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문제 정의
- 내장 벽지에 관한 앞선 국내 연구를 살펴보면 벽지의 방염성능 및 열 안정성을 평가하고 연소 시 발생 되는 가스의 독성지수를 정량적으로 평가(박미라, 2003)한 것과 내장벽지의 열 발생 특성, 연기 및 연소가스의 유독성을 분석하여 화재위험성을 평가(오규형, 2007)한 연구 등이 있다. 본 연구는 실내 마감재로 많이 사용되는 벽지를 대상으로 하여 콘 칼로리미터, 발화점 시험기, 산소지수 시험기를 이용하여 각각의 발연성 착화성 난연성 측정함으로써 벽지의 연소특성을 고찰 하고자 한다.
제안 방법
- 투입공에 시편 투입과 동시에 스톱워치로 발화까지의 대기시간을 측정한다. 5℃ 강하할 때마다 발화대기시간인 4초대 값이 10회 이상 나올 때 까지 반복 실험하며 발화점을 측정한다.
- 각각의 재료에 대하여 시편을 100㎜×100㎜크기로 준비하여 재료가 화재 조건에 노출되는 동안 착화시간, 열방출율 등을 동시에 연속적으로 측정하였다.
- 길이 140㎜, 폭 52±0.5㎜, 두께 10.5㎜의 시편을 채취하여 온도 50±2℃의 항온조 내에서 24시간 유지한 후 시편을 고정기구에 수직으로 설치하였다.
- 5㎜의 시편을 채취하여 온도 50±2℃의 항온조 내에서 24시간 유지한 후 시편을 고정기구에 수직으로 설치하였다. 시편의 추정산소농도를 선택하여 그 농도에 해당하는 산소유량 및 질소유량을 설정하였다. 시편에 15~20㎜의 불꽃의 점화기로 점화하여 점화시켜 연소시간이 180초 이상 이거나 연소 길이가 50㎜이상 연소가 되는 산소 농도를 찾는다.
- 각각의 재료에 대하여 시편을 100㎜×100㎜크기로 준비하여 재료가 화재 조건에 노출되는 동안 착화시간, 열방출율 등을 동시에 연속적으로 측정하였다. 시험방법은 시편을 연소하기 위해 가열로를 이용하여 가열로 속에서 50㎾/㎡의 일정한 heat flux를 공급하였고 점화를 위해 점화장치를 사용하였다. 시간이 지나면서 외부 복사열로 인해 재료 표면의 온도가 상승하고 열분해가 시작된다.
- 연기밀도 측정원리는 시험시편이 챔버 내에서 열원의 조건에 노출되었을 때 시편에서 발생된 연기의 광학적 밀도를 측정하는 방법으로 각각의 시편을 75㎜×75㎜크기로 준비하여 ASTM E 662 규격에 의한 실험을 실시하였다. 실험 방식은 Non-flaming 방식으로 수행하였으며 밀봉된 챔버 안에 평면 시편을 수직으로 세워 가열로를 점화하여 25㎾/㎡의 복사열이 되도록 설정 한 후 연소하면서 발생되는 연기가 집연 챔버에 모아지고 수직으로 설치된 광학장치에 통과된 빛의 강도를 측정하여 연기농도로 환산된다.
- 연기밀도 측정원리는 시험시편이 챔버 내에서 열원의 조건에 노출되었을 때 시편에서 발생된 연기의 광학적 밀도를 측정하는 방법으로 각각의 시편을 75㎜×75㎜크기로 준비하여 ASTM E 662 규격에 의한 실험을 실시하였다.
- 온도 20±5℃, 습도 50±10%, 풍속 0.3~0.4 m/sec 조건에서 0.2g의 시편을 가지고 도가니를 전기로에 준비하고 열전대를 온도 측정공에 설치한 후 온도조절기를 이용해 온도를 설정하고 온도하강시의 전압을 하강속도가 2℃/분이하가 되도록 전압조정기를 조정한다.
- 이번 연구에서는 실내 내장재로 많이 사용되고 있는 벽지의 연소특성을 알아보기 위해콘 칼로리미터시험기, 연기밀도 시험기와 산조지수 시험기를 이용하여 산소한계지수(LOI) 발화점 시험기를 이용하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 재료는 실내 내장재로 많이 사용되고 있는 벽지로 가장 많이 사용되는 합지벽지와 실크벽지 그리고 최근 친환경적인 제품을 선호하여 여러 종류의 기능성 벽지가 사용되는데 그 중 쑥 벽지와 옥수수전분이 주 구성요소인 옥수수벽지를 선정하고, 특정벽지인 질석벽지와 방염벽지 총 6종의 일반적으로 주거용 건물에서 사용되는 벽지를 선정하여 표 1에 제시하였다.
