KR101438457B1

KR101438457B1 - 목재용 수용성 방염조성물과 방염처리방법

Info

Publication number: KR101438457B1
Application number: KR1020140064070A
Authority: KR
Inventors: 유수용
Original assignee: 유수용
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-09-12
Also published as: WO2015182920A1; JP2017518405A; JP6284657B2

Abstract

본 발명은 수성페인트가 처리된 목재 표면에 스프레이 방식으로 도포하여 방염조성물이 목재 내부로 침투하여 화염 전파를 억제할 수 있고, 탄화면적, 잔염시간과 잔신시간이 우수하며 수성페인트색에 대해 백화/박락/얼룩 유해성이 없는 친환경성 방염조성물을 조성하고 이를 사용하여 상온 상압에서 다른 보조제 사용없이 간단한 스프레이 및 붓으로 도포하는 작업만으로 방염처리할 수 있도록 한 목재용 수용성 방염조성물의 방염처리방법에 관한 것이다.
본 발명은, 증류수(base water) 300g에 인산암모늄60g을 투입하여 30분간 교반시키고 여기에 요소40g을 투입하여 30분간 교반시킨 후, 인산40g을 천천히 투입하여 1시간 동안 교반한 다음 실리콘수화물(Silicon hydrate) 60g을 넣고 50℃ 이하에서 1시간 동안 교반시켜서 목재용 수용성 방염조성물을 제조하고,
상기 제조된 목재용 수용성 방염조성물은; 처리대상물에 불순물을 제거하고 온도 섭씨 10미만인 경우와 습도 70% 이상일때는 방염처리를 피하고 방염조성물의 스프레이 도포시 40cm이상의 거리를 유지하고 스프레이 압력 80~120kg/㎠, 1회 처리량 0.35kg/㎡으로 도포하고 상온에서 24~48시간 건조시킨 후 같은 방법으로 총 2회에 걸쳐 방염처리함을 특징으로 한다.

Description

목재용 수용성 방염조성물과 방염처리방법{THE WATER SOLUBLE FIRE RETARDANT FOR WODEN AND ITS APPLY METHOD}

본 발명은 목재용 수용성 방염조성물과 방염처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반 목재 및 수성페인트가 처리된 목재 표면에 스프레이 또는 붓으로 도포하는 방식 만으로 목재 내부로 침투가 용이하고 화염 전파를 억제할 수 있으며, 또 탄화면적, 잔염시간과 잔신시간이 우수하고 수성페인트색에 대해 백화/박락/얼룩 유해성이 없으며 상온 상압에서 방염처리하여 다른 보조제를 사용하지 않아도 장시간 방염효과를 제공할 수 있는 목재용 수용성 방염 조성물과 방염처리방법에 관한 것이다.

우리생활에서 사용되는 목재류와 섬유 및 플라스틱류를 방염처리한다는 것은 기술적으로나 경제성으로 보아 거의 불가능하며 또 현실적으로 그럴 필요성도 매우 적으므로 방화 측면에서 볼 때 꼭 필요하다고 인정되는 대상물 만을 방염처리 하도록 규정하고 있는 것이 대개의 경우이다.

유럽, 미국, 일본의 경우를 보면 방염처리를 요구하는 대상물로 건축내장재 외에도 차량, 항공기 등의 각종 수송체의 내장재, 각종 전기/전자제품의 가연성 부품, 그리고 커튼, 차량 내장용 부직포 등에 걸쳐 광범위하게 규정하고 있으며, 한국의 경우에는 고층건물과 극장, 호텔, 병원, 자동차 등 특수 장소의 내장재인 합판, 섬유판, 카페트, 커텐 등을 방염처리 대상으로 소방법에 규정하고 있다.

전술한 방염처리 대상물을 재료별로 보면; 목재류와 섬유류, 플라스틱류 등 크게 세가지로 구분할 수 있는데 방염처리 방법은 처리대상의 종류에 따라서도 다르지만 처리대상물의 재료에 따라 크게 달라진다.

이들 중 목재는 건축, 가구, 집기 등의 제조에 널리 사용되는 천연재료이지만 재질의 특성상 화재나 미생물 또는 각종 곤충에 의한 열화에 매우 취약하다는 단점이 있으나 수성페인트를 목재 표면에 도포하면 목재를 보호하고 미관을 수려하게 하며, 각종 미생물, 곤충의 피해가 없고 각종 풍해로부터 보호할 수 있는 장점을 발휘한다.

이와 같이 수성페인트가 도포된 목재 표면에는 스프레이 방식으로 방염제를 도포, 처리하는 경우는 전술한 이유로 (기술적으로나 경제성으로 보아 거의 불가능하며 또 현실적으로 그럴 필요성도 매우 적으므로) 거의 하지 않고 있다.

한편, 목재의 방염 처리방법으로는 물리적인 가공 방법, 화학적 가공 방법이 있으나, 방염 효과 면에서나 경제적인 이유로 화학적 처리 방법이 주로 이용되고 있다. 화학적 처리 방법이란 방염대상물을 방염효과가 우수한 화공약품으로 처리하는 것을 말하며 이러한 화학약품을 방염조성물이라 부른다.

그리고 목재 관련 방염 조성물은 할로겐계 난연제, 인계 난연제 및 무기 난연제를 표면에 코팅하여 사용하는 것이 주류를 이루고 있는 실정으로 기존 난연 조성물은 목재의 표면에 난연 도막을 형성하여 난연성을 부여하고 있으며, 난연 도막 형성시 피도포체에 난연 조성물의 흡수가 매우 적고, 작업 시간 및 도막의 건조 속도가 매우 늦어 작업능률 저하의 문제점이 있다.

