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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.6 pp.45-53
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.6.45

Physical and Mechanical Properties of Neolitsea sericea

Kyung Rok Won 1, Su Young Jung2, Byung Oh Yoo2, Young Gi Jang3, Jang Hoon Jo3, Hee Seop Byeon 1*
1The Major of Enviromental Materials Science(IALS), Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Southern Forest Resources Research Center, National Institute of Forest Science, Jinju, 52827, Korea
3The Major of Enviromental Materials Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
Corresponding author : Hee Seop Byeon +82-55-772-1861+82-55-772-1869hsbyeon@gnu.ac.kr
20170525 20170829 20171023

Abstract

In order to utilize evergreen broad-leaved trees growing in warm temperate forests, we analyzed the anatomical, physical and mechanical properties of Neolitsea sericea. The height, width, and number of biseriate ray and vessel diameter of earlywood and latewood were observed. The oven dry shrinkage of the Neolitsea sericea was 11.00% in the tangential direction and 4.64% in the radial direction. The air-dried shrinkage of the Neolitsea sericea was 8.00% in the tangential direction and 2.88% in the radial direction. The physical properties were measured as mean annual ring width 2.93 mm, air-dried density 0.52 g/cm3, and basic density 0.39 g/cm3, and mechanical properties were measured for bending strength 76.97 Mpa, compressive strength 10.97 Mpa, and shear strength 10.13 Mpa. There were close relationships at 1% of mechanical properties to annual ring width for Neolitsea sericea. As the average annual ring width of Neolitsea sericea increased, the strength reduction was relatively low. It is considered that the use of large-diameter log is economical because the negative effects of the increased growth rate on timber quality is low. These results brought a conclusion that Neolitsea sericea in southern region could be useful forest resources for the utilization of wood.


참식나무의 물리·역학적 특성

원 경록
1, 정 수영2, 유 병오2, 장 용기3, 조 장훈3, 변 희섭
1*
1경상대학교 환경재료과학과(농업생명과학연구원)
2국립산림과학원 남부산림자원연구소
3경상대학교 환경재료과학과

초록

난대림에서 생육하고 있는 상록활엽수를 자원화하기 위해서 참식나무의 조직적, 물리적, 역학적 특성 을 분석하였다. 조직적 특성은 방사조직의 크기, 너비, 수와 도관의 크기를 관찰하였다. 참식나무의 전 수축률은 접선방향 11.00%, 방사방향 4.64%를 나타내었고 기건수축률은 접선방향 8.00%, 방사방향 2.88%를 나타내었다. 평균연륜폭은 2.93mm, 기건밀도는 0.52g/cm3, 기본밀도는 0.39g/cm3이었다. 휨 강도는 76.97Mpa, 압축강도는 10.97Mpa, 전단강도는 10.13Mpa이었다. 참식나무의 평균연륜폭과 강도 와의 관계는 1% 수준에서 유의성이 인정되는 부의 상관관계가 나타났다. 참식나무는 평균연륜폭의 높은 증가에 반해 강도 감소율은 비교적 낮은 감소를 나타내어 생장률 증가에 따른 강도 감소가 낮아 대경재 의 이용이 경제적이라고 판단된다. 남부지역의 참식나무는 온대에서 난대로 기후가 변화하는 난대 지역 의 산림자원으로 본 목재재질특성 분석결과 유용한 산림자원으로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.


