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1. 서 론

본 연구는 Ro et al. (2020)의 후속연구로서 방열보호복의 열적방호성능평가를 위한 4가지 실험 중 기존에 수행한 ISO 15025를 제외하고 나머지 ISO 9151 (2016), ISO 6942 (2002), ISO 17492 (2019)를 수행하였다. 앞선 연구의 주요 개념은 다음과 같다.

‘방열보호복’이란 뜨거운 열이나 불길에 의한 피해를 막기 위하여 입은 옷으로 정의하고 있다. 초고온 환경에 대응하는 방열보호복은 크게 산업용과 소방용으로 분류된다. 산업용에서 방열보호복이란 근로자가 고열작업에서 화상과 열중증을 방지하기 위하여 사용하는 보호복이다. 소방용에서 방열보호복이란 화재 등의 재난현장에서 고온의 열을 방출하는 화점으로부터 소방관을 보호하기 위한 보호복으로 사용되고 있다.

방열보호복 시장은 화재, 가연성 물질 폭발, 폭염 등으로부터 작업자를 보호하는 제품으로 산업현장의 노동자, 소방관 등을 중심으로 한 수요가 증가함에 따라 방염성능, 내열성, 불꽃열 방호성능 및 복사열 방호성능이 필수적으로 요구된다.

이에 본 연구에서는 방열보호복의 중간층 원단 조직 구성 변화에 따른 열방호 성능평가 실험을 통해 산업용 및 소방용 방열보호복의 열방호 성능향상을 위한 실험연구를 실시하였다.

방열보호복의 통상적인 구성은 1코팅, 3레이어로 이루어져 있다. 세부구성은 Top Coating + AL반사층 + 원단(Base Fabric) + 내피로 구성되며 산업용, 소방용에 따라 내피가 구분된다.

산업용 방열보호복의 단면구조는 AL반사층 + 원단(Base Fabric) + 내피(Tricot)로 구성되고 소방용 방열보호복의 구조는 AL반사층 + 원단(Base Fabric) + 내피(Double Raschel)로 구성된다. 산업용과 소방용 방열복 원단의 단면구조는 각각 Figs. 1, 2와 같다.

Fig. 1

The Drawing of Industrial Protection Cloth

Fig. 2

The Drawing of Fire Fighter Protection Cloth

중간층인 원단(Base Fabric)은 Aramid 등의 내열섬유를 사용하거나 Aramid와 다른 섬유를 혼합하여 사용하는데 어떻게 조직구성이 되어 있느냐에 따라 열방호 성능에도 차이가 나게 된다. 최근 방열보호복의 성능을 향상시키기 위한 각종 연구가 활발히 진행되고 있으며 Park and Nam (2022)는 화재현장에서 화상으로 순직한 소방관들이 착용한 특수방화복의 소재에 대한 열방호 성능 실험을 수행한 바 있다. 소방용 방열보호복에 대해서는 Ro et al. (2020)이 방열보호복을 구성하는 원단(Base Fabric)에 대해서 다양한 열방호 성능실험 중 한계불꽃실험을 수행하여 그 결과를 고찰을 한 바 있다. 선행연구의 결론은 12종 원단(Base Fabric)은 Aramid 계열의 난연소재 등을 혼방하여 제작하였으나 연구에서 평가한 방염성능은 모두 만족한 것으로 나타나지 않았다. 주로 K (p-Aramid의 D사 브랜드명)와 N (m-Aramid의 D사 브랜드명)을 위주로 조합한 Sample No. 1~5가 방염성능을 만족하였으나 PPS 나 Basalt, Modal을 조합한 Sample No. 6~12의 원단이 상대적으로 방염성능이 뒤처지는 것으로 나타났다. 이는 원단만으로는 방염성능의 기준을 만족시키기에는 부족하다는 것을 알 수 있었다.

본 연구에서는 Ro et al. (2020)가 수행한 12종의 원단(Base Fabric)에 대하여 방염성능 평가 외 추가적인 열방호 성능평가를 수행하고 분석하였다.

2. 실험체 제작

실험체 제작을 위해 원사조성이 상이한 12종의 내열성 원단(Base Fabric)을 제직하였다. 원단을 제직한 직기는 Rapier Loom을 사용하였으며 직기폭은 1,800 mm, 직기속도는 400 rpm이다. 원단개발에 사용된 원사는 상용화되고 보급화 되어 있는 고내열⋅난연성의 K (p-Aramid의 D사 브랜드명)와 N (m-Aramid의 D사 브랜드명), 상대적으로 단가가 저렴하면서도 난연성이 우수한 PPS (Polyphenylene Sulfide), Modal과 불연무기섬유인 Basalt를 사용하였다. 핵심 기능은 방염성능, 복사열 및 불꽃열 차단성이므로 원사를 약 6’s~10’s 수준의 번수로 제조하였다. 제직한 12종 원단(Base Fabric)의 구성은 Table 1과 같다.

