서울에서 기상열화된 주요 수입목재 표면 특성에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The results of the analysis of the chemical characteristics, color and wettability of the wood surface after 1~3 months outdoor exposure in Seoul, Korea and microstructure of wood after 2 months outdoor exposure in Seoul, Korea were conducted for three types of softwood species and one species of tropical hardwood.
As a result of FTIR-ATR measurement, the chemical changes of the test specimens’ surfaces were investigated. the lignin derived absorption band (808(810) cm-1, 1268(1267, 1274) cm-1, 1459(1460) cm-1, 1505(1510) cm-1 and 1596(1600) cm-1) peaks were reduced and the lignin was photodegraded. There was no significant difference between the weathered wood specimens at 1 month and 3 months outdoor exposure, and there was no significant difference between the sapwood and heartwood. In the case of tropical hardwood merbau, the peak of 834 cm-1 absorption band appeared mainly in the lignin of hardwood species. In addition, the peak decrease in the 1740(1730, 1739) cm-1 absorption band, known as the fatty acid contained in the resin, was reduced by more than 1 month from the exposure period of 3 months. In the case of the extractives, It was found to be photodegraded. In addition, there was an increase in hemicellulose derived absorption bands (1055 cm-1, 1113 cm-1, and 1158 cm-1) considered to be generated by oxidation of radicals produced during the lignin photolysis process.
As a result of visually observing the color change due to natural weathering, The color change on the wood specimens’ surfaces was found to be very significant. In the 1 month of outdoor exposure, the softwood species such as radiata pine, hemlock, and douglas fir changed to dark yellow color in both of the sapwood and heartwood, and the tropical hardwood merbau showed less color change than softwood species. At 3 months of outdoor exposure, most of the specimens were dark and the color was clearly gray. As a result, it turned out to be dark yellow in 1 month after exposure and gray in 3 months after the exposure in Seoul, Korea and this color change pattern was found to be a typical natural weathering phenomenon in the literature.
The color space of CIE L*a*b* measurement showed that the change of △L* tended to decrease significantly at 1 month after exposure to radiata pine, hemlock and douglas fir and then slightly increased until 3 months. radiata pine (-16.4), douglas fir (-7.3), and hemlock (-6) showed the greatest change in the order of radiata pine. In the heartwood, brightness change variation between 1 month and 3 months was larger than that of the softwood species’ sapwood. Especially, in the case of merbau, which is originally darker in color, the variation is particularly large.
The change of △a* from red (-△a*) to green (+△a*) was found to be 1 month at outdoor exposures and decreased at 3 months to 4 species at both softwood and hardwood species, △a* changes showed differences between species, between sapwood and heartwood.
The △b* value, which indicates the change from blue (-△b*) to yellow (+△b*), changes almost in the yellow direction all of the wood specimens and its sapwood and heartwood after outdoor exposure for 1 month. 3 months later, the -△b* value increased in the sapwood and heartwood of the three species of softwood species, and tended to change in the blue direction. In particular, hemlock showed the least change by species.
The △E values indicating the overall color change were in the order of radiata pine (20.01), douglas fir (16.55) and hemlock (12.76). In the case of radiata pine, the color difference was remarkably large at 1 month after the outdoor exposure, and the color difference at 1 month and 3 months was less than that of the other wood species. The result of comparing with the heartwood showed a color difference change similar to that of the sapwood. In the case of merbau, which is a tropical hardwood species, the color difference value was larger than that of other softwood species. As the exposure period increased from 1 month to 3 months, the color difference variation was significantly larger than that of softwood species.
As a result, in the Seoul, Korea, the trends of △L*, △a*, △b* and △E values between the sapwood and heartwood were similar, but the variation of △L* and △E values was larger in heartwood. The difference in the color change due to natural weathering was found to be similar to the color change pattern of the softwood species in other regions. In this study, three types of softwood species exposed to Seoul, Korea showed rapid changes in △L*, △a*, △b*, and △E values in the 1 month after outdoor exposure. Unlike softwood species, Hardwood merbau showed △L*, △a*, △b* and △E values almost similar to those before exposure at 1 month of outdoor exposure, indicating that resistance to natural weathering in Seoul, Korea is greater than that of softwood species.
