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제3장
목재의 치수안정화 처리(2)
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◦ 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-CH2OH(Hemiacetal)
② Wood-O-CH2OH-OH-Wood
→ Wood-O-CH2-O-Wood + H2O(Acetal)
◦ 메틸렌에테르 가교결합: 주로 비결정영역의 수산기 간에 형성
◦ 포름알데히드 1분자 + 2개의 수산기 → 처리효과: 적은 중량증가에서도
치수안정성 발현
2. 가교결합(Cross linking) - 포르말화
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※ Acetal
◦ 알데히드수화물(RCHO · H2O)과 알킬기(R, R’, CnH2n+3)가 에테르결합
(-O-)을 하고 있는 구조를 갖는 화합물의 총칭
C R
H
OH
OH
C R
H
OR’
OR’
C R
H
OR’
OH Hemiacetal
Acetal
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HCHO
Glucose-O-CH2-O-Glucose+H2O↑
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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%
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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
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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
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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
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※ 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)
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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
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◦ 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
수축율 (%
) 무처리목재
LiCl포화용액 처리목재
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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
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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
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※ 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
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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
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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
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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
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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
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)
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※ 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
CH
3
NCO
NCO
OH-R’-HO | OH
: 우레탄결합(-NH-CO-O-)
: 遊離이소시아네이트기
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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
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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
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6) 기타 치수안정화제(PEG 계통)
◦ PEG: 친수성, 수용성
▪ 고습도 조건: 흡습성 高 → 옥외 사용곤란, 고습도 시 문제발생
① PPG(Polypropylene glycol)
◦ HO-[CH2CH(CH3)O]n-H
◦ 상온에서 액체
◦ 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
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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
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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%
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③ 처리재의 성질
◦ 치수안정성(ASE): 함지율 증가 → ASE 증가
◦ 내후성, 전기적 성질, 내산성, 내열성 향상
◦ 기계적 성질
▪ 휨강도, 압축강도, 경도 - 증가
▪ 충격강도, 인장강도 - 감소