목재의 함유수분

목재의 함유수분

 

수분 50%라고 하는 것은 보통 수분을 함유하고 있는 물체, 즉 습윤된 물체 무게의 절반이 물이라고 하는 것을 의미하게 된다.
그렇지만 목재를 물리적으로 이용하는 사람들에게 있어서는 이 상태를 100%의 수분, 함수율 100%라고 부르게 된다. 그것은 목재의 전건무게를 기준으로 {(Wu-Wo)/Wo} x 100 (%)의 식을 이용하여 계산하였기 때문에 그렇다.
여기에서 Wu는 물을 함유하는 목재의 무게 그리고 Wo는 전건목재의 무게로써 105℃에서 건조한 목재의 무게이며 따라서 Wu-Wo는 물의 무게가 된다.
이와 같이 함수율을 구하는 방법을 전건법이라고 하는데 가장 정확한 함수율 측정법이 되고 있다.
이외에도 목재의 함수율에 따른 비전기저항 또는 유전율을 이용하여 수분을 측정하는 방법이 있으나 대개 사용하는 함수율 범위가 정해져 있을 뿐만 아니라 그 범위를 벗어나는 경우 오차가 심한 단점이 있다.

두께 5 mm, 넓이 1 m²의 건조 목재는 함수율 1% 변화에 대하여 전건비중 0.4인 경우 20g 그리고 전건비중 0.6인 경우 30g의 수분을 흡습 또는 탈습할 수가 있다.
이 경우 비중과 함수율 공식을 이용하여 계산해 낼 수가 있는데 목재의 전건부피는 5000 cm³( = 0.5 x 100 x 100)이며 전건비중( = 목재의 전건무게/목재의 전건부피)이 0.4라고 한다면 목재의 전건무게(X)는 2000 g(0.4 = X/5000)이 된다.
또한 함수율( = (물의 무게/목재의 전건무게) x 100))이 1% 변하기 때문에 흡습 또는 탈습되는 수분의 무게(Y)는 20 g(1 = (Y/2000) x 100))이 된다.

목재에 함유되어 있는 수분은 그 상태에 따라 자유수와 결합수로 나누어 진다.
자유수는 유리수라고도 불려지고 있는데 세포내강이나 세포간극 등에 함유되어 있는 수분으로써 셀룰로오스의 결정영역에 직접 접촉되어 있지 않으며 셀룰로오스의 결정영역의 인력 범위밖에 존재하기 때문에 자유로이 이동될 수 있는 액상의 수분이다.
자유수의 최대 함유율은 공극에 의해 달라지게 되는 것이므로 이것을 전건비중과 연관시켜 보면 (그림 1)과 같다.
한편 결합수는 흡착수라고도 불려지지는 것으로써 세포벽중에 침투하여 습윤되어 있으며 세포벽질과 수소결합 또는 van der Waals력으로 결합되어 있어서 목재의 물리적, 역학적 성질에 큰 영향을 미치게 되는 수분이다.
결합수에는 세포벽내의 셀룰로오스의 결정영역 표면 또는 비결정영역의 표면과 내부(그림 2A) 그리고 헤미셀룰로오스 등에서 수산기(-OH)와 같은 친수성기에 수소결합되어 단분자층으로 존재하는 단분자층결합수, 이 단분자층결합수 표면에 van der Waals력이나 수소결합에 의해 다분자층으로 결합되어 있는 다분자층결합수(그림 2B) 및 상대습도가 높은 경우 세포벽내에서 결정영역 사이의 틈새와 같은 미세한 모세관에 응축된 형태로 존재하는 모관응축수의 3 종류가 있다.

 

 

건조된 목재를 포화수증기중에 나두게 되면 목재는 점차로 수분을 흡수하게 되고 결국에는 그 이상의 수분을 수증기의 형태로는 흡수할 수 없는 극한 상태에 도달하게 된다.
이 때의 함수율을 섬유포화점이라고 부르게 되는데 섬유포화점은 세포벽 내부가 완전히 결합수로 포화되어 있으나 세포내강 등의 빈 공간에 액상의 자유수가 존재하지 않는 상태를 일컫는 것으로써 이 때의 함수율은 목재의 종류에 관계없이 25∼35%, 평균 28%이다.
이 경우 수분은 전부 결합수로만 세포벽에 존재하기 때문에 섬유포화점 이하에서는 목재의 물리적, 역학적 성질이 수분의 변화 상태에 따라 달라지게 된다(그림 3).

섬유포화점 이외에도 목재중에 존재하는 수분의 함유상태에 따라 다음과 같이 구분된다.
100∼105℃에서 항량에 이를 때까지 건조된 무수상태를 전건상태라고 하며 목재가 통상의 대기 온도 및 습도와 평형된 수분을 함유하는 상태를 기건상태라고 하는데 이 때의 기건함수율은 계절, 장소, 기후 등에 따라 달라지지만 국내의 경우 15% 그리고 구미의 경우 12%이다.
한편, 세포벽 내부가 완전히 결합수로 포화되어 있으며 아울러 세포내강 등의 빈 공간에도 액상의 자유수가 일부 존재하는 경우 생재상태라고 부르는데 이것은 살아있는 나무 또는 벌채 직후의 나무의 수분 함유상태를 나타내게 되며 목재 내부 전체, 즉 세포벽과 세포내강 등의 빈 공간이 결합수와 자유수로 완전히 충만되어 있는 경우 포수상태라고 부르고 있다.
생재의 수분은 수종, 변재와 심재, 계절 등의 차이에 따라 변화되지만 일반적으로 침엽수의 쪽이 활엽수보다도 수분 함유율이 높고 변재와 심재 사이의 차이도 큰 편이다.
보통 변재는 심재보다도 수분이 많으나 변재보다도 수분이 많은 심재의 경우 다습심재라고 부르게 되는데 느릅나무 등이 그 예가 되고 있다.

한편, 어떤 온도 및 습도 조건의 공기중에 목재를 나두게 되면 더 이상 수분을 흡습하거나 또는 탈습하지 않는 평형상태에 목재가 도달하게 되는데 이 때의 함수율을 평형함수율이라고 부르게 된다.
그러나 어느 주어진 조건 아래에서 목재의 평형함수율은 그 평형이 낮은 함수율로부터 흡습에 의해 도달되느냐 또는 높은 함수율로부터 탈습에 의해 도달되느냐에 따라 달라지게 되는 이력현상을 보이게 되는데 항상 흡습에 의한 평형함수율이 탈습, 즉 건조에 의한 평형함수율보다 낮은 편이다(그림 4).
이러한 이력현상이 일어나게 되는 이유는 생재로부터 건조가 일어나기 시작하면 세포벽에서 물 분자가 빠져나가 수산기들이 가까워지게 되어 셀룰로오스와 셀룰로오스 사이에 결합이 일어나게 되는데 건조후 다시 흡습하여도 본래만큼 수분을 흡착할 수 있는 흡착점(수산기, -OH)의 수가 줄어들기 때문인 것으로 알려져 있다.