A Study on the Combustion Characteristics of Phenol Foam

페놀 폼의 연소특성에 관한 연구

A Study on the Combustion Characteristics of Phenol Foam

박형주

(2010. 1. 11 ^접수/2010. 2. 10 ^채택)

요 약

외부복사열원

(20, 25, 35, 50, 70kW/m

)

/

특성을분석하였다

.

KS M ISO 4589-2

,

,

임계열속

,

ISO 5660-1

mass loss calorimeter

.

연구결과

,

28.99kW/m

,

0.56~1.77g/m

s

,

45.1%

.

.

ABSTRACT

The combustion characteristics of phenol foam were analysed using variable external irradiation level (20, 25, 35, 50, and 70 kW/m

) and in the mixture gas of oxygen/nitrogen. The oxygen index were carried out from the oxygen index tester (KS M ISO 4589-2) and ignition time, critical heat flux, and mass loss rate were carried out from the mass loss calorimeter (ISO 5660-1). As the results of this study, the critical heat flux and average mass loss rate were 28.99 kW/m

and 0.56~1.77 g/m

s respectively at the variable external irradiation level. And the limited oxygen index were 45.1% in mixture gas of oxygen/nitrogen. In conclusion, we knew that phenol foam had the best performance than other foam materials in fire safety from all data of this study.

Key words :

Phenol foam, Critical heat flux, Ignition time, Mass loss rate, Limited oxygen index

1. 서 론

발포체를이용한단열재료는폴리스티로폼(PS), 폴리

우레탄(PU) 및에폭시 수지 단열재가 대부분이며, 이

들단열재의기재는 열에약한열가소성수지로 이루 어져있어화재에취약한특징을지니고있다. 이와같 이건축용 단열재로사용된 폴리스티로폼과우레탄폼 단열재와각종구조물의성형재료가가연성재료로이 루어짐에따라국내·외적으로빈번하게발생하고있 는화재에 의해인명피해가매우 크게발생하는등의 문제점이 있다. 이러한 문제점을극복하기 위해 많은 연구와 대체소재의 개발이진행되고는 있으나 아직까 지불연성능및난연성능을만족하는단열재는개발되

지않고있다. 최근에는별도의난연제를첨가하지않 아도자체적인난연성을가지고있는고분자의사용과 이와관련된연구가활발히진행되고있다. 이중에서 도열경화성수지로서 내열성이우수하며자기소화온 도가 480^oC로 매우 높은 페놀수지(phenol resin)를 이 용한대체소재의 개발이 국내·외적으로진행되고 있 다. 페놀수지는연소시분해가스로이산화탄소(CO²)와 물(H2O)이주생성물로서연기발생량이적고독성가 스의발생량이적어발포폼형태의제품으로개발및 생산이진행되고 있다.¹⁾

일정비율의 페놀수지에 정포제, 가소제, 발포제, 계 면활성제, 경화제, 난연제등을첨가하여발포시킴으로 써얻어지는페놀수지발포체는여러유기수지발포체 중에서특히난연성, 내열성, 저발연성, 치수안정성, 우 수한가공성및높은단열성등을가지고있기때문에

E-mail: [email protected]

각종건축용 내·외장재의건축재료나공업용 단열소 재, ^{철도차량이나항공기등의구조재료로도활용되고}

있어그응용범위가매우넓다고할수있다.^1,2)

본연구에서는페놀폼에대한 mass loss calorimeter

를이용한일정한외부복사열원이존재하는상태에서 의 착화시간(ignition time), 임계열유속(critical heat flux), 질량감소속도(mass loss rate)의 측정과 oxygen index tester를이용한산소지수(oxygen index) 등의연 소특성을측정하고자하였으며, 이들측정결과와다른 발포폼과의 연소특성을비교·검토하고자하였다.

2. 실 험

2.1실험시료

시료는 샌드위치 패널 또는 냉·공조 설비의 덕트 용보드로사용되고있는페놀폼단열재로국내 D업

체에서양산판매중인밀도 40kg/m³, 두께 50mm의레

졸형페놀수지를발포성형한페놀폼을사용하였다. 2.2실험장치및방법

2.2.1 Mass loss calorimeter^3-5)

일정한 heat flux(20~70kW/m²)에서페놀 폼 보드의

착화시간(ignition time), 질량감소속도(mass loss rate),

임계열유속(critical heat flux) 등의연소특성을측정하기 위해 ISO 5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을만 족하는 mass loss calorimeter(FTT 사)를사용하였다.

