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문제 정의
- 따라서 다른 시료에 비해 건축내장재용 폴리우레탄 폼의 열분해시 큰 위험성을 내포하고 있으며, 이는 실제 연소시에도 위험할 것으로 사료된다. 또한 시료 모두 2차분해에 따른 발열 피크의 변화를 관찰할 수 있으며, 이러한 결과는 폴리우레탄 폼이 크게 두 가지 물질을 혼합하여 제조되므로 2단계에 걸쳐 분해가 일어나고 있음을 시사하는 바이다.
- 또한, 폴리우레탄 폼의 연소 조건에 따라 발생할 수 있는 유독성 가스 중 이산화탄소; 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스를 가스분석기를 이용하여 시간변화에 따라 연속적으로 측정하였으며, 가스분석기로측정 불가능한 시안화수소, 암모니아, 벤젠, 페놀과 같은 유독성 가스에 대해 가스텍을 이용하여 조사함으로써 화재시 내포하고 있는 폴리우레탄의 위험성을 평가해 보고자 하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 쿠션제조용 연질폼과 마네킹제조용 경질폼의 두 가지 종류와 건축내장재용으로 시판되는 것을 시료로 사용하여 시차주사 열량계 및 열중량분석기를 이용하여 발열개시온도, 분해개시온도 및무게감량 등을 측정하여 폴리우레탄 폼의 열적 위험성을 살펴보았으며, 발화온도 측정장치를 이용하여 정온법으로 폴리우레탄 폼의 발화온도를 조사하였다. 또한, 폴리우레탄 폼의 연소 조건에 따라 발생할 수 있는 유독성 가스 중 이산화탄소; 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스를 가스분석기를 이용하여 시간변화에 따라 연속적으로 측정하였으며, 가스분석기로측정 불가능한 시안화수소, 암모니아, 벤젠, 페놀과 같은 유독성 가스에 대해 가스텍을 이용하여 조사함으로써 화재시 내포하고 있는 폴리우레탄의 위험성을 평가해 보고자 하였다.
- 한편, 가스분석기로 측정 불가능한 유독가스를 조사하기 위하여 각 연소조건에서 연소가스를 20분 동안 포집하여 가스텍과 각 가스 검지관을 이용하여 시안화수소, 암모니아, 벤젠 및 페놀을 조사하였다. 또한, 연소가 종료된 후 시료의 형태를 육안으로 관찰하여 무염연소(훈소)와 유염연소를 구분하였다.
- 본 실험에 사용한 폴리우레탄 폼의 열적 위험성을 평가하기 위해 시차주사 열량계 (Model : DSC 2910, TA Instruments, U.S.A.) 및 열중량분석기 (Model : STD 2960, TA Instruments, U.S.A.)를 이용하여 발열개시온도, 분해개시온도 및 무게감량 등을 측정하였다.
- 본 연구에서 시료로 사용한 폴리우레탄 폼의 발화 거동을 조사하기 위하여 발화온도 측정 장치 (Model: PIT- 031, Pillip Trading Co. Ltd.)를 이용하여 정온법으로 폴리우레탄 폼의 발화온도를 조사하였다. 이에 대한 장치도 및 방법은 이미 발표된 논문과 동일하다.
- 시안화수소, 암모니아, 벤젠 및 페놀은 연소시간 20분 동안 포집된 연소생성가스를 각 가스별 검지관을 이용하여 가스텍으로 측정한 것이며, 이산화탄소, 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스의 경우는 ECOM A+라는 가스분석기를 이용하여 20분 동안 측정된 값을 평균하여 나타낸 것이다. 먼저 본 연구에서 시료로 사용한 세가지 폴리우레탄 폼 모두 어느 연소조건에서도 이산화질소, 아황산가스, 벤젠 및 페놀의 경우는 검출되지 않았다.
- 먼저 공기의 유량을 #으로 고정하고, 로내의 온도를 340, 420 및 500℃로 변화시키면서 각각의 시료 1g을 알루미나 boat에 담아 로의 중심에 넣고 연소시켰다. 이때 발생되는 가스의 농도를 측정하고자 가스분석기(Ecom A+)를 이용하여 시간의 변화에 따라 연속적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스의 농도를 측정하였으며, 이를 RS-232 port를 이용하여 컴퓨터로 자료를 수집하였다. 한편, 가스분석기로 측정 불가능한 유독가스를 조사하기 위하여 각 연소조건에서 연소가스를 20분 동안 포집하여 가스텍과 각 가스 검지관을 이용하여 시안화수소, 암모니아, 벤젠 및 페놀을 조사하였다.
