초고층 복합시설은 수많은 사람들이 이용하고 있는 도심의 핵심시설로서 안전성을 최우선으로 하고 있으며, 화재발생 시 연기와 유독가스는 대형사고를 유발할 수 있다. 본 연구는 초고층 복합시설물에서 화재에 의한 재난이 발생했을 경우, 피난자들이 신속히 안전한 곳으로 피할 수 있는 비상 대피통로용 접이장치에 적용되는 섬유 스크린 소재를 개발하는 데 목적이 있다. 섬유 스크린 소재 개발 방향은 일반적으로 사용되는 철제 소재와 달리 접이장치 내 롤형태로 장기간 보관 시 하중 부담이 적은 경량일 것과 차염/차연 기능이 우수해야 하며 복사열에 의한 피난자의 영향이 적어야 할 것이다. 이에 대해 난연성이 우수한 원단과 후가공을 조건으로 3종의 섬유 스크린 소재를 선정하여 열수축시험, 접촉열시험, 연소성시험, 난연도시험, 인장강도시험, 인열강도시험을 통해 성능평가를 수행하였다. 그 결과 경량의 원단이라도 후가공을 통해 우수한 성능을 발휘할 수 있으며, 실리콘수지 코팅이 섬유 스크린 소재 성능과 복사열에 의한 대피자의 안전을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 무게와 두께가 상이한 유리섬유 2종과 난연 실리콘수지 4종을 대상으로 코팅을 한 후 연소성시험을 수행하여 최적의 후가공조건을 평가하였다.
초고층 복합시설은 수많은 사람들이 이용하고 있는 도심의 핵심시설로서 안전성을 최우선으로 하고 있으며, 화재발생 시 연기와 유독가스는 대형사고를 유발할 수 있다. 본 연구는 초고층 복합시설물에서 화재에 의한 재난이 발생했을 경우, 피난자들이 신속히 안전한 곳으로 피할 수 있는 비상 대피통로용 접이장치에 적용되는 섬유 스크린 소재를 개발하는 데 목적이 있다. 섬유 스크린 소재 개발 방향은 일반적으로 사용되는 철제 소재와 달리 접이장치 내 롤형태로 장기간 보관 시 하중 부담이 적은 경량일 것과 차염/차연 기능이 우수해야 하며 복사열에 의한 피난자의 영향이 적어야 할 것이다. 이에 대해 난연성이 우수한 원단과 후가공을 조건으로 3종의 섬유 스크린 소재를 선정하여 열수축시험, 접촉열시험, 연소성시험, 난연도시험, 인장강도시험, 인열강도시험을 통해 성능평가를 수행하였다. 그 결과 경량의 원단이라도 후가공을 통해 우수한 성능을 발휘할 수 있으며, 실리콘수지 코팅이 섬유 스크린 소재 성능과 복사열에 의한 대피자의 안전을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 무게와 두께가 상이한 유리섬유 2종과 난연 실리콘수지 4종을 대상으로 코팅을 한 후 연소성시험을 수행하여 최적의 후가공조건을 평가하였다.
High-rise buildings and complex facilities are a representative urban system for the masses, and it requires an increasing role of commodity and safety. Smoke and toxic gasses can cause accidents due to fire in these systems. The purpose of this study is to develop a fiber screen material for emerge...
High-rise buildings and complex facilities are a representative urban system for the masses, and it requires an increasing role of commodity and safety. Smoke and toxic gasses can cause accidents due to fire in these systems. The purpose of this study is to develop a fiber screen material for emergency evacuation passages that can be avoided quickly and safely in cases of disasters. The fiber screen material is applicable to folding devices for emergency evacuation passages. The material is different from general steel material in that it is lightweight with less burden during storage for a long time in a roll form in a folding device. It also has an excellent secondary function in that it is less affected by radiant heat. Three kinds of fiber screen materials were selected that have good flame retardancy and post-processing characteristics. A performance evaluation was performed by a heat shrinkage test, contact heat test, combustibility test, flame retardancy test, tensile strength test, and tear strength test. As a result, the lightweight fabric shows excellent performance through post-processing, and silicone resin coating can secure safety of the pizza by the fiber screen material performance and radiant heat. The optimum post-treatment conditions were evaluated by performing a burning test after coating two kinds of glass fibers and four types of flame-retardant silicone resins with different weight and thickness.
