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난연성 경질우레탄폼의 화재 성능, 연기 발생 및 연소가스 분석(13)

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

 

 

 

7. 가스 생성방법

 

 

    열분해 및 재료의 연소 동안 생성된 가스에 대한 세부 연구가 거의 없었던 한 가지 이유는 화재 가스의 특성화와 독성 테스트가 큰 어려움을 수반하기 때문입니다. 시간이 지남에 따라 일관된 결과를 얻기 위해서는 테스트 동안 가능한 많은 매개변수를 제어하기 위해 극도의 주의가 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 시간이 지남에 따라 많은 방법들이 화재 유출물 특성화만큼 복잡한 분야에 접근하기 위해 개발되었습니다. 아래 그림은 이동 용도에 사용되는 물질의 유출물의 독성을 평가하기 위해 전 세계적으로 사용되는 다른 화재성틍 테스트 방법과 분석가스 탐지 방법을 요약합니다.

[주요 화재 독성 테스트 설계]

    그림에서 볼 수 있듯이, 다양한 방법이 수년에 걸쳐 채택되어 화재 유출물을 발생시키고 샘플의 열분해 및 연소 중에 발생하는 가스 생성물의 농도를 확인하고 측정합니다. 상기 그림에서 화재가스는 일반적으로 색도측정 튜브, 푸리에 변환 IR 분광분석 또는 가스 크로마토그래피, 질량 분석 및 기타 복잡한 방법을 포함한 분석 화학 기술을 사용하여 분석 참지방법의 세 가지 종류 중 하나를 사용하여 분석합니다. 이것은 문헌에 요약된 주요 기법과 일치합니다.

 

[colorimetric tubes]

    참고(색도 측정 튜브): https://www.youtube.com/watch?v=-UpoKXhTrbY

 

    FTIR, GC-MS와 같은 방법은 화재가스의 보다 포괄적인 특성화를 위해 다중 검출 체계를 사용하는 것을 허용하지만, 연소가스 분석에 적용할 때 이러한 분석 기법의 효과와 효율에는 상당한 차이가 있습니다. 또한 독성가스 측정이 가장 적절한지 또는 그러한 측정을 수행하는 방법을 좌우하는 많은 다른 견해와 각 테스트 방법이 실제 화재 상황을 얼마나 잘 시뮬레이션할 수 있는지에 대한 다양한 견해가 있습니다. 위의 요소를 적절히 고려하여, 현재 연구에 사용된 가스분석 방법은 연구된 경질우레탄폼 배합 및 사용된 화재성능 시험방법에 대한 보다 완전한 설명에 따라 다음 장에서 논의됩니다.

. 실험기구 및 기법

 

     이 연구에서는 화재성능 테스트 시스템과 가스분석 시스템 두 가지 주요 종류의 장비가 사용되었습니다. 표준 화재성능 시험은 Waterloo Live Reserch Facility(UWLFRF) 대학에서 이용할 수 있는 콘칼로리미터와 연기 밀도 챔버를 사용하여 수행되었습니다. 가스 분석은 분산 및 비분산 적외선 분석, 화학 발광, 화염 이온화 검출, 가스 크로마토그래피 및 질량 분석법과 같은 다양한 분석기법을 사용하여 수행되어 난연 경질우레탄폼에서 생성하는 다양한 연소 생성물(CO, CO2, NOx, UTH VOCs)의 농도를 모니터링하였습니다.

 

     화재가스의 화학적 분석과 관련된 수 많은 도전으로 인해, 이러한 시험 동안 존재했던 모든 연소물에 대한 완전한 정량적, 정성적 분석을 허용하는 분석 기법은 발견되지 않았습니다. 이 장에서는 연구에 사용된 화재성능 시험 및 가스분석 시스템에 대한 배경뿐만 아니라 재료 및 시료 준비에 대한 정보를 제공합니다.

 

1. 재료 및 샘플 준비

 

    이 조사에서 연구된 샘플에 사용된 베이스 폼은 건물 단열재로 적용하기 위한 메틸렌 디페닐,이소시아네이트(MDI) 기반 경질우레탄폼입니다. 베이스 폼의 구체적인 세부사항은 지역 폼 제조업체로부터 얻은 상용 제품이었기 때문에 독점적인 성격을 띠고 있지만, 아래 표는 원래 폼의 전지구적 화학 성분을 나타냅니다.

