출처: https:tk//uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/8455/Adeosun_David.PDF.pdf?%09sequence=5
3) 팽창성 난연제
확장성 흑연 난연제(EGFR)는 팽창성 난연시스템의 예입니다. 흑연은 가열될 때 원래 부피의 100배 이상으로 팽창하여 폴리우레탄폼 샘플의 연소 표면 전체를 덮는 벌레같은 구조로 발포된 다세포 탄화층을 형성할 것입니다. 흑연층 사이에 삽입된 황산은 열에 노출되면 끓고 다음 반응에 따라 흑연의 박리하는 발포 가스를 생성합니다.
팽창된 흑연은 연소 물질 위에 절연성 숯을 형성합니다. 이 층은 폼 메트릭스 안으로 열전달을 방지하여 연료의 증발을 방지할뿐만 아니라 하부 연료로 산소의 확산을 늦추는 물리적 장벽으로 지원합니다. 이것은 아래 그림에 개략적으로 표시되어 있습니다. 팽창성 흑연의 추가는 경질우레탄폼의 화재 행동과 물리적 특성에 영향을 줍니다.
[폴리머 매트릭스 위에 물리적인 숯 층을 형성하는 난연성 팽창 흑연]
이 영역에 있는 대부분의 작업은 콘칼로리미터와 산소지수 테스트를 사용하여 경질우레탄폼의 물리적–기계적 특성 및 화재 행동에 팽창성 흑연 하중 및 입자 크기의 영향을 조사한 Modesti와 그의 연구진들이 수행했습니다. 그들은 또한 경질우레탄폼의 화재성능 측면에서 팽창성 흑연과 일부 인계 화합물을 첨가하는 시너지효과를 연구했습니다. 다른 연구자들은 밀도가 다른 경질우레탄폼에 첨가될 때 팽창성 흑연의 난연 특성을 연구했습니다.
폼의 화재성능에 대한 대부분의 평가는 TCA 기술을 사용하여 LOI(Limiting Oxygen Index), 연소 속도, HRR, CO/CO2 중량비 및 열 안정성의 측정을 수반하였습니다. EGFR(Expandable Graphite Flame Retardant)의 사용은 피크 HRR(Heat Release Rate)을 감소시키고 산소지수를 증가시켜 경질우레탄폼의 화재 행동을 현저하게 개선시키는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 연구에 따르면 EG(Expandable Graphite)의 함량이 증가하면 연소 중에 더 많은 일산화탄소가 생성되는 것으로 나타났습니다.
유사하게, 팽창성 흑연 및 트리에틸 인산염(TEP)과 같은 상호 보완적인 난연제의 조합은 경질우레탄폼 샘플의 연소 동안 연기와 유독가스 생성을 개선하는 것을 발견하지 못했습니다. 이와 같이, 다른 시너지제로부터 분리되어 사용되는 팽창성 흑연 난연제의 다양한 농도가 경질우레탄폼의 분해와 연소 동안 연기 및 가스 생성의 특성과 정도뿐만 아니라 숯 및 수반되는 전체 화재성능 특성의 형성에 어떤 영향을 미치는지 다시 한 번 확인하는 것이 관심사입니다.
3. 난연성 경질우레탄폼에 대한 연구 요약
상기의 논의에서 경질우레탄폼의 화재성능에 대한 브롬화, 인계 및 팽창성 흑연 난연제의 영향에 대한 대부분의 연구에서 난연제의 단일 등급의 다른 농도에 대한 TGA, LOI, UL-94 및 콘칼로리미터 시험 방법의 사용을 포함한다는 것을 나타냅니다. LOI 측정은 주변 온도에서 수행되기 때문에 중합체의 점화성 및 가연성을 특성화하기 위해 LOI 시험을 사용하는 것이 오해의 소지가 있는 것으로 나타났습니다.
일반적으로 LOI 값은 온도가 상승할 때 감소하므로, 이런 이유로 실온에서 LOI 값이 높은 재료는 강렬한 화재 조건에서 자체 소화하지 않고 연소될 수 있기 때문에 상온 LOI 지수에서 추론된 명백한 자기소화 특성은 실제 화재에서 신뢰할 수 없습니다. 중합체 유형에 따라 LOI 테스트 중에 녹고 방울 떨어지는 영향이 있어 LOI 값이 높게 잘못 나타날 수 있습니다.
UL-94 시험방법은 또한 응집력이 높은 재료보다 더 쉽게 흐르는 시편의 화재성능 지표로 적합하지 않습니다. 불타는 중합체의 방울은 시료의 표면에서 불꽃과 열을 빼앗아 조기에 진화될 수 있습니다. TGA, LOI 및 UL-94 시험 방법의 사용은 상대적으로 적은 양의 샘플을 포함하며, 이것은 관심 물질을 대표하지 않을 수 있습니다. 또한, 이들 테스트 중 어느 것도 적절한 가스분석 기기와 접속했을 때, TGA(Thermo Gravimetric Analysis, 열적 중량 분석)를 제외하고 연기 및 독성가스 생성의 평가가 포함되지 않습니다.
