1. 서 론
목재는 재생 가능하고 친환경적인 건축 재료로 널리 사용되고 있으나, 가연성이 높아 화재 발생 시 빠른 열전달과 급격한 연소가 발생하는 단점이 있다. 화재 시 목재의 열분해 및 연소 과정에서 다량의 가연성 가스가 방출되며, 이는 착화 지연성과 화염 확산 억제에 불리하게 작용한다(1). 이에 따라 목질재료의 가연성을 저감하기 위한 난연 처리(flame-retardant treatment)는 건축 분야에서 필수적인 기술로 인식되고 있다.
붕산(Boric acid)과 붕사(Borax) 등 붕소계 화합물은 목재 및 셀룰로오스계 재료에 적용 가능한 대표적인 무기계 난연제로, 높은 난연 효과를 나타낸다. 이들은 열분해 과정에서 탄화층(char) 형성을 촉진하고 열방출률(heat release rate) 및 총방출열량(total heat release)을 감소시키는 것으로 보고되었다(2). 또한 열분해 과정에서 흡열 분해(endothermic decomposition)를 통해 열을 흡수하고, 유리질 보호층을 형성하여 산소 확산과 휘발성 가스의 방출을 억제한다(3).
붕소계 난연제는 인(P), 질소(N), 실리콘(Si) 등을 포함한 다른 난연제와 함께 사용될 때 상승효과(synergistic effect)를 보이며, 셀룰로오스 기반 재료의 연소 억제 및 탄화 안정성을 향상시키는 것으로 알려져 있다(3). 한편, 붕산은 연기 발생 억제 효과가 크지만 화염 확산에는 큰 영향을 미치지 않으며, 반대로 붕사는 화염 확산을 감소시키는 효과가 크지만 연기 발생을 증가시킬 수 있다. 이러한 상반된 특성을 보완하기 위해 붕산과 붕사의 혼합 사용이 일반적으로 활용된다(4).
난연제를 목재에 적용하는 방식은 최종 난연 성능에 큰 영향을 미친다. 목질재료의 약제 처리에는 일반적으로 표면 도포(spreading), 침지(immersion), 화학적 함침(impregnation), 수지 혼합(resin-mixing) 등의 방법이 사용된다(5). 표면 도포 방식은 시공이 간단하고 비용이 낮지만, 온도나 습도 등 외부 환경 변화에 따라 성능이 저하될 수 있다. 반면, 침지 및 가압 주입 처리는 약제가 목재 내부까지 침투하여 장기적인 성능 확보가 가능하나, 처리 시간과 비용이 증가하는 단점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 최근에는 진공 가압 주입 방식이 적용되어 약제의 침투 깊이와 내구성이 향상된 것으로 보고되었다(6).
선행연구에 따르면, 붕소계 약제는 목재 표면의 화염 확산을 지연시키고, 고온 노출 시 유리질 막을 형성하여 가연성 휘발성 물질의 이동을 억제한다(4). 또한 숯(char) 형성이 촉진되어 열전달이 줄고, 하부 목재의 분해 속도 및 휘발성 물질의 방출이 줄어드는 경향이 보고되었다(1).
본 연구에서는 붕산과 붕사를 혼합한 고농도 붕소계 방염제를 목질판상재(합판 및 파티클보드)에 적용하여, 적용 방식과 약제 처리량(retention)에 따른 난연 성능 변화를 분석하였다. 합판에는 표면 도포, 침지, 가압 주입의 세 가지 방식으로 적용하였으며, 파티클보드에는 표면 도포, 수지 혼합, 칩 침지 전처리 방식을 적용하였다. 각 처리 방식에 따라 침투 깊이와 처리량이 상이하므로, 실제 적용 조건에서의 성능 차이를 분석하고자 하였다. 각 시편에 대해 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적을 측정하고, 방염성능이 가장 우수한 조건에 대해서는 추가로 착화시간, 질량감소율 등 열적 특성을 평가하였다. 이를 통해 붕소계 방염제를 활용한 효율적 난연 처리 공정의 최적화 가능성을 제시하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 연구에서는 목질판상재의 연소성능 평가를 위해 합판과 파티클보드를 실험 재료로 사용하였다. 합판은 시중에서 판매되는 상용 소나무 합판을 사용하였으며, 파티클보드는 상용 제품과 실험실에서 직접 제조한 시편을 병행하여 사용하였다.
