[논문]실내 사용 목재의 연소 특성 분석 (II)

서현정; 강미란; 손동원

doi:10.5658/wood.2015.43.4.478

실내 사용 목재의 연소 특성 분석 (II)
Combustion Properties of Woods for Indoor Use (II) 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.43 no.4, 2015년, pp.478 - 485

서현정 (국립산림과학원 임산공학부) , 강미란 (국립산림과학원 임산공학부) , 손동원 (국립산림과학원 임산공학부)

초록
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본 연구에서는 목재의 화재 안정성 평가에 대한 기초 자료를 구축하기 위하여 연소 성능 및 열적 특성을 분석하였다. 열특성 분석은 콘 칼로리미터 시험 방법과 열중량 분석(TGA)으로 열방출률, 총 방출열량, 연소 가스 발생, 그리고 중량 감소를 분석하였다. TGA 분석에서 시료의 열분해 온도는 스트로브 잣나무 $359.83^{\circ}C$, 서어나무 $359.80^{\circ}C$, 이태리 포플러 $363.14^{\circ}C$, 졸참나무 $358.59^{\circ}C$, 산벚나무 $362.11^{\circ}C$로 나타났다. 열방출률의 최댓값은 서어나무로 나타났으며, 최솟값은 스트로브 잣나무로 나타났다. 총방출열량을 분석한 결과, 서어나무가 가장 높은 값을 나타내었고, 이태리 포플러가 가장 낮은 값을 나타내었다. 가스분석 결과에서는 산벚나무가 $CO/CO_2$ 비율이 최소치로 0.021로 확인되었고, 졸참나무가 0.031로 최대치를 나타내었다. 중량감소율의 최솟값은 산벚나무가 87.57%로 나타났으며, 졸참나무가 95.03%로 CO와 $CO_2$의 발생과 목재 연소의 거동과의 상관관계를 나타내었다. 본 연구는 목재의 실내 적용 시 화재 안정성 향상 등의 기초 자료로써 매우 유용할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to analyze the combustion and thermal properties in order to establish baseline data for the fire safety evaluation of domestic timbers. The combustion properties such as heat release rate, total heat release, gas yield, and mass loss were analyzed by the method of cone calorimeter test and thermogravimetry (TGA). Thermal decomposition temperatures of the specimens by TGA were recorded as $359.83^{\circ}C$ for White pine, $359.80^{\circ}C$ for Red-Leaved Hornbeam, $363.14^{\circ}C$ for Carolina poplar, $358.59^{\circ}C$ for Konara oak, and $362.11^{\circ}C$ Sargent cherry. Red-Leaved Hornbeam showed the highest value of heat release rate, but, Carolina poplar wood showed the lowest value. In case of the total heat release, Red-Leaved Hornbeam wood showed the highest value and Carolina poplar wood showed the lowest one. The gas analysis results showed that Sargent cherry wood had the lowest value of 0.021, and Konara oak had the highest at 0.031 in the $CO/CO_2$. The minimum value of mass reduction was recorded as 87.57% for Sargent cherry, but, on the other hand, it was 95.03% for Konara oak. There was a correlation between the gas generation of CO and $CO_2$, and combustion behavior of woods. These results are expected to be usful for providing a fundamental guideline with the fire safety of wood use in interior applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서 주로 사용되는 목재 5수종에 대하여 화재 안전성에 대한 기초자료 제공을 목적으로 열적 특성을 확인하였다.
본 연구에서는 국내의 유용 수종을 대상으로 하여콘 칼로리미터 시험과 열중량 분석을 실시하여, 해당 수종의 연소 특성 및 열적 특성에 대한 데이터를 수집하고, 수종 간의 특성에 대하여 분석하고자 하였다.

