WO2023182845A1 - 고농도 붕소 및 페놀수지 화합물을 이용한 목재 및 목질재료용 난연제 조성물, 이를 이용한 난연목재 또는 난연목질재료, 및 그 제조방법 - Google Patents

고농도 붕소 및 페놀수지 화합물을 이용한 목재 및 목질재료용 난연제 조성물, 이를 이용한 난연목재 또는 난연목질재료, 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2023182845A1
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flame retardant
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boric acid
flame
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강석구
양승민
윤시원
최병훈
구영모
이화형
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사단법인 우디즘목재이용연구소
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Definitions

  • the present invention relates to a flame retardant composition for wood and wood materials, and flame retardant wood and flame retardant wood materials using the same.
  • the present invention relates to a flame retardant composition made of a high concentration boron compound, that is, an inorganic agent of boric acid and sodium borate, and a phenol resin. It relates to a flame retardant composition for wood and wood-based materials and a method for manufacturing flame-retardant wood or flame-retardant wood materials that uses the same to improve adhesion weakening due to inorganic treatment or weak properties against moisture.
  • Wood is an environmentally friendly, human-friendly, and sustainable material that has been widely used in furniture and wooden buildings, including household tools and various utensils, from primitive times to recent times, and has a deep and inseparable relationship with humans.
  • wood which can contain carbon dioxide
  • wood buildings which can use wood for a long time, has begun to be recommended.
  • this wood has the disadvantage of rotting or burning.
  • various flame retardant-related researches have been continued, especially to provide fire resistance performance.
  • the main reason is that, firstly, the solubility in water is low at room temperature (boric acid 4.72g, borax 4.71g at 20°C), and secondly, the temperature is raised to increase solubility, and during high-temperature dissolution treatment, precipitation crystals form on the surface of the wood, preventing penetration. The wood surface becomes contaminated due to efflorescence. (Example 80°C: solubility boric acid 23.6g, borax 44.3g). Thirdly, when the treated material comes in contact with water, the leaching property of the chemical is very high, and fourthly, wood treatment with boric acid and borate is known to cause a decrease in strength by interfering with the formation of adhesion not only between the same material but also between different materials. (Laks et al. 1990).
  • the present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and is a high-concentration phenol-boron system that complements the shortcomings of wood that is weak in fire, maintains a clean surface after treatment, prevents leaching by water, and provides dimensional stability and flame retardant performance.
  • the aim is to provide a wood flame retardant composition, flame retardant wood using the same, and a manufacturing method thereof.
  • the flame retardant composition for wood and wood-based materials according to the present invention is characterized in that it contains boric acid, sodium borate, and water-soluble phenolic resin.
  • the composition contains 16-36 wt% of the phenol resin, 8-18 wt% of boric acid, 10-22 wt% of sodium borate, and 18-40 wt% of boric acid and borate on a solid basis. Includes.
  • the content of components is based on solid content.
  • the phenol resin is characterized in that it is a liquid resol type prepared by adding phenol, formalin, and water to a resin reactor, adjusting the pH from 10.7 to 11.0 with sodium hydroxide (NaOH), and reacting.
  • NaOH sodium hydroxide
  • the phenol resin and the formalin were added at a molar ratio of 1:1.63 to 2.4 (mol) as phenol:formalin (35%), the pH was adjusted from 10.7 to 11.0 with sodium hydroxide (NaOH), and the pH was adjusted to 70.7%. It is characterized in that it is a liquid resol type manufactured by reacting at °C to 80°C.
  • resorcinol or bisphenol in addition, it further contains resorcinol or bisphenol, and the resorcinol or bisphenol is characterized in that it is a liquid resol type capable of producing a cocondensation resin with phenol.
  • the resorcinol is characterized in that it contains 10-40wt%.
  • the resorcinol is 23 to 33 wt%
  • the phenol resin is 15 to 21 wt%
  • the resorcinol/phenol resin is 38 to 54 wt%
  • boric acid is 6.8 to 10.9 wt%
  • sodium borate is. It is characterized by containing 8.5 to 13.7 wt% of silver and 15.3 to 24.6 wt% of boric acid and borate.
  • boric acid and borate are mixed to make a boric acid-borate mixture
  • the boric acid-borate mixture is a boric acid-borate solution by adding 25.53 wt% of boric acid and 31.91 wt% of borate (borax) to water and raising the temperature to 90°C to 100°C. It is characterized by making a transparent boric acid/borate mixture that is highly soluble in water and reacting by mixing it with a phenol resin.
  • step S3 injecting the wood flame retardant of the phenol resin/borate borate compound obtained in step S2) into the wood or wood-based material;
  • step S2) includes S2-1) preparing a phenol resin; S2-2) mixing boric acid and borate in a solvent to prepare a boric acid/borate mixture; S2-3) reacting by mixing the boric acid/borate mixture with the phenol resin.
  • S5 it is characterized by further comprising the step of manufacturing the final wood material through a hot pressure process according to the wood element.
  • wood or wood-based materials include veneers, boards, particles, strands, and fibers obtained from raw wood, and plywood, veneer laminate (LVL), laminated wood, structural cross-laminated wood (CLT), particle board, strand board, It is characterized by being a fiberboard.
  • step S2-1) of preparing the phenol resin 94 g (1 mol) of phenol, 139.5-205.7 g (1.63-2.4 mol) of 35% formalin, and 14-20 g of water were added to the resin reactor and sodium hydroxide (NaOH) was added to the resin reactor. It is characterized by adjusting the pH from 10.7 to 11.0 and reacting at 70°C to 80°C to create a liquid resol type.
  • step S2-2 boric acid and borate are added to water to increase the temperature to 90°C to 100°C, and after making boric acid and borate mixtures that are highly soluble in water until they become transparent, in step S2-3),
  • the prepared phenol resin is mixed with 16 to 36 wt% of phenol resin, 8 to 18 wt% of boric acid, 10 to 22 wt% of sodium borate, and 18 to 40 wt% of boric acid and borate. It is characterized by being made by reaction.
  • step S2 After preparing the phenol resin/borate compound in step S2), resorcinol is added to the phenol resin/borate compound to produce a wood flame retardant.
  • step S3 is characterized by diffusion and penetration at normal pressure.
  • step S3) the injection method is a pressure-reduction method, and the main pressure is 10 to 25 kg/cm2 for 30 to 120 minutes.
  • step S3) the pre-exhaust period is 30 minutes and the post-exhaust period is 10 to 30 minutes before and after the main pressure.
  • step S4) includes a curing step of stabilizing the injection-treated wood or woody material at room temperature, drying the wood or woody material for a certain period of time at 50-70°C, and then curing the resin at 100-150°C. It is characterized by
  • the veneer is plywood or veneer laminate (LVL)
  • the plate is laminated lumber or structural cross-laminated lumber (CLT)
  • the particles are particleboard
  • the strands are strandboard
  • the fibers are It is characterized by being manufactured from fiberboard.
  • the flame retardant composition according to the present invention uses an inorganic agent due to the influence of the phenol resin, but the weakening of adhesion due to the inorganic treatment and the property of being weak against moisture are improved, and the reaction between the high concentration of boric acid / borate mixture and the phenol resin is improved.
  • the compound provides a wood flame retardant composition that can be stored for up to 2 months at room temperature (25-30°C), and is used as an auxiliary agent when using existing inorganic agents such as boric acid and borate as a fire retardant agent at less than 8% (Wt%). Unlike others, it is formulated at a high concentration of up to 40% by weight and can be used as a main agent (fireproof adhesive). Therefore, a highly concentrated mixture of boric acid and borate and a flame retardant made from a reaction compound with phenol resin can be an adhesive that can maximize the fire resistance effect of wood.
  • a wood flame retardant composition which improve adhesion weakening and moisture weakness, are not easily leached by water, have high dimensional stability, and improve flame retardancy.
  • FIG. 1 is a photograph of wood treated with flame retardancy according to an embodiment of the present invention.
  • the wood pattern is well preserved, no different from untreated wood.
  • Figure 2 is a comparative photo of untreated wooden boards and flame retardant treated boards before and after the leaching test (KS M 1701).
  • Figure 3 is a comparative photo of untreated particle board and flame retardant treated particle board before and after the leaching treatment test (KS M 1701-2018).
  • the thickness swelling ratio on the right side of 1 is 48% and the thickness is very swollen, whereas the fire retardant treated particle board (on the right side of 2) has a thickness swelling ratio of 12%, showing very high dimensional stability. there is.
  • Figure 4 shows surface views of the results of an ignition test using a cone calorimeter on wood treated with flame retardancy according to an embodiment of the present invention. You can see that a carbonized layer has been formed on the surface due to the high temperature and the back is clean.
  • Figure 5 is a flow chart of the manufacturing process of flame-retardant wood or flame-retardant wood material according to the present invention.
  • FIGS 6 to 14 are graphs showing the results of total heat release rate (THR) and heat release rate (HRR) from the performance test of the cone calorimeter presented in KS F ISO 5660-1 of fire-retardant treated wood according to an embodiment of the present invention. am. All of them meet the standards of flame retardancy level or higher.
  • the flame retardant composition for wood and wood-based materials according to the present invention includes boric acid, sodium borate, water-soluble phenol formaldehyde resin, and water.
  • phenolic resin solid content
  • boric acid solid content
  • sodium borate solid content
  • Boric acid/borate total solids may contain 18-40wt%.
  • the phenol resin is a liquid resol type, and in the present invention, the flame retardant composition may further include resorcinol or bisphenol.
  • Resorcinol or bisphenol is a liquid resol type that can be produced as a cocondensation resin with phenol.
  • the flame retardant composition may contain 10-40 wt% of resorcinol.
  • resorcinol resin solid content
  • phenol resin solid content
  • resorcinol ⁇ phenol resin total solid content
  • boric acid boric acid
  • Boric acid and borate are mixed to make a mixture of boric acid and borate.
