목재와 수분 (Wood and Water) II

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목재와 수분 (Wood and Water) II

2003년 9월 16일 (화) 15:31:00 | 지면 발행 ( 2002년 8월호 - 전체 보기 )

목재와 수분 (Wood and Water) II

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생재를 대기 중에 방치하면 목재 중의 수분은 증발되어 감소된다. 목재 내부의 작은 부분에 대하여 생각해 보면 먼저 감소되는 것은 세포내강이나 세포간극 등의 공극에 액상으로 존재하는 자유수이며, 자유수가 완전히 증발될 때까지 세포벽에 존재하는 결합수는 감소되지 않는다. 결합수의 감소는 자유수가 없어질 때 시작되며, 대기의 상태에 상응하는 평형함수율에 도달하면 수분증발이 끝난다. 이 과정에서 세포공극에 있는 자유수는 완전히 증발되고 결합수의 증발이 시작되려는 시점, 즉 세포공극에 자유수는 존재하지 않고 세포벽은 결합수로 포화되어 있을 때를 섬유포화상태(fiber saturated condition)라 할 수 있고 이때의 함수율을 섬유포화점(fiber saturation point, FSP)이라고 한다.
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목재는 평소에도 숨을 쉬고 있다고 말해진다. 이것은 목재가 주위의 분위기의 변화에 응하여 흡습하기도 하고 방습하기도 하기 때문이다.

주위의 분위기를 결정하는 것은 온도와 습도이다. 생재상태에 있는 목재를 일정한 온도와 상대습도 상태의 대기중에 두게 되면 수분이 주위의 분위기에 대응하여 자연방출되기 시작하여 중량이 감소되어 어느 시점에 이르면 더 이상 감소하지 않고 일정한 무게에 달하게 된다.

기건상태

이러한 상태에서는 흡습량과 방습량이 같아지므로 목재는 수분평형상태에 있게 되는데, 이때의 함수율이 평형함수율(equilibrium moisture content, EMC)이라고 한다. 마찬가지로 건조목재를 습도가 높고 온도가 낮은 조건에서 방치하면 주위의 수증기를 흡수하여 함수율이 증가하게 되고 장기간 후에는 역시 수분평형상태에 도달하여 일정한 무게를 유지하게 된다.

전자의 경우 방습 평형함수율(desorbed EMC), 후자의 경우 흡습 평형함수율(adsorbed EMC)이라고 부르며 일반적인 평형함수율 개념은 전자를 의미한다.

목재가 평형상태(condition of equilibrium)에 도달한 후의 흡습과 방습현상은 매우 미미한 정도이며 평형시 양자간의 수분이동량은 동일하다. 목재의 평형함수율은 공기 중의 온도와 습도에 의하여 결정되며, 모든 수종에서 거의 같지만 평형에 도달하는 것이 방습에 의한 것이가 흡습에 의한 것인가에 따라 달라진다.

그런데, 실제로 목재를 사용할 때 대기의 온도와 습도는 계절·장소·기후 등에 따라 다르며 항상 변화되고 있다. 따라서, 목재가 이 변화하는 대기의 온도와 상대습도 하에서 평형상태를 이루고 있을 때를 기건상태(air dried condition)라 하고, 이때의 함수율과 목재를 각각 기건함수율(moisture content in air dry), 기건목재(air dried wood)라고 한다.

기건함수율은 일종의 평형함수율이며 우리 나라의 서울·대전·광주·경주·춘천·진주 지방에서 소나무, 미송, 신갈나무, 레드라왕을 대상으로 4년간 조사한 전국의 평균 기건함수율은 방습의 경우 평균 14.2%(최저 12.3%, 최고 15.7%)이고, 흡습의 경우 13.2%(최저 11.3%, 최고 14.7%)이다(趙 등 1975).

중부지방의 기건함수율은 남부지방보다 약간 높으며, 연중 기건함수율의 변동은 4월이 최저이고, 8월이 최고이다. 목재를 실내에 두면 실외에 방치하였을 때보다 4% 정도 함수율이 낮아진다.

또한, 목재의 성질이 함수율에 따라 변하기 때문에 목재의 성질을 동일한 함수조건에서 비교하기 위해서는 기준이 되는 함수율을 정할 필요가 있다. 이러한 함수율을 표준함수율[법정함수율; standard moisture content, normal moisture content]이라고 하고, 보통 구미에서는 12%를 규정하고 있으며 일본에서는 평균 기건함수율에 해당하는 15%를 사용하고 있다.

