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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.4 pp.1-9
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.4.1

Evaluation of Decay Resistance for Heat-treated Hardwood Using the Catalyst(H2SO4)

Kyung Rok Won1,3, Su Young Jung 2, Young Gi Jang 3, Do Woong Yoon 3, Hee Seop Byeon1,3*
1Institute of agriculture & life science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Southern Forest Resources Research Center, National Institute of Forest Science, Jinju, 52827, Korea
3Dept. of environmental materials science, College of Agriculture & Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
Corresponding author: Hee-Seop Byeon Tel: +82-55-772-1861 Fax:+82-55-772-1869 E-mail: hsbyeon@gnu.ac.kr
August 3, 2017 October 17, 2017 February 14, 2018

Abstract


This study was conducted to evaluate the resistance of heat-treated wood using the catalyst to decay caused by fungi for sapwood and heartwood of three hardwood species, Quercus serrata, Castanopsis cuspidata, and Liriodendron tulipifera, respectively. Wood samples were immersed for 10 min in sulfuric acid(7.5%) and then heat-treated at 130℃ for 90 min. Then, the white-rot fungus was used to examine the decay resistance of hardwood. Weight and density of wood from the all conditions decreased after heat treatment using the catalyst. Weight loss after decay resistance test was also dropped with a heat treatment. The lowest weight loss indicated at heat-treated heartwood of Quercus serrata. Heat treatment using the catalyst effectively increased the resistance of wood to decay caused by the white-rot fungi.



촉매이용열처리 활엽수재의 내후성 평가

원 경록1,3, 정 수영 2, 장 용기 3, 윤 도웅 3, 변 희섭1,3*
1경상대학교 농업생명과학연구원
2국립산림과학원 남부산림자원연구소
3경상대학교 농업생명과학대학 환경재료과학과

초록


본 연구는 촉매이용열처리 활엽수의 심·변재 구분에 따른 내후성 효과를 평가하기 위하여 실시하였 다. 졸참나무, 구실잣밤나무, 백합나무를 심재와 변재로 구분한 시험편을 7.5%의 촉매제에 10분간 침지 하여 열처리 장치에서 130℃에 90분간 열처리 후 백색 부후균(Trametes versicolor)을 사용하여 활엽 수 심재와 변재의 내후성을 조사하였다. 촉매이용열처리 후 모든 조건에서 목재의 중량과 밀도가 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 부후처리 후 무처리와 비교하여 촉매이용열처리에서 낮은 중량감소율이 나타났으며, 수종별 비교에서는 졸참나무의 촉매이용열처리 변재에서 가장 낮은 중량감소가 나타났다. 촉매제를 이용한 열처리법은 부후균에 의한 목재의 부후저항을 효과적으로 증가시켰다.



    National Institute of Forest Science

    서론

    목재는 그 자체의 높은 비강도와 물리적 특성 및 미적 매력으로 인해 인테리어재료 및 건축에 널리 사용되는 천연의 소재로 재생 가능하고 지속 가능 한 재료이다(Wang et al., 2014). 이러한 목재 재 료는 통나무 집, 내부 프레임 및 목조주택을 만드 는 등 다양한 방법으로 사용될 수 있다. 그러나 목 재는 리그노셀룰로오스의 복합체이며 미생물제로 인해 분해되기 쉽기 때문에 심각한 손실을 초래할 수 있으며, 그러한 생물적 퇴화로부터 목재를 보호 하기 위하여 오랫동안 연구되어왔다(Jain et al., 2011). 생물적 퇴화의 주된 문제는 균류와 관련이 있기 때문에 대부분의 경우 목재는 실외 사용 중에 풍화로 인한 손상을 피하기 위해 적절하게 보호해 야 한다(Nagaveni et al., 2011).

