제 1 장 목재의 접착과 접착제

제 1 절 접착

1. 접착의 개념

어떤 물질을 개입시켜 두 물체를 결합시키는 현상을 접착(adhesion)이라 하며, 이때 사용된 개입 물질을 접착제(adhesive, glue), 접착의 대상이 되는 물질을 피착재(adherent)라고 한다. 목재의 접착에서는 목재가 피착재가 된다.

목재의 접착은 목재 및 목질재료의 제조공정의 효율성과 경제성을 높이는데 매우 중요하고도 큰 역할을 담당하고 있다. 목재접착의 역사는 기원전 3,500년 전 이상까지 거슬러 올라가며 고고학적 발굴성과에 의하면 이집트 파라오 왕조시대에 이미 카제인(casein)계통의 접착제가 사용되었다고 전해진다. 목재접착의 획기적인 발전은 20세기 들어 개발된 합성수지 계통의 접착제이며, 특히 세계 2차 대전을 전후로 하여 필요한 막대한 양의 군수물자를 공급하기 위해 각종 접착제가 개발되어 현재에 이르고 있다.

목재의 접착은 임산업에서 차지하는 비중이 아주 높으며 목재자원을 효율적으로 이용하는 하나의 중요한 key factor가 된다. 접착제의 주 용도는 합판, OSB, 파티클보오드, 파이버보오드, 구조용 복합재, 문/창의 틀 및 기타 적층재료의 제조에 사용되며, 가구나 캐비넷, 공학목재, 주거용 및 상업용 건축에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다.

다양한 형태의 접착제가 목재의 접착에 사용되었지만 2차 대전 전까지만 해도 모두 천연계 접착제가 대부분이었으며 이 후로 개발된 접착제는 모두 합성수지 계통의 접착제이며 현재 거의 대부분의 접착제가 여기에 해당된다.  이는 합성수지 접착제가 천연계 접착제에 비하여 높은 내수성, 내구성, 강도성능을 보유하고 있기 때문이며 목재산업에서 중요한 중추기능을 담당하고 있다.

2. 접착의 이론적 배경

접착은 인접분자간의 접착력을 의미한다. 이 접착력은 분자들이 매우 가까이(3×10-8cm 이하) 위치할 때 서로 잡아당기는 현상이며, 목재와 같은 고체분자들은 표면의 불균일성과 수분, 먼지 등의 존재로 두 분자간의 이런 접촉거리를 얻기가 사실상 불가능하다. 따라서 목재의 접착은 접착제의 사용에 의하여 이루어지며 가장 큰 영향을 접착제로부터 받는다.

접착제는 요소사이에서 하중을 전달하고 분산시키므로 목제품의 강도와 탄성을 증대시켜 준다. 한 부재에서 다른 부재로 응력이 효율적으로 전달된다는 것은 접착시스템의 가상적인 연결선상에 있는 체인의 강도에 의존한다. 따라서 접착된 접합부의 성능은 개별 독립된 연결부위의 성능에 공헌하는 복합인자가 얼마나 접착공정상에서 잘 제어되는가에 따라 다르며 이것이 각 체인의 강도를 결정하게 된다. 이들의 관계는 다음 그림과 같다.

1번 체인 – 접착층

2번/3번 체인 – 접착제의 계면

4번/5번 체인 – 접착제와 목재의 경계면

6번/7번 체인 – 목재의 계면

8번/9번 체인 – 목재

접착제는 접착될 면을 습윤시키고 경화 후 결합부(glue joint)를 형성한다. 이때 결합부를 형성하는 요인은 경화된 접착제와 목재의 공극사이에서 일어나는 가교결합(interlocking network)에 따른 기계적 접착(mechanical adhesion)과 분자력에 근거한 비접착(specific adhesion)으로 구분된다.

1) 기계적 접착

접착제가 피착재의 표면에 존재하는 공극에 침입하여 고화(solidification)되어 양 피착재간에서 미세한 쐐기와 같은 작용(투묘작용, anchoring)을 함으로써 접착된다는 이론으로 가장 기초적인 이론이다. 이 이론에 따르면 목재 표면에 도포된 접착제가 노출된 관공 등과 같은 공극에 침입하여 굳어져서 투묘작용을 나타내 접착이 이루어진다고 본다. 접착제는 모세관력에 의해 도관이나 다른 세포의 노출된 빈 공극으로 침입하여 접착이 이루어진다고 보며 그 양상을 아래 그림에 나타내었다. 이때 접착제의 농도가 너무 낮거나 압력이 너무 과도할 경우 접착제가 유실되어 결교(starved joint) 현상을 일으켜 접착력이 떨어지게 된다.

1: 주 접착층, 2: 접착층 외부, 3: 기포, 4: 관공 (도관요소), 5: 방사유세포, 6: 목섬유

그림 1. 기계적 접착설을  설명하는 모식도

수용성 접착제는 공극 뿐 만이 아니라 세포벽 내부 즉 마이크로피브릴(microfibril)의 사이까지도 침입하게 되어 투묘작용을 일으키게 되는 연결점의 수가 많아지게 된다. 그러나 유리, 플라스틱, 금속과 같이 공극을 지니지 않는 물질의 접착과 밀도가 높은 열대산재를 비수용성 접착제로 접착하는 경우에는 이 이론으로 접착을 잘 설명할 수가 없다. 또한 경화된 접착제가 공극 내에서 수축할 뿐만이 아니라 세포벽과 항상 연결되어 있지 않다는 점 등으로 볼 때 이 이론으로 접착을 충분히 설명할 수 있다고 보기는 어렵다. 현재는 목재의 접착에서 기계적 접착에 의한 접착력은 총 접착력에서 그 역할이 작은 것으로 알려져 있다.

2) 비접착

접착제가 피착재 사이에서 균일하면서도 연속적인 얇은 막의 층을 형성함으로써 접착제 분자와 피착재 분자 간에 반데르발스(Van der Waals)힘이나 수소결합이 작용하여 접착된다는 이론이다. 분자 간 인력이 접착제와 피착재 사이의 양극성(polarity)에 의해 영향을 받는 점을 고려해 본다면 접착제와 피착재 모두가 극성이 같아야 강한 접착력을  얻을 수 있다. 목재는 셀룰로오스(cellulose) 분자내의 수산기(-OH)로 인하여 극성을 띠게 되므로 목재용 접착제로 적절한 것은 극성을 가지는  물질이어야 상호간의 접착이 가능하다. 반데르발스(Van der Waals)힘이나 수소결합은 접착력에서 매우 중요한 의미를 가지며 목재와 접착제간의 접촉면적(contact area)이 높은 경우에 특히 그러하다. 티크와 같은 일부 수종에서 추출물은 접착제와의 직접적인 접촉을 방해하므로 화학적으로 약한 계면을 야기시켜 접착력이 나빠진다.

비접착과 관련하여 이론상의 최대접착력과 그 접착력이 발현되지 못하는 이유는 여러 인자에 의하여 영향을 받으며 그 관계를 다음 그림에 나타내었다.

A; 최대 접착력 - 분자간 인력

B; 고유 접착력 - 분자간 인력

L; 불완전한 습윤으로 인한 손실

C; 접착의 잔류강도

S; 접착의 내부 응력

E/F; 실험의 오류, 결함으로 인한 손실

D; 측정된 접착력

그림 2. 비접착에 영향을 미치는 인자들

화학적 구조와 상호작용은 기계적 성질을 결정하며 기계적인 성질은 개별 화학적 결합에 집중되는 힘을 결정한다. 따라서 기계적, 화학적인 측면은 서로 연결되어 있으며 서로 다른 것으로 취급해서는 안된다.

3) 접착력을 발현하는 힘

(1) 분자간의 인력

두 물체의 경계면의 최전선에 있는 분자사이의 인력, 즉 서로 잡아당기는 힘을 접착력이라 한다.  접착력의 본체라고 생각되어 것은 주로 Van der Waals 힘과 수소결합이며, 접착력이 발현되는 이유는 대부분 분자간의 서로 잡아당기는 힘에 의한 것이다.

(2) 단순한 역학적인 작용

접착제의 작용을 못과 같은 기계적인 결합작용으로 생각하는 것이 역학적인 접착의 개념이며, 이것은 두 물질간의 요철부가 지퍼의 형태로 물려서 탄성적으로 죄어지는 지퍼효과와 고체의 오목한 부분에 접착제가 유입되어 굳어짐에 따라 빠지지 못하게 되어 나타나는 접착 효과(투묘효과)로 설명된다.

(3) 점착

접착의 유변학적인 특성을 나타내는 것으로 접착제 자체가 끈적끈적한 물질이고 그것을 피착재로부터 떼어낼 때, 점탄성적인 변형 때문에 상당한 힘을 필요로 한다. 점착성을 지닌 물질은 매우 가벼운 힘으로도 피착재의 표면과 접촉하여 바로 결합을 형성할 수 있으며, 파괴될 때는 일반 접착제에 의해서 접착된 물질사이의 파괴와는 달리 점착제와 피착재의 계면에서의 접착성은 마지막 순간까지 변하지 않고 붙어 있게 된다.

