KR20180114354A - 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재내부에 난연성 물질과 방부 물질을 함유시켜 화재와 내구성이 좋은 목재를 제조하는 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 대차 상부에 목재를 적층하고, 챔버에 투입한 후 진공 배기하여 목재 내부의 공극에 있는 공기 및 수분을 제거하는 준비단계, 상기 준비단계를 마친 후 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 증기상태로 챔버 상부와 하부를 통해 주입하여 함침시키는 함침단계, 상기 함침단계를 마친 후 목재를 챔버내부에서 건조시키는 1차건조단계, 상기 함침단계에서 함침된 혼합물을 고형화시키기 위해 가열시키는 가열단계, 상기 가열단계를 마친 목재를 챔버에서 인출하여 외면에 코팅제를 코팅하는 코팅단계 및 상기 코팅단계 후 차광율 10~20% 상태에서 자연건조 시키는 2차건조단계로 이루어 졌으며, 본 발명에 의한 효과는 챔버내부로 무화장치를 이용하여 난연 약제 및 방부 약제를 목재에 함침시켜 목재의 난연성과 방부성능을 높고, 함침액을 목재 내부에서 고결화 시킨 후 외부를 코팅하여 목재의 내후성이 높으며, 챔버 내부로 함침액을 무화장치로 주입하되 챔버 내부 하부를 통해 회수한 후 재 주입하는 공정으로 인해 경제성이 높다.

Description

난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법{Method of manufacturing wood impregnated with a flame retardant and preservative composition}

본 발명은 목재내부에 난연성 물질과 방부 물질을 함유시켜 화재와 내구성이 좋은 목재를 제조하는 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 대차 상부에 목재를 적층하고, 챔버에 투입한 후 진공 배기하여 목재 내부의 공극에 있는 공기 및 수분을 제거하는 준비단계, 상기 준비단계를 마친 후 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 증기상태로 챔버 상부와 하부를 통해 주입하여 함침시키는 함침단계, 상기 함침단계를 마친 후 목재를 챔버내부에서 건조시키는 1차건조단계, 상기 함침단계에서 함침된 혼합물을 고형화시키기 위해 가열시키는 가열단계, 상기 가열단계를 마친 목재를 챔버에서 인출하여 외면에 코팅제를 코팅하는 코팅단계 및 상기 코팅단계 후 차광율이 10~20% 상태에서 자연건조 시키는 2차건조단계로 이루어진 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법에 관한 것이다.

최근 국민생활의 질이 향상됨에 따라 자연친화적인 재료를 이용한 한옥을 비롯한 주거 시설과 공익을 위한 시설물이 설치되고 있는 실정이며, 상기 자연친화적 재료인 목재의 사용량이 증가되고 있다. 따라서 목재의 취약점인 화재안전성 및 내구성을 높이기 위해서 목재 내부 또는 외부에 난연제나 방부제를 포함시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.

천연목재가 가지는 아름다움과 기능성 때문에 건축재료 및 실내 인테리어에 목재 사용량이 증가되고 있으나 목재는 다른 건축재료에 비하여 화재 안정공학적인 측면에서 많은 단점들을 가지고 있다. 그에 따라서 목재의 연소 특성 및 난연처리방법과 처리목재의 성능평가를 알아보는 연구가 진행되고 있으며, 더불어 외부노출환경에 있는 목재의 경우 습기와 대기에 존재하는 곰팡이등의 미생물에 의하여 오랜 기간동안 사용될 수 없다는 단점을 해소하기 위하여 방부효력을 높이기 위한 연구가 실시되고 있다.

전통적인 목재의 내후성을 높이는 방법으로는 건조(drying)가 있는데 적절한 건조는 수축과 팽창으로 인해 치수가 변하는 정도를 감소시켜주고, 미생물로부터 목재를 보호하며, 수송비용을 감소시키며, 목재의 마무리작업이나 보존 처리를 위한 준비단계로써 진행되고 있고, 일반적인 자연건조의 경우 함수율이 20%가 되기까지 20~300일이 소요되며 수종,장소 및 계절에 따라 다르다. 또한, 목재의 보존방법으로는 곰팡이, 해충 및 불 등에 의해 품질이 저하되는 목재 손실의 가장 큰 원인이 부후(腐朽)이며, 상기 목재 손실을 방지 하기위해 목재내 함수율을 20%이하로 하여 곰팡이의 생육을 억제하는데 이는 미생물이 이용할 만한 산소가 충분하지 못하기 때문이다.

