[논문]내열성이 우수한 유-무기 하이브리드 방염제에 관한 연구

조경래; 이성은; 이춘하; 김시국

doi:10.7731/kifse.2016.30.3.067

내열성이 우수한 유-무기 하이브리드 방염제에 관한 연구
Study on the Excellent Heat Resistance Organic-Inorganic Hybrid Flame Retardant 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.3, 2016년, pp.67 - 72

조경래 (호서대학교 소방방재학과) , 이성은 (호서대학교 소방방재학과) , 이춘하 (호서대학교 소방방재학과) , 김시국 (호서대학교 소방방재학과)

초록
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본 연구에서는 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 다중이용시설의 화재 시 건축자재로 사용되는 내장재의 가연성으로 인한 화재확산 및 연소 시 유독가스 발생으로 인한 인명피해를 사전 예방하기 위한 방염제를 개발하고자 한다. 유-무기 하이브리드 소재로 실리카 졸에 방염성을 부여할 수 있는 방염 소재를 적용하여 졸-겔법에 의한 방염 접착제 또는 코팅제를 제조하였다. 기존의 방염소재는 물론 비방염소재의 방염화를 비할로겐 방법으로 적용가능하며, 기존의 접착 코팅제의 기본 물성과 특히 내열성능을 높여 화재 시 내열성 및 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에 건축자재의 비할로겐 방염화를 확대하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of flame retardants aims to prevent the spread of fire and reduce the casualties caused by flammable and toxic gases generated during the combustion of building materials used in the interiors of multi-use facilities. Flame material application provides flame resistance to a silica sol in an organic-inorganic hybrid material by flame retardant adhesive or coating by producing a sol-gel method. The conventional flame retardant materials, non-flame retardant material is applied with Halogen freeway. In particular, the basic physical properties of conventional adhesive coating improves the heat resistance, enhances the durability fire and heat, and expands the halogen free flame retardant of building materials.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Manufacturing process of binder.
그림 Scheme 1. The structure of SCA.
표 Table 1. General Properties of SCA
그림 Figure 3. Results of infrared absorption spectrum.
그림 Figure 2. Manufacturing process of non-Halogen flame retardant sol.
그림 Figure 4. 45° Flammability tester.
표 Table 2. Experimental Samples
그림 Figure 5. Photograph of experimental results.
표 Table 3. Experimental Results of Flame Retardant Performance

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 건축물의 내장재로 가장 많이 사용되고 있는 MDF 목재를 실험시료로 하여 내장재의 가연성으로 인한 화재확산 및 연소 시 유독가스 발생으로 인한 인명피해를 사전에 예방하기 위해 저(무)독성 비할로겐 화합물계열 방염제를 개발하고자 하고자 한다. 이로 인해 유-무기 하이브리드 소재로 실리카 졸에 방염성을 부여할 수 있는 방염소재를 적용하여 졸-겔법(sol-gel method)에 의한 방염 접착제 또는 코팅제를 제조하여 성능을 확인하였다.
이상과 같은 결과 유-무기 하이브리드 방염제를 사용할 경우 기존의 방염소재(일반도료)는 물론 비방염소재의 방염화를 저(무)독성의 비할로겐 방법으로 적용 가능하여 친환경적이며, 기존 일반도료의 내열성 및 내구성을 강화시켜 방염성능이 우수해 질 것으로 생각된다. 따라서 향후 다양한 건축자재에서도 비할로겐 방염화를 확대할 수 있도록 기초자료로 활용되고자 한다.
본 논문에서는 건축물의 내장재로 많이 사용되어지고 있는 MDF 목재를 대상으로 하여 가연성으로 인한 화재확산과 및 연소 시 유독가스 발생으로 인한 인명피해를 사전에 예방하기 위해 유-무기 하이브리드 방염제를 개발하여 성능을 확인하였다.

