A Study on the Fire Risk of Car Interior Materials

자동차 내장재의 화재위험성에 관한 연구

A Study on the Fire Risk of Car Interior Materials

이해평·김영탁*

^†

Hae-Pyeong Lee · Young-Tak Kim

^*†

강원대학교 소방방재학부

, *

강원대학교산업과학대학원

(2010. 1. 27.

^접수

/2010. 4. 9.

^채택

)

요 약

본연구에서는자동차내장재에적용되고있는플라스틱합성물질의화재위험성을알아보기위하여콘 칼로리미터를이용한열방출특성

,

^{연기밀도시험기를이용한연기발생특성및독성지수시험기를이용한유}

독성을측정하였다

.

자동차내장재를구성하고있는주요부위별로

3

종류씩총

12

개의시편을준비하여 실험하였다

.

콘칼로리미터실험결과

, PVC sheet

및

PVC leather

가약

2

초의가장빠른착화시간을보였 으며

, 12

개의시편중

8

개의시편이

10

초이내의착화시간을나타냈다

.

최대열방출률은

232~635kW/m

²

정도로서나일론과

PE

^{로구성된플로우매트가}

635kW/m

^{2의가장큰최대열방출률을보였다}

. Rubber

^로

구성된보조매트는최대열방출률은가장낮았지만총열방출은가장큰값을보였다

.

연기밀도시험기실험 결과

, rubber

로구성된보조매트는약

924

의가장큰연기밀도값을보였으며

,

초기연기발생량을확인할 수있는

VOF4

값은

PVC leather

로구성된시트가가장큰값을나타냈다

.

독성지수시험기실험결과

,

대 부분의시편에서이산화탄소의치사농도를초과하였고

, PVC

^{를포함하고있는시편에서염화수소및브롬}

화수소의검출수치가비교적높게나타났으며

,

치사농도를초과하였다

. 13

가지특정가스의치사농도와발 생농도를이용한독성지수는

PVC sheet

가상대적으로가장높은것으로나타났으며

,

모든시편의독성지 수

1

을초과하는결과를보였다

.

ABSTRACT

In this study, we have performed several tests for composite plastic materials to be applied on inte- rior materials of a vehicle to identify their combustion characteristics using cone calorimeter, smoke density chamber and toxicity index chamber. We have prepared a total of 12 samples for 4 major parts of a vehicle wherein each major part has 3 different materials. The results of cone calorimeter test showed ignition time of PVC sheet and PVC leather were 2s. The 8 samples showed under less than 10s of ignition time. The sample comprising Nylon and PE had the biggest maximum heat release rate of 635 kW/m

²

. The sample comprising Rubber showed the smallest maximum heat release rate but with the biggest total heat release. The results of smoke density chamber test showed the sample that is made up with Rubber had the biggest specific optical smoke density. The sample comprising PVC leather and PUR showed the biggest VOF4 which enables the initial smoke production. The results of toxicity index test showed that all samples contained carbon dioxide content exceeding its lethal concentration. The sample comprising PVC showed high content of hydrogen chloride and hydrogen bromide. The PVC sheet showed the biggest toxicity index calculated by using lethal con- centration and test results. Toxicity index of all sample wes over 1.

Key words :

Heat release rate, Smoke density, VOF4, Toxicity index

†

E-mail: [email protected]

1. 서 론

1.1연구의목적

자동차내장재의화재안전기준은국내뿐만아니라국 외에서도

Federal Motor Vehicle Safety Standard, Part 302(FMVSS 302)

규격¹⁾에따라

38mm

단일불꽃에의 한 수평화염전파특성만으로 제한되어 있으며

,

각국의 자동차제조사별로기준을정하고는있지만모두

FMVSS 302

시험기준을 적용하고 있다

.

²⁾ 건축물내부마감재료 나 철도차량내장재의 화재안전기준에는 재료에 대한 열방출특성

,

유독성특성

,

연기발생특성등다양한화재 요소들이동시에적용되고있다

.

^3,4)화재의위험성은화 재에 노출되었을때의착화성

,

열방출률

,

화재의 전파 및 연소가스의유해성 등으로 평가할 수있다

.

