아세틸화목

Acetylated wood

아세틸화 목재는 생태 친화적이고 독성 물질을 포함하지 않는 변형 목재의 한 종류입니다.[1]초산무수물을 포함한 특수화학처리(아세틸화)와 화학개질 공정을 통해 목재를 균류 및 목재보공 곤충의 생물학적 공격에 강한 저항성을 갖게 하여 다양한 환경조건에서 긴 수명과 내구성을 확보하였습니다.[2][3]수십 년에 걸친 연구와 실험 끝에 목학 분야에서 새로워진 목제품입니다.

아세틸화목(Accoya) 샘플

화학적 변형은 목질 중합체, 특히 목질 중합체와 헤미셀룰로오스에 존재하는 유리 하이드록실기의 반응을 통해 일어나며, 촉매 없이도 그들 사이에 결합을 형성합니다.사용되는 무수물 등의 물질은 독성 잔류물을 남기지 않고 목재의 구조적 성분을 변형시킵니다.이 과정은 하이드록실(-OH) 그룹의 약 80-90%가 물 분자와 수소 결합을 형성하는 것을 방지하여 세포벽을 효과적으로 물질과 "잠근" 상태로 만듭니다.사용된 화학 시약은 독성이 없으며 아세틸화된 목재의 재활용 및 폐기 가능성을 제한 없이 달성할 수 있습니다.[4]

아세틸화된 목재는 매우 밝은 색을 특징으로 하며, 다양한 연구 결과에서 알 수 있듯이 높은 내구성과 강한 소수성 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.[5][6][7]이 목재는 야외 목재 구조물과 [8]외부 바닥재 및 데크에 적합합니다.소나무(Radiata pine)를 주원료로 하지만, 너도밤나무를 이용하기도 합니다.아세틸화된 목재는 수분 흡수율이 낮아 치수 안정성과 자연 복원력이 크게 향상됩니다.[9]

기술의 발전

목재 아세틸화 기술의 초기 개념은 1940년대 동안 연구원인 Alfred J.[10] Stamm과 Harold Tarkow에 의해 미국의 임산물 연구소에서 수행된 기초 연구에 기초합니다.

아세틸화된 목재의 주재료는 리그노셀룰로오스를 함유한 것입니다.목재 아세틸화는 야외에서 사용할 수 있는 내구성이 있는 목재를 생산하는 것을 목표로 하기 때문에, 일반적으로 목질소와 셀룰로오스를 포함하는 목재가 선택의 재료입니다.아세틸화는 일반적으로 스테인리스 스틸로 제조된 특수 반응기에서 아세트산 무수물을 사용하여 수행됩니다.초산이 첨가된 초산무수물과 접촉하면 분해되는 것을 고려하면, 원료의 수분 함량은 초산무수물의 섭취에 큰 영향을 미칩니다.따라서 가급적 건조한 원료(2~4%)를 사용하는 것이 유리합니다.본질적으로, 어떤 종류의 나무도 아세틸화될 수 있습니다.그러나, 아세틸레이션 동안 각 목재 유형이 약간 다르게 작용하기 때문에, 원하는 제품 특성을 달성하기 위해서는 특정 목재 유형에 맞게 공정을 조정해야 합니다.

생산공정

아세틸화 반응 후 유리 하이드록실기의 차단을 나타낸 도.
셀룰로스 아세틸화에 대한 다이어그램:셀룰로스(위 참조)의 적색 하이드록실기(-OH)는 부분적으로 아세트산 무수물에 의해 아세틸화되어 에스테르기를 형성하는 한편, 생성된 아세트산은 분해됩니다.아세틸화의 정도는 다양합니다. 예를 들어, 하이드록실기 3개 중 2개는 각 글루코스 구조 단위마다 아세틸화됩니다.

이 과정은 목재 원료에 화학 반응물을 투입하고 초산무수물 용액을 주입하는 것으로 시작됩니다.용액은 진공, 과압 또는 대기압 하에서 도입될 수 있습니다.

