파티클보드(Particle Board)2

[이상범]

 

(가) 원료

파트클보드공업은 그 자체가 폐목재의 재생이용산업으로 등장 하였으며 폐목질자원을 재활용하는 가장 대표적인 산업이라고 할 수 있다.

 최근에는 지속적인 환경보전 및 자원확보 문제가 대두됨에 따라 폐목질의 리사이클이용산업으로써 더욱 그 중요성이 인식되어 가고 있다.

 

 지금까지 국내 파티클보드 공장에서 사용하는 원료는 재재공장이나 합판공장에서 배출되는 가공폐재가 주종을 이루고 있다. 이와 같은 가공폐재는 수집이 용이하고 가격도 싸지만, 제재?합판공업의 위축으로 인하여 원료공급난이 가속화되고 있는 실정이다.

 

 파티클보드의 제조원가에서 원료의 구성비는 약 20% 정도이다.

 

 또한 근년에는 생활폐기물의 공업원료화 측면에서 폐가구류 등의 수집, 이용량도 늘어가고 있다. 가구류 등의 생활폐기물이나 건축폐기물을 원료로 사용할 경우에는 각종 이물질(異物質)또는 불순물을 완전히 제거, 선별해야만 하는 문제가 따른다. 한편 최근에는 세계적으로 사탕수수, 아마(亞麻), 볏짚, 밀짚 등을 이용한 파티클보드의 생산도 증가하고 있어, 파티클보드의 원료는 더욱 다양해지고 있는 양상이다.

 

  현재 목재외의 원료로 만든 파티클보드는 전세계 파티클보드의 약 4%정도를 차지하고 있다. 이와같은 농산폐재 및 초본식물류의 섬유원료는 원료화공정이 용이하지만.

 

토사(土砂)가 혼입되거나 장기간 저장하기 어려운 문제 등이 따른다.

(나) 제조공정
 파티클보드의 제조공정은 가운데 원료소편의 제조, 접착제의도포, 성형 및 열압공정 등이 제품의 성질에 큰영향을 미치게 된다.

 

 현재 파티클보드의 제조설비는 전공정을 완전자동화시스템에 의해 운용되고 있다. 제조공정별 주요내용은 다음과 같다.

   

1) 파티클(소편) 제조 

 목재 파티클 제조용 절삭기는 절삭칼날을 지지하는 몸체의 형상에 따라 디스크형, 드럼형, 링형 등 3종류가 있다. 

 이 가운데 링형은 목재chip 전용(專用)으로 개발된 것으로서 이로 인하여 광범위한 페목재의 이용이 가능해 졌다. 이밖에 단편폐재를 소편화(小片化)할 때는 햄머밀이 사용되며, 표층용의 미세원료를 조제할 때에는 디스크 리파이너, 링 리파이너가 사용된다.

 현재 국내 파티클보드공장에서 일반화되어 있는 파티클 제조과정은 다음과 같다.

 

우선 목재원료를 컨베이어를 통하여 투입하면 상하 4개씩의 이송롤러에 의해 파쇄기 안으로 몰려들어가 칼날이 부착된 드럼이 회전하면서 목재를 파쇄하게 된다.

 

 원료투입시에 플라스틱, 금속편 등의 이물질을 제거해야 하며, 칼날은 매일 2회 이상 교환해야 한다. 이와 같이 파쇄된 목편이 사일로에 저장되며, 다시 여러 개의 칼날이 달린 삭편기에 의해 1.5～2cm정도의 파티클로 조제되며, 거친 파티클은 정쇄작업을 다시 거치게 된다.

 

  파쇄기나 삭편기에서 조제된 파티클은 크기가 다양하므로 분류공정을 거치게 되는데, 파티클의 분류에는 철망에 의한 분류(screening, plane screen)방법과 기류(氣流)저항에 의한 분류(air sifting, suspension shifter)방법으로 구분된다.

