을 접착제의 원료로 사용하였다. 먼저 수거된 CF를 물로 3~4회 세척하여 CF 표면에 존재하는 오염물질을 제거한 후, 48시간동안 자연건조를 실시하였다. 다음으로 자연건조된 CF를 1:50(W/V)의 비율로 n-hexane에 넣고 30분간 교반하고 정치시켜 상층액에 존재하는 지방을 제거하였다.
Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)는 극소량의 분석 시료를 이용하여 분자구조의 미세한 차이를 식별할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 기체, 액체, 고체 시료에 상관없이 측정이 가능하기 때문에 CF 접착제의 반응기작 분석에 사용하였다. 먼저 제조된 액상의 접착제와 이를 경화시킨 접착제를 FT-IR (IFS 66V/S,Bruker Optik GmbH, Leipzig, Germany)로 분석하였으며, 분석 조건은 해상도는 0.07 cm-1, 파장범위(파상수)는 4,000~400 cm-1로조절하여 측정하였다.
반응기작과 경화특성을 조사하기 위하여 사용된 CF 접착제는CF의 알칼리 가수분해물을 주성분으로 경화제로 CF의 산 가수분해물과 가교제를 반응시켜 조제하였다. 먼저 박 등(2016)의 선행연구 결과를 토대로 CF의 알칼리 가수분해를 위하여 5%, 7.
시차주사 열량계를 이용하여 C-UF와 C-MUF (Fig 3-상) 그리고 CF-AK 및 CF-AC 또는/그리고 가교제(HCHO, MUF, PF)로 제조한 접착제의 경화 특성을 비교하였다(Fig. 3-하). 또한 이를 요약한 결과는 Table 2와 같다.
3333px;"> ℃의 온도까지 올리는 것이 필요하였으며, 그 온도에서 측정한 점도는 가교제의 종류와 상관없이 300-660m·Pa·s로 측정되어 낮은 점도를 요구하는 분사형 접착제로 사용이 가능한 것으로 조사되었다. 액상 및 경화 CF 접착제에 대한 FT-IR 분석을 통하여 가수분해 조건에 따른 CF 가수분해물의 차이, 폼알데히드계 가교제의 사용에 따른 methylol기의 부가 및 축합반응을 확인하였다. 한편 DSC 분석을 통하여 CF 접착제가 대조구로 사용된 C-UF와 비교하여 높은 열압온도 또는 긴 경화시간이 필요한 것으로 조사되었다.
먼저 고형분 함량은 ASTM에 명시된 pan solids technique 방법에 의거하여 측정하였다[36]. 점도는 Brookfield사의 Digital Viscometer(DV-II, Middleboro, USA)를 이용하여 상온에서 21의 spindle을 10rpm의 속도로 회전하며 측정하였는데, 조제된 접착제가 상온에서 고점도인 관계로 50 ℃의 온도에서도 점도를 측정하였다. pH는Fisher Scientific사의 ACCUMET® Model 1600 pH meter로 측정하였다.
제조된 MDF는 ‘KS F 3200 섬유판’의 시험규격에 따라 밀도, 함수율, 두께팽윤율, 휨강도, 박리강도를 측정하였다[37].
제조된 접착제의 경화 특성을 분석하기 위하여 시차주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC 2910, TA instruments)를 사용하였는데, 상온에서 300 ℃까지 10 ℃/min의 승온속도로 경화온도와 경화속도를 측정하였다. 먼저 각 접착제의 경화 시작온도(onset temperature; To) 및 경화피크 온도(peak temperature; Tp)를 측정하였으며, 이를 통하여 경화온도 범위와 경화시간을 비교 및 분석하였다.
