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난연성 경질우레탄폼의 화재 성능, 연기 발생 및 연소가스 분석(20)

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

 

    인계 난연제의 경우, 10% 인계 난연제를 추가할 때 기본 폼에 비해 점화시간이 증가하는 것으로 보이지만, 20% 인계 난연제를 첨가할 경우 점화시간이 약간 감소하여 점화시간이 비난연 기본 폼 재료와 매우 유사한 것으로 보입니다. 이러한 결과는 향후 비난연 기본 재료의 범위에 걸쳐 인계 난연제 첨가의 중간 농도를 조사하여 확인해야 할 가능성이 있지만, 이 폼 배합에 대한 점화지연 측면에서 최적 수준의 인계 난연제 부하가 있을 수 있습니다.

 

 

    여기서 조사된 모든 경우에, 이 연구에 사용된 50kW/m² 입사 열흐름은 난연제가 사용되는 것과 별개로 난연제가 점화에 미치는 영향의 상당 부분을 감추는 기본 폼의 빠른 분해 및 기화를 촉진하기 때문에 점화시간이 매우 짧습니다. 유사한 폼에 대한 이전 연구에서 유사한 결과가 나타났지만, 50kW/m² 입사 열흐름은 실제 화재 상황에서 비합리적인 수준의 흐름이 아니므로 이 연구에서 수행된 모든 테스트에서 계속되었습니다.

 

    평균 열방출율(HRR)과 최고 HRR은 모두 재료 및 제품의 화재 위험을 평가하는 데 사용되는 주요 측정이며, HRR은 잠재적인 열 위험에 대한 평균적으로 파악할 수 있는 실제 화재 상황에서 최악의 경우를 나타내는 피크 HRR이 있습니다. 모든 폼과 난연제 조합의 경우 최대 열방출율은 샘플 점화 후 평균 18초 이내에 발생했습니다.

 

    예상한 바와 같이, 상기 그림과 표는 기본 폼에 난연제의 농도를 증가함에 따라 피크 HRR 값의 일반적인 감소를 나타냅니다. 10% 팽창 흑연 난연제를 첨가하면 기본 폼에 비해 피크 HRR 값이 20% 감소합니다. 10% 브롬화 난연제 및 인계 난연제의 경우 데이터는 피크 HRR이 약 10% 감소했음을 나타냅니다. 또한 브롬화 난연제 또는 팽창 흑연 난연제를 20% 첨가하면 비난연 대조군 샘플에 비해 HRR25% 감소합니다. 대조적으로 20%인 난연제를 첨가할 때 비난연 샘플보다 피크 HRR의 감소가 거의 관찰되지 않습니다.

 

    화재가 얼마나 빨리 가장 강렬한 단계까지 발전할 수 있고 따라서 결과적으로 거주자에게 잠재적으로 불안정한 상태를 초래하는지를 결정하기 위해 제안된 한가지 조치는 콘칼로리미터에서 측정한 피크 HRR을 피크 HRR에 도달하는 데 걸리는 시간, HRR 성장 곡선의 기울기로 나눔으로써 얻을 수 있습니다. 이 값을 FIGRA(Fire Growth RAte index)라고합니다. 팽창 흑연 난연제 샘플이 가장 낮은 피크 HRR 값을 나타내지만, 그것들은 FIGRA 매개변수에 의해 측정한 것과 같이 거의 비난연 모재만큼 높은 화재성장률을 나타냅니다.

 

    대조적으로, 브롬화 난연제 및 인계 난연제 샘플은 서로 다른 피크 HRR 값을 가지고 있음에도 불구하고 비슷하지만 더 낮은 화재 성장률 지수를 나타냅니다. 10% 팽창 흑연 난연제의 피크 HRR 값이 10% 브롬화 난연제의 값과 비슷하고 10% 인계 난연제의 값보다 낮지만 FIGRA 값이 여전히 두 경우 모두 보다 높다는 사실은 각 난연제가 화재 발생 중에 다른 범위와 다른 시간에도 연소 과정을 방해한다는 것을 시사합니다.

