막구조물은 코팅된 직물을 주재료로 하는 구조로 연성을 가진 막을 사용하여 외부하중에 대해 안정된 형태를 유지하는 구조물을 말한다. 막에 의한 구조시스템은 대공간 시공이 가능하고 가벼우며 빛을 투과할 수 있는 등 자원 및 관리비용 절감 면에서 많은 이점을 가지고 있어 다양한 용도의 구조물에 적용되며 그 사용용도가 점차 확대되고 있는 실정이다. 하지만 막구조 건축물 및 막재가 다양해짐에도 불구하고 화재안전을 고려한 막재의 성능에 대한 기준은 미비한 실정이며 다양한 용도에 적합한 난연성능이 우수한 막재의 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 시판되는 건축용 막재인 PTFE, PVDF와 PVF, ETFE 필름 막재의 방염 및 난연성능 시험 등을 통해 건축용 막재의 난연특성을 확인하였다.
막구조물은 코팅된 직물을 주재료로 하는 구조로 연성을 가진 막을 사용하여 외부하중에 대해 안정된 형태를 유지하는 구조물을 말한다. 막에 의한 구조시스템은 대공간 시공이 가능하고 가벼우며 빛을 투과할 수 있는 등 자원 및 관리비용 절감 면에서 많은 이점을 가지고 있어 다양한 용도의 구조물에 적용되며 그 사용용도가 점차 확대되고 있는 실정이다. 하지만 막구조 건축물 및 막재가 다양해짐에도 불구하고 화재안전을 고려한 막재의 성능에 대한 기준은 미비한 실정이며 다양한 용도에 적합한 난연성능이 우수한 막재의 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 시판되는 건축용 막재인 PTFE, PVDF와 PVF, ETFE 필름 막재의 방염 및 난연성능 시험 등을 통해 건축용 막재의 난연특성을 확인하였다.
Membrane structures can be used to create diverse lightweight structural forms using ductile membranes made of coated fabric. Using membrane structures, it is possible to construct large covered spaces relatively quickly and economically, and hence, they are being applied within various applications...
Membrane structures can be used to create diverse lightweight structural forms using ductile membranes made of coated fabric. Using membrane structures, it is possible to construct large covered spaces relatively quickly and economically, and hence, they are being applied within various applications. The structures are light-weight, transparent, flexible in their application, economical and easy to maintain, and as such, their usage is being expanded. However, despite their prevalence, the standard for membrane material performance in terms of fire safety is still inadequate, and the development of membrane materials with excellent flame resistance performance is being demanded. This study determined flame resistance performance of architectural membranes, including PTFE, PVDF, PVF and ETFE film membranes, through flammability testing and incombustibility testing.
Membrane structures can be used to create diverse lightweight structural forms using ductile membranes made of coated fabric. Using membrane structures, it is possible to construct large covered spaces relatively quickly and economically, and hence, they are being applied within various applications. The structures are light-weight, transparent, flexible in their application, economical and easy to maintain, and as such, their usage is being expanded. However, despite their prevalence, the standard for membrane material performance in terms of fire safety is still inadequate, and the development of membrane materials with excellent flame resistance performance is being demanded. This study determined flame resistance performance of architectural membranes, including PTFE, PVDF, PVF and ETFE film membranes, through flammability testing and incombustibility testing.
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문제 정의
미국이나 일본 등과 같이 화재 안전을 고려한 막재의 성능에 대해서는 전혀 검토되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 막구조 건축물에 일반적으로 사용되는 유리섬유 직포의 PTFE와 폴리에스테르섬유 직포의 PVDF 및 PVF와 ETFE 필름의 건축용 막재를 이용하여 화재안전의 측면에서 막재가 가지는 방염 및 난연특성에 대해 검토하였다.
제안 방법
시험체의 표기는 코팅재의 종류로 표기하였으며 물리적 특성은 Table 1과 같다. 건축용 막재의 직포는 인장강도 및 물성에 가장 큰 영향을 미치므로 유리섬유와 폴리에스테르섬유 직포로 구분하여 방염 및 난연특성을 확인하였다.