목재의 아세틸화 공정은 압력 또는 진공 하에서 목재에 초산무수물 용액을 함침시키고, 용액과 목재를 가열하고, 목재와 시약 사이에 실제 아세틸화 반응이 일어날 수 있도록 약 120℃의 온도를 얻는 것을 포함합니다.목재에 흡수되지 않은 과량의 아세트산 무수물 용액은 아세틸화 반응 전 또는 후에 제거될 수 있습니다.목재로부터 반응하지 않은 초산 무수물 및 생성된 초산을 추출하기 위해, 목재가 초산 무수물 및 초산으로부터 본질적으로 자유롭도록 물 또는 증기로 증류하는 것을 수반하는 최종 단계가 수행됩니다.이 단계는 주로 최종 제품의 아세트산 냄새가 환경으로 방출되는 것을 방지하기 위한 것으로 바람직하지 않습니다.탈수, 진공추출, 후처리에 의한 용액을 모아 분리합니다.생산 과정 전체가 시간이 많이 걸립니다.[11]

아세틸화정도

아세틸화 정도(즉, 아세틸 함량)는 성공적인 결과를 얻기 위해 다양한 방법으로 추정될 필요가 있습니다.고강도 목재의 경우 최소 20%-22%의 아세틸화 정도가 필요합니다.물 분자와 유사한 아세틸기의 혼입으로 인해 나무가 부풀어 오르는 원인이 되기 때문에 부피의 증가는 아세틸화 정도의 매개 변수로 작용할 수 있습니다.한편, 중량 증가율(WPG)이라고 알려진 중량 증가율은 아세틸화 후에 사용될 수 있습니다.이것은 또한 궁극적으로 세포벽의 나무에 화학적으로 결합되는 무수 옥살산의 양에 대한 결론을 도출할 수 있게 합니다.

아세틸화 정도를 평가하는 데 사용할 수 있는 추가적인 매개변수로는 물 침출에 대한 저항, 전기 전도도 또는 HPLC 분석 또는 분광 광도법과 같은 방법이 있습니다.[11]

아세틸화된 소나무를 글룰람으로 축조한 네덜란드의 목재교량

속성 및 특성

아세틸화는 목재의 화학적 조성을 영구적으로 바꿉니다.이러한 화학적 변형은 다양한 기계적, 물리적 특성뿐만 아니라 곤충 및 미생물에 대한 목재의 저항성에도 긍정적인 영향을 미칩니다.

아세틸화는 목재의 종류와 변형 정도에 따라 일반적으로 목재의 변색과 밀도 및 경도의 증가를 초래합니다.[12]최종 목재 제품은 후처리 수준에 따라 절단 중에 쉽게 감지할 수 있는 다소 뚜렷한 초산 냄새가 날 수 있습니다.

흡수

아세틸화 과정 동안, 목재의 세포벽의 폴리머 구조 내의 친수성 하이드록실기는 화학적으로 반응하여 고도의 소수성 아세톡시기를 형성합니다.따라서, 목재의 소수성 특성은 물을 흡수하거나 방출하는 능력을 현저히 제한합니다.이것은 아세틸화된 목재가 천연의 아세틸화되지 않은 목재에 비해 훨씬 낮은 평형 수분 함량을 나타냄을 의미합니다.

일반 목재의 최대 평형 함수율은 일반적으로 약 30%(통상 목재의 섬유 포화점이라고 함)인 반면, 아세틸화 처리를 거친 목재(20%의 WPG)는 최종 평형 함수율이 10-12%에 불과합니다.또한, 아세틸화 과정에서 수분 흡수율이 크게 저하됩니다.[13]

치수안정성

목재의 세포벽의 고분자 구조 내에 친수성 하이드록실기, 예를 들어 셀룰로스, 리그닌, 헤미셀룰로스를 소수성 아세틸기로 대체하는 것도 치수 안정성에 긍정적인 영향을 줍니다.이것은 변화하는 기후 조건에서 목재의 치수를 유지할 수 있는 능력을 말합니다.아세틸화된 목재는 처리되지 않은 천연 목재에 비해 약 70~80% 더 큰 치수 안정성을 나타냅니다.따라서 부종과 수축이 현저하게 줄어듭니다.[14]

