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문제 정의
- 내화재료의 내화성능 향상에 관한 연구를 위해 위와 같은 자료에 근거하여 재료를 선정하였으며, 건축 및 토목구조 분야에서 사용되는 내화재료로 적용하기 위해콘크리트의 폭렬 현상을 예방하기 위한 재료의 열분해 특성, 화염에 의한 연소특성, 유변학적 특성을 중심으로 연구하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 고무에 무기계 난연제인 ATH과 MDH을 첨가하여 내화성능 향상에 관한 연구를 진행하였다. 실리콘 고무에 ATH, MDH를 5~20 wt%의 함량별로 첨가하여 시편을 제조하였으며, 열분해특성, 유변학적 특성, 화염연소특성을 분석하였다.
제안 방법
- 200×100×20 mm의 시편에 gas torch를 10 cm의 거리에 위치시킨 후 뒷면에 온도센서를 설치하여 화염시험을 실시하였다(Figure 2).
- Parallel plate mode(25 mm diameter, 1mm thick)에서 실온의 조건으로 시간에 따른 전단 탄성률 (G')을 분석하기 위하여 1 Pa의 stress를 가하면서 600초 동안 측정하였다.
- 각각의 경화된 시료들을 20~30 mg 씩 채취하여 열분석을 실시하였다. 열 중량 분석기(TGA, Auto-TGA Q500, TA Instruments, United States)를 이용하여 질소분위기하에서 30 ~ 900 ℃의 범위 내 20 ℃/min의 승온 속도로 하여 열 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 고무에 무기계 난연제인 ATH과 MDH을 첨가하여 내화성능 향상에 관한 연구를 진행하였다. 실리콘 고무에 ATH, MDH를 5~20 wt%의 함량별로 첨가하여 시편을 제조하였으며, 열분해특성, 유변학적 특성, 화염연소특성을 분석하였다. TGA를 이용한 열분해특성 분석에서 실리콘 고무의 열분해는 크게 세 단계로 나눠지는 것이 관찰되었으며, ATH와 MDH를 첨가한 모든 시편에서 열분해로 인한 탈수반응으로 초기분해온도가 저하되는 것이 관찰되었다.
- 각각의 경화된 시료들을 20~30 mg 씩 채취하여 열분석을 실시하였다. 열 중량 분석기(TGA, Auto-TGA Q500, TA Instruments, United States)를 이용하여 질소분위기하에서 30 ~ 900 ℃의 범위 내 20 ℃/min의 승온 속도로 하여 열 특성을 분석하였다.
- 화염시험은 시중에서 일반적으로 구할 수 있는 gas torch를 이용하여 제조된 실리콘 고무 시편에 직접 화염을 가하는 방식으로 진행하였다. 이러한 실험방법은 시편을 실제 화재발생시와 동일한 온도조건의 화염에 노출시켜 후면의 온도를 측정함으로서 콘크리트에 전달되는 온도를 분석하여 폭렬현상의 발생 유·무를 예측할 수 있다.
대상 데이터
- ATH(Aluminium trihydroxides)는 순도 99.8% 이상, 평균입자경이 8 ㎛인 케미존사의 제품을 사용하였고, MDH(Magnesium dihydroxides)는 순도 97% 이상, 평균입자경이 0.9~1.0 ㎛인 신원화학사의 FLAMDANTTM을 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 시편은 Table 1의 조성으로 고분자와 난연제를 첨가한 후, mechanical stirrer를 사용하여 혼합하였다. 그 후 Figure 1에 보이는 것과 같은 400×100×20 mm 크기의 금형을 이용하여 상온에서 24시간 동안 경화시켰다.
- 실리콘 고무는 methylhydrosilane(Part A)과 hydrosilane(Part B)이 1:1 중량비로 구성되어 있으며 실리카가 30 wt%가 함유된 국내 HRS사의 HR-PS-120 제품을 구입하여 사용하였다. 주재인 Part A는 비닐 그룹을 가진 PDMS이고, 경화제인 Part B는 활성수소기를 가진 PDMS 가교제로 구성되어져 있다.
- 실리콘 고무는 methylhydrosilane(Part A)과 hydrosilane(Part B)이 1:1 중량비로 구성되어 있으며 실리카가 30 wt%가 함유된 국내 HRS사의 HR-PS-120 제품을 구입하여 사용하였다. 주재인 Part A는 비닐 그룹을 가진 PDMS이고, 경화제인 Part B는 활성수소기를 가진 PDMS 가교제로 구성되어져 있다. Silicone의 가교반응은 경화재의 활성화수소가 주재의 vinyl group을 공격하는 부가반응(Hydrosilylation)에 의해 이루어진다.