  • This mixture of boric acid and borate is, for example, a boric acid and borate solution.
  • the flame retardant composition for wood and wood materials of the present invention includes the steps of preparing a phenol resin, mixing boric acid and borate in a solvent to prepare a boric acid/borate mixture, and mixing the boric acid/borate mixture with the phenol resin. It is manufactured including three reaction steps.
  • phenol, formalin, and distilled water are added to a reactor at room temperature, the pH is adjusted, and the reaction is performed at a predetermined temperature for a predetermined time to produce a resol-type phenol resin.
  • Phenol and formalin can be added to the resin reactor at a molar ratio of phenol:formalin of 1:1.63 to 2.4 (mol).
  • 94 g (1 mol) of phenol, 139.5-205.7 g (1.63-2.4 mol) of formalin 35%, and 14-20 g of distilled water were added to the reactor at room temperature, the pH was adjusted from 10.7 to 11 with NaOH, and the temperature was 70-80°C.
  • Resol-type phenol resin (resin solid content: 51-53.4%, pH: 10.7-10.98, viscosity: 32-38.4 cp) as an intermediate product with very high pH and low temperature and short reaction time by reacting for 1 hour. makes
  • phenol derivatives such as resorcinol and bisphenol can be used in place of phenol, and it is also possible to produce resorcinol/phenol co-condensation resin by mixing it with phenol.
  • boric acid and borate are added and the temperature is raised to a predetermined temperature to prepare a mixture of boric acid/borate that is highly soluble in water until it becomes transparent.
  • a boric acid/borate solution which is a boric acid/borate mixture, is a specific example of adding 25.53 wt% of boric acid and 31.91 wt% of borate (borax) to water (42.56 wt%), raising the temperature to 90°C-100°C, and mixing the water until it becomes transparent.
  • a mixture of boric acid and borate salts, which are highly soluble in can be prepared.
  • the boric acid/borate mixture prepared as described above and the phenol resin are mixed and reacted.
  • the solid content of phenol resin was 16-36 wt%
  • the solid content of boric acid was 8-18 wt%
  • the solid content of sodium borate was 10-22 wt.
  • the total solid content of boric acid and borate is mixed to a ratio of 18-40 wt% and reacted for two hours to create a water-resistant wood flame retardant composition. It is in liquid form and can be stored for up to 2 months at a temperature of 20-30°C.
  • the phenol resin solid content is low and the resorcinol resin solid content is also low, so the sum of the phenol resin solid content and resorcinol solid content is less than 30 wt%. In this case, more importance is placed on flame retardant treatment rather than adhesion due to the flame retardant effect and dimensional stability of the flame retardant treated product.
  • the sum of phenol resin solids and resorcinol solids exceeds 40 wt%, adhesion becomes the main factor and at the same time, the flame retardant effect becomes more important.
  • CLT which is used as a structural material as well as plywood, it can sufficiently serve as a fire-resistant structure that allows each member for each purpose to withstand a fire for more than a certain period of time in the event of a fire.
  • Figure 5 is a flow chart of the manufacturing process of flame-retardant wood or flame-retardant wood material according to the present invention.
  • the method for producing flame-retardant wood or flame-retardant wood material according to the present invention includes the steps of S1) preparing wood or wood material; S2) Preparing a wood flame retardant of a phenolic resin and boric acid borate compound; S3) injecting the wood flame retardant of the phenol resin/borate borate compound obtained in step S2) into the wood or wood-based material; S4) drying and curing the injection-treated wood or wood-based material.
  • step S2) is preparing a phenol resin; Preparing a boric acid/borate mixture by mixing boric acid and borate in a solvent; It includes the step of mixing and reacting the boric acid/borate mixture with the phenol resin.
  • a step of manufacturing the final wood material through a hot pressure process according to the wood elements may be further included.
  • wood or wood material is first prepared.
  • Wood is divided into various elements depending on how it is used. Wood can be manufactured and turned into boards or square lumber, it can be cut or cut into thin plates, or veneers, and it can be made by grinding or crushing it into particles or fibers. Wooden materials are made from these wood elements (particles, fibers, veneers, boards), that is, particleboard is made of particles, fiberboard is made of fibers, strand board (OSB) is made of strands, and veneers are made of strandboard (OSB).
  • the flame retardant agent is processed according to this process (mixing, injection, painting, covering, etc.).
  • a flame retardant composition for wood and wood-based materials as described above is prepared.
  • the injection method is determined depending on the wood elements and thickness, ranging from diffusion penetration at room temperature to a pressurization method and a method of both exhaust and pressure treatment. .
  • the plate can be pressurized at 10-25 kg/cm2 for two hours, or by decompression/pressurization method, pre-exhaust (0.08 MPa) for 30 minutes, pressurized at 15-25 kg/cm2 for one hour, post-exhaust (0.08 MPa). MPa) for 10-30 minutes.
  • the temperature is generally 60°C from room temperature.
  • Ready-made products such as plywood, veneer laminated lumber, and laminated lumber are also processed in the same manner as plate lumber. In the case of veneer, it is treated for 30 to 120 minutes at a pressure of 10 to 25 kgf/cm2, depending on the tree species. Particles or fibers are injected and applied through friction and internal diffusion by mixing the flame retardant in a mixer and rotating it for 30 minutes.
  • the next step is drying and curing the wood and woody materials injected with flame retardants, which are stabilized by drying and curing for a certain period of time at 50-70°C, preferably 60°C, depending on the wood elements, tree species, core sapwood, and thickness. It goes through a step of curing the phenol resin in the flame retardant at 100-150°C.
  • plates can be dried and cured at 60°C for 24 to 48 hours and cured at 105°C for 24 hours to produce flame-retardant treated wood.
  • veneer is thin, for example, flame retardant veneer is manufactured by dry curing at 60°C for 12 to 24 hours and curing at 105°C for 6 to 12 hours.
  • particles or fibers are dried at 60°C for 12 to 24 hours and then cured at 105°C to 150°C for 30 minutes to 2 hours.
  • wood and boards can be used as they are in dried and hardened wood and wood materials, but veneers, particles, fibers, and even plates go through the next step, the heat pressure process, to manufacture final wood materials. .
  • the treated boards are used to make laminated lumber or structural cross-laminated boards (CLT), which are made using resorcinol adhesives or phenol-resorcinol co-condensation adhesives.
  • CLT structural cross-laminated boards
  • the treated veneer is used to make plywood and veneer laminate (LVL) using adhesives.
  • the treated particles or fibers are manufactured into particleboard or fiberboard using an adhesive and a typical heat pressure schedule. For example, after forming a mat by adding 10% of melamine resin (solid content 53%) and 3% of 20% solution of hardener NH 4 Cl to flame retardant treated particles, the mat is heated at 175°C in a heat press at 45-30-20 kg/cm2 (2 -3.3-2 minutes) A heat pressure schedule of 7 minutes and 30 seconds is applied to manufacture flame retardant particle board by heat pressure.
  • the flame retardant composition for wood and wood-based materials, and the method for manufacturing flame-retardant wood and flame-retardant wood materials according to the present invention can improve flame retardant performance while reducing the burden on the environment, improve the original physical properties of wood and wood materials, and By maintaining its natural patterns and aesthetics, it can be applied to everything from wooden houses, wooden furniture, wooden cultural assets, and various household utensils.
  • Radiata pine board (100 mm * 10 mm * 400 mm, longitudinal sealing) is placed in a pressurized injector filled with wood flame retardant composition, and injected at 43°C for 30 minutes at a pressure of 20 kg/cm2 for 30 minutes, 1 hour at a pressure of 20 kg/cm2, and then for 1 hour at a pressure of 20 kg/cm2. (0.08 MPa) for 10 minutes and subjected to reduced-pressure treatment.
  • the flame retardant is a boric acid/borate solid content made with phenolic resin solid content of 20.8 wt%, boric acid solid content of 15.3 wt%, sodium borate solid content of 19.2 wt%, and total boric acid/borate solid content of 34.5 wt%.
  • a flame retardant with an amount 1.66 times greater than the solid content of phenol resin was used.
  • the board injected through the fire-retardant treatment was dried and cured at 60°C for 24 hours and hardened at 105°C for 24 hours to produce fire-retardant treated wood.
  • the fire resistance results of the cone calorimeter of the flame retardant treated board are as follows.
  • the weight percent gain (WPG) was 48.28%, the ignition time was 100 seconds, and the weight loss rate was 8.24%.
  • the results of the cone calorimeter performance test presented in KS F ISO 5660-1 are shown in Figure 6 ((a) :Total heat release rate (THR), (b):Heat release rate (HRR)) It satisfied the flame retardant grade.
  • FIG. 1 is a comparative photo of an untreated board and a flame retardant treated board before and after a leaching test.
  • the wood surface of the untreated board (right side of 1) is severely cracked due to 10 leaching treatments, but the wood surface of the flame retardant treated material (right side of 2) is as before treatment. It shows that the dimensional stability is very high due to its cleanliness.
  • Radiata pine boards (100 mm * 10 mm * 400 mm, longitudinal sealing) were placed in a pressure injector filled with a wood flame retardant composition and pressure treated at 60°C at a pressure of 14 kg/cm2 for 2 hours.
  • the flame retardant is a boric acid/borate solid content made with phenolic resin solid content of 20.8 wt%, boric acid solid content of 15.3 wt%, sodium borate solid content of 19.2 wt%, and total boric acid/borate solid content of 34.5 wt%.
  • a flame retardant 1.66 times more than the phenolic resin solid content was used, and the weight gain ratio (WPG) of the treated Radieta pine (10 mm thick) was 63.76%.
  • the injected board was dried and cured at 60°C for 24 hours and hardened at 105°C for 24 hours to produce flame retardant treated wood.
  • the laminated material of the flame retardant treated board was manufactured by heat pressing two sheets of phenol resin from S company (coating amount 200g/m2, 150°C, 10kgf/cm2, 35min.).