High-rise buildings and complex facilities are a representative urban system for the masses, and it requires an increasing role of commodity and safety. Smoke and toxic gasses can cause accidents due to fire in these systems. The purpose of this study is to develop a fiber screen material for emergency evacuation passages that can be avoided quickly and safely in cases of disasters. The fiber screen material is applicable to folding devices for emergency evacuation passages. The material is different from general steel material in that it is lightweight with less burden during storage for a long time in a roll form in a folding device. It also has an excellent secondary function in that it is less affected by radiant heat. Three kinds of fiber screen materials were selected that have good flame retardancy and post-processing characteristics. A performance evaluation was performed by a heat shrinkage test, contact heat test, combustibility test, flame retardancy test, tensile strength test, and tear strength test. As a result, the lightweight fabric shows excellent performance through post-processing, and silicone resin coating can secure safety of the pizza by the fiber screen material performance and radiant heat. The optimum post-treatment conditions were evaluated by performing a burning test after coating two kinds of glass fibers and four types of flame-retardant silicone resins with different weight and thickness.
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문제 정의
따라서, 불연성이고 산업용으로 널리 사용되는 유리섬유 복합재료를 스크린 소재로 활용하기 위해 다양한 섬유 복합재료를 선정하고 국내·외 성능평가시험을 수행하였다.
본 연구는 초고층․복합시설에서 화재 발생 시 전개되는 비상 대피통로 접이장치에 적용되는 경량 차염/차 연 섬유 스크린 소재를 개발하는 것을 목표로 총 3차년도에 걸쳐 진행되는 연구 중 1차년도 진행 결과이다. 섬유방화스크린은 철제방화셔터 대안으로 개발되어 고시된 동일한 성능기준을 만족해야하는 제원(원단/무게/두께 등)의 제약이 있다.
본 연구는 초고층건물, 복합시설물 화재 발생 시 피난자 안전을 위한 비상 대피통로 접이장치에 설치하는 섬유 스크린 소재 개발을 위한 것으로, 벽면에 설치되는 접이장치 내 케이스 롤형태로 보관 시 하중 부담이 적은 경량일 것과 차염/차연 기능이 우수하고 복사열 영향이적은 소재를 개발하는데 목적이 있다.
가설 설정
2016년 10월 서울시에서는 서울지역 지하철 5∼8호선 역에서 화재가 발생했을 경우를 가정하고 피난 대피 시간을 측정하였다.
각 소재별 강도시험 결과는 후가공 소재과 제조법 뿐만 아니라 특성보다는 중량과 두께 등 직물 특성이 종합적으로 영향을 미친 것으로 판단된다. 즉, 가장 경량인 소재(Ⅱ)는 조직 특성상 느슨하게 제직될 수 밖에 없으며, AL foil이 단면 코팅되어 있으므로, 실리콘수지가 양면으로 코팅되어 있고 4.7배 중량과 3.5배 두께인 소재(Ⅲ)보다 강도는 낮을 수 밖에 없을 것이다.
제안 방법
복사열이 지속적으로 영향을 미치는 환경에서의 섬유 스크린 소재 성능평가는 260℃의 오븐에서 5분 동안 노출되어 외관변형과 수축/신장률 결과를 시험하는 열수축 시험을 실시하였다.
본 연구를 위해 중량과 두께가 상이한 2종의 유리원단을 선정하였으며, 수지를 첨가한 복합재료화 후 중량과 두께가 증가하는 각 조건에서 성능평가를 수행하였다.
3mm, 건조 시간은 180℃ 조건에서 3분으로 설정하였다. 수지배합은 1회용 스푼와 컵을 사용하였으며, 점도가 높은 실리콘 수지 특성 상 고속으로 교반될 경우 코팅 전 경화가 시작될 수 있으므로 300rpm 이하 저속으로 약 5분간 실시하였다. 모든 공정에서 상이한 수지가 배합되지 않도록 교반기와 J-Knife는 에탄올로 세척하였다.
연소성시험 결과 AL foil과 유리섬유 간 박리가 관찰된 소재(Ⅱ)에 대해 AL foil면에 난연도시험을 수행하였다.