4) 접착과 연관된 화학에너지

일반적으로 접착에 관여하게 되는 에너지(힘)으로는 1차 결합, 2차 결합, 및 수소결합 등이 있으며 그들의 결합거리 및 에너지는 아래 표와 같다.

(1) 1차 결합

1차 결합은 화학적인 결합이며 원자 간의 인력이라고 볼 수 있다. 만약 접착제와 피착재가 1차 결합을 이루는 경우 매우 강력한 결합을 이룬다고 할 수 있으나 실제의 접착에서는 접착제와 피착재간에 1차 결합이 이루어진다고 해도 1차 결합에 의한 힘의 모두가 발현되지는 못한다. 흔히 1차 결합을 이룬다고 생각하는 접착제의 예로는 폴리우레탄계 접착제를 들 수 있는 데 이 접착제가 가지는 -NC기가 목재와 같은 피착재의 -OH기 등과 결합하여 우레탄결합(-NCO)을 형성한다고 추정되고 있다.

표 1. 결합이 생기는 분자간 거리

종 류	결합 거리(Å)	에너지(kcal/mol)
1차 결합 수소 결합 2차 결합	1～2 2～3 5～10	10～100 3～5 0.5～5

(2) 2차 결합

일반적으로 접착력에서 말하는 Van der Waals 힘은 다음 세 가지로 나눌 수 있다.  이 힘은

[eqn: V=V _{1} +V _{2} +V _{3}]

로 나타낼 수 있는데,  V1은 극성에 의해 나타나는 힘으로 배향력(극성력)이라고도 한다. 이것은 접착제와 피착재의 각 분자 중의 전기적인 쌍극자에 기인하는 힘으로 분자 중에 -OH, -COOH, -NH2 등의 극성기를 갖는 경우가 해당된다.  V2는 비극성 분자와 극성 분자 사이에 나타나는 힘으로 유기력이라고 한다. 접착제와 피착재 가운데 어느 한 쪽이 극성인 경우 비극성의 분자가 극성분자에 가까워지면서 분극되어 서로 끌어당기게 되는 것이다. V3은 비극성의 분자들에 의해 나타나는 힘으로 분산력이라고 한다. 이것은 접착제와 피착재가 모두 비극성인 경우에 각각의 분자가 가까워지면서 일시적으로 쌍극자가 생겨서 끌어  당기는 힘이 작용하는 것이다. 따라서 접착력에서 말하는 Van der Waals 힘은 위의 세 가지 힘들의 총합으로 나타나게 된다.

(3) 수소결합

접착제와 피착재 가운데 HF, NH, OH 결합을 가진 화합물의 H원자가 다른 분자의 F, O, N 등의 원자와 약한 결합을 이루어 전기음성도가 큰 두 원자 사이에 H 원자가 다리를 놓은 꼴의 구조를 가진 결합을 말한다.

그림 3. 화학적 접착의 양상

a. 분산력(폴리우레탄) b. 쌍극자 결합(반데르 발스결합)(폴리에스테르)c. 수소결합(셀룰로오스/페놀) d. 이온결합

위와 같은 각종 결합양식은 접착제나 피착재 분자의 화학적인 구조 등에 따라 달라지게되며 일반적으로 접착에서는 2차 결합이 가장 중요한 결합이라고 볼 수 있다. 이 힘은 분자들의 미끄러짐(sliding)에 저항하는 주요소이며 이 힘이 없으면 고체, 액체의 상의 존재가 불가능하기 때문이다.

3. 목재 표면의 상태

접착이 되기 위해서는 접착이 이루어질 양 재면이 완전히 접촉되어야하는데 이는 접착될 재면이 평활하면서도 깨끗해야 된다는 것을 의미한다(그림 4 참조). 완전히 평활한 재면은 얻기가 실제로 불가능하며, 특히 목재의 경우 공극을 지니는 해부학적 구조로 인해 더욱 어렵다. 따라서 긴밀한 접촉은 접착제에 의해 이루어질 수가 있는데 목재의 경우 접착제가 재면 사이의 불균일한 간극을 메워주기 때문에 가능해 진다. 그러나 접착제와 목재 사이의 인력을 발달시키기 위해서는 목재의 표면이 깨끗해야 하는데 이는 대기 중의 먼지, 수분 또는 기름, 눈에 띄는 오염원 등이 강한 접착력의 형성을 방해하기 때문이다. 이러한 여러 이유로 인해 접착하고자 하는 면은 접착 공정 직전에 대패질로 재면을 잘 조정해 주어야 한다.

그림 4. 접착되는 면의 형상에 따른 접착                              양상

a. 깨끗이 조정된 재면 b. 파괴되고 헝클어진 재면

4. 습윤성

접착제에 의한 목재의 습윤성은 목재의 표면에 대한 접촉각으로 측정되는데 아래 그림에서 보듯이 접촉각이 작을수록 습윤성이 커진다. 따라서 강한 접착력을 얻기 위해서는 접촉각이 작을수록 좋다. 이는 습윤성이 클수록 접착제가 피착재의 표면에서 면적이 확대되어 얇은 접착층을 형성하게 되고 접착제와 피착재 사이에 분자 간 인력이 작용하게 되므로 양호한 접착이 이루어질 수 있기 때문이다.

습윤성은 여러 인자에 의해 영향을 받게 되는데 표면장력, 온도, 점도와 같이 접착제에 관련된 것 그리고 비중, 공극성 및 추출물과 같이 목재에 관련된 것이 있다. 비중이 낮은 목재, 즉 공극성이 큰 목재는 습윤성이 양호하며 반면에 추출물의 양이 많거나 테르펜(terpene)이나 지방산(fatty acid)과 같은 비극성 추출물이 존재하는 경우 나쁜 영향을 받게 된다.

그림 5. 접착되는 면의 표면가공 정도에 따른 습윤성의 변화

a. 조정이 안된 재면 b. 320번 샌드페이퍼로 2번 작업한 재면  c. 320번 샌드페이퍼로 4번 작업한 재면

5. 접착경화

경화(curing)는 액상의 접착제로부터 화학적, 물리적 작용에 의해 강한 고형의 막을 형성하는 것을 의미하며 접착제는 보통 다음과 같은 3가지 기작 중 하나 또는 그 이상의 혼합작용에 의해 경화된다.

1) 용제 손실(Loss of solvent)

이 기작은 중합접착제로서 표면이 도장된 후 단순히 용제를 잃는 방법이며 만약 목재와 같은 다공질 물질과 접한다면 용제는 이들을 통하여 확산될 것이다. 다공성 피착제는 도장된 후 점성상태로 될 때 까지 용제휘발이 될 수 있도록 공기 중에 노출시켜야 한다. 용제형 접착제와 폴리비닐아세테이트(PVA) 에멀젼이 이 기작의 전형적인 예이다.

2) 액체고화(Solidification by cooling)

용융된 중합체의 접착제는 융점으로부터 냉각되어 고형의 막을 형성한다. 이와 같은 기작은 100% 고체이고 용제손실 기작보다 수축이 적으며, 주기시간(cycle time)이 매우 짧을 수 있고 핫 멜트(hot melt) 접착제가 그 예이며 수교(animal glue)는 용제손실과 냉각의 혼합작용이고 혈액알부민 접착제는 용제손실과 응고 및 냉각의 혼합작용이라고 할 수 있다.

3) 화학적 경화(Polymerization)

단량체 또는 소중합체 조건으로 시용되는 접착제는 경화되는 동안 가교결합을 형성한다. 에폭시(epoxy) 접착제와 페놀수지 접착제가 그 예이며 경화제 또는 촉매를 사용함으로써 이루어진다. 경화제는 경화공정 중에서 사용되며 분말 또는 액상 상태로 공급되고 이들은 마지막 가교결합구조의 한 부분이 되며 혼합 후에 활성화 된다. 경화제 첨가 시 접착제의 단가 인하와 침투성능 또는 점도의 향상을 위하여 충전제를 혼합하여 쓰기도 한다. 촉매는 접착제 성분의 반응을 더욱 촉진시키기 위하여 첨가하는 것으로 최종적인 접착제 막의 중요한 부분을 형성하지는 않는다.  열은 가교결합을 촉진시키는 가장 보편적인 방법으로 주요 목재용 접착제는 열경화성 수지가 대부분이다.

