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문제 정의
- 본 연구에서 편백목재의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 TTI, SPI, SGI, SI 및 일산화탄소 독성농도 등을 측정한 후 연기유해성을 평가하였다.
- 에 의한 연기성능지수(Smoke performance index, SPI), 연기성장지수(Smoke growth index, SGI), 연기강도(Smoke intensity, SI)를 이용하여 연기유해성을 새로운 연기유해성 평가 방법으로 평가하였다. 이것은 화재초기 연기유해성을 제시하기 위한 것으로 새로운 세 가지 연기지수를 바탕으로 하여 지수간의 상관관계를 확장시킴으로써 연기등급을 종합적으로 평가하기 위한 기초 자료로 사용하기 위함이다.
제안 방법
- 또 화재/연기의 유해성을 예측하기 위한 지수로 SI를 측정하였다. SI는 전체적인 규모의 화재에서 생성될 수 있는 연기의 잠재적인 양을 예측하는 데 사용될 수 있다.
- 목재시험편의 제조 방법은 합성된 물질 원액을 목재 시험편의 한쪽 면에 붓칠한 후 상온에서 6 h 동안 자연 건조시키고 같은 방법을 사용하여 2회 더 실시하였다. 기준 시편은 편백 목재를 증류수를 이용하여 붓칠한 후 위에서 사용한 같은 방법으로 건조시켰고 이것을 비교 데이터로 사용하였다(31).
- 본 연구에서는 붕소 유도체와 Tetraethoxyorthosilicate를 반응시켜 3종의 BA/Si, IBBA/Si, PBA/Si을 합성하였다. 합성된 화합물로 도포한 편백목재 시험편의 연기유해성을 ISO 5660-1 표준규격에 따라 콘칼로리미터를 사용하여 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 붕소/실리콘 졸을 합성하여 Chung’s equations(30)에 의한 연기성능지수(Smoke performance index, SPI), 연기성장지수(Smoke growth index, SGI), 연기강도(Smoke intensity, SI)를 이용하여 연기유해성을 새로운 연기유해성 평가 방법으로 평가하였다.
- 본 연구에서 편백목재의 화재위험성을 평가하기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 연기방출 특성과 관련된 요소로 TTI, SPI, SGI, SI 및 일산화탄소 독성농도 등을 측정한 후 연기유해성을 평가하였다. 그에 대한 데이터를 Table 3에 제시하였다.
- 방염재의 개발 방향은 세계적으로 환경 친화적인 연구로 집중되고 있으며 인체에 해가 없는 방염재의 개발이 시급하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 내열성 및 소재와의 친화성이 좋고, 환경 친화적이며 높은 효율의 감연성을 제공하기 위한 목적으로 친수성이 높은 붕소/실리콘 졸 화합물을 합성 후 사용하였다.
대상 데이터
- 목재시험편의 제조 방법은 합성된 물질 원액을 목재 시험편의 한쪽 면에 붓칠한 후 상온에서 6 h 동안 자연 건조시키고 같은 방법을 사용하여 2회 더 실시하였다. 기준 시편은 편백 목재를 증류수를 이용하여 붓칠한 후 위에서 사용한 같은 방법으로 건조시켰고 이것을 비교 데이터로 사용하였다(31).
- 본 연구에서 사용한 편백목재는 일반적인 건자재용을 시중에서 구입한 후 기 보고된 방법에(31) 의하여, 목재 시편의 두께는 10 mm를 선별하여 사용하였다. 화학첨가제로 사용된 Boric acid (BA, 순도 99.
- 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm (#)크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지수를 구하였다.
- 의하여, 목재 시편의 두께는 10 mm를 선별하여 사용하였다. 화학첨가제로 사용된 Boric acid (BA, 순도 99.5%)는 Kanto chemical 사에서, (2-methylpropyl) Boronic acid (IBBA, 순도 99.9%), Penylboronic acid (PBA, 순도 99.9%)는 동경화성에서, Tetraethoxyorthosilicate (TEOS, 순도 98.5%)는 대정화학에서 구입하여 그대로 사용하였다. Figure 1에 붕소 화합물인 화학첨가제의 화학구조를 제시하였다.
