이산화탄소 주조법에서 사용되고 있는 방법을 응용하여 목질내에 규산겔과 탄산소다, 이산화규소가 석출된 목재를 제조한 후 외부 복사열원(20, 25, 35 및 50 $kW/m^2$)에 따른 점화시간, 점화온도, 질량감소속도, 임계열유속을 측정하였다. 연구결과, 물유리와 이산화탄소를 이용한 가압함침 처리된 목재는 Pre-Flashover 단계에서의 복사열원(20 $kW/m^2$ 이하)에서 난연성능이 있음을 확인할 수 있었다. 향후 지속적인 연구를 통해 우수한 배합비율을 찾는다면 난연목재로서의 활용가능성이 있다고 판단된다.
이산화탄소 주조법에서 사용되고 있는 방법을 응용하여 목질내에 규산겔과 탄산소다, 이산화규소가 석출된 목재를 제조한 후 외부 복사열원(20, 25, 35 및 50 $kW/m^2$)에 따른 점화시간, 점화온도, 질량감소속도, 임계열유속을 측정하였다. 연구결과, 물유리와 이산화탄소를 이용한 가압함침 처리된 목재는 Pre-Flashover 단계에서의 복사열원(20 $kW/m^2$ 이하)에서 난연성능이 있음을 확인할 수 있었다. 향후 지속적인 연구를 통해 우수한 배합비율을 찾는다면 난연목재로서의 활용가능성이 있다고 판단된다.
After produce the extracted wood to silicic acid gel, sodium carbonate and silicon dioxide with application of the making method for carbon dioxide, ignition time, ignition temperature, mass loss rate and critical heat flux are measured according to external radiation source (20, 25, 35 and 50 ...
After produce the extracted wood to silicic acid gel, sodium carbonate and silicon dioxide with application of the making method for carbon dioxide, ignition time, ignition temperature, mass loss rate and critical heat flux are measured according to external radiation source (20, 25, 35 and 50 $kW/m^2$). From the results, pressure impregnation wood to use with water glass and carbon dioxide has fire retardant performance at heat flux (less than 20 $kW/m^2$) of Pre-Flashover fires. If we find out the excellent maxing ratio through continuously study, it might be decided to be able to be utilized as fire-retardant wood.
After produce the extracted wood to silicic acid gel, sodium carbonate and silicon dioxide with application of the making method for carbon dioxide, ignition time, ignition temperature, mass loss rate and critical heat flux are measured according to external radiation source (20, 25, 35 and 50 $kW/m^2$). From the results, pressure impregnation wood to use with water glass and carbon dioxide has fire retardant performance at heat flux (less than 20 $kW/m^2$) of Pre-Flashover fires. If we find out the excellent maxing ratio through continuously study, it might be decided to be able to be utilized as fire-retardant wood.
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문제 정의
본 연구에서는 이산화탄소 주조법에서 사용되고 있는 방법을 응용하여 아래와 같은 물유리와 이산화탄소의 화학반응에 의해 목질내에 규산겔과 탄산소다, 이산화규소가 석출된 목재를 제조한 후 외부 복사열원에 따른 점화시간, 점화온도, 질량감소속도, 임계열유속 등을 측정하여 난연 목재로서의 활용가능성을 확인하고자 하였다.
가설 설정
x : 탄산나트륨의 결정수의 몰수이다.
제안 방법
목재에 대한 감압은 Vaccum pump를 이용하였으며, 규산나트륨의 가압 함침은 질소가스(10 kg/cm2)를 이용하였다.
물유리와 이산화탄소를 이용하여 가압함침한 목재에 대한 점화시간, 임계열유속, 점화온도 및 질량감소속도를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
100℃를 만족하는 Φ 340 nn×412 mm(H) 크기의 기압함침챔버를 사용하였다.
본 실험에 사용된 실험재료는 상록침염교목으로 연질목재인 가문비나무(spruce)로 판재를 100×100×18.5 mm의 크기로 절단 후 사용하였으며, 함침 약제는 Table 1에 나타낸 바와 같이 KS-3종 규산나트륨(sodium silicate, 물유리, (주)영일화성)으로 규산나트륨 75 %와 물 25 %를 혼합한 수용액을 사용하였으며, 반응제로는 순도 99.99 %의 이산화탄소 가스를 이용하였다.
데이터처리
3 실험방법에 의해 제조된 목재인 FRW와 N-FRW를 Figure 1의 실험장치를 이용하여 외부 복사열원(20, 25, 35 및 50 kW/m2)에서 10분간 노출시켰을 때의 점화시간은 Table 4와 Figure 4에 나타내었다. 점화시간은 각 외부 복사열원의 단계에서 점화스파크에 의해 시료의 표면에 유염착화가 발생할 때까지의 시간으로 3회의 측정 결과에 대한 평균값을 사용하였다. Table 4에서 알 수 있듯이 상대적으로 낮은 외부 복사열원(20 kW/m2)에 있어서는 FRW가 N-FRW의 점화시간보다 1.
