서론
화재 시험은 재료와 시스템이 화재 상황에서 어떻게 반응하는지 평가함으로써, 인명 안전을 보장하고 법적 요건을 충족하며 잠재적인 재산 피해를 최소화하는 데 결정적인 역할을 합니다. 통제된 시험을 통해 제품이 열을 견딜 수 있는지, 화재 확산을 억제할 수 있는지, 그리고 비상 시 화재 경보 및 진압 시스템과 같은 중요한 건물 시스템이 안정적으로 작동하는지 여부를 검증합니다.
또한 화재 시험을 통해 국가 및 국제 화재 안전 표준 준수 여부를 확인하며, 이는 건축 허가 및 제품 인증을 위한 필수 전제 조건입니다. 동시에, 자재와 보호 시스템의 실제 성능을 평가하여 안전한 대피를 위한 충분한 시간을 확보하고 화재의 영향을 최소화할 수 있도록 합니다.
TCC 방법
고분자 기반 기준 물질을 조사하였다. 개발 프로젝트의 일환으로, 주요 화재 성능 매개변수에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해 특정 물질 변형을 가한 여러 가지 변형체를 제작하였다.
주요 초점은 기준 재료와 비교하여 화재 관련 매개변수가 어느 정도 변화하는지 파악하고, 이러한 매개변수 간의 상관관계를 규명하는 데 두었다.
실험적 조사에는 연소-화재-연기 통합 시험법( TCC 918, 그림 1)이 사용되었다. 이 방법을 통해 다음과 같은 여러 화재 관련 매개변수를 동시에 측정할 수 있다:
- 점화까지의 시간(TOI)
- 최대 발열률(HHRmax)
- 총 연기 방출량(TSR)
- 연소 중 질량 손실
따라서 콘 열량측정법은 정의되고 재현 가능한 화재 조건 하에서 고분자 기반 재료의 화재 거동을 종합적으로 특성화할 수 있게 해줍니다.
발열률의 측정은 산소 소비 원리에 기반하며, 방출된 열은 연소 가스의 측정된 산소 소비량으로부터 계산됩니다.
측정 조건
TCC 918 측정은 ISO 5660-1에 따라 NETZSCH 의 콘 칼로리미터(Cone Calorimeter)를 사용하여 수행되었습니다. 측정 매개변수는 표 1에 정리되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 시편 거치대 | 수평 |
| 열유량 | 50kW/m2 |
| 공칭 열유량 | 24.0 l/s |
| 원뿔형 히터까지의 거리 | 25 mm |
시편은 시편 거치대에 수평으로 배치된 후 50 kW/m²의 일정한 열유속 밀도를 가했다. 이 열 부하는 전형적인 화재 시나리오에 해당하므로, 화재 거동을 현실적으로 평가할 수 있다.
측정 과정에서 발열률, 연기 발생량 및 질량 손실이 지속적으로 기록되었다.
이번 일련의 시험에는 다음 재료들이 포함되었습니다:
- 표준 재료
- 개발 변형 A, B, C 및 D
모든 시편은 다음과 같은 기하학적 특성을 지닌 고분자 기반 재료였습니다:
- 면적: 100 x 100 mm
- 두께: 3.3–3.9 mm
- 질량: 53–62 g
모든 경우에서 재료의 기본 특성은 유사하지만, 각 변형체는 구체적으로 수정되었습니다. 그림 2는 측정 전 시료 홀더에 장착된 시료들의 모습을 보여줍니다.
측정 결과
점화 거동 – 개발 목표로서의 지연
측정된 점화까지의 시간(TOI1)은 69초에서 86초 사이였다.
86초를 기록한 변형 A는 점화까지 걸리는 시간이 가장 길었으며, 표준 소재는 시험 대상 소재 중 중간 범위에 속했다.
이 결과는 목표에 맞춘 개량을 통해 발화 저항성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 발화 시간이 길어질수록 동일한 열 부하 조건에서 재료가 자가 지속 연소 단계로 전환되는 시점이 늦어집니다.
1TOI(점화까지의 시간): 열 방출이 시작된 시점부터 시료가 점화될 때까지의 시간.
열 방출 – 표준이 여전히 기준이 된다
최대 발열 속도(HRRmax2)는 102~128kW/m² 사이였다(그림 3 참조).
