제1장 목재의 구조와
성질(2)
1. 함수율
가. 목재(생물재료) : 수분과의 친화성 有 ① 재료의 성질에 영향을 미침
② 함수율(Moisture content) 계산식
MC(%) = {(W – Wo)/Wo} ｘ 100 - 건량기준함수율 → 목재, 섬유, 식품, 종이 등(실험 등 비교 분석에 사용) MC(%) = {(W – Wo)/W} ｘ 100 - 습량기준함수율
→ 곡물(상업적 표현에 사용) 나. 종류
기건, 생재, 포수, 평형 함수율, 섬유포화점
제4절 목재의 수분 특성
□ 섬유포화점(Fiber saturation point, FSP)
기건 상태 목재 → 포화증기압(100% RH) 하에 장기간 방치 → FSP에 도달
수종, 개체 간, 추출성분 등에 따라 相異 일반적: 22~35%(평균 28% 또는 30%)
FSP를 경계로 목재의 물리, 기계적 성질 변화
2. 함유수분의 존재 상태
가. 물
나. 목재
① Cellulose
◦ 결정영역(Micelle, Crystalline region) +
비결정영역(미셀간극, amorphous region)
② Hemicellulose
③ Lignin
□ 목재 내에서 수분의 흡착점
① Cellulose의 비결정영역 내부의 –OH기
② Hemicellulose의 –OH기
③ Lignin의 –OH기
④ 기타 저분자물질의 –OH기
☞ 흡착점이 존재하는 표면 → 內部表面
1) 결합수(흡착수)
① 세포벽 성분과 물리화학적으로 결합(수소결합, 반데르바알스 힘) 하고 있는 수분
② FSP 이하에서의 수분
③ 함수율 5~6% 이하의 수분
▪ 목재 내부표면 + (수소결합, 반데르발스 힘) + H2O
→ 單分子層 吸着水(Monomolecuraly adsorbed water) ④ 함수율 5~6% 이상 ~ FSP
▪ 단분자층 흡착수 + (반데르발스 힘) + H2O
→ 多分子層 吸着水(Polymolecuraly adsorbed water) ⑤ 증감 → 목재의 물리, 역학적 성질에 큰 영향을 미침
다. 목재 중의 수분
2) 자유수
◦ 세포내강이나 공극에 액체 상태로 존재하는 수분 ◦ 섬유포화점 이상에서의 수분
◦ 모관 인력에 의해 존재
◦ 증감 → 목재의 중량, 열 또는 전기적 성질에 영향
○ 목재의 건조와 수축
○ 목재 내 자유수와 결합수의 제거
1. 목재의 膨潤·收縮의 메커니즘
가. 목재: 주위의 온·습도 변화에 따라 吸 · 放濕(調節的) → 함수율 변화 → 치수 변화 → 팽윤(Swelling), 수축(Shrinkage) 발생
목재 방향에 따라 相異 → 건조과정에서 결함 발생 나. 발생 장소 및 함수율
세포벽의 비결정영역 – 수분의 출입 섬유포화점 이하
다. 목재 팽윤의 메커니즘
액체 분자(수소결합능력을 갖는 액체, 물 등) → 세포벽 비결정 영역의 분자 간 수소결합 절단 → 사이에서 單分子層 또는 多分子層으로 결합
제5절 목재의 팽윤 및 수축 특성
물분자 팽윤
수축 물분자
2. 팽윤(수축)율 구하는 공식
1) 線 팽윤율(
α
l ), 체적 팽윤율(α
V)▷
α
l = [(l2 – l1)/l1] x 100 (%),α
V = [(V2-V1)] x 100 (%) ▷α
V ≒α
T +α
R2) 線 수축율(βl ), 체적 수축율(βV)
▷
β l
= [(l1 – l2)/l1] x 100 (%),β
V = [(V1-V2)] x 100 (%) ▷β
V ≒β
T +β
Rl1: 팽윤(수축) 전 치수, l2: 팽윤(수축) 후 치수 V1: 팽윤(수축) 전 체적, V2: 팽윤(수축) 후 체적
