[논문]붕소 화합물로 처리된 편백나무 시험편의 연소특성

정영진; 진의

doi:10.7731/kifse.2018.32.2.001

붕소 화합물로 처리된 편백나무 시험편의 연소특성
Combustion Characteristics of Cypress Specimens Painted with Solutions of Boron Compounds 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.2, 2018년, pp.1 - 6

정영진 (강원대학교 소방방재공학과) , 진의 (강원대학교 소방방재연구센터)

초록
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붕산과 5붕산암모늄으로 처리한 편백나무 시험편의 연소특성에 관한 실험을 ISO 5660-1 표준에 따른 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였다. 그 결과 붕산과 5붕산암모늄의 혼합된 투여는 그들의 시너지 효과에 의해 화재성능지수 값을 향상시켰다. 또한 붕소 화합물로 처리한 시험편은 공시편보다 총열방출율 값이 6.1~14.1% 감소되었다. 붕소화합물로 처리된 시편의 총연기방출율은 연소과정 전반에 걸쳐 감소되었으나 붕산/5붕산암모늄은 예외였다. 일산화탄소 최대농도는 15.8~25.5% 정도 감소하는 경향성이 있었다. 대체적으로 난연제로 처리한 목재는 화재 위험성이 낮아진 것으로 이해된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The combustion characteristics of cypress wood coated with boric acid (BA) and ammonium pentaborate (APB) were examined using a cone calorimeter according to the ISO 5660-1 standard. As a result, the combined specimens of boric acid and ammonium pentaborate (BA/APB) led to an improved fire performance index due to their synergistic effect. In addition, the total heat release values of the specimen coated with the boron compounds were 6.1~14.1% lower than that of the base specimen. The total smoke release rate (TSR) of the specimens coated with the boron compound decreased throughout the combustion process, except for BA/APB. The maximum concentration of carbon monoxide was reduced by 15.8~25.5%. In general, wood treated with flame retardants has a lower fire hazard.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. The photograph of cone calorimeter equipment.
표 Table 1. Specification of Cypress Specimens Painted with 4 wt% Boron Compounds Solutions
표 Table 2. Fire Performance Index of Cypress Specimens Painted with 4 wt% Boron Compounds Solutions During Cone Calorimeter Test
그림 Figure 2. Mass loss rate curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 3. Mass residual curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 4. Heat release rate curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
표 Table 3. Combustion Properties of Cypress Specimens Painted with 4 wt% Boron Compounds Solutions During Cone Calorimeter Test
그림 Figure 5. Total heat release curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 6. Smoke production rate curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 7. Total Smoke release curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 8. CO (%) of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.

AI 본문요약
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문제 정의

. 따라서 내열성, 소재와의 친화성이 뛰어난 형태의 효율 높은 감연성을 제공하기 위해, 목재에 침투가 용이한 수용성의 붕소계 화합물을 사용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다고 판단하였다.
본 연구에서는 붕산 및 5붕산암모늄 수용액을 건축물의 내장재로 주로 사용되고 있는 편백목재에 도포한 후 Cone calorimeter를 이용하여 외부 복사열원에 의한 열방출률, 질량감소속도, 총연기방출율 등을 측정하고 난연 목재로서의 초기 화재 시 화재지연 효과가 있는지를 확인하고자 하였다.

제안 방법

Figure 3. Mass residual curves of cypress specimens painted with 4 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
난연제로 처리된 시험편의 착화시간(TTI)은 공시편보다 1∼3 s 정도 지연되었고 BA4/APB4는 3 s (50%)로 더 긴 착화시간을 나타내었다. 난연제의 내화 효능을 나타내기 위하여 화재성능지수(FPI)를 검토하였다. 사용된 데이터인 TTI 및 열 방출률의 초기 피크의 최대값은 물질의 화재 위험성을 특성화한다⁽¹⁶⁾.
붕산과 오붕산암모늄을 각각 증류수에 녹여 4 wt% 수용액(BA4, APB4)을 만들었다. 각각의 4 wt% 용액을 1 : 1 비율로 섞어 혼합 용액(BA4/APB4)을 제조하였다.
시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
3회 실험값을 평균하여 데이터로 이용하였다. 연소 시킨 후 화재 해석에 필요한 인자인 열방출률 및 연기 관련 지수를 구하였다.

대상 데이터

수용액으로 시험편의 한 면에 붓칠하고 난 뒤 6 h 동안 상온에서 자연 건조시킨 후, 다시 같은 방법으로 2회 더 실시하였다. 공시편은 같은 목재를 증류수로 붓칠한 후 위와 같은 방법으로 건조시켜 비교 데이터로 이용하였다.
본 연구에 사용된 목재는 편백나무로서 시중에서 일반 건자재용을 구입한 후 2년 동안 자연 건조 하였다. 화학적 첨가제로서 붕산(순도 99.
사용한 시험편의 두께는 10 mm로서 크기는 100 mm×100 mm(±02)의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대습도 50 ± 5%에서 항량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다.
시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하였으며, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편 홀더는 수평방향으로 위치시켰다.
본 연구에 사용된 목재는 편백나무로서 시중에서 일반 건자재용을 구입한 후 2년 동안 자연 건조 하였다. 화학적 첨가제로서 붕산(순도 99.5%)은 kanto chemical 사에서, 5붕산암모늄(순도 99%)는 sigma aldrich사에서 구입하여 사용하였다. 모든 시약은 특급시약을 구입하였고 정제 없이 그대로 사용하였다.

