개질 PVC 소재의 연기 발생량을 TCC 918 원뿔 열량계로 비교 분석합니다

소개

폴리염화비닐(PVC)은 전기 케이블, 건축용 제품, 엔지니어링 플라스틱 부품 등 화재 안전 요건이 강화된 다양한 분야에 사용됩니다. 염소 함량이 높기 때문에 PVC는 다른 열가소성 플라스틱에 비해 열분해 시 잔류물 형성이 뚜렷하고 상대적으로 우수한 난연성을 나타냅니다.

하지만 화재 발생 시 연기가 발생하면 안전에 특히 문제가 됩니다. 짙은 연기는 시야를 크게 방해하고 대피 작업을 복잡하게 만들 수 있습니다.

또한 연기에 포함된 가스 및 미립자 분해 생성물은 사람과 구급대원에게 건강상의 위험을 초래할 수 있습니다.

특히 연기 발생을 줄이기 위해 PVC 소재의 구성을 세심하게 조정하는 경우가 많습니다.

ISO 5660-1에 따른 콘 열량 측정은 재료의 화재 거동을 정량적으로 평가하기 위해 확립된 방법 중 하나입니다. 화재 과정의 실험적 분석에 가장 의미 있는 실험실 방법 중 하나로 간주되는 이 방법은 정의된 열 흐름 조건에서 점화 거동, 열 방출, 연기 발생 및 질량 손실에 대한 재현 가능한 매개 변수를 제공합니다.

이 애플리케이션 노트에서는 네 가지 PVC 기반 재료에 대한 테스트 결과를 제시합니다. 하나의 샘플은 참고 자료로 사용되며, 변형 A, B, C는 연기 발생을 줄이기 위해 설계된 변형된 배합을 나타냅니다. 이 연구는 원뿔 열량계를 사용하여 동일한 테스트 조건에서 이러한 재료의 화재 및 연기 거동을 비교하는 것을 목표로 합니다.

측정 조건

테스트는 ISO 5660-1에 따라 NETZSCH TCC 918 콘 열량계(그림 1 참조)를 사용하여 수행되었습니다. 이는 정해진 열 흐름 조건에서 화재 거동에 대한 실험적 분석을 수행하기 위해 잘 확립된 테스트 장치입니다.

시편을 수평으로 배치하고 50kW/m²의 일정한 열 흐름 밀도를 적용했습니다. 측정하는 동안 열 방출률(HRR⁾¹, 질량 손실 및 연기 발생을 설명하는 파라미터, 특히 연기 생성률(SPR)과 총 연기 방출량(TSR)이 연속적으로 기록되었습니다.

주요 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

^1열방출률은 화재의 강도와 열이 방출되는 속도(kW/m²)를 측정한 값입니다.

표 1: 측정 조건

그림 2는 측정 전 시편 홀더에 있는 시편을 보여줍니다.

점화 거동 및 열 방출

테스트한 모든 재료는 약 16~20초의 시간 범위 내에서 발화했습니다. 이러한 점화 거동은 외부 열 흐름 밀도가 50kW/m²인 PVC 시스템에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다.

전반적으로 열 방출률은 적당한 수준을 유지했습니다(그림 3). 주요 차이점은 최대 열 방출률(_HRRmax)에서 분명하게 드러납니다. 레퍼런스 소재가 가장 높은 _HRRmax를 보이는 반면, 변형 A가 가장 낮습니다.

그러나 전반적으로 차이는 제한적이기 때문에 조사된 PVC 시스템의 기본 연소 거동은 비슷한 것으로 간주할 수 있습니다. 이는 재료 변형이 주로 연기 거동에 영향을 미치지만 기본적인 연소 과정은 크게 변하지 않았음을 시사합니다.

주요 차별화 파라미터로서의 연기 발생량

그림 4는 테스트한 재료 간에 가장 뚜렷한 차이가 연기 발생량에서 분명하게 드러납니다.

레퍼런스 소재(검은색 곡선)가 가장 높은 총 연기 방출량(^TSR2)을 보이는 반면, 특히 변형 소재(녹색 곡선)는 연기 방출량이 현저히 낮습니다. 레퍼런스 소재에 비해 총 연기 방출량이 최대 약 43%까지 감소합니다.

연기 방출이 감소하면 화재 발생 시 가시성이 향상되어 대피 및 비상 대응이 용이해집니다. 실제 화재 시나리오에서 연기 발생을 줄이면 중요한 가시성 조건을 더 오래 유지할 수 있으므로 대피할 수 있는 시간이 늘어납니다.

