선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 대류열 방호 성능: 시료의 열 방호 성능을 비교하기 위하여불꽃에서 열이 전달되는 대류열 방호 성능을 살펴보았다. 이것은 열이 전달되는 것을 지연시키는 성능에 대하여 등급을 정하는 것으로 열전달 지수(heat transfer index, HTI)로 나타낸다.
- 따라서 본 연구에서는 현재 시중에 공급되는 보호복 소재 중고온의 작업환경을 고려한 기능성 소재를 선택하여 성능 평가를 실시함으로써 조선업의 유해작업환경 대응을 위한 최적의용접 보호복 개발의 기초자료를 제공하고자 한다. 이를 위하여먼저 열중량 분석에 의한 소재의 열안정성을 검토한 후, 한계불꽃 확산 속도를 측정하여 방염성을 평가하였다.
- 또한, 용융금속 파편충격, 대류열과 복사열에 대한 방호 성능 및 접촉 냉온감을 비교함으로써 열전달 특성을 살펴보고, 공기 및 수분전달 특성을 검토하였다. 아울러 고온의 작업환경에 노출시 직물구조의 변형이 작업자에게 큰 피해를 줄 수 있으므로 소재의 역학적 성질과 무독성 여부를 평가함으로써 조선업 작업자들을 효과적으로 보호할 수 있는 용접 보호복 개발의 토대를 마련하고자 한다.
- 조선업의 선박 건조 과정에서 필수적인 공정이지만 작업환경이 매우 열악한 용접 공정의 유해작업환경 대응을 위한 산업용 보호복을 개발하기 위하여 선별한 기능성 소재의 성능 평가를 실시하였다. 소재는 고온의 작업환경을 고려하여 선택하였으며, 열전달 및 수분전달 특성과 역학적 성질 등의 물리적 특성을 평가한 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- , 2009). 따라서 의복이 피부에 접촉시 순간적인 느낌을 나타내기 위하여 열원판을 순간 접촉 후 열의 이동 정도를 수치화한 Qmax 값을 측정하였는데, 그 값이 클수록 냉감이큰 것이다. Fig.
제안 방법
- 고정된 시료의 아래쪽에 있는 불꽃으로부터 80 kW/m2의 열 플럭스 밀도로 시험하면 시료를 통과한 열이 꼭대기에 있는 열량계의 온도를 24±0.2℃ 올리는데 걸리는 시간(IQ24)을 측정하여 열전달 지수(HTI, heat transfer index)로 나타내었다.
- , 2009). 따라서 시료의 인장강도와 인열강도를 측정하여 역학적 성질을 비교하였다.
- 1s로서SW4의 RHTI 값이 크게 나타나 복사열의 방호 성능은 직물의 두께이외에 다른 요인이 있을 것으로 생각되었다. 따라서 실질적인 복사열 방호 성능을 비교해 보기 위해 복사열원에 노출된시료를 통하여 실제 복사열이 전달된 열의 비율을 나타내는 열전달 요인(heat transfer factor, TF)을 산출하였다. KS K ISO 6942에서 규정에 의하면 보호복의 경우, 중간 수준이상의 입사열 플럭스 밀도(incident heat flux density, Q0)에서 시험해야 하므로 20 kW/m2의 입사열 플럭스 밀도로 실험하여 전달열 플럭스 밀도 Qc(kW/m2)를 구한 다음 열전달 요인을 산출한 결과는 Table 3과 같다.
- 이를 위하여먼저 열중량 분석에 의한 소재의 열안정성을 검토한 후, 한계불꽃 확산 속도를 측정하여 방염성을 평가하였다. 또한, 용융금속 파편충격, 대류열과 복사열에 대한 방호 성능 및 접촉 냉온감을 비교함으로써 열전달 특성을 살펴보고, 공기 및 수분전달 특성을 검토하였다. 아울러 고온의 작업환경에 노출시 직물구조의 변형이 작업자에게 큰 피해를 줄 수 있으므로 소재의 역학적 성질과 무독성 여부를 평가함으로써 조선업 작업자들을 효과적으로 보호할 수 있는 용접 보호복 개발의 토대를 마련하고자 한다.
- 시료를 열량계 앞쪽에 고정시키고 복사열에 노출시킨 후 열량계 온도를 12±0.1oC와 24±0.2oC 올리는데 걸리는 시간을 측정하여 각각 t12와 t24로 표시하고, 세 개시험편의 t24 평균값을 구하여 복사열 전달 지수(RHTI, radiant heat transfer index)로 나타내었다.