⁵⁾ 이러 한사실들을바탕으로자동차 내장재역시 주요화재 위험성 요소들을 활용한 화재안전기준 강화가 필요한 것으로 판단된다

.

따라서 본 연구에서는 화재의 주요 요소들인열방출특성

,

연기발생특성그리고유독성분 석을 통해 자동차 내장재의 화재 위험성을 인지하고 화재안전기준강화확립의기초자료로활용하고자한다

.

2. 실험재료 및 방법

2.1실험재료

본연구에 사용된실험재료인 자동차내장재는승용 차량을대상으로자동차내부를구성하고있는주요부 분인플로우매트

,

보조매트

,

헤드라이닝그리고시트로 크게

4

가지로분류하였으며

,

각각가장보편적으로사

용되고있는구성성분별

3

개씩을준비하였다

. Table 1

에시편들의정보를 제시하였다

.

2.2실험방법

2.2.1

콘칼로리미터실험

본연구에서는열방출특성을 분석하기위해서 영국

FTT

사의콘칼로리미터

(Dual Cone Calorimeter)

를사용 하였다

.

^{콘칼로리미터 실험장치는 복사열을 발생하는}

콘히터

,

복사열을측정하는열유량계

,

시편의질량감소 측정장치

,

가스

(O

2

, CO

2

, CO)

분석장치

,

유량계를 포 함한배출시스템등으로구성되어있다

.

실험순서는각각의계측장치의영점및기준점교정 을실시하고실험에 사용할 유량

(0.024m

³

/s ± 0.002m

³

/

s)

을조절한다

.

실험장치전체에대한 이상유무 확인

을위해서 열량을알고 있는교정가스

(CH

⁴

)

를이용하 여오리피스상수 교정을수행한다

.

최종적으로실험에 사용할복사열을열유량계를이용하여측정한다

.

불완 전연소로 인해 발생하는

CO

2의발생또한 가스분석 기로분석하여열방출률데이터에적용하였다

.

또한열 분해로인해발생하는가연성가스의착화를도와주기 위해서점화장치를 사용하였다

.

실험이 시작된 다음

, 1

분간은 시편없이 기준 데이 터를수집한후

,

준비된시편으로실험을진행한다

.

모 든실험은

ISO 5660-1

규격⁶⁾에따라진행하였으며

,

총 시험시간은 최대열방출률을확인할 수있고

,

모든 연 소가 종료된 시점까지수행하였다

.

또한시간의 정도 에 영향을 받는 데이터인 총열방출의 상대적 비교를 위해서데이터 계산시간을

5

분또는

10

분으로통일시 Table 1.

Car Interior Materials Specimen Descriptions

Samples Symbols Components Thickness (mm) Density (kg/m

³

)

Auxiliary Mat A1 Rubber 6 1,498.72

A2 PE + PVC 6 1,463.92

A3 PVC 6 1,576.57

Floor Mat B1 PA + PE 6 1,164.39

B2 Nylon + PE 6 1,021.38

B3 Nylon + PE + EVA 6 1,110.63

Headlining C1 PET + Paper 8 143.29

C2 PE + PUR 8 159.39

C3 PA + PUR 8 168.79

Seat D1 Fabric + PUR 8 63.19

D2 PVC sheet + PUR 8 69.97

D3 PVC leather + PUR 8 72.67

열방출률

(Heat release rate; HRR, kW/m

²

)

^{은 화재가}

발생했을 경우

,

화재의 성장과 전파에 직접적인 영향 을미치고 있어화재안전측면에서매우중요한 요소 로인식되고있다

.

⁵⁾산소

1kg

이연소되면

13.1MJ

의열 량이발생한다는기본원리로부터열방출률이측정되며

,

⁶⁾

착화시간

(time to ignition; TTI, s),

최대열방출률

(peak heat release rate; peak HRR, kW/m

²

),

열방출률의누적 값인총열방출

(total heat release rate; THR, MJ/m

²

)

그 리고 시간에 대한평균열방출률의최대값인최대평균 열방출률

(maximum average rate of heat emission;

MARHE, kW/m

²

)

을 측정하였다

.

최대평균열방출률은

장비의 노이즈에영향을 많이받지않는것으로 보고 되어있으며⁴⁾유럽의철도차량내장재의화재안전기준 에채택되어있는화재안전주요 인자이다

.

