내화성 테스트 및 화재 안전 엔지니어링

로다, 자기소개와 소속 대학, 지원/연구 분야에 대해 소개해 주시겠어요?

저는 스웨덴 룰레오 공과대학교(LTU)의 박사후 연구원 로다 아프리이 멘사입니다. 저는 중국 난징과학기술대학교에서 기계공학 박사 학위를 취득하고, 재료의 열 분석 및 가연성 분야에서 인공지능의 응용을 연구했습니다. 저는 2021년부터 LTU의 구조 및 화재 엔지니어링 부서 산하 화재 방지 엔지니어링 그룹에서 박사 후 과정을 시작했습니다. 저의 연구 배경은 재료의 화재 거동을 평가하고 재료에 난연제를 통합하여 가연성을 낮추는 데 중점을 두고 있습니다. 연구를 위해 콘 열량계와 미세 연소 열량계를 비롯한 다양한 화재 테스트 장비를 사용했습니다. 또한 소방공학과 학생들에게 열전달 과정을 가르치고 소방공학 실험실을 관리하는 것도 제 업무의 일부입니다.

NETZSCH 와의 협력은 언제부터 시작되었으며, 저희 솔루션을 사용하기 전에 귀사의 부서에서 겪었던 구체적인 어려움은 무엇이었나요?

이 협력은 2022년 8월에 시작되었습니다. 소방 공학 연구소는 NETZSCH TCC 918 콘 열량계를 도입하기 전에 기존 콘 열량계로 상당한 어려움에 직면했습니다. 이 장치는 연소실이 개방되어 있어 사용자가 화염과 열에 노출될 위험이 있었습니다. 또한 구형 모델은 독성 화학물질이 포함된 건조제인 드라이라이트를 사용했습니다. 우리는 이러한 문제를 해결하면서 화재 행동 연구를 효과적으로 수행할 수 있는 역량을 강화할 수 있는 솔루션을 찾았습니다. TCC 918은 더 안전한 밀폐형 연소실을 제공하고 독성 물질을 사용할 필요가 없어 이러한 우려를 해결해 주었습니다.

로다, 구체적인 애플리케이션에 대해 자세히 설명해 주시겠어요?

룰레오 공과대학교에 설치된 이후, NETZSCH TCC 918 콘 열량계는 다양한 재료의 화재에 대한 반응 특성을 탐구하는 데 광범위하게 활용되어 왔습니다. 예를 들어, 이 첨단 장비를 사용하여 목재, 플라스틱, 섬유, 복합재, 바이오 숯, 다양한 식물, 심지어 콘크리트와 같은 재료의 가연성 및 연소 거동을 성공적으로 연구해왔습니다. 이를 통해 이러한 재료가 화재 시나리오에서 어떻게 작동하는지에 대한 중요한 데이터를 수집하여 화재 안전 공학 연구에 크게 기여하고 건설 및 자재 산업에서 더 안전한 재료 응용 및 화재 예방 전략을 개발하는 데 도움을 줄 수 있었습니다.

분석 및 측정 결과를 자세히 설명해 주세요.

아래 그래프는 NETZSCH TAURUS TCC 918 기기에서 측정한 시간(초)에 따른 다양한 재료의 열 방출률(kW/m²)을 나타냅니다. 라벨에 대한 분석은 다음과 같습니다:

Neat WG(깔끔한 밀 글루텐): 이 선(검은색)은 첨가물 없이 압축 성형된 순수 밀 글루텐의 열 방출 속도를 보여줍니다. 초기에 700kW/m² 이상에 도달하는 급격한 정점을 보인 후 빠르게 감소하여 0에 가깝게 안정화되어 빠른 연소를 나타냅니다.

BC_APP_WG_COMP(바이오차-암모늄 폴리인산 밀 글루텐 복합물): 이 선(빨간색)은 밀 글루텐, 바이오차, 난연제인 폴리인산암모늄의 복합물을 나타냅니다. 이 선은 훨씬 더 낮고 점진적인 열 방출 속도를 보여 주며, 약 150kW/m²에서 정점에 도달한 후 서서히 줄어드는데, 이는 바이오숯과 폴리인산암모늄을 첨가하면 밀 글루텐의 가연성과 최고 열 방출 속도가 74%까지 크게 감소한다는 것을 나타냅니다.

BC_라노솔_WG_COMP(바이오차-라노솔 밀 글루텐 복합물): 선(파란색)은 밀 글루텐, 바이오차, 난연제인 라노솔의 복합체를 나타냅니다. BC_APP_WG_COMP와 마찬가지로 이 합성물도 깔끔한 밀 글루텐에 비해 14%의 감소된 최고 열 방출률을 보여줍니다. BC_APP_WG_COMP보다는 높은 피크를 보이지만 Neat WG보다는 현저히 낮게 유지되어 효과적인 난연성을 나타냅니다.

또한 곡선은 라노솔과 바이오숯을 첨가하면 깔끔 WG의 발화 시간이 약간 개선되었지만 APP와 바이오숯은 발화 시간이 크게 개선되었음을 보여줍니다.

전반적으로 그래프는 다양한 첨가제(폴리인산암모늄과 라노솔이 함유된 바이오차)가 화재에 노출되었을 때 밀 글루텐의 열 방출률과 발화 시간을 줄이는 데 미치는 효과를 보여주며, 이는 밀 글루텐으로 만든 재료의 화재 안전성을 향상시키는 데 중요합니다.

얻은 결과를 연구, 품질 관리, 개발 또는 생산을 개선하는 데 어떻게 사용했나요?

