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문제 정의
- 본 연구에서는 Setchkin 착화온도 실험과 콘칼로리미터 실험을 통해 각 밀도 및 heat flux level에서 경질폴리우레탄폼의 착화온도 및 착화시간에 의한 착화성과 최대열방출율, 총방출율, 질량감소율 등 열방출특성을 평가하고, 착화시간과 열방출율 데이터를 이용한플래쉬오버 가능성을 검토함으로서 경질폴리우레탄폼의 난연화 연구와 화재예방대책 수립을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 1 MJ의 열이 방출된다는 산소소비원리(oxygen consumption principle)를 바탕으로 하고 있다.3) 설정한 복사열에 노출된 시편이 착화되어 연소될 때의 열방출율은 연소생성물 흐름속의 산소농도와 유속으로부터 유도된 산소소비량을 측정하여 평가하였다. 재료의 연소로 인한 열방출량과 단위면적당 열방출율은 식 (1)과 식 (2)에 의하여 계산한다.
- 따라서 여러가지 요소중 화재위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소가 열방출율라고 할 수 있다. 본 연구에서는 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50kW/m2의 복사열 조건에서 경질폴리우레탄폼의 열방출특성을 평가하였다. 각heat flux 조건에서의 열방출율 측정결과를 Table 1~Table 3에 나타내었고, 밀도 40kg/m3 실험체의 열방출 율곡선을 Fig.
- 중요한 요소이다. 본 연구에서는 4가지 밀도를 갖는 경질폴리우레탄폼 실험치에 대하여 콘칼리로미터를사용하여 25kW/m2 35 kW/m2, 50 kW/m2 복사열을 가하고 착화시간을 측정하였다.
- 본 연구에서는 콘칼로리미터와 Setchkin 착화온도시험기를 사용하여 경질폴리우레탄폼의 착화성 및 열방출특성실험을 실시하였다. 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험에 앞서 시편을 온도 23±2℃, 상대습도 50±5%에서 24시간 유지한 다음 3±0.2g을 가열로 내부에 설치하고 시편이 설치된 고온의 주위공기에 의해 충분한 양의 가연성기체가 방출되어 외부의 파일롯트 불꽃에 의해 착화가 개시되는 최저온도인 유도발화온도와 외부의 파일롯트 불꽃이 없는 상태에서 착화가 개시되는 최저온도인 자연발화온도를 측정하였다.
- 열방출율은 콘칼로리미터를 이용하여 측정하였다. 콘칼로리미터에 의한 열방출율 측정은 대부분의 유기재료가 연소중에 산소 1kg이 소비되면 약 13.
- 재료가 고온의 공기조건에서 착화되는 최저온도 인착화온도를 파일롯트 불꽃이 있는 상태에서의 착화온도인 유도발화온도(FIT)와 파일롯트 불꽃이 없는 상태에서의 착화온도인 자연발화온도(SIT)로 나누어 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
- 54 onS. 조정한 다음 25kW/m2, 35 kW/m2, 50kW/m2 복사열에 노출시켜 10분동안 열방출율을 측정하였다.
- 콘칼로리미터는 원래 열방출율을 측정하기 위해 개발된 방법이지만 여러가지 heat flux 조건에서 착화특성을 평가할 수 있어 착화시간에 의한 착화성 연구에 많이 사용되고 있으며 본 연구에서는 2.2.2의 열방출율 실험과 동일한 방법으로 25 kW/m2, 35 kW/m2, 50 kW/m2 복사열 조건에서 착화시간을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 재료는 KS M 3809에 규정된 경질폴리우레탄폼으로서 두께 50mm의 난연처리되지 않은 것이며, 밀도별로 23kg/m3, 30kg/m3, 40kg/m3, 50kg/m3 4종을 사용하였다. 실험에 앞서 온도 23℃, 상대습도 50%의 표준조건에서 48시간이상 유지하였다.
- 본 연구에서는 정밀하게 제어되는 가열로 내에서 일정한 온도의 고온공기에 노출시켜 재료가 착화되는 온도를 측정하는 ASTM D 19296)방법과 일정한 크기의 heat flux에 노출시켜 착화되는 시간을 측정하는 ASTM E 13547)(ISO 5660-1)8) 방법에 의해착화성을 측정하였다. 착화온도 측정을 위해 사용한 시험장치는 ASTM D 1929(ISO 871) 착화온도 장치로서 전열 코일에 의해 가열되는 길이 254mm, 내부직경 76 mm의 가열로와 제어장치 및 착화온도를 측정을 위한 온도측정장치로 구성되어 있으며 실험장치는 사진 1에 나타내었다.
