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플래시오버에서 샌드위치판넬 단열재 질량 손실 및 가연성(1)

현대의 건물은 증가하는 에너지성능 요구 사항을 충족시키기 위해 점점 더 많은 합성 단열재를 포함하고 있습니다. 이러한 합성 단열재는 화재에 대한 반응이 다릅니다. 이 연구에서는 다양한 샌드위치판넬과 그 단열재(폴리우레탄-PUR, 폴리이소시아누레이트-PIR, 미네랄울단열재 및 그라스울단열재)의 질량 손실 및 가연성 한계를 특별히 설계된 로를 사용하여 별도로 연구합니다. 발포폴리스티렌(EPS) 및 압출 폴리스티렌(XPS)은 단열재에서만 테스트됩니다. 연구에 따르면 합성 및 미네랄울단열재 기반 단열재의 실제 질량 손실은 최대 300에 달합니다. 300이상부터는 PUR 우레탄 샌드위치판넬의 질량 손실은 상당히 높습니다.

 최대 350의 질량 손실은 영향을 받는 부위의 미네랄울단열재, PIR 단열재 PUR 단열재의 경우 각각 7%, 29%, 83%입니다. 또한 박리는 미네랄울판넬은 350및 합성의 경우 250이상 온도에 노출되면 발생합니다. 박리는 단열재와 금속 샌드위치판넬 사이의 수지의 열화와 PUR의 가스화로 인해 발생합니다. 낮은 가연성 한계는 9.2%m/m(PUR) 3.1%m/m(PS)에서 실험적으로 설정되었습니다. PUR 단열재의 경우 74%의 상한이 발견되었습니다. PIR 단열재 및 미네랄울단열재의 경우 인화성 한계를 설정할 수 없습니다.

1. 서론

현대의 건물에는 에너지 성능에 대한 더 높은 요구 사항을 충족시키기 위해 점점 더 많은 합성 단열재를 포함되어 있습니다. 이러한 합성 단열재는 미네랄울단열재와 같은 광물 단열재에 비해 화재에 대한 반응이 다릅니다. 이 연구의 초점은 화재의 사전 플래시오버 단계(최대 400)에 맞춰져 있으며, 이는 소방관이 화재 구획 내부에 진입할 수 있는 단계(공격적인 화재 공격)이기 때문입니다. 이것은 실제 화재 중에 연기 가스 폭발의 위험을 평가하기 위해 수행됩니다. 연기 가스 폭발은 낮은 온도에서 가스와 공기의 적절한 혼합물이 존재하는 경우 가연성 열 분해 가스의 방출로 인해 플래시오버 이전에도 발생할 수 있습니다. 이로 인해 소방관이 내부 화재 진압을 위해 방화실에 들어갈 위험이 높습니다.

또한 여기에서는 샌드위치판넬과 합성 단열재에 중점을 둡니다. 샌드위치판넬은 단열 능력이 높은 단열재로 구성되며, 종종 얇은 강판, 알루미늄 또는 스테인레스로 만들어진 외장으로 싸여 있지만, 목재, 플라스틱 또는 종이와 같은 다른 재료도 가능합니다. 외부 지붕, 외벽 및 내부용 샌드위치판넬은 대략적인 사용 빈도 순서대로 폴리우레탄(PIR), 폴리이소시아누레이트(PIR), 광물 섬유(그라스울단열재, 미네랄울단열재) 및 발포폴리스티렌(EPS)입니다.

이 자료는 5가지 단열재 즉 미네랄울단열재, PUR 단열재, PIR 단열재, EPS 단열재 XPS 단열재에 초점을 맞추고 있으며, 그 특성은 다음 단원에 설명되어 있습니다. 이러한 재료는 단열재뿐만 아니라 샌드위치판넬의 단열재로 적용될 수 있습니다. 이러한 재료 중 미네랄울단열재는 불연성으로 간주되고 다른 재료는 일반적으로 가연성으로 분류됩니다.

두 범주의 또 다른 주요 차이점은 유기 화학과 무기 화학입니다. 무기섬유 재료는 유럽 단열 시장의 60%를 차지하는 반면 EPS 단열재, XPS 단열재 PUR 단열재와 같은 유기 발포재료는 시장의 27%를 차지합니다. 다른 13%v/v는 결합된 재료(: 실리콘화 칼슘, 석고 및 목재 울)와 신기술 재료로 구성됩니다.

샌드위치판넬의 경우 수치가 다릅니다. 정확한 수치는 알 수 없지만, 네덜란드에서는 EPS 단열재 XPS 단열재가 적용된 샌드위치판넬은 거의 사용되지 않는 것으로 알려져 있습니다. 그래도 EPS 단열재 및 XPS 단열재가 네덜란드의 평면 지붕 시장의 35%를 차지하기 때문에 EPS 단열재 및 XPS 단열재의 가연성은 관련성이 있습니다.

이 연구를 위헤 열 분해 가스의 질량 손실 및 가연성이 중요하며 실험적으로 결정됩니다. 가연성은 상황(온도 및 화재 성장률)과 재료에 따라 다릅니다. 가연성은 화학 분석에 일반적으로 사용되는 개별 가스가 아닌 화재 유출물의 완전한 혼합물에 대해 이 자료에서 결정됩니다. 합성 및 천연 고분자의 열 분해로 인해 화재 유출물에는 항상 자극제와 질식제를 포함하는 복잡한 화학물질 혼합물이 포함되어 있습니다.

가연성 단열재가 있는 샌드위치판넬을 적용하면 다음과 같은 화재 위험이 발생합니다.

