[논문]X-선 분석법을 이용한 난연 EPS 샌드위치 패널의 화재성능평가 방법에 관한 연구

심지훈; 조남욱

doi:10.7731/kifse.2015.29.6.076

X-선 분석법을 이용한 난연 EPS 샌드위치 패널의 화재성능평가 방법에 관한 연구
Fire Performance Testing Method for Fire Retardant EPS Sandwich Panel Using X-ray Analysis 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.29 no.6, 2015년, pp.76 - 83

초록
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EPS 샌드위치 패널은 난연제의 첨가로 화재 시 발화를 늦춰주며 발열을 적게 발생시켜 연소의 확대를 막는다. 하지만 난연성능 기준에 미달하는 샌드위치 패널을 사용할 경우, 재산 및 인명 피해가 확대되는 사례가 발생할 수 있다. 마감재료의 난연성능은 육안으로는 확인이 어려워 간편하면서도 빠른 평가방법의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 X-선 분석법(XRF, XRD)을 이용하여 EPS 샌드위치 패널의 화재안전평가 방법에 대해 분석하였다. X-선 분석법을 적용한 결과 화재시험을 통한 난연 성능에 따라 특정 성분이 검출되는 것을 확인하였다. X-선 형광분석(XRF)을 통해 알루미늄성분이 부적합제품에 비해 적합제품에 훨씬 많이 함유되어있는 것을 알 수 있었다. X-선 회절분석(XRD)을 통해 난연 EPS의 주된 결정성 물질로 확인된 깁사이트(gibbsite)는 적합제품과 부적합제품에 공통으로 함유되어 있었지만 결정성에 있어 차이가 나는 것을 확인하였다. 이러한 X-선 분석을 통한 원소분석과 결정분석으로 난연성능 평가 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

EPS sandwich panel contains flame retardants that slow down ignition during fires,reduce the amount of heat generated, and block the spread of combustion. However, if a sandwich panel does not satisfy standards for fire-retardant performance, it may increase damage to property and human life. It is difficult to test the fire-retardant performance of a finishing material with the naked eye, so it is necessary to develop convenient and fast evaluation methods that are convenient and fast. In this study, a fire safety evaluation method for EPS sandwich panel was analyzed using X-ray to detect specific components related to the fire-retardant performance X-ray fluorescence analysis (XRF) indicated that suitable panel products contained more aluminum in comparison to unsuitable products. Gibbsite was identified as the main crystalline material of flame retardant EPS through X-ray diffraction analysis (XRD) and was included in both suitable products and unsuitable products, but there was a difference in crystalline structure. This study was verifies the possibility of evaluating fire-retardant performance using ultimate analysis and crystal analysis through these X-ray methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연소 시험이 아닌 X-선 분석(XRF, XRD)을 이용하여 비연소 실험을 통해 난연성능을 확인할 수 있는 평가방법을 제시하고자 한다. 즉 실제 화재시험인 가스유해성 시험과 콘 칼로리미터 시험을 통해 성능을 확인한 후, 각 시료를 X-선 분석법으로 난연제 고유의 구조패턴과 스펙트럼, 성분 및 함유량을 측정하였다.