그러나 목재 구조물의 경우 전술한 바와 같이 화재나 생물 열화에 의해 그 수명을 다하는 경우가 대부분임을 감안하면, 목재에 방염과 함께, 방부, 방충 등의 처리를 함께 함으로써 목재로 만들어진 각종 구조물의 수명과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것이다.

일반적인 목재 건축물의 경우 함수율은 13~ 15%의 함수율을 유지하고 있으며, 기후나 자연환경에 따른 함수율의 변화가 생기게 되며 우천시나 안개가 자주 발생하는 지역에는 상대적으로 목재의 함수율이 높은 것으로 알 수 있다.

이는 목재의 함수율이 높을 때 수성 방염제가 목재 표면의 부착능력 및 목재 내부로의 침투가 저하되는 중요한 요인이 되며, 다시 말해 방염성능의 저하를 가져오게 되는 중요한 요인이 된다

방염대상물의 방염화 방법으로는; 스프레이법 또는 직접 도장하는 표면처리법, 금속판이나 기타 불연재를 목재표면에 방염조성물나 방염도료를 목재표면에 부착시키는 라이닝(lining)법, 방염조성물을 목재 내부까지 침투시키는 함침법(含浸法) 등의 세 가지로 나눌 수 있다.

함침법 중 압력법은 진공과 압력을 사용하여 방염조성물을 침투시는 방법으로 방염조성물을 나무의 내부까지 침투시킬 수 있으므로 훨씬 효과적이지만, 이 방법은 오토클레이브(autoclave)를 필요로 하므로 소형 목재의 처리에만 응용이 가능하며 목조 건물이나 대형 목재는 처리가 곤란하다.

그리고 비 압력법에 의한 함침법은 스프레이에 의한 코팅법과 효과 면에서 별 차이가 없고 위 압력법과 마찬가지로 소형 목재의 처리에만 응용이 가능하여 목조건물이나 대형 목재의 방염처리는 결국 방염조성물을 목재표면에 스프레이 하거나 도장하는 표면처리법이 가장 실용적이고 경제적이다.

또한, 종래의 일반적인 목재 방염처리 약제로 수용성 무기염류 즉 인산 암모늄, 인산 나트륨과 같은 인산염이나 황산 암모늄, 황산 나트륨과 같은 황산염, 붕사 또는 붕산 등이 사용되어 왔다.

이들 수용성 무기염류는 방염효과는 비교적 우수하나 이들 약제를 목조 건축물에 적용하였을 경우 건조 후에는 목재 표면에 반짝거리는 결정성 분말이나 엷은 흰색 분체가 형성되는 백분현상을 일으키거나, 수성페인트 성분 중 탄산칼슘과 오랜 기간 동안에 반응하여 황산칼슘이나 인산칼슘 등의 불용불융성 염으로 변하여 백화현상을 일으켜 수성페인트의 외관을 손상시킬 뿐만 아니라 방염성도 저하시키는 결과를 가져왔다.

이하, 종래 기술 등에 대해 특허문헌을 중점으로 살펴보면 하기와 같다.

참고문헌1에 부직물, 견직물, 목재 또는 종이의 함침에 사용되는 난연제로, 구체적으로는 내화기능이 우수하고 유성원료를 사용하는 난연제와 달리 작업환경의 유해함이 적고 환경공해를 유발하지 않으며, 난연제를 부직물 등에 함침 시킴으로써 강도가 강하게 되고, 내한성, 안정성, 내수성 및 탄성이 발현되도록 한 수용성의 무기질 난연제가 개시되어 있다.

참고문헌2에는 구아닐우레아 포스페이트[(H 2 N-C(NH)-NH-C(O)-NH 2)·H3PO 4](GUP) 및 붕산을 포함하는 개선된 난연제, 이러한 난연제를 함유하는 목재 및 복합재 목재 제품을 포함한 재료 및 개선된 난연제가 개시되어 있다.

참고문헌3에는 상기 난연제 조성물이 인산마그네슘암모늄 수용액 85 ~ 99중량%, 실란접착제 0.1 ~ 5.0 중량%, 붕산 0.1 ~ 5.0 중량%, 붕사 0.1 ~ 10.0 중량%, 및 인산암모늄 0.1 ~ 10.0 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수용성 난연제 조성물과 난연처리방법이 개시되어 있다.

참고문헌4에는 인산구아나딘, 포르마린, 침투촉진제, 목재방부재, 방식제, 실란카프링제, 증류수로 조성되어 방염, 방부, 방충효과가 우수하고 단청의 변색, 박락 및 얼룩의 발생이 방지되며 우수한 방부효과를 기대할 수 있는 목조문화재 보존용 방염조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

참고문헌5에는 탄화면적 잔염시간과 잔신시간이 우수한 방염액과 13종 단청색에 대해 백화, 박락(剝落), 얼룩, 유해성이 없어 목조문화재 등과 같은 목재에 도포하여 목재에 화재가 발생했더라도 화염이 번지는 것을 최대한 억제할 수 있도록 한 실리콘-인계 목재 단청용 방염제이 개시되어 있다.

참고문헌6에는 목재, 볏짚, 한지, 의류 등에 도포 또는 분사하여 화염의 전파를 억제할 수 있으며, 탄화면적, 잔염시간, 잔신시간이 우수하고, 단청색 등에 대해 백화, 박락, 얼룩 등의 유해성이 없으며, 다공성 구조의 표면 및 내·외부에 난연성을 증진시키는 동시에 구조물의 열화현상을 방지할 수 있는 실온 경화용 유무기질 결합제 방염 조성물에 관해 개시되어 있다.