α
T ,α
R : 접선, 방사방향 線 팽윤율β
T ,β
R : 접선, 방사방향 線 수축율3. 팽윤(수축) 영향 인자
가. 비중
① 접선, 방사방향, 체적 : 비중의 증가와 함께 직선적으로 증가 ② 섬유방향 : 명확한 관계 無
③ 팽윤(수축)량 ≒ 세포벽에 收·脫된 수분의 체적 나. 화학성분
① 흡습성
◦ Hemicellulose > Cellulose > Lignin
- Hemicellulose, Cellulose 함유율의 증가 → 팽윤, 수축성 증가 - Lignin 함유율 증가 → 팽윤, 수축성 감소
② 추출성분 증가 → 팽윤, 수축성 감소 - 세포벽 중에서의 充塡효과
다. 수종
▷ 수축(팽윤)율(동일 비중): 활엽수 > 침엽수 ◦ 리그닌 함유율 : 활엽수 < 침엽수
coniferyl alcohol
(guaiacylpropane) sinapyl alcohol
(syringylpropane) coniferyl alcohol
(guaiacylpropane)
목재 세포벽의 Lignin 비율
침엽수 : 주로 guaiacyl lignin, 25~35%
활엽수 : guaiacyl lignin + syringyl lignin, 20~25%
세포벽 주성분의 수분에 대한 성질
▷ 親水性(Hydrophilic property) : Cellulose, Hemicellulos 물 분자와 쉽게 결합하는 성질, 극성 물질
Hydrophilic group: -OH, -COOH, -NH4, -NH2 등 ▷疏水性(親油性): Lignin
물분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질, 비극성 물질 Hydrophobic group: 탄화수소기(지방족, 방향족) 등
coniferyl alcohol (guaiacylpropane)
4. 팽윤·수축 異方性
가. 팽윤 · 수축율
▷접선방향: 3.5~15%
▷방사방향: 2.4~11%
▷섬유방향: 0.1~0.9%
▷접선 : 방사 : 섬유 = 10 : 5 : 0.5 ▷수종, 비중에 따라 차이가 大
◦ 접선, 방사방향 팽윤 · 수축 이방성 : 저비중재일수록 大 나. 팽윤 · 수축 이방성의 원인
1) 종방향(섬유방향)
▷횡방향(접선, 방사방향)에 비하여 현저하게 小
◦ 원인 : S2층의 마이크로피브릴 배열 → 섬유방향에 거의 평행 (경사각이 小)
섬유방향 팽윤·수축율 압축이상재 : 정상재 = 5 : 1
2) 횡방향(접선, 방사방향) ① 조·만재의 상호작용 ▷만재: 조재에 비하여 ◦ 밀도가 高, 팽윤·수축 잠재력이 大, 탄성율 大 ▷ 접선방향
◦ 조재와 만재가 병렬로 배열
→ 수축(팽윤)량 > 조재와 만재 구성비율에 따른 평균치 ▷ 방사방향
◦ 조재와 만재가 직렬로 배열
→ 수축(팽윤)량 = 조재와 만재의 수축(팽윤)량의 합
② 방사조직의 영향
▷ 방사조직 : 방사방향으로 섬유 배열 ◦ 방사방향의 수축 · 팽윤을 억제
▷ 수종 별 억제 효과 ◦ 활엽수 > 침엽수 광방사조직 有
③ 세포형태와 異方構造
▷ 접선, 방사방향 수축율의 비 = 양방향 세포벽 두께의 합의 비 ◦ 세포벽의 수축 · 팽윤 : 두께방향 > 폭방향
▷ 세포벽 자체
◦ S2층의 마이크로피브릴 경사각 : 방사 벽 > 접선 벽 ◦ 유연벽공 : 방사 벽에 多 → 마이브로피브릴 迂回 ◦ 목화의 정도 : 방사 벽 > 접선 벽
소나무의 조재와 만재
건조진행에 따른 수축 이방성