폼알데히드 방산량은 ‘국립산림과학원 고시 제 2014-03호’의 시험규정에 따라 측정하였다[38]. 즉, 제조된 MDF로부터 방출되는 폼알데히드 양은 24시간 데시케이터 법에 따라 증류수에 포집된 폼알데히드를 dinitrophenylhydrazine (DNPH)로 HCHO를 유도체화하여 High Performance Liquid Chromatograph (HPLC; HP 1100,Hewlett Packard, Palo Alto, CA, USA)로 측정하였다[39].
탈지된 CF를 실온에서 24시간 동안 방치한 후, 50 ℃의 건조기(FO-450M, 제이오텍)에 넣고 24시간동안 인공건조를 실시하여 함수율을 7±1%로 조절하였다.
또한 그 밀도 및 함수율 측정치는 섬유판에 대한 KS 규격(KS F 3200)의 기준(밀도: 350~850 kg/cm3; 함수율: 5~13%) 내에 존재하였다[37]. 한편, CF 접착제의 접착능을 평가하기 위하여 제조된 MDF의 휨강도(이하 MOR), 박리강도(이하 IB), 두께팽윤율(이하 24-TS)를 측정하였는데, 그 결과는 CF 접착제의 제조에 있어 사용된 CF-AK 및 PF의 종류, 열압조건에 따라 다양하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
제조된 MDF는 ‘KS F 3200 섬유판’의 시험규격에 따라 밀도, 함수율, 두께팽윤율, 휨강도, 박리강도를 측정하였다[37]. 휨강도는 시험편의 표면에 평균 10 mm/min의 속도로 하중을 가하여 구하였으며, 박리강도는 알루미늄 블록에 시험편을 에폭시 접착제로 접착하고 시험편의 표면에 수직으로 인장하중을 가하여 최대하중을 측정하여 구하였다. 두께팽윤율은 두께를 미리 측정한 시편을 냉수에 24시간 침지시킨 후, 늘어난 두께를 측정하여 구하였다.
대상 데이터
CF의 알칼리 및 산 가수분해와 가교제로 사용된 formalin, melamine-urea-formaldehyde (MUF), phenol-formaldehyde prepolymer(PF)를 조제하기 위하여 사용된 NaOH, H2SO4, formalin, urea, melamine, phenol은 화학실험 시약으로 진흥테크(충북, 청주)에서 구입하여 사용하였다. 한편 제조된 CF 접착제의 특성을 비교하기 위하여 대조구로는 현재 목질계 판상재 제조에 적용되고 있는 요소(C-UF)와 멜라민-강화 요소수지(C-MUF)를 ㈜선창보드와 ㈜한국종합목재에서 무상으로 공급받아 사용하였다.
한편 대조 구로 사용된 C-UF는 8%의 함지율로 150 ℃의 온도와 40 kg/m2의압력으로 5분간 열압하여 MDF 제조에 사용하였다. MDF의 목표 밀도는 0.65 g/cm3으로 조절하였으며, 두께는 12 mm로 각 조건마다 3개씩 제조하였다. 제조된 MDF는 24시간 이상 항온항습실에서 방치한 후, 지퍼백에 넣어 성능시험 시까지 보관하였다.
가교제의 경우, formalin (HCHO, 37% formaldehyde)은 화학실험용 시약을 구입하여 직접 사용하였으며, MUF는 0.2 mole의 melamine, 1 mole의 urea, 2 mole의 formaldehyde의 비율로 그리고 PF는 1 mole의 phenol과 2 mole의 formaldehyde의 비율로 조절하여 제조 하였다. 먼저 MUF의 제조를 위하여 400 g의 formalin을 반응기에 넣고 50% 농도의 NaOH 용액으로 pH를 9.
또한 제조된 중밀도섬유판(MDF)의 내수성 향상을 목적으로 접착제에 첨가된 wax emulsion (고형분 함량: 40%; 점도: 50 m·Pa·s)도㈜선창보드에서 무상으로 공급받아 사용하였다.
띠라서 경화제로 5% 농도의 H2SO4 수용액에 CF를 넣고 반응시킨 가수분해물(CF-AC)을 사용하였으며, 이 가수분해물의 고형분 함량은 20± 1%로 조절하여 준비하였다[35].
