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문제 정의
- 기타 다른 난연평가 시험방법은 제시하고 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이 수평법 시험을 통과한 즉, 현재 자동차의 내장재로 적용되고 있는 제품을 대상으로 콘칼로리미터를 이용하여 열방출특성 및 연기발생특성 등을 분석함으로써 보다 합리적이고 안전한 난연 평가를 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 실험에 사용한 시험편들은 자동차의 내부를 구성하고 있는 플로우매트, 보조매트, 헤드라이닝 그리고 시트이다. 각 시험편들은 난연 평가 시험방법인 수평연소시험법을 통과한 제품들로서, 각각 구성성분에 따라 구분했으며, 시험편의 두께는 실제 자동차에 적용되는 두께로 사용하였다. 표1에 이번 시험에 사용된 시험편들의 정보를 정리하였다.
- 로드셀을 이용한 질량감소율 역시 열방출 시험과 동시에 실시간으로 측정하였다. 질량 감소율의 측정은 유효연소열을 알고 있는 단일물질의 경우 유효연소열과 질량감소율의 곱으로 열방출률을 계산할 수 있기 때문에 열방출 특성에 큰 영향을 미치는 요소이다.
- 자동차에 사용되고 있는 내장재의 연기발생 특성을 알아보기 위해서 국제규격 ISO 5660-2를 만족하는 연기 측정시스템을 영국 FTT사의 Dual Cone Calorimeter에 장착하여 시험을 수행하였다. 열방출 특성과 동시에 연기 발생 특성을 실시간으로 측정하였다. 감쇠 계수(Extinction Coefficient, 1/m)를 식 (8)에 의해서 계산하였으며2), 열방출률과 연기발생을 동시에 고려한 새로운 화재요소인 연기요소(Smoke Factor, MW/m2)는 최대열방출률과 총연기발생을 곱한 값으로 계산하였다(식9).
- 이번 실험에 사용된 콘히터에서 발생하는 복사열의 강도는 50kW/m2이며 Pyrolysis gas를 점화하기 위해서 Spark igniter를 사용하였으며, 모든 시편에 대해서 동일하게 시편 홀더의 Retainer frame을 적용하였다.
- 자동차를 구성하고 있는 내장재를 각 부분별 구성성분에 따른 열적 특성을 알아보기 위해서 ISO5660-1 열방출 시험과 ISO5660-2 연기발생 시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 자동차에 사용되고 있는 내장재의 연기발생 특성을 알아보기 위해서 국제규격 ISO 5660-2를 만족하는 연기 측정시스템을 영국 FTT사의 Dual Cone Calorimeter에 장착하여 시험을 수행하였다. 열방출 특성과 동시에 연기 발생 특성을 실시간으로 측정하였다.
- 자동차에 사용되고 있는 내장재의 열방출 특성을 알아보기 위해서 국제규격 ISO 5660을 만족하는 영국 FTT사의 Dual Cone Calorimeter를 사용하였다. 콘칼로리미터 방법은 물질이 연소될 때, 발생하는 열방출률은 산소1kg이 소비되면 약 13.
- 우선 실험하기에 앞서 각 분석기의 교정을 수행 한다. 차압계, 질량유속계, 가스(산소, 일산화탄소, 이산화탄소) 분석기, 로드 셀, 연기측정 시스템 등에 대해서 측정 기준이 되는 Zero 및 Span 값을 설정하는 교정을 실시한다. 각 분석기의 교정 수행 후, 열량을 알고 있는 메탄가스를 점화시켜 오리피스 상수 C를 결정한다.
- 각 분석기의 교정 수행 후, 열량을 알고 있는 메탄가스를 점화시켜 오리피스 상수 C를 결정한다. 최종적으로 연소 시 발생하는 검댕을 제거할 수 있는 필터와 수분을 제거할 수 있는 1차 수분트랩과 2차 수분제거제를 점검한 후 시험을 진행한다. 실험을 진행할 때, 가장 주의해야할 사항은 수분트랩의 과냉이나 시편에 연소에 의한 검댕이의 발생으로 인한 필터의 막힘 등의 원인으로 가스분석기로의 가스유량이 변하지 않아야 한다는 것이다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 시험편들은 자동차의 내부를 구성하고 있는 플로우매트, 보조매트, 헤드라이닝 그리고 시트이다. 각 시험편들은 난연 평가 시험방법인 수평연소시험법을 통과한 제품들로서, 각각 구성성분에 따라 구분했으며, 시험편의 두께는 실제 자동차에 적용되는 두께로 사용하였다.
