Study on the Effect of the ABC Dry Chemical on Wood in Pyrolysis

ABC 분말소화약제의 열분해 시 목재에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

This study the effect of pyrolysis products ABC dry chemical and of monoammonium phosphate on wood surface. When the pyrolysis product was removed from the wood surface, monoammonium phosphate was removed due to the high viscosity of the transparent pyrolysis product, but the ABC dry chemical was removed in a lump form. Thermal analysis showed that the pyrolysis characteristics of each sample were similar but the weight of pyrolysis residue was 55.9% for ABC dry chemical and 25.2% for monoammonium phosphate. The additives added to the ABC dry chemical also affect the weight of the pyrolysis residue and the fire protection effect of metaphosphoric acid.

본 연구는 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄의 열분해생성물이 목재표면에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 목재표면에서 열분해 생성물을 제거하였을 때 제1인산암모늄은 점도가 높은 투명한 열분해 생성물이 눌어붙어 제거하기 힘들었으나 ABC 분말소화약제는 덩어리진 형태로 쉽게 제거되었다. 열분석 결과 각 시료의 열분해 특성은 유사하나 열분해 잔존물의 중량이 ABC 분말소화약제는 55.9%, 제1인산암모늄은 25.2%로 나타나 차이를 보였다. ABC 분말소화약제에 첨가된 첨가제가 열분해 잔존물의 중량 및 메타인산의 방신효과에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.

1. 서론

화재시 소화기구는 초기소화를 위해 사용되는 가장 유효한 수단이다. 소화기구에는 분말, 이산화탄소(CO2), 청정소화약제, 강화액, Halon 소화약제, 포소화약제 등의 소화약제가 주로 사용되었으나 현재 소화기구에 주로 사용되는 소화약제는 분말, 이산화탄소, 청정소화약제, 강화액 등이 주류를 이루고 있다.

소화약제의 적응성에 따른 화재분류는 한국산업규격 KSB6259⁽¹⁾에서는 A급, B급, C급, D급으로 분류되어 있고 소화기구 및 자동소화장치의 화재안전기준(NFSC 101)⁽²⁾의‘제3조 정의’에 따르면 A급, B급, C급, K급으로 분류하고 있다.

분말소화약제는 제1종 소화분말, 제2종 소화분말, 제3종소화분말, 제4종 소화분말로 분류되며 제3종 소화분말은 A급, B급, C급 화재에 적응성이 있어서 분말소화기의 대부분이 제3종 소화분말을 사용하고 있으며 ABC 분말소화약제라고도 한다. 제1종 소화분말, 제2종 소화분말, 제4종 소화분말은 B급 및 C급 화재에만 적응성이 있다. 제1종 소화분말은 화재시 주성분인 중탄산나트륨(NaHCO₃)이 열분해하여 발생한 탄산나트륨(Na₂CO₃)이나 산화나트륨(Na₂O)이 요리용 기름이나 지방질 기름과 결합하여 비누화(Saponification)반응을 일으켜⁽³⁾ K급 화재에도 적응성이 있는 것으로 보고 있다.

Table 1에서 보는 바와 같이 시중에 유통되는 소화기에 사용되는 소화약제중 ABC 분말소화약제는 유사용량 대비소화성능이 가장 우수하며 A급 화재에 소화효과가 우수하여 일반 건축물에서 발생하는 화재의 초기진화에 매우 유용하다.

