Contact us now
031.403.8424
031.405.8425

화재의 플래시오버 전단계에서 샌드위치패널(판넬)에 사용된 단열재의 가연성과 질량손실(3)

출처: https://www.ifv.nl/kennisplein/Documents/20170101-GiuntaAlbani-Mass-loss-and-flammability-of-insulation-materials.pdf

 

4. 실험 결과

 

 

 1) 심재 샘플의 실험

 

  (1) 질량손실

 

       아래 표는 가연성실험 동안 발견된 질량손실을 보여줍니다. 이러한 질량손실로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플이 노출된 온도는 샘플의 질량손실에 큰 영향을 미칩니다. 250에서 질량손실은 최대 2%의 범위에 있지만, 400에서 합성단열재는 더 큰 질량손실을 나타냅니다. 폴리이소시아누레이트(PIR)400에서 28%의 질량손실을 나타냈고, 폴리우레탄(PUR)44%의 질량 손실, 폴리스티렌계 재료(EPS XPS)87%의 질량손실을 나타낸 반면, 암면은 4% m/m을 보였습니다.

[(a) 가연성시험 중에 발생한 질량손실(질량 퍼센트)

(b) 가연성시험 중 측정된 범위와 도출된 가연성 범위(% m/m)]

       미네랄울 샘플은 최대 350에서 최대 4% m/m까지 손실될 뿐이며, 샘플이 눈에 띄게 변하지 않는 것으로 보입니다. 4% m/m 질량손실에 대한 한 가지 가능한 설명은 접착제의 분해입니다. 이 설명은 실험 중에 샘플의 기계적강도가 감소하기 때문에 논리적입니다. 아래 그림은 5kg의 무게를 위에 얹어 가열 전후의 암면의 샘플을 보여줍니다. 이 그림에서부터, 암면 샘플이 실험 동안 압축강도를 잃었다는 것을 결론을 내릴 수 있으며, 이는 아마도 접착제의 분해로 인해 암면 샘플의 4% m/m 질량손실을 설명할 수 있습니다.

 

[5kg의 무게를 얹은 후 질량손실 시험 전 및 후 암면 샘플]

       질량손실의 과정 및 질량손실에 관한 심재 샘플 실험의 전체 결과는 아래 그래프에서 확인할 수 있으며, 실험 후 실험된 샘플의 사진을 보여줍니다. 모든 실험은 반복성을 확인하기 위해 3번 수행되었으며, 각 실험 결과의 차이는 실제로 미미했습니다.

 

[가연성실험 중 다양한 단열재의 질량손실]

 



[가연성실험 동안 노출된 폴리우레탄 샘플(a)

폴리이소시아누레이트(b) 샘플 절단면]

       자료에서 PIR PUR의 열중량 분석(TGA)을 사용할 수 있습니다. 열중량분석(TGA) 가연성실험 동안 측정된 질량손실과 비교될 수 있지만, 실험에서 PIR PUR의 재료 조성은 자료의 것과 다를 수 있음을 고려해야합니다. 화학성분 외에도 샘플 크기도 달라서 정확히 일치하는 결과가 나오지 않을 것입니다. 그럼에도 불구하고 비교는 실험 중 질량손실과 열중량분석(TGA) 동안 질량손실간의 관계를 나타냅니다. 아래 그림은 각각 PURPIR의 열중량분석(TGA)과 질량 손실을 보여줍니다. 여기서 질량손실은 TGA보다 느렸으며, 이는 샘플 크기로 인한 샘플의 열관성/느림으로 설명할 수 있습니다.

 

       열중량분석(TGA)의 샘플 크기는 수 mg의 재료였지만, 이 실험에서 샘플 크기는 약 약 20g의 재료였습니다. 후자의 경우 열이 샘플의 심재에 도달하는 데 시간이 더 걸렸습니다. 이것은 상기 그림의 절단 사진에서도 볼 수 있습니다. 아래 그래프를 자세히 살펴보면 질량손실의 시작은 비슷한 온도에 있고 하강도 비슷하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 샘플의 크기는 가능한 구성 차이보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 보입니다.