- 연소성을 정확하게 평가할 수 있는 동적방법(dynamic method)이다. 콘칼로리미터는 콘히터, 질량측정용 로드셀, 시편홀더, 산소분석장치, 유량측정장치를 부착한 배출시스템, 스파크점화기, heat flux meter,교정용 버너 및 데이터수집 시스템들로 구성되어 있으며, 콘칼로리미터의 구조도는 Fig. 2와 같다.
이론/모형
- 또한 착화시간에 의한 착화특성은 ASTM E 1354(ISO 5660-1) 콘칼로리미터 시험방법에 의해 측정하였다. 콘칼로리미터는 원래 열방출율을 측정하기 위해 개발된 방법이지만 여러가지 heat flux 조건에서 착화특성을 평가할 수 있어 착화시간에 의한 착화성 연구에 많이 사용되고 있으며 본 연구에서는 2.
- 이 특성은 재료의 화재위험을 상대적으로 나타낼 수 있는 척도가 된다. 본 연구에서는 정밀하게 제어되는 가열로 내에서 일정한 온도의 고온공기에 노출시켜 재료가 착화되는 온도를 측정하는 ASTM D 19296)방법과 일정한 크기의 heat flux에 노출시켜 착화되는 시간을 측정하는 ASTM E 13547)(ISO 5660-1)8) 방법에 의해착화성을 측정하였다. 착화온도 측정을 위해 사용한 시험장치는 ASTM D 1929(ISO 871) 착화온도 장치로서 전열 코일에 의해 가열되는 길이 254mm, 내부직경 76 mm의 가열로와 제어장치 및 착화온도를 측정을 위한 온도측정장치로 구성되어 있으며 실험장치는 사진 1에 나타내었다.
- 실험방법은 ASTM E 1354(ISO 5660-1)에 따라 실시하였고 시편을 100mm×100mm 정사각형으로 절단하고 온도 23±2℃, 상습도 50±5%에서 항량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다. 시험에 앞서 콘히터의 열량이 설정값 ±2% 이내, 산소분석기의 산소농도가 20.
성능/효과
- 폴리우레탄은 원부자재의 조성을 변화시킴에 따라 다양한 물성과 형태를갖는 제품을 얻을 수 있는 장점이 있어 1998년도 한 해 동안 세계적으로 약 800만톤이 소비될 만큼 널리 사용되고 있다.1) 여러가지 다양한 폴리우레탄중 경질 폴리우레탄폼은 가볍고 단열성능이 우수한 발포 플라스틱으로서 건축물의 단열재료, 샌드위치 패널의 심재, 자동차 내장재 등으로 널리 활용되고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 화재에 노출되면 쉽게 착화되어 연소함에 따라 다량의 열과 연기를 방출하는 특성이 있어 상대적으로 화재에 취약한 단점이 있다.
- 1. 경질폴리우레탄폼의 FIT는 383℃~390℃, SIT는 493℃~495℃이었고 SIT가 FIT에 비해 약 100℃ 높게 나타났다.
- 2. 착화시간은 Heat flux의 크기가 증가함에 따라 급속히 짧아졌으며, 동일한 Heat flux에서는 밀도가 낮을수록 착화시간이 빠른 것으로 나타났다.
- 따라 열방출율도 증가하였다. 25 kW/m2 복사열조건에서의 밀도 50kg/m3 경질우레탄폼의 최대열방출율(Peak heat release rate, PHRR)과 평균열방출율(Average heat release rate)을 비교해보면 35 kW/m2에서 최대열방출율이 12%, 평균열방출율이 13%증가하였고, 50kW/m2에서는 최대열방출율이 24%, 평균열방출율이 37% 증가하였다. 이와 같은 추세는 다른 밀도에서도 비슷한 경향을 보였으며 heat flux에 따른 최대열방출율의 영향을 Fig.
- 8에 나타내었다. 25kW/m2의 복사열조건에서는 밀도가23kg/m3에서 30 kg/m3, 40 kg/m3, 50kg/m3으로 증가됨에 따라 최대열방출율이 각각 6%, 26%, 31% 증가하였다. 35kW/m2과 50kW/m2의 복사열 조건에서도 밀도가 증가함에 따라 최대열방출율과 평균열방출율은 증가하는 경향을 나타냈다.
- 3. 열방출율은 50kW/m2에서 가장 크게 나타났고, Heat flux와 밀도가 클수록 증가하는 경향을 보였다. 질량감소율은 Heat flux가 커질수록 증가하였으나 밀도가 커지면 감소하는 경향을 보였다.