Table 1. Ability Unit by Type of Fire Extinguisher

문화재청에서 공개한 보물 또는 국보로 지정된 목조건축물에 설치된 소화기구의 종류 및 수량에 따르면 148개의 대상에 설치된 2,693개의 소화기 중 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기가 1,710개, 청정소화약제를 사용한 소화기가 792개, 이산화탄소를 사용한 소화기를 191개 비치하고 있는 것으로 나타났다. 목조건축 문화재는 내화구조의 건축물에 비해 고온단기형으로 단시간 내에 연소가 확대되어초기 진화가 아주 중요하다⁽⁶⁾. 전체적으로 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기가 1,710개로 약 63% 정도로 비치되어 있지만 A급 화재에 대해 능력단위가 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기의 1/3인 청정소화약제를 사용한 소화기도792개로 약 30% 정도 비치되어 있으며 A급화재에 적응성이 없는 이산화탄소를 사용한 소화기도 191개로 약 7% 정도 비치되어 있는 것으로 나타났다.

ABC 분말소화약제를 사용한 소화기가 소화능력이 우수하다는 것은 알고 있지만 사용 후 분사된 분말의 처리문제⁽⁸⁾, 열분해시 발생한 메타인산(HPO3)이 목재표면에 눌어붙어일어나는 목재표면의 손상 등의 문제 때문에 청정소화약제를 사용한 소화기를 선호하고 이산화탄소소화기를 비치하기도 한다.

본 연구에서는 열분석기를 이용하여 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄의 열분해생성물의 열분해 특성을 비교해 보고 목재에 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄을 도포한 후 전기로에서 가열하여 이들의 열분해생성물의 성상을 비교분석하여 목조건축물 화재시 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기로 진화하는 경우 열분해 생성물이 목재 표면에 영향을 미칠 수 있는지 확인하였다.

2. ABC 분말소화약제의소화기구(extinguishing mechanism)⁽³⁾

분말소화약제는 주요 성분에 따라 Table 2와 같이 구분되며 적응화재의 종류도 차이가 있다. S사에서 사용하는 ABC 분말소화약제의 조성은 Table 3과 같으며 제1인산암모늄(NH4H2PO4)이 70∼80%로 가장 높은 비율을 차지하며제조사에 따라 혼합비율이 다를 수 있다. ABC 분말소화약제는 주원료인 제1인산암모늄을 분쇄 건조한 후 발수제인 실리콘 오일과 경화제를 묻혀 입자표면에 방습성과 발수성 피막이 생기도록 하고 유동성을 높이기 위한 유동제를 첨가하고 안료를 넣어 착색시켜 제조한다.

Table 2. Adaptability of Dry Chemicals

Table 3. Mixing ratio of ABC Dry Chemical⁽⁵⁾

ABC 분말소화약제의 주성분인 제1인산암모늄은 열에불안정하며 150 ℃ 정도에서 열분해가 시작되며 열분해 반응식은 다음 (1)∼(3)과 같다.

190 ℃에서

 (1)

215 ℃에서

 (2)

300 ℃이상에서

(3)

ABC 분말소화약제는 열분해시 상기 열분해식에 따라 발생한 불연성가스(NH₃, H2O)에 의한 질식효과, NH4⁺에 의한 부촉매 효과, 열분해시 흡열반응에 의한 냉각효과, 분말의 운무에 의한 열방사 차단효과, ortho 인산에 의한 섬유소의 탈수 탄화작용 및 메타인산(HPO3)의 방신효과에 의해 소화효과를 나타낸다. ABC 분말소화약제가 A급 화재에 적응성이 있는 이유는 ortho 인산에 의한 섬유소의 탈수 탄화작용 및 메타인산의 방신효과 때문이다.

열분해시 생성되는 메타인산은 가연물의 표면에 용융유리상의 피막을 형성하여 연소에 필요한 산소의 유입을 차단하기 때문에 연소가 중단된다. 따라서, 한 번 소화된 목재 등은 불꽃을 가까이 해도 쉽게 재착화되지 않는다.

