섬유의 난연, 방염 가공에 대하여 ....

 

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야외활동을 하다 보면 자연히 화기를 다루고 가까이 해야 할 수 밖에 없는 일이 아주 잦다.

그럴 때, 화염에 옷이 타기도 하고 장비에 불자국이 나기도 하고 손이나 팔에 화상도 잘 입는다.

 

적어도 텐트에 불이 붙는 일만은 없어야 하기에 텐트는 대체로 난연성 소재로 제작된다고 하는데 ...

난연이다 방염이다 하는 기준과 개념을 알기 위해 찾아서 퍼 왔습니다....

 

난 난연성 소재인 아라미드섬유로 만든 의복이 딱 하나있다.

얄궂은 국방색 잠바가 그것이다...  근데 육안으로 보아서는 그런 옷인지 전혀 모르겠고,, 가격도 전혀 비싸지 않다.

그렇다고 일부러 불을 갖다 대어 태워보려고 할 일은 아닌 것 같다..  그냥 믿고 입는데...

난연성 옷을 입었다고 해도 불조심해야 하기는 마찬가지더라 .... 

 

난 난연성 옷을 입으려고, 또는 필요해서 구입한 것이 아니고 그냥 어울릴 것 같아서.,, 그래서 샀다.

내 생각에, 난연성 옷이 턱없이 비싸다면 순면으로 제조된 두툼한 군용 상의나 자켓이 더 낫다고 본다.

가격도 싸고 불에 타 봐야 흠 잡힐 옷도 아니니까 ...  불에 탄 자국을 오히려 관록으로 치니까 ...

 

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난연 섬유소재 시장은 소비자들의 요구에 의한 것이기보다는 법적 규제에 의해 요구되는 경우가 더 많다.  

즉, 어떤 분야에 사용되는 섬유 제품은 강제적으로 난연성을 갖추도록 되어 있기 때문에 난연 섬유제품을 사용하여야 한다.

 

난연성 관련 법적규제가 까다로운 선진국뿐만 아니라 국내에서도 많은 사람들이 이용되는 업소에서 사용하는 인테리어 제품이나 카페트 등은 반드시 재 발생시 안전성을 확보하기 위하여 난연성을 갖춘 섬유제품을 사용하도록 규정하고 있다.

 

 

■ 난연(難燃) 섬유소재의 정의  

난연 섬유소재란 섬유 제품이 불꽃에 접촉하고 있을 때는 타지만 불꽃을 제거하면 스스로 불꽃을 내면서 연소하는 것을 방지 또는 억제하도록 하는 섬유소재를 말한다.  

즉, 섬유 자체가 타지 않도록 하는 것이 아니라 화재의 전파 능력을 상실하게 하는 섬유를 말하며 난연 대신 방염(防炎), 방화(放火), 방연(防燃) 등의 용어를 사용하기도 한다.  난연 또는 방염 섬유소재는 일반적으로 한계산소지수(LOI) 값이 27 이상인 것을 말한다.

 

■ 난연 섬유소재의 분류

  난연․방염성 가공 섬유소재

 

난연․방염성 섬유소재는 일반적으로 LOI(한계산소지수) 값이 27 이상의 것으로, 다음과 같은 원리기술을 이용하고 있는 섬유소재를 말한다.

가) 가연물을 감소시키는 기술

  ① 섬유 분해시 발생하는 가연성 가스를 억제하거나 발생시키지 않는다.

      할로겐화 난연제에 의해 열분해되어 라디칼의 연쇄반응을 억제한다.

      그리고 인계 난연제에 의해 5산화 인을 발생시켜 섬유의 탈수탄화촉매로 작용토록 한다.

  ② 섬유의 용융, drip을 촉진시켜 연소영역으로부터 섬유를 분리시킨다.

 

나) 연소열을 저하시키는 기술

    불연성의 무기물 혼입과 난연가공에 의해 연소에 필요한 열 공급을 억제한다.

 

다) 불연성가스의 희석효과에 의해 가연성 혼합기체의 연소한계를 좁힌다.

    예를 들면 폴리인산 함유섬유를 가열하면 섬유표면에 N-P 화합물의 피막이 생겨 산소와의 접촉을 억제한다.

  

난연․내열성 섬유소재

 

난연․내열성 섬유소재는 상온상태의 공기중에서 섬유제품에 불꽃을 갖다 대도 불꽃이 일어나지 않으며 타지 않고 검은 흔적만 남고,  

LOI 값이 27~100 사이의 성능을 가지면서 융점․분해점이 약 290℃ 이상의 섬유소재를 말한다. 

구체적으로는 아라미드섬유, 노보로이드섬유, 탄소섬유, 불소섬유 등이 여기에 속한다.

난연․내열성 섬유소재에 부여하는 기술은 다음과 같이 크게 4가지로 분류할 수 있다.