    최근 목재이용에 대한 소비자의 요구가 다양화되면 서 목조 주택뿐만 아니라 공공건물 및 놀이시설 등에 내구성이 높은 목재의 시장수요가 증가할 것으로 예 상됨에 따라 국산재의 활용방법에 대한 많은 연구가 발표되었다(Son et al., 2014). 목재보존제의 주요요 건으로서 흔히 목재열화생물(미생물과 해충)에 대한 효력이 우수할 것, 목재 조직 내에 침투성 및 정착성 을 갖추어 효력의 지속성을 가질 것, 인체 및 생태계 등 환경에 대한 유해성이 적을 것, 가격이 저렴할 것 등을 들 수 있는데 이들을 모두 갖춘 약제가 지속적 으로 요구되는 상황이라고 볼 수 있다(Kim, 2013). 현재 상업적으로 많이 사용되는 구리기반의 약제들이 실외 사용 시 환경적 측면에서 문제점이 많은 것이 사실이고, 이 같은 점을 보완하기 위하여 본 연구에 서는 촉매제를 이용한 친환경적 내구성 향상방법을 모색하였다. 이에 본 실험에서는 생물열화 및 환경 오염을 방지하기 위해 황산 촉매를 이용한 열처리 방법을 개발하였다. 기존의 연구(Sini et al., 2006) 에서 열처리 방법을 사용하면 목재가 치수 안정성이 향상되며 평형 수분 함량이 낮아지고 색상이 어두워 지고 생물학적 내구성이 향상되지만, 동시에 열처리 는 목재의 기계적 성질에 악영향을 미치고 치수, 무 게 및 밀도를 변화시킨다고 보고되었다(Yildiz et al., 2006). 목재의 화학적 및 물리적 특성의 변화는 고온의 열처리로 인해 발생하는데 촉매이용열처리법 은 130℃의 비교적 낮은 온도에서 처리하기 때문에 목재의 물리적 및 역학적 특성변화에 미치는 영향이 적다. 또한 촉매를 사용한 열처리방법은 비 촉매 기 반 방법보다 열처리 시간이 짧기 때문에 에너지 효 율적 측면에서 유리하며, 촉매를 사용한 열처리목재 의 표면은 숯으로 코팅되는 효과 때문에 높은 내부 후성을 가진다(Won et al., 2017).

    따라서 본 연구에서는 활엽수 중에서 졸참나무, 구실잣밤나무, 백합나무를 변재 및 심재로 구분하고 촉매이용열처리 전후의 중량 및 밀도 변화를 측정하 여 강도변화의 지표로 사용하고 균 저항 실험 후 촉 매이용열처리 목재의 내후성 효과를 조사하였다.

    재료 및 방법

    1 공시재료

    본 연구에서는 활엽수 수종별, 심·변재 구분에 따른 촉매이용열처리의 내후성 효과를 구명하기 위 한 수종으로 졸참나무(Quercus serrata Thunb. ex Murray), 구실잣밤나무(Castanopsis cuspidata var. sieboldii Nakai), 백합나무(Liriodendron tulipifera Linne)를 사용하였다. 각 수종의 원목을 제재한 후 대기 중의 상온에서 풍속 3.0m/s의 송풍 및 천연건 조를 4주 이상 실시한 후, 제재·가공하여 시험편을 제조하여 항온항습실(온도 20±1℃, 습도 65±2%) 에서 2주 이상 조습한 후 밀도를 기준으로 각 처리 조건에서 편향되지 않도록 분류하여 사용하였고 목 재의 처리방법에 따라 Control, 촉매이용열처리의 시험편(20×20×20mm)을 심재와 변재로 구분하여 제조하였다.

    2 촉매이용열처리

    촉매제이용열처리법에 사용된 촉매제는 농도 7.5%의 H2SO4를 사용하였다. 졸참나무, 구실잣밤나 무, 백합나무 3종의 활엽수를 심재와 변재로 구분하 여 12%의 함수율의 시험편을 10분간 촉매제에 침지 시킨 후 드라이 오븐에서 열처리 온도를 130℃로 고 정하고 열처리 시간을 90분으로 처리하였다. 제조된 시험편은 시험편에 남아 있는 황산을 제거하기 위해 물에서 10분간 세척한 후 일정한 온도 및 습도 (20±1℃, RH 65%±2%)에서 3 주간 유지 한 후 중 량, 밀도의 변화를 측정하였고 모든 데이터의 통계 는 SPSS 통계프로그램(Version 21, IBM, Corp, USA)을 이용하여 중량변화와 밀도변화는 반복측정 분산분석을 통해 0.05 유의수준에서 던컨분산검정을 수행하였다.

    3 촉매이용열처리 후 중량 및 밀도변화

    각 시험편에 대한 열처리 전 중량(W1), 처리 후의 중량(W2)을 측정하여 중량변화를 측정하였다. 또한 촉매이용열처리 목재의 밀도 측정은 KS F 2198(기건 건조 밀도) 표준에 따라 항온항습실(온도 20±1℃, 상대 습도 65±2%)에서 열처리 전 밀도(D1), 처리 후의 밀도(D2)를 측정하여 중량 변화(Pw) 및 밀도변 화(Pd)를 구하였고, 그 값은 아래 식에 의하여 계산 하였다.

