[논문]알킬렌디아미노알킬-비스-포스폰산과 비스-디메틸아미노메틸 포스핀산으로 처리된 중질섬유판의 연소가스 발생

박명호; 정영진

doi:10.14478/ace.2016.1121

[국내논문] 알킬렌디아미노알킬-비스-포스폰산과 비스-디메틸아미노메틸 포스핀산으로 처리된 중질섬유판의 연소가스 발생
Combustion Gas-emission of Medium Density Fibreboard (MDF) Treated with Alkylenediaminialkyl-bis-phosphonic Acids and Bis-(dimethylaminomethyl) Phosphinic Acid 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.1, 2017년, pp.112 - 117

초록
AI-Helper

이 연구에서는 피페라지노메틸-비스-포스폰산(PIPEABP), 메틸피페라지노메틸-비스-포스폰산(MPIPEABP), N,N-디메틸렌디아미노메틸-비스-포스폰산(MDEDAP) 그리고 비스-디메틸아미노메틸 포스핀산(DMDAP)의 화학 첨가제로 처리된 중질섬유판(MDF)의 연소가스 발생을 시험하였다. 15 wt%의 인-질소산류 첨가제 수용액으로 중질섬유판에 붓으로 3회 칠하여 실온에서 건조시킨 후, 콘칼로리미터(Conecalorimeter, ISO 5660-1, 2)를 이용하여 연소가스의 발생을 시험하였다. 그 결과, 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편의 최대연기발생률($SPR_{peak}$)은 무처리 시험편에 비교하여 18.5~41.5%로 낮게 나타내었다. 그러나 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편에 대한 최대일산화탄소 생성($CO_{peak}$), (6.7~24.2)%은 공시험편보다 높게 나타났다. 또한 최대이산화탄소 발생($CO_{2peak}$), (4.2~24.4)%은 공시험편보다 낮게 나타났다. 반면에 $O_2$의 최대결핍률은 사람에게 치명적일 수 있는 수준인 15%보다 훨씬 높으므로 그로 인한 위험성은 피할 수 있었다. 결론적으로 MDF에 인-질소산류로 처리한 시험편은 부분적으로 연소성이 억제되었다. 그러나 일산화탄소의 감소에는 부정적인 영향을 미쳤다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study demonstrated the emission of combustion gases of medium density fibreboard (MDF)s coated with piperazinomethyl-bis-phosphonic acid (PIPEABP), methylpiperazinomethyl-bis-phosphonic acid (MPIPEABP), N,N-dimethylethylenediaminomethyl-bis-phosphonic acid (MDEDAP), or bis-(dimethylaminomethyl) phosphinic acid (DMDAP). Each MDFs were coated in three times with a brush with 15 wt% aqueous solution of the phosphorus-nitrogen acid additives. After the specimens were dried at room temperature, the emission of combustion gases was tested using a cone calorimeter (ISO 5660-1, 2). The peak smoke production rate ($SPR_{peak}$) of the specimens coated with phosphorus-nitrogen acids was 18.5 to 41.5%, which is lower than that of using the virgin plate. However, the production of peak carbon monoxide ($CO_{peak}$) was 6.7 to 24.2% higher than that of using the virgin plate. Also, the peak carbon dioxide ($CO_{2peak}$) was 4.2 to 24.4% lower than that of using virgin plate. While the peak oxygen depletion rate was much higher than the level of 15%, which can be fatal to humans and the resulting risk could thus be eliminated. Overall, the combustibility of coated specimens was partially suppressed, but showed a negative effect on the reduction of carbon monoxide.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

현재 MDF의 사용에 따른 난연성이 중요시되고 있으므로 친환경적인 첨가형 난연제의 사용에 따른 다양한 연구가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 MDF의 효과적인 활용에 대한 화재 위험성을 개선하기 위하여 기 보고된 Scheme 1[8], 2[9]의 piperazinomethyl-bis-phosphonic acid (PIPEABP) 1, methylpiperazinomethyl-bis-phosphonic acid (MPIPEABP) 2, N,N-dimethylethylenediaminomethyl-bis-phosphonic acid (MDEDAP) 3, bis-(dimethylaminomethyl) phosphinic acid (DMDAP) 4의 인-질소산 첨가제를 택하였다. 인화합물은 연소 시 열분해되어 H₃PO₄를 생성 하여 탈수탄화 작용에 의하여 고체 숯을 생성한다.

