목재와 수분(Wood and Water) Ⅵ

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함수율과 수축 및 팽윤하고의 관계는 섬유포화점 이하의 함수율 범위에서는 대체적으로 직선 관계를 나타내고 있다. 그러나 그 경과곡선은 함수율 축에 대하여 저함수율 영역에서는 약간 오목한 곡선 관계를, 고함수율 영역에서는 약간 볼록한 곡선 형태를 나타내고 있으며 그 중간에는 거의 직선관계를 나타내고 있다. 실제 목재의 건조시 수축은 건조 초기에 나타나는 수분경사로 인하여 평균함수율이 섬유포화점(28%) 이상에서도 표층의 일부는 수축하기 시작한다.
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수축·팽윤에 영향을 미치는 인자

목재의 수축률 및 팽윤율은 수종, 개체, 부위 및 목재의 크기 등에 따라 많이 다르다. 또한 현저한 수축·팽윤의 이방성(異方性)을 나타내고 있다. 이와 같은 현상은 주로 목재의 구조에 기인되는 것으로서 여러 구조적 인자가 복잡하게 관여하고 있다. 때문에 어느 특정 인자가 관계하고 있는 상태를 정량적으로 확인한다는 것은 대단히 어렵다.

목재의 화학성분
목재의 가장 중요한 성분인 셀룰로오스(cellulose)는 세포벽의 골격을 형성하는 물질로서 그 수축성 및 팽윤성이 비교적 높고, 최대 팽윤양이 52% 정도이다. 그러나 셀룰로오스의 비율과 팽윤 간에 정량적인 관계가 인정되지는 않으며, 목재의 비중에 대한 접선 방향 수축률의 비와 셀룰로오스의 함유량 간에는 유의적인 정(正)의 상관이 인정된다.

헤미셀룰로오스(hemicellulose)는 대부분이 비결정 영역으로 구성되어 있으므로 셀룰로오스보다 더 높은 팽윤성을 지니고 있으며, 헤미셀룰로오스의 증가에 따라 수축률 및 팽윤율이 증가된다. VORREITER에 의하면 최대 체적팽윤율은 헤미셀룰로오스와 수지 및 정유의 함유율에 영향을 받는다.

리그닌(lignin)은 셀룰로오스보다 친수성이 낮고(셀룰로오스의 40%), 그 최대 팽윤양도 4%에 불과하다. 또한 세포벽이 형성될 때 리그닌의 침적은 세포벽을 팽윤시키며, 리그닌은 충전제로서의 역할을 한다. 비중이 같을 때 침엽수재보다 활엽수재의 용적수축률이 높은 것은 활엽수재가 리그닌 함유량이 보다 적기 때문이다. 또한 목재에서 단계적으로 탈(脫)리그닌하면 수축량이 증가된다.

추출 성분이 많은 나무는 수축 및 팽윤성이 저하되는데, 이는 세포내의 충전효과라고 생각된다. 즉, 세포공극에 들어있는 추출성분은 흡습을 방해해서 섬유포화점을 저하시킬 뿐만 아니라 결합수가 제거되어도 어느 정도 팽윤작용을 하기 때문에 수축을 억제한다.

목재의 수축 및 팽윤성에 대해 추출 성분의 영향이 없다는 보고도 있지만, 추출 성분의 함유량과 수축(팽윤)률 간에는 부(負)의 상관, 또는 추출 처리로 수축량이 증가된다는 것이 일반적이다.

목재의 밀도
일반적으로 비중이 높을수록 목재의 수축·팽윤은 증가한다. 목재가 수축·팽윤할 때 세포내강의 크기 변화는 거의 무시할 수 있을 정도로 작으며, 그 면적 변화는 0.5%에 지나지 않는다. 따라서 목재의 용적수축과 용적팽윤의 양은 세포내강의 용적변화가 없다고 가정할 때 비중과 거의 직선적인 비례관계를 나타낸다.

또한 각 방향의 전수축률 및 전팽윤율과 비중 간에는 다음과 같은 관계가 성립하며, 섬유 방향의 수축·팽윤율과 비중하고의 관계는 일정하지 않다.

침엽수재 13수종, 활엽수재 6종을 대상으로 이 값을 측정한 결과 전체 평균은 28.8이었다. 또한 삼나무재(材)에서는 변재(32∼28)>심재(28∼24), 성숙재(34∼26)>미성숙재(30∼20)이고, 삼나무 춘재의 평균치는 46.4, 추재의 평균치는 25.8로 춘재는 조재보다 훨씬 크다. 이와 같은 차이의 원인은 목재의 화학적 성분이나 미세구조의 차이 등을 생각할 수 있다.

한편 섬유 방향의 수축률은 매우 작으나 Yao(1969)의 loblolly pine 수고부위별 시험에서 비중이 큰 부위가 오히려 수축률이 감소하였다.