충청북도 청주시 내에 있는 육거리시장의 도계업소에서 수거한 닭털(CF)을 접착제의 원료로 사용하였다. 먼저 수거된 CF를 물로 3~4회 세척하여 CF 표면에 존재하는 오염물질을 제거한 후, 48시간동안 자연건조를 실시하였다.
, formalin, urea, melamine, phenol은 화학실험 시약으로 진흥테크(충북, 청주)에서 구입하여 사용하였다. 한편 제조된 CF 접착제의 특성을 비교하기 위하여 대조구로는 현재 목질계 판상재 제조에 적용되고 있는 요소(C-UF)와 멜라민-강화 요소수지(C-MUF)를 ㈜선창보드와 ㈜한국종합목재에서 무상으로 공급받아 사용하였다. 이 C-UF와 C-MUF는 각각 65% 및 61%의 고형분 함량과 200 및 240 m·Pa·s의 점도를 가진 것으로 조사되었다.
이론/모형
CF 접착제의 물성을 조사하기 위하여 CF-AK, CF-AC, PF를 이용하여 조제된 접착제의 고형분 함량, 점도, pH를 각각 조사하였다. 먼저 고형분 함량은 ASTM에 명시된 pan solids technique 방법에 의거하여 측정하였다[36]. 점도는 Brookfield사의 Digital Viscometer(DV-II, Middleboro, USA)를 이용하여 상온에서 21의 spindle을 10rpm의 속도로 회전하며 측정하였는데, 조제된 접착제가 상온에서 고점도인 관계로 50 ℃의 온도에서도 점도를 측정하였다.
폼알데히드 방산량은 ‘국립산림과학원 고시 제 2014-03호’의 시험규정에 따라 측정하였다[38].
성능/효과
CF 접착제로 제조된 MDF의 물성을 대조구인 C-UF로 제조한 MDF의 측정치(MOR: 11.9 N/mm2; IB: 0.3 N/mm2; 24-TS: 21%)와 비교한 결과, MOR과 IB는 대부분의 조건에서 높았으나, 24-TS는 PF-2.5로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF에서만 낮은 것으로 조사되었다. 이 측정치를 KS F 3200의 기준과 비교하였을 때, IB (≥ 0.
CF-AK-5% 또는 CF-AK-7.5%로 조제한 접착제를 적용시켜 제조한 MDF의 평균 MOR은 11.5 N/mm2와 10.5 N/mm2, IB는 두 조건 모두에서 0.4 N/mm2으로 통계학적으로 차이가 없었다(MOR:p = 0.35; IB: p = 0.49). 그러나 CF-AK-5% 접착제로 제조한 MDF의 24-TS는 23.
한편 DSC 분석을 통하여 CF 접착제가 대조구로 사용된 C-UF와 비교하여 높은 열압온도 또는 긴 경화시간이 필요한 것으로 조사되었다. CF-AK와 PF로 조제한 접착제를 적용시켜 제조한 MDF의 물성을 측정한 결과, CF-AK-5%와 PF-2.5로 조제한 접착제를 사용하고 8분의 열압시간을 적용하여 제조한 MDF에서 높은 것으로 조사되었으나, HCHO-E 값은 열압시간의 연장과 함께 전반적으로 증가하였다. 이 결과를 C-UF로 제조한 MDF의 측정치와 비교한결과, MOR과 IB는 대부분의 접착제조제 및 열압조건에서 높았으나, 24-TS는 PF-2.
