ISO 5660-1에 따른 TCC 918 콘 열량계에서 고충진 PP 소재의 화재 거동

서론

폴리프로필렌(PP)은 경제적으로 중요할 뿐만 아니라 가공이 용이하여 다양한 용도로 사용되는 열가소성 수지입니다. 그러나 가연성이 상대적으로 높기 때문에, 높은 수준의 화재 안전성이 요구되는 분야에서의 사용은 제한적입니다.

화재 거동을 개선하기 위한 잘 확립된 전략 중 하나는 미네랄 충전재를 높은 비율로 사용하는 것입니다. 화재 발생 시, 이러한 충전재는 열 차단막 역할을 하여 열 방출을 줄이고 분해 과정을 늦추는 동시에 안정적인 잔류 구조의 형성에 기여할 수 있습니다.

본 애플리케이션 노트에서는 충전제 함량이 60%인 4종의 고충전 PP 소재를 검토한다. 한 소재는 기준 소재로 사용되며, 소재 1, 2, 3은 조성을 조정한 개질 변형체이다.

본 연구는 이러한 PP 시스템의 화재 및 연기 거동 차이를 체계적으로 정량화하고, 재료 개질이 점화 거동, 열 방출, 연기 발생 및 질량 손실에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 합니다.

측정 조건

본 실험은 ISO 5660-1 표준에 따라 TCC 918 콘 칼로리미터(그림 1)를 사용하여 수행되었다.

시편은 수평으로 배치되었으며, 50 kW/m²의 일정한 열유속 밀도에 노출되었습니다. 측정 중 다음과 같은 매개변수가 기록되었습니다:

• 점화까지의 시간(TOI)
• 최대 발열률(_HRRmax)
• 총 연기 방출량(TSR)
• 시간에 따른 질량 손실

주요 시험 매개변수는 표 1에 정리되어 있다.

표 1: 측정 조건

그림 2는 측정 전 시료 거치대에 놓인 시료들을 보여준다.

측정 조건

점화 거동

시험 대상 모든 소재는 약 21~25초라는 좁은 시간 범위 내에서 발화했다.

이처럼 매우 유사한 점화 시간은, 선택된 시험 조건 하에서 다양한 소재 개질이 PP 시스템의 초기 가열 및 분해 거동에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않음을 시사한다.

발열량

열^{방출률¹은} 물질의 화재 강도를 평가하는 데 있어 핵심적인 매개변수입니다. 이에 상응하는 HRR 곡선은 그림 3에 표시되어 있습니다.

^{1열방출률}(HRR): 연소 과정에서 단위 시간 및 단위 면적당 방출되는 에너지의 비율이다. 이는 화재 강도를 평가하는 데 있어 가장 중요한 매개변수 중 하나로 간주되며, 산소 소비 원리에 기반한 콘 열량계를 사용하여 측정된다.

기준 재료는 발열률에서 훨씬 더 뚜렷한 피크를 나타냅니다. 최대 발열률(_HRRmax)은 개질된 PP 변형체의 약 2배 수준입니다.

반면, 재료 1, 2, 3은_HRRmax 값이 현저히 낮았으며 전반적으로 더 균일한 화재 진행 양상을 보였습니다. 이는 개질된 재료 조성이 화재 초기 단계에서 화재 강도를 효과적으로 억제함을 시사합니다.

초기 최대치를 지나면, 서로 다른 재료의 발열 곡선은 수렴하는 경향을 보입니다. 이는 조성물이 서로 다르더라도, 조사된 재료들이 전반적으로 유사한 연소 거동을 보인다는 것을 시사합니다.

연기 발생

시험 대상 재료 변종들 간의 가장 큰 차이는 화재 발생 시 안전과 관련된 핵심 지표인 연기 발생량에서 나타납니다(그림 4 참조).

표준 소재는 총 연기 방출량이 가장 높습니다. 반면, 세 가지 개질 PP 변형 소재 모두 화재가 지속되는 동안 총 연기 방출량이 현저히 감소한 것으로 나타났습니다.

