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문제 정의
- 본 연구에서는 건물이나 설비 등에 보온 및 단열을 위해 많이 사용되고 있는 플라스틱 단열재의 화재 특성을 평가하기 위해 콘칼로리미터 시험을 실시하였다. 플라스틱 단열재의 열방출 특성 분석을 통해 단열재의 화재 특성 구명과 단열재로 인한 화재로부터 인명과 재산피해를 최소화시킬 수 있는 열 특성 평가 기준의 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 건물이나 설비 등에 보온 및 단열을 위해 많이 사용되고 있는 플라스틱 단열재의 화재 특성을 평가하기 위해 콘칼로리미터 시험을 실시하였다. 플라스틱 단열재의 열방출 특성 분석을 통해 단열재의 화재 특성 구명과 단열재로 인한 화재로부터 인명과 재산피해를 최소화시킬 수 있는 열 특성 평가 기준의 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 2) 플라스틱 단열재의 종류 및 열플럭스의 크기에 따라 열방출 특성 등이 각각 다르기 때문에 각국의 열방출 평가 기준과 본 연구의 연구 결과를 비교. 검토하여 사용 용도와 조건에 따라 단열재의 화재 위험 특성을 적절하게 분류할 수 있는 평가기준을 정립하여야 할 것이다.
- 특히, 사람이 많이 이용하는 공공장소 혹은 작업장에 플라스틱 단열재를 사용할 때는 화재로 인한 인명피해를 최소화하기 위해 단열재의 난연성 향상이나 단열재의 시공시 마감을 C-2 등급(캐나다 기준) 이상의 성능이 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 우리나라에서도 사람이 많이 이용하는 공공시설이나 작업장 내부에 사용될 수 있는 재료의 종류 및 열플럭스의 크기에 따라서 착화성, 열방출 특성 및 가스 방출 특성이 각기 다르기 때문에 각국의 평가기준과 본 연구의 연구 결과를 비교. 검토하여 사용조건에 따른 재료의 연소 특성을 적절하게 분류할 수 있는 평가기준을 정립하여야 할 것이다.
- 콘히터를 작동시켜 설정값에서 10분 이상 안정시킨다. 또한, 산소분석기의 영점을 맞추고, 열방출율 교정과 질량 측정 장치를 교정한다.
- 열방출율은 시료 표면적 당 발생한 순간적인 열량의 크기이며, 하나의 데이터를 추출함으로서 발생할 수 있는 잘못된 데이터의 수집을 피하기 위하여 5포인트의 데이터를 평균하였다. 열방출율 값은 측정된 산소농도와 대기 중의 산소농도의 차이에 의하여 계산하였다. 각열플럭스 조건에서 플라스틱 단열재의 경우 최대열방출율 값을 Table 2에 나타내었다.
- 열방출율은 시료 표면적 당 발생한 순간적인 열량의 크기이며, 하나의 데이터를 추출함으로서 발생할 수 있는 잘못된 데이터의 수집을 피하기 위하여 5포인트의 데이터를 평균하였다. 열방출율 값은 측정된 산소농도와 대기 중의 산소농도의 차이에 의하여 계산하였다.
- 반복해서 3개의 시편에 대해 실험을 실시하고 실험 결과를 기록한다. 본 연구에서는 선정된 단열재에 25~75kW/n?의 열플럭스를 가하여 단열재의 종류 및 열플럭스의 크기별로 시간에 따른 열방출특성의 변화를 연속적으로 측정하였다.
- 콘칼로리미터(Cone Calorimeter) 시험에서는 열방출율을 재료의 연소 표면적 당 발생되는 열량으로 표현하고 발생 열량의 크기에 따라 플라스틱 단열재의 화재 위 험성을 평가하였다. 콘칼로리미터를 이용하여 시편을 수평 방향으로 설치하고 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50kW/m2의 복사열에 10분간 노출시켰을 때의 최대열방출율(Peak Heat Release Rate, PHRR), 평균열방출율 (Heat Release Rate, HRR), 총방출열량(Ibtal Heat Released, THR)을 측정하였다.
- 콘칼로리미터(Cone Calorimeter) 시험에서는 열방출율을 재료의 연소 표면적 당 발생되는 열량으로 표현하고 발생 열량의 크기에 따라 플라스틱 단열재의 화재 위 험성을 평가하였다. 콘칼로리미터를 이용하여 시편을 수평 방향으로 설치하고 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50kW/m2의 복사열에 10분간 노출시켰을 때의 최대열방출율(Peak Heat Release Rate, PHRR), 평균열방출율 (Heat Release Rate, HRR), 총방출열량(Ibtal Heat Released, THR)을 측정하였다.