- 열중량 분석(Thermogravimetric analysis): 시료의 열안정성을 살펴보기 위하여 열중량 분석기(SETSYS Evolution TG-DTA 24)를 사용하였으며, 40~900℃까지 20oC/min의 승온 속도로 질소 분위기하에서 가열하여 시료에 가해지는 온도변화에따른 중량 감소를 측정하였다.
- 시료의 공기투과도는 KS K ISO 9237에 의해 프레지어 법으로 측정하였고, 수분전달 특성을 살펴보기 위하여 KS K 0594에 의거하여 워터법으로 투습도를 측정하였다. 이 때 시료의 투과 특성에 영향을 주는 표면 상태를 살펴보기 위하여 35배의 배율로 SEM(Scanning electron microscope, SEM/EDS-Jeol) 사진을 비교하였다.
- 일반적으로 용접 작업자들이 착용하는 보호복내에 수분을 많이 함유하게 되므로 실제 작업 상황에서는 보호복의 수분전달 특성이 매우 중요하다(Jeong & An, 1999; Ross, 1977). 이를 비교하기 위하여 투습도를 측정하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 현재 시중에 공급되는 보호복 소재 중고온의 작업환경을 고려한 기능성 소재를 선택하여 성능 평가를 실시함으로써 조선업의 유해작업환경 대응을 위한 최적의용접 보호복 개발의 기초자료를 제공하고자 한다. 이를 위하여먼저 열중량 분석에 의한 소재의 열안정성을 검토한 후, 한계불꽃 확산 속도를 측정하여 방염성을 평가하였다. 또한, 용융금속 파편충격, 대류열과 복사열에 대한 방호 성능 및 접촉 냉온감을 비교함으로써 열전달 특성을 살펴보고, 공기 및 수분전달 특성을 검토하였다.
- , 1999). 이에 본 실험에서는 불꽃 확산 속도와 용융 금속 파편에 대한 저항성을 측정함으로써 용접 보호복용 소재의 방염성을 살펴보고, TPP 및 RPP 시험을 실시하여 열 방호 성능을 비교하였으며, 보호복 착용시 쾌적감과 밀접한 관계가 있는 접촉 냉온감(Qmax)을 평가하였다.
- 입사된 열과 복사열원에 노출된 시료를 통해 투과된 열의 비율을 나타내는 열전달 요인(heat transfer factor, TF)은 다음식으로 산출하였다.
- 접촉 냉온감(Warm/cool feeling, Qmax): 의복이 피부에 닿는 순간의 느낌을 나타내는 것으로써 시료와 10°C의 온도차가있는 예열된 열판을 순간적으로 시료에 접촉한 후 떼어낸 뒤열의 이동 정도를 수치화 한 것이며, KES-F7(Thermo Labo II, Kato Tech, Co., Ltd., Japan)을 사용하여 20±2°C, 65±5%RH의 항온항습실에서 실시하였다.
- 한계 불꽃 확산 속도(Limited flame spread): KS K ISO 15025에 의해 시료를 수직으로 놓고 표면에서 점화를 위해 10초 동안 불꽃에 노출시켜 잔염 시간과 잔광 시간을 측정함으로써 한계 불꽃 확산 속도를 측정하여 방염성을 평가하였다.
- 그러나 KS K ISO 11612(2011)의 치수변화율 요구 성능은 ±3%를 넘지 않아야 하므로 시료 모두 열/불꽃 보호복의 요구 성능에 적합한 것으로 판명되었다. 한편, 보호복 소재가 가죽이면 Cr(VI)함량 측정이 필요하지만 여기서는 모두 섬유이므로 수성 추출액에 의한 pH 값을 측정하여 유해성 여부를 비교하였다. KS K ISO 11611(2010)에는 pH 값이 3.
대상 데이터
- 고온의 작업환경을 고려하여 국내에서 시판되고 있는 용접보호복 소재 4종을 선택하였으며, 각 시료의 구성 특성은 Table 1과 같다. SW1 소재는 Oxidant carbon의 미코팅 부직포로서 특수 아크릴 섬유를 탄화 가공한 내염화 섬유이며, SW2 소재는 실리카 코팅한 Oxidant carbon 부직포이다.
- 조선업의 선박 건조 과정에서 필수적인 공정이지만 작업환경이 매우 열악한 용접 공정의 유해작업환경 대응을 위한 산업용 보호복을 개발하기 위하여 선별한 기능성 소재의 성능 평가를 실시하였다. 소재는 고온의 작업환경을 고려하여 선택하였으며, 열전달 및 수분전달 특성과 역학적 성질 등의 물리적 특성을 평가한 결과는 다음과 같다.