 

    이소시아네이트 외에도 폼은 40parts Mannich 폴리올 내지 60parts 폴리에스테르 및 샘플의 제조에 필요한 촉매와 계면활성제를 함유하고 있습니다. Mannich 폴리에스테르 폴리올은 높은 함량의 3차 질소를 함유하는 반향족 구조를 갖는 아민성 폴리올 그룹이며, 따라서 폼 공정에서 극도로 반응합니다. 이것은 이소시아네이트와 호환성이 증가된 반응으로 우수한 물리 기계적, 열적 및 우수한 가연성 성능을 가지는 경질우레탄폼을 얻기 때문에 사용됩니다. Mannich 폴리올의 사용은 약간의 상충과 함께 이루어지지만, 그러나 이들의 방향족 함량이 숯 형성을 촉진하는 경향이 있기 때문에 폴리에스테르 폴리올에 비해 더 높은 부분의 Mannich 폴리올은 또한 폼 샘플 연소로 인한 연기 발생을 증가시킬 것입니다.

[베이스 경질우레탄폼 배합]

    현재의 연구를 위해, 이 베이스 폼은 4가지 다른 종류의 재료를 맞춤 제작하는 데 사용되었습니다. 현재까지 대부분의 연구는 5~30% wt의 난연제 농도를 조사했습니다. 여기에서 고려되는 폼 샘플의 경우, 폼 제조업체는 10%0~30% wt의 난연제 농도를 검사할 것을 권장했습니다. 이 범위 중 예비 연구에서는 0, 10, 20% wt의 농도가 실제 범위를 형성할 것이며, 이는 연구의 관점에서 관리 가능한 테스트 수입니다.

 

    a) 비난연(NFR, Non Fire Retarded) 베이스 폼 샘플에는 난연제가 포함되어있지 않으므로 10% 20%의 난연제가 포함된 샘플과 비교하기 위한 관리 및 기준 폼 배합을 제공합니다.

 

    b) 브롬화된 난연(BFR, Brominated Fire Retardant)폼 샘플에는 베이스 폼에 10% 20%의 브롬화 난연제가 함유되어 있습니다. 이러한 등급의 재료는 브롬이 반응 중간체를 방해하고 연소 과정을 느리게하여 가스 단계 연소 억제제 역할을 하는 기존의 할로겐화 난연시스템을 나타내기 위한 것입니다.

 

    c) 베이스 폼에 10% 20% 인계 난연제가 첨가된 인계 난연(PFR, Phosphorous Fire Retardant)폼 샘플. 인은 수년간 경질우레탄폼에 사용되어 왔으며 응축 및/또는 증기 단계에서 활성인 것으로 알려진 비 할로겐화 난연 첨가제입니다. 응축된 단계에서, 폼 내부로의 열 전달을 제한하고 중합체의 열분해시 생성된 가연성 가스의 외부 흐름을 방해하는 탄소 구조 및 표면 숯의 교차 연계된 보강망의 형성을 촉진합니다.

 

       결과적으로, 적은 휘발성 및 가연성 증기는 인계 난연폼 샘플의 연소를 지원하기 위해 이용됩니다. 또한 PFR은 높은 반응성 H OH 라디칼 제거제로 작용하는 PO2, PO HPO와 같은 활성 라디칼 종을 휘발시키고 형성하여 탄화수소 연소를 유발하는 반응의 효율을 추가로 저하시키거나 심지어 억제할 수 있습니다.

 

    d) 베이스 폼에 10% 20% 발포성 흑연 팽창 첨가제를 함유하는 발포 흑연 난연(EGFR, Expandable Graphite Fire Retardant)폼 샘플. 열 흐름에 노출되면, 발포성 흑연은 연소 표면에 탄소질 중합체 층을 형성하여 산소 및 열이 중합체 구조 안으로 확산되는 것을 억제하고 가연성 증기의 유츨을 억제하고, 물질의 연소를 다시 억제합니다.

 

       상기 배합물 각각의 샘플을 수동으로 혼합하여 제조하고, 치수 260×260×60mm 몰드에서 제작했습니다. 이 제조 방법의 결과로 전체 폼 슬래브를 통해 균일한 밀도를 얻는 것이 어려웠습니다. 제작된 슬래브로부터 100×100×25mm 75×75×25mm의 시편을 각각 콘칼로리미터 및 연기 밀도시험을 위해 절단했습니다. 각 샘플의 치수 및 질량을 측정한 결과, 폼은 60kg에서 68kg/m³까지 상용 제품에 비해 평균 밀도가 높은 것으로 나타났습니다.

[준불연 경질우레탄폼단열재의 간이 화재시험(경과 시간에 따른 화염 확산)]

[230초]

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[270초]