2) 파티클 건조

 건조공정은 파티클보드의 제조공정 중에서 매우 중요한 공정으로서 좋은 품질의 제품을 생산하기 위해서는 파티클의 함수율이 적정하고 균일해야 하며, 효율적인 열관리와 화재에 대한 안전성이 요구된다.

 

 원료의 함수율 및 수종, 파티클의 성상(性狀)등에 따라 건조조건을 적정하게 조정해야만 하는데, 파티클의 함수율이 과다할 경우에는 열압시간이 길어지고 제품불량의 발생이 많아지며, 너무 가열을 시킬 경우에는 화재의 위험성이 있다.

 

 열압시간의 단축 및 가압중 평크발생 등을 막기 위해서 대체로 표층용 파티클은 5～8%, 내층용 파티클은 3% 이내의 함수율 범위에서 건조시키게 된다.

 

 건조기로서는 고속의 연소가스를 이용하는 로터리 제트 드라이어가 지금까지 주로 사용되어 왔지만, 배기중에 포함된 분진이 대기오염문제를 일으키므로, 신설 플랜트에서는 로터리 드럼 드라이어, 접촉가열식의 열관속(熱管束)드라이어를 설치하고 있다. 연료는 주로 벙커C유이며, 폐제연료도 함께 사용된다.

3) 접착제 도포
 표층용 및 내층용 파티클에 각각 열경화성 수지접착제를 분사하는 공정으로서, 제품의 품질 및 제조원가에 미치는 영향이 매우 크므로, 최소의 접착제로 적정한 품질이 유지될 수 있도록

 

 함지율(목질원료의 전건무게에 대한 접착제 고형분 무게의 비율)을 조정해야만 한다.

전술한 바와 같이 파티클보드용 접착제는 열경화성수지인 요소수지, 요소?멜라민수지, 페놀수지 등이 있으나, 현재까지 국내에서는 거의 대부분 요소수지접착제를 사용하고 있다.

 

  표층용 파티클에는 12%, 내층용 파티클에는 8% 내외의 함지율로 접착제를 도포하며, 내수성을 부여하기 위하여 파라핀에말죤이나 용융파라핀을 소량 첨가한다.

 

 접착제의 도포는 일반적으로 고속 혼합기(blender)에 의해 이루어지는데, 이 장치에서는 파티클이 고속으로 회전하는 교반날개를 통하여 수평원통장치 안으로 이동하는 동안에 노즐을 통하여 분사된 접착제가 원심력으로 분산되어 파티클에 부착되면서 파티클간의 마찰에 의해 접착제가 균일하게 재분산된다.

 

 접착제의 도포작업은 표층용 파티클과 중층용 파티클에 대하여 각각 별도로 이루어진다.

4) 매트성형

  매트성형공정은 접착제가 도포된 파티클을 매트상의 형태로 성형하는 공정으로서, 층구성상태에 따라 단층, 3층, 5층 및 연속층보드를 구성하게 된다.

 

  - 단층보드는 동일한 형상의 파티클로 구성

  - 3층보드는 표층에는 미세한 파티클 내층에는 거친 파티클로 구성

  - 5층보드는 3층보드의 양표면에 더욱 미세한 파티클이 1층씩 더 형성

  - 연속보드는 표층에서 중심층에 이르기까지 미세한 파티클에서 거친 파티클이 연속적으로

     매트를 형성한 보드를 일컫는다.

 

  이 가운데 실제 생산되는 파티클보드의 대부분은 3층보드이며, 국내의 파티클보드공장에서도 3층보드를 생산하고 있다.

 

 매트성형장치는 파티클저장 사이로와 성형기(또는 살포기(撒布機))로 구성되며, 일정량의 파티클이 연속적으로 사일로에서 성형기로 공급된다.

 

 표층용 파티클과 내층용 파티클이 성형기에 투입되면 파티클이 스틸벨트 위에 낙하되면서

스크래퍼에 의해 일정한 높이의 매트가 이루어지는데, 입자가 큰 파티클은 가까이 떨어지고, 입자가 작은 파티클은 멀리 떨어지면서 3층의 매트가 형성된다.

