[논문]보강성 충진제를 첨가한 실리콘 고무의 난연 및 화재안전 특성에 관한 연구

박승호; 이성일

doi:10.4313/jkem.2019.32.4.349

보강성 충진제를 첨가한 실리콘 고무의 난연 및 화재안전 특성에 관한 연구
A Study on the Properties of Flame Retardant and Fire Safety of Silicone Rubbers Added Reinforcing Fillers 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.4, 2019년, pp.349 - 355

박승호 (한국교통대학교 안전공학과) , 이성일 (한국교통대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A fire, be it caused intentionally or unintentionally, leads to economic loss and physical damage, and requires digestion. The number of fires is increasing yearly, and electrical fires account for more than 30% among the main causes of fires. Electric wires that catch fire typically employ silicone coatings; silicone has organic as well as inorganic properties. Silicon is a natural, nonexistent, synthetic product with numerous applications. In this study, a silicon rubber for application in wires was prepared by high-temperature vulcanization (HTV) with a Shore A hardness of 70. We report results for the flame retardancy test and the fire safety characteristics via inorganic analysis. For this, a quartz inorganic material was added to the wire specimen, and 18% powdered extinguishing agent ammonium phosphate and expanded vermiculite respectively. Thus, expanded vermiculite showed the best flame retardancy and fire safety characteristics.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Flammability rating standard.
그림 Fig. 1. Flame retardation test system.
표 Table 2. Appearance and basic properties.
그림 Fig. 2. SEM photograph for (a) ammonium phosphate and (b) vermiculite.
그림 Fig. 3. Optical microscope photograph for (a) ammonium phosphate and (b) vermiculite.
표 Table 3. Ammonium phosphate EDS analysis.
표 Table 4. Vermiculite EDS analysis.
표 Table 5. Ammonium phosphate flame retardant test result.
표 Table 6. Vermiculite flame retardant test result.
표 Table 7. Qurtz flame retardant test result.
표 Table 8. After applying heat, the result.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전선용 실리콘 고무를 shore A 경도 70으로 HTV (high temperature vulcanizing) 방법을 이용하여 시료를 만들었다. 전선용 실리콘 고무시편에 무기재료인 석영과 소화약제인 분말 소화제 인산암모늄과 팽창질석을 충진제로 첨가하고 안전케이블용으로 시편을 제작하여 무기 분석 및 난연시험 과 시료 연소를 통하여 시료의 형태를 분석하였고 이에 난연 및 화재안전 특성에 대하여 조사한 결과를 보고한다.

제안 방법

HTV는 비닐(vinyl)기를 가지고 있는 고중합도(5,000~10,000 siloxane unit)인 고점도 폴리머인 실리콘 검(GUM)을 주원료로 하여 여기에 FS (fumed silica) 등의 보강성 첨가제를 배합하여 제조하고, 다음에 경화제를 첨가하여 혼합한 후, 경화조건은 170℃, 10분으로 제작하였다.
본 논문에서는 전선용 실리콘 고무를 shore A 경도 70으로 HTV (high temperature vulcanizing) 방법을 이용하여 시료를 만들었다. 전선용 실리콘 고무시편에 무기재료인 석영과 소화약제인 분말 소화제 인산암모늄과 팽창질석을 충진제로 첨가하고 안전케이블용으로 시편을 제작하여 무기 분석 및 난연시험 과 시료 연소를 통하여 시료의 형태를 분석하였고 이에 난연 및 화재안전 특성에 대하여 조사한 결과를 보고한다.
시료를 그림 1과 같이 수직 방향으로 불꽃을 가했을 때, 제품의 연소 양상 및 주위로의 화염 전파 정도를 평가, 20 mm 길이의 불꽃을 10초간 시편에 접염 후,시편의 연소시간 t1을 측정하는 동시에 연소 양상을 기록하고, 1차 접염 후 연소가 종료되면, 다시 10초간 접염 후 시편의 연소시간 t2 및 불똥이 맺힌 시간(glowing time)인 잔존시간 t3을 측정하고, 연소 양상을 기록한 다음, t1, t2, t3의 연소시간 및 연소 양상인 적하에 의한 탈지면 발화 유무 및 클램프까지의 연소 유무 등을 판단하여, UL 94-V의 난연 등급 기준인 V-0, V-1, V-2로 산출했다.
시편의 단위면적당 최대 응력의 힘을 수치로 나타내는 인장강도, 원래의 길이가 몇 배로 늘어나는가 하는 정도를 시험하는 신율을 측정하였다.
시편의 성분과 함량을 측정하기 위해 인산암모늄과 팽창질석을 충진제로 첨가한 시료 대상으로 EDS (energy dispersive spectroscopy) 분석을 실시하였다.
인산암모늄과 팽창질석 시료의 미세 관찰을 위해서 SEM (scanning electron microscopy)을 통해 50배와 광학현미경(SZX 16, Olympus) 배율 80배로 확인하였다.
표 8에서는 석영, 인산암모늄, 팽창질석의 난연시험에 동일한 시료를 실리콘 HTV 압출 성형기기 있는 연소 시험기기에서 온도 800℃로 설정하여 10초 가열 후 시료의 발화 유무 및 시료의 연소 상태 및 전소 상태를 확인하였다.