샌드위치판넬과 단열재 사이의 수지 분해와 열 응력 및 팽창으로 인한 강판 표면 박리

샌드위치판넬 왜곡과 샌드위치판넬 사이의 연결부 개방으로 인해 열 분해 가스가 패널을 통해 다른 구획으로 이동할 가능성

단열재가 눈에 띄지 않게 불이 붙을 가능성과 화염이 단열재를 통해 확산될 가능성

단열재의 열 분해로 인한 짙은 연기의 존재 및 열 분해 가스와 뜨거운 공기 혼합물의 연기 가스 폭발 가능성

아래 그림은 EPS 단열재, XPS 단열재, PUR 단열재, PIR  단열재 및 목재가 녹고 열 분해되고 발화되는 온도 범위를 그래프로 보여줍니다. 이 자료는 플래시오버 전 단계(<400)에서 형성된 가연성 혼합물로 인한 연기 가스 폭발의 가능한 위험에 대한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 하며, 이 단계에서는 소방관이 여전히 내부로 진입할 수 있기 때문입니다.

Cooke를 기반으로한 다양한 단열재 점화 온도 개략도

2. 문헌 검토

이 단원에서는 플래시오버 전 단계에 초점을 맞춘 다양한 단열재의 화재 반응에 대한 문헌 검토가 제공됩니다. 폴리머와 같은 유기 재료의 연소는 휘발성 분해물이 산소와 어느 정도 반응하여 이산화탄소와 물로 구성된 제품 혼합물과 다양한 불완전한 연소 생성물의 혼합물을 생성하는 복잡한 과정입니다. 마지막에 종류는 화재 배출물의 가연성에 영향을 미칩니다. 가연성의 범위는 열분해 가스와 공기의 혼합물이 점화될 수 있는 하한과 상한의 범위입니다.

하한(가장 낮은 열분해 가스)과 상한(가장 높은 양)은 열분해 공정의 제품 혼합물 구성과 온도에 따라 다릅니다. 이 화재가스 혼합물의 구성은 화재 성장률과 온도, 산소 공급 및 분해 물질에 따라 달라집니다.

1) 폴리우레탄

폴리우레탄은 최소한 두 개의 활성 수소원자를 포함하는 화합물을 가진 이소시아네이트(-N=C=O) 사이의 반응에 의해 생성되는 반복 우레탄 그룹/결합을 가진 복잡하고 매우 큰 폴리머입니다. 우레탄 결합 이외에도, 폴리우레탄폼에는 지방족 및 방향족 탄화수소, 에스테르, 아미드, 치환된 우레아, 뷰렛, 알로판산, 이소시아네이트, 우레티디온 및 카르보디미이드 그룹이 포함될 수 있습니다. 이러한 화합물의 존재 가능성으로 인해 다양한 특성을 가진 많은 폴리우레탄폼이 존재합니다. 아래 표는 폴리우레탄폼(PUR)의 열적 안정성에 영향을 미치는 PUR의 여러 화학적 결합의 분해 온도를 보여줍니다.

폴리우레탄(PUR)과 폴리이소시아누레이트(PIR)에서 흔히 볼 수 있는 다양한 화학적 결합의 분해 온도

Singh and Jain은 폴리우레탄에 다양한 화합물을 첨가하여 점화, 연소, 독성 및 화재 지연에 미치는 영향에 대한 포괄적인 자료 개요를 제공했습니다. ChattopadhyayWebster는 폴리우레탄 재료의 열 분해 과정에 대한 개요를 제공했습니다. 이 단원에서는 건설 부문에 적용되는 경질 우레탄 폼에 중점을 둡니다.

Jiao et al.은 질소(N2)에서 경질 우레탄 폼과 10/min의 가열 속도로 공기에 대해 열 중량 측정(TG)과 차등 주사 열량 측정(DSC)을 수행했습니다. 그들은 N2와 대기에서 각각 2단계와 3단계 열 분해 과정을 발견했습니다. 두 조건의 대기에서 모두 100~190에서 소량의 질량 손실(~3%)이 관찰되었으며, 이는 수분의 즐발로 설명되었습니다. 두 번째 피크는 주요 분해 단계인 N2 및 공기에 대해 각각 340314에서 발견되었습니다. 또한, 그것은 산화 가스의 존재로 인해 공기 중의 모든 과정이 가속된다는 결론을 내렸습니다.

Jiao et al.N2 분위기에서 TG(Thermogravmetry, 열 중량 측정)를 사용하여 세 가지 온도 범위에 대한 질량 손실을 제공합니다. 첫 번째 단계(71~234) 동안의 질량 손실은 11.6%였습니다. 두 번째 단계(234~400)에서는 50.1%의 질량 손실이 발생하고, 세 번째 단계(400~600)에서는 10.3%의 질량 손실이 발생합니다. 또한 질량 분석은 Jiao에 의해 수행되어 CO2(250 450에서 최대) C2H4O(350에서 최대)의 존재와 시안화수소가 없음을 보여줍니다.

폴리우레탄(PUR)에서 생성되는 가능한 화재 유출물은 CO2, 일산화탄소, 질소산화물, 암모니아, 벤젠, 아세트알데히드, 알켄, 시안화수소, 톨루엔, 불화수소, 염화수소, 브롬화수소 및 유독 가스입니다. 아래 표에서는 이러한 배출물 중 일부에 대한 가연성 한계는 Matheson 가스 데이터 북에 나와있는 것처럼 찾을 수 있습니다.