또한, 참고문헌7에 주약제인 규산나트륨(Na2SiO3)의 수용액에 목재를 넣고 감압처리하는 공정; 규산나트륨의 수용액에 목재를 넣고 가압처리하는 공정; 주약제 처리가 끝난 후 목재를 건조시키는 공정; 보조약제인 붕산(H3BO3), 인산수소Ⅱ암모늄((NH4)2HPO4), 붕산암모늄(NH4BO3) 중 어느 하나의 수용액에 목재를 넣고 감압처리하는 공정; 상기 보조약제의 수용액에 목재를 넣고 가압처리하는 공정; 보조약제 처리가 끝난 후 건조시키는 공정으로 목재에 난연성을 부여하는 목재의 난연처리방법이 개시되어 있다.

그러나 상기 목재의 난연처리방법은 장시간 방염성능을 유지할 수 있는 장점이 있지만 감압의 조건이 필요를 하는 방법으로서 이 또한 소형목재 처리에만 가능하고 처리공정이 복잡하다는 단점이 있다.

즉, 주약재 처리와 보조약제 처리의 단계로 구분하여 목재를 방염처리 함으로써 목재의 세포내에 염이 형성되면서 방염성능을 향상시키는 방법으로, 상기 방법은 장시간 방염성능을 유지 할 수 있는 장점이 있지만 감압의 조건이 필요를 하는 방법으로서 이 또한 소형목재 처리에만 가능하고 처리공정이 복잡하다는 단점이 있다.

그 밖에 참고문헌8에는 아크릴수지와 안료의 용제에 방염제를 전체중량의 약 25%~30%를 ?어 도포하는 방염제와 아크릴수지를 블랜딩하는 방염처리 안료 도포법이 개시되어 있고, 참고문헌9에 풀루란과 방염제를 포함하는 전처리액으로 방염가공 방법에 따라 방염성이 부여되는 것을 특징으로 하는 방염성 옷감에 대하여 개시되어있다.

(참고문헌1) 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0076806호 (2003.09.29) (참고문헌2) 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0026724호 (2004.04.03.) (참고문헌3) 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0113651호 (2008.12.31.) (참고문헌4) 대한민국 등록특허공보 제10-0917665호 (2009.09.09.) (참고문헌5) 대한민국 등록특허공보 제10-1286967호 (2013.07.11) (참고문헌6) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0024864호 (2013.03.08.) (참고문헌7) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0112102호 (2013.10.14.) (참고문헌8) 일본 공개특허공보 평08-001077 (1996.01.09.) (참고문헌9) 일본 공개특허공보 평22-106377 (2010.05.13.)

상기 기존 실시하던 목재 구조물의 방염, 방충, 방부 처리하는 방법은 방염 성능을 갖는 약제를 먼저 함침시키고 건조한 후 방충, 방부성능을 갖는 성분을 갖는 약제를 함침시키는 방법 또는 반대로 방충, 방부 성능을 갖는 약제를 먼저 함침시킨 다음 건조 후에 방염성능을 갖는 약제를 함침시켜 건조하여 처리되어 왔다.

그러나 이들 방법은 최소 2회 이상의 함침과정과 2회 이상의 건조 과정을 거치도록 되어 많은 처리시간과 비용이 소비되는 등의 단점이 있고 또한 방염약제 도포시 목재의 표면에 백화현상, 얼룩현상, 광택현상, 박락현상이 발생하여 외관에 손상을 주는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 수성페인트가 처리된 목재는 물론 일반 목재 표면에 감압, 가압없이 상온에서 간단한 스프레이 도포만으로 백분 또는 백화 현상을 수반하지 않고 방염성능과 방부, 방충 효과를 동시에 부여 할 수 있는 목재용 수용성 방염조성물을 제공하고 또 상기 목재용 수용성 방염조성물을 사용하여 방염처리하는 방법을 제공하고자 한다.

또 발명은, 수성페인트가 처리된 목재 표면에 도포하여 화염이 번지는 것을 억제할 수 있도록, 탄화 면적 잔염 시간, 잔신 시간이 우수한 방염조성물과 수성페인트에 대해 백화, 박락, 얼룩, 유해성이 없는 우수한 목재용 수용성 방염조성물을 사용하여 방염처리하는 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제해결을 위한 본 발명은;

증류수(base water) 300g에 인산암모늄60g을 투입하여 30분간 교반시키고 여기에 요소40g을 투입하여 30분간 교반시킨 후, 인산40g을 천천히 투입하여 1시간 동안 교반한 다음 실리콘수화물(Silicon hydrate) 60g을 넣고 50 이하에서 1시간 동안 교반시켜서 제조하고 이를 사용하여 처리대상물에 불순물을 제거하고 온도 섭씨 10미만인 경우와 습도 70% 이상일때는 방염처리를 피하고 스프레이시 거리는 40cm이상 거리를 유지하며 스프레이의 압력은 80~120kg/이 적당하고, 1회 처리량은 0.35kg/이고 상온에서 24~48시간 건조시킨 후 같은 방법으로 총 2회에 거처 방염처리 하여 방염처리방법의 편이성을 제공하며, 감압처리 공정이 없이 비압력 함침법으로 목재의 내부까지 침투시키고 주약제로만 스프레이 방염처리 후 다른 보조약제의 처리가 없이 상온에서 24~48시간동안 자연 건조시키며, 대형 목조 건축물이나 대형목재에는 스프레이 도포로 충분한 성능을 나타냄과 동시에 작업시간을 단축시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 처리방법을 제공한다.

이를 청구항에 기재된 발명을 토대로 설명하면 하기와 같다.

