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미세캡슐을 이용한 소화(소방) 벽지 개발

㈜지에프아이
화재는 언제 어디서나 다양한 이유로 발생된다. 특히 요즘 같은 건조한 날씨에 전기합선이나 가전제품 문제 등으로 화재가 일어난다면 작은 불씨라도 위협적인 불길로 번지기 십상이다. 우리가 일상을 살아가는 주거 공간이나 고시원, 숙박업소 등에서 화재가 발생하여 초기 진압이 어려울 경우 불길이 벽지나 가구를 타고 올라가 많은 재산과 인명의 피해를 초래하게 된다. 이 때문에 화재 발생 시 가장 중요한 것이 바로 초기 진압이다. 이에 (주)지에프아이에서는 소화용 마이크로캡슐을 함유한 ‘소화벽지’를 이용해 화재 예방 및 진압과 재산·인명피해를 최소화하고자 한다.

제1장 서론

1.1 연구개발의 필요성

주택 화재의 경우 화재를 초기에 진압하지 못하면 벽면의 벽지를 타고 급격한 확산으로 인한 대형화재로 이어져 많은 재산 피해와 인명피해가 나오고 있다. 소방청의 12년~19년도의 주택 화재 통계에서 심야 취약시간인 0~6시가 화재 발생률 대비 많은 사망자가 발생하는 구간으로 집계됐다.
<그림 1> 2012~2019년 시간대 별 주택 화재 및 사망자 발생율 집계표

시간대별 발생 현황

시간대별 발생 현황
합계 0~6시 6~12시 12~18시 18~24시
화재건수 사망자 화재건수 사망자 화재건수 사망자 화재건수 사망자 화재건수 사망자
62,634 1,159 9,948 381 15,063 233 21,106 245 16,517 300

· 최근 8년간 주택화재 시간대별 사망자는 0~6시에 381명으로 가장 많은 사망자 발생

※ 화재 발생율은 심야 취약시간인 0~6시(15.9%)의 경우 낮 시간대인 12~18시(33.7%)의 절반에 불과하지만, 사망자 발생 비율은 32.9%(381명)로 낮 시간대보다 21.1%(245명)가 더 높음

· 그 다음으로 18~24시 300명, 12~18시 245명, 6~12시 233명순으로 사망자가 많이 발생

이처럼 취약시간에 발생하는 화재뿐만 아니라 부주의로 인한 화재에서도 벽지를 통한 급격한 화재 확산을 방지하는 것이 필요하다.
이에 벽지의 표면이나 다층 구조로 난연제나 방염제가 함유된 방염 벽지가 개발, 시중에 사용되고 있으나 화재가 지속됨에 따라 일반 벽지보다 더 많은 일산화탄소와 이산화탄소가 생성되는 단점을 가지고 있다.
따라서 방염성능을 충족시킬 뿐 아니라 더 나아가 소화에 직접적인 영향을 줄 수 있는 소화벽지의 개발이 필요하다.

1.2 개발제품 개요

본 과제 ‘소화용 마이크로캡슐을 함유한 소화 벽지의 개발’의 실용화 개발을 통하여, 새벽 같은 취약시간이나 부주의 및 초기진압에 실패한 화재들을 소방청 고시의 소화 약제가 들어있는 마이크로캡슐을 이용한 제품을 통해, 발생 초기에 능동적인 예방 및 진압하고, 재산 피해와 인명피해를 최소화할 수 있도록 하는 기술을 실용화시키는 것을 목표로 한다.

제2장 개발목표

2.1 연구개발 목표

- 도배나 설치가 용이한 소화 필름의 개발
- 벽지 뒷면의 소화 필름의 코팅 기술 개발
- 일반 벽지의 전소 시간 증가 및 방염벽지 이상의 성능을 보유한 소화벽지 개발.

2.2 연구개발 평가척도

본 과제 ‘소화용 마이크로 캡슐을 함유한 소화벽지의 개발’의 연구개발 평가척도는 다음 <표 1> 와 같다.

