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2014-06-03
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목재 보존처리법 - 제 6 장 -
□ 목재 내부로의 약제의 침투
• 목재: 다공질이나 난주입성 재료
• 목재의 구조, 처리 약제의 성질, 처리 조건 등에 따라 복합적으로 진행
• 약제의 침투 기구
- 벽공벽의 미세공극: 유동(bulk flow, mass flow)
- 벽공벽과 세포벽에 임시로 형성되는 모세관: 확산(diffusion)
• 약제 침투량
- 유동 > 확산
- 벽공벽의 상태가 중요
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유연벽공과 벽공벽
제1절 목재 내 약제 침투에 영향을 미치는 인자
1. 목재의 성질 • 목재의 침투성은 동일 수종일지라도 산지, 생장의 良否에 따라
차이가 발생
가. 목재 수종
1) 침엽수재의 침투 통로
▫ 침엽수재 구성 세포: 90% 이상 가도관
▫ 약제 침투의 대부분은 가도관을 통해 이루어짐
가) 섬유방향(수축방향)
◦ 가도관의 유연벽공대: 유동에 의한 주요 침투 통로
◦ 축방향 유세포, 수직수지구: 유동에 의한 침투 미미
- 세포내강: 유세포 물질, 수지 등이 충전
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Resin canal 3-D image of bordered pit
나) 방사방향
◦ 방사조직: 유동에 의한 주요 침투 통로
◦ 방사조직의 구성: 방사유세포 + 방사가도관
(일부 수종: 방사유세포로만 구성)
◦ 침투 통로 역할: 방사가도관 > 방사유세포
- 방사유세포로 침투된 약제: 반연벽공대에 일시적으로 형성되는
모세관을 통해 확산, 이동
* 반연벽공대(가도관+유세포): 토루스, 마르고 無, 미세공극 無
- 방사가도관으로 침투된 약제: 유연벽공대를 통해 인접 가도관으로
용이하게 유동
* 유연벽공대(가도관+가도관): 토루스, 마르고 有, 미세공극 有
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침엽수재의 방사조직
소나무의 방사조직 (방사가도관 + 방사유세포)
소나무의 분야벽공
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다) 접선방향
◦ 가도관의 유연벽공대: 유동에 의한 주요 침투 통로
◦ 유연벽공의 분포: 가도관의 방사벽에 집중
- 가도관 간의 측면 유동: 주로 접선방향
- 방사방향으로의 유동은 극히 제한
가도관 유연벽공의 분포
2) 활엽수재의 침투 통로
▫ 주요 침투 통로: 도관
- 세포내강이 넓고 천공판에 의해 상하 연결
▫ 약제의 침투(이동)
- 미세 공극을 통한 유동: 섬유방향(도관요소와 도관요소 간) 이동
- 일시적인 모세관을 통한 확산: 구성 세포 간 벽공벽을 통한 이동
* 벽공벽: 미세공극 無(토루스와 마르고 無)
• 유연벽공대: 도관+도관, 도관+목섬유, 목섬유+목섬유, 도관+가도관
• 반연벽공대: 도관, 목섬유, 가도관+유세포(축방향, 방사)
• 단벽공대: 유세포+유세포
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활엽수 수종 별 도관상호간 벽공벽의 미세공극
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도관의 벽공
나. 공극율
◦ 목재 내 약제의 최대 침투량: 목재 공극율에 좌우
◦ 실제 약제 침투량: 공극율의 약 70~80%
공극율(Vs) = [1 - SGs (0.65+ MC (%)
)]x100 100
SGs : 주어진 함수율에서 목재의 비중
기건비중 0.4, MC 17%인 목재
◦ 공극율: 67.2%
◦ 산술적 약제 침투량: 672 L/m3
◦ 실제 약제 침투량: (672 x 0.7~0.8) L/m3
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다. 변재와 심재
◦ 약제 침투성: 변재 > 심재
◦ 심재부
- 벽공벽의 미세공극: 심재물질로 충전
- 침엽수: 벽공의 폐색(閉塞)
- 활엽수: 타일로시스 생성
◦ 변재부
- 미세공극 충전되지 않음
- 침엽수: 건조에 의해 폐색된 벽공 → 가압에 의해 열림(가역적)
- 활엽수: 타일로시스 無
벽공의 폐색
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도관 내 타일로시스
타일로시스의 형성
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라. 조재와 만재
1) 침엽수
◦ 약제 침투성: 만재 > 조재
- 만재 가도관: 세포벽, 벽공벽 厚, 건조에 대한 저항력 大,
벽공 폐색율이 小
2) 활엽수
◦ 약제 침투성
