선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 해당 재료의 보조 약제로써의 적용은 carbonate 성분이 열에 의해 분해 시 불연성가스인 이산화탄소와 재료 표면에 char를 형성하여 열분해를 지연시키는 특성에서 기인된다. 따라서 본 논문에서는 1차적으로 국내 유용 수종 중 공시재료로 사용할 수종을 선정하여 연소 특성 및 열적 특성을 파악하였고, 2차적으로는 해당 수종들에 붕소, 인 계 및 질소계의 수용성 난연제를 처리하여 난연 성능의 향상에 대해 분석하였다.
- 본 연구에서 해당 처리법을 선정한 이유는 기존 연구에서는 열방출률 및 총 방출열량 값을 낮추는 목적은 달성하였으나, 총 방출열량 값이 5분 동안 8 MJ/m2 미만의 값을 나타내어야 한다는 국내 건축법 고시 및 일본 건축법 기준 값에서는 미달되는 결과를 나타내었기 때문이다. 또한 본 연구에서 사용된 FRCs의 경우, 목재보존제의 기존 구성 성분에 제2인산암모늄과 탄산칼륨을 주 약제 및 보조 약제로 추가하여 실험을 진행하였으므로 목재 보존 공장에서 추가 공정 없이 재료를 제작할 수 있을 것이라는 상용화 가능성을 확인하고자 하였다. 해당 공정에서는 먼저 전배기는 챔버 내부에 시험편을 일렬로 배치하고 진공상태로 15분 동안 챔버 내부 및 시험편 공극의 공기를 제거한다.
- 본 연구에서는 건축물에 적용되는 실내 마감 재료 중 목재의 난연 성능을 향상하기 위한 방법 중 난연성 화학종의 처리 방법 및 적정 혼합 비율에 대하여 제안하였다.
제안 방법
- 또한, 목재 및 난연 목재의 열적 특성에 대해 분석하기 위하여 열중량 분석(Thermogravimetric analysis; TGA)을 실시하였다.
- 가스유해성 분석은 국토해양부 고시 제 2011-39호에서 정하고 있는 “건축물 마감재료의 난연성능기준”에서 채택된 KS F 227128) 규격에 의거하여 가로 220 mm, 세로 220 mm의 크기로 절단 후, 시험편 표면에서 뒷면으로 관통되는 지름 25 mm의 구멍을 3개 뚫어 제작하였다.
- 본 연구에서는 건축물에 적용되는 실내 마감 재료 중 목재의 난연 성능을 향상하기 위한 방법 중 난연성 화학종의 처리 방법 및 적정 혼합 비율에 대하여 제안하였다. 그리고 난연 성능 시험 및 열중량분석 시험, 가스유해성평가 시험을 수행하여 난연 3급을 달성할 수 있는 난연성 화학종의 비율을 도출하였다.
- 따라서 본 연구에서도 해당 실험을 보조수단으로 하여 무처리 시험편 및 FRC 처리 시험편의 열분해 특성과 char 형성 시점, 열적 안정성 등에 대해 측정하였다.
- 이러한 열분해 온도 분석을 통해 재료의 열적 안정성 변화를 평가할 수 있다2,5,27). 또한 화재 시 발생되는 연소가스의 가스유해성 평가(KS F 2271)를 통해 난연 목재의 화재안전성에 대하여 확인하였다.
- 본 실험에서 공시재료의 난연 성능 향상을 위해 산림청 고시 제2004-62호에 규정된 목재의 방부․방충처리기준을 준용하여 FRCs 1, 2, 그리고 3을 처리하였다. 본 고시에 규정된 주입처리(감압 또는 가압 등의 기계적 압력차에 의해 목재 중에 목재방부제를 침투시키는 처리)법을 통해 시험편에 가압처리법으로 난연제를 처리하였다. 본 연구에서 해당 처리법을 선정한 이유는 기존 연구에서는 열방출률 및 총 방출열량 값을 낮추는 목적은 달성하였으나, 총 방출열량 값이 5분 동안 8 MJ/m2 미만의 값을 나타내어야 한다는 국내 건축법 고시 및 일본 건축법 기준 값에서는 미달되는 결과를 나타내었기 때문이다.
- 본 실험에서 공시재료의 난연 성능 향상을 위해 산림청 고시 제2004-62호에 규정된 목재의 방부․방충처리기준을 준용하여 FRCs 1, 2, 그리고 3을 처리하였다. 본 고시에 규정된 주입처리(감압 또는 가압 등의 기계적 압력차에 의해 목재 중에 목재방부제를 침투시키는 처리)법을 통해 시험편에 가압처리법으로 난연제를 처리하였다.
