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난연성 경질우레탄폼의 화재 성능, 연기 발생 및 연소가스 분석(11)

출처: https:tk//uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/8455/Adeosun_David.PDF.pdf?%09sequence=5

 

  (1) 주요 화재가스

 

 

       열분해 및 재료의 연소 동안 연기 생성에도 마찬가지로 중요한 것은 환기 및 오염 조건에서 화재의 다양한 단계에서 생성된 가스의 식별 및 정량화입니다. 화재는 본질적으로 고온과 그을림 환경에서 역동적인 사건이며, 서로 다른 환기 조건에서 서로 다른 화재 유출물을 발생시킵니다. 난연 및 비난연 경질우레탄폼 화재에 특히 중요한 가스는 CO, HCN, 질소 산화물, HCI, 휘발성 유기화합물 및 CO2이며, 이들 모두는 대부분 건물 화재에서 생성됩니다.

 

       앞 장에서 설명된 표[산화 대기에서 경질우레탄폼으로 생성된 열분해 제품], [화염 조건에서 난연성 경질우레탄폼에서 생성된 연소물]은 각각 경질우레탄폼의 연소 및 열산화 분해 동안 사전에 확인된 성분의 목록을 포함하고, 아래 표에서는 주택 화재와 관련된 경질우레탄폼과 같은 난연 및 비난연 폴리머 재료에서 생성된 일부 주요 가스에 대한 노출 및 독성 임계값을 정리한 것입니다. 다른 연구에서 우레탄폼의 연소 동안 발생된 일반적인 가스는 이산화탄소, 일산화탄소, 염화수소, 질소 산화물, 시안화수소, 황화수소, 아크롤레인 및 포름알데히드로 확인되었습니다. 열분해가 발생하는 조건은 동일한 재료에서 생성되는 가스 생성물의 특성에 영향을 미칩니다.

 

 

[주택 화재와 관련된 폴리머 재료의 일반적인 화재 가스]

 

       예를 들어, Michal이 수행한 연구에서, 대기 중의 O2 농도가 광범위하게 변할 수 있는 실제 화재 조건을 시뮬레이션하기 위해 다른 산소 농도하에서 경질우레탄폼을 포함하여 중합체 재료의 다수로부터 CO의 생성을 평가했습니다. 500~800의 온도에서 설정된 연소실의 제한된 O2 조건에서 화염으로 분해되는 경질우레탄폼에서 생성된 CO의 양은 0.012~0.015%(120~150ppm)로 변화하는 것으로 나타났습니다.

 

       Batt et al이 수행한 또 다른 연구는 300~750온도 범위의 튜브로(tube furnace)에 질소 및 대기에서 고도로 가교된 이소시아네이트의 경질우레탄폼이 분해되어 소량의 CO HCN이 생성되는 것을 발견했습니다. 휘발성 가스는 Draeger 튜브, 적외선(IR) 및 질량분석(ms) 기술을 사용하여 분석되었습니다. 공기와 질소 분위기에서 얻은 결과는 COHCN의 생성이 공기의 양과 온도에 의존한다는 것을 보여줍니다.

 

       경질우레탄폼으로부터 연소 가스의 농도를 확인하고 결정하는 동안 연소 과정과 지구 화재 환경 사이의 모든 상호작용을 함께 고려해야합니다. 이러한 복잡성을 더 잘 조사하기 위해, 특정 양의 주요 첨가제와 혼합된 베이스 폴리머의 단일 배합을 사용하여 환기가 잘되고, 잘 안되는 조건에서 제어된 열 노출에서 생성된 가스를 평가해야합니다. 이러한 연구는 현재까지 어떤 폴리머에 대해서도 거의 수행되지 않았습니다.