제 2 절 목재의 접착과 접착제

1. 목재의 접착력

목재는 다공성의 천연물질이기 때문에 접착이론을 적용할 때 다른 재료의 접착과는 상당한 차이가 있다. 목재는 그 자체가 다공성의 물질이기 때문에 기계적 접착이 비접착 못지않게 역시 중요한 부분을 차지하게 된다. 따라서 목재 접착(At)은 비접착(As)에 의한 접착이 주 역할을 하고, 기계적 접착(투묘작용; Am)에 의한 접착은 종속적인 역할을 한다고 생각된다. 이것을 식으로 나타내면

목재의 접착력(At) = f(Am) ＋ g(As)

으로 나타낼 수 있는데, 여기서 Am = f(x,y,z …), As = g(a,b,c …)으로 표현될 수 있는데, 변수 x, y, z …는 목재면 조직의 상태, 피착재의 강도 및 공극률 등의 기하학적 및 기계적 인자이고 a, b, c …는 화학조성 , 피착재 표면의 에너지 상태, 접착제의 분자 구조, 극성, 점도, 표면 장력 등의 물리적 및 화학적인 인자이다. 그러므로 전체의 접착력 At에 대한 As 및 Am의 기여율은 접착제에 관여하는 여러 인자들에 따라 달라지게 된다.

2. 목재접착의 5 연결설(/9연결설)

목재의 접착에서 그림과 같이 5개의 고리를 통해 목재접착이 이루어지며 각 고리(응력)간의 결합에서 궁극적으로 Fv, Fc>Fw이어야만 양호한 접착이 이루어 진 것으로 보는 이론이다. 즉, 접착층 박리 시 목질부가 파괴되어야만 양호한 접착이 이루어졌다고 보는 것이다. Fv, Fw>Fc는 접착층에서 파괴가 일어나 접착효율이 전혀 없는 경우이며, Fw, Fc>Fv 이면 계면파괴에 해당한다.

그림 6. 목재접착에서 계면과 피착제

3. 목재용 접착제

보통 접착제는 동물, 식물, 카제인(casein), 혈액등에서 유래한 천연계 접착제(natural glue)와 석유, 천연가스등 석유화학제품에서 유래된 합성수지계 접착제로 구분 할 수 있으며 현재 목재산업에서 사용되는 접착제로는 여러 유기분자 단량체들의 중합/축합반응을 통해 만들어지는 합성수지계 접착제가 널리 쓰인다. 합성수지계 접착제는 열경화성수지(thermo setting resin)와 열가소성수지(thermo plastic resin)로 다시 구분된다.

1) 천연수지 접착제

(1) 수교(Animal glues)

수교는 보통 소, 말, 양 등과 같은 동물의 가죽이나 뼈로부터 만들어 지며 고기의 힘줄같은 조직으로부터도 제조된다. 수교는 분말이나 염주상, 젤리모양 등으로 판매되며 고형분말은 사용 전에 물에 녹여서 사용하며 원하는 정도에 따라 점도를 낮추기 위해 60℃ 정도로 가열해 주기도 한다. 수교는 낮은 내수성, 균이나 곰팡이에 의한 피해, 사용 시 낮은 편리성 등 갖고 있는 많은 결점으로 인해 현재 목재산업분야에서 다른 접착제로 대체되어 거의 사용되지 않는다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말상이 많음, 액상도 가능함.

· 성질 ; 높은 건조 강도, 낮은 내수성

· 사용 ; 건조된 분말을 물과 섞고 녹임, 사용할 동안 따뜻함을 유지, 상온경화형, 온도              변화에 민감함.

· 용도 ; 가구제작에 널리 사용되었으나 PVA’s 와 같은 접착제로 대체되었음.

(2) 전분계 식물성 접착제(Starch based vegetable glues)

전분 접착제는 미국에서는 아직 사용되고는 있지만 일반 목재산업에서는 거의 사용되지 않는다. 게다가 내장용 활엽수 합판과 가구산업에서는 요소수지 접착제로 대체되어 거의 사용되지 않는다. 이름에서 보듯이 이 접착제의 주성분은 전분으로 주로 옥수수, 감자, 쌀, 카사바 등과 같은 식물로부터 얻는다. 이차 대전 전까지만 해도 인도네시아 등지에서 카사바를 재배하는 대형농장을 주요 접착제 회사가 운영하고 있었지만 전쟁 후 농장이 파괴되고 대체 접착제가 개발됨에 따라 자취를 감추었다. 이 접착제는 주로 분말 형태로 판매되며, 물과 섞어서 사용한다. 접착제의 성능을 개선시키기 위하여 알럼과 같은 약품을 사용하기도 하며 물이 증발하면서 경화가 되는데 경화속도가 아주 느리므로 접착된 부재는 클램프를 채운 상태에서 하루 이상 두어야 한다. 1차 세계대전 동안 화장단판을 붙이는데 널리 사용되었다. 낮은 내수성, 미생물에 의한 피해, 일부 수종에서 단판을 오염시키는 등의 결점이 있다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말 형태로 판매됨.

· 성질 ; 높은 건조 강도, 낮은 내수성

· 사용 ; 건조된 분말, 물, 가성소다를 서로 섞고 잠시 저어줌, 가사용 시간은 상대적으              길다.

· 용도 ; 합판제조에 사용되었으나 현재는 거의 사 용도지 않음.

(3) 단백질 접착제(Protein based adhesives)

가. 콩 접착제

단백질계 식물 접착제는 콩가루 분말이나 이들로부터 분리된 식물성 단백질로 제조된다. 콩 접착제는 카제인 접착제와 특성 및 성능이 유사하지만 내수성이 약하다. 열압하여 사용할 수도 있으며 과거에는 내장용 미송합판제조에 많이 사용되었다. 콩 단백질은 주로 혈분과 콩 단백질이 혼합된 접착제로도 사용된다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말 형태로 된 단백질로 판매됨(약간의 화학적인 첨가물이 들어감).

· 성질 ; 중간정도의 건조 강도, 약간의 내수성이 있음, 중간 정도의 온도에 대한 내구성             이 있으며 색상이 백색임.

· 사용 ; 냉수, 가성소다, 석회 및 기타 화학첨가제와 섞고 상온에서 도포하고 압체하지             만 혈분 접착제와 같이 사용할 때 보통 열압을 함.

· 용도 ; 내장용 침엽수 합판제조에 사용되었으나 현재는 페놀수지 접착제로 대체되었음.

나. 카제인 접착제

카제인 탈지 우유나 버터우유를 자연 상태 또는 산을 첨가하여 침전시킨 카제인 응고물로만든 것이다. 대략 450g의 카제인을 얻기 위해서 30리터 정도의 탈지우유가 필요하며 접착제로 만들기 위해 석회수 같은 알칼리 용액에 이 응고물을 녹이고 여기에 포름알데히드나 염화구리와 같은 화학물질을 첨가한다. 카제인 접착제는 건조 분말 형태로 된 단백질로 판매되며 사용직전에 반드시 물과 섞어야 한다. 일단 물과 섞이면 상대적으로 짧은 가사용 시간을 갖게 된다. 가사용 시간을 늘릴 수는 있지만 내수성은 감소된다. 합성수지 접착제가 나오기 전까지만 해도 카제인 접착제는 우수한 내수성으로 인해 중요한 접착제로 인식되었다. 이런 점에서 수교나 콩 접착제 보다 우수한 성능을 가진다. 카제인 접착제는 효용성을 제한하는 몇 가지 특징을 갖고 있다. 참나무와 같이 탄닌산이 많이 들어 있는 수종에서는 변색을 일으키는 경향이 있어서 가구산업에서는 널리 사용되지 않는다. 또 목공기의 날을 무디게 하고 균과 곰팡이의 침입을 받는다. 최근에는 지구촌의 기아를 해결하기 위해 우유에 대한 소비량이 크게 늘어남에 따라 카제인 접착제의 가격이 상승하고 있다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말형태로 판매되며 사용자가 직접 제조하난 것도 가능하다.

· 성질 ; 중상정도의 건조 강도, 약간의 내수성이 있음, 중간 정도의 온도에 대한 내구성             이 있으며 외장용에는 비적합하다.  백색의 색상을 변하게 함.

· 사용 ; 물과 섞고 상온에서 도포하고 압체함.

· 용도 ; 내장용 구조용 집성재, 문

다. 혈액 접착제

혈액-알부민 접착제는 도축작업의 부산물로 생기는 혈액으로부터 제조된다. 가용성 건조 혈액 분말은 모든 혈액에서 혈청을 증발시켜 얻는다. 혈액-알부민 접착제는 건조 혈액분말을 물과 섞고 석회나 가성소다와 같은 화학물질을 첨가하여 제조된다. 합성수지 접착제의 선행주자로서 혈액-알부민 접착제는 적절한 접착층의 경화를 얻기 위해 열압을 필요로 한다. 건조상태에서 혈액-알부민 접착제는 카제인 접착제 보다 강도는 떨어지지만 내수성은 아주 높다. 합성수지 접착제가 보편화되기 전까지는 혈액-알부민 접착제는 합판제조에 필요한 중요한 내수성 접착제였다. 중간 정도의 온도와 미생물에 대한 저항성이 있으며 합판제조에 널리 사용되었으며 현재까지도 합판산업에서 일부 사용되고 있다. 열압용 합판접착제로 사용되었던 암모니아수로 녹인 오래된 접착제인 혈액-알부민 접착제는 미국에서는 거의 사용되지 않고 있다.