 

    팽창 흑연 난연제와 비교하여 브롬화 난연제 및 인계 난연제 샘플에 대한 점화 후 피크 HRR까지 약 20초의 더 긴 지연 시간은 해당 샘플에서 얻어진 FIGRA 값을 더 낮게합니다. 이것은 팽창 흑연 난연제 시스템의 초기 급속한 열분해가 초기 에너지 방출을 촉진하는 반면 브롬화 난연제와 인계 난연제는 화학 연쇄반응을 방해하여 재료에서 에너지 방출을 지연시킨다는 개념과 일치합니다. 결과적으로 여기에서 연구된 등급의 비난연 및 난연 재료의 피크 HRR 변화는 서로 다른 재료 간의 상대적 화재성능을 평가하는 데 사용되는 유일한 척도인 경우 극도로 주의하여 해석되어야합니다.

 

    브롬화 난연제 및 팽창 흑연 난연제 폼의 평균 HRR 값은 비슷하지만 비난연 샘플보다 30% 높은 반면, 인계 난연제 샘플의 평균 HRR 값은 비난연 샘플의 2-3배 높고 인계 난연제 샘플의 총 열방출율(THR)은 다른 재료의 절반밖에 되지 않습니다. 이는 상기 그림에 표시된 HRR-시간 곡선과 표의 정보를 통해 설명할 수 있습니다.

 

    인계 난연제 시스템은 비난연 샘플과 비교할 수 있는 피크 HRR 값을 가지며, 테스트된 다른 난연제 샘플보다 상대적으로 높은 반면, 인계 난연제 샘플은 테스트된 다른 재료보다 훨씬 짧은 기간에 연소됩니다. 정의에 따르면 평균 HRR은 샘플 연소 기간 동안 HRR의 적분입니다. 따라서 비난연, 브롬화 난연제 및 팽창 흑연 난연제 샘플이 인계 난연제 샘플보다 훨씬 더 오랜 기간 동안 연소되었기 때문에 계산된 평균 HRR 값은 인계 난연제 폼에 비해 두 배나 높았습니다.

 

    총 열방출의 낮은 측정 값과 다른 샘플에 비해 인계 난연제 샘플에 대해 남아있는 높은 질량 백분율은 다른 샘플보다 콘칼로리미터 테스트 중에 연소된 인계 난연제 샘플의 비율이 낮음을 나타냅니다. 유사한 추론은 팽창 흑연 난연제 샘플에 대해 관찰된 총 열방출의 중간 값을 부분적으로 설명할 수 있지만 팽창 흑연 난연제 샘플에 대해 남아있는 높은 질량은 팽창 흑연 첨가제로 인해 팽창 흑연 난연제 샘플의 초기 상대 질량이 더 높음을 나타내는 결과일 가능성이 높고, 팽창 흑연 난연제 또는 인계 난연제의 경우처럼 휘발을 통해 팽창 흑연 난연제 자체가 손실되지 않을 가능성이 더 높습니다.

 

    위의 관찰은 브롬화 난연제, 팽창 흑연 난연제 및 인계 난연제 간의 난연작용의 차이를 고려하여 설명할 수 있습니다. 이것은 여기에서 차례로 논의됩니다. 이 첨가제들은 기체상 연소 화학을 억제하도록 설계되어 연소효율을 효과적으로 감소시키고 따라서 샘플 연소 중에 발생하는 열의 양을 감소시키도록 설계되었기 때문에 브롬화 난연제를 포함하는 샘플에서 피크 HRR 값이 감소합니다. 브롬화 난연제 샘플은 샘플이 거의 완전히 소모될 때까지 상당히 낮은 수준의 HRR에서 장시간 동안 연소되었지만, 브롬화 난연제 시스템의 기체 단계의 억제에 의해 발생된 HRR을 피크 시간 지연과 결합한 피크 HRR의 낮은 값은 기준 샘플에 비해 낮은 FIGRA 값을 설명합니다.

 

    반면에, 팽창 흑연 난연제 팽창성 폼 샘플은 더 낮은 피크 HRR , 중간 총 열방출 값 및 테스트 후 남아있는 높은 질량 값을 특징으로합니다. 이들은 다소 모순되는 것처럼 보이지만 모두 사용되는 난연제의 특성과 일치합니다. 여기에서 볼 수 있는 경향과 다른 팽창성 난연제 시스템에 대해 보고된 결과뿐만 아니라 모두 열분해/연소 샘플의 표면에 팽창성 숯 층이 형성되는 방식과 관련될 수 있습니다. 아래 그림은 10% 팽창 흑연 난연제 시편의 콘칼로리미터 테스트 중에 찌은 이미지이며 열의 작용하에 샘플 표면에 형성되는 팽창하는 탄소 질 숯 층을 보여줍니다..