  • Larch veneer (2.4 mm thick) was placed in a pressure injector filled with wood flame retardant and pressure treated at 60°C at a pressure of 14 kg/cm2 for 2 hours.
  • the liquid flame retardant was prepared with a composition of 20.8 wt% phenolic resin solids, 15.3 wt% boric acid solids, 19.2 wt% sodium borate, and 34.5 wt% total boric acid/borate solids.
  • the veneer injected through the fireproofing treatment was dry-cured at 60°C for 24 hours and hardened at 105°C for 24 hours.
  • a 5-ply plywood (phenolic resin application amount of 200 g/m2, 150°C, 10 kgf/cm2, 20 min.) was manufactured by heat pressing.
  • the fire resistance and physical properties results of the cone calorimeter of plywood manufactured from flame retardant treated veneer are as follows.
  • the weight percent gain (WPG) was 30.09%, the ignition rate was 99 seconds, and the weight loss rate (300 seconds) was 13.28%.
  • the results of the cone calorimeter performance test presented in KS F ISO 5660-1 are also shown. It satisfied the flame retardant grade as shown in 8 ((a): Total heat release rate (THR), (b): Heat release rate (HRR)).
  • Ready-made plywood products (larch 2.4mm thick veneer, 13 plywood, size (T)30*(W)100*(L)300mm, radiata pine 2.4mm thick veneer, 9 plywood, (T)21*(W)100* (L) 300 mm) and a flame retardant were placed in a pressurized machine, and the flame retardant was pressurized at 60° C. for 2 hours at a pressure of 14 kg/cm2.
  • the flame retardant has boric acid and borate solid content/phenolic resin solid content of 1.66, phenolic resin solid content of 20.8 wt%, boric acid solid content of 15.3 wt%, and sodium borate solid content of 19.2 wt%.
  • a domestic wood flame retardant made with a total solid content of 34.5 wt% was used.
  • the board injected through the fire-retardant treatment was dried and cured at 60°C for 24 hours and hardened at 105°C for 24 hours to produce fire-retardant treated wood.
  • the weight increase rate of the flame retardant treated plywood due to the fire retardant treatment was 22.46 ⁇ 0.49%, while the result of the leaching test showed that the weight loss rate was only 7.2 ⁇ 0.27%, indicating that a significant amount of the flame retardant remained in the product and the leaching resistance was very high. And it was found.
  • the flame retardant is a boric acid/borate solid content made with phenolic resin solid content of 20.8 wt%, boric acid solid content of 15.3 wt%, sodium borate solid content of 19.2 wt%, and total boric acid/borate solid content of 34.5 wt%.
  • a flame retardant with an amount 1.66 times greater than the solid content of phenol resin was used. This flame retardant was mixed and treated in an applicator at 30% and 50% of the total dry particles, dried at 60°C for 24 hours, and then cured at 150°C for 30 minutes.
  • melamine resin (53% solid content) was added to 10% of the total dry weight of the particle and a 20% solution of NH 4 Cl as a hardener was added to 3% of the resin weight to form a mat, and then pressed at 45-30-20 kg in a heat press at 175°C.
  • Flame-retardant particle board was manufactured by heat pressing by applying a pressure of /cm2 and a heat pressure time schedule of (2-3.3-2 minutes) 7 minutes and 30 seconds.
  • the fire resistance performance results of the cone calorimeter of 30% flame retardant treated particle board were as follows.
  • the fire resistance performance results of the cone calorimeter of 50% flame retardant treated particle board are as follows.
  • General physical properties (30wt% flame retardant particle board/50wt% flame retardant particle board/untreated particle board) are density 0.92 ⁇ 0.05/1.01 ⁇ 0.07/0.81 ⁇ 0.06 g/cm2, moisture content 6.733 ⁇ 0.19 /7.267 ⁇ 0.64/6.81 ⁇ 0.42% , the flexural strength is 21.894 ⁇ 1.89/23.605 ⁇ 1.76/22.783 ⁇ 0.70 N/mm2, the wet flexural strength is 7.01 ⁇ 0.67/7.56 ⁇ 0.81/6.53 ⁇ 0.97 N/mm2, and the peel strength is 0.81 ⁇ 0.05/0.904 ⁇ 0.07. /0.97 ⁇ 0.09 It was N/mm2.
  • the wet flexural strength actually increased as the amount of treatment increased compared to untreated, and it was found that the flexural strength when wet with water increased compared to untreated, and the particle board treated with the developed flame retardant of phenolic resin, boric acid, and borate compound
  • the weight loss (WPL: weight percent loss) of (30% flame retardant particle board/50% flame retardant particle board) was 10.16 ⁇ 0.03%/15.26 ⁇ 0.05%, compared to the weight increase rate.
  • the leaching test results of the untreated particle board on the right side of 1 in Figure 3 showed a thickness swelling ratio of 48 ⁇ 0.8%, which showed that the thickness was greatly swollen, whereas the 50
  • the % flame retardant treated particle board (right side of 2) has a thickness swelling ratio of 12 ⁇ 0.3%, showing very high dimensional stability. Therefore, the flame retardant treatment of this phenolic resin, boric acid, and borate compound developed by trapping boric acid and borate inside the wood under the influence of the phenolic resin or sealing them helps in dimensional stability by compensating for the decrease in adhesion caused by boron and the disadvantages against water. Given this, it was found that treatment with boric acid and borate flame retardants alone was able to compensate for the shortcoming of low internal bonding strength.
  • a larch veneer (2.4 mm thick) was placed in a pressure injector filled with the wood flame retardant and subjected to pressure treatment at 40°C at a pressure of 25 kg/cm2 for 1 hour.
  • the veneer injected through fireproof treatment was dry-cured at 60°C for 24 hours and hardened at 105°C for 24 hours.
  • a 5-ply plywood (phenolic resin application amount of 200 g/m2, 150°C, 10 kgf/cm2, 20 min.) was manufactured by heat pressing.
  • the fire resistance and physical properties results of the cone calorimeter of plywood manufactured from flame retardant treated veneer are as follows.
  • Example 7 Manufacturing of flame retardant board made with flame retardant adhesive of resorcinol phenol resin ⁇ borate mixture (RPB: resorecinol-phenol resin ⁇ boron complex)
  • the soluble boric acid/borate mixture After making the soluble boric acid/borate mixture, it was reacted with the prepared phenol resin while maintaining the temperature at 60°C, so that the phenolic resin solid content was 23.4 wt%, the boric acid solid content was 14.03 wt%, and the borate solid content was 14.03 wt%. React for two hours so that the total solid content of boric acid and borate is 31.57 wt% at 17.54 wt%. Afterwards, while maintaining the temperature at 60°C, 30 g of resorcinol was added, stirred for 15 minutes to dissolve, and reacted for two hours to produce a water-resistant wood flame retardant adhesive.
  • the composition of the resorcinol-phenol co-condensation resin (Phenolic resin) as a flame retardant adhesive prepared in this way is 18.6 wt% of phenolic resin solids and 28.6 wt% of resorcinol resin solids, and the total solids of the adhesive is 47.2 wt% and boric acid.
  • the solid content was 9.1 wt%
  • the solid content of sodium borate was 11.4 wt%
  • the total solid content of boric acid and borate was 20.5 wt%
  • the remainder was distilled water 32.3 wt%.
  • This flame-retardant adhesive not only provides a flame-retardant effect by hardening the adhesive layer to become a fire-resistant layer, but also provides flame-retardant performance by spreading the flame-retardant component from this adhesive to adjacent constituent wood materials, such as veneers or boards.
  • the pH of the resorcinol-phenol cocondensation resin ⁇ borate borate mixture (RPB) flame retardant adhesive prepared in this way was 7.62 and the viscosity was 48.3 cps.
  • Five-ply plywood was manufactured by applying a flame retardant adhesive prepared at a weight ratio of 100 parts by weight to 15 parts wheat flour to 30 parts by weight to a 2.4 mm thick radiata pine veneer at a rate of 200 g/m2, and the plywood heat pressure condition was 10 kgf. /cm2, 150°C, 20 minutes.
  • Resorcinol, phenol co-condensate, boric acid, and borate mixture (RPB) flame retardant adhesive is applied and coated on the surface of the manufactured plywood at an application rate of 300 g/m2, dried at 25-30°C for 24 hours, and then cured at 150°C for 30 minutes. I ordered it.
  • the general physical properties of the manufactured plywood are density 0.65 ⁇ 0.01/0.43 ⁇ 0.03 g/cm2 and moisture content 4.7 ⁇ 0.15/4.8 ⁇ 0.20%.
  • the density increased with the injection of flame retardants, and the state is non-waterproof.
  • the flame retardant grade is when measured with a cone calorimeter, the heat release rate must be less than 200kW/m2 by measuring 50kW of heat for 5 minutes, and the total heat release rate must satisfy 8MJ/m2.
  • the semi-non-flammable grade is measured by measuring 50kW of heat for 10 minutes.
  • the heat release rate must be less than 200kW/m2 and the total heat release rate must be 8MJ/m2.
  • Figure 4 shows surface views of the results of an ignition test using a cone calorimeter on untreated wood and fire-retardant treated wood according to an embodiment of the present invention.
  • a carbonization layer is formed on the surface due to high temperature, but the back side is clean, and it can be seen that the thickness of the carbonization layer is significantly reduced compared to untreated boards, etc. .
  • a phenol resin is used as a carrier to accommodate the same, not only to produce a stable flame retardant, but also to produce a stable flame retardant, and to use the inorganic substances of boric acid/borate. It plays a role in improving the weakening of adhesion due to treatment or the property of being weak against moisture, and a pro-adhesive flame retardant agent is manufactured from a stable phenolic resin compound with a mixture of boric acid and borate, keeping the natural pattern and surface of the wood clean.
  • flame retardant wood with excellent flame retardancy can be provided. Therefore, the flame-retardant wood according to an embodiment of the present invention can be particularly suitably used as various construction materials such as building walls, ceilings, floors, bathroom wood, and doors, as well as materials such as furniture, bedding, and interior decoration.

