출처: https:tk//uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/8455/Adeosun_David.PDF.pdf?%09sequence=5
2. 연기 개발 및 특성
많은 화재 사망자와 부상은 시야를 가리고, 부식성 및 자극성 연기에 노출되고 다른 한편으로는 독성 가스를 흡입하여 발생합니다. 각각의 특성과 범위는 주로 연소되는 재료의 구성뿐만 아니라 일반적인 화재 조건에 따라 다릅니다. 또한 연기의 물리적 및 화학적 특성은 분해, 온도 및 산소 농도, 화재 환기, 화재가스의 냉각 및 연기 형성과 연기 측정 사이의 시간과 같은 환경의 여러 요인에 의해 좌우됩니다. 화염 연소로 인한 연기는 대부분의 물질에서 불연성 열 산화 열분해시 발생하는 연기와는 상당히 다릅니다. 또한 응고, 응축, 증발, 침전 등으로 인해 연기의 특성이 시간에 따라 변화할 수 있으므로, 노화된 차가운 연기는 덜 성숙한 고온의 연기와 다를 수 있습니다.
온도가 높은 화염 연소에서 연료를 완전히 산화시키기에 충분한 산소가 없으면 대부분 지방족 및 방향족 중간 열분해 생성물로 구성된 검은 탄소질 입자(그을음)가 형성되는 경향이 있습니다. 반면 화염이 없는 상태에서 열분해는 백색 연기를 발생시키는 것으로 나타났으며, 이는 휘발성 물질이 차가운 공기와 혼합되고 응축되어 미세한 타르 방울과 높은 비등점 액체로 구성된 에어로졸 분무를 주기 위해 응축되는 고분자량 분할로 구성되어 있습니다. 이러한 액체는 정지된 공기 상태에서 유착되는 경향이 있으며, 결국 표면에 침전되어 유성의 잔류물을 생성할 수 있습니다. 이 연구에서 샘플의 화염 연소와 열 열분해를 모두 조사했으므로, 이 단원에서는 다른 테스트에서 관찰된 연기의 특성을 추가로 조사하는 것이 중요합니다.
비난연 샘플에 내재된 것과 비교하여 연기 발생에 대한 세 가지 난연제의 영향을 평가하기 위해 상기 단원 콘칼로리미터와 연기 밀도 챔버를 사용하여 연기 밀도 측정을 수행했습니다. 콘칼로리미터에서 연기 및 연소 생성물은 배기 덕트 흐름에서 측정됩니다. 대조적으로 연기 챔버에서 연기 및 연기 생성물은 테스트 기간 동안 고정된 체적 챔버에 축적하면서 측정됩니다. 두 측정 시스템 간의 차이와는 별도로 이전 연구에서는 콘칼로리미터에서 수행된 연기 측정이 이 연구에서와 같이 수평 방향으로 시험될 때 연기 챔버에서 측정된 것과 동일한 경향을 따르는 경우가 많다고 제안했습니다.
여기에서는 연기 발생 데이터가 콘칼로리미터의 피크 및 평균 특정 소멸 면적(SEA)과 연기 밀도 챔버 테스트의 최대 비 광학 밀도(Dm) 측면에서 제시됩니다. 특정 소멸 지역의 피크값은 화재 상황에서 최악의 상황을 더 잘 나타내는 것으로 간주되지만, 특히 표본 질량 손실의 순간적인 변동에 민감하므로 장기간에 걸쳐 측정된 평균 연기값은 재료의 전반적인 연기 경향을 더 잘 나타내므로 화재 성능이 더 높습니다. 특정 소멸 지역의 평균 및 피크값이 여기에서 설명됩니다. 다음 단원에서는 콘칼로리미터 테스트의 결과를 먼저 논의한 다음 연기 밀도 챔버 테스트의 모든 샘플에 대해 얻은 결과를 설명합니다.
1) 콘칼로리미터에서 연기 평가
콘칼로리미터에서만 연기 발생의 측정으로 특정 소멸 지역의 피크 및 평균값을 평가하는 것 외에도, 샘플로부터 CO 및 CO2의 발생을 조사하는 것이 일반적입니다. 이것은 화재 상황에서 생성된 CO와 연기가 불완전 연소의 산물이기 때문에 본질적으로 서로 연결될 수 있기 때문입니다. 비교 가능한 결과를 얻기 위해서, 등식에서 평균 SEA로 정의되는 정상화된 연기 생성량의 평균 CO 수율을 고려하는 것이 중요합니다. 즉, 샘플의 총 연기 생산과 총 질량 손실 사이의 비율을 고려하는 것이 중요하며, 이는 샘플의 연기 생성률은 종종 시험 기간에 따라 다르기 때문입니다.
