[논문]플라스틱의 연소 시 발생하는 연기 위험성에 관한 연구

유지선; 정영진

doi:10.7731/kifse.2019.33.1.069

플라스틱의 연소 시 발생하는 연기 위험성에 관한 연구
Risk of Smoke Occurring in the Combustion of Plastics 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.1, 2019년, pp.69 - 75

유지선 (강원대학교 방재전문대학원) , 정영진 (강원대학교 소방방재공학과)

초록
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본 연구에서는 5종의 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP), 폴리스티렌(Polystylene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 판을 콘칼로리미터(Cone calorimeter, ISO 5660)를 이용하여 연소성을 시험하였다. 그 결과 PVC판은 최대열방출률($HRR_{peak}$)이 $44.65kW/m^2$, 최대평균열방사율(MARHE)이 $30.97kW/m^2$로 가장 낮게 나타났고, PS판은 $HRR_{peak}$은 $773.44kW/m^2$, MARHE는 $399.14kW/m^2$으로 가장 높게 나타났다. 일산화탄소의 평균($CO_{mean}$) 발생량은 PC판과 PS판이 최대 3.88배로 가장 많이 발생하였고, 반대로 이산화탄소($CO_{2mean}$)의 평균 발생량은 PS판과 PP판이 최대 4.88배로 가장 많이 발생하였다. 또 PS판은 다른 플라스틱보다 연기성능지수(SPI)가 74.81%~95.99% 감소하였고, 연기성장지수(SGI)는 76%~300%, 연기강도(SI)는 917.73%~9607.57% 증가하여 연기위험성이 높다는 것을 알 수 있었다. 따라서 PS판은 열적 측면에서나 연기 측면 모두 연기로 인한 인명피해의 위험성이 가장 높았음을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the combustibility of five types of plastic plates, fiber reinforced plastic (FRP), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), and polyvinyl chloride (PVC), were tested using a cone calorimeter (ISO 5660). The PVC plate showed a $44.65kW/m^2$ lower peak heat release rate (HRR) and a $30.97kW/m^2$ lower maximum average rate of heat emission than the other four types of plastics, whereas the PS plate showed a $773.44kW/m^2$ higher peak HRR and $399.14kW/m^2$ higher maximum average rate of heat emission. The PC plate and PS plate showed the highest HRR by a maximum of 3.88 times in $CO_{mean}$ yields, while the PS pate and PP plate showed the highest HRR by a maximum 4.88 times in $CO_{2mean}$ yields. In addition, the smoke performance index (SPI) of the PS plate decreased by 74.81%~95.99%; the smoke growth index (SGI) increased to 76%~300%; the smoke intensity (SI) also increased to 917.73% ~ 9607.57%, and the danger of smoke increased. The PS plate was found to have the highest risk of life damage due to smoke on the thermal and smoke sides.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Heat release rate curves of plastic at 50 kW/m² radiant heat.
표 Table 1. The Combustion Properties of Plastic at 50 kW/m² Radiant Heat
그림 Figure 2. Carbon monoxide (%) curves of plastic at 50 kW/m² radiant heat.
그림 Figure 3. Carbon dioxide (%) curves of plastic at 50 kW/m² radiant heat.
그림 Figure 4. Smoke production rate curves of plastic at 50 kW/m² radiant heat.
그림 Figure 5. The residues of plastic after combustion.
표 Table 2. Smoke Performance Index, Smoke Growth Index and Smoke Intensity of plastic at 50 kW/m² External Heat Flux

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

. 그러나 여러분야에서 다양하게 사용되고 있는 플라스틱의 효용성과 중요성에 비해 화재 위험성에 관한 연구가 매우 부족하다고 판단하여 본 연구는 플라스틱 자체의 물질이 갖고 있는 화재나 연기의 위험성에 대해 연구하였다. 이처럼 플라스틱은 화재발생 당시화재 열에 의한 손실보다는 연소 당시 발생되는 연소가스와 연기에 의한 피해가 훨씬 많이 발생한다.
또한 Chung의 방정식에(15) 의한 연기성능지수(Smoke performance index, SPI), 연기성장지수(Smoke growth index, SGI), 연기강도(smoke ientensity, SI) 등을 평가하여 화재위험과 연기 특성을 파악하고, 플라스틱 화재 시 화재 위험성을 예측하고자 하였다.

