목재의 치수안정화 처리(2) (2)

제3장

목재의 치수안정화 처리(2)

◦ 포르말화(아세탈화)

▪ 아세탈화 처리 : 목재 구성성분에 아세탈결합으로 유리기를 도입하는 처리

◦ 수산기와 알데히드류(포름알데히드, 아세트알데히드)와의 가교반응 ▪ 목재 중의 –OH기 간에 메틸렌에테르 가교결합(-O-CH₂-O-) 형성

가. 機 作

① Wood-OH + HCHO → Wood-O-CH₂

OH(Hemiacetal)

OH-OH-Wood

→ Wood-O-CH₂

-O-Wood + H

◦ 메틸렌에테르 가교결합: 주로 비결정영역의 수산기 간에 형성

◦ 포름알데히드 1분자 + 2개의 수산기 → 처리효과: 적은 중량증가에서도 치수안정성 발현

2. 가교결합(Cross linking) - 포르말화

※ Acetal

◦ 알데히드수화물(RCHO · H₂O)과 알킬기(R, R’, C_nH_2n+3)가 에테르결합 (-O-)을 하고 있는 구조를 갖는 화합물의 총칭

R C H

OH OH

R C H

OR’

OR’

R C H

OR’

OH Hemiacetal

Acetal

HCHO

Glucose-O-CH

-O-Glucose+H

O↑

나. 처리방법

1) 液相처리: 효과 小 2) 氣相처리

① 과정 : 염화수소(HCl) 가스 전처리(0.15g/l, 20℃, 3hr.) → 포름알데히드 증기 기상처리(65~115℃, 95℃, 10~20hr., 10hr.)

② 포름알데히드 源(가교결합제) : 파라포름알데히드 多用

일반식: HO(CH₂O)nH, n=10~100 ③ 반응촉매: 산 또는 무기 염

◦ 처리효과: 강산일수록 고

◦ 강산 촉매의 단점: HC의 가수분해 → 강도적 성질(특히 마모저항) 감소 pentose, hexose, uronic acid 생성

◦ 무 촉매, 약산촉매(아황산, 개미산) 사용: 고온, 장시간 필요

◦ 무기염 촉매 사용(연구 진행 중): 염화알루미늄(AlCl₃), 염화암모늄(NH₄Cl) → 처리효과: ASE 40%

다. 처리재의 성질

◦ 건조치수 상태로 고정 1) 치수안정성

◦ 2~4%의 중량증가 → 60~70%의 ASE 부여 2) 기계적 성질 – 촉매에 좌우

① 염화수소, 염화아연

◦ 가교결합 형성과 함께 목재성분 열화발생

◦ 휨강도 70%, 충격휨강도 50%, 내마모성 10% 저하 ② 이산화황(SO₂, 아황산가스)

◦ 휨강도 저하 감소, 재색의 변화 小

◦ 이유: 이산화황 + 목재중의 수분, 포름알데히드 → Hydroxymethyl

sulfonic acid(CH₂OHSO₃H) 생성 → sulfonic acid가 촉매로 작용

3) 음향적 성질

① 비동적 탄성율(단위 비중당 동적탄성율) ◦ 방사방향 약 20% 증대

② 내부마찰

◦ 방사방향 50%, 섬유방향 40% 각각 감소 ③ 음향적 성질의 변화

◦ 악기(바이올린, 피아노) 響板用材에서 요구되는 특성과 일치 ◦ 바이올린: 처리에 의해 광택, 울림(진동) 등의 음질향상 인정 ◦ 습도변화에 따른 음향적 성질의 변화 감소, 치수안정성 부여 → 포르말화 처리: 목제 악기의 음향특성 안정화에 유효

4) 耐朽性 및 耐蟻性

① 내후성: 2% 중량증가 → 高 내후성 발현

◦ 처리 목재의 함수율 증가 → 高 내후성 유지(내후성 부여 인자 – 흡습성 감소가 아니고 화학적 변화)

② 내의성: 흰개미에 대하여 높은 내의성 발현

※ 치수안정화 평가법(표기법)

1. ASE

① Anti-Shrink(Swelling) Efficiency{(항수축(팽윤)능, 율}

② 계산식: 항수축능(율)

ASEt = Sct - Stt

ⅹ100 (%) Sct

ASEv = Scv - Stv

ⅹ100 (%) Scv

◦ ASEt: 접선방향 항수축능

- Sct: 무처리재의 접선방향 수축율 - Stt: 처리재의 접선방향 수축율

◦ ASEv: 체적 항수축능(ASEt + ASEr)

2. MEE

① Moisture Excluding Efficiency(항흡습능) ② 계산식

MEE = Mc - Mt

ⅹ100 (%) Mc

◦ Mc: 무처리재의 흡습율

◦ Mt: 처리재의 흡습율 3. RWA

① Reduction in Water Absorptivity(항흡수능) ② 계산식

RWA = Rc - Rt

ⅹ100 (%) Rc

◦ Rc: 무처리재의 흡수율

◦ Rt: 처리재의 흡수율

◦ 충전효과

▪ 세포간극, 공극 → 약제 침투 → 충전 → 수축, 팽윤 억제

가. 염류처리(Salt treatment)