데이터처리

연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min간의 데이터 수집시간을 부여하였다. 3회 실험값을 평균하여 데이터로 이용하였다. 연소 시킨 후 화재 해석에 필요한 인자인 열방출률 및 연기 관련 지수를 구하였다.

이론/모형

붕산과 5붕산암모늄으로 처리한 편백나무 시험편의 연소특성에 관한 실험을 ISO 5660-1 표준에 따른 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
연소특성 시험은 ISO 5660-1의 방법에 의해 dual cone calorimeter (Fire Testing Technology)를 이용하여 열 유속(heat flux) 50 kW/m² 조건에서 수행하였다⁽⁹⁾.Figure 1에 콘 칼로리미터 장비를 나타내었다.

성능/효과

(1) 붕산과 5붕산암모늄의 혼합 투여는 그들의 시너지 효과에 의해 FPI 값을 향상시켰다. 이는 난연제로 처리한 목재의 화재 위험성이 낮아질 수 있을 것으로 이해된다.
(2) 붕소 화합물로 처리한 시험편은 공시편보다 THRR 값이 6.1～14.1% 감소되었다. 이는 배합된 첨가제가 열분해 시에 연소 억제작용을 효과적으로 하여 THRR 값을 낮추는 것으로 이해된다.
(3) 붕소 화합물은 연소과정 전반에 걸쳐 TSR을 감소시켰다. 예외로 BA4/AP4은 반대로 증가하였다.
(4) 연소 초기에 붕소 화합물로 처리한 시험편에 대한 일산화탄소의 증가는 생성된 고농축의 이산화탄소와 생성된 숯층의 장벽으로 인한 목재에 대한 O2의 접근을 방해하는 것으로 이해된다.
이 연구에서 공시편의 FPI는 Table 2에 나타낸 바와 같이 가장 낮은 FPI 값이었고, 반면에 BA4/APB4의 FPI는 공시편 보다 49% 증가하였다. 그 결과 붕산과 5붕산암모늄의 혼합된 투여는 그들의 시너지 효과에 의해 화재성능지수값을 향상시켰다. 이것은 난연제로 처리한 목재의 화재 위험성이 낮아질 수 있을 것으로 이해된다.
난연제로 처리된 시험편의 착화시간(TTI)은 공시편보다 1∼3 s 정도 지연되었고 BA4/APB4는 3 s (50%)로 더 긴 착화시간을 나타내었다.
Figure 5에서 나타낸 바와 같이 총 열방출률(THR)은 350～370 s 후에 완만한 증가를 보였다. 난연제로 처리한 시험편의 총열방출율은 공시편보다 6.1～14.1% 감소되었고 BA4/APB4 시편을 가장 많이 감소 시켰다. 이것은 탈수과정에서 생성 된 물이 가연성 기체 열분해류를 냉각시킬 수 있기 때문으로 판단된다.
Figure 3에 시간에 따른 질량 잔류량을 나타내었다. 모든 시편들이 400 s 이내에서 급격한 변화가 나타났으며 공시편은 78% 질량 손실을 보이고 있으나 난연처리한 시편은 71.8～76%의 질량 손실을 보이고 있다. 이는 목재의 가연성으로 인하여 화재초기가 화재위험성이 높다는 것을 알 수 있다.
이 연구에서 공시편의 FPI는 Table 2에 나타낸 바와 같이 가장 낮은 FPI 값이었고, 반면에 BA4/APB4의 FPI는 공시편 보다 49% 증가하였다. 그 결과 붕산과 5붕산암모늄의 혼합된 투여는 그들의 시너지 효과에 의해 화재성능지수값을 향상시켰다.

후속연구

공시편의 높은 TSR은 보다 효율적인 연소 때문이지만, BA4 및 APB4은 모두에 대해 탄화의 높은 효능이 난연 효과의 주요 이유일수 있다. 그러므로 BA4 및 APB4의 억제된 연기 발생은 화재 시에 연기 위험을 감소시킬 수 있고 공공의 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 BA4/APB4의 TSR은 22.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재와 다른 건축 재료와의 차이점은?	목재는 친환경적이며, 물리 · 화학적 특성이 우수하기 때문에 일반 가정의 내구재 및 주거용 건축물에 이르기까지 건축물의 내 · 외장재로 널리 사용 되고 있다. 그러나 목재는 다른 건축 재료들에 비해 화재 시 열과 연기에 노출되었을 때 연소되기 쉬움으로써 화재안전성 측면에서 높은 위험성을 항상 내포하고 있다. 따라서 이와같은 목재의 단점을 보완하기 위해 다양한 난연처리 방법들이 연구되어 왔다(1-4).
	목재의 단점을 보완하기 위해 다양한 난연처리 방법으로 무엇이 있는가?	따라서 이와같은 목재의 단점을 보완하기 위해 다양한 난연처리 방법들이 연구되어 왔다(1-4). 목재의 난연처리는 인화합물계, 질소화합물계, 붕소화합물계 등을 단독 또는 혼합하여 목재 및 목질재료에 주입, 도포, 침지 등의 방법을 이용한다(5-8).
	붕산(Boric acid)의 특징은?	붕산(Boric acid)은 무색 투명의 조각 모양 6변형의 광택이 있는 결정으로서 가열하면 첫 단계는 열분해에 의한 탈수화에 의해 메타붕산(Meataboric acid)으로 된다. 그 다음 메타붕산의 탈수화에 의하여 물을 방출하고 유리 상태의 산화붕소(B2O3)가 된다.

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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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