유리섬유를 사용한 소재(Ⅱ)와 소재(Ⅲ)을 대상으로 접촉열 전도율을 평가하기 위해 열수축시험과 동일한 온도인 260℃ 조건에서 접촉열시험을 수행하였다.
유리섬유와 실리콘 수지를 복합재료화 위해 선행된 소재 성능평가 결과에 따라 섬유의 후가공법 중 하나인 코팅을 한 후 성능평가를 수행하였다.
후가공 소재에 따라 연소성이 상이하며, 이는 대피자 안전에 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로, 가장 성능이 우수한 실리콘수지 코팅을 유리섬유 스크린 소재 개발을 위한 후가공법으로 선정하였다.
후가공법 : 유리섬유에는 AL foil 코팅(단면)과 난연 실리콘코팅(양면)이 후가공된 소재를 선정하였으며, AL foil이 코팅된 유리섬유는 무게와 두께에서 가장 유리하다. 이들 유리섬유 스크린 소재 소재는 성능평가를 통해 향후 후가공법에 대한 기준을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
대상 데이터
본 연구 조건에서의 섬유 스크린 소재 평가 항목 기준이 명확하게 없어 국내외 자료를 통해 ISO와 KS에서 규정하고 있는 시험법을 선정하였다[3, 4].
본 연구를 위한 원단으로 난연성능과 가격 경쟁력이 높고, 백색으로 대피자의 폐쇄공포감이 적을 것으로 판단되는 유리섬유로 선정하였다. 유리섬유는 인장강도가 크고 내풍화성, 내약품성, 표면전기저항 등의 뛰어난 표면특성을 갖고 있다.
원단 : 기존 섬유방화스크린 원단은 KS F 2268-1(비차열 1시간 성능)을 확보하기 위해 대부분 실리카섬유로 제작된다. 본 연구를 위해 용도와 무게/두께 등을 고려하여 불연/내열 원사로 제직된 유리섬유와 하이브리드(아라미드섬유+탄화섬유)를 선정하였다. 특히, 유리섬유는 작업성에는 불리하지만 가격 대비 성능에서 우수하며,흰색의 소재로서 대피 시 폐쇄감이 다른 원단에 비해 적은 점이 있다.
상기와 같은 조건을 통해 3종의 섬유 스크린 소재를 선정하였다.
섬유복합재료는 역학적인 재료특성이 서로 상이한 섬유와 수지(매트릭스)로 구성되며, 각 재료는 단면에 균등하게 분포되어 독특한 재료특성을 갖춘 제 3의 재료가 된다. 유리섬유 복합재료에서 유리섬유는 기계적 강도를 부여하고, 수지는 섬유를 분리, 유지시키고 힘을 분산시키며 외부환경으로부터 섬유를 보호한다[5].
원단 노출면은 변색 외 특이한 사항은 관찰되지 않았다. 소재(Ⅱ)는 잔염시간동안 AL foil과 유리섬유 간 접착물이 연소되면서 현상이 관찰되었다. 화원 접촉부를 중심으로 AL foil과 유리섬유 간 분리가 관찰되었다.
수지는 물성과 일정 성분이 상이한 난연 실리콘 수지 4종을 선정하였다. 난연 실리콘 수지로 사용되는 열안정성이 우수한 PDMS(Poly Dimethyl siloxane) 타입의 고분자는 내열 소재로 주목받고 있다.
이들 유리섬유 스크린 소재 소재는 성능평가를 통해 향후 후가공법에 대한 기준을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 하이브리드섬유 스크린 소재는 향후 원단 선정과 유리섬유 스크린 소재와의 비교를 위해 선정하였다. 특히, AL foil은 표면에 폴리에스터 필름이 코팅되어 있어 장기간 노출 시 우려되는 부식 또는 산화에 대한 영향은 거의 없다.
이론/모형
사용된 코팅법은 Knife over Roll 방식으로 J-Knife를 이용한 단면코팅으로 코팅두께는 0.1mm, 0.3mm, 건조 시간은 180℃ 조건에서 3분으로 설정하였다. 수지배합은 1회용 스푼와 컵을 사용하였으며, 점도가 높은 실리콘 수지 특성 상 고속으로 교반될 경우 코팅 전 경화가 시작될 수 있으므로 300rpm 이하 저속으로 약 5분간 실시하였다.