대상 데이터

본 시료 제작은 HTV로 GUM 60%, FS 30%에 보강성 충진제 무기재료인 석영, 분말 소화약제인 인산암모늄과 팽창질석을 각각 18%를 첨가하여 시험 시편을 제작하였다.
시료는 125±5 mm × 13±0.5 mm로 두께는 3 mm로 제작하고 석영, 인산암모늄, 팽창질석을 첨가한 각각 5개 시료를 준비하였다.
실리콘 고무의 기본 물질은 SiO(석영)이다. 석영은 실리카 또는 산화규소이며 지구 지각 성분의 60%를 차지하는 물질로 지구상에 가장 흔한 물질 중의 하나이다.

성능/효과

그림 3(a)에서 인산암모늄 결과는 회색 바탕에 갈색,흰색, 흑색 반점으로 표면은 매끄럽게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면 팽창질석 그림 3(b)에서시료는 육안 검사 시 짙은 갈색으로 나타났으며, 광학현미경 관찰 결과, 표면은 거칠고 회색 바탕에 갈색 결정구조로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
2차 접염 후 시료 2개는 10초 이내 소화가 완료되었고, 3개의 시료는 30초 넘어 소화가 완료되었다. 1, 2차 시료 5개의 합계 점염시간은 194초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 1초, 2초 이내에서 소화되었다.
2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고,1, 2차 시료 5개의 합계 점염시간은 112초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 1초, 2초 이내에서 소화되었다. 시료를 고정하고 있는 클램프 125mm까지 연소 유무에서는 초기 접염 후 더 이상 연소가 진행되지 않고 소화되었다.
석영을 첨가한 시료는 표 7과 같이 1차 10초간 접염 후 2개의 시료는 25초, 23초로 소화되었고, 3개 시료는 10초 이내에 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 2개는 10초 이내 소화가 완료되었고, 3개의 시료는 30초 넘어 소화가 완료되었다. 1, 2차 시료 5개의 합계 점염시간은 194초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다.
팽창질석의 시료는 표 6과 같이 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 다 10초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고,1, 2차 시료 5개의 합계 점염시간은 112초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 소화되고 불꽃 잔진 시간은 대부분 평균 1초, 2초 이내에서 소화되었다.
광학현미경 미세 관찰 결과 표 2에서 기본물성 측정 결과처럼 시료의 육안 검사 결과는 인산암모늄 경우 연분홍색임을 확인할 수 있었다.
팽창질석은 5개 시료 모두 난연 등급 94V-0, 94V-1, 94V-2 등급 중 94V-1등급으로 판정되었다. 난연 성능은 팽창질석이 가장 우수하고 다음으로 석영 그리고 인산암모늄은 난연 성능이 낮은 것을 확인하였다.
난연시험 결과 인산암모늄은 UL94-V 난연 등급 결정에 적합하지 않고, 석영은 5개 시료 중 2개는 난연 등급 94V-1등급으로, 3개 시료는 난연 등급 결정에 부적합한 것으로 나타났다. 팽창질석은 5개 시료 모두 난연 등급 94V-0, 94V-1, 94V-2 등급 중 94V-1등급으로 판정되었다.
팽창질석의 경우 O, Si, Fe, Al, Mg, K, Ca,Ti, Na 9종이 검출되었고, 함량순의 경우 O > Si F')">>Fe > Al > Mg > K > Ca > Ti > Na 9종이 검출되었다. 또한 O, Si, Fe, Al, Mg, K, Ca은 다량으로 검출되었고 Ti, Na은 1% 미만으로 미량으로 검출되었다.
