1. 서 론

화재는 인명과 재산에 대한 심각한 위험을 야기할 수 있는 재난 사 건 중 하나로, 특히 함정 유류화재의 경우 더 큰 위험과 어려움을 야 기할 수 있다. 함정 유류화재는 선박 및 해양 시설에서 가장 빈번하게 발생하는 화재 사고 중 하나로, 이에 대한 효과적인 대응이 절대적으 로 필요하다[1]. 유류화재의 경우 일반화재와는 달리 물을 사용할 수 없기 때문에 산소를 차단하는 방식인 이산화탄소 및 모래를 이용하여 소화하는 것이 일반적이다. 하지만 화원의 규모가 커지게 되면 이러 한 일반적인 방법으로는 효과적인 소화가 이루어지기 힘들며 함정의 경우에는 특히 더 제한적일 수밖에 없다. 이러한 함정에서 발생하는 유류화재 사고에 대응하기 위해서 수성막포(aqueous film forming foam, AFFF)의 활용이 적합하다고 판단된다. AFFF는 유동성이 우수 한 불소계 계면활성제에서 생성된 거품이 화염 유류면을 덮어서 화염 을 억제한다. 따라서 흘러나오는 유출된 유류와 같이 유층이 얇은 화 재에 뛰어난 소화 효과를 발휘한다.

1960년대 중반 이후 AFFF는 가연성 액체 화재 진화를 위한 주된 소화약제 기술 중 하나로 사용되어 왔다. AFFF는 미국 해군 연구소와 산업 협력체의 협동 연구 결과물이며, 그 혁신적인 특성은 불소 계면 활성제의 사용 때문이다. 이로 인해 AFFF는 액체 가연물 위에서의 빠 른 이동, 유동성, 자체 복원력, 탁월한 화재 진화 능력을 제공한다. 이 후의 AFFF 조성은 불소와 탄화수소 계면활성제의 혼합으로 이루어졌 으며, 이러한 계면활성제의 혼합은 AFFF의 효과적인 성능을 확보하 는 데 핵심적인 역할을 한다[2].

AFFF는 그 독특한 특성으로 인해 함정 유류화재 대응에서 주목받 고 있다. 이 소화제는 불과의 막 형성, 열 제거, 연소 억제, 화학 물질 혼합물의 활용 등 다양한 기능을 수행하여 화재를 효과적으로 진압할 수 있다[3]. 그러나 AFFF는 기존 유체와는 다르게 폼(foam) 형태로 분사되어, 화재 대응 시 기존 유체의 분사 특성과 차별성이 존재한다. 이러한 차별화된 특성을 유변학적 관점에서 살펴보면, AFFF의 레오 미터 실험은 유변학 특성을 자세히 분석하는 데 중요하다[4,5]. 특히 AFFF를 통해 발생하는 폼 자체의 유변학 특성을 분석하는 것이 중요 하다. 여기서 폼이라 하면 넓은 범위에서는 액체나 고체에 둘러싸인 기체방울은 의미하는데, AFFF의 폼의 경우는 소화약제와 물과의 혼 합물이 고유의 팽창비에 따라 거품을 형성하여 형상을 유지하는 것을 뜻한다. 이런 AFFF 폼 자체의 유변학 해석에 대한 연구 사례는 극히 드문 실정이다. 이는 앞에서 설명한 폼의 특징과도 연관이 있는데, 약 제와 물 그리고 기체가 혼합되어 생성된 폼은 균일하게 형성되기 어 려우며 특히 현재 분석 기준 자체가 존재하지 않기 때문이다[6,7]. 하 지만 본 연구에서는 폼 자체의 유변학 해석을 통한 특성 파악을 하고 자 한다[8,9]. 유변학적 해석을 통해 AFFF의 유변학 특성, 즉 전달률, 점성, 응력-변형 곡선 등을 정확히 파악할 수 있다[10]. 이는 함정 유 류화재에 대응하기 위한 적합한 분사 특성을 예측하고, 화재 진압에 필요한 최적의 소화약제의 양 및 압력을 결정하는 데 도움이 된다 [11].