목재의 함수율
함수율과 수축 및 팽윤하고의 관계는 섬유포화점 이하의 함수율 범위에서는 대체적으로 직선 관계를 나타내고 있다. 그러나 그 경과곡선은 함수율 축에 대하여 저함수율 영역에서는 약간 오목한 곡선 관계를, 고함수율 영역에서는 약간 볼록한 곡선 형태를 나타내고 있으며 그 중간에는 거의 직선관계를 나타내고 있다.

실제 목재의 건조시 수축은 건조 초기에 나타나는 수분경사로 인하여 평균함수율이 섬유포화점(28%) 이상에서도 표층의 일부는 수축하기 시작한다. 즉, 건조할 때의 수축개시 함수율이나 흡습에 의한 최대팽윤에 도달하는 함수율은 섬유포화점과 반드시 일치하지는 않으며 대부분 이보다 약간 높다.

목재섬유의 배열 방향
목재는 육안으로 연륜구조, 현미경적으로는 세포구조, 미세구조로는 미셀(micell)구조[결정구조]가 다르므로 등방체가 아니다. 따라서 목재는 수축과 팽윤할 때 섬유 방향·방사 방향 및 접선 방향 등 목리 방향(목재의 3방향)에 따라 차이가 생기는 수축 및 팽윤의 이방성(anisotropy in shrinkage and swelling)을 나타내고 있다.

○수축 및 팽윤의 이방도
목재의 수축률과 팽윤율은 접선 방향이 가장 크고 다음에 방사 방향이며 섬유 방향의 수축·팽윤은 매우 작다. 때문에 목재의 실용측면에서 섬유 방향의 치수 변화는 장재 이용시를 제외하고는 대개 무시되고 있으나 유령목과 노령목의 수(pith) 근처에서 채취된 미성숙재의 섬유 방향 수축률은 2%에 달하는 경우도 있다. 대부분의 수종에서 수축률은 접선 방향 3.5∼15.0%, 방사 방향 2.4∼11.0%, 섬유 방향 0.1∼0.9%의 범위에 속하며 이 3가지의 비는 대략 10 : 5 : 1∼0.5정도이다.

횡단면(cross section)에서 수축과 팽윤의 이방성 크기를 나타내는 지표로서 이방도 즉, 접선 방향 대 방사 방향의 수축·팽윤율의 비율인 T/R률(T/R ratio)을 사용하고 있다. 목재의 T/R율은 대략 2정도이며, 수종별 수축이방도(αt/αr)는 침엽수재 1.86, 활엽수 환공재 1.77, 활엽수 산공재 1.80이다. 그러나 수종에 따라 green heart 1.1에서 eastern white pine 2.9까지 조사되어 있다. 수축률과 팽윤율의 T/R 율은 거의 비슷하다.

M rath는 목재비중이 클수록 수축·팽윤율은 증가하나 T/R율은 감소한다고 하였는데 표에서 보는 바와 같이 목재의 비중이 커질수록 T/R율이 곡선적으로 감소하고 있으며, 점차 1에 접근하고 있다. 즉 무거운 나무일수록 등방적이며, 비중의 증가에 대한 이방도의 감소는 활엽수재보다 침엽수재가 더욱 현저하다.

한편 생재 상태로부터의 횡단면 수축이방도는 함수율이 감소함에 따라 섬유포화점 이하 함수율이 높은 영역에서는 일정치 않지만, 함수율 17% 이하에서는 저하되는 경향이 있다. 마찬가지로 전건상태로부터의 팽윤이방도(βt/βr)도 함수율이 낮은 영역에서 함수율이 증가함에 따라 커지는 경향을 보이지만 수종에 따라 다르다.

목재의 임의 방향의 수축률 또는 팽윤율은 두 축(x, y) 방향의 수축률을 αx,αy, 팽윤율을 βx,βy로 하면 다음과 같다.

한편 목재의 팽윤이방도와 수축이방도는 거의 비슷하다.
이러한 수축 및 팽윤의 이방성(anisotropy)은 목재가 건조할 때 여러 가지 결점을 발생시키는 원인이 된다.

목재의 건조 장해가 생기지 않도록 잘 건조해도 접선 방향이 방사 방향보다 크게 수축하기 때문에 목재에 내부응력이 생겨 뒤틀림이나 할렬이 생기게 된다.

수축 및 팽윤 이방성의 원인

종(나무의 생장방향)단면상에서의 이방성 원인
목재의 섬유방향 수축 및 팽윤은 매우 작으며 마이크로피브릴(microfibril) 각도가 극단적으로 큰 경우를 제외하고는 횡단방향의 1∼10%에 불과하다. 그 원인을 살펴보면 다음과 같다.
○물분자는 셀룰로오스 결정의 주위에 존재하는 비결정영역의 긴 사상의 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스의 쇄간에 흡착되기 때문에 수축 및 팽윤은 마이크로피브릴의 장축의 직각 방향으로 주로 발생하며, 평행방향으로는 거의 발생하지 않는다.