제안 방법

따라서 인-질소(P-N)산류의 조합으로된 화합물(Scheme 1)을 택하여 첨가하는 방법을 택하였고, cone calorimeter (ISO 5660-1, 2)를 이용하여 연소가스 발생 관련 값을 측정 비교하여 난연제 설계에 대한 기초적인 정보를 제시하고자 하였다.
15 wt% 알킬렌디아미노알킬-비스-포스폰산과 비스-디메틸아미노 메틸 포스핀산 수용액으로 시험편의 한 면에 붓으로 칠하고 난 뒤에 24 h 동안 상온에서 자연 건조시킨 후, 다시 같은 방법으로 2회 더 칠하였다. 이를 오븐에서 55 ℃, 23 h 동안 건조시켜 측정 시험편으로 하였다.
인-질소산류 첨가제의 농도는 모든 시험편에 대하여 15 wt% 로 일정하게 조절하였다. 공시험편은 같은 목재를 증류수로 붓칠한 후 위와 같은 방법으로 건조시켜서 비교 데이터로 이용하였다.
시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다. 시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
본 연구에서 선정된 시험편은 콘칼로리미터에 수평으로 설치하고 외부 점화장치를 부착한 상태로 25 kW/m² 외부 열 유속에 수십 분 동안 노출시켜 착화된 시료로부터 연소가스 관련 지수를 구하였다.
건조된 MDF의 함수율은 10.6 wt%이었으며, 알킬렌디아미노알킬-비스-포스폰산 처리 후의 함수율은 별도로 측정하지 않고 MDF를 건조 시킨 후 3회 붓으로 칠한 것을 사용하였다. MDF에 Table 1에 나타낸 바와 같이 PIPEABP 1, MPIPEABP 2, MDEDAP 3, DMDAP 4를 처리한 시험편의 무게는 각각 50.
PIPEABP, MPIPEABP, MDEDAP, DMDAP의 인-질소산류 첨가제로 처리한 MDF의 연소가스 발생에 관한 실험을 ISO 5660-1, 2 표준에 의한 콘칼로리미터를 이용하여 시험하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시험편 중질섬유판(ultra super board, USB)은 밀도 550 kg/m³ 로서 일반 건자재용을 구입하여 사용하였다. 인-질소산류 첨가제로서 alkylenediaminoalkyl-bis-phosphonic acids[8]와 DMDAP[9] 는 기 합성된 것을 사용하였다.
로서 일반 건자재용을 구입하여 사용하였다. 인-질소산류 첨가제로서 alkylenediaminoalkyl-bis-phosphonic acids[8]와 DMDAP[9] 는 기 합성된 것을 사용하였다. 그리고 앞의 연구에서 인-질소산 유도체를 사용하여 시험한 연소성질 일부[13]를 인용하였다.
사용한 시험편의 두께는 18.3 mm으로서 크기는 100 mm × 100 mm 의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대습도 50 ± 5%에서 항량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다.
시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하고, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위해 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다.
가연성 물질들은 화재 시 불이 꺼질 때까지 다양한 연소유독가스들을 발생시킨다. 본 연구에서는 발생되는 다양한 유독가스들 중에서 CO, CO₂, O₂ 중심으로 검토하였다.

이론/모형

연소특성 시험은 ISO 5660-1의 방법에 의해 dual cone calorimeter (Fire Testing Technology)를 이용하여 열 유속(heat flux) 25 kW/m² 조건에서 수행하였다[14,15]. 사용한 시험편의 두께는 18.