이론/모형
- 연소 성질에 대한 시험은 ISO 5660-1의 표준방법에 근거하여 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter를 사용하여 50 kW/m2 외부 열 유속(External heat flux) 조건에서 진행 하였다(26). 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm (#)크기의 규격으로 절단하였으며, 연소 반응 후 화재 유해성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지수를 구하였다.
- 콘칼로리미터를 이용한 연기측정 시험방법은 기본원리가 Beer-Bourguer-Lambert 법칙이다(26). 화재동안 발생된 연기는 사람의 가시도를 감소시키기 때문에 탈출 하는데에 문제가 있으며 배출된 기체는 부식성이기 때문에 인체에 치명적인 유해한 위험성을 안고 있다.
- 본 연구에서는 붕소 유도체와 Tetraethoxyorthosilicate를 반응시켜 3종의 BA/Si, IBBA/Si, PBA/Si을 합성하였다. 합성된 화합물로 도포한 편백목재 시험편의 연기유해성을 ISO 5660-1 표준규격에 따라 콘칼로리미터를 사용하여 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
성능/효과
- 1) 붕소/실리콘 졸 화합물로 도포한 시편의 첫 번째 연기 생성속도(SPR1st-peak)는 0.148∼0.230 m2/s였으며 공시편과 비교하여 11.9∼43.2% 감소하였다.
- 2) 붕소/실리콘 졸 화합물로 처리한 시편의 비감쇠면적은 공시편과 비교하여 4.0∼51.2% 감소되었다.
- 3) 붕소/실리콘졸 화합물로 도포한 시험편의 연기성능지수(SPI)는 기준시편보다 13.4∼126.7% 증가하였다.
- 4) 붕소/실리콘 졸 화합물로 처리된 시험편의 연기성장지수(SGI)는 공시편보다 12∼57.5% 감소하였다.
- 5) 붕소/실리콘 졸 화합물로 도포된 시험편의 연기강도(SI)는 기준시편보다 3.2∼57.8% 감소되어 연기 및 화재 위험성이 낮아졌다.
- 6) 붕소/실리콘 졸 화합물로 처리된 시험편의 COpeak 농도는 37∼43% 감소되었고, 미국직업안전위생관리국(OSHA) 허용기준(PEL)인 50 ppm보다 1.7∼1.9배 큰 치명적인 독성을 생성하는 것으로 나타났다.
- 7) 붕소/실리콘 졸 화합물로 처리된 시험편의 최대산소결핍농도는 약 20.5%로 비교적 높은 수치로 얻어졌다. 이것은 인체에 치명적일 수 있는 농도인 15%보다 훨씬 크게 나타났으므로 그로인한 유해성은 제외되었다.
- 방염재의 역할은 연기생성속도를 감소시킴으로써 비감쇠면적을 감소시키는 것으로 판단된다. PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si순으로 감소되었으며 붕소/실리콘졸 화합물은 목재의 저발연성 촉진시키는 방염재임을 알 수 있었다. 방향족 유도체를 가진 PBA/Si보다 지방족 탄화수소 유도체를 가진 IBBA/Si가 비감쇠면적이 더 많이 감소되었다.
- 2% 감소되었다. PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si순으로 감소되었으며 붕소/실리콘졸 화합물은 목재의 저발연성을 촉진시키는 방염재임을 알 수 있었다.
- 또한, 최대산소결핍 농도가 인체에 치명적일 수 있는 농도인 15%(36)보다는 훨씬 큰 값으로 나타났으므로 그로 인한 인체위험성은 제외되었다. 결과적으로 붕소/실리콘 졸 화합물로 도포된 목재는 연소성이 억제되었다.
- 공시편의 CO2peak 농도인 3994 ppm과 비교하여 4∼24% 높게 나타났다.