Mass loss calorimeter를이용한 연소특성측정은먼

저 시료를 100mm × 100mm × 50mm의 크기로 절단하

여온도 23 ± 2^oC, 상대습도 50 ± 5% 상태에서전처리

시킨 후 시험전 크기와 무게를 측정하고 두께 0.03~

0.05mm 알루미늄 호일의반짝거리는 면이시편를 향

하도록 비노출면을감싼뒤사용하였다.

준비된 시편과시편홀더는 cone heater의바닥면과

시편의상부표면사이거리를 25.0mm(약 1inch)가되

도록 load cell 장치위에수평방향으로설치하고 20, 25,

35, 50, 70kW/m²의복사열에 300s 동안노출시켰을때

의착화시간(ignition time)과중량감소율(mass loss rate)

을 측정하였다. 시편에 대한 착화는 cone heater 하부 와시편상부의 중간위치에서점화 스파크를이용하 여 실시하였으며, 실험횟수는 3회실시하고 그결과 를기록하였으며 3^{회의 실험을통해 얻어진측정값을}

평균해서사용하였다. 실험시간동안시편의중량변화

는매 1초간격으로 load cell을이용하여 측정하였다.

이때 각종 data는 data logger를이용하여 computer에 자동으로저장된다.

질량감소율은 ISO 5660-1:2002(E) “Reaction-to-fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1 : Heat release rate(cone calorimeter method)”의 12.5 mass loss rate를구하는다음식(1)~(5)

을이용하였으며, 시간간격은 3초간격으로하여 계 산하였다.

(1) (2) (3)

(4)

(5) 2.2.2 ^산소지수(Oxygen index)

상온에서페놀폼보드의산소지수(oxygen index)를

측정하기위해 ASTM D 2863, ISO 4589-2, KS M ISO

4589-2의 시험기준을 만족하는 oxygen index tester

2005(FESTEC ^사)^{를사용하였다}.

Oxygen index tester 2005를이용한산소지수측정은

KS M ISO 4589-2:2006(^{산소지수에의한연소거동의}

측정 - 제2부 상온시험법)의시험방법에 따라 실시하

였으며시편의크기는시료를 120mm × 10mm × 10mm

로절단한후사용하였다.

3. 결과 및 고찰

페놀폼에대한 mass loss calorimeter를이용한착화

시간, ^{임계열유속}, ^{질량감소속도 측정과} oxygen index

tester를이용한산소지수를측정한결과는다음과같다.

3.1착화시간(Ignition time)

외부복사열의 변화에 따른착화시간과 1/sqrt(t^ig)^은

Table 1에 나타내었다. 착화시간은 cone heater로부터

방출되는각외부복사열의단계에서점화스파크에의 해시료표면에서유염착화가 발생할 때까지의시간 으로 3^{회의 측정 결과이며}, 1/sqrt(t^ig)^{은측정된 각 착}

화시간으로부터임계열유속을예측하기위해착화시간

− [ ]m·i=0 = 25m^{0 −} 48m1 + 36m2 − 16m3 − 3m4

12∆t

---

− [ ]m·i=1 = 3m⁰ + 10m1 − 18m2 + 6m3 − m4

12∆t

---

− ^{[ ]}m·ⁱ = ⁻ mi−2 + 8mi−1 − 8mi+1 + mi+2

12∆t

---

− [ ]m·i = n−1

= ⁻ 3mn − 10mn−1 + 18mn−2 − 6mn−3 + mn−4

12∆t

---

− [ ]m·i=n

= ⁻ 25mn + 48mn−1 − 36mn−2 + 16mn−3 − 3mn−4

12∆t

---

에대한제곱근의역수로계산된결과이다.

Table 1^{에나타낸바와같이각단계별외부복사열}

원에 5분간노출시킨동안 35kW/m²의미만의외부복

사열에서육안으로관찰할만한유염착화가발생하지 않았다. 이결과는 박⁶⁾의 “복사열을이용한 샌드위치 패널심재의연소특성분석”의연구결과인난연처리된

EPS(Expandable Polystyrene)의 15~17kW/m²미만의외 부복사열에서 착화가발생하지않은결과에 비해약

2배 정도 높게 측정된 것으로 외부 복사열속에 대한 열안정성이매우높다는 것을알수있다.

Figure 1은외부 복사열의 변화와 측정된 착화시간

과의관계를나타낸그래프로착화시간은외부복사열 이임계열유속에가까워질수록무한대(∞)로접근하고,

외부복사열이임계열유속보다무한이 커질경우 0으 로접근함을알수있다. ^즉, ^식 (6)^로부터 -> ^일

때 t^ig -> ∞이고, ≫ 일때 t^ig -> 0으로수렴함 을알수있다.

