파티클보드 (Particleboard) 제조 실험

파티클보드 (Particleboard) 제조 실험

 

서 언
본 목질재료 실험서는 본 연구자가 다년간의 실험을 통하여 축적된 실험 지식을 바탕으로 대학이나 산업현장에서 목질재료 제조 실험을 하는데 필요한 사항을 빠짐없이 기록하려고 노력한 것이다.
목질재료의 실험에서 가장 중요한 것은 실험자의 풍부한 경험이라 할 수 있습니다.
중요한 실험의 경우 반드시 유 경험자의 조언을 받아서 수행하는 것이 바람직 하다. 왜냐하면 목질재료 실험에 재료의 성질에 영향을 줄 수 있는 인자는 매우 많기 때문이다.
예를 들어 목질재료 실험은 재료 함수율(moisture content), 소요량 계산 방법, 수지고형분(resin solid content), 도포방법, 성형방법, 전가압 및 열압스케쥴(hot pressing schedule) 등이 상호 관여하고 있기 때문에 실험자가 경험미숙으로 인하여 이를 다 확인치 못하고 놓치기 쉽다.
목질재료 실험을 완벽하게 수행하여 믿을 만한 데이타를 구축하는 데에는 상당한 시간이 필요하다. 실제 국내 학회지에 발표된 사례에서도 이와 같은 경험미숙으로 인한 데이터의 오류가 나타나는 경우도 종종 있다.
우선 각론에 들어가기 앞서 목질재료 실험을 하는데 기본적으로 필요한 사항에 대하여 언급하고자 한다.
목질재료의 실험에서 기본적으로 중요한 사항은 파티클이나 파이버의 함수율 측정과 조습, 그리고 사용할 수지의 고형분 측정과 수지의 저장 관리라 할 수 있다.
재료의 함수율과 수지의 고형분의 측정에 있어서 오류가 발생해서는 정확한 실험이 이루어질 없다는 것을 명심해야 한다.

파티클이나 파이버의 함수율 측정과 조습
파티클과 파이버의 함수율의 정확한 측정은 매우 중요한 의미를 담고 있다.
함수율의 측정오류는 최종제품의 밀도의 편차에 가장 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 열압스케쥴에도 영향을 미친다.
예를 들어 재료의 함수율이 실제보다 높게 측정된 경우는 보드를 만들기 위해 투입되는 재료의 양이 실제보다 많아지게 되고 예정된 열압스케쥴에 설정된 압력에도 맞지 않아 목표비중보다 커지거나 목표두께보다 두꺼워지는 경향이 있다.
목질재료 실험을 하고자 할 때 재료의 함수율 측정은 우선적으로 함수율을 측정하고자 하는 재료가 전체적으로 평형함수율(equilibrium moisture content, E.M.C)에 이르도록 조습이 필요하다.
측정하고자 하는 재료를 꺼내는 부위마다 재료의 함수율이 차이가 난다고 한다면 앞서 지적한 오류를 범하기 쉽다.
조습이 잘되었다 할지라도 실험에 요구되는 함수율보다 높거나 낮을 경우에는 조습처리 또는 건조 후 조습이 필요하다. 이 경우에도 재료의 함수율이 위치에 따라서 차이가 나지 않도록 해야 한다.
함수율 측정시에는 103 ± 2C° 건조기에 시료를 10g이상 칭량병에 넣어 시료가 항량에 도달했다고 판단되는 시점이 되면 시료의 무게를 재어 함수율을 5반복으로 측정한다.
칭량병 대신에 알미늄 포일을 상자형태로 접어서 사용하여도 된다.
유리컵이나 알미늄 포일은 건조기에 넣기 전에 미리 건조시켜 표면의 수분을 제거한 다음 데시케이터에 넣은 후 상온이 될 때 꺼내어 사용하시는 것이 좋다.
함수율의 측정은 다음과 같은 식으로 구한다.