ABC 분말소화약제의 소화기구에 대비하여 목재는 상온에서부터 가열하면 수분이 증발하게 되고, 100 ℃에서는 전건(Completely dry) 상태에 이르게 된다. 150 ℃에 이르면목재 표면이 흑갈색으로 변하게 되고 200 ℃에 달하면 열분해가 일어난다. 목재가 연소되는 위험온도는 보통 260℃이고 이는 목재방화의 기준온도이다. 온도가 350 ℃∼ 450 ℃에 이르면 자연착화하게 된다. 목재의 연소현상은 목재의 열전도율, 비중, 함유성분, 단면적, 함수율, 공기조건과 가열조건에 따라 영향을 받는다^(4,7).

메타인산이 300 ℃ 이상에서 발생되고 목재방화의 기준온도가 260 ℃이고 자연착화온도가 350 ℃ 이상인 것을 보면 목재표면에 착화가 일어나는 온도와 메타인산이 발생하는 온도가 비슷한 범위에 있는 것을 알 수 있다.

3. 실험방법 및 장비

제1인산암모늄 및 ABC 분말소화약제를 TGA 열분석기로 공기 분위기에서 25 ℃부터 10 ℃/min의 승온속도로 400℃까지 분석하였으며 추가로 최종잔류물의 중량을 비교하기 위하여 분석한도인 1,000 ℃까지 분석하였고, DSC 열분석기로 공기 분위기에서 25 ℃부터 10 ℃/min의 승온속도로 400 ℃까지 분석하였다.

제1인산암모늄 및 ABC 분말소화약제를 적송 시편에 일정면적 도포시킨 후 전기로를 이용하여 200 ℃에서 400 ℃까지 20 ℃ 간격으로 상승시키면서 각 온도에서 5분간 유지시켜 관찰하였으며 가열시험은 동일한 조건으로 3회 실시하였다.

Figure 1과 같이 제1인산암모늄은 입경이 약 1∼3 mm 가량의 무색투명한 결정이고 ABC 분말소화약제는 입도가 10 & sim; 70 μm 정도의 미세한 분말이며, 적송 시편의 크기는 100mm × 100 mm × 18 mm (t)로 하였다.

Figure 1. Experimental samples.

실험에 사용된 장비는 전기로(Barnstead Thermolyne Model F62735-80), 열분석기(DSC1/Mettler tolledo, TGA/DSC1/1600LFMettler tolledo), 이동형 전자현미경(DCM160A/ Dr.Meter)이며 Figure 2에 나타내었다.

Figure 2. Experimental equipments.

4. 실험결과 및 고찰

먼저 열분석기에 의한 분석결과는 다음과 같다.

DSC 열분석기에 의해 분석한 결과 Figure 3과 같이 ABC분말소화약제는 192.36 ℃에서 흡열반응이 개시되어 약 204.58 ℃에서 피크를 나타내었고 제1인산암모늄은 206.15℃에서 개시되어 210.38 ℃에서 피크를 나타내었다. 기존에 알려진 바와 같이 190 ℃에서 제1인산암모늄이 or tho인산과 암모니아로 분해되고 215 ℃에서 ortho인산이 피로인산으로 분해되는 과정이 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄에서 유사하게 나타났으며 ABC 분말소화약제에서 조금 더 낮은 온도에서 흡열반응이 일어났다. 제1인산암모늄은300 ℃부근에서 흡열반응 피크가 명확히 나타나 피로인산이 메타인산으로 분해한 것으로 판단되나 ABC 분말소화약제는 해당피크가 별도로 나타나지 않고 210.38 ℃에서 나타난 피크가 300 ℃부근까지 유지되고 있는 것으로 나타났다.

Figure 3. Thermal analysis (DSC) results of monoammonium phosphate and ABC dry chemical.

