투명 목재 및 목재 과학의 기타 혁신

다재다능하고 탄소 중립적이며 재생 가능합니다. 아니요, 이것은 방금 개발된 특별한 신소재에 대한 마케팅 슬로건이 아닙니다. 그러나 매우 친숙한 소재인 목재의 주요 특징 중 세 가지는 오늘날까지도 그 적응력으로 우리를 놀라게 하고 계속해서 주목받고 있습니다. 소재 개발의 최전선에서 이 기사에서는 투명 목재에서 탄화 목재 합성물에 이르기까지 흥미로운 발전 중 일부에 대해 알아보겠습니다.

첫째, 나무에 대한 빠른 리프레시입니다. 목재는 리그닌 매트릭스에 내장된 셀룰로오스 섬유의 천연 합성물입니다. 셀룰로오스는 줄기의 길이를 따라 긴 막대 역할을 하여 목재에 인장 강도를 부여하는 반면, 리그닌 매트릭스는 목재에 압축 강도를 부여합니다.

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그림 1:목재의 기본 미세구조.

이 기사에서는 목재의 특성을 개선하고 용도를 ​​확장하는 세 가지 예, 즉 고밀도 목재, 투명 목재 및 목재용 나노 코팅에 중점을 둡니다. 우리는 또한 유리한 구조를 가진 고품질 탄소 공급원으로서 목재를 탐구할 것입니다.

밀도가 높은 목재

목재는 높은 비탄성률, 고강도, 저렴한 비용 및 재생 가능한 특성으로 인해 널리 사용되는 구조용 재료입니다[1]. 그러나 오늘날 광범위한 사용은 속성의 높은 편차로 인해 방해를 받습니다[1]. 이는 나무가 겪을 수 있는 광범위한 성장 조건(예:토양 유형, 물과 영양분의 가용성)에 기인하며, 구조의 차이와 결의 경사, 고리 너비 및 옹이의 유병률에 차이가 있기 때문입니다[1][2 ].

이러한 자연적 변화를 극복하기 위해 과학자와 엔지니어는 교차 적층 목재 및 접착 적층 목재(집성재)를 포함한 공학 목재 제품을 개발했습니다[1]. 이들은 목재 특성을 크게 향상시켰고 철강 및 콘크리트에 대한 환경적으로 실행 가능한 대안이 되었습니다[2]. 그러나 현재 공학 목재 제품은 많은 양의 접착제와 금속 패스너를 필요로 하며, 이는 특히 특정 접착제가 독성 가스(예:포름알데히드 및 ​​휘발성 유기 화합물)를 방출하기 때문에 특정 접착제를 사용하는 경우 지속 가능성과 재활용 가능성을 감소시킵니다[1].

그 결과 다양한 대안, 특히 밀도가 높은 목재에 대한 연구가 집중되었습니다. 여기에서 목재의 밀도가 증가합니다.

• 대량 고밀도화: 나무 전체 볼륨 [1] [2]
• 표면 조밀화: 나무의 표층에만 [2]
• 침투 밀도: 용융 금속/황 또는 중합체를 사용하여 공극을 함침하여 전체 부피 [3]

이 증가된 밀도는 기계적 특성을 개선하고(표 1) 사용할 수 있는 목재 유형을 확장합니다. 밀도가 낮은 목재는 이제 실행 가능한 구조 재료로 가공될 수 있기 때문입니다[1]. 세 가지 방법 모두 약속이 있습니다.

종	종방향 인장 강도[MPa]
	압축되지 않음	압축(80%)
오크(신)	115.3	584.3
포플러(포플러)	55.6	431.5
서부 적삼나무(Thuja plicata)	46.5	550.1
동백 소나무(Pinus strobus)	70.2	536.9
참피나무(틸리아)	52.0	587.0

표 1:압축 전후의 목재의 세로 방향 인장 강도[1]

벌크 조밀화의 제한 요인 중 하나는 목재의 세포벽(리그닌)으로, 이는 조밀화를 방해하고 조밀화 목재의 특성에 전반적으로 크게 기여하지 않습니다[3]. 이와 동시에 목재를 나노단위로 분해하여 우수한 재료 물성을 지닌 탈리그닌 나노셀룰로오스 소재를 사용하는 연구가 진행되고 있다[3]. 그러나 연구에서는 3D 또는 4D 인쇄를 사용하여 이를 확장/조립하는 데 어려움을 겪고 있습니다[3].