제안 방법

육안으로 난연 EPS의 시공품질관리에 한계가 있다는 점을 고려하여 본 연구에서는 난연 EPS 샌드위치 패널의 품질을 관리할 수 있는 시스템의 일환으로 X-선 분석법을 적용하였다. X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정물질 분석을 실시하고 이를 난연 EPS 제품군에 따라 비교하였다.
난연성능평가를 통해 적합제품과 부적합제품으로 구분되어진 시료를 X-선분석(XRF, XRD)을 시도하였다. XRF 분석에서는 적합제품이 부적합제품에 비해 Al₂O₃의 함유량이 많은 것을 확인하였다.
시료의 적합성 여부를 판단하기 위하여 콘 칼로리미터법(ISO 5660-1)과 가스 유해성 시험(KS F 2271)을 통한 난연성능 평가(국토교통부 고시 2015-744호)를 함께 수행하였다. 본 연구에서는 난연 EPS 샌드위치 패널의 현장품질을 관리할 수 있는 기초연구로 X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정상 물질 분석을 수행하였다.
즉 실제 화재시험인 가스유해성 시험과 콘 칼로리미터 시험을 통해 성능을 확인한 후, 각 시료를 X-선 분석법으로 난연제 고유의 구조패턴과 스펙트럼, 성분 및 함유량을 측정하였다. 육안으로 난연 EPS의 시공품질관리에 한계가 있다는 점을 고려하여 본 연구에서는 난연 EPS 샌드위치 패널의 품질을 관리할 수 있는 시스템의 일환으로 X-선 분석법을 적용하였다. X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정물질 분석을 실시하고 이를 난연 EPS 제품군에 따라 비교하였다.
본 연구에서는 연소 시험이 아닌 X-선 분석(XRF, XRD)을 이용하여 비연소 실험을 통해 난연성능을 확인할 수 있는 평가방법을 제시하고자 한다. 즉 실제 화재시험인 가스유해성 시험과 콘 칼로리미터 시험을 통해 성능을 확인한 후, 각 시료를 X-선 분석법으로 난연제 고유의 구조패턴과 스펙트럼, 성분 및 함유량을 측정하였다. 육안으로 난연 EPS의 시공품질관리에 한계가 있다는 점을 고려하여 본 연구에서는 난연 EPS 샌드위치 패널의 품질을 관리할 수 있는 시스템의 일환으로 X-선 분석법을 적용하였다.
Expanded PolyStyrene (EPS) 샌드위치 패널은 우수한 단열성능, 경제성 및 건식공법에 따른 시공편리성 등으로 인해 단열재로 많이 사용되지만 화재에 취약한 단점이 있다. 현행 건축법령(건축물의 피난 · 방화구조 등의 기준에 관한 규칙)에 의하면 건축물의 용도 및 규모에 따라 복합 자재는 난연성 마감재를 사용하도록 되어 있고, 이를 근거로 현장에서 시공되고 있는 난연 EPS 패널 시료에 대해 X-선 분석법으로 화재안전성 평가를 시도하였다. 시료의 적합성 여부를 판단하기 위하여 콘 칼로리미터법(ISO 5660-1)과 가스 유해성 시험(KS F 2271)을 통한 난연성능 평가(국토교통부 고시 2015-744호)를 함께 수행하였다.

대상 데이터

건축법에서는 흰 쥐의 평균행동정지시간을 측정하여 9분 이상을 적합한 것으로 하고 있다⁽⁵⁾. 가스 유해성 시험기는 KS F 2271 규격에 일치되는 장비로서 국내 FESTEC 사의 FTMT-503모델이며, 시험조건은 Table 1에 나타내었다.
Pellet으로 제작하기 위해 분쇄기를 사용하여 수십 μm 정도의 입도로 분쇄하였으며, 사용한 mill은 냉동 분쇄기로서 액화질소를 사용 하여 영하 196 ℃의 온도에서 10분간 결빙시켜 분쇄하였다. 냉동 분쇄기는 미국 SPEX사의 Freezer Mill 6870 model을 사용하였다. XRD 분석을 위한 전처리 과정은 분쇄에서 종료가 되지만 WD-XRF 분석을 위해서는 분쇄로 인해 얻은 분말을 pellet 형태로 제작하였다.
채취한 샘플의 시료는 5종(F-1, F-2, F-3, F-4, F-5)이었으며 이를 정상제품 5종(R-1, R-2, R-3, R-4, R-5)과 비교 분석하였다. 또한, 일반 EPS 샌드위치 패널 2종(N-1, N-2)은 시중에 판매되고 있는 패널을 구입하여 사용하였다. 총 12종의 제품을 국토교통부 고시에 의해 난연성능평가를 통해 적합제품군과 부적합제품으로 분류하였다.
현장에서 난연 EPS 샌드위치 패널로 시공되는 현장의 난연 EPS 샌드위치 패널을 채취하였다. 채취한 샘플의 시료는 5종(F-1, F-2, F-3, F-4, F-5)이었으며 이를 정상제품 5종(R-1, R-2, R-3, R-4, R-5)과 비교 분석하였다. 또한, 일반 EPS 샌드위치 패널 2종(N-1, N-2)은 시중에 판매되고 있는 패널을 구입하여 사용하였다.
또한, 일반 EPS 샌드위치 패널 2종(N-1, N-2)은 시중에 판매되고 있는 패널을 구입하여 사용하였다. 총 12종의 제품을 국토교통부 고시에 의해 난연성능평가를 통해 적합제품군과 부적합제품으로 분류하였다.
이 때 가열 개시 후 3번의 시험 결과가 5분간 총방출열량이 8 MJ/m² 이하이어야 하고, 5분간 가열 후 시험체를 관통하는 균열, 구멍 및 용융(복합자재의 경우 심재가 전부 용융, 소멸되는 것을 포함) 등이 없어야 한다⁽⁶⁾. 콘 칼로리미터 시험기는 KS F ISO 5660-1 규격에 일치되는 장비로 FESTEC 사의 FT-CC-105 model이다. 콘 칼로리미터 시험조건은 Table 2에 나타내었다.
현장에서 난연 EPS 샌드위치 패널로 시공되는 현장의 난연 EPS 샌드위치 패널을 채취하였다. 채취한 샘플의 시료는 5종(F-1, F-2, F-3, F-4, F-5)이었으며 이를 정상제품 5종(R-1, R-2, R-3, R-4, R-5)과 비교 분석하였다.