콘 열량계는 건축 자재의 내화성을 평가하는 데 중요한 표준 ISO 834 곡선 및 파라메트릭 곡선( small 스케일)을 적용하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이 제어 시스템은 최대 온도 한계인 1000°C까지 이 곡선을 준수하는 데 능숙하여 대부분의 재료 테스트에 대한 요구 사항을 충족했습니다. 이 기능은 특히 스크리닝 목적으로 테스트 규모를 축소하려는 프로젝트의 목표 중 하나를 지원하는 데 유용했습니다. 콘 열량계의 다용도성 덕분에 테스트 프로세스가 개선되어 내화성 선별 테스트의 접근성과 비용 효율성을 높일 수 있었습니다. 이 기능은 건설 산업의 새로운 재료와 기술을 평가하는 데 특히 유리한 내화성 테스트의 가용성을 확대하려는 장기 프로젝트 목표와도 일치합니다.

솔루션 사용 또는 분석 결과가 비즈니스에 어떤 영향을 미쳤나요? 상당한 비용 절감 또는 효율성을 달성했나요?

예, 콘 열량계를 사용하면 기존의 내화성 테스트에 비해 상당한 비용 절감과 효율성을 달성할 수 있습니다. 기존에는 이러한 테스트에 매우 많은 large 샘플이 필요했지만, 콘 열량계를 사용하면 최대 50mm 두께의 100×100mm 크기의 샘플만 있으면 됩니다. 이렇게 시료 크기를 줄이면 사용되는 재료의 양이 크게 줄어들고 결과적으로 전체 테스트 비용도 절감됩니다. 또한 콘 열량계의 에너지 소비량은 일반적으로 내화성 테스트에 사용되는 large 용광로보다 훨씬 낮습니다. 이는 직접적인 에너지 절약으로 이어질 뿐만 아니라 환경에 미치는 영향을 최소화하여 보다 지속 가능한 테스트 프로세스에 기여합니다. 이러한 효율성은 내화성 테스트의 접근성과 비용 효율성을 높여 테스트 가용성을 개선하고 운영 비용을 절감하려는 목표에 부합할 것입니다. 그러나 이는 오리엔테이션 및 선별 목적의 small-규모 테스트라는 점을 강조해야 합니다. 건축 요소의 분류를 위해서는 large-스케일 용광로 테스트가 필요합니다.

새로운 연구 인사이트를 얻었거나 완전히 새로운 개발이 이루어졌나요?

네, 콘 열량계를 사용하여 새로운 연구 통찰력을 얻을 수 있었고 화재 안전 공학 분야에서 혁신적인 접근법을 개발할 수 있었습니다. 다양한 화재 시나리오를 시뮬레이션할 수 있는 이 장치의 정밀도와 유연성 덕분에 바이오 숯과 같이 일반적으로 표준 화재 테스트에 포함되지 않는 물질을 포함한 다양한 물질의 화재 거동을 심층적으로 조사할 수 있었습니다. 이를 통해 화재 조건에서 재료가 연소하고 상호 작용하는 방식을 이해하는 새로운 길이 열렸습니다. 한 가지 중요한 발전은 난연성 소재 배합의 개발입니다. 연구자들은 통제된 화재 테스트에서 다양한 복합재료가 어떻게 작동하는지 관찰함으로써 열에 대한 내성을 강화하기 위해 재료 구성을 조정할 수 있었습니다. 이러한 인사이트는 화재 안전의 광범위한 분야에도 기여했습니다. 또한 열량계는 화학, 목재 과학 및 다른 기관의 화재 안전 공학 부서의 통찰력을 결합하여 재료의 가연성을 탐구하는 학제 간 협업을 촉진했습니다. 이러한 협력적 접근 방식은 연구의 범위를 넓혔을 뿐만 아니라 그 영향력 또한 증대시켰습니다.

고객 지원 및 서비스에 대한 경험도 있으신가요?

고객 지원 및 서비스에 대한 저희의 경험은 매우 긍정적이었으며, 특히 NETZSCH TAURUS Instruments의 전문가 팀의 공헌 덕분에 더욱 그러했습니다. 그들의 신속하고 지식이 풍부한 답변은 우리가 콘 열량계를 효과적이고 효율적으로 사용하는 데 큰 도움이 되었습니다. 시운전 중에 기술적 문제가 발생하거나 장비에 대한 질문이 있을 때마다 NETZSCH Taurus 팀은 신속하고 정확한 지원을 제공하여 가동 중단 시간을 최소화하고 전반적인 생산성을 크게 향상시켰습니다. 그들의 전문 지식은 일상적인 유지보수 및 문제 해결뿐만 아니라 특정 연구 요구에 맞게 열량계 사용을 최적화하는 데도 도움이 되었습니다. 저희의 서비스 경험과 만족도를 크게 향상시켜준 그들의 헌신과 전문성에 깊이 감사드립니다.

앞으로 해결하고 싶은 다른 과제가 있으신가요?

앞으로 첨단 소재 화재 테스트와 업계 표준을 재정의할 수 있는 친환경 및 내화성 소재 개발에 중점을 두고 귀사와의 협력을 강화할 수 있게 되어 기대가 큽니다. 또한 실시간 현장 측정을 위해 카메라를 추가하는 등 장비에 첨단 기술이 필요할 것으로 예상합니다. 또한, 저희 팀이 진화하는 장비의 기능을 충분히 활용할 수 있도록 교육 프로그램과 워크샵을 확대하는 것도 큰 가치가 있다고 생각합니다. 이러한 지속적인 파트너십은 우리의 연구 역량을 강화할 뿐만 아니라 화재 안전 기술의 획기적인 발전에도 기여할 것입니다.

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