Table 1

Specifications of Base Fabric

3. 실험방법 및 기준

실험방법 및 기준으로는 12종의 내열성 원단(Base Fabric)에 대한 열적성능평가로서 기존에 실험한 방염 성능평가(ISO 15025)를 제외한 대류열(Convective Heat), 복사열(Radiant Heat), 대류열 + 복사열에 의한 방호 성능평가를 각각의 ISO 규정에 근거하여 성능평가를 실시하였다. 열적성능평가를 위한 실험방법은 Table 2와 같다.

Table 2

Test Method of Thermal Protection Performance

3.1 ISO 9151 (2016) 실험개요

ISO 9151 (2016)은 방열보호복이 불꽃에 노출시 열전달 측정실험으로서 원단에 대류열을 접촉시켰을 때 열이 원단을 통과하여 원단 뒤쪽의 온도가 12 °C 및 24 °C까지 상승하는데 소요되는 시간을 평가하며 소요시간이 길어질수록 성능이 우수한 것으로 판정한다. 이것을 HTI (Heat Transfer Index)라고 하며 불꽃에 의한 열을 원단이 지연시키는 능력에 대한 등급을 정할 때 사용된다. ISO 9151 (2016)의 성능평가 실험체는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4

Test of ISO 9151 (2016)

3.2 ISO 6942 (2002) 실험개요

ISO 6942 (2002)는 방열보호복이 복사열(40 kW/m²)에 노출시 재료 및 재료 구성품 측정실험으로서 원단에 복사열을 접촉시켰을 때 열이 원단을 통과하여 원단 뒤쪽의 온도가 12 °C 및 24 °C까지 상승하는데 소요되는 시간을 평가하며 소요시간이 길어질수록 성능이 우수한 것으로 판정한다. 이것을 RHTI (Radiant Heat Transfer Index)라고 하며 복사열에 의한 열을 원단이 지연시키는 능력에 대한 등급을 정할 때 사용된다. ISO 6942 (2002)의 성능평가 실험체는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Test of ISO 6942 (2002)

3.3 ISO 17492 (2019) 실험개요

ISO 17492 (2019)는 방열보호복이 불꽃과 복사열(80 kW/m²)에 동시 노출시 열투과성 측정실험으로서 원단에 불꽃과 복사열을 접촉시켰을 때 열이 원단을 통과하여 원단 뒤쪽의 온도가 12 °C 및 24 °C까지 상승하는데 소요되는 시간을 평가하며 시간이 길수록 성능이 우수한 것으로 판정한다. 이것을 HTI (Heat Transfer Index)라고 하며 대류열(불꽃) 및 복사열에 의한 열을 원단이 지연시키는 능력에 대한 등급을 정할 때 사용된다.

ISO 17492 (2019)의 성능평가 실험체는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Test of ISO 17492 (2019)

본 연구에서는 다음과 같이 12종의 내열성 원단의(Base Fabric)의 열적성능평가를 ISO 규정에 근거하여 Table 2의 3가지 실험을 각각 실시하였고 실험결과 및 고찰은 다음과 같다.

Table 3

Results of ISO 9151 (2016) Convective Heat (Unit: second)

4. 실험결과 및 고찰

4.1 ISO 9151 (2016) 실험결과

대류열(Convective Heat) 열방호 성능평가는 ISO 9151 (2016)을 기준으로 진행되었으며 HTI₁₂는 원단의 뒷면 온도가 12 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하고 HTI₂₄는 원단의 뒷면 온도가 24 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하였다.

12종의 Base Fabric 실험결과 HTI₁₂는 평균 3.7초에서 5.1초 사이에 분포하였고, HTI₂₄는 평균 6.1초에서 7.4초가 소요되었다. 그러나 불꽃열에 의해 실험에서 개발된 12종의 원단(Base Fabric) 중 5종은 실험을 통과하지 못하였다. No. 8~12의 원단은 PPS (Polyphenylene Sulfide) 원사를 Aramid 기반의 직물보다 중량이 약 30%, 두께는 약 13% 더 증가된 직물로 개발하였다. 그러나 Convective Heat 실험에서는 나머지 재료보다 열에 약해 용융되었다. 원단을 통한 열전달은 공기층을 포함한 원단구성의 두께와 관련이 있고 두께가 두꺼워질수록 보호성이 커지고 열전달 지수 값도 높아지지만 변동성도 증가한다. 주요성분인 PPS (Polyphenylene Sulfide) 원사는 내열 섬유이긴 하나 녹는점이 약 282 °C라서 직접 불꽃에 의한 열 저항을 견디지 못하여 용융된 것으로 보인다. 실험결과표는 Table 3과 같고 실험체 사진은 Figs. 7~10과 같다.