이론/모형
- 유변학적 특성의 분석을 위해 레오미터(Stresstech rheometer, REOLOGICA Instrument AB, Sweden)를 사용하였다. Parallel plate mode(25 mm diameter, 1mm thick)에서 실온의 조건으로 시간에 따른 전단 탄성률 (G')을 분석하기 위하여 1 Pa의 stress를 가하면서 600초 동안 측정하였다.
성능/효과
- 이 현상은 ATH를 첨가한 경우와 마찬가지로 MDH의 높은 흡열에너지를 요구하는 탈수반응에 의해 실리콘의 연소가 지연·저지되었다고 볼 수 있으며, MDH는 약 332 ℃ 이후부터 탈수반응에 의해 분해가 시작되고 H2O가 발생된다.11 MDH를 첨가한 시편에서도 ATH를 첨가한 시편과 동일하게 가열 10분 이후부터 가열부위 주변에 재가 형성되었으며, 이로 인해 화염에 노출되는 부위의 감소와 화염의 확산이 저하되는 것을 육안으로 확인 할 수 있었다.
- Gas torch를 이용한 가열실험을 한 결과 ATH와 MDH를 첨가한 시편의 경우 실리콘 고무에 비해 후면의 온도상승을 보다 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 상기 결과로 수화금속 난연제를 첨가함으로서 첨가제에 의해 연소과정에서 유지되어야 하는 열에너지를 소비시키면서 연소를 억제하고, 불연성 가스를 생성시켜 연소를 진행시키는 가스들끼리의 반응을 억제시킴으로써 소화작용(자기소화성)을 하는 메커니즘을 이해할 수 있다.
- 레오미터를 이용한 유변학적 특성분석에서는 ATH와 MDH를 첨가한 모든 시편에서 함량증가와 비례하여 G'이 증가하는 것을 관찰되었으며, 충전제의 크기로 인해 MDH를 첨가한 시편의 G'이 ATH를 첨가한 시편에 비해 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다. Gas torch를 이용한 화염연소특성 분석 실험에서는 실리콘 고무보다 난연제가 첨가된 시편들이 실리콘의 열분해로 인해 소실되는 가스의 양이 작기 때문에 균열이 작게 발생하는 것을 알 수 있었으며 가열부위에 생성된 재의 양이 증가함을 볼 수 있었다. 또한 실리콘 고무에 비해 난연제 첨가 시 후면에 전달되는 온도가 더 낮게 나타났으며, 재에 의해 화염에 노출되는 부위의 감소와 화염의 확산이 저하되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 실리콘 고무에 ATH, MDH를 5~20 wt%의 함량별로 첨가하여 시편을 제조하였으며, 열분해특성, 유변학적 특성, 화염연소특성을 분석하였다. TGA를 이용한 열분해특성 분석에서 실리콘 고무의 열분해는 크게 세 단계로 나눠지는 것이 관찰되었으며, ATH와 MDH를 첨가한 모든 시편에서 열분해로 인한 탈수반응으로 초기분해온도가 저하되는 것이 관찰되었다. 이러한 결과는 난연제가 먼저 분해가 되면서 외부 열원으로부터 실리콘 고무를 보호하는 난연 기능을 함으로서 실리콘 고무 복합체의 내화성능을 향상시킬 수 있다는 것을 의미하는 것이다.
- Gas torch로 가열한 시편의 시간경과에 따른 후면온도 변화를 Figure 9와 Figure 10에 나타내었다. 그래프에서 알 수 있듯이 실리콘 고무 시편의 경우 다른 모든 시험편의 경우에 비해 가장 높은 후면온도를 나타내었으며, 가열 후 34분경과시 가장 높은 온도인 348.7 ℃를 나타내었다. 또한 여러 번의 반복시험에서 실리콘 고무 시편의 경우 가열 약 10분경과 후 가열부위 측면에서 균열현상이 발생되는 빈도가 높았으며, 그로 인해 화염이 후면까지 확산되어 후면의 온도가 급격히 상승하는 현상이 관찰되었다.
- 11 ATH는 약 250 ℃에서 분해가 시작되고, 분해 시 발생되는 H2O가 흡열작용을 하여 실리콘의 연소가 지연·저지되었다고 볼 수 있으며 이로 인해 후면의 온도가 상승되는 것을 억제하는 효과를 가져왔다고 볼 수 있다. 그리고 가열 10분 이후부터 가열부위 주변에 재가 생성되었으며 화염에 노출되는 부위가 감소하는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
- 실리콘 고무의 경우 시간이 경과함에 따라 균열이 심하게 발생하였고 충전제가 첨가된 시편의 경우 상대적으로 균열이 적게 발생하였다. 또한 모든 시편의 가열부위에서 재(ash)가 생성되는 것을 볼 수 있는데 난연제가 첨가된 시편의 경우 실리콘 고무에서 발생되는 재와 ATH, MDH의 열분해로 인한 잔류물이 공존함으로서 백색의 재가 더 많이 생성됨을 볼 수 있었다. 또한 Figure 7의 ATH를 첨가한 복합체가 Figure 8의 MDH를 첨가한 복합체보다 화염에 노출된 부위의 주위로 백색의 재가 더 많이 생성되었음을 확인 할 수 있었다.