[청구항1]에 기재된 발명에 따르면; 증류수(base water) 300g에 인산암모늄60g을 투입하여 30분간 교반시키고 여기에 요소40g을 투입하여 30분간 교반시킨 후, 인산40g을 천천히 투입하여 1시간 동안 교반한 다음 실리콘수화물(Silicon hydrate) 60g을 넣고 50℃ 이하에서 1시간 동안 교반시켜서 제조함을 특징으로 한다.

[청구항2]에 기재된 발명에 따르면; 제1항에 기재된 목재용 수용성 방염조성물을 사용하여 수성페인트가 도포된 목재에 방염처리함에 있어서, 기온 10℃ 미만인 경우와 습도 70% 이상일때를 피하여 처리대상물과 40cm이상 거리를 유지한 상태에서 스프레이 압력 80~120kg/㎠, 처리량 0.35kg/㎡으로 1차 스프레이 도포하는 단계; 상기 1차 스프레이 도포의 완료후 상온에서 24~48시간 건조시키는 단계; 상기 건조시킨 처리대상물에 1차 스프레이와 동일 조건과 방법으로 2차 스프레이 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

[청구항6]에 기재된 발명에 따르면; 제1항에 기재된 목재용 수용성 방염조성물을 스프레이 및 붓으로 방염처리 후 다른 보조약제의 처리가 없이 상온에서 24~48시간동안 자연 건조시키는 것을 특징으로 한다.

[청구항7]에 기재된 발명에 따르면; 대형 목조 건축물이나 대형목재에는 압력법으로 처리가 곤란하므로 스프레이 도포로 충분한 방염성능을 나타냄과 동시에 작업시간을 단축 시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 실리콘 화합물의 알킬[alkyl] 혹은 알콕시[alkoxy]기가 인계 화합물에 의해 실리콘 하이드록사이드[hydroxy functional silicone]로의 형성 반응이 있고, 관능기를 갖는 실리콘[functional silicone]과 인계 화합물의 정전기적인 결합을 형성하여 표면장력이 더 낮은 실리콘과의 결합으로 표면 처리성 및 분산성을 향상시켜서 스프레이 도포만으로 목재 내부로 침투하여 우수한 방염성을 부여 할 수 있다.

또 본 발명은, 실리콘의 낮은 표면 에너지 때문에 화원에 의하여 가열 시 표면으로 전이가 일어나며, 보다 더 고온에서 열분해하여 SiO₂ 보호층을 형성하고, 인은 char(탄화층, 이하 char이라 함.)를 형성하여 실리콘이 형성된 char를 보호함으로써 서로 간의 시너지 효과로 화원으로부터 열의 전달과 추가적인 연소를 방지하고, 목재의 열분해를 지연하여 우수한 방염성능을 기대할 수 있다.

또, 본 발명은, 수성페인트가 처리된 목재 표면에 간단한 스프레이 도포만으로 방염조성물을 처리할 수 있으며 특히 처리시 침투가 용이하고 수성페인트의 색상 변화가 없으며 백화, 얼룩, 광택이 발생되지 않는 장점과 방염, 방부, 방충 효과를 동시에 기대할 수 있으므로 작업시간을 단축하고 인력과 비용 등을 크게 절감할 수 있어 상당한 경제적 이익을 기대할 수 있다.

또, 본 발명은, 스프레이법으로 방염처리 후 다른 보조약제의 처리가 없이 상온에서 24~48시간동안 자연 건조시키는 간단하고 신속한 방법의 제공으로 (수성페인트가 도포된 표면 위에 스프레이법으로 방염제를 처리하는 경우가 거의 없는 기존 작업에 비해) 작업시간 단축 및 경제적인 효과를 동시에 부여 할 수 있는 이익과 효과 등을 기대할 수 있다.

또, 본 발명은 수성페인트가 처리되지 않은 일반 목재에 적용한 경우에도 상기 수성페인트가 도포된 목재의 경우와 동일한 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방염처리방법의 공정을 개략적으로 표시한 순서도
도 2는 본 발명에 따른 탄화층(Char) 형성 사진.
도 3은 목재 시험편에 실리콘-인산염계 방염제를 도포하여 탄화시험 후 목재 시험편에 형성된 char의 결정 구조를 확인하기 위하여 XRD를 분석한 결과 사진.
도 4는 목재용 수용성 방염 조성물 표면 에너지 사진
도 5는 목재용 방염조성물 표면 에너지 사진
도 6은 일반 목재 및 수성페인트 칠이 되어 있는 목재의 처리 전/후 사진
도 7은 본 발명의 실 사용 예를 보인 사진

본 발명은, 실리콘수화물(Silicon hydrate)과 난연 효과가 있는 실리콘화합물과 방염성 인계 화합물의 다양한 작용기를 이용한 반응물로서 방염 처리제를 조성하여 수성페인트가 처리된 목재 표면에 적용시 스프레이 도포만으로도 목재 내부로의 침투가 용이한 목재용 수용성 방염조성물과, 상기 목재용 수용성 방염조성물 사용하여 스프레이방식으로 도포하는 방염처리하는 방법으로써 대형 목조건축물이나 목재 등을 손쉽게 처리할 수 있고, 또 작업의 번거로움 및 작업시간을 단축시킬 수 있는 방염처리방법을 제공함을 특징으로 한다.

상기 목재용 수용성 방염제를 이용하여 방염처리하는 공정은 다음과 같다.

처리대상물에 불순물을 제거하고 온도 섭씨 10미만인 경우와 습도 70% 이상일때는 방염처리를 피하고 방염조성물의 스프레이 도포시 40cm이상의 거리를 유지하고 스프레이의 압력은 80~120kg/㎠이 적당하며, 1회 처리량은 0.35kg/㎡이고, 상온에서 24~48시간 건조시킨 후 같은 방법으로 총 2회에 거처 방염처리한다.

