붕사, 붕산 및 인산암모늄을 가압 함침한 편백 루버의 연소특성 Combustion Characteristics of Hinoki Cypress Louver after Pressure Impregnation with Boric Acid, Borax and Ammonium Phosphate원문보기
본 논문은 편백루버에 붕산, 붕사 및 인산암모늄 수용액을 가압함침 후 외부 복사열원(25, 30 및 $50kW/m^2$)에 따른 점화시간, 임계 열유속 및 질량감소속도 등의 연소특성을 측정하였다. 실험에 사용된 시료의 크기는 $100{\times}100{\times}10mm$이며, 각 외부 복사열원에서 5분간 변화를 3회 반복 측정하였다. 연구결과, $25kW/m^2$의 외부 복사열원에 있어서 착화시간은 Type C-H를 제외하고는 17.4~21.3%의 지연효과를 나타낸 반면 35 및 $50kW/m^2$에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있었으며, 평균질량감소속도는 Type A-H와 Type D-H에서 Type N-H보다 낮게 측정되었다. 또한, 외부 복사열원에 따른 착화시간으로부터 임계 열유속은 $14.79{\sim}17.17kW/m^2$로 $10.7kW/m^2$인 Type N-H보다 38.22~60.46% 높게 예측됨에 따라 초기 화재시 화재확대에 대한 지연효과가 있을 것으로 예상된다.
본 논문은 편백 루버에 붕산, 붕사 및 인산암모늄 수용액을 가압함침 후 외부 복사열원(25, 30 및 $50kW/m^2$)에 따른 점화시간, 임계 열유속 및 질량감소속도 등의 연소특성을 측정하였다. 실험에 사용된 시료의 크기는 $100{\times}100{\times}10mm$이며, 각 외부 복사열원에서 5분간 변화를 3회 반복 측정하였다. 연구결과, $25kW/m^2$의 외부 복사열원에 있어서 착화시간은 Type C-H를 제외하고는 17.4~21.3%의 지연효과를 나타낸 반면 35 및 $50kW/m^2$에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있었으며, 평균질량감소속도는 Type A-H와 Type D-H에서 Type N-H보다 낮게 측정되었다. 또한, 외부 복사열원에 따른 착화시간으로부터 임계 열유속은 $14.79{\sim}17.17kW/m^2$로 $10.7kW/m^2$인 Type N-H보다 38.22~60.46% 높게 예측됨에 따라 초기 화재시 화재확대에 대한 지연효과가 있을 것으로 예상된다.
In this study, the combustion characteristics of Hinoki Cypress Louver were measured after performing pressure impregnation with aqueous solution of boric acid, borax, and ammonium phosphate. The characteristics measured include ignition time, critical heat flux, and mass loss rate by incident hear ...
In this study, the combustion characteristics of Hinoki Cypress Louver were measured after performing pressure impregnation with aqueous solution of boric acid, borax, and ammonium phosphate. The characteristics measured include ignition time, critical heat flux, and mass loss rate by incident hear flux (25, 30 and $50kW/m^2$). The samples used for the test were $100{\times}100{\times}10mm$, and the 5 min variation for each incident heat flux was measured 3 times. The results show that the ignition time for incident heat flux of $25kW/m^2$ showed a delay effect of 17.4 to 21.3% except for Type C-H. There was no significant difference at 35 and $50kW/m^2$ in the average mass loss rate in Types A-H and D-H, which had lower rates than Type N-H, which was predicted to be higher than that of Type N-H ($10.7kW/m^2$) by 38.22 to 60.46%. It is thus expected that at the time of initial primary fire, there would be a delay effect against fire spread.
In this study, the combustion characteristics of Hinoki Cypress Louver were measured after performing pressure impregnation with aqueous solution of boric acid, borax, and ammonium phosphate. The characteristics measured include ignition time, critical heat flux, and mass loss rate by incident hear flux (25, 30 and $50kW/m^2$). The samples used for the test were $100{\times}100{\times}10mm$, and the 5 min variation for each incident heat flux was measured 3 times. The results show that the ignition time for incident heat flux of $25kW/m^2$ showed a delay effect of 17.4 to 21.3% except for Type C-H. There was no significant difference at 35 and $50kW/m^2$ in the average mass loss rate in Types A-H and D-H, which had lower rates than Type N-H, which was predicted to be higher than that of Type N-H ($10.7kW/m^2$) by 38.22 to 60.46%. It is thus expected that at the time of initial primary fire, there would be a delay effect against fire spread.
