Quality Enhancement of Korean Oak Wood and Cork through Dry-Heat and Boiling-Water Treatments

국문 초록 (Abstract)

한국의 목재 및 비목재 산업에서 국내산 참나무류 6개 수종은 고품질 자재를 안정적으로 공급하기 어려워 주로 저급 용도로 사용되고 있으며, 한국산 코르크 또한 버진 코르크의 낮은 품질로 인해 벌채 후 폐기물로 버려지거나 활용도가 낮은 실정이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 열처리는 다양한 온도, 매질, 시간 조건에 따라 목재 및 비목재의 물성을 개선하기 위한 유망한 방법으로 오랫동안 고려되어 왔다.
제1장에서는 한국의 식생, 참나무 6개 수종 및 코르크참나무의 특성, 그리고 목재와 코르크의 열처리 메커니즘에 대한 연구 배경을 소개한다. 문헌 고찰에서는 유럽 및 북미산 참나무 목재의 물성에 미치는 열처리의 영향과 유럽 및 중국산 상용 코르크의 물성에 미치는 자비 처리의 영향을 기술하였다. 또한 본 학위논문의 목적, 방법 및 범위를 서술하였다.
제2장에서는 졸참나무, 신갈나무, 상수리나무, 갈참나무, 떡갈나무, 굴참나무 등 6개 수종의 판목 심재 판재에 대해 160–220 °C에서 2시간 동안 건열 처리를 실시하고 물리적 특성을 평가하였다. 200 °C 이상에서 모든 수종의 색상이 뚜렷하게 어두워졌으며, 특히 졸참나무와 떡갈나무에서 가장 큰 변화를 보여주었다. 처리 온도가 증가함에 따라 색차(ΔE*), 중량 및 밀도 감소율, 수축률, 접촉각은 증가한 반면, 표면 거칠기와 마모 감량은 감소하였다. 6개 수종 중 신갈나무는 모든 온도 조건에서 가장 높은 밀도 감소율과 가장 낮은 방사 및 접선 방향 수축률을 보였다. 졸참나무와 상수리나무는 각각 160–180 °C와 200–220 °C 처리재의 20초 후 접촉각이 가장 높게 나타났다. 졸참나무는 모든 온도에서 가장 높은 평균 거칠기를 보였으며, 무처리재와 160 °C 및 200 °C 처리재에서 가장 큰 표면 마모 중량 손실을 나타냈다.
제3장에서는 한국산 참나무 6개 수종의 건열 처리에 따른 화학적 조성 변화를 평가하였으며, 온도가 증가함에 따라 추출물과 리그닌 함량은 증가한 반면 홀로셀룰로오스, α-셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 함량은 감소하였다. 떡갈나무는 가장 높은 추출물 및 리그닌 함량과 가장 낮은 홀로셀룰로오스와 α-셀룰로오스 함량을 보였고, 상수리나무는 반대 경향을 나타냈다. 탄소 함량은 220 °C에서 증가하였으나 산소와 수소 함량은 감소하였으며, 굴참나무가 가장 낮은 탄소 함량과 가장 높은 산소 및 수소 함량을 나타냈다. FTIR 스펙트럼 분석 결과, 6개 수종 모두 220 °C에서 리그닌 및 탄수화물 피크의 이동이 관찰되었으며, 1589 및 1505 cm⁻¹의 리그닌 피크 강도는 220 °C에서 증가하였다. 탄수화물 피크 강도는 전반적으로 감소하였으며 리그닌 피크 강도는 증가하였다.
제4장에서는 무처리 및 열처리된 참나무 6개 수종의 인공 촉진 내후성 및 균 배양 전후 물리적 특성과 화학적 조성을 조사하였다. 인공 내후성 시험 후 6개 수종은 적갈색으로 변색되었으며, 표면 거칠기가 유의하게 증가하였다. 무처리재와 열처리재 모두에서 모든 시편의 리그닌 피크(1515–1505, 1456, 1231–1218 cm⁻¹)와 탄수화물 피크(1321–1316, 892 cm⁻¹)가 감소하였다. 11주간의 균 배양 후, 무처리재와 200 °C 처리재는 옅은 베이지색으로 변색되었으며 도관(pore)의 대비가 뚜렷해졌다. 전반적으로 220°C 처리재는 내구성 시험 후 시각적 변화가 없었으며, 다른 시편에 비해 색차, 표면 거칠기, 중량 감소율이 유의하게 낮았다.
제5장에서는 굴참나무 버진 코르크의 물리적 특성에 미치는 100 °C 수돗물 1시간 자비 처리의 효과를 조사하고, 이를 코르크참나무 재생 코르크와 비교하였다. 자비 처리는 두 수종 모두에서 주름진 코르크 세포벽을 펴지게 하는 결과를 가져왔다. 자비 처리 후 함수율, 치수, 부피 수축률, 흡수율, 흡습률, 평형 함수율이 증가하였다. 무처리 및 자비 처리된 굴참나무 버진 코르크는 코르크참나무 재생 코르크보다 치수 변화율, 밀도, 기건 함수율, 색차, 수축률, 흡습률, 평형 함수율, 1% 함수율 당 팽창률이 높았으나, 중량 감소율은 더 낮았다.
제6장에서는 굴참나무 버진 코르크의 기계적 성질과 파단 형태에 미치는 자비 처리의 효과를 조사하고 이를 코르크참나무 재생 코르크와 비교하였다. 두 수종 모두 처리 후 압축 및 인장 강도에서의 탄성계수(MOE)와 최대 응력은 감소한 반면, 최대 변형률은 압축 시 증가하고 인장 시 감소하였다. 압축 및 인장 시험 모두에서 굴참나무 버진 코르크는 코르크참나무 재생 코르크에 비해 방사 방향의 MOE와 변형률이 유의하게 낮았다. 파단 형태 관찰 결과, 코르크참나무 재생 코르크는 경미한 변형을 보인 반면, 굴참나무 버진 코르크는 압축 후 특히 접선 및 축 방향에서 심각한 손상을 보였다. 본 연구의 결과는 한국에서 자생하는 굴참나무 버진 코르크의 효과적인 추가 활용을 위한 유용한 기초 자료를 제공한다.