- 플라스틱 단열재의 화재 위험 특성평가를 위해 콘칼로리미터를 이용한 플라스틱 재료의 최대열 방출율, 총방출율 및 평균열 방출율 특성 실험과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 플라스틱 단열재의 제조 및 시공업체에 대한 자료조 사와 품목별 제조 업체수와 제품 제조 실적 순위를 감안하여 KS 지정품목을 기준으로, 총 8개 업체 3개 제품 34품목으로, 실험에 사용된 재료의 상세한 명세는 Table 1에 나타내었다. 실험 재료는 비드법 폴리스티렌 폼, 압출법 폴리스티렌폼, 경질 우레탄 폼, 폴리에틸렌폼을 품목별, 종류별로 각각 2개 업체 제품을 실험재료 로 선정하였다.
이론/모형
- 플라스틱 단열재의 열방출율을 측정하기 위해 ISO 5660, 71 ASTM E 13548) 기준에 따라 본 연구에서는 미국 ATLAS사의 콘칼로리미터 (CONE 2A)를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 플라스틱 단열재의 종류에 따른 열방출율 값을 제시하였으며, 열방출율은 밀도와 열플럭스의 증가에 따라 증가하였다. 실험 재료 중 폴리에틸렌폼이 최대 열 방출율 및 평균열 방출율이 가장 크게 나타났고, 열플럭스 및 밀도의 증가에 따른 최대열 방출율의 증가율도 가장 큰 것으로 나타났다.
- 3) 화재 예방 측면에서 냉동창고, 유흥음식점 등에서 사용되는 플라스틱 단열재에 의한 화재 피해를 최소화하기 위해서는 최대열 방출율 150 kW/m2 이하, 평균 열 방출율 85 kW/m2 이하, 총열방출율 50 M)/m2 이하의 수준으로 평가기준을 정하는 것이 바람직하다.
- Table 3에 나타낸 폴리에틸렌폼의 경우, 상용 제품 이 두께 10mm로 생산되기 때문에 본 실험에서는 10 mm에 대한 실험값으로 타 시료와 같은 두께인 50 mm로 환산하여 총방출열량을 비교한 결과 플라스틱 단열재료 중 폴리에틸렌폼이 가장 높은 것으로 나타났다.
- Table 2에서 보는 바와 같이 실험 재료에 가해지는 외부의 열플럭스가 증가함에 따라 단열재료의 최대열방출율이 커지고 최대 열 방출율에 도달하는 시간도 짧아지는 것으로 나타났다. 또한 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50 kW/iiQ의 열플럭스 조건에서 밀도가 낮은 실험 재료에 비해 밀도가 높은 플라스틱 재료의 최대열방출율이 크게 나타났다. 이는 높은 열플럭스에서는 열분해가 더욱 잘 진행되어 실험 재료가 많은 양의 열을 방출하면서 빠른 속도로 연소하기 때문으로 보인다.
- Table 3에서 보는 바와 같이 25 kW/m2, 35 kW/m2,0 kW/n?의 열플럭스에서 동일한 밀도를 갖는 실험 재료의 총방출열량은 큰 차이를 보이지 않고 비슷한 결과를 보이고 있는데 이는 연소성이 상대적으로 큰 재료의 경우에는 25 kW/m2 정도의 열플럭스이면 실험재료가 지속적인 연소를 하는 데 충분하기 때문으로 판단된다. 또한 최대열방출율에서도 언급한 바와 같이 각 실험 재료의 밀도가 증가함에 따라 대체적으로 총방출열량도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이는 실험 재료가 일단 착화되면 지속적으로 연소되 므로 밀도가 클수록 연소되는 단열재질량이 커진다고 할 수 있으므로 총방출열량도 증가하는 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과를 분석하여 보면 폴리스티렌 폼, 폴리 우레탄폼 및 발포 폴리에틸렌 폼의 열방출특성은 50 kW/m2의 열플럭스 조건에서 최대열방출율 239~L, 028 kW/m2, 평균열방출율 23-208 kW/m2, 총열방출율 7~63 MJ/m2로 나타나 캐나다 분류체계를 적용하여 분류하여 보면 폴리스티렌폼, 폴리우레탄폼 및 폴리에틸렌 폼은 평균열방출율 및 총방출열량 측면에서는 C- 2 또는 C-3 둥급에 해당되나, 최대열방출율이 C-4 등급에 해당되므로 전체적으로는 C-4 등급으로 분류할 수 있다.