건축용 유리섬유 및 폴리에스테르섬유 막재의 특성을 확인하기 위한 실험항목은 인장강도 측정, 방염 성능 및 난연성능 시험, 미세구조 관찰이며 재료의 열거동 및 화재 특성을 확인하였다. 방염성능은 45o 연소시험기를, 난연성능은 콘칼로리미터를 이용하여 측정하였다.
난연성능 시험은 100 × 100 mm 크기의 시험체를 온도 23 ± 2oC, 상대습도 50 ± 5%로 항량이 되도록 유지한 후 3회 실시하였다.
45o 연소성 시험이나 콘칼로리미터 시험은 막재의 기술기준을 도입한 미국이나 일본 등에서도 막재의 평가를 위한 시험방법으로 사용하고 있다. 또한 미세구조는 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다.
인장강도 시험은 정속시험기를 사용하여 50 mm/min의 속도로 실시하였다. 또한 클램프에서 미끄러지거나 클램프 모서리 5 mm 이내에서 파단된 경우 재시험을 실시하였으며 5회를 반복하여 측정하였다.
C, 상대습도 50 ± 5%로 항량이 되도록 유지한 후 3회 실시하였다. 또한, 막재의 성능 판정 시 기준이 되는 최대열방출률과 총방출열량 및 연소특성을 확인하기 위해 열방출률(Heat release rate, HRR), 평균열방출률(Average heat release rate, AHRR), 착화시간 및 질량감소율을 측정하였다.
방염성능 시험에 사용된 시험체의 크기는 200 × 300 mm이며 50 ± 2oC에서 48시간 건조하고 데시게이터 안에 24시간 방치한 후 시험을 실시하였다.
건축용 유리섬유 및 폴리에스테르섬유 막재의 특성을 확인하기 위한 실험항목은 인장강도 측정, 방염 성능 및 난연성능 시험, 미세구조 관찰이며 재료의 열거동 및 화재 특성을 확인하였다. 방염성능은 45o 연소시험기를, 난연성능은 콘칼로리미터를 이용하여 측정하였다. 45o 연소성 시험이나 콘칼로리미터 시험은 막재의 기술기준을 도입한 미국이나 일본 등에서도 막재의 평가를 위한 시험방법으로 사용하고 있다.
방염성능 시험에 사용된 시험체의 크기는 200 × 300 mm이며 50 ± 2oC에서 48시간 건조하고 데시게이터 안에 24시간 방치한 후 시험을 실시하였다. 버너의 불꽃길이는 65 mm로 하여 1분간 가열하였으며 탄화길이는 시험체 가열면의 탄화부분에 대하여 지지틀 길이방향의 최대길이를 측정하였고 프라니메타를 사용하여 탄화면적을 측정하였다.
재료의 열방출 특성은 화재의 성장 및 전파에 직접적인 영향을 미치며 열방출율을 통해화재의 위험성을 분석할 수 있다(15). 콘칼로리미터의 복사 강도는 0~100 kW/m2사이의 값을 지정할 수 있지만 50 kW/m2가 열효율이 가장 높은 700oC의 흑체 방사와 동등한 복사강도이며 가장 일반적으로 사용하는 복사강도이므로(16) 본 시험에서도 50 kW/m2복사강도를 유지하였고 준불연재료의 성능 판정의 기준이 되는 시간인 10분을 가열하였다. 국내에서의 준불연재료의 판정은 가열시간, 최대 열방출률(Peak heat release rate, PHRR), 총방출열량(Total heat released, THR)과 균열 및 관통 등의 유무이며 일본에서도 국내와 유사한 성능 판정 기준을 운영하고 있다.
