목재 내에서 유체는 유동과 확산에 의해 이동한다. 유동(flow)은 압력차(pressure gradient)에 의해 연결된 공극[모세관]을 통한 이동이며 확산(diffusion)은 농도차(concentration gradient)에 의한 이동으로서, 수증기가 공극 내에 있는 공기 중을 통하여 이동하는 수증기확산(vapor diffusion)과 세포벽 내에서 일어나는 결합수 확산(bound-water diffusion)의 두 형태가 있다. 그 외에 자유수 표면에서의 증발과 응축, 그리고 세포벽 표면에서의 흡·탈착 등이 서로 조합되어 수분이 목재 속을 이동한다. 목재수분의 이동통로는 수분의 상태에 따라 세포내강·벽공·세포벽 등이 중요한 역할을 한다.
고분자 물질에 의한 목재 흡착표면의 코팅처리
세포내강에 파라핀(paraffin) 주입 또는 도장에 의한 목재표면의 피복은 본질적으로 흡습성을 줄이지는 못한다.
이것은 목재의 흡습이 가시적 표면에서 일어나는 것이 아니고 목재실질의 내부표면에서 일어나기 때문이며, 내부표면을 피복하지 않는 한 목재 본래의 흡습성에 영향을 끼칠 수는 없다.
파라핀은 그 분자가 크기 때문에 목재 중의 미세한 공극에 들어가지 못하며, 또한 소수성이기 때문에 목재의 내부표면에 결합하지 못하므로 목재 중의 내부표면 상의 친수성기에 실질적인 영향을 주지는 못한다.
그러나, 이 처리는 수증기의 투과를 방해하고 수증기의 확산속도를 감소시키므로 대기의 습도변화가 많은 장소에 있어서는 목재의 함수율 변동을 감소시키는 효과가 있다. 이 효과는 사용되는 물질의 소수성기에 의한 것이 아니고 투습성 저하정도에 지배된다.
그 밖의 처리와 흡습성
응력(stress)이 목재 내부에 존재하면 함수율에 영향을 끼치는데, 압축상태에 있는 목재는 함수율이 감소되고, 인장상태의 목재는 함수율이 증가한다.
특히 Bello의 실험에 의하면 상대습도가 높을수록 비중이 클수록 임의의 압축외력에 대한 내부응력이 증가하기 때문에 목재의 평형함수율 감소도 심해진다.
목재의 기계적 처리는 섬유표면의 결정화도를 파괴하므로 흡습성을 약간 증가시킨다. Stamm은 기계적 분쇄가 섬유표면의 결정화도를 파괴하며 loblolly pine을 완전히 고해(beating)했을 때 상대습도 75%에서 흡습성은 0.5% 증가한다고 보고하였다.
목재의 성분이 화학처리를 받아서 변화되면 흡습성이 달라진다. 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스는 친수성이므로 셀룰로오스 유도체들은 처리에 따라 다르지만 목재 펄프나 모시풀(ramie)보다 흡습량이 많고, 추출물은 수분의 흡습성을 저해하므로 추출물이 제거되면 흡습성이 증가된다.
방사선(γ線)을 조사하면 흡습성이 약간 감소된다. Paton 등의 연구에서 sitka spruce의 감마선 108rad의 조사로 함수율이 1∼2% 정도 감소하였다.
목재 속에서 움직이는 수분의 이동
목재 내에서 유체는 유동과 확산에 의해 이동한다. 유동(flow)은 압력차(pressure gradient)에 의해 연결된 공극[모세관]을 통한 이동이며 확산(diffusion)은 농도차(concentration gradient)에 의한 이동으로서, 수증기가 공극 내에 있는 공기 중을 통하여 이동하는 수증기확산(vapor diffusion)과 세포벽 내에서 일어나는 결합수 확산(bound-water diffusion)의 두 형태가 있다.
그 외에 자유수 표면에서의 증발과 응축, 그리고 세포벽 표면에서의 흡·탈착 등이 서로 조합되어 수분이 목재 속을 이동한다. 목재수분의 이동통로는 수분의 상태에 따라 세포내강·벽공·세포벽 등이 중요한 역할을 한다.