- 콘 칼로리미터 시험은 재료의 연소 특성에 대한 전반적인 확인이 가능한 시험으로써 열방출률(Heat release rate; HRR), 총방출열량 (Total heat release; THR), 연기방출률 (Smoke production rate; SPR) 등의 요소 측정이 가능하다. 본 실험에서는 무처리 소나무 시험편과 난연 처리 소나무 시험편의 연소 특성을 분석하기 위해 열유속 (Heat flux) 50 kW/m2의 조건에서 실험을 실시하였다. 시험은 각 재료별 총 3회, 각각 20분씩 진행되었으며, 시험 진행 동안 실험실 내부는 온도 24±1°C, 상대습도 50±1%의 조건으로 유지되었다.
- 시험은 실험용 흰 쥐(ICR계, 암컷, 5주령, 20±2g)를 1마리씩 넣은 회전 바구니 8개를 피검 상자 내에 장착하여 15분 간 수행하였다.
- 가스유해성평가 시험은 KS F 2271 규격에 의거하여 진행하였다. 시험편 가열 시간은 총 6분으로 부 열원(LP gas burner)으로 3분간 가열 후 주 열원(전열선)으로 3분간 가열하였다. 가열로 내에서 시험편의 가열 중에 한하여 공기가 공급되며, 그 공급량은 가열로의 1차 공급 장치에 의하여 3 L/min, 2차 공급 장치에 의하여 25 L/min을 공급하였다.
- 시험편은 규격에 따라 표면에서 뒷면으로 관통되는 지름 25mm의 구멍을 3개 뚫은 것을 23±2℃, 상대습도 50±5% 조건에서 항량이 될 때까지 처리 후 적용하였다.
- 약제 제조 시 화학종 첨가 비율에 따른 차이를 확인하기 위하여 제2인산암모늄과 탄산칼륨의 비율에 차이를 두어 각각 FRCs 1, FRCs 2, FRCs 3으로 구분하여 제조하였다.
- 본 연구에서 제조된 FRCs의 화학종 중 고정 값으로 설정한 재료는 붕산 및 붕사, 그리고 탄산암모늄이다. 이 중 붕산 및 붕사는 기존 목재방부제에 주로 사용되는 비율을 준용하였고38), 탄산암모늄은 염 성분으로 인한 결정이 형성되지 않는 비율을 실험 및 선행 연구를 통해 확인하여 중량비 8%로 설정하였다. 제2 인산암모늄과 탄산칼륨은 선행 연구를 통해 목재 및 목질재료에 내부 함침용 난연제의 주 약제 및 보조 약제로 가장 많이 사용되고 있다는 것을 확인하였고, 따라서 본 연구에서는 해당 화학종의 비율을 10, 20, 그리고 30 wt.
- 해당 화학종들은 선행 연구에서 건축용 목재의 보존성능 및 열적 안정성을 가지고 있다고 발표된 바 있다29-32). 해당 화학종들은 수용성으로써 용매를 물로 하여 적정 비율로 제조하였다. Table 1에 화학종들의 혼합 비율에 대해 나타내었다.
대상 데이터
- 가스유해성 시험은 각 시험편당 총 2회씩 진행되었으며, FRCs를 처리한 시험편의 경우에는 난연 등급을 만족하지 못한 시험편은 제외하고 FRC 2와 FRC 3을 처리한 시험편만을 대상으로 하였다. 식 (1)에 연소가스 유해성 평가의 기준이 되는 실험용 흰 쥐의 평균행동정지시간을 산출하는 산출식을 나타내었다.
- 공시재료로 선정된 소나무는 KS F ISO 5660-1 콘 칼로리미터 시험법 규격에 맞게 가로 100 mm, 세로 100 mm 크기의 판상 형태로 제작되었다. 또한 열중량 분석을 실행하기 위하여 2~4 mm의 크기로 분쇄하여 시험편을 제작하였다.
- 본 연구에서 사용된 난연성 화학종은 붕산(Boric acid), 붕사(Borax decahydrate), 제2인산암모늄(di-ammonium phosphate), 탄산 암모늄(Ammonium carbonate), 그리고 탄산칼륨(Potassium carbonate)을 혼합하여 사용하였다.