 

  이 때 파티클의 낙하량, 입자의 분포, 매트의 두께 등이 일정하게 규제 되어야만 균일한 품질의 파티클보드를 제조할 수 있다.

 

 OSB의 경우에는 일반 3층파티클보드와는 달리 표층에 장방형의 스트랜드를 제조라인의 방향으로 배열시키면서, 내층에는 비교적 미세한 스트랜드를 대체로 직교방향으로 낙하시키면서 3층보드를 구성한다. 이때 스트랜드를 평행배열시키기 위한 진동가이드가 사용된다.

5) 열압

 열압공정은 성형된 파티클매트를 프레스로 가열 압체하여 경화시키는 공정

 

 1단프레스, 다단프레스 및 연속프레스(continuous-press)등의 시스템에 의해 이루어진다. 프레스는 파티클보드 제조에 있어서 핵심적인 장치로서, 파티클보드제조공장의 특징을 나타내고 있다. 국내에서는 3개社가 동일한 연속프레스(독일 Siempelkamp社)를 도입, 사용하고 있으며, 나머지 1개社는 대형 1?프레스를 사용하고 있다.

 

 일반적으로 파티클보드의 열압공정은 3단계로 구분

 

 - 1단계는 승압(昇壓)시간 또는 폐쇄시간(closing time)으로써 열판이 매트표면에 닿을 때

   부터 일정 예정두께에 도달할 때까지의 시간.

 

 - 2단계는 최대압력을 유지하는 시간. 그리고 3단계는 매트의 응력완화가 이루어지는 감압시

   간을 말한다.

 

 파티클 매트를 열압하면 가열된 수증기가 내부압력 경사에 의해 표층으로부터 중심층으로 이동하는 열전달이 이루어진다.

 

 표층의 함수율이 높은 파티클 매트를 고속으로 가압시

 표층부분은 가소화(可塑化)되어 충분히 압축경화되지만, 내층부분은 열전달이 늦어짐으로써 압축량이 적어지게 되며, 결과적으로 표층부분은 치밀하지만, 내층부분은 밀도가 낮고 취약한 보드가 만들어지게 된다.

  이때는 보드의 내부접착력 즉 박리강도는 낮아지며, 휨강도는 높아진다.

 

한편 프레스의 폐쇄시간이 길어지면, 매트가 압축되기전에 표층부분의 접착제가 먼저 경화되기 때문에 표층부분의 밀도가 낮아지고 내층부분은 가소화되어 밀도가 낮아진다. 이때는 보드의 박리강도는 증가하지만, 휨강도는 낮아진다.

 

열압조건은 사용 접착제에 따라 달라지는데, 요소수지접착제를 사용할 경우의 일반적인 공장 제조조건은 압력 30～40kgf/㎠, 온도 200～220℃, 시간 8～10초/mm이다.

페놀수지를 사용할 경우에는 이보다 경화온도 및 시간이 더욱 증가된다.

6) 마무리

 열압경화된 파트클보드는 냉각을 시켜서 규격치수에 맞추어 재단을 하고, 연삭(硏削)과정을 거쳐서 최종적으로 제품검사를 한 다음 포장하여 출하하게 된다.

 

 냉각과정은 요소수지나 요소?멜라민수지와 같은 아미노계수지접착제를 사용할 경우에 접착제의 가수분해를 막기 위해 필요하다.

 또한 페놀수지를 사용할 경우에는 여열(余熱)이 유지된 상태로 퇴적(hot stacking)해야만 완전한 접착제의 경화가 이루어진다.

 

 열압후의 파티클보드의 함수율은 약 6～8% 수준으로써 별도의 조습처리는 필요하지 않다.

 

 열압된 파티클보드는 보드표면의 조기경화된 저밀도부분을 제거하고, 두께를 일정하게 조정하기 위하여 와이드 벨트센더(wide belt sander)로 연삭을 한다.