(6)

3.2임계열유속(Critical heat flux)

임계열유속은 외부복사열에노출된 시료가착화하 는데 필요한 최소 복사열을 의미하는 것으로 착화될 때의가장낮은복사열과착화되지 않는가장높은복 사열의 사이에서 실험적으로 열유속을얻을 수있다.

또한각외부복사열에따른 착화시간의제곱근의역

수(1/sqrt(t^ig))와의관계그래프에서 직선의절편으로부

터예측할수있다. ^결국, ^{본연구에서는임계열유속을}

식(6)로부터 유도된 다음 식(7)~(9)와 착화시간으로부

터예측하였다.

(7)

(8)

intercept =−slope( ) (9)

Figure 2는모든외부복사열을통한직선의회귀선

을 갖는 페놀 폼에 대한 외부 복사열의변화에 따른

q·i'' q·cr''

q·i'' q·cr''

tig = 43---k^ρc 12--- T ^{− β} − β^ig_ig ( ^{ig −} T0)²

q·^''( )tig

[ ]²

---

1tig

--- = q·( i'' − q·cr'') 1 43---^κρc 12--- ^{− β − βig}ig

--- 1 Tig − T0

( )

---

slope = 1

43---^κρc 12--- ^{− β} − β^igig

--- 1 Tig − T0

( )

---.

q·cr

Table 1.

Time to Ignition of Phenol Foam

Heat Flux (kW/m

) Time to Ignition (s) 1/sqrt (t

)

20 Non-ignition -

25 Non-ignition -

35 21.12 0.2176

31.02 0.1795

35.27 0.1684

50

0.3904

10.05 0.3154

09.65

0.3219

70

0.8138

00.99

1.0050

0.9535

Figure 1.

Ignition time vs. incident heat flux for phenol

foam and EPS-Type C.

Linear regression analysis of ignition time

according to incident heat flux.

1/ 을나타낸것으로 각직선의 절편즉, 직선과 x

축이 만나는 점이 각 시료에 있어서의 임계열유속이

된다. 식(9)와 Figure 2로부터 예측된 페놀폼의 임계

열유속은 28.99kW/m^{2으로예측되었다}.

이 결과는 박⁶⁾의 “복사열을이용한 샌드위치 패널 심재의연소특성분석”의연구결과인난연처리된 EPS (Expandable Polystyrene)의 Type C의예측된임계열유

속인 11.39kW/m²보다약 2.5배정도높은것으로화

재안정성이우수하다고할수있다. 3.3질량감소속도(Mass loss rate)

페놀 폼에 대해 mass loss calorimeter를 이용하여

20kW/m², 25kW/m², 35kW/m², 50kW/m², 70kW/m²의

tig

Figure 3.

Mass loss rate profile during the combustion at 20kW/m

.

Figure 4.

Mass loss rate profile during the combustion at

25kW/m

.

Mass loss rate profile during the combustion at

50 and 70kW/m

.

Figure 5.

Mass loss rate profile during the combustion at 35kW/m

.

복사열에서 300s 동안노출시켰을때매 1초간격으로 측정된중량변화를식(1)~(5)을이용하여 mass loss rate

를계산하였다.

Figure 3~6에외부복사열량의변화에따른페놀폼

과 EPS-Type C에대한시간변화에 따른질량감소 곡

선을, Table 2에는 페놀 폼의 총질량감소(total mass

loss), 평균질량감소속도(average mass loss rate), 최대 질량감소속도(maximum mass loss rate)를나타내었다.

총질량감소는 실험전후의 무게변화를 나타낸 것이며,

평균질량감소속도는총질량감소을실험시간 300s로나 눈값을나타낸것이다.

페놀폼과 EPS-Type C의질량감소곡선을살펴보면

EPS의경우 연소초기 시표표면에 유염착화가 발생한

후급격한질량감소속도를보이다가화염이안정화되 면서 감소하는경향을 보이고있으며 외부복사열량이 증가함에 따라 전체적으로 질량감소속도가 증가하는 경향을 나타낸 반면에페놀폼의 경우연소초기유염 착화발생후와화염이안정화된후의질량감소속도에 있어서큰변화없이진행되었으며, ^{외부복사열량이증}

가하더라도 질량감소속도의급격한 증가현상은 보이 지않았다. 이결과로부터페놀폼의경우질량감소속 도가 낮다는것은물질 자체의연소성이낮다는 의미 로샌드위치패널또는 보드용으로사용되는 다른유 기물단열재에비해화재안정성이높다고할수있다.