수분이 이동하는 방법
모세관속에서의 액체이동
수도관같이 단일 모세관속에 액체가 존재하고, 그 양쪽에 압력차가 생기면 모세관 중의 액체는 압력이 낮은 쪽으로 이동한다. 이때 유동속도 dv/dt(㎤/g)는 모세관의 반지름 r(㎝), 모관의 길이 l(㎝), 액체의 점도 η(dyn·sec/㎠) 및 압력차 △p(dyn/㎠)에 지배된다. 이 관계를 Poiseuille 법칙으로 나타낼 수 있다.
그러나, 목재의 모세관계와 같이 길이나 지름이 다른 다수의 많은 모세관이 복잡하게 배열되어 있을 때에는 전체로서의 투과성을 다음의 Darcy 식으로 표현할 수 있다.
식에서, KL: 액체 투과계수(㎠), A: 단면적(㎠)
이 식은 이동량 및 경사가 시간과 공간에 따라 일정한 정상류(steady-state flow)의 조건이 만족될 때 성립한다.
투과성(permeability)은 재료를 통과하는 유체유동의 양적 표현으로 투과율(투과계수)을 측정해서 유체유동의 크기를 나타내며, 재료의 공극률(porosity)이 높을수록 증가한다.
유동은 방부제와 방화제의 가압처리, 목재-고분자 복합체(WPC)제조용 단량체 주입, 치수안정제 주입, 펄프의 표백제 주입, 목재건조시 자유수의 제거 등 목재이용의 여러 분야에서 활용된다.
결합수의 확산
기상 또는 액상에서는 그 분자가 끊임없이 브라운 운동(Brownian movement)을 계속하고 있다. 이 브라운 운동의 특성은 그 운동방향이 임의이고 통계적으로 각 방향마다 똑같이 움직인다. 또한, 분자가 적을수록, 相의 점도가 낮을수록, 그리고 온도가 높을수록 그 운동은 심하며, 또한 그 운동은 연속적이고 영구적이다.
농도가 다른 2개의 相 A, B가 서로 접근하고 있을 경우 농도가 높은 A상에서는 단위용적 중에 들어 있는 분자수가 많으므로 단위시간에 A상에서 농도가 낮은 B상으로 이동하는 분자수는 통계적으로 많다.
따라서, A상은 점차 농도가 낮아지고, B상은 반대로 높아진다. 이와 같이 농도가 높은 상에서 낮은 상으로 분자가 이동하는 현상을 확산(diffusion)이라고 한다.
정상류의 경우 확산방향으로의 단위면적 및 단위시간에 있어서의 수분 이동량(dm/dt)은 농도경사(dc/dx)에 비례하므로 Fick의 확산법칙에 의하면 면적 A(㎠)의 단면을 통하여 시간 t 동안에 확산하는 물질량 m(g)은 다음과 같다.
식에서, D : 확산계수(diffusion coefficient, ㎠/s)라고 하며 系에 의하여 결정되는 상수, c : 농도(g/㎤), x : 확산방향의 거리(㎝)
정상류의 경우에는 확산방향의 2점 사이의 농도경사와 단위면적, 단위시간당 확산분자의 이동량을 알면 확산계수를 구할 수 있다.
확산이 비정상류일 때에는 다음과 같은 식이 적용된다.
이 식이 성립하기 위해서는 정온조건이 유지되고, 확산매가 확산분자에 상호 작용되지 않으며, 확산 중에 확산매의 구조변화가 생기지 않는 것 등의 조건이 필요하다. 확산현상 중에는 非Fick확산이라고 하여 Fick법칙이 적용되지 않는 것이 적지 않다.
목재와 공기층 경계면에 있어서의 이동
액상과 기상의 계면에 있어서의 증발이나 응축, 고상과 기상과의 계면에서의 흡·탈착의 속도는 물질이동의 속도를 지배하는 인자가 된다. 이들 계면에서는 각 相에서 물질 이동을 제한하는 인자가 작용하여 계면에서의 물질 이동속도를 결정한다.