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문제 정의
본 연구에서는 붕사, 붕산 및 인산암모늄 수용액을 건축물의 내장재로 주로 사용되고 있는 편백 루버에 가압 함침 후 Mass loss calorimeter를 이용하여 외부 복사열원에 따라 점화시간, 질량감소속도, 임계열유속 등을 측정하고 난연목재로서의 초기 화재시 화재확대 방지에 효과가 있는지를 확인하고자 하였다.
제안 방법
ISO 13927 mass loss calorimeter를 이용하여 25, 35 및 50 kW/m2의 외부 복사열원에서 300초 동안 노출시켰을 때 실험 전후의 무게변화 측정을 통해 평균질량감소속도를 계산하였다. Figure 4와 Table 6은 외부 복사열원에 따른 편백 루버의 평균질량감소속도를 나타낸 것으로 Type A-H와 Type D-H에서 Type N-H보다 낮은 질량감소속도를, Type B-H와 Type C-H는 외부 복사열원의 변화에 따라 증가하거나 감소함을 알 수 있었다.
2의 실험방법에 의해 제조된 편백 루버를 Mass loss calorimeter를 이용하여 외부복사열원에서 5분간 노출시켰을 때의 점화시간은 Table 4와 Figure 2에 나타내었다. 외부복사열원은 목재의 착화에 필요한 복사열원인 16 kW/m2에서 난연성 평가의 기준 복사열원인 50 kW/m2의 범위내에서 25, 35 및 50 kW/m2으로 선정하여 실험에 적용하였다. 점화시간은 각 외부 복사열원의 단계에서 점화 스파크에 의해 시료의 표면에 유염착화가 발생할 때까지의 시간으로 3회의 측정 결과에 대한 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
100 oC를 만족하는 F340 mm × 412 mm (H) 크기의 가압함침챔버를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 실험재료는 상록침엽교목으로 연질목재인 편백나무 루버를 100 × 100 × 10 mm의 크기로 절단 후 사용하였으며, 가압함침 약제는 SAMCHUN PURE CHEMICAL Co., Ltd. (Republic of Korea)의 Boric acid (H3BO3), Borax (Na2B4O7 · 10H2O), Ammonium phosphate (NH4H2PO4)을 별도의 정제과정 없이 Table 1과 같이 혼합한 수용액을 사용하였다.
데이터처리
외부복사열원은 목재의 착화에 필요한 복사열원인 16 kW/m2에서 난연성 평가의 기준 복사열원인 50 kW/m2의 범위내에서 25, 35 및 50 kW/m2으로 선정하여 실험에 적용하였다. 점화시간은 각 외부 복사열원의 단계에서 점화 스파크에 의해 시료의 표면에 유염착화가 발생할 때까지의 시간으로 3회의 측정 결과에 대한 평균값을 사용하였다. Table 4에서 알 수 있듯이 25 kW/m2의 외부 복사열원에 있어서는 착화시간은 Type C-H를 제외하고는 모두 Type N-H 보다 Type A-H 17.
성능/효과
1) 25 kW/m2의 외부 복사열원에 있어서 착화시간은 Type C-H를 제외하고는 모두 Type N-H 보다 17.4~21.3%의 지연효과를 나타낸 반면 35 및 50 kW/m2에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
2) 외부복사열원에 따른 편백 루버의 평균질량감소속도를 측정한 결과 Type A-H와 Type D-H에서 Type N-H 보다 낮은 질량감소속도를, Type B-H와 Type C-H는 외부복사열원의 변화에 따라 증가하거나 감소함을 알 수 있었다.
3) 외부복사열원에 따른 착화시간으로부터 임계열유속은 14.79~17.17 kW/m2로 10.7 kW/m2인 Type N-H보다 38.22~60.46% 정도 높게 예측되었다.