방염제는 붕산(Boric acid, purity 99.5%)과 붕사(Borax, purity 99%)를 중량비 1:1로 혼합한 후, 고온 조건에서 1 h 동안 교반하여 완전히 용해시켜 붕소 화합물 수용액을 제조하였다. 해당 혼합비는 사전 실험을 통해 도출한 최적 조건으로, 붕산:붕사 혼합비를 10:0부터 0:10까지 조합하여 용해 특성(용해도, 고형분 함량, 점도, pH)을 비교하였다. 그 결과, 5:5 (1:1) 혼합 조건에서 가장 우수한 물성을 나타내었으며, 용해도는 123 g/100 g으로 가장 높았고 고형분 함량은 50.6%, pH는 7.46으로 중성에 가까운 안정적인 특성을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로, 실험의 일관성과 적용 재현성을 고려하여 붕산과 붕사의 혼합비는 중량비 1:1로 설정하였다. 이후 저몰비로 합성한 수용성 페놀수지와 붕소 화합물 수용액을 중량비로 1:1로 혼합하여 1 h 교반하여 고농도 붕소계 방염제를 제조하였다. 페놀 수지는 열경화성 수지로서 우수한 내화성과 내수성을 가지며 고온에서 안정적인 탄화층을 형성한다. 이로 인해 붕소계 방염제의 내열성과 안정성을 보조하며 목질 재료의 기계적 강도 저하를 감소시킬 수 있다. 제조된 방염제는 실험 전 고형분 함량(solid content), 점도(viscosity), pH를 일정하게 유지하여 사용하였다. Table 1은 제조된 방염제의 주요 물성을 나타낸다.
2.2 방염 처리 방법
Table 2는 방염제의 적용 방식 및 조건을 나타낸다. 합판에는 표면 도포, 침지, 가압 주입의 세 가지 방식이 적용되었다. 표면 도포는 방염제를 300 g/m2의 도포량으로 3회 분할하여 브러시로 균일하게 도포하였고, 각 도포 후 1 h 자연건조를 거쳐 24 h 상온 건조하였다. 침지 처리는 시편을 방염제 용액에 24 h 침지한 후 상온에서 건조하였다. 가압 주입 방식은 KS F 2219 (목재의 가압식 방부처리 방법)에 의거하여 가압 주입기(vacuum-pressure apparatus)를 이용하여 전배기 0.08 MPa 2 min, 가압 1.5 MPa 1 h, 후배기 0.08 MPa 10 min의 조건으로 처리한 후 7일간 상온 건조하였다(7).
Table 2
Flame Retardant Treatment Methods and Conditions
파티클보드에는 표면 도포, 수지 혼합, 칩 침지 전처리 방식으로 적용되었다. 표면 도포는 상용 제품의 표면에 동일한 도포 방식으로 적용하였다. 파티클보드는 KS F 3104 (파티클보드)에 의거하여 제조하였으며, 수지 혼합은 파티클보드 제조 시 매트함수율을 12% 이하로 고려하여 수지에 전건 칩 중량 대비 방염제를 10% 첨가하여 혼합한 후, 물리적 교반을 통해 칩에 적용하여 파티클보드를 제조하였다(8). 칩 침지 전처리는 파티클 칩을 24 h 침지 처리 후 105 °C에서 열풍 건조하였다. 이후 규격 300 × 300 × 10 mm의 단층 파티클보드로 제조하였으며, 요소-폼알데하이드 수지(Urea-Formaldehyde resin)을 함지율 12%로 하여 프레스 조건 180 °C, 50 kgf/cm2, 30 s/mm로 설정하여 유압프레스로 성형하였다. 제조된 보드는 7일간 상온에서 양생시킨 후 난연 성능 실험에 사용하였다.
