국내 19개 강화플라스틱 선박 건조 조선소를 대상으로 기관실의 방열구조 시공방법에 대한 설문조사를 실시하여 Figure 1에 나타내었다. 10톤 미만 어선의 경우 관련 기준에서 기관실 난연처리가 강제사항이 아님을 감안하더라도 전체의 37%, 7개 조선소가 FRP에 난연처리 또는 방열재료 시공을 하지 않고 있는 것으로 나타나 화재에 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 일종의 난연처리를 하고 있는 조선소 중에서는 겔코트를 시공한다고 답한 조선소가 8개소, 난연성 수지액을 적층한다고 답한 조선소가 3개소, 그리고 두 가지 모두 적용한다고 답한 조선소는 1개소뿐인 것으로 나타났다.

Figure 1: 
Fire-retardant treatment for engine room of FRP vessel

강화플라스틱 선박 기관실에 적용하고 있는 방열재를 Table 1에 나타내었다. 난연성 수지액으로는 S사 및 A사 제품이, 겔코트로는 I사, C사, A사의 제품이 사용되고 있었다.

기본적인 강화플라스틱은 매트(Mat) 450, 로빙(Roving) 570을 사용하였고 적층용 수지액으로는 세원화성의 UPG-R115을 사용하여 총 14개 층, 즉 [6(M+R)+R+M] 형식으로 시험체를 제작하였다. 여기에 난연성 수지액을 적용 한 시험체 제작 시에는 최종 3회에 적용한 수지액을 난연성 수지액으로 적용하였다. 난연성 수지액 A와 B는 불포화 폴리에스테르 계통 수지가 50% ∼ 60%, 희석제로서 스티렌 모노머가 35% 내외, 나머지는 첨가제 및 필터 등으로 구성되었으며, C는 비닐에스터 계통 수지 60% 내외, 희석제로서 스티렌 모노머 40% 내외로 구성되었다. 겔코트의 경우 세원화성의 UPG-R115로만 [6(M+R)+R+M] 구조로 제작한 뒤에 각각 3회 및 6회만큼 추가 도포하였다. 겔코트 4종 모두 불포화 폴리에스터 계통의 수지가 주성분이었으며 D, F의 경우 일부 난연제 성분이 포함된 것으로 조사되었다. 기타 방염도료는 에틸비닐 아세테이트 코폴리머, 그라파이트 및 수분으로 구성되었으며, 겔코트와 동일한 방법으로 3회 도포하였다. 두께 25 ㎜의 폴리우레탄 복합재를 적용한 시험체 역시 준비하였으며, 난연처리를 전혀 하지 않은 일반 FRP 시험체도 비교를 목적으로 제작하였다. Table 2에 최종 제작한 시험체를 요약하여 나타내었다.

총 14종에 대한 화염전파성시험 및 방염성능시험의 결과를 Table 3에 나타내었다. 임계열유속(CFE)은 표면에서 화염전파가 진행을 멈추고 화염이 꺼진 지점의 입사 열류량으로서, 결과값이 클수록 화염이 멀리까지 전파되지 못하고 소멸되었음을 의미하며 따라서 값이 클수록 난연성이 높다고 할 수 있다. 지속연소열(Q_sb)은 불꽃 선단이 진행하면서 각 지점에 도달한 시간과 그때의 복사열류량을 곱한 값으로서, 작을수록 그만큼 작은 복사열원에도 연소를 지속할 수 있다는 의미이며 따라서 값이 클수록 난연성이 크다고 할 수 있다. 최대 열방출률(q_p)은 시험시간 중 측정된 열방출률의 최대값이며, 총 방출열량(Q_t)은 시험시간 중 측정된 열방출률을 시간에 따라 적분한 값으로서 화염이 꺼지지 않고 오랜 시간 지속될수록 값이 크게 나타나므로 상대적으로 난연성이 떨어진다고 판단된다.

Figure 3: 
Test apparatus and specimens during the flame-retardant test

Figure 4: 
Some of test specimens before the test and after the flame-retardant test

재료별, 그리고 겔코트 도포횟수별 소화시 임계열유속 평균값을 Figure 5에 나타내었다. 폴리우레탄 복합재(시험체번호 14)는 복사판넬 및 파일럿버너에도 불구하고 착화되지 않았다. 복합재의 마감면인 알루미늄 포일이 복사패널으로부터의 복사열을 일정 부분 반사시키고, 심재인 폴리우레탄이 단열재 역할을 하여 열전달을 효과적으로 저지한 것으로 판단된다. 단, 실제 선박 기관실 내부에 적용 시에는 알루미늄 포일 표면에 손상이 갈 가능성을 함께 고려해야할 것이라고 생각된다. 이를 제외한 13종의 시험체는 모두 국제해사기구 및 해양수산부에서 정하는 격벽, 벽 및 내장재, 또는 바닥재의 성능요건을 만족시키고 있지 못했다. 가장 먼저 격벽, 벽 및 내장재 기준에 따르면 임계열유속은 20 kW/㎡이어야 하나, 어느 시험체도 이를 만족시키지 못했다. 바닥재 기준에 따르면 시험체번호 1, 7, 8를 제외하면 임계열유속, 지속연소열 및 최대 열방출률은 만족시켰으나, 총 방출열량 요건에 미달하였다. 이는 화염이 꺼지지 않고 40분 동안 연소가 지속되어, 시험시간 동안 누적된 총 열량이 크게 측정되었기 때문이다. 바탕재(Substrate) 역할을 하는 비난연처리 FRP의 높은 가연성에 기인했다고 판단된다.

