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문제 정의
- 본 연구에서는 난연제 조성을 위한 단독약제의 연소성능을 분석하고 배합비율에 따른 난연약제를 처리한 목재에 대한 난연성능을 콘칼로리미터를 이용하여 분석하였다.
제안 방법
- 6 ℓ/min로 설정하였으며 시료의 상부에 10초 동안 점화시킨 후 불꽃이나 연기의 발생이 30초 동안 지속되는지 관찰하였다. LOI는 동일한 시료를 사용하여 10회 반복시험을 실시하였다.
- 난연제 7종을 대상으로 단독 약제 및 혼합약제를목재에 처리 한 후 열중량분석(TGA)과 콘칼로리미터(KS F 5660-1)분석 실시하였다.
- 난연제조성물을 완성하기 위하여 먼저 단독약제의 연소거동을 파악하였다. 단독약제의 성능 분석은 TGA분석으로 실시하였다.
- 난연제조성물을 완성하기 위하여 먼저 단독약제의 연소거동을 파악하였다. 단독약제의 성능 분석은 TGA분석으로 실시하였다. 단독 약제에 대한 열중량분석을 20 ℃/min의 승온속도로 실온에서 800℃까지 측정한 결과는 Figs.
- Ondrej Grexa 등(2001)은 Magnesium hydroxide, Monoammonium phosphate, boric acid의 배합을 달리하여 처리한 파티클보드의 난연성능을 콘칼로리미터로 분석하여 MAP와 boric acid 구성약제의 효과가 가장 우수하였다고 보고하였다. 또한 난연성능 CO, CO2 발생과도 관계함을 고찰하였다.
- 목재의 난연화에는 여러 가지 방법이 있을 수 있으며 처리방법 및 성능유지면에서 선택적으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 공장시스템을 가정하여 일정한 성능을 유지할 수 있도록 Monoammoniumphosphate, Sodium borate, Zinc borate를 배합하여 가압처리하고 건조하는 방법을 사용하였다.
- 시료크기는 100 mm × 5 mm × 3 mm로 배합된 수용성난연제에 침지 처리한 후 건조하여 측정하였다. 산소-질소 혼합가스의 관내 유량은 10.6 ℓ/min로 설정하였으며 시료의 상부에 10초 동안 점화시킨 후 불꽃이나 연기의 발생이 30초 동안 지속되는지 관찰하였다. LOI는 동일한 시료를 사용하여 10회 반복시험을 실시하였다.
- 설정한 외부 열유속에 노출된 시편이 착화되어 연소될 때의 열방출률은 연소 생성물 흐름속의 산소농도와 유속으로부터 유도된 산소소비량을 측정하여 평가하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃연소가 시작된 때부터 5분경과 후에 종료하였다.
- 조성된 난연제로 처리한 난연목재에 대한 연소특성 분석을 실시하였다. 연소특성 분석은 KS-ISO기준에 부합되도록 콘칼로리미터 분석방법을 택하여 분석하였다. 콘칼로리미터에 의한 주요시험결과를 Table 2에 나타내었다.
- 제조한 난연제의 성능을 평가하기 위하여 자체 제작한 가압처리장치를 이용하여 흡수량 150% 이상으로 주입될 수 있도록 20 kg/cm2 조건으로 60분간 처리하였다.
- 조성된 난연제로 처리한 난연목재에 대한 연소특성 분석을 실시하였다. 연소특성 분석은 KS-ISO기준에 부합되도록 콘칼로리미터 분석방법을 택하여 분석하였다.
- 조습처리가 완료된 시험편은 콘칼로리미터에 수평으로 설치하고 외부점화장치가 부착된 상태로 50kW/m2 외부 열유속에 5분 동안 노출시켜 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열방출률 및 연기관련지수를 구하였다.
- 시험조건은 습도 50%, 온도 23℃ 조건을 유지하였다. 콘칼로리미터 분석에서는 열방출율(HRR), 총열방출량(THR), CO, CO2 발생량을 측정하였다.