2.2.2

연기밀도 실험

연기밀도는 일정한부피의 공간에서시험체의연소 로 발생되는 연기의 전체 발생량에 대한 결과값이다

.

연기발생특성을 고찰하기위해서 영국

FTT

사의 연기 밀도시험기

(SDC)

를 사용하였다

.

연기밀도 실험장치는 광원 발광부 및 수광부

,

압력저하장치 그리고 복사열 을 발생하는 콘히터

,

복사열을측정하는 열유량계등 으로구성되어있다

.

실험순서는 시험챔버의 누수현상을확인하기위해

서기밀시험

(leak test)

을수행하고

,

광원교정을 위해서

영점과기준점을 측정한다

.

마지막으로실험에 사용할 복사열을열유량계를이용하여측정하고실험을진행한다

.

모든실험은

ISO 5659-2

⁷⁾ 규격을따랐으며

,

최대연

기밀도값을확인할수있는시간동안시험을진행하였 다

.

시험에사용된복사열원은

25kW/m

²이며

,

복사열원

외추가적인불꽃을사용한

flaming mode

로시험하였다

.

실험결과는최대연기밀도그리고초기연기발생을확

인할수있는

VOF4

⁴⁾값을계산하였다

. VOF4

값은다음

과같이계산된다

.

2.2.3

독성지수실험

유독성을측정하기 위해서 영국

FTT

^{사의독성지수}

시험기

(NES713)

를사용하였다

.

독성을측정할수있는

방법은

FT-IR,

마우스테스트등여러가지방법이있

지만

,

본연구에서는유해가스별농도및발생가스전 체적인유해정도를확인할수있고또한규격

(NES 713)

관을이용한실험방법을채택하였다

.

^{독성측정에사용}

된 검지관은 독일

Dräger

사 제품을 사용하였다

.

독성

지수실험장치는일정한불꽃을발생하는유량계를포 함한 버너

,

각각의 가스를 샘플링 할수 있는검지관 및펌프등으로구성되어 있다

.

실험순서는

NES 713

규격⁸⁾을따라

, CH

⁴가스및공 기의유량을조절하여실험에필요한불꽃길이및온 도

(1150 ± 25

^o

C)

를설정한다

.

시편을불꽃의 가장뜨거 운지점위에라켓모양의 시편지지대 위에올려놓고 실험을시작한다

.

최대

3

분간의연소 후

, 30

초간 팬을 작동시켜가스를혼합하고

25

분이내로

13

가지의가스 를각각의 검지관및펌프를이용하여검출한다

.

버너 불꽃에 의해발생되는가스에대해서 시험후보정을 한다

.

동일샘플에 대해서 규격에서 명시된 대로

2

회 시험하여평균값을적용하였으며

,

보정시험역시

2

회평 균값을 적용하였다

.

검출 시펌프의 작동은 사용자에 의한측정값오차를줄이기위해서자동펌프를사용하 였다

.

실험결과는각각의가스에대한

100g

환산시농 도및 치사농도를 이용한 독성지수를 계산하였다

.

각

시료의검출값을

100g

으로환산한 식은다음과같다

.

3. 결과 및 고찰

3.1콘칼로리미터실험

콘칼로리미터의실험결과를

Table 2

에정리하였다

. 3.1.1

착화시간

시트를 구성하고 있는 시편

(D1, D2, D3)

에서 가장

짧은

2

초의착화시간을보였다

.

시트의경우

,

겉표면에

fabric

및

PVC

구성물은 약

1mm

의얇은형태로 되어

있고뒷면에

PUR

폼이겹쳐져있다

.

따라서다른시편 과전체적인 두께는비슷하나밀도가 상당히 낮아착 화시간이짧게나타났다

.

⁹⁾이는화재전개가빠르게진

행됨을 확인할 수 있다

.

이와 반대로

nylon

을포함하

고있는시편에서상대적으로긴착화시간을 보여화 재전개가 다소 지연될 수있음을 확인할 수있다

.

대 부분의시편에서

10

^{초이내의착화시간을보였으며}

,

^이

는화재가 빨리시작됨을알수있다

.

