[논문]연소시험에 의한 붕소 화합물 처리 목재의 화재위험성

진의; 정영진

doi:10.7731/kifse.2018.32.3.019

연소시험에 의한 붕소 화합물 처리 목재의 화재위험성
Fire Risk of Wood Treated With Boron Compounds by Combustion Test 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.3, 2018년, pp.19 - 26

진의 (강원대학교 소방방재연구센터) , 정영진 (강원대학교 소방방재공학과)

초록
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붕산과 5붕산암모늄으로 처리한 편백목재 시험편의 연소특성에 관한 실험을 ISO 5660-1 표준에 따른 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였다. 그 결과 붕소화합물로 처리한 시험편의 화재성능지수(FPI)는 공시편보다 1.2~2.1배 증가하였고, 화재성장지수(FGI)는 공시편보다 1.6~8.4% 증가하였다. 또한 총연기발생률(TSR)은 공시편보다 9.0~28.3.% 낮았다. 이것은 붕소화합물로 처리한 시험편이 난연효과로 탄화층을 생성하기 때문으로 이해된다. 공시편은 418 s에서 가장 높은 CO농도인 0.01112%를 보였으나 붕소화합물로 처리한 시험편은 공시편보다 13.2~37.5% 감소하였다. 따라서 붕소화합물로 처리한 목재는 화재위험성과 위해성이 낮아질 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experiments on the combustion characteristics of untreated wood specimens and also treated ones with boric acid and ammonium pentaborate were carried out using a cone calorimeter according to ISO 5660-1 standard. As a result, comparing to untreated specimen, the fire performance index (FPI) of the specimens treated with boron compounds increased by 1.2 to 2.1 times and the fire growth index (FGI) increased by 1.6 to 8.4%. Also, total smoke release rate (TSR) was 9.0 to 28.3% lower than that of the untreated specimen. It is understood that the test specimens treated with the boron compound produces a carbonized layer with a flame retarding effect. The highest CO concentration, 0.01112%, for the untreated specimen was observed at 418 s, but the specimens treated with boron compound decreased 13.2 to 37.5% compared to untreated specimen. Therefore, wood treated with boron compounds is expected to have lower fire hazards and risks.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. The photograph of cone calorimeter equipment.
표 Table 1. Specification of Cypress Specimens Painted with 15 wt% Boron Compounds Solutions
표 Table 2. Fire Performance Index of Cypress Specimens Painted with 15 wt% Boron Compounds Solutions During Cone Calorimeter Test
그림 Figure 2. Mass loss rate curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 3. Mass residual curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
표 Table 3. Fire growth index of Cypress Specimens Painted with 15 wt% Boron Compounds Solutions During Cone Calorimeter Test
그림 Figure 4. Heat release rate curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 5. Average rate of heat emission curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
표 Table 4. Combustion Properties of Cypress Specimens Painted with 15 wt% Boron Compounds Solutions During Cone Calorimeter Test
그림 Figure 6. Rate of smoke release curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 8. CO (%) of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.
그림 Figure 7. Total Smoke release curves of cypress specimens painted with 15 wt% boron compounds solutions during cone calorimeter test.

AI 본문요약
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문제 정의

7% 더 긴 착화시간을 나타내었다. 본 연구에 서는 붕소합물의 내화 효능을 나타내기 위하여 화재성능지수 (FPI)를 검토하였다. 사용된 데이터인 TTI 및 열 방출률의 초기 피크의 최대값은 물질의 화재 위험성을 특성화한다⁽¹⁸⁾.
본 연구에서는 붕산 및 5붕산암모늄 수용액을 건축물의 내장재로 주로 사용되고 있는 편백목재에 도포한 후 콘칼로리미터를 이용하여 외부 복사열원에 의한 열방출률, 질량감소속도, 총 연기방출율 등을 측정하여 화재위험성을 평가하고 난연 목재로서의 초기 화재 시 화재지연 효과가 있는지를 확인하고자 하였다.

가설 설정

화재에 의한 인적 피해는 1차로 열에 의한 화상중심의 피해가 있으며, 화재시 발생하는 유독가스에 의한 2차 피해가 있다. 연소 성능을 효과적으로 하기위한 핵심 요소는 점화를 지연시키고 연소의 초기 단계에서 열, 연소율 및 연기와 가스 생성을 줄이는 것이다⁽¹¹⁾. 그러므로 화재위험성은 가연물이 화재조건에 노출되었을 때의 착화성, 열방출률, 화재의 전파 및 연소가스의 유해성 등으로 평가할 수있다⁽¹²⁾.