<특징>

· 형태 ; 가용성 또는 일부 불용성의 건조 분말 형태. 콩 접착제와 동일하게 취급되고 사             용됨.

· 성질 ; 중간정도 내수성이 있음, 중간 정도의 온도와 미생물에 대한 저항성이 있으며               적갈색 또는 흑색의 색상을 가짐.

· 사용 ; 냉수, 가성소다, 석회 및 기타 화학첨가제와 섞어 접착제를 만들고 상온에서 또              는 115℃이상에서 열압을 함.

· 용도 ; 내장용 침엽수 합판제조에 사용되었으며 때때로 콩 단백질과 조합하여 사용. 현             재는 페놀수지 접착제로 대체되었음.

2) 합성수지 접착제

합성수지 접착제는 물리적 성질이 천연수지 접착제와 유사하지만 목재가공에서 특정한 요구조건을 만족시키도록 제조될 수 있는 고분자 물질이다.  이 접착제는 접착층과 결합부에대해 가장 우수한 내수성능을 부여한다. 가장 우수해도 중간정도의 내수성을 갖는 천연수지 접착제에 비하여 적절하게 제조된 합성수지 접착제는 무한히 반복되는 직접적인 젖음에도 저항력을 가질 수 있는 것으로 보인다. 합성수지 접착제는 1930년대 초기에 도입되었으며 이차대전을 통해 급속한 발전을 이루어 오늘날 까지도 계속 사용량이 증가하고 있다.

합성수지 접착제는 열경화성 수지 접착제(thermo-setting adhesives)와 열가소성 수지 접착제(thermo-plastic adhesives) 로 나누어진다. 열경화성 수지 접착제는 물이 증발하면서 고분자 축합반응에 의존하며 이 가교결합 동안 접착제는 비가역적인 화학적, 물리적 변화를 겪게 되며 불용성의 상태로 된다. 반응 자체는 화학적, 열적 또는 둘의 조합에 따라 시작되며 요소 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 페놀-리솔시놀 공축합수지등이 여기에 포함된다. 이들은 통상적인 원재료로 포름알데히드를 사용한다.  열가소성 수지 접착제는 고분자화된 것이 용제손실에 의해 경화되는 것이다. 이 계통의 접착제는 경화기간 동안 화학적 가교결합이 일어나지 않으므로 가역적인 상황에 놓이게 되며 열에 의해 연화될 수 있다. 폴리비닐 아세테이트 에멀젼(white glue) 과 핫멜트(hot melt) 접착제가 여기에 포함된다.

(1) 열경화성 수지

가. 요소수지 접착제(urea-formaldehyde resin; UF resin)

이 접착제는 목재용 접착제로 가장 널리 사용되는 열 경화성 접착제이다. 가격이 저렴하고 담색이며 건조조건에서 강한 접착력을 나타낸다. 경화는 빠르지만 내후성(耐候性)이 약한 단점을 지니고 있다. 따라서 요소수지 접착제는 화장단판, 대판용 삭편판(PB)이나 가구용 중밀도섬유판(MDF) 또는 내장용(실내용) 제품의 제조용으로 많이 사용하고 있다.  열과 산촉매(경화제)의 존재에 의하여 요소수지는 축합되어 3차원적인 가교결합을 형성하여 접착력을 나타낸다 (그림 7). 요소수지에다 경화제, 충전제, 증량제를 넣어 섞어서 접착제를 만들며 상온에서부터 400 ℃에 이르기 까지 다양한 온도범위에서 경화된다. 충전제와 증량제는 유동성, 점도, 침투성을 조절하고 접착제의 가격을 낮추는 목적으로 사용된다.

요소수지는 포름알데히드 : 요소의 몰 비가 1～2 : 1인 조건에서 제조되고 있는데 높은 몰 비의 조건으로 제조된 접착제는 강한 접착강도가 요구되는 소재 또는 단판의 접착에 주로 이용되고 있다. 경화는 적당한 산성 조건하에서 열압체 동안 중합과 축합반응이 일어나 완성된다. 비록 요소수지가 열경화성 고분자 물질이라고 할지라도 열과 수분에 민감하기 때문에 경화된 수지가 열과 수분의 작용에 의해 분해되는 과정 중에 포름알데히드가 서서히 대기 중으로 방출된다. 이러한 포름알데히드의 방출을 줄이기 위하여 대부분의 PB는 포름알데히드와 요소의 몰비가 1.2 : 1 이하인 수지를 이용하여 제조하게 된다. 현재는 MDF 와 PB제조에서 1:1.1의 몰 비가 최저한계로 엄밀한 공정관리가 요구된다. 한편, 멜라민(melamine)과 함께 공축합시켜 요소수지의 내수성, 내구성 및 접착강도를 개선할 수가 있지만 이러한 경우 접착제의 가격이 상승하게 되고 경화 시 더 높은 온도가 필요하게 된다. 열압체 동안 여분의 포름알데히드가 방출되는데 너무 과도한 열은 요소수지의 가수분해를 촉진시켜 접착력을 저해하고 포름알데히드 방출량을 늘이게 된다. 따라서 압체 시간과 압체 후 냉각과정을 공정상에서 잘 제어해야 하는 것이 매우 중요하다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말이나 액상 형태로 판매됨. 멜라민 수지와 공축합 시켜 제조되기도 함.

· 성질 ; 건조/습윤강도 높음, 습한 조건에 대한 중간정도 내구성이 있음, 지속적으로                 120℃ 를 초과하는 온도조건에서는 중하정도의 내구성을 가지며 색상이 백색               또는 황갈색으로 변색됨.

· 사용 ; 요소수지 분말에 물, 경화제, 충전제, 증량제를 넣어 섞어서 접착제를 만들며               상온에서 도포하고 일부는 상온에서 또는 210 – 250℃ 에서 열압을 함.

· 용도 ; 내장용 활엽수 합판, 가구 제조, 내장용 PB, 밑바닥의 밑받침, 플러시도어, 가구             의 심재에 사용됨.

그림 7. 요소수지의 형성과정

나. 페놀수지 접착제(phenol-formaldehyde resin; PF resin)

페놀수지 접착제는 기혹한 조건에 사용되는 침엽수 합판제조에 널리 사용되고 있으며,  OSB, LVL등에 맣이 사용하는 접착제로 매우 강력한 접착력을 나타낸다. 흑갈색이며 분말, 액상 또는 필름형태로 공급된다. 이 접착제는 완전한 내수성을 나타내는 접착제는 아니지만 요소수지에 비하여 수분에 대한 접착내구력은 아주 높다. 액상으로는 OSB에는 분무방식으로 사용되며, LVL과 합판에는 얇은 막 층을 형성하는 커튼 코우터(curtain coater)방식으로 도포된다. 충전제 및 경화 촉진제와 혼합되어 사용되면 아주 노출이 심한 조건에서도 높은 접착력을 나타낸다.

이 접착제는 저분자 내지 중분자 중량의 열경화성 고분자로써 산 또는 알칼리 촉매하에서 수용액 상태로 제조된다. 반응시간과 온도, 촉매의 종류, 반응물질의 양과 비율에 변화를 주어 다양한 종류의 접착제로 제조할 수 있다. 일반적인 제법은 다음 그림과 같다.

그림 8. 페놀수지의 형성과정

Resole은 페놀에 대한 포름알데히드의 몰 비를 더 크게 한 상태에서 알칼리 조건으로 반응시켜 제조한 대표적인 페놀수지의 한 종류이다. 충분한 양의 포름알데히드가 본래 존재하고 있는 상태이기 때문에 열을 가하게 되면 가교결합을 통한 거대 망상구조의 고분자로 경화되어 간다. 대부분 사용되는 페놀수지 접착제는 이 형태가 많다. Novolac은 페놀에 대한 포름알데히드의 몰 비를 더 작게 한 상태에서 약한 산성이나 중성의 조건으로 반응시켜 제조한 페놀수지이다. 이 중합체는 비교적 저분자 중량의 직선상 구조를 지니는 것으로써 열가소성을 지니게 되는데 경화를 위해서는 포름알데히드를 추가적으로 첨가해 주어야 하는 2단 수지계(two-stage resin system)의 특성을 지니고 있다. 합판, OSB, PB, FB등은 수용성 resole을 이용하여 제조한다. 알칼리성 resole은 적절한 가교결합을 이루기 위하여 100℃ 이상의 높은 경화온도를 필요하다. 상온경화를 위해 강산을 첨가하기도 하나 장비 부식과 시간의 경과에 따른 목재와의 계면에서의 열화 발생이 단점으로 지적되고 있다.