전건상태

목재를 100∼105℃를 유지하는 건조기(dry oven)에서 항량에 달할 때까지 건조하여 수분을 완전히 제거한 상태를 전건상태(전건상태, oven dried condition)라고 하며, 이때의 목재를 전건재(oven dried wood)라고 한다.

전건재는 실용적 측면에서 무수라고 가정하고 있는데, STAMM에 의하면 0.5% 이하의 수분이 구조수로서 목재 중에 존재하고 있다고 한다.

섬유포화점

생재를 대기 중에 방치하면 목재 중의 수분은 증발되어 감소된다. 목재 내부의 작은 부분에 대하여 생각해 보면 먼저 감소되는 것은 세포내강이나 세포간극 등의 공극에 액상으로 존재하는 자유수이며, 자유수가 완전히 증발될 때까지 세포벽에 존재하는 결합수는 감소되지 않는다.

결합수의 감소는 자유수가 없어질 때 시작되며, 대기의 상태에 상응하는 평형함수율에 도달하면 수분증발이 끝난다.

이 과정에서 세포공극에 있는 자유수는 완전히 증발되고 결합수의 증발이 시작되려는 시점, 즉 세포공극에 자유수는 존재하지 않고 세포벽은 결합수로 포화되어 있을 때를 섬유포화상태(fiber saturated condition)라 할 수 있고 이때의 함수율을 섬유포화점(fiber saturation point, FSP)이라고 한다.

섬유포화점은 세포벽이 수분을 흡착할 수 있는 최대한도 즉, 결합수가 최대로 함유될 수 있는 점을 의미하며, 일반적으로 함수율 25∼35%(평균28%)의 범위이다. 따라서 섬유포화점은 결합수와 자유수의 분기점이 된다.

섬유포화점은 수종에 따라 다르며 southern yellow pine 29%, sitka spruce 28%, redwood 22%, western redcedar 18%, teak 18%, rosewood 15% 등이다

또한, 비중이 크거나 세포벽이 치밀하면 섬유포화점은 낮아진다. Feist와 Tarkow(1968)은 slash pine 춘재의 섬유포화점은 41%이고 추재는 35%로 보고하였다. 목재의 추출물은 세포벽을 팽윤시키고 수분의 배제에 기여하므로 추출물이 많은 목재의 섬유포화점은 낮다.

또한, 목재온도가 상승하면 물분자의 동적에너지가 증가되면서 보다 많은 물분자가 증발되어 방출되므로 섬유포화점은 0.1%/1℃씩 낮아진다. 섬유 포화점은 직접 측정하지 않고 다음과 같이 함수율과 목재의 물리적 또는 기계적 성질의 변화곡선으로부터 구하는 경우가 많다(中戶, 1961).

1) 함수율과 용적팽창율과의 관계도를 그리고, 직선부를 연장하여 함수율축과의 교점으로 구한다.

2) 함수율 감소에 따른 수축의 시점으로부터 구한다.

3) 목재의 전기전도도의 대수와 함수율과의 관계곡선에서 변곡점의 값으로 구한다.

4) 휨강도·종압축강도·전단강도 등의 탄성계수 또는 파괴계수와 함수율과의 관계곡선에서 변곡점의 값으로 구한다.

5) 함수율과 미분흡착열(습윤열)과의 관계곡선을 그리고, 미분흡착열이 0이 되는 함수율을 구하여 추정한다(李, 1977).

6) 흡습등온선을 포화수증기압(상대습도 100%)로 외삽하여 구한다(STAMM, 1964).
이상의 방법은 어느 것이나 넓은 함수율 범위에서 측정할 필요가 있다. 또한, 다음 방법에 의하여 섬유 포화점을 직접 구할 수도 있다.

7) 다량체 배제법(polymer exclusion method): 시료를 생재상태로 하여 수용성폴리머의 수용액, 예를 들면 폴리에틸렌 글리콜(polyethylen glycol)의 수용액에 담근다. 수용액의 농도는 시료 중의 자유수가 가해진 것만큼 감소되므로 그 전후의 농도차로부터 시료 중의 자유수를 계산할 수 있다. 또한, 원심분리에 의하여 자유수를 제거하는 방법(PEREM, 1954), 그리고 냉동에 의하여 자유수를 결빙시켜 구하는 방법(WISE, 1946)도 종전에 사용되었다.