<표 1> 연구개발 평가척도

구분 내용 지표
마이크로캡슐의 반응성 열중량 분석
(Thermo-Gravimetric analysis, TGA)
온도, 중량감소율
마이크로캡슐의 유효성 전소 시험 완전 전소 시간
소화 필름의 유효성 45° 연소 시험 방염 기준 충족
연기밀도 시험 방염 기준 충족

2.3 연구개발 내용

가. 연구개발 내용
- 계획수립 및 자료조사
이 단계에서는 연구개발의 단계적 계획수립과 유사제품의 선행기술의 자료를 조사한다.
- 핵심물질 개발 및 연구
소화 필름에 사용되는 여러 원재료들 중 마이크로 소화캡슐 사이의 반응성을 각각 확인하여 소화 캡슐에 미치는 영향이 없는 원재료를 찾는 연구를 진행한다.
- 시제품 제작 및 시험
소화 필름의 성능 시험(열 반응성, 전소 시험, 연소 시험 등)
시험은 공인 시험소에서 진행한다. 성능 관련 문제가 발생되면, 기존의 파라미터를 변경하여 연구 진행한다.

제3장 연구개발 결과

3.1 실험 및 분석자료

가. 실험 및 제조
- 소화용 마이크로캡슐이 함유된 소화 벽지 제조
① 개시제 TPO 1%와 PI184 5%를 준비
② ①에 모노머 CTFA 1%, HDDA 2%, THFA 1%, IBOA 6%, SR217 7%을 혼합
③ ②에 올리고머인 CN8887 14%, PU3000 9%, 첨가제 BYK333 0.1%, Otsuka SPB-100 4%를 투입해 광경화성 수지 제조
④ 생성한 광경화성 수지에 소화용 마이크로 캡슐을 1:1의 비율로 혼합
⑤ 벽지 원지 뒷면에 제조한 ④을 도포 후 UV 250mJ/cm2 조건에서 경화
=> 2600W, 40℃에서 경화 진행
⑥ 사용 목적과 목표 규격에 맞게 재단
<그림 2> 소화용 마이크로캡슐이 함유된 소화 벽지의 제조 Process
시간대별 발생 현황
나. 결과물
<그림 3> 소화 필름 및 소화필름이 적용된 소화벽지
통계자료집
다. 분석자료
- 열중량 분석(Thermo-Gravimetric analysis, TGA)
본 과제를 위해 제작된 점착성을 갖는 소화용 마이크로캡슐을 포함한 점착형 필름층에 함유된 소화 약제와 반응 시작온도, Peak Point를 확인하기 위해 열중량 분석(TGA)를 진행했으며, 그 결과는 아래의 <그림 4>과 같다.
사용된 시편의 무게는 2.6mg로써 시편에 내재되어 있는 소화용 마이크로캡슐이 승온에 따라 소화 약제가 상변이와 동시에 부피팽창으로 인해 소화 약제가 분출됨으로 –62.23% 질량 감소의 그래프를 보이며 반응 시작 온도(Onset)은 138.6°C를 나타내며, 반응의 종료 온도는 151.5°C를 나타낸다. 가장 활발히 반응하는 온도는 144.0°C인 Peak Point를 확인할 수 있다.
<그림 4> 접착형 필름의 TGA 그래프
시간대별 발생 현황