이는 짧은 열압으로 충분한 열에너지가 공급되지 않으면서 접착제가 완전히 경화되지 않아 나타난 결과라 생각한다. HCHO-E 결과를 종합하면, MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 HCHO-E를 크게 감소시켰으며, 이 결과를 토대로 MDF 제조를 위한 CF 접착제의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
1)를 가지고 있는 관계로 고형분 함량이 가장 낮았으며, pH는 CF-AK 및 CF-AC 만으로 조제된 접착제와 비교하여 감소하였다. MUF와 PF를 가교제로 사용하여 제조한 접착제의 경우, 가교제 자체의 높은 고형분 함량으로 인하여 접착제의 고형분 함량은 CFAK 및 CF-AC 만으로 조제된 접착제와 비교하여 증가하였으며,pH는 MUF와 PF의 pH가 8.5~10인 관계로 약간 감소하는 것으로 측정되었다. 또한 경화제인 CF-AC의 양이 증가할수록 모든 접착제의 고형분 함량과 pH도 낮아졌는데, 이는 CF-AC의 낮은 고형분 함량과 pH에서 기인한 것으로 생각한다.
가교제로 MUF와 PF를 사용하여 조제한 CF 접착제의 고형분 함량은 모두 40%를 상회하였으나, 상온에서 전반적으로 점도가 높아 적용에 앞서 접착제를 50 ℃의 온도까지 올리는 것이 필요하였으며, 그 온도에서 측정한 점도는 가교제의 종류와 상관없이 300-660m·Pa·s로 측정되어 낮은 점도를 요구하는 분사형 접착제로 사용이 가능한 것으로 조사되었다.
그 온도에서 측정한 점도는 경화제의 첨가량과 가교제의 종류와 상관없이 300~660 m·Pa·s로 측정되어 분사형 접착제로서 적용이 가능한 것으로 나타났다.
49). 그러나 CF-AK-5% 접착제로 제조한 MDF의 24-TS는 23.3%로 CF-AK-7.5% 접착제로 제조한 MDF의 24-TS인 27.7%보다 통계학적으로 낮았으며(p = 0.01), 따라서 치수안전성 측면에서 CF-AK-5%의 사용이 적합할 것으로 생각한다. CF-AK-7.
CF-AK-5%와 CF-AK-10%의 ΔT는 54 ℃와 90℃로 CF-AK-10%가 상대적으로 긴 경화시간이 필요한 것으로 나타났다. 또한 CFAK-5%에 가교제의 첨가는 경화시간을 감소시켰으며, 특히 MUF를 가교제로 사용한 접착제에서 경화시간의 뚜렷한 감소를 확인할 수 있었다. 그러나 PF를 가교제로 사용한 접착제에서는 To가 높았으며, 경화에 긴 시간이 필요한 것으로 나타났다.
한편 1,555~1,554 cm-1피크의 크기는 증가하였는데, 이는 methylolation 반응에 의한 amine기의 증가로 나타난 결과이다. 또한 이 피크의 크기를 가교제 별로 비교한 결과 MUF, HCHO, PF 순으로 나타났는데, MUF의 높은 피크는 MUF의 구성성분인 melamine과 urea가 가지고 있는 amine기에서 기인한 것이며, HCHO의 경우, PF보다 많은 양의 formaldehyde가 첨가되어 methylolation 반응이 많이 발생함으로서 나타난 결과라 생각한다.
따라서 본 연구에서는 도계부산물인 닭털을 이용하여 접착제를 조제하고, 이 접착제의 반응기작과 경화특성을 각각 적외선 분광기와 시차주사 열량계로 측정하여 닭털 접착제의 특성을 조사하였다. 또한 이렇게 조제된 접착제를 중밀도섬유판 제조에 적용시킨 후, 이 중밀도섬유판의 물성과 폼알데히드 방산량을 측정한 결과를 토대로 닭털로 조제한 접착제의 목질계 판상재 제조를 위한 분사형 접착제의 적용 가능성을 확인하였다.
