A Study on the Ignition Delay Effect by Flame-Resistance Paint Treatment

(1)

방염 처리에 따른 화재지연 효과 연구

A Study on the Ignition Delay Effect by Flame-Resistance Paint Treatment

오규형

^†

·김황진*·이성은**

Kyu-Hyung Oh

^†

· Hwang-Jin Kim

^*

· Sung-Eun Lee

^**

호서대학교 소방방재학과

, *

호서대학교 대학원

,

**

호서대학교산업안전기술연구센터

(2009. 3. 2.

접수

/2009. 4. 16.

채택

)

요 약

시중에유통되는

17

^종의^방염^도료를^{소방법에서}^요구하는^성능에^맞게

MDF

^에^{방염처리하여}^화재시

발생되는복사열에노출시켰을경우어느정도의화재지연효과가있는지를연구하였다

.

복사열의크기는 콘히터를이용하여

10kW/m

²에서

30kW/m

²까지변화시키며실험하였다

.

착화시간과착화형태를측정하였 으며시료표면의온도를측정하였다

.

^실험^결과^{방염도료를}^처리한^시료의^착화^{임계열유속은}

10kW/m

²

였으며

30kW/m

²^에서는 ^방염에^의한^{착화지연효과가}^없음을^확인할 ^수^있었다

.

^또한^시료^{표면온도가}

400

^o

C

이상이되어도방염에의한화재억재효과를기대하기어렵게됨을알수있었다

.

ABSTRACT

17 kinds of fire resistant paint which are currently used were painted on the MDF(middle density fiber board), which suitable to the regulation of Fire Service Act. And we investigate a ignition delay effect under a exposure condition of radiative heat of fire. Radiative heat flux was controlled from 10kW/m

²

to 30kW/m

²

using the cone heater. Ignition time, ignition type and surface temperature of the sample were measured. Based on the experimental result, critical heat flux of the fire resistant paint treated sample was 10kW/m

²

and there were no ignition delay effect above the 30kW/m

²

. And it was found that it will be difficult to expect the fire resistant effect above 400

^o

C of sample surface temperature.

Keywords :

Fire resistant, Ignition delay, Heat flux, Fire resistant paint

1. 서 론

실내장식물은 대부분 섬유류

,

^합성수지

,

^목재

,

^합판

등불에잘타는재료로 만들고있어 화재초기에빠 른속도로 확산되어대형화재로 성장하는요인이되 기 때문에 불특정 다수인이 이용하는 다중 이용업소 등의 공공장소는경우에 방염처리하여 사용하도록규 제하고있다

.

제조공장에서 방염처리하지아니하고소 방대상건축물에설치된합판및목재의경우에는설치 된 현장에서 방염처리

(“

현장방염처리

”

라고 한다

)

하고 있다

.

^{현장방염처리하는}^방법에는^합판^및^목재위에^방

염도료를칠하거나방염벽지를부착하는방법이있다

.

^1,2)

인천히트노래방화재사건을계기로다중이용업소에 대한 실내장식물의 방염기준이 강화되고 방염처리업 등록제가도입됨에따라현장방염처리제도가정비되고

“

^소방시설^설치 ^유지^및^{안전관리에} ^관한^법률

”

^시행

령개정및

“

다중이용업소의안전관리에관한특별법

”

제정으로 다중이용업소의범위가 확대됨에따라 이에 대비하고자다중이용업소의현장방염처리가활성화되 었으나실효성에는 의문이많았다

.

^1,2)

그동안방염제도에관한연구와일부방염제의방염 특성에관한연구와³⁾ 방염물품의연소특성^4,5) 그리고 일부내장재의연소특성^6,7)등에 관한연구가수행되 는등방염분야에대한기초 연구들이간간이이어졌

†

E-mail: [email protected]

(2)

다

.