2.3 연소 성능 시험 방법
Figure 1은 연소 시험 장비를 나타낸다. 방염 성능 평가는 45° 연소시험기(45° flammability tester)를 이용하여 수행하였다. 각 방염제 적용 방식에 따라 잔염시간(remaining flame time), 잔신시간(smoldering time), 탄화길이(carbonization length), 탄화면적(carbonized area)을 측정하여 소방청 고시 ｢방염 성능 기준｣ 제4조의 합판 등의 방염 성능 기준 충족 여부를 평가하였다(9). 해당 기준에 따르면 잔염시간은 10 s 이내, 잔신시간은 30 s 이내, 탄화면적은 50 cm2 이내, 탄화길이는 20 cm 이내로 규정하고 있다. 버너의 불꽃 길이를 65 mm로 하여 조절한 후, 시험체 하단 중앙에 불꽃이 닿도록 위치시키고 2 min 동안 가열을 실시하였으며, 각 적용 방식에 대해 4회의 반복 실험을 수행하였다.
추가적으로, 방염 성능이 우수한 조건의 시편에 대해서 열특성 분석을 수행하였다. KS F ISO 5660-1에 의거하여 열특성분석기(thermal characteristic analyzer)를 이용하였으며, 콘 형태의 전기히터를 통해 열유속 50 kW/m2 조건에서 실험을 진행하였다(10). 시험편은 100 mm × 100 mm의 규격으로 제작하였으며 알루미늄 포일로 비노출면을 감싼 후 실험을 진행하였다. 5 min 동안 가열 후 시험을 종료하였으며, 착화시간(time to ignition, TTI), 질량감소율(mass loss rate, MLR), 총 질량감소율(total mass loss, TML)을 측정하여 각 시편의 열적 거동 특성을 분석하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 합판의 방염 처리 방법에 따른 방염 성능
Tables 3과 4는 합판의 방염 처리 방법에 따른 약제 처리량 및 방염 성능 평가 결과를 나타낸다. 약제의 처리량은 처리 방식에 따라 표면 도포 < 침지 < 가압 주입 순으로 증가하였다. 이는 각 적용 방식에서 약제의 목재 내부 침투 깊이와 흡착량이 달라졌기 때문이며, 특히 가압 주입 방식은 진공 및 가압 공정을 통해 세포 내강까지 약제가 균일하게 침투하여 가장 높은 처리량을 보였다.
Table 3
Retention of Flame Retardant in Plywood
| Treatment Method | Retention |
|---|---|
| Spreading | 300 g/m2 |
| Immersion | 89.9 kg/m3 |
| Impregnation | 511.7 kg/m3 |
Table 4
Flame-Retardant Performance of Plywood According to Treatment Method
방염 성능은 처리 방법에 따라 잔염시간, 잔신시간, 탄화면적 및 탄화길이에서 뚜렷한 차이를 보였다. 무처리 시편의 경우 잔염시간 15.1 s, 잔신시간 15.4 s로 나타났으며, 탄화면적은 85.6 cm2, 탄화길이는 16.3 cm로 측정되었다. 표면 도포 처리 시편은 잔염시간이 5.0 s로 감소하였으며, 탄화면적은 56.1 cm2으로 측정되어 무처리 대비 약 34% 감소하였다. 침지 처리 시편은 잔염이 발생하지 않았으며, 잔신시간은 13.3 s로 측정되었다. 탄화면적과 탄화길이는 각각 33.9 cm2, 8.2 cm로 무처리 대비 약 60% 감소하였다. 가압 주입 처리 시편은 잔염 및 잔신시간이 나타나지 않았으며, 탄화면적은 13.3 cm2, 탄화길이 5.1 cm로 측정되어 무처리 대비 약 85% 감소하여 가장 우수한 성능을 나타냈다.