          MC (moisture content) = {(Wg - Wo)/Wo} X 100
          여기서 Wg : 시료의 기건무게, Wo : 시료의 전건무게

수지 고형분 측정과 수지의 저장 관리
수지 고형분(불휘발분)의 측정 방법은 KS M 3705에 표현되어 있다.
KS M 3705에 표현된 측정방법은 다음과 같이 요약할 수 있다.
요소수지인 경우, 수지 약 1.5g을 지름 50mm되는 증발접시에 담고 105±1.5°C 오븐에 넣어 약 180±5분 동안 건조 시킨 후 유효숫자 2자리까지 구하면 된다.
페놀수지인 경우, 수지 약 1.5g을 지름 50mm되는 증발접시에 담고 135±1.5°C 열풍순환식 오븐에 넣어 약 60±2분 동안 건조 시킨 후 유효숫자 2자리까지 구하면 된다.
수지의 저장 및 관리에는 몇 가지 주의할 사항이 있다. 각 수지별로 저장기간과 가사시간이 다르다는 것을 인지해야 한다.
저장 방법 역시 온도조건을 잘 지켜서 저장하도록 해야 한다.

          고형분 (solid content) = (Wo/Wg) X 100
          여기서 Wg : 수지의 건조전 무게, Wo : 수지의 전건 무게

파티클보드나 섬유판을 제조할 경우 접착제의 고형분이 높거나 낮거나 함에 따라서 도포가 쉽거나 어려워질 수 있다. 또한 매트 함수율의 유지에 지대한 영향을 미치게 된다.
보통 목질재료에 사용되는 수지는 고형분이 약 40 - 60% 정도 이다.
고형분이 50% 이하가 되면 스프레이 분무하는 데 별 어려움이 없으나 50% 이상이 되면 스프레이 분무에 어려움이 있다.
또한 고형분이 낮으면 매트 함수율이 높아지기 때문에 칩이나 섬유를 과도하게 건조하여 필요한 매트 함수율로 조정해 주어야 한다.
그래서 산업체에서는 성능이 우수한 접착제 도포 시스템을 갖추고 고형분이 높은 농축 수지를 사용하는 것이 일반적이다.
이렇게 하여 줌으로써 칩이나 섬유의 건조비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 제조시의 결함(delamination, blister)을 예방할 수 있다.

파티클보드 (Particleboard) 제조 실험
파티클보드의 제조 실험은 다음과 같은 과정을 거쳐 진행 된다.
재료의 준비, 소요량계산, 제조로 크게 나눌 수가 있다. 재료의 준비는 칩의 제조 및 구입, 선별, 건조, 수지의 제조 및 구입 등 이다.
소요량 계산은 한 장의 보드를 만들기 위해 필요한 파티클, 수지, 경화제, 왁스 등을 정확히 계산하는 것을 의미 한다.
제조는 도포, 성형, 전가압, 열압, 재단, 양생 등의 작업을 의미 한다.
제조한 보드가 얼마나 정확하게 만들어 졌는가의 평가는 목표밀도(target density)와 목표두께(target thickness)를 통해서 알 수 있다.
목표밀도가 정확하다는 것은 재료의 양의 계산이 틀리지 않는다는 것과 열압조건이 적합하다는 것을 뜻 한다. 또한 목표한 두께대로 제조되었다는 것은 열압시간, 열압온도, 열압압력이 잘 적용되었다는 것을 뜻 한다.
보드 제조 실험의 기본적 기술을 지닌 실험자는 목표두께와 목표밀도가 정확한 보드를 만들 수 있어야 한다. 이것이 충족되지 않았을 경우 다른 어떤 요인 실험, 예를 들어 접착제 수준, 첨가제 수준, 구성형태 등의 실험을 하여 얻은 자료는 믿을 만한 것이 되지 못한다.
필자의 경험상 보드를 제대로 만들자면 상당한 훈련이 필요하다.
정확한 시료의 양을 계산하여 넣는 것은 기본이며, 열압조건의 설정, 도포방법, 성형방법에 필요한 지식은 대부분 경험적인 요소가 많다.
본 지면에서는 실험자가 간과하기 쉬운 부분을 비교적 자세하게 설명하여 초보자도 보드제조 실험을 할 수 있도록 다음과 같이 각 항별로 나누어 설명하였다.

1. 파티클의 준비
파티클보드 제조에 필요한 파티클은 표층용(surface)과 심층용(core)으로 나뉜다.
파티클제조 기계가 없는 곳에서는 파티클보드 공장에서 시료를 분양받아 사용하는 것이 좋다.
삼층 또는 그 이상의 층구성 보드의 제조가 아니라면 중층용 파티클을 사용하여 단층으로 제조하면 된다.
파티클의 함수율은 5%이하가 되도록 건조하여 사용하는 것이 일반적이나 제조할 보드의 매트 함수율에 맞도록 건조하여 사용하는 것이 좋다.
먼저 도포방법에 따라서 알맞은 수지의 고형분이 정해지면 이 수지에 포함된 수분과 목재 파티클에 포함된 수분, 경화제나 왁스 등에 포함된 모든 수분의 양을 계산하여 매트함수율 계산하면 된다.
매트함수율을 조정하기 위해서는 파티클의 건조도 조정 그리고 수지의 고형분 조정 등이 필수적이다.