제안 방법

5수종에 대한 콘 칼로리미터 실험을 실시하여 열 방출률, 총 방출열량, 착화시간 및 연기 발생을 측정 하였다. 해당 실험의 결과를 Table 2에 나타내었다.
콘 칼로리미터(Cone calorimeter, Fire Testing Technology Ltd., UK)를 사용하여 착화 후 재료의 열방출률, 총 방출열량 및 연기발생량을 측정하여 연소 특성을 평가하였다. 연소특성 분석은 KS F ISO 5660-1 기준에 의거하여 열유속 50 kW/m²의 조건에서 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 국내 수종인 스트로브 잣나무(Pinus strobus), 서어나무(Carpinus laxiflora), 이태리 포플러(Populus euramericana Guinier), 졸참나무(Quercus serrata Thunb. ex Murray), 산벚나무(Prunus sargentii Rehder)를 사용하였다. 이들 시험 편은 원목을 제재 후 건조하여 콘 칼로리미터 시험 규격에 맞게 100 mm × 100 mm × 10 mm의 크기로 제조하였다.
열중량 분석은 TA Instruments Inc.의 2960 SDT를 이용하여 분석을 실시하였다. 시료는 10 mg을 분석용으로 사용하였고, 질소 분위기(N₂)에서 실온에서부터 800℃까지 분당 10℃의 상승 온도로 실험을 진행 하였다.

이론/모형

이들 시험 편은 원목을 제재 후 건조하여 콘 칼로리미터 시험 규격에 맞게 100 mm × 100 mm × 10 mm의 크기로 제조하였다. 시험편은 KS F ISO 5660-1 기준에 의거하여 온도 23℃, 습도 50% 조건으로 항온항습기에서 조습 처리하였다. 또한, 열중량 분석을 위하여 공시재료를 120 mesh 이하로 분쇄 후 건조하여 사용 하였다.
, UK)를 사용하여 착화 후 재료의 열방출률, 총 방출열량 및 연기발생량을 측정하여 연소 특성을 평가하였다. 연소특성 분석은 KS F ISO 5660-1 기준에 의거하여 열유속 50 kW/m²의 조건에서 실시하였다. 시험 조건은 24 ± 1℃, 50 ± 1%의 조건을 유지하였다.