 

       다양한 열 흐름 및 화재 환기 조건에 노출된 재료 배합에서 잠재적인 독성가스 생성에 대한 세부적인 연구를 수행하는 대신, 많은 연구자들은 화재 발생시 재료의 잠재적인 독성을 나타내는 하나 또는 두 개의 주요 연소 가스의 농도 측정을 사용했습니다. 이러한 측정은 일반적으로 일산화탄소와 이산화탄소를 포함하며, 이는 연기 생성 경향과 다시 관련이 있거나 또는 수단 또는 다른 제어된 연소 과정에 대한 연구 중에 자주 조사되는 미연소 탄화수소, 휘발성 유기화합물, 질소 산화물 또는 다른 종의 식별 또는 농도 측정과 결합되기도합니다.

 

       대부분의 연구는 열분해 및 연소에서 발생하는 가스 생성물의 식별 및 시간 평균 농도에 개별적인 초점을 맞추고 있지만, 현재의 연구는 서로 다른 환기 조건 및 동일한 베이스 폼 수지에 난연제의 다양한 수준에 대한 화재 발전의 3가지 특징적 단계(열분해, 지속적인 연소 및 화재 후)에서 주요 화재가스를 결정함으로써 기존 연구를 한 단계 더 발전시킵니다. 이것을 염두에 두고, 가스 종류의 광범위한 범주의 측정에 대한 추론과 중요성은 현재 연구에서 사용된 콘칼로리키터 시험 방법의 일부로 현재 포함되는지 여부에 대해 아래에 간략히 설명되어 있습니다.

 

   ① 감소된 산소 농도(O2)

 

       화재 환경에서 하나의 중요한 요소는 폴리머 재료의 연소 또는 열분해로 인한 산소 방출이 아니라 산소가 없다는 것입니다. 연소율, 연소 효율 및 특정 제품의 수율은 주변 대기에서 산소 비율 및 고갈된 산소거 보충되는 비율에 영향을 받습니다. 화재에 대한 산소 공급이 감소함에 따라, 화재가 진행됨에 따라 CO 및 기타 잠재적 유독가스의 수준이 증가합니다. 콘칼로리미터 시험에서의 주요 역할 때문에, 산소 소비는 각 샘플의 연소 중에 직접 측정되며 HRR 계산에 사용됩니다.

 

   ② 이산화탄소(CO2)

 

       이산화탄소(CO2)는 탄소질 물질의 완전한 연소에 최종 결과물이므로 모든 화재 상황에서 고려해야합니다. 대부분 환기가 잘되는 조건에서 탄화수소를 연소하는 동안 발생하는 가장 풍부한 생성물입니다. 연소 효율의 지표로 사용되며, 때로는 연소가 잘된 상태에서 발생하는 또는 환기가 잘되지 않는 상태에서 발생하는지와 관련이 있습니다. 일반 공기는 부피 기준으로 약 300ppm CO2(0.03% CO2)를 함유하며 생리학적 과정의 중요한 구성 요소이기 때문에, 일반적으로 독성가스로 간주되지 않습니다. 그럼에도 불구하고, CO2는 정상적인 CO2 수준보다 높은 대기에서 호흡하는 상황에서 위험할 수 있습니다. 열방출율을 결정하는 데 중요한 역할을 하기 때문에, 이산화탄소 배출량은 콘칼로리미터 연소 시험 중에 직접 측정되며, 일반적으로 연소된 연료(kg/kg)당 생산된 CO2의 양(kg)으로 표시됩니다.

 

   ③ 일산화탄소 수율(CO)

 

       일산화탄소는 유기 물질의 연소 중에 생성되며, 부분 산화물이기 때문에 CO의 농도는 때때로 재료의 불완전한 연소와 관련이 있습니다. 탄소성 물질의 불완전하거나 비효율적인 연소는 효율적이고 완전 연소를 하는 것보다 CO를 더 많이 생산하게 될 것입니다. 열 위험을 설명하고 다양한 생성물의 화재 성능을 평가하는 가장 중요한 매개 변수 중 하나로 열방출율을 사용하는 것과 유사하게, 생성물로부터 잠재적 독성 영향은 일산화탄소와 같은 단일 종류만을 측정하여 화재성능 시험에서 등급이 매겨지는 경우가 많습니다.