재료 1, 2, 3의 TSR² 값은 기준 재료의 값보다 현저히 낮습니다. 이는 재료의 조성에 특정 변경을 가함으로써 연기 발생을 줄일 수 있음을 보여줍니다.

이 결과는 고충진 PP 시스템의 점화 거동에 큰 영향을 미치지 않으면서도, 배합을 적절히 수정함으로써 연기 발생을 최적화할 수 있음을 보여줍니다.

^2TSR(Total Smoke Release, 총 연기 방출량): 시험 중 방출된 총 연기량으로, 화재 발생 전체 기간 동안의 연기 발생량을 정량적으로 평가하기 위한 핵심 지표이다.

질량 손실

그림 5에서 볼 수 있듯이, 상대적 질량 손실은 화재 노출 시 재료의 열적 열화 정도를 나타내는 지표입니다. 데이터를 백분율로 표기하면 시료의 초기 질량 차이가 미치는 영향을 보정할 수 있으며, 열화 곡선을 직접 비교할 수 있게 됩니다.

세 가지 개질 폴리프로필렌(PP) 소재(소재 1~3)는 매우 유사한 상대 질량 손실 곡선을 나타낸다. 세 가지 변형 소재 모두의 최대 질량 손실률은 약 8~9%이다.

반면, 표준 소재는 거의 12%에 달하는 현저히 높은 상대적 질량 손실을 나타낸다. 따라서 선정된 시험 조건 하에서, 이 소재는 개질된 PP 변형체들보다 더 큰 열분해를 겪는다.

개질 소재의 상대적 질량 손실이 낮은 것은 높은 광물성 충전재 함량과 일치하는데, 이는 폴리머 함량을 감소시켜 안정적인 잔류물 형성에 기여할 수 있습니다.

재료 1~3의 곡선이 유사한 것은 재료 조성을 개질함으로써 이러한 변형체들에서 비슷한 열분해 거동을 보인다는 것을 나타냅니다.

측정 후 시료의 상태

측정이 완료된 후, 시험된 모든 재료는 고충진 PP 시스템에서 흔히 볼 수 있듯이 상당한 잔류물이 형성된 것으로 나타났습니다(그림 6 참조).

표면 구조와 탄화 정도의 차이는 화재 초기 단계에서 관찰된 변화와 상관관계가 있습니다.

요약

고충진 폴리프로필렌(PP) 소재에 대한 조사 결과, 선정된 시험 조건 하에서 시험된 모든 시스템의 점화 시간은 비슷한 것으로 나타났습니다.

그러나 기준 소재는 최대 발열률(_HRRmax)이 개질 PP 변형 소재보다 약 2배 더 높은 것으로 나타나, 화재 강도가 더 높음을 시사합니다.

연기 발생의 차이는 특히 두드러집니다. 모든 개질 소재는 기준 시스템에 비해 총 연기 방출량(TSR)이 현저히 감소한 것으로 나타났습니다.

상대적 질량 손실도 개질된 PP 변형재의 경우 약 8~9%로, 표준 소재의 약 12%보다 낮아 소재의 열분해가 감소했음을 시사합니다.

이러한 결과는 재료 조성을 목표에 맞게 조정함으로써 고충진 PP 시스템의 최대 화재 강도, 연기 발생 및 재료 열분해를 줄일 수 있음을 보여줍니다.

콘 열량측정은 폴리머 소재의 화재 거동을 평가하는 가장 중요한 방법 중 하나로 간주됩니다. 이는 정의된 화재 조건 하에서 발열량, 연기 발생량 및 질량 손실과 같은 주요 매개변수를 동시에 측정하기 때문입니다.

NETZSCH TCC 918 는 이러한 재료 관련 차이를 특성화하는 데 있어 신뢰할 수 있고 재현성이 높은 수단을 제공합니다.