[기고] 목재와 목질재료의 난연화 3
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[기고] 목재와 목질재료의 난연화 3
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2021.12.13 10:39
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[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

김진규
위촉연구원 한국과학기술연구원(KIST) 전통문화과학기술연구단

강산형 난연제의 작용은 가열초기에서 중량감소율의 증대, 열분해·중량감소 개시 온도의 저온화, 탈수탄화작용의 촉진 등이 있는데 비하여 강염기형 난연제는 가열초기에서 중량변화에 미치는 영향이 작고, 흡열성 타르 생성반응의 저해에 영향을 미치는 탄소잔사 생성증대에 기여하는 것이다.

목재가 열분해에 의해 생성된 목탄은 순수한 탄소만으로 형성된 것이 아니고, 대체로 2차분해 생성물인 타르성 잔사가 탄소를 주성분으로 집적된 것이 상당부분을 점한다. 이 탄소잔사표면은 활성탄소표면이라 부르며, 산소에 대한 친화성이 극히 높아 130℃의 저온에서도 산화에 의한 열의 방출을 개시하며, 착화도 미연소목재 보다도 용이하게 된다.

그러나 타르성 잔사가 300℃(13) 또는 400℃이상으로 되면 탄소잔사로부터 수소 및 산소 전부가 방출되어 C-C 결합을 갖는 6환의 흑연에 의한 강고한 망목구조를 형성하여 500℃ 근방의 작열연소에 이르기 까지는 열에 대하여 비교적 안정한 형태를 유지한다(Browne 1958). 온도가 500℃ 근방에 다다르면 목탄은 황적색의 빛을 내면서 수소나 일산화탄소와 같은 기화성 가스를 생성하며, 작열연소하여, 회분을 남기며 서서히 소비된다. 이때의 연소표면의 온도는 약 800-1,000℃에 달한다.

이 과정에서 리그닌의 분해는 목탄의 생성량에 중요한 역할을 하며, 생성된 목탄은 연소 표면과 그 밑에 존재하는 미연소목재 사이에 열의 전달을 방해하는 작용을 한다. 이 목탄의 생성은 열방출율을 저하시키고, 기화성 가스가 이동하는 것을 막으며 공기 중의 산소가 공급되는 것도 막는다.

 

목탄의 구조는 목재의 종류, 난연처리, 가열속도에 따라 다양하며, 안정성은 밀도, 산화안정성, 열차단성 및 투과성 등의 요인에 의해 영향 받는다. 목탄의 생성은 저온 탈수반응이기 때문에 이의 생성은 가열의 기간 및 정도에 크게 의존한다. 급격한 온도 증가는 목탄의 생성율이 낮으며, 서서히 온도가 증가되면 목탄의 생성율이 증가된다.

한편 난연제 첨가는 무처리 목재에 비하여 목재의 목탄 생성량을 증가시키나 밀도, 목탄층의 두께, 수분함량, 산소농도 및 외부의 열 유입량 등의 요소에 의해 크게 차이가 난다.

 

3.3 연기의 발생과 독성

화재가 일어나면 연소에 의한 막대한 열량과 함께 연기(smoke)가 발생되며 이를 화재의 2차 효과(secondary fire effect)라 부른다. 화재의 2차 효과에서 문제가 되는 것은 ➀연기가 시계를 방해하는 것으로부터 오는 피난상의 유해성, ➁연소가스에 의한 판단력 저하와 행동불능을 일으키고, 나아가서 죽음에 이르는 급성독성, ③주변 기기의 부식성 때문이라 할 수 있다. 이중

➀은 재료의 발연성, ➁는 생성 가스의 유해성, ③은 연소가스의 부식성의 문제이다.

