Efficacy of wollastonite-enriched acrylic coatings against fungal decay in non-treated and thermally-modified wood

나무는 수천 년 동안 인간의 은신처를 만들어 온 살아있는 재료이지만, 여전히 자연 요소에 취약합니다. 보호 조치 없이 방치되면 곰팡이로 인해 부패하고, 불에 타며, 습도 변화에 따라 뒤틀립니다. 과학자들이 이 부패를 막기 위해 오랫동안 화학적 처리법을 개발해 왔지만, 이러한 해결책 중 상당수는 독성이 있거나 적용하기 어렵습니다. 인기 있는 대안은 열처리 변성(thermal modification)으로, 이는 나무를 고온에서 구워 내부 화학 성분을 변화시켜 부패를 일으키는 생물들이 먹기에 덜 매력적으로 만드는 과정입니다. 그러나 열처리된 나무조차 모든 종류의 부패로부터 자유롭지는 않으며, 이 과정에 필요한 산업용 기계는 비용이 많이 듭니다. 이는 특히 독한 화학 물질을 피하고 싶은 사람들을 위해 더 단순하고 저렴한 나무 보호 방법을 찾는 데 공백을 남깁니다. 연구자들은 플라스틱이나 세라믹에 자주 사용되는 바늘 모양의 암석인 일반적인 광물인 월라스토나이트(wollastonite)에 주목하여, 이것이 보호용 페인트를 강화하고 나무가 썩는 것을 막을 수 있는지 확인하고자 했습니다.

이란, 유럽, 호주의 여러 대학교 소속 과학자 팀은 이 광물을 표준 아크릴 페인트에 혼합하는 것이 나무를 곰팡이 부패로부터 보호할 수 있는지 테스트하기 위해 나섰습니다. 그들은 치밀한 활엽수인 너도밤나무, 가벼운 활엽수인 포플러, 그리고 침엽수인 가문비나무라는 세 가지 뚜렷한 유형의 나무를 가지고 작업했습니다. 실제 환경을 시뮬레이션하기 위해, 그들은 각 나무 유형별로 두 세트를 준비했습니다. 한 세트는 자연 상태 그대로 두었고, 다른 한 세트는 185도씨에서 4시간 동안 가열하는 열처리를 거쳤습니다. 이 열처리는 나무의 화학 구조를 변화시켜 곰팡이가 먹고 사는 일부 당분을 제거합니다. 열처리 후, 나무 샘플들은 안정화를 위해 컨디셔닝 과정을 거쳤습니다.

연구진은 이 샘플들에 다양한 코팅을 적용했습니다. 어떤 조각들은 아무런 보호 없이 얼마나 부패하는지를 보여주는 대조군으로서 그대로 두었습니다. 다른 조각들에는 많은 철물점에서 흔히 볼可以 있는 일반적인 수성 아크릴 페인트를 칠했습니다. 마지막 그룹은 동일한 페인트에 월라스토나이트를 혼합한 특수 버전의 페인트를 받았습니다. 광물은 특정 비율로 첨가되어 페인트에 완전히 혼합된 후 도포되었습니다. 각 나무 조각에는 하루 간격을 두고 두 번의 페인트 도포가 이루어졌으며, 그 결과 약 210 마이크로미터 두께의 건조된 층이 형성되었습니다. 코팅이 완료된 모든 샘เซล들은 통제된 환경에 배치되었고, 네 달 동안 두 가지 공격적인 목재 부후 균류에 노출되었습니다. 갈색 부후균으로 알려진 한 종류의 곰씨는 나무의 구조적 섬유를 공격하며, 다른 백색 부후균은 나무의 색상과 강도를 분해합니다.

4개월간의 노출 기간 후, 결과는 놀라웠습니다. 처리되지 않은 나무 샘플들은 심각한 손상을 입었으며, 곰팡이가 재료를 갉아먹으면서 상당한 양의 질량을 잃었습니다. 어떤 경우에는 보호되지 않은 나무가 무게의 거의 40%를 잃기도 했습니다. 표준 아크릴 페인트는 약간의 도움을 주어 질량 손실을 줄였지만, 완벽한 방패는 아니었습니다. 특히 너도밤나무의 경우, 페인트 막이 갈라지고 벗겨지면서 미세한 곰팡이 실이 그 아래의 나무 속으로 침투할 수 있게 되었습니다. 그러나 월라스토나이트가 강화된 페인트를 입힌 샘플들은 매우 뛰어난 성능을 보였습니다. 이 샘플들의 질량 손실은 급격히 낮아져, 나무가 열처리되었는지 여부와 상관없이 종종 3% 미만으로 떨어졌습니다.

연구진은 왜 이 광물이 강화된 페인트가 그렇게 잘 작동하는지 이해하기 위해 강력한 현미경으로 샘플을 조사했습니다. 그들은 월라스토나이트 입자의 바늘 모양이 페인트 막 내에서 물리적 보강재 역할을 하여, 막을 더 단단하고 균열에 강하게 만든다는 것을 발견했습니다. 더 중요한 것은, 이 광물이 페인트 자체와 강력한 화학적 결합을 형성하여 곰팡이가 뚫기 어려운 응집력 있는 층을 만든다는 점이었습니다. 일반 페인트는 상당히 퇴화한 반면, 광물 강화 페인트 막은 몇 달간의 곰팡이 공격 후에도 거의 온전하게 유지되었습니다. 또한 이 광물은 곰팡이 성장에 필수적인 산소와 물의 이동을 늦추는 장벽 역할을 하는 것으로 보였습니다. 어떤 경우에는 연구진이 광물 자체가 표면에서 곰팡이가 자라는 능력을 방해하여 곰팡이의 확산을 제한할 수도 있다는 것을 관찰했습니다.

연구진은 또한 곰팡이 공격 이후 나무가 얼마나 많은 강도를 유지하는지도 측정했습니다. 곰팡이에 의해 갉아먹힌 나무는 약해지고 부스러지며, 하중을 견디는 능력을 크게 상실합니다. 그러나 월라스토아이트 페인트로 보호된 샘플들은 구조적 무결성을 유지했습니다. 열처리를 받지 않았지만 광물 페인트가 코팅된 나무조차 노출되지 않은 나무만큼 잘 버텼습니다. 이는 페인트가 단순히 표면에 머무는 것이 아니라, 부패 과정을 방지하여 나무의 내부 구조를 적극적으로 보호했음을 시사합니다. 열 변성과 광물 페인트의 조합이 최상의 보호를 제공했지만, 페인트 단독으로도 처리되지 않은 나무에 대한 강력한 방어 수단이 되었습니다.

이 연구 결과는 흔하고 저렴한 광물을 표준 페인트에 추가함으로써 목재 부패에 대한 매우 효과적인 방패를 만들 수 있음을 나타냅로. 이 접근 방식은 독성 화학 물질에 의존하지 않고도 나무를 보호할 수 있는 실용적인 해결책을 제공합니다. 연구진은 이 방법이 적용하기 쉽고 활엽수와 침엽수 모두에 신뢰할 수 있다고 결론지었습니다. 비록 이 연구가 실험실 환경에서 수행되었지만, 결과는 실생활 적용에서 나무를 보존할 수 있는 유망한 길을 제시하며, 보호 과정을 단순하고 친환경적으로 유지하면서 목재 구조물의 수명을 연장할 수 있는 방법을 제안합니다.