대부분의 접착제 물성은 주성분인 CF-AK와 가교제의 종류에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 먼저 HCHO를 가교제로 사용한 접착제는 HCHO가 액체이고 낮은 pH (3.1)를 가지고 있는 관계로 고형분 함량이 가장 낮았으며, pH는 CF-AK 및 CF-AC 만으로 조제된 접착제와 비교하여 감소하였다. MUF와 PF를 가교제로 사용하여 제조한 접착제의 경우, 가교제 자체의 높은 고형분 함량으로 인하여 접착제의 고형분 함량은 CFAK 및 CF-AC 만으로 조제된 접착제와 비교하여 증가하였으며,pH는 MUF와 PF의 pH가 8.
5로 달리하여 조제하였다. 먼저 PF-2.0과 PF-2.5로 조제한 접착제를 적용하여 제조한 MDF의 MOR과 IB는 각각 11.0 N/mm2, 0.4 N/mm2 그리고 14.7N/mm2, 0.7 N/mm2로 PF-2.5 접착제를 적용시켜 제조한 MDF에서 높았다(p = 0.01). 24-TS의 경우, PF-2.
먼저 MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 C-UF로 제조한 MDF의 HCHO-E 결과와 비교하여 HCHO-E를 크게 감소시켰다. 열압시간이 HCHO-E에 미치는 영향을 조사한 결과, CF-AK-5%/CF-AC-5%/PF 접착제를 적용시키고 8분간 열압하여 제조한 MDF의 HCHO-E가 높았는데. 이는 과도한 열압을 적용함으로서 MDF 표면에서 과경화(overcure) 현상이 발생하여 나타난 결과로 추정된다.
열압시간이 MDF의 MOR, IB, 24-TS에 미치는 영향을 조사한 결과, 열압시간이 연장됨에 따라 모든 물성이 향상되는 것으로 나타났다. 예를 들면, 6분의 열압시간으로 제조한 MDF의 MOR, IB,24-TS는 각각 12.
그러나 상기 원료에 대한 높은 구매 비용과 수급의 어려움으로 상용화를 위한 목재 접착제의 원료로서 사용이 불가능한 상황이다. 이 가운데 두부비지와 유채박을 이용하여 제조한 접착제를 합판, 무늬목, 단판적층재, 중밀도섬유판 제조에 적용시켜 성공적인 결과를 얻었으나, 접착제의 고형분 함량이 낮은 상태에서 점도가 높아 석유화학계 접착제인 요소수지와 비교하여 긴 경화시간과 높은 열압온도가 요구되었다. 이와 같은 문제점은 두부비지와 유채박에 함유된 탄수화물에서 비롯된 것으로 접착제 제조에 사용될 원료의 단백질 함량이 높으면 해결이 가능하며, 따라서 단백질을 많이 함유하고 있고, 탄수화물의 함량이 낮은 원료를 탐색하는 과정에서 국내에서 대량으로 원료 확보가 가능한 닭털을 분사가 가능한 중밀도섬유판 제조용 접착제의 원료로 사용하는 연구를 수행하게 되었다.
5로 조제한 접착제를 사용하고 8분의 열압시간을 적용하여 제조한 MDF에서 높은 것으로 조사되었으나, HCHO-E 값은 열압시간의 연장과 함께 전반적으로 증가하였다. 이 결과를 C-UF로 제조한 MDF의 측정치와 비교한결과, MOR과 IB는 대부분의 접착제조제 및 열압조건에서 높았으나, 24-TS는 PF-2.5로 조제한 접착제를 사용하고 8분간 열압하여 제조한 MDF에서만 낮은 것으로 조사되었다. 이 측정치를 KS 규격과 비교하였을 때, IB는 모든 조건에서 기준을 상회하였으나, MOR은 CF-AK-5%/CF-AC-5%/PF-2.
