[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

따라서 위 2가지 발열량에서 CO2/CO의 생성비를 적게 하거나 탄소의 활성표면의 불활성화를 유지하면 연소의 지속이 곤란하기 때문에 유효한 난연제를 선택하면 표면연소의 억제가 가능하다. 전자에 유효한 난연제는 무기 및 유기 인계가 많이 사용되며, 후자에 유효한 난연제는 목재 표면에 코팅하여 불활성화를 이루는 붕소계 약제가 사용된다.

목재(Red oak, White pine)는 다른 고분자에 비하여 불꽃연소인 경우에는 적은 편이나 훈소의 경우에는 상당히 많은 편에 속한다. 또 연기가 갖는 자극성, 건강상의 문제도 있는데, 목재가 연소 시에 나오는 가장 기본적인 산물은 CO, CO₂와 물이다. 그러나 질소화합물이나 할로겐 화합물이 공존하면 청산가스(HCN), 할로겐화수소 (hydrogen halides)도 발생할 수 있다.

이런 원소를 갖는 화합물이 난연제에 함유되어 있으면 이들 원소의 작용으로 연소 속도를 저하시키므로 연기와 독성가스의 양이 줄어들기도 하지만 어떤 경우에는 연기 발생을 증대시키고, 독성가스를 발생시킨다. 다음 그림 10은 각종 무기염류가 목재의 발연성에 미치는 영향을 나타낸 것이다.

그림10에서 보면 크롬염이나 붕산염은 연농도를 낮추는 데 비하여 ZnCl₂ 나 (NH₄)₂H₂PO₄ 와 같은 것은 연농도를 높이는 것으로 나와 있다.

따라서 연기의 발생을 규제하는 법규들이 많은데 이를 위해서 연발생 억제제가 사용되며, 이들은 주로 붕산아연, 몰리브덴 화합물 또는 주석 화합물로 이루어져 있으며, 상품화되어 있는 이들 화합물은 표 3~5와 같다.

4. 목재의 난연성 측정 기기

4.1 콘칼로리미터(Cone calorimetry)

실화재를 예측하는데 있어 가장 중요한 현상은 총 방열량(HRR, heat releasr rate), 무게감소율(mass loss rate, MLR), 연 발생량(smoke production), 화재확산속도(fire spread) 및 착화성(ignition properties)인데 이들을 측정 가능한 것이 콘칼로리미터(Cone Calorimeter)이다. 콘칼로리미터는 유기재료가 연소할 때에 연소에 의해 발생하는 열량은 유기재료의 종류에 관계없이 연소시에 소비되는 산소량에 비례한다는 원리를 이용하여 산소소비량을 정밀하게 측정하여 발열 속도를 계산하는 장치이다. 발열속도라는 것은 연소하는 재료로부터 방출되는 단위시간당, 단위 면적당의 열에너지이다. 발열속도 측정원리는 재료가 연소하여 산소가 1kg이 소비될 때 약 13.1MJ의 에너지가 방출된다고 하는 산소소비 이론에 기초를 두고 있다.

이 산소소비 이론은 1917년에 Thornton 에 의해 발견되었고, 그 후 Huggett와 Parker에 의해 재확인 되었다. 그 후 1980년 초에 미국의 NBS(National Bureau of Standard, 현재의 NIST: National Institute of Standard and Technology) 에서 상세한 검토가 행해져 거의 모든 유기재료는 연소시에 소비되는 산소 1kg 당 13.1MJ의 에너지를 발생하고 이 오차는 5% 이내라는 정확한 실험 결과를 발표하였다. 이것을 계기로 연소시에 열량 측정장치가 개발되어 여러 가지 개량을 거쳐 현재의 콘칼로리미터로서 1980년대 후반 미국에서 완성되었다. 칼로리미터의 종류에는 Cone Calorimeter, OSU(Ohio State University) Calorimeter, Furniture Calorimeter, NIST Calorimeter 등이 있다.

현재 ISO에 의해 ISO 5660의 규격으로 채택되었는바 ISO 5660, Part 1은 열방산율, 연소까지 걸리는 시간, 무게 감소율, 연소열의 효과 등을 측정하게 되어 있고, Part 2는 주로 연소과정에서 발생하는 연농도 측정에 관한 것이며 Part 3는 품질관리용으로 유용한 mass loss calorimeter의 간단한 구조에 관한 것이다. ISO 이외에 규격으로 채택하고 있는 나라는 콘칼로리미터가 미국에서 유래되었기 때문에 미국 에서 가장 먼저 채택되어 1990년 처음 제정된 ASTM E 1354에 채택되었다. 이 규격은 ISO 5660, Part 1과 Part 2를 포함하고 있다. 이외에 ASTM E 1474 및 NFPA 264A는 실내용 가구시험에 콘칼로리미터법을 채용하고 있다. 또한 미군 규격인 MILSTD-2031(SH)나 NASA에서도 채택하고 있다.

이중 콘칼로리미터법은 시험재료에 균일하게 가열하기 위하여 사용된 히터가 원추(콘)형을 띄고 있어서 콘칼로리미터라는 이름이 붙어져 있으며, 이의 개략도는 그림 11과 같다.

콘칼로리미터는 수직 또는 수평으로 방향조절이 가능한 원추형 전기 방열체, 시험체 지지대, 산소측정 및 유량측정이 가능한 배기가스장치, 점화용 spark-plug, 시험체 무게감소를 측정할 수 있는 저울 등으로 구성되어 있다. 시료는 10㎝×10㎝×5㎝의 크기의 시료를 이 질량을 항시 측정하는 로드셀 위에 놓고 시료의 표면은 윗쪽으로 25㎜ 정도의 위치하는 콘 히터에 의해 100kw/㎡ 까지 임의로 외부 가열(복사열)이 주어진다.

시료는 시험 개시와 동시에 콘 히터에 의해 가열된다. 착화 후 연소 가스는 배기 후드에서 채집되어 산소분석 장치와 CO/CO₂ 분석장치로 유도된다. 연소가스의 산소농도와 유속을 정밀하게 측정하여 산소소비량 으로부터 발열 속도를 계산한다. 발열 속도의 교정은 메탄가스를 실제 연소시켜서 행한다. 연의 발생량은 연도 관내에 레이저 광을 사용하여 연농도를 측정하고 煤질량도 별도로 측정된다. 시험 중에 얻은 데이터는 컴퓨터에 의해 연산 처리된다.

                                                                             <다음호에 계속>