이론/모형
- 용접 보호복으로서 최소 요구 성능 기준을 정해놓은 KS K ISO 11611(2010)의 산업 표준 규격에 부합하는지를 평가하기 위하여 인장강도는 KS K ISO 13934-1, 인열강도는 KS K ISO 13937-2에 의거하여 실험은 기계 방향(MD, mechanical direction)과 가로 방향(CD, cross direction)에 대해 측정하였다. 내마모성은KS M ISO 5470-2, 봉합강도는 그래브법을 이용한 심 파단 최대하중을 KS K ISO 13935-2에 의거하여 측정하였다.
- 대류열 방호 성능(Thermal protective performance, TPP):불꽃열에 대한 시료의 대류열 방호 성능을 측정하기 위하여 KS K ISO 9151에 준하여 FPT-30A(Daiei Kagaku Seiko Mfg. Co. Ltd., Japan)로 실험하였다. 고정된 시료의 아래쪽에 있는 불꽃으로부터 80 kW/m2의 열 플럭스 밀도로 시험하면 시료를 통과한 열이 꼭대기에 있는 열량계의 온도를 24±0.
- 복사열 방호 성능(Radiant protective performance, RPP):시료의 복사열 방호 성능을 측정하기 위하여 KS K ISO 6942에 준하여 실험하였다. 시료를 열량계 앞쪽에 고정시키고 복사열에 노출시킨 후 열량계 온도를 12±0.
- 세척에 의한 치수변화율은 KS K ISO 5077에 따라 측정하였고, 수성 추출액에 의한 pH 측정은 KS K ISO 3071에 의거하여 무독성 여부를 측정하였다.
- 시료의 공기투과도는 KS K ISO 9237에 의해 프레지어 법으로 측정하였고, 수분전달 특성을 살펴보기 위하여 KS K 0594에 의거하여 워터법으로 투습도를 측정하였다. 이 때 시료의 투과 특성에 영향을 주는 표면 상태를 살펴보기 위하여 35배의 배율로 SEM(Scanning electron microscope, SEM/EDS-Jeol) 사진을 비교하였다.
- 여기서 입사열 플럭스 밀도(incident heat flux density, Q0)는KS K ISO 6942에 의해 중간 수준인 20 kW/m2로 하여 실험하였고, 전달열 플럭스 밀도(transfer heat flux density, Qc)는다음 식에 의해 구하였다.
- 용융 금속 파편 충격(Impact of spatter): KS K ISO 9150에 의하여 용융된 금속의 파편이 시료에 수직으로 떨어지며 시료 뒤의 센서 온도가 40K 상승할 때까지 적하된 금속 용융물의 방울 수로 나타내었다.
- 용접 보호복으로서 최소 요구 성능 기준을 정해놓은 KS K ISO 11611(2010)의 산업 표준 규격에 부합하는지를 평가하기 위하여 인장강도는 KS K ISO 13934-1, 인열강도는 KS K ISO 13937-2에 의거하여 실험은 기계 방향(MD, mechanical direction)과 가로 방향(CD, cross direction)에 대해 측정하였다.
성능/효과
- Oxidant carbon/p-aramid 혼방섬유인 SW4의 분해온도는 596.0°C로서 열에 가장안정한 것으로 나타났다.
- 이에 의하면 부직포에 비하여 직물의 내마모성이 우수하였으며, 특히 아라미드 혼방섬유인 SW4의 마모강도(18,000cycles)가 상당히 우수한 것으로 나타났다. 그리고 인장강도에서 부적합 판명된 SW1의 마모강도가 1,000cycles 이하로서 내마모성도 좋지않은 것으로 나타났다.
- 반면, SW1의 경우 열/불꽃 보호복에 대하여 규정한 인장강도 최소 요구 성능에 미치지 못하였으며 내마모성도 좋지 않아 용접 보호복 소재로써 부적합한 것으로 판명되었다. 또한 봉합강도와 치수변화율은 KS K ISO 11612 (2011)의 최소 요구 성능을 모두 충족하였으며, 모든 시료는 유해하지 않은 것으로 판명되었다
- 조선업 작업장의 산업용 보호복 착의실태에 관한 Bae and Kim(2012)의 연구에 의하면 조선업의 주요 공정 중 작업환경이 가장 열악한 용접 공정에서 유해도가 큰 작업환경 요인은 작업장의 온도, 고온·고열, 흄, 자외선, 분진, 중금속 파편, 소음 등으로 나타났다. 또한 좁고 밀폐된 공간에서 쭈그리거나 비틀린작업자세로 인하여 작업부하가 상당히 걸리는 것으로 나타났다.따라서 용접 작업 특성상 일반 작업복만으로는 작업자들의 신체보호가 불가능하며, 심각한 재해와 생명까지 위협받는 상황이되기도 하므로 산업안전 측면에서 실제로 인체를 보호할 수 있는 용접 보호복의 개발이 절실히 필요하다.