    서론

    우리나라 산림자원의 조성은 세계적으로도 성공적 으로 이루어졌다는 평가를 받고 있다. 과거에는 목 재 생산과 같은 경제적 기능에 중점을 둔 산림정책 을 실행하였고, 이로 인해 그동안 산림의 경영과 관 리는 단순 동령림 위주의 침엽수 임분에 집중되어왔 다. 그러나 이러한 단순림 위주의 산림정책은 병해 충의 발생과 생태적 불안정 등의 문제점이 야기되면 서 생태적으로 건전한 천연 활엽수림에 대한 관심과 중요성이 대두되고 있다(Park et al., 2013). 국내의 활엽수 조림지로는 참나무류를 중심으로 한 낙엽활 엽수림대가 대부분이고 상록활엽수림대는 과거 벌 채, 연료채취, 조림 등 인위적 영향으로 대부분 파괴 되었으며, 기온의 영향에 따라 낙엽활엽수림이 전국 에 걸쳐서 발달하였고, 상록활엽수림은 남해안과 일 부 도서지방에서 제한적으로 발달하고 있다(Oh & Cho, 1996; Kim, 2003). 하지만 최근 지구온난화 로 인한 남부지역 난대림의 생육분포범위가 내륙으 로 더욱 확대되고 있어 향후 난대상록활엽수에 대한 관리의 중요성과 이들 자원가치에 대한 관심이 더욱 증대되고 있다(Park et al., 2016). 상록활엽수는 연평균 기온 14℃ 이상인 지역에서 발달하며, 그 주 요수종은 가시나무류, 잣밤나무류, 참식나무, 후박 나무 등이다(Park & Oh, 2002). 난대 상록활엽수 인 참식나무(Neolitsea sericea)는 녹나무과로 우리 나라를 비롯하여 대만, 일본, 중국남부에 분포하는 상록 교목으로 수고 약 10m까지 자란다. 녹나무과 는 목재로는 단단하고 가공하기 쉬워 가구재 및 선 박재로 사용하며 과거 팔만대장경판의 소재로도 쓰 인 것으로 알려져 있으며(Shin et al., 2002), 난대 수종 중 비교적 내한성이 강할 뿐만 아니라 염해 및 공해에도 강하고 잎과 수형이 아름다워 남부지방에 서 가로수 및 조경수로 많이 이용되고 있는 수종으 로 앞으로 생육적지의 확산이 예상됨에 따라 용도개 발의 잠재성이 높은 수종으로 평가되고 있다(Yoon et al., 2008). 그러나 난대상록 활엽수림에 대한 연구는 식물사회학적 분야에 치중되어 왔으며, 참식 나무의 재질특성에 대한 연구는 찾아보기 어렵다. 난대림에서 생육하고 있는 난대수종을 자원화하기 위해서는 임분특성의 연구와 함께 최종산물이 될 목 재의 재질변화에 대한 연구도 필수적으로 동반 수행 되어야 할 것이다. 최근 임업선진국에서는 고품질 목재 생산과 이용에 더 많은 노력을 기울이고 있다 (Han et al., 2014). Abe(2005)는 유용수종을 중심 으로 조직적 물리적 역학적 특성까지 많은 연구데이 터를 축적하고 있다. 국내에도 목재이용에 대한 소 비자의 요구가 다양화되면서 목조 주택뿐만 아니라 공공건물 및 놀이시설 등에 내구성이 높은 목재의 시장수요가 증가할 것으로 예상됨에 따라 국산재의 활용방법에 대한 많은 연구가 필요하다(Son et al., 2014). 지금까지 난대수종의 임분특성과 재질변화에 대한 연구로 붉가시나무, 종가시나무, 구실잣밤나 무, 후박나무의 난대상록활엽수에 대한 실험을 실시 하였으며, 목재의 효율적인 활용을 위하여 목재의 생장을 고려한 체계적인 관리 조성에 대한 연구데이 터를 축적하였으나 상록활엽수의 많은 수종에 대한 연구가 미흡한 수준이다(Hong et al., 2015; Won et al., 2015; Hong et al., 2016a; Hong et al., 2016b). 따라서 본 연구에서는 참식나무에 대하여 조직, 물리, 역학적 특성과 생장과의 관계를 비교⋅ 분석하여 체계적인 국내산 목재의 이용을 위한 기초 자료 축적을 목적으로 수행되었다.

    재료 및 방법

    1.공시재료

    본 실험에 사용된 참식나무(Neolitsea sericea(Blume) Koidz.) 시험목은 표준지(전라남도 진도군 임회면 용호리 산 141번지)의 임상, 수종구성, 수간밀도, 평균경급, 평균영급 및 토성을 고려하여 선정하였 으며, 그 개요를 Table 1에 나타내었다. 또한 동일 한 표준지에서 생장차이에 따른 재질특성 비교를 위하여 한 표준지에서 3본을 채취하여 실험을 수행 하였다. 모든 데이터의 통계는 SPSS 통계프로그램 (Version 21, IBM, Corp, USA)을 이용하였고, 반 복측정분산분석을 통해 0.05 유의수준에서 던컨분산 검정을 수행하였다.