Figure 5: 
Critical flux at extinguishment(CFE) from flame spread test

임계열유속을 기준으로 비교하면 비난연처리 FRP(시험체번호 1)는 5.4 kW/㎡, 난연성 수지액 적용 시험체 3종(시험체번호 2, 3, 4)의 평균은 13.3 kW/㎡, 겔코트 적용 시험체 8종(시험체번호 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12)의 평균은 8.4kW/㎡, 방염도료 적용 시험체는 11.2kW/㎡로 나와, 겔코트는 난연성 수지액 및 방염도료보다 난연성이 상대적으로 떨어지는 것으로 나타났으나 비난연처리 FRP 대비 일정 수준의 난연성 향상이 확인되었다. 세부적으로 보면 일부 겔코트 적용 시험체 중 일부(시험체번호 7, 8)는 비난연처리 FRP보다 오히려 낮은 성능을 보여 화재안전성향상 목적으로는 부적합한 것으로 판단된다. 이들을 제외한 겔코트 적용 시험체의 임계열유속 평균은 10.3 kW/㎡로 시험체 2와 유사한 수준인 것으로 나타났다

겔코트 적용 시험체 8종에 대하여 도포횟수(3회, 6회)에 따른 비교결과, 3회 도포한 시험체의 임계열유속 평균은 8.7 kW/㎡, 6회 도포한 시험체의 임계열유속 평균은 8.1 kW/㎡로, 더 많은 횟수 도포한 시험체가 오히려 화염이 더 먼 지점까지 전파된 것을 알 수 있었다. 겔코트는 일반 FRP 위에 시공하였을 경우 약간의 난연성 향상 효과를 보이는 것으로 나타났지만 가연성의 수지로 구성되어 있으므로 본질적으로 화재에 취약한 한계점을 가지고 있다. 따라서 일반 FRP 위에 3회 도포하였을 경우 난연성이 개선되었으나 6회 도포한 결과 임계열유속이 소폭 감소한 것으로 보아, 후자의 경우 겔코트가 난연성 향상을 위해서보다는 가연물의 총량을 증가시키는 부분에 더 기여했다고 판단된다.

방염시험 결과 재료별, 그리고 겔코트 도포횟수별 탄화면적 평균값을 Figure 6에 나타내었다. 소방방재청고시 제2013-25호「방염성능의 기준」에서 정한 합성수지판의 성능요건을 만족시킨 것은 4종(시험체번호 4, 5, 6, 13)으로 각각 난연성 수지액 1종, 겔코트 1종, 방염도료 1종이었다. 폴리우레탄 복합재는 방염성능시험의 약한 강도의 불꽃에서도 역시 착화되지 않을 것이라 판단하여 시험대상에서 제외하였다. 겔코트 1종(시험체번호 7, 8)은 2분간 접염 후 잔염이 장시간 지속되고 높은 탄화면적을 보이는 등, 가장 좋지 못한 시험결과를 보였다. 이들 시험체는 화염전파성시험에서도 높은 총 방출열량 및 최대 열방출률을 보인 시험체로서 2분간의 접염 후에도 남은 불꽃이 꺼지지 않고 연소가 지속될 만큼의 충분한 열이 자체 연소열에 의해 공급되었기 때문이라고 생각할 수 있다. 성능요건을 만족시킨 4종의 시험체는 화염전파성시험에서도 비교적 양호한 결과를 보였던 것으로써 비난연처리 FRP에 해당 재료를 추가 시공함으로써 방염성의 향상을 보인 것으로 생각된다.

Figure 6: 
Charred area from flame spread test

겔코트의 도포 횟수에 따른 성능변화로는 시험체번호 9, 10를 제외하고 3회 도포한 시험체(시험체번호 5, 7, 11)에 비하여 6회 도포한 시험체(시험체번호 6, 8, 12)의 탄화면적이 31% 감소한 것으로 측정되었다. 수십 kW/㎡의 강한 복사열이 아닌, 상대적으로 약한 세기의 불꽃을 가하여 실시하는 화재시험에서는 겔코트를 더 많은 횟수 도포함에 따라 방염성능의 향상을 기대할 수 있다고 판단된다.