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Abstract

본 발명에 따른 목재 및 목질재료용 난연제 조성물은 붕산(Boric acid), 붕산염(Sodium borate), 페놀수지(Phenilic resin) 및 물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법은, S1) 목재 또는 목질재료를 준비하는 단계; S2) 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 제조하는 단계; S3) 상기 S2)단계에서 얻어지는 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 상기 목재 또는 목질재료에 주입하는 단계; S4) 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 건조-경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고농도 붕소 및 페놀수지 화합물을 이용한 목재 및 목질재료용 난연제 조성물, 이를 이용한 난연목재 또는 난연목질재료, 및 그 제조방법
본 발명은 목재 및 목질재료용 난연제 조성물과 이를 이용한 난연목재 및 난연목질재료에 관한 것으로, 상세하게는 고농도의 붕소화합물 즉 붕산(Boric acid)과 붕산염(sodium borate)의 무기질 약제와 페놀수지로 이루어지는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물과, 이를 사용하여 무기질 처리에 따른 접착력 약화현상이나 수분에 약한 성질을 개선하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법에 관한 것이다.
목재는 환경친화적이고 인체친화적이며 지속가능한 재료로서 원시시대로부터 최근까지 생활도구와 각종 용구를 포함, 가구와 목조건물에 널리 사용되고 있어 인간과 뗄레야 뗄 수 없는 깊은 관계를 갖고 있다. 더욱이 최근에 지구환경문제로 온난화가 진행되면서 이산화탄소의 통조림인 목재가 다시 각광을 받기 시작하면서 목재를 오래 사용할 수 있는 목재건물의 사용 등을 권장하기 시작하였다. 그러나 이러한 목재는 썩거나 불에 타는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 특히 화재에 대한 내화성능을 부여하기 위해 여러 가지 난연관련 연구가 계속되어 왔다.
붕산(Boric acid)과 붕산염(sodium borate)은 Gay-Lussac이 1823년에 내화성능을 발견한 이래, 목재, 종이 및 목질재료의 난연처리와 목재방부제, 흰개미방제에 널리 사용되어 왔다. 1970년대에 Minalith, Pyresote 라는 이름으로 붕산, 붕사, 무기염류의 혼합약제를 미국 AWPA에서 사용하였으며, 국내 대학 교과서(이등, 1981)에도 일찍이 소개하고 있다. 그런데 지금까지 붕소계열의 약제는 낮은 용해도로 인해 8% (Wt%) 이하의 낮은 함량(손 등 2013, 정 등 2018, 대한민국 특허 10-2015-0124482)으로 사용되어 내화약제의 보조제로만 사용되고 있다(이 1981, 목재공학 향문사, 손동원 외 2013: 붕산 붕사 각 3%, 친환경난연목재 제조기술개발. 산림과학원 연구보고 13∼20, 정영진 등: Fire Sci. Eng., Vol. 32, No. 2, pp. 1∼6, 2018: 4% ) (특허 대한민국 10-2015-0124482: 붕산 0.4∼1 중량%, 붕산염 1∼5중량%, 특허 대한민국 10-2021-0064800 : 붕산 0.6∼0.7 중량%, 붕사 0.1∼1 중량%).
그 주된 이유는 첫째 상온에서 물에 대한 용해도가 낮고(붕산 4.72g, 붕사 4.71g 20℃), 둘째로 용해도를 높이기 위하여 온도를 높여, 고온용해처리시 목재표면에 침전 결정이 생겨 침투를 방해하고 백화현상으로 인하여 목재표면이 오염이 된다. (예 80℃: 용해도 붕산 23.6g, 붕사 44.3g). 셋째로 처리재를 물에 접촉하면 약제의 용탈성(침출성)이 매우 높고, 넷째로 붕산·붕산염의 목재처리는 동일재료뿐 아니라 이종 재료간에도 접착형성을 방해하여 강도저하를 가져오는 것으로 알려져 있다(Laks et al. 1990).
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 불에 약한 목재의 단점을 보완하고 처리 후 표면의 상태가 깨끗이 유지되면서 물에 의한 용탈이 되지 않고 치수안정성과 난연성능을 부여하는 고농도 페놀-붕소계 목재 난연제 조성물, 이를 이용한 난연목재 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 목재 및 목질재료용 난연제 조성물은 붕산(Boric acid), 붕산염(Sodium borate), 및 수용성 페놀수지(Phenolic resin)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 조성물은 고형분기준으로 상기 페놀수지는 16-36 wt%, 붕산(Boric acid)은 8-18 wt%, 붕산염(Sodium borate) 10-22 wt%로, 붕산·붕산염은 18-40wt%를 포함한다. 이하, 구성성분의 함량은 고형분 기준으로 한다.
상기 페놀수지는 수지반응기에 페놀, 포르마린, 물을 투입하고 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0으로 조정하고 반응시켜 제조된 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 한다.
상기 페놀수지는 상기 수지반응기에서 상기 페놀과 상기 포르마린은 페놀:포르마린(35%)로 몰비 1:1.63~2.4(mol)로 투입하고 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0으로 조정하고, 70℃∼80℃에서 반응시켜 제조된 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 한다.
또한, 레조르시놀 또는 비스페놀을 더 포함하고, 상기 레조르시놀 또는 비스페놀은 페놀과의 공축합수지 제조가 가능한 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레조르시놀은 10-40wt% 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레조르시놀은 23∼33 wt%, 페놀수지 15∼21wt%로 레조르시놀·페놀수지는 38∼54 wt%, 붕산(Boric acid)은 6.8∼10.9 wt%, 붕산염(Sodium borate)은 8.5∼13.7 wt%로서 붕산·붕산염은 15.3∼24.6 wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 붕산 및 붕산염을 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 만들고 상기 붕산·붕산염 혼합물은 붕산붕산염 용액으로 붕산 25.53wt%, 붕산염(붕사) 31.91wt%를 물에 넣어 온도를 90℃∼100℃까지 높여 투명하게 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물을 만들어 페놀수지에 혼합하여 반응하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법은
S1) 목재 또는 목질재료를 준비하는 단계;
S2) 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 제조하는 단계;
S3) 상기 S2)단계에서 얻어지는 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 상기 목재 또는 목질재료에 주입하는 단계; 및
S4) 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 건조,경화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S2) 단계는 S2-1) 페놀수지를 제조하는 단계; S2-2) 붕산과 붕산염을 용매에 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 제조하는 단계; S2-3) 상기 붕산·붕산염 혼합물과 상기 페놀수지를 혼합하여 반응하는 단계;를 포함한다.
또한, S5) 목질요소에 따라 열압공정을 거쳐 최종목질재료를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목재 또는 목질재료는 원목에서 얻은 단판, 판재, 파티클, 스트랜드 및 섬유와 이들로부터 만든 합판, 단판적층재(LVL), 집성재, 구조용 직교집성판(CLT), 파티클보드, 스트랜드보드, 섬유판인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S2-1) 페놀수지를 제조하는 단계는 수지반응기에 페놀 94g(1몰), 35% 포르마린 139.5∼205.7g(1.63-2.4 mol), 물 14∼20g을 투입하고 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0로 조정하고, 70℃∼80℃에서 반응시켜 액상형 레졸(resol)형을 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S2-2) 단계에서 붕산, 붕산염을 물에 넣어 온도를 90℃∼100℃까지 높이고, 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물들을 만든 후에, S2-3) 단계에서 상기 제조된 페놀수지에 페놀수지 16∼36 wt%, 붕산(Boric acid) 8∼18 wt%, 붕산염(Sodium borate) 10∼22 wt%로, 붕산·붕산염이 18∼40wt%의 비율로 되도록 혼합하여 반응시켜 만든 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S2) 단계에서 페놀수지· 붕산붕산염 화합물을 제조한 후 상기 페놀수지· 붕산붕산염 화합물에 레조르시놀을 추가하여 목재 난연제를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S3) 단계에서 주입방법은 상압에서 확산침투하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S3) 단계에서 주입방법은 가압감압방법으로 이루어지고, 주가압은 10∼25kg/㎠ 로 30∼120분 까지 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S3) 단계에서 주가압 전후로 전배기 30분, 후배기 10∼30분을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S4) 단계에서는 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 상온에서 안정화시키고, 50~70℃에서 일정기간 동안 건조단계를 거친 후, 100-150℃에서 수지를 경화시키는 경화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S5) 단계에서는 단판(veneer)은 합판 또는 단판적층재(LVL)로, 판재는 집성재 또는 구조용 직교집성판(CLT)으로, 파티클은 파티클보드로, 스트랜드는 스트랜드보드로, 섬유는 섬유판으로 제조하는 것을 특징으로 한다.
따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 난연제 조성물은 페놀수지의 영향으로 무기질 약제를 사용하지만 무기질 처리에 따른 접착력 약화현상이나 수분에 약한 성질이 개선되면서, 고농도의 붕산·붕산염 혼합물과 페놀수지의 반응 화합물은 상온(25-30℃)에서 최대 2개월간 보존되는 목재 난연제 조성물을 제공하면서 기존의 붕산, 붕산염의 무기 약제를 내화약제로 사용할 경우 8% (Wt%)이하로 조성되면서 보조약제로 사용하는 것과는 달리 40중량%까지의 고농도로 조성이 되며, 주약제(내화접착제)로 사용할 수 있다. 따라서 농도가 높은 조성의 붕산·붕산염에 의한 혼합물과 페놀수지와의 반응 화합물에 의한 난연제는 목재의 내화효과를 극대화 할 수 있는 접착제가 될 수 있다.
본 발명에 따르면 접착력 약화현상이나 수분에 약한 성질이 개선되며 물에 의하여 잘 용탈되지 않고 치수안정성이 높고 난연성이 향상되는 목재 난연제 조성물, 난연목재 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 난연 처리된 목재 사진이다. 무처리 목재와 차이없이 목재의 무늬가 잘 살아있다.