2. 수지 및 경화제 준비
파티클보드 제조용 수지는 고형분 40 - 60%인 요소수지(urea resin)나 페놀수지(phenol resin)가 통상 사용되며, 내수성의 개선을 위하여 요소수지와 멜라민 공축합수지(urea-melamine copolymer resin)를 사용하기도 한다.
근래에는 비포름알데하이계 수지인 MDI (methylene diphenyl diisocyanate) 수지를 이용하여 파티클보드를 제조하기도 한다.
MDI 수지는 100% 고형분을 갖는 액상인 상태이며, 이를 유화시켜 고형분 40 - 50%의 에멸젼 타입의 수지도 사용된다.
실험에 사용될 수지는 제조하여 사용하거나 파티클보드 공장에서 직접 분양 받아 사용한다.
요소수지의 경화제로는 가장 흔히 쓰이는 것이 10 - 20%의 염화암모늄 수용액이다.
이 수용액을 수지의 고형분에 대해 5 - 10% 사용한다. 고온경화형 알콜용성 페놀수지의 경우 벤졸설포닉산(benzol sulfonic acid)이 20%까지 쓰인다.
MDI 수지는 별도의 경화제를 사용할 필요가 없다.

3. 내수제
내수제로서는 30 - 40%의 고형분을 갖는 파라핀 왁스 에멸젼이 가장 흔하게 쓰이며 사용량은 파티클의 전건무게에 대해 약 0.5 - 1.0 % 정도 고형분 기준으로 사용한다.
파라핀 왁스 에멸젼은 1.0% 이상 사용하면 강도적 성질의 저하가 크게 발생하기 때문에 사용량의 제한을 받는다.

4. 시료량 계산
시료량의 정확한 계산은 실험자에게 매우 중요한 내용이다.
시료량의 계산이 틀린 경우 목적하고자 하는 실험을 성공하기 어렵다.
왜냐하면 목표하고자 하는 밀도에 접근하기 어렵기 때문이다.
정확한 시료량의 계산에 필요한 내용은 파티클의 함수율, 수지의 고형분, 경화제의 농도, 왁스의 고형분, 목표크기, 목표밀도, 손실량 등이다.
아무리 정확한 계산을 하여도 실험자의 숙련도에 따라서 목표밀도의 차이가 발생하는 수가 있다.
이 차이는 보드의 크기 특히 두께, 매트함수율, 열압온도, 열압시간, 패쇄시간, 파티클의 형상, 수지의 종류에 따라서 발생한다.
그러므로 실험자는 목표하고자 하는 밀도에 최대한 접근할 수 있도록 최대한 주의를 하여야 하며, 모든 변수를 함께 고려해서 반복에 따른 밀도의 표준편차를 줄이려고 해야 한다.
시료량을 계산하는데 다음과 같은 방법을 이용하면 실제 필요한 각각의 양을 계산할 수 있다.

1) 제조하고자 하는 보드의 크기를 설정하여 체적을 계산한다.
2) 제조하고자 하는 보드의 밀도를 설정하여 체적에 밀도를 곱한다.
3) 파티클 양과 수지양 및 각종 첨가제의 양의 합이 전건 기준으로 2)에서 계산된 양과 같도록 계산한다.

따라서 전건 파티클을 기준으로 다음과 같은 식으로 계산을 할 수 있다.

보드의 전건무게 = 파티클의 전건무게 + 수지의 전건무게 + 경화제의 전건무게 + 왁스의 전건무게 (article의 FREE STUFF Program for preparation of adhesive and board raw materials 이용)

4) 이와 같은 식에 의해 전건 파티클의 양이 계산되면 실제로 필요한 양은 함수율이 보정된 양을 사용하여야 한다.
예를 들어 100g의 전건파티클이 소요되고 이 파티클의 함수율이 약 10%라 한다면 실제 필요한 양은 100 * (1 + 10/100) = 110g 이 된다.
실험조건에 따라 열압시 바깥면의 무너짐이 발생하고 그 양이 차이가 나므로 이를 다시 보정하여 손실양을 보충해 주어야 목표하고자 하는 밀도에 접근 할 수 있다.
손실양을 보충해 줄 때는 파티클 뿐만이 아니라 수지, 경화제, 왁스 등에도 계산을 해 주어야 한다.
손실량은 실험기자재 마다 다르기 때문에 실험자가 반복을 통해서 인지해야 한다.
시료량의 계산은 오류를 줄이기 위해 프로그램화 하여 이용하는 것이 바람직하다.