 

■ 섬유소재의 난연성과 난연성 부여방법

  섬유소재의 연소과정

섬유는 가열, 열분해, 연소 및 전파 과정에 의해 연소된다.

가열은 섬유가 분해를 일으킬 때까지 온도가 높아지는 과정으로 온도 상승률에 영향을 주는 인자로는 비열, 열전도도, 상전이(용융, 승화, 증발 등) 등이 있다.

열분해는 섬유고분자 가운데 열적으로 불안정한 부분에서 열에 의해 분해가 일어나는 과정이다.

 

열이 계속 공급되면 섬유는 고체상과 액체상으로 분해되어 가연성 기체와 비가연성 기체를 발생시킨다.

이 때 가연성 기체와 비가연성 기체의 상대적인 양은 섬유의 본질, 첨가된 약제, 주위의 기류에 따라 달라진다.

 

연소는 열분해에 의해서 생성된 가연성 연료가 공기중의 산소와 결합하여 열을 발생시키는 발열 반응이다.

외부에서 가해진 열에 의해 섬유가 열분해되어 가연성 연료를 생성하고, 이 연료중 일부가 공기중의 산소와 결합하여 불꽃에서 연소하여 외부로 열을 발생시킨다.

발열 반응에 의해 발생된 열의 일부는 섬유가 계속해서 열분해 되는데 사용되고, 나머지는 주위로 분산되어 손실된다.

 

화재의 전파는 연소시 발생하는 발열량과 온도의 상승에 필요한 흡열량의 크기에 따라 달라진다.

흡열량이 발열량보다 큰 경우 섬유는 스스로 꺼지고(자소성), 흡열량이 발열량보다 작은 경우 화재는 전파된다.

 

따라서 섬유에 난연성을 부여하기 위해서는 연소 시 필름을 형성하는 약제를 사용하여

가연성 기체와 공기중의 산소를 차단하여 연소가 일어나지 않게 하거나, 발열량을 적게 하는 방법을 사용할 수 있다.

 

  섬유의 난연화 기술

섬유제품에 난연성을 부여하는 원리는 섬유의 열분해 경로를 변경하여 가연성 기체의 양을 감소시키고 잔존 탄화물의 양을 증가시켜 난연성을 부여하는 방법(즉, 가연성 물질의 감소와 탄화물의 증가에 의한 난연성 부여법)과

연소 방법을 변화시켜 난연성을 부여하는 방법(즉, 열분해 과정은 난연제의 첨가 유무와 관계없이 일정하나 불꽃의 연소 방법을 변화시켜 난연작용을 한다)이 있다.

 

섬유제품에 난연성을 부여하는 시기를 기준으로 보면 섬유제품이 만들어진 후의 후처리에 의한 방법, 섬유화하는 방사단계에서의 난연제를 첨가하는 방법, 섬유용 고분자를 제조하는 단계(주로 중합단계)에서 난연성을 갖는 성분을 포함하는 단량체로 공중합시키는 방법 등이 있다.

일반적으로 천연섬유인 경우 방사단계나 중합과정에서 난연성을 부여할 수 없기 때문에 후처리법에 의해서 난연성을 부여하는 반면,

합성 섬유의 경우에는 방사 단계에서 난연성을 부여하는 경우가 일반적이다.

 

다만 방사 단계에서 난연성을 부여하기 위해서는 난연제가 방사온도에서 분해되지 않아야 하며, 무기물인 경우 방사 노즐을 막지 않게끔 분산성이 우수해야 한다는 제약이 있다.

첨가 물질에 의한 섬유 제품의 난연화는 무기물질을 충진시키는 방법, 유기물질인 난연제를 첨가하는 방법 등이 있는데 산업용 섬유소재인 경우 일반적으로 난연제 첨가에 의한 방법이 주류를 이루고 있다.

 

유기물질 난연제는 붕소(B), 질소(N), 인(P), 안티몬(Sb) 및 염소(Cl)와 브롬(Br)과 같은 할로겐 원자를 포함하는 화합물이다.

이들 난연성 부여 원자들 사이에는 서로 상승효과가 존재하는데 질소와 인 원자의 상승효과, 할로겐(염소, 브롬)과 안티몬 원자의 상승효과가 알려져 있다. 방염성을 부여하는 원자들 중에서 할로겐을 포함하는 난연제는 할로겐 독성가스로 인한 환경오염 문제 때문에 그 사용이 제한을 받고 있다.

 

특히 각종 플라스틱 수지에 많이 사용하던 브롬계 난연제는 dioxin, benzofuran 등과 같은 발암성 물질을 발생시킬 가능성이 제기됨에 따라 이를 규제하려는 움직임이 있어 인계 난연제로의 대체 움직임이 활발하다.

