콘카로리메터를 이용한 발포 프라스틱 단열재의 열특성

이근원, 박찬선*, 이두형*

산업안전보건연구원 안전공학연구실, 방재시험연구소*

Thermal Characteristics of Form Plastics for Insulating Materials by using Cone Calorimeter

K. W. Lee, C.S*. park, D.H. Lee*

Occupational Safety & Health Institute, Fire Insurances Laboratories Institute

1. 서론

산업현장의 건물, 설비 등의 보온 및 단열을 위해 폴리우레탄폼, 스치로폼 등 발포플라스틱은 단열성능이 우수하면서도 가볍고 취급 및 시공이 상대적으로 용이한 장점이 있어 단열재로서 냉동창고 등의 사업장에서 널리  사용되고 있다.  최근에 개발된 콘카로리메터(Cone Calorimeter)에 의한 화재위험성 평가는 기존의 시험에 비해 정확하고 화재시 복합적으로 야기되는 여러 가지 연소특성들의 종합적인 측정이 가능하며 실제 화재조건을 가장 잘 모사한 방법으로 평가받고 있다. 현재 미국, 영국, 스웨덴 등 여러나라에서 각종 재료들의 화재위험성을 평가하기 위하여 콘칼로리메터를 이용한 착화성 및 열방출 등에 관한 연구가 많이 수행되고 있다. 그러나, 국내에서는 콘카로리메터를 이용한 화재 연구는 거의 전무한 실정이다. 건물이나 설비 등의 보온 및 단열을 위해 많이 사용되고 있는 단열재중 우레탄폼, 스치로폼 등 발포 플라스틱류 단열재들은 화재시 많은 인명과 재산상의 피해를 초래하고 있다. 이들 발포 프라스틱 단열재들에 대해 콘카로리메터를 이용하여 착화특성과  열방출 특성 분석을 통해 발포프라스틱 단열재의 열적 특성을 구명하고자 한다.

2. 실험

발포 플라스틱류의 제조 및 시공업체에 대한 자료조사를 토대로 하여 품목별 제조 업체수와 제품제조 실적 순위를 감안하여 KS 지정품목을 기준으로, 비드법 발포 폴리스티렌, 압출법 발포폴리스티렌, 경질우레탄폼, 발포 폴리에틸렌 보온재를 품목별, 종류별로 각각 2개업체 제품을  실험재료로 선정하였다. 실험에 사용된 실험재료는 총 8개업체 4개제품 37품목이다.

착화온도 측정에는  자동착화온도(Self-Ignition Temperature, SIT)와 인화착화온도(Flash-Ignition Temperature, FIT)가 있다. 착화온도의 실험장치로 발화온도시험기(미국, ATLAS사 Setchkin self-ignition tester CS-81)를 사용하였다. 착화시간(Time to Ignition, TTI)과 열방출 특성 실험은 Cone Calorimeter(미국, ATLAS사의 AUTOCAL, Model: CONE 2A)를 사용하였다(그림 1 참조). 이는 콘 형태의 복사전기히터, 시편의 질량을 측정하기 위한 무게측정장치, 시편홀더, 산소분석장치, 유량측정장치를 부착한 배출시스템, 스파크점화회로, heat flux meter, 교정용 버너 및 데이터 수집 및 분석시스템들로 구성되어 있다.

[그림 1]  콘칼로리미터 구조도

3. 결과 및 고찰

착화온도(Ignition Temperature)

실험에 선택된 발포 플라스틱류 단열재료의 착화온도 측정결과를 대표적인 것만 <표 1>에  나타내었다.  발포 플라스틱류 단열재들은 SIT가 FIT에 비하여 약 100℃ 정도 높은 것으로 나타났다. 이 결과로 점화원이 존재할 때에는 더욱 낮은 온도에서도 착화가 가능하다는 사실을 알 수 있었다. 발포폴리스티렌 보드의 경우 비드법이 압출법에 비해 SIT가 10℃ 정도, FIT가 10 - 15℃ 정도 높게 나타났다.  폴리우레탄 보드는 발포폴리스티렌 보드와 차이는 별로 없었으며, 선정된 제품 중에서 폴리에틸렌 시이트가 가장 낮은 착화온도를 나타냈으며, SIT와 FIT 모두 40 - 50℃ 정도 낮은 것으로 나타났다.  전체적으로 볼  때 실험재료로 선정된 제품들의 착화온도는 SIT가 410 - 500℃, FIT가  370 - 450℃에 있음을 알 수 있다. 각 제품별로 밀도가 낮아짐에 따라 착화온도가 약간씩 높아지는 경향을 보였으나 그 차이는 별로 크지 않은 것으로 나타났다.  이는 낮은 온도에서 착화에 필요한 충분한 양의 가연성 가스를 발생하지 못하였기 때문으로 판단된다4.)