대상 데이터
- TGA 분석과 콘칼로리미터 분석에 사용된 목재는 소나무(Pinus densiflora)를 사용하였다. 소나무는 변재를 사용하고 판목면으로 100 mm × 100 mm × 10 mm의 크기로 제작하였다.
- 난연제 성능시험에 사용된 난연제는 Boric acid, Ammonium phosphate dibasic, Ammonium borateoctahydrate, Sodium borate, Potassium carbonate Potassium Bromide, Phosphoric acid를 사용하였다. 모든 약제는 수용성 약제를 사용하였다.
- 소나무는 변재를 사용하고 판목면으로 100 mm × 100 mm × 10 mm의 크기로 제작하였다.
- 열중량 분석(TGA: Thermogravimetry Analysis)은TA Instruments Inc.의 2960 SDT를 이용하여 측정하였다. 시료는 공시재료를 100 mesh 이하로 볼밀을 사용하여 분쇄한 후 건조하여 사용하였다.
이론/모형
- LOI측정은 산소-질소 혼합가스 분위기로 ASTM D 2863의 방법으로 Limited Oxygen index 2005 시험기를 이용하여 측정하였다(ASTM D 2863). 시료크기는 100 mm × 5 mm × 3 mm로 배합된 수용성난연제에 침지 처리한 후 건조하여 측정하였다.
- 연소시험은 KS F 5600-1의 방법에 의하여 열유속 50 kW/m2 조건에서 수행하였다. 시험조건은 습도 50%, 온도 23℃ 조건을 유지하였다.
성능/효과
- 1∼7에서 볼 수 있듯이 난연처리한 목재는 무처리 목재에 비하여 낮은 온도에서의 열분해 촉진으로 인하여 숯(Char)를 형성하여 2차적 산화과정을 억제한다는 것이 확인되었다.
- 1) TGA분석에서 최고 온도 피크에서 Phosphoricacid가 가장 낮아 159℃이었다 난연처리한 목재는 무처리 목재에 비하여 낮은 온도에서의 열분해 촉진으로 인하여 숯(Char)를 형성하여 2차적 산화과정을 억제한다는 것이 확인되었다.
- 2) LOI 분석결과, 무처리 목재는 17.8%, FR151.1%, FR2 49.8%, FR3 37.3%로 나타났으며TGA분석과 유사한 경향을 보였다.
- 3) 총열방출열량 분석에서는 약제의 농도적 차이에 따라 큰 차이를 보여 FR1 35.4 kW/m2, FR262.1 kW/m2, FR3 107.3 kW/m2로 나타났다. 총방출열량(Total heat release)도 FR1 5.
- 4) 착화시간은 FR1 270 s, FR2 100 s, FR3 56 s 순으로 나타나 배합된 난연제의 농도조건에 따라 큰 차이가 있음이 확인되었다.
- 5) 배합비를 다르게 조성한 3종의 난연제 중 FR1, FR2는 건축법 난연 3급을 만족하였다.
- FR3의 경우 70초 경과 후 시험 종류 시간까지 급격히 증가하는 양상을 보여주고 있다. FR1과 FR2의 경우는 서서히 증가하여 300초에서 FR2는 상승추세를 보였으며 FR3는 안정적으로 유지됨을 볼 수 있었다. 건축법상의 난연 3급의 총방출열량의 기준은 8MJ/m2로서 FR1과 FR2는 기준을 만족하고 있으며 FR3는 기준을 만족시키지는 못하였다.
- 이때의 잔사율은 FR1 78%, FR2 87%, FR3 70%였다. 난연처리목재의 열분해는 무처리 목재에 비하여 낮은 온도대에서 시작되었으며 Char를 형성한 이후 안정적인 난연성능의 발현됨이 확인되었다(Fig. 8). 약제간 성능의 비교에서는 FR1과 FR2의 차이는 미미하였으며 FR3는 성능에서 큰 차이를 보였다.
