[논문]X-선 분석법을 이용한 내화도료의 화재안전성 평가 방법에 관한 기초연구

심지훈; 조남욱; 김강우

doi:10.7731/kifse.2014.28.5.058

초록
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내화도료는 화재 시 발포를 통해 단열 성능을 향상시켜 철골 구조의 열전달을 저감하기 위해 사용되고 있는데, 만일 표준규격을 만족시키지 못하는 내화도료가 사용된다면 철골 구조의 내화 성능에 문제가 발생할 우려가 있다. 내화도료의 내화 성능은 육안으로는 평가가 어려워 현장을 대상으로 하는 간편하면서도 정확한 평가방법의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 X-선 분석법(XRF, XRD)을 이용한 내화도료의 화재안전성 평가 방법에 대한 기초연구를 수행하였다. X-선 분석법을 적용한 결과 실제 화재시험을 통한 내화 성능에 따라 특정 성분이 검출되는 것을 확인하였다. X-선 형광분석(XRF)을 통해 인(P)과 염소(Cl) 원소 성분이 일반도료에 비해 내화도료에 훨씬 많이 함유되어 있는 것을 알 수 있었다. X-선 회절분석(XRD)을 통해 내화도료의 주된 결정성 물질로 확인된 폴리인산 암모늄(ammonium polyphosphate)이 일반도료에는 포함되어 있지 않는 것으로 나타났다. X-선 분석법은 휴대용 XRF와 XRD 분석 장비를 통해 머지않아 현장평가방법으로의 적용이 가능할 것으로 예상된다.

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Fire-resistance paints are supposed to become intumescent and diminish heat transfer along the steel frames in case of a fire. If unsatisfactory fire-resistance paints which do not satisfy their standard specification are used, it may result in a severe disaster. Because satisfactory fire-resistance...

Fire-resistance paints are supposed to become intumescent and diminish heat transfer along the steel frames in case of a fire. If unsatisfactory fire-resistance paints which do not satisfy their standard specification are used, it may result in a severe disaster. Because satisfactory fire-resistance paints are hardly discriminated from the unsatisfactory ones by a simple visual inspection, more reliable and convenient onsite evaluation methods are necessary. Here we report the preliminary study result on the fire safety testing method for fire-resistance paints using an X-ray analysis method. It was found that the existence and quantity of effective constituents in fire-resistance paints can be detected by the X-ray analysis method. X-ray fluorescence (XRF) analyses showed that P and Cl elements are much more enriched in fire-resistance paints, compared to normal paints. X-ray diffraction (XRD) analyses showed that ammonium polyphosphate is present as the main crystalline material in fire-resistance paints, but absent in normal paints. The X-ray analysis method is expected to be used for the onsite inspection of fire-resistance paints with the upcoming availability of portable XRF and XRD instruments.

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문제 정의

본 연구에서는 내화도료의 현장품질을 관리할 수 있는 시스템의 일환으로서 X-선 분석법이 현장평가방법으로서 적용이 가능한지 알아보고자 하였다. 내화도료의 경우 육안으로는 현장 시공품질관리에 한계가 있기 때문에 X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정상 물질 분석을 수행하고 그 결과를 일반도료의 경우와 비교해 보았다.

제안 방법

본 연구에서는 내화도료의 현장품질을 관리할 수 있는 시스템의 일환으로서 X-선 분석법이 현장평가방법으로서 적용이 가능한지 알아보고자 하였다. 내화도료의 경우 육안으로는 현장 시공품질관리에 한계가 있기 때문에 X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정상 물질 분석을 수행하고 그 결과를 일반도료의 경우와 비교해 보았다.

대상 데이터

시료의 X-선 분석을 위해 액체 상태인 일반도료와 내화도료를 고형화한 후 미분화시켜 분말로 만들었다. 시료의 전처리 과정은 Figure 1과 같은 순서로 수행하였다.
연구에 사용된 도료는 시중에 유통 중인 백색 도료 제품 중에서 일반도료 3종(N-1, N-2, N-3)과 내화성능이 인증된 내화도료 3종(F-1, F-2, F-3)으로 선정하였다. 사용한 각각의 도료 제품에 포함되어 있는 화학물질은 이들의 GHS-MSDS에 근거하여 최소함량이 10% 이상인 것을 기준으로 했을 때 다음 Table 1에 제시된 것과 같다.