이는 무기 분석을 통해 확인된 주성분에 따라 인산암모늄의 경우 주성분인 인과 암모늄의 영향으로 난연성능 및 연소성에서 떨어지며, 팽창질석은 주성분인 규소로 인하여 난연성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 연소성 및 전소상태 확인 결과에서도 팽창질석이 난연성능이 양호한 것으로 나타났다.
팽창질석은 석영, 인산암모늄과 비교해서 연소는 잘되지 않으며, 소화 후 부스러짐은 모두 유사한 수준이었다. 또한 팽창질석 특성상 일정 온도 가열 중 기포터지는 소리가 나며, 시편이 팽창하는 것을 확인할 수 있었다.
석영을 첨가한 시료는 표 7과 같이 1차 10초간 접염 후 2개의 시료는 25초, 23초로 소화되었고, 3개 시료는 10초 이내에 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 2개는 10초 이내 소화가 완료되었고, 3개의 시료는 30초 넘어 소화가 완료되었다.
소화약제의 무기 분석 결과 일반분말 소화약제인 인산암모늄은 주성분이 산소(O) 51%와 인(P) 21%임을 확인하였다. 팽창질석의 주성분은 산소(O) 42%와 규소(Si) 21%가 포함된 것을 확인할 수 있었다.
시험 결과 인산암모늄 > 팽창질석 > 석영 순으로 발화 및 연소가 빠르게 진행되었다.
외관 및 기본물성에서는 가소도 및 경도, 비중에서는 석영, 인산암모늄, 팽창질석은 차이는 없으나, 인산암모늄과 팽창질석을 포함한 시료에서는 인장강도, 신율, 인열강도가 열세로 나타났다. 육안 검사에서는 분말 원료의 유사한 색상으로 석영은 흰색, 인산암모늄은 분홍색, 팽창질석은 갈색으로 성형이 되었다.
이는 무기 분석을 통해 확인된 주성분에 따라 인산암모늄의 경우 주성분인 인과 암모늄의 영향으로 난연성능 및 연소성에서 떨어지며, 팽창질석은 주성분인 규소로 인하여 난연성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 연소성 및 전소상태 확인 결과에서도 팽창질석이 난연성능이 양호한 것으로 나타났다.
인산암모늄과 팽창질석의 EDS 분석 결과 공통성분을 제외하여 비교하며 인산암모늄은 인(P) 성분이 가장 높게 함량되었고, 팽창질석은 마그네슘(Mg)이 주성분으로 함량됨을 볼 수 있다.
전기적 요인에 의한 화재의 특징으로 최초 착화물별분포는 전기, 전자제품에 착화한 경우가 거의 대부분으로 이를 세부 분석하면 전선피복에 4,672건이 착화하여 전체 전기화재의 절반이 넘는 58.3%를 보였으며 전기, 전자기기의 콘센트나 스위치류에 착화한 경우도 419건(5.2%)으로 분석되었다.
전기적 원인에 의한 화재 중 미확인단락으로 분류된 화재가 2,291건(26.1%)으로 가장 많았으며, 다음으로 절연열화에 의한 단락 화재가 1,995건(24.9) 순으로 발생한 것으로 나타났다.
전기화재로 인한 최초 착화물은 전기, 전자제품에서 절대다수인 6,156건이 발생하여 전체 전기화재의 76.8%를 점유하였다, 다음으로 플라스틱, 비닐, 스티로폼 등 합성수지에 1,077건이 착화하여 13.4%를 점유한 것으로 나타났으며, 불이 붙기 쉬운 종이, 목재,건초 등에 착화한 경우도 238건(3.0%)으로 나타났다.
난연시험 결과 인산암모늄은 UL94-V 난연 등급 결정에 적합하지 않고, 석영은 5개 시료 중 2개는 난연 등급 94V-1등급으로, 3개 시료는 난연 등급 결정에 부적합한 것으로 나타났다. 팽창질석은 5개 시료 모두 난연 등급 94V-0, 94V-1, 94V-2 등급 중 94V-1등급으로 판정되었다. 난연 성능은 팽창질석이 가장 우수하고 다음으로 석영 그리고 인산암모늄은 난연 성능이 낮은 것을 확인하였다.
팽창질석의 시료는 표 6과 같이 1차 10초간 접염 후 5개 시료 모두 다 10초 이내로 소화가 완료되었다. 2차 접염 후 시료 모두 30초 이내 소화가 완료되었고,1, 2차 시료 5개의 합계 점염시간은 112초로 확인되었고, 250초 이내로 소화가 완료되었다.
표 2에서 기본물성 측정 결과 기존 안전케이블용으로 제작되는 석영 제품기준으로 가소도, 경도, 비중은 비슷한 수준으로 기계적 특성이 나타났으며, 인장강도,신율, 인영강도는 석영, 팽창질석, 인산암모늄 순으로 낮게 나타났다.