- Choi (2011)는 소나무와 잣나무에 Ammophos, Alkylphosphinicacides, Carbide, Phosphoric acids을 처리하여 콘칼로리미터로 난연성을 평가하여 난연처리에 의해 최대열방출률이 감소하였고 최대열방출률에 도달하는시간은 증가하였다고 보고하였다. 또한 난연목재의 밀도는 동일 처리조건에서 연소성능에 영향할 수 있음을 고찰하였다. 난연 처리목재의 최대열방출량은 소나무처리목재가 429 MJ/m2, 잣나무처리목재가358 MJ/m2로써 건축법에서 제시하는 난연성능에는 미치지 못하였다.
- 9에 나타내었다. 무처리 목재는 17.8%, FR151.1%, FR2 49.8%, FR3 37.3%로 분석되었다. 난연처리 목재의 LOI 값은 무처리에 비하여 큰 차이를 보여주었으며 난연제 농도에 따라서 차이가 있음을 보여주었다.
- 본 연구의 결과에서도 난연처리로 인하여 PHRR의 값은 85% (소나무 무처리재 PHRR 243.3 kW/m2,Park 2005) 감소하였으며 착화시간은 최대 242초 지연 되었다. 이상의 선행연구와 같이 목재의 난연성능은 처리약제의 배합비율, 처리방법, 약제농도 등에 따라 성능적 변화가 많을 수 있으며 목적하는 성능을 얻기 위해서는 최적의 성능을 구현할 수 있는 조성방법에 대한 연구가 선행되어야 한다고 사료된다.
- 콘칼로리미터에 의한 주요시험결과를 Table 2에 나타내었다. 외부열원 50 kW/m2에서 난연처리 목재 3종의 단위면적당 최대열방출률(peak heatre lease rate, PHRR)은 약제의 농도적 차이에 따라 큰 차이를 보여 FR1 35.4 kW/m2, FR2 62.1 kW/m2,FR3 107.3 kW/m2으로 나타났다. 총방출 열량(Totalheat release)도 FR1 5.
- 8 MJ/m2으로 분석되어 최대열방출률과 같은 경향을 보였다. 착화시간은 FR1 270 s, FR2 100 s, FR356 s 순으로 나타나 배합된 난연제의 농도조건에 따라 큰 차이가 있음이 확인되었다. 그러나 Fig.
- 3 kW/m2으로 나타났다. 총방출 열량(Totalheat release)도 FR1 5.3 MJ/m2, FR2 7.7 MJ/m2, FR320.8 MJ/m2으로 분석되어 최대열방출률과 같은 경향을 보였다. 착화시간은 FR1 270 s, FR2 100 s, FR356 s 순으로 나타나 배합된 난연제의 농도조건에 따라 큰 차이가 있음이 확인되었다.
- 3 kW/m2으로 나타났다. 총방출 열량(Totalheat release)도 FR1 5.3 MJ/m2, FR2 7.7 MJ/m2, FR320.8 MJ/m2으로 분석되어 최대열방출률과 같은 경향을 보였다. 착화시간은 FR1 270 s, FR2 100 s, FR356 s 순으로 나타나 배합된 난연제의 농도조건에 따라 큰 차이가 있음이 확인되었다.
- 건축법 난연 3급 기준은 200 kW/m2이므로 3종의 약제모두 HRR에서는 난연 3급을 만족하고 있다. 총열방출량은 중량감소율에 영향을 미쳐 FR1 35, FR2가37인 반면 총방출열량이 높았던 FR3의 중량감소율은 51%로 나타났다. Fig.
후속연구
- 3 kW/m2,Park 2005) 감소하였으며 착화시간은 최대 242초 지연 되었다. 이상의 선행연구와 같이 목재의 난연성능은 처리약제의 배합비율, 처리방법, 약제농도 등에 따라 성능적 변화가 많을 수 있으며 목적하는 성능을 얻기 위해서는 최적의 성능을 구현할 수 있는 조성방법에 대한 연구가 선행되어야 한다고 사료된다.
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