 

[Jiao et al.의 열중량분석 측정에서 질량 손실과

가연성실험 동안 폴리우레탄(PUR)의 질량손실]

[Vitkauskiene et al.의 열중량분석 측정에서 질량손실과 가연성실험 동안

폴리이소시아누레이트(PIR)의 질량손실]

 

  (2) 가연성

 

       아래 표는 실험 동안 얻어진 가연성한계를 보여줍니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 암면에 대한 가연성한계는 현재 실험 중에 결정할 수 없습니다. 폴리우레탄(PUR)의 경우, 9.2% m/m의 하한 가연성한계 및 74 m/m 상한 가연성한계가 나타났습니다. 폴리스티렌 재료(EPS XPS)의 경우, 오직 하한만 나타낼 수 있으며, 이 두 재료 모두 3.1%입니다. 현재 실험 동안, 이들 폴리스티렌 재료에 대한 상한을 결정할 수 었습니다.

[(b) 가연성시험 중 측정된 범위와 도출된 가연성 범위(% m/m)]

 

       자료에서 스티렌 가스에 대한 하한 가연성한계(LFL)1.1% v/v입니다. 열분해 가스가 전체 스티렌 분자로 구성되어 있다고 가정한다면, 1.1%(v/v)의 하한 가연성한계는 2.5%(m/m)과 같습니다. 이것은 아래와 같이 실험에서 나타난 값에 가깝습니다. 열분해 생성물은 아마도 스티렌 가스가 아니고, 점화하기 더 어려운 긴 스틸렌 분자 사슬을 포함하고 있기 때문이라고 설명할 수 있습니다. 또한 가연성실험 동안 온도는 자료에서의 실험에 비해 낮았고 점화가 더 어려웠습니다.

 2) 요소실험(샌드위치 및 스틸 데크)

 

  (1) 질량손실

 

       질량손실이 측정되었으며, 그 결과는 아래 표 및 그래프에 나타난 바와 같습니다. 미네랄울 샌드위치패널(판넬)의 질량손실은 선형 경향을 보인 반면, 폴리이소시아누레이트(PIR) 샌드위치패널(판넬)의 질량손실은 온도가 상승함에 따라 약간 증가했습니다. 폴리우레탄(PUR) 샌드위치패널(판넬)의 경우 다른 경향을 보였습니다. 300온도를 초과하면 질량 손실이 급격히 증가했습니다. 이것은 이 연구의 상한 400에서 상당한 질량손실이 시작된다는 가정으로 이어집니다.

 

  (2) 침투 깊이

 

       한 쪽으로 샘플이 열에 노출되어, 열은 샘플을 통해 이동해야 했고, 샘플을 가로질러 온도 구배가 있을 것입니다. 이것은 질량손실에 영향을 미쳤습니다. 이것은 모든 다른 재료와 비슷한 경향을 일으켰습니다. 3cm 높이의 온도는 열전대를 사용하여 질량손실 실험 중에 측정되었습니다. 평균 침투 깊이는 1.52cm~1.69cm 사이로 다양했습니다. 만일 이 영역이 영향을 받는 구간으로 받아들여지면, 재료의 질량손실 비율을 결정할 수 있습니다. 강판 표면의 질량은 계산에서 포함되지 않았습니다.

 

[질량손실 실험 중 350에서 분해 전면 및 질량손실률의 질량손실(g) 및 침투 깊이]

[다른 온도에서 질량손실 실험 중 심재의 총 질량]

 

       암면 샘플은 질량의 약 7%가 손실되었으며, 그 중 상당 부분(3%로 가정)이 강판에 심재를 결합하는 접착제 층에 해당될 수 있습니다. 이 물질은 아래 그림과 같이 고온에서 변색을 보였으며, 강도를 잃었습니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 샌드위치패널(판넬)은 심재의 29% 질량이 손실되었으며, 시험된 샘플은 접착제 층을 포함합니다. 250이상의 온도에 노출된 샘플은 허니컴 구조(더 큰 개방 셀 구조)의 형성으로 인해 팽창했습니다. 이 허니컴 구조는 심재의 나머지 부분을 보호했습니다.