주제어: 건열 처리, 자비 처리, 한국산 참나무 6개 수종, 한국산 굴참나무 버진 코르크, 포르투갈산 코르크참나무 재생 코르크

목차 (Table of Contents)

• 1. Chapter I. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Literature review 3
• 1.2.1. Effects of air dry heat treatment on oak wood properties 3
• 1.2.1.1. Sessile oak (Quercus petraea) 3
• 1.2.1.2. Pedunculate oak (Quercus robur L.) 4
• 1.2.1.3. Southern red oak (Quercus falcata Michx.) 6
• 1.2.2. Properties and effects of boiling water treatment on cork 8
• 1.2.2.1. Cork oak (Quercus suber) 8
• 1.2.2.2. Oriental or Chinese cork oak (Quercus variabilis) 9
• 1.3. Objectives 11
• 1.4. Methodology 11
• 1.5. Scope 12
• 2. Chapter II. Effect of Air Dry Heat Treatment on the Physical Properties of Six Korean Oak Wood Species 13
• 2.1. Introduction 13
• 2.2. Experimental 15
• 2.2.1. Sample collection sites and wood board conditioning 15
• 2.2.2. Heat treatment 16
• 2.2.3. Physical properties measurement 16
• 2.2.3.1. Color change 16
• 2.2.3.2. Weight loss 17
• 2.2.3.3. Density 17
• 2.2.3.4. Radial and tangential shrinkage 18
• 2.2.3.5. Surface roughness 18
• 2.2.3.6. Contact angle 19
• 2.2.3.7. Surface abrasion test 19
• 2.2.3.8. Statistical analysis 20
• 2.3. Results and Discussion 21
• 2.3.1. Color change 21
• 2.3.2. Weight loss 25
• 2.3.3. Density 26
• 2.3.4. Shrinkage 27
• 2.3.5. Surface roughness 29
• 2.3.6. Contact angle 31
• 2.3.7. Surface abrasion 33
• 2.3.8. Relationships among physical properties 34
• 2.4. Conclusion 36
• 3. Chapter III. Effect of Air Dry Heat Treatment on the Chemical Composition of Six Korean Oak Wood Species 37
• 3.1. Introduction 37
• 3.2. Experimental 38
• 3.2.1. Sample collection sites and wood board conditioning 38
• 3.2.2. Heat treatment 39
• 3.2.3. Chemical composition determination 39
• 3.2.3.1. Extractives content 39
• 3.2.3.2. Klason lignin, holocellulose, α-cellulose, and hemicellulose contents 39
• 3.2.3.3. Elemental composition and Fourier transform infrared spectra analyses 40
• 3.2.3.4. Crystalline properties 40
• 3.3. Results and Discussion 41
• 3.3.1. Chemical composition 41
• 3.3.2. Elemental composition 44
• 3.3.3. FTIR spectra analysis 46
• 3.3.4. Crystalline properties 51
• 3.4. Conclusion 52
• 4. Chapter IV. Effect of Artificial Weathering and Fungal Decay on the Properties of Untreated and Heat-Treated Korean Oak Wood 53
• 4.1. Introduction 53
• 4.2. Experimental 55
• 4.2.1. Sample collection sites 55
• 4.2.2. Wood board conditioning and heat treatment 55
• 4.2.3. Artificial weathering 56
• 4.2.4. Fungal resistance 56
• 4.2.5. Physicochemical Properties Determination 57