 

  섬유제품의 난연성 평가방법

섬유소재의 난연성 측정 방법은 LOI(limiting oxygen index, 한계산소지수)법, 탄화장 측정법, 잔염시간시험법, 연소시험법 등이 있는데 그 중에서 LOI 법은 비교적 측정 방법이 단순하면서도 재현성 등이 우수하고 수치화가 쉬워 섬유의 난연성을 비교하는데 많이 사용된다. 한계산소지수법(LOI)은 일정한 크기의 섬유 시료에 최소한으로 불을 붙이기 위해서 필요한 대기중의 최소 산소함량으로 나타내며(식 1) LOI 값이 27~28 이상이면 방염성이 있다고 판단한다.

 

 

  각종 섬유소재의 난연성

각 섬유의 난연성은 <표 1>과 같다. 각종 섬유 중에서 면과 레이온, 폴리프로필렌, 아크릴 등의 섬유가 불에 타기 쉬우며, poly[2,2´-(m-phenylene)-5,5´benzimidazole] (PBO) 섬유의 LOI가 68로 가장 높다. polybenimidazole (PBI), PBO, Kevlar 등과 같이 특별히 고강도와 고내열성을 목적으로 개발된 섬유가 아니면 대부분의 섬유는 불에 타기 쉽다.

    표 1. 각종 섬유의 한계산소지수 (LOI)

* PBO : Poly[2,2-(m-phenylene)-5,5-benzimidazole]

섬유	LOI	섬유	LOI
양모	25.2	아크릴	18.2
면	18.4	모다크릴	26.8
폴리에스터	20.6	PVC	27.1
레이온	18.7	Keval	28
나일론	20.1	Polybenzimidazole	46
폴리프로필렌	18.6	PBO *	68

 

 

■ 난연 재료

난연 섬유소재의 결점은 난연제를 첨가함으로써 섬유의 물성과 방사성이 저하한다는 점이다.

물성의 저하를 억제하기 위해서는 입자경이 미세하고 입도 분포가 적정하며, 적절히 표면 처리를 한 난연제의 개발이 요망된다.

 

최근 안티몬 화합물이나 HBCD에서 보여주는 바와 같이 미세화로의 움직임은 물성의 향상이라는 점에서는 긍정적이다.

섬유의 극성과 난연제의 극성의 조화는 난연제의 상용성을 향상시켜 분산성의 개량에 도움이 된다.

 

 

■ 난연 섬유 소재를 이용한 제품

 

  ① 자동차 내장재 시트, 플로어카페트, 천장표피 등  

  ② 카페트

  ③ 인테리어 및 가구용

  현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 인테리어용 및 가구용 섬유에 대한 난연성 부여방법은 원단에 대한 후가공 처리법인데 섬유 본연의 촉감을 떨어뜨리고 세탁 및 마찰 등에 의해 내구성이 저하되는 단점이 있다.

또한 폐수의 환경오염 문제, 난연제의 유독성 문제로 그 범위가 점점 제한되고 있다.

 

  ④ 부직포

  현재 국내외에서 이용되고 있는 부직포는 크게 일회용 부직포 및 내구성 부직포로 나뉘는데, 이들 중 난연 및 방염성을 요구하는 부직포는 주로 내구성 부직포에 해당한다.

각 국의 내구성 부직포의 주 용도는 가정용, 건축용, 토목용, 바닥재용, interlining용, 자동차용 내장재이다.

 

  ⑤ 가발용

  가발용 섬유인 PP 섬유에 난연성을 부여하게 되면 외국에서 생산하는 가발사와 차별화가 이루어져 새로운 수출시장이 열리고 일본에서 선점하고 있는 모다크릴이나 PVC 가발소재 시장을 대체할 수 있을 것이다.

 

 

■ 맺음말

화재로부터 인명을 보호한다는 면에서 최근 난연성 섬유(flame retardant fiber)가 큰 주목을 받고 있으며 대부분의 섬유가 난연성을 필요로 한다. 난연성 섬유는 섬유 자체가 타지 않도록 하는 것이 아니라, 화재의 전파 능력을 상실하게 하는 섬유를 말하며 한 번 불이 붙은 다음에는 재사용이 불가능하다.

 

난연 섬유소재를 이용한 제품에는 자동차 내장재, 카페트, 인테리어 및 가구용, 부직포, 가발 등이 있으며, 최근 환경 친화형 난연제의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

 

 

방연 가공[ fireproofing , 防燃加工 ]

방염 가공이라고도 한다. 섬유 가공 기술의 하나로 섬유를 연소하기 어렵게 하기 위한 가공법이다.

예를 들어 셀룰로오스계 섬유에 대하여는 질소, 인 또는 할로겐의 화합물이 방연 가공제로서 사용된다.

이들을 화학 섬유 등에 가공하면 그 속에 포함되어 있는 물질이 셀룰로오스와 화합하고, 불연성의 인이나 질소가 섬유를 포위하는 형태가 되어 공기를 차단하므로 난연성은 증가한다.