모든 방염 처리 시편은 소방청 고시 방염 성능 기준을 충족하였으며, 처리 방식에 따른 약제 처리량과 침투 깊이의 차이가 방염 성능에 결정적인 영향을 미쳤다. 표면 도포 방식은 외층에 형성된 피막이 초기 확산을 억제하였으나, 약제가 내부까지 침투하지 못해 열전달 억제 효과는 제한적이었다. 침지 방식은 세포 내강 일부까지 약제가 확산되어 탄화 진행 속도를 완화시켰으며, 가압 주입 처리 시편은 방염제가 세포벽 내부까지 균일하게 분포함으로써 열분해 억제와 탄화층 형성이 안정적으로 이루어져 높은 방염 성능을 나타내었다. 추가적으로, 합판의 방염 처리 방식별 탄화면적에 대해 일원분산분석(ANOVA)을 실시한 결과, 약제의 처리량에 따른 유의한 차이가 확인되었으며, 이는 약제 처리량 증가에 따른 방염 성능의 정량적 향상을 의미한다. 합판의 방염 성능은 처리량과 비례하는 경향을 나타내며 가압 주입 방식에서 가장 효과적인 결과가 도출되었다. 이는 붕소계 방염제가 열분해 시 유리질 보호층을 형성하고 흡열 반응을 통해 휘발성 가연성 물질의 확산을 억제하는 선행연구와 일치하는 결과를 보였다(2,3).
3.2 파티클보드의 방염 처리 방법에 따른 방염 성능
Tables 5와 6은 파티클보드의 방염 처리 방법에 따른 약제 처리량과 방염 성능 평가 결과를 나타낸 것이다. 약제 처리량은 표면 도포 < 수지 혼합 < 칩 침지 전처리 순으로 나타났다.
Table 5
Retention of Flame Retardant in Particleboard
| Treatment Method | Retention |
|---|---|
| Spreading | 300 g/m2 |
| Resin Mixing | 70 kg/m3 |
| Chip Pre-Treatment | 384.3 kg/m3 |
Table 6
Flame-Retardant Performance of Particleboard According to Treatment Method
무처리 시편은 잔염시간이 발생하지 않았으며 잔신시간 7.1 s, 탄화면적 40.9 cm2, 탄화길이 8.2 cm로 측정되었다. 표면도포 처리 시편은 잔신시간이 8.2 s로 측정되었으며 탄화면적과 탄화길이는 25.5 cm2, 5.5 cm로 무처리 대비 약 38% 감소하였다. 수지혼합 처리 시편은 잔염시간이 발생하지 않았고 잔신시간은 6.4 s로 나타났으며, 탄화면적과 탄화길이는 각각 33.4 cm2, 8.9 cm로 측정되었다. 무처리 대비 탄화면적은 18% 감소하였으나 탄화길이는 소폭 증가하였다. 이는 약제가 수지에 혼합되어 분산되는 과정에서 상대적으로 균일한 분포가 어렵고, 제조 시 매트 함수율과 수지 점도에 따른 첨가 한계가 존재하기 때문에 국부적인 열분해가 발생한 것으로 분석된다. 칩 침지 전처리 시편은 잔염시간은 나타나지 않았으며 잔신시간은 3.4 s로 나타났다. 탄화면적은 12.5 cm2, 탄화길이 4.9 cm로 측정되어 무처리 대비 탄화면적이 약 69% 감소하였다.