As a result of the contact angle measurement to investigate the change of wettability on the surface of wood specimens, the contact angle was drastically decreased at 1 month after outdoor exposure in all the wood specimens’ species, and the contact angle showed a gradual decrease after 3 months, showing the maximized change. These results are similar to those of the sapwood and heartwood of softwood species. The results of this study showed a rapid decrease over a short period of time compared with the results of studies conducted in other countries.
As a result of the study on the microstructural change characteristics of the main imported timber due to outdoor exposure for two months in Seoul, Korea, deterioration occurred in the middle lamella part of the earlywood and latewood of the softwood species’ cross section. It was observed that the cell was distorted and the cell arrangement was irregularly deformed, and that the photodegradation phenomenon of the lignin component due to the weathering was deepened. In addition, the separation of epithelial cells surrounding the resin canal, the disappearance of resin materials, and the membrane separation phenomenon, which is assumed to be the primary wall or S1 layer of tracheid, were observed. In the tropical hardwood merbau, thinning of the cell wall, microcracks, irregular deformation of the wood fiber arrangement and tylosis erosion of the lumen of vessel were observed.
In the tangential section, the photodegradation of the middle lamella of the ray tracheid was observed, and the phenomenon such as thinning and collapsing of the cell wall and erosion of the middle lamella between the radial trachied and ray parenchyma were observed. In addition, cracks in the S2 layer around the bordered pits, and separation of the cell wall and resin material around the radial resin canal, and vanishing of the helical thickening of the inner cell wall were also observed. In the tropical hardwood merbau, the cell wall was thinned due to the middle lamella deterioration of the cells in the biseriate ray, and the cell arrangement of the ray was scattered, suggesting the photodegradation of the lignin component. However, in the case of merbau, calcium crystals was buried with the cell wall before weathering but exposed to cell wall surface after outdoor exposure.

국문 초록 (Abstract)

국내 주요 수입목재인 침엽수 3수종과 열대 활엽수 1수종을 대상으로 한국 서울지역에서 1~3개월간의 옥외 폭로시험을 실시한 후, 목재 표면의 화학적 특성, 색상 및 젖음성 변화 그리고 2개월간의 옥외 폭로시험을 실시한 후의 미세구조 변화에 대해 연구 분석한 결과는 다음과 같이 도출되었다.
FTIR-ATR 측정을 통해 목재 표면의 화학적 변화를 시험한 결과, 옥외 폭로 1개월경과 후 공시목재로 사용된 대부분의 침엽수종 에서 리그닌 유래의 흡수대(808(810) cm-1, 1268(1267, 1274) cm-1, 1459(1460) cm-1, 1505(1510) cm-1 및 1596(1600) cm-1) 피크가 감소되어 리그닌이 광분해되는 결과를 보였다. 이 공시수종들은 옥외폭로 1개월과 3개월간에 큰 차이가 없었으며, 변재와 심재 간에도 큰 차이가 없었음이 밝혀졌다. 열대활엽수 멀바우의 경우에도 활엽수 리그닌에 주로 나타나는 834 cm-1 흡수대의 피크까지 감소되면서 침엽수 공시수종과 유사한 리그닌 분해 양상을 보였다. 또한 수지에 함유된 지방산과 같은 추출물 유래로 알려진 1740(1730, 1739) cm-1 흡수대에서의 피크 감소는 폭로기간 3개월에서 1개월보다 많은 감소를 보여 추출물의 경우에는 목재 표면의 리그닌 보다 좀 더 늦게 광분해되는 것으로 밝혀졌다. 또한 리그닌 광분해 과정에서 발생한 라디칼에 의해 산화됨으로서 발생되는 것으로 고찰된 헤미셀룰로스 유래 흡수대(1055 cm-1, 1113 cm-1 및 1158 cm-1)에 증가가 나타났다.
기상열화에 의한 색상변화에 대하여 육안 관찰한 결과, 기상열화에 의해 목재표면에 나타난 재색변화는 매우 현저한 것으로 밝혀졌다. 옥외폭로 1개월에서 라디에타파인, 헴록 및 더그러스퍼 등의 침엽수종은 변재와 심재 모두 재색이 짙은 황색으로 변화되었고, 열대활엽수 멀바우는 침엽수종보다 색상변화가 적게 나타났다. 옥외폭로 3개월에서 대부분의 공시수종에서 재색이 어두워지며 확실하게 회색빛을 띄는 현상이 관찰되었다. 결과적으로 서울지역에서는 폭로 후 1개월 정도 경과했을 때 짙은 노랑으로 변화하고, 3개월 경과에서 회색으로 변화하는 것으로 밝혀졌고, 이 같은 색상변화 양상은 다른 지역에서도 유사하게 나타난 전형적인 기상열화 현상인 것으로 밝혀졌다.