본 연구에서는 AFFF 폼의 민감한 유변학 특성을 레오미터 실험을 통해 자세히 분석하여, 이 정보를 기반으로 함정 유류화재 사고에 대 응하기 위한 효과적인 전략을 개발하고자 한다[12,13]. 이를 통해 선 박의 안전성을 높이고 AFFF를 활용한 소화 시스템의 효율성을 향상 시키는 것이 목표이다[14,15]. 이 연구의 결과는 함정 유류화재 대응 및 선박 안전에 기여할 것으로 기대되며, 이를 통해 화재로부터의 위 험을 최소화하고 안전한 해양 환경을 보호하는 데 기여할 것이다.

2. 실 험

2.1. 재료

이 실험은 일반화재가 아닌 함정에 존재하는 다양한 적재물(헬리콥 터, 전투기, 보급용 유류 등)에서 발생할 수 있는 유류화재 대응을 향 상시키기 위한 핵심적인 연구로, AFFF 폼의 유변학적 특성을 분석하 는 것을 목표로 한다. AFFF 폼은 화재 진압 시 핵심적인 역할을 하며, 이러한 폼의 특성을 정확히 이해하는 것이 이 연구의 중요한 부분이 다. 실험에 사용된 AFFF는 함정 유류화재 대응에 일반적으로 사용되 는 6% 농도의 제품이며 대성산업의 6% AFFF (DS-3066) 제품을 사용 하였다. 이 제품은 본 연구의 목표인 함정 유류화재 대응 주제에 맞게 현재 해군에서 실제 사용되고 있는 수성막포 상용 제품이다. 해당 제 품의 MSDS 및 주요 물리적 특성은 Table 1과 Table 2에 요약하였다. 이 실험은 이러한 제품의 유변학적 특성을 자세히 이해하고, 화재 진 압에 어떻게 활용될 수 있는지 밝히는 것을 목표로 한다.

실제로 화재 소화에 적용되는 것은 폼 자체이므로, 이 연구는 AFFF 폼의 생성 및 유변학적 특성 분석에 중점을 두었다. 폼의 생성 과정은 다음과 같이 진행되었다. 물과 AFFF를 94%와 6%의 부피 비율로 혼 합한 후 1500 rpm으로 5분 동안 교반하여 폼을 생성하였다. 이러한 조건은 사전 실험을 통해 최적화되었으며, 실제 분사되는 폼을 측정 할 수 없다는 변수를 최소화하기 위하여 현장과 가장 유사하다고 판단 되는 상태를 구현하고자 하였다. 생성된 폼을 Figure 1에 나타내었다.

이렇게 생성된 폼은 레오미터 동심 실린더에 피펫을 이용하여 균일 하게 주입한 후 분석하였다. 이러한 실험 절차를 통해 폼의 유변학적 특성을 자세히 분석하고, 폼이 화재 진압 시 어떻게 작용하는지에 대 한 중요한 정보를 얻었다.

2.2. 분석(레오미터를 이용한 유변학 분석)

AFFF를 통해 생성된 폼의 유변학 분석을 위해 Anton Paar (Austria) 사의 모듈식 소형 레오미터 MCR 702e 모델을 활용하였으며, 이 분석 에 동심 실린더(concentric cylinder, CC) 측정 시스템을 사용하였다. 이 시스템은 저점도 액체 테스트에 적합하며, AFFF 폼의 저점도 특성 을 고려하여 선택되었다[16,17]. 또한, 이 시스템은 온도를 조절하면서 측정이 가능하기 때문에 온도에 따른 AFFF 폼의 유변학적 특성을 분 석할 수 있었다[18]. 분석 조건은 온도, 시간, 그리고 토크 조건으로 설정되었다. 이러한 조건 설정은 정확한 유변학적 특성 평가를 위해 필수적이다. 레오미터는 정밀한 조건을 제어하여 AFFF 폼의 점성, 전 달률, 응력-변형 곡선 등을 측정하였다[19,20].

