현재 건물은 에너지성능 요구를 충족시키기 위해 점점 더 많은 합성 단열재를 포함합니다. 이 합성 단열재는 화재에 대해 다른 반응을 가지고 있습니다. 이 연구에서는 다른 샌드위치패널(판넬)의 질량 손실과 가연성 한계 및 코어[폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 미네랄울]을 특수하게 제작된 로를 사용하여 별도로 연구합니다. 발포된 폴리스티렌 및 압출된 폴리스티렌은 심재에서만 시험합니다. 이 연구에서는 합성 및 미네랄울 심재가 실제 질량 손실이 최대 300℃에서 유사하다는 것을 보여줍니다. 300℃ 이후부터 폴리우레탄(PUR) 샌드위치패널(판넬)의 질량 손실이 상당히 높습니다. 350℃까지 최대 질량 손실은 영향을 받는 부위의 경우 암면 7%, 폴리이소시아누레이트 29%, 폴리우레탄 83%입니다.
또한 박리는 미네랄울 샌드위치 패널(판넬)은 350℃ 및 합성의 경우 250℃ 이상 온도에 노출되었을 경우 관찰될 수 있습니다. 박리는 심재(PUR)의 가스화와 금속 샌드위치패널(판넬) 및 심재 사이 수지의 분해로 인해 발생합니다. 더 낮은 가연성 한계는 실험적으로 9.2%m/m(PUR) 및 3.1%m/m(PS)로 실험적으로 설정되었습니다. 폴리우레탄 샌드위치패널(판넬)의 경우, 74%의 상한이 발견되었습니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 미네랄울의 경우 가연성 한계를 설정할 수 없습니다.
1. 서론
오늘날 건물에는 더 높은 에너지성능을 요구를 충족시키기 위해 점점 더 많은 합성 단열재가 포함되어 있습니다. 이 합성 단열재는 암면과 같은 미네랄울과 비교하여 화재에 대한 반응이 다릅니다. 이 연구의 초점은 소방대원이 아직 화재 구획(공격적인 화재 공격) 내부에 개입할 수 있는 단계이기 때문에 화재 전 플래시오버 단계(최대 400℃)입니다. 이것은 실제 화재 동안 연기가스 폭발의 위험을 평가하기 위해 수행됩니다. 연기가스 폭발은 낮은 온도에서도 존재하는 공기와 가스의 적절한 혼합될 경우 가연성 열분해 가스의 방출로 인해 플래시오버 이전에 발생할 수 있습니다. 이로 인해 내부 화재 진압을 위해 화재구획으로 소방관이 진입하는 데 큰 위험을 초래합니다.
또한 샌드위치패널(판넬)과 합성 단열 심재에 중점을 둡니다. 샌드위치패널(판넬)은 높은 단열 용량을 갖는 심재로 구성되어 있으며, 강판 또는 알루미늄의 얇은 시트로 만들어지는 면으로 감싸져 있지만, 목재, 플라스틱 또는 종이와 같은 다른 재료도 가능합니다. 외부 지붕 및 벽 적용을 위한 샌드위치패널(판넬)은 사용 빈도에 따라 폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR), 미네랄울(암면), 발포폴리스티렌(EPS) 및 유리섬유이며, 반면 내부용이지만 EPS, PUR, PIR 미네랄울, 변성 페놀폼 및 유리섬유 단열재를 사용합니다.
이 자료는 5가지 단열재 즉, 미네랄울, PUR, PIR, EPS 및 XPS에 중점을 두고 있으며, 그 특성은 단원2에 설명되어 있습니다. 이러한 재료는 샌드위치패널(판넬)의 심재뿐만 아니라 단일 단열재로 적용될 수 있습니다. 이 재료 중에서 미네랄울은 불연성 재료로 간주되는 반면 다른 재료는 일반적으로 가연성 재료로 분류됩니다.