5. 열압스케쥴 설정
열압스케쥴은 과하거나 부족하지 않도록 설정해야 한다. 설정한 열압스케쥴에서 측면터짐 (delamination), blow, blister 등이 발생하지 않는 조건이 필수적 이다. 가장 기본적인 열압스케쥴은 다음과 같다.

* 온도 : 요소수지 ; 120 - 150℃, 페놀수지 ; 150 -170 ℃
* 압력 : 0.4 g/cm3 : 5-10kgf/cm2 ; 0.6 g/cm3 : 15-20kgf/cm2 0.8 g/cm3 : 35-40kgf/cm2; 1.0 g/cm3 : 50-60kgf/cm2
* 시간 : 요소수지 20-30sec/mm, 페놀수지 50-60sec/mm, MDI 10-13 sec/mm

위와 같은 스케쥴이 보통 사용할 수 있는 열압스케쥴이나 실험자가 공장수준과 같은 열압온도를 사용하고자 하면 열압시간을 비례하여 줄여 사용하도록 해야 한다.
열압스케쥴의 양부 여부는 먼저 제조하고자 하는 보드의 두께가 정확한지 측정해서 목표두께보다 낮으면 압력을 좀더 낮추고 목표하는 두께보다 높으면 압력을 좀더 높여 주는 것이 바람직하다.
두께는 정확하나 예상보다 내부결합력이 낮으면 열압온도와 시간을 조정할 필요가 있다.

6. 도포
수지의 도포는 도포하는 방법과 장치에 따라 많은 차이가 난다는 것을 실험자가 명심할 필요가 있다.
도포는 장치의 성능에 따라서 같은 수지율을 첨가하더라도차이가 발생한다.
파티클보드 제조에 적합한 도포장치는 드럼형태(그림 1)를 지닌 것이 좋으며 그 내부에는 날개가 부착되어 있어 파티클의 운반 및 자연 낙하에 의해 스프레이된 수지가 골고루 묻어 나도록 해야 한다. 스프레이건은 보통 도료의 도장시 사용되는 것이면 된다.
이 스프레이건은 분무입자의 양과 폭이 조정 가능한 것이 좋다.
분무되는 입자의 형태는 약간 무거운 안개와 같은 형상을 지니게 하여 주는 것이 좋다.
드럼의 용량은 약 50리터에서 200리터의 것이 알맞다.
한 회 도포양은 보드 2매 또는 4매의 양을 도포할 수 있으면 이상적 이다. 또한 도포시 공기중이나 드럼표면에서 손실되는 양을 측정하여 보충해 주는 것을 잊지 말아야 한다.
회전 속도는 분당 8-10회전 정도가 좋으며 너무 빠를 경우 원심력 때문에 수지의 손실이 많고 도포효과도 좋지 않으며, 너무 느린 경우에는 수지가 고르게 도포되지 않아 제조후 보드의 표면에 레진 스포트(resin spot)가 발생하기 쉽다.
파티클의 형상에 따라서 회전 속도의 조절이 필요하다. 또한 도포장치는 필요한 수지의 양이 조절 가능한 시스템이 필요하다.
그래서 스프레이건의 노즐을 조정하고 필요한 양을 정해진 시간동안 일정하게 분무해 주도록 장치를 설계하는 것이 좋다.

스프레이건이나 특별한 도포 장치가 없을 때에는 밀가루반죽에 쓰이는 커다란 통(그림 2)에 파티클을 쏟아 넣고 수지를 조금씩 떨어뜨리면서 파티클을 교반 해주는 것으로 제조가 가능하다.
이 방법은 파티클 입자가 미세한 경우에 비해 실험 오차가 매우 커진다.
따라서 추천할 만한 방법이 아니며, 하고자 하는 실험이 중요하다고 생각되면 반드시 도포장치를 제작하여 사용할 것을 추천한다.
제작 비용은 적게는 50만원에서 많게는 500만원 정도가 필요하다.
MDI 수지를 도포하는 경우는 분무된 수지가 눈에 직접 닿거나 호흡기에 직접 들어가지 않도록 세심한 주의가 필요하다

