목재 세포벽의 비결정영역에서 결합수의 감소나 증가가 일어나면 이에 따라 목재는 수축(shrinkage)과 팽윤(swelling)이 일어난다. 세포벽의 수축은 섬유포화점 이하에서 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스와 결합하고 있던 결합수 분자가 이탈하면서 수막이 파괴되고 이탈된 수분이 차지하였던 공간만큼 줄어들게 되면서 세포벽의 분자간 거리가 접근되어 세포벽의 두께가 수축하고 결과적으로 목재는 수축하게 된다. 따라서 목재의 수축량은 세포벽에서 제거된 수분의 용적에 비례하며, 반대로 목재가 수분을 흡수하면 수막이 두꺼워져서 팽윤하게 된다. 그러나, 섬유포화점 이상에서는 정상적인 수축과 팽윤이 일어나지 않는다.
세포벽 속에 있는 결합수의 이동
섬유포화점 이하에서 목재 중의 수분은 세포벽에서는 결합수의 형태로 이동하고, 세포내강이나 벽공 등의 공극에서는 수증기의 형태로 이동하는데, 이것을 모식적으로 나타내면 그림과 같다.
결합수의 통로는 크게 나누어 연속되어 있는 세포벽, 내강-세포벽 및 내강-벽공벽의 3종류이며, 물분자는 이들 통로를 확산에 의하여 이동한다.
수증기의 확산은 목재내의 수분경사에 따라 습한 세포내강의 수증기가 보다 건조한 세포내강 쪽으로 이동하는데 이때 세포벽 내의 비결정질 영역(일시적 모관)을 통과할 때 많은 수증기가 응축되어 액체상태로 이동하고 다음 세포내강에 이르면 다시 수증기 상태로 변하여 이동한다.
벽공벽의 소공(小孔)처럼 지름이 대단히 좁은 통로에서의 수증기 확산속도는 세포내강의 약 1/40로 떨어진다.
세포벽에서의 물분자 이동은 흡착점에서 흡착점으로의 물분자의 도약에 의하여 이동하고 있다. 목재 내에서 물분자의 이동은 다양하기 때문에 수분의 확산속도를 일일이 해석하기는 곤란하므로 일괄적으로 Fick법칙을 적용하여 확산계수를 구하고 있다.
목재 중에서의 물분자의 확산은 앞에서 설명한 Fick의 확산법칙에서 농도경사(dc/dx) 대신에 함수율경사 또는 수증기압경사를 사용하는 것이 편리하다.
식에서, M: 함수율, dM/dx : 함수율경사, dP/dx : 수증기압경사 -DM(g/㎝ sec%)도 확산계수이지만 -D(㎠/sec)와는 다르며, 양자의 관계를 보면 다음과 같다.
식에서, r : 목재의 비중, h:상대습도, u:함수율, r u:목재의 밀도, Po:포화수증기압
목재내의 수분확산이 Fick의 확산법칙에 적용된다고 생각하여 얻은 확산계수의 값은 다음 그림에서 보는 바와 같이 목재의 비중·함수율·온도·확산방향 등에 따라 다르다.
일반적으로 비중이 커짐에 따라 확산계수(D)는 떨어지는데, 이는 이동속도가 느린 세포벽 실질의 용적이 증가하고 이동속도가 빠른 세포내강의 용적이 작아지기 때문이며, 목재 중의 수분확산은 세포내강 내에서의 수증기 확산이 지배적이다.
온도가 높아지면 확산계수도 커지는데, 이것은 분자운동이 높은 온도에서 활발하기 때문이다. 방사방향의 확산계수는 접선방향의 1.0∼1.2배이고, 섬유방향에서는 횡단방향의 45∼600배이다. 심재(心材)의 확산계수는 변재의 70∼90%이다.
