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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 18(1); 2018 > Article
건축용 목재 및 목질재료의 난연 성능 향상 연구

Abstract

In this study, the improvement of fire retardant performance for wood and glue-laminated woods (GLWs) by treating fire retardant chemical composites (FRCs) were analyzed by cone calorimeter test method. In the case of FRCs treated wood, the maximum heat release rate and the total heat release amount were reduced by 90% as compared to untreated wood, and no ignition occurred. GLWs treated with FRCs exhibited a maximum heat release rate reduction of more than 50% and a total heat release reduction of about 60% compared to untreated GLWs. Also, the smoke production rate of specimens tended to increase with FRCs, but that was lower than other wood-based materials. The purpose of this study is to develop and commercialize fire retardants for wood and wood-based materials, and their treatment methods to enhance utilization of domestic wood and ensure fire safety.

요지

본 연구에서는 국내 유용 수종 중 소나무 원목과 집성재의 연소특성 및 난연성 화학종(Fire retardant chemical composites; FRCs) 처리에 따른 난연 성능 향상에 대해 콘 칼로리미터 시험을 통해 분석을 진행하였다. FRCs 처리 원목 시험편의 경우 무처리에 최대 열방출률 및 총 방출열량이 90% 정도 감소되며, 착화가 발생하지 않았다. 집성재는 FRCs를 처리한 결과 50% 이상의 최대 열방출률 감소, 약 60% 정도의 총 방출열량 감소 효과를 나타내었다. 또한 연기방출률은 FRCs 처리 시 집성재 시험편이 증가하는 경향을 보였으나, 다른 목질재료에 비해 낮은 값으로 확인되었다. 본 연구는 목재 및 목질재료용 난연제와 그 처리 방법을 개발 및 상용화하여 국산 목재의 활용도를 높이고 화재 안전성을 확보하는 데 그 목적이 있다.

