Abstract
This study was performed to investigate: (i) the bending processing properties of silk worm oak (Quercus acutissima Carr.) and Korean red pine (Pinus densiflora S. et Z.) by boiling and steaming treatments; (ii) the effects of interrelated factors - sapwood and heartwood, annual ring placement, softening temperature and time, moisture content. and wood defects on bending processing properties; (iii) the changing rates of bending radii after release from a tension strap, and (iv) the improving methods of bending process by treatment with chemicals. The size of specimens tested was $15{\times}15{\times}350mm$ for boiling and steaming treatments and $5{\times}10{\times}200mm$ for treatments with chemicals. The specimens were green for boiling treatments and dried to 15 percent for steaming treatments. The specimens for treatments with chemicals were soaked in saturated urea solution, 35 percent formaldehyde solution, 25 percent polyethylene glycol -400 solution, and 25 percent ammonium hydroxide solution for 5 days and immediately followed the bending process, respectively. The results obtained were as follows: 1. The internal temperature of silk worm oak and Korean red pine by boiling and steaming time was raised slowly to $30^{\circ}C$ but rapidly from $30^{\circ}C$ to $80-90^{\circ}C$ and then slowly from $80-90^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$. 2. The softening time required to the final temperature was directly proportional to the thickness of specimen. The time required from $25^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$ for 15mm-squared specimen was 9.6-11.2 minutes in silk worm oak and 7.6-8.1 minutes in Korean red pine. 3. The moisture content (M.C.) of specimen by steaming time was increased rapidly first 4 minutes in the both species, and moderately from 4 to 20 minutes and then slowly and constantly in silk worm oak, and moderately from 4 to 15 minutes and then slowly and constantly in Korean red pine. The M.C. of 15mm-squared specimen in 50 minutes of steaming was increased to 18.0 percent in the oak and 22.4 percent in the pine from the initial conditioned M.C. of 15 percent The rate of moisture adsorption measured was therefore faster in the pine than in the oak. 4. The mechanical properties of the both species were decreased significantly with the increase of boiling rime. The decrement by the boiling treatment for 60 minutes was measured to 36.6-45.0 percent in compressive strength, 12.5-17.5 percent in tensile strength, 31.6-40.9 percent in modulus of rupture, and 23.3-34.6 percent in modulus of elasticity. 5. The minimum bending radius (M.B.R.) of sapwood and heartwood was 60-80 mm and 90 mm in silk worm oak, and 260 - 300 mm and 280 - 300 mm in Korean red pine, respectively. Therefore, the both species showed better bending processing properties in sapwood than in heartwood. 