 

       이는 주로 HCN에 의한 사망이 증가하였지만, 화재 사망과 부상의 가장 큰 비율이 일산화탄소의 발생과 흡입에 기인한다는 것을 보여준 경험으로 볼 때 이것은 아마도 정당화될 수 있습니다. CO의 약 1500ppm에서 사람의 사망은 노출 후 1시간 이내에 발생할 수 있습니다.

 

       비록 일산화탄소가 화재 건물의 거주자들에게 심각한 위협을 주지만, 이 가스이 생성이 폴리머의 난연제나 다른 화학 첨가제의 양에 따라 얼마나 영향을 받는지 또는 CO농도의 변화가 다른 화재 상황에서 생성되는 다른 많은 주요 독성 종류의 증가 또는 감소가 상관관계가 있는지 잘 알려지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 생산된 CO의 양은 연소된 연료 kg(kg/kg)당 생산된 CO의 양(kg)으로 콘칼로리미터 화재 시험에서 직접 측정됩니다.

 

   ④ 연기독성지수(CO/CO2)

 

       CO/CO2 중량 비율은 CO가 화재 사망을 유발하는 가장 풍부한 독성 화재가스로 알려져 있기 때문에 화재성능 테스트 중 연기 독성의 척도로 많이 사용하고 있습니다. 따라서, 비율이 클수록 완전 연소가 낮아지고 따라서 연기의 잠재적 독성이 커지고 결과적으로 생성물이 위험해집니다. 그러나 화염 또는 비화염 불완전 연소 동안, 시안화수소(HCN), 질소산화물(HCN), 탄화수소, 산소화 유기화합물 및 질소 함유 유기화합물과 같은 많은 다른 화합물이 생성될 수 있습니다.

 

       비교적 적은 양의 HCN NO가 치명적일 수 있기 때문에, 경질우레탄폼의 분해 및 연소 동안 배출되는 화재가스의 방출에 대한 심층적인 연구는 CO/CO2 중량 비율만 측정하는 것을 넘어야합니다. 따라서 연기독성지수는 화재 환경의 보완하는 지표로 사용됩니다. 이 연구와 관련하여, 이 매개변수가 경질우레탄폼의 난연제 또는 기타 화학 첨가제의 양의 변화 또는 다른 화재 상황에서 생성되는 다른 주요 독성 종류와 어떻게 직접적으로 관련될 수 있는지 이해하는 것이 특히 도움이 될 것입니다.

 

   ⑤ 질소산화물(NOx)

 

       질소산화물(NOx)은 일반적으로 고온 탄화수소 연소 동안 최고 농도로 생성됩니다. 질소산화물은 경질우레탄폼의 화염 연소와 관련된 실험에서 검출되었습니다. 정상적인 산소 환경에서, 연소 환경에서 질소는 산화되어 이산화질소를 형성할 것입니다. 따라서 열분해에서 화염 연소로의 변화는 높은 산소 및 온도 조건에서 분해물이 함유된 질소를 질소산화물로 변환시킬 수 있습니다. 이들은 독성이 있는 것으로 밝혀졌기 때문에, 이들 가스가 표준 콘칼로리미터 테스트 방법의 일부로 측정되지 않더라도 연소 과정에서 측정하는 것이 중요합니다.

 

       화재 유출물 분석을 위한 Fourier transfoam infrared spectroscopy(FTIR)을 사용한 최근 연구에서, 화재 유출물의 질소산화물은 주로 산화 질소(NO)일 수 있으며, 이 가스는 흡임된 화재 유출물의 낮은 농도와 온도에서 비교적 안정적일 수 있음을 보여줍니다.

 

       따라서 화재 상황에서 발생할 수 있는 광범위한 열 및 환기 조건에서 다양한 수준의 난연제를 가진 물질들 사이에서 질소화합물의 농도가 어떻게 다른지 조사하는 것이 중요합니다. 열분해 및 연소 동안 HCN SO2와 같은 다른 조건에서 생성되는 다른 많은 유독성 가스가 존재하지만, 이는 이전 연구에서 대상이 되었지만 현재 연구에서는 고려되지 않습니다.

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