제안 방법

시험체의 불꽃 발생 유무에 관계없이 연기에 따른 가려짐을 전 시험 기간에 걸쳐 기록하였다. 대기조건 에서 시험체를 연소시켜 감광, 배기가스 유량 및 시험체의 질량 감소율을 측정하였고 감광은 배기 덕트에 있는 연기를 통해 투과되는 빛 세기의 비율로서 측정하였다. 이 비율은 Bouguer 범칙에 따라 감쇠 계수를 계산하는데 사용되었고 시험 결과는 노출된 시험체의 표면적으로 규격화된 연기 발생량 및 연기 발생률로 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 목재는 편백나무로서 시중에서 일반 건자재용을 구입한 후 2년 동안 자연 건조 하였다. 화학적 첨가제로서 붕산(순도 99.
붕산과 5붕산암모늄을 각각 증류수에 녹여 15 wt% 수용액(BA15, APB15)을 만들었다. 각각의 15 wt% 용액을 1 : 1 비율로 섞어 혼합 용액(BA15/APB15)을 제조하였다.
002 m³/s로 설정하였다. 시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하였으며, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편홀더는 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 사용 하였다. 모든 시약은 특급시약을 구입하였고 정제 없이 그대로 사용하였다.

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 수행 하였다⁽¹²⁾. 사용한 시험 편의 두께는 10 mm로서 크기는 100 mm × 100 mm 의규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대 습도 50 ± 5%에서 항량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감쌌다.

성능/효과

1) 붕소화합물로 처리한 시험편의 FPI는 공시편보다 1.2∼2.1배 증가하였다. 이것은 붕소화합물로 처리한 목재의 화재 안전성이 높아지는 것으로 이해된다.
2) 붕소화합물로 처리된 시험편의 FGI는 공시편보다 1.6∼8.4% 증가하였다. 이것은 붕소화합물로 처리한 목재의 화재 위험성이 높아질 수 있을 것으로 이해된다.
3) 붕소화합물로 처리된 시험편의 TSR은 처리되지 않은 공시편보다 9.0%∼28.3.% 낮았다. 공시편의 높은 TSR은보다 효율적인 연소 때문이지만, 붕소화합물로 처리한 시험편의 낮은 TSR은 난연효과로 탄화층을 생성하기 때문으로 이해된다.
4) CO는 주로 불꽃연소와 백열 연소기간 동안에 생성되었다. 공시편은 418 s에서 가장 높은 농도인 0.
따라서 15 wt% 붕소화합물로 처리한 목재는 화재위험성이 낮아졌으며 연기 및 일산화탄소 발생량이 감소됨으로써 화재 위해성이 낮아졌다.
Figure 7에 나타낸 바와 같이 목재 공시편의 총 연기방출율(TSR)은 350 s 부근까지 증가하다가 그 이후의 시간에서는 거의 일정하게 유지되었다. 붕소화합물로 처리된 시험편의 TSR은 처리되지 않은 공시편보다 9.0% ～ 28.3.% 낮았다. 공시편의 높은 TSR은 보다 효율적인 연소때문이지만, 붕소화합물로 처리한 시험편은 난연효과로 탄화층을 생성하기 때문으로 이해된다.

