소개
단열재는 건축 산업에서 외관 건축에 중요한 역할을 합니다: 단열재는 실내와 실외 공간 사이의 열, 냉기, 소리, 경우에 따라서는 습기의 전달을 줄여줍니다. 이를 통해 건물의 에너지 소비를 줄이고 실내 기후를 보다 안정적으로 유지하며 생활의 쾌적성을 크게 높일 수 있습니다.
단열재는 어떤 용도로 사용되나요?
- 단열: 겨울철 열 손실을 최소화하고 여름철 과열을 방지합니다.
- 습기 보호: 특정 소재는 습기를 조절하고 결로 현상을 방지합니다.
- 방음: 단열재는 공기 중 소음과 충격음을 줄여줍니다.
- 화재 방지: 일부 단열재는 화재를 막거나 화재 확산을 지연시키는 역할을 합니다.
단열재는 건물의 에너지 효율, 소음 및 습기 차단, 화재 안전에 크게 기여합니다. 단열 성능 외에도 화재 확산, 연기 발생, 피난 안전에 큰 영향을 미치기 때문에 화재 거동은 점점 더 중요해지고 있습니다.
ISO 5660-1에 따른 TCC 918 콘 열량계(그림 1)는 정해진 열 영향 하에서 재료의 화재 거동을 정량적으로 평가하기 위해 확립된 시험 방법입니다.
이 애플리케이션 노트에서는 NETZSCH TCC 918 원뿔 열량계를 사용하여 다양한 단열재 변형을 테스트하고 비교합니다.
측정 조건
화재 거동을 조사하기 위해 다양한 제형과 색상(흰색, 빨간색, 세 가지 회색 음영)을 가진 다섯 가지 단열재를 TCC 918 콘 열량계에서 테스트했습니다.
이 장치는 열 방출률(HRR), 점화 시간(TOI), 총 연기 발생량(TSP) 등 다양한 파라미터를 기록합니다. 또한 화재 발생에 대한 예측도 가능합니다.
모든 테스트는 직접적이고 의미 있는 비교를 위해 ISO 5660-1에 따라 동일한 조건에서 수행되었습니다.
조사된 각 단열재(그림 2)는 개별 샘플을 사용하여 반복적으로 측정했습니다.
테스트 범위는 표 1에 자세히 나와 있으며 측정 조건은 표 2에 나와 있습니다. 다양한 단열재의 각 샘플은 동일한 조건에서 독립적으로 측정되었습니다.
실험실의 환경 조건은 대략 24~25°C의 온도와 22~23%의 상대 습도로 전체 테스트 시리즈 내내 안정적으로 유지되었습니다.
표 1: 테스트 샘플의 범위
| 제조업체 ID | 색상 | 측정된 샘플 수 |
|---|---|---|
| 샘플 W | 흰색 | 4 |
| 샘플 R | 빨간색 | 3 |
| 샘플 G4 | 회색1 | 3 |
| 샘플 G5 | gray2 | 3 |
| 샘플 G6 | gray2 | 3 |
표 2: 측정 조건
| 샘플 홀더 | 수평 |
| 열 흐름 | 25 kW/m2 |
| 공칭 유량 | 24.0 l/s |
| 콘 히터까지의 거리 | 25 mm |
측정 결과 및 비교 개요
이 섹션에 제시된 모든 결론은 측정된 개별 샘플의 결과만을 기반으로 합니다.
점화 거동
발화 시간(TOI1)은 재료가 정의된 수준의 열에 노출되었을 때 얼마나 빨리 발화하는지를 평가합니다. 샘플은 25kW/m²의 일정한 열 복사에 노출되었습니다. 조사 시작부터 화염이 처음 가시적으로 나타날 때까지의 시간을 점화 시간으로 정의합니다. 이 타임스탬프는 콘 열량계 소프트웨어의 평가에서 TOI 값으로 직접 표시됩니다.