    2.해부학적 성질 조사

    참식나무의 횡단면, 방사단면, 접선단면에서 마이 크로톰(LEICA SM 2000 R)으로 20μm 두께로 절삭 하여 제작한 절편을 염색, 탈수, 봉입 과정을 거쳐 프레파라트를 제조하였다. 준비된 프레파라트를 광 학현미경(Nicon, LBO 2N-Micro)과 현미경에 장착 된 CCD 카메라(AxioCam MRm, Carl Zeiss)를 사 용하여 화상을 획득하였다. 획득한 화상을 바탕으로 조직적 특성 중 이열방사조직 높이, 너비, 수와 도 관의 크기를 관찰하였다(Fig. 1).

    3.물리적 성질 조사

    연륜폭의 측정은 한국산업규격(KS) 중 KS F 2202 (목재의 평균 나이테 나비 측정 방법)에 준하여 원판 의 평균연륜폭을 현미경으로 측정하는 방법과 시험편 의 양 횡단면에서 켈리퍼스로 나이테 사이의 거리를 측정하고 나이테의 수로 나누어서 구했으며, 평균값 으로 표시하였다. 기본밀도와 기건밀도는 KS F 2198(목재의 밀도 및 비중 측정방법)에 의거하여 실 험을 실시하였다. 수축률 시험은 KS F 2203(목재의 수축률 시험방법)에 준하여 시험편 20mm×20mm× 20mm로 제단한 후 증류수에 포수시켜 포수 때의 치수 를 측정한 후 항온항습실(온도 20±1℃, 습도 65±2%) 에서 2주 이상 조습시킨 후 항량에 달했을 때 기건 치수를 측정하였고 건조기 103±2℃에서 목재 내의 수분을 완전히 제거될 때까지 건조시킨 후 전건치수 를 측정하여 기건수축률, 전수축률을 구하였다.

    4.역학적 성질 조사

    휨 강도성능시험은 시험편(20mm×20mm×320mm) 을 항온항습실(온도 20±1℃, 습도 65±2%)에서 2주간 조습처리한 후 실시하였다. 휨 강도성능시험 은 한국산업규격(KS)의 KS F 2208에 의거하여 만 능강도시험기(universal testing machine, Taeshin model TSU-2)를 이용하여, 3점 중앙집중 하중방식 으로 스팬의 길이를 280mm, 하중속도 2.5mm/min의 조건으로 실시하여 하중과 변위의 관계에서 식 (1)을 이용하여 휨탄성계수(MOE)를 구하였고 식 (2)를 이 용하여 휨강도(MOR)를 구하였다.

    M O E = Δ p l 3 4 b h 3 Δ l
    (1)

    • ΔP : 비례한도 내에서 상한 하중과 하한 하중의 차이(N)

    • Δl : P1 일 때의 지간 거리 중앙의 처짐의 차이(m)

    M O R = σ b max = 3 P max l 2 b h 2
    (2)

    • Pmax: 최대하중(N)

    • l : 스팬(span, m)

    • b: 폭(나비, m)

    • h: 높이(두께, m)

    종 압축강도와 방사방향전단강도는 한국산업규격 한국목재규격(KS)의 KS F 2206(목재의 압축 시험 방법)와 KS F 2209(목재의 전단 시험 방법)을 참조 하여 실험을 실시하였으며 시험은 피로겸용 만능강 도시험기(Shimadzu, model EHF-ED10-20L)를 이 용하여 압축강도 및 전단강도 모두 하중속도(cross head speed)를 1.0mm/min의 조건으로 시험편의 횡 단면이 하중 블록의 사이에 상하로 향하도록 위치시 키고 균일한 하중이 가해지도록 시험을 실시하였다.

    결과 및 고찰

    1.해부학적 특성

    1.1.방사조직 관찰

    참식나무의 조직적 특성에서 이열 방사조직 수, 방사조직 높이, 방사조직 너비를 측정하고 비교한 결과를 Table 2에 나타내었다.

    참식나무는 시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하 여 측정한 결과 방사조직의 수는 각각 4.94, 4.28, 5.28, 평균 4.28을 나타내었다. 같은 조건에서 높이 는 각각 336.89, 225.32, 299.17, 평균 287.11㎛를 나타내었고 너비는 각각 32.23, 34.53, 27.45, 평균 31.40㎛를 나타내었다. 동일 지역 같은 녹나무과 후박 나무는 방사조직의 수가 6.51로 참식나무 보다 높았고, 방사조직의 높이와 너비가 각각 263.20㎛, 28.35㎛로 참식나무 보다 낮았다(Hong et al., 2016). IAWA 의 분류기준에 의하면 진도의 참식나무는 방사조직 수·높이·너비는 각각 보통(Ⅲ등급), 보통(Ⅳ등급), 보통(Ⅲ등급)으로 분류되었다.