성능/효과
3종 소재를 대상으로 한 시험결과 점화, 구멍 형성,적하, 부스러짐, 분리 등의 외관 변화는 발견되지 않았으며, 경/위사 방향으로 0.2∼1.8%의 수축률이 관찰되어,모두 차염/차연 기능을 확보 가능하다고 판단되었다.
각 소재별 강도시험 결과는 후가공 소재과 제조법 뿐만 아니라 특성보다는 중량과 두께 등 직물 특성이 종합적으로 영향을 미친 것으로 판단된다. 즉, 가장 경량인 소재(Ⅱ)는 조직 특성상 느슨하게 제직될 수 밖에 없으며, AL foil이 단면 코팅되어 있으므로, 실리콘수지가 양면으로 코팅되어 있고 4.
2016년 10월 서울시에서는 서울지역 지하철 5∼8호선 역에서 화재가 발생했을 경우를 가정하고 피난 대피 시간을 측정하였다. 결과, 145개 역사 중 51%(74곳)가 4분을 초과하는 것으로 조사되었다.
따라서, 불연성이고 산업용으로 널리 사용되는 유리섬유 복합재료를 스크린 소재로 활용하기 위해 다양한 섬유 복합재료를 선정하고 국내·외 성능평가시험을 수행하였다. 그 결과 경량의 원단이라도 후가공에 따라 상대적으로 두께/무게가 큰 원단보다 동등한 성능을 발휘함을 알 수 있었으며, 후가공 중 실리콘수지 코팅이 상대적으로 우수하였다.
둘째, 잔진시간(Duration of afterglow)은 인화원을 제거했을 때 불꽃이 꺼진 뒤에도 계속해서 연소하는 것으로, 동일 원단에서 코팅두께가 증가할수록 비례하지만,원단 중량과는 큰 상관성이 없는 것으로 경향을 보인다. 이는 상대적으로 많은 수지가 불꽃에 영향을 받으면서 발생한 것으로 판단되며, 잔진 발생 형태는 잔염과 같다.
수직법과는 달리 잔염은 발생하지 않았으며 이는 수직법에서 화원이 AL foil과 유리섬유 간 접착물에 영향을 미쳐 잔염시간이 발생한 것으로 판단된다. 또한, 수직법과 동일하게 AL foil과 유리섬유 간 분리가 관찰되었다.
1mm 조건에서의 연소성시험 결과, 원단 중량에 따라 수지 종류에 상관없이 탄화거리는 반비례 관계를 보이고, 잔염시간은 동일한 결과를 보이고 있다. 또한, 잔진시간과 원단 중량은 상관성이 없는 것으로 판단되며, 수지 종류에 따라 잔진시간 분포가 상이한 결과를 보인다.
셋째, 탄화거리(Char length)는 소재 끝에서 탄 곳 중앙의 찢긴 곳까지 거리이며, 코팅두께, 원단 중량에 반비례적인 상관성을 보이고 있다.
소재(Ⅰ)은 가장 긴 잔염시간을 보였으며 PU 코팅면 상단까지 불꽃이 관찰되었다. 원단 노출면은 변색 외 특이한 사항은 관찰되지 않았다.
수지 4종의 코팅두께 0.1mm 조건에서의 연소성시험 결과, 원단 중량에 따라 수지 종류에 상관없이 탄화거리는 반비례 관계를 보이고, 잔염시간은 동일한 결과를 보이고 있다. 또한, 잔진시간과 원단 중량은 상관성이 없는 것으로 판단되며, 수지 종류에 따라 잔진시간 분포가 상이한 결과를 보인다.
시험 시작 시간과 열량계 온도가 시작 온도(260℃)보다 10℃ 올라갔을 때까지 시간은 각각 8.0초와 8.4초로서 경량이면서 단면 코팅이 된 소재(Ⅱ)가 더 우수한 결과가 나타났다.
시험 초 복사열에 의해 유리섬유면에서 탄화가 발생하였으며, 시험 후 유리섬유면 탄화직경은 AL foil면보다 2배 큰 특성을 보였다. 수직법과는 달리 잔염은 발생하지 않았으며 이는 수직법에서 화원이 AL foil과 유리섬유 간 접착물에 영향을 미쳐 잔염시간이 발생한 것으로 판단된다.