- 폴리우레탄 폼의 연소시 발생할 수 있는 유독성가스의 성분 및 농도를 조사하기 위하여 Fig. 1의 장치와같은 관형 로[Mod이 : IS-F108, Il-Shin Science]를 제작, 사용하였다. 시료를 연소시키 기 위한 공간으로 알루미나 관(ID: 7cm, L: 100cm)의 체적은 3.
- 폴리우레탄 폼의 종류에 따른 열적 안정성을 조사하기 위하여 시료 5 mg을 기준으로하여 분위기 가스인 Air를 60mZ/min의 속도로 주입하면서 승온속도를 20℃/min로 하여 DSC 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 쿠션용 폴리우레탄 폼과 마네킹용 폴리우레탄 폼의 경우보다 건축내장재용 폴리우레탄 폼의 경우 발열 개시온도가 저온부로 이동하고 있으며, 발열량 또한 매우 크게 나타나고 있다.
- 이때 발생되는 가스의 농도를 측정하고자 가스분석기(Ecom A+)를 이용하여 시간의 변화에 따라 연속적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스의 농도를 측정하였으며, 이를 RS-232 port를 이용하여 컴퓨터로 자료를 수집하였다. 한편, 가스분석기로 측정 불가능한 유독가스를 조사하기 위하여 각 연소조건에서 연소가스를 20분 동안 포집하여 가스텍과 각 가스 검지관을 이용하여 시안화수소, 암모니아, 벤젠 및 페놀을 조사하였다. 또한, 연소가 종료된 후 시료의 형태를 육안으로 관찰하여 무염연소(훈소)와 유염연소를 구분하였다.
대상 데이터
- 마네킹용이나 쿠션용으로 사용되는 폴리우레탄 폼은 제조공장에서 얻은 종류가 서로 다른 1액과 2액의 비율을 각각 무게비로 1:1 및 1:0.4로 배합하여 폼을 제조하여 사용하였으며, 내장재용 폴리우레탄 폼은 시제품을 구입하여 발포시켜 시료로 사용하였다. 각 폴리우레탄 폼의 특징은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 시료로 사용한 폴리우레탄 폼은 쿠션제조용 연질폼과 마네킹 제조용 및 건축내장재용의 경질폼이다. 마네킹용이나 쿠션용으로 사용되는 폴리우레탄 폼은 제조공장에서 얻은 종류가 서로 다른 1액과 2액의 비율을 각각 무게비로 1:1 및 1:0.
성능/효과
- Fig. 4(b)에서 연소시간에 따른 일산화탄소농도의 변화는 이산화탄소 농도곡선과 매우 유사한 것을 알 수 있으나, 특이한 것은 5℃ 온도 조건은 개방 상태에서 가스 농도를 측정한 것임에도 불구하고 폴리우레탄 폼의 발화에 따른 연소시 일산화탄소의 농도가 매우 증가함을 볼 수 있다. 이는 앞서 이산화탄소에 비해 일산화탄소의 발생량이 현저히 증가하는 것으로 보-아 반응장치 내부의 연소조건이 화재 시와 아주 흡사한 불완전연소 조건이 되기 때문인 것으로 사료된다.
- 이는 연소온도가 낮은 340℃, 420℃의 경우 훈소를 보이고 있기 때문에 500℃에서와 같은 유염연소보다 이산화탄소의 발생이 다소 지속적인 것으로 볼 수 있다. 또한 500℃의 경우 340℃와 420℃의 경우처럼 반응기를 밀폐하고 실험을 할 경우 연소 초기이산화탄소의 발생량이 훨씬 많게 됨을 예측할 수 있을 것으로 사료된다. Fig.
- 유독가스 분석을 위한 연소시험에서 실험조건 420K까지는 무염연소의 형태를 가졌으며, 5001에서 유염연소가 발생하였다. 또한 연소 형태에 관계없이 연소온도의 증가에 따라 일산화탄소, 이산화탄소의 농도는 증가하였고, 유염연소를 나타내는 50(TC에서 질소산화물이 10 ppm 이상 관찰되었다. 한편 유독성이 매우 강한 HCN의 경우 온도의 증가에 따라 크게 증가하였으며, 시제품 폴리우레탄 폼의 경우 42UC에서 35 ppm이 검출되었다.
- 시안화수소, 암모니아, 벤젠 및 페놀은 연소시간 20분 동안 포집된 연소생성가스를 각 가스별 검지관을 이용하여 가스텍으로 측정한 것이며, 이산화탄소, 일산화탄소, 산화질소, 이산화질소 및 아황산가스의 경우는 ECOM A+라는 가스분석기를 이용하여 20분 동안 측정된 값을 평균하여 나타낸 것이다. 먼저 본 연구에서 시료로 사용한 세가지 폴리우레탄 폼 모두 어느 연소조건에서도 이산화질소, 아황산가스, 벤젠 및 페놀의 경우는 검출되지 않았다. 또한, 암모니아의 경우 미량이 검출되었으며, 온도에 따라서도 큰 차이를 보이지 않고 있다.