그러나 상기 전통적인 방법으로 건조된 목재가 외부에 노출되어 있고, 토양과 접촉하는 경우에는 곰팡이의 서식에 매우 적합한 조건이 되어 상기 건조방법만으로는 목재의 내구성에는 한계가 있다. 추가로 목재의 내구성을 더욱 증가시키기 위한 방법들로는 도포법, 분무법, 침지법, 온냉욕법 및 확산법등이 있으며, 그 밖의 선행기술들로는 한국등록특허 제10-1604217호(2016.03.21.) 난연성과 방습성이 향상된 목재보드 및 그 제조방법으로 목섬유 및 목재 소편 중 적어도 어느 하나의 주원료와 벼짚, 밀짚, 왕겨 중 적어도 하나를 분쇄한 부원료가 혼합된 원료를 마련하는 단계와; 난연 또는 불연 성능을 제공하는 제1조성물과, 방수 내지 방습 성능을 제공하는 제2조성물과, 접착제를 혼합한 복합 접착제를 마련하는 단계와; 상기 복합 접착제를 상기 원료에 혼합하는 단계와; 상기 복합 접착제와 혼합된 원료를 형틀에 넣고 가압하여 목재보드로 성형하는 단계를 포함하되, 상기 제1조성물은 질선, 황토, 게르마늄, 백운암, 규석 중 적어도 하나를 포함하는 제1분말 10~30중량부와, 방염제 10~30중량부와, 물 50~70중량부로 이루어지며, 상기 제2조성물은 바인더 100중량부와, 경화제 10~30중량부와, 나노 금속산화물 및 나노 실리카를 함유하는 제2분말 5~15중량부로 이루어지는 목재를 제공하고 있고, 한국등록특허 제10-1447489호(2014.10.07.) 난연제가 처리된 목재용 정색시약 및 이를 이용한 정색방법은 몰리브덴산암모늄(ammonium molybdate) 및 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하거나, 에틸알코올로 희석한 염산(HCl)으로 용해시킨 강황을 포함하며, 난연제와 반응하는 것을 특징으로 하는 정색시양에 관한 것을 제공하고 있다.

상기 선행기술들을 살펴보면 난연 및 일부 방부 효과의 내구성에 있어서 한계를 가지고 있고, 제조되는 과정이 복잡하며, 난연 또는 방습효과 중 하나에 기능이 쏠려 있는 문제점을 가지고 있다.

한국등록특허 제10-1604217호(2016.03.21.) 한국등록특허 제10-1447489호(2014.10.07.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같이 건조 기술로만 이루어진 종래 일반적인 기술과 선행기술들이 가지고 있는 난연 성능 및 방부 성능이 높은 목재를 제조하는 것을 목적으로 하며, 챔버를 이용하여 목재 내부에 난연성 물질을 함침하고, 외부에는 코팅을 실시하여 방부효과를 높이며, 규사입자를 코팅제 사이에 삽입하여 신미성 및 방부성능을 높이는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법을 제공한다.

상기와 같은 문제점을 해결하고 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법은 a) 대차 상부에 목재를 적층하고, 챔버에 투입한 후 진공 배기하여 목재 내부의 공극에 있는 공기 및 수분을 제거하는 준비단계; b) 상기 준비단계를 마친 후 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 증기상태로 챔버 상부와 하부를 통해 주입하여 함침시키는 함침단계; c) 상기 함침단계를 마친 후 목재를 챔버 내부에서 건조시키는 1차건조단계; d) 상기 함침단계에서 함침된 혼합물을 고형화시키기 위해 가열시키는 가열단계; e) 상기 가열단계를 마친 목재를 챔버에서 인출하여 외면에 코팅제를 코팅하는 코팅단계; 및 f) 상기 코팅단계 후 차광율 10~20% 상태에서 자연건조 시키는 2차건조단계;로 이루어진다.

상기 함침단계는 챔버 외부에 설치된 마이크로 무화장치를 이용하여 챔버 내부로 혼합물을 기체와 함께 증기상태로 분산시키면서 주입한다.

상기 함침단계는 챔버내부로 혼합물을 주입하고, 30분동안 함침 시킨 후 챔버 내부 하부로 침전된 혼합물을 회수하여 재 주입하는 과정을 2회 반복한다.

