출처: https:tk//uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/8455/Adeosun_David.PDF.pdf?%09sequence=5
경질우레탄폼은 건물 건축 및 기타 분야의 단열에 널리 사용되는 고분자 재료입니다. 최근 에너지절약과 효율성에 대한 강조를 고려할 때, 이것의 사용은 지난 몇 년 동안 지속적으로 증가해왔습니다. 그러나 경질우레탄은 본래 가연성이고 폼이 열 분해되고 연소됨에 따라 유독가스를 방출하기 쉽기 때문에 상당한 화재 안전에 우려를 제기합니다. 폼의 가연성과 발화성을 줄여 화재안전 특성을 개선하기 위해 다양한 난연제(flame retardants)가 베이스 폼 배합에 첨가되었습니다.
그러나 난연제의 도입으로, 화재안전 단체와 일반 대중들 사이에서 일반적으로 사용되는 난연제의 전반적인 이점과 비교하여 해로운 영향에 대한 우려가 높아졌습니다. 그러나 경질우레탄폼의 경우, 브롬화, 인–계 및 팽창성 흑연과 같은 일반적인 난연제의 농도가 단일 베이스 폼 배합에 대한 화재 행동, 연기 발생 및 독성가스 생산에 미치는 영향을 상세하게 기술한 문헌에서 상호 비교가 거의 없기 때문에 그러한 평가는 어렵습니다.
본 실험 작업은 경질우레탄폼의 단일 배합에 무게 0%, 10% 및 20%의 농도로 첨가된 세 가지 일반적인 상업용 난연제를 사용하여 이러한 요인에 대한 체계적인 평가에 초점을 맞추고 있습니다. 콘칼로리메타 및 연기밀도 시험은 화재성능 평가 중 잘 환기되고 잘 환기되지 않는 화재 조건을 시험하는 데 사용되며, FTIR, Novatech P 695 가스 분석기와 TD-GC/MS 방법은 표본의 산화 열분해 및 연소 중에 발생하는 가스를 조사하는 데 사용됩니다.
CO, CO2, 환원된 O2 및 NOx와 같은 주요 화재가스의 농도 측정은 화재시험 중에 생성된 휘발성 유기화합물에 대한 보다 자세한 조사와 결합됩니다. 유독가스의 식별을 위한 오프라인 열탈착/가스 크로마토그래프/질량 분석(TD-GC-MS)에 따른 가스 흡수 샘플링의 사용은 이 적용에서 상당한 이점이 입증되었습니다.
얻어진 전체 데이터를 통해 연소 과정에서 세 가지 특징적인 기간 동안 진화된 제품에 대한 보다 포괄적인 식별을 제공합니다. 그런 만큼, 통풍이 잘되고 환기가 잘 되지 않는 환경에서 화재 지연성(난연성) 우레탄폼의 열화, 연소 및 연기 발생에 대한 현재의 지식을 넓히고 가치있는 새로운 통찰력과 이해를 제공합니다.