이론/모형

준불연재료 및 난연재료에서 공통적으로 가스유해성시험을 통한 성능기준을 요구하고 있다. 난연 EPS 샌드위치 패널의 난연성능평가를 위한 가스 유해성 시험은 KS F 2271 규격에 따라 시험하였으며, 시험체는 뒷면으로 관통하는 지름 25 mm인 구멍을 3개 뚫은 것으로 하며, 교반기 내의 가스 교반 장치는 분당 회전수를 100회로 한다. 시험은 한 시료마다 2회의 시험을 실시하며, 시험체의 가열은 부열원으로 3분간 가열한 후, 다시 주열원으로 3분간 가열하여 총 15분간 시험한다.
현행 건축법령(건축물의 피난 · 방화구조 등의 기준에 관한 규칙)에 의하면 건축물의 용도 및 규모에 따라 복합 자재는 난연성 마감재를 사용하도록 되어 있고, 이를 근거로 현장에서 시공되고 있는 난연 EPS 패널 시료에 대해 X-선 분석법으로 화재안전성 평가를 시도하였다. 시료의 적합성 여부를 판단하기 위하여 콘 칼로리미터법(ISO 5660-1)과 가스 유해성 시험(KS F 2271)을 통한 난연성능 평가(국토교통부 고시 2015-744호)를 함께 수행하였다. 본 연구에서는 난연 EPS 샌드위치 패널의 현장품질을 관리할 수 있는 기초연구로 X-선 형광(XRF) 분석을 통한 화학 성분 분석과 X-선 회절(XRD) 분석을 통한 고체 결정상 물질 분석을 수행하였다.
현재 건축물 마감 재료의 난연성능은 가스유해성 시험 (KS F 2271)과 콘 칼로리미터 시험(cone calorimeter test, ISO KS F 5660-1)을 통하여 확인하고 있으며 본 연구에서도 KS F 2271과 KS F ISO 5660-1 규격에 따라 시험을 수행하였다.