⁸⁾ 또한개념은 약간 다르지만유사한 분야로 난연

처리에의한목재의난연효과에대한연구들도^9-11)수

행되었으나 실제 화재 시 방염처리된 내장재가 어느 정도 화재 지연 효과를 가질 수있을지에 대한 실제 적용에 관련된연구는수행되지못했다

.

따라서본연구에서는화재발생시화재확대의주요 요인인 복사열의열유속 증가에따른방염 처리된시 료의 방염성능을비교하고연소현상을 관찰하여방염 효과를 가질수있는한계 복사열유속과 방염효과가 없어지는열유속을구하여화재확대를억제하는지연 효과를고찰하고자하였으며방염효과에영향을줄수 있는요인이 무엇인지를찾고자하였다

.

2. 이 론

일반적으로 화원의에너지 방출속도에대하여 일정 거리에 있는목표물이받는복사열 유속은 다음식으 로표현된다

.

¹²⁾

(1)

여기서

X

r은복사열 분율이고 는에너지 방출속 도이며

c

는화원으로부터 가연물까지의 거리이다

.

이 식은 가연물중심으로부터의거리가 화원직경의

2

배 이상인경우에적용하는것으로되어있다

.

식

(1)

을이 용하여화재의크기에따라복사열유속을구할수있 으며일반가연물에대하여착화임계열유속이

10~20kW/

m

²인 점을 고려한다면 복사열에 의한 착화 가능성을 예측할수있다

.

본연구에서는 값을변수로하여방 염처리된합판이나

MDF

에대한착화실험을하여화 재의 크기에 따라 착화지연시간에 어느 정도 영향을 미칠지에대하여예측할 수있었다

.

3. 실 험

3.1시료

현장방염처리에사용되어지는방염도료는유광과무 광

,

발포성과 비발포성

,

유성과 수성 및주성분 등에 따라구분되어진다

.

본연구에서실험시료의선정은현재방염시공현장 에서 가장많이사용되어지고있는 도료를기준으로 각각의특성이다른총

17

가지도료를선정하였다

.

실

험시료의 종류별주성분 및특성은 다음

Table 1

과

같다

.

“

^소방시설^설치^유지^및^{안전관리에}^관한^법률^시행

령

”

에따르면방염대상물품의성능기준에따른시편의 크기는가로·세로

29 × 19cn

^로^하여

45

^도^{연소시험을}

하도록규정하고있다

.

따라서 본연구에서는

Table 1

의방염도료를두께

4.5mm

의

MDF(Middle density fiber

board)

에

45

도 연소시험에서 방염성능의 만족을 위한

시방서의규정대로

4

^회^이상^{도포처리하고}^{건조시켰으}

며

“

소방시설설치유지 및안전관리에관한법

”

에서 요구하는 방염성능 확인 결과 모두 만족하였다

.

^방염

처리된

MDF

는콘칼로리메터에서사용하는크기로가

로세로가각각

10cm

가되도록절단하였다

.

연소실험

용시료는도료의종류별로

3

개씩절단하여실험을실 시하였으며결과는 평균값을사용하였다

.

모재를

MDF

로 선정한 이유는 합판보다비교적 모 재의표면이 균일하고 재질이균질하기때문 방염처리 를균일하게할수있고작업성이편리하여실제작업 현장에서 많이사용하고있기 때문이다

.

3.2실험장치및방법

복사열의크기에따른시료의연소특성및착화시간 을측정하기 위한실험장치는

Figure 1

과같다

.

⁹⁾ 실험

장치의구성은콘히터

(Cone heater)

와히터제어기

,

시

q·

^''

= X

^r

Q·

4

π

c

²

---

Q·

q·

''

Table 1.