또한, 본 발명은 방염액 조성물 중 Si함량이 0.1~1.5wt%, N함량이 0.5~3.5wt%, P함량이 0.8~2.5wt%를 함유하는 방염조성물을 조성함으로써 관능기를 갖는 실리콘[functional silicone]과 인계 화합물의 정전기적인 결합의 형성으로 백색의 화합물인 Hydroxy실리콘의 인계방염조성물 및 cellulose, hemicellulose와 lignin과 가교 성능향상으로 인한 보다 견고한 탄화도막을 형성하는 방염조성물을 제공한다.

상기 실리콘-인계 방염액의 구조에 기초한 실리콘-인계 방염액은 유기 인산염계 방염조성물의 성능과 무기계의 실리콘 방염조성물의 성질을 동시에 나타내 며, 유기 인산염계 방염 메커니즘은 유기 인산염계 방염조성물이 열분해에 의해 1차적으로 인산을 형성하고, 이러한 인산은 축합 반응을 통해 pyrophosphate와 물을 형성시키게 된다.

인을 포함하고 있는 방염조성물은 주로 응축상에서 반응이 일어나고 기질의 열분해로부터 인산은 응축상에서 물을 추출하고, char를 형성한다.

Char 형성예

상기 반응으로 생성된 물은 발화를 돕는 산화 gas phase를 희석시키는 효과를 주며, 또한 이때 생성되는 인산 및 pyrophosphate의 경우 말단 알코올기의 탈수화 반응을 촉진시키는 촉매작용을 할 수 있다.

목재의 주요 주성분인 cellulose, hemicellulose 및 lignin에 함유된 말단 알코올기의 탈수화 반응을 촉진시켜 다시 물을 생성하는 동시에 탄소-탄소 이중결합을 생성시킨다. 이 이중결합은 고온에서 탄화층(char)을 가교 형성시켜 피착체의 표면을 화염으로 부터 분리 및 보호함으로써, 발화에 관계된 새로운 라디칼 생성 억제, 가소성 물질의 휘발 억제, 산소 확산 억제 및 화염으로 부터 방열 및 방염층 형성효과를 줄 수 있다. (도 1)

도 2는 목재 시험편에 실리콘-인산염계 방염제를 도포하여 탄화시험한 후 목재 시험편에 형성된 char의 결정 구조를 확인하기 위하여 XRD를 분석한 결과를 나타낸 것으로, 합성된 실리콘인산염계 방염제는 2θ가 25에서 비결정 구조의 형태를 보여주는 피크를 나타내었다.

목재 시험편에 실리콘-인산염계 방염제를 도포하여 탄화 시험 후 목재 시험편에 형성된 char의 성분을 확인하기 위하여 XRF를 분석한 결과를 표 1에 나타내었다. 상기 표 1에서 보여 지듯이 P의 비율이 65.41%로 가장 높게 나타냈으며, Si는 29.30%, K는 5.01%, S는 0.28%가 함유된 것으로 나타났다. 발포 생성된 char의 성분을 XRF 분석 결과 Si와 P의 존재를 확인하였다.

XRF result of flame retardant
Element	Composition (%)
P	65.41
Si	29.30
K	5.0
S	0.28

상기와 같이 실리콘 화합물은 목재 셀룰로오스의 하이드록시기의 결합에서 보여지듯이 인산염의 char 형성으로 인하여 방염 효과를 극대화할 수 있으며, 수성페인트를 처리해서 목재를 보호하고 미관을 수려하게 하며, 각종 미생물, 곤충의 피해가 없고, 각종 풍해로부터 보호 할 수 있는 장점이 있다.

실리콘 화합물과의 결합으로 인이 갖는 방염성 외에 표면장력이 더 낮은 실리콘과의 결합으로 표면을 스프레이 (및 붓)으로 간단히 처리할 수 있는 처리성 및 분산성을 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 방염조성물은 수성페인트가 처리된 목재의 수성페인트층을 침투하여 목재의 표면에서 깊숙이 흡수되어 화원과 접촉 시 방염 효과를 나타낸다. (도 4, 도 5)

이하에 본 발명의 구체적인 내용을 실시예과 시험결과값 등을 통해 상세히 살펴본다.

[실시예1]

교반기, 온도계, 콘덴서, 장착된 500ml 3구 둥근바닥 플라스크에,

증류수(base water) 300g를 기준으로; 인산암모늄60g을 투입하여 30분간 교반시키고,

여기에 요소40g을 투입하여 30분간 교반시킨 후,

인산40g을 천천히 투입하여 1시간 동안 교반한 다음 실리콘수화물(Silicon hydrate) 60g을 넣고 50℃ 이하에서 1시간 동안 교반시켜서 방염조성물을 제조하였다.

그리고 상기에서 조성한 방염조성물은 기온이 10℃ 미만인 경우와 습도 70% 이상 일때는 방염처리를 피하고 상온에서 스프레이 방식으로 방염처리하였다.

이하에 이를 구체적으로 살펴본다.

먼저 방염처리를 위한 처리대상물(수성페인트가 도포된 목재)은 불순물을 제거하고 기온 10℃ 미만인 경우와 습도 70% 이상일때는 방염처리를 피하여 스프레이 압력 80~120kg/㎠으로 처리대상물에 도포한다.

이때 처리대상물과의 거리는 40cm이상 거리를 유지하고 처리량은 0.35kg/㎡으로 하여 1차 스프레이 도포한다.

그리고 상기 1차 스프레이 도포가 완료되면 상온에서 24~48시간 건조시켜 충분히 경화시킨 후 상기 1차 스프레이와 동일한 조건과 방법으로 2차 스프레이 도포하여 총 2회에 걸쳐 방염처리한다.