방염 처리 방식별 탄화면적에 대해 일원분산분석(ANOVA)을 실시한 결과, 처리 방식 간 통계적으로 유의한 차이가 나타났다. 다만, 약제 처리량과 방염 성능 간의 관계는 합판과는 달리 단순한 비례 관계를 보이지 않았다. 이는 파티클보드의 구조적 특성상, 약제의 처리량 자체 보다는 분산의 균일성과 단위 면적 당 유효 약제 농도가 방염 성능에 보다 큰 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 파티클보드의 방염 처리 방식별 비교 결과, 약제 처리량이 적은 표면 도포 방식이 수지 혼합 방식보다 상대적으로 우수한 방염성능이 나타났다. 이는 방염제가 보드 외층에 집중적으로 도포되어, 고온 노출 시 즉각적인 보호층을 형성함으로써 화염의 확산을 효과적으로 억제하였다. 반면 수지 혼합 방식은 방염제가 수지와 함께 보드 전반에 균일하게 분산되지만, 그로 인해 단위 면적당 유효 약제 농도가 상대적으로 낮아지면서 이러한 내부 분산 특성으로 인해 열이 표면에서 집중될 때 즉각적인 방염 효과가 충분히 발현되지 못한 것으로 분석된다. 따라서 수지 혼합 방식은 보드 전반의 내부 열 안정성 및 구조적 안정성 향상에는 기여할 수 있으나, 표면 화염 확산 억제 효과는 표면 도포 방식에 비해 효과가 제한적인 것으로 분석된다. 칩 침지 전처리 방식은 세 가지 처리 방법 중 가장 우수한 방염 성능을 보였다. 이 방식은 보드 제조 전 단계에서 칩 자체를 약제 용액에 침지하여 방염제가 입자 표면 및 내부까지 흡착되도록 함으로써, 보드 성형 후 입자 간 결합면 전반에 균일한 방염층이 형성되어 연소 시 열분해 및 화염 확산을 효과적으로 차단한 결과로 판단된다.
3.3 열특성 분석 결과
Table 7은 방염 성능 평가에서 약제의 처리량이 가장 높고 연소 억제 효과가 가장 우수한 조건으로 선정된 시편의 열특성 분석 결과를 나타낸 것이다. 열특성 평가는 착화시간(TTI)과 총 질량감소율(TML), 질량감소율(MLR)을 주요 지표로 하여 열분해 및 연소 거동 특성을 검토하였다.
Table 7
Ignition Time and Mass Loss Characteristics of Flame-Retardant Wood-Based Panels
| Sample | TTI (s) | TML (%) | MLR (g/s) | Specimen Before Test | Specimen After Test | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MLRpeak | MLRmean | |||||
| Plywood | 196 | 4.34 | 0.117 | 0.043 |
|
|
| Particleboard | 281 | 17.24 | 0.292 | 0.059 |
|
|
합판의 무처리 시편은 TTI 15 s, TML 18.61%로 측정되었다. 가압 주입 처리 시편은 TTI 196 s로 측정되어, 무처리 시편 대비 181 s의 현저한 착화지연 효과를 보였다. 이는 붕소계 방염제가 열분해 초기에 흡열 반응을 유도하며 연소에 필요한 에너지를 소모시키고, 표면에 유리질 보호층을 형성하여 열전달을 억제한 효과로 판단된다(3). MLR은 무처리 시편 MLRpeak가 0.208 g/s, MLRmean이 0.08 g/s로 측정되었으며, 처리 시편은 MLRpeak가 0.117 g/s, MLRmean이 0.043 g/s로 나타나 전체 연소 과정에서 안정된 질량 감소 경향을 보였다. TML은 4.34%로, 무처리 대비 약 76.7% 감소하여, 열분해 억제 효과가 수치적으로 확인하였다.
