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문제 정의
- 본 연구에서는 공시재료의 수종의 해부학적 특성에 대해 파악하고, 수종에 대해 정확히 감정하기 위하여 시험 전 감정 시험을 진행하였다. 공시재료는 먼저 육안으로 3단면을 확인 후, 가로, 세로, 높이를 각각 5 ×5 × 5 mm의 크기로 한 블록을 제작하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 주로 사용되고 있는 건축용 목재 중 해외 수종에 대하여 연소 및 열적 특성을 확인하였다. 해당 재료들의 연소특성은 KS F ISO 5660-1에 의거하여 콘 칼로리미터 시험법에 따라 확인하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 주로 사용되는 수종 중 해외에서 수입되는 북미 산재 2종(더글라스 퍼, 서부적삼목)과 아프리카 산재 3종(마코레, 부빙가, 파둑)을 선정하여 연소특성 및 열적 특성에 대해 확인하였다. 해당 수종들은 국내에서 건축 내장재 및 외장재, 구조재 등으로 활용되고 있는 수입 수종으로써 시장 조사 및 문헌 조사를 통하여 유용 수종으로 선정하였다10,12-14).
- 본 연구의 목적은 건축물에서의 목재 사용 시 화재 안전성 향상을 위한 연구 데이터베이스를 구축하기 위하여 목재에 대한 기본 정보를 제공하는 데에 있으며, 향후 해당 결과를 통한 난연 처리 방법, 적정 난연제 등에 대한 개발 연구를 진행하고자 한다.
제안 방법
- 5수종에 대한 콘 칼로리미터 실험을 실시하여 열방출률, 총 방출열량, 착화시간, CO 및 CO2 발생 수율에 대하여 측정하였다.
- KS F ISO 5660-1에 의거하여 콘 칼로리미터(Cone calorimeter, Fire Testing Technology Ltd.,UK) 시험을 통해 연소가 진행되는 동안 재료의 열방출률, 총 방출열량, 연기 발생량을 측정하여 연소 특성을 평가하였다. 본 실험은 열유속 (Heat flux) 조건을 50 kW/m2로 하여 각 수종별로 20분 동안 실시하였다.
- 공시재료는 먼저 육안으로 3단면을 확인 후, 가로, 세로, 높이를 각각 5 ×5 × 5 mm의 크기로 한 블록을 제작하였다.
- 공시재료는 먼저 육안으로 3단면을 확인 후, 가로, 세로, 높이를 각각 5 ×5 × 5 mm의 크기로 한 블록을 제작하였다. 그 후에 슬라이딩 마이크로톰을 이용하여 각각 3단면(횡단면, 방사단면, 접선단면)에 대한 15~20 ㎛의 박편을 제작하였다. 이 때 박편은 사프라닌으로 염색한 후에 에탄올로 탈수 처리하여 영구 프레파라트로 제작된다.
- 해당 재료들의 연소특성은 KS F ISO 5660-1에 의거하여 콘 칼로리미터 시험법에 따라 확인하였다. 또한 열적 특성은 열중량 분석에 의해 측정되었으며, 목재라는 재료 자체의 특성을 검정하여 실험 결과를 해석하였다.
- 해당 수종들은 국내에서 건축 내장재 및 외장재, 구조재 등으로 활용되고 있는 수입 수종으로써 시장 조사 및 문헌 조사를 통하여 유용 수종으로 선정하였다10,12-14). 또한 해당 수종들을 콘 칼로리미터 시험 방법 및 열중량분석 시험방법에 의거하여 연소 특성 및 열분해 온도분석을 실시하였다.
- 본 실험에서는 국내 유용 해외 수종으로써 북미 산재 더글라스 퍼 (Douglas-fir; Pseudotsuga menziesii), 서부적삼목 (Western Red cedar; Thuja plicata) 2종과 아프리카 산재 마코레 (African cherry; Tieghemella heckelii.), 부빙가 (Bubinga; Guibourtia tessmannii), 파둑 (Padauk; Pterocarpus soyauxii) 3종, 총 5수종을 선정하여 연소 특성 및 열적 특성을 분석하였다.
- ,UK) 시험을 통해 연소가 진행되는 동안 재료의 열방출률, 총 방출열량, 연기 발생량을 측정하여 연소 특성을 평가하였다. 본 실험은 열유속 (Heat flux) 조건을 50 kW/m2로 하여 각 수종별로 20분 동안 실시하였다. 시험 진행 동안 내부 조건은 24 ± 1oC, 50 ± 1%로 유지하였다.