각시편에 대한 착화시간의그래프를 위험성을 쉽게확인하기위해서 역수를 취해

Figure 1

에나타내었다

. Figure 1

에서 확 인할수있듯이

,

^{밀도가상대적으로낮은시편}

(D1~D3) VOF4 = D

s 1( )

+ D

s 2( )

+ D

s 3( )

+ D --- 2

^{s 4( )}

C

θ(

ppm

)

= C

ⁱ×

100

×

V

--- m

에서착화위험성이 크게나타난 것을확인할 수있다

.

3.1.2

최대열방출률

최대열방출률의경우

, nylon + PE

로구성된플로우매

트에서 가장높은

635.4kW/m

²의값을보였으며

,

반대

Table 2.

Results of Cone Calorimeter Test Samples TTI

(s) pk. HRR

(kW/m

²

) Duration time over pk.

HRR 200 kW/m

²

(s) THR (MJ/m

²

) MARHE

(kW/m

²

)

@ 5 min @ 10 min

A1 08 232.5 175 55.3 81.1 191.2

A2 09 363.8 055 26.7 32.0 198.1

A3 24 241.0 060 31.9 36.1 158.6

B1 14 496.3 040 22.8 23.9 267.1

B2 27 635.4 030 30.8 37.1 241.3

B3 24 585.8 040 26.4 26.6 268.2

C1 06 456.3 050 26.7 28.7 269.9

C2 05 394.2 065 29.9 30.8 289.8

C3 07 408.6 070 29.4 32.9 268.1

D1 02 478.8 025 13.9 14.1 226.3

D2 02 352.5 035 15.2 15.7 223.1

D3 02 350.5 020 11.7 11.9 229.5

Figure 1.

Inverse of time to ignition.

Figure 2.

Heat release rate of sample A1 and B2.

Figure 3.

Peak heat release rate.

로

rubber

로구성된보조매트에서가장낮은

232.5kW/

m

²의값을보였다

.

가장큰차이를보인두시편의시

간에따른 열방출률의변화를

Figure 2

^{에나타내었다}

.

Nylon + PE

로 구성된 플로우매트의 경우

,

상대적으로

가장늦게착화가일어났지만최대열방출률은가장크 게나타났다

.

전체시편에대한최대열방출률을

Figure 3

에나타내었다

.

최대열방출률의 경우는 밀도에 따른 결과값의 차이는 보여주지 않는 것으로 나타났다

.

3.1.3

총열방출및최대평균열방출률

총열방출의 경우

,

가장 낮은 최대열방출률을 보인

rubber

로 구성된 보조매트에서 가장 큰 값을 보였다

.

이는화재시열방출이순간적으로빠르게나타나지는 않지만

,

지속적으로이루어짐을 확인할수있다

.

최대 평균열방출률의경우는헤드라이닝을구성하는재료에 서상대적으로 큰값을 보이고 있다

.

총열방출 및최

대평균열방출률그래프를

Figure 4

^와

Figure 5

^에각각

나타내었다

.

전체연소시간에따른결과값인총열방출 의 경우는 밀도가 상대적으로 낮은시편

(D1~D3)

^에서

낮게 나타났으며

,

이는 가연물의감소로 인한 결과로 사료된다

.

건축물 내부마감재료의 난연성능기준³⁾에서는 총열

방출이

8MJ/m

²을넘지않고

,

최대열방출률이

10

초이

상

200kW/m

²을넘지 않도록 규정하고있다

(

준불연재

료시험시간

: 10

^분

,

^{난연재료시험시간}

: 5

^분

).

^또한유

럽의 철도차량의 화재안전기준

(Requirement set, R1)

⁴⁾

에서는 최대평균열방출률이최고

90kW/m

²을넘지않 도록 규정하고 있다

.

본연구에 사용된 자동차내장재 의경우

,

모든 시편의 시험시간

5

분과

10

분간의 총열 방출이건축물내부마감재료의난연성능기준의준불연 재료

,

난연재료의 기준값을최고

10

배이상 초과하였 으며

,

최대열방출률

200kW/m

²지속시간역시최대

175

초로

17

배이상큰차이를보이고 있다

.

또한

,

최대평 균열방출률도최고

289.8kW/m

²로최대

3

배이상의큰 차이를보이고 있다

.

