소화약제로서의 물은 다른 소화약제에 비해 탁월한 열 흡수 능력을 가지고 있고 기화 시 수증기의 팽창으로 인한 질식소화의 효과도 있어 일반적으로 많이 사용되고 있다. 특히 물에 의한 A급 화재 소화는 가연물 표면 냉각이 중요한데 이는 가연물의 열분해율을 낮추어 줌으로 인해 화염으로의 가연성기체 공급을 감소시켜 열방출율과 연료표면으로 돌아오는 복사열을 감소시킬 수 있으며 화염의 직접적인 냉각을 통해 부근으로의 열에너지 전달을 억제할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 소화약제로서의 큰 장점에도 불구하고 물의 점성이 상대적으로 낮기 때문에 화재표면에 물을 방사 시 화재표면에 점착되지 못함으로 인해 냉각효과를 감소시키게 되며 방사된 물이 유실됨으로 인해 2차 수손피해를 야기할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 물에 증점제를 첨가하게 되면 화재표면의 점착력이 증가하여 냉각효과를 오래 유지할 수 있을 뿐만 아니라 방사되는 대부분의 물을 소화에 적용할 수 있게 되어 물소모량을 줄일 수 있게 된다. 또한, 계면활성제를 첨가하여 표면장력의 감소로 인한 소화성능의 증대를 가져올 수 있지만 불소계 계면활성제의 경우 PFOS라는 잠정적 발암성 물질을 함유하고 있어 이에 대한 규제가 이루어지고 있는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 물의 소화성능을 개선하기 위해 증점제인 알긴산나트륨 및 잔탄검, 불소가 포함되지 않은 계면활성제인 코코베타인을 소규모 연소실 내에 설치된 미분무 노즐 및 물분무 노즐을 사용하여 목재화재 및 헵탄화재에 적용, 입자크기 및 화원의 종류에 따른 소화성능을 확인해 보고자 하였으며 첨가제별 농도 및 방사압에 따른 소화성능, 물소모량을 측정하여 순수 물과 비교하였다. 또한 소화성능에 영향을 줄 수 있는 첨가제 수용액의 물성 측정과 액적증발 특성, 점착특성 등을 분석하였다.
물성 측정결과 알긴산나트륨 및 잔탄검의 증점제는 농도증가에 따라 점도의 급격한 증가를 보였는데 알긴산나트륨에 비해 잔탄검이 더 높은 점도를 나타내었으며 코코베타인은 점도의 증가는 미미하였지만 표면장력이 급격히 떨어져 0.1wt.%농도에서 최저치를 나타내었다. 한편 고온체에서의 첨가제 수용액의 액적증발에 있어서 증점제의 경우 농도 증가에 따라 증발시간이 길었으며 코코베타인 0.1wt.%에서 가장 빠른 증발시간을 보였다. 또한 목재표면에서의 점착특성을 분석한 결과 잔탄검 0.4wt.%에서 가장 높은 점착성을 보였다.
소규모 연소실에서의 소화실험에 있어서는 노즐 및 화원의 종류에 따라 실험을 진행한 결과 목재화재를 소화하기 위해 미분무 노즐을 이용한 소화실험에서 증점제의 경우에는 농도에 따라 소화시간의 편차가 컸지만 특정 농도에서 적절한 점성으로 인해 목재표면에서의 냉각효과를 유지할 수 있어 순수 물보다 소화성능이 높았다. 하지만 코코베타인의 경우에는 증점제의 특정농도에 비해 상대적으로 소화성능이 감소한 결과를 나타내었다. 한편 같은 목재화재에 대해 입자크기가 상대적으로 큰 물분무 노즐을 사용했을 때 증점제의 경우에는 입자크기가 증가함에 따른 목재표면으로의 침투성의 개선과 더 많은 분사량으로 인해 더욱 오랫동안 냉각효과를 유지할 수 있어 미분무 노즐과 비교하여 소화성능이 월등히 개선되었지만 코코베타인의 경우에는 미분무 노즐과 마찬가지로 농도증가에 따라 소화성능이 감소하였다.