포수상태

세포벽과 모든 공극을 포함하여 목재 내부 전체가 수분으로 완전히 포화되었을 때를 포수상태(water saturated condition)라 부르고 ,이때의 함수율을 그 목재의 최대함수율(maximum moisture content), 포수상태에 있는 목재를 포수재(water saturated wood, water-log)라고 한다.

포수상태는 입목의 경우에도 드문 현상이며 목재를 장기간 수중에 저목했을 때 나타난다. 소나무류가 포수재가 되려면 수중에서 보통 몇 년이 걸리지만 활엽수재는 보다 쉽게 포수재가 되어 물속에 가라앉는 경향이 있다.

최대함수율은 목재가 팽윤하여도 세포내강의 공극 변화가 거의 없는 것으로 가정하여 전건재의 공극률로부터 다음과 같은 KOLLMANN의 이론식으로 구할 수 있다.

또한, 포수상태의 목재에서 물이 차지하는 용적비율에 의하여 다음과 같은 TIEMANN의 실험식으로 구할 수도 있다.

계산에 의하면 위 두식의 차이는 0.2∼0.6% 정도에 불과하다.
또한 이와는 다르게 진비중, 용적밀도, 섬유포화점, 전건비중으로부터 전건목재가 흡습하여 최대함수율을 이론식으로 구할 수 있는데, 팽윤율이 흡습한 물의 양과 같다고 가정할 때, 다음 식을 얻을 수 있다.

세포벽속의 결합수는 어떻게 존재할까?

단분자층 흡착수

세포벽내의 미셀(micell)표면이나, 비결정영역의 분자표면에 존재하는 목재의 친수성 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 약간의 친수성을 띠고 있는 리그닌 등의 -OH기, -O-기 및 -COOH기(이것을 수착점[sorption site]이라고 함) 특히 양적으로 가장 많은 -OH기에 물분자가 수소결합하여 내부표면(internal surface) 위에 단분자층(monomolecular layer)을 형성하고 있는 수분이다.

목재함수율 5∼6% 이하에서 존재하는 수분으로, 외견밀도(apparent density)가 1.3g/㎤로서 물보다 매우 크고, 흡착등온선에 있어서 상대습도 20∼25% 이하에 존재하는 수분이다.

다분자층 흡착수

최초에 형성된 단분자층 흡착수의 표면에 반데르발스의 힘(Van der Waals’ force)이나 정전기적인 힘 즉 수소결합에 의하여 다분자층으로 흡착된 수분으로서, Stamm에 의하면 상대습도 20(25)∼90% 사이에서 또는 함수율 범위5(6)∼20(27)% 사이에서 나타나며, 생재상태에서 물분자의 흡착층은 6∼7층으로서 섬유포화점에서의 외견밀도는 1.13정도이다. 한편, 상대 습도가 90% 이상되면 모관응축수가 생긴다.

모관응축수

다공질의 물질에서는 상대습도가 높아지면 모세관 응축현상이 일어난다. 따라서, 목재는 다공체이기 때문에 높은 상대습도에 있어서는 세포벽의 미세한 모세관 내에서 모관인력에 의해 수증기가 응축되면서 모세관 벽에 흡착되어 목재수분이 된다.

이 때문에 흡착등온선이 고습도 영역(90∼99%)에서 급상승하는 것으로 생각되고 있다.
모세관 응축현상의 원인은 凹面의 액체 메니스커스(meniscus) 위에서의 수증기압이 수평면에서의 그것보다도 낮고, 더욱이 곡률반경이 작을수록 그 저하가 현저하기 때문이며, 그 관계는 다음의 Kelvin식에서 알 수 있다.

한편, 세포벽 중의 모세관은
㉠ 팽윤제의 침입에 의하여 형성되고 이탈시에 소멸되는 일시모관과,
㉡ 벽공벽의 소공 및 세포벽 내의 비결정령역에 존재하는 영구모관(건조상태에서도 존재함)이 있다.