- 본 연구에서 제조된 FRCs의 화학종 중 고정 값으로 설정한 재료는 붕산 및 붕사, 그리고 탄산암모늄이다.
- 시험편은 10 mg을 분석용으로 사용하였고, 산화 방지를 위하여 99.5%의 질소(N2)와 0.5%의 산소(O2)로 구성된 공기 분위기에서 실험을 실시하였다.
- 열중량 분석은 TA Instruments Inc.의 2960 SDT를 이용하여 진행하였다. 시험편은 10 mg을 분석용으로 사용하였고, 산화 방지를 위하여 99.
이론/모형
- 가스유해성평가 시험은 KS F 2271 규격에 의거하여 진행하였다. 시험편 가열 시간은 총 6분으로 부 열원(LP gas burner)으로 3분간 가열 후 주 열원(전열선)으로 3분간 가열하였다.
- 재료의 연소 특성을 확인하기 위하여 콘 칼로리미터 시험법을 진행하였다.
성능/효과
- 본 연구를 통해 도출된 난연성 화학종의 비율은 국내 건축법 기준에 근거하여 평가되었으며, 난연 3급에 해당하는 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다. FRCs는 제2인산암모늄과 탄산칼륨의 농도에 변수를 두어 제조하였고, 이를 처리한 목재 시험편들의 경우 그 농도가 높을수록 연소가 더디게 진행되는 것으로 확인되었다. 그러나 FRCs의 농도가 가장 높은 FRC 3 처리 시험편은 가스유해성 평가 시험에서 FRC 2 처리 시험편에 비하여 흰쥐 평균행동정지시간이 더 빠르게 산출되었고, 이는 화재시 연소가스로 인한 위험성이 더 높다는 것을 의미할 수 있어 적정한 처리 농도는 FRC 2로 판단하였다.
- FRCs를 처리한 시험편 3종의 열방출률 값은 초기 피크가 형성되는 시기는 FRC 2 시험편이 45초로 가장 빨랐으나, 시간이 지남에 따라 열방출률이 급격히 줄어들었다.
- FRC 3 처리 시험편의 경우, 적합 기준인 9분에서 25초 정도의 차이가 나는 것으로 측정되어 해당 난연성 화학종의 경우 건물 실내 적용 시 유해가스로부터의 재실자 안전 확보가 어렵다고 판단된다. 가스유해성 시험 결과에서 보이듯 난연성 화학종의 농도가 높을수록 흰 쥐의 평균행동정지시간이 낮아지는 것으로 확인되었다. 이는 약제 중 제2인산암모늄과 탄산칼륨의 연소생성물에서 기인된 것으로 사료된다.
- FRCs는 제2인산암모늄과 탄산칼륨의 농도에 변수를 두어 제조하였고, 이를 처리한 목재 시험편들의 경우 그 농도가 높을수록 연소가 더디게 진행되는 것으로 확인되었다. 그러나 FRCs의 농도가 가장 높은 FRC 3 처리 시험편은 가스유해성 평가 시험에서 FRC 2 처리 시험편에 비하여 흰쥐 평균행동정지시간이 더 빠르게 산출되었고, 이는 화재시 연소가스로 인한 위험성이 더 높다는 것을 의미할 수 있어 적정한 처리 농도는 FRC 2로 판단하였다.
- 또한 탄산칼륨의 열분해 시 방출되는 CO와 CO2는 각각 불완전연소와 완전연소의 결과물로써, 연소 지연의 효과를 가져올 수 있으며 특히 CO의 방출량이 높을수록 재료의 중량 감소율이 더디게 진행되지만 해당 가스를 다량으로 흡입하는 경우, 재실자의 호흡곤란, 질식 등의 문제를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과를 토대로, 가장 적절한 FRCs의 비율은 FRC 2로 사료된다. Table 3에 해당 시험 결과를 나타내었다.
- 제2인산암모늄의 경우 재료표면의 char 형성 시간을 단축시켜준다는 장점이 있으나, NOX나 암모니아 가스 발생의 원인이 될 수 있다. 또한 탄산칼륨의 열분해 시 방출되는 CO와 CO2는 각각 불완전연소와 완전연소의 결과물로써, 연소 지연의 효과를 가져올 수 있으며 특히 CO의 방출량이 높을수록 재료의 중량 감소율이 더디게 진행되지만 해당 가스를 다량으로 흡입하는 경우, 재실자의 호흡곤란, 질식 등의 문제를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과를 토대로, 가장 적절한 FRCs의 비율은 FRC 2로 사료된다.