표준 소재는 가장 낮은 최대 발열률을 보인 반면, 개발 변형 A부터 D까지는 이와 비슷하거나 약간 더 높은HRRmax 값을 나타냈다.
기준 소재에 비해 최대 발열률이 추가로 감소하는 현상은 관찰되지 않았습니다. 따라서 최대 발열량 측면에서 표준 소재는 여전히 벤치마크로 남아 있습니다.
점화 거동 및 최대 발열량 측면에서는 미미한 차이만 관찰되었으나, 연기 발생량에 대해서는 재료 간에 더 뚜렷한 차이가 나타났습니다.
2HRRmax: 최대 발열률; 시험 중 측정된 HRR의 최고값이며, 최대 화재 강도를 나타내는 매개변수입니다.
연기 발생 – 뚜렷한 차이
그림 4에서 볼 수 있듯이, 재료 간 가장 큰 차이는 연기 발생에서 뚜렷하게 나타납니다.
표준 재료는 총 연기 방출량(TSR3)이 가장 낮습니다. 변형 C는 연기 발생량이 가장 높은 반면, 변형 A, B 및 D는 중간 범위에 속합니다.
3TSR(총 연기 방출량): 시험 중 방출된 연기의 총량; 화재 발생 전체 기간 동안의 연기 발생량을 정량적으로 평가하기 위한 핵심 지표.
이러한 결과는 점화 시간과 같은 개별 매개변수를 개선한다고 해서 반드시 연기 발생이 줄어드는 것은 아니라는 점을 보여준다. 따라서 고분자 재료의 화재 거동은 다차원 최적화 문제로 볼 수 있으며, 이 경우 재료 조성의 변화가 점화 거동, 발열량 및 연기 발생에 각기 다른 영향을 미칠 수 있다.
질량 손실 – 유사한 분해 메커니즘
측정 중 발생한 상대적 질량 손실률은 14%에서 21% 사이였다(그림 5 참조). 결과를 상대적 질량 손실률로 표기함으로써 시료 질량의 미세한 차이에도 불구하고 열분해 양상을 직접 비교할 수 있다. 조사된 변종들 간에 재료 열분해의 시간적 경과에는 미미한 차이만 존재한다. 유사한 곡선 양상은 모든 재료가 유사한 방식으로 열분해 및 연소를 겪는다는 것을 시사한다. 표준 재료는 연소 초기 단계에서 질량 손실이 약간 더 낮았으나, 과정이 진행됨에 따라 곡선들은 수렴하는 양상을 보였다.
측정 후 시료 상태
측정이 완료된 후, 모든 시료에서 상당한 양의 잔류물이 형성된 것이 관찰되었다(그림 6). 잔류물의 구조, 완전성 및 표면 특성의 차이는 연소 프로파일에서 관찰된 변동과 상관관계가 있다.
요약
NETZSCH TCC 918 를 이용한 콘 열량 측정법은 발열량, 연기 발생량 및 질량 손실을 동시에 측정할 수 있어, 고분자 재료의 화재 거동을 평가하고 최적화하기 위한 포괄적인 실험적 근거를 제공합니다.
고분자 기반 기준 물질의 변형체를 조사한 결과, 개별 화재 관련 매개변수에서 상당한 차이가 드러났습니다.
시험된 재료 중 변형 A는 86초로 가장 긴 점화 시간을 기록하여 가장 높은 점화 저항성을 보였습니다.
그러나 표준 재료는HRRmax가 가장 낮기 때문에 최대 발열률에 있어서는 여전히 기준이 됩니다.
표준 재료는 또한 총 연기 방출량이 가장 적어 가장 유리한 연기 발생 특성을 보이는 반면, 변형 C는 가장 높은 연기 발생량을 보입니다.
모든 재료의 상대적 질량 손실은 14~11%의 유사한 범위에 속하며, 이는 열분해 메커니즘이 비슷함을 나타냅니다.
이 결과는 모든 화재 관련 매개변수를 동시에 최적화하는 것이 쉽지 않음을 보여줍니다. 개별 매개변수를 개선하면 다른 화재 성능 특성에도 변화가 동반될 수 있습니다.
콘 열량 측정을 통해 밀접하게 관련된 재료 조성 간에도 민감한 차별화가 가능합니다.