목재를 공업재료로 취급하는 임산공학분야에 최근 들어, 가공기술의 발전에 따른 고온영역에 있어서의 목재의 수분 및 열처리에 관한 관심이 고조되고 있다. 특히 이 가운데에서도 목재의 압축성형가공, 고속건조 등의 고도의 가공기술이 목재의 고부가가치화와 목재 및 목질재료의 치수안정화 등, 목질계제품의 고품질화를 목표로 대내외적인 연구개발이 이루어지고 있다. 이들의 연구결과는 목질계소재에 대한 화학약품의 사용억제 및 이로인한 비용절감, 나아가 친환경제품의 생산에 의한 환경오염 방지로 이어지기 때문에 더욱 중요하다고 할 수 있겠다.
조습을 위한 목재양은 얼마나 필요한가?
목재를 벽장재료의 일부로 사용하여 실내의 조습을 위한 두께(유효두께)는 얼마나 될까? 실험실단위에서 <그림1>과 같은 헴록을 재료로 시험편수를 많이 준비하여 변화하는 온습도 분위기하에서 일정시간간격으로 수분이동방향으로의 함수율을 측정하였다.
측정은 그림의 중앙부분을 톱으로 절단한 후, 손대패를 이용하여 신속하게 두께방향의 함수율 분포를 구하였다.
실내의 온습도 변동곡선인 <그림2>는 24시간 주기의 일례를 나타내고 있지만, 우리들의 일상생활을 3일, 10일, 1개월, 1년 주기로 변동한다는 가정하에 각각 프로그램하였다.
그 결과, 목재의 중심층(두께17∼18.5㎜부분의 평균)과 목재표층(두께 0.7㎜이하 영역의 평균함수율) 및 평형함수율도표로부터 구한 함수율을 <그림3>에 나타내었다.
표층과 중심층에서는 진폭이 다르게 나타났다. 표층과 공기중의 평형함수율의 실제는 거의 같아야 하지만 여기서는 차이가 큰 것처럼 보이는데, 대패질한 목재두께가 0.7㎜이기 때문에 생긴 오차라 판단된다.
그러나 전체적으로는 싸인(sin)이나 코사인(cos)과 같은 조화함수의 진동형을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 그래서 조화진동형으로 근사시켜 표층 이외의 부위도 조화진동의 형태로서 함수율이 경과하는 것으로 간주하여 진폭과 위상차를 산출하였다.
그 결과, 1일 주기인 경우, 진폭비가 0.1이 되는 두께는 약 3㎜이다. 위상이 직선적으로 변화하는 영역을 보면, 역시 두께 약 3㎜로 볼 수가 있겠다. 즉, 실내의 온습도가 1일주기로 변화하는 열류, 수증기류는 약 3㎜까지 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
주기가 다른 경우의 깊이는 조화함수의 진폭을 나타내는 비례계수로부터 산출된다. 진폭비 0.1까지의 두께를 유효두께라고 한다면, 다양한 온습도 변동의 주기에 대하여 유효두께를 구할 수 있다.
참고로 문화재 수장고의 내벽의 두께는 2∼4개월의 주기에 대응하여 25㎜이상의 두꺼운 판재를 사용하도록 권장하고 있다.
벽장재의 조습원칙
건물에서의 조습원칙을 요약하면 다음과 같다.
① 대량으로 급격하게 발생한 수증기는 배출한다.
② 시간적, 공간적으로 온도차를 만들지 않는다.
③ 온도차를 완만하게 하기 위한 단열시공을 한다.
④ 수증기의 이동을 방지하기 위한 방습층을 만든다.
⑤ 통풍에 의해 체류공기를 해소시킨다.
⑥ 갇힌 수증기를 희석시키기 위한 환기를 실시한다.
방습벽장의 설계시, 비닐벽지의 투습저항에 필적하기 위한 값으로서는 판재의 경우 약 20㎜, 합판 약 10㎜, 파티클보드 약 40㎜의 두께가 필요하다. 즉 이런 목질바탕재를 사용하면 방습층이나, 경우에 따라서는 단열층이 없어도 벽내의 투습 걱정은 없다.
그러나 아직 단언하기는 어렵지만, 바탕재에 적절한 두께의 목질보드를 사용하면 벽내 결로의 걱정없이 동시에 조습능력이 있는 내장벽을 만들 가능성이 있는 것만은 분명하다고 하겠다.