상기 방염처리한 목재시험편의 함수율이 15%일 때 시험결과는 다음과 같다..

[유해물질 함유여부 및 기본물성 시험]

1) VOCs 함량

방염조성물 10 mL를 헤드스페이스 바이알에 넣고, 90 에서 30분간 가열하여 발생된 헤드스페이스 내의 공기를 GC/MS에 주입하여 측정하였다. 측정된 정량물질과 미지물질의 톨루엔 등 가농도를 합하여 VOCs 함량으로 산정하였다.

- 장비명 : Headspace sampler (Perkin-elmer, USA),

Tarac GC/DSQMS (ThermoFinnigan, USA)

2) 포름알데히드 방산량

방염조성물을 시험편 (70mm×150 mm, 8장) 양면에 도포하여 증류수 300㎖를 넣은 데시케이터에 설치하고, 23℃에서 24시간 동안 유지하여 증류수에 포함된 포름알데히드를 발색시켜 UV흡광광도계 (UV-1650PC, SHIMADZU)로 측정하였다.

3) 중금속 함량 (Pb, Cd, Hg, Cr6+)

방염조성물에 아세톤을 첨가하고 원심분리하여 고형분을 분리하고, 상기 고형분은 염산을 첨가하여 30℃에서 15분간 교반한 용액을, 액상시료는 질산을 첨가하여 모두 건고한 후 증류수로 각각 50㎖로 채운 다음 각 용액을 ICP, AAS, UV흡광광도계를 사용하여 분석하였다.

4) 수소이온농도 (pH)

방염조성물을 pH meter로 측정하였다.

5) 비중

비중병에 방염조성물을 채우고 전후 무게차를 이용하여 측정하였다.

그 시험결과 값은 하기 표 2와 같다.

유해물질 함유여부 및 기본물성 시험결과

시험항목		단위	결과	기준	시험방법
VOCs		g/L	검출안됨	50	KS M ISO 11890-2
포름알데히드 방산량		mg/L	검출안됨	1.0	KS M 1998-4
납 (Pb)		mg/kg	검출안됨	합계 0.1 % 이하	KS M ISO 3856-1
카드뮴 (Cd)		mg/kg	검출안됨		KS M ISO 3856-4
수은 (Hg)		mg/kg	검출안됨		KS M ISO 3856-7
6가크롬 (Cr⁶⁺)		mg/kg	검출안됨		KS M ISO 3856-5
수소이온 농도 (pH)	측정온도	-	6.5	6 ~ 8	KS M 0011
	21
구성성분		-	이상없음	이상없음	FTIR, XRD
밀도 (비중)	측정온도	g/mL	1.12	1.08~1.16	KS M ISO 2811-1
	23

[내후성 시험]

1) 촉진내후성 시험조건

방염조성물이 도포된 시험편을 7일 이상 건조한 후 촉진내후성 시험기에 설치하여 아래의 조건으로 시험하였다.

- 장비명 : 촉진내후성 시험기 UV2000 (ATLAS, USA),

색차계 I-7 (McBath, UK)

- 시험 사이클 : UV 50℃, 4 h → 응축 40℃, 4 h

- 사이클 반복 : 25 회, 총 200 시간

- 방사조도 : 0.63 W/㎡

- 램프 종류 : UV-A 340 nm

2) 측정항목

- 겉보기 : 촉진내후성 시험 전후를 비교하여 백화, 박락, 얼룩, 광택현상을 시험자의 육안으로 판단하여 이상유무를 확인하였다.

- 비교색차 : 방염조성물을 도포한 시험편과 방염조성물을 도포하지 않은 공시험편을 색차계를 이용하여 시험전후 색도를 측정하여 색차값을 구한 다음 방염조성물을 도포한 시험편의 색차값과 방염조성물을 도포하지 않은 공시험편의 색차값의 차이는 각 시험편은 3.0 미만, 수성페인트색상별 평균은 1.5 미만으로 하였다.

그 시험결과 값은 하기 표 3과 같다.

내후성 시험결과

내후성 평가 결과 시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
내후성 평가 결과 시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	2.01	3.25	1.24	1.59
	2	1.84	3.76	1.92
	3	1.77	3.39	1.62
코발드 블루계 수성페인트	1	4.23	2.48	1.75	1.39
	2	3.89	5.68	1.79
	3	3.47	4.11	0.64
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	2.88	1.02	1.86	1.48
	2	2.41	1.36	1.05
	3	2.51	0.98	1.53
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	3.46	2.11	1.35	1.72
	2	3.82	2.09	1.73
	3	3.94	1.86	2.08

[방염성 시험]

1) 방염성 평가의 시험조건

- 장비명 : 방염시험기 (FL-45MC, SUGA test instrument)

- 불꽃길이 : 65mm

- 가열시간 : 2분

2) 측정항목 및 기준

- 잔염시간 : 버어너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리며 연소하는 상태가 그칠 때까지의 시간, 10초 이내

- 잔신시간 : 버어너의 불꽃을 제거한 때부터 불꽃을 올리지 아니하고 연소하는 상태가 그칠 때가지의 시간, 30초 이내

- 탄화면적 : 시험 후 시험편(목재)이 탄화된 부분의 면적, 50㎠.

(측정장치 : PLANIX EX(TAMAYA technics Inc., JAPAN))

- 탄화길이 : 시험 후 시험편(목재)이 탄화된 부분의 길이 20cm.

그 시험결과 값은 하기 표 4와 같다.

[잔류성 시험]

1) 잔류성 평가의 시험조건

- 내후성 시험 : 방염조성물이 도포된 시험편을 촉진내후성 시험기에 설치하여 아래의 조건으로 촉진내후성 시험을 실시한다.