- 의 2960 SDT를 이용하여 분석을 진행하였다. 시료는 각 목재 수종별로 5 mg을 분석하였고, 질소분위기(N2)에서 상온에서부터 800oC까지 분당 10oC의 승온 속도로 실험을 실시하였다.
- 염색을 하는 이유는 광학 현미경 관찰 시 시험편의 형상이 뚜렷하게 보이게 하기 위함이다. 이렇게 완성된 프레파라트는 광학현미경(Carl zeiss, DE/Axio Imager M1)으로 조직 특징을 관찰하고 사진 촬영하였다.
대상 데이터
- 열적 안정성은 열중량 분석을 통해 확인하였고, 이때 TA Instruments Inc.의 2960 SDT를 이용하여 분석을 진행하였다. 시료는 각 목재 수종별로 5 mg을 분석하였고, 질소분위기(N2)에서 상온에서부터 800oC까지 분당 10oC의 승온 속도로 실험을 실시하였다.
- 해당 목재 수종은 KS F ISO 5660-1에 의거하여 100mm ×100 mm × 10 mm의 크기로 제작하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 주로 사용되는 수종 중 해외에서 수입되는 북미 산재 2종(더글라스 퍼, 서부적삼목)과 아프리카 산재 3종(마코레, 부빙가, 파둑)을 선정하여 연소특성 및 열적 특성에 대해 확인하였다. 해당 수종들은 국내에서 건축 내장재 및 외장재, 구조재 등으로 활용되고 있는 수입 수종으로써 시장 조사 및 문헌 조사를 통하여 유용 수종으로 선정하였다10,12-14). 또한 해당 수종들을 콘 칼로리미터 시험 방법 및 열중량분석 시험방법에 의거하여 연소 특성 및 열분해 온도분석을 실시하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 국내에서 주로 사용되고 있는 건축용 목재 중 해외 수종에 대하여 연소 및 열적 특성을 확인하였다. 해당 재료들의 연소특성은 KS F ISO 5660-1에 의거하여 콘 칼로리미터 시험법에 따라 확인하였다. 또한 열적 특성은 열중량 분석에 의해 측정되었으며, 목재라는 재료 자체의 특성을 검정하여 실험 결과를 해석하였다.
성능/효과
- CO/CO2 값이 가장 낮은 수종은 파둑으로, 연소 시 산소 소비량은 가장 높은 값으로 나타났다. 5수종의 CO/CO2 값을 확인하였을 때, CO2의 발생 수율이 높을수록 산소 소비량이 증가하는 추세를 나타내었으나, 밀도가 낮은 수종들의 경우 ash화가 빠르게 진행되어 약간의 차이를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 CO/CO2 발생 수율은 목재의 연소 거동과 높은 상관관계를 가진다고 판단된다.
- CO/CO2 값은 CO2 발생 대비 CO의 발생 수율로써 연소의 진행 시 산소 소비량과 상관관계가 있는 것으로 확인되었다. CO/CO2 값이 가장 낮은 수종은 파둑으로, 연소 시 산소 소비량은 가장 높은 값으로 나타났다.
- 발생 대비 CO의 발생 수율로써 연소의 진행 시 산소 소비량과 상관관계가 있는 것으로 확인되었다. CO/CO2 값이 가장 낮은 수종은 파둑으로, 연소 시 산소 소비량은 가장 높은 값으로 나타났다. 5수종의 CO/CO2 값을 확인하였을 때, CO2의 발생 수율이 높을수록 산소 소비량이 증가하는 추세를 나타내었으나, 밀도가 낮은 수종들의 경우 ash화가 빠르게 진행되어 약간의 차이를 보였다.
- 각 수종별 열분해 온도는 더글라스 퍼 360.12oC, 서부적삼목 364.91oC, 마코레 347.77oC, 부빙가 366.68oC, 그리고 파둑 358.08oC으로 측정되었다. 목재 내부의 리그닌, 추출물 등의 함량에 따라 DTG 곡선의 경향이 달라졌는데 250~550oC 구간에서 아프리카 산재 부빙가와 파둑의 열분해 정도가 상대적으로 완만한 곡선으로 나타나는 것을 확인하였다.
- 이러한 특징은 보통 목재 밀도를 통해 유추되며, 타 수종들에 비해 밀도가 높은 부빙가와 파둑은 연소 시험 시 질량 감소율이 낮았고, 공극 외의 조직이 치밀하여 열이 가해졌을 때 분해 진행속도가 더딘 것으로 보인다. 다만 마코레는 다른 아프리카 산재들에 비해 공극이 작고 조직이 성근 형태를 가지고 있어, 열량 특성에서 특이 사항을 가지게 된 것으로 판단하였다. 이러한 결과는 선행 연구에서 높은 비표면적을 갖는 다공성 물질의 열 흡수 반응 결과17,25-27)와 유사한 것으로 확인되었다.