형상기억소재인 목재의 소성가공과 치수고정
목재속의 물을 활용한 가공방안
목재를 공업재료로 취급하는 임산공학분야에 최근들어, 가공기술의 발전에 따른 고온영역에 있어서의 목재의 수분 및 열처리에 관한 관심이 고조되고 있다. 특히 이 가운데에서도 목재의 압축성형가공, 고속건조 등의 고도의 가공기술이 목재의 고부가가치화와 목재 및 목질재료의 치수안정화 등, 목질계제품의 고품질화를 목표로 대내외적인 연구개발이 이루어지고 있다.
이들의 연구배경으로는 열연화작용에 의한 목재마루판재 제조를 위한 압축목재 생산, MDF제조를 위한 섬유제조, 원목으로부터 비틀림이 없는 판재의 생산, 건조결함의 원인인 건조응력의 제거 및 기타 목질계 재료의 원료제조에 적용할 수 있는 등, 이 분야에 있어서 매우 중요한 위치를 점유하고 있기 때문이다.
이들의 연구결과는 목질계소재에 대한 화학약품의 사용억제 및 이로인한 비용절감, 나아가 친환경제품의 생산에 의한 환경오염 방지로 이어지기 때문에 더욱 중요하다고 할 수 있겠다.
목재는 수분과 열의 작용에 의하여 연화되면 작은 힘으로도 큰 변형을 얻기 쉬워지는데 이러한 현상을 목재의 가소화 현상이라고 한다. 이 가소화 현상은 다양한 목재가공분야, 특히 목재의 소성가공에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
목재의 압축가공이나 휨가공(토네의 의자)은 그 대표적인 예라고 할 수 있을 것이다. MDF제조시 리파이너를 이용하여 목섬유를 제조하는데, 그 공정에 있어서 가능한한 손상이 적은 섬유를 얻기 위해서는 목재섬유를 결합하고 있는 리그닌을 부드럽게 하는 작업이 우선 가장 중요하다고 할 수 있다.
목재소재 가공시의 가장 큰 문제점은 수분에 의한 할렬과 뒤틀림 등의 치수 불안정성 및 탄소성재료로서 가공변형후의 형상회복이라고 할 수 있다. 따라서 이런 관점에서 공업용소재로서의 활용을 목적으로 목재소재를 최적의 제조 조건 하에서 가공, 이용하기 위해서는 수분과 열의 작용원리의 파악과 그 기구해석이 필수 불가결하다고 하겠다.
열연화에 영향하는 목재 구성성분
<그림4>를 보면, 목재 구성성분의 함수율과 온도에 의한 연화정도를 잘 알 수 있다. 세포벽의 주요골격구조를 담당하고 있는 셀룰로스는 함수율이나 온도의 영향을 받지 않음을 잘 알 수 있다.
그러나 당성분인 헤미셀룰로스는 함수율의 증가에 따라 연화온도가 단조감소하는 경향을 나타내고 있으며, 세포벽간의 접합체역할을 하고 있는 리그닌 역시 함수율의 증가에 따라 헤미셀룰로스보다는 보다 낮은 온도에서 연화되어 감소하고 있는 경향을 나타내고 있다.
이런 열연화거동의 변화는 리파이너로써 목재를 전단력에 의해 섬유화시킬 때 중요한 사항이 되는데, 실질적으로 산업체에서는 약 160℃의 열처리조건을 적용하고 있다.
여기서 셀룰로스가 일정한 값을 나타내는 이유로는 약 50%정도를 차지하는 결정영역에 수분침투가 어려워 전건상태 및 포수상태에서의 연화온도는 거의 변화가 없다고 할 수 있다.
따라서 나머지 주요성분인 헤미셀룰로스와 리그닌이 열연화에 직접적인 관련이 있어 보이며, 문헌에 의하면 단리 성분의 열연화 측정결과 세포간층에 있는 고농도 리그닌의 미크로브라운 운동이 주된 원인으로 분석되고 있다.
생재상태의 목재를 고온으로 수증기처리함에 따라 나타나는 현저한 탄성계수의 저하는 리그닌의 용융 및 연화 등에 의해 세포간 결합력이 크게 저하되었기 때문으로 판단된다. 또한 열과 더불어 수분의 기여도도 매우 크다고 할 수 있는데, 건조목재와 포수목재를 고온하에서 열처리하게 되면 구성성분의 분해소실에 의한 중량감소량이 수분이 있는 경우에만 급하게 증가함을 나타내고 있다.