생물학적 저항성

아세틸화는 목재의 생물학적(자연적) 저항력을 강화합니다.곰팡이, 곤충 등에 의한 부패 저항성이 현저히 개선됩니다.아세틸화된 목재에서 최대 평형 함수율을 10-20% 범위로 낮추면 곰팡이 증식에 필요한 수분을 최소화할 수 있습니다.또한 균류에 의해 쉽게 분해되는 세포벽의 분자구조는 아세틸화에 의해 변화되어 균류가 다공성 세포벽을 통해 침투하여 분해되지 않습니다.

풍화저항

다양한 목종들은 아세틸화를 통해 갈색, 흰색 또는 부드러운 부패로부터 완전히 보호될 수 있으며 티크, 머바우, 아조베, 이로코와 같은 특히 내구성이 뛰어난 열대종과 같은 최고 저항 등급인 클래스 1로 업그레이드될 수 있습니다.아세틸화는 또한 박테리아와 흰개미에 의한 나무의 부패 저항력을 향상시킬 수 있습니다.[13]

환경조건에 대한 저항성

곰팡이에 의한 목재 부패뿐만 아니라 햇빛과 우박눈에 노출된 목재는 광화학적 분해와 점진적인 분해를 겪습니다.광-산화 반응에 의한 저분자 분해 생성물은 햇빛에 노출된 나무 표면에서 천천히 그리고 점진적으로 생성되는데, 주로 자외선 복사에 의해 유발됩니다.이러한 열화 생성물은 시간이 지남에 따라 비에 의해 씻겨나가며 목재 표백 및 표면 구조의 변화 또는 국부적인 암점이 발생합니다.

아세틸화된 목재는 처리되지 않은 목재에 비해 평형 함수율이 훨씬 낮기 때문에 열화 생성물이 더 느리게 씻겨집니다.또한, 아세틸화된 목재 중합체의 광산화 분해는 더 느리게 발생합니다.아세틸화는 목재의 광화학적 분해 과정을 멈출 수는 없지만, 상당히 느려질 수 있습니다.[13]최근의 연구는 아세틸화된 나무가 표면 마감재나 심지어 페인트로 가장 잘 처리된다는 것을 보여주었습니다.[15]

산업생산자

런던에 본사를 둔 "Accsys Technologies"라는 이름의 회사는 처음에는 아세틸화된 목재를 생산하는 유일한 산업이었습니다.2007년에 네덜란드 아른헴에 있는 회사의 제조 시설에서 호주와 뉴질랜드에서 생산된 방사선 데이터 소나무(Pinus radiata)를 사용하여 대규모로 생산하기 시작했습니다.[16]

Eastman Chemical이라는 이름의 미국 회사도 짧은 기간 동안 아세틸화된 나무를 생산했지만 알 수 없는 이유로 2014년에 생산을 중단했습니다.[3]

변형목재의 종류

  • 방사성 소나무에서 생산되기도 하지만 미국 남부 황색 소나무와 재에서도 생산될 수 있는 퍼퓨릴화 목재(케보니).[17]
  • 열변성 목재란 화학물질을 사용하지 않고 가마에서 열변성을 거친 목재를 말합니다.
  • 함침목재, 보호용 화학화합물로 가압 처리된 목재.

추가열람

  • 홀거 밀리츠:개요 보고서 - 아세틸화 목재 - (과학 및 기술 기반, 소재, 경제적 가능성과 한계, 실행 현황)SGD South Forimest Research Institute Rhineland-Palatinate, 2011. 온라인: FAWF2014년 1월 6일 Wald-RLP.de 검색, PDF; 915KB, Ulf Lohmann: Wood Lexicon.4판.Nikol Verlagsgesellschaft, Hamburg 2010, ISBN 978-3-86820-086-7.
  • 캘럼 A.S. 힐: 목재 개조: 화학, 열 및 기타 공정.Wiley 2006, ISBN 0-470-02172-1.** Fuchs, W. (1928)진정한 리그닌의 지식에 관하여, I.가문비나무의 아세틸레이션입니다.Berichte der Deutschen chemischen Gesellschaft, 61(5), 948–951.

