목재의 수분

▶ 목재는 함수율의 증가에 따라 팽창하기도 하고 함수율의 감소와 함께 수축하기도 한다. 함수율의 정확한 조절은 목재의 정확한 치수가 요구될 때 매우 중요하다. 목재의 수축은 목재의 세포벽에 존재하는 결합수의 감소에 따라 세포벽 두께가 감소하므로 발생한다.

세포 내강의 자유수(Free water)가 없어지고 세포벽에는 모든 결합수가 남아 있는 상태를 섬유 포화점이라고 하는데, 건조를 하더라도 이 섬유포화점에 도달하기 까지는 목재의 수축은 일어나지 않는다. 섬유 포화점은 일반적으로 함수율 30%를 기준으로 삼는다.

▶ 결합수의 양이 감소함에 따라서 목재의 강도는 증가하는데 이는 함수율의 감소가 세포벽의 경화와 목질의 양을 증가시켰기 때문이다. 목재 도장의 경우, 함수율은 크게 영향을 미치지 않지만 유성 페인트의 경우는 표면에 자유수가 없어야 한다. 

도막(피복)은 목재가 수축할 때 크랙을 만든다. 함수율의 감소는 열전도성을 감소시켜 단열 효과를 증가시키고 함수율을 20% 이하로 감소시키면 부후균이나 곤충으로부터 목재를 보호할 수 있다.

 o 결합수(結合水)와 자유수(自由水) 

   목재에는 결합수와 자유수라고 하는 두 가지 성분의 수분이 존재한다. 목재는 얇은 세포벽으로 둘러싸여진 가운데가 비어있는 세포가 무수하게 집합된 공극체이다. 그러므로 그 속에 수분이 어떻게 존재하느냐에 따라서 목재의 성질이 달라진다. 

   학술적으로 목재의 세포벽을 구성하고 있는 셀룰로오스와 화학적으로 결합하고 있는 수분을 결합수라고 하며, 이것은 얼음과 같이 결정화된 수분이라고도 한다. 결합수는 목재의 함수율이 28～30%이하일 때의 수분으로 수분이 많고 적음에 따라서 강도에 영향하는 기계적인 성질이나 수축？팽창 등의 물리적인 제반 성질이 달라지게 된다.  

   또 다른 하나는 세포의 안쪽에 비어있는 부분에 액체 상으로 존재하는 자유수이다. 자유수는 함수율이 28～30%이상일 때의 수분을 말하며, 이것이 많거나 적거나 관계없이 목재의 성질에는 영향을 미치지 않는다. 목재가 생재일 때는 이러한 두 종류의 수분이 동시에 존재한다. 

 

 o 수분이동의 메카니즘    입목이 벌채되어서 뿌리로부터 수분 공급이 정지되어진 후 목재가 열기건조와 같이 외부에서 열기를 받으면서 건조하기 시작하면 목재 중에는 우선 자유수가 점차 없어지게 된다. 액체 상으로 되어진 자유수는 이 때 두 가지의 이동형태를 띤다. 

   이동하는 형태의 하나는, 목재 세포 상호간을 연결하고 있는 인접하는 세포벽에 연결 통로와 같은 벽공(핏트)을 액체상태로 이동한다. 그 이동 형태를 유동이라고 하며, 이 때 유동을 발생시키는 힘은 벽공벽에 있는 마르고 등의 작은 구멍에 존재하는 미세한 메니스카스의 양측에 발생하는 증기압의 차에 의한다. 증기압의 차가 매우 커지면서 물의 응집력이 파괴되는 순간에는 자유수는 증기압이 높은 세포 쪽에서 낮은 세포로 인접하는 세포 상호간을 액체의 상태에서 순간적으로 이동한다고 알려져 있다. 

    또 하나의 이동상태는 확산이다. 액체상태의 자유수가 일단 기체(증기)로 바뀌어진 후에는 증기압력은 압력이 높은 목재의 내부에서 낮은 표층부를 향해서 세포내의 비어있는 벽공의 미세한 구멍 등을 따라가면서 목재내부를 통과하는 경우와, 기체가 일단 세포벽에 흡착되어진 후에 세포벽에서 수분 농도가 높은 부분(일반적으로는 재 내부)에서 낮은 부분(일반적으로 표층부)으로 향하면서 세포벽을 이동하는 2가지의 형태가 있다. 

   셀룰로오스 등 목재 구성성분과 결합하고 있는 결합수는 목재의 외부에서 받는 열에너지 등에 의하여 목재구성 성분으로부터 이탈하고, 세포내에 있는 구멍 등의 공극에서 기체로 바뀌면서 증산한다. 그런 후 벽공 등의 구멍이 있는 곳을 통해서 증기압이 낮은 표층부로 확산되어 진다. 또는 세포벽 중에 수분경사(수분농도구배)에 따라서 수분농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽을 향하여 확산되어지는 수분도 있다. 

 o 건조과정의 수분이동 

   목재에 포함되어진 수분량은 비중에 따라서 결정되며, 비중이 작을수록 함유하고 있는 수분의 량은 많아진다. 그 이유는 공극율 때문이다. 비중이 작으면 공극이 많고, 목재 내에 들어있는 자유수의 량이 많아지기 때문이다. 삼나무와 같이 비중이 작은(약 0.33～0.35)경우에는 최대 함수율은 300%에 가깝게 되는 경우도 있다. 이와 같이 고함수율의 목재가 건조되어 질 때 우선 자유수가 먼저 이탈되기 때문에 세포 내강에서 액체상의 수분을 잃게 된다. 자유수가 없어지면서 점차 결합수의 이탈도 일어나게 된다. 결합수의 탈착은 이론적으로는 자유수를 모두 잃고 난 후에 반응이 일어나는 것으로 알려져 있지만 실제 건조과정에서는 양자가 평행으로 진행되어진다고 한다. 그 이유는 목재에는 어느 정도의 두께가 있기 때문이다. 두꺼운 목재를 열기건조와 같이 외부 가열건조법에 의하여 건조하면 목재는 우선 표층부분부터 건조되어 서서히 내부로 향하여 건조하게 된다. 이 때 표층부분에서는 함수율이 30%이하로 저하하여 이미 결합수의 탈착이 시작되었다고 하여도 내부에는 자유수가 남아있는 상태일 것이다. 이와 같은 상태에서는 자유수의 유동과 결합수의 확산이 동일한 목재 내에서 동시 병행하여 발생하는 것이라고 할 수 있다.