- 환공재: 조재 > 만재
* 조재에 대형 관공 분포
- 산공재: 큰 차이 無
마. 목재 함수율
◦ 섬유포화점 이하
- 함수율 증가 → 목재 공극율 감소 → 침투성 감소
◦ 최대의 약제 침투성을 달성할 수 있는 최적 함수율
- 수종, 심재율, 목재의 크기에 따라 상이
미국 솔송나무
* 약제 침투량: 함수율 9% = 18% > 28%
Sitka spruce, CCA 처리
* 소형 시편: 변재 - 함수율 28%에서 침투량 최대
심재 – 함수율 47%에서 침투량 최대
* 심변재 함유 실대재: 함수율 17~86%까지 침투량 변화 無
☞ 약제 침투성에 미치는 인자: 함수율 < 투과성과 관련있는 목재의 구조
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미국솔송나무(Tsuga heterophylla, Western hemlock)
Sitka spruce(Picea sitchensis)
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2. 약제의 성질
가. 약제의 점도
◦ 약제의 목재 내 유동율: 약제의 점도와 반비례 관계
크레오소오트유
* 점도 8cp → 침투 깊이 6.5mm, * 점도 4cp → 침투 깊이 9.1mm
◦ 유상, 유용성 약제에서 큰 영향을 받음
나. 약제의 표면 장력
◦ 표면장력 大 → 모세관 상승력 증가
◦ 약제의 표면장력 大 → 목재 내 침투 깊이 大
◦ 약제 표면처리 – 도포, 분무, 침지법
- 약제의 표면장력 小 → 목재 표면에 대한 습윤성 大 → 목재 적심이 大
* 계면활성제 사용, 침투 깊이 개선효과는 無
1. 약제 침투 촉진을 위한 전처리
가. 기계적 가공
1) 박피
▫ 변재부: 약제 침투가 용이
- 원목 박피 시에 변재부가 과도하게 제거되지 않도록 주의
2) 치수조정, 전 절삭(precutting), 전 천공(preboring)
▫ 반드시 약제 처리 전에 가공
▫ 약제처리 후에 가공하게 되면
- 약제 침투 부위 제거, 무처리 부위 노출로 보존처리 효과 상실
제2절 목재의 보존처리
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방부처리 후 절단에 의한 약제 미침투부의 노출
방부처리 후 천공에 의해 내부 부후가 진행된 철도 침목
3) 할렬 방지 처리
▫ 건조 시 횡단면의 할렬 방지(방사방향 할렬)
▫ 방지법
- 생재 원목, 대단면재(철도 침목)의 횡단면에 O, C, S자형의 링 박기
- 철사 묶기
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4) 자상처리(自傷處理, Incising)
▫ 난주입성 수종의 약제 침투성 개선 처리법
▫ 재 표면에 상처(칼집)를 내어 약제의 침투깊이, 침투량 증가와 함께
약제의 균일한 침투 달성 – 깊고 균일한 약제 처리층(방부층) 형성
▫ 自傷의 방향과 개수
• 방향: 섬유방향에 약간 경사지게 처리(섬유의 횡단면 노출 증가)
• 개수: 약제 침투성에 따라 조정
- 약간 양호: 2천~3천 개/m2
- 곤란: 4천~5천 개/m2
- 매우 곤란: 7천~8천 개/m2
▫ 자상처리 도구
• 칼날(일반적), 침상, 레이저, 고수압 분사 등
▫ 자상처리와 강도 감소
• 두께 4cm 이하 판재: 자상 밀도(수)가 높고 깊으면 발생
• 두께 10cm 이상 각재: 강도 저하 발생 無
• 강도 저하는 10% 이내로 조절: 자상형태, 깊이, 밀도 등을 조절
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나. 건조
▫ 약제 처리 전 건조의 필요성
• 공극율 증가 → 약제 침투량 증가
▫ 약제 종류 별 목재 침투성과 건조 정도
• 유상, 유용성 약제: 세포벽 침투 없이 세포내강 벽만 피복
- 건조: 세포내강의 자유수 제거
• 수용성 약제: 세포벽 내부로 확산, 침투
- 건조: 자유수, 결합수 모두 제거
1) 천연건조
▫ 일반적인 건조법
▫ 목표 함수율: 평균 30% 전후
▫ 기간: 최저 1개월 ~ 최고 6개월
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1) 인공건조
▫ 약제처리를 위한 인공건조
• 약제 침투 깊이까지만 건조
가) Steaming and vacuum 법
▫ 처리 공정: 주약관 내 목재 투입 → 증기 투입 → 증기 투입 정지
→ 감압 → 증발 수분 응축 탈수
• 증기: 압력 1kg/cm3, 온도 118℃
- 투입 시간: 2시간 이상(목재 내부 온도 상승)
• 감압: 감압도 600mmHg
- 감압 시간: 2시간(목재 내부로부터 수분 증발)
• 1회 탈수 량: 50~70kg/m3
• 함수율 30% 이하까지 건조: 4~6회 반복
나) Boulton법(Boiling and vacuum 법)
▫ 건조와 동시에 약제 주입처리법