3.2 성능시험 및 검증

가. 벽지 전소 시험
일반 벽지의 화재 취약성을 확인 및 소화용 마이크로캡슐의 유효성을 확인하기 위해 일반 실크 벽지(조건 1), 실크 벽지에 물풀을 도배(조건 2), 소화용 마이크로캡슐과 물풀을 5 : 1의 비율로 혼합한 뒤 실크 벽지에 도포(조건 3), 총 3가지의 조건으로 전소 시험을 가스라이터를 이용해 진행했다. 각 조건의 면적은 0.5m x 0.5m(0.25m2)으로 고정하였으며, KFI의 45° 연소 시험과 유사한 환경에서 진행하기 위해 벽지를 철판에 부착 후 벽지 방향으로 45° 기울인 뒤 가운데 부분을 가스라이터로 점화하였고, 벽지가 발화가 시작한 시점부터 벽지의 잔염이 완전히 사라졌을 때까지의 시간을 측정하였다.
온도 27℃, 습도 37%의 조건에서 실험을 진행했으며, 조건 1은 실크 벽지는 0.5m x 0.5m(0.25m2)의 크기로 연소를 진행했으며, 실험 결과는 각 116s, 92s, 110s 평균 106s 만에 완전연소 되었다.
조건 2는 실크 벽지 0.5m x 0.5m(0.25m2)에 물풀 3.8g, 물 121ml를 사용해 벽지에 풀을 도포한 후 전소 시험을 진행하였고, 각 109s, 101s, 99s 평균 103s 만에 전소됐다.
조건 3은 조건 2에서 물풀의 접착력을 저하하지 않는 선에서 소화용 마이크로캡슐을 최대로 투입해 진행했으며, 물풀과 소화용 마이크로캡슐은 1 : 5의 비율(3.8g : 19g)로 섞어 벽지에 바른 뒤 전소 실험을 진행했다. 결과는 아래 표와 같이 각 333s, 315s, 321s 평균 323s로 조건 1보다 약 3.05배, 조건 2보다 약 3.14배 더 늦게 전소가 됐다.

<표 3> 벽지 전소시험 결과

Samples 면적 (m) 전소 시간(s)
1 2 3
조건 1 0.5 x 0.5 116 92 110
조건 2 0.5 x 0.5 109 101 99
조건 3 0.5 x 0.5 333 315 321
나. 소방청 방염성능기준 -45° 연소 시험 및 최대연기밀도 시험
소화용 마이크로캡슐이 함유된 소화 벽지의 성능을 검증하기 위하여, 소방청에서 고시한 방염성능기준에 충족하는지 45° 연소 시험 및 최대연기밀도 시험을 진행하였다.
소방청이 고시한 방염성능기준은 하기의 <표 4>와 같다.
45° 연소 시험과 방염성능기준은 한국소방산업기술원(KFI)에서 진행했으며, 시험방법은 KOFEIS 1001 및 ASTM E 662에 맞게 진행되었다.