7. 성형
도포가 끝난 파티클은 성형과정(forming process)을 거치게 된다. 성형이란 매트가 두께와 면방향에서 고르게 파티를을 분포시켜주는 작업을 말한다.
성형을 하기 위해서는 일정한 크기의 성형틀(그림 3, 4)이 필요하다.
성형틀은 제작하고자 하는 보드의 면적과 두께에 따라 다르게 제작하여야 한다.
성형틀의 면적은 필요한 보드의 크기와 열압기의 압체면적과 압력을 고려하여 제조하는 것이 바람직 하다.
성형틀의 높이는 사용하고자 하는 파티클의 수종에 따른 압축율(compression ratio) 또는 압밀도(compactness ratio)에 의해서 약간씩 차이가 있으나 최종 보드 두께의 약 15배에서 20배를 취하면 된다. 성형틀 제작에 쓰이는 재료는 밀도가 약간 높은 활엽수 판재가 좋다.
양질의 판재를 구하기 어려우면 합판을 이용해도 좋다. 합판을 이용할 때는 표면에 수지처리가 된 특수합판이 좋다.
성형틀 제작에 쓰이는 성형판 재료는 전가압에 따른 응력을 충분이 견디어 주어야 하므로 두께는 통상 12mm에서 15mm의 것이 좋다.
성형판재의 접합은 측면에 드릴구멍을 내고 나사못을 사용하는 것이 좋다.
성형하는 방법은 도포된 파티클이 측면에는 다른 부분에 비해 적게 분포 하므로 측면 채우기에 주의를 하여야 한다.
면 고르기는 대형 핀셋이나 가래 형태의 다듬이를 사용한다. 이렇게 성형이 끝나면 냉압기(cold press, 그림 5)에 넣어 압체압력 통상 1 내지 2 kgf/cm2의 압력 또는 그 이상으로 압체를 1 내지 2분 정도 실시한다.

 

8. 열압
열압은 성형된 매트를 목표한 두께에 맞추어 매트내의 접착제를 경화시키는 작업을 말한다.
열압에 필요한 준비물로서는 열압기(그림 6), 카울(caul, 그림 7), 스톱스(stops, 그림7), 스톱워치, 방열장갑, 저울 등이다.
카울은 알루미늄 계통이 열전도에 유리하여 바람직한 측면이 있으나 반복 사용하면 스톱스의 자국이 남게 되어 오래 사용할 수 없게 된다.
그러므로 스테인레스 스틸판을 사용하는 것이 오히려 바람직 하다.
카울판의 두께는 약 1mm에서 2mm정도가 알맞다. 열압시 카울에 스톱스 자국을 덜 남기려면 스톱스의 형태가 사각형에 가까워야 하고 적정한 압체압력이 적용되어야 한다.
압체 압력이 너무 높게 적용되면 결국 하중은 스톱스에만 부하되어 카울위에 스톱스 자국이 깊게 남게 된다.
사각형 스톱스는 두께가 큰 경우에 작은 구멍을 중앙부에 뚫어 주어 측면에서 수증기의 탈출을 방해하지 말아야 한다. 또한 파티클이 스톱스와 카울 사이에 끼이는 것을 주의해야 한다.
밀도가 높고 매트함수율(mat moisture content)이 높은 조건의 보드를 열압하고자 할 때는 매우 신중하게 다루어야 한다.
이러한 경우는 종종 해압시 보드가 내부의 수증기압 때문에 폭발할 수 있다.
필자의 경험에 비추어 보면 폭발의 위력은 대단하며 작업자에게 치명적인 피해를 입힐 수도 있다.
이런 경우에는 스톱스를 가능한 매트와 멀리 떨어지게 하고 패쇄시간(closing time)은 길게 하며 완화시간(releasing time)을 충분히 주어야 한다.
열압이 끝나면 보드의 무게와 두께를 재어서 기록한 바 동시에 라벨링(labeling) 하여 준다.

 

 

 

9. 마무리
파티클보드(그림 8) 제조에는 측면무너짐 현상이 필수적으로 수반 되어 밀도가 낮기 때문에 열압이 끝난 보드는 측면을 재단해 주어야 한다. 마구리 끝쪽에서부터 약 1.5cm정도를 재단해 내고 시험을 위하여 조습처리를 하여 제조한 보드가 평형함수율(E.M.C) 상태에 이르면 시험한다.





글쓴이 : 한국목재신문 대표 윤형운