[기고] 목재와 목질재료의 난연화 17
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[기고] 목재와 목질재료의 난연화 17
  • 한국목재신문 편집국
  • 승인 2022.07.12 17:46
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[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

그림 79. 팽창 흑연의 난연작용 모식도

한(Han) 등은 다음 반응식에서 보는 바와 같이 흑연과 황산 사이에서 산화환원 반응(redox reaction)에 의해 생성된 팽창으로 설명하고 있다.

C + 2H2 SO4 → CO2 + 2H2O + 2SO2

이때 발생하는 불연성 기체는 기상에서 가연성 가스의 희석 효과도 나타나지만 팽창성 흑연의 주된 작용은 그림 79에서 보는 바와 같이 유연한 발포성 탄소층을 형성하여 열의 이동을 막는 절연층을 형성하여 가연성분의 열분해를 억제시켜 난연성을 높인다.

그림 80. 팽창 흑연의 입자경에 따른 발포배율의 변화

팽창흑연의 발포배율은 그림 80에서 보는 바와 같이 입자 크기에 따라 달라진다.

팽창흑연을 목재-플라스틱 복합체에 적용한 연구에서 젱(Zheng)은 ABS/목재 복합소재에 팽창성 흑연(EG)과 폴리인산암모늄(APP)을 혼용한 결과 EG:APP의 비율이 12.5:7.5일 때 산소지수가 34.2%에 달하여 각각 단독으로 사용할 때의 산소지수 30.5와 24.5% 보다 높게 나타나 상승작용이 있음을 보고했다.

그림 81. 목재-플라스틱 복합체에 대한 팽창 흑연의 효과: ABS: Acrylonitrile–Butadiene–Styrene, WF: Wood Flour, EG: Expandable Graphite, APP: Ammonium Polyphosphate

또 콘칼로리미터 시험에서도 그림 81에서 보는 바와 같이 최대 발열량과 연발생이 억제되었고, 챠 잔류량도 증가되었으나 기계적 강도는 저하된다고 보고했다. 시펠트(Seefeldt)는 WPC에 팽창흑연 (EG)과 폴리인산암모늄(APP)과 적인을 혼용한 결과 팽창흑연이 높은 난연성을 나타 내나, 그림 82에서 보는 것과 같이 팽창에 의해 열차단막의 균열을 가져오지만 적인 이나 APP의 혼용으로 이를 보강할 수 있다고 보고했다.

 

7.8 나노 복합재료(Nano composites)

그림 82. 열차단막의 보강작용

나노 복합 재료는 콘칼로리미터의 측정에서 발열량(HRR)을 현저하게 억제되어 난연성을 나타낸다는 것을 1996년 지아넬 리스(Giannelis))에 의해 보고된 후에 크게 주목받게 됐다.

목재나 목질재료의 난연에 사용되는 나노 복합체는 주로 유기 점토와 나노 입자를 사용하는 것이 주된 방법이다.

 

7.8.1 나노 점토(Nano Clay)

나노 복합재료에 사용되는 점토광물은 대부분이 층상 규산염광물이다. 이 광물은 SiO4 사면체가 2차원상으로 배열된 판으로 돼 있다. 가장 많이 사용되는 점토광물인 몬몰리로나이트(montmorillonite)는 스멕타이트(smectite)족의 대표적인 층상 규산염광물이다.

그림 83. montmorillonite의 구조

이것은 그림 83에 나타난 바와 같이 두께가 약 1nm의 층상 규산염으로 형성되어 있고, SiO 4 사면체 중의 규소를 알루미늄으로 치환하거나 또는 중앙 8면체 쉬트 중의 3가 양이온을 2가 양이온으로 치환하는 것에 의해 부의 전하가 생겨 부의 전하를 보충하기 위하여 Na 등의 양이온이 층 사이에 결합하고 있다.

이와 같은 구조를 갖는 다른 스멕타이트계 광물로서는 사포나이트(saponite)와 헥토라이트(hectorite)가 알려져 있다. 최근에는 인공 합성품도 많이 나오고 있다. 이들 점토광물의 대표적인 화학 조성식을 <표 10>에 나타냈다.

 

한국목재신문 편집국   woodkoreapost@naver.com


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