The Principal Ingredient and Characteristic of Sample

시료의구분 주성분 특성

A

수용성수지 수성

,

^발포성

,

^무광

B

무기염류

,

^{인계화합물 무광}

,

^비발포성

C

아크릴계수지 수성

,

비발포성

,

유광

D

,

^비발포성

,

^무광백색

E

,

^발포성

,

^무광백색

F

,

발포성

,

무광백색

G

아크릴계수지 유성

,

발포성

,

무광백색

H

알키드수지 수성

,

^비발포성

,

^유광

I

알키드수지 유성

,

비발포성

,

무광

J

,

비발포성

,

유광

K

,

^비발포성

,

^무광백색

L

염화고무수지 유성

,

^발포성

,

^유광

M

,

발포성

,

유광

N

,

발포성

,

무광

O

,

^발포성

,

^무광

P

,

발포성

,

유광

Q

,

비발포성

,

무광

(3)

료를 고정하기 위한 홀더

,

^{유량측정장치를}^부착한 ^배

출시스템

,

스파크점화회로

,

열류계

,

데이터수집및분 석장치등으로구성되어져있다

.

^{일반적으로}

10kW/

^이

상의복사열유속일때고체가연물에착화가일어나는

것으로 문헌에서 알려져 있어¹²⁾

10kW/m

²

, 15kW/m

²

,

20kW/m

²

, 25kW/m

²

, 30kW/m

²의복사열유속을 가하여 실험하였다

.

복사열의크기는연소실험전에제어장치 의전류를 조정하면서 열류계로복사열유속을 측정하 여보정하여놓았다

.

콘히터에의한착화실험을통해방염도료를칠한시 료와 칠하지 않은 일반

MDF

^의^{연소특성을} ^비교하였

다

.

연소특성을 비교하기위하여 복사열에의한 착화 지연 시간의 측정

,

시료표면의 온도측정 및착화현상 을관찰하였다

.

Figure 2

는콘히터에의한실험과정이며

Figure 2

의

(b)

에서와 같이시료에 복사열을가할 때

K-type

의열

전대를 시료표면에설치하여복사열 변화에 따른시 료표면의온도를측정하였다

. Table 2

^는^{복사열량에}^따

른콘히터내부와시료표면의 온도를측정한값이다

. 4. 결과 및 고찰

복사열유속의변화를주면서착화되는현상을관찰 하고착화시간을측정하였다

.

Figure 3

은적열착화와유염착화를 나타낸사진이다

.

(a)

^와 ^같이 ^{적열착화가} ^일어날 ^경우 ^시료 ^{전체표면에}

탄화가일어난후시료의모서리부터적열되기시작하 여점차시료전체가적열되는현상을보였으며

(b)

와 같이유염착화하는경우는시료의전체표면에탄화가 일어난 후발연량이증가함에따라 가연성가스에 점 화되면서 시료전체에착화되는현상을나타냈다

.

Table 3

은각각의복사열유속변화에따른시료의착

화현상 및착화시간을측정한 결과를 나타낸것으로 마지막의

NA

는방염처리하지않은

MDF

이다

.

결과의

비교를쉽도록하기위해

15kW/m

²와

30kW/m

²의경우

만

Figure 4

와

Figure 5

와같이 그래프로나타내었다

.

Table 3

에서보는바와같이

10kW/m

²의복사열유속

에서는방염처리하지않은시료

(NA)

에서만

9

분

30

초에 적열착화가되었을 뿐나머지방염처리 한모든 시료 에서는 탄화만 일어날 뿐 착화는 일어나지 않았다

.

Figure 5

는

15kW/m

²의 복사열을가하였을 경우 착화

지연시간을그래프로비교한것으로방염처리한

MDF

에서도적열착화

(glowing)

가일어나기시작했으나일반

Figure 1.

Schematic layout of experimental system.

Figure 2.

Photograph of combustion test procedure by cone heater.

Table 2.