보다 강한 내구력을 얻기위해 페놀과 레조르시놀(resorcinol)을 공축합시켜 페놀-레솔시놀 공축합수지 (phenol-resorcinol-formaldehyde resin;PRF resin)을 제조하여 사용한다. 이 공축합 수지는 레솔시놀의 가격이 페놀보다 비싸기 때문에 고가 제품이나 대형 구조물의 제조에만 제한적으로 이용되고 있다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말이나 액상 형태로 판매됨. 일부 필름형태로 공급되기도 함. 합판용으              로는 알칼리 수용액을, OSB에는 분말상, 또는 액상으로 공급함.

· 성질 ; 건조/습윤강도 높음, 습한 조건에 대한 내구성이 좋음, 고온에서 목재보다 내구              성이 좋음, 금속과 접착시킬 때는 neoprene, polyvinyl butane, nitrile rubber,              또는 에폭시수지와 조합하여 사용함, 화학적 열화에 대해 목재보다 내구성이               좋으며 색상은 흑갈색

· 사용 ; 필름은 그대로 사용하고, 분말은 상온에서 알콜, 물과 같은 용제와 섞어 사용하              며 액상의 경우 충전제와 기타 약품을 첨가하여 사용한다. 대부분 260 – 300              ℃ 에서 열압을 하고 구조용 복합재의 경우 400℃ 정도에서 열압을 하기도                함.

· 용도 ; 외장용 침엽수 합판과 OSB 제조에 사용됨.

다. 멜라민수지 접착제(melamine-formaldehyde resin; MF resin)

멜라민수지 접착제는 주로 공학목재의 제조와 MDF와 PB제조에 사용되는 요소수지 접착제의 성능개선을 목적으로 많이 사용된다. 특히 요소수지로 제조되는 보오드의 내수성을 증대시키고 보오드의 접착력을 떨어뜨리지 않으면서 포름알데히드 방출을 줄이며 경화속도를 촉진시기 위하여 사용된다. 또한 멜라민수지 접착제는 PB를 오버레이하는 과정에서 아주 중요한 역할을 한다. 멜라민수지 접착제가 함침된 오버레이용 페이퍼는 부엌이나 사무용가구등의 상판에 높은 내마모성을 부여한다.

대부분의 시판용 멜라민 수지접착제는 멜라민 : 포름알데히드의 몰비가 1 : 1.5～1 : 3의 조건에서 제조되는데 포름알데히드에 대한 멜라민의 몰 비가 증가할수록 고화가 지연되며 가교결합 정도도 덜해진다. 이 수지는 액상인 경우 저장이 곤란하기 때문에 대개 수용성 분말 상으로 시판되고 있다. 경화온도는 50 - 100℃이며 접착층은 무색투명하고 수분과 열수 및 미생물에 대한 저항성이 있다. 그러나 가격이 비싼 것이 단점으로 지적되고 있다.

<특징>

· 형태 ; 건조 분말로 공급됨.

· 성질 ; 건조/습윤강도 높음, 사용된 촉매의 형태와 양에 따라 습한 조건에 대한 내구성             이 좋음.

· 사용 ; 상온에서 물과 섞어 사용하며 250 – 300℃ 에서 열압을 함.

· 용도 ; 최우선 용도는 활엽수 합판, 목재의 측면 및 길이접합, 침엽수 합판의 스카프               조인트 부. 고주파 경화도 가능함.

그림 9. 멜라민 수지 접착제

라. 리솔시놀수지 접착제(resorcinol-formaldehyde resin; RF resin)

리솔시놀수지 접착제는 접착력이 매우 강하며 내수성이 있다. 또한 산, 알칼리와 같은 화학약품에도 저항성이 강하다. 보통 리솔시놀과 포름알데히드의 몰비가 1 : 0.6～ 1: 0.7인 조건에서 제조되며 상온에서도 경화가 이루어지며, 목재의 함수율이 비교적 높은 조건, 즉 함수율 18%까지의 조건에서도 사용할 수가 있다. 접착층의 색은 암갈색이며 이액형이어서 작업이 상당히 어렵고 가격이 비싸 페놀수지와 공축합시켜서 많이 사용한다.

페놀-리솔시놀 공축합수지는 1940에 개발되어 현존 목재용 접착제중 가장 강한 것으로 생각되고 있다. 강력한 접착력, 높은 내수/내후성, 낮은 경화온도 등으로 인해 외장 건축용재의 접착에 많이 사용되고 있다. 경화온도는 70 – 150℃ 정도이며 가격이 비싸서 합판제조에는 사용되지 않으며 구조용 집성재와 I-장선처럼 기후와 수분에 노출되어 높은 내수성능을 필요로 하는 곳에 사용된다.

<특징>

· 형태 ; 보통 액상 형태로 판매됨. 경화제는 별도로 공급됨. 되기도 함.  페놀-리솔시놀              공축합 수지형태로 공급되는 경우가 많다.

· 성질 ; 건조/습윤강도 높음, 습한 조건에 대한 내구성이 우수함, 고온과 화학적 열화에             대해 목재보다 내구성이 좋음, 색상은 흑갈색

· 사용 ; 상온에서 경화제와 사용하며 리솔시놀 수지 접착제는 상온경화,  페놀-리솔시              놀 공축합 수지 접착제는  수종과 경화시간에 따라 70 – 150℃에서 경화됨.

· 용도 ; 가혹한 조건에서 견뎌야 하는 구조용 집성재와 접합부 구성에 사용됨.

그림 10. 페놀-리솔시놀 공축합수지의 제조

바. 이소시아네이트 접착제(isocyanate adhesive)

휘발성이 낮은 MDI(diphenyl methane diisocyanate)를 이용하는 이소시아네이트 접착제는 20%까지의 높은 목재 함수율 조건에서도 강한 접착력을 나타내는데 촉매의 첨가에 의해 상온에서 경화시키거나 또는 상온 이상의 온도에서 경화시킬 수 있다. 가격이 비싸고 경화 이전에는 건강에 유해한 증기가 발생되며 압체 시 간판과 접착되고 물과의 상용성이 없어 도포기 세척을 위해 유기용제를 사용해야만 되는 단점을 지니고 있는 등 접착 공정상의 문제점을 지니고 있어서 사용이 제한되어 왔으나 포름알데히드의 방산이 없는 판넬 제품의 수요와 함께 기술적인 진보에 따라 파티클보오드 제조업에 사용되기 시작하였다.

이 접착제는 목질판넬의 제조에 있어 전통적으로 사용되어 왔던 열경화성 합성수지인 요소수지나 페놀수지를 대체할 수 있는 가장 중요한 접착제로 여겨지고 있다. 최근 파티클보오드, OSB 등의 제조시 종래의 열경화성 접착제보다는 경화속도가 빠르고 함수율에 대한 제약성이 작은 고분자성 이소시아네이트 접착제의 사용이 선호되고 있다. 또 짚과 같은 농업셀룰로오스 부산물을 활용한 보드제조에 사용되기도 하나, 가격이 여전히 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 가격 절감을 위해 탄닌(tannin)을 첨가하여 이용하기도 한다.

기본 접착기작은 셀룰로오스의 수소그룹과 우레탄 결합을 형상하여 접착제가 되며 내수성이 매우 높은 접착제이다.

<특징>

· 형태 ; 보통 액상 또는 에멀젼 형태로 판매됨. 접착제의 제조는 매우 다양하게 이루어             지며 일부는 유독성 증기를 배출하기도 한다.

· 성질 ; 목재와 다른 재료에 대한 접착력이 매우 우수함,  수분과 고온에 대한 저항성이             있으며 화학적 열화에 대해 뛰어나 내구성을 보임.

· 사용 ; 일액성은 열이나 수분의 존재 하에 경화됨, 이액성은 상온 또는 고온에서 경화,              경화속도는 아주 빠름.

· 용도 ; 구조용 플레이크 보오드, 필름 적층, 접합부에 제한적으로 사용됨. 높은 가격과 열과 수분에 대한 민감성으로 인해 사용이 제한됨.