총 연기 방출량과 더불어 연기 발생률(SPR)은 화재가 발생하는 동안 연기가 얼마나 빨리 방출되는지를 나타냅니다. 이 매개변수는 화재 발생 시 시야 확보에 치명적인 상황이 얼마나 빨리 발생할 수 있는지에 영향을 미치기 때문에 안전과 관련이 있습니다.

비슷한 점화 시간과 비슷한 열 방출 속도에도 불구하고 두 재료는 연기 거동에서 큰 차이를 보였습니다. 이 결과는 표적 소재를 변경하면 PVC 시스템의 근본적인 연소 거동을 크게 변경하지 않고도 연기 방출을 크게 줄일 수 있음을 보여줍니다.

^2TSR(총 연기 방출량)은 연소 중에 발생하는 누적 연기 양을 의미하며 부게르-램버트의 법칙에 따라 빛 감쇠를 기준으로 평가한 레이저 광 투과율 측정값에서 도출됩니다.

질량 손실

상대 질량 손실은 화재에 노출되는 동안 재료의 열 분해를 설명하며 분해 거동에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.

기준 재료는 23.95 %로 가장 높은 상대 질량 손실을 나타냅니다. 반면, 변형 A부터 C까지는 약 16.45%로 매우 유사한 값을 보여줍니다(그림 5).

질량 손실 곡선의 시간 의존적 쿠아레는 일반적으로 비슷하며, 이는 재료가 비슷한 방식으로 열 분해를 겪는다는 것을 시사합니다. 그러나 변형된 변종의 질량 손실이 낮다는 것은 연소 중에 잔류물이 더 많이 형성된다는 것을 나타냅니다.

잔류물 형성이 증가하면 휘발성 열분해 생성물의 양이 감소하여 연기 발생에 영향을 미칠 수 있습니다. 뚜렷한 잔류물 형성은 PVC 시스템의 특징이며 화재 노출 중 무기 성분 및 탄화 과정과 관련이 있는 경우가 많습니다.

측정 후 시료의 상태

측정이 완료된 후 샘플은 남은 잔류물의 구조와 안정성에서 뚜렷한 차이를 보였습니다(그림 6 참조). 모든 재료에서 특징적인 탄화 현상이 나타났지만, 잔류물의 정도와 표면 구조는 기준 재료와 변형된 변형 재료 간에 차이가 있었습니다.

이러한 차이는 이전에 관찰된 재료 열화 및 연기 방출의 변화를 반영합니다. 특히, 변형된 변종은 때때로 더 조밀한 잔류물 구조를 나타내어 화재 노출 시 열분해가 변화하고 남은 물질이 더 안정화되었음을 나타낼 수 있습니다. 이러한 관찰 결과는 앞서 논의한 질량 손실 및 연기 방출의 차이와 일치합니다.

요약

콘 열량 측정 결과, 조사 대상 PVC 소재의 연기 거동에는 상당한 차이가 있는 것으로 나타났지만, 점화 거동과 열 방출 속도는 동일한 테스트 조건에서 대체로 비슷한 수준을 유지했습니다. 모든 재료는 약 16~20초의 시간 범위 내에서 발화했으며 중간 정도의 열 방출 속도를 보였습니다.

테스트한 재료들 간에 가장 큰 차이는 연기 발생에서 관찰되었습니다. 특히, 변형 B는 총 연기 방출량이 크게 감소하여 기준 재료에 비해 최대 43%까지 감소한 것으로 나타났습니다. 연기 방출이 감소하면 화재 발생 시 가시성이 향상되어 대피 절차 및 응급 요원의 작업을 용이하게 할 수 있습니다.

또한 변형된 변종은 기준 재료보다 질량 손실 값이 더 낮았습니다. 이는 연소 중 잔류물 형성이 증가하여 휘발성 분해 생성물의 방출이 감소하여 연기 발생이 감소했음을 나타냅니다.

이러한 결과는 재료 구성에 대한 목표 조정이 PVC 시스템의 화재 및 연기 거동에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다. 콘 열량계를 사용하면 정의된 테스트 조건에서 주요 화재 매개 변수를 재현 가능하고 정량적으로 특성화할 수 있습니다.

따라서 NETZSCH 콘 열량계 TCC 918 는 다양한 재료 배합의 비교 평가를 위한 강력한 방법을 제공하며 폴리머 재료의 화재 및 연기 거동을 최적화하는 것을 목표로 하는 개발 프로세스를 지원합니다.