 

       폴리우레탄(PUR) 샘플은 고온에서 영향을 받는 영역에서 발생한 열분해로 인해 83%의 질량손실을 보였습니다. 노출된 폴리우레탄(PUR)은 용융되었고, 빠르게 열분해가스로 변했습니다. 영향을 받는 영역의 질량손실은 전체 샘플의 백분율보다 훨씬 높았으며, 암면 샘플의 경우 0.4% 질량손실, 폴리이소시아누레이트(PIR) 샘플의 경우 1.0% 질량손실 및 폴리우레탄(PUR) 샘플의 경우 1.6% 질량손실을 나타냅니다.

 

 3) 관찰

 

     모든 재료는 큰 손상이나 질량손실 없이 최대 150의 온도를 견뎠으며, 질량손실은 0.9~2.0g 범위였습니다. 모든 재료는 암면 벽 샌드위치패널(판넬)을 제외하고 열 노출에 반응하지 않았으며, 시험 중 약간의 악취를 발생시켰습니다. 250의 온도에서 암면 샌드위치패널(판넬)과 폼 샌드위치패널 사이에 약간의 차이가 있습니다. 폼 샌드위치패널(판넬)3.0에서 최대 3.3g의 질량손실 증가와 함께 작은 박리의 징후를 나타냈습니다. 심재에 면한 내부 강판을 제거한 후, 변색된 폼은 그림과 같습니다. 두 발포 폼은 폼 내에서 더 큰 셀을 보인 반면, 미네랄울 샌드위치패널(판넬)은 박리 흔적을 보이지 않았으며, 접착층에 면한 내부 강판을 제거한 후 2.4~2.6g의 질량 손실을 보였습니다.



[(a) 폴리우레탄, (b) 폴리이소시아누레이트, (c) 미네랄울 벽 및

(d) 미네랄울 지붕 샌드위치패널(판넬)의 분해 정면 사진]

 

     350온도에서 모든 샌드위치패널(판넬)은 박리되고 연기를 발생했습니다. 미네랄울 샌드위치패널(판넬)은 타는 접착제의 강한 냄새를 만들어 내며 심재의 변색을 보여주었습니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 샌드위치패널(판넬)은 퍼니컴 구조를 형성하고, 폴리우레탄(PUR) 샌드위치패널(판넬) 심재는 열분해되었습니다.

 

 4) 심재와 요소 비교

 

     보다 더 현실적인 화재 상황에 따라, 모든 면이 노출된 샘플과 한쪽 면이 노출된 샘플의 질량손실 사이에 차이가 있었습니다. 실제 상황에서 샘플이 노출된 고온은 단일면에 노출되었을 때, 재료를 통해 이동하는 데 더 많은 시간이 걸렸습니다. 이것은 재료의 적용 조건(, 내부의 뜨거운 연기층 및 외부 온도)에서 시험의 중요성을 보여줍니다. 또한 단열재의 경우 샘플의 크기가 중요하다는 것을 보여줍니다.

 

     가연성실험에서 얻은 질량손실 결과는 자료의 열중량분석(TGA) 결과와 결합되었습니다. 두 시험 사이의 차이는 화학 조성과 샘플 크기라는 두 가지 매개 변수에 의해 결정됩니다. 질량손실이 시작된 온도는 자료상 열중량분석(TGA)과 실험적으로 결정된 질량손실에 기초하여 PURPIR 모두에 필적하기 때문에 가장 중요한 차이는 샘플 크기와 형태입니다. 이를 바탕으로, 샘플 크기가 커지면 PURPIR 모두의 열 안정성에 대한 성능도 향상되는 것으로 나타났지만, 샘플 구성의 차이도 어느 정도 영향을 미칠 것으로 보입니다.