TGA 열분석기에 의해 각 시료의 온도상승에 따른 중량변화를 비교한 결과 Figure 4와 같이 ABC　분말소화약제는약 120 ℃부터 제1인산암모늄은 150 ℃에서부터 중량감소가 시작되었고 ABC 분말소화약제는 180 ℃부근에서, 제1인산암모늄은 190 ℃부근에서 중량감소곡선의 경사가 급해졌다. 400 ℃에서 잔존물의 중량비율은 ABC 분말소화약제는 77.16%, 제1인산암모늄은 74.73%로 나타나서 ABC 분말소화약제의 잔존물의 중량이 약 2.43% 더 남는 것으로 나타났으며 추가로 1,000 ℃까지 승온하여 분석한 결과 잔존물의 중량이 ABC 분말소화약제는 55.84%, 제1인산암모늄은 25.28%로 나타나 잔존물의 중량차이가 더 크게 나타났다. 잔존물의 중량차이는 ABC 분말소화약제의 구성성분에 따른 것으로 보이며 안전보건공단에서 제공하는 물질안전보건자료(9)에 따르면 6∼16%를 차지하는 실리콘 분말은녹는점이 1,410 ℃, 4%미만을 차지하는 산화규소는 녹는점이 1,600 ℃이상인 것으로 되어 있어 1,000 ℃까지 가열했을 때 ABC 분말소화약제의 잔존물 55.87% 중 약 10 & sim; 20%는 실리콘 분말 및 산화규소 등의 첨가물인 것으로 나타났다.

Figure 4. Thermal analysis (TGA) results of monoammonium phosphate and ABC dry chemical.

전기로를 이용하여 적송 시편에 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄을 일정면적 도포한 시료를 가열하여 상태변화를 관찰한 결과는 다음과 같다.

상온에서 준비된 시료를 전기로를 통하여 온도를 200 ℃까지 상승시키고 5분간 유지시켰을 때 제1인산암모늄 및 ABC 분말소화약제, 목재표면에 별다른 변화는 관찰되지 않았으며 목재가 건조될 때 발생하는 냄새만 확인되었다.

220 ℃에서 5분간 유지시켰을 때 목재표면만 색상이 약간 짙어지는 것을 확인할 수 있었다.

240 ℃에서 5분간 유지시켰을 때 220 ℃때보다 목재 표면의 색상이 약간 더 짙어지는 것을 확인할 수 있었다.

260 ℃에서 5분간 유지시켰을 때 제1인산암모늄은 Figure 5와 같이 바깥쪽부터 융해되었고 280 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 전체적으로 융해된 것 같은 느낌으로 변화하였다. ABC 분말소화약제는 280 ℃에서 5분간 유지시켰을 때분홍색이 약간 옅어지며 가장자리가 어둡게 변화하였다. 목재표면은 가장자리에서부터 탄화되어 표면의 색상이 짙어 것을 확인할 수 있었고 온도상승에 따라 지속적으로 색상이 짙게 변화하고 있다.

Figure 5. Melting state of monoammonium phosphate (× 1,000).

Figure 6과 같이 300 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄의 융해된 표면이 점도가 높아진 상태로 변화하였으며 피로인산이 메타인산으로 분해된 것으로 보이나 ABC분말소화약제는 가장 자리가 탄화된 듯 검게 변화하였고 검게 변화한 부분에 일부 입자들이 용융한 듯한 모습을 보였다. 목재 표면은 전면이 어두운 색상으로 변화하였다.

Figure 6. State changes of monoammonium phosphate, ABC dry chemical and red pine according to temperatures (× 1,000).

320 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄은 액화된 표면이 끓어오르듯이 부풀어 오르는 상태로 검게 변화하였고 ABC분말소화약제는 중앙부분을 제외한 모든 부분이 검게 변화하였고 분말입자들끼리 엉겨 붙어 덩어리지는 듯 한 모습으로 변화하였다. 목재 표면은 전체적으로 검게 변화하였으며 가장자리는 표면이 완전히 탄화하였다.

340℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄은 320 ℃일 때보다 더 검게 끓어오르듯이 변화하였고 ABC 분말소화약제는 전면이 검게 변화하였으며 가장자리부분에는 작은 기포와 같은 것이 부풀어 올라서 제1인산암모늄에서 일어나는 반응과 같은 반응이 일부분에서 일어나는 것으로 보인다. 목재는 전체적으로 검게 변화하였다. ABC 분말소화약제가 경화된 부분의 일부를 떼어 보았으나 목재 표면에서 덩어리진 상태로 쉽게 박리되었다.