목재속에 있는 수분의 이동통로
침엽수재의 수분이동 통로
침엽수재에서 액체의 통로가 되는 곳은 주로 가도관세포의 내강과 유연벽공대로 구성되는 모세관계이며, 그밖에 목재의 섬유방향에서는 수직수지도가, 방사방향에서는 방사조직과 방사가도관의 내강이나 수평수지도 등이 통로로 이용되고 있다.
가도관과 유조직은 끝이 막혀있기 때문에 인접세포 간 액체나 기체의 이동은 벽공을 통하여 이루어진다. 유체통로의 크기나 수는 수종에 따라 다르며, 그 측정치의 한 예를 보면 아래표와 같다.
벽공은 목재 중의 액체의 통로로서 중요하며, 때로는 제한인자로 될 때도 있다. 즉, 생재 상태일 때 변재부의 유연벽공대는 열린 상태여서 수분통로의 역할을 하지만, 심재화나 건조 시 비교적 많은 벽공들이 토러스(torus)가 변위되어 벽공구를 막는 폐색벽공대(aspirated pit pair)로 되어 액체이동을 방해한다.
특히, 심재화되면 폐쇄된 벽공에 물질이 침착되어 불가역적인 상태로 된다. 춘재세포는 크고 많은 유연벽공을 가지므로 춘재의 유동은 추재보다 훨씬 크지만 건조시 벽공폐쇄가 추재보다 심하기 때문에 건조에 의한 투과성 감소율은 춘재의 경우가 더욱 심하다.
활엽수재의 수분이동 통로
활엽수재에서 주통로가 되는 곳은 도관으로 천공판으로 되어 있는데 도관의 끝이 부분적 또는 완전히 뚫려있기 때문에 섬유방향의 투과성은 대체로 크다. 도관 지름은 수종에 따라 다른데, 최대 지름이 25㎛ 이하로부터 500㎛ 이상에 달하는 것도 있다. 도관의 분포수도 수종에 따라 다른데, 1∼170개/㎟의 넓은 범위에 걸쳐 있다.
또한, 주위상 가도관·도관상 가도관 등도 액체의 통로가 된다. 방사방향 유동은 방사조직에 의하고, 접선방향 유동은 인접한 도관, 목섬유, 수직유조직을 서로 연결하는 벽공에 의존하며 매우 복잡한 통로를 따른다. 따라서, 활엽수재의 횡단방향 유동률(transverse flow rate)은 침엽수재보다 훨씬 작다.
그러나, 다열방사조직이나 목섬유는 별로 통로의 역할을 하지 못하며, 감압주입하여도 침투되지 않는 수종이 많다. 도관 중에 발달하는 타일로시스(tylosis)는 도관 중의 유동을 거의 방해한다. 투과성은 외부 변재가 가장 크고 내부쪽으로 감소하는데 특히 검(gum) 또는 수지의 퇴적, 전충물질의 형성 등으로 세포가 막히는 심재형성 개시부에서 뚜렷이 감소된다.
또한 침엽수재는 건조시 유연벽공의 폐쇄로 투과성이 현저히 감소되나 활엽수재는 벽공폐쇄가 없기 때문에 건조가 투과성에 미치는 영향은 침엽수재보다 훨씬 작다.
목재속에서 수분을 이동시키는 힘은 무엇인가?
세포내 공극속에 있는 자유수의 이동
섬유포화점 이상에서는 자유수가 존재한다. 자유수와 접하고 있는 세포벽은 結合水로 포화되어 있으므로 세포벽에는 수분경사가 없고 따라서 세포벽내의 수분의 확산이동은 없다고 본다.