- 08oC으로 측정되었다. 목재 내부의 리그닌, 추출물 등의 함량에 따라 DTG 곡선의 경향이 달라졌는데 250~550oC 구간에서 아프리카 산재 부빙가와 파둑의 열분해 정도가 상대적으로 완만한 곡선으로 나타나는 것을 확인하였다. 이는 해당 수종들의 리그닌 구조, 추출물, 그리고 수종의 원산지 환경에 따른 차이에서 기인된 것으로 사료된다.
- . 목재의 구성 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스가 250~350oC에서 분해가 진행되고, 리그닌은 250~500oC에서분해가 진행되는 특징이 있으며 열중량 분석 결과에서도 이와 유사한 값을 보이는 것으로 확인되었다.
- 이를 통해, 열방출 특성과 함께 착화 시간 또한 서로 관련이 있으며, 화재 위험 및 화재 확산 가능성을 판단할 수 있는 요소인 것으로 사료된다. 열중량 분석 결과 아무 처리하지 않은 목재들의 경우, 선행 연구들의 결과와 유사하게 열분해 과정을 거치는 것으로 확인되었다. 하지만 중량 감소에 대한 결과에서는 각 수종들의 특성에 따라 감소되는 정도에 차이를 보였다.
- 5수종의 CO/CO2 값을 확인하였을 때, CO2의 발생 수율이 높을수록 산소 소비량이 증가하는 추세를 나타내었으나, 밀도가 낮은 수종들의 경우 ash화가 빠르게 진행되어 약간의 차이를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 CO/CO2 발생 수율은 목재의 연소 거동과 높은 상관관계를 가진다고 판단된다.
- 총 방출열량 또한 최대치가 파둑, 최소치가 서부적삼목인 것으로 측정되었다. 착화 시간은 부빙가가 47초로 착화가 가장 늦게 진행된 것을 알 수 있었고, 서부적삼목은 22초로써 타 수종들에 비해 가장 빠르게 착화가 진행된 것을 확인하였다. 이를 통해, 열방출 특성과 함께 착화 시간 또한 서로 관련이 있으며, 화재 위험 및 화재 확산 가능성을 판단할 수 있는 요소인 것으로 사료된다.
- 28 kW/m2로 서부적삼목으로 확인되었다. 총 방출열량 또한 최대치가 파둑, 최소치가 서부적삼목인 것으로 측정되었다. 착화 시간은 부빙가가 47초로 착화가 가장 늦게 진행된 것을 알 수 있었고, 서부적삼목은 22초로써 타 수종들에 비해 가장 빠르게 착화가 진행된 것을 확인하였다.
- 총 방출열량의 최댓값을 나타낸 수종은 파둑으로241.44 MJ/m2로 측정되었고, 부빙가가 148.69 MJ/m2로써 두 번째로 높은 값을 나타내었다. 이는 앞선 열방출률 결과와 관련성이 있는 것으로 사료되며, 타 수종들에 비해 높은 밀도와 내부 공극으로의 흡열 반응에서 기인된 것으로 판단된다.
- 이는 수종별 밀도나 내부 공극에서 오는 흡열 및 방열 반응에 대한 차이로써 해당 수종들의 고유의 특성이라고 판단된다. 최대 열방출량은 더글라스 퍼가 166.21 kW/m2, 서부적삼목이 137.28 kW/m2, 마코레가 142.61 kW/m2로 밀도가 낮은 수종이 낮은 값을 나타냈으며, 파둑이 371.27 kW/m2, 부빙가가 286.80 kW/m2으로 상대적으로 높은 값으로 확인되었다.
- 27 kW/m2로 확인되었다. 최대열방출율 값의 최소치는 137.28 kW/m2로 서부적삼목으로 확인되었다. 총 방출열량 또한 최대치가 파둑, 최소치가 서부적삼목인 것으로 측정되었다.
- 콘 칼로리미터 실험 결과, 최대 열방출률을 나타내는 수종은 파둑으로 371.27 kW/m2로 확인되었다. 최대열방출율 값의 최소치는 137.
후속연구
- 하지만 중량 감소에 대한 결과에서는 각 수종들의 특성에 따라 감소되는 정도에 차이를 보였다. 이러한 결과들을 바탕으로 수종 고유의 연소 및 열적 특성에 대하여 확인하였고, 같은 산지에서의 목재라 하더라도 특성이 다를 수 있으므로 화재 예방을 위한 처리 시 고려되어야 할 사항이라고 판단된다.
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