▫ 1879년 영국의 Boulton 개발
▫ 처리 약제: 크레오소오트유, 유용성 약제
• 철도 침목, 전주용 원목: 크레오소오트유 처리
▫ 특징: 표면 할렬을 크게 감소시킬 수 있으나 강도 감소 동반
▫ 처리 공정
• 주약관 내 목재 투입 → 크레오소오트유 투입(주약관 1/2까지)
→ 가열(100℃, 소정시간) → 감압(600mmHg, 20~40시간) →
목재 중의 수분 탈수, 제거 → 가압 → 목재 내 크레오소오트유 주입
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2. 약제 처리 방법
• 상압 처리법
- 도포법, 분무법, 침지법, 온냉욕법, 확산법
• 가압 처리법
- 충세포법, 공세포법, 반공세포법
• 처리법과 목재 함수율 조건
- 확산법: 생재 함수율
- 기타 처리법: 기건 함수율
가 온냉욕법(溫冷浴法)
▫ 짧은 시간 내에 다량의 약제를 침투시킬 수 있는 침지법의 일종
▫ 처리 공정
• 약액 중에 목재 침지 → 약액 가열(①) → 약액 냉각(②) → 목재 회수
• ① 과정
- 목재 가열 → 목재 내 공기 팽윤, 압력 상승 → 기포상태로 외부로 탈출
• ② 과정
- 목재 냉각 → 목재 내 잔존 공기 냉각, 수축 → 목재 내부 대기압보다
낮은 압력 발생 → 압력 차에 의해 목재 내로 약액 흡수
▫ 냉각 방법 및 시간
• 급냉법: 냉각 시간 = 가열 시간 + 1시간
• 방냉법: 냉각 시간 = 가열 시간 + 20시간
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▫ 처리 온도
• 가열: 수용성-80℃, 크레오소오트유-110℃ 전후
• 냉각: 수용성-실온, 크레오소오트유-35~50℃(저온: 점도 상승)
▫ 처리 공정 별 약액의 흡수
• 가열 공정: 총 흡수량의 1/3
• 냉각 공정: 총 흡수량의 2/3
▫ 약액 흡수량
• 방냉법 > 급냉법
나. 확산법
▫ 특수 시설 및 장치 불필요, 현장처리 가능
▫ 다른 처리법과 다른 점
• 목재 함수율: 고 함수율일 수록 유리
• 처리 가능 약제: 수용성 약제
▫ 처리 원리: 확산 현상을 이용
• 용액 중의 용질의 이동(약제 유효성분): 고농도 부위 → 저농도 부위
• 확산 속도: 약제의 농도 구배에 비례
▫ 처리 공정
• 고함수율 목재 → 고농도(20~30%) 약액 도포 → 밀착, 잔적 → 횡단면에
고농도 약액 추가 도포 → 완전 피복(건조방지) → 방치(1주 ~ 수 주일)
▫ 처리 목재 중의 약제의 분포
• 재 표면과 내부 간에 약제 유효성분의 농도 차 발생
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다. 가압주입법
▫ 다른 처리법에 비하여 효과적, 능률적
• 약제의 침투 깊이가 깊고
• 균일한 침투 가능
• 약제 흡수량 조절 가능
▫ 대규모 처리 시설이 필요
1) 충세포법(充細胞法, Full-cell process)
▫ 1838, 영국, John Bethell 개발 – Bethell법
▫ 가압처리법의 표준 공정 – 가장 많이 사용
▫ 수용성 약제의 처리법
▫ 목적: 목재의 세포 공극에 다량의 약액 주입, 충만
▫ 처리 공정
• 주약관 내 목재 투입 → 전배기(600mmHg, 15~60분)
→ 약액 투입(충만) → 가압(9~14kg/cm3) → 가압 정지
→ 약액 회수 → 후배기
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Full-cell process
2) 공세포법(空細胞法, Empty-cell process)
▫ 1902, 독일, Rűping 개발 - Rűping 법
▫ 처리 약제: 크레오소오트유
▫ 목적: 약액의 침투는 깊게, 침투량은 적게
• 세포벽: 약액으로 피복
• 세포내강: 빈 공간
☞ 이유: 세포 내강에 충만된 크레오소오트유는 완전 건조되지 않음
→ 처리 목재 사용 중 기온 상승 → 크레오소오트유 외부로
삼출(渗出) → 토양 오염
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▫ 처리 공정
• 주약관 내 목재 투입 → 공기 압입 → 약액 투입 → 가압
→ 가압 정지 → 약액 회수 → 후배기
3) 반공세포법(半空細胞法, Semi-empty-cell process)
▫ 1906, 미국, Lowery개발 – Lowery 법
▫ 공세포법과 거의 동일
▫ 약액 흡수량: 반공세포법 > 공세포법
▫ 처리 공정
• 주약관 내 목재 투입 → 약액 투입 → 가압 → 가압 정지
→ 약액 회수 → 후배기
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라. 기타 처리법
▫ 교차 가압·감압법, 진공 주입법, 교호 가압법,
고압 파동법, 저압 처리법 등
한학기 동안 수고 많이 했습니다. 즐겁고 보람있는
여름 방학 되시길…..