1. 서론

국내 산림은 전 국토의 60% 이상을 차지하고 있으며, 1960년대 이후 산림 정책으로 인해 성장이 빠르고 병충해에 강한 침엽수종이 주를 이루고 있다. 이렇게 자연으로부터 직접 채취가 가능한 목재는 천연 자원으로써 탄소고정 효과를 가지고 있으며, 재생 가능한 특성이 있어 국내 및 국외에서 친환경적인 재료로 분류되고 있다. 이러한 목재는 원 재료의 특성 상 우수한 기계적 강도, 다양한 형태로의 가공 용이성, 심미적인 무늬 등의 이유로 현재까지 건축 내⋅외장재로 국내 및 국외에서 지속적으로 사용되어 왔다. 또한, 최근 국내에서 건축 내장재의 친환경성이 이슈화됨에 따라 해당 재료의 수요가 증가하는 추세이다(Eom, 2007; Lim et al., 2008; Choi et al., 2011; Seo et al., 2015; Seo et al., 2017a).
최근 산림청에서 공표한 “목재산업진흥 종합계획”에 의하면 국산 목재의 우선 구매 제도를 확대하고, 공공건물의 신축, 증축 및 개축 시 일정 규모 이상에 목재를 우선적으로 활용하도록 장려하고 있다(Seo et al., 2013; Seo et al., 2016a). 그러나 목재를 건축물에 그대로 적용할 경우, 해당 재료가 가지고 있는 가연성으로 인한 화재 위험성이 문제시 될 수 있다(Lowden and Hull, 2013; Seo et al., 2017b). 선행 연구에 따르면 목재는 통상 250 °C의 온도 대에서 연소가 시작되며, 400 °C 이후에 표면에서의 착화가 진행된다. 또한 대부분 가공 전에 건조된 상태로 보관되고 있으며, 이 때 복사열 및 대류 열에 의해 가열되면 빠른 속도로 화염이 확산되므로, 해당 재료에 대한 적절한 방염 및 난연 처리를 통한 화재 안전성 확보가 필요한 실정이다(Delichatsios et al., 2003; Baysal et al., 2007).
목재는 원목 그대로를 판상형태로 제작해서 사용하거나, 파티클보드, MDF, 합판, OSB, 집성재 등 다양한 종류로 제작되어 건축물 내⋅외장재로 적용된다. 이러한 목재 및 목질 재료의 난연 성능을 향상하기 위한 연구는 국내 및 국외에서 지속적으로 진행되고 있으며, 난연 처리 방법으로는 크게 도포, 침지 및 함침법이 사용되고 있다(Hirata et al., 1991; Kemmlein et al., 2003; Seo et al., 2015). 본 연구에서는 건축물에 적용되는 목재 및 목질 재료 중 국내 소나무를 공시 수종으로 선정하였고, 해당 수종으로 제작한 목질재료는 집성목을 선정하였다. 집성재는 소나무, 레드우드, 가문비나무 등을 주 원재료로 하고 있으며 단일 수종으로 구성되고 열압 공정이 아닌 상온에서의 압력으로 제작되는 목질재료이기 때문에 목재가 가지고 있는 고유의 특성이 손상되지 않을 수 있는 재료이다(Ozkaya et al., 2007; Kim et al., 2009; Yang et al., 2009). 또한 최근 국내 사용량 및 제작 량이 점차 늘어가는 추세(Kim et al., 2009)이므로 상용화 가능성을 고려하여 해당 재료를 선정하였다.
국제적으로 화재 안전에 대한 규정이 점차 엄격해져 가고 있으며, 난연제로 적용되는 화학종은 그 화학적 특성으로 인해 인체에 유해한지 여부가 규명되기 위하여 명확하게 파악되어야 한다. 특히 유럽의 경우, 연소 시 유해가스 방출 문제로 인하여 할로겐계 난연제의 사용이 제한되고 있으며, 최근 비할로겐계 난연성 화학종을 활용한 난연제 개발에 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중 목재 및 목질 재료의 난연 성능을 향상하기 위한 난연성 화학종으로는 인계(phosphorus), 브롬계(bromide), 붕소계(boron), 질소계(nitrogen), 그리고 암모늄계(ammonium) 등이 있다. 해당 화학종들의 경우, 난연성 및 목재 보존성을 동시에 지니고 있어, 그 사용량이 꾸준히 증가되는 약제들이며 특히 붕소계 화학종의 경우에는 1900년대부터 지금까지도 지속적으로 사용되고 있다(Baysal et al., 2007; Branca and Blasi, 2011; Lowden and Hull, 2013; Seo et al., 2017a). 따라서 본 연구에서는 붕소, 인, 질소 및 암모늄계 화합물을 기반으로 한 난연성 화학종을 제조하여 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 건축물에서 내⋅외장재로 사용되는 목재 중 소나무 수종의 고유의 연소특성 및 난연성 화학종 처리에 따른 난연 성능의 향상 정도와, 집성재로 제조된 목질 재료의 연소특성 및 난연 성능 향상에 대해 실험 및 분석을 진행하였다. 해당 성능을 확인하기 위하여 국내 및 국외에서 재료의 연소특성 시험으로 공증되어 있는 콘 칼로리미터 시험법(KS F ISO 5660-1)을 수행하였다. 본 연구에서는 연구 결과를 바탕으로 하여 국산 수종의 사용을 장려하고, 건축물에 적용되는 목재 및 목질재료의 난연 성능을 향상하여 화재 안전성을 확보하는데 그 목적이 있다.

2. 실험 재료 및 실험 방법

2.1 공시재료

2.1.1 공시목재

본 연구에서 연소특성 분석을 위해 사용된 목재는 침엽수재 중 소나무(Pinus densiflora)로써 해당 수종은 강원도 평창에서 수급되었다. 또한 집성재의 경우, 국내 C사에서 소나무 수종으로 제작된 것으로 함수율이 15% 미만의 것을 사용하였다. 두 종류의 공시재료 모두 KS F ISO 5660-1의 규정에 의거하여 가로, 세로가 각각 100 mm의 크기로 절단하여 제작하였고, 집성재의 두께를 고려하여 원목 공시재료 또한 두께를 180 mm의 크기로 제작하였다. Fig. 1에 시험편의 사진을 나타내었다.
Fig. 1
Test Specimens
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2.1.2 난연성 화학종

