[논문]다양한 화재조건에서 플라스틱 종류에 따른 연기입자의 크기분포 변화 측정

구재학; 황철홍

doi:10.7731/kifse.2017.31.6.008

다양한 화재조건에서 플라스틱 종류에 따른 연기입자의 크기분포 변화 측정
Measurement of the Size Distribution of Smoke Particles with Plastic Types Under Various Fire Conditions 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.6, 2017년, pp.8 - 15

초록
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화재발생 시에 대부분의 인명 피해는 연기에 의해 발생되는데, 최근 건축 내장재에서 차지하는 플라스틱의 양이 많아지며 발생되는 연기의 유독성이 점차적으로 증가되고 있다. 연기에 의한 인체피해의 상당부분은 흡입연기의 폐침전과 관련이 있으며, 연기입자의 크기분포는 폐침전 특성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 플라스틱 종류에 따른 연기입자의 크기별 발생량 검토는 폐침전에 의한 인체피해 연구에 필수적으로 요구된다. 최근의 목재와 폴리프로필렌(PP)에 대한 연기입자의 발생특성 연구에서 PP의 연기입자 크기분포 특성이 몇 가지 측면에서 목재와는 확연히 다르게 나타났다. 이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱들도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에 대하여 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 특정 조건에서 연소생성물을 균일하게 생성하고 분석하기 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따른 등속튜브연소로를 이용하여 연소로의 온도와 산소공급량에 따라 다양한 화재조건에서 연기입자를 균일하게 발생시키고, 정전저압 임팩터를 사용하여 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 실시간으로 측정하였다. 실험 결과 4가지 플라스틱의 연기입자 크기분포 특성은 여러 측면에서 PP와 유사하며 목재와는 확연히 다르게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most fire victims succumb to smoke inhalation, and fire smoke toxicity from interior materials is increasing with increased use of plastics. Large amounts of hazardous effects of smoke are related to deposition of smoke particles in respiratory tracts, and deposition characteristics are influenced by size distribution of particles. Thus, it is essential to know the size distribution of smoke particles from plastics for hazard analysis of fire smoke. In a recent study, it has been shown that size distributions of smoke particles from PP are different from wood in many aspects. In order to know whether other plastics show the same characteristics as PP, size distributions of smoke particles from four plastic materials (LDPE, PA66, PMMA, and PVC) were measured in real time under each fire type with various temperature and oxygen supply. In this study, smoke particles from different plastics were generated uniformly by using steady-state tube furnace method provided in ISO/TS 19700. Their size distributions were measured by using an electrical low pressure impactor (ELPI). Results of measurements showed that size distributions of smoke particles from these four plastic materials were similar to those from PP in many aspects. However, they were distinctively different from those of wood.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Formation of smoke particles.⁽⁶⁾
그림 Figure 2. Mechanisms of lung deposition.
그림 Figure 3. ELPI operating principle.⁽¹²⁾
그림 Figure 4. Experimental set up for the steady state tube furnace and ELPI system.
표 Table 1. Conditions for Each Fire Type Based on the ISO/TS 19700
표 Table 2. Calculated Primary Air Flow Rates (Q_p) for each Material
그림 Figure 5. Setting aluminum foils on ELPI stages.
그림 Figure 6. Comparison of geometric number concentrations of smoke particles for different materials: LDPE (upper, left); PA66 (upper, right); PMMA (lower, left); and PVC (lower, right).
그림 Figure 7. Comparison of geometric number concentrations of smoke particles for different fire stages: S1b (upper, left); S2 (upper, right); S3a (lower, left); and S3b (lower, right).
그림 Figure 8. Total summation of the concentrations for all the particle diameters: total number concentration (left); total mass concentration (right).