- 두 번째 연기생성속도(SPR2nd-peak)는 0.0155∼0.0199 g/s 였으며 공시편 0.0201 g/s 보다 1∼22.9% 감소하였다.
- BA가 연기강도가 제일 낮은 것은 분자크기가 작고 침투성이 높아 연기억제성이 증가하기 때문이다. 또한 지방족탄화수소 붕소화합물(IBBA/Si)이 방향족탄화수소 붕소화합물(PBA/Si)보다 목재와의 친화성이 높아 연기유해성이 낮은 것으로 나타났다.
- BA/Si 화합물이 연기 유해성이 가장 작은 것은 친수성 및 분자크기가 작아 침투성이 높으므로 착화시간이 지연되고 최대연기생성속도 값이 가장 낮게 나타났기 때문이다. 또한 지방족탄화수소 붕소화합물(IBBA/Si)이 방향족탄화수소 붕소화합물(PBA/Si)보다 목재와의 친화성이 커 결합력이 높아 연기유해성이 낮은 것으로 나타났다.
- 방염 처리된 모든 시험편의 최대 연기생성속도는 편백나무보다 11.8∼38.6% 감소되었으며 BA/Si 졸이 가장 많이 감소되었다.
- 이것은 화재초기의 순간 연기생성속도를 저하시켰으므로 방염재가 연소반응에 대해 억제 효과가 있음을 나타낸다. 방향족 유도체를 가진 PBA/Si보다 지방족 유도체를 가진 IBBA/Si가 순간 연기생성속도가 더 많이 감소되었다. 두 번째 연기생성속도(SPR2nd-peak)는 0.
- PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si순으로 감소되었으며 붕소/실리콘졸 화합물은 목재의 저발연성 촉진시키는 방염재임을 알 수 있었다. 방향족 유도체를 가진 PBA/Si보다 지방족 탄화수소 유도체를 가진 IBBA/Si가 비감쇠면적이 더 많이 감소되었다.
- 붕소/실리콘 졸 방염재로 도포된 시편의 첫 번째 연기생성속도(SPR1st-peak)은 0.148∼0.230 m2/s였으며 공시편과 비교하여 11.9∼43.2% 감소하였다.
- 5% 감소하였다. 편백목재의 연기성장지수의 값이 클수록 화재 안정성은 낮아지고 연기 유해성은 높아지므로 연기유해성은 편백나무, PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si 순으로 감소하였다. BA/Si 화합물이 연기유해성이 가장 많이 감소된 것은 침투성이 높아 최대연기생성속도가 가장 낮고 최대연기생성속도에 도달하는 시간이 늦게 나타났기 때문이다.
- 화재위험성을 연기유해성 중심으로 종합적으로 판단하면 붕소/실리콘 졸 화합물은 연기유해성을 감소시키는 방염재이며, 방향족 탄화수소 붕소화합물이 지방족 탄화수소 붕소화합물보다 연기유해성이 높았다. 연기유해성은 편백나무, PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si 순으로 감소하였다.
- 이는 화재 초기 순간 화재에 유해성이 낮으며 화재의 세기가 가장 약하다는 것을 제시한다. 화재초기 최대연기생성속도에 의한 연기유해성은 편백나무, PBA/Si, IBBA/Si, BA/Si 순으로 감소하였다.
후속연구
- 이전의 일부 연구에서는 단일 난연 시스템에 인/질소(15-17), 인/붕소(18,19) 및 붕소/질소(20)와 같은 다중 방염재의 혼입이 방염 효율을 더 많이 향상시킬 수 있다는 것을 제안하였으며, 단일 시스템에서 실리카, 인 및 질소의 존재는 직물의 열 산화 안정성 및 난연 특성 모두를 증가시킨다는 것을 발견했다(21). 그러나 실리카 졸에 무기 붕소를 혼합시킨 연구는 미비하므로 친환경적인 붕소 원소를 포함하는 방염재에 대한 응용 연구를 확대할 필요성이 있다.
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