제안 방법

실내건축물의 재료 및 내장재로 많이 사용되는 MDF 목재를 방염성능기준⁽¹⁷⁾을 바탕으로 가로 290 mm × 세로 190 mm × 두께 5 mm의 시험체로 각각 5개씩 제작하여 실험에 사용하였다. A MDF 목재시료의 경우 표면에 아무런 처리를 하지 않았고, B MDF 목재시료의 경우 시중에서 일반적으로 판매 및 적용되는 일반도료(아크릴계)를, C MDF 목재시료의 경우 일반도료와 비할로겐 방염제졸 A를, D MDF 목재시료의 경우 일반도료와 비할로겐 방염제졸 B를 처리하여 실험시료로 사용하였다. 또한, 본 실험에 사용되어진 실험시료의 경우 방염성능 측정실험 전 40 ± 2℃의 항온건조기 안에서 24시간 건조한 후 실리카겔을 넣은 데시케이터 안에서 2시간 동안 넣어 둔 후 실험에 사용하였다.
5~1시간) 교반하였다. 그 후 반응에 첨가하는 산으로써 염산(HCl)을 교반 중에 소량 첨가하여 용액의 pH를 2~4 값으로 조절한 후, 이 용액에 에폭시기(Epoxy FG)를 갖는 실란커플링제(SCA)를 각각 일정량(10 g, 15 g) 바인더로 첨가하고 30℃로 유지되는 반응조에서 5시간 동안 교반하여 비할로겐 방염제졸 A, B을 제조하였다. 이때, 각 단계에서 앤드 포인트(end point)를 잡는 것은 노하우에 해당된다.
가열은 각 실험시료에 대해 2 분 동안 진행하였으며, 가열시간 중에 착염되는 시료에 대해서는 착염 후 2 s 후에 버너를 제거하였다. 방염성능평가는 성능기준⁽¹⁷⁾에 의거하여 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리며, 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간을 의미하는 잔염시간(after glow time)은 10초 이내, 버너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리지 아니하고 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간(잔염이 생기는 동안의 시간은 제외)을 의미하는 잔신시간(after flame time)은 30초 이내, 또한 불꽃에 의해 탄화된 탄화면적과 탄화길이는 각각 50 cm 2 , 20 cm 이내의 성능기준에 부합하는지 측정하였다.
실험방법은 방염성능 시험기준에 의거하여 45o 연소시험기 내의 시험체 받침틀에 실험시료를 고정시킨 후 버너의 불꽃길이가 65 mm가 되도록 한 후, 불꽃 끝이 시편 중앙하단에 접하도록 하였다.
따라서 본 논문에서는 건축물의 내장재로 가장 많이 사용되고 있는 MDF 목재를 실험시료로 하여 내장재의 가연성으로 인한 화재확산 및 연소 시 유독가스 발생으로 인한 인명피해를 사전에 예방하기 위해 저(무)독성 비할로겐 화합물계열 방염제를 개발하고자 하고자 한다. 이로 인해 유-무기 하이브리드 소재로 실리카 졸에 방염성을 부여할 수 있는 방염소재를 적용하여 졸-겔법(sol-gel method)에 의한 방염 접착제 또는 코팅제를 제조하여 성능을 확인하였다.
에폭시기(Epoxy FG)를 갖는 실란커플링제(SCA)는 콜로이드실리카(CS)와 반응을 하면서 코팅액의 작업성을 확인할 수 있었다. 첫 번째로 외관을 육안을 통해 확인하여 평가할 수 있었다. 코팅졸의 색이나 입자사이즈 등은 코팅작업능력을 평가하는 중요한 평가지표가 되었다.