성능/효과

이것은 연소 시 감연작용을 하는 것으로 이해된다[20,21]. 또한 최대연기발생속도에 도달하는 시간은 460~500 s로서 무처리 시험편의 395 s보다 16.5~26.6% 지연되었다. 이것은 연소 중 최대산소소모속도에 이르는 시간이 지연되는 것과 유사한 경향을 나타낸다.
이것은 연소 중 최대산소소모속도에 이르는 시간이 지연되는 것과 유사한 경향을 나타낸다. 또한 무처리 시험편과 비교하면 인-질소산류 처리에 의한 연기 억제성이 향상되는 것으로 판단된다.
시험편의 최대산소결핍농도는 Table 2 및 Figure 5에 나타내었다. 여기에서 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편의 최대산소결핍률은 20.429~20.556%으로 비교적 높은 수치를 나타내었다. 이것은 무처리한 시험편과 비교하여 특별한 차별성이 없는 것으로서, O₂의 농도는 사람에게 치명적일 수 있는 수준인 15%[5]보다는 훨씬 높게 측정되었으므로 그로 인한 위험성은 피할 수 있었다.
이것은 무처리한 시험편과 비교하여 특별한 차별성이 없는 것으로서, O₂의 농도는 사람에게 치명적일 수 있는 수준인 15%[5]보다는 훨씬 높게 측정되었으므로 그로 인한 위험성은 피할 수 있었다. 결론적으로 MDF에 인-질소산류로 처리된 시험편은 부분적으로 연소성이 억제되었다. 그러나 일산화탄소 감소에는 부정적인 영향을 미쳤다.
1) MDF에 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편의 최대산소소모율 도달 시간은 455~490 s로서 무처리 시험편의 390 s보다 16.7~25.6% 증가했다. 이것은 연소가 불리한 조건일 때는 산소소모 시간이 지연 되는 것으로 판단된다.
2) 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편의 최대연기발생속도는 0.0065~0.075 m²/s로서 무처리한 시험편의 최대연기발생속도에 비하여 18.5~41.5% 낮았다. 이것은 연소 시 감연작용을 하는 것으로 이해된다.
3) MDF에 첨가제를 처리한 시험편에서 CO_peak수율은 0.0176~ 0.0205% (at 792~910 s)으로서 무처리 시험편의 CO_peak수율(0.0165% at 566 s)에 비교하여 6.7~24.2% 높게 측정되었다.
4) 인-질소산류 첨가제를 처리한 시험편에 대하여 CO_2peak수율은 0.3778~0.4789% (at 460~488 s)으로서 무처리 시험편의 CO_2peak수율 (0.4998% at 384 s)에 비교하여 4.2~24.4% 낮게 나타났다.
5) O₂의 최대결핍률은 인-질소산류 첨가제로 처리한 시험편에 대하여 20.4335~20.5009% (at 405~515 s)으로서 사람에게 치명적일 수 있는 수준인 15%보다 훨씬 높기 때문에 그로 인한 위험성은 피할 수 있었다.
따라서 MDF에 인-질소산류로 처리된 시험편은 부분적으로 연소성이 억제되었다. 그러나 일산화탄소 감소에는 부정적인 영향을 미쳤다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소 농도가 7% 미만일 때, 농도에 따른 영향은 어떠한가?	이산화탄소(CO2)는 CO처럼 화재 시 발생하며, King의 연구[4]에 따르면, 약 3~6%의 CO2는 호흡장애의 정도가 점점 증가하고, 약 5~6%의 CO2는 호흡장애의 정도가 심각해지면서 두통과 구토를 수반 하며 호흡실패 및 증상불편감 증세가 나타나고, 또 6% 정도의 CO2에서 사람들은 20 min 이상 견디기 힘들게 된다. 대략 7~10%의 CO2는 현기증, 졸림, 의식상실의 심각한 호흡상태에서 복합적으로 나타난다.
	중질섬유판의 문제점은 무엇인가?	다양한 목질재료 중 중질섬유판(medium density fibreboard, MDF) 은 가볍고 작업성이 수월하다. 그러나 이들은 화재에 취약하며, 화재에 의한 희생자 중에서 약 75~80%는 직접적인 화염노출에 의한 것이 아니라 연기, 유독가스 등의 흡입과, 또는 산소 결핍에 의한 것이다[1]. 화재 시 발생하는 유독가스에 대한 연구는 관련대상 물질에 따라 매우 다양하게 이루어져 왔으며, 특히 일산화탄소는 서서히 퍼지는 유독한 가스로서 인체 내의 헤모글로빈과의 강한 결합으로 적은 양으로도 매우 치명적인 것으로 보고하였다[1].
	일산화탄소의 인채내 영향은 무엇인가?	일산화탄소(CO)는 화재발생 시에는 항상 존재하며 사람에게 노출 시 정신상태의 혼란을 일으키고 의식을 잃게 하는 치명적인 가스로 알려져 있다. Ernst와 Zibrak[2]는 CO가 carboxyhemoglobin (COHb)을 형성함으로써 hypoxia (저산소증)를 일으키고 oxyhemoglobin의 해리를 일으킨다고 보고하였다.

