[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

7.4. 실리콘계 화합물

목재에 사용되는 실리콘 화합물은 크게 무기계와 유기계로 크게 나눌 수 있다.

 

7.4.1 무기계 실리콘 화합물

무기계 실리콘 화합물은 통상 물유리로 불리는 수용성 알칼리 실리카와 실리카 졸, 침강성 실리카 및 흄드 실리카(hummed silica)가 사용되며, 유기계 실리콘 화합물은 주로 유기 실란 화합물이 사용된다. 흄드 실리카와 침강성 실리카는 강화성 충진제로도 사용되고, 응축상에서 총발열량을 저하하는 작용을 갖고 있으나 화학적 난연성은 보이지 않으며, 분해되어 물이나 CO2의 방출도 없고 가교성능도 보이지 않기 때문에 난연효율이 충진효과 이상으로 나오기 힘들다. 따라서 여기서는 무기계 난연제로 물유리와 실리카 졸 및 유기 실란 화합물에 대해 개설 한다. 수용성 알칼리 실리카인 물유리로 목재에 난연화하는 방법은 역사가 오래 됐으며 그동안 여러 사람에 의해 수행되었다.

물유리는 주로 나트륨이나 칼륨염이 사용되는데 전형적인 물유리의 조성은 SiO2/ Na2O(n=2~4)이 사용된다. 물유리와 붕소 화합물로 처리하는 방법이 많은데, 처리 방법은 1단계로 먼저 물유리 용액을 목재에 처리한 후에 2단계에서 수용성 염류(Al2(SO4)3), (NH4)2 O·5B2O3·8H2O, H3BO3, K2B4O7 · 4H2O, Na2B4O7 · 10H2O, (NH4)2HPO4)로 처리하여 1단계에서 처리된 물유리 중의 나트륨염을 치환해 목재 내에 실리케이트를 형성시키는 방법이다.

그림 58. 물유리-붕산 처리 목재의 EPMA분석: EPMA micrographs of secondary electron image(왼쪽), Si-Kα X-ray map(중앙), B-Kα X-ray map(오른쪽)

활엽수가 침엽수보다 훨씬 중량 증가율 (WPG)이 높아졌으며, X선미소분석법(EPMA)으로 측정한 결과 주로 세포강(cell lumina)에 존재한다는 것을 보여 주었다. 즉 아래 그림 58은 1단계로 물유리로 처리한 후에 2단계로 붕산으로 처리한 시료의 X선미소분석법으로 측정한 결과이다.

그림 59. 가도관 세포의 벽 구조

세포강에 존재하는 무기질(왼쪽 그림)은 규소 X선상에 의한 분포(중앙 그림)에서 대부분이 실리카겔로 존재하는데 비하여 세포벽에는 실리카의 존재가 희박하게 보이며, 붕소는 붕소의 X 선상(오른쪽 그림)을 보면 세포강 및 세포벽에 균일하게 존재하고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 목재의 구조는 그림 59와 같은 구조를 갖는데 세포내강의 크기는 세포벽보다 훨씬 크다.

세포벽은 약 90-400Å폭을 갖는 마이크로피브릴(microfibril)로 구성되어 있으나, 세포내강은 이보다 훨씬 큰 구조를 갖고 있다.

필자의 판단으로는 붕산은 물에 녹아 그림 60과 같이 이온성을 띄고 있기 때문에 세포벽까지 침투할 수 있으나 물유리는 붕산으로 인해 겔화되어 크기가 커져서 세포벽은 침투하지 못하고, 세포내강에만 머무른 것으로 해석된다.

그림 60. 붕산의 해리

물유리와 붕소 화합물로 처리된 목재는 일정 부분 용탈저항성을 갖고 있으며, 백색, 갈색부후 균에 저항성을 나타내고, 난연 등급이 나오며, 흰개미에 저항성을 갖는데 이는 붕소화합물의 작용 때문이다. 그러나 접착성은 무처리재에 비하여 44~65%로 저하된다.

귀다이스(Giudice)는 알칼리 실리케이트로 처리된 목재의 산소지수와 터널시험(ASTM E84)을 통하여 높은 난연성 이외에, 낮은 열팽창, 연기 발생의 저하 및 낮은 생산비등 장점이 있음을 밝혔다. 슬리막(Slimak) 등은 목재 보호용 코팅제로 물유리를 사용하여 SiO2의 미세한 층이 습기의 차단에 효과적이고, 장기간에 걸친 열화도 방지한다. 그러나 물유리로 처리된 시험 편은 세포강 내에 존재하는 물유리와 비반응 염류 등의 영향으로 강한 흡습성을 나타내고, 시험 편은 상온에서 건조한 경우에는 목재 강도에 커다란 영향을 주지 않았지만 고온 건조(103℃) 를 한 경우에는 물유리의 강한 알칼리성(pH:>12)의 영향으로 가수분해와 벌킹(bulking) 현상이 일어나 강도 특히 브리넬 경도(Brinell hardness)의 저하가 심하게 나타났다.

 

7.4.2 졸-겔법(sol–gel method)

최근 졸-겔법도 재료에 적용하는 방법으로 사용되고 있다. 이 방법은 그림 61과 같이 가수 분해와 축합반응을 이용하여 재료 내에 무기 또는 유기-무기 하이브리드 코팅을 하는 것이다. 즉 실리콘 알콕사이드를 사용하는 무기 겔은 그림 62와 같이 2단계를 거쳐 형성된다.

그림 62. 졸-겔법의 모식도

1단계는 실리콘 알콕사이드기가 물에 의해 가수분해를 받아 실록산을 형성하고, 2단계에서는 이 실록산이 축합되면서 물이 빠져 나오면서 폴리실록산으로 변한다. 1단계의 실리콘 알콕사이드는 졸의 형태를 갖고 있어 용이하게 목재 세포벽을 침투하나, 축합물인 겔의 형태인 폴리실록산이 되면 물에 불용성이 된다. 주(Zhu) 등은 무기 인계 난연제와 SiO2 졸을 목재에 처리한 결과를 그림 63과 같이 보여 주었다.

그림 63. 졸-겔법의 모식도

그림 63에서 보면 졸-겔법에 의해 처리된 목재에도 고야(古野)의 물유리와 붕소 화합물로 처리한 결과와 같이 무기 인계 난연제는 세포벽까지 침투해 있으나, SiO2 졸은 세포 내강에만 축적되어 있는 것을 볼 수 있다.

이들 목재의 난연성을 측정하기 위해서 산소 지수와 TGA를 측정한 결과 세포내강에 침적한 것보다 세포벽에 존재하는 실리콘이 더 큰 영향을 주었다. 실리콘 알콕사이드기가 가수분해 되려면 물의 존재가 필요한데 세포벽에는 물이 존재하므로 바로 적용할 수 있다.

이 방법에 사용되는 실리콘 알콕사이드는 그림 64와 같은 tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), tetrapropoxysilane (TPOS)등이 많이 사용된다.

그림 64. 졸-겔법에 사용되는 silicone alkoxide 화합물

TEOS로 처리된 목재는 세포벽에 침착된 실리콘의 영향으로 흰개미에 대한 저항성을 갖고 있으나, 난연성에는 크게 도움이 되지 않는다. 그러나 인계 난연제와 붕소계 난연제를 병용하면 SiO2-P2O5-B2O3가 형성되어 난연성 향상이 크게 된다. 이 시스템에서 방충·방부 효력을 갖는 붕산이 서서히 빠져 나오는 역할을 하여 방충·방부 시험에서 무게 감량이 전혀 나오지 않는다.

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