이러한 실험 결과는 함정 유류화재에 대응하기 위한 적합한 분사 특성을 예측하고, 화재 진압에 필요한 최적의 소화약제의 양 및 조건 을 결정하는 데 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 또한, 이러한 유변학적 특성을 함정 유류화재 대응 전략에 적용하는 방법에 대한 연구 결과는 함정 유류화재 대응 및 선박 안전에 기여할 것으로 예상 된다[21,22].

3. 결과 및 고찰

AFFF를 통해 생성된 폼 자체의 유변학적 특성을 분석하기 위하여 폼을 생성시킨 뒤, 레오미터를 이용하여 유변학적 특성 분석을 수행 하였다. 그 결과는 다음과 같다. 먼저 전단속도에 따른 점도 측정을 수행하였으며 그 데이터를 활용하여 전단속도를 고정시켜서 시간에 따른 점도 변화 및 온도에 따른 점도 변화를 측정하였다. 이러한 결과 를 통해 AFFF 폼의 화재 진압 능력 및 안정성을 더 잘 이해할 수 있 다. 추가적으로 점탄성 평가 역시 수행하였다. 점탄성 평가는 폼의 기 본적인 설계 방향에 대한 데이터를 제시해줄 수 있을 것이며, 특히 탄 성 평가에 따라 폼의 형상유지 능력 측정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

3.1. 점도 특성 평가

2장의 분석방법과 같이 준비한 AFFF 폼의 전단속도에 따른 점도 측정 결과를 Figure 2에 나타내었다.

동일한 샘플을 3번 반복 측정하여 재현성을 확인하였다. 측정한 전 단속도 범위는 저전단속도 0.1 1/s부터 고전단속도 1000 1/s까지 포함 하였다. AFFF 폼을 레오미터로 측정한 결과, 전단속도에 따라 점도가 변하는 비뉴턴 유체의 특성을 보이고 있었으며 전단속도가 빨라짐에 따라 점도가 낮아지는 경향인 전단 박화(shear-thinning) 거동을 나타 내었다[23]. 이러한 거동은 폼 내부에 자리잡고 있는 기포들이 낮은 전단속도에서는 측정장비에 토크를 걸어주는 역할을 하고 있지만 높 은 전단 속도에서는 그 기포들이 파괴되면서 상대적으로 더 낮은 토 크가 걸리게 되면서 생긴 현상으로 파악된다. 또한 추가적인 가정으 로 측정에 사용되는 시간 경과에 따라 생성된 기포들이 자연 소멸되 면서 생기는 현상일 수도 있기 때문에 측정된 점도의 중간 값에 해당 되는 5 1/s의 전단속도로 고정하고 시간에 따른 점도의 변화를 측정하 였다. 측정 결과를 Figure 3에 나타내었다.

시간 경과에 따를 AFFF 폼의 점도 변화를 확인하기 위하여 5 1/s의 전단속도로 120 min 동안 점도 변화를 측정하였다. 결과를 살펴보면, 약 30 min까지 초기 점도인 300 mPa⋅s를 유지하고 있다가 그 이후 부터 점도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 약 60 min에서는 초기 점도의 약 70%에 해당하는 210 mPa⋅s까지 감소하는 경향을 나타내 었다. 측정 종료 시점인 120 min에서는 초기 점도의 50%에 해당하는 150 mPa⋅s까지 점도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며 시간이 더 경과하면 이 점도는 더 낮아질 것으로 예상된다. 초기 화재 진압의 측면에서는 30 min까지 점도가 변하지 않고 폼의 형상을 유지하는 것 은 매우 큰 의미를 가진다. 하지만 화재가 장시간 지속되게 되면 폼의 형상을 유지할 수 없으므로 이 데이터를 활용하여 화재 진압에 고려 되야 할 것이다.