난연 처리에 따른 연소 특성의 변화를 확인하기 위하여 본 연구에서는 붕산, 붕사, 제2인산암모늄, 탄산암모늄, 그리고 인산을 혼합하여 난연성 화학종(Fire retardant chemical composites; FRCs)을 제조하였다. 해당 화학종들은 수용성 약제이며, 목재 및 목질재료 내부에 가압 함침이 용이하도록 용매를 물로 하여 수용액 상태로 제조하였다. 초기 FRCs를 제조할 때에는 인산이 아닌 물유리(Water-glass)를 1 wt.% 첨가하여 내부 고정효과를 높이려 하였으나, 암모늄계열 약제와의 화학반응으로 인하여 수용액 제조 중 고체가 형성되어, 점성을 가진 대체 약제로써 수용액 형태의 인산을 적용하였다. 난연성 화학종들은 교반기를 통해 1,000 rpm의 속도로 혼합 제조되었으며, Table 1에 그 비율을 나타내었다.
Table 1
Composition and Chemical Formula of Fire Retardant Chemical Composites
Distribution Formula Composition rate (wt.%) Dissolution Characteristics
Boric acid H3BO3 3 Water-soluble
di-Sodium tetraborate decahydrate Na2B4O7 3 Water-soluble
di-Ammonium phosphate (NH4)H2PO4 20 Water-soluble
Ammonium carbonate (NH4)2CO3 8 Water-soluble
Phosphoric acid H3PO4 20 Water-soluble
Water H2O Used as a solvent

2.2 실험 방법

2.2.1 난연 처리 방법

본 연구에서는 공시목재의 난연 처리를 위하여 ASTM D 1413-76(1976)에서 규정하고 있는 가압 함침 방법을 적용하였다. 해당 방법은 현재 산림청 고시 제2004-62호에 목재의 방부⋅방충처리기준으로 준용되어 있는 방법으로써, 감암 또는 가압을 통해 목재 내부에 수용액 형태의 약제를 침투시키는 처리 방법이다. 해당 규정에 규격화 된 처리 방법은 일정 크기의 챔버 내에 시험편을 설치하고, 전배기에서 10~15분 동안 내부의 압력을 진공상태로 제거한 뒤, 챔버 내부로 약액을 주입하고 30~60분 동안 약 13 bar의 압력을 가하여 약액이 시험편 내부로 함침 및 고정이 되도록 한 뒤, 후배기에서 약액을 제거한 뒤 시험편의 표면과 내부에서 고정이 잘 되지 않은 약액들이 함침될 수 있도록 진공상태를 10~15분 동안 유지하는 것이다. 본 실험에서는 전배기 10분, 가압 시간 60분, 그리고 후배기 10분으로 실험 조건을 설정하여 난연 처리를 진행하였다. Fig. 2에 난연 처리 과정에 대해 나타내었다.
Fig. 2
Fire Retardant Treatment Process of the Specimens
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2.2.2 콘 칼로리미터 시험

연소특성 및 난연 성능 향상에 대한 분석을 위해 KS F ISO 5660-1에 의거하여 콘 히터의 열 유속(Heat flux) 50 kW/m2, 배출 유량 0.024±0.002 m3/s의 조건에서 콘 칼로리미터 시험을 수행하였다. 콘 칼로리미터 시험은 산소 1 kg이 연소로 인해 소비될 때, 약 13.1 ×103 kJ의 열이 방출된다는 원리에 의해서 시험편을 0에서 100 kW/m2 범위의 복사열에 노출시켜 오픈 조건에서 연소시키는 시험으로, 재료가 연소되면서 변화되는 산소 농도와 배출가스 유량을 통해 재료의 방출열량을 산출한다. 시험편은 온도 25±2 °C, 상대습도 50±5% 조건의 항온항습기에서 항량이 될 때까지 안정화한 후 실험을 진행하였다. 연소특성 및 난연 성능 향상을 분석하기 위하여 열방출률(Heat release rate; HRR), 총 방출열량(Total heat release; THR), 연기방출량(Smoke production rate; SPR)에 대해서 측정하였다.
이는 해당 재료에서의 경우, 표면 착화가 진행되지 않았으며 char가 표면에 형성된 이후 갈라진 틈으로 복사열의 흡열이 제대로 진행되지 않았기 때문으로 사료된다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 열방출률

