[기고] 목재와 목질재료의 난연화 5
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[기고] 목재와 목질재료의 난연화 5
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2022.01.12 10:03
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[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

위촉연구원 한국과학기술연구원(KIST) 전통문화과학기술연구단

그림 12는 동일한 시료(OSB)를 복사열만 20, 35, 50, 65㎾/㎡로 가열했을 때의 변화이다.

전체적인 형태는 비슷하나 가열 강도가 강할수록 이른 시간에 피크가 발현하는 것을 볼 수 있다. 또 그림 12에서 보면 2개의 피크가 보이는데 첫 번째 나타나는 피크는 시료가 착화되어 발생하는 가연성 가스에 의한 것이다. 첫 피크가 나타난 이후로는 HRR이 줄어드는 것은 시료 표면에 탄화막이 생성되어 외부로부터 열전달이 차단되기 때문에 나타나는 현상이다. 두 번째 피크는 형성된 탄화막이 깨어지면서 다시 시료가 연소되어 첫 번째 피크보다 더울 많은 가연성 기체가 방출되기 때문으로 해석 된다. 가연성 가스가 모두 방출되면 연소는 종료되고, 이에 따라 HRR 피크가 안정화 되어 가는 것이 그림에서 나타난다.

<그림 12> OSB(두께 : 12mm)의 20, 35, 50과 65kWm-2에서의 방열량 곡선

ASTM에서는 25 내지 50을 권장하고 있으나 목질재료를 가열하는 경우 너무 낮은 가열세기이면 동일한 난연처리 시료이어도 착화에 편차가 많으며, 너무 강한 가열강도이면 재료간의 차이가 명료하게 나타나지 않는다. 그러나 이 방법도 한계가 있는데 이는 이 측정 방법이 환기가 잘되는 화재 상황에서만 측정이 가능하고, 측정 시료에 1차원적인 열원공급으로 인하여 재료의 표면에서 발생하는 화염확산(flame spread) 등을 측정할 수 없다는 한계가 있다. 따라서 환기가 부족한 상황이나 화재 전성기 이전 상태(post flashover fires)에서의 현상은 측정하기에 제한된다.

콘칼로리미터를 사용한 연구로서는 손동원 등은 실내 사용 목재의 연소특성을 콘칼로리미터 등을 사용해 분석한 결과 목재의 재질적 특성은 연소적 특성으로 발현 되었으며, 열적성질과 연소가스 발생량과의 관계는 상관관계가 높게 나타났음을 보고하고 있다.

Gao등은 고분자-층상복수산화물(LDH, Layered Double Hydroxide)의 나노복합체의 난연성을 MC(micro calorimetery), LOI, CC(cone calorimetry), UL-94등의 수단을 통하여 난연성을 측정하여 LDH의 난연기구를 밝히고 있고, White 등도 CC를 이용하여 목재의 연소 특성 등을 연구하여 ASTM E 84의 화염 전파성과의 관계를 보고하였다. 미국 농무성의 산림과학원(FPL, Forest Products Laboratory) 홈페이지에서는 목재에 대한 수종별, 두께별, 처리별로 콘칼로리메터 데이터를 볼 수 있다.

 

4.2 산소지수법(Oxigen Inedx Method)

<그림 13> LOI의 모식도와 외관

이 방법은 1957년 제너럴일렉트릭(GE) 회사에서 연료의 연소성을 측정하기 위하여 개발된 후, 페니모어(Fenimore) 등에 의해 1966년 처음 소개되었고, 고분자 제품의 연소성 시험방법으로 많은 관심과 연구의 결과로 현재 가장 널리 이용되고 있다.

그 이유는 재현성이 뛰어나고 제품의 품질 관리가 용이하기 때문이다. 따라서 연소성 시험방법으로서 표 6에서 보는 바와 같이 ISO규격을 비롯하여 여러 나라가 자국의 국가 규격으로 채택하고 있다.