도2는 목재 판재의 무처리판재와 난연처리 판재의 용탈시험(KS M 1701) 전후의 비교사진이다.
도 3은 무처리파티클보드와 난연처리파티클보드의 용탈처리시험(KS M 1701-2018) 전후의 비교 사진이다. 무처리파티클보드의 용탈시험 결과 1의 오른쪽은 두께팽윤율 48%로서 두께가 많이 부풀어올라 있는데 반하여 난연처리파티클보드(2의 오른쪽)은 두께팽윤율이 12%로서 치수안정성이 매우 높음을 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 난연처리된 목재의 콘칼로리메타의 착화 시험 결과의 표면 모습들이다. 높은 온도에 의하여 표면은 탄화층이 형성되어 있고 뒷면은 깨끗한 것을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료의 제조공정 흐름도이다.
도 6 내지 도14는 본 발명의 실시예에 따라 난연처리된 목재의 KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리메타의 성능시험에 의한 총열방출율(THR)과 열방출율(HRR)의 결과 그래프이다. 모두 난연등급 이상의 기준을 만족시켜 주고 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 사전적 의미나 통상적인 의미로 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 목재 및 목질재료용 난연제 조성물은 붕산(Boric acid), 붕산염(Sodium borate), 수용성 페놀수지(Phenol formaldehyde resin) 및 물을 포함한다.
그리고, 난연제 조성물에서 페놀수지(Phenolic resin)(고형분)는 16-36 wt%, 붕산(Boric acid)(고형분) 8-18 wt%, 붕산염(Sodium borate)(고형분)은 10-22 wt%로 붕산·붕산염(전체고형분)은 18-40wt%를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 페놀수지는 액상형 레졸(resol)형이고, 본 발명에서 난연제 조성물은 레조르시놀(resorcinol) 또는 비스페놀을 더 포함할 수 있다. 레조르시놀 또는 비스페놀은 페놀과의 공축합수지 제조가 가능한 액상형 레졸(resol)형이다.
난연제 조성물에서 레조르시놀은 10-40wt% 포함할 수 있다.
또한, 난연제 조성물에서 레조르시놀 수지(고형분)은 23∼33 wt%, 페놀수지(고형분) 15∼21wt%로 레조르시놀·페놀수지(전체고형분)은 38∼54 wt%, 붕산(Boric acid) (고형분) 6.8∼10.9 wt%, 붕산염(Sodium borate)(고형분)은 8.5 ∼ 13.7 wt%로서 붕산·붕산염 (전체고형분)은 15.3∼24.6 wt%를 포함하여 이루어질 수 있다.
붕산 및 붕산염을 혼합하여 붕산·붕산염에 의한 혼합물을 만들고 이 붕산·붕산염에 의한 혼합물은 일예로서 붕산·붕산염 용액으로 붕산 25.53wt%, 붕산염(붕사) 31.91wt%를 물에 넣어 온도를 90℃∼100℃까지 높여 투명하게 물에 잘 녹는 붕산·붕산염에 의한 혼합물을 만들어 페놀수지에 혼합하여 반응할 수 있다.
그 다음, 상기와 같은 본 발명의 목재 및 목질재료용 난연제 조성물의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 목재 및 목질재료용 난연제 조성물로서 난연 약제는 페놀수지를 제조하는 단계와, 붕산과 붕산염을 용매에 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 제조하는 단계, 그리고 붕산·붕산염 혼합물과 페놀수지를 혼합하여 반응하는 세 단계를 포함하여 제조된다.
페놀수지를 제조할 때, 실온에서 반응기에 페놀, 포르말린, 증류수를 투입하고 pH를 조정하여 소정온도에서 소정시간동안 반응시켜 레졸형 페놀수지를 제조한다.
수지반응기에 페놀과 포르마린은 페놀:포르마린으로 몰비 1:1.63~2.4(mol)로 투입할 수 있다. 구체적인 일예로 실온에서 반응기에 페놀 94g(1몰), 포르마린 35% 139.5-205.7g(1.63-2.4 mol), 증류수 14-20g을 투입하여 pH를 NaOH로 10.7에서 11로 조정하여 온도 70-80℃에서 1시간 반응시켜 pH가 매우 높고, 낮은 온도와 짧은 반응시간을 적용한 중간산물로서의 레졸(resol)형 페놀수지(수지 고형분: 51-53.4%, pH:10.7-10.98, 점도: 32-38.4 cp)를 만든다.
또한 페놀을 대신하여 레조르시놀, 비스페놀 등 페놀유도체가 사용될 수 있으며 페놀과 혼용을 하여 레조르시놀·페놀 공축합수지의 제조도 가능하다.
상기 붕산·붕산염 혼합물을 제조하는 단계에서는 붕산, 붕산염(붕사)을 넣고 소정온도까지 높여 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염에 의한 혼합물을 제조한다.
붕산·붕산염 혼합물로서 붕산·붕산염 용액은 구체적인 일예로 붕산 25.53wt%, 붕산염 (붕사) 31.91wt%를 물(42.56wt%)에 넣어 온도를 90℃-100℃까지 높여, 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염에 의한 혼합물을 제조할 수 있다.
붕산·붕산염 혼합물과 페놀수지를 혼합하여 반응하는 단계에서는 전술한 바와 같이 각각 제조된 붕산·붕산염 혼합물과 페놀수지를 혼합하여 반응한다.
본 실시예에서는 상기 제조된 폐놀수지에 온도를 60℃로 유지시키면서, 페놀수지 고형분 16-36 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 8-18 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 10-22 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 18-40 wt%의 비율이 되도록 혼합하여 두 시간 반응시켜 내수형 목재 난연제 조성물을 만들게 되는데 액상형으로 20-30℃의 온도에서 최대 2개월간 보존 가능하다.
또는 이렇게 만든 페놀수지·붕산붕산염혼합물을 60℃로 유지한 상태에서 레조르시놀을 10-40wt% 첨가하여 2시간 더 반응시켜 20-30℃의 온도에서 보관하는 내수형 레조르시놀페놀수지·붕산붕산염혼합물의 난연제 조성물의 제조도 가능하다.
이렇게 만든 페놀레조르시놀수지·붕산붕산염 혼합물 또는 레조르시놀페놀수지·붕산붕산염 혼합물의 경우, 페놀수지 고형분이 낮고 레조르시놀수지 고형분도 낮아 페놀수지 고형분과 레조르시놀 고형분의 합이 30wt% 이하로 되는 경우는 난연처리 제품의 난연효과와 치수안정 쪽으로 접착보다는 난연처리에 중요성을 두는 경우가 되며, 페놀수지 고형분과 레조르시놀 고형분의 합이 40wt% 이상이 되면 접착이 주가 되고 동시에 난연효과가 부차적으로 작용하게 되므로, 합판이나 집성재의 제조시 사용하는 일반 접착제처럼 경화제와 필러를 첨가하여 냉압 또는 열압을 할 수 있다. 이 경우에는 목질재료에 사용하는 일반 접착제처럼 사용하므로 난연제의 주입처리에 따른 복잡한 공정과는 달리 공정이 단순하다. 이러한 난연접착제는 합판이나 집성재의 제조시 접착층(glue line)이 형성되기 직전에 인접 경계면의 목질부분으로 액상의 난연조성물이 일부 확산되어 들어가며, 또한 접착층 자체가 난연층이 형성되므로 접착층이 많을수록 난연층이 많게 되므로 난연층이 많은 합판은 집성재보다 보다 유리하게 작용하게 된다. 따라서 난연합판의 난연접착층이 많을수록 오래도록 화재 속에서 버틸 수 있게 하여 주는 역할을 담당하게 한다. 따라서 합판뿐만 아니라 구조재로 사용하는 CLT의 내부에 이러한 난연합판이 들어있는 경우에, 화재시 구조물이 용도별 부재별로 일정 시간 이상 버틸 수 있게 하는 내화구조 역할을 충분히 할 수 있게 된다.
그 다음으로 본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료 및 그 제조방법에 대해 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료의 제조공정 흐름도이다.
본 발명에 따른 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법은 S1) 목재 또는 목질재료를 준비하는 단계; S2) 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 제조하는 단계; S3) 상기 S2)단계에서 얻어지는 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 상기 목재 또는 목질재료에 주입하는 단계; S4) 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 건조-경화하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한, S2) 단계는 페놀수지를 제조하는 단계; 붕산과 붕산염을 용매에 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 제조하는 단계; 상기 붕산·붕산염 혼합물과 상기 페놀수지를 혼합하여 반응하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한, 추가적으로 S5) 목질요소(particle, fiber, veneer, board)에 따라 열압공정을 거쳐 최종목질재료를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 난연목재 및 난연목질재료의 제조방법으로는 먼저 목재 또는 목질재료를 준비한다. 목재는 사용하는 방법에 따라 여러가지 요소로 구분된다. 목재를 제제하여 판재나 각재로 켤 수 있고, 얇은 판 즉 단판(veneer)으로 깎거나 켤 수 있으며, 파티클(particle)이나 파이버(fiber)로 마쇄 또는 파쇄시켜 만들 수 있다. 이들 목재요소(particle, fiber, veneer, board)를 가지고 목질재료를 만들게 되는데, 즉 파티클로는 파티클보드, 파이버로는 파이버보드, 스트랜드(strand)로는 스트랜드보드(OSB), 단판(veneer)으로는 합판(plywood), 단판적층재(LVL, laminated veneer lumber), 판재로는 집성재(laminated lumber, glue-laminated timber, glulam)와 구조용 직교집성판(CLT: cross laminated timber) 등의 목질재료를 제조하게 되며 이 공정(혼합, 주입, 도장, 피목등)에 맞게 난연약제를 처리하게 된다.
다음으로 난연약제를 준비하는 단계로서 전술한 바와 같은 목재 및 목질재료용 난연제 조성물을 제조한다.