파티클보드의 성질

파티클보드의 물성(物性) 및 가공성은 목재원료의 수종?밀도?함수율, 파티클의 형상, 접착제의 종류 및 첨가량, 파티클의 배향 및 성형방법, 열압조건 등에 따라 변화한다.  즉 파티클보드는 제품의 설계방법에 따라 제성능을 다양하게 조정할 수 있는 패널제품이라고 할 수 있다.

(가) 강 도  파티클보드의 강도는 주로 보드의 밀도, 파티클의 형상 및 배열상태 등에 따라 결정된다. 일반적으로 보드의 밀도가 클수록 제강도가 증가하며, 보드의 두께가 얇아질수록 밀도가 커지고 강도가아울러 증가하는 경향을 나타낸다.  또한 스트랜드를 배향시킨 OSB의 배항방향 휨강도는 보통 파티클보드의 약 2배 정도에 달하며, 배향도가 높을수록 배향방향의 휨강도는 더욱 증가한다. 단 배향방향의 강도증가는 직교방향의 강도저하를 수반하므로 설계강도에 다른 배향도의 조절이 필요하다.  앞에서 보드의 밀도가 증가하면 강도도 증가한다고 하였지만, 경우에 따라서는 밀도가 일정 수준일 경우에는 강도의 차이가 크게 나타난다.    즉 여기에서 말하는 밀도란 보드 두께방향의 평균치를 의미하므로, 평균밀도가 일정할지라도 두께방향 밀도분포(또는 밀도경사)에 따라 표층부의 밀도가 상대적으로 높을 경우에는 휨강도가 높게 나타난다.     또한 보드의 밀도는 유사할지라도 사용하는 파티클원료의 밀도가 낮으면, 파티클간의 압축도가 증가하여 결합력이 증대되므로, 이에 따라 강도가 증가하게 되는 것이다.    아울러 파티클의 형상에 따라서는 두께나 폭에 비하여 길이가 긴 파티클을 사용한 보드는 표면의 인장력이 증대되어 휨강도가 높게 나타나며, 파티클이 넓고 얇을수록 밀착성 및 긴밀성이 개선됨으로서 강도적 성질이 우수한 보드가 만들어진다.     파티클보드는 면내전단강성(面內剪斷剛性)이 비교적 양호하지만, 목재, 합판 등에 비하여 충격이나 피로에 대해서는 취약한 편이며, 크리프변형 또한 큰 편이다.   대체로 합판에 비하여 강도나 강성이 약한 목질패널제품이라고 할 수 있다.    현재 우리나라에서 생산되고 있는 일반 3층 파티클보드의 강도범위 휨강도가 170～190kgf/㎠, 박리강도가 6～8kgf/㎠, 나사못유지력이 70～80kgf/㎠정도   (나) 내수성   파티클보드의 내수성 은 보드의 두께 팽윤성과 밀접한 관계가 있으며, 사용 접착제의 종류 및 도포량이 내수성을 결정하는 가장 큰 요인이 된다.    보드를 구성하는 파티클은 보드의 표면과 거의 평행하게 퇴적되어 있으며, 각각의 파티클은 열압과정에서 압축변형된 상태로 고정되어 있다.  따라서 파티클보드가 흡수 또는 흡습하면 파티클 자체의 팽윤과 아울러 변형의 회복이 진행됨에 따라 내부응력이 발생하여, 접착결합부분이 분리 파괴되면서 보드는 두께 방향으로 팽창하게 된다.  이와같이 파티클보드의 내구성(耐久性)을 저하시키는 원인은 접착제의 가수분해에 의한 열화(劣化)와 아울러 흡수?흡습시의 파티클의 팽윤에 의한 내부응력이라고 할 수 있다.    흡수 또는 흡습에 의한 파티클보드의 치수변화가 보드의 표면에서는 매우 작다. 