소나무 목재 내 물질전달 및 건조응력의 비정상상태 분석

Abstract

목재의 내∙외부 수분 분포 및 이동은 목재 자체의 물리 ∙ 역학적 성질을 변화시키는 중요한 인자이다. 목재의 합리적인 이용은 수분의 제어로부터 시작한다고 할 수 있다. 수분분포 변화에 의해 발생하는 표면응력과 내부응력은 수분 흡착형 다공성 재료인 목재 조직의 변형과 파괴를 유도하기 때문이다. 목재의 건조가 제대로 수행되지 않는 경우, 건조 중 목재의 표면과 내부에 할렬이 발생하여 목재의 강도를 감소시킨다. 또한 목재 가공공정 중 접착성능, 도장성능, 보존제 주입 성능 등이 감소하기 때문에 목제품의 고부가가치창출을 방해한다. 부재의 건조에 대한 요구가 증가됨에 따라 보다 정확한 건조스케줄과 발전된 건조공정 제어기술이 필요하다. 특히 대단면재를 횡단면할렬 등의 결점을 최대한 억제하면서 신속하게 건조하기 위해서는 목재의 내부수분이동률과 같은 물질전달에 관련된 기본적인 인자에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 목재 내부의 수분이동에 관한 기하학적 수분확산모델에 소나무재의 벽공과 방사조직의 비율을 적용하여 접선방향, 방사방향, 섬유방향의 확산계수를 결정하였다. 수분확산모델을 통해 결정된 확산계수의 함수율에 따른 증가와 감소 경향은 비정상상태에서 측정된 실험치와 유사하였다. 벽공과 방사조직의 기하학적 특성을 수분확산모델에 반영하여 결정된 방사방향의 확산계수는 접선방향에 비하여 크게 결정된 것을 확인할 수 있었다. 수분확산모델 내의 각 통로의 컨덕턴스를 이용하여 수증기와 결합수의 이동통로를 세포내강+세포벽, 세포내강+벽공벽, 연속된 세포벽의 3종류로 구분하고, 각각의 비율을 제시하였다. 건조가 진행됨에 따라 함수율이 감소하면 세포벽을 통한 결합수의 확산은 점차 감소하고, 세포내강을 통한 수증기의 확산이 지배적으로 발생한다. 수분확산모델에 의해 결정된 확산계수를 함수율 예측모델에 적용하여 건조 중 목재의 함수율 분포를 예측하였다. 함수율 예측모델에 의한 함수율 분포와 온도 30oC, 상대습도 60%의 조건에서 실험에 의한 측정된 결과의 평균함수율 차이는 미미하였다. 그러므로 기하학적 수분확산모델에 의해 결정된 확산계수를 함수율 예측모델에 적용하면 건조 중 소나무재의 표면함수율과 내부함수율 분포를 예측할 수 있다. 작고 얇은 두께의 시험편을 제작하여 건조 중 무응력 상태를 가정하고, 소나무재의 섬유직각방향 자유수축률을 분석하였다. 측정된 자유수축률과 열기건조 중 응력해제시 변형복원량을 이용하여 열기건조 중 발생하는 변형을 탄성∙점탄성∙점성변형으로 구분하였다. 이 값을 Burger 모형에 적용하여 점탄성계수와 점성계수를 도출하였다. 각각의 계수와 실험적으로 측정된 탄성계수를 이용하면 열기건조 중 특정시간에서의 건조응력과 변형을 예측할 수 있다. 소나무재의 열기건조 중 표면층에 발생하는 건조응력이 소나무재의 평균 인장강도를 초과하지 않았으나 횡단면할렬이 발생하는 것을 관찰하고 이에 대한 원인을 분석하였다. 목재가 방사방향으로 수축할 때, 방사조직은 인접한 종축 가도관의 방사방향으로의 수축을 억제하기 때문에, 방사조직의 세포에서 압축응력이 발생하고 인접한 종축 가도관에서 인장응력이 발생한다. 이 때 접촉면에서 전단응력이 작용하는 것과 같은 효과를 보인다고 판단하여 소나무재의 평균전단강도와 건조응력을 비교하였다. 이를 통해 건조 중 방사방향으로 발생하는 횡단면할렬은 방사조직과 인접한 가도관의 결합이 파괴될 때 나타나는 것으로 판단하였다. 소나무재의 함수율 예측모델을 이용하여 건조 중 함수율 분포를 분석하고, 함수율 분포에 따른 탄성∙점탄성∙점성계수를 Burger 모형에 적용하여 건조응력을 산출하였다. 예측된 함수율 분포와 건조응력을 바탕으로 온도 70 oC, 상대습도 60 %의 조건에서 소나무재의 건조 시 횡단면할렬이 발생하는 시간을 예측하고 실험을 통하여 검증하였다. 예측치와 실험치는 약 0.5시간의 차이가 있었다. 이 값은 소나무재의 평균전단강도의 표준오차범위 내의 값으로 보다 정밀한 예측을 위하여 방사조직과 인접한 가도관의 결합력에 관한 분석이 필요할 것으로 사료된다. 본 연구결과를 이용하면 목재의 열기건조 중 온∙습도의 외부조건과 목재의 치수 등의 조건이 주어질 경우, 목재의 표면과 내부의 함수율 분포를 예측할 수 있다. 함수율 분포에 따른 건조응력과 목재의 평균강도의 비교분석을 통하여 횡단면할렬의 발생조건을 예측하고, 횡단면할렬을 예방하는 것이 가능할 것이다. 이러한 방법을 이용하면 보다 정확한 제재목의 건조스케줄을 제시할 수 있으며, 건조 중 제재목의 건조결함을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.