세포내강 중에 불투과성 물질을 충진하여 측정한 세포벽 실질 중의 결합수의 D는 40℃, 함수율 15%일 때 2∼5×10-7㎠/sec 이다. 그러나, 세포내강 중 수증기의 D는 0.28㎠/sec로 대단히 크다. 한편, 단위 용적당 수분농도는 세포벽 쪽이 세포내강보다 약 7×103배 더 크다. 따라서, 함수율 경사가 같을 때 세포내강 쪽이 60∼150배의 수분을 더 확산시킬 수 있다.
목재 중에서 각 수분 확산통로를 통과하는 수분량의 비율을 조사한 결과를 보면 표와 같으며, 이 비율은 목재의 비중·확산방향 및 함수율에 따라 다르다.
목재 표면에서의 수분 증발과 흡습
목재 표면에서의 수분 증발 속도
수분이 액상과 기상으로 접해 있을 때 그 계면에서는 기상의 수증기 변화에 따라 수분은 증발또는 응축되며, 늘 기상이 포화수증기압으로 되어 평형을 유지하려고 한다.
기상의 수증기압이 떨어지면 액상과 접해 있는 계면 부근의 수증기압이 커져 확산이 커지므로 이것을 보충하기 위해 액상에서의 증발은 커지는데, 이때의 표면증발속도를 보면 다음과 같다.
증발표면에서는 기화열에 의하여 온도가 떨어지므로 po는 재온 또는 습구온도가 나타내는 온도에서의 포화수증기압으로 나타내야 한다.
K는 계면 부근의 수증기압이 기상(氣相) 중에서 이동하는 속도에 지배되므로 확산 이외에 수증기를 이동시키는 요인, 예를 들면 풍속(風速)에 따라 크게 변한다. 무풍상태(無風狀態)에서 K는 4×10-3 g/㎠·hr·mmHg이지만, 풍속이 빨라지면 증가된다.
목재 중의 결합수의 양은 이것과 접하고 있는 기상 중의 수증기압과 항상 평형을 유지하려고 한다. 섬유포화점 이하일 때 목재실질로부터 물분자가 탈착하는 속도를 보면 다음과 같다.
식에서, pe: 표면 부근의 목재 함수율과 평형하는 수증기압
증발계수 K’는 목재실질과 물과의 결합에너지가 물의 응축열보다 크기 때문에 (1·49)식의 K보다는 작으며, 함수율에 따라 변한다. 또한, 자유수의 증발과 같이 표면 부근의 기상 중에서의 수증기 이동속도가 K’를 결정하는 인자가 되므로 풍속에 따라 변한다.
목재 표면에서의 흡습 속도
목재의 내부표면에 흡착되는 수분량은 대기 중의 수증기압과 항상 평형을 유지하고 있다. 수증기압이 떨어지면 내부표면에서 물분자가 이탈되고, 수증기압이 높아지면 내부표면에 흡착된다.
이때 흡착매의 흡착속도는 내부표면의 유리흡착점(물분자와 결합하고 있지 않은 흡착점)의 수와 흡착질의 수증기압에 비례하고, 탈착속도는 흡착하고있는 흡착질 분자의 수에 비례한다.
식에서, v a, v d : 흡착 및 탈착속도, p: 수증기압, S1, S2 : 흡착질분자를 보유하고 있는 흡착점 및 유리 흡착점의 전흡착점에 대한 비율, k a, k d : 흡착 및 탈착의 속도계수.
따라서, 흡착속도는 다음과 같다.
k a 및 k d는 온도가 일정하면 흡착매와 흡착질에 의하여 결정되는 상수이다. 흡착매와 흡착질이 화학결합을 하고있지 않을 때에는 흡착속도가 매우 빠르며, 계면에서는 짧은 시간 동안에 평형이 유지되고 있다.
목재의 삼투
목재 내에 액체를 주입하는 방법에는 흡수(absortipn)와 삼투(penetration)가 있다. 흡수란 목재의 단위용적당 주입된 액체의 양을 말하고, 삼투란 액체가 표면에서 내부로 주입된 깊이를 의미한다.