Fig. 7

Sample No. 1

Fig. 10

Sample No. 6

Fig. 8

Sample No. 2

Fig. 9

Sample No. 3

4.2 ISO 6942 (2002) 실험결과

복사열(Radiant Heat) 열방호 성능평가는 ISO 6942 (2002)를 기준으로 진행되었으며 원단에 복사열을 접촉시켰을 때 열이 원단을 통과하여 HTI₁₂는 원단의 뒷면 온도가 12 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하고 HTI₂₄는 원단의 뒷면 온도가 24 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하여 시간이 길수록 성능이 좋은 것으로 판단한다. 실험결과 분석은 다음과 같다. 12종의 Base Fabric 실험결과 HTI₁₂는 평균 4.1초에서 6초 사이에 분포하였고, HTI₂₄는 평균 5.97초에서 9.2초가 소요되었다. 그러나 불꽃열에 의한 실험에서 개발된 12종의 원단(Base Fabric) 중 3종은 실험을 통과하지 못하였다. No. 8은 원단조성이 PPS로 만 이루어져 있어 복사열(40 kW/m²)에 상당하는 약 643 °C의 온도에 견디기에는 무리로 생각된다. 또한, No. 11은 내열섬유인 Nomex를 조합하였으나 그 조합한 비율이 부족하여 복사열을 견디기에는 부족한 것으로 사료된다. No. 12의 원단의 경우에는 Modal을 조합하였으나 Modal 섬유의 열적 안정성의 한계로 실험을 통과하지 못한 것으로 보인다.

실험결과표는 Table 4와 같고 실험체 사진은 Figs. 11~14와 같다.

Table 4

Results of ISO 6942 (2002) Radiant Heat (Unit: second)

Fig. 11

Sample No. 1

Fig. 14

Sample No. 7

Fig. 12

Sample No. 2

Fig. 13

Sample No. 6

4.3 ISO 17492 (2019) 실험결과

대류열 + 복사열(Convective Heat + Radiant Heat) 열방호 성능평가는 ISO 17492 (2019)를 기준으로 진행되었으며 원단에 불꽃과 복사열을 동시 노출시켰을 때 열이 원단을 통과하여 원단 뒤쪽의 온도가 HTI-T₁₂는 원단의 뒷면 온도가 12 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하고 HTI-T₂₄는 원단의 뒷면 온도가 24 °C까지 도달하는데 소요되는 시간을 측정하여 시간이 길수록 성능이 좋은 것으로 판단한다. 12종의 Base Fabric 실험결과 HTI-T₁₂는 평균 3.7초에서 5.5초 사이에 분포하였고, HTI-T₂₄는 평균 4.9초에서 8.8초가 소요되었다. 그러나 불꽃열에 의한 실험에서 개발된 12종의 Base Fabric 중 3종은 실험을 통과하지 못하였다. 복사열 방호 성능평가결과와 동일한 원인으로 실험을 통과하지 못한 것으로 판단된다.

실험결과표는 Table 5와 같고 실험체 사진은 Figs. 15~18과 같다.

Table 5

Results of ISO 17492 (2019) Convective Heat + Radiant Heat (Unit: second)

Fig. 15

Sample No. 1

Fig. 18

Sample No. 7

Fig. 16

Sample No. 2

Fig. 17

Sample No. 5

5. 결 론

본 연구를 통해 산업용 및 소방용 방열보호복을 구성하는 3개의 층에서 핵심적인 역할을 하는 중간층(Base Fabric)에 대한 열방호 성능평가 실험을 수행한 결과는 다음과 같다.

첫째, 방열보호복의 중간층 원단 조직 구성 변화에 따른 열방호 성능평가 실험결과 대류열은 10초 미만으로 방열보호복의 열적방호성능을 결정하는 ISO 11612 (2015)의 최소등급을 만족하는 것으로 나타났다. 복사열은 10초 미만으로 ISO 11612 (2015)의 복사열 2등급에 만족하는 것으로 나타났다.

둘째, 불꽃열에 의해 실험에서 개발된 12종의 원단(Base Fabric) 중 No. 8~12의 5종은 실험을 통과하지 못하였다. 통과하지 못한 이유는 주요성분인 PPS (Polyphenylene Sulfide) 원사는 내열 섬유이긴 하나 녹는점이 약 282 °C라서 직접 불꽃에 의한 열 저항을 견디지 못하여 용융된 것으로 보인다.

셋째, 복사열(Radiant Heat)에 따른 중간층의 열방호 성능평가 실험결과 개발된 12종의 원단(Base Fabric) 중 3종은 실험을 통과하지 못하였다. 통과하지 못한 이유는 PPS, Modal 섬유의 열적 안정성의 한계로 실험을 통과하지 못한 것으로 보인다.

넷째, 대류열 + 복사열(Convective Heat + Radiant Heat)에 따른 중간층의 열방호 성능평가 실험결과 3종은 실험을 통과하지 못하였다. 복사열 방호 성능평가결과와 동일한 원인으로 실험을 통과하지 못한 것으로 판단된다.

다섯째, 원단의 조직 종류에 따라 열방호 성능에 차이가 있으며 조직의 구성에 따라 열방호성능을 높일 수 있는 여지가 있다는 것을 알 수 있었다. 후속연구로서 방열보호복을 구성하는 3개층이 합쳐진 완전한 복합원단에 대한 열방호 성능평가를 수행할 필요가 있다.

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