- 25kW/m2의 복사열조건에서는 밀도가23kg/m3에서 30 kg/m3, 40 kg/m3, 50kg/m3으로 증가됨에 따라 최대열방출율이 각각 6%, 26%, 31% 증가하였다. 35kW/m2과 50kW/m2의 복사열 조건에서도 밀도가 증가함에 따라 최대열방출율과 평균열방출율은 증가하는 경향을 나타냈다.
- 4. 착화시간과 열방출특성의 관점에서 볼 때 경질폴리우레탄폼의 화재성능은 가해진 Heat flux의 크기와 밀도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 3에 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 각 밀도에서의 유도발화온도는 383℃~ 390℃, 자연발화온도는 493℃~495℃로 나타나 밀도별 착화온도는 큰 차이가 없었고 각 밀도에서 SIT가 FIT에 비해 약 100℃ 높게 나타났다.
- 나타내었다. 각 heat flux에서의 질량감소율과 Table 1~Table 3에 나타낸 열방출율값을 비교하면 질량감소율이 큰 실험체가 열방출율도 크게 나타나 질량 감소율과 열방출율은 밀접한 상관관계가 있는 것을 알 수 있었다. 또한 25kW/m2와 35kW/m2의 Heat flux에서 밀도가 낮은 실험체의 질량감소율이 밀도가 높은 실험체에 비해 큰 것은 밀도가 낮은 실험체가 연소가용이 하기 때문으로 판단되며, 상대적으로 높은 Heat flux인 50kW/m2에서는 밀드에 따른 질량감소율의 차이가 크지 않았다.
- 경질우레탄폼의 열방출율은 실험체 모두 heat flux가 증가함에 따라 열방출율도 증가하였다. 25 kW/m2 복사열조건에서의 밀도 50kg/m3 경질우레탄폼의 최대열방출율(Peak heat release rate, PHRR)과 평균열방출율(Average heat release rate)을 비교해보면 35 kW/m2에서 최대열방출율이 12%, 평균열방출율이 13%증가하였고, 50kW/m2에서는 최대열방출율이 24%, 평균열방출율이 37% 증가하였다.
- 의 복사열 조건에서 실험체 모두 높은 것으로 분류되었다. 또한 플래쉬오버 가능성을 나타내는 X값은 실험체에 가해진 heat flux가 커질수록 비례적으로 증가되는 경향을 보인 반면에 밀도의 크기에 따라서는 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 또한 동일한 heat Hux에서는 밀도가 작은 실험체의 착화시간이 빠르게 나타나 밀도가 낮은 실험체의 착화가 상대적으로 용이하기 때문으로 판단된다. 이 결과로 볼 때 경질폴리우레탄폼의 착화시간은 heat flux의 크기와 밀도에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. heat flux의 크기와 밀도에 큰 착화시간에 미치는 영향을 Fig.
- 열방출율은 50kW/m2에서 가장 크게 나타났고, Heat flux와 밀도가 클수록 증가하는 경향을 보였다. 질량감소율은 Heat flux가 커질수록 증가하였으나 밀도가 커지면 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
- 5. Petrella에 의해 제안된 방법에 의해 플래쉬오버가능성을 분류한 결과 난연처리되지 않은 경질 폴리우레탄폼은 플래쉬오버 가능성이 높은 것으로 나타났으며, 이 분류방법은 화재에 취약한 재료의 사용을 규제하는데 유용한 방법으로서 이러한 분류방법의 적용에 관한 다양한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 본 연구에서는 난연처리되지 않은 경질우레탄폼에 대해서만 Petrella가 제안한 방법에 따라 플래쉬오버가능성을 검토하였으나 향후 난연처리기법에 따른 플래쉬오버 가능성의 예측은 물론 여러가지 다양한 재료들에 대해서도 이에 대한 연구가 필요하며, 이러한 Petrella의 제안방법은 화재에 취약한 재료들을 규제하기 위한 분류방법의 하나로 활용이 가능하리라고 판단된다.
- 폴리우레탄폼의 화재성능을 향상시키기 방안을 강구하기 위해서는 폴리우레탄폼의 착화성 및 열방출특성에 대한 연구가 선행되어야 한다. 외국의 경우 각종 고분자재료들을 화재시에도 안전하게 사용할 수 있도록 하기 위해 다양한 연구가 수행되고 있고 이러한 화재특성을 종합적으로 실험할 수 있는 실험방법으로 콘칼로리미터가 널리 활용되고 있는데4) 비해 우리나라의 경우에는 플라스틱 단열재의 화재특성 연구5) 일부 연구가 수행된 바 있으나 전반적으로 이러한 화재특성에 관한 연구가 미흡하여 많은 연구가 필요한 실정이다.
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