결과는 탄화된 폐쇄 셀 폴리머 단열재인 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼의 연소 반응을 조사하기 위해 콘칼로리메타를 사용하는 임시 실험 프로그램 2시리즈로부터 제공됩니다. 이 단열재는 상대적으로 낮은 열전도율로 건설 산업에 널리 사용됩니다. 그러나 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼은 본질적으로 가연성입니다. 따라서 화재성능에 대한 주의깊은 연구가 필요하며, 열적 성능 저하 및 연소 반응의 특성은 화재안전 설계를 위한 성능기반 접근을 지원하기 위해 요구됩니다.
첫 번째 일련의 실험은 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼에서 탄화(숯)의 화염과 연기를 조사하는 데 사용되었습니다. 단위 면적당 최대 열방출률은 폴리이소시아누레이트(PIR)의 경우 120~170kW/m², 페놀(PF)폼의 경우 80~140kW/m² 범위였습니다. 화염동안 연소의 유효 열은 폴리이소시아누레이트(PIR)의 경우 13~16kJ/g이고 페놀(PF)폼의 경우 16kJ/g이었으며, CO/CO₂의 비율은 폴리이소시아누레이트(PIR)의 경우 0.05~0.10이고 페놀(PF)폼의 경우 0.025~0.05 이내였습니다.
두 번째 실험 프로그램은 공칭 조사의 일정한 수준 하에서 고체 단계 내의 온도 측정과 관련하여 산화와 열분해의의 열저하 공정을 계획하는 역할을 했습니다. 두 프로그램은 연기로 인한 표면 복귀는 본질적으로 산화 반응과 열분해의 중첩의 서로 다른 정도로 인해 동일한 열 노출 조건에서 폴리이소시아누레이트(PIR)보다 페놀(PF)폼이 더 중요합니다. 탄화의 연기는 외부 열원을 제거한 후 스스로 꺼지는 것으로 밝혀졌습니다.
1. 서론
에너지효율에 대한 엄격한 요구 사항은 건축 환경에서 단열재를 보다 널리 사용하는 추세로 이끌고 있습니다. 건물에서 요구되는 여러 설계 기준을 충족시킬 수 있는 여러 유형의 단열재가 시장에서 찾을 수 있습니다. Papadopoulos et al이 제안한 유럽 시장에서 단열재에 대한 일반적인 분류는 4개 주요 그룹으로 구별하며, 이는 ① 폼 또는 섬유질과 같은 무기질, ② 발포 폼 또는 섬유질과 같은 유기질, ③ 복합재 ④ 신기술 재료입니다.
폐쇄 셀 경질 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼과 같은 발포된 유기질 폼은 비교적 낮은 열전도율, 낮은 밀도, 우수한 내구성 및 설치가 쉬워 에너지 효율적인 건물의 설계에 점점 더 많이 사용되고 있는 일반적인 가연성 재료입니다. 이러한 요인들은 건물 조립에서 낮은 열 투과율 요구와 함께 이러한 재료가 점점 더 선호되는 설계 선택이 되었습니다.
1) 가연성 단열재로 인한 화재 위험
폐쇄 셀 셀룰로 폴리머와 같은 건물에서 가연성 재료의 광범위한 사용과 생산의 증가는 화재안전에서 최근 몇 가지 우려를 불러 일으켰습니다. 이것은 새로운 문제가 아니며, 과거 여러 저자와 기관이 이미 많은 측면능 다루었습니다. 실제로 건물에서 단열재로 인한 생명 안전에 대한 잠재적인 화재 위험을 파악하기 위해 많은 저자들이 다양한 접근 방식에서 다양한 유형의 단열재 화재 성능을 광범위하게 연구했습니다.
가연성 및 에너지 방출로 대표되는 가장 큰 문제는 ASTM D2863에 따라 제한된 산소지수를 결정하고 콘칼로리메타 또는 LIFT 장치를 사용하여 점화 특성, 열 방출 및 화염 확산을 평가하는 벤치규모 실험(bench-scale)을 사용하여 규범대로 해결되었습니다. 최근 수십 년 동안, 이들 재료의 화재 성능은 난연성 기술 즉, 고체 단계에서 흡열 반응 및 탄화 작용을 촉진함으로써 향상되었으며, 일반적으로 열중량 분석을 사용하여 재료 규모로 연구됩니다.
이 플라스틱의 연소 및 열 분해로 인한 독성 종류의 발생은 잠재적으로 중요한 관심사로 제기되었으며, 몇몇 연구원은 건물에 일반적으로 사용되는 단열재의 배출 독성을 연구했습니다. 이 작업의 대부분은 특정 테스트 상황에서 단열재로 인한 위험을 명확하게 평가하는데 도움이 되었지만, 몇몇 저자는 소규모 테스트에서 관찰된 성능의 추정은 복잡한 현상의 조합으로 인해 대규모에는 적용할 수 없더고 강조합니다.