참고문헌

  1. ^ Sandberg, Dick; Kutnar, Andreja; Mantanis, George (2017-12-01). "Wood modification technologies - a review". iForest. 10: 895–908. doi:10.3832/ifor2380-010. Retrieved 2023-11-08.
  2. ^ Design, Castus (2019-01-23). "Acetylated timber, Acetylated wood, non-toxic wood treatment". Accoya. Retrieved 2023-10-12.
  3. ^ a b "Springer Handbook of Wood Science and Technology". Springer Handbooks. Cham: Springer International Publishing. 2023. p. 897. doi:10.1007/978-3-030-81315-4. ISBN 978-3-030-81314-7. ISSN 2522-8692.
  4. ^ 홀거 밀리츠: 위베르시츠베리히트 - 아세틸리에르테스 홀츠 - (Naturwissenschaftlichhe und technologische Grundlagen, materialtechnische ökonomische Möglichkeiten und Grenzen, aktueller Stand der Umsetzung).SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Palz, 2011, 2023년 8월 접속.
  5. ^ "(PDF) Acetylation of wood - Journey from analytical technique to commercial reality".
  6. ^ Papadopoulos, Antonios N. (2006-04-01). "Pyridine-catalyst acetylation of pine wood: influence of mature sapwood vs juvenile wood". Holz als Roh- und Werkstoff. 64 (2): 134–136. doi:10.1007/s00107-005-0056-x. ISSN 1436-736X.
  7. ^ "Decay resistance of acetic anhydride modified wood: a review: International Wood Products Journal: Vol 4, No 3".
  8. ^ Mantanis, George I.; Lykidis, Charalampos; Papadopoulos, Antonios N. (2020-07-23). "Durability of Accoya Wood in Ground Stake Testing after 10 Years of Exposure in Greece". Polymers. MDPI AG. 12 (8): 1638. doi:10.3390/polym12081638. ISSN 2073-4360.
  9. ^ 홀거 밀리츠: 위베르시츠베리히트 - 아세틸리에르테스 홀츠 - (Naturwissenschaftlichhe und technologische Grundlagen, materialtechnische ökonomische Möglichkeiten und Grenzen, aktueller Stand der Umsetzung).SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Palz, 2011년 8월 접속.
  10. ^ Ibach, Rebecca E.; Rowell, Roger M. (2021-02-24). "USDA Forest Service Forest Products Laboratory: Acetylation of Wood 1945–1966". Forests. MDPI AG. 12 (3): 260. doi:10.3390/f12030260. ISSN 1999-4907.
  11. ^ a b 홀거 밀리츠: 위베르시츠베리히트 - 아세틸리에르테스 홀츠 - (Naturwissenschaftlichhe und technologische Grundlagen, materialtechnische ökonomische Möglichkeiten und Grenzen, aktueller Stand der Umsetzung).SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Palz, 2011, 2020년 8월 아브게루펜.
  12. ^ 울프 로만: 홀즐렉시콘.4판.Nikol Verlagsgesellschaft, Hamburg 2010, ISBN 978-3-86820-086-7.
  13. ^ a b c 홀거 밀리츠:개요 보고서 - 아세틸화 목재 - (과학 및 기술 기반, 물질-기술 및 경제적 가능성 및 한계, 현재 시행 현황)SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Palz, 2011, 2020년 8월 회수.
  14. ^ 홀거 밀리츠:개요 보고서 - 아세틸화 목재 - (과학 및 기술 기반, 물질-기술 및 경제적 가능성 및 한계, 현재 시행 현황)SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Palz, 2011, 2023년 8월 회수.
  15. ^ https://unavita-accoya.com/wp-content/uploads/2019/08/Verwitterung-EN.pdf
  16. ^ 아코야 제조 공정(영어)수신인: Accoya.com
  17. ^ 케보니 제조 공정 (영어).인: 드.Kebony.com