성능/효과

1) TGA 분석에서 시료의 온도 피크 최대값은 스트로브 잣나무 359.83℃, 서어나무 359.80℃, 이태리 포플러 363.14℃, 졸참나무 358.59℃, 산벚나무 362.11℃로 나타났다. 이때의 잔사율은 스트로브 잣나무 43.
2) 콘 칼로리미터 시험에서 열방출률의 최댓값은 서어나무로 294.1 kW/m²로 나타났으며, 최솟 값은 스트로브 잣나무로 159.6 kW/m2로 나타났다.
3) 총 방출열량 값을 분석한 결과, 서어나무가 100.9 MJ/m²로 가장 높은 값을 나타내었고, 이태리 포플러가 49.8 MJ/m²의 가장 낮은 값을 나타내었다.
4) 분석된 5수종의 CO/CO₂는 산벚나무가 최소치로 0.021이고, 졸참나무가 0.031로 최대치로 확인되었다. 중량감소율은 산벚나무가 87.
해당 수종의 연소 시 char의 생성으로 인하여 연소되는 표면에 산소의 접촉을 차단하는 것은 화염의 전파 속도를 늦추는 역할을 할 수 있으며, 이때 생성되는 연소 가스는 주로 CO로써 해당 연소 가스의 발생량이 높을수록 연소가 더디게 진행되는 것으로 사료된다(Chung 2009). 또한, CO₂의 발생량이 낮게 나타나는 것은 목재의 완전 연소가 덜 진행되는 것으로 볼 수 있어 연소 억제 성능을 가지고 있다고 판단하였다. CO/CO₂는 산벚나무가 최소치로 0.
착화 시간이 47초로 가장 늦은 서어나무의 열방출률 값이 가장 높게 나타났으며, 이는 복사열에 노출시킨 시간이 길어질수록 시험편의 내부 공극으로 흡수되는 열량이 증가하였기 때문으로 사료된다. 또한, 산소 소비량의 총량이 높을수록 열방출률 값이 높아지는 것을 확인하였고, 열방출률의 평균값을 확인하였을 때, 이태리포플러가 26.13 kW/m²로 가장 낮은 값을 나타내었다. 열방출률의 양이 가장 낮게 나타났던 스트로브 잣나무보다 더 낮은 값을 나타낸 것은 특이 사항으로 보인다.
1∼5에서와 같이 모든 시료는 열분해 및 산화 과정을 거쳤으며, 유사한 분해 경로로 열분해 되었음을 확인하였다. 시료의 열분해 온도는 스트로브 잣나무 359.83℃, 서어나무 359.80℃, 이태리 포플러 363.14℃, 졸참나무 358.59℃, 산벚나무 362.11℃로 나타났다. 이때 잔사율은 스트로브 잣나무 43.
시험편의 초기 무게는 스트로브 잣나무 41.0 g, 서어나무 62.5 g, 이태리포플러 36.1 g, 졸참나무 55.7 g, 그리고 산벚나무 60.4 g으로 측정되었고, 밀도는 각각 0.41 kg/m³, 0.63 kg/m³, 0.38 kg/m³, 0.57 kg/m³, 0.60 kg/m³로 나타났다. 총 방출열량 값을 확인한 결과 재료의 밀도가 높을수록 총 방출열량 역시 높은 것으로 확인되었고, 이는 밀도와 열적 특성과의 상관관계를 보여주는 것이라고 사료된다.
열방출률 값은 서어나무 > 졸참나무 > 산벚나무 > 이태리포플러 > 스트로브 잣나무 순으로 확인되었다.
두 번째 피크는 수종 별로 차이가 있었으며, 이 값이 수종의 고유의 열방출률 값으로 보인다. 열방출률의 최댓값은 서어나무로 294.1 kW/m²로 나타났으며, 최솟값은 스트로브 잣나무로 159.6 kW/m²로 나타났다. 열방출률 값은 서어나무 > 졸참나무 > 산벚나무 > 이태리포플러 > 스트로브 잣나무 순으로 확인되었다.
031로 최대치로 확인되었다. 중량 감소율은 산벚나무가 87.57%로 최솟값을 보였고 졸참나무가 95.03%로 CO와 CO₂의 발생이 목재 연소의 거동과 높은 상관이 있다고 사료된다.
031로 최대치로 확인되었다. 중량감소율은 산벚나무가 87.57%로 최솟값을 보였고 졸참나무가 95.03%로 확인되어 CO와 CO₂의 생성이 목재 연소의 거동과 높은 상관이 있다고 사료된다.
60 kg/m³로 나타났다. 총 방출열량 값을 확인한 결과 재료의 밀도가 높을수록 총 방출열량 역시 높은 것으로 확인되었고, 이는 밀도와 열적 특성과의 상관관계를 보여주는 것이라고 사료된다.
총 방출열량은 서어나무 > 졸참나무 > 산벚나무 > 스트로브 잣나무 > 이태리포플러 순으로 나타났으며, 이 값은 열방출률의 최댓값보다 열방출률의 평균값과 더 관련성이 있는 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재가 오늘날까지도 유용하게 사용되는 이유는?	목재는 심미적인 무늬와 다양한 형태로의 가공 용이성 및 우수한 기계적 성질로 인하여 오늘날까지도 실내 건축재료 및 가구재로써 유용하게 사용되고 있다(Eom 2003; Son and Kang 2014; Seo et al. 2013).
	목재가 건물 실내에 적용 시 가장 우려가 되는 부분은 무엇인가?	2015). 그러나 이러한 목재가 건물 실내에 적용 시 가장 우려가 되는 부분은 화재 발생 시 안전에 대한 문제이다. 소방방재청(2010)의 자료에 의하면 지난 10년 간 화재 발생의 비율 중에서 건물 화재 발생 정도가 60% 이상으로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며(Analysis of fire reports 2010), 이에 따른 건물 화재의 위험성에 대한 인식이 재고되고 있다.
	건축내장재의 화재 안정성을 평가와 관련하여 내장재의 연소 특성을 잘 표현하는 요소는 무엇인가?	화재가 발생하였을 때 목질 건축내장재의 화재 안정성은 화염에 노출되었을 때의 착화 시간, 재료 표면의 열방출률, 그리고 화염의 전파 정도 등을 적용 하여 평가할 수 있다(Cheng 2010; Son and Kang 2014; Son and Kang 2015). 이러한 화재 안정성 평가 요소 중 열방출률 및 총 방출열량은 건축 내장재의 연소 특성을 잘 표현하는 요소라고 판단된다. 건축 내장재의 연소 특성을 측정하기 위한 실험으로는 KS F ISO 5660-1 콘 칼로리미터 시험이 있으며, 해당 시험을 통하여 재료의 열방출률, 총 방출 열량, 연기 발생, 그리고 질량감소율 등을 확인할수 있다(Wu et al.

참고문헌 (17)

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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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