<그림 7> 화재시 사망의 원인별 분석

화재에 의한 사망을 원인별로 보면 그림 7과 같이 연무 및 연소가스에 의한 사망이약 70%에 이르는 것을 알 수 있어, 화재의 2차 효과가 매우 중요함을 알 수 있다. <그림 7> 참조

목재는 다른 유기재료에 비하여 연기 발생량이 적다. 환기가 잘되는 곳이라면 목재의 연기 발생량은 25~100m2/kg이다. 반면 플라스틱 재료는 수백 또는 수천 /kg 이다. 연기의 발생은 연소되는 재료와 불꽃연소(flaming)인가 아니면 훈소(glowing, Non flaming)인가 하는 연소의 형태 및 산소의 공급형태에 따라 달라지는데, 전자는 연소되는 고분자의 구조와 일정한 관계가 있어 고분자의 화학적 구조가 연기 발생량에 가장 중요한 역할을 한다. 고분자의 구조에 따라 검뎅이 만들어지는 양은 대체로 다음과 같은 순서이다.

naphthalene > benzene > diolefins > monoolefins > paraffins 그러나 훈소의 경우에는 고분자의 구조와 일정한 관계를 찾아보기 힘들다. 예를 들어 표 2는 고분자의 발연성을 NBS 연농도상자법으로 측정한 것이다.

<표 2> 고분자의 발연성(NBS 연농도 상자법.

 

3.4 훈소와 표면연소

소방시설설치유지 및 안전관리에 관한 법율 시행령에는 방염물품의 잔염시간 (after flame time)과 함께 잔신시간(after glowing time)을 규제하고 있어, 잔신(after glowing)도 중요 항목이며, 이것 때문에 장시간에서 연소가 그치지 않는 경우 가 많기 때문에 방지할 필요가 있다.

잔신은 표면연소(작열연소)의 현상으로 불꽃을 동반하는 불꽃연소와 달리 불꽃을 형성하지 않는다는 이유에서 훈소(smoldering)와 동일한 현상으로 취급하는 경향이 있으나 훈소의 상태·성상과 표면 연소의 그것은 커다란 차이가 있다.

훈소는 인슐레이션보드, 저비중 파티클 보드, 발포성 폴리머와 같이 겉보기 비중이 낮은 목질재료에서 산소의 공급이 불충분한 채로 완만한 속도를 갖고 연소하는 현상이다. 이는 탄소잔사를 생성하면서 진행하거나 열분해를 수반하고 있어 알데히드류, 타르상의 열분해 생성물의 휘발성 유기 성분을 다량으로 함유하고 있어 공기의 공급이 가속되면 일거에 불꽃연소로 이행한다. 한편 표면연소는 불꽃연소 종료 후(타르류의 생성과 가연성 가스의 방출 후) 탄소잔사에 의해 일어나는 연소로서 발광은 있으나 일반적인 불꽃 형성과 연기의 생성은 없다. 일반 목재나 고비중 목질재료의 연소 추이로서는 불꽃연소 후에 생성된 탄소 잔사의 표면 연소에 의해 재(ash)가 되면서 연소는 완료된다.

<그림 8> 목재와 목탄의 현미경 사진.

흑연 재료와는 달리 목탄이 표면연소에 의해 비교적 용이하게 탄화하는 것은 그림 9에서 보는바와 같이 연소 후에 생성된 목탄은 세포의 공극구조가 남아 있기 때문에 공기의 공급이 비교적 용이하기 때문이다.<그림 8> 참조

표면연소는 고체상의 잔류성 탄소가 가열되었을 경우 불꽃을 동반하지 않고 연소하는 현상을 말한다. 이러한 현상은 불꽃연소가 액상 및 기상에서 일어나는 것과 다르다. 표면연소는 고체상 탄소가 산소와 결합 하여 CO2를 생성하는 현상으로 이러한 현상은 1단계 반응인 고체상 산화반응과 2단계 반응인 기체상 상화반응의 2가지 단계를 거친다.

1단계 반응은 탄소와 산소가 결합하면서 표면에서 일어난다. C → CO+26.43kcal/mol 2단계 반응은 형성된 CO가 기상에서 산소와 반응하여 더 많은 열을 발생시키면서 최종 연소 산물인 CO2로 변하면서 종료한다. CO → CO2+67.95kcal/mol 이 과정에서 발생하는 열량은 탄소잔사의 표면을 600~700℃로 유지시키는데 충분한 열량이다. <다음호에 계속>

한국목재신문 편집국   woodkoreapost@naver.com


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