한 가지 부분적인 해결책은 목재를 완전히 목질화하고 조밀화하여 상향식 접근 방식에서 하향식 접근 방식으로 변경하는 것입니다. 효과적으로, 이것은 조밀화 공정에 예비 단계를 추가하고 조밀화 목재(탄성 계수 ≈ 40 GPa 및 인장 강도 ≈ 270 MPa)에 비해 기계적 특성이 개선된 새로운 셀룰로오스 벌크 재료를 형성하는 데 도움이 됩니다[3]. 또한 복잡한 모양으로 쉽게 형성될 수 있어 [3] 구조적 응용보다 더 많은 응용 분야를 개척할 수 있으며 아마도 새로운 유형의 섬유 강화 생체 복합 재료를 예고할 수 있습니다.

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그림 2:셀룰로오스 벌크 재료는 다양한 기하학적 형태로 쉽게 형성될 수 있습니다. [3]

투명한 나무

눈치채셨겠지만, 그림 2의 나무는 거의 반투명합니다. 글쎄요, 현재 투명목재가 조사 중인 분야로 밝혀졌는데, 그 첫 번째 단계는 탈리그닌화입니다. 그 다음 굴절률이 일치하는 폴리머로 침투하여 중합 중 폴리머 수축으로 인한 몇 가지 간격으로 인해 약간의 잔류 산란이 있는 거의 투명한 목재[4]를 생성합니다[4]. 그래도 폴리머 침투는 일종의 치밀화이기 때문에 강하고 투명한 목재로 이어집니다. 폴리머 침투는 또한 목재의 이방성을 최대 5배까지 감소시킵니다[5]. 이는 목재의 약한 가로 방향이 폴리머에 의해 개선되어 이 방향의 지배적인 파괴 메커니즘인 세포벽 굽힘을 억제하기 때문입니다[5].

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그림 3:탈리그닌화 및 폴리머 침투를 거친 목재 샘플의 전후 이미지[4]

매혹적인 재료 외에도 투명한 지붕, 창문 및 태양 전지판 덮개를 포함하여 잠재적인 용도가 많습니다. 투명한 지붕, 섹션 및 창은 우수한 기계적 특성과 단열재로 유리를 대체할 수 있습니다. 투명 목재의 높은 헤이즈(광 산란 측정) 값은 또한 기존 유리보다 더 부드럽고 더 확산된 빛을 제공한다는 것을 의미합니다. 이 빛의 확산은 또한 매우 효과적인 태양 전지판 덮개가 되어 태양 전지에서 빛의 경로를 증가시키고 더 높은 효율로 이어지는 에너지 추출에 더 많은 시간을 허용합니다[4].

목재용 나노 코팅

여기에서는 목재의 특성을 변경하는 것 이상의 경우를 살펴봅니다. 나노 재료로 코팅하면 목재의 약점을 일부 극복하고 기계적 특성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다[6]. 이러한 약점에는 가연성, 광분해 및 수분 흡수가 포함됩니다.

목재의 나노 코팅은 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 코팅에 나노 입자를 추가하여 적용하기 전에 특성을 개선하거나 나노 입자를 목재에 직접 증착하는 것입니다[6].

두 번째 방법은 TiO2/ZnO 입자의 침착을 통해 목재의 가연성을 줄이는 데 사용되었습니다. 그것들을 먼저 에탄올 용액에 혼합한 다음 용액으로 덮인 목재를 오토클레이브에 밀봉합니다. 이는 표면에 80-200 nm 범위의 크기를 갖는 나노입자를 형성하여 점화 시간을 4배 증가시킵니다[7].