6. The M.B.R. of edge-grained and flat-grained specimen in suk worm oak was 60-80 mm, but the M.B.R. in Korean red pine was 240-280 mm and 260-360 mm, respectively. Comparing the M.B.R. of edge-grained with flat-grained specimen, in the pine the edge-grained showed better bending processing property than the flat-grained. 7. The bending processing properties of the both species were improved by the rising of softening temperature from $40^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$. The minimum softening temperature for bending was $90^{\circ}C$ in silk worm oak and $80^{\circ}C$ in Korean red pine, and the dependency of softening temperature for bending was therefore higher in the oak than in the pine. 8. The bending processing properties of the both species were improved by the increase of softening time as well as temperature, but even after the internal temperature of specimen reaching to the final temperature, somewhat prolonged softening was required to obtain the best plastic conditions. The minimum softening time for bending of 15 mm-squared silk worm oak and Korean red pine specimen was 15 and 10 minutes in the boiling treatment, and 30 and 20 minutes in the steaming treatment, respectively. 9. The optimum M.C. for bending of silk worm oak was 20 percent, and the M.C. above fiber saturation point rather degraded the bending processing property, whereas the optimum M.C. of Korean red pine needed to be above 30 percent. 10. The bending works in the optimum conditions obtained as seen in Table 24 showed that the M.B.R. of silk worm oak and Korean red pine was 80 mm and 240 mm in the boiling treatment, and 50 mm and 280 mm in the steaming treatment, respectively. Therefore, the bending processing property of the oak was better in the steaming than in the boiling treatment, but that of the pine better in the boiling than in the steaming treatment. 11. In the bending without a tension strap, the radio r/t of the minimum bending radius t to the thickness t of silk worm oak and Korean red pine specimen amounted to 16.0 and 21.3 in the boiling treatment, and 17.3 and 24.0 in the steaming treatment, respectively. But in the bending with a tension strap, the r/t of the oak and the pine specimen decreased to 5.3 and 16.0 in t he boiling treatment, and 3.3 and 18.7 in the steaming treatment, respectively. Therefore, the bending processing properties of the both species were significantly improved by the strap. 12. The effect of pin knot on the degradation of bending processing property was very severe in silk worm oak by side, e.g. 90 percent of the oak specimens with pin knot on the concave side were ruptured when bent to a 100 mm radius but only 10 percent of the other specimens with pin knot on the convex side were ruptured. 