연기 생성의 피크 값은, 반면에 시험 중에 한 시점에만 발생할 수 있으며, 따라서 난연제의 화학적 및 물리적 반응이 결합되어 가장 높은 연기 생성을 제공할 뿐만 아니라 시험 중에 샘플의 기화 표면 주변늬 국소 환기 또는 혼합 조건의 변화 가능성을 제공합니다. 평균값은 이러한 변동에 걸쳐 나타나지만 전체 연기와 CO생산 사이의 잠재적인 상관 관계를 평가하기 위해 CO/CO2 비율과 함께 사용하기 위해 SEA의 보다 더 대표적인 값입니다. 이러한 차이는 아래 제시된 결과의 의미와 해석에 영향을 미치므로 적절한 고려를 해야합니다.
일반적으로 다른 작용을 통해 작동하는 난연 첨가제의 존재는 상당한 수준의 CO 및 연기 생성량을 가져오고 상응하는 수준의 CO2 생성을 초래할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 연소 반응을 억제하는 난연제는 환기가 잘되는 콘칼로리미터 테스트에서도 CO2 발생 수준이 낮으면서 CO 및 연기 생성량의 크게 증가할 것으로 예상됩니다.
따라서 배기가스의 CO/CO2 중량비는 완전 연소의 정도를 나타내기 위한 ‘연기 독성 지수’의 척도로 자주 사용되며, 이 비율이 클수록 연소의 완전성이 낮아지고 따라서 연기의 잠재적 독성이 커지고 이 지표에 기초한 물질은 더 위험합니다. 여기에서 연구된 재료에 대한 이러한 관계를 조사하기 위해 아래 표는 최대 및 평균 비 소멸 면적(SEA), 평균 CO 및 CO2 수율의 측정값과 비난연 샘플의 C0/CO2 생산 비율 그리고 이 연구에 관심이 있는 세 가지 비난연 첨가제의 10%와 20%를 가진 샘플을 요약한 것입니다.
[콘칼로리미터에서 연기 데이터(환기가 잘되는 조건)]
비난연 기준 폼에 비해, 피크 SEA의 측정값은 브롬화 난연제의 10% 및 20% 첨가에 대해 각각 45% 및 90% 증가합니다. 인계 난연제가 10% 및 20% 첨가된 샘플의 경우 훨씬 더 눈에 띄는 값 증가(80% 및 90%)를 볼 수 있습니다. 대조적으로 10% 팽창 흑연 난연제의 첨가는 시험된 비난연 및 다른 샘플에 비해 SEA의 피크값을 낮추는 것으로 보입니다. 피크 SEA의 값은 비난연 샘플에 비해 20% 팽창 흑연 난연제의 더 높은 농도에서 다시 약 40% 증가합니다.
실험기간 동안 시료의 질량 손실로 인해 정상화되는 전체 연기발생이 측정 소멸면적(SEA)값을 고려했을 때, 10% 브롬화 난연제와 20% 브롬화 난연제를 증가하면, 비난연 난연제에 대해 시료 단위 질량당 발생하는 연기 발생량이 각각 3배, 5배 증가합니다. 인계난연제 샘플에 의해 단위 질량기준으로 생성된 연기는 비난연 난연제 폼에 대해 측정된 것보다 10배 더 많습니다. 모든 난연재료 중에서, 팽창 흑연 난연제 시스템은 단위 질량당 가장 적은 연기의 양을 생성하지만, 비난연 샘플에 대해 측정된 것보다 평균 SEA 값이 더 높습니다.
위에서 논의된 연기 생성의 수준이 증가함에 따라, 기본 폼에 10% 및 20% 브롬화 난연제를 첨가하면 비난연 샘플과 비교할 때 평균 CO 수율이 각각 30% 및 10% 증가합니다. 또한 상기 표 [콘칼로리미터에서 연기 데이터(환기가 잘되는 조건)]에서 브롬화 난연제가 비난연 샘플에 비해 평균 CO2 수율에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있습니다. 그러나 위 단원에서 총 열흐름에서 볼 수 있는 값과 일치하며 문헌에 보고된 비난연과 비교할 때 균 CO2 수율은 인계 난연제 샘플에서 평균 CO2 수율은 약 40% 감소합니다.