이는 파티클의 형상이 대체로 섬유방향으로 되어 있고, 파티클 자체의 길이 방향 수축·팽윤율이 작기 때문이며, 동시에 파티클이 세로·가로로 불규칙하게 배역 결합되어 있어 상호간에 수축· 팽윤을 억제하기 때문이다.    반면에 파티클의 두께 방향은 곧 목재의 수축·팽윤이 큰 접선방향 또는 반경방향과 일치하므로 파티클보드의 두께방향 치수변화가 크다.    ●접착제의 종류에 따른 파티클보드의 내수성    MDI수지=페놀수지> 페놀·멜라민수지> 요소·멜라민 수지>요소수지 순으로 나타냄.    현재 국내에서 생산되는 파티클보드의 두께 팽창율(상온수(常溫水)·24시간 침지시험)은 약 4～12% 범위이며 평균치가 약 9%인데, 이는 수입 파티클보드보다 대체로 양호한 수치이다.   (다) 흡습성, 열적 성질 및 음향적 성질  파티클보드의 평형함수율(EMC)은 열압시 가열에 의한 파티클 흡습성의 저하 정도, 접착제의 흡습특성에 따라 다르다. 일반적으로 외기습도가 저습～중습 상태일때의 파티클보드의 EMC는 목재의 80～90% 정도이지만, 알칼리성 페놀수지를 사용한 경우에는 고습상태에서의 EMC가 목재보다도 오히려 높다. 또한 투습성 및 흡방습(吸防濕) 속도는 밀도가 낮을수록 높다.    파티클보드의 열전도율은 밀도와 함께 증가하며(밀도 0.45g/㎠일 때 0.09W/mK, 밀도 0.80g/㎠ 일 때 0.13W/mK), 동일 밀도의 목재보다는 약간 낮은 편이다.    음향적성질에 있어서 파티클보드는 다른 소재에 비하여 저음역(低音域)에서의 공진(共振)이 적고, 넓은 주파수 범위에서 흡음율이 대체로 일정하므로 음향기기의 케이스로써 적당하다고 할 수 있다.   파티클보드..용도   현재 우리나라에서의 파티클보드 용도는 주방용가구 55%, 사무용가구 25%, 전자제품케이스 10%, 기타 10% 순으로서 가구류가 주종을 이루고 있다. 또한 파티클보드는 대부분 열경화성수지 함침지, 비닐필름 등을 표면에 오버레이하여 가구재로 쓰여지고 있으며, 천연무늬단판을 오버레이하거나 표면에 유색도장을 하여 사용하는 경우도 있다. 아직까지는 건축재로써의 사용이 미미한 실정이지만, 앞으로 건축재 대체자재 수요의 증가 및 용도에 대응한 성능개선 등을 통하여 건축재로써의 수요 증대가 예상된다. 한편 북미지역으로부터 수입되고 있는 OSB의 경우에는 아직 전체사용량은 적은 편이지만, 국내의 목조주택의 확산추세에 따라 매년 사용량이 증가하고 있으며, 건축내장재로써도 사용되고 있다.   파티클보드..특성.   파티클보드(Particleboard, PB)는 목재 및 각종 식물성바이오매스원료를 기계적으로 파쇄하거나 삭편화(削片化)한 다음, 열경화성수지 접착제를 첨가해서 열압, 경화시킨 밀도 0.5～0.8g/㎠의 목질패널제품을 말한다.    파티클보드의 특징으로서는 첫째 사용가능한 원료가 매우 광범위할 뿐만 아니라 각종 목질폐기물을 원료로 사용할 수 있고, 둘째 제조공정 및 설비가 완전히 자동화, 생력화(省力化)되어 있어 저비용으로 균질한 판재료를 대량생산할 수 있으며, 셋째 각종 접착제를 사용하거나 화학적 처리에 의해 특수한 성능을 갖게 할 수 있고, 미관이 뛰어난 천연무늬단판이나 수지필름 등을 오버레이하여 다양한 용도의 고급제품을 만들 수 있는 장점이 있다.