성능/효과

XRF 분석에 의해 일반도료에서는 탄화수소 화합물을 제외하면 TiO₂가 대부분을 차지하고 있는 반면, 내화도료에서는 TiO₂ 함유량이 상대적으로 적고 P₂O₅와 Cl 함유량이 많다는 것을 확인하였다. XRD 분석에 의해서는 일반도료와 내화도료에 들어있는 TiO₂ 성분이 rutile, syn (TiO₂) 결정구조의 TiO₂인 것을 확인하였고, 내화도료에만 들어있는 P₂O₅ 성분은 폴리인산 암모늄에서 비롯된 것임을 확인하였다. 현재 시중에 나와 있는 내화도료들은 내화성능이 인정된 제품이라도 현장시공품질에 있어 신뢰성을 주지 못하는 경우가 있는데 이번 연구에서 X-선 분석법을 통해 내화도료에 들어가는 난연제의 정성, 정량 분석이 가능해짐으로써 내화도료의 진위 여부를 가릴 수 있다는 것을 보여주었다.
XRD 분석에 의해서는 일반도료와 내화도료에 들어있는 TiO₂ 성분이 rutile, syn (TiO₂) 결정구조의 TiO₂인 것을 확인하였고, 내화도료에만 들어있는 P₂O₅ 성분은 폴리인산 암모늄에서 비롯된 것임을 확인하였다. 현재 시중에 나와 있는 내화도료들은 내화성능이 인정된 제품이라도 현장시공품질에 있어 신뢰성을 주지 못하는 경우가 있는데 이번 연구에서 X-선 분석법을 통해 내화도료에 들어가는 난연제의 정성, 정량 분석이 가능해짐으로써 내화도료의 진위 여부를 가릴 수 있다는 것을 보여주었다. 내화 구조의 시공 관리를 위한 용도에 있어 X-선 분석법이 기존의 화재성능시험보다 시간적으로나 분석에 필요한 양의 측면에서나 큰 이점으로 작용될 수 있을 것이다.
현재 시중에 나와 있는 내화도료들은 내화성능이 인정된 제품이라도 현장시공품질에 있어 신뢰성을 주지 못하는 경우가 있는데 이번 연구에서 X-선 분석법을 통해 내화도료에 들어가는 난연제의 정성, 정량 분석이 가능해짐으로써 내화도료의 진위 여부를 가릴 수 있다는 것을 보여주었다. 내화 구조의 시공 관리를 위한 용도에 있어 X-선 분석법이 기존의 화재성능시험보다 시간적으로나 분석에 필요한 양의 측면에서나 큰 이점으로 작용될 수 있을 것이다. 본 연구에 사용된 장비의 경우 분석 실험실 용도로서 비교적 큰 장비들이지만 현재 휴대 가능하고 차량에 장착할 수 있는 X-선 분석 장비들이 나오고 있는 실정이다.
3종의 일반도료와 3종의 내화도료 제품에 대하여 X-선 분석법으로 조사한 결과 XRF와 XRD 둘 다에 있어서 일반도료와 내화도료는 확연한 차이를 보여주었다. XRF 분석에 의해 일반도료에서는 탄화수소 화합물을 제외하면 TiO₂가 대부분을 차지하고 있는 반면, 내화도료에서는 TiO₂ 함유량이 상대적으로 적고 P₂O₅와 Cl 함유량이 많다는 것을 확인하였다.
3종의 일반도료와 3종의 내화도료 제품에 대하여 X-선 분석법으로 조사한 결과 XRF와 XRD 둘 다에 있어서 일반도료와 내화도료는 확연한 차이를 보여주었다. XRF 분석에 의해 일반도료에서는 탄화수소 화합물을 제외하면 TiO₂가 대부분을 차지하고 있는 반면, 내화도료에서는 TiO₂ 함유량이 상대적으로 적고 P₂O₅와 Cl 함유량이 많다는 것을 확인하였다. XRD 분석에 의해서는 일반도료와 내화도료에 들어있는 TiO₂ 성분이 rutile, syn (TiO₂) 결정구조의 TiO₂인 것을 확인하였고, 내화도료에만 들어있는 P₂O₅ 성분은 폴리인산 암모늄에서 비롯된 것임을 확인하였다.

후속연구

본 연구에 사용된 장비의 경우 분석 실험실 용도로서 비교적 큰 장비들이지만 현재 휴대 가능하고 차량에 장착할 수 있는 X-선 분석 장비들이 나오고 있는 실정이다. 이러한 휴대 가능한 장비들을 활용한다면 머지않아 실제 현장의 품질확인 방법으로도 적용이 가능할 것으로 기대한다.

참고문헌 (8)

KS F 2257-1:2005, Methods of fire resistance test for elements of building construction-General requirements, Korean Standards Association (2005).
KS F 2257-6,7:2005, Methods of fire resistance test for elements of building construction-Specific requirements for beams and columns, Korean Standards Association (2005).
E. S. Kang, D. H. Kim and H. Y. Soe, "Evaluation of Fire-resistance Performance for Fire-resistance Paints", Fire Protection Technology, Vol. 39, pp. 38-46 (2005).
S. H. Kang, N. Y. Jee and B. Y. Min, "Study of Construction Quality System of Fire Resistance - On a Basis of Intumescent Paint", Proceedings of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea, Vol. 25, No. 1, pp. 361-364 (2005).
D. H. Choi "The Research for the Establishment of Test Method of Durability on Intumescent Coating System", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 23, No. 1, pp. 40-47 (2009).
N. W. Cho, H. J. Shin, W. B. Cho, D. H. Lee and H. J. Kim, "Characteristics Study on Fire-resistant Paint used by TGA-IR", Analytical Science & Technology, Vol. 24, No. 3, pp. 168-172 (2011).

원문보기 상세보기
I. W. Shim, H. J. Jo, H. S. Hahm, H. S. Park and Y. G. Kim, "Effect of Isocyanate Curing Agents on the Physical Properties and Flame Retardancy of Flame-Retardant PU Coatings", J. of Korean Oil Chemists' Soc., Vol. 23, No. 3, pp. 264-271 (2006).
I. S. Lee, "Technical Characteristics and Construction Use of Fire-resistance Paints", Fire Protection Technology, Vol. 26, pp. 43-50 (1999).

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