참고문헌 (26)

R. H. White and M. A. Dietenberger, Fire safety of wood construction. In: R. J. Ross (ed.), Wood Handbook: Wood as an Engineering Material, Ch. 18, USDA (2010).
A. Ernst and J. D. Zibrak, Carbon monoxide poisoning, N. Engl. J. Med., 339, 1603-1608 (1998).

상세보기
R. Von Berg, Toxicology update, J. Appl. Toxicol., 19, 379-386 (1999).

상세보기
B. G. King, High Concentration-short time exposures and toxicity, J. Ind. Hyg. Toxicol., 31, 365-375 (1949).
U. C. Luft, Aviation Physiology: The Effects of Altitude in Handbook of Physiology, 1099-1145, American Physiology Society, Washington DC, USA (1965).
V. Babrauskas, Development of the cone calorimeter - a bench-scale heat release rate apparatus based on oxygen consumption. In: S. J. Grayson and D. A. Smith (eds.) New Technology to Reduce Fire Losses and Costs, pp. 78-87, Elsevier Appied Science Publisher, London, UK (1986).
M. M. Hirschler, Fire performance of organic polymers, thermal decomposition, and chemical composition, ACS Symp. Ser., 797, 293-306 (2001).
Y. Chung and E. Jin, Synthesis of alkylenediaminoalkyl-bis-phosphonic acid derivatives, J. Korean Oil Chem. Soc., 30, 1-8 (2013).

원문보기 상세보기
Y. Chung and E. Jin, Synthesis of dialkylaminoalkyl phosphonic acid and bis-(dialkylaminoalkyl)-phosphinic acid derivatives, Appl. Chem. Eng., 23, 383-387 (2012).
O. Grexa, E. Horvathova, O. Besinova, and P. Lehocky, Falme retardant treated plyood, Polym. Degrad. Stab., 64, 529-533 (1999).

상세보기
S. Liodakis, D. Vorisis, and I. P. Agiovlasitis, Testing the retardancy effect of various inorganic chemicals on smoldering combustion of Pinus halepensisneedles, Thermochim. Acta, 444, 157-165 (2006).

상세보기
F. Samyn, S. Bourbigot, S. Duquesne, and R. Delobel, Effect of zinc borate on the thermal degradation of ammonium polyphosphate, Thermochim. Acta, 456, 134-144 (2007).

상세보기
M. Park and Y. Chung, Combustive properties of Pinus Rigida plates painted with alkylenediaminoalkyl-bis-phosphonic acid ( $M^{2+}$ ), Fire Sci. Eng., 27, 28-34 (2014).
ISO 5660-1, Reaction to fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate. Part 1: Heat release rate (cone calorimeter method), Geneva (2002).
ISO 5660-2, Reaction to fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate. Part 2: Smoke production rate (dynamic measurement), Geneva (2002).
R. Bergman, Drying and control of moisture content and dimensional changes, In: R. J. Ross (ed.), Wood Handbook-Wood as an Engineering Material, Ch. 13, USDA (2010).
V. Babrauskas, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 4th Ed., National Fire Protection Association, Massatusetts, U.S.A. (2008).
M. J. Spearpoint and G. J. Quintiere, Predicting the burning of wood using an integral model, Combust. Flame, 123, 308-325 (2000).

상세보기
S. Ishihara, Smoke and toxic gases produced during fire, Wood Res. Tech. Notes, 16, 49-62 (1981).
M. M. Hirscher, Reduction of smoke formation from and flammability of thermoplastic polymers by metal oxides, Polymer, 25, 405-411 (1984).

상세보기
J. Zhang, D. D. Jiang, and C. A. Wilkie, Thermal and flame properties of polyethylene and polypropylene nanocomposites based on an oligomerically-modified clay, Polym. Degrad. Stab., 91, 298-304 (2006).

상세보기
G. Kimmerle, Aspects and methodology for the evaluation of toxicological parameters during fire exposure, J. Combust. Toxicol., 1, 4-51 (1974).
A. P. Mourituz, Z. Mathys, and A. G. Gibson, Heat release of polymer composites in fire, Compos. A, 38, 1040-1054 (2005).
OHSA, Carbon Monoxide Fact Sheet, U.S. Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration (2002).
OHSA, Carbon Dioxide, Toxicological Review of Selected Chemicals. OSHA's Comments from January 19, 1989. Final Rule on Air Contaminants Project (2005).
MSHA, Carbon Monoxide, MSHA's Occupational Illness and Injury Prevention Program Health Topic, U.S. Department of Labor (2015).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format