상기 난연 약제와 방부약제는 수용성이며, 난연 약제는 액상규산나트륨이고, 방부 약제는 구리 알킬암모니움화합물계, 크롬 플루오르화구리 아연 화합물계, 산화크롬 구리 화합물계, 구리 아졸화합물계, 구리 사이크로핵실다이아제니움디옥시-음이온 화합물계, 붕소 붕산 화합물계 및 알킬 암모니움 화합물계 중 선택된 하나를 사용한다.

상기 난연 약제, 방부 약제 및 증류수의 혼합비율은 중량비율로 1:0.1~0.3:3으로 한다.

상기 1차건조단계에서 건조된 목재의 함수량은 16~20%으로 한다.

상기 코팅단계에서 코팅제는 나노입자의 이산화 타이티늄(TiO₂)이며, 에어로졸 증착법(Aerosol deposition)을 이용하여 9중 코팅을 실시한다.

상기 9중 코팅은 8번째 코팅 후 규사 및 글라스비드를 혼합한 혼합물을 도포한 후 9번째 코팅을 실시하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 본 발명은 챔버내부로 무화장치를 이용하여 난연 약제 및 방부 약제를 목재에 함침시켜 목재의 난연성과 방부성능을 높였다.

(2) 본 발명은 함침액을 목재 내부에서 고결화 시킨 후 외부를 코팅하여 목재의 내후성이 높다.

(3) 본 발명은 챔버 내부로 함침액을 무화장치로 주입하되 챔버 내부 하부를 통해 회수한 후 재 주입하는 공정으로 인해 경제성이 높다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법의 공정도이다.

본 발명의 명칭은 "난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법"으로 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있도록 구체적인 내용을 기재하고, 충분히 유추 가능한 별도의 기재는 생략하며, 필요 경우 실시예 및 도면을 기재한다. 또한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 정의된 용어들은 한정 해석하지 아니하며, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일면에 있어서,

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법의 공정도로 상기 도 1을 참고하여 하기에 더욱 상세하게 개진한다.

난연과 방부 약제를 함유하는 목재 제조방법에 있어서,

상기 목재 제조방법은

a) 대차 상부에 목재를 적층하고, 챔버에 투입한 후 진공 배기하여 목재 내부의 공극에 있는 공기 및 수분을 제거하는 준비단계;

b) 상기 준비단계를 마친 후 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 증기상태로 챔버 상부와 하부를 통해 주입하여 함침시키는 함침단계;

c) 상기 함침단계를 마친 후 목재를 챔버내부에서 건조시키는 1차건조단계;

d) 상기 함침단계에서 함침된 혼합물을 고형화시키기 위해 가열시키는 가열단계;

e) 상기 가열단계를 마친 목재를 챔버에서 인출하여 외면에 코팅제를 코팅하는 코팅단계; 및

f) 상기 코팅단계 후 차광율 10~20% 상태에서 자연건조 시키는 2차건조단계;로 이루어진다.

상기 함침단계는 챔버 외부에 설치된 마이크로 무화장치를 이용하여 챔버 내부로 혼합물을 기체와 함께 증기상태로 분산시키면서 주입한다.

상기 마이크로 무화장치에 의하여 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 기체상과 동일한 입자크기의 상태로 챔버에 주입되어 수분 및 공기가 빠져나온 목재의 공극에 침투되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 함침단계는 챔버내부로 혼합물을 주입하고, 30분동안 함침 시킨 후 챔버 내부 하부로 침전된 혼합물을 회수하여 재 주입하는 과정을 2회 반복하며 재 주입과정을 복수번 실시하는 것도 무방하다.

상기 난연 약제와 방부약제는 수용성이며, 난연 약제는 액상규산나트륨이고, 방부 약제는 구리 알킬암모니움화합물계, 크롬 플루오르화구리 아연 화합물계, 산화크롬 구리 화합물계, 구리 아졸화합물계, 구리 사이크로핵실다이아제니움디옥시-음이온 화합물계, 붕소 붕산 화합물계 및 알킬 암모니움 화합물계 중 선택된 하나를 사용한다.

상기 난연 약제, 방부 약제 및 증류수의 혼합비율은 중량비율로 1:0.1~0.3:3으로 한다.

