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용암에서 영감 얻은 새로운 난연제..."유독성 적고 저렴"
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용암에서 영감 얻은 새로운 난연제..."유독성 적고 저렴"
  • 심성필 기자
  • 승인 2022.01.10 14:34
  • 댓글 0
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냉각되어 화성암 형성 전 용융된 용암...불연성 숯 형성해 화염·열 전도 방지
금속 산화물 분말의 혼합물...질화붕소 플레이크 추가, 난연성 폴리머 추가
단단한 발포 단열재와 목재 등 표면에 뿌려 건조...토치로 분사

국내 화재 발생은 2018년 대비 화재 건수와 인명피해는 감소했으나 재산피해는 증가했다. 2019년도에 건축·구조물화재의 발생건수가 2만6025건으로 전체 화재건수의 64.9%를 차지하고 있다.(소방청 '화재통계연보')

난연제를 포함해 화재 방지와 진압을 위한 과학은 계속해서 발전해왔다. 난연제(難燃劑, Flame Retardant)란 연소하기 쉬운 성질을 가진 고분자 재료에 할로겐, 인, 질소 함유화합물, 수산화 금속화합물 등 불연성 효과가 큰 물질을 첨가해 발화를 늦추고, 연소의 확대를 막아주는 역할을 하는 첨가제다.

연기가 나는 것을 방지하기 위해 제조업체들은 수십 년 동안 플라스틱과 목재, 강철 건축 자재에 난연제를 첨가했으나 이러한 첨가제는 유독하고 비싸며, 종종 비효율적이다.

대표적 브롬계 난연제 및 규제 현황 /친환경 인계 난연제 시장 및 기술 동향

'국내외 난연제 시장 및 환경규제 현황보고서'에 따르면 국내에서 주로 사용되는 브롬계 난연제는 난연화 효과가 뛰어나고 비용 대비 성능 면에서 뛰어나 전기기기, OA기기의 하우징 재료, ABS·PET·에폭시 수지 등의 주요 난연제로 사용되고 있다. 유해성과 환경문제 등으로 큰 압박을 받고 있으나 이를 대체할 만한 난연제가 개발되지 않아 국내외로 대체제 연구가 계속되고 있지만 그 수요는 해마다 늘고 있다고 한다.


새로운 난연제...용암과 유사한 세라믹 층 형성으로 화염 퍼지기 전 진압

지난 6일 사이언스지는 새로운 난연제 개발 소식을 전했다. 호주와 중국의 연구원들이 극도의 열에 노출될 때 경화된 용암과 유사한 세라믹 층을 형성해 화염이 퍼지기 전에 진압하는 새로운 난연제를 개발했다는 것이다. 세라믹의 출발 물질은 특별히 비싸거나 유독하지 않아 널리 사용될 가능성이 높다고 한다.

용암에서 영감을 얻은 저렴하고 독성이 없는 난연제 코팅은 단단한 발포 단열재가 불에 타는 것을 방지했다. /사이언스지 갈무리

남부 퀸즐랜드 대학교(University of Southern Queensland)의 화학자 핑안 송(Pingan Song)이 이끄는 연구팀은 용암에서 영감을 얻었다.

"냉각되어 화성암을 형성하기 전에 용융된 용암은 열에 강할 뿐만 아니라 가열될 때도 흐르는 금속과 산소 함유 유리로 만들어진다. 강한 열에 노출되면 불연성 껍질인 숯을 형성해 화염이 아래의 재료에 도달하는 것을 방지하고 열전도에 저항한다"

연구팀은 세 가지 구성 요소를 사용했는데 우선 알루미늄, 규소, 칼슘과 나트륨의 산화물을 포함한 여러 금속 산화물 분말의 혼합물을 만들었다. 이 혼합물은 약 350°C에서 녹기 시작해 유리 같은 시트를 형성한다. 

그다음 연구팀은 쉽게 흘러내리는 유리가 형성될 때 금속 산화물 사이의 공간을 채우는 데 도움 될 작은 질화붕소 플레이크를 추가했다. 세 번째로 이들은 난연성 폴리머(지난해 ACS Nano 보고됨)를 추가했다. 폴리머는 코팅이 무엇이든 나머지 혼합물을 접착하는 바인더 역할을 한다.

'초소수성 화재제거용 나노구조 고분자 코팅에 관한 연구' /미국화학학회 갈무리

연구팀은 이 혼합물을 물에 녹여 유백색 용액으로 만들고 단단한 발포 단열재와 목재, 강철을 비롯해 다양한 표면에 뿌린 후, 건조하고 코팅된 각 재료를 1100°C 부탄 토치로 30초 동안 분사했다. 코팅된 부분은 점성 액체로 녹아서 연속적인 유리 시트로 재료를 덮었다. 

토치로 가열하면 코팅된 부분은 이산화탄소와 같은 불연성 가스를 분출하는데 그럴수록 밀도가 높아져 균일한 불연성 숯 층을 형성하고 화염이 밑에 있는 물질로 퍼지는 것을 차단했다.

이 새로운 난연제는 가정 단열에 사용되는 종류의 경질 폴리머 폼으로 보호될 수 있고, 일반적으로 사용되는 12가지 이상의 지연제보다 더 우수하다는 게 연구원들의 설명이다. 또한 나무와 강철을 보호하는 데도 탁월했다고 한다.

건설 자재에 스프레이로 이러한 난연제를 뿌리면 큰 화재를 예방할 수 있는 것으로 보인다. 성능 좋고 독성이 없고, 쉬운 적용력 등을 갖춘 난연제의 상용화가 신속히 이루어지기를 기대해본다.

케미컬뉴스 심성필 기자


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