[준불연 경질우레탄폼단열재 생산]
Ⅰ. 서론
1. 폴리우레탄폼 및 화재
2. 동기
3. 연구 목표
Ⅱ. 문헌 검토
1. 폴리우레탄폼 생산
2. 경질우레탄폼에서 난연제의 작용
1) 브롬계 난연제
2) 인계 난연제
3) 팽창성 난연제
3. 난연성 경질우레탄폼에 대한 연구 요약
4. 화재 발생 단계
(1) 1단계: 열산화 열분해
(2) 2단계: 완전 개발된 단계
(3) 3단계: 플래시오버 후 화재
5. 화재성능 특성
6. 연소 제품
1) 연기 제품
(1) 주요 화재가스
① 감소된 산소 농도(O2)
② 이산화탄소(CO2)
③ 일산화탄소(CO)
④ 연기독성지수 (CO/CO2)
⑤ 질소산화물(NOx)
⑥ 유기화합물
7. 가스 생성방법
Ⅲ. 실험기구 및 기법
1. 재료 및 샘플 준비
2. 화재성능 시험방법
1) 콘칼로리미터 시험방법(ASTM E 1354)
3. 가스 샘플링방법
1) 콘칼로리미터 샘플링 방법
2) 연기밀도 챔버 샘플링 방법
3) Novatech 695 샘플링 방법
4) FTIR 샘플링 방법
5) GC-MS 샘플링 방법
4. 가스분석 기술
1) NOVATECH 가스분석
(1) Servomex 4900 시리즈 분석[O2, CO2 및 CO]
(2) (2) 모델 8800 가열 총 탄화수소 분석기
(3) 모델 TML41 질소산화물 분석기
2) MIRAN 205B 푸리에 변환 적외선 분광계
3) 가스 크로마토 그래피–질량분석(GC-MS)
4) 반복성 및 불확실성 측정
Ⅳ. 결과 및 논의
1. 성능 매개변수
2. 연기 개발 및 특성
1) 콘칼로리미터에서 연기 평가
2) 연기밀도 챔버 시험에서 연기 평가
3) NFR 베이스 샘플의 화염 및 비 화염 연소에서의 연기 발생
4) 화염 및 비 화염 연소에서 시료의 특정 광학 밀도분석
3. 화재가스 분석
1) 산소 고갈
2) 이산화탄소 농도 측정
3) 일산화탄소 농도 측정
4) 산화질소
5) 이산화질소
6) 미연소 총 탄화수소
7) 휘발성 유기화합물(VOC)
① 1단계: 열분해 제품
② 2단계: 연소 제품
ⓐ 콘칼로미터 테스터의 연소 제품
ⓑ 연기밀도 챔버 시험의 연소 생성물
ⓒ 연기밀도 챔버 시험에서 비 화염 연소로 인한 가스 제품
③ 3단계: 화재 후 유출수
ⓐ 환기가 잘되는 콘칼로리미터 시험에서 NFR 및 10% FR의 화재 후 유출수
ⓑ 진동 연기 밀도 챔버 시험에서 시험으로 인한 화재 후 유출수
4. 화재 가스의 건강 영향 및 독성
5. 총론
Ⅴ. 결론 및 미래
1. 연구 기여
2. 발견
1) 다른 화재 조건에서 난연 및 화재 특성
2) 다양한 화재 조건에서 난연 및 연기 발생
3) 다양한 화재 조건에서 발생하는 화염 지연 및 화재가스
4) 가스 측정 및 기법
3. 미래에 대한 권장사항
Ⅰ. 서론
1. 폴리우레탄폼 및 화재
폴리우레탄은 오늘날 가장 다대다능한 재료 중 하나로 상업적으로 널리 응용되고 있습니다. 폴리우레탄폼은 거실과 사무실, 차량, 기차, 선박 및 항공기 내부에서 다양한 형태로 우리 주위에 있습니다. 연질 폼은 장식된 가구, 침구류, 자동차 인테리어, 카펫 깔개 및 포장에 사용됩니다. 경질우레탄폼은 건물 벽과 지붕에서 구조적 단열 패널로 사용됩니다. 열가소성 폴리우레탄은 의료기기 및 신발, 코팅, 접착제, 실란트 및 탄성중합체로 사용되며, 자동차 내부와 바닥에 사용됩니다.
폴리우레탄의 기원은 2차 세계대전의 시작으로 거슬러 올라가며, 고무의 대체품으로 처음 개발되었습니다. 이러한 부류의 중합체 재료의 독창성은 다양성, 경량 부피 대 무게 비율, 회복력 및 쉬운 취급성에 있습니다. 이 모든 것은 매우 다양한 용도에 사용을 촉진했습니다.
건축 및 건설 산업에서, 경질우레탄폼(PUR)은 가장 효율적인 단열재 중 하나이며, 이와 관련하여 널리 호응을 얻고 있습니다. 단열재는 건물 벽과 지붕의 가장 중요한 구성요소 중 하나이기 때문에, 에너지절약과 효율에 대한 최근 중요성은 오늘날의 에너지 의식 세계에서 필요한 열 성능을 제공하는 경질우레탄폼단열재 패널에 대한 수요를 증가시키는 주요 원동력입니다.