두 종류 사이의 또 다른 주요 차이점은 유기물과 무기물의 차이입니다. 무기섬유 재료는 단열재에 대해 유럽 시장의 60% v/v를 나타내고, EPS, XPS, 및 PUR과 같은 유기 발포재는 27% v/v를 차지합니다. 다른 13% v/v는 결합된 재료(실리콘화된 칼슘, 석고–폼 및 목재–울)와 새로운 기술 재료로 구성됩니다.
샌드위치패널(판넬)의 경우 다른 형태를 나타냅니다. 정확한 수치는 아니지만 네덜란드에서는 EPS 및 XPS가 포람된 샌드위치패널(판넬)은 거의 적용되지 않는 것으로 알려져 있습니다. EPS 및 XPS가 네덜란드의 평평한 지붕 시장에 35%를 차지하기 때문에 여전히 EPS와 XPS의 가연성이 관련이 있습니다.
이 연구에서 열분해 가스의 가연성과 질량 손실이 대상이며 실험적으로 결정됩니다. 가연성은 상황(온도 및 화재 성장률)과 재료에 따라 다릅니다. 가연성은 화학적 분석에서 흔히 사용하는 개별 가스보다는 화재 배출물의 완전한 혼합에 대해 이 연구에서 결정됩니다. 합성 및 천연 폴리머의 열분해로 인한 화재 배출물은 질식제뿐만 아니라 항상 자극제를 포함하는 화학 제품의 복잡한 혼합물을 함유합니다.
가연성 심재가 있는 샌드위치패널(판넬)을 적용하면 다음과 같은 화재 위험이 발생합니다.
① 심재와 샌드위치패널(판넬) 사이의 수지의 분해뿐만 아니라 열 응력 및 팽창으로 인한 강판 표면 박리
② 샌드위치패널(판넬) 사이 조인트의 개방과 샌드위치패널의 변형으로 다른 구획으로 샌드위치패널을 통한 열분해 가스가 이동할 수 있는 가능성
③ 심재가 눈에 뜨지 않고 화염에 휩싸일 수 있고, 심재로 화염이 확산될 가능성
④ 단열 심재의 열분해로 인한 농축된 연기의 존재와 열분해 가스와 뜨거운 공기 혼합의 연기가스 폭발 가능성
아래 그림은 발포폴리스티렌(EPS), 폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 목재 탄화, 열분해 및 점화되는 온도 범위의 그래프를 보여줍니다. 이 자료는 이 단계에서 소방관이 아직 내부에 진입할 수 있기 때문에, 사전 플래시오버 단계(＜400℃)동안 형성된 가연성 혼합물로 인해 연기가스 폭발의 위험에 대한 가능성을 제공하는 것을 목적으로합니다.
[단열재의 질량손실 및 가연성(Cooke에 기초한 다양한 단열재의 점화 온도)]
2. 문헌 검토
이 단원에서는 사전 플래시오버 단계에 중점을 두고 다양한 단열재의 화재 반응에 대한 간단한 문헌 검토가 제공됩니다. 폴리머와 같은 유기 재료의 연소는 휘발성 분해 생성물이 산소와 어느 정도 반응하여 이산화탄소와 물 및 불완전 연소의 다양한 생성물의 혼합물로 구성된 생성물의 혼합을 생성하는 복잡한 공정입니다. 마지막 범주는 화재 유출수의 가연성에 영향을 미칩니다. 가연성 범위는 열분해 가스와 공기의 혼합물이 점화될 수 있는 상한과 하한 사이의 범위입니다. 하한(가장 낮은 양의 열분해 가스)과 상한(최고량)은 열분해 공정의 생성물 혼합의 조성 및 온도에 의존합니다. 화재가스 혼합물의 구성은 분해 물질과 산소 공급, 온도 및 화재성장 속도에 따라 달라집니다.