파티클보드의 무처리 시편은 TTI 33 s, 칩 침지 전처리 시편은 TTI 281 s로 측정되어 248 s의 높은 착화 지연 효과를 보였다. MLR은 무처리 시편 MLRpeak가 0.217 g/s, MLRmean이 0.112 g/s, 처리 시편은 MLRpeak가 0.292 g/s, MLRmean이 0.059 g/s로 측정되어 초기 열분해 단계에서 질량 감소가 나타난 이후 완만한 감소 구간이 유지되었다. 이는 수지 결합부의 분해에 따른 일시적 질량 감소 이후, 붕소계 방염층이 열분해 반응을 억제하며 안정적인 연소 거동을 유지한 것으로 설명된다(2). 연소 후 시편의 표면은 전체적으로 흑색 탄화층이 형성되었으며, 무처리 조건에 비해 표면 손상이 제한되었고 탄화층은 열전달을 억제하고 하부 목질층의 분해 속도를 낮춤으로써 전체 연소 속도를 감소시켰다(1). 추가적으로 Figure 2는 연소 시간에 따른 총 질량감소율의 변화를 나타내었다. 두 목질판상재 모두에서 무처리 시편은 시간 경과에 따라 급격한 질량 감소를 보인 반면, 처리 시편은 완만한 감소 곡선을 나타내며 안정적인 열거동 특성을 보였다.
4. 결 론
본 연구에서는 고농도 붕소계 방염제를 페놀계 담체 수지와 복합하여 제조하고, 목질판상재(합판 및 파티클보드)에 적용 방식별 연소 및 열특성을 비교⋅평가하였다.
합판의 경우, 방염제 적용 방식에 따라 약제의 처리량과 연소 성능에 뚜렷한 상관성이 나타났다. 가압주입 처리는 약제가 목재 내부까지 균일하게 침투하여 가장 우수한 방염성능과 열적 안정성을 나타냈다. 탄화면적과 탄화길이는 무처리 대비 각각 약 85% 감소하였으며, 잔염 및 잔신이 발생하지 않아 열적 안정성이 향상되었다. 파티클보드의 경우, 처리 방식에 따른 약제 처리량은 표면 도포 < 수지 혼합 < 칩 침지 전처리로 달랐으나, 방염 성능은 처리량보다는 약제의 분포 형태 및 유효 농도에 의해 좌우되었다. 표면 도포 방식은 고온 노출 시 외층에 즉각적인 보호층 형성으로 초기 방염 효과를 보였으며, 수지 혼합 방식은 약제가 수지에 분산되면서 보드 단위 면적당 유효 약제 농도가 낮아 표면 화염 확산 억제에는 제한적인 효과를 보였다. 칩 침지 전처리 방식은 약제가 입자 표면과 내강에 흡착되어 연소 시 탄화면적이 무처리 대비 약 69% 감소하여 열적 안정성을 나타내었다.
열특성 분석 결과, 합판과 파티클보드 모두 착화시간이 현저히 증가하고 질량감소율이 감소하였으며, 고농도 붕소계 방염제가 열분해 과정에서 흡열 반응과 유리질 보호층 형성을 통해 열전달 및 산소 확산을 억제하는 효과를 확인하였다. 이러한 열적 거동은 고온에서 안정적인 탄화층 형성을 유도하여 전체적인 열방출을 저감시키고 연소 지연 효과를 극대화하였다.
따라서 고농도 붕소계 방염제는 목질판상재의 연소 및 열적 거동 개선에 효과적으로 기여할 수 있으며, 적용 방식과 처리량에 따라 방염 성능이 구조적 특성과 약제 침투 깊이에 의해 결정됨을 확인하였다. 특히, 합판에는 가압 주입 처리, 파티클보드에는 칩 침지 전처리 방식이 가장 효율적인 방염 처리 방법으로 판단된다.
본 연구는 고농도 붕소계 복합 방염제의 열적 거동을 중심으로 그 적용 가능성을 검증하였다. 향후 실제 적용을 위해서는 장기 내구성 확보와 약제 안정성 검증이 필수적이며, 장기 노출 조건에서의 약제 안정성과 기계적 성능에 대한 유지 여부에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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