2008년과 2012년 사이 캐나다에서 이러한 요구를 충족시키기 위해 매년 평균 177,000개의 새로운 주택이 건설되었습니다. 구조적으로 강하고 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지소비를 줄이는 데 도움이 되는 고성능 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 경질우레탄폼은 건축 용도에서만 적용되지 않습니다. 또한 온수기, 냉장 운송 및 상업용 및 가정용 냉장과 같은 다른 많은 단열 적용 분야에 사용됩니다.
그러나 불행히도 유기 물질인 폴리우레탄은 산소가 있는 곳에서 충분한 열이나 다른 점화원에 노출될 때 쉽게 연소될 것입니다. 이로 인해 플래시오버 단계에 빠르게 도달하는 화재가 빠르게 발생할 수 있습니다. 이때 단열 패널을 포함한 모든 가연성 재료가 이 화재에 관련될 수 있습니다. 경질우레탄폼은 에너지절약 관점에서 효과적인 단열 효과를 제공하지만 화재 상황에서는 빠른 화재 발생 및 화염 확산에 기여할 수 있습니다.
건물에서 화재가 발생하면 유독성, 시각적 차단과 부식성 연소 생성물은 실제로 많은 화재 사망에 책임이 있습니다. 다른 화재 위험에 대한 노출보다 화재시 연소 제품에 대한 노출과 흡입에 의한 더 많은 피해가 제기됩니다. 연구에 따르면 북미에서는 전체 화재 사망자의 3/4이 연기 흡입으로 인한 것이며, 이 중 2/3는 화재원 방 외부에서 발생합니다.
실제로 대부분의 희생자들이 심각한 화상을 입지는 않았지만 유독가스에 의해 사망하는 많은 화재가 있습니다. 예를 들어, 1998년 예테보리의 디스코텍에서 유독가스를 흡입한 결과 63명이 사망했습니다. 비슷한 사건은 1990년 스칸디나비아 스타 화재로 156명의 승객과 승무원이 사망했습니다. 두 경우 모두, 많은 사람들이 칼출할 수 있는 접근이 제한된 낮설고 밀폐된 공간에 모여있었고, 많은 희생자들은 유독 연기에 의해 압도당했습니다.
그러나 모든 화재가 공공 장소에서 발생하는 것은 아니며, 캐나다의 주택 화재는 현재의 규정 및 테스트 절차에도 불구하고 여전히 가장 큰 관심사로 남아있습니다. 예를 들어, 2002년에 캐나다는 총 53,589건의 화재가 발생했으며, 그 중 22,186건이 ‘주거용 부동산’ 범주에 있었습니다. 이 사건으로 인해 712백만 달러의 금전적 손실과 250건의 사망이 발생했으며, 이는 그해 전국 화재 사망자의 약 82%였습니다. 북미 지역에서도 추세가 비슷하며, 주거용 건물 화재의 심각한 문제를 설명하고 주택에서 건축 및 건축 자재의 적절한 선택과 화재 예방의 중요성을 강조합니다.
건물 화재 중 거주자가 연기에 노출되는 것을 방지하는 것은 매우 어렵습니다. 1975~1985년과 비교했을 때 미국에서 지난 10년 동안 사망자 수는 34% 감소했지만, 연기 흡입으로 인한 사망자 수에는 거의 변화가 없었습니다. 총 화재 사망자의 수는 실제로 감소하고 있지만, 1979년 이후 매년 1%씩 증가해 왔으며, 이는 건물에서 다양한 용도에 합성 중합체를 사용하고 가구와 운송 시스템의 건설 자재로 사용함으로써 악화되었습니다.