열수축시험과 접촉열시험을 통해 원단과 후가공의 조합으로 본 연구 목표인 경량, 차염/차연성능이 우수한 소재를 개발할 수 있음을 확인하였다.
유리섬유 원단에 대한 연소성시험을 수행한 결과, 두 소재 모두 잔염은 관찰되지 않았으며, 잔진시간은 1초(중량 : 140g/㎡, 이하 소재 A)와 2초(중량 : 280g/㎡, 이하 소재 B)으로 측정되었다. 또한, 4.
또한, AL foil.이 코팅된 유리섬유 소재는 최소 경량/두께임에도 불구하고 경사방향 수축률이 최소값을 보이고 있어, 원단이 경량이더라도 후가공 방법에 따라 우수한 차염/차연 성능을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
첫째, 잔염시간(Duration of flame)은 인화원을 제거했을 때 원단에 불꽃을 보이면서 연소하는 것으로, 원단 중량과 코팅두께와 상관성이 크지 않는 것으로 판단되며, 잔염은 하부 경계면에서 관찰되고 상부로 확산은 발생하지 않았다.
첫째, 코팅면은 불꽃 접촉부부터 불규칙형상으로 경화되어 쪼개지면서 탈락되며, 원단은 수지에 의해 보호되어 외형적 변화는 관찰되지 않는다.
후속연구
따라서, 본 의 목적인 경량의 차염/차연성능을 갖는 스크린 소재 개발을 위해서는 경량의 직물뿐만 아니라 적합한 후가공 소재를 복합적으로 적용해야 한 소재를 개발해야 할 것으로 판단된다.
상기와 같은 결과를 바탕으로 무게/두께가 상이한 2종의 유리섬유를 대상으로 4종의 난연 실리콘수지를 코팅하여 연소성시험을 한 결과 경량의 유리섬유와 난연성이 우수한 실리콘수지를 적정한 두께로 복합재료화 하게 되면 본 연구 목표에 적합한 섬유 스크린 소재를 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
후가공법 : 유리섬유에는 AL foil 코팅(단면)과 난연 실리콘코팅(양면)이 후가공된 소재를 선정하였으며, AL foil이 코팅된 유리섬유는 무게와 두께에서 가장 유리하다. 이들 유리섬유 스크린 소재 소재는 성능평가를 통해 향후 후가공법에 대한 기준을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 하이브리드섬유 스크린 소재는 향후 원단 선정과 유리섬유 스크린 소재와의 비교를 위해 선정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화재 발생 시 연기가 인명위험의 가장 중대한 원인이 되는 이유는?
일반적으로 화재가 처음 발생하게 되면 3∼5분 사이에 흰 연기가 발생하고, 이후 5분 정도가 지나면 검은 연기와 함께 유독가스가 발생하여, 피난자 시야확보는 물론이고 피난 중 호흡 불능으로 사망자가 발생하게 된다. 연기가 인명위험의 가장 중대한 원인이 되는 것은 화염에 비해 연기가 건물 내에서 확산되는 속도가 매우 빠르기 때문이다[2].
유리섬유의 특징은?
본 연구를 위해 용도와 무게/두께 등을 고려하여 불연/내열 원사로 제직된 유리섬유와 하이브리드(아라미드섬유+탄화섬유)를 선정하였다. 특히, 유리섬유는 작업성에는 불리하지만 가격 대비 성능에서 우수하며,흰색의 소재로서 대피 시 폐쇄감이 다른 원단에 비해 적은 점이 있다.
섬유 복합재료를 선정하여 성능평가를 한 결과 후가공에 따라 어떤 양상을 보였는가?
따라서, 불연성이고 산업용으로 널리 사용되는 유리섬유 복합재료를 스크린 소재로 활용하기 위해 다양한 섬유 복합재료를 선정하고 국내·외 성능평가시험을 수행하였다. 그 결과 경량의 원단이라도 후가공에 따라 상대적으로 두께/무게가 큰 원단보다 동등한 성능을 발휘함을 알 수 있었으며, 후가공 중 실리콘수지 코팅이 상대적으로 우수하였다.
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