열방출률은 시간의 흐름에 따라 재료의 표면에서 방출되는 열량 값으로써 화염의 확산이나 착화 시간 등의 요소와 함께 재료의 연소 가능성 및 화재 위험성을 나타낼 수 있는 주요 요소 중 하나이다(Grexa and Lűbke, 2001; Lee and Kim, 2013). Fig. 3에 각 시험편별 열방출률 값을 그래프로 나타내었다.
Fig. 3
Heat Release Rate of Specimens
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그래프에서 보이는 바와 같이, 열방출률 값의 초기 피크는 원목 무처리 시험편과 집성재 무처리 시험편 모두 큰 차이가 없었다. 그러나 두 번째 피크의 경우, 원목 무처리 시험편의 최대 피크 값이 측정되는 시간이 더 지연되었다. 이는 생재(Green wood) 상태의 원목은 표면 함수율이 10% 미만이라 하더라도 내부에서의 함수율이 목질재료로 제작된 시험편에 비해서 높은 상태로 유지되어 있기 때문으로 판단된다. 일반적으로 목재는 생재 상태로 가공되어 일정 시간 건조를 하더라도 내부 함수율이 전부 빠져나가지 않고 30% 미만의 값으로 어느 정도 유지가 되기 때문에 부후나 변색, 흰개미 등의 해충 피해가 발생된다(Kim et al., 1996; Kim, 1995; Park et al., 2016). 그러나 목질재료로 제작될 경우에는 기건 상태로 건조되고, 열압 및 냉압 등 압력 과정을 거치면서 내부의 수분이 추가적으로 제거되기 때문에 열이 흡수되는 시간이 더 빨라지고 표면 char 형성 이후 탈착되어 열이 재 방출되는 시간 또한 더 촉진되는 것으로 판단된다.
FRCs를 처리한 시험편들의 경우, 무처리 시험편들에 비해 열방출률 값이 현저하게 낮아지는 것으로 확인되었다. 특히 원목 시험편은 1200초의 시험 시간동안 열방출률의 피크 값이 측정되지 않았으며, 착화 또한 일어나지 않았다. 선행 연구에서 1 cm의 원목 시험편을 30분 간 가압하여 난연 처리한 경우에 표면 착화, char의 형성 및 탈착, 그리고 시험편 표면의 균열 등으로 인하여 원목 무처리 시험편과는 다르게 하나의 열방출률 피크가 확인되었으나, 본 연구에서는 형성되지 않았다. 이는 원목 시험편의 두께가 기존 연구(Seo et al., 2017b)의 2배였기 때문에 흡수된 약제의 양이 많아 열이 내부까지 침투되어 열분해를 진행하지 못하고, FRCs 성분 중 인계 화학종의 발포 성능과 붕소계 약제의 char 형성이 시험편의 내⋅외부에 영향을 모두 미쳤기 때문으로 사료된다. 집성재는 FRCs를 처리한 시험편의 경우에도 열방출률의 피크가 두 번 형성되었으며, 방출되는 시간대도 유사하게 측정되었다. 그러나 방출되는 열량은 3분의 1 정도로 감소되는 것으로 확인되었다.