이들 중합체의 도입은 이러한 물질들이 서로 다른 화재 조건에서 열적으로 분해되기 때문에 발생하는 연소 제품의 특성과 독성에 대한 보방 당국과 규제 기관의 우려를 고조시켰지만, 이러한 현상에 대한 자세한 연구는 여전히 매우 부족합니다. 부분적으로 이것은 화재 중에 발생할 수 있는 광범위하게 다양한 환기 조건에서 여러 난연제 첨가가 포함된 단일 등급의 재료에서도 연소 생성물을 체계적으로 조사하기 위한 노력 덕분입니다.
화재 발생시 산소 수준이 높고 통풍이 잘되는 환경에서 열산화–열분해가 발생합니다. 화재가 지속적으로 연소, 화염 연소로 발전함에 따라 산소 부족(환기가 잘 안되는) 조건에서 환경 내 산소 농도가 감소하고 연소가 진행되는 같은 물질에서도 연소 생성물의 범위가 다른 형성이 나타날 수 있는 기간이 있습니다. 제품과 그 농도는 화재 후반 및 사후 환경에서 연료가 연소됨에 따라 다시 변할 것입니다.
다양한 화재 환기 상황은 콘칼로리미터 및 연기 밀도 챔버 화재성능 테스트 방법을 사용하여 실험실에서 소규모 테스트로 시뮬레이션할 수 있습니다. 콘칼로리미터(ASTM E 1354)는 통풍이 잘되는 조건 하에서 재료의 화재성능을 결정하는 표준 소규모 테스트로 알려져 있으며, 연기 밀도 챔버(ISO 5659) 시험방법은 비 안정적인 부분 환기조건 하에서 재료의 화재성능을 보다 면밀하게 시뮬레이션합니다. 콘칼로리미터 및 연기 밀도 챔버를 사용하여 동일한 재료를 시험함으로써, 다른 화재 환기조건 및 이에 따라 다른 화재 유출물이 생성될 수 있습니다.
재료는 실제 화재 상황에서 두 가지 조건에 모두 노출될 수 있으므로, 이러한 보완적 시험의 사용은 현재 실험 접근법의 핵심을 형성합니다. 따라서 적용에 대한 자세한 내용은 Ⅲ.2에서 설명합니다.
지난 30년 동안, 경질우레탄폼의 화재 반응을 특성화하고 인화성이 감소된 새로운 배합을 설계하기 위해 많은 연구가 수행되었습니다. 연질 및 경질우레탄폼의 가연성에 대한 연구로 점화 시간 및 화염 확산 또는 연소시 재료의 열방출량을 낮추는 것과 같은 특성을 변경하여 폼의 화재 특성을 개선하는 난연제(FR)라고 알려진 고유한 연소 개질제를 도입하게 되었습니다. 우레탄에 난연제의 결합은 현대 화재 중에 발생된 연소 생성물을 다시 변화시켰으며, 그러나 이러한 변화의 작용과 세부 사항은 잘 이해되지 않았습니다.
따라서 다양한 화재 조건에서 열분해 및 연소 중에 난연 및 비화재 지연 폼 재료로부터 생성된 화재 가스의 열방출률, 연기 발생 및 화재 가스의 동일성 및 농도를 연구할 필요가 있습니다. 화학 성분은 주어진 재료의 연소에서 어떤 독성 생성물이 생성될 것인지를 나타내므로, 이 지식은 장기간에 걸쳐 화재로 발생하는 주요 독성 생성물의 진화를 예측하는 도구를 개발하는데 사용될 수 있습니다.
2. 동기
건물에서 단열재로 인한 특히 경질우레탄폼 및 합성 중합체 사용의 증가로 인해 잠재적인 화재 위험은 화재안전에 대한 우려를 증가시켰습니다. 이러한 위험에 대한 언급은 기술 문헌과 과학 모임에서 자주 등장합니다. 이것은 더 많은 표준 화재보호 커버의 사용에서부터 베이스 폼 조성에 하나 이상의 난연성 첨가제를 첨가하는 것까지 다양한 완화 전략으로 이어졌습니다. 그럼에도 불구하고 화재는 발생할 것이며 다양한 재료에서 생성된 연기 및 화재 가스의 구성 및 독성에 대한 정보는 노출의 잠재적인 심각도, 지역에서 거주자가 탈출할 가능성 및 거주자 생존 확률을 평가하는 측면에서 화재 위험 분석 모델에 입력이 필요합니다. 미국 국립연구위원회에 따르면, “연기 및 독성에 대한 잘못된 이해는 중합체와 그 복합체를 건물 내용물과 구조 용도에 추가적으로 통합하는 데 중요한 장벽”이라고 합니다.