광분해는 흡수된 UV 방사선이 광산화를 일으켜 표면 변색 및 기계적 특성의 심각한 감소를 초래하는 경우입니다. 여기에서 ZnO 층을 증착하면 UV로 인한 노화와 곰팡이 및 미생물 제제의 성장을 줄이는 나노 입자 층이 생성됩니다. UV 노화에 대한 이러한 저항은 ZnO가 UV 방사선을 우선적으로 흡수하고 기본 목재를 보호하기 때문입니다[8]. 기계적 물성을 향상시키기 위해 나노실리카가 사용됩니다. 나노실리카 입자는 높은 경도와 열적 특성을 가지고 있습니다. 졸-겔 반응이 폴리머와 함께 사용되어 목재에 적용될 수 있는 것보다 가교 네트워크 구조를 형성할 때 반응할 수 있습니다[6].

탄화 목재 합성물/세라믹

이 응용 프로그램은 틀림없이 가장 오래된 합성 재료인 목탄을 사용합니다. 숯은 열분해 과정에서 생산되는 탄화된 세포 물질입니다. 그것은 동굴 그림을 만드는 데 사용되었습니다[9]. 오늘날 우리는 고급 세라믹 및 복합 재료 및 바베큐를 위한 바이오 템플릿을 포함하여 다양한 응용 분야에 여전히 숯을 사용합니다. 나무를 탄화시키는 것은 두 단계의 과정을 수반합니다[9].

• 1단계는 생체 유기 물질(종종 나무지만 천연 섬유 및 종이)을 탄소 템플릿으로 분해하는 것입니다.
• 2단계는 탄소 템플릿을 변형 또는 대체를 통해 세라믹 또는 복합 구조로 변환하는 것입니다.

두 방법 모두 본질적으로 다공성 매질이기 때문에 선택한 재료에 의한 탄소 템플릿의 침투가 필요합니다. 물질은 기체 상태, 액체 상태 또는 나노입자 형태여야 합니다[9].
변환에는 탄소 주형을 기체, 용융 또는 졸-겔을 비롯한 다양한 형태의 Si 또는 Ti와 혼합하는 것이 포함됩니다. 9][10]. 대체는 세라믹 산화물이 템플릿에 졸-겔 또는 나노 입자로 증착된 다음 소결되는 경우입니다[9][10].

이 두 경로 모두 초기 목재의 형태를 기반으로 하는 미세다공성 형태를 갖는 다공성 또는 조밀한 물질을 생성할 수 있습니다[10]. 이러한 형태의 가공은 목재 템플릿을 필요한 모양으로 성형하여 합성물의 형상을 쉽게 변경할 수 있기 때문에 다양한 설계 옵션을 제공합니다. 이는 최종 제품을 성형하거나 기계로 가공하는 것보다 훨씬 쉬운 프로세스입니다. 템플릿용 목재 선택을 통해 재료의 형태를 맞춤화하는 옵션도 있습니다. 예를 들어, 침엽수는 단일 모드 기공 분포를 제공하는 반면 특정 활엽수는 다중 모드 기공 분포를 제공합니다[10].

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그림 4:탄화 목재 기판에 형성된 TiC 결정의 SEM 이미지. [9]

이러한 탄화 목재 복합 재료는 아직 대중 시장에 도달하지 않았지만 높은 다공성(필터, 열교환기 및 촉매 지지 구조)과 성형성(세라믹 튜브 및 내마모성 재료)이 유리할 수 있는 다양한 응용 분야에서 고려되고 있습니다. 많은 애플리케이션 [9][10][11].

나무에서 추출한 탄소 섬유

탄소 섬유(CF)는 중량 대비 강도 비율이 뛰어나 강화 플라스틱과 결합하면 매우 효과적인 경량 복합 재료가 됩니다. 그러나 상대적으로 높은 비용으로 인해 풍력 터빈 블레이드, 포뮬러 1 자동차 및 항공 우주 부품과 같은 주로 고급 응용 프로그램에 제한됩니다. 그들은 아직 자동차 응용 분야, 에너지 부문 및 건설[12]에 널리 사용되지 않았으며, 이러한 응용 분야에서 응용 프로그램은 에너지 효율을 크게 개선하고 CO2 배출을 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어, 자동차의 무게를 10% 줄이면 연비가 약 7% 향상될 수 있습니다[12].