점화 시간이 짧다는 것은 재료가 가연성이 높고 에너지를 흡수하고 빠르게 가열되어 기체 열분해 생성물이 조기에 점화된다는 것을 나타냅니다. 난연성이 높은 재료일수록 가열 및 열분해에 더 많은 에너지가 필요하므로 점화가 지연됩니다.
테스트한 모든 재료에서 점화 동작에 있어 명확하고 일관된 차이가 있었습니다. 그림 3에서 비교를 확인할 수 있습니다.
- 조사 대상 샘플 중 흰색 변종은 점화 시간이 가장 짧아 열 복사에 대한 저항이 가장 낮았습니다. 그 결과 평균 점화 시간은 414초입니다.
- 빨간색 변종은 평균 점화 저항이 가장 높아 흰색 변종보다는 늦게 점화되지만 회색 변종보다는 일찍 점화됩니다. 여기서 평균 점화 시간은 599초입니다.
- 회색 변형이 가장 긴 점화 시간을 일관되게 보여줍니다. 계산된 평균 점화 시간은 862초로, 적용된 열 흐름에 대한 저항이 증가했음을 나타냅니다.
즉, 회색 소재가 적용된 열 방사에 가장 높은 저항을 보인다는 것을 의미합니다.
1점화시간(TOI)은 재료에서 불꽃 연소가 얼마나 빨리 일어나는지를 정의합니다. (NTA_Cone_Calorimeter_en_web.pdf, 7페이지).
열 방출 인텐스티와 화재 발생
열 방출률(HRR2)은 화재 강도를 평가하는 데 사용되는 주요 매개변수 중 하나입니다. 이는 화재의 원동력으로 간주되며, HRR이 높을수록 가연성 및 잠재적 화재 위험이 커집니다.
최대 열 방출률(피크 HRR)은 재료가 가장 많은 열을 방출하는 순간을 나타내며, 이는 화재가 빠르고 강하게 확산되는 데 기여하므로 비상시 특히 위험합니다.
피크 HRR을 사용하면 서로 다른 재료와 제형 간에 명확하고 간단하게 비교할 수 있습니다.
그림 4~6은 다양한 단열재에 대한 열 방출률 측정 곡선을 보여줍니다.
2열방출률(HRR)은 재료가 연소하는 동안 단위 시간당 방출되는 열의 양을 측정한 값입니다. (NTA_Fire_Testing_Systems_en_web.pdf 6페이지)
표 3은 다양한 단열재의 최대 열 방출률(피크 HRR3)을 보여줍니다.
비교 가능성을 높이기 위해 각 단열재에 대한 평균 피크 HRR 값을 계산했습니다.
이 결과에서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다:
- 흰색 변형: 약 572kW/m² → 매우 높은 화재 강도
- 빨간색 변형: 약 306kW/m² → 평균에서 매우 높은 화재 강도
- 회색 변형: 약 289kW/m² → 평균 화재 강도
따라서 흰색 소재는 점화 후 가장 강렬한 열 방출을 보이는 반면, 회색 소재는 피크 HRR 값이 낮은 것이 특징입니다.
3Peak-HRR- 최대 열 방출률(NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)
표 3: 피크 HRR 비교
| 그룹 ID | 색상 | 피크-HRR 값(kW/m²) | 피크-HRR 범위(kW/m²) | 평균 피크-HRR(kW/m²) | 관측된 화재 강도 |
|---|---|---|---|---|---|
| 샘플 W | 흰색 | 496.2/548.3/596.9/647.4 | 496-647 | 572.2 | 매우 높음 |
| 샘플 R | red | 345,4 / 252,9 / 319,2 | 254-345 | 305.8 | 평균에서 높음 |
| 샘플 G4 | 회색1 | 301.1/282.6/294.8 | 283-301 | 292.8 | 평균 |
| 샘플 G5 | 회색2 | 283.1/309.4/ 295.6 | 283-309 | 269.0 | 평균 |
| 샘플 G6 | gray2 | 258.7/272.3/304.8 | 259-305 | 278.6 | 평균 |
화재 성장 강도
최대 평균 열 방출률(MARHE4)은 테스트 중 시간 평활화된 최대 열 방출량을 나타내므로 화재 성장 강도의 차이를 보여주며, 이를 통해 다양한 재료의 화재 거동을 비교할 수 있습니다.