다음은 페놀수지· 붕산붕산염 화합물을 상기 목재 및 목질재료에 주입하는 단계로서, 주입방법은 목질요소와 두께에 따라 상온에서 확산침투하는 방법으로부터 가압방법과 배기와 가압처리를 같이 하는 방법이 결정된다.
판재는 수종에 따라 가압만 10∼25 kg/㎠에서 두 시간 행하거나, 감압·가압방법으로 전배기 (0.08 MPa) 30분, 가압 15∼25 kg/㎠의 압력에 한 시간, 후배기 (0.08 MPa) 10-30분을 시행한다. 이 때 온도는 상온으로부터 60℃가 일반적이다. 기성제품인 합판, 단판 적층재나 집성재도 판재에 준하여 처리한다. 단판인 경우는 수종에 따라 10∼25 kgf/㎠의 압력으로 30분∼120분 처리한다. 파티클이나 파이버는 난연제를 혼합기(MIXER)에서 혼합하면서 30분간 회전시켜 마찰과 내부확산을 통하여 주입 도포시킨다.
다음은 난연제가 주입처리된 목재 및 목질재료를 건조-경화하는 단계로서, 목재요소와 수종, 심변재, 두께에 따라 50-70℃, 바람직하게는 60℃에서 일정기간 동안 건조, 양생시켜 안정화하는 단계와 난연제 내의 페놀수지를 100∼150℃에서 경화시키는 단계를 거치게 된다. 판재는 일예로 60℃에서 24∼48시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켜 난연처리 목재를 제조할 수 있다. 단판은 두께가 얇기 때문에 일예로 60℃에서 12∼24시간 건조 양생하고 105℃에서 6∼12시간 경화시켜 난연단판을 제조한다. 파티클이나 파이버는 일예로 60℃에서 12∼24시간 건조 후, 105∼150℃에서 30분∼2시간 경화 처리시킨다.
다음은 건조·경화한 목재 및 목질재료에서 목재 및 판재는 처리된 그대로 사용할 수 있으나 단판(veneer), 파티클, 파이버는 물론 판재도 다음 단계인 열압공정을 거쳐 최종목질재료를 제조하는 단계를 거치게 된다.
처리된 판재는 집성재나 구조용 직교집성판(CLT)을 만들게 되는데 레조르시놀 접착제나 페놀레조르시놀 공축합 접착제를 사용하여 만들게 된다. 처리된 단판(veneer)은 접착제를 사용하여 합판과 단판적층재(LVL)를 만들게 된다. 처리된 파티클이나 파이버는 접착제를 사용하여 통상적인 열압스케쥴을 사용하여 파티클보드나 파이버보드를 제조한다. 일예를 들면 난연처리된 파티클에 멜라민수지(고형분 53%) 10%와 경화제 NH4Cl 20% 용액 3%를 첨가하여 매트 성형 후, 열압기에서 175℃에서 45-30-20 kg/㎠(2-3.3-2분)7분30초의 열압스케쥴을 적용, 열압하여 난연파티클보드를 제조하게 된다.
본 발명에 따른 목재 및 목질재료를 위한 난연제 조성물, 난연 목재 및 난연목질재료의 제조방법은 환경에 대한 부담을 줄이면서 난연성능을 향상시킬 수 있으며, 목재 및 목질재료의 본래의 물성을 향상시키고 목재의 자연적인 무늬와 심미성을 유지하여 목조주택, 목재가구, 목재문화재, 각종 생활용구에 이르기까지 그 적용이 모두 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 이 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이 발명의 취지에 따라 이 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 자명한 것이다.
[실시예 1] 난연판재처리
라디에타 소나무 판재(100 mm *10mm *400mm, 길이방향 실링)를 목재 난연제 조성물이 채워진 가압주입기에 넣고 43℃에서 전배기(0.08 MPa) 30분, 가압 20 ㎏/㎠ 의 압력으로 1 시간, 후배기 (0.08 MPa) 10분 처리하여 감압-가압처리하였다. 난연제는 페놀수지(Phenolic resin) 고형분이 20.8 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 15.3 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 19.2 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 34.5 wt%로 만든 붕산·붕산염 고형분의 양이 페놀수지 고형분보다 1.66배가 많은 난연제를 사용하였다.
상기 내화처리를 통해 주입된 판재는 60℃에서 24시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켜 난연처리 목재를 제조하였다. 난연처리된 판재의 콘칼로리미터의 내화성 결과는 다음과 같다.
중량증가율(WPG : weight percent gain)은 48.28%였고, 착화시간은 100초, 중량감소율은 8.24%로서 KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험을 한 결과 도6((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 난연등급을 만족시켰다
일반적인 물성(난연판재/무처리판재)은 밀도 0.60/0.42 g/㎠, 함수율 8.81/7.83 %였다. 또한 난연처리 판재의 중량증가율은 48.28 %였는데 반하여 용탈처리시험(KS M 1701-2018)의 결과는 중량감소율이 28.12±0.026 %로 난연제가 제품 속에 그대로 많이 남아 있어 용탈저항성이 매우 높아지는 효과가 있었다. 도2는 무처리판재와 난연처리 판재의 용탈시험 전후 비교사진으로서 10회의 용탈처리에 의하여 무처리판재(1의 오른쪽)는 목재표면이 심하게 갈라져 있으나 난연처리재(2의 오른쪽)는 처리전과 같이 깨끗함으로 치수안정이 대단히 높다는 것을 보여주고 있다.
[실시예 2] 라디에타파인 판재 난연처리후 집성재 제조
라디에타 소나무 판재 (100 mm *10mm *400mm, 길이방향 실링)를 목재난연제 조성물이 채워진 가압주입기에 넣고 60℃에서 가압 14 ㎏/㎠ 의 압력으로 2 시간, 가압처리하였다. 난연제는 페놀수지(Phenolic resin) 고형분이 20.8 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 15.3 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 19.2 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 34.5 wt%로 만든 붕산·붕산염 고형분의 양이 페놀수지 고형분보다 1.66배가 많은 난연제를 사용하였으며, 처리된 라디에타 소나무(Radieta pine, 10mm 두께)의 중량증가율(WPG)은 63.76%였다. 주입된 판재는 60℃에서 24시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켜 난연 처리 목재를 제조하였다. 난연처리된 판재의 집성재 제조는 2매로 S사의 페놀 수지를 사용하여(도포량 200g/㎡, 150℃,10kgf/㎠, 35min.) 열압하여 제조하였다.
난연처리된 라디에타파인 집성재의 콘칼로리미터의 내화성 결과는 다음과 같다.
착화시간은 착화가 되지 않았으며, 중량감소율(600초)은 7.16%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험을 한 결과 도7((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 준불연등급을 만족시켰다.
일반적인 물성(난연집성재/ 무처리집성재)은 밀도 0.60/0.42 g/㎠, 함수율 8.81/7.83 %였다.
[실시예 3] 단판 난연처리 후 합판제조
낙엽송 단판(2.4mm두께)을 목재 난연제가 채워진 가압주입기에 넣고 60℃에서 가압 14 ㎏/㎠ 의 압력으로 2 시간, 가압처리하였다. 액상 난연제는 페놀수지 고형분 20.8 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 15.3 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 19.2 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 34.5 wt%의 조성으로 제조된 난연제를 사용하였다. 상기 내화처리를 통해 주입된 단판은 60℃에서 24시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켰다. 이렇게 처리된 난연 처리 단판을 사용하여 5매합판(페놀수지 도포량 200g/㎡, 150℃, 10kgf/㎠, 20min.)을 열압하여 제조하였다. 난연 처리된 단판으로 제조된 합판의 콘 칼로리미터의 내화성과 물성의 결과는 다음과 같다.
중량증가율(WPG : weight percent gain)은 30.09% 였고, 착화성은 99초였으며, 중량감소율(300초)은 13.28%였고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험을 한 결과 도8((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 난연등급을 만족시켰다.
일반적인 물성(난연합판/ 무처리합판)은 밀도 0.75±0.11/0.67±0.04 g/㎠, 함수율 9.05±0.04/9.53±0.07 %, 인장전단접착력은 0.89±0.12/1.19 ±0.26 N/㎟ 그리고 내수인장강도는 0.82/0.84 N/㎟였다. 따라서 난연처리로 인하여 합판 밀도는 높아지고 난연제 처리로 인한 접착력의 저하는 없었으며, 붕산·붕산염 혼합물만의 처리재는 재단시 바로 접착부위가 떨어지는데 반해 새로 개발된 페놀수지·붕산붕산염화합물 난연제와는 크게 차이가 남을 알 수 있었다.
[실시예 4] 기성 합판 난연 처리
합판의 기성제품(낙엽송 2.4㎜ 두께 단판 13매합판, 크기 (T)30*(W)100*(L)300mm, 라디에타파인 2.4mm 두께 단판 9매 합판, (T)21*(W)100*(L)300mm)과 난연제를 가압기에 넣고 60℃에서 가압 14 ㎏/㎠ 의 압력으로 2시간, 난연제를 가압 처리하였다. 난연제는 붕산, 붕산염 고형분/페놀수지 고형분이 1.66으로, 페놀수지(Phenolic resin) 고형분이 20.8 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 15.3 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 19.2 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 34.5 wt%로 만든 내수형 목재 난연제를 사용하였다.
상기 내화처리를 통해 주입된 판재는 60℃에서 24시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켜 난연처리 목재를 제조하였다.
난연처리된 라디에타파인 합판의 콘칼로리미터의 내화성 결과는 다음과 같다.
착화시간은 140초이고, 중량감소율(300초)은 9.2%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험을 한 결과 도9((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))와 같이 난연등급을 만족시켰다.
일반적인 물성(난연합판/무처리합판)은 밀도 0.69/0.51 g/㎠, 함수율 7.70/7.44 %였다. 내화제에 의한 중량증가율(WPG : weight percent gain)은 36.3% 였다.
*84또한 난연 처리된 낙엽송 합판의 콘 칼로리미터의 내화성 결과는 다음과 같았다.