○세포벽의 대부분을 차지하고 있는 2차벽 중층의 마이크로피브릴의 장축이 세포의 장축, 즉 섬유방향과 거의 평행하게 배열(정상 침엽수재 가도관에서는 5∼30。)되어 있기 때문에 섬유방향의 수축률은 횡단방향보다 대단히 낮다.

○2차벽에 존재하는 셀룰로오스는 세포의 장축에 평행한 박층상의 라멜라(lamella)구조를 하고 있을 때가 있는데, 이것으로 인하여 섬유방향의 수축률 및 팽윤율은 횡단방향보다 낮게 된다.

○세포간층은 주로 수축능력이 작은 리그닌으로 구성되어 있다. 그런데, 이 세포간층은 세포의 섬유방향으로 평행하게 배열되어 있어 섬유방향의 수축을 억제한다.
한편 마이크로피브릴 경사각과 섬유 및 접선방향의 수축률과의 관계는 그림(MEYLAN, 1968)과 같이 마이크로피브릴 경사각이 25∼30°보다 작을 때는 섬유방향의 수축은 무시할 수 있을 정도로 작지만, 그 이상의 각도가 되면 섬유방향의 수축은 현저히 증가되고 접선방향의 수축은 이에 따라 감소된다. 섬유방향과 접선방향의 수축율곡선은 50°에서 교차된다.

횡단면의 수축 및 팽윤 이방성의 원인
목재의 횡단면에 있어서의 수축 및 팽윤 이방성의 원인은 주로 목재 세포벽의 이방적 구조에 있다.

○춘·추재 상호작용설(early wood-latewood interaction theory): 추재는 춘재보다 비중이 크고 따라서 수축률도 크다. 수축률이 큰 추재는 접선 방향으로 강한 접선띠(tangential band)를 형성하며 약한 춘재의 접선 방향 수축을 증가시키고 아울러 방사 방향의 수축을 감소시키는 효과를 준다. 목재는 이 춘재와 추재가 층상으로 구성되어 있으므로 방사 방향에서는 양자의 평균적 수축이 일어나지만, 접선 방향에서는 강한 추재의 영향으로 약한 춘재의 수축이 접선 방향으로 증가한다. 이 설을 ‘M rath 이론’이라고도 부른다.

○방사조직 제약설(ray restraint theory): 목재의 방사조직은 방사 방향으로 배열되어 있다. 그런데 이 조직의 방사 방향 수축은 세포장축의 수축 즉, 섬유 방향 수축에 해당되므로 대단히 작다. 따라서 인접한 다른 조직의 방사 방향 수축을 억제하게 된다. 그러나 이 방사조직의 억제작용은 넓은 방사조직을 가지고 있는 활엽수재에서는 가능하지만 침엽수재에서는 적용되기 어렵다. 또한 방사조직의 존재에 의하여 접선 방향의 세포벽 두께의 적분치가 증대되어 접선 방향의 수축이 증대된다.

○수간이 직경생장할 때 세포는 수피측을 향해 커지므로 세포의 방사벽에서 마이크로피브릴 경사각이 접선벽보다 완만하게 되어 방사 방향의 수축률이 낮아진다. 이 설을 ‘피브릴 경사각설’이라 부른다.

○벽공 주위의 마이크로피브릴은 벽공을 우회하는 비정상적인 주향을 하므로 수축을 억제하게 되며 침엽수재의 방사벽에는 접선벽보다 유연벽공이 많이 존재하기 때문에 방사 방향의 수축이 감소된다.

○침엽수재 가도관의 세포내강은 수축할 때 접선 방향으로는 축소되고 방사 방향으로는 신장되는데, 이러한 세포의 형상변화는 횡단면의 수축 이방성을 증대시킨다. 도관의 세포내강도 수축할 때 접선지름은 작아지고, 방사지름은 커진다. 이 도관세포의 내강변화는 수축할 때 주위의 방사조직의 배열·분포 등에 따라 다르다.

○방사벽은 접선벽보다 목질화가 더 진행되어 있다.
수축 및 팽윤에 의해 생기는 힘

건조에 의한 응력의 발생
목재는 건조할 때 수분의 제거량만큼 수축하는데, 이 수축이 어떠한 원인에 의하여 억제되면 응력이 발생한다. 이러한 내부응력을 건조응력(drying stress)이라고 하며, 목재의 수분경사가 그 주요한 원인이다. 목재의 건조는 표층에서부터 시작되는데 함수율이 많은 생재를 건조시키면 건조 초기에는 표층은 수분증발로 섬유포화점 이하가 되어도 내층은 아직 섬유포화점에 이르지 않고 있으므로 목재의 표층과 내층 간에 수분경사가 만들어진다.