CF의 높은 비용은 상대적으로 비싼 재료인 화석 기반 폴리아크릴로니트릴(PAN)[12][13]을 사용하여 주로 제조(>96%)되기 때문입니다. 이는 용액 방사, 일련의 열처리(200-350ºC) 및 탄화(> 1000ºC)를 통해 탄소 섬유로 처리됩니다[12]. 이 가격 문제를 극복하기 위해 연구에서는 화석 연료의 사용을 피하면서 가급적이면 재생 가능한 자원에서 저렴한 전구체 물질을 찾으려고 노력했습니다.

리그닌과 셀룰로스[12][13]의 두 가지 재료가 실행 가능한 후보로 떠올랐습니다.

리그닌은 탄소 함량이 높기 때문에 전환 후 높은 수율의 CF가 가능합니다[12]. 셀룰로오스는 PAN CF와 동등한 기계적 특성을 가진 CF를 생성할 수 있는 능력을 부여하는 유익한 분자 구조에 사용됩니다[13]. 그러나 이 두 재료 모두 문제가 있습니다. 리그닌의 구조적 이질성으로 인해 생성된 CF의 기계적 특성이 열등하고 셀룰로오스의 낮은 탄소 함량은 낮은 전환 수율(10-30%)을 의미하기 때문입니다[12][13].

보시다시피, 하나의 단점은 다른 하나의 장점입니다. 따라서 연구자들은 침엽수 크라프트 리그닌과 크라프트 펄프(셀룰로오스)의 70:30 혼합을 사용하여 이 두 재료를 결합했습니다. 13].

속성	전구 재료
	표준 및 중급 PAN [14][15]	셀룰로오스 [12]	리그닌 [12]	70:30 리그닌-셀룰로오스 혼합 [12]
인장 계수(GPa)	200-400	500>	30-60	76 - 77
인장 강도(MPa)	4000 - 6000	2500>	400-550	1070 - 1170
수율(중량%)	40-55	10-30	40-55	38-40

표 2:다양한 전구체 물질로 형성된 CF의 특성[1]

표 2에서 우리는 이 블렌드가 리그닌에 비해 기계적 특성을 개선하고 셀룰로오스에 비해 수율을 개선한다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 기계적 물성과 수율은 PAN CF보다 낮습니다. 이는 에너지, 건설 및 자동차 분야에서 예상되는 응용 분야에서 PAN 기반 CF가 제공하는> 3GPa 인장 강도를 요구하지 않기 때문에 주요 장벽이 아닙니다. 따라서 블렌드는 이러한 요구 사항을 적절하게 충족할 수 있습니다.
제조 중 동적 장력 및 배치에서 연속으로 제조 변경과 같은 몇 가지 문제가 대량 제조에 들어가기 전에 있습니다. 우리는 아직 상업적 수준의 생산이 몇 년이나 남았습니다[13]. 그럼에도 불구하고 탄소 섬유 대중 시장의 핵심은 목재일 수 있습니다.

결론

바라건대, 이 기사는 목재가 구조적/기능적 재료이자 새로운 재료로 가공하기 위한 기반으로서 아직 미개척 잠재력이 있음을 보여주었습니다. 이 기사는 해당 분야의 현재 발전에 대한 약간의 내용을 다루고 있으며, 이러한 주제 중 하나는 하이브리드 목재 재료 또는 목재용 나노충전재를 포함하여 자체 기사를 작성할 가치가 있습니다. 나무의 미개척 가능성을 더욱 강조하기 위해 교토 대학에서는 나무 위성을 우주로 보내는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이것은 목재의 잠재력을 최대한 활용하려는 시도의 시작일 뿐입니다.