AI 본문요약
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문제 정의

(18) 이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에 대하여 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 실험결과 4가지 플라스틱의 연기입자 크기분포 특성은 여러 측면에서 PP와 유사하며 목재와는 다르게 나타났다.
목재와 폴리프로필렌(PP)에 대한 연기입자의 발생특성에 관한 최근의 연구에서 PP의 연기입자 크기분포 특성이 몇 가지 측면에서 목재와는 확연히 다르게 나타났다. (18) 이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱들도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)를 대상으로 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 고려된 4가지 플라스틱은 최근 유럽과 북미의 관련 연구팀들이 참가한 상호검증리그⁽¹⁵⁾에서 테스트물질로 선정한 재료들로서, 향후 본 연구의 비교검증이 용이하도록 선정되었다.
반면에 PP에서는 이와 반대의 경향을 보이고 있음이 관찰되었다. 이와 같이 PP가 목재와 다른 경향을 보이는 것이 PP만의 특성인지 아니면 일반적인 플라스틱의 특성인지를 확인하기 위하여, 본 연구에서는 4종의 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에 대하여 각 화재조건에서 입경에 따른 연기입자 농도분포측정 실험을 수행하였다.

가설 설정

실재하는 연기입자는 Goo^(17,18)의 실험에서 측정된 TEM 사진에서 보이는 것과 같이 각 가연물질 및 화재조건에 따라 모양과 비중이 다르다. 그러나 이 연구에서 질량농도는, 연기입자가 비중이 1이고 구형을 가정한 공기역학경 모델입자에 해당하는 비중과 형상을 갖는다고 가정하고 ELPI에서 측정된 각 입경별 개수농도를 이용하여 구하였다.

제안 방법

연소로가 설정된 온도에 도달하면 3 min 후에 가연물이 균일하게 탑재된 길이 800 mm의 보트를 연소로 안으로 일정 속도로 밀어 넣기 시작하였다. 다음으로, 화염 및 연기 발생과 혼합기 안에서의 입자 상태가 안정된 10 min 후부터 채집라인을 연결하여, 보트가 연소로 안으로 끝까지 들어가기 전 일정 시간 동안 연기입자를 측정장치로 공급하였다. 보트삽입 및 채집라인 연결 시간 등은 혼합상자 안의 시간에 따른 입자 농도변화 등을 모니터링하여 최적의 값으로 정하였다.
특정 조건에서 연소생성물을 균일하게 생성하고 분석하기 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따른 등속튜브연소로를 이용하여 다양한 화재조건에서 연기입자를 균일하게 발생시켰다. 또한 전체 입자크기 영역에서 실시간 연속적인 농도측정 결과를 얻기 위하여, 정전저압 임팩터를 사용하여 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 측정하였다. 이와 같은 방법으로, 다양한 화재조건에 해당되는 연소로의 온도 및 당량 비(equivalence ratio) 조건에서 각 가연물별 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 실시간으로 측정하고 크기분포 변화를 분석하였다.
다음으로, 화염 및 연기 발생과 혼합기 안에서의 입자 상태가 안정된 10 min 후부터 채집라인을 연결하여, 보트가 연소로 안으로 끝까지 들어가기 전 일정 시간 동안 연기입자를 측정장치로 공급하였다. 보트삽입 및 채집라인 연결 시간 등은 혼합상자 안의 시간에 따른 입자 농도변화 등을 모니터링하여 최적의 값으로 정하였다. ⁽¹⁸⁾ 정전저압 임팩터를 이용하여 입자크기에 따른 실시간 개수농도를 측정하여 데이터를 저장한 다음, 측정 결과 표시는 일정 구간에 대한 시간 평균값을 이용하였다.
이 방식은 연소로(furnace)를 통과하는 석영튜브(quartz tube) 안으로 공기와 연료를 각각 일정한 속도로 공급함으로써 균일한 연소생성물을 발생시키고, 튜브 내에서 발생된 연소생성물은 혼합상자(mixing chamber)로 나와서 일정량의 공기에 희석되어 실제상황과 유사한 연기 상태를 만들어 배출되도록 되어 있다. 이 실험에서 연소로는 기존의 입자 형상 측정실험에서 제작한 장치를 이용하였으며, 입자크기별 개수농도 측정 장치인 정전저압 임팩터를 추가적으로 구성하였다.^(13,17,18)
또한 전체 입자크기 영역에서 실시간 연속적인 농도측정 결과를 얻기 위하여, 정전저압 임팩터를 사용하여 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 측정하였다. 이와 같은 방법으로, 다양한 화재조건에 해당되는 연소로의 온도 및 당량 비(equivalence ratio) 조건에서 각 가연물별 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 실시간으로 측정하고 크기분포 변화를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 정전저압 임팩터(ELPI)를 이용한 측정에서 얻어진 입자 직경은 측정장치의 고유특성상 공기역학입자경(aerodynamic diameter)을 나타낸다. ELPI에는 각 입경에 대응하는 여러 개의 충돌판 단계와 추가로 1개의 가장 작은 입경에 해당하는 필터(filter) 단계가 있는데, 여기서는 입경별 데이터 측정에 있어서 필터 단계에서의 침전데이터는 제외하고, 나머지 충돌판 단계에서 얻어진 데이터에 대응하는 13개 입경에서의 값만 사용하였다. 실험한 결과 4가지 플라스틱에 대하여 화재조건 S1b와 화재조건 S2를 비교하면, 입자직경 0.
(18) 이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱들도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)를 대상으로 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 고려된 4가지 플라스틱은 최근 유럽과 북미의 관련 연구팀들이 참가한 상호검증리그⁽¹⁵⁾에서 테스트물질로 선정한 재료들로서, 향후 본 연구의 비교검증이 용이하도록 선정되었다. 특정 조건에서 연소생성물을 균일하게 생성하고 분석하기 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따른 등속튜브연소로를 이용하여 다양한 화재조건에서 연기입자를 균일하게 발생시켰다.
연소로는 용량이 5kW, 사용온도는 최대 약 1,000°C이며 발열체로는 Kantal A-1이 사용되었다. 연소로 본체는 폭은 300mm이며, 총 길이는 700mm이다. 여기서 선단과 후단에 각각 50mm의 단열부분을 제외하면 순수 가열부의 길이는 600mm이다.
연소로는 용량이 5kW, 사용온도는 최대 약 1,000°C이며 발열체로는 Kantal A-1이 사용되었다.