- 방염성 시험 : 촉진내후성 시험을 진행한 시험편으로 방염성 시험을 실시한다.

- 장비명 : 촉진내후성 시험기 UV 2000 (ATLAS, USA)

- 시험 사이클 : UV 50℃, 4 h → 응축 40℃, 4 h

- 사이클 반복 : 25 회, 총 200 시간.

- 방 사 조 도 : 0.63 W/m2

- 램프종류 : UV-A 340 nm

- 장비명 : 방염시험기 (FL-45MC, SUGA test instrument)

- 불꽃길이 : 65mm

- 가열시간 : 2 분

2) 측정항목 및 기준

- 탄화면적 : 시험 후 시험편(목재)이 탄화된 부분의 면적, 55㎠

(측정장치 : PLANIX EX(TAMAYA technics Inc., JAPAN))

- 탄화길이 : 시험 후 시험편(목재)이 탄화된 부분의 길이, 25cm

그 시험결과 값은 하기 표 5와 같다.

[흡습 및 건조성 시험]

방염조성물이 도포된 시험편과 도포하지 않은 공시험편을 각각 항온항습기에 설치하여 아래의 조건으로 시험한다.

1) 항온항습 시험조건

- 장비명 : 항온항습기 WK-340 (WEISS, German),색차계 I-7 (McBath, UK)

- 시험사이클 : (50±2)℃, (95±3)% R.H., 4h

→ (20±2)℃, 1h

→ (60±2)℃, 8h

→ (20±2)℃, 1h

- 사이클반복 : 10 회, 총 140 시간

2) 측정항목

- 겉보기 : 촉진내후성 시험 전후를 비교하여 백화, 박락, 얼룩현상을 시험자의 육안으로 판단하여 이상유무를 확인하였다.

- 비교색차 : 방염조성물을 도포한 시험편과 방염조성물을 도포하지 않은 공시험편을 색차계를 이용하여 시험전후 색도를 측정하여 색차값을 구하였다.

- 방염조성물을 도포한 시험편의 색차값과 방염조성물을 도포하지 않은 공시험편의 색차값의 차이는 각 시험편은 3.0 미만, 수성페인트색상별 평균은 1.5 미으로 하였다.

그 시험결과 값은 하기 표 6과 같다.

흡습 및 건조성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	3.51	1.86	1.65	0.98
	2	2.95	1.74	1.21
	3	2.56	2.64	0.08
코발드 블루계 수성페인트	1	2.55	2.79	0.24	0.68
	2	2.48	1.88	0.60
	3	2.66	1.44	1.22
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	6.04	4.83	1.21	1.50
	2	5.86	4.07	1.79
	3	4.44	5.96	1.52
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	6.22	4.28	1.94	1.59
	2	5.36	4.11	1.25
	3	5.86	4.26	1.60

[부직포 시험]

-시편의 길이 방향으로 한 쪽 끝에서부터 25mm, 10mm거리에 마킹하였다.

-시편의 한 쪽 끝에 불꽃을 30초 동안 가하고, 불꽃이 25mm 마킹 표시를 지날 때부터 100mm 마킹선에 도착할 때까지의 시간을 측정하여 속도를 계산하였다.

<평가기준>

3.0mm 이상 두께의 시편이 40mm/min 이하의 연소율을 가질 때, 3.0mm미만의 두께의 시편의 75mm/min 이하의 연소율을 가질 때, HD 등급 부여하였다.

그 시험결과 값은 하기 표 7과 같다.

부직포 시험결과

Thickness	Burning Rate	실시예 1
3.0mm	< 40mm/min	H D
< 3.0mm	< 75mm/min	H D

이하는 상기 실시예 1로 방부, 방충, 방미 그리고 목재에 대한 준불연 시험결과이다.

<준불연 시험결과>

1. 시료명 : 방염처리목재

열 방출률 시 험	시험기준	결과	비고
	총방출열량이 8MJ/	10.6
	최대 열방출률이 200 kW/를 초과하는 시간이 10초 이내	0
	방출열량 및 열방출곡선	그 림 참 조
	시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융 등이 없을 것. (복합자재의 경우 심재의 전부 용융, 소멸되는 것을 포함)	없음

2. 시험결과

위 시험결과에서와 같이 방부, 방미(防黴)의 효과가 일부 있는 것으로 판단되며, 준불연 시험의 경우 시험편 자체가 가연성 물질로서 준불연 시험에 시편으로 부족하지만 난연 재료의 성능으로 충분한 것으로 판단된다.

[실시예 2]

상기 실시예1과 동일한 방염조성물로 동일한 방염처리방법에 따라 시험편을 제작하였고, 상기 실시예1과 동일한 시험방법으로 시험하였다.

단, 목재(시험편)의 함수율은 30%일 때 시험결과는 다음과 같다.

내후성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	1.88	2.41	0.53	0.86
	2	1.42	2.77	1.35
	3	1.66	2.38	0.72
코발드 블루계 수성페인트	1	2.41	3.45	1.04	1.41
	2	2.89	1.04	1.85
	3	2.43	3.78	1.35
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	5.54	3.21	2.33	2.09
	2	3.86	1.98	1.88
	3	4.21	2.14	2.07
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	1.68	1.89	0.21	0.79
	2	1.99	2.59	0.60
	3	1.87	3.45	1.58

흡습 및 건조성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	3.41	1.68	1.73	0.80
	2	1.84	1.99	0.15
	3	1.55	1.02	0.53
코발드 블루계 수성페인트	1	6.45	4.85	1.60	0.93
	2	6.21	5.13	1.08
	3	5.55	5.44	0.11
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	3.68	3.15	0.53	0.88
	2	3.42	2.68	0.74
	3	3.86	2.47	1.39
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	3.45	2.67	0.78	0.79
	2	2.86	2.20	0.66
	3	2.45	1.50	0.95

[실시예 3]

단, 목재(시험편)의 함수율은 50%일 때 시험결과는 다음과 같다.