이와 같은 상태일 때 목재 중의 수분의 이동은 주로 모세관을 통한 자유수의 유동에 의하여 이루어진다. 이 자유수가 이동되기 위해서는 모세관의 양쪽에 어떤 압력차를 필요로 한다. 보통 이 압력차의 원인이 되는 것은 모세관력(capillary forces), 가열에 의하여 목재에 함유되어 있는 기포 내의 압력증가 또는 진공건조나 감압시 외압의 저하, 가압주입할 때의 외압의 증가 등이다.
모세관의 유체이동에 관한 HAGEN-POISEUILLE의 법칙이 있으나 목재의 경우 수정이 필요한 데 이는 자유수가 모세관에 침투하면 모세관벽에 접촉한 물분자는 화학적 수착(chemosorption)
에 의해 모세관벽에 흡착되면서 자유를 잃게되고 흡착된 물분자는 모세관 안쪽에 있는 자유수 분자의 이동을 방해하기 때문이다.
목재건조시 자유수의 이동
정온·상압하에서 목재 중의 자유수 이동은 복잡한 모세관 내부에서의 공기와 자유수면상의 메니스커스(liquid-air meniscus)의 곡율반경에 기인된다. 생재가 대기 중에 방치되었을 경우를 생각하면 목재는 표면이 건조되어 그림 의 A부분은 섬유포화점 이하로 된다.
이때, 이 세포내강의 수증기압(PA)은 포화수증기압보다 낮으므로 수분은 자유수면 B에서 증발하게되고 메니스커스 B는 후퇴한다. 이에 따라 메니스커스 B의 곡률반경이 감소되고, B와 자유수로 연결되어 있는 메니스커스 C 사이에는 다음과 같은 압력차가 생긴다.
따라서, B와 C 사이의 자유수는 압력차에 의하여 B 쪽으로 평형이 될 때까지 이동한다. 다음에 메니스커스 C와 D사이에 있는 기포에 대하여 생각해 보면 다음과 같다.
지름이 작은 메니스커스를 가지는 수면 상의 포화수증기압(Po\')은 Kelvin식에 의하면 지름이 큰 메니스커스를 가지는 수면 상의 포화수증기압(Po)보다 떨어진다.
만약, 메니스커스 C가 후퇴하면 C의 수증기압은 메니스커스의 지름이 작아지므로 D의 수증기압보다 작아지고, D에서 C로 향하여 수증기가 확산된다.
또한, 메니스커스 C의 후퇴에 의하여 C와 D사이의 기포가 팽창하여 압력차가 떨어지므로 다시 내부(D보다 안쪽)와의 압력차가 생겨 바같쪽으로 수분이 이동하게 된다.
이와 같이 자유수와 수증기로 포화된 기포를 가지고 있는 모세관계서는 각종의 역학적 비평형이 수분이동의 원인이 된다. 그 위에 가열에 의한 내압의 증가, 감압 등의 외적 조작이 가해지면 그 영향도 부가되어 복합적인 형태로 자유수는 점차 표면으로 이동한다.
물속에 목재를 담글때의 흡수에 의한 자유수 이동
건조목재를 물속에 침수하면 목재는 흡수하는데 주로 횡단면을 통해서 섬유방향으로 물이 침투하며, 이것은 모세관의 표면장력에 의한 것이다.
반지름 r의 모세관에 있어서 모세관 속으로 물이 침투하는 길이 L은 다음과 같다.
식에서, σ: 모세관력, η: 액체의 점도, t : 흡수시간
실제로 목재 중에는 지름이 다른 모세관이 많이 존재하므로 침투되는 선단이 일정하지 않다.
또한, 물이 침투하면 도관이나 가도관에 인접한 세포도 침수되어 세포벽 중에서도 결합수의 형태로 확산하거나 또는 벽공벽의 소공에서 응축되어 통로 내에 기포가 생겨 통로가 폐쇄될 때도 있다. 목재 전체를 물속에 넣어 전면에서 흡수시키면 내부공기가 물의 침입에 의해 압축되어 내부에 압력이 생기기도 한다.
실험적으로 목재의 흡수량을 조사한 결과를 보면 그림과 같다. 이 결과에 의하면 심재<변재, 횡단방향<섬유방향의 관계를 나타낸다. 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.
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