데이터처리

보트삽입 및 채집라인 연결 시간 등은 혼합상자 안의 시간에 따른 입자 농도변화 등을 모니터링하여 최적의 값으로 정하였다. ⁽¹⁸⁾ 정전저압 임팩터를 이용하여 입자크기에 따른 실시간 개수농도를 측정하여 데이터를 저장한 다음, 측정 결과 표시는 일정 구간에 대한 시간 평균값을 이용하였다. Figure 5는 정전저압 임팩터 측정을 위한 준비과정의 한 예로서, 임팩터 각 단계별 충돌판에 알루미늄 포일(foil)을 붙이고 입자의 재비산을 방지하기 위하여 그리스(impactor foil grease, DEKATI, AG-10)를 도포한 사진이다.

이론/모형

본 실험에서는 연소생성물 분석에 관한 국제표준 방식인 ISO/TS 19700에 제시된 등속튜브연소로 방식이 적용되었다. 이 방식은 연소로(furnace)를 통과하는 석영튜브(quartz tube) 안으로 공기와 연료를 각각 일정한 속도로 공급함으로써 균일한 연소생성물을 발생시키고, 튜브 내에서 발생된 연소생성물은 혼합상자(mixing chamber)로 나와서 일정량의 공기에 희석되어 실제상황과 유사한 연기 상태를 만들어 배출되도록 되어 있다.
고려된 4가지 플라스틱은 최근 유럽과 북미의 관련 연구팀들이 참가한 상호검증리그⁽¹⁵⁾에서 테스트물질로 선정한 재료들로서, 향후 본 연구의 비교검증이 용이하도록 선정되었다. 특정 조건에서 연소생성물을 균일하게 생성하고 분석하기 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따른 등속튜브연소로를 이용하여 다양한 화재조건에서 연기입자를 균일하게 발생시켰다. 또한 전체 입자크기 영역에서 실시간 연속적인 농도측정 결과를 얻기 위하여, 정전저압 임팩터를 사용하여 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 측정하였다.

