화재로부터 섬유를 보호하는 우유 단백질 :: 전체

치즈 생산으로부터 남겨지는 단백질인 카제인(casein)이 현재 사용되고 있는 인산염(phosphate) 기반의 내연제를 대체할 수 있는 환경 친화적이며 비독성 대안이 될 전망이다. 겉에 천을 댄 가구와 플라스틱에서 내연제(flame retardant)로 현재 사용되고 있는 많은 화학 물질은 환경과 인간 건강에 대한 유해한 효과를 초래할 가능성을 가지고 있기 때문에, 면밀한 조사를 받고 있다. 제조사들이 종종 특정 제품에 대한 화재 안전 기준(fire-safety standards)을 충족하기 위하여 내연제에 의존하고 있기 때문에, 많은 제조사들은 대체물로 비독성 화학 물질을 찾고 있었다. 최근 이탈리아 연구진은 우유에 함유되어 있는 치즈 생산의 부산물인 카제인 단백질이 이러한 요구를 충족할 수 있다는 사실을 증명했다.

유기인산염 에스테르(organophosphate ester)와 같은 일부 유형의 내연제는 높은 인 함량(phosphorus content)으로 인하여 화재를 차단하는 특성을 가진다. 유기인산염 에스테르가 연소될 때, 인산염의 고분자 층이 형성되어 연소되지 않은 재료로 열을 전달하는 것을 차단함으로써 화재의 확산을 지연시키는 숯(char)을 생성한다.

이탈리아 토리노 기술대학(Polytechnic University of Turin) 소속의 Jenny Alongi와 그녀의 동료 연구진은 대체 내연제로서 다수의 인산염 그룹을 함유하고 있는 카제인이라고 불리는 단백질 군을 조사하기로 결정했다. 카제인은 치즈 생산의 부산물인 유장(whey)에서 찾아볼 수 있으며, 따라서 이탈리아와 프랑스처럼 많은 치즈를 생산하는 국가들이 있기 때문에 카제인 단백질은 저렴하고 풍부하다.

연구팀은 면, 폴리에스테르 및 35%의 면과 65%의 폴리에스테르가 혼합된 혼방 섬유 등 세 가지 재료를 카제인 분말을 섞은 증류수에 담가 카제인 단백질로 코팅했다. 이후 연구진은 가연성 시험(flammability test)의 포열에 시료를 배치했다. 카제인으로 처리한 면과 폴리에스테르만 함유된 섬유는 화염이 자발적으로 소각됐으며, 면의 85%와 폴리에스테르의 77%가 연소되지 않고 남아 있었다. 면-에스테르 혼방 섬유는 완전히 연소됐지만, 처리되지 않은 재료보다 60% 더 많은 시간이 소요되며 연소됐다.

이 연구에서 폴리에스테르와 폴리에스테르-면 혼방 직물이 최초로 내열성(thermal stability)과 난연성(flame retardancy)을 증가시키기 위하여 카제인 수용성 현탁액으로 처리됐다. 침착된 코팅의 형태뿐 아니라 직물 처리의 효과가 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscopy)과 적외선 분광법(infrared spectroscopy)에 의해 각각 평가됐다.

질소와 공기에서 처리된 직물의 화염 적용에 대한 내성과 35 kW/m2의 빛의 열 흐름(heat flux)뿐 아니라 내열성은 카제인에 의해 강하게 영향을 받는다는 사실이 입증됐다. 실제로 폴리에스테르의 경우, ?70%로 연소 속도(burning rate)가 두드러지게 감소했으며, 한계 산소 농도 지수(limiting oxygen index)는 21%에서 26%로 상당히 증가했다. 폴리에스테르-면 혼방 직물에서, 카제인은 직물 연소 속도와 콘 칼로리미터로 평가된 빛 흐름(irradiative flux)에 대한 내성이 ?40%로 지연됐다는 것이 확인됐다.

카제인의 내연제 특징은 내화재료(fire proofing)인 폴리올레핀(polyolefin)과 폴리우레탄(polyurethane)에 사용된 내연제인 암모늄 폴리포스페이트(APP; ammonium polyphosphate)의 특징에 상응하는 것으로 나타났다. 카제인은 직물 시료 위 숯 층을 효과적으로 형성했다. 그러나 APP와는 달리 카제인은 연소가 진행되는 동안 독성 연기(toxic fume)를 생성하지 않았다.

카제인이 내연제로 사용되기 전, 연구진은 재료가 세탁될 때 단백질이 씻겨나가는 것을 예방하는 것과 같은 많은 문제를 해결할 필요가 있다. 연구팀은 현재 직물의 표면에 카제인 분자를 결합할 수 있는 요소(urea)와 같은 분자와 빛을 치유할 수 있는 레진을 테스트할 예정이라고 Alongi는 밝혔다. 또 다른 문제는 카제인으로 처리한 재료에서 산패된 냄새가 나는 것이다. Alongi와 그녀의 동료 연구진은 냄새를 만들어내는 카제인으로 처리된 분자를 제거하는 방안을 찾고 있다.

카제인은 현재의 내연제와 비교하여 우수한 수행력을 보여 주었다고 환경에 대한 유기인계 내연제의 영향을 조사했던 네덜란드 암스테르담에 위치한 VU 대학(VU University) 소속의 분석 화학자인 Jacob de Boer는 밝혔다. 그는 이탈리아 연구진이 추가적인 연구를 수행하기를 기대하고 있다.