성능/효과
- 1) 착화시간은 각 구성성분별로 2～27초로 많은 차이를 보이고 있으나, 모두 30초 이전에 빠르게 착화되는 것을 알 수 있다. 시트의 경우는 두께가 다른 시험편들과 비슷한 정도지만, PVC 뒷면에 붙어있는 PUR 폼의 두께가 약 90%정도 되고 외부에 노출된 PVC의 두께는 1mm미만이기 때문에 다른 부분의 PVC 재질에 비해서 빠른 착화시간을 보인 것으로 사료된다.
- 2) 열방출률은 각 구성성분에 따라서 232～635kW/m2의 값을 보여 각 편차가 큼을 알 수 있었다. Rubber로 구성된 보조매트의 경우는 최대 열방출률이 232kW/m2으로 가장 낮은 값을 보이고 있으나 동일 시간 동안의 총열방출은 가장 큰 81.
- 3) 감쇠계수 결과는 최소 2.2m-1에서 최대 10.2m-1값을 보여 큰 차이를 보이고 있다. 특히 rubber로 구성된 보조매트에서 가장 큰 값을 보이고 있다.
- 4) 열방출과 연기발생을 동시에 감안한 연기요소값 역시 99～551MW/m2으로 큰 차이를 보이고 있으며, 특히 보조매트에서 큰 값을 보이고 있다. 보조매트의 경우 최대 열방출률은 다른 시험편에 비해 상대적으로 작은 값을 보이고 있는 반면 엄청난 양의 연기를 발생한다는 것을 알 수 있다.
- 50kW/m2의 외부 복사열 하에서 진행된 위 시험편들의 최대 열방출률은 Rubber로 구성된 보조매트, Nylon+PE+EVA로 구성된 플로우매트를 제외하고 모두 1분 이하에서 최대 열방출률을 보였다. 이는 화재 발생 초기의 확산 속도가 큼을 예측할 수 있다.
- 5kW/m2의 값을 보였다. Nylon+PE로 구성된 플로우매트의 경우는 상대적으로 가장 늦게 착화되었지만 열방출률의 경우는 그와 반대로 가장 크게 나타났다. 이는 상대적으로 착화되기까지의 시간은 길지만 착화 후에는 다른 제품들에 비해 화재가 빨리 진행된다는 것을 예측할 수 있다.
- 이는 상대적으로 착화되기까지의 시간은 길지만 착화 후에는 다른 제품들에 비해 화재가 빨리 진행된다는 것을 예측할 수 있다. Rubber로 구성된 보조매트의 경우는 상대적으로 가장 낮은 열방출률을 보이고 있지만, 동일 시간 동안의 총열방출률(THR, MJ/m2)은 81.1MJ/m2으로 가장 크게 나타났다. 이는 화재가 급격하지는 않지만 지속적으로 진행됨을 예측할 수 있다.
- 착화시간(TTI, s)은 복사열에 노출된 시험편이 스파크 점화기에 의해 착화되어 지속적인 불꽃, 즉 10초 이상 불꽃이 유지되었을 때의 그 시작시간을 의미한다. 각 재질별로 착화시간을 관찰했을 때, 시트를 구성하는 재질은 PVC 성분에서 가장 빠른 2초의 착화시간을 보였다. 플로우매트의 경우가 상대적으로 가장 긴 착화시간을 보인 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 이 질량감소율의 경우도 화재의 확산속도 및 화재 크기를 가늠할 수 있는 요소로 사용될 수 있다. 측정된 데이터들을 확인해보면 질량감소율이 큰 시험편이 상대적으로 열방출률이 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 열방출률 데이터들과 마찬가지로 모두 60초 이전에 최대 질량 감소율을 보임을 알 수 있다.
후속연구
- 건축물 및 철도차량 등의 내장재에 대한 난연 평가 기준도 이천냉동물류창고 화재, 대구 지하철 화재 등 대형화재 발생 후, 점점 엄격해졌다. 이러한 사실들을 바탕으로 자동차 내장재 역시 화재 발생 빈도는 상대적으로 낮지만, 화재 발생 후에는 구획화재의 특성상 화재의 확산 속도는 더 빠르기 때문에 대형 화재 예방 차원에서 난연 평가 기준을 좀 더 엄격히 해 둘 필요가 있을 것이다. 현재 자동차 내장재에 대해 적용되고 있는 난연 평가는 국내뿐 아니라 국외에서도 Federal Motor Vehicle Safety Standard, Part 302(FMVSS 302)에 따라 화염의 직접 접염에 의한 수평 연소 속도 측정법만이 적용되고 있다.
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