환경이다른상태의 기준을직접 적으로 비교하는것은 무리가 있지만

,

여러 기준과의 상대비교를 통해 문제점을 인식할 수 있는데 의의를 둘수있다

.

최대연기밀도는보조매트를구성하고있는시편에서 상대적으로높은값을보였으며

,

특히

rubber

로구성된

시편에서 가장큰

924(

^{장비의성능최고한계치}

)

^의값

을보였다

.

반면

,

시트를구성하고있는시편에서상대

적으로낮은값을보였으며

, fabric + PUR

로구성된시

편에서가장낮은

268

의결과를보였다

.

초기연기밀도를계산한

VOF4

의경우상대적으로낮 은최대연기밀도값을 보인시트를 구성하는 시편에서

높은 값을보였으며

, PVC leather +PUR

^{로구성된 시}

편에서 가장 큰

911

의결과값을보였다

.

이는콘칼로 리미터의착화시간데이터에서도확인할수있듯이

,

빠 른시간에착화되고연소가빠르게진행됨을알수있 다

.

연기밀도시험기를이용하여측정한전체시편의연

기밀도에 대한결과값을

Table 3

과

Figure 6

에나타내

었다

.

또한가장큰최대연기밀도값을보인

Sample No.

A1

과가장큰

VOF4

값을보인

Sample No. D3

의시간 Figure 4.

Total heat release.

Figure 5.

Maximum average rate of heat emission.

Table 3.

Results of Smoke Density Chamber Test

Samples D

m

VOF4

A1 924 652

A2 610 698

A3 728 680

B1 599 327

B2 300 170

B3 348 539

C1 452 675

C2 611 363

C3 623 378

D1 268 389

D2 378 883

D3 463 911

Figure 6.

Maximum smoke density and VOF4.

에따른연기밀도변화를

Figure 7

에나타내었다

.

유럽의철도차량내장재의화재안전기준⁴⁾

(Requirement

set, R1)

에서는

VOF4

값을기준으로정하고있다

.

화재

등급을

4

단계로 분류하고 있으며 최고등급

(HL4)

은

VOF4

값이

300

을넘지못하도록하고있다

.

본연구에

사용된

12

개의 시편 중

1

개를 제외한 나머지

11

개의

시편은

HL4

기준을 만족하지 못하는 결과를 보였다

.

유럽 철도차량내장재의 화재안전기준에서는 연기밀도 값외에 콘칼로리미터 실험에서얻어진최대평균열방 출률값을동시에적용하고있다

.

이두가지요소를동 시에 비교해보면연구에 사용된 모든시편에 대해서

가장낮은등급

(HL1)

조차만족하지못하는결과를보

였다

.

3.3독성지수실험

모든시편들에서이산화탄소

(CO

2

),

일산화탄소

(CO),

질소산화물

(NO

^x

)

및포름알데히드

(HCHO)

가검출되었 으며

,

^황화수소

(H

²

S),

^암모니아

(NH

³

),

^이산화황

(SO

²

),

^시

안화수소

(HCN)

및플루오린화수소

(HF)

는검출되지않

았다

.

염화수소

(HCl),

브롬화수소

(HBr),

페놀

(C

6

H

5

OH)

은부분적으로검출되었다

. Table 4

에각각의시편에서

검출된데이터를규격에의거

100g

의시편이연소되었

을때로환산하여정리하였다

.

또한각각의가스에대 한치사농도를이용하여계산한독성지수

(toxicity index)

값을표시하였다

.

연구에사용된

12

^개시편중

8

^{개의시편에서치사농}

도

100,000ppm

을초과하는이산화탄소가검출되었다

.

이는 화재시이산화탄소중독에 의한인명피해를초

래할 수있음을 의미한다

. PVC

를포함하는 시편에서

염화수소및브롬화수소가높게검출되었으며

,

특히시

편

A2, D2, D3

에서는치사농도

500ppm

을초과하는염

화수소가 검출되었다

.

일산화탄소의경우

, 7

개의 시편 에서

30

분간노출시의식장해를일으킬수있는농도

인

1,000ppm

을초과하는결과를보였다

.

¹⁰⁾질소산화물

의경우는

3

개의시편에서치사농도인

250ppm

을초과 하는값을보였으며

,

나머지

9

개의시편에서도치사농 도에근접하는결과값을 보여화재 시질식사의위험 성을보여주고있다

.