상기 1차건조단계에서 건조된 목재의 함수량은 16~20%으로 하며, 가열단계에서 함수량을 3~10%까지 조절한다. 가열 전 전처리로 건조단계를 실시하여 급격하게 목재내 주입된 함침액(난연약제, 방부약제, 물)이 고결화 되는 과정 및 목재의 변형이 일어나는 현상을 방지한다.

상기 코팅단계에서 코팅제는 나노입자의 이산화 타이티늄(TiO₂)이며, 에어로졸 증착법(Aerosol deposition)을 이용하여 9중 코팅을 실시한다.

상기 9중 코팅은 8번째 코팅 후 규사 및 글라스비드를 혼합한 혼합물을 도포한 후 9번째 코팅을 실시한다.

실시예 1: 난연 약제, 방부 약제 및 증류수의 혼합액를 목재에 함침

목재는 소나무로 시험편(20㎜×3㎜×500㎜)을 복수개 준비하고, 소형 챔버에 투입한 뒤 챔버내부를 진공배기 상태로 만든 후 액상규산나트륨, 보조처리약제(붕산, 붕산암모늄, 인산수소2암모늄) 및 증류수를 사용하되 액상 규산나트륨과 증류수를 중량비율로 1:3 및 1:2의 2개의 함침액을 제조하고, 액상규산나트륨, 각각 붕산과 붕산암모늄과 인산수소2암모늄의 보조처리약제 및 증류수를 중량비율로 1:0.3:3, 1:0.3:2로 각각 제조된 6개의 함침액을 제조하여 무화장치에 의하여 증기상태로 목재에 함침시키며, 600㎜Hg의 감압상태로 30분동안 처리하였다. 상기 처리된 목재를 실온상태에서 15일간 양생하고, 25℃ 물에 8시간 유탈한 후 60℃에서 16시간 휘산 과정을 거치고, 상기 함침과정을 실신 한뒤 건조하여 함침 목재를 제조하였다.

실시예 2: 목재 외면 코팅

목재는 소나무로 시험편(100㎜×100㎜×10㎜)을 준비하였고, 이산화 타이티늄(TiO₂)의 나노입자를 사용하여 상기 시험편 외면에 에어로졸 증착(aerosol Deposition)으로 무코팅, 3중 및 9중 코팅을 실시하였다.

시험예 1: 함침 목재의 방미효력에 따른 부후성능평가

상기 실시예 1에서 제조된 8개 함침 목재 시편에 갈색부후균(Fomitopsis palustris) 및 백색부후균(Trametes versicolor) 균주를 접종한 후 온도 26℃, 상대습도 70% 이상에서 90일간 폭로하고, 부후성능평가를 실시하였다.

시험결과 난연처리 목재의 갈색부후균에대한 방부효력은 높게 나왔으며 보조처리약제인 붕산 및 붕산암모늄의 시편에서는 효과가 우수하였다. 반면 인산수소2암모늄 처리시편은 중량감소율을 토대로 중량감소율이 5%로 나와 다른 약제에 비하여 효력이 낮게 나타내었다.

또한, 백색부후균에 대한 방부효력은 모든 목재시편에서 10% 미만의 감소율을 나타내었으며, 특히 액상규산나트륨에 붕산을 처리한 목재시편에서 3%미만의 감소율을 보여 갈색부후균에서와 같이 높은 방부효력을 나타내었다.

또한, 액상규산나트륨과 증류수로만 이루어진 시편에서 함침액 함량이 액상규산나트륨의 차이에서 나타나는 방부효과는 미미하였다.

시험예 2: 코팅 목재의 난연성능 평가

실시예 2에서 제조된 무코팅, 3중코팅 및 9중코팅의 목재 시편에 50kW의 복사열에 노출하여 연소를 유도하여 불꽃 연소를 실시하되 시험편의 중량 변화가 없을때 까지 진행하였다.

불꽃 연소 과정에서 2개의 최대 열방출점을 가지고 있으며, 무코팅, 3중코팅 및 9중코팅의 순서로 열방출율을 보였으나 차이는 크지 않았다. 불꽃연소 과정에서 열방출율이 150~180kW까지 상승하여 5분을 전후하여 종료되었고, 훈소연소는 불꽃연소 이후로 열방출율이 40kW일때 시작하여 서서히 감소하였으며, 20분간 지속되었고 총발열량 측면에서 연소특성을 관찰하면 무코팅 시편의 경우 70 MJ이 측정되었고, 3중 시편은 67 MJ, 9중 코팅은 58 MJ의 초발열량이 측정되었다.

