[기고] 목재와 목질재료의 난연화 6
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[기고] 목재와 목질재료의 난연화 6
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2022.01.24 16:45
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[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

4.3 미세연소 열량계 (Microscale combustion calorimetry)

그림 15. MCC의 모식도와 외관
그림 15. MCC의 모식도와 외관

고분자의 난연성 측정 기기로 비교적 최근에 소개된 것이 미세연소열량계(microscale combustion calorimeter, MCC)이다.

그림 15에 MCC의 모식도와 외관을 나타내었다. 그림 15에서 볼 수 있는 바와 같이 MCC는 콘칼로리미터 보다 훨씬 단순한 것을 알 수 있다. 이 방법은 미국 연방항공청(US Federal Aviation Administration)에 의해 개발되었다. 당초 항공기용 재료의 난연성 시험은 FAR 25.853을 사용하였으나 이연소성 시험기는 수동으로 작동하는 것이기 때문에 측정자에 따른 오차가 있어 이를 기계적 장치에 의한 측정을 위한 연구가 검토되었다.

그림 16. 콘칼로리미터와 MCC의 방열량의 비교 (at 50㎾/㎡)

이 연구의 결과, 라이온(Lyon)은 장치를 개량하여 일련의 특허를 획득하였고, ASTM의 부속 위원회의 검토를 거쳐 2007년에 ASTM D 7309로서 규격이 제정되었다. 이후에 MCC 시험결과와 기존 연소성 시험 결과의 상관성을 오랜 기간 걸쳐 검증과정을 거쳤다. 예를 들어 콘칼로리미터의 HRR 자료는 실규모 화재의 결과와 잘 일치한다는 보고가 있는데, 그림 16을 보면 콘칼로리미터로 측정한 HRR과 MCC로 측정한 HRR이 잘 일치하는 것을 볼 수 있으며, 재형성 또한 우수하다는 것이 증명되었다.

이 측정기기는 소량의 시료로 연소 열량을 측정하여 고분자재료의 난연성을 측정하는 것이다. 그림 17에서 보는 바와 같이 MCC는 연소를 하지 않으면서도 불꽃연소 과정에서 발생하는 고체상(solid-state)과 기체상(gas-phase processes)에서 발생하는 현상에 대해 결과를 얻을 수가 있는 것이 특징이다.

그림 17. MCC의 측정 과정

또 장치의 정교한 제어로 재현성이 높으며, 시료 형태도 펠릿 상태에서도 가능하며, 시료의 양도 수 mg정도(3~5mg)로도 측정이 가능하다. MCC 방식은 콘 칼로리미터와 마찬가지로 산소 소비량을 사용하는데 정량적인 측정 가능한 항목은 다음과 같다.

・ 방산열용량(Heat Release Capacity) ・ 방열량(Heat Release Rate) ・ 착화온도(Ignition Temperature) ・ 연소열(Heat of Combustion) ・ 연소온도(pyrolysis temperature) ・ 난연성(Flame Resistance) ・ 챠 수율(char yield)

이러한 측정 결과는 고분자 재료의 상대 적인 난연성을 비교하는 것도 가능하다.

그림 18. 각종 고분자의 방열량

예를 들면 범용 고분자와 특수 고분자인 polyethylene(PE), polypropylene(PP), polystryene(PS), acrylonitrilebuatdiene-styrene terpolymer(ABS), poly methylmethacrylate(PMMA), polyethyleneterphthalate(PET), polyetheretherketone(PEEK)과 polybenzimidazole(PBI)을 측정한 예를 그림 18에 나타내었다.

그림 18에서 보면 폴리에틸렌이 가장 방열량이 크고, PBI가 가장 낮은데 이는 폴리에틸렌의 난연화가 PBI의 난연화 보다 훨씬 힘들다는 것을 의미하고, 이런 결과는 소형 착화성 시험기로 측정한 데이터와 일치한다. 다음은 목재에 대해 MCC로 측정한 예를 그림 19에 나타내었다.

그림 19. MCC로 측정한 목재의 전형적인 방열량

이 결과로부터 목재의 방열량과 열분해 온도를 알 수 있다. UL에서도 이 방법을 채택하였는데 기존 방법에 비하여 MCC의 특징은 다음과 같다.

・ 고분자 재료의 연소특성을 정량적으로 비교가 가능하다.

・ 연소성의 정량적 데이터는 새로운 재료 개발에 도움이 된다.

・ UL-94 연소 시험 고유의 시험시료의 사전 컨디셔닝을 할 필요가 없어, 결과를 빨리 알 수 있다.

・ 펠릿 상태로도 MCC 시험 및 정성분석이 가능하기 때문에 성형이 필요 없다. 따라서 성형에 따르는 비용이나 시간을 줄이는 것이 가능하다.

・ UL-94 연소 시험 때에 발생하는 가스등 부생 생성물의 삭감이 가능하다.

MCC는 비교적 최근에 소개된 것이지만 이 방법으로 고분자의 난연성을 측정하여 보고한 문헌은 2015년 2월까지 218건에 이르나, 목재와 관련된 문헌은 현재 2건밖에 보이지 않으며, 이 또한 가능성만을 언급한 것이다. 다른 고분자에서는 MCC의 이용이 활발한 것으로 보이나, 목재 쪽에서는 아직 인식이 낮은 것으로 판단된다.

한국목재신문 편집국   woodkoreapost@naver.com


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