그림 11. MDI 접착제의 접착거동

(2) 열가소성 수지(thermo plastic resin)

가. 초산비닐수지 접착제(polyvinyl acetates; PVAc)

이 접착제는 수용성 현탁액 수지로써 대개 가구의 조립 및 기타 조작용 제품을 제조하는데 사용되고 있으며 white glue로 일반 목공용품점에서 쉽게 구할 수 있다. 우리나라에서는 목공용으로 많이 사용하고 있다. 초산비닐수지는 취급이 쉽고 접착면이 깨끗하며 비교적 우수한 상태 접착강도와 간극 충전성 등의 장점이 있으나, 수분에 민감하여 요소수지 접착제보다 내수성이 떨어지며 열과 압력 하에서 강도가 급격히 떨어지고 장기하중 조건하에서 두꺼운 접착층은 크리이프(creep) 현상을 일으키게 되는 것이 단점으로 지적되고 있다. 열경화성 페놀수지를 첨가하여 초산비닐의 성질의 변화시키게 되면 열과 수분에 대한 저항성이 개선된 가교결합성의 초산비닐수지가 얻어질 수가 있지만 점탄성 현상에 대한 효과는 크게 기대할 수가 없다.

이 접착제는 바로 사용할 수 있도록 판매되며 수지 함유량이 %로 규정되어 있다. 사용의 편리성, 높은 건조강도, 낮은 클램핑 압력과 가격 경쟁력은 가구조립에 널리 사용되고 있으며 이 목적에 사용된 다른 접착제들을 모두 대체하여 사용되고 있다.

<특징>

· 형태 ; 바로 사용가능한 형태로 액상으로 판매됨. 접착제에 따라 성질에 약간씩 차이가             있음.

· 성질 ; 건조강도가 높음, 수분과 고온에 대한 저항성이 약함, 응력이 지속되는 경우 항              복 특성이 있으며 색상은 백색 또는 노란색 임.

· 사용 ; 별도의 조제없이 바로 사용이 가능, 상온에서 도포, 압체됨.

· 용도 ; 가구조립, 플러시 도어, 플라스틱 적층에 사용, 운반 충격에 견디도록 공장제                주택의 조립에 사용됨.

나. 핫멜트(hot melt) 접착제

폴리프로필렌(polypropylene) 처럼 100% 고형분의 열가소성 중합물을 총칭하는 것으로써 상온에서는 고체이나 가열(140 - 180℃)에 의해 액상으로 바뀌게 된다. 판(sheet), 칩(chip), 분말 상으로 시판되고 있으며 액상으로 용융시켜 접착면에 도포하면 급속히 냉각되어 고화가 일어나 수초 이내에 접착이 완료되므로 일종의 순간접착제로 볼 수 있다. 핫멜트 접착제는 원래 고강도가 요구되는 구조용도가 아니라 판넬이나 테이블 상판에 에지밴드를 붙이는 등 장식용 재료를 붙이는데 사용된다. 특히 속경화성으로 인해 가구나 장식장(cabinet) 및 목공용품 등 가정용 제품의 수리에 클램프장치 없이 사용하기에 알맞다.

<특징>

· 형태 ; 고형 덩어리, 펠렛, 리본, 봉, 필름 형태로 공급됨. 용제 없음.

· 성질 ; 신속 접착, 틈새 매움, 일반 목재용 접착제보다 강도 낮음, 침투는 최소이며 내              수성이 있음, 색상은 백색에서 변색됨.

· 사용 ; 도포를 위해 녹임, 냉각과 고화과정을 거쳐 접착이 됨, 접착조건을 제어하기 위              해 특별한 장치가 필요함.

· 용도 ; 판넬의 에지밴드 접착, 플라스틱 적층, 떼움, 필름/종이 오버레이, 가구 조립에              사용됨.

(3) 기타 접착제

에폭시(epoxy), 폴리우레탄(polyurethane) 같은 접착제들은 현재 목재용 접착제로는 널리 사용되지 못하고 있다. 이러한 접착제들은 포름알데히드 방산이 없으면서도 개선된 접착강도를 나타내고는 있지만 가격이 비쌀 뿐만이 아니라 물과의 상용성이 없어 도포기기의 세척을 위해 유기용제를 사용해야만 되는 단점을 지니고 있다. 내구성과 내화성이 요구되는 판상재료를 제조하기 위하여 파티클보오드의 제조 시 무기질계의 시멘트(cement)가 접착제로 사용되고 있는데 특정 수종의 목재에 있어서 시멘트 경화가 억제되거나 또는 판상재료의 밀도가 상당량 증가되는 단점을 나타내기 때문에 그 사용에 제약이 따르고 있다.

(4) 최근에 개발된 접착제

새로운 접착제를 개발하고자 하는 노력이 많이 시도되었으며, 특히  천연물 또는 폐기물 등을 이용한 접착제의 개발에 많은 연구가 진행되어왔다. 석유와 같은 합성수지계 접착제 제조용 원료의 가격 상승과 자원의 고갈이 이러한 노력을 더욱 부채질하고 있다.

일부 수목의 목재나 수피에 다량 함유되어 있는 탄닌이 탄닌수지(tannin-formaldehyde)의 제조에 이용되고 있는데 그 성질은 열경화성으로 페놀수지와 비슷하다. 남아프리카와 호주등지에서 많이 사용되며 이들이 탄닌의 주요공급원으로 Wattle과 Western hemlock이 많이 사용된다. 소량의 페놀수지, 요소수지 또는 리솔시놀 수지로 성질을 강화한 탄닌수지는 접착력이 강하며 수분에 대한 저항성이 있어 합판, 집성재, 삭편판 등의 제품을 제조할 때 이용되며 강화되지 않은 탄닌수지 역시 파티클보오드의 제조에 이용되고 있다.

접착제의 다른 원료로써는 펄프 폐액(sulfite spent liquor)을 들 수가 있는데 접착제로써의 잠재력은 고 함량의 리그닌(lignin)에 근거를 두고 있다. 리그닌계 접착제는 페놀수지 또는 요소수지와 조합하여 성질을 개선할 수 있다.

제 3 절 목재의 접착에 관련된 여러 인자

목재의 접착에 영향을 미치는 인자는 여러 가지가 있으며 이들은 접착제의 성능을 충분히 발휘시켜 양호한 접착강도를 나타내도록 하여야 한다.  다음에 설명하는 인자들이 목재의 접착에서 중요한 역할을 한다.

1. 피착체 인자

피착체인자로는 수종과 비중, 목재의 역학적인 성질, 목재의 섬유방향, 재면의 상태, 조직학적인 특성, 추출성분, 습윤성, pH, 수분 등이 있다.

우선 목재의 접착기구는 단순하게 고려해 보면 목재의 응집력, 목재와 접착제의 계면 결합력, 접착제의 응집력이 작용하여 이루어진다. 이때 이상적인 접착은 접착제의 응집력과 목재와 접착제의 계면 결합력이 목재의 응집력을 능가하는 것이다. 여기서 파괴가 목재에서 발생하면 충분한 접착이 이루어 졌다고 말할 수 있는 것이다. 따라서 접착력은 목재의 강도에 의존하고 있다고 볼 수 있으며 같은 조건하에서 같은 접착제를 사용하여 충분한 접착이 행해졌다고 할 때 목재의 밀도가 0.8g/cm3 까지 밀도가 증가함에 접착강도도 증가한다. 이 이상의 밀도에서는 접착성의 문제, 예를 들면 접착제의 침투성이 저하되어 강도가 거꾸로 저하되는 경우가 있다. 목파율은 목재의 밀도가 낮은 경우 100%에 가까운 값을 얻지만 밀도가 높아질수록 낮아지는 경향이 있다.

목재는 다양한 수종이 있으며 물리적, 화학적, 형태적 성질에 차이가 있다. 따라서 수종에 따른 접착성의 차이가 존재하며 특히 추출성분이 많은 수종은 접착제의 경화를 저해하고 침투를 방해하는 등 목재접착에 악영향을 미친다.  또 목재의 접착성능은 습윤성(wettability)에 따라 달라지는데 이 성질이 나쁘면 접착성이 저하된다.  목재표면에서 접착제의 습윤성능은 다음 그림에 나타낸 바와 같다.

그림 12. 목재표면에서 접착제의 습윤

한편 목재의 함수율이 높은 경우 분자간 인력에 나쁜 영향을 주게 되고 접착제의 유동성이 증가되어 목재내로 접착제가 과도하게 흡수되면서 접착력이 약해지게 된다. 목재의 함수율 변화는 목재의 수축, 팽윤에 따른 응력을 유발하게 되어 접착층의 연속성을 파괴하게 된다. 목재의 함수율이 매우 낮은 경우에도 습윤성이 영향을 받게 되고 목재 내부로의 접착제 침투가 방해를 받게 되며 조기경화의 원인이 되므로 문제의 원인이 된다.

