[논문]인-질소 첨가제로 처리된 리기다 소나무 시험편의 연소특성

정영진

doi:10.7731/kifse.2015.29.6.013

인-질소 첨가제로 처리된 리기다 소나무 시험편의 연소특성
Combustion Characteristics of Pinus rigida Specimens Treated with Phosphorus-Nitrogen Additives 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.29 no.6, 2015년, pp.13 - 19

초록
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이 연구에서는 인(P)-질소(N)의 첨가제로 처리된 리기다 소나무의 연소성을 시험하였다. 15 wt%의 인-질소 첨가제 수용액으로 리기다 소나무에 3회 붓칠하여 실온에서 건조시킨 후, 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 이용하여 연소성을 시험하였다. 그 결과, 인-질소 첨가제로 처리한 시험편은 피로인산/암모니움이온 첨가제로 처리한 시험편을 제외하고, 처리하지 않은 시험편에 비하여 착화시간이 90~148 s으로 길었다. 또 불꽃소멸시간은 556~633 s으로서 길게 측정되었다. 그러나 인-질소 첨가제로 처리한 시험편은 무처리 시험편에 비해 각각 12.5~43.4% 정도 높은 평균열방출률과 11.8~43.1% 정도 높은 총열방출률을 나타내었다. 특히, 인-질소 첨가제로 처리한 시험편의 유효연소열은 15.60~18.37MJ/kg으로서 순수 리기다 소나무 시험편에 비하여 2.9~17.5% 낮게 나타났다. 따라서 인-질소 첨가제로 처리한 시험편은 순수 리기다 소나무 시험편에 비하여 연소 억제성을 부분적으로 향상시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to test the combustive properties of Pinus rigida specimens treated with phosphorus (P) and nitrogen (N) additives. Each Pinus rigida specimen was painted three times with 15 wt% P-N additive solutions at room temperature. After drying the treated specimens, the combustion properties were examined using a cone calorimeter (ISO 5660-1). The time to ignition (TTI) for the treated specimens was 90 to 148 s except for the specimen treated with PP/$4NH_4^+$, and the time to flameout (TF) was 556 to 633 s, which was longer than that of virgin plate. While the The specimens treated with P-N additives showed 12.5 to 43.4% higher mean heat release rate ($HRR_{mean}$) and 11.8 to 43.1% higher total heat release (THR) than virgin plate. The effective heat of combustion (EHC) was by 2.9 to 17.5% lower than that of virgin plate. It can thus be concluded that the combustion-retardation properties were partially improved compared to those of virgin plate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 목재의 효과적인 활용에 대한 화재 위험성을 개선하기 위하여 Scheme 1의 인-질소(P-N)의 구조로 된 첨가제를 택하여 첨가하는 방법을 택하였고, cone calorimeter (ISO 5660-1)를 이용하여 착화성, 열방출률 관련 값을 측정하여 비교 하여 난연제 설계의 기초적인 정보를 제시하고자 한다.

제안 방법

15 wt% 인-질소 첨가제 수용액으로 시험편의 한 면에 붓칠하고 난 뒤 24 h 동안 상온에서 자연 건조시킨 후, 다시 같은 방법으로 2회 더 실시하였다. 이를 오븐에서 55^oC, 23 h 동안 건조시켜 측정 시험편으로 하였다.
본 연구에서 선정된 시험편은 콘칼로리미터에 수평으로 설치하고 외부 점화장치를 부착한 상태로 25 kW/m2 외부열 유속에 수십 분 동안 노출시켜 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열방출률 및 연기 관련 지수를 구하였다.
시편 홀더는 수평방향으로 위치시켰다. 시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
총열방출률(total heat released rate, THRR)은 각 실험에서 실험재료의 연소로 인해 방출된 열량으로서 시료 표면적당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출률을 주어진 시간을 적분하여 계산하였다. Table 3 및 Figure 4에 나타난 바와 같이 인-질소 첨가제를 처리한 경우, THRR 값이 각각 75.