이러한 재료의 연소성/가연성을 줄이기 위해 지속적으로 많은 노력을 기울이고 있지만, 표준 테스트에서 더 나은 등급을 획득하면 이러한 위험과 관련된 위험을 효과적으로 완화할 수 있다는 믿음으로 혼동될 가능성이 있습니다. 표준화된 시험의 조화는 건축 제품에서 화재 위험을 그럴듯하게 표현하기 위한 것입니다. 그러나 건물에서 가연성 단열재 사용과 관련된 위험의 정량화는 실무자에게 중요한 과제로 남아있습니다.
2) 가연성 단열재로 인한 위험을 정량화하는 설계 도구
최근에 단열시스템의 화재 안전 설계를 위한 새로운 방법론이 열 노출이 심한 조건에서 재료 반응에 기초하여 제안되었습니다. Hidalgo et al에 의해 제안된 방법은 열 분해의 시작을 제어하는 즉, 위험 발생의 시작을 지연시키는 적절한 열 장벽을 설계하여 가연성 단열재로부터 화재 위험의 완화를 고려합니다. 이전의 연구는 위험의 시작이 보수적으로 “임계 온도”로 정의될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 탄화 폼의 경우, 임계 온도는 충분히 낮은 가열 속도와 비산성 대기에서 차동 열원측정분석(DTGs)에 의해 주 열분해 반응의 피크가 얻어지는 온도로 정의되었습니다.
제안된 방법론은 단열재를 포함한 건설시스템의 정량적 화재 안전 설계 즉, 휘험을 정량화할 수 있는 구조를 위한 보수적인 접근법을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, 열분해가 시작된 후 위험의 진화를 정량화를 이해하기 위해서는 즉, 단열재로부터 잠재적인 열방출 기여와 독성 종류의 발생을 이해해야 한다면 관계자와 규제 기관에 의해 추가적인 모델이 필요합니다.
이들 위험의 정량화는 ① 열분해 가스의 생성율 ② 열분해 가스로부터 연소 열 ③ 열분해 및 연소에 의해 생성된 가스 종류에 의해 결정됩니다. 이러한 매개변수를 정량화하고 성능 기반 설계의 모델을 제안할 수 있으려면, 열 노출 조건에서의 물리적 반응에 대한 철저한 이해가 필요합니다. 이 연구는 표준 시험 및 매개변수를 넘어 물리적 행동에 대한 철저한 이해를 달성함으로써 그러한 문제를 지배하는 근본적인 프로세스, 즉 관련 규모에서 응축 단계의 ㅇㄹ적 분해와 열적 진화를 식별하는 것을 목표로 합니다.
3) 연구의 의의 및 목표
이전 연구에서 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼의 가연성 특성과 열중량 분석에 의한 재료 규모에서 열분해 과정에 대한 연구를 발표했습니다. 이 연구의 목적은 제안된 성능 기반의 설계 방법론에 대한 매개변수를 결정하는 것이었습니다. 위험성(열분해)의 발생을 나타내는 임계온도 값은 경질 폴리이소시아누레이트(PIR) 단열재의 경우 300℃~370℃이고 특정 페놀(PF)폼의 경우 425℃에 해당합니다.
이 연구는 이들 재료의 연소 반응에 기초한 화재 성능을 연구합니다. 연소열, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)의 방출 및 연소로부터 산소(O2)의 소비와 같은 변수들이 평가됩니다. 따라서 여기에 제시된 정보는 서로 다른 상황에서 에너지, 열분해 및 연소 생성물의 생산 속도를 예측할 수 있는 모델의 개발 및 적용을 위한 관련 데이터를 제공하는 것을 목표로 합니다.
그 다음, 본 문서에서 제시된 연구의 범위는 2개의 일반적인 경질 폐쇄 셀 플라스틱 단열재[폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼]의 대표적인 샘플의 화재성능을 평가하기 위한 원래의 방법론을 제시합니다. 이 연구는 연소 위험을 정량화할 수 있는 모델의 개발 및 적용을 위해 고려해야 할 현상을 연구합니다. 이를 달성하기 위해 다음 목표를 수행합니다.
① 콘칼로리메타 애드 훅(ad hoc) 실험에서 열방출률(HRR), 질량 손실 및 가스 방출을 연구함으로써 이러한 폼의 화재성능을 거시적으로 분석합니다.
참고(cone calorimeter): https://www.youtube.com/watch?v=EpW-50X3z7w
② 고체 내의 온도 측정과 관련하여 열분해 공정의 분포 및 재료에 의해 경험된 열 프로파일의 진화와 다른 곳에서 제시된 열 중량 분석에 의해 얻어진 결과와 연관됩니다.