추가의 일면에 있어서,

상기 함침단계 후 1차건조단계 전처리로 수용성 멜라민 수지를 함침을 추가하여 구성하여 난연효과를 높이거나 코팅단계 전처리로 목재 외부에 진공가압 후 열처리고정을 거치는 코팅을 실시하여 신미감을 줄수 있다. 멜라민수지는 무색 투명하여 아름답게 착색할 수 있으며, 열, 산 및 용제에 대하여 강하고, 전기적 성질도 뛰어나고, 다양한 제품에 성형재료로 쓰이는데, 도자기 같은 감촉의 완성품의 비중이 1.5 정도로 가볍고, 내열성이 있어서 강한 화장판(化粧板)으로도 사용되고 있다.

추가로, 코팅단계에서 1번째 코팅내지 8번째 코팅 중 선택된 코팅사이에 아라미드 섬유 분쇄분말을 분포시켜 난연효과 및 목재 외면을 보호시킬 수 있다.

상기 아라미드 섬유는 아마이드결합 -CONH가 벤젠고리와 같은 방향족고리를 결합시켜 고분자 폴리아마이드를 형성하고 있고, 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력 및 고탄성률을 갖고 있으며, 불에 타거나 녹지 않으며, 500℃가 넘어야 비로소 검게 탄화되는 성질을 가지고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법은 챔버내부로 무화장치를 이용하여 난연 약제 및 방부 약제를 목재에 함침시켜 목재의 난연성과 방부성능이 높고, 함침액을 목재 내부에서 고결화 시킨 후 외부를 코팅하여 목재의 내후성이 높으며, 챔버 내부로 함침액을 무화장치로 주입하되 챔버 내부 하부를 통해 회수한 후 재 주입하는 공정으로 인해 경제성이 높다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술은 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (8)

1. 난연과 방부 약제를 함유하는 목재 제조방법에 있어서,
   상기 목재 제조방법은
   a) 대차 상부에 목재를 적층하고, 챔버에 투입한 후 진공 배기하여 목재 내부의 공극에 있는 공기 및 수분을 제거하는 준비단계;
   b) 상기 준비단계를 마친 후 난연 약제, 방부 약제 및 증류수가 혼합된 혼합물을 증기상태로 챔버 상부와 하부를 통해 주입하여 함침시키는 함침단계;
   c) 상기 함침단계를 마친 후 목재를 챔버내부에서 건조시키는 1차건조단계;
   d) 상기 함침단계에서 함침된 혼합물을 고형화 시키기 위해 가열시키는 가열단계;
   e) 상기 가열단계를 마친 목재를 챔버에서 인출하여 외면에 코팅제를 코팅하는 코팅단계; 및
   f) 상기 코팅단계 후 차광율 10~20% 상태에서 자연건조 시키는 2차건조단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 함침단계는 챔버 외부에 설치된 마이크로 무화장치를 이용하여 챔버 내부로 혼합물을 기체와 함께 증기상태로 분산시키면서 주입하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 함침단계는 챔버내부로 혼합물을 주입하고, 30분동안 함침 시킨 후 챔버 내부 하부로 침전된 혼합물을 회수하여 재 주입하는 과정을 2회 반복하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 난연 약제와 방부약제는 수용성이며, 난연 약제는 액상규산나트륨이고, 방부 약제는 구리 알킬암모니움화합물계, 크롬 플루오르화구리 아연 화합물계, 산화크롬 구리 화합물계, 구리 아졸화합물계, 구리 사이크로핵실다이아제니움디옥시-음이온 화합물계, 붕소 붕산 화합물계 및 알킬 암모니움 화합물계 중 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 난연 약제, 방부 약제 및 증류수의 혼합비율은 중량비율로 1:0.1~0.3:3으로 하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 1차건조단계에서 건조된 목재의 함수량은 16~20%으로 하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 코팅단계에서 코팅제는 나노입자의 이산화 타이티늄(TiO₂)이며, 에어로졸 증착법(Aerosol deposition)을 이용하여 9중 코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 9중 코팅은 8번째 코팅 후 규사 및 글라스비드를 혼합한 혼합물을 도포한 후 9번째 코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 난연 및 방부 조성물이 함침 처리된 목재 제조방법.

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