한편 헵탄화재를 소화하기 위해 미분무 노즐을 사용했을 때에는 계면활성능이 좋은 코코베타인의 소화성능이 가장 우수하였으며 증점제의 경우에는 소량의 특정농도에서 순수 물보다 소화성능이 높았을 뿐 그 이외의 농도에서는 소화성능이 현저히 감소하거나 소화에 실패하였다. 또한 입자크기가 상대적으로 큰 물분무 입자를 헵탄화재에 적용하였을 때에도 코코베타인의 경우가 소화성능이 가장 우수하였고 미분무 노즐에 의한 소화시간보다 빠른 결과를 보였다. 증점제의 경우에도 미분무 노즐에 비해 소화시간이 빨라졌지만 농도 증가에 따른 소화성능의 감소는 미분무 노즐과 같은 경향을 나타내었다.

Water as a fire extinguishing agent is widely used for its excellence than other agents in its heat absorption ability and oxygen dilution extinguishing effect thanks to vaporized steam expansion. In extinguishing A class fire, particularly, it is significant to cool down the surface of a combustible because, by doing so, thermal decomposition rate of combustible material can be lowered and the supply of combustible gas to flame is reduced, further decreasing heat release rate and radiation returning to fuel surface. And by directly cooling down flames, this can inhibit heat energy transfer to adjacent materials. Despite such advantages as a fire extinguishing agent, the lower viscosity of water, compared to other agents, prevents it from adhering to fire surface when sprayed, decreasing cooling effect. And the loss of sprayed water could also cause a secondary damage. To remedy these weakness, viscosity agent can be added to water. Then water viscosity to adhere onto fire surface is improved to maintain its cooling effect longer and almost all of the water sprayed can effectively work to extinguish fire, reducing the amount of water consumed. By adding surfactant, surface tension can be lowered to improve extinguishing performance, however, in the case of fluorinate surfactant, it has a potential carcinogen called PFOS(Perfluorooctanoic sulfonate) and is under regulatory control.
Therefore in this thesis, to enhance fire extinguishing performance of water, we used sodium alginate, xanthan gum as viscosity agents and fluorine-free surfactant of coco betaine to spray onto a wood crib fire and heptane fire through water mist and water spray nozzles installed in a small combustion chamber. This study aims to verify fire extinguishing performance of water additives according to particle sizes and fire types. To compare with extinguishing performance of pure water, it was measured fire extinguishing time according to discharge pressure, concentration variation and consumed water amount. Also, It was measured physical properties, droplet evaporation characteristics and viscosity characteristics of additives that could affect fire extinguishing performance.
As a result of physical property measurement, viscosity of sodium alginate and xanthan gum solutions showed a rapid increase as concentration increased and the latter is higher viscosity than the former. The increase of coco betaine''s viscosity was insignificant but the surface tension became low and showed the lowest level at 0.1wt.% concentration. In case of droplet evaporation on high steel surface temperature of additives, viscosity agents showed longer evaporation time as concentration increased. Xanthan gum 0.4wt.% showed the highest adhesion as a result of adhesion characteristics of wood crib surface.
Fire extinguishing experiment in a small scale combustion room was performed by distinguishing the types of nozzles and fire source. In case of extinguishing wood crib fire by water mist nozzle, viscosity agents showed large deviations depending upon their concentration but as appropriate viscosity level is achieved at a certain concentration, they represented better performance than pure water by adhering onto wood crib surface longer to cool down. But coco betaine showed relatively lower extinguishing performance for a given viscosity agent concentration than others. When water spray nozzle was used for wood crib fire, which release larger particles, solution of viscosity agents performed much better than it was sprayed by water mist nozzle because larger particles penetrate better into wood crib surface and more amount is sprayed to keep cooling longer. Coco betaine, however, showed a decrease of fire extinguishing performance with increase of concentration just as it did in the case of water mist nozzle.
In water mist nozzle used for extinguishing heptane fire, coco betaine solution extinguished better than others due to a good surface activity. Viscosity agent solution showed higher performance of fire extinguishing at a certain low-level concentration only. Otherwise, at other levels of concentration, their performance fell largely or even failed to extinguish. If water spray nozzle was used for a heptane fire case, coco betaine showed the best performance of additives and faster than extinguishing time by water mist. Viscosity agent solutions also showed faster extinguishing than water mist while reduction of fire extinguishing performance according to increase of concentration was similar to that of water mist.