이 연구는 가연성 단열재를 포함한 건물 조립의 성능 기반 설계를 지원할 수 있는 기술 도구의 추가 개발에 필수적입니다. Hidalgo et al에 의해 언급된 바와 같이, EU의 현재 규제 화재안전 구조에 적합한 접근 방식을 제공하지 않지만, 추가적인 계측 및 정량적 접근 방식의 포함은 현재 표준화된 테스트 관행을 보완할 수 있습니다. 이 접근 방식은 단열재로 인한 화재 위험을 더 잘 이해하고 정량화하는 데 도움이 됩니다.
폴리이소시아누레이트(PIR) 및 페놀(PF)폼과 같은 츨라스틱 폼의 최종 화재성능은 화학 성분과 제조 공정, 예를 들어 폴리이소시아누레이트(PIR)에 대한 이소시아누레이트 반응 성분의 함량 또는 페놀(PF)폼에 대한 셀 조직의 정도에 크게 좌우된다는 점에 유의해야합니다.
그러나 이 정보는 대부분 일반에게 접근할 수 없습니다. 이 연구의 목적은 결국 촤재성능 특성화와 관련된 현상을 포괄적으로 분석할 수 있는 방법론을 확립하는 것이기 때문에, 여러 제조업체에서 현재 상업적으로 이용 가능한 3가지 유형의 폴리이소시아누레이트(PIR)이 선택되었습니다. 이 제품은 우레탄(PUR) 폼이 아닌 폴리이소시아누레이트(PIR) 폼에 상응하도록 제조사로부터 인증되었습니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 폼에 대한 성능 비교를 목표로 페놀폼(PF) 제품은 하나만 선택되었습니다. 이전의 열 중량 분석 연구는 이들 제품 사이에 본질적인 차이를 보여주었습니다.
2. 실험 프로그램 설명
위에서 언급한 목표를 달성하기 위해 설계된 실험 프로그램은 두 가지 다른 애드 훅 실험으로 콘칼로리메타 장치의 사용을 기반으로 하였습니다.
① 다른 곳에서 제시된 단열재에 대한 가연성 실험에 제시된 것과 같이, 파일럿된 실험과 콘에서 나오는 복사에 의해 샘플에 열을 전달합니다. 주요 측정은 육안 관찰에서 지원되는 질량 손실과 산소, 이산화탄소 및 일산화탄소와 같은 가스 종류로 구성됩니다.
② 비조절 실험과 콘에서 나오는 복사에 의해 샘플에 열을 전달합니다. 주요 측정은 육안 관찰에 의해 지원되는 샘플 내에 가스 종류 및 온도 측정으로 구성됩니다.
1) 재료
연구된 단열재는 3가지 종류의 경질 폴리이소시아누레이트 폼(이하 PIRa, PIRb 및 PIRc로 지칭) 및 하나의 페놀폼(PF)로 구성되었습니다. 이 열경화성 플라스틱은 폼의 전체 구조를 통해 가스를 불어 넣어 견고한 폐쇄 셀 폴리머로 제조됩니다. 현재 주로 사용되는 발포제는 n-펜탄, iso-펜탄, cyclo-펜탄 및 오존 고갈 가능성이 없는 다양한 HFC(hydrofluorocarbons)입니다.
다양한 공급업체의 3가지 PIR 폼을 선택하여 성능 차이를 평가했습니다. 유기 이소시아네이트 성분과 이소시아네이트 반응성 성분의 혼합물을 기초로 제조된 폴리이소시아느레이트는 사용되는 이소시아네이트 반응 성분에 따라 다른 가능한 배합을 제시하는 것으로 알려져 있으며, 이는 열적 안정성을 결정합니다. 추가 섹션의 결과는 3개 폼으로부터 화재성능 특성이 유사하다는 것을 보여줍니다. 따라서 페놀폼(PF)을 연구하기 위해 폴리이소시아누레이트(PIR) 폼에 대한 성능 특성을 평가하기 위해 하나의 제품만 선택되었습니다.
이러한 재료는 종종 표면의 보호층이 있는 경질 보드로 제공되며, 테스트동안 관찰된 성능에 약간의 영향을 미칠것으로 예상됩니다. 여기서 연구된 제품의 경우, 보호층은 저방사 복합 알루미늄 호일/페이퍼 표면재에 해당됩니다. 이것을 검사하기 위해, 보호층이 있거나 없는 샘플을 테스트했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 주로 특정 테스트 방법에 대한 제품이 아닌 재료의 특성 분석을 수행했기 때문에 보호층의 영향을 신중하게 다루어야합니다. 2개의 실험에서 표면적이 90mm×90mm이고 두께가 100mm인 샘플을 테스트했습니다. 보호층이 제거된 샘플은 아래 그림과 같습니다.