성능/효과

현재 시중에 나와 있는 적합제품들은 난연성능이 인정된 제품이라도 현장시공품질에 있어 신뢰성을 주지 못하는 경우가 있는데 이번 연구에서 X-선 분석법을 통해 샌드위치 패널에 들어가는 난연제의 정성, 정량 분석이 가능해짐으로써 EPS 샌드위치 패널의 난연성능 진위 여부를 가릴 수 있다는 것을 보여주었다. EPS 샌드위치 패널의 시공 관리를 위한 용도에 있어 X-선 분석법이 기존의 화재성능시험보다 시간과 비용효율이 좋은 것이 특징이다. 그리고 본 연구에 사용된 장비는 분석 실험실 용도로 쓰이는 WD-XRF와 XRD가 주로 쓰였지만 portable XRF과 같은 휴대 가능한 X-선 장비를 사용하게 되면 실제 현장의 품질확인 방법으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
XRF 분석에서는 적합제품이 부적합제품에 비해 Al₂O₃의 함유량이 많은 것을 확인하였다. XRD 분석에서는 적합제품과 부적합제품에 들어있는 Al₂O₃ 성분이 Gibbsite (Al(OH)₃)인 것을 확인하였고, Gibbsite (Al(OH)₃) 결정성에서 적합제품 부적합제품에 비해 높게 나타나는 것을 확인하였다.
난연성능평가를 통해 적합제품과 부적합제품으로 구분되어진 시료를 X-선분석(XRF, XRD)을 시도하였다. XRF 분석에서는 적합제품이 부적합제품에 비해 Al₂O₃의 함유량이 많은 것을 확인하였다. XRD 분석에서는 적합제품과 부적합제품에 들어있는 Al₂O₃ 성분이 Gibbsite (Al(OH)₃)인 것을 확인하였고, Gibbsite (Al(OH)₃) 결정성에서 적합제품 부적합제품에 비해 높게 나타나는 것을 확인하였다.
난연성능시험 결과 가스유해성 시험과 콘 칼로리미터 시험을 종합하여 보면 난연 EPS (R-1, R-2, R-3, R-4, R5) 5종을 제외한 나머지 7종은 부적합 제품으로 판정된다. 따라서 난연시험을 통해 적합제품군(R-1, R-2, R-3, R-4, R-5)과 부적합제품군(F-1, F-2, F-3, F-4, F-5, N-1, N-2)으로 구분할 수 있다.
총 12종의 시험체에 대해 콘 칼로리미터 시험(ISO KS F 5660-1)과 가스 유해성 시험(KS F 2271)을 시험한 결과 난연 EPS (R-1, R-2, R-3, R-4, R-5)는 적합제품으로 확인되었고, 현장에서 채취한 난연 EPS (F-1, F-2, F-3, F-4, F-5)와 일반 EPS (N-1, N-2)는 콘 칼로리미터 시험 후 형상에 있어 관통되는 구멍과 용융이 발생하여 부적합 제품으로 확인되었다.
현재 시중에 나와 있는 적합제품들은 난연성능이 인정된 제품이라도 현장시공품질에 있어 신뢰성을 주지 못하는 경우가 있는데 이번 연구에서 X-선 분석법을 통해 샌드위치 패널에 들어가는 난연제의 정성, 정량 분석이 가능해짐으로써 EPS 샌드위치 패널의 난연성능 진위 여부를 가릴 수 있다는 것을 보여주었다. EPS 샌드위치 패널의 시공 관리를 위한 용도에 있어 X-선 분석법이 기존의 화재성능시험보다 시간과 비용효율이 좋은 것이 특징이다.

후속연구

EPS 샌드위치 패널의 시공 관리를 위한 용도에 있어 X-선 분석법이 기존의 화재성능시험보다 시간과 비용효율이 좋은 것이 특징이다. 그리고 본 연구에 사용된 장비는 분석 실험실 용도로 쓰이는 WD-XRF와 XRD가 주로 쓰였지만 portable XRF과 같은 휴대 가능한 X-선 장비를 사용하게 되면 실제 현장의 품질확인 방법으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPS 샌드위치 패널의 특징	EPS 샌드위치 패널은 난연제의 첨가로 화재 시 발화를 늦춰주며 발열을 적게 발생시켜 연소의 확대를 막는다. 하지만 난연성능 기준에 미달하는 샌드위치 패널을 사용할 경우, 재산 및 인명 피해가 확대되는 사례가 발생할 수 있다.

참고문헌 (10)

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O. S. Kweon, Y. H. Yoo, H. Y. Kim and S. H. Min, "An Experimental Study on Fire Safety Performance of Glass Wool Sandwich Panel", J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 26, No. 5, pp. 21-27 (2012).
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KS F ISO 5660-1 : 2008, "Reaction-to-fire Tests-heat Release, Smoke Production and Mass Loss Rate-Part 1: Heat Release Rate (Cone Calorimeter Method)", ICS 13.220.50, Korean Agency for Technology and Standards.
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S-K. Rha and Y. S. Lee, "Estimation of Phase Ratio for $TiO_2$ Powders by XRD and XAS", Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 49, No. 5, pp. 469-474 (2012).

원문보기 상세보기
D. H. Lee, "The Combustion Characteristics and Fire Safety Performance of Architectural Finishing Materials in Fire", Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 11, No. 4, pp. 15-20 (2011).

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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