동일한 조건에서 낙엽송 심재와 가문비나무 심재에 크레오소오트(creosote)를 가압주입시켰을 때 같은 깊이로 주입시켰는 데도 낙엽송 심재의 흡수량은 0.25g/cm3이고 가문비나무 심재의 흡수량은 0.10g/cm3에 불과하였다.
즉, 두수종의 삼투깊이는 같으나 흡수량은 다르다는 것을 알 수 있다.
이와같이 방부제의 주입, 목재의 염색, 수지처리 등 목재에 액체를 주입하는 분야에서는 최대의 흡수량보다는 최대의 삼투깊이를 요구하는 경우가 많다.
방부제 처리과정 중에 공세포법(empty-cell process)이 있는데 이것은 가압과 감압처리를 통하여 목재에 방부제를 주입한 후 경제적 목적으로 방부제의 일부를 회수하는 방법이다.
이는 곧 삼투깊이를 달성하면 흡수량은 줄여도 충분한 방부효과를 줄 수 있기 때문이다. 주어진 압력과 시간 하에서는 액체온도가 높을수록, 유용성 액체보다는 물이나 수용성 액체가 쉽게 삼투되는 경향이 있다.
활엽수재 중 도관이 큰 너도밤나무, 황경피나무, 느티나무 등은 삼투가 잘되지만 조직이 치밀하거나 타일로시스(tylosis), 고무상 물질(gum) 등으로 도관이 폐쇄된 밤나무, 회양목, 사탕단풍나무 등의 심재는 삼투가 잘 되지 않는다.
일반적으로 무겁고 치밀한 목재가 가벼운 목재보다 삼투성이 적으며 건조한 목재는 생재나 수지가 많은 목재보다 삼투성이 크다. 또한, 변재는 심재보다, 섬유방향은 횡단방향보다 잘 삼투된다.
목재 중의 액체를 압력 p로 가압 주입할 때 모세관 속으로 액체가 침투하는 길이 L은 다음과 같다.
식에서, KL : 액체투과계수, po , p1 : 각각 외압 및 내압, η : 액체점도, c : 공극률, t : 주입시간
지하(志賀)는 수종과 방부제 삼투와의 관계를 다음과 같이 7개의 등급으로 구분하였다.
1급: 삼투가 재적의 60% 이상
- 전나무, 곰솔, 삼나무
2급: 삼투가 재적의 50∼60%
- 편백, 소나무, 가문비나무, 너도밤나무, 솔송나무
3급: 삼투가 재적의 40∼50%
- 들메나무, 화백, 물푸레나무, 황경피나무
4급: 삼투가 재적의 30∼40%
- 녹나무, 개서나무, 섬잣나무, 은행나무
5급: 삼투가 재적의 20∼30%
- 낙엽송, 호도나무, 후박나무
6급: 삼투가 재적의 10∼20%
- 구실잣밤나무, 밤나무, 가시나무
7급: 삼투가 材積의 10% 이하
- 비자나무, 뽕나무, 회양목
목재건조에 의한 수축과 수분흡수에 의한 팽윤
수축과 팽윤의 원리 및 특징
목재 세포벽의 비결정영역에서 결합수의 감소나 증가가 일어나면 이에 따라 목재는 수축(shrinkage)과 팽윤(swelling)이 일어난다.
세포벽의 수축은 섬유포화점 이하에서 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스와 결합하고 있던 결합수 분자가 이탈하면서 수막이 파괴되고 이탈된 수분이 차지하였던 공간만큼 줄어들게 되면서 세포벽의 분자간 거리가 접근되어 세포벽의 두께가 수축하고 결과적으로 목재는 수축하게 된다.