Radiant Heat Flux and Sample Surface Temperature According to Cone Heater Temperature

10kW/m

²

15kW/m

²

20kW/m

²

25kW/m

²

30kW/m

²

콘히터 시료표면 콘히터 시료표면 콘히터 시료표면 콘히터 시료표면 콘히터 시료표면

365

^o

C 155

^o

C

± 20 415

^o

C 205

^o

C

± 20 465

^o

C 260

^o

C

± 20 515

^o

C 305

^o

C

± 20 565

^o

C 360

^o

C

± 20

(4)

MDF

보다는착화지연효과가나타나는것으로나타났다

.

20kW/m

²^의^복사열을^가하였을 ^때^{방염처리하지} ^않

은

MDF

에서유염착화

(flaming)

가일어났으며일부방

염처리 한시료에서도유염착화가 일어났다

.

그리고

25kW/m

²의복사열을 가하였을 때는

E

시료

를제외한모든시료에서유염착화가일어났으나일반

MDF

보다는약간의착화지연효과가있는것으로나타

났다

. Figure 5

에서보는바와같이복사열유속이

30kW/

m

²가되었을때는방염처리한시료에서뚜렷하게착

화지연효과가나타나지않는것으로나타났다

.

전체시 료중

9

개시료가방염처리하지않은

MDF

보다착화

가 빠르게 일어났으며 늦게 착화된 시료도 방염처리 하지 않은

MDF

에비해 착화지연시간의 차이가 크지

않은점으로 보아

30kW/m

² ^{이상에서는}^{방염처리효과}

를얻기어려울것으로판단된다

.

Figure 6

은복사열을

30kW/m

²증가시켜가열하여도

점화되지않은

E

시료의연소실험결과를나타낸사진이다

. E

^시료의^경우^발포성^{수성방염도료를}^칠한^시료로서

Figure 6

에서와같이부풀어오른도막의탄화층이

MDF

Figure 3.

Photograph of ignition mode of specimen.

Table 3.

Ignition Time and Phenomena of Specimen according to Radiant Heat Flux

복사열시료

10kW/m

²

(

^착화여부^및^시간

) 15kW/m

²

(

) 20kW/m

²

(

) 25kW/m

²

(

^착화여부 ^및^시간

) 30kW/m

²

(

) A × 7

분

24

초

(glowing) 3

분

39

초

(flaming) 3

분

15

초

(flaming) 1

분

54

초

(flaming) B × 6

분

42

초

(glowing) 4

분

10

초

(glowing) 2

분

38

초

(flaming) 1

분

53

초

(flaming) C × 6

^분

42

^초

(glowing) 4

^분

7

^초

(glowing) 2

^분

2

^초

(flaming) 1

^분

24

^초

(flaming) D × 4

분

28

초

(glowing) 5

분

32

초

(flaming) 2

분

58

초

(flaming) 2

분

05

초

(flaming)

E × × × × ×

F × 7

^분

50

^초

(glowing) 6

^분

15

^초

(glowing) 5

^분

50

^초

(flaming) 2

^분

59

^초

(flaming) G × 6

^분

11

^초

(glowing) 4

^분

50

^초

(flaming) 2

^분

19

^초

(flaming) 1

^분

56

^초

(flaming) H × 6

분

10

초

(glowing) 5

분

07

초

(flaming) 2

분

22

초

(

착화

) 1

분

27

초

(flaming)

I × × 5

^분

57

^초

(glowing) 3

^분

59

^초

(flaming) 2

^분

11

^초

(flaming)

J × 7

^분

51

^초

(glowing) 7

^분

25

^초

(glowing) 3

^분

34

^초

(flaming) 2

^분

45

^초

(flaming) K × 5

분

29

초

(glowing) 3

분

53

초

(glowing) 2

분

20

초

(flaming) 1

분

38

초

(flaming)

L × × 3

분

35

초

(glowing) 2

분

13

초

(flaming) 1

분

45

초

(flaming)