<표 1> 폴리스티렌보드의 착화온도

구 분		밀도 (kg/□)	SIT(℃)	FIT(℃)	비고
A	1호	25.9	487	387	비드법
	2호	27.2	491	388
	3호	21.1	495	391
	4호	16.2	510	404

착화시간(Time to Ignition, TTI)

(1) 플라스틱류 단열재의 밀도에 따른 착화시간의 영향

플라스틱류 단열재들의 밀도에 따른 착화시간의 영향 발포 프라스틱의 종류별로 대표적인 것만 [그림 2]에 나타내었다. 대부분 밀도의 감소에 따라 착화시간이 짧아지는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 외부의 복사열에 노출된 단열재는 heat flux가 증가하면 착화시간은 짧아지고 반면에 밀도가 증가하면 착화시간은 길어지는 경향을 보이는 것으로 나타났다.

(2) 플라스틱류 단열재의 heat flux에 따른 착화시간의 영향

플라스틱류 단열재의 heat flux에 따른 착화시간의 변화를 단열재의 종류별로  대표적인 것만 [그림 3]에 나타내었다. heat flux의 변화에 따른 착화시간의 변화는 발포 폴리스티렌 보드(비드법, 압출법), 폴리우레탄보드, 발포 폴리에틸렌 시이트(2종, 난연) 실험재료가 heat flux가 25 □/□에서 35 □/□로 증가함에 따라  착화시간은 최소 약 2배에서 최대 4배정도 짧아진 반면에 heat flux가 35 □/□에서 50 □/□ 증가했을 때의 착화시간은 약 1.5배에서 2배정도 짧아졌다. 그러나 불연재인 암면과 발포 폴리에틸렌 시이트(1종, 비난연) 실험재료는 heat flux증가에 따른 착화시간의 변화는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

[그림 2] 발포 폴리스티렌 보드의           밀도에 따른 착화시간

[그림 3] 발포 폴리스티렌의 heat             flux에 따른 착화시간

열 방출율(Heat Release Rate, HRR)

(1) 최대 열방출율(Peak Heat Release Rate, PHRR)

각 heat flux 조건에서 발포 포리스티렌의 경우, 실험재료에 가해지는 외부의 heat flux가 증가함에 따라 실험재료의 최대 열방출율이 커지고 최대 열방출율에 도달하는 시간도 짧아지는 것으로 나타났다. heat flux에 따라 밀도가 낮은 실험재료에 비해 밀도가 높은 실험재료의 최대 열방출율이 크게 나타났다.  이는 높은 heat flux에서는 열분해가 더욱 잘 진행  되어 실험재료가 많은 양의 열을 방출하면서 빠른 속도로 연소하기 때문으로 보인다. 실험재료 중 발포 폴리에틸렌 시이트가 가장 큰 최대 열방출율을 갖는 것으로 나타났으며, 특히 발포 에틸렌시이트 실험재료는 전체적으로 밀도 및 heat flux에 따른 최대 열방출율의 변화가 가장 큰 것으로 나타났다.

(2) 총방출열량(Total Heat Released, THR)

총방출열량은 10분간의 실험시간에 대하여 계산된 값이며,  각 heat flux에서 동일한 밀도를 갖는 실험재료의 총방출열량은 큰 차이를 보이지 않고 비슷한 결과를 보이고 있다. 이는 연소성이 상대적으로 큰 재료의 경우에는 25 □/□ 정도의 heat flux이면 실험재료가 지속적인 연소를 하는데 충분하기 때문으로 판단된다.  또한 최대 열방출율에서와 마찬가지로 각 실험재료의 밀도가  증가함에 따라 대체적으로 총방출열량도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다.  이는 실험재료가 일단 착화되면 지속적으로 연소  되므로 밀도가 클수록 연소되는 단열재 질량이 커진다고 할 수 있으므로 총방출열량도 증가하는 것으로 판단된다.

