[한국목재신문=한국목재신문 편집국]
분산이 양호한 경우에는 연소 표면이 균일한 탄화막이 형성되어 열이나 산소의 차단이 효과적으로 이루어지지만 그렇지 않은 경우에는 불연속 탄화막이 형성되어 효과를 저하시키는 것이다.
CNT의 길이와 직경의 비율을 뜻하는 영상비도 중요하다. 가시와키(Kashiwagi) 등은 평균 영상비가 49(MWNT-49, 4% 사용)와 150 (MWNT-150, 2% 사용)인 CNT 로 PS의 나노 복합체를 만들어서 잔류물을 측정한 결과 그림 95와 같았다.
그림 95에서 보면 영상비가 큰 MWNT-150이 보다 적은 양으로도 균일한 차단막을 만들고 있음을 볼 수 있다. 또 난연성에 미치는 효과는 그림 96에서 보는 바와 같이 0.5% 사용을 기준으로 하면 다중벽탄소 나노튜브(MWNT)> 단일벽탄소나노튜브 (SWNT)>나노 파이버(Nano fiber)순이다.
CNT는 이와 같이 종래의 난연제와는 달리 3%이하의 소량 사용으로도 난연성을 크게 증진시킬 수 있어 열가소성 고분자인 EVA, PS, PMMA, PA-6, LDPE와 PP에 적용 연구가 발표되고 있다.
목재와 관련해서는 창(Chang) 등은 SWNT와 붕산아연의 나노입자를 사용하여 수용성 코팅제를 만들어서 종이에 적용한 실험결과를 보고하였고, 퓨(Fu)등은 PP-목재에 카본나노튜브를 1% 적용한 결과 최고 발열량이 16.7%가 줄어들었음을 보고하였다.
8. 난연목재의 흡습성
목재는 흡습성 재료이다. 주위의 습도에 따라 평형이 될 때까지 습기를 흡수하거나 배출한다. 이것을 목재의 평형 수분량 (EMC, equilibrium moisture content)이라고 하며 이는 그림 97에서 보는 바와 같이 온도와 상대 습도에 따라 달라진다.
무기 난연제로 처리된 목재의 흡습성은 목재의 크기, 수종, 온도, 상대습도와 사용된 난연제의 양과 종류에 따라 다르지만 일반적으로 무처리 목재보다 흡습성이 강하게 나타난다. 27℃에서 상대습도 30~50%까지는 흡습량은 무시할 정도이나 상대습도 65%에서는 2~8%, 상대습도 80%에서는 5~15%가 증가되는 등, 상대습도가 높을수록 흡습량은 증대된다. 또 처리된 목재의 흡습성은 난연제 종류에 따라서도 달라진다. 그림 98은 난연처리된 파이버의 흡습량의 변화를 나타낸 것이다.
A: Na2B8O13 · 4H2O, B: (NH4)2SO4 , C: 무처리, D: (NH4)2HPO4 , E: 습도
그림 98에서 보면 상대습도 변화에 대응 하여 파이버가 흡방습하고 있는 것을 볼수 있다. 난연처리에 의해 흡방습성이 변화되며, 최대 흡습량은 Na2B8O13 ·4H2O > (NH4)2SO4 > (NH4)2HPO4 = 무처리 경향이 나타나고 있다.
목재의 난연 처리법에서 본 바와 같이 도포 또는 스프레이 법으로 목재의 표면만 처리하는 경우에는 난연제가 대략 200~300g/㎡로 적고, 침투되는 깊이도 대단히 얇아 커다란 문제를 일으키지 않을 수 있으나 가압법으로 목재에 난연제를 대량으로 침투시킬 경우에는 난연제에 의한 흡습성이 문제가 된다.
미국에서도 1970년대에 난연 처리된 목재의 과도한 흡습성은 목재 체결구(fastener) 등의 부식성, 접착성, 도장성등의 문제를 일으키고, 곰팡이등과 같은 미생물의 침해를 받기 쉽고, 기계적 강도의 저하를 가져온다. 이를 해결한 제2세대 목재용 난연제가 1980년대에는 출현하게 되었다.
목재의 발열량과 주입된 난연제의 유효 성분량(약제 고정량)과의 사이에는 밀접한 관계가 있어 두께 15㎜의 적송재에 칼바민 산폴리인산암모늄을 주성분으로 하는 시판의 난연제를 주입한 예에서는 발열량의 관점에서는 난연재료로서는 60㎏/㎥ 정도, 준불연재료로서는 120㎏/㎥ 정도가 되면 합격할 수 있다.) 따라서 목재에 난연 약제를 고농도로 함침시키기 위해서는 난연 약제가 가능한 물에 잘 녹는 것이 선호된다.
그러나 물에 잘 녹는 약제는 흡습성 또한 문제가 된다. 난연제의 용해도와 흡습성 사이에는 밀접한 관계가 있다. 그림 99는 목재에 무기 방염제를 처리했을 경우 약제 종류에 따른 외관 변화를 나타낸 것이다.
그림 99에서 보면 물에 대한 용해도가 높은 인산염계 방염제를 처리하였을 경우(그림 99의 A) 목재 표면이 주위의 습기를 빨아들여 목재 표면이 축축해지는 현상을 나타내고, 용해도가 낮은 붕산계 약제의 경우 (그림 94의 B)에는 붕산의 낮은 용해도로 인하여 목재 표면에 결정이 석출되는 백화 현상을 나타내고 있음을 볼 수 있다.
암모늄 폴리포스페이트(APP, Ammonium polyphosphate)는 암모니아와 polyphosphoric acid를 반응시켜 만드는데 분자량에 따라 APPⅠ과 APPⅡ의 형태가 시판되고 있다.
APPⅠ은 중합도가 100 이하로 직쇄상의 구조를 갖는데 이는 물에 잘 녹지만 이 난연제로 처리된 목재는 흡습성도 높다. 그러나 APPⅡ는 중합도가 1000 이상으로 가교된 형태를 갖고 있으며, 물에 대한 용해도는 <0.1g/100ml 정도로서 이 난연제로 처리된 목재는 내용탈성을 지녀 야외용 목재로 사용된다.