다음으로 AFFF 폼은 화재 진압에 사용되므로 온도에 따른 경향을 확인하고자 하였다. 시간 경과에 따른 점도 측정과 마찬가지로 전단 속도를 5 1/s로 고정시키고 온도를 15 °C부터 150 °C까지 변화시키면 서 점도 변화를 측정하였다. 그 결과는 Figure 4에 나타내었다.

결과를 살펴보면, 온도가 증가함에 따라 점도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 특히 100 °C 이후에는 급격한 점도 변화를 보이다가 110 °C 이후에서는 점도가 측정이 되지 않는 결과를 나타내었다. 이는 측 정한 폼의 94%가 물이기 때문에 물의 증발에 따른 결과로 예상된다. 물론 분석양이 실제 현장에서 사용하는 것과 달리 매우 작기 때문에 점도가 더 급격하게 영향을 받는 것으로 판단된다. 화염에 직접 노출 되는 폼은 결국 형상을 유지하는 것이 어렵다는 것을 알 수 있었다. 하지만 실제 현장에서는 사용되는 양이 매우 많기 때문에 화염 소화 가 가능하며 이 데이터를 활용하면 온도 안정성이 더 큰 폼 소화약제 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.

3.2. 점탄성 특성 평가

앞서서 AFFF 폼의 점도 특성을 평가하고 분석하였다. 여기에 추가 적으로 점탄성 분석도 수행하였으며 modulus 분석 툴을 사용하였다. 해당 분석은 amplitude sweep 모드를 이용하였으며 그 결과는 Figure 5에 나타내었다.

결과를 살펴보면, 우선 측정 전반에 걸쳐서 점성 특성을 나타내는 loss modulus가 탄성 특성을 나타내는 storage modulus보다 더 크게 측정되는 것을 알 수 있다. 이는 폼이 탄성 특성보다 점성 특성을 더 크게 나타내는 유체라는 것을 의미한다. 따라서 폼은 액상에 가까운 거동을 나타내는 것을 modulus 분석을 통하여 입증할 수 있었다. 이는 폼 분사에 매우 큰 의미를 나타내며 기본적으로 유체특성을 메인으로 하여 분사 시스템을 설계하고 현재까지 측정한 데이터를 활용하여 상 황에 맞는 분사조건을 설정하여 실제에 적용하면 효과적인 운영이 가 능할 것으로 판단된다. 또한, 폼의 단단함 정도를 나타내는 storage modulus 또한 폼의 형상 유지 능력과 관련이 있으며, 이 데이터는 향 후 연구에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 연구는 함정 유류화재 대응을 위한 주요 소화약제 중 하나인 수 성막포(aqueous film forming foam, AFFF)의 유변학적 특성을 체계적 으로 분석하였다. AFFF는 막 형성, 열 제거, 연소 억제, 화학 물질 혼 합물을 이용하여 화재를 효과적으로 진압하는 데 사용되는 소화약제 로, 함정 유류화재 대응에 핵심적인 역할을 한다. 특히 본 연구는 실 제 화재 진압 시 사용되는 AFFF 폼의 유변학적 특성을 중점적으로 분석하였으며, 다음과 같은 중요한 결론을 얻을 수 있었다.

본 연구는 폼 소화약제의 유변학적 특성을 분석함으로써 함정 유류 화재 대응 및 선박 안전에 기여하고, 화재로부터의 위험을 최소화하 며 안전한 해양 환경을 보호하는 데 기여할 것으로 기대된다. 하지만 앞으로 해결해야 할 과정들이 존재하는 연구이다. 추후에는 본격적으 로 분석에 대한 신뢰성 및 해석의 근거 확보가 필요하다. 이러한 단계 가 해결된다면 레오미터 측정을 통한 데이터를 특정 용도에 사용되는 AFFF의 성능 평가 기준으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 나아가 다양한 환경에 따른 여러 종류의 소화약제 폼의 유변학 해석으로 확 장 역시 가능할 것으로 예상된다. 최종적으로 이러한 연구가 향후 새 로운 수성막포 개발에 도움 될 수 있도록 해석의 체계화가 필요하다.