후속연구

공시편의 높은 TSR은 보다 효율적인 연소때문이지만, 붕소화합물로 처리한 시험편은 난연효과로 탄화층을 생성하기 때문으로 이해된다. 그러므로 붕소화합물로 처리된 시험편의 억제된 연기 발생은 화재 시에 연기 위험을 감소시킬 수 있고 공공의 다목적 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재가 건축물의 내외장재로 널리 사용되는 이유는 무엇인가?	목재는 친환경적이며, 물리 · 화학적 특성이 우수하기 때문에 일반 가정의 내구재 및 주거용 건축물에 이르기까지 건축물의 내 · 외장재로 널리 사용 되고 있다. 일반적으로 목재는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 3 가지 종류의 고분자로 구성된다.
	목재의 화재 위험성을 감소를 위한 방법은 무엇인가?	따라서 이와 같은 목재의 단점을 보완하기 위해 다양한 난연처리 방법들이 연구되어 왔다(3-6). 화재 위험성을 감소시키기 위하여, 목재의 난연처리는 인화합물계, 질소화합물계, 붕소화합물계, 실리콘화합물계 등을 단독 또는 혼합하여 목재 및 목질재료에 주입, 도포, 침지 시키는 방법을 이용한다(7-10). 난연제의 사용은 화재위험성을 감소시키는 효과는 있으나 일부 할로겐화합물 난연제는 인체 유해성이 밝혀져 사용이 금지되고 있다.
	본 논문에서 난연제의 연구를 위해 사용한 자제와 평가 방법은 무엇인가?	본 연구에서는 붕산 및 5붕산암모늄 수용액을 건축물의 내장재로 주로 사용되고 있는 편백목재에 도포한 후 콘칼로리미터를 이용하여 외부 복사열원에 의한 열방출률, 질량감소속도, 총연기방출율 등을 측정하여 화재위험성을 평가하고 난연 목재로서의 초기 화재 시 화재지연 효과가 있는지를 확인하고자 하였다.

참고문헌 (30)

V. Babrauskas, "Ignition of Wood: A Review of the State of the Art", pp. 71-88 In: Interflam 2001, Interscience Communications Ltd., London, UK, pp. 71-88 (2001).
M. Janssens and B. Douglas, "Wood and Wood Products", In: Handbook of Building Materials for Fire Protection, McGraw Hill, New York, USA (2004).
R. Kozlowski and M. Hewig, "1st Int Conf. Progress in Flame Retardancy and Flammability Testing", Institute of Natural Fibres, Pozman, Poland (1995).
R. Stevens, S. E. Daan, R. Bezemer and A. Kranenbarg, "The Strucure-Activity Relationship of Retardant Phosphorus Compounds in Wood", Polym. Degrad. Stab., Vol. 91, No. 4, pp. 832-841 (2006).

상세보기
Y. J. Chung, Y. H. Kim and S. B. Kim, "Flame Retardant Properties of Polyurethane Produced by the Addition of Phosphorous Containing Polyurethane Oligomers (II)", J. Ind. Chem. Eng., Vol. 15, No. 6, pp. 888-893 (2009).

상세보기
Y. J. Chung, "Flame Retardancy of Veneers Treated by Ammonium Salts", J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 18, No. 3, pp. 251-255 (2007).
J. Z. Xu, M. Gao, H. Z. Guo, X. L. Liu, Z. Li, H. Wang, C. M. Tian, J. Z. Xu et al., "Study on the Thermal Degradation of Cellulosic Fiber Treated with Flame Retardants", J. Fire Sciences, Vol. 20, No. 3, pp. 227-235 (2002).

상세보기
O. Grexa and H. Lubke, "Flammablity Parameters of Wood Tested on a Cone Calorimeter", Polym. Degrad. Stab., Vol. 74, No. 3, pp. 427-432 (2001).

상세보기
B. Garba, "Effects of Zine Borate as Flame Retardant Formulation on Some Tropical Woods", Polym. Degrad. Stab., Vol. 64, No. 3, pp. 517-522 (1999).

상세보기
D. S. Baker, "Wood in Fire, Flame Spread and Flame Retardant Treatments", Chemistry and Industry (London), Vol. 8, No. 14, pp. 485-490 (1981).
E. Mikkola, "Fire Retardants and Product Behaviour in Fire Tests", Polym. Int., Vol. 49, No. 10, pp. 1222-1225 (2000).

상세보기
ISO 5660-1, "Reaction-to-Fire Tests-Heat Release, Smoke Production and Mass Loss Rate-Part 1: Heat Release Rate (Cone Calorimeter Method) and Smoke Production Rate (Dynamic Measurement)", Genever, Switzerland (2015).
V. Babrauskas, "New Technology to reduce Fire Losses and Costs", In S. J. Grayson and D. A. Smith (Eds.), Elsevier Applied Science Publisher, London, UK (1986).
M. M. Hirschler, "Thermal Decomposition and Chemical Composition", Fire and Polymers, Chapter 23, pp. 293-306, ACS Symposium Series Vol. 797, American Chemical Society, Washington, DC, USA (2001).
C. H. Lee, C. W. Lee, J. W. Kim, C. K. Suh and K. M. Kim, "Organic Phosphorus-Nitrogen Compounds, Manufacturing Method and Compositions of Flame Retardants containing Organic Phosphorus-Nitrogen Compounds", Korean Patent 2011-0034978 (2011).
Y. J. Chung and E. Jin, "Combustion Characteristics of Cypress Specimens Painted with Solutions of Boron Compounds", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 2, pp. 7-12 (2018).
W. T. Simpso, "Wood Handbook-Wood as an Engineering Material", Chapter 12, Forest Product Laboratory U.S.D.A., Forest Service Madison, Wisconsin, USA (1987).
D. C. O. Marney, L. J. Russell and R. Mann, "Fire Performance of Wood (Pinus Rradiata) Treated with Fire Retardants and a Wood Preservative",. Fire and Materials, Vol. 32, No. 6, pp. 357-370 (2008).