주거용 및 상업용 건물의 건축에 사용되는 자재의 화재성능 측면에서 건물 및 소방규정이 더욱 엄격해지고 있습니다. 폼과 난연제 제조업체는 기본 폼에 난연제를 첨가하여 PUR 폼의 가연성과 발화성을 억제하려는 시도가 극도의 독성 제품을 발생시키거나 다른 환경적 우려를 제기하는지에 대한 문제에 빠져있습니다. 화재안전 단체와 일반 대중들 사이에서 재료 및 집기의 연소 속도를 줄이기 위해 난연성 첨가제를 사용하는 것에 대한 우려가 있습니다.
따라서 난연 경질우레탄폼의 연소 중에 발생하는 수반되는 연기 및 유독 가스를 고려할 때, 난연제의 사용이 실제로 전체적인 순안전 혜택을 제공하는지는 여전히 명확하지 않습니다. 의지할 여지없이, 많은 소방 연구원들 사이에 충분한 난연제 화학물의 첨가가 PUR 폼의 가연성을 감소시킨다는 일반적인 합의가 있습니다. 그러나 현재까지 난연제 첨가제의 연기 수준, 유독가스 발생, 방염 제품의 전반적인 화재성능에 대한 의견 불일치와 모순이 존재합니다.
Babrauskas′s의 중합체 성능에 난연제의 영향에 대한 연구에서, 난연제의 사용이 점화성과 화염확산 측면에서 난연 제품의 전반적인 화재성능을 크게 향상시켰지만 난연과 비난연 제품 사이에는 연기 발생에서 크게 감소하지 않았다고 결론지었습니다. Mouritz et al., 등이 수행한 다른 연구에서 일부 난연제를 사용하면 연기 및 독성가스의 생산량을 감소시키는 반면, 다른 난연제는 독성가스의 생산량을 증가시킬 수 있다고 주장했습니다.
난연제 첨가 및 경질우레탄폼과 관련하여 체계적이고 상세하며 과학적인 정보가 부족하여, 화재 과학계에서 서로 다른 폼 배합에 걸쳐 생성된 기체 제품의 성질과 연기 양에 대한 합의가 거의 또는 전혀 이루어지지 않고 있습니다. 이것은 화재성능 향상을 위해 여러 개의 난연제를 조합해 사용하는 것이 관행을 악화시킵니다. 따라서 우레탄폼의 점화, 연소, 독성 및 난연성에 관한 문헌에 기록된 광범위한 작업에도 불구하고, 연기 발생, 연소 가스 독성 및 관련된 전반적인 안전 문제에 대한 난연제의 상세한 물리학 및 관련 영향은 명확하게 이해되지 않습니다. 이것은 다음 절에 요약된 구체적인 목표를 가지고 현재 작업을 추진하는 문제입니다.
3. 연구 목표
본 연구의 주된 목적은 주거용 및 상업용 건물에서 단열재로 사용하도록 설계된 새로 개발된 경질우레탄폼의 비 화염 및 화염 연소 중에 발생하는 화재성능, 연기 발생 및 연소 제품에 대한 광범위한 정보를 제공하는 것입니다. 이 연구에서 다양한 환기 조건에서 난연 경질우레탄폼의 열분해 및 제어 연소 동안 방출되는 유출물(연기와 휘발성 유기 화합물)의 구성뿐만 아니라 전반적인 화재성능을 체계적으로 조사하기 위해 Waterloo Live Fire Research Facility에서 소규모 실험이 수행되었습니다.