대상 데이터
건축용 막재의 난연특성 비교를 위해 일반적으로 사용되는 유리섬유 직포의 PTFE가 코팅된 막재와 폴리에스테르섬유 직포의 PVDF가 코팅된 막재와 PVF가 코팅된 막재, ETFE 필름 막재 등 4종을 사용하였다. 시험체의 표기는 코팅재의 종류로 표기하였으며 물리적 특성은 Table 1과 같다.
인장강도 시험체의 크기는 50 × 300 mm이며, 시험용 막재 끝 부분의 150 mm를 벗어난 지점에서 각각 5장씩 채취하였다.
이론/모형
건축용 막재의 난연성능을 종합적으로 평가하기 위해 KS F ISO 5660-1의 콘칼로리미터법에 의거하여 실시하였다.
건축용 막재의 인장강도 시험은 한국산업표준 KS K 0521 스트립법에 준하여 실시하였다(11). 인장강도 시험체의 크기는 50 × 300 mm이며, 시험용 막재 끝 부분의 150 mm를 벗어난 지점에서 각각 5장씩 채취하였다.
막재의 방염성능 시험은 KS F 2819 건축용 얇은 재료의 방염성 시험방법에 준하여 45o 연소성 시험기를 사용하여 실시하였다. 이 표준은 두께 5 mm 미만의 보드, 플레이트, 시트, 필름이나 이와 유사한 건축용 평판 재료에 적용할 수 있고 건축용 막재의 경우 구조물의 지붕이나 외벽에 사용되는 재료이므로 방염성능을 구분하여 평가할 수있다(12).
성능/효과
Figure 5는 막재의 표면과 절단면의 미세구조를 주사전 자현미경으로 100배 확대한 결과이다. (a)의 PTFE 막재 표면의 미세구조 사진에서 주름과 홈을 확인할 수 있었고 이는 액상에 불소 입자가 분산된 에멀젼 형태인 불소수지의 특성상 소결과정에서 입자들의 응집현상이 발생한 결과로 판단된다. (b)에서는 유리섬유 사이에 불소 입자가함침되어 있었으며 약 5 μm 직경의 원형 단면을 가지는 용융 방사 섬유의 특징을 확인하였다.
1) PTFE 막재는 두께는 얇지만 PVDF나 PVF에 비해 강도특성이 우수하다. 막재의 강도특성 향상을 위해 막재의 두께 증가보다는 직포에 사용되는 섬유의 강도 및 밀도를 높이는 것이 유리하다.
3) 유리섬유 직포 막재는 열방출율과 총방출열량이 작아 우수한 난연성능을 가지므로 난연성능이나 화재안전이 요구되는 부위의 사용에 적합하다. 하지만 실제 화재온도는 유리섬유의 융점을 초과할 가능성이 있으므로 고온에서 보다 안정성이 우수한 막재의 개발과 사용용도 및 막재에 적합한 기술기준이 제시되어야 한다.
성능 판정에서도 10분 동안 복사열을 가하였을 때 총방출열량이 8 MJ/m2이하일 것으로 한정하고 있다. PTFE 막재는 총방출열량 값이 0에 근접하여 막재 중 가장 낮은 결과를 보였고 PVDF 막재가 23.9 MJ/m2으로 가장 큰 값을 나타냈다. ETFE 필름 막재의 경우 약 3분간 총방출열량이 증가한 후 일정한 값을 나타냈는데 이는 ETFE 필름이 빠른 시간에 연소하여 열을 방출하였음을 의미하는 것으로 방염시험 결과에서도 화염에 노출된 부분이 바로 녹았던 것과 동일하다.
PVDF와 PVF 막재는 인장에 대한 변형이 커 약 25% 안팎의 높은 연신율을 보였다.
막재의 인장강도는 PTFE, PVDF, PVF 순으로 나타났으며 PTFE와 PVDF가 비슷한 값을 나타냈다. 또한 PTFE 막재는 두께는 가장 얇지만 인장강도가 377.0 N/cm로 높게 나타나 강도특성이 우수하였다. 막재의 인장강도는 단일 섬유의 직경이 큰 것 보다 직경이 가는 것을 여러 가닥으로 꼬아 만든 것이 유리하다.