제안 방법

그러나 HRR 값은 기계장치의 노이즈(Noise)에 의한 값의 오차가 발생하므로 이를 최소화할 수 있는 새로운 HRR 값인 MARHE를 도입하였다. MARHE는 총 HRR을 시간으로 나눈 값이다^(21,22).
따라서 본 연구에서는 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP)과 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 그리고 폴리염화비닐(Polyvinyl Chloride, PVC)의 5 종류의 플라스틱을 선정하여 ⁽¹⁴⁾ ISO 5660의 기준에 따라 콘칼로리미터(Cone Calorimeter)를 사용하여 외부 복사열원에 의한 연소 특성으로 유해가스 및 연기관련 지수 등을 측정하였다. 또한 Chung의 방정식에⁽¹⁵⁾의한 연기성능지수(Smoke performance index, SPI), 연기성장지수(Smoke growth index, SGI), 연기강도(smoke ientensity, SI) 등을 평가하여 화재위험과 연기 특성을 파악하고, 플라스틱 화재 시 화재 위험성을 예측하고자 하였다.
SEA는 SPR을 MLR로 나눈 것으로 연기관련 지수로 많이 연구되고 있다. 또 연기/화재의 위험성을 예측하기 위한 지수로 연기강도(Smoke intensity, SI)를 이용하였다⁽¹⁵⁾. SI는 전체 규모의 화재 조건에서 발생될 수 있는 연기의 잠재적 양을 추정하는 데 사용될 수 있다.
연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30분 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2분간의 데이터 수집시간을 부여하였다. 시편을 3번 측정하여 어느 하나라도 3개 값에 대한 산술 평균값이 10% 이상 차이가 나면 추가로 3번 더 측정하여 시편 6개에 대한 산술 평균값을 보고하였으며, 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열 및 연기 관련 지수를 구하였다.
시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다. 시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30분 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2분간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하고 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다.
Table 1은 각 시험편의 열적 특성을 나타내었다. 여기에 나타낸 열적 특성은 다음과 같다: 착화시간(Time to ignition, TTI), HRR_peak , 최대평균열방사율(Maximum Average Rate of Heat Emission, MARHE), 총연기방출량(Total smoke release, TSR), 연기발생속도(Smoke production rate, SPR), 비감쇠면적(Specific extinction area, SEA). 50 kW/m²의 복사열에 의한 플라스틱의 HRR 커브는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 HRR_peak가 PS판이 가장 높게 나타났다(Table 1).
시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30분 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2분간의 데이터 수집시간을 부여하였다. 시편을 3번 측정하여 어느 하나라도 3개 값에 대한 산술 평균값이 10% 이상 차이가 나면 추가로 3번 더 측정하여 시편 6개에 대한 산술 평균값을 보고하였으며, 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열 및 연기 관련 지수를 구하였다.
. 콘칼로리미터를 이용한 CO 및 CO₂의 측정은 실시간 농도를 측정하였고이 데이터들은 질량의 감소에 따른 산출량인 CO yield, CO₂ yield를 주요 중요한 데이터로 사용한다. 하지만 이 데이터는 수치 미분식에 의해 얻어진 MLR을 이용하기 때문에 시간에 따른 변화율에는 큰 의미를 두지 않으며 평균값을 주로 사용한다.