- Gas torch를 이용한 화염연소특성 분석 실험에서는 실리콘 고무보다 난연제가 첨가된 시편들이 실리콘의 열분해로 인해 소실되는 가스의 양이 작기 때문에 균열이 작게 발생하는 것을 알 수 있었으며 가열부위에 생성된 재의 양이 증가함을 볼 수 있었다. 또한 실리콘 고무에 비해 난연제 첨가 시 후면에 전달되는 온도가 더 낮게 나타났으며, 재에 의해 화염에 노출되는 부위의 감소와 화염의 확산이 저하되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 7 ℃를 나타내었다. 또한 여러 번의 반복시험에서 실리콘 고무 시편의 경우 가열 약 10분경과 후 가열부위 측면에서 균열현상이 발생되는 빈도가 높았으며, 그로 인해 화염이 후면까지 확산되어 후면의 온도가 급격히 상승하는 현상이 관찰되었다. 이러한 결과들은 콘크리트 구조물의 폭렬현상 발생온도가 190~250 ℃인 것을 감안할 때 화재 시 폭렬현상을 방지하기 위한 내화성능을 만족할 수 없다는 것을 보여준다.
- 레오미터를 이용한 유변학적 특성분석에서는 ATH와 MDH를 첨가한 모든 시편에서 함량증가와 비례하여 G'이 증가하는 것을 관찰되었으며, 충전제의 크기로 인해 MDH를 첨가한 시편의 G'이 ATH를 첨가한 시편에 비해 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
- 본 연구를 통해 실리콘 고무가 ATH와 MDH를 첨가한 시편에 비해 열안정성은 높게 나타났으나 화염에 의한 연소 시 ATH 와 MDH의 자체적인 난연 특성으로 인해 실리콘 고무의 연소를 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 실리콘 고무에 비해 ATH와 MDH를 첨가한 실리콘 고무 복합체의 경우 건축 및 토목 구조물의 내화재료로 적용 시 더욱 우수한 내화성능을 발휘할 수 있을 것이다.
- Gas torch를 이용한 가열실험을 한 결과 ATH와 MDH를 첨가한 시편의 경우 실리콘 고무에 비해 후면의 온도상승을 보다 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 상기 결과로 수화금속 난연제를 첨가함으로서 첨가제에 의해 연소과정에서 유지되어야 하는 열에너지를 소비시키면서 연소를 억제하고, 불연성 가스를 생성시켜 연소를 진행시키는 가스들끼리의 반응을 억제시킴으로써 소화작용(자기소화성)을 하는 메커니즘을 이해할 수 있다. 콘크리트의 폭렬현상은 190~250 ℃ 사이에서 시작되며, 이에 따라 화재발생 시 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 콘크리트에 피복되는 내화재료로 사용하기 위해서는 화염에 의한 내화재료의 가열부위 후면의 온도가 190~250 ℃ 보다 낮아야 한다.
- 상기 결과로부터 실리콘 고무보다 난연제를 첨가한 실리콘 고무 복합체 시편들의 열분해 개시온도가 낮은 것으로 보아 열에 의해 난연제가 실리콘 고무보다 먼저 분해가 시작되어 외부열원으로부터 실리콘 고무를 보호하는 난연 역할을 할 수 있고 실리콘 고무 복합체의 내화성능을 향상시킬 수 있다는 것을 간접적으로 추측할 수 있다.
- 또한 여러 번의 반복시험에서 실리콘 고무 시편의 경우 가열 약 10분경과 후 가열부위 측면에서 균열현상이 발생되는 빈도가 높았으며, 그로 인해 화염이 후면까지 확산되어 후면의 온도가 급격히 상승하는 현상이 관찰되었다. 이러한 결과들은 콘크리트 구조물의 폭렬현상 발생온도가 190~250 ℃인 것을 감안할 때 화재 시 폭렬현상을 방지하기 위한 내화성능을 만족할 수 없다는 것을 보여준다.14
후속연구
- 본 연구를 통해 실리콘 고무가 ATH와 MDH를 첨가한 시편에 비해 열안정성은 높게 나타났으나 화염에 의한 연소 시 ATH 와 MDH의 자체적인 난연 특성으로 인해 실리콘 고무의 연소를 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 실리콘 고무에 비해 ATH와 MDH를 첨가한 실리콘 고무 복합체의 경우 건축 및 토목 구조물의 내화재료로 적용 시 더욱 우수한 내화성능을 발휘할 수 있을 것이다.
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