목재 내부의 자유 수분 증발 이론 및 탄소섬유 전기 발열관을 이용한 목재 건조 연구

건조 과학에서는 물이 재료와 결합하는 방식에 따라 재료를 세 가지 범주로 나눕니다. 첫 번째 범주는 콜라, 숯, 흙, 자갈과 같이 수분 변화에 따른 치수 변화가 미미하거나 아예 없는 모세관 다공성 물질입니다. 두 번째 범주는 젤라틴과 같이 수분 함량에 따라 크기와 부피가 모두 변하는 콜로이드입니다. 세 번째 범주는 모세관 다공성 콜로이드이며, 보다 일반적이며 앞의 두 가지 범주의 특성을 모두 나타냅니다. 나무, 가죽, 곡물, 음식, 약초 등 우리가 매일 접하는 많은 물체가 이 범주에 속합니다.

리난 목재는 건조할 때 주름이 생기기 쉽습니다. 1950년대 후반, 연구자들은 건조 초기 단계에서 표면 수축이 내부 수축보다 커서 목재 내부에 스트레스가 가해져 최종 제품에 주름이 생기는 건조 스트레스로 인해 주름이 생긴다고 생각했습니다. 그러나 추가 연구에 따르면 주름은 거시적인 건조 스트레스 때문이 아니라 미시적인 모세혈관 장력 때문인 것으로 밝혀졌습니다. 주름은 모세관 장력이 가로 압축 강도를 초과할 때 발생합니다. 예를 들어, 녹색 상태(젖은 상태)에서 특정 목재의 압축 강도 한계는 3.59MPa입니다. 기공 반경이 0.04μm 미만인 경우 주름이 발생할 수 있습니다. 따라서 건조 중 큰 모세관 수분의 배출로 인해 목재 내부에 모세관 장력이 갑자기 나타나는 것을 이해하는 것이 가장 중요합니다.

목재 내부의 자유 수분 증발 모델은 매우 지루하므로 여기서는 자세히 설명하지 않겠습니다. 대신 목재 건조 중 주름의 메커니즘에 대해 논의 해 봅시다. 목재 내부의 자유 수분을 배출하는 동안 건조 초기 단계에서 저온을 사용해야합니다. 이것이 일반적으로 목재를 건조 가마에 넣기 전에 어느 정도 자연 건조시키는 이유를 설명합니다. 젖은 목재는 균열과 변형이 발생하여 손실이 발생할 수 있으므로 건조 가마에 바로 넣지 않아야 합니다. 균열과 변형이 발생하는 이유는 고온에서 큰 모세혈관의 배수가 더 빠르게 일어나 목재 섬유 내부의 모세혈관 장력이 횡압축 강도를 초과하여 목재의 변형과 균열이 눈에 띄게 발생하기 때문입니다.

모세관 장력이 목재의 주름을 유발한다는 이론에 따르면, 목재 내부의 물을 표면 장력이 낮은 액체로 대체하면 건조 중 목재 주름을 줄일 수 있을까요? 연구자들은 목재 내부의 물을 표면 장력이 낮은 메탄올과 에탄올로 대체하려고 시도했고, 건조 중 주름 현상이 현저히 개선되는 것을 관찰했습니다. 그러나 이 방법은 일상적인 생산에는 경제적으로 비현실적입니다. 그럼에도 불구하고 이번 연구 결과는 목재 주름이 실제로 목재 내부의 모세관 장력에 의해 발생한다는 것을 확인하여 후속 연구에 이론적 근거를 제공했습니다.

실험을 통해 확인된 목재 내부의 수분 이동 패턴은 다음과 같습니다:

1. 나무 표면의 자유 수분과 세포 내부의 수분이 완전히 증발합니다.
2. 세포 내부의 자유 수분이 모세혈관을 따라 표면으로 이동합니다.
3. 표면의 부착 수분, 즉 모공 속 수분도 증발하여 섬유 포화점 아래로 표면 수분을 감소시킵니다.
4. 목재 내부의 수분은 표면보다 내부 층이 더 높기 때문에 내부에서 외부로 수분 함량의 구배가 생깁니다.
5. 수분 함량 구배로 인해 목재 내부의 수분은 수분 함량이 높은 영역에서 낮은 영역으로 이동합니다.

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