1) 폴리우레탄
폴리우레탄은 우레탄 기/결합이 반복되는 복잡하고 매우 큰 중합체이며, 이는 적어도 2개의 활성 수소 원자를 함유하는 화합물과 이소시아네이트(-N=C=O)의 반응에 의해 생성됩니다. 우레탄 결합 이외에, 폴리우레탄(PUR) 발포체는 지방족 및 방향족 탄화수소, 에스테르, 아미드, 2치환기 우레아, 바이오렛, 알로파네이트, 이소시아네이트, 우레티디온 및 카보디미드기를 함유할 수 있습니다. 이들 화합물의 존재 가능성으로 인해, 상이한 특성을 갖는 다수의 폴리우레탄(PUR) 발포체가 존재합니다. 아래 표는 폴리우레탄(PUR)의 열 안정성에 영향을 미치는 PUR의 서로 다른 화학적 연계의 분리 온도를 보여줍니다.
[폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트에서 일반적으로 나타나는 서로 다른 화학적 결합의 분리 온도]
Singh과 Jain은 PUR에 다른 화합물을 첨가할 때의 점화, 연소, 독성 및 난연성에 미치는 영향에 대해 문헌을 공개했습니다. Chattopadhyay와 Webster는 폴리우레탄 재료의 열분해 공정에 대한 개요를 제공했습니다. 이 단원에서는 건설 부문에 적용되는 경질우레탄폼에 중점을 둡니다. Jiao et al.은 질소(N2)와 공기 중의 경질폴리우레탄폼에 대해 10℃/분의 가열 속도로 열중량 측정(TG)과 시차주사 열량측정(DSC)를 수행했습니다. 그들은 N2와 대기에서 각각 2단계와 3단계 열분해 과정을 발견했습니다. 두 대기 모두에서, 소량의 질량 손실(약 3%)이 100~190℃에서 관찰되었으며, 이는 수분의 증발에 의해 설명되었습니다. 두 번째 피크는 주요 분해 단계인 N2와 공기에 대해 각각 340℃와 314℃에서 발견되었습니다. 또한 그것은 공기 중의 전체 공정이 산화가스의 존재로 인해 가속된다고 결론지었습니다.
Jiao et al. N2 대기하에서 열중량 측정(TG)을 사용하여 세 가지 온도 범위에서 질량 손실을 나타냅니다. 첫 단계(71~234℃) 동안 질량 손실은 11.6%였습니다. 두 번째 단계(234~400℃)는 50.1%의 질량 손실을 초래하는 반면, 세 번째 단계(400~600℃)에서는 10.3%의 질량 손실을 나타냈습니다. 또한 질량 분석은 jiao에 의해 수행되었으며, CO₂(250℃ 및 450℃에서 최고) 및 C2H4O(350℃에서 최고) 및 시안화수소의 결핍을 보여줍니다.
폴리우레탄(PUR)에서 생성되는 가능한 화재 용출물은 CO2, 일산화탄소, 질소산화물, 암모니아, 벤젠, 아세트알데히드, 알켄, 시안화수소, 톨루엔, 플루오르화 수소, 염화수소, 브롬화수소 및 유독가스입니다. 아래 표에서 이러한 유출물 중 일부에 대한 가연성 한계는 Matheson 가스 데이터에서 제시된 바와 같이 찾을 수 있습니다.
[폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR), 폴리스티렌(PS) 및 페놀수지의 분해 중에 존재할 수 있는 일부 화재 배출물의 가연성 범위(각 물질에 모든 유출물이 있는 것은 아님)]
2) 폴리이소시아누레이트(PIR)
폴리우레탄(PUR)과 폴리이소시아누레이트(PIR)의 주요 차이점은 후자에 이소시아네이트 링 구조가 존재한다는 것입니다. 이것은 폴리메트릭 이소시아네이트의 3개 분자의 삼량체화에 의해 생성됩니다. 순수 폴리이소시아누레이트 폼은 높은 파쇄성을 가지므로 순수한 PIR 폼의 실용성을 제한합니다. 따라서 우레탄과 이소시아누레이트 결합은 종종 폼으로 결합됩니다. 재료 내에 우레탄 성분은 물리적 특성을 제공하지만, 이소시아누레이트 성분은 필요한 난연성을 제공합니다. 우레탄 결합은 약 200℃에서 파괴되는 반면 폴리이소시아누레이트 결합은 약 350℃에서 분해됩니다.