상세보기
B. Wang, Q. Tang, N. Hong, L. Song, L. Wang, Y. Shi and Y. Hu, "Effect of Cellulose Acetate Butyrate Microencapsulated Ammonium Polyphosphate on the Flame Retardancy, Mechanical, Electrical, and Thermal Properties of Intumescent Flame-Retardant Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer/Microencapsulated Ammonium Polyphosphate/Polyamide-6 Blends", ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 3, No. 9, pp. 3754-3761 (2011).

상세보기
C. Jiao, X. Chen and J. Zhang, "Synergistic Effects of $Fe_2O_3$ with Layered Double Hydroxides in EVA/LDH Composites", J. Fire Sci, Vol. 27, No. 5, pp. 465-479 (2009).

상세보기
L. Liu, J. Hu, J. Zhuo, C. Jiao, X. Chen and S. Li, "Synergistic Flame Retardant Effects between Hollow Glass Microspheres and Magnesium Hydroxide in Ethylene-Vinyl Acetate Composites", Polym. Degrad. Stab., Vol. 104, No. 6, pp. 87-94 (2014).

상세보기
S. Fang, Y. Hu, L. Song, J. Zhan and Q. He, "Mechanical Properties, Fire Performance and Thermal Stability of Magnesium Hydroxide Sulfate Hydrate Whiskers Flame Retardant Silicone Rubber", J. Mater. Sci., Vol. 43, No. 3, pp. 1057-1062 (2008).

상세보기
E. Hedberg, A. Kristensson, M. Ohlsson, C. Johansson, P.A. Johanssond, E. Swietlicki, V. Vesely, U. Wideqvist, et al. "Chemical and Physical Characterization of Emissions from Birch Wood Combustion in a Wood Stove", Atmos. Environ., Vol. 36, No. 30, pp. 4823-4837 (2002).

상세보기
M. Jimenez, S. Duquesnsne and S. Bourbigot, "Intumescent Fire Protective Coating: Toward a better understanding their Mechanism of Action", Thermochimica Acta, Vol. 449, No. 1-2, pp. 16-26 (2006).

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T. Balakrishnan, G. Bhaqavannarayana and K. Ramamurthi, "Growth, Structural, Optical, Thermal and Mechanical Properties of Ammonium Pentaborate Single Crystal", Spectrochimica Acta Part A, Vol. 71, No. 2, pp. 578-583 (2008).

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Q. Wang, J. Li and J. E. Winady, "Chemical Mechanism of Fire Retardance of Boric Acid on Wood", Wood Sci. & Technol. Vol. 38, No. 5, pp. 375-389 (2004).

상세보기
J. Gray, G. J. Duggan, S. J. Grayson and S. Kummar, "New Fire Classifications and Fire Test Methods for the European Railway Industry", Interscience Communications Ltd., UK (2015).
Association Francaise de Normalisation, "Railway Applications-Fire Protection on Railway Vechicles -Part 2: Requirements for Fire Behavior of Materials and Components", NF EN 45545-2, La Plaine Saint-Denis, France (2013).
J. S. Bermejo, L. G. Rovira and R. Fernandez, "Fire-Retardant Performance of Intumescent Coatings Using Halloysites as a novel Fire-Retardant Additive", Jacobs J. Nanomed. Nanotech., Vol. 1, No. 1, pp. 1-9 (2015).
R. H. Hurt and J. M. Calo, "Semi-Global Intrinsic Kinetics for Char Combustion Modelling", Combust. Flame, Vol. 125, No. 3, pp 1138-1149 (2001).

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