• 4.2.5.1. Color change 57
• 4.2.5.2. Surface roughness 58
• 4.2.5.3. Fourier transform infrared spectra analysis 58
• 4.2.5.4. Crystalline properties 58
• 4.2.5.5. Moisture content and weight loss 58
• 4.2.5.6. Statistical analysis 59
• 4.3. Results and Discussion 60
• 4.3.1. Durability against artificial weathering 60
• 4.3.1.1. Color change 60
• 4.3.1.2. Surface roughness 66
• 4.3.1.3. FTIR analysis 70
• 4.3.1.4. Crystallinity 73
• 4.3.2. Durability against fungal decay 74
• 4.3.2.1. Color change 74
• 4.3.2.2. Weight loss and moisture content 78
• 4.4. Conclusion 80
• 5. Chapter V. Effects of Boiling Water Treatment on the Anatomical and Physical Properties of Quercus variabilis Virgin Cork 81
• 5.1. Introduction 81
• 5.2. Experimental 83
• 5.2.1. Materials 83
• 5.2.2. Methods 83
• 5.2.2.1. Boiling treatment process 83
• 5.2.3. Anatomical evaluation 84
• 5.2.3.1. Macroscopic observation 84
• 5.2.3.2. Scanning electron microscopy 84
• 5.2.4. Physical Property Evaluation 84
• 5.2.4.1. Color change 84
• 5.2.4.2. Moisture content and density 85
• 5.2.4.3. Weight loss 86
• 5.2.4.4. Dimensional expansion after boiling water treatment 86
• 5.2.4.5. Shrinkage 86
• 5.2.4.6. Water absorption 87
• 5.2.4.7. Moisture adsorption on each surface 87
• 5.2.4.8. Moisture adsorption on the entire surface 88
• 5.2.4.9. Statistical analysis 88
• 5.3. Results and Discussion 89
• 5.3.1. Macroscopic characteristics 89
• 5.3.2. Microscopic characteristics 90
• 5.3.3. Color change 92
• 5.3.4. Moisture content and density 94
• 5.3.5. Weight loss and dimensional expansion 94
• 5.3.6. Shrinkage 96
• 5.3.7. Water absorption 97
• 5.3.8. Moisture adsorption on each surface 98
• 5.3.9. Moisture adsorption on the entire surface 99
• 5.4. Conclusion 101
• 6. Chapter VI. Effects of Boiling Water Treatment on the Mechanical Properties and Fracture Behavior of Quercus variabilis Virgin Cork 102
• 6.1. Introduction 102
• 6.2. Experimental 103
• 6.2.1. Materials 103
• 6.2.2. Methods 103
• 6.2.2.1. Boiling treatment process 103
• 6.2.3. Mechanical Properties Determination 103
• 6.2.3.1. Compression and tension 103
• 6.2.3.2. Fractography 104
• 6.2.3.3. Statistical analysis 105
• 6.3. Results and Discussion 106
• 6.3.1. Compression 106
• 6.3.2. Tension 109
• 6.3.3. Fracture morphology under compression 112
• 6.3.3.1. Macroscopic characteristics 112
• 6.3.3.2. Microscopic characteristics 114
• 6.3.4. Fracture morphology under tension 119
• 6.3.4.1. Microscopic characteristics 119
• 6.4. Conclusion 122
• Concluding remarks 123
• References 126
• Achievements 136