- 방염면인 SW3의 분해온도가 287.1°C로 가장 낮아 열분해가 가장 먼저 일어났으며, 최종 잔류량이 가장 적게 나타났다.
- 복사열 전달 지수인 RHTI 값은 SW1(28.5s)>SW4(28.1s)> SW2(26.6s)>SW3(20.2s)의 순으로 나타났으며, 서로 역상관의 관계가 있는 TF 값은 SW3(44.7%)>SW2(37.6%)>SW4(30.6%) >SW1(30.0%)의 순으로 나타나 RHTI 값이 클수록 TF 값이작아져 복사열 방호 성능이 우수함을 나타내고 있다.
- 소재별 인장강도 및 인열강도는 SW4>SW2>SW3>SW1 순으로 나타나 파라계 아라미드 혼방 섬유인 SW4의 역학적 성질이 가장 우수하였다.
- 실리카 코팅 Oxidant carbon 부직포(SW2)와 Oxidant carbon/p-aramid 혼방 직물(SW4)의 RHTI 값을 비교해 보면,두께가 두꺼운 SW2의 경우 26.3s이고, SW4의 경우 28.1s로서SW4의 RHTI 값이 크게 나타나 복사열의 방호 성능은 직물의 두께이외에 다른 요인이 있을 것으로 생각되었다. 따라서 실질적인 복사열 방호 성능을 비교해 보기 위해 복사열원에 노출된시료를 통하여 실제 복사열이 전달된 열의 비율을 나타내는 열전달 요인(heat transfer factor, TF)을 산출하였다.
- 3이다. 실험결과, SW1의 RHTI 값이 28.5s로 가장컸으며, SW3이 20.2s로 가장 작았다. 이는 두께가 두꺼운 부직포의 경우 공기층으로 인하여 복사열 차단 성능이 더 우수하기 때문이며, SW3은 조밀하면서 두께도 얇아 공기층이 적기때문에 RHTI 값이 낮은 것으로 생각된다.
- 열전달 특성에서 불꽃 확산 속도 및 용융 금속 파편에 의한방염성과 대류열 방호 성능은 Oxidant carbon(SW1)>Oxidant carbon coated by silica(SW2)>Oxidant carbon/p-aramid(SW4)> Flame retardant cotton(SW3)의 순으로 좋게 나타났으며, 고온· 고열의 작업환경에서 실제 작업자에게 피해를 많이 주는 복사열 방호 성능 및 열전달 요인(TF)은 SW1>SW4>SW2>SW3의순으로 좋게 나타나 대류열 방호 성능과는 다소 차이를 보였다.
- 복사열로부터 보호 기능을 가지는 의복은 최소 요구 성능이 C1 등급을 만족시켜야 한다고 규정하고 있다. 이는 RHTI 값이 최소 7.0s 이상,최대 20.0s 미만의 범위에 해당하는 것으로 본 실험에서 사용한 시료는 모두 이 범위를 초과하여 C2등급에 해당되므로 보호복으로서 복사열에 대한 차단 효과는 모두 우수한 것으로 판명되었다.
- 이상의 실험 결과, 용접 보호복 소재로서 적합한 섬유는 실리카 코팅한 Oxidant carbon 부직포(SW2)와 Oxidant carbon/p-aramid 혼방섬유(SW4)로 나타났다. 앞으로 이를 토대로 실제 용접 보호복을 제작하여 종합적인 착용감과 작업현장의 착의평가를 진행한다면 조선업의 유해작업환경 대응을 위한 최적의 용접 보호복 개발이 가능할 것으로 생각된다.
- KS K ISO 11611(2010)는 용접 및 관련 공정에서사용하는 보호복에 대한 산업규격이다. 이에 의하면 금속 용융물이 소량 발생하는 용접 작업을 1 등급으로 분류하여 금속 용융물에 대한 안전 기준을 15방울을 정하고 있으며, 금속 용융물이 다량 발생하는 용접 작업은 2 등급으로 분류하여 안전 기준을 25방울로 규정하고 있는데, 본 실험에서 사용된 시료는 모두 금속 용융물이 다량 발생하는 2 등급의 용접 작업까지도 용융 금속 파편의 충격에 안전한 것으로 나타났다.