수분은 접착제에 의해 목재에 수분이 부가되기도 하고 고온에 의해 목재로부터 수분이 제거되기도 한다. 접착제의 종류 및 접착공정에 따라 달라지지만 목재는 함수율이 대략 2 - 12% 범위에서 접착을 하게 되는데 열압의 경우 2 - 8% 그리고 냉압의 경우 8 - 12%가 적당하다. 일반적인 기준으로는 가구나 문 등과 같은 실내용 제품의 경우 6 - 8% 그리고 외장용 보와 같은 실외용 제품의 경우 12 - 14%의 함수율 조건에서 접착을 실시하되 접착 전의 목재 함수율이 제품의 실제 사용기간 도중에 도달할 수 있는 사용 예상 함수율과 비숫하게 되도록 조정한 다음 접착을 하는 것이 좋다.  또 목재의 수축, 팽윤으로 인해 발생하는 응력에 의하여 접착력이 약화되는 것을 피하기 위해서는 하나의 부재 내 뿐만이 아니라 여러 부재들 사이의 수분의 차이가 크지 않아야 한다.

접착면의 표면상태와 목리방향에 따라서도 접착성이 달라지는데 보통 평활한 표면은 접착제의 도포량과 압체압력을 감소시킬 수 있으며 이에 따라 표면을 샌드페이퍼나 대패로 가공해 주는 것이 양호한 접착성을 얻을 수가 있다. 목재의 섬유방향에 따라서도 접착성이 달라지며 접착강도는 섬유방향과 평행한 상태에서 가장 좋은 접착력을 얻을 수 있다.

띠라서 이들 인자들을 고려할 때 목재의 함수율, 재면상태, 두께의 불균일 등을 조정하여  접착이 원활하게 이루어 질 수 있도록 피착체를 조정해 주는 것이 중요하다.

2. 접착제 인자

접착제에는 열경화성 수지를 주성분으로 하는 것과 열가소성 수지를 주성분으로 하는 것, 또는 이들을 복합시킨 것 등 다양한 종류가 있다. 그러므로 이들의 특성을 충분히 파악하여 적절한 접착제를 선택할 필요가 있다. 접착제의 성능은 피착재의 종류와 성상에 따라 다르며 피착재의 크기, 피착물의 사용 환경, 작업성 등이 고려되어야 한다. 특히 접착제는 목재성분과 수소결합, 또는 화학적 결합이 가능한 분자구조를 갖는 것이 좋다. 포름알데히드계 수지가 목재를 강하게 접착시키는 것은 저분자량으로 반응성의 극성기를 갖기 때문이라고 생각된다.

목재는 다공질 재료이므로 접착제의 점도는 목재의 습윤성과 침투성에 영향을 미친다. 보통 점도가 낮으면 습윤성이 좋아져 접착에 유리하지만 목재로의 침투성이 커져서 결교가 발생하여 접착불량의 원인이 되기도 한다. 특히 열압에 의한 접착의 경우 가열초기의 점도저하에 주의할 필요가 있다. 접착제가 경화되기 전에 점도저하가 발생하면 접착제가 목재로의  침투성이 높아지고 오염을 일으켜 접착불량을 일으킨다. 수지의 농도가 높으면 중합도가 커지게 되고 따라서 점도가 높아진다. 또 용제를 섞으면 수지가 희석되어 점도가 저하되며 점조조절을 위해 밀가루, 콩 분말, 목분 등 충전제를 사용한다. 적정한 점도는 요소수지 접착제로 비교적 두꺼운 판을 접착할 경우 3 – 5 Pa·s 정도이며 목공 접착에는 2 – 3 Pa·s, 합판제조에는 2 Pa·s, 집성재 층재의 접착에는 4 Pa·s 정도가 적당하다.

접착제와 pH와의 관계는 화학반응에 의해 경화되는 수용성 접착제(포름알데히드계 등)의 경우에 중요하며 적절한 경화와 양호한 접착성능을 얻기 위해서는 해당 접착제 별로 최적의 pH 조건으로 맞추어 주어야 한다. 접착제는 수지의 경화반응이 진행되어 접착성이 발현되기 때문에 수지의 경화도는 접착성능에 큰 영향을 미치므로 접착시 완전한 경화가 이루어  지도록 하여야 한다. 수지의 분자량도 접착강도에 영향을 미치는데 분자량이 크면 응집력이 강하여 강인한 피막을 형성하여 강한 접착성능을 얻을 수 있지만 가소성이 상실되는 위험이 있으며 이로 인해 접착력 저하의 원인이 되기도 한다.

3. 접착조작에 관한 인자

접착제는 배합 시 접착제 제조회사의 표준사양에 따라 행하여야 하며 경화제, 충전제, 증량제, 가소제 등을 주제에 첨가할 경우 혼합비가 중요하며 특히 2액형 접착제를 사용하는 경우 경화제의 배합량은 가장 중요한 인자가 된다.

접착에서 좋은 결과를 얻기 위한 첫 번째 단계는 접착제를 균일하게 도포하여 경화 후 균일한 접착층을 형성시키는 것이다. 목재는 다공질 재료이기 때문에 피착재 면은 수종에 따라 다르며 접착제의 흡수가 큰 수종은 결교(straved joint)가 발생할 수 있어서 주의를 요한다. 도포량이 너무 적으면 결교를 초래하고 너무 많으면 접착층의 수분과다로 좋은 결과를 얻기 어렵다. 가능한 한 접착제의 양을 적게 하여 접착제의 박막을 형성시키는 것이 좋은데, 이는 경제적인 면에서 접착제의 가격이 목재보다 비싸며 두꺼운 접착층은 경화시 용제의 소실로 접착층 내에 응력을 발생시켜 접착성능을 저해 시킬 수 있기 때문이다. 따라서 피팍재의 상태를 고려하여 균일하고 연속적으로 접착층이 형성되어 결교가 생기기 않도록 박막의 접착층을 형성하기에 적합한 도포량을 결정하는 것이 중요하다. 도포량은 보통 g/m2으로 표시하며 편면도포를 기준으로 하는데 집성재 1 접착층당 250 – 300 g/m2 정도이며 합판 접착의 경우 도포기로 양면에 도포하므로 양면의 2 접착층에 대한 도포량으로 표시하는데 220 – 380 g/m2 정도가 표준이다. 하지만 피착재의 면이 거칠고 침투성이 높거나 함수율이 높은 경우에는 도포량을 약간 늘려준다. 합판표면에 화장단판을 붙일 때는 70 – 140 g/m2 이 표준이다.

접착제를 도포한 후 가압까지 걸리는 시간을 퇴적시간이라고 하는데 여기에는 접착층을 공기 중에 노출시켜 방치하는 개방퇴적시간(open assembly time)과 접착제를 도포한 재료를 적층하여 방치하는 폐쇄퇴적시간(close assembly time)이 있다. 퇴적기간 중에 용제가 휘발하고 수지의 침투, 이행, 발열, 조기경화 둥이 진행되고 피착재의 치수변화가 생기므로 이로 인해 접착력이 약해지거나 또는 용제가 목재에 의해 흡수되기도 하고 접착제 분자간의 화학반응으로 인해 접착이 이루어지지 않게 되는 경우도 있다. 따라서 개방퇴적시간과 폐쇄퇴적시간을 적절히 조절하는 것이 좋은 접착력을 얻는 지름길이며 적절한 시간을 조정하여 맞추어 주도록 하여야 한다.  만족할만한 접착을 위해서는 너무 오랫동안 저장하거나 부적절한 조건하에서 저장된 접착제는 접착제의 성능이 약화되거나 없어지므로 주의하여야 한다.

피착재 사이에서 접착제가 완전한 접착층을 형성하기 위해서는 적절한 압력으로 압체할 필요가 있다. 압체는 접착제의 이행을 촉진시키고 접착면을 밀착된 상태로 고화시키기 위한 조작으로 온도, 압력, 시간의 3가지 인자에 의해 결정된다. 일반적으로 1.0Mpa 전후의 압체력이 대부분의 피착재에 적용되지만 밀도가 낮은 재는 0.5 - 0.7Mpa, 밀도가 높은 활엽수재에는 1.5Mpa 정도가 적절한 압체력이 된다. 압체 압력이 낮게 되면 균일한 접착층이 안되거나 접착층의 두께가 너무 두꺼워지게 된다. 압체 압력이 높으면 피착재가 눌려져셔 접착제가 유출되어 결교가 생길 수가 있다. 한편, 합판과 단판적층재 제조에서 열압하여 적층하는 경우 두께가 줄어들게 되는데 압체 압력이 지나치게 높게 되면 두께의 감소가 현저하게 발생한다.