이를 위해 3개의 상업적으로 이용 가능한 난연 첨가제 각각을 2개의 미리 결정된 농도로 단일 베이스(참조) 폼 조성물에 개별적으로 첨가했습니다. 결과 재료의 화재성능은 콘칼로리미터 및 연기 밀도시험을 사용해 평가했습니다. 유출물은 각 시험에서 3가지 특성 단계에서 채취하여, 그 시기에 존재하는 주요 화재가스의 정체를 확인하고, 고온 제품가스에 포함된 광범위한 유기 증기를 선별하기 위해 분석하였습니다.
연구의 구체적인 목표는 다음과 같습니다.
(ⅰ) 화재가스를 특성화하기 위해 열–산화성 열분해와 3가지 주요 난연제가 다양한 양으로 첨가된 경질우레탄폼의 단열 배합의 연소에서 발전했습니다. 장기적으로 이는 화재위험 분석 도구에 사용하기 위해 시간이 지남에 따라 연장될 수 있는 화재성능 특성, 연기 및 화재가스 성분의 품질 데이터 베이스 개발로 이어질 것입니다.
(ⅱ) 연구중인 경질우레탄폼 단열재에 대해 화재 성장의 다양한 단계에서 잘 환기되고 유리한 조건에서 방출되는 가스와 연기 발생에 상업적으로 이용 가능한 난연제의 다른 유형의 영향을 체계적 연구와 이해
(ⅲ) UW Live Fire Research 실험실에서 사용할 수 있는 다양한 가스분석 방법을 활용하고 평가하기 위해 적절한 계측기를 결정하고 콘칼로리미커 및 연기 밀도 화재성능시험에서 발전된 열분해 및 연소 가승의 상세한 특성을 위한 일관된 방법을 개발합니다.
경질우레탄폼의 난연성에 대해 수행된 대부분의 연구는 5~30%wt의 수준 범위에서 서로 다른 수지와 폴리머의 특정 난연제 첨가제의 성능에 초점을 맞추고 있지만, 첨가제가 다른 베이스 폼 배합에 첨가되기 때문에, 결과는 연기 개발과 독성가스 방출에 대한 각 난연 첨가제의 개별적 또는 증가의 영향에 교차 비교를 허용하지 않습니다. 이 연구는 이러한 기존 결과를 한 단계 더 발전시켜 상용화된 3개의 난연제가 동일한 베이스 폼 배합에 서로 다른 수준으로 첨가되었을 때, 화재 성능에 미치는 영향에 대한 체계적인 조사를 실시하였습니다.
이것은 일반적인 베이스 폼에 이 세 가지 첨가제를 첨가하는 것과 관련된 연기 발생, 화재가스 및 기타 화재위험 지수를 비교 분석할 수 있어야합니다. 실험 연구는 난연성 경질우레탄폼의 연소로 발생하는 휘발성 유기화합물을 검사하기에 적합한 가스 분석 방법의 개발을 더욱 발전시킬 것입니다.
결과는 시험 전체에 걸쳐 일관된 데이터를 얻기 위해 필요한 가스 샘플링 방법과 데이터 분석 기법을 개발하는 데 사용될 것입니다. 이 작업은 경질우레탄폼에서 화재, 난연제 및 열분해/방출된 연소가스 사이에 상호 작용의 화학작용에 대한 현재의 이해를 크게 개선해야합니다. 장기적으로 샘플 전체의 소규모 화재 반응을 더 잘 이해하려면 현재 건축자재 등급을 매기는 데 사용되는 대규모 표준화된 화재 테스트에서 예상되는 성능과 비교하여 다양한 난연제를 평가할 수 있습니다.
다음 장에서는 이 작업과 관련된 우레탄폼 및 난연제에 대한 배경 정보를 제공하며, 현재까지 난연성 경질우레탄폼에 대해 수행된 다양한 연구가 있습니다. 또한 일반적인 화재 상황에서 여러 단계의 화재 발생 단계에서 예상되는 가스 제품에 대한 정보를 제공하고, 화재 조건이 다른 화재 조건에서 난연 우레탄폼에서 진화한 화재 성능 특성 및 연소 제품에 대한 검토가 뒤따릅니다.