이와같이 열연화 특성이 수종에 따라 다양한 사실로부터, 목재의 가소화에는 수분과 온도의 차이에 의한 매트릭스성분의 가소화 차이 및 목리나 미크로피브릴의 배열상태와 같은 마크로한 목재의 구조적 인자가 상호 조합되어 있는 것으로 알려져 있다.
고온에서의 평형함수율과 열연화
지금까지 고온상태에서의 평형함수율은 100℃이하에서의 측정값을 외삽하여 계산에 의해 단순하게 구하였다. 일예로, Stamm이 1기압 상태에서 시트카 스프루스로서 측정한 평형함수율(EMC)은, 온도 20∼100℃에서 포화상태에서 온도가 높을수록 낮아질 것으로 예측하고 있다. 여기서 주의해야 할 점은, 상대습도(RH) 90∼100% 범위의 EMC 값은 상대습도 90%이하에서의 EMC-RH관계를 RH 100%까지 외삽하여 구한 결과라는 점이다.
대다수의 수분흡착등온선을 해석한 수분흡착식은 응축에 의한 수분보유분을 고려하지 않고 있기 때문에 일반적으로 외삽에 의해 구해지는 상대습도 100% 부근에서의 EMC값은 낮아지게 된다. 만약 목재내부에 응축이 생긴다고 가정한다면, EMC는 보다 높게 평가될 것이다.
즉 100℃이상의 고온에서의 수분흡착에 있어서는 응축수의 기여를 고려하지 않으면 안됨을 실험에서 확인할 수 있었다. 그 결과를 보면, 포화상태와 불포화상태 모두 고온·고압의 조건하에서 평형함수율은 고온, 1기압하에 있어서보다 높아지는 것으로 나타났다. 또한 처리조건에 있어서는, 열처리시간이 길고 온도가 높아짐에 따라 함수율은 점점 더 높아지는 경향을 나타내었다.
열처리 개시 후 6시간 경과시점에서, 120℃에서 함수율변화가 거의 없이 약 30%, 140℃에서 약 40%, 160℃에서는 50∼60%에 달하며, 온도가 높을수록 동일 처리시간에서 함수율이 점점 높아졌다.
일반적으로 고온수증기처리 조건하에서는 추출성분과 헤미셀룰로스가 감소하며, 추출성분의 감소에 의해 섬유포화점이 높아진다는 보고가 있다. 따라서 심재부는 추출성분이 많기 때문에 변재부보다도 실질부의 감소량이 더 많아질 것이다. 또 이러한 조건하에서는 헤미셀룰로스와 리그닌이 연화된다고 보고되고 있다.
세포벽 내부의 수증기압의 상승이 이들 목재 성분의 변화를 촉진하고 셀룰로스 미크로피브릴간의 일시공극 등이 확대된다고 한다면, 수분응축은 더 잘 일어나기 쉽고, 수분흡착량도 증가하게 될 것이다. 이것이 고온습윤 상태에서의 열처리과정에 있어서, 결과적으로는 목재연화나 생장응력의 제거를 촉진시키는 것으로 알려져 있다.
이론적으로 포화수증기 조건에서는 온도가 상승할수록 수증기압력의 증가와 더불어 절대습도의 양이 급상승하기 때문에, 목재의 평형함수율도 절대습도에 비례하여 1기압하에서의 조건과는 비교가 안될 정도로 매우 높을 것으로 추정된다.
따라서 160℃에서의 평형함수율은 150℃까지의 함수율의 연장선상에 위치해야 할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 160℃조건에서 함수율의 급격한 저하는 가수분해에 의한 실질중량의 감소량이 수분흡착에 의한 중량증가량보다 더 많이 일어났기 때문인 것으로 생각할 수 있다.
따라서 이 온도영역에 있어서 수분흡습에 관련한 목재 구조의 변이점이 존재하고 있음을 시사하고 있다. 수분이 존재하는 조건에서 목재를 고온에서 열처리를 하게 되면, 높은 온도와 압력 및 수분의 작용에 의해 치수안정화 등과 같은 수증기열처리에 의한 목재의 성능에 큰 변화가 일어날 수 있는 이유가 여기에 있는 것이 아닌가 생각된다.