색 공간 CIE L*a*b* 색차 측정결과, △L* 변화는 변재부에서 라디에타파인, 헴록 및 더그러스퍼는 옥외폭로 1개월에 크게 감소하는 경향을 보였고 이후 3개월까지 경미한 증가가 나타났다. 수종별 △L* 변화의 차이를 보면 라디에타파인 (–16.4), 더그러스퍼 (–7.3), 헴록 (–6) 순으로 라디에타파인이 가장 큰 변화를 보인 것으로 밝혀졌다. 심재부에서는 대부분의 침엽수 공시수종에서 옥외폭로 폭로 1개월에서 3개월 사이에 나타난 밝기 변화의 폭이 변재부에 비해 큰 것으로 나타났다. 특히 원래 재색이 진한 멀바우의 경우에는 변화의 폭이 특히 더 큰 것으로 나타났다.
적색(-△a*)에서 초록색(+△a*)으로의 변화를 나타내는 △a* 의 변화는 침엽수 공시수종의 변재와 심재 모두 옥외폭로 1개월에 증가하였고, 3개월에서 3 수종 모두 감소하였으며, △a* 변화는 수종 간, 변재와 심재 간에 차이를 보였다.
청색(-△b*)에서 황색(+△b*)으로의 변화를 나타내는 △b*값은 옥외폭로 1개월 경과했을 때, 대부분의 공시수종의 변재와 심재에서 거의 유사하게 황색방향으로 변화하는 경향을 보였으나, 3개월 후에는 3종의 침엽수 공시수종의 변재와 심재에서 -△b* 값이 커져서 청색 방향으로 변화하는 경향이 나타났다. 특히, 수종별로 보면 햄록이 가장 적은 변화를 나타내었다.
종합적인 색차변화를 나타내는 △E값은 라디에타파인 (20.01), 더그러스퍼 (16.55), 헴록 (12.76) 순으로 수종 간에 차이가 나타났다. 라디에타파인의 경우, 변재와 심재 모두 폭로기간이 1개월 지났을 때 색차 변화가 현저하게 큰 것으로 나타났고, 1개월과 3개월간에 색차변화가 다른 공시수종에 비해 적은 것으로 밝혀졌다. 심재 기준으로 비교한 결과는 변재부와 유사한 양상의 색차변화가 나타났다. 열대활엽수 공시수종인 멀바우의 경우에는 타 침엽수 공시수종에 비해 색차변화 값이 큰 것으로 나타났고, 폭로기간이 1개월에서 3개월로 길어짐에 따라 색차변화의 폭이 침엽수 공시수종에 비해 현저하게 큰 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다.
결과적으로 서울지역에서는 기상열화에 의한 침엽수 수종의 변재와 심재 간 △L*, △a*, △b* 및 △E값의 변화경향은 유사했으나 △L* 및 △E값 변화폭은 심재에서 더 크게 나타났다. 이와 같이 기상열화에 의한 색상변화에 있어서 변재와 심재 간 차이는 타 지역에서의 침엽수재의 색상변화 양상과 유사한 결과로 밝혀졌다. 본 연구에서 서울지역에 노출되어 시험된 3종의 침엽수는 옥외 폭로 초기 1개월 만에 △L*, △a*, △b* 및 △E값의 급격한 변화가 있는 것으로 밝혀졌고 침엽수 수종과 달리 열대활엽수 멀바우는 옥외 폭로 1개월에 폭로하기 전의 색상과 거의 유사한 △L*, △a*, △b* 및 △E값을 보여 서울지역에서 기상열화에 대한 저항성이 침엽수에 비해 큰 것으로 밝혀졌다.