    1.2.도관의 크기

    참식나무의 조직적 특성에서 방사방향 도관의 크 기와 접선방향 도관의 크기를 조재와 만재를 구분하 여 Table 3에 나타내었다.

    참식나무의 시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하 여 측정한 결과 방사방향 조재의 도관크기는 각각 67.54, 70.86, 61.62, 평균 65.76㎛를 나타내었고, 같은 조건에서 만재의 방사방향 도관크기는 각각 42.90, 46.70, 35.27 평균 40.51㎛를 나타내었다. 접선방향 조재의 도관크기는 각각 57.33, 57.97, 49.56, 평균 54.30㎛를 나타내었고, 같은 조건에서 만재의 접선방향 도관크기는 각각 41.25, 44.85, 35.69 평균 39.66㎛를 나타내었다. 동일 지역 같은 녹나무과 후박나무의 방사방향 도관의 크기가 조재, 만재에서 각각 91.16㎛, 76.46㎛, 접선방향 도관의 크기는 각각 67.17㎛, 63.70㎛로 참식나무 보다 높 았다(Hong et al., 2016). IAWA의 분류기준에 의 하면 진도의 참식나무는 방사단면과 접선단면을 기 준으로 조재부와 만재부는 보통이었다.

    2.물리적 특성

    2.1.수축률 측정

    참식나무의 수축률(전건, 기건)은 Fig. 2와 같다.

    참식나무는 시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하 여 측정한 결과 접선방향 전수축률은 각각 10.72, 10.59, 11.70, 평균 11.00%를 나타내었고 방사방향 전 수축률은 각각 4.18, 3.92, 4.64, 평균 4.64%를 나타 내었다. 같은 조건에서 접선방향 기건수축률은 각각 7.98, 7.88, 8.13, 평균 8.00%를 나타내었고 방사방 향 기건수축률은 각각 2.70, 3.01, 2.94, 평균 2.88% 를 나타내었다. 동일 지역의 구실잣밤나무는 전건 수 축률의 접선방향과 방사방향이 각각 7.80, 3.88%로 참식나무 보다 낮았고, 기건 수축률의 접선방향과 방사 방향이 각각 6.09, 3.13%로 참식나무 보다 낮게 나타 났다(Won et al., 2015). 또한, 동일 지역 같은 녹나 무과 후박나무는 전건 수축률의 접선방향과 방사방향 이 각각 7.17, 3.73%로 참식나무 보다 낮았고 기건 수축률의 접선방향과 방사방향이 각각 4.94, 2.42%로 참식나무 보다 낮게 나타났다(Hong et al., 2016). 수축률은 참식나무가 후박나무보다 높은 경향을 나타 내었다.

    2.2.평균연륜폭, 기건밀도, 기본밀도 측정

    평균연륜폭, 기건밀도 및 기본밀도를 시험목으로 구 분하여 시험목 1, 2, 3 및 평균을 측정하여 Table 4에 나타내었다.

    참식나무는 시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하 여 획득한 원판의 평균연륜폭을 현미경으로 관찰한 결과 3.04, 4.02, 1.74, 평균 2.93mm를 나타내 었다. 물리적 특성에서 사용된 참식나무 시험편의 평균연륜폭은 4.04, 4.72, 2.28, 평균 2.93mm로 원판의 평균연륜폭 보다는 약간 높게 측정되었다. 참식나무의 기건밀도는 0.51, 0.52, 0.52, 평균 0.52g/cm3로 각 시험목간의 차이가 크게 나타나지 않았지만 같은 조건에서 기본밀도는 0.38, 0.37, 0.41, 평균 0.39g/cm3로 약간의 차이가 확인되었다. 참식 나무의 수축률은 구실잣밤나무와 후박나무보다 높았 지만 기건밀도는 동일지역의 구실잣밤나무의 기건밀 도 0.59g/cm3와 후박나무의 기건밀도 0.61g/cm3 보 다 낮았다(Won et al., 2015; Hong et al., 2016).

    3.역학적 특성

    참식나무의 휨 강도, 휨 탄성계수, 압축강도, 압 축영률, 전단강도를 시험목으로 구분하여 측정하고 시험목 간 역학적 특성 값에 대한 차이 유무를 알기 위해 던컨테스트를 실시한 데이터를 Table 5에 나 타내었다.