따라서 표면에서는 수축하려고 해도 내부는 아직 수축단계에 도달하지 않은 상태이므로 인접한 표층의 수축을 억제하는 작용을 하게되고 결국 표층은 정상적인 수축량만큼 수축하지 못하게 된다. 이때 표면에는 인장응력(tension stress)을 나타내고 내부는 압축응력(compression stress)을 나타낸다. 표면의 응력이 반드시 크지는 않지만 장시간 작용하고 있으므로 크리프(creep)와 같은 상태가 되어 응력이 없어져도 영구변형이 생기게 된다.

이 상태에서 다시 건조가 진행되어 건조 후기가 되면 내층도 섬유포화점 이하로 건조되어 수축이 개시되나 이미 건조수축된 표층에 의해 제약을 받게된다. 이때의 응력 관계는 서로 전환되어, 표면은 수축응력 내부는 인장응력을 나타내게 된다. 그림은 건조할 때 발생하는 건조응력의 경과상태를 나타낸 것이다. 건조가 종료된 이후에도 목재내부에 잔류응력이 남아있으면 건조결함을 유발하거나 가공시 장해요인이 된다.

수분응력
목재의 탈습 또는 흡습시 수축과 팽윤을 외력으로 구속하였을 때 발생하는 응력을 수분응력(hydro stress)이라 한다. 수분응력 중 수축과정에서 생기는 응력을 수축응력(shrinkage stress), 팽윤과정에서 생기는 응력을 팽윤응력(swelling stress)이라 한다.

이때 팽윤응력은 압축응력으로 측정하고 수축응력은 인장응력으로 측정한다. 수분응력은 목재를 외부로부터 물리적으로 구속하였을 때 생기는 응력이므로 건조응력과 같이 목재 자체의 내적 구속에 의하여 발생되는 응력과는 작용이 다르다.

수축응력 - 목재 건조시 생기는 수축을 외부에서 구속하였을 때 수축응력이 생긴다. 수축응력은 목재의 수분이 탈착할 때 생기므로 주로 결합수의 감소에 의하여 생기지만 찌그러짐과 같은 현상은 이상수축에 의해 섬유포화점 이상에서도 일어난다.

초기함수율 약 30%의 열대산 6수종에 대하여 방사 방향으로 구속하고 온도 100℃에서 건조했을 때 최대 수축응력은 27.4∼66.4㎏/㎠이고, 최대 수축응력에 대한 인장강도의 비는 1.4∼2.1이었다. 최대 수축응력은 온도가 높아지면 감소되며, 또 접선 방향보다 방사 방향에서 더 크고, 비중이 높을수록 증가한다.

팽윤응력 - 목재의 외부팽윤을 구속하였을 때 생기는 응력을 팽윤응력 또는 팽윤압 (swelling pressure)이라고 한다.
목재의 팽윤압을 측정한 예를 보면 표와 같으며 목재와 같은 다공질체에서는 목재 실질과 더불어 세포내강의 변형 때문에 실측치는 이보다 훨씬 작다.
또한 팽윤응력은 목재내 미세한 모세관의 메니스커스(meni scus) 상에 작용하는 장력과 같다.

목재의 횡단 방향의 팽윤에 대하여 한쪽 방향을 구속하였을 때 팽윤응력의 시간적 경과를 보면 일반적으로 처음에 급속히 증가하여 최대치에 달한 후 점차 감소된다.

이때의 최대치(최대 팽윤응력)는 시험체의 초기함수율이 증가함에 따라 감소되고, 온도의 상승에 따라 감소된다. 또 초기에 동일한 함수율을 갖는 목재를 침수할 때보다 포화습기 중에서 흡습할 때 팽윤응력이 더 크다.

또한 팽윤응력은 비중이 커지면 거의 직선적으로 증가하고 있다. 최대 팽윤응력의 방사방향에 대한 접선방향의 비는 초기함수율이 높아짐에 따라 커지는 경향이 있고 초기함수율이 낮을 때에는 1보다 작으며 초기함수율이 20%일 때 편백 1.8, 너도밤나무 1.4 정도이다. 또한, 횡단면)에서는 한쪽 방향을 구속할 때보다 양쪽 방향을 구속할 때 팽윤응력이 크다.

뒤틀림
목재의 수분 흡방습에 의한 팽윤과 수축의 결과로 뒤틀림이 발생한다. 이 판재나 각재변형의 원인은 접선단면과 방사단면에 있어서의 수축이방성, 이상조직, 불균일한 건조 등에 의해 발생하는 내부응력 등이 있다.