성능/효과

1. 실험한 결과 4가지 플라스틱에 대하여 화재조건 S1b와 화재조건 S2를 비교하면, 입자직경 0.1 μm 근처를 기준으로 이보다 큰 영역에서는 화재조건 S2에서, 이보다 작은 영역에서는 화재조건 S1b에서 상대적으로 많은 개수농도의 연기가 발생된다.
2. 동일 화재조건에서는 약간의 차이가 있긴 하나 4가지 플라스틱 전체에 대하여 대략적으로 비슷한 경향의 기하학적 개수농도 분포를 보인다. 즉 화재조건 S1b에서는 입자크기가 증가하면서 개수농도가 단순 감소하는 분포 특성을 보인다.
3. 모든 입자직경에서 입자 개수를 더한 총 개수농도는 각 화재조건에 대하여 큰 차이가 나지 않고 각 가연물질간에도 대략 비슷한 값을 갖는다. 반면에 총 질량농도 분포는 각 화재조건에 따른 값이 비슷하지 않고 특히 화재조건 S1b에서 작은 값을 갖는다.
⁽¹⁸⁾ 이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에 대하여 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 실험결과 4가지 플라스틱의 연기입자 크기분포 특성은 여러 측면에서 PP와 유사하며 목재와는 다르게 나타났다. 4가지 플라스틱의 입자발생 특성은 다음과 같다.
실험한 결과 4가지 플라스틱에 대하여 화재조건 S1b와 화재조건 S2를 비교하면, 입자직경 0.1μm 근처를 기준으로 이보다 큰 영역에서는 화재조건 S2에서, 이보다 작은 영역에서는 화재조건 S1b에서 상대적으로 많은 개수농도의 연기가 발생된다.
입경측정의 특징적인 결과로서, 목재에서는 입자직경이 대략 0.1 μm 보다 큰 영역에서는 화재조건 S1b에서, 이보다 작은 영역에서는 화재조건 S2에서 상대적으로 많은 개수농도의 연기가 발생되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라스틱에 대해 연기입자 크기분포 측정실험의 수행 내용은 무엇인가?	이에 따라, 본 연구에서는 다른 플라스틱들도 연기입자 크기분포에서 PP와 같은 특성을 보이는지 알아보기 위해서 대표적인 4가지 플라스틱(LDPE, PA66, PMMA, PVC)에 대하여 연기입자 크기분포 측정실험을 수행하였다. 특정 조건에서 연소생성물을 균일하게 생성하고 분석하기 위하여 ISO/TS 19700 기준에 따른 등속튜브연소로를 이용하여 연소로의 온도와 산소공급량에 따라 다양한 화재조건에서 연기입자를 균일하게 발생시키고, 정전저압 임팩터를 사용하여 연기입자의 크기에 따른 개수농도를 실시간으로 측정하였다. 실험 결과 4가지 플라스틱의 연기입자 크기분포 특성은 여러 측면에서 PP와 유사하며 목재와는 확연히 다르게 나타났다.
	연기에 의한 인체피해의 특징은 무엇인가?	화재발생 시에 대부분의 인명 피해는 연기에 의해 발생되는데, 최근 건축 내장재에서 차지하는 플라스틱의 양이 많아지며 발생되는 연기의 유독성이 점차적으로 증가되고 있다. 연기에 의한 인체피해의 상당부분은 흡입연기의 폐침전과 관련이 있으며, 연기입자의 크기분포는 폐침전 특성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 플라스틱 종류에 따른 연기입자의 크기별 발생량 검토는 폐침전에 의한 인체피해 연구에 필수적으로 요구된다.
	연기입자에 유독가스가 흡착되는 양상이 영향을 받는 것은 무언인가?	이때 고체상은 주로 미연탄소(unburned carbon)에 여러 유독가스를 포함한 가스가 흡착된 연기입자들로 이루어져 있다. 연기입자에 유독가스가 흡착되는 양상은 가스의 화학적 특성과 더불어 입자의 조성이나 크기 및 형상 등에 영향을 받는데, 이 입자들은 각 가연물의 화학적 조성과 화재조건, 즉 연소로의 온도와 산소 공급량 등에 따라 구형 또는 불규칙 형태의 단일입자 또는 이들의 군집형태 등 다양한 크기와 형태의 물리적 특성을 가지게 된다. 유기증기(organic vapor) 및 미연탄소로부터 생성되는 연기입자는 화재 조건별로 Figure 1에 도시한 바와 같이 전구체(precursor)가 핵생성(nucleation) 및 응축(condensation) 등을 거쳐서 단구형(singlet)의 초기입자(primary particle)를 생성하고, 그 후이들이 응고(coagulation), 집합(aggregation), 파손(breakage) 및 합체(coalescence) 등의 복합적인 과정을 거치면서 응집체(agglomerates)로 성장한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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