대상 데이터

FRP판은 유리섬유강화플라스틱(Glass fiber reinforced plastic, GFRP)으로 유리 섬유 보강재(30-50%), 불포화 폴리에스테르 수지(27-57%), 라디칼 중합 개시제(Benzoyl Peroxide, B.P.O.)(3%), 희석제(Styrene)(10-20%)로 구성되었으며, 유리전이온도(T_g)는 130 ℃, 밀도는 1.68 g/cm³인 제품을 사용하였다. PS 판은 T_g가 80 ℃, 밀도는 1.
본 연구에서 PP판은 백색 제품을 사용하였고 PVC판은 회색 제품을 사용하였다. PC판은 147 ℃, 밀도는 1.2 g/cm³인 제품을 사용했고, PP판은 T_g -20 ℃, 밀도 0.9 g/cm³인 제품을 사용했으며, PVC판은 T_g 82 ℃, 밀도 1.28 g/cm³인 제품을 사용하였다. 본 논문에서 선정한 FRP판, PS판, PC판, PP판, PVC판 구입 후 모두 별도의 처리없이 그대로 사용하였다.
28 g/cm³인 제품을 사용하였다. 본 논문에서 선정한 FRP판, PS판, PC판, PP판, PVC판 구입 후 모두 별도의 처리없이 그대로 사용하였다.
04 g/cm³인 제품을 사용하였다. 본 연구에서 PP판은 백색 제품을 사용하였고 PVC판은 회색 제품을 사용하였다. PC판은 147 ℃, 밀도는 1.
사용한 시험편의 두께는 2 mm로서 크기는 100 mm × 100 mm의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대습도 50 ± 5%에서 함량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다.
HRR은 물질의 질량감소율(Mass loss rate, MLR)과 연소열의 곱으로 정의된다⁽¹⁷⁾. 시험하는 동안에 측정되는 주 연소특성은 HRR이다. 이것은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기로 표현되며, 재료의 연소 위험성을 가장 잘 나타낼 수가 있는 요소이다^(18,19).

이론/모형

또한 연기 위험성도 맥을 같이 하는 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 플라스틱의 연기 안전성은 Chung의 방정식에 의하여⁽¹⁵⁾ 연기 성능지수(Smoke performance index, SPI)를 구하였다. SPI는 TTI를 SPR_peak로 나눈 값으로 정의된다.
본 연구에서는 5종의 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP), 폴리스티렌(Polystylene, PS), 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 판을 콘칼로리미터(Cone calorimeter, ISO 5660)를 이용하여 연기위험성을 Chung의 방정식에 의하여 예측하였다.
연소특성 시험은 ISO 5660의 방법에⁽¹³⁾ 의해 Dual Cone Calorimeter (Fire Testing Technology)를 이용하여 열유속(Heat flux) 50 kW/m² 조건에서 수행하였다⁽¹⁶⁾. 사용한 시험편의 두께는 2 mm로서 크기는 100 mm × 100 mm의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대습도 50 ± 5%에서 함량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다.
이어서 연기 위험성을 예측할 수 있는 연기성장지수(Smoke growth index, SGI)를 이용하여 평가하였다⁽¹⁵⁾. SGI 는 SPR_peak값을 SPR_peak에 도달하는 시간으로 나눈 값으로 정의된다.