    Pw(%)=(W1-W2) / W1×100

    Pd (%)=(D1-D2) / D1×100

    4 내후성 시험

    활엽수용 공시 균인 구름버섯(Trametes versicolor) 을 국립산림과학원으로부터 분양받아 Potato Dextrose Agar(Becton, Dickinson and Comoany sparks, MD 21152)배지에서 배양하였다. 목재 시험편(20(T)× 20(R)×20(L)mm)을 오토클레이브(Autoclave, Jeio Tech, AC-12, 65L)에서 121℃에서 15분간 고압 살 균하여 데시케이터에 30분 방랭한 후 미리 오토클레 이브에 멸균해 두었던 플라스틱제 그물망을 깔고 그 위에 나무 시험편을 섬유 방향이 수직이 되게 하여 온도 30±2℃, 상대습도 70%의 조건에서 60일간 부 후시험을 실시하였다. 부후조작이 끝난 후, 시험체 에 대해서 그 표면에 부착된 균체를 흐르는 물에서 부드러운 브러시를 이용하여 깨끗이 닦아내어 약 20 시간 말리고, 다시 항온 시킨 후 내후성 시험 전의 중량(W1), 처리 후의 중량(W2)을 측정하고, 부후처 리 후 중량 감소율(Pwl)은 다음의 식에 의하여 계산 하였다.

    Pwl(%)=(W1-W2) / W1×100

    5 주사전자현미경(SEM) 관찰

    주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 관찰용 시료는 촉매이용열처리 및 내후성 시 험 후 2(T)×10(R)×1(L)mm의 크기로 제작하였다. 그 후 Au로 시료 표면에 증착하여 주사전자현미경 을 이용하여 5kV의 가속 전압 하에서 관찰하였다.

    결과 및 고찰

    1 열처리 후 중량변화

    촉매이용열처리 전후의 수종별 변·심재의 중량 및 기건밀도를 Table 1에 나타내었다. 촉매이용열처 리 후 활엽수시험편의 중량은 약간 감소하였다. 열 처리 후의 변재와 심재의 중량은 각각 졸참나무 -4.51, -4.68%, 구실잣밤나무 -5.42, -5.12%, 백 합나무 -5.33, -7.47% 감소하였다. 일반적으로 열 처리는 부피와 중량이 크게 감소하고 역학적 특성이 저하된다(Surini et al., 2012). Won et al.(2015) 의 연구에서도 210℃의 3시간 및 6시간의 가열 조 건의 중량감소율이 각각 소나무 11.11, 17.46%, 낙 엽송 11.41, 20.39%로 큰 폭으로 감소함을 보고하 였다. 그러나 촉매를 사용한 열처리는 130℃의 비교 적 낮은 온도에서 진행되어 목재의 열분해로 인한 물리적 및 역학적 특성의 변화가 비교적 작게 나타 났다.

    2 열처리 후 밀도변화

    촉매이용열처리 후 시험편의 밀도도 중량변화와 같 이 약간 감소하였다. 열처리 후의 변재와 심재의 밀 도는 각각 졸참나무 -2.78, -2.60%, 구실잣밤나무 촉매이용열처리 후 시험편의 밀도도 중량변화와 같 이 약간 감소하였다. 열처리 후의 변재와 심재의 밀 도는 각각 졸참나무 -2.78, -2.60%, 구실잣밤나무 -3.51, -3.57%, 백합나무 -5.45, -7.35% 감소하였 다. 세 수종 모두 열처리 후 중량의 감소에 따라 밀 도도 같이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 열처리 과정에서 리그닌의 가소화와 헤미셀룰로오스의 분해 로 인한 목재의 중량감소에 따른 변화로 설명된다 (Sivonen et al., 2002; Hakkou et al., 2005).

    3 내후성 시험

    Table 2, 3, 4에 졸참나무, 구실잣밤나무, 백합나 무의 촉매이용열처리 시험편의 내후성 시험의 육안 적 사진을 나타내었다. 육안적으로 내후성 시험 1일 까지는 각 조건간의 큰 차이가 관찰되지 않았다. 내 후성 실험 3일째 촉매이용열처리는 1일째와 같이 시 험편 주위의 균사가 거의 관찰 되지 않았지만 미처 리 시험편은 약간의 균사가 관찰되었다. 내후성 시 험 10일까지는 세 수종 모두 각 시험편에서 균사의 생장의 차이를 나타내었다. 미처리재의 시험편은 대 부분 균사에 의해 완전히 덮혀있는 반면 촉매이용열 처리 시험편은 균사에 의해 표면이 덮혔지만 일부 노출된 부분이 관찰되었다. 이러한 육안 관찰의 결 과는 무처리 시험편 보다 촉매이용열처리 시험편의 내후성 효과가 있음을 나타내었다. 또한 이 결과는 변재에서 더 큰 차이가 확인되었다. 60일 이후, 미 처리 시험편의 균사는 생장이 멈추고 균의 색상이 변색되는 것으로 관찰되었지만 구실잣밤나무와 백합 나무의 촉매이용 열처리 시험편은 균의 변색이 없고 계속해서 생장중인 것으로 관찰되었다.