한편 24-TS의 경우, 두 조건의 F/P에서 모두 열압시간의 연장과 함께 감소하였다. 이 결과에서 높은 F/P의 PF를 가교제로 사용할 경우 경화정도의 향상을 위하여 많은 열에너지의 공급이 필요하다는 것과 6분의 열압시간에서 PF-2.0과 PF-2.5 간에 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
5%, 경화제로 CF-AC-5%, 가교제로 PF를 사용하는 것으로 결정하였다[33]. 이 접착제를 적용하여 제조된 MDF의 밀도와 함수율은 각각 620~680 kg/m3과 6.7~7.2% 범위에 있는 것으로 측정되었으며,이 측정치는 대조구로 C-UF를 이용하여 제조된 MDF의 밀도(620kg/m3) 및 함수율(6.5%)과 큰 차이가 없었다. 또한 그 밀도 및 함수율 측정치는 섬유판에 대한 KS 규격(KS F 3200)의 기준(밀도: 350~850 kg/cm3; 함수율: 5~13%) 내에 존재하였다[37].
5% 또는 가교제와의 결합을 위하여 CF-AK-5%로 조제한 접착제보다 많은 열에너지의 공급이 필요한 관계로 과경화 현상이 발생하지 않아 HCHO-E가 낮았던 것으로 생각한다. 한편 열압시간을 6분으로 고정한 상태에서 접착제의 주성분으로 CFAK-5%를 사용하여 조제한 접착제로 제조된 MDF의 HCHO-E는 PF의 F/P에 영향을 받지 않았으나, CF-AK-7.5%를 사용하여 조제한 접착제로 제조된 MDF의 HCHO-E는 높은 F/P의 PF에서 높은것으로 나타났다. 이는 짧은 열압으로 충분한 열에너지가 공급되지 않으면서 접착제가 완전히 경화되지 않아 나타난 결과라 생각한다.
후속연구
또한 24-TS도 모든 조건에서 KS 기준(≤ 12%)을 만족하지 못하였다. 그러나 MDF 제조시 보드의 목표밀도를 높이거나 내수성 향상을 위하여 접착제에 첨가되는 wax emulsion의 양을 1%에서 2%로 증가시킬 경우 MOR과 24-TS가 향상될 것으로 생각하며, 이에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다. 이 외에 함지율을 8%에서 10%로 올리거나, 가교제 및 경화제의 첨가량 증가, 그리고 접착제의 주원료인 CF에 대하여 적절한 가수분해 조건을 찾는 연구도 추가적으로 수행되어야 할 것으로 생각한다.
한편, MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 HCHO-E를 크게 감소시켰으며, 따라서 적절한 조건에서 조제된 CF 접착제는 MDF 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 MOR과 24-TS 향상을 위하여 함지율, 가교제 및 경화제의 첨가량, 그리고 접착제의 주원료인 CF에 대하여 적절한 가수분해 조건을 찾는 연구도 추가적으로 수행되어야 할 것으로 생각한다.
그러나 동물성 원료로부터 단백질을 분리하는 추가공 정없이 가수분해물 자체를 접착제의 원료로 이용하는 방안에 대한 연구는 아직 전무한 실정이다. 따라서 적절한 조건에서 준비된 닭털 가수분해물에 가교제를 혼합하여 제조한 접착제에 대하여 목질계 판상재 제조용 접착제로서 사용하는 연구가 필요할 것으로 생각한다. 만약 이 연구가 성공적으로 수행된다면, 닭털로부터 단백질을 분리하는 공정이 필요치 않은 관계로 부산물이 발생하지 않아 경제적 및 환경적인 측면에서 기여하는 바가 클 것으로 예상된다.
따라서 적절한 조건에서 준비된 닭털 가수분해물에 가교제를 혼합하여 제조한 접착제에 대하여 목질계 판상재 제조용 접착제로서 사용하는 연구가 필요할 것으로 생각한다. 만약 이 연구가 성공적으로 수행된다면, 닭털로부터 단백질을 분리하는 공정이 필요치 않은 관계로 부산물이 발생하지 않아 경제적 및 환경적인 측면에서 기여하는 바가 클 것으로 예상된다.