<표 4> 방염성능기준 및 45° 연소 시험과 연기밀도시험 기준

제4조 (방염성능의 기준) ① 영 제20조제2항제1호부터 제4호에 따른 방염성능기준은 제5조부터 제7조, 제7조의2, 제7조의3 및 제9조에 따른 측정기준 및 방법을 적용하여 측정하였을 때 다음 각 호에서 규정하는 기준에 적합하여야 한다. 다만, 접염횟수의 기준은 용융하는 물품에 한하여 적용한다.
3. 두꺼운 포의 방염성능기준은 잔염시간 5초 이내, 잔신시간 20초 이내, 탄화면적 40cm2 이내, 탄화길이 20㎝ 이내, 접염횟수 3회 이상 이어야 한다. 이 경우 내세탁성을 측정하는 물품은 세탁전과 세탁 후에 이 기준에 적합하여야 한다.
제6조 (얇은 포 및 두꺼운 포의 방염성능 측정기준 및 방법) ① 얇은 포 및 두꺼운 포의 방염성능측정기준 및 방법은 다음 각 호에 적합하여야 한다.
1. 연소 시험장치는 [별도 1]의 연소 시험함, [별도 5]의 시험체받침틀 및 [별도 3]의 전기불꽃 발생장치로 하고, 얇은 포의 시험에 있어서는 [별도 6]의 마이크로버너, 두꺼운 포의 시험에 있어서는 [별도 7]의 맥켈버너를 사용한다.
2. 시험에 사용하는 연료는 KS M 2150(액화석유가스)에 적합하여야 한다.
3. 시험체는 2m2이상의 측정대상물품에서 임의로 잘라낸 가로 35㎝, 세로 25㎝의 것으로 3개씩 만든다.
4. 시험체의 건조는 (50 ± 2)℃인 항온건조기안에서 24시간 건조한 후 실리카겔을 넣은 데시게이터안에 2시간동안 넣어둔다. 다만, 열에 의한 영향을 받지 아니하는 것은 (105 ± 2)℃의 항온건조기 안에서 1시간 건조한 후 실리카겔을 넣은 데시케이터안에 2시간 동안 넣어둔 것으로 할 수 있다.
5. 성능시험측정은 다음 방법에 의한다.
가. 시험체는 시험체 받침틀 안에 느슨하지 아니하게 고정할 것. 다만, 용융하는 물품은 가로 263mm, 세로 258mm의 시험체가 가로 250mm, 세로 150mm인 시험체지지틀 안에 들어가도록 설치할 것
나. 버너의 불꽃의 길이는 마이크로버너에 있어서는 45mm, 맥켈버너에 있어서는 65mm로 할 것
다. 불꽃의 선단이 시험체 중앙 하단에 접하도록 버너를 설치할 것
라. 탄화길이는 시험체의 탄화부분에 있어서의 최대길이로 할 것
마. 가열은 각 시험체에 대하여 얇은 포에 있어서는 1분간, 두꺼운 포에 있어서는 2분간 실시하며, 가열시간중에 착염하는 시험체에 대하여 다시 시험하되, 착염한 후부터 얇은 포에 있어서는 3초 후에, 두꺼운 포에 있어서는 6초후에 버너를 제거할 것
제8조 (방염물품의 연기밀도 측정기준 및 방법) 방염물품의 연기밀도 측정기준 및 방법은 다음 각 호의 방법을 적용한다.
1. 시험장치 및 절차는 ASTM E 662(고체물질에서 발생하는 연기의 비광학밀도를 위한 표준시험방법)에 따른다. 다만 용융하는 물품은 KS M ISO 5659-2(프라스틱-연기발생 제2부 : 단일연소쳄버시험에 의한 연기밀도)에 따른다
2. 가열은 2.5 W/cm2의 방열기와 파이롯트버너(프로판가스 50cm3/분, 공기 500cm3/분 으로 공급)를 사용한다 다만 KS M ISO 5659-2의 방법으로 시험하는 경우에는 2.5W/cm2의 방열기와 불꽃길이가 30mm인 버너를 사용한다.
3. 최대연기밀도는 다음 계산식으로 산출한다.
4. 최대연기밀도는 보정값을 3회 이상 측정하여 중위수 값으로 한다.
5. 소파·의자는 겉감 및 충진재를 구분하여 측정한다. 평평한 표면에 부착 후 표면과 수직으로 떼어낸다. 제품의 부착력은 0.18N/mm(시험 동안의 평균부착력(N)/제품의 폭(mm))이상이어야 한다.
45° 연소 시험은 전소 시험을 통해 유효성을 확인한 소화용 마이크로캡슐을 점착성을 갖는 필름 형태로 제작 벽지 뒷면에 적층 구조로 제작해 소화력의 테스트를 진행했으며, 결과는 아래 Table 3, 4와 같다.
0.5mm의 두꺼운 포 시료는 잔신 시간 0s, 잔염 시간 0s, 평균 탄화 면적 27.8cm, 평균 잔신 길이 7.9cm로 방염성능기준인 40cm, 20cm 보다 30.5%, 60.5% 낮게 측정되어 방염성능을 충족하였다.