(3) 평균 열방출율(Average Heat Release Rate, Av HRR)

평균 열방출율은 실험시간 전체에 걸쳐 방출열량의 평균값을 측정하였으며, 발포 폴리스티렌의 경우의 실험결과를 <표 2>에 나타내었다.  Babrauskas와 Krasny 및 NFL(National Fire Laboratory)의 콘칼로리미터에 의한 실험 연구결과에 따르면 재료가 착화후 180초에서의 평균열방출율과 300초에서의 평균 열방출율은 실제 화재에서의 연소특성을 잘 판단할 수 있다고 보고되었다. ISO 기준을 비롯한 각 시험기준에서도 180초  평균 열방출율과 300초 평균 열방출율을 측정하고 있다. 180초와 300초에서의 평균 열방출율은 실험재료간 비교를 고려하여 50 mm 두께로 환산한 발포폴리에틸렌 시이트가 가장 크게 나타났고,  발포폴리스티렌 보드가 그 다음으로 큰 것으로 나타났다. 이는 발포 폴리에틸렌 시이트, 발포폴리스티렌 보드가 각 heat flux에 노출되었을 때 용융하면서 연소했기 때문에 다른 실험재료에 비하여 평균 열방출량이 큰 것으로 판단된다.

<표 2>  발포 폴리스티렌 보드(비드법)의 경우  평균 열방출율

구 분		밀 도 (kg/□)	25 □/□			35 □/□			50 □/□
			180초	300초	평균	180초	300초	평균	180초	300초	평균
A	1호	25.9	192.2	121.1	79.8	248.2	151.3	87.9	112.4	67.7	36.0
	2호	27.2	210.2	140.7	99.2	203.2	121.5	64.2	152.2	91.8	49.2
	3호	21.1	178.0	118.5	71.0	175.7	106.4	59.3	140.8	84.9	44.8
	4호	16.2	116.9	70.7	47.9	129.5	77.7	42.0	99.8	59.7	31.1

4. 결론 및 제언

발포 플라스틱류의 착화온도는 SIT가 410℃ - 510℃ 범위이고 FIT는 370℃ - 450℃ 범위에 있음을 알 수 있었다. 발포폴리스티렌 보드, 폴리우레탄 보드, 발포폴리에틸렌 시이트는 밀도에 따른 착화온도의 차이는 그다지 크지 않았다. 착화시간은 암면을 제외한 재료의 착화시간은 폴리에틸렌 시이트(1종, 비난연)가 가장 짧았으며, 폴리스틸렌 보드(압출법)이 가장 긴 것으로 나타났다. 일반적으로 밀도가 증가하면 착화시간은 길어지는 경향을 나타내었으며, heat flux의 크기가 증가하면 착화시간은 짧아지는 것으로 나타났다.

열방출율 특성은 최대 열방출율, 총방출율 및 평균 열방출율을 평가하였다. 열방출율은 밀도와 heat flux의 증가에 따라 증가하였다.  실험재료중 발포폴리에틸렌 시이트는 최대열방출율 및 평균열방출율이 가장 크게 나타났고, heat flux 및 밀도의 증가에 따른 최대 열방출율의 증가율도 가장 큰 것으로 나타났다. 또한, 발포 플라스틱류의 종류 및 heat flux의 크기에 따라서 착화성, 열방출특성 및 가스방출특성이 각기 다르기 때문에 추후 각국의 평가기준과 본 연구의 연구결과를 비교·검토하여 사용조건에 따른 재료의 연소특성을 적절하게 분류할 수 있는 평가기준을 정립하여야 할 것으로 사료된다

참고문헌

1. 한국건설기술연구원, 단열설계 및 시공가이드북, 통상산업부. pp157∼163,

1997.

2. Carlos J.Hilado, Flammability Handbook for plastics, 4th ed., pp111,

Technomic Publishing Co., Inc.

3. Andrew kim and Robert Onno, "A System to Evaluate Fire Hazards of

Materials Using a Small-Scale and Full-Scale Fire Test Methods,

Internal Report No.649, pp1∼3, NRCC, 1993.