Figure 7^{은외부복사열량의변화에따른페놀폼과}

EPS-Type C에서발생한단위면적당평균질량감소속도

를나타낸 그래프로외부 복사열량의증가에 따라평 균질량감소속도가증가함을알수있다. ^{페놀폼의경}

우박⁴⁾의 “EPS 샌드위치패널 심재의열방출율에 관

한연구”의연구결과인난연처리된 EPS-Type C에비

해약 60~80% 수준으로연소성이낮음을 알수있다.

또한외부복사열량이증가함에따른최대질량감소속 도에있어서도급격한변화없이증가함을알수있다.

이는열경화성물질인페놀수지가탄화되면서단열성 의 탄화층을 형성함에 따라 심재 내부로의 열전달이 잘이루어지않았기 때문인것으로 판단된다.

3.4산소지수(Oxygen index)

산소지수(oxygen index)는 산소와 질소의 혼합기체

분위기에서연소되기 위해필요한 산소농도를의미하 고, 한계산소지수(limited oxygen index)는식(10)을이 용하여측정할수있으며산소-질소혼합공기분위기 에서가연성 물질이착화후 3분간꺼지지않고 타는 데필요한 최소한의산소부피퍼센트를말한다. 따라 서가연성 물질의 산소지수와한계산소지수가높을수 록난연성이우수하다고할수있다.^7,8)

OI = C^F+ k^·d (10)

여기서, C^F: 최종 test시산소농도 여기서, k: 딕슨의지수

여기서, d: 실험과정산소농도의 step size(보통 0.2%)

Figure 8은 KS M ISO-4589-2의 상온 시험법과 식

(10)^{을이용하여측정된국내산페놀폼의경우} 45.1%

로가장 높은 값을 나타내었으며, 일본에서 시판되고

있는페놀폼보드의경우 34.0%, ^{그리고국내산난연}

Table 2.

Mass Loss Rate of Phenol Foam and EPS-Type C

at Incident Heat Flux

Sample Type

Heat Flux (kW/m

)

Total Loss (g) Mass

Average Mass Loss Rate (g/m

s)

Maximum Mass Loss Rate (g/m

s) Phenol

Foam

20 1.68 0.56 1.06

25 2.99 1.00 1.79

35 4.30 1.43 2.16

50 5.32 1.77 2.61

70 6.71 2.24 3.79

Type C EPS-

20 2.78 0.90 3.70

25 4.15 1.40 4.20

35 5.75 1.900 7.30

50 6.75 2.3 12.800

Figure 7.

Average mass loss rate vs. incident heat flux for

phenol foam and EPS-Type C.

Limited oxygen index of the samples.

우레판 폼의 경우 26.1%로가장 낮은값을 나타내었 다. ^{따라서이연구결과로부터 페놀폼의난연성이난}

연우레탄 폼에비해아주 우수하여임계열유속과질 량감소속도측정의결과와같이화재안정성이높다고 할수있다.

4. 결 론

페놀폼에대한외부복사열원에서의착화시간, 임계 열유속, ^{질량감소속도를측정과산소}/^{질소혼합가스내}

에서의한계산소농도를측정한결과다음과같은결론 을얻었다.

1) 외부복사열과 착화시간의 제곱근의 역수와의 관 계그래프로부터예측된임계열유속은 28.99kW/m²로 난연처리된 EPS-Type C의 11.39kW/m²에비해약 2.5

정도높은값을나타내었다.

2) 산소/공기의혼합가스분위기에서측정된페놀폼 의한계산소농도(LOI)는 45.1%로난연우레탄의 26.1%

에비해아주우수한난연성을나타내었다.

3) 난연처리된 EPS-Type C와의착화시간비교에있 어서같은외부복사열속에서약 4배정도긴착화시간 을나타내었다.

4) 외부복사열에서의평균질량감소속도는 0.56~ 1.77g/

m²s로난연처리된 EPS-Type C의 0.9~2.3g/m²s에비해 낮은값을나타내었다.

5) 모든연구결과를종합한결과페놀폼이다른발 포물질에비해아주우수한화재안정성을나타낸다는 것을알수있었다.

감사의 글

본연구는 2009년호원대학교교내학술연구비지원

에의하여수행하였으며이에 감사드립니다. 참고문헌

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