① 염류: 물 분자를 holding하는 힘이 强 ② 포화 염용액(NaCl, LiCl, KI 등) 처리 ◦ 수축이 시작되는 상대증기압 저하

◦ 세포벽 내에 존재하는 염류의 용적만큼 수축 감소

③ 단점: 처리목재 – 습윤상태 ◦ 2차 가공성(접착, 도장) 불량 ◦ 금속 부식

3. 용적처리

상대증기압(%)

12 100

수축 율 (%)

무처리목재

LiCl포화용액 처리목재

나. 당처리(Sugar treatment)

① 당 용액 처리

◦ 농도 12.5~50% → 용적수축 3~4%

② 轉化糖이 효과적

◦ 전화당: Sucrose의 가수분해(묽은 산 또는 효소)물 ◦ D-glucose, D-fructose

③ 단점

◦ 처리비용이 고가

◦ 상대습도 80% 이상 → 습윤 → 2차 가공성 불량

◦ 균류, 곤충의 영양원 → 방부, 방충제 첨가

Polyethylene glycol

다. PEG처리

◦ Polyethylene glycol 1) PEG의 성질

◦ 일반식: OH-[CH₂CH₂O]_n-H

◦ 에테르결합을 다수 갖는 긴 쇄상의 2가 알코올

◦ 별명: 카보왁스, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리오기에틸렌 ◦ 수용성이며 유기용매(에탄올, 메탄올, 아세톤 등)에 용해 → 친수성, 친유성 겸비 → 계면활성 有

에테르결합의 친수성 때문 ◦ 중성, 무취, 독성이 거의 無

◦ 분자량 : 200 ~ 10000 정도

- 분자량에 따라 흡습성, 점성이 相異

◦ 용도: 매우 넓다 – 가소제, 유연제, 증점제, 분산제, 보습제, 치수안정제 등

Ethylene glycol

※ 분자량과 PEG의 성질

① PEG 200 – 400

◦ 무색 투명의 액체, 흡습성이 高

② PEG 1000 – 2000 ◦ 백색의 연질 왁스

③ PEG 4000 이상

◦ 백색 고체, 흡습성이 거의 無

※ PEG의 평균 분자량

① PEG 400: 399

② PEG 600: 605

③ PEG 1000: 1020

④ PEG 4000: 3090

2) PEG의 처리법

① 처리 목재: 생재 또는 고함수율재

② 처리법: 고농도의 PEG 수용액에 침지 → 세포벽 내로 확산 → 건조 ③ 치수안정화 효과

◦ 세포벽 중에 PEG 충전 → 팽윤 상태의 치수로 고정 3) 처리조건과 치수안정성

① PEG 분자량

◦ 세포벽 중으로의 확산 최적 분자량: 3000 ▪ 3000 이하: 확산 용이

▪ 3000 이상: 확산 곤란 ◦ 분자량에 따라

▪ 용해도(물), 수용액 점도, 확산의 難易性 등에 차이가 有

② PEG 분자량과 치수안정성

◦ PEG 1000 이하 → ASE 80% 이상 ◦ PEG 6000 → ASE 20% 이하 ◦ 분자량 ↑ → 치수안정성 ↓

▪ 저분자량(PEG 400, 600): 부적합 – 높은 흡습성 ◦ 목재의 치수안정화 처리

▪ PEG 1000 ~ 4000 多用

◦ 출토 목재 유물 – 비중 저하, 공극 증가 ▪ PEG 4000 적합

③ PEG 함유량과 치수안정성

◦ 함유량(중량증가율)↑ → 치수안정성 ↑ ◦ 균일한 분포가 매우 중요

▪ 함유율 20~27%(균일한 확산) → 100% 치수안정성 획득 ▪ 처리 후 건조 – 장시간, 서서히, 가온

4) 처리목재의 성질

① 흡습성: PEG 분자량과 상대습도에 좌우 ◦ 저습도-흡습성 小, 고습도-흡습성 高 ◦ PEG 1000

▪ 습도 60% 부근 - 흡습성 小

▪ 습도 65% 이상 - 흡습성 급격히 증가 ◦ PEG 4000

▪ 습도 85% 부근 - 흡습성 小

▪ 습도 90% 이상 - 흡습성 급격히 증가

◦ 흡습성 低減法 – 폴리우레탄수지 도료 도포 ② 강도적 성질

◦ PEG처리재 – 팽윤상태에서 치수 고정

◦ 강도: 생재(습윤재) < PEG 처리재 < 기건재

③ 도장성

◦ 도료 : 폴리우레탄수지 도료 최적

▪ 도료 중의 이소시아네이트기(-NCO) + PEG, 목재의 수산기(-OH) 또는 물 분자 → 우레탄 또는 요소 결합 형성 → 강고한 도막 형성

<참고> 이소시아네이트기와 활성수소와의 화학결합 양식 1) 물 : 2 R-NCO + H₂O → R-NH-CO-NH-R + CO₂ ↑ (요소결합)