13. The changing rate in the bending radius of specimen bent to a 300 mm radius after 30 days of exposure to room temperature conditions was measured to 4.0-10.3 percent in the boiling treatment and 13,0-15.0 percent in the steaming treatment. Therefore, the degree of spring back after release was higher in the steaming than in the boiling treatment. And the changing rate of moisture-proofing treated specimen by expoxy resin coating was only -1.0.0 percent. 14. Formaldehyde, 35 percent solution, and 25 percent polyethylene glycol-400 solution found no effect on the plasticization of the both species, but saturated urea solution and 25 percent ammonium hydroxide solution found significant effect in comparison to non-treated specimen. But the effect of the treatment with chemicals alone was inferior to that of the steaming treatment, and the steaming treatment after the treatment with chemicals improved 10-24 percent over the bending processing property of steam-bent specimen. 15. Three plasticity coefficients - load-strain coefficient, strain coefficient, and energy coefficient - were evaluated to be appropriate for the index of bending processing property because the coefficients had highly significant correlation with the bending radius. The fitness of the coefficients as the index was good at load-strain coefficient, energy coefficient, and strain coefficient, in order.
본(本) 시험(試驗)은 국내(國內) 활엽수로서 중요한 참나무속(屬)의 상수리나무와 침엽수(針葉樹)의 대표적(代表的) 수종(樹種)인 소나무를 공시목(公試木)으로 선정(選定)하여 곡목가공분야(曲木加工分野)에서 널리 이용(利用)하는 자비법(煮沸法)과 증자법(蒸煮法)에 의한 휨가공성(加工性)을 조사(調査)하고, 이에 관련(關聯)된 인자(因子)로서 변(邊) 심재(心材), 연륜각도(年輪角度), 연화처리온도(軟化處理溫度), 연화처리시간(軟化處理時間), 목재함수율(木材含水率) 및 목재결함(木材缺陷) 등(等)의 영향(影響)과 휨가공(加工)후의 곡율반경변화(曲率半經變化) 및 약제처리(藥劑處理)에 의한 휨가공성(加工性)의 개선방법(改善方法)을 구명(究明)하기 위하여 실시(實施)되었다. 이 때 사용(使用)된 자비(煮沸)와 증자처리용(蒸煮處理用) 시편(試片)의 크기는 두께와 너비 15mm, 길이 350mm이고 약제처리용시편(藥劑處理試片)의 크기는 두께 5mm, 너비 10mm 및 길이 200mm로 제작(製作)하였으며, 시편(試片)의 함수율(含水率)은 자비처리(煮沸處理)에는 생재(生材)를 사용(使用)하고 증자처리(蒸煮處理)에는 15%로 조습(調濕)된 건조재(乾燥材)를 사용(使用)하였다. 또한 약제처리(藥劑處理)는 포화요소용액(飽和尿素溶液), 35% 포르말린 용액(溶液), 25% 폴리에칠렌(400) 수용액(水溶液) 및 25% 암모니아수에 5일간(日間) 상온(常溫)으로 침지(浸漬)한 우 휨가공(加工)을 행하였다. 본(本) 시험(試驗)에서 얻은 결과(結果)를 요약(要約)하면 다음과 같다. 1. 상수리나무와 소나무의 목재내부온도(木材內部溫度)는 자비(煮沸) 또는 증자처리시간(蒸煮處理時間)에 따라 초기(初期) 약(約) $30^{\circ}C$까지 완만(緩慢)한 상승(上昇)을 보이다가 그 후 직선적(直線的)으로 급상승(急上昇)하며 후기(後期) $80{\sim}90^{\circ}C$부터는 다시 완만(緩慢)해지는 경향(傾向)을 나타냈다. 2. 최종온도(最終溫度) $100^{\circ}C$까지 도달(到達)하는 데 소요(所要)되는 연화처리시간(軟化處理時間)은 목재(木材)의 두께에 비례(比例)하며 두께 15mm 각재(角材)에 대한 $25^{\circ}C$에서 $100^{\circ}C$까지의 소요시간(所要時間)은 상수리나무 9.6~11.2분(分), 소나무 7.6~8.1분(分)으로서 소나무의 연화속도(軟化速度)가 보다 빠르게 나타났다. 3. 증자처리시간(蒸煮處理時間)의 경과(經過)에 따른 목재(木材)의 함수율증가경향(含水率增加傾向)은 처음 약(約)4분(分)까지 급증(急增)하나 그후 점차(漸次) 둔화(鈍化)되어 상수리나무는 20분(分), 소나무는 15분경(分頃)부터 거의 직선적(直線的)으로 완만(緩慢)하게 증가(增加)하는 경향(傾向)을 나타냈다. 