그런데, 세포벽의 비결정 영역에 존재하는 영구모관은 그 지름이 20∼300Å으로 공극율은 0.2∼0.6%에 불과하며, 이들 공극은 세포벽에 흡착된 결합수의 영향을 받아 좁아지므로 이 모관에 의한 응축은 무시해도 좋을 만큼 작다. 따라서, 세포벽에서의 모관응축은 주로 벽공벽의 소공에서, 그리고 상대습도90%(함수율 20∼27%) 이상일 때 생긴다. 아래표는 여러 가지 상대습도에서 모세관이 수증기를 흡착할 때의 응축반경의 크기를 나타낸다.

구조수

구조수(water of constitution)는 세포벽을 직접 구성하는 요소이며 세포벽의 구조적 성질(organic nature)을 유지하는 수분이다. 자유수와 결합수는 목재의 화학적 구조를 변화시키지 않고 제거할 수 있으나 구조수는 목재의 자연적 상태를 더 이상 유지할 수 없을 정도로 세포벽의 화학적 조성을 변경시켜야만 분리되는 일종의 화학적 수분이다.

따라서, 구조수는 수분의 증감과 재질변화 등에는 관련되지 않으며 실용상 중요한 의의는 없다.

목재 속에 물의 양은 어떻게 알 수 있나?

목재의 함유수분 측정은 원칙적으로
㉠ 목재 중의 수분을 분리하는 방법(전건법·추출법),
㉡ 목재 중의 상대습도를 측정하는 방법(습도법),
㉢ 목재의 전기적 성질을 이용하는 방법(전기식 수분계) 등이 있는데, 연구실에서는 주로 전건법으로, 현장에서는 전기식 수분계로 측정한다.

전건법

전건법(oven-drying method)은 세계 여러 나라에서 규정하고 있는 함수율의 표준 측정 방법으로서 먼저 초기중량을 측정한 다음 100∼105℃로 조절한 건조기(dry oven) 내에서 항량에 달할 때까지 건조하여 전건중량을 측정하고 식에 따라 계산하는 방법으로 비교적 정확한 함수율을 구할 수 있다. 항량에 이르는 시간은 목재비중, 초기함수율, 시험편의 크기에 따라 다르며 일반적으로 4∼24시간이 소요된다.

시험편이 전건되었으면 무수염화칼슘 또는 실리카겔(silica gel)이 든 데시케이터(desiccator)에 넣어 실온까지 냉각시킨 후(작은 시험편은 칭량병을 이용함) 전건중량을 측정한다.

이 방법은 함수율을 측정하기 위한 시료용 木片을 절단해야되고 측정시간이 다소 길며 수지나 정유 등의 휘발성분이 있는 수종은 이 성분이 수분으로 계산되므로 실제의 함수율보다 1∼3% 정도 높게 측정되는 경향이 있다.

추출법

목재 중에 수지나 정유와 같은 휘발성분을 다량 지니고 있는 경우나 크레오소오트와 같은 휘발성 방부제를 처리한 목재는 앞에서 설명한 바와 같이 전건법으로 함수율을 측정하면 그만큼 수분이 과대 평가되므로 이러한 경우에는 추출법에 의하여 함수율을 측정하는 것이 좋다.

이 방법은 먼저 건조되지 않은 목재로부터 톱밥(20∼100g)을 채취하여 증류플라스크(500∼1000㎖)에 넣고 비수용성용제(120∼130㎖)를 넣어 혼합한 다음 수분증발에 의한 냉각이 없을 때까지 가열한다(보통 4∼24시간).

비수용성 용제로는 kerosene, toluene b.p. 110℃, xylene b.p. 139℃, trichloroethylene b.p.118.5℃ 등이 사용된다. 시료로부터 추출된 물, 휘발성분 및 용제는 역류냉각기에서 냉각되어 물은 측정용 용기에 가서 측정되고, 휘발 성분과 용제는 플라스크에 되돌아간다. 시료가 적으면 측정오차가 커질 염려가 있고 많으면 증류장치가 커야되는 불편이 있다.

이러한 점을 보완하기 위하여 다음의 반응을 이용한 Karl Fischer 적정법은 보다 정확하지만, 측정 방법이 간단하지 않다.