[콘칼로리미터 테스트에서 50kW/m² 열흐름의 작용하에 10% 팽창 흑연 난연제]

 

    10% 팽창 흑연 난연제의 경우, 아래 그림에서 보여주는 HRR 곡선은 두 개의 피크를 나타냅니다. 점화 후 재료의 즉각적인 연소와 증기로 첫 번째 피크를 급격하게 증가시킨 후 쇠퇴와 후속적인 부하 피크를 나타냅니다. 점화되면, 보호 탄소층은 팽창 흑연 난연제의 팽창 작용의 결과로 즉시 형성되기 시작합니다.

 

[10% 20% 팽창 흑연 샘플에 대한 HRR-시간 곡선]

    잠시 후, 이 숯 층은 콘 히터의 복사 흐름으로부터 샘플 표면을 절연시키기 위해 물리적 장벽을 형성하여, 따라서 반응 영역으로 열분해 제품의 확산과 산소의 가용성을 제한할 뿐만 아니라 가연성 증기의 형성을 감소시킵니다. 실제로 이것은 연소효율을 제한하고 비난연 샘플에 비해 관찰된 HRR을 감소시키며 약 40초에 HRR을 급격히 감소시킵니다. 입사 흐름에 샘플이 계속 노출되면, 탄소 숯 층이 퇴화되기 시작합니다. 열이 샘플 표면으로 침투하고 일부 산소가 가연성 증기와 다시 섞일 수 있습니다. 이것은 HRR-시간 곡선에서 약 100초 동안 상승된 HRR의 두 번째 더 넓고, 현저히 낮고, 더 긴 2차 영역을 발생시킵니다.

 

    본질적으로, 첫 번째 피크는 보호 숯이 형성되기 전의 연소에 해당되고, 두 번째 피크는 해당 층의 실패로 인한 화염에 해당됩니다. 이 관찰은 문헌과 일치합니다. 두 번째 피크는 20% 팽창 흑연 난연제에서 잘 정의되지 않는데, 이는 연소 샘플 위에 형성되는 탄소 숯 층의 깊이와 무결성을 증가시키는 난연제의 증가된 수준으로 인해 발생했을 것입니다. 측정된 총 열유량 값은 비난연 및 브롬화 난연제 샘플에 비해 약간의 폼만 형성되었음을 나타냅니다. 따라서 화염이 소멸된 후 남아있는 초기 난연제 및 팽창된 잔류 숯 층은 테스트 종료시 남아있는 질량 백분율의 상대적으로 높은 측정값과 관련이 있어야합니다.

 

    마지막으로, 인계 난연제 샘플의 콘칼로리미터 테스트에 대한 비디오 관찰은 해당 샘플의 결과를 입증하는데 매우 유용함이 입증되었습니다. 연소 초기 단계에서, 점화 후 약 20초에 초기 다공성 표면 숯 층이 인계 난연제 샘플의 표면에 형성되었지만, 이 층은 연소 과정을 효과적으로 억제하지 못하므로 부분적으로 산화된 연소 생성물이 반응 영역으로 통과할 수 있습니다. 또한 인계 난연제는 연소 효율을 더욱 억제하는 가스 단계 연소 반응을 어느 정도 억제합니다. 이러한 영향은 인계 난연제 그림에서 볼 수 있는 HRR(피크 후)의 측정 값의 점진적인 감소를 통해 명백합니다. , 피크 HRR의 값은 여전히 비난연제 샘플과 비슷합니다.

 

 

[비난연 및 10% 난연 샘플의 HRR 대 시간곡선]

[비난연 및 20% 난연 샘플의 HRR 대 시간곡선]

 

    점화 후 약 80초에, 두꺼워진 다세포 숯 층이 인계 난연제 샘플의 표면에 형성되어 입사 복사 흐름으로부터 표면을 단열하고 불꽃의 소화를 촉진할 뿐만 아니라 연료 증기의 가용성을 감소시키고 공기와의 혼합을 감소시킵니다. 그 결과, 현재 관찰된 측정된 HRR 값이 급격히 감소하고 다른 시스템에 비해 인계 난연제 샘플에 대해 측정된 총 연소 기간이 더 짧습니다. 샘플 연소 및 숯 형성의 감소된 지속 시간은 테스트 시간 후 잔류 질량 비율(% PMR)을 높입니다. 이것은 많은 인계 난연제에 대해 보고된 난연성의 응축 단계(또는 숯 형성) 작용과 일치합니다.

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

[630초]

[660초]

[720초]