독성지수의 경우

, PVC

를 포함하고 있는 시편

A2,

D2, D3

에서 상대적으로 높게 나타났으며

,

특히 시편

D2(PVC sheet + PUR)

에서

12.6

으로가장높게나타나 다른시편에비해서위험성이큰것을확인할수있다

.

독성지수

1

은인간이

30

분간노출시사망할 수있는 것을의미한다

.

¹¹⁾본연구에 사용된모든시편에서독 Figure 7.

Smoke density of sample A1 and D3.

Table 4.

Results of Toxicity Index Test

Samples CO

2

CO HCHO HCl CH

2

CHCN NO

x

C

6

H

5

OH HBr Toxicity Index

A1 167,785 1,946 34 67 67 235 168 67 4.6

A2 293,023 586 33 586 65 228 163 586 9.9

A3 34,146 1,980 34 239 34 239 205 239 4.8

B1 667,001 6,951 35 0 140 176 176 0 10.2

B2 35,070 280 35 0 35 596 0 0 3.0

B3 33,948 272 34 0 34 596 0 0 2.9

C1 418,498 579 32 0 64 225 0 0 5.5

C2 292,208 2,207 33 0 65 227 162 0 5.3

C3 311,572 2,354 33 0 65 342 162 0 5.5

D1 31,964 575 32 192 32 224 160 192 3.8

D2 457,286 2,392 35 633 70 246 176 633 12.6

D3 294,668 2,226 33 655 66 229 164 655 11.0

성지수

1

^{이상의 결과값을 보여 화재 시 유해가스에}

의한 질식사가발생할 수있음을 확인할 수있다

.

전 체시편에대한독성지수값을

Figure 8

^{에나타내었다}

.

4. 결 론

본연구에서는자동차내장재를구성하고있는플라 스틱합성물질의위험성을알아보기위해

ISO 5660-1

열방출특성실험

, ISO5659-2

^{연기밀도실험그리고}

NES 713

독성지수실험을실시하여다음과같은결론을얻었다

.

1.

^{시트를 구성하고있는 시편에서가장 빠르게 착}

화되었으며

,

대부분의 시편에서도

10

초이내로착화되 어화재의전개가빨리이루어졌다

.

또한밀도가낮을 수록빠른착화가 이루어짐을확인할수있었다

.

2.

최대열방출률은플로우매트를구성하고있는

nylon

계통의 시편에서가장 높은 값을나타냈으며

,

총열방

출은

rubber

로구성된 보조매트가 가장 큰값을 나타

냈는데 이는타시편들과달리연소가 지속적으로일 어나면서크지않은열방출이계속적으로발생했기때 문인것으로 사료된다

.

3.

건축물내부마감재료의난연성능기준과비교하면 모든시편들이준불연재료및난연재료의기준을만족 하지못하는것을확인할수있었다

.

이는화재시큰 열방출이 빠른 속도록 진행하여

,

많은열을 방출함음 의미한다

.

4.

최대연기밀도의 경우

, rubber

로 구성된 보조매트

에서가장큰값을보였으며

, fabric + PUR

로구성된시

트에서가장작은값을나타냈다

. VOF4

값은상대적으

로낮은최대연기밀도값을 보인

PVC sheet

및

leather

에서 가장높은값을보임으로써 초기에빠른 연소가 일어나 많은 연기를 발생함을확인 할수있었다

.

이 는초기대피시야확보가어려움을예측할 수있다

.

5.

연기밀도와최대평균열방출률을동시에기준을규 정하고있는유럽철도차량내장재화재안전기준과비교

할수있다

.

^{이는화재시많은열방출과함께많은양}

의연기가발생하여인명피해를초래할수있을것으 로판단된다

.

6.

독성지수의 경우

,

대부분의 시편에서이산화탄소 가치사농도이상으로검출되었으며

, PVC

를포함한시 편에서는염화수소및브롬화수소가높게검출됨을확 인할 수있었다

.

모든 시편에서독성지수

1

을초과하 는값을 보여

,

화재시유독가스에 의한 질식사를초 래할수있는것으로판단된다

.

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Figure 8.

Toxicity index.