전기적 방법

목재의 전기적 성질을 이용하여 만든 전기식 수분계(electrical moisture meter)로 목재의 함수율을 신속하게 측정할 수 있는 방법이지만 목재의 수분량이 매우 낮거나 높을 때는 전건법보다 몇 %의 오차가 생긴다.

전기식 수분계는 소형의 휴대용 장비이며 목재를 절단하지 않고 현장에서 즉시 함수율을 측정할 수 있으므로 전건법보다 정밀도는 떨어지지만 목재가공분야에서 널리 사용되고 있다.

1)저항식 수분계

저항식 수분계(resistance-type moisture meter)는 목재의 직류 비저항의 대수가 목재의 함수율과 선형관계에 있는 것(그림 3-13 참조)을 이용한 수분계로서 함수율 측정 범위는 7∼25%이고, 정도는 약 1%이다.
전기저항식 수분계의 특징은 다음과 같다.

㉠ 전력선의 침투가 깊지 않기 때문에, 목재의 평균함수율 측정이 곤란하다.
㉡ 수종이나 비중에 의한 차이는 적지만 온도의 영향이 심하므로 보정할 필요가 있다.
㉢ 섬유포화점 이상의 함수율은 측정할 수 없다.
㉣ 함수율 6%이하에선 전기적으로 불안정해 오차가 커진다.
㉤ 전극이 뾰족한 침상일 경우에는 깊게 삽입하여 측정 방향을 일정하게 할 필요가 있다.

2)유전율형 수분계

유전율형 수분계(dielectric-constant type moisture meter)는 목재의 유전율 또는 유전손실이 함수율과 선형관계에 있는 것을 이용하여 만든 수분계로서 측정 범위는 0∼30%이다.
유전률형 수분계의 특징은 다음과 같다.

㉠ 섬유포화점 이상의 함수율도 어느 정도 측정할 수 있다.
㉡ 전력선의 침투가 크므로 목재의 평균함수율 측정이 가능하다.
㉢ 도장목재나 수분경사가 있는 목재에서도 어느 정도 사용할 수 있다.
㉣ 온도에 의한 차이는 적지만 비중의 영향이 심하므로 보정할 필요가 있다.

3) 유전률 손실형 수분계

유전율 손실형 수분계(dielectric-loss type moisture meter)는 저항식 수분계와 유전율형 수분계의 중간적 특징을 지니고 있으며, 측정오차가 비교적 크지만 10% 이하의 낮은 함수율도 측정할 수 있다.

습도법

일반적으로 목재의 함수율은 공기 중의 습도와 평형되고 있다. 따라서, 습도법(hygrometric method)은 목재 내부에 구멍을 뚫고 그 내부의 습도를 측정하여 목재의 함수율을 추정하는 방법이다. 습도법에는 목재습도계(wood hygrometer) 또는 지시종이(indicator paper)가 사용되며 목재습도계로 함수율을 측정할 수 있는 범위는 3∼25%이다.

또한, 지시종이는 공기습도에 따라 색상이 변하는 염화코발트(CoCl2)를 처리한 것으로서 물기가 없는 지시종이의 빛깔은 희미한 청색(pale blue)을 나타내는데, 습기를 흡수함에 따라 색상이 변한다. 지시종이를 이용할 때에는 먼저 목재에 구멍을 뚫고 그곳에 염화코발트 종이를 삽입해 두면 색상이 변하는데, 이때 함수율 3%의 단계로 구분된 표준색계의 색상과 비교하여 함수율을 추정한다. 이 방법으로 함수율을 측정할 수 있는 범위는 6∼23% 정도이다.

흡수계수법

X선이나 γ선 등의 방사선은 목재를 투과한다. 이때 목재에 흡수되는 선량의 정도가 목재가 가지고 있는 물의 양에 의해 달라지는 것을 이용한 것이다. 田 <다음호에 계속>

글 이원희 (경북대학교 임산공학과교수)

[글쓴이 이원희는 경북대 농업생명과학대학 임산공학과 교수로 목재 물리학이 전문 분야다. ‘숲과 자연환경 해설’이란 저서를 비롯해 목재에 대한 다양한 연구보고서를 발표했고, 각종 학술회의 및 학술지에서도 활발하게 활동해 오고 있다. 최근 발표된 ‘목재와 수분’이란 주제의 전문인을 위한 연구 발표 자료를 정리해 연재한다.