<표 5> 45° 연소 시험 결과

구분 기준 결과
1 2 3
잔신 시간(sec) 5 0.0 0.0 0.0
잔염 시간(sec) 20 0.0 0.0 0.0
탄화 면적(cm2) 40 26.9 28.6 27.8
탄화 길이(cm) 20 7.7 8.1 7.8
연기 밀도시험은 일정한 두께의 시료를 2.5W/cm2 의 복사열을 가하고 연소하면서 발생하는 연기에 수직 방향으로 통과되는 빛의 강도를 측정하여 연기농도를 측정하는 시험이다.
연기밀도는 식 (1)에 의해 계산하여 나온 최대연기밀도 측정값은 얇은 포 시료는 71.0, 76.0, 82.0 평균 76.3으로 시료 내 유기 물질의 함유량이 낮아 연기밀도도 현저히 낮게 측정되었으며, 두꺼운 포 시료는 113.6, 115.1, 112.8 평균 113.8로 한국소방산업기술원(KFI)의 방염 기준 200보다 각 64.5%, 43.2% 낮게 측정되었을 뿐 아니라 동일한 ASTM E 662 기준으로 측정한 시중에 판매되고 있는 방염 실크 벽지의 경우 36.8% 높은 약 180으로 측정되었다.
연기밀도시험은 연기밀도(Ds)는 아래 식 (1)에 의해 계산한다.
Ds = G(log10 (100/T)................................(1)
G(연기밀도의 챔버의 기하학적 요소) = V/(A · L)
V = 실험 챔버의 용적(m3)
A = 실험체의 폭로 면적(m2)
L = 연기를 통과하여 빛이 지나간 길이(m)
T = PM(Photo Multiplier) 마이크로광도계 투과율(%)

<표 6> 최대연기밀도시험 결과

시료 Standard Smoke Density
1 2 3
소화 벽지 200 미만 113.6 115.1 112.8

제4장 결론

4.1 연구 결론

1) 본 연구를 통해 개발한 소화벽지를 전소시험, 45° 연소 시험 및 연기밀도시험을 진행함해서 방염벽지보다 뛰어난 성능을 가지는 결과 값을 확인했고 열중량분석(TGA)를 통해 점착형 소화 필름의 반응 시작온도, Peak point, 반응 종료 온도 및 중량감소율 등의 열적 특성을 확인했다.
가. 일반 실크벽지에 소화용 마이크로캡슐이 적용되면 벽지의 전소를 지연시킨다.
나. 소화용 마이크로캡슐 점착성 필름층의 두께가 0.5mm 이상일 때 벽지의 방염성능을 충족시키고 소화 성능을 확인했다.
다. 소화용 필름의 열중량 분석결과 반응 시작온도는 138.6℃로 5분 이내 200℃까지 도달하는 주택화재 내에서 화재 초기에 반응 할 수 있음을 확인했다.

4.2 연구개발 활용방안 및 기대효과

1) 연구개발 활용방안
본 연구를 통해 개발된 제품은 새벽시간의 화재 취약시간이나 부주의로 일어난 화재 시 벽지를 통한 급격한 화재 확산을 막고, 대피에 필요한 골든타임을 확보해줌으로써 인명피해 및 재산피해를 줄일 수 있다.
벽지 뒷면의 소화 필름에 띠벽지처럼 자체적인 접착력을 부여해 도배나 필요한 부분에 쉽게 부착해 사용할 수 있다.
특히 화재 발생 시 심각한 인명피해가 발생하는 고시원이나 숙박업소에 적용이 될 수 있으며, 직접 소화기 사용이 어려운 아동, 노인, 장애인, 여성 인력 상주 지역 및 병원 등 복지시설에도 용이하게 활용될 수 있다.
2) 연구개발 기대효과
가정이나 좁은 공간에서의 화재 발생 시 기존 일반 벽지에 비해 급격한 화재의 확산을 방지하고 대피하는데 필요한 골든타임을 확보함으로써 구조대가 도착하기까지의 시간을 벌며, 화재에서 발생하는 인명 피해 및 재산 피해를 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
참고 문헌 및 자료
1. 소방청 주택화재 통계 (2019년)
2. 최연이·이성은·오규형, “벽면 내장재의 연소특성 연구”, 호서대학교 소방학과 , 2006년 춘계학술논문발표회.
3. 소방청 방염성능기준(시행 2019. 1. 10)
4. 소공간용 소화용구의 KFI인정기준(개정 2019.8.8.)(시행 2019.9.1)