두께 15mm 각재(角材)에 대한 초기함수율(初期含水率) 15%에서 50분간(分間) 증자처리(蒸煮處理) 후의 함수율증가량(含水率增加量)은 상수리나무 3.6%, 소나무 7.4%로서 소나무의 흡습속도(吸濕速度)가 빠르게 나타났다. 4. 자비처리시간(煮沸處理時間)이 경과(經過)함에 따라 두 수종(樹種) 모두 기계적(機械的) 성질(性質)이 현저하게 감소(減少)하였으며, 60분간(分間) 자비처리(煮沸處理)에 의한 기계적(機械的) 성질(性質)의 감소율)減少率)은 압축강도(壓縮强度) 35.6~45.0%, 인장간도(引張强度) 12.5~17.5%, 휨강도(强度) 31.6~40.9% 및 휨탄성계수(彈性係數) 23.3~34.6%로 나타났다. 5. 변재(邊材)와 심재별(心材別) 최소곡률반경(最小曲律半徑)은 각각(各各) 상수리나무에서 60~80mm 및 90mm, 소나무에서 260~300mm 및 280~300mm로 두 수종(樹種) 모두 변재(邊材)의 휨가공성(加工性)이 양호하였다. 6. 상수리나무의 정목재(柾木材)와 판목재별(板目材別) 최소곡률반경(最小曲律半徑)은 모두 60~80mm로서 차이(差異)가 없었으나 소나무에서는 각각(各各) 240~280mm 및 260~300mm로 정목재(柾木材) 휨가공성(加工性)이 양호하였다. 7. 연화처리온도(軟化處理溫度)가 증가(增加)할수록 상수리나무와 소나무 모두 휨가공성(加工性)이 향상(向上)되었으며 휨가공(加工)을 위한 최저처리온도(最低處理溫度)는 각각(各各) $90^{\circ}C$ 및 $80^{\circ}C$로서 처리온도(處理溫度)에 대한 의존도(依存度)는 상수리나무에서 약간 높게 나타났다. 8. 연화처리시간(軟化處理時間)이 증가(增加)할수록 상승온도(上昇溫度)와 상응(相應)하여 휨가공성(加工性)을 향상(向上)시켰으나 최종온도(最終溫度)에 도달(到達)한 후에도 계속 연화(軟化)을 지속(持續)해야 비로서 최적연화상태(最適軟化狀態)를 나타냈다. 휨가공(加工)을 위한 최소처리시간(最少處理時間) 두께 15mm 각재(角材)에 대하여 상수리나무에서 자비처리시(煮沸處理時) 10분(分), 증자처리시(蒸煮處理時) 30분(分) 및 소나무에서 자비처리시(煮沸處理時) 10분(分), 증자처리시(蒸煮處理時) 20분(分)으로 나타났다. 9. 휨가공(加工)을 위한 상수리나무의 적정함수율(適定含水率)은 20%로 나타났으며 섬유포화점(纖維飽和點) 이상(以上)에서는 오히려 휨가공성(加工性)이 저하(低下)되었다. 반면(反面)에 소나무의 적정함수율(適定含水率)은 30% 이상(以上)을 필요(必要)로 하였다. 10. 본(本) 시험(試驗)에서 얻은 최적조건(最適條件)(Table 19)으로 휨가공(加工)을 실시(實施)한 결과(結果) 상수리나무의 최소곡률반경(最小曲律半徑)은 자비처리시(煮沸處理時) 80 mm, 증자처리시(蒸煮處理時) 50 mm이고 소나무에서는 자비처리시(煮沸處理時) 240 mm, 증자처리시(蒸煮處理時) 280 mm로서 상수리나무는 증자처리(蒸煮處理)의 연화효과(軟化效果)가 양호하였으나 소나무는 자비처리(煮沸處理)가 양호하였다. 11. 인장대철(引張帶鐵) 사용(使用)하지 않았을 경우 상수리나무와 소나무의 시편(試片)두께(t)와 최소곡률반경(最小曲律半徑)(r)의 비(比)(r/t)는 각각(各各) 자비처리시(煮沸處理時) 16.0 및 21.3, 증자처리시(蒸煮處理時) 17.3 및 24.0으로 나타났으나 인장대철(引張帶鐵) 사용(使用)하였을 때는 각각(各各) 자비처리시(煮沸處理時) 5.3 및 16.0, 증자처리시(蒸煮處理時) 3.3 및 18.7로서 휨가공성(加工性)의 현저한 향상(向上)을 나타냈다. 12. 미소(微小)한 옹이의 위치별(位置別) 상수리나무의 휨가공성(加工性)에 미치는 영향(影響)은 매우 심하게 나타났는 데 특히 옹이의 의치(位置)를 휨재(材)의 압축측(壓縮側)에 두고 곡률반경(曲律半徑) 100 mm로 휨가공(加工)하였을 때는 파양율(破壤率)이 90%로서 거의 휨가공(加工)이 불가능(不可能)하였다. 그러나 옹이를 인장측(引張側)에 두었을 경우에는 파양율(破壤率)이 10%에 불과(不過)하였다. 13. 곡률반경(曲律半徑) 300 mm로 휨가공(加工) 후 30 일간(日間) 실내조건(室內條件)에서 방치(放置)하였을 때의 곡률반경변화율(曲律半徑變化率)은 자비처리시(煮沸處理時) 4.0~10.3%, 증자처리시(蒸煮處理時) 13.0~15.0%로서 증자처리(蒸煮處理)에 의한 복원현상(復元現象)이 자비처리(煮沸處理)보다 심하게 나타났으며 에폭시수지(樹脂)를 도포(塗布)하여 방습처리(防濕處理) 하였을 경우에는 곡률반경변화율(曲律半徑變化率)이 -10~0%에 불과(不過)하였다. 14. 약제처리(藥劑處理)에 의한 가소성(可塑性) 효과(效果)는 35% 포르말린 용액(溶液)과 25% 폴리에칠렌 글리콜(400) 수용액(水溶液)에서는 나타나지 않았고 포화요소용액(飽和尿素溶液)과 25% 암모니아수에서는 나타났으나 증자처리(蒸煮處理)의 효과(效果)에는 미치지 못하였다. 그러나 약제처리(藥劑處理) 후 증자처리(蒸煮處理)를 병용실시(倂用實施)하였을 때는 증자처리(蒸煮處理)보다 10~24% 휨가공성(加工性)이 향상(向上)되었다. 15. 소서계수(塑性係數)와 곡률반경(曲律半徑)과의 관계(關係)는 하중(荷重)-변형계수(變形係數), 변형계수(變形係數) 및 에너지계수(係數) 모두 1% 수준(水準)에서 유의적(有意的)인 상관(相關)이 인정(認定)되므로 휨 가공용재(加工用材)의 품질지표(品質指標)로서 적합(適合)하였고 적합도(適合度)는 하중(荷重)-변형계수(變形係數), 에너지계수(係數) 및 변형계수(變形係數)의 순(順)으로 크게 나타났다.