10% 및 20% 팽창 흑연 난연제를 추가하면 평균 CO 수율이 약 50% 감소하는 반면, 비난연 샘플에 비해 팽창 흑연 난연제 농도가 20%인 경우 평균 CO2 수율은 10%만 증가합니다. 이는 CO2 수율의 증가는 방정식 (3)에 표시된 탄소층의 산화로 구성된 팽창 흑연 난연제의 작용에 부분적으로 기인할 가능성이 있기 때문에 관심의 대상입니다. 다양한 난연 첨가제에 따른 CO 및 CO2 생성 변화의 결과로, 연기독성지수 [평균 CO/평균 CO2]는 각각 10% 및 20% 브롬화 난연제를 추가하면 약 30% 및 5% 증가하였고, 인계 난연제 농도가 10%에서 20%로 증가하면 약 5% 및 80% 증가하였습니다.
표 [콘칼로리미터에서 연기 데이터(환기가 잘되는 조건)]에 요약된 모든 결과는 사용된 난연제의 예상 작용과 다시 일치합니다. 브롬 난연제는 브롬이 H* 및 OH*를 소거하는 것으로 알려져 있기 때문에 주로 기체상 산화반응의 효율을 억제하는 역할을 합니다. 이는 불완전한 연소와 연기 생성 및 CO 생성이 상단한 증가로 이어지고 이에 맞게 CO2 농도의 감소로 이어집니다. 예상할 수 있듯이, 브롬 난연제 샘플에 대한 연기독성지수는 기본 폼에 난연제가 증가하더라도 상당히 일정하게 유지됩니다. 마지막으로 연기 발생은 감소된 피크 열방출율 및 총 열방출율 및 평균 열방출율의 변화와 일치합니다.
이와는 대조적으로 인산염은 기체상 산화 반응을 어느 정도 억제하기 위해 작용하여 때로는 CO2 생산에 비해 CO 수준이 증가할 수 있지만, 인계 난연제를 기본 폼에 첨가하는 것은 주로 숯 층의 형성을 촉진합니다. 점화 후 시간이 지남에 따라, 이것은 폼 샘플을 절연하고 기본 재료의 개방 연소를 유지하는 데 필요한 산소의 가용성을 제한합니다. 샘플 표면에 산소가 부족하고 숯 층 아래의 샘플이 점진적으로 냉각되면 환기가 잘되지 않아 CO가 CO2로 완전히 산화되지 않고 부분적으로 산화됩니다.
아래 그림은 비난연 난연제 및 난연 샘플의 연기 생성 비율에 대한 그림입니다.
아래 그림에서 전체적인 효과는 다른 샘플보다 더 긴 기간에 걸쳐 발생하는 20% 인계 난연제 샘플의 연기생산 속도가 현저하게 증가하며, CO 수율이 비난연 난연제과 인계 난연제 샘플 사이에 비교할 수 있음에도 불구하고 CO2 수율이 현저하게 감소하기 때문에 전체 CO/CO2 중량비의 증가가 발생합니다.
[10% 난연 및 비난연 샘플에서 연기 생성율 곡선]
[20% 난연 및 비난연 샘플에서 연기 생성율 곡선]
팽창 흑연 난연제가 폼 샘플의 연소를 억제하는 방법은 CO 수율을 현저하게 감소시키고 CO2 수율을 증가시키는 브롬 난연제 또는 인계 난연제의 방법과는 상당히 다릅니다. 이 조합은 비난연 기본 폼보다 CO/CO2 독성지수를 감소시킵니다. 폼에 첨가된 흑연은 [평균 CO/평균 CO2] 식에 열거된 다음 반응에 따라 황산에 의한 탄소(흑연)의 산화로 인해 팽창합니다.
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H20
팽창 흑연 난연제 샘플이 열에 노출되면 CO2가 대량으로 발생합니다. 이것은 또한 샘플 표면을 가로질러 숯 구조의 부피를 증가시키는 발포 효과를 시작합니다. 두꺼운 숯 층은 열과 산소 확산으로부터 기본 폴리머를 절연시켜서 열분해를 더 막아, 실제로 더 적은 샘플 재료가 소비되도록 합니다. 이는 위에서 논의한 총열방출율의 감소 및 피크 열방출율의 감소가 일치합니다.