대상 데이터

Scheme 1은 실험에 사용한 실란커플링제(SCA) 로써 에폭시기(Epoxy FG)를 가지는 KBM-403을 사용하였고, Table 1은 실란커풀링제(SCA)의 일반적인 속성을 나타낸 것으로 UN hazardous classification에 해당되지 않는 친환경적인 커플링제이다(16).
또한, 콜로이드실리카(CS) 와 실란커플링제(SCA)의 합성공정에서 반응용매의 역할 및 순서는 추후 실란커플링제(SCA)의 합성여부를 결정하는 만큼 중요하다. 본 실험에서는 실란커플링제(SCA)의 관능기와 경화방법을 고려하여 반응용매를 선택하였으며, 물, 메탄올, 에탄올, IPA (isopropyl alcohol) 등을 사용하 였다^(10,15). Scheme 1은 실험에 사용한 실란커플링제(SCA) 로써 에폭시기(Epoxy FG)를 가지는 KBM-403을 사용하였고, Table 1은 실란커풀링제(SCA)의 일반적인 속성을 나타낸 것으로 UN hazardous classification에 해당되지 않는 친환경적인 커플링제이다⁽¹⁶⁾.
본 실험은 내열성이 우수한 비할로겐 방염제를 제조하기 위하여, 표면에 OH기가 존재하는 다양한 실란화합물과 반응할 수 있고 공업용으로 판매중인 실리카현탁액(silica suspension; SS)을 사용하였다. 또한, 코팅용액의 관능기 (functional group; FG)가 다양한 소재와의 강력한 접착력과 바인더로서의 내열성을 나타내기 위한 실험은 진행하면서 코팅용액 합성 시에 나타나는 변화와 도포 후 도포면의 상태 변화가 실란커플링제(SCA)의 관능기에 따라서 다르다는 것을 볼 수 있었다.
비할로겐 화합물계열 방염제졸 제조를 위한 현탁액은 상업용으로 제조된 실리카현탁액(SS-sol 30A, GRACE®)을 사용하였다.
실내건축물의 재료 및 내장재로 많이 사용되는 MDF 목재를 방염성능기준(17)을 바탕으로 가로 290 mm × 세로 190 mm × 두께 5 mm의 시험체로 각각 5개씩 제작하여 실험에 사용하였다.
이때, 각 단계에서 앤드 포인트(end point)를 잡는 것은 노하우에 해당된다. 제작된 비할로겐 방염제졸을 이용하여 MDF에 방염처리를 진행하여 본 연구의 시료로 사용하였다.