이러한 차이는 다른 양의 우레탄과 이소시아누레이트 결합을 가진 몇 개 폼의 DSC 동안 Dick et al.에 의해 관찰되었습니다. 이소시아네이트/폴리올(NCO/OH) 비율은 우레탄과 이소시아네이트 결합의 상대적 양을 제어하기 때문에 PIR을 기반으로 하는 폼의 구조와 열 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. Zhang et al. 등은 NCO/OH의 몰비가 증가함에 따라 질량 손실의 개시 온도 및 고온에서 안정성이 증가함을 보여줍니다. Gao et al.는 이소시아누레이트 인덱스의 증가는 폴리올 방출(주된 휘발성 생성물)을 감소시키고, 이산화탄소 방출(이소시아누레이트 분해의 생성물)을 증가시킬 것이라는 것을 발견했습니다.
Dick et al.는 공기와 불활성(N2) 환경에서 열중량 분석(TGA) 테스트를 수행했습니다. 그것은 공기 중의 열화에서 350~500℃의 안정성이 있음을 확인했습니다. 또한 폴리머 내에서 발생하는 두 가지 주요 분해 또는 탈결합 과정을 알아차렸습니다. 저온 과정(약 315℃)은 우레탄 결합을 파괴하고, 고온 과정(약 450℃)은 이소시아네이트 결합을 파괴합니다.
Vitkauskiene et al. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 유도 방향족 폴리에스테르 폴리올을 기반으로 여러 개의 폴리이소시아누레이트(PIR) 폼을 제조하고 이것을 테레프탈선을 기반으로 상업적으로 사용 가능한 방향족 폴리에스테르 폴리올을 기반으로한 PIR과 비교하였습니다. PIR의 열중량 분석(TGA) 동안 두 가지 주요 피크를 발견했습니다. 190~240℃ 사이 첫 번째 피크는 난연제 Tris(1-chloro-2-propyl) 인산염의 증발과 관련이 있으며 8~10%의 질량 손실이 발생합니다. 두 번째 피크는 약 30%의 질량 손실로 약 330℃ 였습니다.
3) 발포폴리스티렌(EPS)
발포폴리스티렌은 가열될 때 녹는 열가소성 수지입니다. 폴리스티렌 제품은 난연제를 첨가한 후에도 격렬하게 연소하여 대량의 검은 연기를 생성합니다. 폴리스티렌이 녹으면 화재 동안 방울(화염)의 위험을 초래할 수 있으며, 이것은 소방관에게 위험할 수 있습니다. Baker는 EPS 분해 공정의 화학적 및 물리적 측면을 설명합니다. 발포폴리스티렌(EPS)는 80~90℃ 이상에서, 이러한 온도에 노출되는 기간에 따라 연화됩니다. 약 150℃까지, 발포폴리스티렌(EPS)는 수축되어 고체 폴리스티렌으로 원래 밀도로 돌아옵니다. 더 가열되면 EPS가 액체로 녹아 200℃ 이상에서 가스가 형성되기 시작합니다. 이 가스는 360℃~380℃의 온도에서 발화될 수 있으며, 약 500℃에서 자체 발화가 발생합니다.
Griffin et al. 공기 중에서 가열하는 동안 발포폴리스티렌(EPS)의 3단계 분해 과정을 발견했습니다. According et al.에 따르면 첫 번째, 두 번째 단계는 275~375℃에서 발생하고, 세 번째 단계는 가열된 대기 350~450℃에서 발생합니다. 발포폴리스티렌(EPS)는 N2 환경에서 2단계 분해됩니다. N2 대기에서 첫 번째 작은 피크는 약 120℃에서 볼 수 있으며, 명확한 질량 손실로 이어지지 않습니다. 377~417℃ 사이의 두 단계(N2 환경에서)는 78.7%의 질량 손실을 초래하고 2,807J/g의 열 흡수가 이 단계와 관련이 있습니다. Jiao가 언급한 N2의 두 번째 단게의 온도는 Griffin et al.의 연구 결과와 일치합니다. 발포폴리스티렌(EPS)는 탄화수소(H8C8)n으로, 결국 CO, CO2 및 H2O로 분해됩니다.