소성 가공의 원리
목재를 플라스틱과 같이 압연, 사출성형하듯 다룰 수는 없을까? 그렇게 함으로써 목재소재를 플라스틱이나 금속재료와 같이 공업용소재로서 사용하고 있는 우리주변의 모든소재를 목재소재로 대체할 수 있는 방법은 없겠는가?
플라스틱은 상온에서는 단단하지만 열을 가하면 부드러워져서 변형하기 쉽다. 예를들면 수도관과 같은 염화비닐제품은 가열하면 고무와 같이 물렁물렁해지는데, 이것은 염화비닐을 구성하고 있는 분자가 서로 움직이기 쉽게 되기 때문이다.
그러나 목재는 가열만 해서는 부드러워지지 않는다. 그런데 물을 많이 함유하고 있는 상태에서 가열하면 많이 부드러워져서 쉽게 움직이게 된다.
목재봉의 양쪽끝 지점을 붙잡고 중앙에 힘을 가하면, 휘게 되는데, 이때 나무의 안쪽부분은 압축되고 바깥쪽부분은 늘어난다. 가장 많이 수축되는 부분은 아래 중앙부분이며, 가장 많이 늘어난 부분은 그 바같면이다.
목재는 파괴되지 않고 어느 정도까지 줄어들거나 늘어날 수 있을까? 너도밤나무를 사용한 실험결과, 실온에서 함수율 17%의 목재와 약 100℃, 함수율 33%의 목재를 부서질때까지 비교하면, <그림8>과 같이 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다.
함수율 17%인 기건재는 인장파괴 변형율이 1%, 압축파괴 변형율이 5%정도인데 대하여, 함수율 33%인 고함수율재는 인장파괴변형율이 2%, 압축파괴변형율이 35%이상으로, 특히 압축파괴 변형율이 매우 크게 된다.
이 실험사실을 응용하면, 목재를 크게 압축변형시킬 수가 있다. 목재가 늘어나는 쪽에 인장대철을 붙여 일체화시켜 휘게 되면, 대철이 늘어나 목재가 파괴되지 않는다. 그런데 크게 휘어도 힘을 제거하면 원래상태로 되돌아가 버리면 곡목부재가 될 수 없다. 이와같이 형상기억소재인 목재를 어떻게하든 변형상태를 그대로 고정해야만 실용화가 가능할 것이다.
열을 가해 녹인 플라스틱은 식히면 굳어진다. 목재는 실험결과, 힘을 가한 상태에서 건조하게 되면, 변형을 고정할 수 있음을 알게 되었다. 모형비행기의 날개에 대나무를 쓰는데 불을 이용하여 휘는 것이 보통이다. 대나무의 온도가 올라가 수분이 증발할 때 대나무는 휘어져서 고정된다.
목재의 곡목가공도 대나무와 똑같다고 할 수 있다. 목재를 고함수율상태에서 가열하기 위해서는 삶거나 증기로 찌는 방법 이외에, 불을 사용하거나 고주파 또는 마이크로파를 사용하는 방법도 있다.
목재를 파괴하기까지 잡아당기면 2%밖에 늘어나지 않는데, 압축한 때에는 35%나 수축하는 것은 왜 그런지 고정된 부분을 현미경으로 관찰해 보면, 세포벽에 많은 주름이 있음을 알 수 있다.
결국 소성가공이란 목재를 구성하고 있는 세포벽을 열과 물로써 가소화하여 전체의 형태를 변화시킨 것이라고 할 수 있다. 소성가공은 어떤 나무에서나 가능한 것이 아니며, 소성가공이 용이한 수종으로는 인성이 큰 활엽수재가 적당하다고 알려져 있다.
변형율 크기를 볼 것 같으면, 뽕나무, 느릅나무 등이 변형율 20%이상, 느티나무, 참나무가 20%, 너도밤나무, 단풍나무가 17%정도이며, 침엽수재의 편백, 삼나무 등은 3∼10%로서 소성가공이 곤란한 것으로 알려져 있다. 이와 같은 소성가공의 용이함과 목재의 강도, 탄성계수 사이에는 일정한 상관관계가 있고, 비탄성계수가 작은 것일수록 소성가공이 쉽다는 것을 최근 알게 되었다. 田 <다음호에 계속>
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