그림 7은 흰색, 빨간색, 회색 등 색상별로 구분된 다양한 재료 샘플의 MARHE 값(최대 평균 열 방출률)을 보여줍니다. 값은 세로 막대로 표시되며 각 막대 아래에 해당 샘플 명칭이 표시됩니다. MARHE 값은 전체 화재 테스트 중 최대 평균 열 방출량을 나타냅니다.
4MARHE- 값(최대 평균 열 방출률)은 ISO 5660-1에 따라 콘 열량계로 테스트하는 동안 결정된 최대 열 방출률입니다.
해석
- 흰색 범주의 샘플은 주로 76.7kW/m²에서 90kW/m² 범위의 MARHE 값을 보여줍니다
- 몇몇 샘플은 80kW/m² 이상의 값을 나타내며, 그 중 두 개는 90kW/m²에 근접합니다.
→ 흰색 재료는 가장 높은 MARHE 값을 나타내며, 이는 가장 위험한 화재 거동을 나타내며, 높은 피크 HRR 값에 해당하고 빠른 화재 발생을 나타냅니다.
- 빨간색 범주의 샘플은 중간 범위에 있으며 상당한 편차를 보입니다: 값 56.5 kW/m², 37.7 kW/m², 57.6 kW/m².
→ 빨간색 샘플은 적당히 높은 화재 동작을 나타내며 샘플마다 약간의 차이가 있습니다.
- 회색 범주의 샘플은 대부분 MARHE 값이 가장 낮지만 두 개의 이상값도 있습니다.
- 주요 범위는 39~60kW/m²입니다.
→ 회색 샘플은 대부분 MARHE 값이 가장 낮으며, 화재 성장이 더 잘 제어되고 있음을 나타냅니다.
연기 발생
총 연기 발생량(TSP5)은 ISO 5660-1에 따라 콘 열량계 테스트 중에 방출되는 총 연기량을 나타내며 연기 거동을 평가하는 핵심 파라미터입니다.
총 연기 발생량은 제형에 따라 크게 다릅니다(그림 8~10).
- 모든 회색 재료는 약 25분 후에 최종 정점에 도달하여 1650m²에서 1950m² 사이의 일반적인 값을 제공합니다.
- 흰색 재료는 1450m²에서 1650m² 사이의 값으로 중간 정도의 총 연기 발생량을 보여줍니다. 최종 고원은 15분 후에 이미 도달합니다.
- 빨간색 변종은 테스트한 모든 재료 중 총 연기 발생량이 가장 낮습니다. 이 값은 18분 후 1290m²에서 1350m² 사이에서 정체기에 도달합니다.
5총연기 생성량(TSP)은 화재가 지속되는 동안 발생한 총 연기 양을 나타냅니다(ISO 5660-1에 따름)
요약
TCC 918 콘 열량계( TCC 918 )로 측정한 결과, 조사 대상 단열재의 화재 거동에 재현 가능한 차이가 명확하게 나타났습니다.
점화 시간, 열 방출 속도, 화재 성장 강도, 연기 발생과 같은 정량적 파라미터를 사용하여 가연성, 화재 역학 및 연기 거동을 명확하게 특성화하고 직접 비교할 수 있습니다.
결과는 다양한 재료 배합의 영향을 명확하게 보여주며 통제된 실험실 환경에서 재료 개발, 배합 최적화 및 벤치마킹을 위한 강력한 기반을 제공합니다.