성능/효과

연소시험기를 이용한 방염성능 실험결과를 나타낸 것이다. A MDF 목재시료에 대한 방염성능의 경우 버너의 불꽃을 제거한 후 시료에 존재하는 잔염이 300초 간 지속되다 잔염이 사라졌고, 이 후 잔신시간은 210초 동안 지속되는 것으로 나타났으며, 탄화면적은 95 cm², 탄화길이는 24.8 cm로 측정되었다. B MDF 목재시료의 경우 잔염시간 35초, 잔신시간 120초, 탄화면적 68 cm², 탄화길이 18.
가수분해 및 축합반응 후 SiOCH3 peak가 1169.76 cm−1, 1100 cm−1에서 사라졌으며, SiOH peak가 3340 cm−1, 1080 cm−1에서 생성되었고, Si-O-Si peak가 1077 cm−1, 945 cm−1에서 생성되는 것을 관찰할 수 있었다.
단, 필름 코팅 후의 코팅면에 시드(seed)가 나타나거나 백화현상이 나타나는 현상에서 약간의 차이가 있었고, 비교적 깨끗한 도포 작업이 되었을 때에도 경화방법이나 가교 유 · 무에 따라 도막물성이 다름을 알 수 있었다.
코팅졸의 색이나 입자사이즈 등은 코팅작업능력을 평가하는 중요한 평가지표가 되었다. 동일한산 영역에 있는 에폭시기(Epoxy FG)를 갖는 실란커플링제(SCA)인 KBM-403을 이용하여 반응을 진행하였을 때에도 비교적 안정적인 반응을 지속할 수 있었다. 단, 필름 코팅 후의 코팅면에 시드(seed)가 나타나거나 백화현상이 나타나는 현상에서 약간의 차이가 있었고, 비교적 깨끗한 도포 작업이 되었을 때에도 경화방법이나 가교 유 · 무에 따라 도막물성이 다름을 알 수 있었다.
둘째, 일반도료에 유-무기 하이브리드 방염제졸 A를 첨가한 C MDF 목재시료의 경우 전반적인면에서 성능이 우수해지는 것으로 나타났지만, 잔염시간이 방염성능기준에 미달되는 것으로 나타났다. 하지만 일반도료에 유-무기 하이브리드 방염제졸 B를 첨가한 D MDF 목재시료의 경우 잔염시간, 잔신시간, 탄화면적, 탄화길이가 방염성능기 준의 전 항목에 부합하는 것으로 나타났으며, 그 중 불꽃제거와 동시에 잔염이 전혀 나타나지 않으면서 방염성능이 매우 우수해지는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험은 내열성이 우수한 비할로겐 방염제를 제조하기 위하여, 표면에 OH기가 존재하는 다양한 실란화합물과 반응할 수 있고 공업용으로 판매중인 실리카현탁액(silica suspension; SS)을 사용하였다. 또한, 코팅용액의 관능기 (functional group; FG)가 다양한 소재와의 강력한 접착력과 바인더로서의 내열성을 나타내기 위한 실험은 진행하면서 코팅용액 합성 시에 나타나는 변화와 도포 후 도포면의 상태 변화가 실란커플링제(SCA)의 관능기에 따라서 다르다는 것을 볼 수 있었다.
실험결과 일반적으로 실내 내장재로 사용되는 A MDF 목재시료와 여기에 일반도료(아크릴계)를 도포한 B MDF 목재시료의 경우 두시료다 방염성능을 갖추고 있지 않은 것을 알 수 있었다. 반면, 일반도료에 비할로겐 유-무기 하이브리드 방염제졸 A를 첨가한 C MDF 목재시료의 경우 잔염시간 20초, 잔신시간 25초, 탄화면적 44 cm², 탄화길이 11.8 cm로 측정되면서, A MDF 및 B MDF 목재시료보다 전반적인 면에서 성능이 우수해지는 것으로 나타났지만, 잔염시간이 방염성능기준보다 10초 이상 초과되면서 미달되는 것으로 나타났다. 하지만, 일반도료에 비할로겐 유-무기 하이브리드 방염제졸 B를 첨가한 D MDF 목재시료의 경우 잔염시간 0초, 잔신시간 10초, 탄화면적 28 cm², 탄화길이 7.
셋째, C MDF와 D MDF 목재시료의 비교를 통해 실란 커플링제(SCA)의 량이 많으면 방염성능이 더욱 우수해 지는 것을 알 수 있었다.
7 cm로 측정되었다. 실험결과 일반적으로 실내 내장재로 사용되는 A MDF 목재시료와 여기에 일반도료(아크릴계)를 도포한 B MDF 목재시료의 경우 두시료다 방염성능을 갖추고 있지 않은 것을 알 수 있었다. 반면, 일반도료에 비할로겐 유-무기 하이브리드 방염제졸 A를 첨가한 C MDF 목재시료의 경우 잔염시간 20초, 잔신시간 25초, 탄화면적 44 cm², 탄화길이 11.
이상과 같은 결과 유-무기 하이브리드 방염제를 사용할 경우 기존의 방염소재(일반도료)는 물론 비방염소재의 방염화를 저(무)독성의 비할로겐 방법으로 적용 가능하여 친환경적이며, 기존 일반도료의 내열성 및 내구성을 강화시켜 방염성능이 우수해 질 것으로 생각된다. 따라서 향후 다양한 건축자재에서도 비할로겐 방염화를 확대할 수 있도록 기초자료로 활용되고자 한다.
첫째, 방염성능기준에 의거하여 45° 연소시험기를 이용한 방염성능실험결과 일반적으로 실내 내장재로 사용되는 A MDF 목재시료와 여기에 일반도료(아크릴계)를 도포한 B MDF 목재시료의 경우 두 시료 다 방염성능을 갖추고 있지 않은 것을 알 수 있었다.
둘째, 일반도료에 유-무기 하이브리드 방염제졸 A를 첨가한 C MDF 목재시료의 경우 전반적인면에서 성능이 우수해지는 것으로 나타났지만, 잔염시간이 방염성능기준에 미달되는 것으로 나타났다. 하지만 일반도료에 유-무기 하이브리드 방염제졸 B를 첨가한 D MDF 목재시료의 경우 잔염시간, 잔신시간, 탄화면적, 탄화길이가 방염성능기 준의 전 항목에 부합하는 것으로 나타났으며, 그 중 불꽃제거와 동시에 잔염이 전혀 나타나지 않으면서 방염성능이 매우 우수해지는 것을 확인할 수 있었다.
8 cm로 측정되면서, A MDF 및 B MDF 목재시료보다 전반적인 면에서 성능이 우수해지는 것으로 나타났지만, 잔염시간이 방염성능기준보다 10초 이상 초과되면서 미달되는 것으로 나타났다. 하지만, 일반도료에 비할로겐 유-무기 하이브리드 방염제졸 B를 첨가한 D MDF 목재시료의 경우 잔염시간 0초, 잔신시간 10초, 탄화면적 28 cm², 탄화길이 7.4 cm 로 측정되어, 방염성능기준 전 항목에 부합하는 것으로 나타났으며, 특히, C MDF 목재시료에서 미달되었던 잔염시 간이 불꽃제거와 동시에 잔염이 전혀 나타나지 않으면서 성능이 매우 우수해지는 것을 확인할 수 있었다. Figure 5 는 방염성능 결과의 사진을 나타낸 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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