[기고] 목재와 목질재료의 난연화 13
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[기고] 목재와 목질재료의 난연화 13
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2022.05.12 11:06
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[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

또 다른 연구에서 가오(Gao)는 guanidine dihydrogen phosphate, diguanidine hydrogen phosphate, guanidine carbonate와 guanidine nitrate을 사용하여 TGA로 측정하였다. 챠 생성율이 대략 60%, 55%, 20% and 25%로 인과 질소 사이에는 상승작용이 있음을 보여주고 있다. 헤(He) 등은 APP와 붕산아연(zinc borate)를 사용하면 목재에 강인한 잔류성 챠를 형성한다고 보고하였다.

그림 53. 콘칼로리미터 측정 후의 목재 시편 외관

그림 53에서 보는 바와 같이 무처리 시험 편은 전부 연소되어 백색재만 남기고, APP 15%로 처리한 시험편은 검은 색 챠의 차단 막이 형성되었으나 균열이 많이 형성되었고, 붕산아연을 첨가한 시험편은 챠의 차단막이 치밀해지고, 균열도 덜 생겨 열이나 산소의 차단에 효과적이라 한다.

그림 54. 목질섬유, APP와 나노 SiO 2 사이의 예상 반응 기구 모식도

팬(Pan) 등은 APP와 나노 SiO2 를 병용함 으로써 생성된 챠의 차단막에 나노 SiO2 가 삽입되어 HRR이 40%가량 저하되고, 열적 안정성이 증가되었다고 보고하며, 그 작용 기구로서 그림 54에서 보는 바와 같이 나노 SiO2 와 APP가 [SiO(PO3)2]n의 무기 고분자 형성이 기인한다고 보고하였다.

칸돌라(Kandola)등은 실리콘과 인의 병용하여 셀루로즈의 난연화 처리를 하여 연소기구를 규명하였다. 이들 실리콘과 인의 병용에 더하여 리와 양(Li & Yang) 등은 질소화합물도 첨가 하였다. 이 세 가지 화합물의 각각의 효과보다 혼용으로 인한 상승효과를 인은 챠의 형성에 효과를 나타내고, 질소 화합물은 비가연성 기체를 발생시켜 가연성 가스 희석 효과를, 실리콘은 열분해 과정에서 재료 표면에 강한 보호막을 형성하여 열적 안정성을 높이는 것으로 설명하고 있다.

그림 55.aluminium phosphinate의 화학구조
그림 55.aluminium phosphinate의 화학구조

또 다른 상승효과의 예는 목재와는 직접적인 관련이 없지만 PMMA(Polymethylmetacrylate)에서 그림 55와 같은 구조의 aluminium phosphinate를 사용한 경우이다.

PMMA에 15%의 Al2O3의 나노 파티클만 사용한 것과 15%의 aluminium phosphinate만을 사용한 것과 비교하여 이를 병용한 것이 콘칼로리미터 측정에서 방열량이 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다.(그림 56의 a) 그러나 TiO2 의 나노 파티클과의 병용에서는 이러한 현상은 일어나지 않는다(그림 56의 b).

그림 56. PMMA에서 Phosphinate(Exolite OP 930)와 Al2 O3 및 TiO2
의 병용효과(Cone calorimeter, 35㎾/㎡)

이러한 현상으로 볼 때 무조건 병용으로 상승효과가 나오는 것은 아니라는 것을 알 수 있다.

 

7.3.2 길항효과(拮抗效果, antagonistic effect)

길항효과의 예를 들면 난연 면직물의 불활성화이다. 면직물에 내세탁성 가공방법으로 Pyrovatex CP가공, Proban 가공이 알려져 있다. 이들 가공은 그림 57과 같은 약제를 사용하는데 면직물의 셀루로오스의 수산기와 난연제가 화학적으로 결합하여 50회 세탁에도 견디는 가공방법이다.

그림 57. Pyrovatex CP가공, Proban 가공에 사용 되는 약제의 화학 구조
그림 57. Pyrovatex CP가공, Proban 가공에 사용 되는 약제의 화학 구조

그러나 Pyrovatex CP가공 면직물을 칼슘이나 마그네슘이 많이 함유된 경수로 세탁하면 Ca2+, Mg2+ 등의 금속 양이온이 인계 난연제와 결합하여 Ca-포스포네이트나 Mg-포스포네이트가 형성되어 난연성이 저하되는 현상을 일으킨다. 이와 같이 이온 교환에 의해 형성된 Ca- 또는 Mg-포스포 네이트는 셀루로즈의 탈수나 탄화작용의 촉매로서 효과가 없기 때문이다. 프로반(Proban) 가공에 사용되는 THPC는 P-C결합을 갖고 있어 Pyrovatex CP가공에 비하여 가수분해에 강한 것으로 알려져 있지만 탄산염이 함유된 세제를 사용하면 Ca나 Mg염이 축적되어 역시 불활성으로 변한다.

길항효과의 또 다른 예로서는 인과 안티몬의 병용이다. 안티몬 화합물은 연소온도에서 기화하여 안티몬 라디칼이 형성되고, 이것이 기상(gas phase)에서 자유 라디칼 연쇄반응을 중단시켜 난연화에 이르는 것이 주된 작용기구이다. 그런데 이들 2가지 화합물을 병용하면 인이 안티몬과 결합하여 안티몬의 기화를 방해함으로써 오히려 역효과가 나타난다.

필자는 외부의 의뢰로 오랫동안 난연제 분석을 해오고 있지만 어떤 회사의 난연제 조성은 이런 길항효과를 일으킬만한 조성을 갖고 있는 것이 발견된다. 아마도 충분한 검토 없이 난연제를 혼합한 결과로 보인다.

한국목재신문 편집국   woodkoreapost@naver.com


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