- 10과 같다. 이에 의하면 부직포에 비하여 직물의 내마모성이 우수하였으며, 특히 아라미드 혼방섬유인 SW4의 마모강도(18,000cycles)가 상당히 우수한 것으로 나타났다. 그리고 인장강도에서 부적합 판명된 SW1의 마모강도가 1,000cycles 이하로서 내마모성도 좋지않은 것으로 나타났다.
- 용접 작업은 열원에 의해 금속재료를 접합시키는 공정이므로 용융 금속 파편이 보호복의 직물 표면에 튀게 된다. 이에대한 방호 성능을 살펴보기 위하여 시료 뒤편의 온도를 40K올리는데 떨어진 금속 용융물의 방울수를 측정하였는데 용융금속 파편에 의한 용접열에 대하여 직물보다 부직포가 더 우수하였고, SW1이 열에 가장 안정하여 방염성이 우수한 것으로 나타났다. KS K ISO 11611(2010)는 용접 및 관련 공정에서사용하는 보호복에 대한 산업규격이다.
- KS K ISO 11612 (2011)에 의하면 열/불꽃에 대한 보호복의 봉합 강도 요구 성능이 최소 225 N 이상이어야 하는데, 본 실험에 사용된 시료들의평균 봉합 강도는 모두 그 이상으로 나타나 최소 요구 성능을충족하는 것으로 판명되었다. 전반적으로 직물에 비하여 부직포의 봉합강도가 컸으며, 실리카 코팅 부직포의 봉합강도가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 열전달 특성에서 불꽃 확산 속도 및 용융 금속 파편에 의한방염성과 대류열 방호 성능은 Oxidant carbon(SW1)>Oxidant carbon coated by silica(SW2)>Oxidant carbon/p-aramid(SW4)> Flame retardant cotton(SW3)의 순으로 좋게 나타났으며, 고온· 고열의 작업환경에서 실제 작업자에게 피해를 많이 주는 복사열 방호 성능 및 열전달 요인(TF)은 SW1>SW4>SW2>SW3의순으로 좋게 나타나 대류열 방호 성능과는 다소 차이를 보였다. 접촉 냉온감은 가장 얇은 SW3의 냉감성이 컸으며, 공기투과도와 투습도는 SW1이 가장 우수하였다.
- 0s 미만의 범위에 해당하는 것으로 본 실험에서사용한 시료는 모두 이 범위를 초과하므로 보호복으로서 대류열에 대한 방호 성능을 만족시키고 있다. 특히 SW3가 B2 등급이고, 나머지 시료는 HTI 값이 최소 20초 이상이어서 B3등급에 해당되므로 대류열 전달에 대한 차단효과는 모두 우수한 것으로 나타났다.
- 한계 불꽃 확산 속도: 열과 불꽃에 직접 노출되는 용접 보호복으로서 기본 특성인 방염성을 평가하기 위해 KS K ISO 15025에 의거하여 시료의 표면 점화와 하단 점화시 한계 불꽃확산 속도를 측정하여 방염성을 평가한 결과는 Table 2와 같다.표면 점화시 시료의 종류와 관계없이 잔염시간과 잔광시간이 모두 0초로 나타났으며, 하단 점화시에는 SW3을 제외하고 다른 시료들의 잔염 및 잔광시간이 모두 2초 이하로 나타나 방염성이 우수한 것으로 판명되었다.
후속연구
- 가죽 보호복은 고온의 작업환경으로 발생하는 땀에 의해 경화되고 뻣뻣해지면서 무거워짐에 따라 작업자에게 주는 피로도가 큰 편이었다. 본 실험에 사용된 시료들은 모두 세척이 가능하므로 관리가 용이해진 편이지만 세척에 따른 치수안정성 여부를 살펴 볼 필요가 있다. Table 4에 의하면 아라미드혼방 섬유인 SW4를 제외하고 약간의 치수변화가 있었으며, 직물보다 부직포의 치수변화율이 조금 크게 나타났다.
- 이상의 실험 결과, 용접 보호복 소재로서 적합한 섬유는 실리카 코팅한 Oxidant carbon 부직포(SW2)와 Oxidant carbon/p-aramid 혼방섬유(SW4)로 나타났다. 앞으로 이를 토대로 실제 용접 보호복을 제작하여 종합적인 착용감과 작업현장의 착의평가를 진행한다면 조선업의 유해작업환경 대응을 위한 최적의 용접 보호복 개발이 가능할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.