3.2 총 방출열량

총 방출열량은 재료에서 연소가 진행되는 동안 그 표면에서 방출되는 열량의 총 합으로 화염 확산 가능성을 나타내는 요소 중 하나이다(Grexa and Lűbke, 2001; Lee and Kim, 2013; Seo et al., 2017d). Fig. 4에 해당 데이터를 그래프로 제시하였다.
Fig. 4
Total Heat Release of Specimens
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총 방출량의 값은 원목 무처리 시험편이 112.47 MJ/m2로 다른 시험편들에 비해 가장 높은 값을 나타내었으나, FRCs를 처리한 경우에는 5.67 MJ/m2로 가장 낮은 값으로 산출되었다. 이는 앞선 열방출률 결과와 같이 인계 및 붕소계 난연성 화학종의 흡열 및 char 형성 성능에서 기인되었다고 판단된다. 이러한 판단의 근거로써, 콘 칼로리미터 시험 이후 시험편들의 사진과 유효연소열(Effective heat of combustion; EHC)을 통해 확인할 수 있다.
Fig. 5에 제시된 사진을 보면 FRCs 처리 원목 시험편의 경우 다른 시험편들과는 다르게 표면과 측면에 기포가 형성된 것으로 확인되었다. 또한 무처리 시험편 2종의 경우에는 연소 후 표면에 ash와 재료를 관통하는 균열이 진행되었으나 FRCs를 처리한 시험편 2종에서는 표면 외에는 균열이 발생되지 않았다. 유효연소열은 재료가 연소할 때, 실제적인 영향을 미치는 열에너지로써 재료의 단위 중량당 방출되는 열량으로 정의할 수 있다(Xu et al., 2015). 해당 값의 경우, FRCs를 처리한 원목 시험편이 1.18 MJ/kg으로 가장 낮은 값으로 측정되었으며, 무처리 원목 시험편의 18.21 MJ/kg에 비해 약 90%가 감소된 것으로 확인되었다. 이는 재료가 연소되고 열분해 될 때 사용될 수 있는 열량이 매우 낮은 것이며, FRCs의 흡열 반응에서 기인된 것으로 사료된다. 콘 칼로리미터 열량 관련 기타 데이터를 Table 2에 제시하였다.
Fig. 5
Test Specimens After Cone Calorimeter Test
KOSHAM_18_01_185_fig_5.gif
Table 2
Results of Cone Calorimeter Test
Distribution Untreated wood FRCs treated wood Untreated glue-laminated wood FRCs treated glue-laminated wood
PHRR (kW/m2) 145.08 12.88 142.32 63.68
tPHRR (s) 970 1200 690 308
THR (MJ/m2) 112.47 5.67 90.27 30.34
TTI (s) 29 0 26 58
EHCmean (MJ/kg) 18.21 1.18 22.47 6.43
이러한 결과는 선행연구(Seo, H.J. et al., 2017b)에서 발표되었던 난연 처리 방법 중 도포법과 가압처리 방법 중 가압처리 방법이 더 효과적이며, 제품 제작 시 처리 공정에서도 유리할 것이라는 결과를 효과적으로 입증했다고 판단된다. 도포처리의 경우, 처리 자체는 수월할 수 있으나 총 방출열량에서의 성능 확보가 어렵다는 문제가 있었다. 가압처리 방법은 원목의 경우 총 방출열량 값을 10 MJ/m2 대로 낮출 수 있었고, 집성재 또한 처리하지 않은 시험편에 비해 50% 이상의 감소율을 보이는 바, 가압처리 공정 시간을 조정하거나 약액의 비율을 조정하는 추가 실험이 필요하다고 판단된다.