후속연구

이러한 시험 결과를 활용하여 기존 전선용 실리콘고무의 난연 성능을 향상시킬 경우, 안전케이블용으로 사용 가능할 것으로 사료된다. 다만, 본 연구는 소화약 제의 적용 가능성을 판단하기 위한 기초 연구이므로 향후 실리콘 고무의 전기안전성 확보를 위해서는 전기절연성 및 내트래킹성 등 다양한 시험 연구가 필요할 것으로 사료된다.
방화와 미상인 경우를 제외하고 화재의 원인은 인적(부주의), 물적(전기,기계⋅화학적 원인 등), 자연적 요인에 따라 구분된다. 발화요인을 통해 개별화재의 발생원인을 알 수 있고 화재예방 정책의 기초 자료로서 활용할 수 있다.
이러한 시험 결과를 활용하여 기존 전선용 실리콘고무의 난연 성능을 향상시킬 경우, 안전케이블용으로 사용 가능할 것으로 사료된다. 다만, 본 연구는 소화약 제의 적용 가능성을 판단하기 위한 기초 연구이므로 향후 실리콘 고무의 전기안전성 확보를 위해서는 전기절연성 및 내트래킹성 등 다양한 시험 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발화요인이란?	발화요인은 발화열원과 최초 착화물이 결합하여 화재가 발생하게 된 요인을 말한다. 방화와 미상인 경우를 제외하고 화재의 원인은 인적(부주의), 물적(전기,기계⋅화학적 원인 등), 자연적 요인에 따라 구분된다.
	SiO는 무엇인가?	실리콘 고무의 기본 물질은 SiO(석영)이다. 석영은 실리카 또는 산화규소이며 지구 지각 성분의 60%를 차지하는 물질로 지구상에 가장 흔한 물질 중의 하나이다. 실리콘(silicon)은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의미하며, 실리콘(silicone)은 분자사슬이 규소와 산소로 되어 있고 그 규소원자에 수소나 탄소 등이 직접 화학적으로 결합된 유기규소 폴리머를 의미한다.
	화재란?	화재란 사람의 의도에 반하거나 고의에 발생하는 연소현상으로 경제적 손실과 신체의 피해를 주고 소화가 필요한 불을 말한다. 화재의 건수는 매년 증가하고 있으며 화재 발생 주요 원인에 전기화재가 30% 이상으로 가장 많은 비중을 차지하고 있다 [1].

참고문헌 (9)

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M. S. Kang, S. J. Joo, and S. M. Koo, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 345 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/jkem.2012.25.5.345]
W. Y. Ji, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 14, 941 (2001).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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