- 이는 높은 열플럭스에서는 열분해가 더욱 잘 진행되어 실험 재료가 많은 양의 열을 방출하면서 빠른 속도로 연소하기 때문으로 보인다. 실험 재료 중 폴리에틸렌폼 이 가장 큰 최대열방출율을 갖는 것으로 나타났으며, 특히 폴리에틸렌폼 실험 재료는 전체적으로 밀도 및 열플럭스에 따른 최대열방출율의 변화가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 1) 플라스틱 단열재의 종류에 따른 열방출율 값을 제시하였으며, 열방출율은 밀도와 열플럭스의 증가에 따라 증가하였다. 실험 재료 중 폴리에틸렌폼이 최대 열 방출율 및 평균열 방출율이 가장 크게 나타났고, 열플럭스 및 밀도의 증가에 따른 최대열 방출율의 증가율도 가장 큰 것으로 나타났다.
- Babrauskas와 Krasny는콘칼로리미터에 의한 실험을 통하여 재료가 착화 후 180초에서의 평균열방출율 이 실대 규모 화재에서의 최대열방출율 값에 상응한다고 보고 한 반면에 NFL(NationaI Fire Laboratory)의연구결과에서는 착화 후 300초에서의 평균열방출율이 실대 규모 화재실험에서 의 결과와 더 좋은 상관관계를 갖는다고 발표하였다. 이와 같은 연구결과를 바탕으로 시료의 착화 후 180초에서의 평균열방출율과 300초에 서의 평균열방출율은 실제 화재에서의 연소 특성을 잘 판단할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖고 있으며 ISO 기준을 비롯한 각 시험 기준에서도 180초 평균열방출율 과 300초 평균 열방출율을 측정하고 있다.
- 이들 그림으로부터 최대열방출율, 총 방출율 및 평균열방출율 등을 얻을 수 있다. 폴리스티렌의 폼의 경우 Fig. 2에서 보는 바와 같이 1호가 최 대열방출율 값이 가장 높게 나타났으며, 최대열방출율 이 300 kW/m2 이상으로 연소시 화재의 확대 위험이 매우 큰 재료임을 알 수 있었다. 폴리우레탄폼의 경우는 피크가 완만하게 나타났으며, 이는 화재 조건에 노출되었을 때 재료로부터 열방출율이 서서히 이루어지고 있다는 것을 의미한다.
- 우리나라에서 발생한 냉동창고, 유흥음식점 등에서 단열재에 의한 대형화재사고가 발생하여 많은 인명 및 재산피해를 초래한 바 있다. 화재예방 측면에서 이들 장소(업소)에서사용되는 플라스틱 단열재에 의한 화재 피해를 최소화하기 위해서는 캐나다의 열 방출 특성 기준 C-2 등급(최대열방출율 150 kW/m2 이하, 평균 열방출율 85 kW/m2 이하, 총열방출율 50 MJ/m2 이하) 정도의 수준으로 평가기준을 정하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 특히, 사람이 많이 이용하는 공공장소 혹은 작업장에 플라스틱 단열재를 사용할 때는 화재로 인한 인명피해를 최소화하기 위해 단열재의 난연성 향상이나 단열재의 시공시 마감을 C-2 등급(캐나다 기준) 이상의 성능이 되도록 하는 것이 바람직하다.
후속연구
- 2) 플라스틱 단열재의 종류 및 열플럭스의 크기에 따라 열방출 특성 등이 각각 다르기 때문에 각국의 열방출 평가 기준과 본 연구의 연구 결과를 비교. 검토하여 사용 용도와 조건에 따라 단열재의 화재 위험 특성을 적절하게 분류할 수 있는 평가기준을 정립하여야 할 것이다.
- 또한 우리나라에서도 사람이 많이 이용하는 공공시설이나 작업장 내부에 사용될 수 있는 재료의 종류 및 열플럭스의 크기에 따라서 착화성, 열방출 특성 및 가스 방출 특성이 각기 다르기 때문에 각국의 평가기준과 본 연구의 연구 결과를 비교. 검토하여 사용조건에 따른 재료의 연소 특성을 적절하게 분류할 수 있는 평가기준을 정립하여야 할 것이다.
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