    4 내후성 시험 후 중량감소율

    내후성 시험 후 세 수종의 변재 및 심재에 대한 중량감소율을 Fig. 1에 나타내었다. 부후처리 후 졸 참나무 변재 시험편의 Control의 중량은 27.51%, 촉매이용열처리의 중량은 2.00% 감소하였다. 같은 조건에서 졸참나무 심재는 각각 26.90%, 2.54% 감 소하였다. 구실잣밤나무의 처리 전후의 중량감소율 은 변재 Control과 촉매이용열처리 조건의 중량감소 율은 각각 19.04%, 2.98%, 심재 16.14, 7.51%로 나 타났고 백합나무의 처리 전후의 중량감소율은 변재 Control과 촉매이용열처리 조건의 중량감소율은 각 각 54.75%, 7.75%, 심재 36.06, 7.31%로 나타났다. Control의 비교에서 3수종의 내부후성은 구실잣밤 나무>졸참나무>백합나무 순으로 나타났으며 Control 과 비교하여 변재와 심재의 내부후성 차이도 확인되 었다. 이는 수종에 따라 내부후성에 영향을 미치는 추출물의 차이가 있으며, 특히 추출물이 심재에 많이 포함되어 있어 변재와 심재의 내부후성 차이가 큰 것 으로 생각된다(Gierlinger et al., 2004). 하지만 촉 매이용 열처리 후 변재와 심재의 중량감소율 차이가 적게 나타났으며, 졸참나무와 구실잣밤나무는 변재에 서 더 높은 내부후성을 나타내었다. 실험한 3수종에 서 촉매이용열처리가 Control보다 낮은 중량감소를 나타내어 내후성의 높은 효과를 나타내었고, 특히 졸 참나무에서 높은 효과를 나타내었다.

    5 현미경 관찰

    Figure 2는 졸참나무, 구실잣밤나무, 백합나무의 Control과 촉매이용열처리 목재를 심재와 변재로 구 분하여 부후처리 60일 후 촬영한 이미지를 나타내었 다. Wilcox(1993)에 따르면 현미경 검사는 목재 붕 괴를 진단하고 평가하는 가장 정확하고 신뢰할 수 있다고 보고되었다. 촉매이용열처리 된 변재 및 심 재는 SEM 이미지에서 Control과 비교하여 차이가 확인되었다. 촉매이용 열처리의 모든 샘플에서 균사 의 존재가 적게 관찰되었다. Control의 심재와 변재 의 방사단면에서 균사에 의해 세포벽에 형성된 bore hole이 많이 관찰되었다. 이것은 균사의 세포벽 분 해에 의해 발생되는 현상으로 알려져 있다. 이 연구 는 촉매이용열처리법을 사용하여 처리 후 변재 및 심재의 부후 저항성을 향상시키는 능력을 확인하기 위해 수행되었으며 연구 된 세 수종의 목재의 중량 과 밀도는 96 시간 동안 열처리 후에 약간의 차이가 나타났지만 내후성 평가 후 중량감소율이 Control과 비교하여 매우 낮은 중량감소율을 나타내어 내후성 의 높은 효과가 있음을 나타내었다. 또한, 촉매이용 열처리 후 균사 관찰에서도 control과 차이가 확인 되어 촉매제를 이용한 촉매이용열처리법은 부후균에 의한 목재의 저항성을 효과적으로 증가시켰다.

    감사의 글

    본 연구는 국립산림과학원 연구과제(S211216L0 20420) 지원사업에 의하여 수행되었습니다.

    Figure

    JALS-52-1_F1.gif

    Weight loss of specimen of before and after decay resistance test for heat-treated wood using the catalyst.

    JALS-52-1_F2.gif

    SEM micrographs(500×) of Quercus serrata, Castanopsis cuspidata, and Liriodendron tulipifera for radial section(500×) in control of sapwood, heat-treated sapwood using the catalyst, control of heartwood, and heat-treated heartwood using the catalyst.

    Table

    Stand characteristics of the study site

    Weight and density changes of heat-treated wood using the catalyst

    Naked-eye observation of decay resistance for Q. serrata heat-treated wood using the catalyst

    Naked-eye observation of decay resistance for C. cuspidata heat-treated wood using the catalyst

    Naked-eye observation of decay resistance for L. tulipifera heat-treated wood using the catalyst

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