Jiao et al. 아래 표(a)는 가장 중요한 중간 제품을 제공합니다. 최종 제품은 가연성이 아니지만, 일부 중간 제품은 가연성입니다. Gurman et al. 폴리스티렌의 열분해 동안 스틸렌(이량체 및 삼량체), 톨루엔, 벤젠, 에틸 벤젠 및 α–메틸 스티렌, 벤즈알데히드 및 벤조산의 저중합체의 존재를 언급했습니다.
[Jiao et al.에 따르면 가열시 (a)발포폴리스티렌 및 (b)압출발포폴리스티렌에서 유출물에서 가연성 가스 발생]
4) 압출 폴리스티렌
압출 폴리스티렌은 기본 재료가 EPS와 동일하지만 제조 방법이 다르다는 것을 의미합니다. 압출폴리스티렌은 연속 압출 공정으로 생산되며 발포제를 첨가하여 폐쇄 셀 물질을 생성합니다. Jiao et al.은 N2 대기하에서 2단계 열분해를 제공합니다. 첫 번째 단계(228~298℃)는 7.10%의 질량 손실을 갖습니다. 두 번째 단계에서(342~456℃)는 87.6%의 질량 손실을 초래하고 수행된 DSC는 1,153J/g의 열흡수 피크를 나타냅니다. 상기 표 (b)는 압출 폴리스티렌을 가열할 때 화재에서 가장 가연성이 높은 가스를 보여줍니다.
5) 미네랄울(암면)
그라스울과 암면과 같은 미네랄울 제품은 무기 재료입니다. 미네랄울 자체는 600℃까지 적용할 수 있기 때문에 열적으로 안정적이라고 간주할 수 있습니다. 내화성이 가장 높은 등급인 유럽 13501-1 표준에 따라 등급 A 물질로 등급을 평가하기 때문에 불연성 재료이라고도 합니다.
암면의 주요 성분은 감섬석(85% m/m), 석회암(＜6% m/m) 및 다양한 산화 칼슘(＜9% m/m)입니다. 미네랄울 섬유는 이 혼합물을 용융하고, 이 용융된 혼합물을 외부 표면에 미세한 구멍이 있는 원통형 탱크에서 원심 분리하여 생산됩니다. 이 구멍을 통해 빠져 나온 용융된 혼합물은 주변 공기에 의해 냉각되고 두께가 5~10㎛인 고형 섬유가 됩니다.
다음 단계는 섬유를 기계적으로 압축하여 압축판을 형성하는 것입니다. 섬유의 평평함을 유지하기 위해서 수지가 주입됩니다. 이 수지는 250℃의 온도에서 경화되어 보드의 강도를 높입니다. 미네랄울 보드에 사용되는 수지는 일반적으로 요소–페놀–포름알데히드 기반 용액이며, 그 양은 일반적으로 1~2% m/m입니다.
Balcerowiak et al.은 페놀–포름알데히드 요소 결합제의 열적 안정성에 대한 연구를 수행했는데, 이는 노출 시간이 증가함에 따라 온도가 250℃에서 1분 동안, 190℃까지의 긴 노출(200분)에서 감소함을 보여줍니다. 또한 샌드위치패널(판넬)에 미네랄울을 적용할 때, 수지를 사용하여 강판을 패널의 심재와 붙이는데, 이는 가연성일 수 있습니다. 상기 표에서 Matheson gas data book에 의해 주어진 것처럼 페놀 수지의 일부 유출물에 대한 가연성 한계를 찾을 수 있습니다.