따라서 난연시스템을 평가하기 위해 TGA, LOI 및/또는 UL-94를 사용하는 것만으로 충분하지 않습니다. TGA, LOI 및 UL-94 시험 방법을 사용하여 경질우레탄폼 각 종류의 난연제에 대한 많은 연구가 수행되었습니다. 나중에 연구자들은 콘칼로리미터 시험 방법을 사용하여 난연제와 다른 조건에서 경질우레탄폼의 열 분해/결합 사이의 상호 작용에 대한 이해를 확장하고 있으며, 장기적으로는 결과를 실물 크기의 화재시험에서 동일한 물질의 성능과 상호 연관시키려고 시도하고 있습니다.
수행된 연구의 양에도 불구하고, 동일한 기본 폼 배합이 사용될 때 서로 다른 난연제 등급의 첨가제의 물리적 및 화학적 영향을 비교하는 연구는 거의 수행되지 않았습니다. 제한된 수의 경우, HRR(Heat Release Rate), THR(Total Heat Release), SEA(Specific Extinction Area), MLR(Mass Loss Rate) 및 EHC(Effective Heat of Combustion)와 같은 파라미터를 측정하였지만, 열분해 및 유사한 샘플의 연소 동안 연기 및 독성가스 생성과 관련된 세부 사항을 조사한 연구는 더 적습니다.
다른 난연제의 다양한 농도에 동일한 베이스 폼 배합의 테스트의 다른 단계에서 방출된 배기가스의 성질 및 농도에 대한 세부 사항을 조사히기 보다는, 연구자들은 일반적으로 다른 대기의 열분해 제품이나 전체 화재성능시험 기간 동안 평균적으로 연소 제품을 조사했습니다. 화재 후 환경에서 가스 제품의 식별에 초점을 맞춘 연구는 훨씬 적습니다.
대신 대부분의 연구자들은 연기 독성을 평가하기 위해 CO/CO2 중량비를 측정했으며, CO는 화재 사망의 원인이 되는 가장 풍부한 독성 가스이기 때문입니다. 그러나 화염 또는 비 화염 상태에서 불완전하게 연소하는 동안, 시안화수소(HCN), 질소화합물(NO), 탄화수소, 산소화된 유기 화합물 및 질소 함유 유기 화합물과 같은 많은 다른 화합물이 생성되고 또한 화재 및 화재 후 환경의 전반적인 독성과 관련이 있습니다. 비교적 적은 양의 HCN 및 NO는 치명적일 수 있기 때문에, 경질우레탄폼이 연소하는 동안 배출되는 화재 가스의 진화에 대한 보다 심층적인 연구는 CO/CO2 중량 비율의 측정을 넘어서야합니다.
HCN과 같은 물질에 의한 사람 무력화의 속도와 독성을 기반으로 광범위한 다른 독성 제품의 생성과 함께 열분해 및 연소과정 동안 다양한 단계에서 방출되는 생성 가스의 농도를 더 잘 식별하고 측정하는 것이 중요합니다. 이러한 연구는 환경의 독성에 기초하여 정당화될 수 있지만, 다양한 난연제와 다양한 환기 조건의 기초 물질에서 발생할 수 있는 물리적 및 화학적 상호작용의 특성을 보다 잘 정의하기 위해 매우 계몽적이어야합니다. 이는 경질우레탄폼을 위한 차세대 난연제의 설계 및 최적화에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.
본 실험 작업은 경질우레탄폼의 단일 배합에 0~20%wt 범위로 적용되고 다양한 환기 조건에서 시험되는 상용화된 3개의 난연제에 체계적인 평가에 초점을 맞출 것입니다. 콘칼로리미터와 밀도 챔버 테스트 동안 생성된 가스의 분석 및 CO, 연기 및 유증기 수율의 평가는 테스트 동안 다양한 단계에서 생성된 가스 혼합물의 연소 및 성질의 완전성을 더욱 명확하게 설명할 것입니다. 끝으로, 결과는 문헌에서 이용 가능한 다른 열분해 및 화재성능 연구와 비교될 것입니다.
연구에 따르면 인계 난연제 및 팽창성 흑연 난연제 함량이 증가함에 따라 연소 중합체 매트릭스 위에 탄소질 숯 층이 형성됨에 따라 많은 물질에서 연소 과정이 느려집니다. 이러한 물질적 효과와 상호 작용은 난연성 경질우레탄폼의 화재 행동[예: HRR, THR, MLR, tig(Time to Ignition)감소]을 감소해야합니다. 유사하게, 증가하는 수준의 브롬계 난연제의 화학적 영향은 폼의 화재 행동을 개선해야합니다.
그러나 난연성 경질우레탄폼의 가열 및 연소 동안 발생하는 상호 작용 및 물리적 공정의 복잡성으로 인해 연기 발생 및 독성가스 발생과 관련된 현상은 여전히 잘 파악되지 않고 있습니다. 브롬화, 인 및 팽창성 흑연 난연제의 농도가 다른 경질우레탄폼단열재의 콘칼로리미터 및 연기 밀도 테스트를 통해, 이 연구는 증합체 분해 및 연소, 화재성능 특성 및 연기 및 독성가스 발생 간의 기본 매커니즘 및 상관관계에 대한 지식을 더욱 강화해야합니다. 결과를 해석하기 위해, 화재발생 단계를 이해하고 수행한 화재성능 테스트의 다양한 단계와 연계해야합니다. 이것은 다음 섹션에서 논의의 기초를 형성합니다.