    참식나무의 시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하여 역학적 특성을 측정한 결과 휨 강도는 각각 76.63, 74.58, 79.70, 평균 76.97Mpa를 나타내었고 같은 조건에서 휨 탄성계수는 각각 11.06, 10.00, 11.87, 평 균 10.97Gpa를 나타내었다. 동일 지역 같은 녹나무과 후박나무는 휨 강도, 휨탄성계수는 각각 81.59Mpa, 11.74Gpa로 휨 강도성능에서 참식나무 보다 높게 나 타났다. 압축강도는 각각 35.45, 32.42, 38.56, 평 균 35.48Mpa를 나타내었고 같은 조건에서 압축탄성 계수는 각각 2.32, 2.13, 2.71, 평균 2.39Gpa를 나 타내었다. 전단강도는 각각 9.95, 9.77, 10.66, 평균 10.13Mpa를 나타내었다. 동일 지역 같은 녹나무과 후박나무는(Hong et al., 2016) 압축강도, 압축탄성계 수 및 전단강도는 각각 35.96Mpa, 4.19Gpa, 11.79Mpa 로 압축강도성능과 전단강도에서 참식나무 보다 높게 나타났다. 참식나무와 동일지역의 상록활엽수의 휨 강도를 비교하면 붉가시나무(137.59Mpa) > 종가시나 무(126.22 Mpa) > 구실잣밤나무(84.14Mpa) > 후박 나무(81.59Mpa) > 참식나무(76.97Mpa) 순으로 참 식나무가 가장 낮게 나타내었다(Hong et al., 2015; Won et al., 2015; Hong et al., 2016).

    4.생장특성과 강도 관계

    참식나무의 평균연륜폭의 증가에 따른 휨 강도, 압 축강도, 전단강도의 강도 감소를 시험목 1, 2, 3 및 평균으로 구분하여 분석한 값을 Table 6에 나타내었 고 연륜폭과 강도의 상관관계를 Fig. 3에 나타내었다.

    시험목을 1, 2, 3 및 평균으로 구분하여 평균연륜 폭과 역학적 특성을 비교분석한 결과 1번 시험목의 평균연륜폭은 3번 시험목의 평균연륜폭 보다 69.75% 넓은 것에 반해 휨강도 -3.85%, 압축강도 -8.07%, 전단강도 –6.66%가 감소하였다. 또한 2번 시험목의 평균연륜폭은 98.32% 넓었고 휨강도 -6.42%, 압축 강도 -15.92%, 전단강도 -8.35%가 감소하였다.

    또한, 참식나무의 강도와 평균연륜폭에서는 높 은 부의 상관관계가 나타났다. 참식나무의 평균연 륜폭과 휨 강도, 압축강도, 전단강도 간의 상관계 수는 각각 0.592, 0.879, 0.498로 1% 수준에서 유의성이 인정되는 상관관계를 나타내었다. 참식나 무는 평균연륜폭의 높은 증가에 반해 휨 강도 감 소율은 비교적 낮은 강도 감소를 나타내었다. 따라 서, 참식나무는 생장률 증가에 따른 강도 감소가 낮아 대경재의 이용이 경제적이라고 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국립산림과학원 ‘연구과제(과제번호: 연 구과제(SC0500-2012-01-2016))’의 지원에 의해 이 루어진 것입니다.

    Figure

    JALS-51-45_F1.gif

    Analysis of anatomical properties.

    JALS-51-45_F2.gif

    Shrinkage properties of N. sericea.

    JALS-51-45_F3.gif

    Relation of strength properties to annual ring width for N. sericea.

    Table

    Plot data according to standing wood

    Note; DBH(Diameter at breast height)

    Biseriate ray properties of N. sericea

    Notes: 1)means with the same letter are not significantly different at a P-value of 0.05 according to Duncan’s new multiple range test.

    Biseriate ray properties of N. sericea

    Notes: 1)means with the same letter are not significantly different at a P-value of 0.05 according to Duncan’s new multiple range test.

    Physical properties of N. sericea

    Note: The parentheses are the standard deviation.

    Mechanical properties of N. sericea

    Notes: 1)means with the same letter are not significantly different at a P-value of 0.05 according to Duncan’s new multiple range test, the parentheses are the standard deviation.

    Strength properties according to annual ring width for N. sericea

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