전체적으로 탄화길이, 불꽃 및 분진에 의한 평가에서 PTFE 막재가 가장 방염성능이 우수하며 방염 1급에 해당한다. 또한 PVDF는 탄화길이가 237 mm로 방염성능의 기준값을 만족하지 못했으며 PVF는 탄화길이가 80 mm로방염 2급에 해당하는 값을 나타내 PVDF보다는 성능이 약간 우수한 것으로 나타났다. PVDF와 PVF 막재는 소화된후 나머지 불꽃과 분진이 거의 존재하지 않았다.
열방출율과 최대열방출율은 PTFE, ETFE, PVDF 및 PVF 순 이었으며 PVDF와 PVF는 전체적인 난연특성이 유사하게 나타났다.
020 g/s로 가장 큰 것을 알 수 있었다. 이는 두 막재가 단시간에 연소하여 질량이 빠르게 감소하는 것으로 질량감소율이 클수록 열방출율 또한 큰 것을 확인할 수 있었다.
전체적으로 탄화길이, 불꽃 및 분진에 의한 평가에서 PTFE 막재가 가장 방염성능이 우수하며 방염 1급에 해당한다.
한편 유리섬유의 인장강도는 약 1,000~2,000 N/mm2, 폴리에스테르섬유는 약 20~400 N/ mm2으로 알려져 있어 코팅재의 종류보다는 직포의 종류에 따라 인장강도가 영향을 받았음을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
막구조물이란 무엇인가?
막구조물은 코팅된 직물을 주재료로 하는 구조로 연성을 가진 막을 사용하여 외부하중에 대해 안정된 형태를 유지하는 구조물을 말한다. 막에 의한 구조시스템은 대공간 시공이 가능하고 가벼우며 빛을 투과할 수 있는 등 자원 및 관리비용 절감 면에서 많은 이점을 가지고 있어 다양한 용도의 구조물에 적용되며 그 사용용도가 점차 확대되고 있는 실정이다.
PVC의 장단점은 무엇인가?
코팅재는 Poly tetra fluoro ethylene (PTFE)와 Poly vinyl chloride (PVC), Poly vinylidene difluoride (PVDF) 및 Poly vinyl fluoride (PVF) 등이 사용되며 이산화티탄(TiO2)을 코팅하여 기능성을 부여하기도 한다(1,2). 건축용 막재는 초기PVC를 주로 사용했으나 PVC는 인장 및 파열강도가 우수하지만 화학적 결합력이 약하고 자외선 등에 의해 쉽게 열화하기 때문에 불소가 포함된 PVDF나 PVF 필름을 접합(laminate)한 막재가 개발되었다. 또한, 창고나 공장 등의 소규모 구조물에서는 가격이 저렴한 폴리에스테르 직물에 PVC, PVDF 및 PVF를 코팅한 막재를 사용하며 경기장이나 체육관 등 대공간 구조물에서는 내구성 및 강도특성이 뛰어난 유리섬유 직물에 PTFE를 코팅한 막재를 주로 사용한다.
막구조물의 장점은 무엇인가?
막구조물은 코팅된 직물을 주재료로 하는 구조로 연성을 가진 막을 사용하여 외부하중에 대해 안정된 형태를 유지하는 구조물을 말한다. 막에 의한 구조시스템은 대공간 시공이 가능하고 가벼우며 빛을 투과할 수 있는 등 자원 및 관리비용 절감 면에서 많은 이점을 가지고 있어 다양한 용도의 구조물에 적용되며 그 사용용도가 점차 확대되고 있는 실정이다. 하지만 막구조 건축물 및 막재가 다양해짐에도 불구하고 화재안전을 고려한 막재의 성능에 대한 기준은 미비한 실정이며 다양한 용도에 적합한 난연성능이 우수한 막재의 개발이 요구되고 있다.
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