내후성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	3.37	4.91	1.54	1.06
	2	2.38	2.97	0.59
	3	1.91	2.69	1.05
코발드 블루계 수성페인트	1	1.75	0.77	0.98	1.00
	2	1.90	1.67	0.23
	3	1.78	3.57	1.79
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	6.95	6.35	0.60	0.92
	2	7.89	6.27	1.62
	3	5.42	4.88	0.54
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	1.25	0.68	0.57	0.65
	2	1.68	1.40	0.28
	3	1.73	2.84	1.11

흡습 및 건조성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	3.42	4.74	1.32	1.39
	2	2.35	4.21	1.86
	3	2.47	3.47	1.00
코발드 블루계 수성페인트	1	1.89	4.98	3.09	1.74
	2	1.11	1.95	0.84
	3	1.72	3.02	1.30
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	4.88	5.41	0.53	1.39
	2	7.25	5.82	1.43
	3	6.21	3.99	2.22
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	1.52	1.94	0.42	1.17
	2	2.14	3.68	1.54
	3	1.95	3.51	1.56

[실시예 4]

단, 목재(시험편)의 함수율은 70%일 때 시험결과는 다음과 같다.

내후성 시험결과

시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료(수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	2.74	1.63	1.11	1.28
	2	3.05	2.01	1.04
	3	3.56	5.25	1.69
코발드 블루계 수성페인트	1	1.28	2.96	1.68	1.84
	2	1.84	3.33	1.49
	3	4.21	1.86	2.35
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	1.06	1.68	0.62	1.09
	2	8.56	6.67	1.89
	3	0.55	1.33	0.78
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	1.69	1.21	0.48	0.73
	2	1.37	2.38	1.01
	3	3.11	3.83	0.72

흡습 및 건조성 시험결과

시료 (수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	비교 색차
시료 (수성페인트안료)		시료(방염조성물 도포) 색차(E^* _ab)	공시험(방염조성물미도포) 색차(E^* _ab)	개별 색차	평균 색차
에메랄드 그린계 수성페인트	1	1.77	2.04	0.27	1.12
	2	3.84	1.11	2.73
	3	2.41	2.77	0.36
코발드 블루계 수성페인트	1	4.22	3.01	1.21	1.47
	2	1.93	3.84	1.91
	3	5.42	4.12	1.30
퍼머넌트 옐로계 수성페인트	1	0.64	0.99	0.35	0.38
	2	0.78	1.24	0.46
	3	0.77	0.42	0.35
아이언 옥사이드 레드계 수성페인트	1	1.10	0.65	0.45	1.26
	2	1.24	2.89	1.65
	3	2.71	1.02	1.69

[실험 및 실험결과]

상기와 같이 제조된 실리콘과 인계화합물 중합한 방염조성물을 목조 건축물용 방염조성물 검정기준에 따른 결과를 아래와 표 22에 나타내었다.

	유해성	내후성	방염성	잔류성	건조 및 흡습성	부직포 시험결과
실시예 1	○	○	○	○	○	H D
실시예 2	○	○	○	○	○	H D
실시예 3	○	○	△	○	○	H D
실시예 4	○	○	△	○	△	H D
(방염성) ○:모든 시편이 탄화 합격 , ×: 수성페인트 색상 중 하나라도 탄화 불합격. (내후성 , 잔류성 , 건조 및 흡습성) ○:광택, 백화 없이 색차 양호 , △:광택 있음, ×:백화 있음.

일반적으로 목재 건축물의 경우 함수율은 13~15%의 함수율을 유지하고 있으며, 기후나 자연환경에 따른 함수율의 변화가 생기게 되며 우천시나 안개가 자주 발생하는 지역에는 상대적으로 목재의 함수율이 높은 것으로 알 수 있다.

이에 본 발명은 목재의 함수율에 따른 방염처리시 방염성능을 비교하였고 결과는 목재의 함수율이 70%이상 일시 방염성능이 저하되는 것을 알 수 있다.

Claims

증류수(base water) 300g에 인산암모늄60g을 투입하여 30분간 교반시키고 여기에 요소40g을 투입하여 30분간 교반시킨 후,
인산40g을 천천히 투입하여 1시간 동안 교반한 다음 실리콘수화물(Silicon hydrate) 60g을 넣고 50℃ 이하에서 1시간 동안 교반시켜서 제조함을 특징으로 하는 목재용 수용성 방염조성물.
제1항에 기재된 목재용 수용성 방염조성물을 사용하여 수성페인트가 도포된 목재에 방염처리함에 있어서,
기온 10℃ 미만인 경우와 습도 70% 이상일때를 피하여 처리대상물과 40cm이상 거리를 유지한 상태에서 스프레이 압력 80~120kg/㎠, 처리량 0.35kg/㎡으로 1차 스프레이 도포하는 단계;
상기 1차 스프레이 도포의 완료후 상온에서 24~48시간 건조시키는 단계;
상기 건조시킨 처리대상물에 1차 스프레이와 동일 조건과 방법으로 2차 스프레이 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 목재용 수용성 방염조성물의 방염처리방법.
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제1항에 기재된 목재용 수용성 방염조성물을 스프레이 및 붓으로 방염처리 후 다른 보조약제의 처리가 없이 상온에서 24~48시간동안 자연 건조시키는 것을 특징으로 하는 목재용 수용성 방염조성물의 방염처리방법.
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