산소지수법은 ASTM의 정의에 따르면 천천히 상승하는 산소-질소 혼합기체 중 에서 재료가 연소를 지속할 수 있는(그림 13)과 같은 장치를 통해서 수직으로 세운 시료가 3분 또는 5㎝가 연소) 최소 산소농도를 말한다. 산소지수는 다음과 같이 계산한다.

산소지수(%) = O2 / (O2 + N2 ) ×100

공기 중의 산소량이 21%이므로 산소 지수가 22 이하인 경우에는 가연성(combustible), 23~27은 자소성(selfextinguishing), 27 이상은 난연성(flame resistant)으로 평가된다. 따라서 산소지수가 높을수록 난연성이 높게 평가된다. 그림 14는 필자가 실험한 일례로서 제일인산암모늄(MAP)과 구아니딘 설포메이트(guanidine sulfamate, GS)를 적용한 셀룰로스의 난연성 증진 효과를 본 것이다.

<그림 14> LOI로 측정한 셀룰로스의 난연성

그림 14에서 보는 바와 같이 이 방법은 난연제 함량에 따른 산소지수가 직선적으로 얻어지며, MAP가 GS보다 단위 무게 당약 2.5배 더 효과가 있는 것을 알 수 있다. 이처럼 LOI는 각종 난연제의 효과를 정량 적으로 평가할 수 있는 장점을 갖고 있다.

페니모어(Fenimore) 등은 산소지수 시험법에서 고분자 재료의 연소를 상세하게 관찰한 결과 연소 시에 잔사를 남기지 않고, 불꽃이 안정한 대부분의 재료는 정밀도가 높으나, 예를 들면 저분자량의 폴리프로 플렌(PP)과 같이 연소 시에 용융중합체가 흘러내리는 시험편의 경우 그대로 측정한 경우에는 산소지수 값이 23이었으나, 이 시료에 용융방지를 위해 불연성 지지대를 넣고 측정한 결과 산소지수는 17.7±0.5이었다고 밝히고 있다. LOI는 장치가 비교적 간단하고, 정량적 결과를 얻을 수 있기 때문에 그동안 많은 연구가 되어 있고, LOI와 다름 시험법과의 관계도 살핀 연구가 있다. LOI 값은 표 6에서 보는 바와 같이 UV-94 시험 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.

그러나 웨일(Weil) 등은 그동안 많이 축적된 LOI 관련 문헌을 분석한 결과 LOI의 결과와 다른 난연성 측정법, 특히 콘칼로리 미터에 의한 결과와 상관관계가 없으며, 실화재와의 관계도 명백하지 않다는 것을 밝히고 있다. 필자의 판단으로는 LOI의 시험이 수직으로 설치된 시료를 위에서 연소시켜 결과를 얻는데 비하여 실화재는 밑에서 타올라가는 것도 관계가 있을 것으로 추정 한다.

목재에 대한 LOI의 이용연구는 국내에서는 李弼宇 등이 (NH4)2SO4, NH4H2 PO4, (NH4)2HPO4, 붕산-붕사 혼합물로 처리한 합판의 산소지수를 측정하여 가장 효과적인 난연제는 (NH4)2HPO> 붕산-붕사 혼합물 > (NH4)2SO4> NH4H2PO4임을 밝히고 있다.

외국에서는 디즈만(Dizman)과 돈메즈 (Donmez)는 소나무재에 붕소화합물을 침적한 시료를 LOI를 통해서 난연성을 평가하였고, 화이트(White)도 목재에 대한 Na2B4O7·10H2O, Na2B8O13·4H2O, H3BO3, NH4H2PO4, (NH4)2SO4, ZnCl2 , Na2Cr2O7 등의 효력을 LOI을 통해 측정한 결과 미처리 목재의 경우 LOI 값이 22인데 비하여 처리 목재는 78까지 상승됨을 보고하고 있다.

                                                                                                 <다음호에 계속>

한국목재신문 편집국   woodkoreapost@naver.com


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