[테스트 전 단열재 샘플, A: PIRa, B: PIRb, C: PIRc 및 D: PF]
1) 설정 #1: 복사에 의해 전달된 열에 대한 파일럿 실험
이 실험의 설정은 다른 곳에서 자세히 설명돠며, 그 결과는 여기에 제시된 결과와 보완됩니다. 이전 자료에서, 측정은 성능을 기초로한 방법론을 위해 다양한 단열재의 임계 온도 및 열 관성을 평가하기 위해 사용되었습니다. 온도 측정은 이 실험 프로그램에 대해 수행되지 않았습니다. 다음 단원에서 제시된 결과는 오히려 HRR, 잘량 손실, 연소 열 및 가스 방출에 중점을 둡니다. 이들은 보호층이 없는 이러한 폼의 연소 반응에 대한 평가를 제공하므로 제품이 아닌 재료의 특성을 나타냅니다.
2) 설정 #2: 복사에 의해 전달된 열에 대한 비 파일럿 실험
이러한 실험을 위해, 샘플을 바닥과 측면에 알루미늄 호일로 감싸고 바닥에 6mm 니켈 200 블록과 두 개의 3mm 두께 세라믹 절연지로 모두 싸서 포장했습니다. 알루미늄 호일은 주로 측면에서 샘플의 공기 침투를 방지하고 상단에서만 허용합니다. 열전달 관점에서, 호일은 두께가 얇고 높은 열 확산으로 전도성 열에 대해 투명하므로 열적으로 얇은 재료로 작용합니다.
세라믹 페이퍼 2겹은 샘플 측면의 표면에 열구배 감소에 사용되었습니다. 세라믹 페이퍼의 전도성이 테스트된 재료보다 높기 때문에 측면의 단열 경계 조건은 항상 이 설정으로 달성할 수 없다는 점에 유의해야합니다. 개념 설정과 실제 설정의 개략도는 각각 아래 그림과 같습니다. 이 설정은 향후 모델링 작업을 용이하게 할 수 있는 적절하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는데 사용되었습니다. 따라서 재료 뒷면에 경계 조건의 특성은 샘플의 하단에 6mm 니켈 200 플레이트를 사용함으로써 달성됩니다. 이 접근은 재료 특성화 목적으로 열 제거원 사용을 권장한 Carvel et al에 의해 설명되었습니다.
[#2를 위한 샘플 준비 계획]
[A, 시험 중 샘플 및 B, 시험 전 샘플]
노출된 표면에서의 경계 조건은 복사열로부터 몇가지 조사 값이 사용되었습니다. 열 흐름은 서로 다른 열분해 과정의 분포가 강조되는 각각의 방식으로 선택되었습니다. 각 재료의 최소 열 흐름은 열 평형에 도달한 후 열 분해의 시작을 유발하지 않는 열 노출로 정의되었습니다. 각 재료에 대한 외부 열 흐름의 특정 값은 아래와 같습니다.
[수행된 실험의 요약]
실험은 결과의 반복성을 검증하기 위해 적어도 두 번 실시되었으며, 즉 보호층이 없고 폼이 경험하는 다양한 현상과 열적 반응을 탐색하기 위해 노출된 표면에 무색 보호층을 부착한 2개의 다른 구성에 대해 수행되었습니다. 온도 측정은 1.5mm 비드 K-형 열전대를 이용하여 시료 내에서 수행하였습니다. 뒷면의 금속판 온도도 측정하였습니다. 열전대는 특히 낮은 전도성의 재료에 대한 권장 절차로 열전대의 측정 오류를 줄이기 위해 단면의 중심에 깊이 2mm마다 노출면에 평행하게 열전대를 설치하였습니다.
제1 열전대는 표면으로부터 2~3mm 범위 내에 배치되었습니다. 열전대에 의해 유입된 열손실로 인해 온도 보정은 고려되지 않았습니다. 또한 2개의 열전대는 일부 실험을 위해 제2 깊이 내 열전대에서 30mm 수평으로 삽입되었습니다. 이 절차는 샘플을 통한 열 전달이 1차 또는 2차로 작동하는지를 명확하게하기 위한 것입니다.
열전대의 위치는 상기 그림과 같으며, 수행된 모든 실험 조건은 상기 표에 요약되어 있습니다. 배기 덕트에서 이산화탄소, 일산화탄소, 산소 등의 게체를 측정했는데, 이는 24L/s에 해당하는 공칭 체적 흐름입니다. 질량 손실은 열전대가 측정을 방해하기 때문에, 이 실험 프로그램에서 측정되지 않았습니다.