압체 시간은 접착제에 대한 조건(종류, 형태, 배합 등), 피착재 조건(수종과 형상(단판, 파티클, 파이버 등)), 작업환경(공장, 실외 현장), 압체 기기에 따라 다르다. 일반적으로 공장에서 press를 사용하여 압체접착을 하는 경우가 대부분으로, 온도와 압체 시간은 정확하게 제어된다. 열경화성 접착제를 사용하여 hot press로 가열, 접착하는 경우 압체 시간은 짧으며 두께 1mm당 시간으로 표시한다. 요소수지는 90 -110℃에서 20 ㅡ 30초/mm, 요소 멜라민 공축합 수지는  100 -120℃에서 20 ㅡ 30초/mm, 페놀수지(고온 경화형)는 130  - 150℃에서 40 ㅡ 60초/mm 가 표준으로 되어 있다. 파티클보오드 제조 시에는 접착제의 경화온도를 합판보다 20 -30℃ 정도 높게 하며 압체 시간도 대부분 60초/mm 가 표준이지만 제조조건에 따라 다르다. 최근 보드제조에 사용되고 있는 이소시아네이트 접착제는 170 -180℃ 로 설정되어 있다. 집성재와 가구제조에는 일반적으로 온도를 가하지 않고 상온에서 접착되는데 어느 정도 장시간 압체되어 접착된다. 속경화형 접착제가 적용되어 열을 가하여 경화시간을 단축시켜 접착하는 방법이 발달하고 있으며 단기간 가열방법으로는 고주파 또는 마이크로파를 사용하여 접착하는 것이 대부분이다. 이 경우 특수한 장치를 사용하여 접착제 도포부분을 선택적으로 가열하여 접착이 이루어지며 적절한 온도와 시간이 설정되어 있다.

압체가 종료되어 해압시킨 후에도 접착제의 경화는 충분히 완료되지 않는 경우가 대부분이기 때문에 어느 정도 양생기간이 필요하다. 합판과 단판적층재 제조에서 열압압체하는 경우 해압 후 당분간 퇴적해 두면 잔류된 온도로 인해 경화가 진행되어 접착이 완료된다. 상온 접착의 경우에도 해압 후 양생이 필요하며 열경화형 리솔시놀 수지 접착제나 수성 고분자 이소시아네이트 접착제를 사용하여 집성재를 제조할 때 작업환경의 온도가 낮을 경우 충분한 양생기간을 두는 것이 매우 중요하다.

제 3 절 접착공정

목재의 접착공정은 기본적으로 피착재의 조정, 접착제의 선정, 접착제의 배합과 도포, 압체, 접착제의 경화와 접착층의 형성, 해압, 양생으로 이루어진다.

1. 피착재의 조정

목재를 피착재로 하는 경우에 있어서 소재판, 또는 각재의 접착에서 피착재의 표면은 가능한 한 깨끗하여 오염과 열화가 없이 평활하게 마무리 할 수 있어야 하고 피착면 끼리는 평행하게 되도록 하는 것이 특히 중요하다. 또 수지가 침출되기 쉬운 피착재는 재면절삭 후 접착되기까지의 시간이 너무 지나면 접착성능이 저하된다는 보고가 있다. 합판과 단판적층재 제조 시 피착재인 로터리레이스(rotary lathe) 단판에는 피착재의 표면이 거칠며 특히 loose side 에는 이할이 생기기 때문에 한층 더 거친 재면이 된다. 원목의 수종과 절삭조건에 따라서도 표면에 결 일어남과 나이프마크(knife mark)가 생기는 단판이 적지 않다. 이들을 접착할 때는 접착층이 많고 접착제가 이할로 침투해 들어가므로 표면의 거칠음에 미치는 영향은 적다. 한편 화장용 슬라이스드(sliced) 단판은 두께가 얇기 때문에 화장성이 중요하다는 것을 충분히 배려한다면 피착재의 조정은 필수적인 것이다. 파티클보오드와 섬유판도 재면을 조정을 할 필요가 있다.

피착재는 특별한 경우를 제외하고는 함수율을 적정하게 조절하지 않으면 안된다. 목질재료의 제조에 있어서 특히 함수율 조정이 중요하다. 따라서 목재의 함수율, 재면상태, 두께의 불균일 등을 검사하고 조정한 후 재면의 접촉을 위한 조합을 한다.

2. 접착제의 선정

피착재의 종류, 접착조건, 접착가공 후 이용목적과 환경조건 등 제한 요건을 고려하여 가장 적합한 접착제를 선정하여야 한다. 접착제의 종류도 많고 같은 종류의 접착제라 하더라도 특정 조건이 있는 경우에는 그 조건에 적합하도록 변성시켜 사용하도록 하여야 한다. 접착 후 환경조건에 대한 반응과 안정성이 보증된 접착제를 선택하는 것이 특히 중요하다.

3. 접착제의 배합과 제호

접착제의 배합, 제호 등에 있어서 기본적으로는 접착제 제조사의 지침에 따라 해당 접착제에 적합한 방법에 따라서 한다. 경화제를 첨가하여 경화시키는 타입의 접착제를 사용하는 경우 주제에 경화제(가교제, coupling agent), 경제적 효과를 목적을 한 증량제(extender), 작업성, 접착성능 등의 개량을 목적으로 한 충전제(filler), 점도조절을 위한 물 등을 적절한 비율로 배합시켜 접착제호액(glue mix)를 만든다. 제조된 글루믹스는 바로 피착재면에 도포하는데, 시간이 경과되어 겔화가 진행되면 도포가 힘들어 지므로 주의하여야 한다. 접착제의 배합부터 도포가 가능한 시간을 가사시간(pot life)라 하며 접착제의 종류에 따라 다르다. 반면에 초산비닐 에멸젼, 고무계 접착제, 일액성 에폭시 수지 접착제 등에는 이러한 제호과정이 불필요하다.

4. 접착제의 도포

접착제를 도포하는 방법에는 피착재의 한쪽 면에만 도포하는 편면 도포법(single spread)과 피착재의 양쪽 면에 도포하는 양면 도포법(double spread)이 있다. 목재 소재와 단판의 접착에는 편면 도포법이 일반적이며 고무계 접착제 등에는 양면 도포법이 사용된다. 소규모로 접착하는 경우에는 붓, 주걱, 흙손, 핸드롤러 등의 도포용 기구를 사용하여 도포한다. 공장규모에는 도포기(glue spreader)로 도포하는데 이 방법에는 롤 코터(roll coater), 익스트루더(extruder), 커튼코터(curtain coater) 등이 있다. 한편 파티클보오드와 파이버보오드의 접착에는 스프레이(spray)가 사용된다. 롤러코터는 롤러에 접착제를 묻혀 회전시켜서 피착재 면에 도포하는 방법이며 도포롤러와 닥터롤러(doctor roller)로 구성되어 있다. 피착재의 두께에 따라 도포롤러의 간격을 조정하며 도포량은 도포롤러와 닥터롤러간격을 조절하여 조정한다. 익스트루더는 가압된 접착제 액을 노즐로부터 선상으로 흘러내리게 하여 일정한 속도로 통과하고 있는 피착재 면에 도포하는 장치이다. 커튼코터는 세밀한 슬릿트로부터 가압된 접착제 액을 떨어뜨려 피착재를 일정한 속도로 통과시켜 접착하는 장치이다.

5. 퇴적 및 압체

피착재의 면에 접착제를 도포한 다음 피착재를 서로 겹치게 하여 밀착시켜 퇴적하기 까지의 시간을 개방퇴적시간(open assembly time)이라 하고 퇴적후 압체하기 직전까지의 시간을 폐쇄퇴적시간(close assembly time)이라 한다. 이러한 퇴적시간은 접착제의 종류 및 접착조건에 따라 설정되어 있다.

접착제를 도포하고 퇴적시킨 피착재는 적강한 장치를 사용하여 적절한 압력으로 압체(pressing)한다. 일반적으로 프레스를 사용하며 소정의 압력이 접착층에 균등하게 작용하며 그 압력을 유지할 수 있는 장치를 사용한다. 가열할 필요가 있는 경우에는 hot press 장치를 사용하여 열압체한다. 압체압력과 시간은 접착제 및 피착재의 종류에 따라 다르며 균일한 접착층을 형성시키기 위한 조건을 설정하지 않으면 안된다.

열압장치에는 평판 press, 곡면 press, 측압 press, 연속 press(roll press, 캐터필러 프레스, 압출 press) 등이 있다. 가압기구는 보통 유압식과 나사식이 있다. 일반적으로 hot press는 증기, 온수, 전열을 열원으로 한 열판사이에 피착물을 삽입하여 가열압체하는 것이다. 다른 가열법으로는 유전물질의 유전손실을 이용한 고주파 가열법, 마이크로파 가열법이 있으며 이들 방법은 두꺼운 재료나 곡면재료의 접착에 적합하다.

6. 접착제의 경화와 양생

접착제의 경화는 용제의 휘산과 화학반응이 진행되어 압체 후 해압을 한 이후에도 시간이 지나도 진행된다. 그러므로 해압후에도 충분히 경화되는 후경화가 되기 위해 일정 기간 동안 접착된 상태 그대로 정치시켜 보관하는 양생(aging)기간을 두는 것이 대부분이다. Hot  press를 사용하는 경우에 특히 피착재 중의 수분균일화, 내부응력의 분산을 도모할 수 있는 등의 이점이 있다.