착화시간은 187초이고, 중량감소율(300초)은 7.94%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘 칼로리미터 성능시험을 한 결과 도10((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 난연 등급을 만족시켰다.
밀도 0.75±0.03/0.67±0.08g/㎠(난연합판/무처리합판), 함수율 9.05±0.12/9.53±0.10%, 인장 전단 접착력은 1.98±0.37/2.09 N/㎟ 그리고 내수 인장 강도는 0.82±0.078/0.84 N/㎟였다. 따라서 난연 처리로 인하여 합판 밀도는 높아지고 난연제 처리로 인한 접착력의 저하는 없었음을 알 수 있었다. 또한, 난연 처리 합판의 내화제 처리에 의한 중량증가율은 22.46±0.49%였는데 반하여 용탈 시험의 결과는 중량감소율이 7.2±0.27% 밖에 되지 않아 상당량의 난연제가 제품속에 그대로 남아 있어 용탈 저항성이 매우 높아졌음을 알 수 있었다.
[실시예 5] 난연 파티클보드 제조
난연제는 페놀수지(Phenolic resin) 고형분이 20.8 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 15.3 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 19.2 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 34.5 wt%로 만든 붕산·붕산염 고형분의 양이 페놀수지 고형분보다 1.66배가 많은 난연제를 사용하였다. 이 난연제를 전건 파티클에 대하여 30%, 50%로 도포기에서 혼합하여 처리시킨 후, 60℃에서 24시간 건조 후 150℃에서 30분 처리시켜 경화시켰다. 이 파티클에 멜라민수지(고형분 53%)를 파티클 전건중량의 10%와 경화제 NH4Cl 20% 용액을 수지 중량의 3%로 첨가하여 매트 성형 후, 열압기에서 175℃에서 45-30-20 kg/㎠의 압력과 (2-3.3-2분)7분30초의 열압시간 스케쥴을 적용, 열압하여 난연 파티클보드를 제조하였다. 30% 난연 처리된 파티클 보드의 콘칼로리미터의 내화성능 결과는 다음과 같았다.
착화시간은 42초이고, 중량감소율(300초)은 13.42%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘 칼로리미터 성능시험을 한 결과 도11((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 난연 등급을 만족시켰다.
50% 난연 처리된 파티클 보드의 콘칼로리미터의 내화성능 결과는 다음과 같다.
착화시간은 착화가 전혀 되지 않았고, 중량감소율(600초)은 24.39%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘 칼로리미터 성능시험을 한 결과 도12((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))와 같이 준불연 등급을 만족시켰다.
일반적인 물성(30wt%난연파티클보드/50wt%난연파티클보드/무처리파티클보드)은 밀도 0.92±0.05/1.01±0.07/0.81±0.06 g/㎠, 함수율 6.733±0.19 /7.267±0.64/6.81±0.42%, 휨강도는 21.894±1.89/23.605±1.76/22.783±0.70 N/㎟ 그리고 습윤휨강도는 7.01±0.67/7.56±0.81/6.53±0.97 N/㎟, 박리강도는 0.81±0.05/0.904±0.07/0.97±0.09 N/㎟였다.
지금까지 보고된 예로서 Yalinkilic.M.K 등(1998)은 붕산·붕사처리(4.7%처리) 파티클보드가 미처리파티클보드보다 내부접착력이 42.4% 감소한다고 보고하였는데 이 실시예의 비교치로서 실험한 붕산·붕산염용액만을 갖고 파티클중량의 40%를 난연처리한 파티클보드의 박리강도는 0.27 N/㎟로서 무처리파티클보드 0.97 N/㎟에 비교하면 72.2%가 감소하였는데 반하여 개발된 폐놀·붕산붕산염난연제처리는 파티클전건중량의 30%, 50%를 처리하였는데도 무처리에 비하여 통계적으로 차이가 없었다(F=1.826). 또한 여기서 습윤 휨강도는 무처리에 비하여 처리량이 증가함에 따라 오히려 증가하여 물에 습윤시 휨강도는 무처리에 비하여 높아짐을 알 수 있었으며, 개발된 페놀수지· 붕산·붕산염 화합물의 난연제를 처리한 파티클 보드의 용탈 처리 시험(KS M 1701-2018)의 결과 (30%난연파티클보드/ 50%난연파티클보드)의 중량감소(WPL: weight percent loss)는 10.16±0.03%/15.26±0.05%로 중량증가율에 비교하면 많은 난연제가 파티클보드 내에 그대로 남아 있어 높은 용탈저항성을 나타냈을 뿐만 아니라 도3의 1의 오른 쪽은 무처리 파티클 보드의 용탈시험 결과 두께팽윤율 48±0.8%로서 두께가 많이 부풀어올라 있는데 반하여 50% 난연 처리 파티클 보드(2의 오른쪽)는 두께 팽윤율이 12±0.3%로서 치수안정이 매우 높음을 보여주고 있다. 따라서 개발된 본 페놀수지· 붕산·붕산염 화합물의 난연제 처리는 페놀수지의 영향으로 붕산·붕산염을 목재 내부에 가두어 두거나 이들을 실링하여 붕소에 의한 접착력 감소와 물에 대한 단점을 보완하여 치수안정에 도움을 주어, 붕산·붕산염 난연제 처리 만으로의 내부결합력이 떨어지는 단점을 보완하게 되었음을 알 수 있었다.
[실시예 6] 페놀-레조르시놀수지·붕산-붕산염혼합물(PRB: phenol-resorecinol resin· boron complex) 난연제의 낙엽송 단판 난연처리
페놀 94g(1몰), 포르마린 35% 171.4g(2.0mol), 물 15g을 수지반응기에 넣고, NaOH로 pH를 11로 조정하여 70℃에서 1시간 반응시켜 액상형 레졸(resol)형 페놀수지(고형분 51.7%, pH 11.0, 점도 24.3 cps)를 만들고, 붕산·붕산염 용액은 붕산 25.53wt%, 붕산염(붕사) 31.91wt%을 넣어 온도를 90℃-100℃까지 높여, 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물들을 만든 후에, 온도를 60℃로 유지시킨 상태에서 상기 제조된 페놀수지와 두 시간 반응시켜 폐놀수지 고형분이 23.4 wt%에, 붕산(Boric acid) 고형분 14.03 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 17.54 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 31.57 wt%의 비율이 되도록 만든다. 계속 온도를 60℃로 유지하면서 여기에 레조르시놀을 10g을 추가하여 15분간 교반하여 녹인 후 두 시간 더 반응시켜 만들면 폐놀수지 고형분이 21.3 wt%, 레조르시놀수지고형분이 9.1 wt%로 전체수지고형분이 30.4 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 12.8 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 15.9 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 28.7 wt%의 비율이 되는 내수형 페놀-레조르시놀수지·붕산-붕산염 목재 난연제(pH 7.35, 점도 36.9 cps)가 제조된다.
낙엽송 단판 (2.4mm두께)을 상기 목재 난연제가 채워진 가압주입기에 넣고 40℃에서 가압 25 ㎏/㎠ 의 압력으로 1시간, 가압처리 하였다. 내화처리를 통해 주입된 단판은 60℃에서 24시간 건조 양생하고 105℃에서 24시간 경화시켰다. 이렇게 처리된 난연 처리 단판을 사용하여 5매합판(페놀수지 도포량 200g/㎡, 150℃, 10kgf/㎠, 20min.)을 열압하여 제조하였다. 난연 처리된 단판으로 제조된 합판의 콘 칼로리미터의 내화성과 물성의 결과는 다음과 같다.
착화시간은 131초이고, 중량감소율(300초)은 14.28%를 나타냈고, KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘 칼로리미터 성능시험을 한 결과 도13((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))과 같이 난연 등급을 만족시켰다.
일반적인 물성(난연처리합판/무처리합판)은 밀도 0.70±0.05/0.67±0.04 g/㎠, 함수율 7.70±0.06/9.53±0.07 %였다. 내화제에 의한 중량증가율(WPG : weight percent gain)은 33.18±0.01%였다. 인장 전단 접착력은 0.99±0.08/1.19±0.26 N/㎟였다.
[실시예 7] 레조르시놀 페놀수지·붕산붕산염혼합물(RPB: resorecinol-phenol resin· boron complex)의 난연접착제로 제조한 난연합판제조
페놀 94g(1몰), 포르마린 35% 171.4g(2.0mol), 물 15g을 수지반응기에 넣고, NaOH 로 pH를 11로 조정하여 70℃에서 1시간 반응시켜 액상형 레졸(resol)형 페놀수지(고형분 51.7%, pH 11.0, 점도 24.3 cps)를 만들고, 붕산·붕산염 용액은 붕산 25.53wt%, 붕산염 (붕사) 31.91wt%을 넣어 온도를 90℃-100℃까지 높여, 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물들을 만든 후에 온도를 60℃로 유지시킨 상태에서 상기 제조된 페놀수지와 반응시켜 폐놀수지 고형분이 23.4 wt%에, 붕산(Boric acid) 고형분 14.03 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 17.54 wt%로 붕산·붕산염 전체고형분이 31.57 wt%의 비율이 되도록 두 시간 반응시킨다. 이 후 온도를 계속 60℃로 유지하면서 레조르시놀을 30g추가하여 15분간 교반하여 녹인 후 두 시간 반응시켜 만든 내수형 목재 난연접착제를 제조하였다. 이렇게 제조된 난연접착제로서의 레조르시놀·페놀공축합수지(Phenolic resin)의 조성은 페놀수지 고형분 18.6 wt% 와 레조르시놀수지 고형분 28.6 wt%로 접착제 전체고형분은 47.2 wt%, 붕산(Boric acid) 고형분 9.1 wt%, 붕산염(Sodium borate) 고형분은 11.4 wt%, 붕산·붕산염 전체고형분이 20.5 wt%, 나머지가 증류수 32.3 wt%이었다. 이 난연접착제는 접착층이 경화되어 내화층이 되어 난연효과를 줄 뿐만 아니라 이 접착제로부터 난연성분이 인접한 구성 목질재료 즉 단판이나 판재에 확산되어 난연성능을 같이 부과하게 된다. 이렇게 제조된 레조르시놀-페놀공축합수지· 붕산붕산염 혼합물(RPB) 난연접착제의 pH는 7.62, 점도는 48.3 cps였다. 두께 2.4㎜의 라디에타소나무 단판에 중량비로 난연접착제 100: 소맥분 15: 경화제 30중량부의 비율로 조제된 난연접착제를 도포량 200 g/㎡으로 도포하여 5매합판을 제조하였으며, 합판열압조건은 10 ㎏f/㎠, 150℃, 20분으로 하였다. 제조된 합판의 표면에 레조르시놀·페놀공축합수지· 붕산·붕산염 혼합물(RPB) 난연접착제를 도포량 300 g/㎡으로 도포하여 코팅하고 25-30℃에서 24시간 건조한 후 150℃에서 30분간 경화시켰다.