- 무처리 시험편의 355.24°C에서의 중량 감소율은 62.46%이고, FRC 1 처리 시험편의 285.82°C에서의 중량 감소율은 27.1%, FRC 2 처리 시험편에서는 283.97°C에서 25.25%로 확인되었다.
- 총 방출열량 값의 감소는 재료로의 흡열 후 재료가 연소됨에 따라 재 방출되는 표면에서의 방출열량 값의 감소를 의미한다. 무처리 시험편의 경우, 재료 내부로 흡열된 열이 열분해에 사용되면서 방출되는 열량 값이 높아졌으나, FRCs를 처리한 시험편들의 경우에는 작게는 50%, 크게는 90% 정도로 열량 값이 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 FRCs 성분 중 제2인산암모늄의 반응에 의한 결과로 사료된다.
- 본 연구를 통해 도출된 난연성 화학종의 비율은 국내 건축법 기준에 근거하여 평가되었으며, 난연 3급에 해당하는 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다. FRCs는 제2인산암모늄과 탄산칼륨의 농도에 변수를 두어 제조하였고, 이를 처리한 목재 시험편들의 경우 그 농도가 높을수록 연소가 더디게 진행되는 것으로 확인되었다.
- 시험은 각 재료별 총 3회, 각각 20분씩 진행되었으며, 시험 진행 동안 실험실 내부는 온도 24±1°C, 상대습도 50±1%의 조건으로 유지되었다.
- 열중량 분석 결과를 보면 무처리 시험편의 초기 열 분해 온도는 59.36°C이고, 두 번째 열분해 온도는 355.24°C이다.
- 이는 재료 표면의 char가 형성되고 분해되는 과정을 통해 열이 흡수되고 방출되는 과정이 계속되고 있음을 의미한다. 이 때 변화되는 정도가 크지 않으면서도 방출되는 열량이 낮을수록 난연 성능이 향상되었다고 볼 수 있으며, 상대적으로 FRCs 조성 비율 중 농도가 가장 높은 FRCs를 처리한 시험편의 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 이 중 붕산 및 붕사는 기존 목재방부제에 주로 사용되는 비율을 준용하였고38), 탄산암모늄은 염 성분으로 인한 결정이 형성되지 않는 비율을 실험 및 선행 연구를 통해 확인하여 중량비 8%로 설정하였다. 제2 인산암모늄과 탄산칼륨은 선행 연구를 통해 목재 및 목질재료에 내부 함침용 난연제의 주 약제 및 보조 약제로 가장 많이 사용되고 있다는 것을 확인하였고, 따라서 본 연구에서는 해당 화학종의 비율을 10, 20, 그리고 30 wt.%로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 제작된 시험편은 각각 온도25°C, 상대습도 50%의 조건으로 항온항습기에서 안정화하였다.
- 총 방출열량(THR)의 경우에는 FRCs의 농도가 높을수록 방출되는 열량의 총량은 낮은 것으로 측정되었다. 목재는 다공성물질이므로 복사열을 공극 내부로 흡수하며 흡수된 열량이 높을수록 열분해가 급격히 진행되며 이때 방출되는 열량의 값 또한 높게 측정된다.
- 흰 쥐의 평균행동정지시간은 무처리 시험편의 경우 10분 8초, FRC 2 처리 시험편은 9분 45초, 그리고 FRC 3 처리 시험편은 8분 35초의 결과로 측정되었다.
후속연구
- 또한 기존의 목재 보존제와 본 연구에서 제안하는 FRCs의 경우, 수용액 상태로 처리가 가능하며 구성 성분이 유사하다는 특성을 가지고 있어 보존 처리 현장에서 보존액 수조나 관 등의 부식에 문제점을 발생시키지 않아 추가 비용 없이 상용화 가능성이 높다고 판단된다. 이러한 점을 바탕으로 추후 연구에서는 현장에서의 활용도를 더욱 향상할 수 있는 연구를 진행하고자 한다.
- 또한, 목재 및 난연 목재의 열적 특성에 대해 분석하기 위하여 열중량 분석(Thermogravimetric analysis; TGA)을 실시하였다. 해당 분석 방법은 재료에 가해지는 열의 온도 상승에 따른 중량감소율을 확인할 수 있으며, 공기 중에서 발생하는 연소 과정에 대한 연구가 가능하다. 이러한 열분해 온도 분석을 통해 재료의 열적 안정성 변화를 평가할 수 있다2,5,27).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.