M × 6

^분

12

^초

(glowing) 4

^분

50

^초

(glowing) 2

^분

57

^초

(flaming) 2

^분

24

^초

(flaming) N × 6

분

13

초

(glowing) 3

분

38

초

(glowing) 2

분

30

초

(flaming) 1

분

53

초

(flaming) O × 4

분

46

초

(glowing) 4

분

1

초

(flaming) 2

분

53

초

(flaming) 1

분

46

초

(flaming) P × 6

^분

20

^초

(glowing) 4

^분

42

^초

(glowing) 3

^분

36

^초

(flaming) 2

^분

5

^초

(flaming) Q × 4

분

05

초

(glowing) 3

분

27

초

(flaming) 1

분

57

초

(flaming) 1

분

29

초

(flaming) NA 9

분

30

초

(glowing) 4

분

03

초

(glowing) 3

분

5

초

(flaming) 1

분

55

초

(flaming) 1

분

55

초

(flaming)

Figure 4.

Ignition time of specimens at 15kW/m

²

radiant

heat flux.

(5)

모재를 보호함으로서

30kW/m

²^의 ^복사열을 ^가하여도

도막이소멸되지않기때문에열을차단하여착화되지

않는것으로판단된다

. 30kW/m

²^의^복사열을^가하였을

경우

E

시료를 제외한 모든 시료에서유염 착화가 일 어났는데이들 시료모두방염도료를칠한 도막이열 에견디지못하고소멸되거나모재에서분리되어지면 서 착화가 일어났다

.

따라서 높은 열에서 방염성능을 갖기위한가장중요한요건은도막이열에어느정도 견뎌주고열을 차단하는가에 따라착화지연효과를기 대할수있다고판단된다

.

이와같은 연구결과는일본의목조 문화재방염연 구결과에서도유사하게나타나고있는데목재에방염

처리를하였을경우복사열이

20kW/m

²이하에서는확

실히착화지연효과가있으나

30kW/m

²를넘게되면착 화지연효과가 현저히 감소하는경향을 보인다고판단 할수있다

.

앞의 식

(1)

로부터 주어진 복사열유속을 갖는 화재 의크기를개략적으로계산하면복사열이

30kW/m

²정 도이면

2

단위휘발유 화재규모에서

1m

거리에서 받 는복사열과같은정도로이이상이되는경우에는방 염처리한목재를설치하였어도방염효과를기대하기

어렵게됨을알수있었다

.

또한

30kW/m

²의복사열에

서시료의표면에서측정된온도가

360 ± 20

^o

C

였다

.

일

반적인화재시확산연소화염의온도가

800

^o

C

^정도

임을고려할때방화나화재의확대에의해직접화염 에노출될 경우에도방염에 의한화재 지연효과를기 대하기곤란함을 알수있었다

.

5. 결 론

소방시설설치유지및안전관리법에서요구하는방 염성능을 갖도록 처리된 시료들이 실제의 화재 시에 어느정도 화재지연효과를나타낼 수있을지에대한 평가를 위하여시중에 유통되는

17

종류의방염도료를 사용하여처리된

MDF

를콘히터를사용하여연소특 성실험을실시하였다실험결과다음과같은결론들을 얻을수있었다

.

1.

방염도료처리에의한착화한계열유속은

10kW/

m

² 정도임을 알수있었다

.

2.

소방시설설치유지및안전관리법에적정하도록 방염처리를하였을 지라도

30kW/m

² 이상의 복사열을 갖는화염에서는 방염에의한화재 지연효과는 기대 하기어려울것으로 판단된다

.

3.

화재에의해화염에직접접촉하는

400

^o

C

이상의

온도범위에서는방염에 의한화재 지연효과를갖기는 곤란할것으로판단된다

.

4.

방염도료에의한화재지연효과를높이기위해서 는방염도료의도막이열을차단할수있는구조를갖 는것이바람직하다

.

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^제

Figure 5.

Ignition time of specimens at 30kW/m

²

radiant heat flux.

Figure 6.

Photograph of combustion test result of E

specimen at 30kW/m

²

radiant heat flux.

(6)

49

호

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