대상 데이터

이를 오븐에서 55^oC, 23 h 동안 건조시켜 측정 시험편으로 하였다. 공시편은 같은 목재를 증류수로 붓칠한 후 위와 같은 방법으로 건조시켜 비교 데이터로 이용하였다.
본 연구에 사용된 시험편은 리기다 소나무로서 시중에서 일반 건자재용을 구입하였다. 이 시험목은 제재 작업전 1 yr 동안 자연건조 되었다.
사용한 시험편의 두께는 10 mm로서 크기는 100 mm × 100 mm ($\pm_2^0$ )의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2oC, 상대습도 50 ± 5%에서 함량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비 노출면을 감싼다.
시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하였으며, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편 홀더는 수평방향으로 위치시켰다.
이 시험목은 제재 작업전 1 yr 동안 자연건조 되었다. 화학 첨가제로서 methyl-enepiperazinomethyl-bis-phosphonic acid (PIPEABP) 2는 저자가 기 합성한 것⁽¹⁸⁾을 사용하였고, pyrophosphoric acid (PP, 93%)⁽¹⁹⁾ 및 기타 시약은 Junsei 화학 제품의 특급시약을 구입하여 정제 없이 그대로 사용하였으며 화학 첨가제에 대한 분자구조는 Scheme 1에 나타내었다. 첨가제의 기본 정보는 Table 1에 제시하였다.

이론/모형

3종의 인-질소 첨가제로 처리한 리기다 소나무 시험편의 연소특성에 관한 실험을 ISO 5660-1 표준에 따른 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
연소특성 시험은 ISO 5660-1의 방법에 의해 dual cone calorimeter (Fire Testing Technology)를 이용하여 열 유속(heat flux) 25 kW/m² 조건에서 수행 하였다⁽¹²⁾. 사용한 시험편의 두께는 10 mm로서 크기는 100 mm × 100 mm ($\pm_2^0$ )의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2^oC, 상대습도 50 ± 5%에서 함량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비 노출면을 감싼다.

성능/효과

1) TTI 측정값이 리기다 소나무에 인-질소 첨가제를 처리한 경우, 90~148 s로서 무처리 시험편의 TTI 인 65 s보다 긴 시간으로 측정되었다. 이것은 시험편의 숯 생성에 의한 연소억제 효과에 의하여 착화시간이 38.
2) 평균열방출률(HRR _mean)은 인-질소 첨가제로 처리된 시험편에 대하여 42.22~53.82 kW/m²으로서 무처리 시험편의 37.52 kW/m²에 비해 12.5~43.4% 정도 높게 나타났다. 또한 총열방출률도 76.
25 kW/m²의 외부 열원에서 시험한 시험편의 평균열방출률(mean heat release rate, HRR _mean)은 미처리한 시험편에 대하여 37.52 kW/m²로 나타났으며, 인-질소 첨가제로 처리된 시험편에 대하여 42.22~53.82 kW/m²으로서 12.5~43.4% 정도로 비교적 높게 나타났다. 이것은 화학 첨가제의 휘발성 유기물에 의한 영향으로 설명될 수 있다.
3) 인-질소 첨가제로 처리한 시험편의 유효연소열은 15.60~18.37 MJ/kg으로서 무처리 시험편의 18.92 MJ/kg보다 2.9~7.5% 정도 낮았다.
4) 불꽃소멸시간(TF)은 인-질소 첨가제로 처리한 시험편에 대하여 556~633 s으로서 무처리 시험편의 459 s보다 21.1~37.9% 정도 증가하였다. 이것은 앞에서 설명한 바와 유사하며, 특히 PIPEABP는 연소속도가 가장 느린 것으로 난연효과가 우수한 것으로 나타났고 불꽃소멸시간이 지연되는 것은 시험편의 표면에 생성된 숯 위에 유리상의 피막이 형성되어 연소조건이 불리하기 때문으로 판단된다.
5) 인-질소 첨가제 수용액으로 처리한 시험편은 무처리 리기다 소나무 시험편에 비하여 연소억제 효과가 일부 향상된 것으로 판단된다.
따라서 두 피이크 사이의 최대열방출률은 탄화화 과정 동안에 걸쳐서 낮아지지만, 유기 분자의 첨가제로 처리한 시험편의 연소속도가 증가하여 2차 HRR peak 값은 높게 나타났다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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