제조된 합판의 내화성은 KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험을 한 결과 도14((a):총열방출율(THR), (b):열방출율(HRR))와 같이 난연등급 기준을 만족시켰다.
제조된 합판의 일반적인 물성(난연합판/무처리합판)은 밀도 0.65±0.01/0.43±0.03 g/㎠, 함수율 4.7±0.15/4.8±0.20 % 로 난연제 주입에 따라 밀도가 높아졌으며, 비내수의 상태 인단 전단 접착력은 1.10±0.26/1.18±0.30 N/㎟ 로 나타났으며 t-검정 결과(t=0.34) 두 집단의 비내수 인장 전단 접착력은 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.
내수 인단 전단 접착력은 0.99±0.09/0.98±0.09 N/㎟ 로 나타났으며 t-검정 결과 (t=0.07) 두 집단의 내수 인장 전단 접착력은 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 따라서 난연접착제에 의한 난연합판제조는 난연제에 의한 접착력 저하가 나타나지 않고 합판제조가 잘 제조되었을 뿐만 아니라 KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 난연등급 기준을 만족시키는 결과를 나타냈다.
상기 실시예 1~7에 따라 제조된 난연 처리 목재 및 목질재료에 대하여 KS F ISO 5660-1에서 제시하고 있는 콘칼로리미터 성능시험 결과 도6 내지 도14에서 보는 바와 같이 모두 난연등급이상의 규격을 만족시켰다. 여기서 난연등급이란 콘칼로리미터로 측정할 때 50kW의 열에 대하여 5분간 측정하여 열방출율은 200kW/㎡이하이어야 하며 총열방출량은 8MJ/㎡을 만족하는 것이며 준불연등급은 50kW의 열에 대하여 10분간 측정하여 열방출율은 200kW/㎡이하이어야 하며 총열방출량은 8MJ/㎡을 만족하는 것이다.
도 4는 무처리 목재와 본 발명의 실시예에 따른 난연처리된 목재의 콘칼로리메타의 착화 시험 결과의 표면 모습들이다. 본 발명의 실시예에 따른 난연처리된 목재의 경우 높은 온도에 의하여 표면은 탄화층이 형성되어 있으나 뒷면은 깨끗한 것을 볼 수 있고, 무처리 판재 등에 비해 탄화층의 두께가 대폭 감소하는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 전술한 바와 같이 난연성능을 배가하고 고농도의 붕산·붕산염 혼합물의 고형분을 안정적으로 사용하기 위해 이를 수용하는 담체로서 페놀수지를 사용하여 안정된 난연제를 생성하게 할 뿐만 아니라, 붕산·붕산염의 무기질 처리에 따른 접착력 약화현상이나 수분에 약한 성질을 개선시키는 역할을 하고, 이러한 붕산·붕산염의 혼합물과의 안정된 페놀수지 화합물의 친접착성 난연약제가 제조되어, 목재의 자연무늬와 표면을 그대로 깨끗이 유지하고, 물에 잘 용탈되지 않고 치수안전성이 있는 난연목재 및 난연목질재료가 제조되고 이산화탄소의 통조림인 목재를 건축물에 오랫동안 사용하여 지구 온난화방지와 탄소중립 방안으로서도 크게 기여하리라 기대된다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 이 발명의 구체적인 실시예를 설명하기 위하여 특정 용어를 사용하여 개시하였으나 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용한 것으로 이 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 난연성이 우수한 난연성 목재를 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 난연성 목재는 예를 들면 건축용 벽재, 천장재, 바닥재, 욕실용 목재, 문 등의 각종 건축용 재료 및 가구, 침구, 실내장식물 등의 재료로서 특히 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (23)

  1. 붕산(Boric acid), 붕산염(Sodium borate), 및 수용성 페놀수지(Phenolic resin)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 페놀수지는 16-36 wt%, 붕산(Boric acid)은 8-18 wt%, 붕산염(Sodium borate) 10-22 wt%로, 붕산·붕산염은 18-40wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 페놀수지는 수지반응기에 페놀, 포르마린, 물을 투입하고 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0으로 조정하고 제조된 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 페놀수지는 상기 수지반응기에서 상기 페놀과 상기 포르마린은 페놀:포르마린으로 몰비 1:1.63~2.4로 투입하고, 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0으로 조정하고, 70℃∼80℃에서 반응시켜 제조된 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    레조르시놀 또는 비스페놀을 더 포함하고, 상기 레조르시놀 또는 비스페놀은 페놀과의 공축합수지 제조가 가능한 액상형 레졸(resol)형인 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 난연제 조성물에서 레조르시놀은 10-40wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 난연제 조성물에서 레조르시놀은 23∼33 wt%, 페놀수지 15∼21wt%로 레조르시놀·페놀수지는 38∼54 wt%, 붕산(Boric acid)은 6.8∼10.9 wt%, 붕산염(Sodium borate)은 8.5∼13.7 wt%로서 붕산·붕산염은 15.3∼24.6 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  8. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 붕산 및 붕산염을 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 만들고 상기 붕산·붕산염 혼합물은 붕산붕산염 용액으로 붕산 25.53wt%, 붕산염 31.91wt%를 물에 넣어 온도를 90℃∼100℃까지 높여 투명하게 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물을 만들어 페놀수지에 혼합하여 반응하는 것을 특징으로 하는 목재 및 목질재료용 난연제 조성물.
  9. S1) 목재 또는 목질재료를 준비하는 단계;
    S2) 페놀수지· 붕산· 붕산염 혼합물의 목재 난연제를 제조하는 단계;
    S3) 상기 S2)단계에서 얻어지는 페놀수지· 붕산붕산염 화합물의 목재 난연제를 상기 목재 또는 목질재료에 주입하는 단계; 및
    S4) 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 건조,경화하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 S2) 단계는
    S2-1) 붕산과 붕산염을 용매에 혼합하여 붕산·붕산염 혼합물을 제조하는 단계; 및
    S2-2) 상기 붕산·붕산염 혼합물과 페놀수지를 혼합하여 반응하는 단계;를 포함하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    S5) 상기 목재 또는 목질재료를 열압공정을 거쳐 최종목질재료를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 목재 또는 목질재료는 원목에서 얻은 단판, 판재, 파티클, 스트랜드 및 섬유와 이들로부터 만든 합판, 단판적층재(LVL), 집성재, 구조용 직교집성판(CLT), 파티클보드, 스트랜드보드, 섬유판인 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 S2-2)단계 전에 페놀수지를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 페놀수지를 제조하는 단계는 수지반응기에 페놀, 포르마린, 물을 투입하고 수산화나트륨(NaOH)으로 pH를 10.7에서 11.0로 조정하고 반응시켜 액상형 레졸(resol)형을 만드는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 S2-1) 단계에서 붕산, 붕산염을 물에 넣어 온도를 90℃∼100℃까지 높이고, 투명하게 될 때까지 물에 잘 녹는 붕산·붕산염 혼합물들을 만든 후에, S2-2) 단계에서 상기 제조된 페놀수지에 페놀수지 16∼36 wt%, 붕산(Boric acid) 8∼18 wt%, 붕산염(Sodium borate) 10∼22 wt%로, 붕산·붕산염이 18∼40wt%의 비율로 되도록 혼합하여 반응시켜 만든 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 S2) 단계에서 페놀수지· 붕산붕산염 화합물을 제조한 후 상기 페놀수지· 붕산붕산염 화합물에 레조르시놀을 추가하여 목재 난연제를 제조하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 목재 난연제는 레조르시놀 23∼33 wt%, 페놀수지 15∼21wt%로 레조르시놀·페놀수지는 38∼54 wt%, 붕산(Boric acid)은 6.8∼10.9 wt%, 붕산염(Sodium borate)은 8.5∼13.7 wt%로서 붕산·붕산염은 15.3∼24.6 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 S3) 단계에서 주입방법은 상압에서 확산침투하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 S3) 단계에서 주입방법은 가압감압방법으로 이루어지고, 주가압은 10∼25kg/㎠ 로 30∼120분 까지 처리하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 S3) 단계에서 주가압 전후로 전배기 30분, 후배기 10∼30분을 하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 S4) 단계에서는 주입처리된 상기 목재 또는 목질재료를 상온에서 안정화시키고, 50~70℃에서 일정기간 동안 건조단계를 거친 후, 100-150℃에서 수지를 경화시키는 경화단계를 포함하는 난연목재 또는 난연목질재료의 제조방법.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 S5) 단계에서는 단판(veneer)은 합판 또는 단판적층재(LVL)로, 판재는 집성재 또는 구조용 직교집성판(CLT)으로, 파티클은 파티클보드로, 스트랜드는 스트랜드보드로, 섬유는 섬유판으로 제조하는 것을 특징으로 하는 난연목재 또는 난연목질재료 제조방법.
  22. 제9항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 난연목재.
  23. 제9항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 난연목질재료.
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