[한국목재신문=한국목재신문 편집국]
이 과정에서 챠가 형성되며, 형성된 챠는
· 가연성 가스의 방출을 저지하고, 추가로 새로운 자유 라디칼(free radicals)의 형성을 저지한다.
· 외부로부터의 산소가 들어오는 것을 막는 작용을 한다.
· 고분자의 신생면을 열로부터 차단한다.
또 인계 화합물 특히 유기인계 난연제는 휘발하여 기상(gas phase)에서 활성 라디칼(PO2, PO과 HPO)을 형성하고, 연소의 연속적인 반응에 필수 불가결한 자유 라다칼(H과 OH)의 포착제로서의 역할을 하는데 이는 브롬(Br) 라디칼보다 5배, 염소(Cl) 라디칼 보다 10배 정도 효과적이라는 보고가 있다. 이들 기화성 유기인계 난연제는 불꽃연소 과정에서 산소의 공급을 차단하는 담요(blanket)효과를 나타내는 것도 있다.
인계 난연제는 무기 화합물과 유기 화합물이 있다. 유기인계 난연제 중에서 고분자용 난연제로 가장 많이 사용되는 성분의 화학 구조는 그림 43과 같다.
유기인계 난연제는 할로겐계 난연제와 상승효과가 있음이 알려져 있어 한 분자 내에서 이 두 가지 원소를 포함하는 화합물도 알려져 있다. 유기인계 난연제는 할로겐과 결합된 난연제도 있다. 유기인계 화합물 중에는 셀룰로스의 수산기와 반응 하여 내용탈성 효과를 갖는 Proban 가공, Pyrovatex CP 가공, Fyrol 76 가공 등도 있으나 가격 등의 면에서, 다른 유기인계 난연제는 기화성을 갖고 있어 목재의 난연에는 사용되지 않고, 주로 무기인계 난연제가 사용된다.
목재에 사용되는 무기인계 난연제는 그림 44와 같은 화합물이 사용되고 있는데 대부분이 수용성을 갖고 있어 내용탈성은 없다. Diammonium phosphate(DAP)와 monoammonium phosphate(MAP)는 가장 많이 사용되는 목재용 난연제이다.
DAP와 MAP가 목재에 작용하는 난연기구는 그림 45에서 보는 바와 같이 대부분이 목재의 알코올기의 탈수 촉진과 셀룰로스 구조의 축합 작용으로 숯의 형성을 촉진하는 응축상(condensed-phase)에서 작용을 한다.
그림 45에서 DAP는 열에 의해 암모니아가 휘발되고 인산이 남는다. 잔류된 인산은 셀룰로스의 수산기와 반응하여 인산에스 테르를 형성하면서 탈수축합반응으로 진행된다. MAP와 같은 무기인계 난연제는 처리된 지붕용 목재의 강도저하와 같은 부작용을 나타내는데 이는 태양광에 의해 온도가 올라갈 때 특히 현저해지며, 이는 목재의 초기 pH와 방염제의 완충효과 때문인 것으로 알려져 있다.
인계 난연제를 목재에 사용한 연구로는 너스바움(Nussbaum)이 목재 중량의 15% 의 MAP로 처리된 목재는 무처리 목재에 비하여 17%의 챠를 증가시킨다고 보고하고 있으며, 이 때 챠수율이 높아지면 가연성 기체의 발생량은 상대적으로 줄어들게 된다.
(MEL: melamine, DMP: dimelamine phosphate, MP: melamine phosphate,MPP: melamine pyrpphosphate, APP: ammonium polyphosphate)
Guanylurea phosphate(GUP)은 또 다른 목재용 무기 난연제다. 팡과 우(Fang & Wu)가 보여준 바와 같이 GUP는 미처리 목재의 착화시간을 늦추며, 열류량 35 ㎾m -2에서 PHRR을 60㎾m -2 정도 낮춘다. 또한 CO는 물론이고, CO2의 생성량도 뚜렷하게 저하시킨다. 또 GUP는 붕산과 병용하면 상승효과가 나타나며, 이의 작용기구를 밝히고 있다. 그러나 연발생량은 증가된다.
APP는 목재 함침용으로는 주로 저분자량의 화합물이 사용되는데 티제로(Tijero)는 3가지 형태의 인산암모늄(비축합형, 선형 축합형 및 가교 축합형)을 사용하여 발포성 페인트와 산림화재 진압용 난연제의 효과를 보고하고 있고, 웬(Wen) 등은 일본산 스기(Sugi), 히노키(Hinoki), 한국산 소나무에 대한 APP, GUP 및 포스폰산의 난연효과와 물리적 특성에 관해 보고하고 있다. 이외에 urea phosphate도 목재용 난연제로 잘 이용되고 있다.
7.2 질소계 화합물
질소화합물은 환경친화적인 것으로 인식되어 인이나 황과 함께 폭넓게 사용되고 있다. 질소화합물 중에서 가장 대표적인 것은 멜라민이다. 멜라민은 열적으로 안정성을 갖는 40㎛ 크기의 결정성 분말로서 용융점은 345℃이며, 질소 함량은 67wt%를 차지한다.
멜라민은 약 350℃에서 승화되면서 열을 흡수하는데 멜라민의 승화열은 –29± 1Kcal/mole(-230cal/g, -963j/g) 로서 연소온도를 낮추는 작용을 갖으며, 고온에서는 암모니아 가스를 방출하여 산소나 기화성 가스의 희석 효과도 나타낸다. 이 과정에서 멜라민은 그림 47에 나타난 것과 같이 멜람(melam), 멜렘(melem)과 멜론 (melon)으로 형태를 바꾼다.