[목재과학카페]건조4
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[목재과학카페]건조4
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2015.07.23 13:40
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건조 기작
목재를 건조하게 되면 우선 표면의 수분 증발부터 일어나기 때문에 초기 함수율이 상당히 높고 표면이 젖어있는 상태, 즉 건조 초기 단계에는 건조 속도가 일정한 상태를 보이게 된다.
이 기간을 항률건조기간이라고 하는데 표면이 섬유포화점에 도달할 때까지의 기간에 해당되는 것으로 매우 짧은 편이다.
그러나 섬유포화점 이하에서는 표면으로부터의 수분 증발속도가 목재 중의 수분 이동속도보다 크기 때문에 건조의 진행에 따라 표면과 내부 사이에 수분 농도 경사가 생기게 되고 이 경사에 의해 내부의 수분은 표면으로 이동하여 증발하게 된다.
건조가 더욱 진행되면 내부로부터의 수분 이동이 표면 증발을 따르지 못하게 되기 때문에 표면과 내부 사이에 압력 경사가 생기게 되고 내부 수분은 확산에 의해 표면으로 이동되어 증발하게 된다.
이처럼 표면 증발과 내부 확산에 의해 건조가 이루어지게 되는데 항률건조기간 이후에는 표면의 함수율이 주위 공기와의 평형함수율 상태에 도달할 때까지 건조 속도가 직선적으로 저하되는 감율건조기간 제 1단계와 목재 내부로부터 확산 이동되어 온 수분이 증발하는 단계로 건조 속도가 곡선적으로 저하되는 감율건조기간 제 2단계를 거쳐 건조가 끝나게 된다.
항률건조기간에는 자유수만에 의한 증발 기간이지만 감율건조기간 제 1단계와 2단계로 이행해 감에 따라 결합수의 증발이 주체가 된다.
따라서 목재는 표면 증발에 비해 내부 확산이 느리기 때문에 합리적인 건조를 하기 위해서는 되도록 내부 확산을 크게 할 수 있는 조건을 찾지 않으면 안 된다.
표면으로부터의 건조가 급해지면 내부 확산이 표면 증발을 따르지 못하게 되기 때문에 표면만 과도하게 건조되어 수축되고 할렬이나 표면경화 등과 같은 결함이 생기게 된다.

표면 증발
함수율이 높은 목재를 건조하게 되면 목재 자체의 성질에 관계없이 표면으로부터의 건조 속도(단위 시간과 면적당 수분의 증발량, g/㎠·hr·℃)는 다음의 식 dW/Adt = - Kp(Pw - Po) = - Kθ(θd - θw)를 따르게 된다.
여기에서 W는 수분 증발량, A는 증발 면적, t는 건조 시간, Pw는 습구온도에 대한 표면층의 증기압, Po는 공기의 증기압, Kp와 Kθ는 표면 증발계수, θd는 건구온도 그리고 θw는 습구온도이다. 2종류의 온도계가 있는데 그대로의 상태에 놓여 있는 건구온도계가 나타내는 온도를 건구온도 그리고 거즈(gauze)로 둘러싸여 항상 젖어 있는 상태에 놓여 있는 습구온도계가 나타내는 온도를 습구온도라고 부른다. 그리고 수분은 주위 공기의 열을 빼앗아 증발하기 때문에 건구온도에 비해 습구온도가 항상 낮은데 그 온도 차이를 건습구 온도차라고 한다. 건습구 온도차는 상대습도가 낮은 공기일수록 커지게 된다.
증발량은 목재 표면층과 주위 공기 사이의 증기압 차이 (Pw - Po)뿐만 아니라 풍속에 의한 영향을 받게 되는데 강제환기와 무풍에 가까운 자연환기 조건 모두에서 건습구 온도 차이 (θd - θw)와 직선적인 관계를 보이게 된다(그림 1의 A∼B).

그림 1. 항률건조에 있어서의 증발속도(A) 및 증발량과 건습구 온도 차이 사이의 관계(B)
그림 2. 모세관계 중에 있어서의 수분 이동

목재 표면으로의 수분 이동
목재의 수분이 표면으로부터 증발하게 되면 수분 함유율이 높을 때에는 내부로부터 모세관 현상에 의해 목재 표면으로 수분이 이동하게 된다.
한편, 모세관 전체에 걸쳐 증기압 차이가 존재하는 경우에는 상부 凹면 메니스커스(meniscus) 쪽으로 수분이 증발하고 반대쪽에는 수분이 응축함으로써 전체적으로는 수분이 증기압이 낮은 쪽으로 이동하게 된다(그림 2).
함수율이 섬유포화점 이하가 되면 자유수가 존재하지 않기 때문에 증기압 경사에 의해 이동량이 시간에 따라 달라지는 비정상 확산이 이루어지게 된다. 목재 중에서의 수분 이동 난이도에 따라 달라지겠지만 대개 섬유방향인 축방향으로의 이동은 섬유에 대해 직각인 종방향에 비해 수∼수십 배가 된다. 또한 목재의 비중이 커질수록 이동은 곤란해진다.

 <다음호에 계속됩니다.>
국민대학교 임산생명공학과 엄영근 교수

한국목재신문 편집국   webmaster@woodkorea.co.kr

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