360 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄은 끓어오른 부분이 피막이 형성되고 안쪽으로 점도 있는 액체가 목재표면에 부착되어 있는 모습이 관찰되었고 ABC 분말소화약제는 전면에 고르게 기포가 형성되었다.

380 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄의 부풀어 오른 표면이 마른 듯이 변화하였고 ABC 분말소화약제는 기포들이 더 크게 부풀어 올랐다. 목재는 전체 표면이탄화하였으며 전면에 균열이 발생하였다.

400 ℃에서 5분간 유지시켰을 때는 제1인산암모늄의 표면이 마른 것 같은 상태를 유지하였고 제3종소화분말의 기포들은 제1인산암모늄의 기포와 유사한 부분이 표면에 고르게 생성되었다. 목재는 전체 표면이 탄화하였으며 전면에 균열이 더 심하게 발생하였다.

가열시험을 마친 후 제1인산암모늄은 Figure 7과 같이 기포와 같은 겉면은 쉽게 제거되었지만 기포 안쪽에 생성된 끈적이는 액체는 탄화된 목재표면에 눌어붙어 온도가 낮아질수록 점도가 더 높아져 쉽게 제거할 수 없었으나ABC 분말소화약제의 열분해 잔존물은 목재표면에서 쉽게 제거되었다.

Figure 7. Surface conditions after pyrolysis.

5. 결론

열분석기를 사용하여 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄의 열분해생성물의 열분해 특성을 비교해보고 목재에 ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄을 도포한 후 전기로에서 가열하여 이들의 열분해생성물이 목재에 미치는 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, ABC 분말소화약제와 제1인산암모늄을 DSC 열분석기로 분석한 결과 2가지 시료 모두 기존에 밝혀진 제1인산암모늄의 열분해특성과 유사한 특성을 보였다. TGA 열분석기로 분석한 결과 1,000 ℃에서 잔존물의 중량이 각각 55.84%, 25.28%로 나타났으며 잔존물의 중량차이는 ABC분말소화약제의 첨가물인 실리콘분말 및 산화규소 때문인 것으로 나타났다.

둘째, 전기로를 통한 가열실험에서 260 ℃정도부터 제1인산암모늄의 상태변화를 육안으로 확인할 수 있었으며 ABC 분말소화약제는 색상이 검게 변화할 뿐 육안으로 상태변화를 확인하기는 어려웠다. 가열실험이 끝난 이후 제1인산암모늄은 목재표면에 눌어붙어 제거하기 어려웠으나ABC 분말소화약제는 쉽게 제거되었다.

셋째, ABC 분말소화약제는 제1인산암모늄과 유사한 열분해특성을 가졌으나 ABC 분말소화약제에 함유된 실리콘 분말 및 산화규소 등의 첨가물에 의해 유리화된 메타인산의 방신효과에 의해 목재표면에 피막을 형성하여 눌러 붙는 등의 현상이 일어나지 않는 것으로 확인되었으며 목재 표면은 380 ℃에서 탄화되고 갈라져서 미관을 위한 목재로서의 가치를 잃어버리기 때문에 ABC분말소화약제의 사용으로 인한 목재표면의 손상은 없는 것으로 확인되었다.

따라서, 목조건축물 화재시 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기로 진화하는 경우에도 ABC 분말소화약제의 열분해 생성물에 의한 목재표면의 손상이 발생하지 않으므로목조건축물에도 A급 화재에 소화능력단위가 높고 신속한 소화가 가능한 ABC 분말소화약제를 사용한 소화기를 비치하여 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.

후기

이 연구는 2018년도 우송대학교 교내학술 연구조성비 지원을 받았음.