따라서 목재의 수축량은 세포벽에서 제거된 수분의 용적에 비례하며, 반대로 목재가 수분을 흡수하면 수막이 두꺼워져서 팽윤하게 된다. 그러나, 섬유포화점 이상에서는 정상적인 수축과 팽윤이 일어나지 않는다.
목재의 수축 및 팽윤에는 다음과 같은 특징이 있다.
① 목재의 수축량 및 팽윤량은 목재의 이방적 구조 때문에 섬유방향·방사방향 및 접선방향간에 큰 차이가 있다.(수축 및 팽윤의 이방성)
② 수축·팽윤의 전과정을 통하여 세포내강의 용적변화는 극히 적으며, 주로 외부 용적만 변한다.
③ 정상적인 수축과 팽윤은 결합수의 증감에 따라 생기고, 섬유포화점 이상에서는 일어나지 않는다. 그러나, 찌그러짐(낙입)과 같은 건조에 의한 이방적 수축이 일어날 때에는 섬유포화점보다 휠씬 높은 함수율에서도 수축이 일어난다.
한편, 목재는 유기용제에 의해서도 팽윤되는데, 보통 유기용제에 의한 팽윤은 수분에 의한 것보다 적다. 극성이 강한 용제(유전율이 높은 용제)일수록 팽윤량이 커지는 경향이 있지만 예외적인 것도 많다.
수분에 의한 목재의 수축과 팽윤은 매우 현저한 치수의 변화를 일으키므로 목재의 뒤틀림이나 내부응력의 발생원인이 되며, 목재의 가공 이용상 여러가지 장해를 일으킨다.
수분 이동에 의한 목재의 길이 변화 표현법
목재의 수축률은 수축량을 수축하기 전의 치수에 대한 백분율(百分率)로 나타내는데, 측정차원에 따라 선수축률(linear shrinkage), 면적수축률(areal shrinkage), 용적수축률(volumetric shrinkage) 등으로, 함수율 기준에 따라 전수축률(total shrinkage), 기건수축률(shrinkage from green to air dry), 평균수축률(shrinkage per 1% MC) 등으로, 목재방향에 따라 섬유방향 수축률(longitudinal shrinkage), 방사방향 수축률(radial shrinkage), 접선방향 수축률(tangential shrinkage) 등으로 구분할 수 있다.
수축률은 수축하기 전의 길이에 대한 백분율로 나타낸다.
목재의 팽윤율(coefficient of swelling)은 팽윤량을 팽윤하기 전의 치수에 대한 백분율로 나타낸다.
따라서, 목재의 전수축률(全收縮率 α 와 전팽윤율(全膨潤率)β사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
한편, 목재가 사용조건에 따라 얼마나 수축할 것인가를 추정하기 위한 치수 변화량의 계산방법을 보면 다음과 같다.
① 전수축률과 함수율의 변화를 이용한 경우
식에서, ΔD : 수축에 의한 치수 변화량(수축량), Di : 수축전 치수, α max : 분율 전수축률, Δm : 분율 함수율의 변화(m=M/100), fsp : 분율 섬유포화점(0.28)
② 부분 천연건조목재(건조 전과 후의 함수율이 모두 fsp 이하)의 경우
식에서, m i : 초기함수율(분율), m f : 최종함수율(분율)
또한 목재의 섬유방향, 접선방향, 방사방향의 선수축률 및 선팽윤율을 각각 α l, α t. α r, 및 β l, β t. β r 라고 하면 이들로부터 용적수축률(α v ; coefficient of volumetric shrinkage)과 용적팽윤율(β v ; coefficient of volumetric swelling)을 구할 수 있다.(분율적용)
식에서, αl 과 βl 은 다른 두가지보다 매우 작은 값이므로 2차적인 미소부분을 생략하면 다음과 같은 약식을 구할 수 있다.
우리나라의 주요 침엽수재와 활엽수재에 대한 수축률을 살펴보면 다음표와 같다.
■ 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.]
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