- 이러한 시험법의 종류는 착화의 용이성, 표면 연소성, 열량, 발열성, 연소 생성 기체의 유독성, 연소 계속성 등이며 이중에서는 착화의 용이성에 대표적인 시험법이다. 실험장치는 ASTM D 2863-91 기준에 적합한 것으로 연소부, 가스공급부, 측정부 및 점화기로 구성되어 있다. 길이 140㎜, 폭 52±0.
- 표 3은 6종의 벽지의 착화 시간과 발화온도 실험의 결과를 나타낸 것으로 착화시간은 콘 칼로리미터 실험에 의한 데이터를 활용 하였다. 착화시간은 질석벽지가 61초로 가장 늦게 착화가 되었고, 합지벽지와 실크벽지가 11초로 가장 빠르게 착화가 되었다.
이론/모형
- 연소 과정에서 소비되는 산소량을 기준으로 방출되는 열량을 측정하는 원리로 ISO 5660-1에 의한 시험을 실시하였다. 각각의 재료에 대하여 시편을 100㎜×100㎜크기로 준비하여 재료가 화재 조건에 노출되는 동안 착화시간, 열방출율 등을 동시에 연속적으로 측정하였다.
성능/효과
- 1) 발열특성에서 열방출률은 쑥 벽지가 255.14㎾/㎡가 가장 높게 나타났고, 방염벽지 203.38㎾/㎡, 옥수수벽지 197.40㎾/㎡, 질석벽지 197.16㎾/㎡, 실크벽지 164.47㎾/㎡, 합지벽지 147.46㎾/㎡순으로 나타났고, 총발열량은 질석벽지 10.7㎾/㎡, 쑥 벽지 8.5㎾/㎡, 옥수수벽지 4.2㎾/㎡, 실크벽지 3.8㎾/㎡, 방염벽지 3.5㎾/㎡, 합지벽지 2.5㎾/㎡순으로 나타났다.
- 2) 발연특성 결과 최대연기밀도가 방염벽지 130.8로 가장 높고, 쑥 벽지 88.15가 다음으로 높았으며 옥수수벽지 75.87, 질석벽지 56.46, 실크벽지 52.02, 합지벽지 48.63 순으로 나타났다. 이 결과 일반벽지보다 기능성 벽지의 연기밀도 값이 보다 높게 나타났다.
- 3) 착화시간과 발화온도의 측정 결과 질석벽지가 61s로 다른 벽지에 비해 최소 4배 이상 늦게 착화가 되었으며, 쑥 벽지 19s, 방염벽지 15s, 옥수수벽지 12s, 합지벽지와 실크벽지 11s의 순으로 나타났고, 발화온도는 합지벽지 274.3℃, 질석벽지 270.8℃, 방염벽지 256.3℃, 옥수수벽지 250.3℃, 쑥 벽지 246.3℃, 실크벽지 242.8℃순으로 나타났다.
- 4) 산소지수 측정 결과 기능성 벽지인 쑥 벽지의 산소지수가 23.2%로 가장 높게 나왔으며, 방염 벽지 22.9%, 질석 벽지 22.7%, 실크 벽지 19.8%, 옥수수 벽지 19.4%, 합지 벽지 18.9%로 나타났다.
- 63 순으로 나타났다. 이 결과 일반벽지보다 기능성 벽지의 연기밀도 값이 보다 높게 나타났다.
- 공기 중에 약 21%의 산소가 포함되어 있어 일반적으로 산소의 농도가 높을수록 연소는 잘 일어나고 일반가연물인 경우 산소농도 15% 이하에서는 연소가 어렵다(이춘하, 2003). 일반적으로 사용하는 벽지 6종류의 시편으로 실험 한 결과 기능성벽지인 쑥 벽지의 산소지수가 23.2%로 가장 높게 나왔으며, 합지 벽지가 18.9%로 가장 낮은 값을 나타내었다. 나머지 시편의 결과 모두 18% 이상의 값으로 연소가 어려운 산소 농도 15% 보다 높은 값을 나타내었다.
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