그러나 MDF 제조시 보드의 목표밀도를 높이거나 내수성 향상을 위하여 접착제에 첨가되는 wax emulsion의 양을 1%에서 2%로 증가시킬 경우 MOR과 24-TS가 향상될 것으로 생각하며, 이에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다. 이 외에 함지율을 8%에서 10%로 올리거나, 가교제 및 경화제의 첨가량 증가, 그리고 접착제의 주원료인 CF에 대하여 적절한 가수분해 조건을 찾는 연구도 추가적으로 수행되어야 할 것으로 생각한다.
그러나 MDF 제조시 보드의 목표밀도를 높이거나 내수성 향상을 위하여 접착제에 첨가하는 waxemulsion의 양을 1%에서 2%로 증가시킬 경우 MOR과 24-TS가 향상될 것으로 생각한다. 한편, MDF 제조에 있어 CF 접착제의 사용은 HCHO-E를 크게 감소시켰으며, 따라서 적절한 조건에서 조제된 CF 접착제는 MDF 제조를 위한 분사형 접착제로서 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 MOR과 24-TS 향상을 위하여 함지율, 가교제 및 경화제의 첨가량, 그리고 접착제의 주원료인 CF에 대하여 적절한 가수분해 조건을 찾는 연구도 추가적으로 수행되어야 할 것으로 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
어떻게해야 동물성 단백질이목재접착제의원료로 사용가능 한가?
이렇게 동물성 단백질이목재접착제의원료로 사용가능한이유는 단백질을 구성하는 cysteine, lysine, tryptophan과 같은 아미노산이 cellulose,hemicellulose, lignin과 같은 목재의 주성분과 결합할 수 있는 극성의 관능기를 가지고 있기 때문이다. 그러나 이를 위하여 상기 관능기의 노출이 필요하며, 이에 변성제(denaturants) 또는 가수분해제를 통하여 변성 또는 가수분해된 단백질이 일정한 접착능과 내수성을 가진 접착제의 원료로 사용이 가능하다. 또한 이렇게 변성된 단백질에 알데히드계[20,23,24], 에폭시 resin [25], maleic anhydride [26]와 같은 가교제를 첨가할 경우 접착 강도 및 내구성이 향상되는 것으로 보고되었다.
동물성 단백질이목재접착제의원료로 사용가능한 이유는?
이 외에 황다랑어의 껍질[15], 우혈분 및 돈 혈분[16], 혈액 추출 단백질[17], 유장 단백질[18], 카제인[19], 산란노계 추출 단백질[20], 육분 및 혈분 추출 단백질[21], 닭털 추출 단백질[22]을 접착제의 원료로 사용하는 방안이 검토되었다. 이렇게 동물성 단백질이목재접착제의원료로 사용가능한이유는 단백질을 구성하는 cysteine, lysine, tryptophan과 같은 아미노산이 cellulose,hemicellulose, lignin과 같은 목재의 주성분과 결합할 수 있는 극성의 관능기를 가지고 있기 때문이다. 그러나 이를 위하여 상기 관능기의 노출이 필요하며, 이에 변성제(denaturants) 또는 가수분해제를 통하여 변성 또는 가수분해된 단백질이 일정한 접착능과 내수성을 가진 접착제의 원료로 사용이 가능하다.
폼알데히드계 접착제 및 methylene diphenyl diisocyanate를 주로 사용하고 있는 이유는?
전세계적으로 중밀도섬유판, 파티클보드, 단판적층제, 합판,oriented strandboard (OSB) 등과 같은 공학목재는 우수한 접착능,저렴한 가격, 용이한 작업성 등으로 최근까지 요소, 멜리민-요소,페놀수지와 같은 폼알데히드계 접착제 및 methylene diphenyl diisocyanate (MDI)를 사용하여 주로 생산되고 있다. 그러나 이 접착제는 non-renewable 원료를 사용하여 제조되고 있으며, 이 접착제의 성분들 중에 인체 및 환경에 유해한 성분을 포함하고 있는 것으로 보고되고 있다.
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