목재표면에 발생하는 젖음성 변화를 조사하기 위한 접촉각 측정 결과, 모든 공시수종에서 옥외폭로 1개월에서 접촉각의 급격한 감소가 관찰되었고 이후 접촉각은 완만한 감소경향을 보이다 3개월이 되는 시점에서 0값을 나타내 젖음성이 극대화 된 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 각 공시수종의 변재와 심재에서 거의 유사한 경향으로 나타났다. 본 연구 결과는 다른 지역에서 실시된 연구결과에 비해 단기간에 급격한 감소를 보였다.
한국 서울지역에서 2개월간의 옥외 폭로로 인한 국내의 주요 수입목재의 미세구조변화 특성 연구 결과, 공시수종의 횡단면에서 침엽수 수종의 조재부와 만재부 중간층에 침식이 발생했을 뿐 아니라 중간층파괴로 세포가 찌그러져 세포배열이 불규칙적으로 변형된 것이 관찰되어, 기상열화로 인한 리그닌 성분의 광분해 현상이 심화된 것을 시사하는 결과가 보여졌다. 이외에도 수지구를 둘러싸고 있던 에피델리얼 세포의 분리, 수지물질의 소실, 가도관 1차벽 또는 S1층으로 추정되는 막 분리 현상 등이 관찰되었다. 열대활엽수 멀바우에서는 도관 또는 유세포 및 목섬유 간 중간층 파괴로 세포벽의 얇아짐, 미세할렬, 목섬유 배열의 불규칙한 변형 및 도관 내강의 타일로시스 침식이 관찰되었다.
옥외폭로 후 공시수종의 접선단면에서는 침엽수 수종에서 방사가도관의 중간층이 광분해되면서 세포벽이 얇아지고 찌그러지는 현상과 축방향가도관과 방사조직 간의 중간층이 침식되는 등의 현상이 관찰되었다. 또한 벽공 주변 S2층의 갈라짐과 수평수지구 주변의 박벽세포와 수지 물질의 분리 이탈된 공동 형성과 세포내벽의 나선비후대가 침식 현상도 나타났다. 열대활엽수 멀바우에서는 다열방사조직내의 방사조직세포 간 중간층 파괴로 세포벽이 얇아져 조직의 세포배열이 흩어진 특성이 관찰되어 리그닌 성분의 광분해 현상을 시사하는 결과가 나타났다. 그러나 멀바우 건전재에서는 세포벽에 파묻혀 있던 칼슘결정체들이 기상열화 되면서 유세포 내강 표면에 노출되는 현상이 나타나 침엽수 공시수종과 다른 미세구조 변화 특성을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• II. 연 구 사 3
• 2.1 목재의 기상열화 3
• 2.2 목재 표면에 나타나는 주요 기상열화 현상 3
• 2.2.1 기상열화에 의한 목재성분의 화학적 변화 3
• 2.2.2 기상열화에 의한 목재의 색상변화 7
• 2.2.3 기상열화에 의한 목재의 젖음성 변화 10
• 2.2.4 기상열화에 의한 목재의 미세구조 변화 12
• 2.3 목재의 기상열화 평가를 위한 시험방법 14
• III. 서울에서 기상열화된 주요 수입목재 표면의 화학적 특성 변화에 의한 색상 및 젖음성 변화 17
• 3.1 재료 및 방법 17
• 3.1.1 공시목재 17
• 3.1.2 자연내후성시험 19
• 3.1.3 기상열화 특성조사 20
• 3.1.3.1 FTIR-ATR 분석 20
• 3.1.3.2 색상변화 측정 20
• 3.1.3.3 젖음성 측정 21
• 3.2 결과 및 고찰 22
• 3.2.1 표면의 화학적 특성 변화 22
• 3.2.2 색상변화 31
• 3.2.2.1 육안관찰에 의한 색상변화 결과 31
• 3.2.2.2 CIE L*a*b*의 색차 체계를 이용한 색상변화 측정 결과 37
• 3.2.3. 젖음성 변화 49
• IV. 자연내후조작에 의해 발생한 주요 수입목재의 표면 미세구조 변화 52
• 4.1 재료 및 방법 52
• 4.1.1 공시목재 52
• 4.1.2 자연내후성시험 54
• 4.1.3 SEM에 의한 목재의 미세구조 관찰 55
• 4.2 결과 및 고찰 56
• 4.2.1 기상열화에 의한 목재 표면의 미세구조 변화 56
• V. 결 론 68
• VI. 참고문헌 74
• Abstract 81