점화온도는 주어진 외부 복사열원에서 시험 시료의 노출된 표면 위에 위치한 K-type 열전대(Φ 1.0 mm)를 이용하여 유염착화가 되는 순간의 온도를 측정한 것으로 Table 6에 나타낸 시험 시료의 점화온도는 각 외부 복사열원의 단계에서 점화스파크에 의해 시료 표면에서 유염착화가 발생할 때 열전대에 의해 측정된 온도로 3회의 측정 결과에 대한 평균값을 사용하였다.
이론/모형
N-FRW와 FRW에 대해 Figure 1의 ISO 13927 mass loss calorimeter를 이용하여 20, 25, 35 및 50 kW/m2의 외부 복사열원에서 600초 동안 노출시켰을 때 매 1초 간격으로 측정된 중량변화를 ISO 5660-1:2002(E)의 mass loss rate를 구하는 식(15)을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
1) FRW의 점화시간을 N-FRW의 점화시간과 비교해 보았을 때, 외부 복사열원이 20 kW/m2일 경우 144.9초 그리고 25 kW/m2일 경우 47.4초 지연됨을 확인할 수 있었으나 그 이상의 외부 복사 열원에서는 큰 차이가 없었다.
2) 외부 복사열원과 점화시간의 제곱근의 역수와 회귀분석결과 임계열유속은 N-FRW의 경우 10.10 kW/m2 , FRW 의 경우 11.20 kW/m2로 FRW에서 1.10 kW/m2 정도 높게 측정되었다.
3) 각 외부 복사열원에서의 평균점화온도는 물유리와 이산화탄소로 가압함침한 목재인 FRW가 N-FRW보다 35 kW/ m2을 제외하고는 1.03~1.11배 높게 측정되었다.
4) 질량감소속도는 N-FRW의 경우 평균 9.05 g/m2 · s, 최대 18.27 g/m2 · s의 질량감소속도를 나타낸 반면, FRW 의 경우 평균 8.53 g/m2 · s, 최대 17.94 g/m2 · s의 질량감소속도를 나타내었다.
5) 본 실험결과 물유리와 이산화탄소로 가압함침한 목재는 20~25 kW/m2의 복사열원에서 기존의 목재보다 점화시간 및 질량감소속도 등에서 난연성능이 개선되었음을 확인할 수 있었다.
각 외부 복사열원에서의 평균점화온도는 물유리와 이산화탄소로 가압함침한 목재인 FRW가 N-FRW보다 35 kW/ m2을 제외하고는 1.03~1.11배 높게 측정되었다. 이는 FRW의 점화시간이 상대적으로 길어짐에 따라 표면온도가 상승한 것으로 판단된다.
94 g/ m2 · s의 질량감소속도를 나타내었다. 결과적으로 외부 복사열원이 낮은 경우에 있어서는 두 시료간의 질량감소속도가 큰 반면에, 상대적으로 큰 외부복사열원에서는 큰 차이가 발생하지 않았다.
따라서 본 연구 결과로부터 물유리와 이산화탄소를 이용하여 가압함침한 시료인 FRW의 경우 N-FRW에 비해 화재초기의 상대적으로 낮은 외부 복사열원에 있어서는 난연성능을 나타냄을 알 수 있었다. 이는 Flashover 이전 단계인 Pre-Flashover fires에서의 화재성장속도를 낮추어 일반적인 Flashover의 발생조건인 바닥부분의 복사 수열량인 20 kW/m2(16)에서의 점화지연에 따라 Flashover 발생시점을 지연시킴으로서 인명 및 재산피해를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
28배로 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 사용된 물유리와 이산화탄소로 가압함침한 목재인 FRW의 경우 화재초기에 있어 N-FRW보다 최대 64 %의 점화 지연 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
Figure 4는 외부 복사열원의 변화와 측정된 점화시간과의 관계를 나타낸 그래프로 점화시간은 외부 복사열이 임계열유속에 가까워질수록 무한대로 접근하고, 외부 복사열원이 임계열유속보다 무한이 커질 경우 0으로 접근함을알 수 있다. 측정된 data로부터 점화시간을 600초로 기준 하였을 경우 임계열유속은 N-FRW는 15.89 kW/m2, FRW 의 경우 18.05 kW/m2로 예측되었다.
후속연구
6) 향후 지속적인 연구를 통해 보다 우수한 배합비율을 찾는다면 Pre-Flashover 단계뿐만 아니라 Post-Flashover (최성기) 단계에서도 난연성능을 갖춘 목재를 개발할 수 있을 것으로 판단이 된다.
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