3.3 연기방출률

화재 발생 시 재실 자들의 안전한 피난을 위해 연기 밀도를 낮춰 가시거리를 확보하는 것 또한 화재 안전성에서 매우 중요한 요소이다(Mouritztz et al., 2006; Lee et al., 2011). 따라서 연기방출률은 열방출률, 총 방출열량과 함께 화재에 대한 위험성을 평가하는 데 중요한 역할을 한다. Fig. 6에 연기방출률 그래프를 나타내었다. 시험편에서의 연기방출률의 거동은 열방출률과 유사한 경향을 보였다. 원목 시험편의 경우 무처리 상태일 때 방출되는 연기발생량이 매우 높게 나타났다. FRCs를 처리하였을 경우에는 연기방출률이 많이 낮아지는 것으로 확인되었는데, 이는 생재 상태일 때의 수분이 증발되면서 다량의 수증기가 방출되었기 때문으로 판단된다.
Fig. 6
Smoke Production Rate of Specimens
KOSHAM_18_01_185_fig_6.gif
FRCs가 수용액 상태라 하더라도 흡열 반응과 char의 형성으로 인한 열 방출 및 연소 억제 효과로 인하여 열분해의 진행이 더디어 방출되는 연기발생량이 감소된 것으로 사료된다. 반면 집성재의 경우에는 FRCs를 처리한 시험편에서의 연기방출률이 더 높은 것으로 확인되었는데, 이는 초기 재료 제작 시에는 가압 시 재료의 변형을 막기 위하여 건조된 상태이므로 수증기 방출량이 거의 없었으나 FRCs 처리 후 내부로 다량의 수분이 함유되어 연소 시험 시 가해지는 열로
인하여 FRCs의 수분이 방출되었기 때문이라고 사료된다. 그러나 이러한 연기방출률 값은 선행 연구(Seo et al., 2016b)에서 제시된 다른 목질재료의 결과 값과 비교하였을 때 상대적으로 낮은 값으로 확인되었다. Seo et al.(2016b)의 발표에 따르면, MDF 연소 시 방출되는 연기발생량은 그 피크가 0.06 m3/s로써 본 연구 결과에서의 최대치에 6배 정도로 높은 값으로 측정되었다. 또한, 본 연구에서 사용된 집성재의 경우, 기타 목질재료들과 다르게 접착제가 소량 사용되며 이소시아네이트(C9H6N2O2)를 기반으로 하고 있어 열분해 시 연소가스의 유해성도 페놀이나 요소 수지에 높지 않다.

4. 결론

본 연구에서는 국내 유용 수종 중 건축물에 적용이 용이한 소나무 수종을 선정하여 원목 상태 및 집성재로 제작한 목질재료 상태에서의 연소특성과 난연성 화학종을 처리한 상태에서의 난연 성능 향상에 대하여 분석하였다. 해당 재료들은 KS F ISO 5660-1 규격에 의거하여 콘 칼로리미터 시험법으로 분석되었다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 도출하였다.
  • (1) 콘 칼로리미터 시험 결과, 소나무 수종은 무처리 시험편의 경우, 내부 함수율에 따른 열방출률 거동이 다소 차이가 있었으나 전체적으로 원목과 목질재료 상태에서의 차이는 크지 않았다. 최대 열방출률의 결과값은 원목 무처리 시험편 145.08 kW/m2, 집성재 무처리 시험편이 142.32 kW/m2로 유사한 값을 보였고, 처리재의 경우 원목 시험편이 12.88 kW/m2, 집성재 시험편이 63.68 kW/m2로 원목보다는 낮으나 무처리 시험편에 비해 60%의 열방출률 감소를 보였다.

  • (2) 총 방출열량 값은 원목 시험편이 더 높게 산출되었고, 이는 재료 내부로의 흡열 및 열의 재방출에서 기인된 것으로 판단된다. 반면에 FRCs를 처리한 시험편들의 경우, 열방출률 및 총 방출열량은 큰 폭으로 감소되었으나, 연기방출률에서 원목과 집성재의 차이를 보였다. 특히 집성목의 경우 약제를 처리한 경우에 연기방출률이 무처리 시험편에 비해 6배까지 증가하는 것으로 확인된 바, 추가적인 실험을 통해 해당 성분을 확인하여 인체 유해성 여부를 판단하는 것이 필요하다고 판단된다.

  • (3) 이러한 결과를 바탕으로 하여, 같은 수종의 재료라 하더라도 그 처리 방법과 제작 형태에 따라 연소 특성 및 난연 성능 향상 정도에 차이를 보이는 것을 확인하였다.

  • (4) 추가적인 공정이 필요하지 않고 제품 제작 시 기존 방부목 제작 공정을 동일하게 적용할 수 있어 시설 설치 시 비용이 발생하지 않아 경제성을 확보할 수 있다. 또한 국내 집성재 시장이 확대되고 있는 시점에서 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.

  • (5) 향후 연구에서는 연소 시 방출되는 연기의 정성적인 분석을 추가하여 화재 안전성의 향상을 높이는 방법에 대한 연구를 진행하고자 한다.

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