- 본 연구에서 시료로 사용한 세가지 폴리우레탄 폼의 경우 40UC이상에서 약 70% 이상 분해되었으며, 발화온도는 400℃이상을 나타내었다. 특히 시제품인 건축내장재의 분해개시온도가 다소 낮으며, 분해열이 매우 크게 나타나고 있어 화재시 보다 큰 위험성을 내포하고 있다고 할 수 있다.
- 다른 용도의 폴리우레탄 폼에 비해 화재시 위험성 또한 크다는 것을 간접적으로 확인할 수 있다. 시료 lg을 연소 시켜 발생된 이산화탄소 및 일산화탄소의 농도는 시료의 양에 대한 건축물의 공간적인 개념이 정확한 대비를 이루는 것은 아니지만, 이산화탄소 및 일산화탄소의 허용농도가 각각 5,000 ppm과 100 ppm이라는 것을감안하면 화재시 매우 위험하다는 것을 간접적으로 볼 수 있다.
- 420K는 앞서 언급한 바와 같이 평균 일산화탄소 발생량이 매우 높은 불완전 연소조건으로 질소 함유 유기물의 경우 일산화탄소 발생량이 많은 불완전 연소조건이나 불활성 분위기에서 매우 높은 시안화수소를 생성한다는 보고와 일치하는 경향성을 나타내고 있다. 즉 420℃에서와 같이 NO2, CO, CO2가 다량 발생하는 불완전 연소 조건에서 시안화수소의 발생량이 허용농도의 3배정도 발생하고 있으므로 측정의 조건은 다르나 500℃의 조건에서는 연소속도가 420℃보다 빠르기 때문에 420℃보다 더욱 더 산소가 부족한 불완전 연소가 발생할 것으로 사료되며 이로인해 시안화수소가스의 배출량도 급격하게 증가할 것이다. 따라서 폴리우레탄 폼의 화재시 불완전 연소로 인한 시안화수소의발생량은 매우 크게 증가할 것이며, 이에 따른 인명피해에 대한 대책의 마련이 시급할 것으로 사료된다.
- 또한 연소 형태에 관계없이 연소온도의 증가에 따라 일산화탄소, 이산화탄소의 농도는 증가하였고, 유염연소를 나타내는 50(TC에서 질소산화물이 10 ppm 이상 관찰되었다. 한편 유독성이 매우 강한 HCN의 경우 온도의 증가에 따라 크게 증가하였으며, 시제품 폴리우레탄 폼의 경우 42UC에서 35 ppm이 검출되었다.
- 3에서 설명한 바와 같이 분해속도가 완만하여 발생되는분해가스가 연소하한계에 도달되어 발화하기 위해서는보다 많은 에너지가 필요하기 때문에 발화온도가 상승한 것으로 볼 수 있다. 한편, 마네킹용의 폴리우레탄폼의 발화온도를 측정하지 못하였는데, 이는 본 실험에 사용한 발화온도 측정장치의 내부온도가 450℃ 이상 유지시킬 수가 없기 때문에 반응기 내부온도를 430℃이하의 조건에서 실험하였기 때문이며, 이 온도조건까지 마네킹용 폴리우레탄 폼은 표면탄화가 일어나고 열분해만 발생하는 것을 관찰하였다.
후속연구
- 즉 420℃에서와 같이 NO2, CO, CO2가 다량 발생하는 불완전 연소 조건에서 시안화수소의 발생량이 허용농도의 3배정도 발생하고 있으므로 측정의 조건은 다르나 500℃의 조건에서는 연소속도가 420℃보다 빠르기 때문에 420℃보다 더욱 더 산소가 부족한 불완전 연소가 발생할 것으로 사료되며 이로인해 시안화수소가스의 배출량도 급격하게 증가할 것이다. 따라서 폴리우레탄 폼의 화재시 불완전 연소로 인한 시안화수소의발생량은 매우 크게 증가할 것이며, 이에 따른 인명피해에 대한 대책의 마련이 시급할 것으로 사료된다. 한편 본 연구에서 500℃의 유염연소 조건에서 시안화수소, 암모니아 등의 농도 값이 없는 것은 앞서 언급한 바와 같이 개방 조건으로 연소실험을 수행했기 때문에 연소 가스의 포집에 문제가 있어 측정이 불가능하였다.
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