2) 알코올: R-NCO + R’-OH → R-NH-CO-O-R’

(우레탄결합)

※ 폴리우레탄수지 도료의 경화 기구

◇ Pre-polymer(2,4체 TDI + 2~3가 알코올) - 도료

CH₃ NCO

NCO CH₃

NCO

NCO

CH₃ NCO

NCO

HO-R-OH

CH3 NCO

NCO

OH-R’-HO ｜

OH

: 우레탄결합(-NH-CO-O-) : 遊離이소시아네이트기

CH₃ NCO

NCO CH₃

NCO

NCO

CH₃ NCO

NCO

HO-R-OH

+ H₂O + -NH-CO-NH-

+ CO2↑

우레탄 결합

요소 결합

◇ 도막의 생성과정

 Pre-polymer 도장 → Pre-polymer 중의 2개의 遊離이소시아네이트기 + 대기 중의 물 1분자 → (반응) → 요소결합 형성(고분자 망상구조의 도막 생성)

☞ 습기경화형 건조도막 → 우레탄결합 + 요소결합

5) 목재가공에의 응용

① 목재 건조 시 할렬방지

◦ 제재목 → 표면에 PEG 20~30% 수용액 도포→ 건조에 의한 표면 수축 억제 → 표면 할렬 발생 방지

※ 표면 할렬: 재 표면과 내부 간의 건조 속도와 수축 차이에 의해 발생 ◦ 건조 후 재 표면 플레이너 가공 → 접착, 도장 불량 방지

② 목재가공품 할렬, 뒤틀림 방지

◦ 생재 → 예비 가공 → PEG 30% 용액 침지(실온, 14~24일 또는 약 60℃, 4~5일)→ 인공건조(건조스케줄) → 마무리 가공 → 폴리우레탄 도료 도장

6) 기타 치수안정화제(PEG 계통) ◦ PEG: 친수성, 수용성

▪ 고습도 조건: 흡습성 高 → 옥외 사용곤란, 고습도 시 문제발생 ① PPG(Polypropylene glycol)

◦ HO-[CH₂

CH(CH

)O]n-H

◦ PPG 400(평균분자량): 흡습성 小

▪ 치수안정성: PEG 1000과 거의 동일

② PEGMA(Polyethylene glycol monomethacrylate) ◦ 변성 PEG: PEG를 methacrylate로 변성

◦ CH₂=C(CH₃)COO-(CH₂CH₂O)n-H

◦ 분자 중에 비닐기(-CH=CH₂)와 수산기를 함유하는 수용성 모노머 ◦ 목재에 도포 또는 주입 → 중합반응 진행 → 물불용성 폴리머화 ◦ 외장용 造作材 처리에 효과적

라. 왁스처리

① 비극성의 충전제(왁스류)를 세포벽 중에 도입 → 치수안정성 부여 ② 목재 내의 수분 → 왁스류로 치환 → 치수안정성 부여

③ 처리방법

◦ 생재(고함수율 목재, 팽윤목재)→셀로솔브에 침지→왁스류에 침지→건조 ▪ 셀로솔브 침지: 온도 약 100℃로 가온→목재 중의 수분 증발→셀로솔브 목재 내로 침투

▪ 왁스류 침지: 온도 약 200℃로 가온→목재 중의 셀로솔브 기화→왁스류

파라핀왁스, 비이스왁스, 스테아린, 로진 등

목재 내로 침투(셀로솔브 약 80% 왁스류로 치환) ◦ 처리목재: ASE 약 80%

▪ 접착, 도장불량 - 단점

마. 합성수지처리

① 합성수지: 수용성, 저축합물

◦ 페놀수지: 내수, 내열, 내후성 우수 ▪ 저점도, 알칼리성 – 침투성 양호 ◦ 요소수지: 低價, 내수성 불량

▪ 경화 시 용적수축 大 → cracking 발생 → 老化性이 대 ◦ 레조르시놀수지, 멜라민수지: 高價

② 합성수지처리 목재 = 페놀수지처리 목재 = Impreg ◦ 페놀수지: resol형(초기축합물), backlite A형

▪ 고형분: 30~40%(50% 이상: 침투성 저하) ◦ 처리방법

▪ 침지(단판) 또는 가압주입(소재) → 저온건조 → 가열(150℃) → 수지경화 含脂率: 25~30%

③ 처리재의 성질

◦ 치수안정성(ASE): 함지율 증가 → ASE 증가 ◦ 내후성, 전기적 성질, 내산성, 내열성 향상 ◦ 기계적 성질

▪ 휨강도, 압축강도, 경도 - 증가 ▪ 충격강도, 인장강도 - 감소