4) 본 실험결과, 붕산, 붕사 수용액으로 가압함침한 Type A-H와 Type B-H의 경우에 상대적으로 낮은 외부복사열원에서 비처리된 편백 루버인 Type N-H보다 점화시간 및 예측된 임계열유속 등에서 난연성능이 개선되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 가압함침한 모든 시료들에서 예측된 임계열유속이 비처리된 시료보다 높게 나타남에 따라 초기화재시 화재확대에 대한 지연효과가 있을 것으로 예상된다.
점화시간은 각 외부 복사열원의 단계에서 점화 스파크에 의해 시료의 표면에 유염착화가 발생할 때까지의 시간으로 3회의 측정 결과에 대한 평균값을 사용하였다. Table 4에서 알 수 있듯이 25 kW/m2의 외부 복사열원에 있어서는 착화시간은 Type C-H를 제외하고는 모두 Type N-H 보다 Type A-H 17.4%, Type B-H 21.3%, Type D-H 18.2%의 지연효과를 나타낸 반면 35 및 50 kW/m2에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
2의 실험방법에 의한 가압함침 전후의 무게 변화는 Table 3에 나타내었다. 가압함침 전후의 무게 변화는 Type C-H, Type D-H, Type B-H, Type A-H의 순으로 높게 나타났다.
최정민 등은 체적밀도의 차이에 기인한 소나무와 잣나무의 연소특성의 차이를 확인하기 위해 난연처리하지 않은 소나무와 잣나무의 열방출율 시험을 통해 착화시간, 총발열량, 평균질량감소율 및 총산소소요량 등을 측정하였다(10). 또한, 박형주는 물유리와 이산화탄소로 가압함침한 가문비나무의 연소특성을 측정하여 Pre-Flashover 단계에서의 복사열원에서 난연성능이 있음을 확인하였다(1).
후속연구
5) 향후 실내 내장재로 널리 사용되고 있는 루버에 대해 각 수용액별로 화재확재 지연 효과 등 연소특성에 있어 가장 효과가 좋은 배합비율을 선정하는데 필요한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단됩니다.
4) 본 실험결과, 붕산, 붕사 수용액으로 가압함침한 Type A-H와 Type B-H의 경우에 상대적으로 낮은 외부복사열원에서 비처리된 편백 루버인 Type N-H보다 점화시간 및 예측된 임계열유속 등에서 난연성능이 개선되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 가압함침한 모든 시료들에서 예측된 임계열유속이 비처리된 시료보다 높게 나타남에 따라 초기화재시 화재확대에 대한 지연효과가 있을 것으로 예상된다.
참고문헌 (10)
H. J. Park and S. M. Lee, "Combustion Characteristics of Spruce Wood by Pressure Impregnation with Waterglass and Carbon Dioxide", J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 26, No. 44, pp. 18-23 (2012).
H. J. Park, K. H. Oh, E. S. Kim and H. Kim, "A Study on Char Characteristics of Fire Retardant Treated Douglas Fir", J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 19, No. 2, pp. 105-110 (2005).
H. J. Park, M. Wen, S. H. Cheon, J. W. Hwang, and S. W. Oh, "Flame Retardant Performance of Wood Treated with Flame Retardant Chemicals", J. of the Korean Wood Science and Technology, Vol. 40, No. 5, pp. 311-318 (2012).
D. W. Son, M. R. Kang, J. I. Kim and S. B. Park, "Fire Performance of the Wood Treated with Inorganic Fire Retardants", J. of the Korean Wood Science and Technology, Vol. 40, No. 5, pp. 335-342 (2012).
J. Z. Xu, M. Gao, H. Z. Guo, X. I. Liu, Z. Li, H. Wang and C. M. Tian, "Study on the Thermal Degradation of Celluloseic Fiber Treated with Flame Retardants", J. Fire Sciences, Vol. 20, pp. 227-235 (2002).
B. Garba, "Effects of Zinc Borate as Flame Retardant Formulation on Some Tropical Woods", Polymer Degradation and Stability, Vol. 64, pp. 517-522 (1999).
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H. J. Park, "A Study on the Burning Rate of Fire Retardant Treated Wood", J. of the KOSOS, Vol. 22, No. 6, pp. 46-54 (2007).
J. M. Choi, "A Study on Combustion Characteristics of Fire Retardant Treated Pinus Densiflora and Pinus Koraiensis", J. of the Korean Wood Science and Technology, Vol. 39, No. 3, pp. 244-251 (2011).
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