성능/효과

1. 최대열방출률(HRR_peak) 값과 최대평균열방사율(MARHE) 값은 동일한 양상을 보였으며 열적 위험성을 판단하는 데 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서 PS판이 열적 위험성이 가장 컸고, PVC판이 가장 낮았다.
2. PS판은 평균일산화탄소(COmean) 발생량이 3번째로 높게 나타난 것에 비해 평균이산화탄소(CO_2mean) 발생량은 가장 높은 것으로 보아 완전연소가 잘 이루어져 화재 시 연기로 인한 인명피해가 가장 높을 것으로 판단되며, FRP판은 일산화탄소(CO) 발생량이 두 번째로 낮고 이산화탄소(CO₂) 발생량은 가장 낮게 나타나 연기로 인한 인명피해가 가장 적을 것으로 판단된다. 그리고 PVC판은 화재 시 초기 인명 대피에 있어 비교적 효율적이라고 판단된다.
3. 플라스틱의 연기 위험성을 파악하는데 종합적인 평가 방법으로 계산한 결과 PS판은 다른 플라스틱보다 연기성 능지수(SPI)가 74.81%∼95.99% 감소하였고, 연기성장지수(SGI)는 76%∼300%, 연기강도(SI)는 917.73%∼9607.57% 증가하여 PS판은 다른 플라스틱에 비해 연기위험성이 가장 높을 것으로 예측된다.
4. PS판은 열적 측면에서나 연기적 측면에서 모두 연기로 인한 인명피해의 위험성이 가장 높았다.
PP판은 초기에 최대 CO 발생량이 나타났음에도 불구하고 전체적으로 가장 적게 발생했다. PC판은 800 s 이후에 CO 발생량이 나타나기 시작해 1075 s에 첫 번째 피크가 나타났고, 1700 s에 두 번째 피크가 나타나 두 번의 최대 CO 발생량이 발생했으며 총 CO 발생량이 가장 높게 나타났다. 그리고 PVC판은 CO 발생량이 1200 s까지 CO 커브가 낮고 서서히 증가해 화재 시 초기 인명대피에 있어 효율적이라고 판단된다.
PP판은 PC판 보다 HRR_peak이 111.22% 더 높게 나타나 순간적인 열량의 크기가 높아 PP판이 PC판 보다 열적 위험성이 더 높다고 판단된다. PVC판은 FRP판 보다 HRR_peak가 59.
SI 값에서 PS판이 466658.52 MW/kg으로 월등히 높게 나타나 다른 플라스틱에 비해 917.73%∼9607.57% 증가하여 실물 화재 시험에서 연기위험성이 가장 높을 것으로 예측되었다.
Figure 4와 Table 2에 나타낸 바와 같이 PS판은 다른 4종류의 플라스틱에 비해 SGI가 76%∼300% 증가한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 플라스틱의 SGI 값이 클수록 화재 위험성은 높아지고, 화재 안정성은 낮아진다는 것을 알 수있으며, SPI와 SGI는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 연기 위험 성을 파악하는데 종합적인 평가방법으로 볼 수 있다.
Figure 5는 콘칼로리미터로 실험한 시편의 연소 후 탄화된 형태로서 플라스틱의 잔여물 을 나타내었다. 이들 잔여물은 연소거동가 일치하며, 특히 PVC판은 다른 플라스틱에 비해 가장 많이 탄화하여 숯으로 인한 열을 차단하는 특징을 보였다. 각 시편 간에는 특징적으로 구분하여 설명하기가 어려웠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고농도의 CO2 환경이 인간에게 미치는 영향은?	CO2는 저산소증에 의한 질식을 유발할뿐만 아니라 독성 물질로 작용한다. 고농도에서는 1 분 이내에 거의 순간적으로의식을 잃고 호흡 정지를 일으키는 것으로 나타났다(11).
	화재 시 발생하는 유의한 독성 물질은?	비열적 위험 요인에 대한 화재 피해는 피해자의 약 75∼80%가 화염에 직접 노출되기보다는 연기와 독성 가스등의 흡입과 산소 결핍에 의한 것으로 보고되었다(5). 유의한 독성 물질은 일산화탄소(Carbon monoxide, CO), HCN 및 자극성 또는 산성 가스이다. 이러한 독성 가스의 정량적 방출은 재료 자체의 열분해뿐만 아니라 화재 조건에도 영향을 받는다(6).
	플라스틱의 위험성이 높은 이유는 무엇인가?	플라스틱은 연소가 쉬우며 열방출률(Heat release rate, HRR)이 높고, 화염의 전파 속도가 빨라 화재 위험성이 높고, 독성가스의 발생량 또한 높아 많은 인명피해와 재산피해가 발생되는 위험성을 내재하고 있다(1,2). 그러나 여러 분야에서 다양하게 사용되고 있는 플라스틱의 효용성과 중요성에 비해 화재 위험성에 관한 연구가 매우 부족하다고 판단하여 본 연구는 플라스틱 자체의 물질이 갖고 있는 화재나 연기의 위험성에 대해 연구하였다.

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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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