3. PIR은 어떻게 화재성능을 높이는가?
폴리이소, ISO 또는 IPN(FM4880 Class 1 및 B-s1, d0 EN13501 Part1에 대한 샌드위치패널(판넬)시스템 인증을 나타내는 Kingspan 상품명)이라고 하는 PIR 단열은 경질우레탄 폴리머 단열 계열의 일부입니다. 이 폴리머 계열은 일반적으로 폴리우레탄(PUR) 또는 폴리이소시아누레이트(PIR)로 설명되는 다양한 재료로 구성됩니다. 중요한 것은, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트의 구분을 정의하는 정확한 위치는 없으며, 모든 변종에는 우레탄과 이소시아네이트 화학 결합이 혼합되어 있습니다.
화학 성분은 폴리올, 메틸렌디페닐디이소시아누레이트(MDI), 촉매, 계면활성제, 물 및 발포제 및 특정 제제의 난연제와 같은 첨가제입니다. 발포제는 발열 반응 중 액체 첨가물로부터 발포되어 단열재의 폐쇄 셀 구조를 만드는 기체입니다. 따라서 이 가스의 많은 부분이 완성된 단열재 구조 내에 포함되어 있습니다.
보험사의 엄격한 화재 성능 표준을 충족하는데 사용되는 PIR 배합은 독점 기술이지만, 일반적으로 화재 성능의 향상은 폴리에스테르 폴리올, 높은 MDI 함량, 특수 촉매시스템 및 고온 처리 과정을 기초로 하는 시스템에 의해 달성되는 높은 가교 밀도의 결과입니다. 아래 그래프는 화재 성능에 영향을 미치는 열 반응의 주요 차이점을 보여줍니다.
[주요 열 특성을 보여주는 그래프]
표준 시험 및 실제 화재 조사에서 관찰된 바와 같이, 보험사의 시험 요건을 충족하는 PIR 단열재는 다른 폴리우레탄 단열재와 동일한 열화를 나타내지 않는 것이 특히 중요합니다. 연징 폴리우레탄폼의 화재 행동에 대한 연구에서, Shields와 Ohlemiller은 이 분해가 약 200℃에서 시작되고 270℃ 이상의 온도에 도달하면 재료가 구성 액체 폴리올 재료로 분해된다고 보고했습니다. 열경화성 폴리우레탄의 이러한 분해는 온도가 감소할 때 분해된 물질이 재응고되지 않기 때문에 진정한 “용융”현상이 아닙니다.
이러한 열화 행동은 경질우레탄폼단열재의 표면 현상으로 관찰되었으며, 임시 시연에서 가스 화염을 적용하여 발화점까지 가열되었습니다. 이 시연에서 경질우레탄폼단열재의 가열된 표면의 명백한 액화는 재료가 분해되고 상당한 연기 방출로 점화될 때 발생합니다. 경질우레탄폼단열재의 가열된 표면이 발화될 때 “뒤로 수축”되는 외관을 보이는 것이 바로 이 구조입니다.
[경질우레탄폼단열재에 대한 임시 가스 불꽃 시연 테스트]
이소시아누레이트 화학 결합 또는 연결은 우레탄 결합보다 강하므로 보험업계 인증시스템에서 이 기능은 방향족 고리 구조 및 높은 가교 밀도와 결합하여 화학적 및 열적으로 보다 안정적인 제품을 만듭니다. 이에 비해, 우세하게 우레탄 결합을 갖는 폴리우레탄 제품은 비교적 낮은 가교 밀도를 갖습니다. 보험업계가 승인한 PIR 단열재 시스템의 결합 강도와 높은 가교 밀도는 폴리머가 폴리올 성분으로 분해되지 않고 화재에 노출되면 탄소 숯으로 감소한다는 것을 의미합니다.
아래 그림은 Suffolk Food Hall 화재에서 제기된 PIR 단열재 샘플을 보여주며, 재료가 화재 노출에 반응하는 방법을 나타냅니다. 재료 내에 포켓 형성에 의해 입증된 바와 같이, 단열재가 일정한 온도에 도달하면 단열재의 폐쇄된 셀 구조에 포집된 발포 가스는 팽창하여 더 큰 공극을 형성하여 투과할 수 있게 되면서 단열재에서 방출됩니다.
재료가 뜨거워짐에 따라 아래 재료에 단열재를 계속 공급하는 안정적인 흑연과 같은 탄소 숯이 남습니다.
[Suffolk Food Hall 화재에서 PIR 단열재 샘플]
다른 폴리머 단열재와 근본적으로 다른 것이 바로 이러한 작용입니다. 아래 그림에 표신된 간단한 실험은 PIR 재료의 상대적인 안정성을 보여주므로 RA Wood Adhesives 사례 연구에서 언급한 화재성능을 달성할 수 있습니다.
[고온 안정성을 조사하기 위한 간단한 실험]
이 실험에서, 직경이 33mm인 단열재의 원통형 샘플을 평평한 알루미늄 판 위에 그리고 알루미늄 블록 아래 놓습니다. 블록의 질량은 약 0.009N/mm²(9.0kPa)의 샘플에 압축 응력을 가합니다. 가스 토치는 알루미늄 블록을 가열하는데 사용되며 샘플과의 결합에 가까운 블록의 온도를 모니터링하는데 사용되는 열전대를 사용합니다. 샘플의 열 유도 단축의 검출은 플레이트에 부착된 구리 띠에 의해 이루어지며, 블록 상단과 접촉합니다. 블록과 플레이트는 모두 결과 회로의 저항을 모니터링하는 멀티 미터에 연결됩니다. 샘플의 열 유도 단축이 있자마자 회로가 끊어지고 온도가 기록될 수 있습니다.
아래 그래프는 실험 결과를 보여줍니다. 폴리스티렌 단열재는 블록 온도 130℃에서 시료가 상당히 녹는 것으로 나타났습니다. 단일 부품 에어로졸 적용 경질우레탄폼 재료의 샘플은 162℃의 온도에서 블록 접속에서 폼 구조의 초기 붕괴를 나타냈습니다. Suffolk Food Hall 화재에서 가져온 PIR 단열재 샘플은 매우 다르게 반응했습니다. 300℃ 블록 온도에서, 블록과 샘플의 접속은 샘플 재료가 검게하는 것을 보여주며, 샘플이 수축되지 않는 한, 상단에서 팽창하고 균열이 생기는 것을 알 수 있습니다.
[실험 결과]
이 현상은 428℃의 블록 온도에서 테스트가 끝날 때까지 계속됩니다. 이 온도에서 여전히 샘플이 수축되지 않았습니다. 아래 그림은 실험 종료시 PIR 샘플을 보여줍니다. 또한 2개로 쪼개진 샘플을 보여주며 샘플에서 블록으로 인한 열의 영향을 볼 수 있습니다. 실험은 안정한 숯으로 재료의 분해가 압축 하중 하에서 샘플의 두께 감소를 방지하는 약간의 팽창 효과를 포함하는 것으로 확인했습니다.
[실험 종료 후 PIR 샘플]
[실험 종료 후 PIR 샘플의 내부]
4. 결론
1) 보험사의 테스트 요구 사항에 필요한 샌드위치패널(판넬) 시스템의 정확한 표준을 충족하기 위해 PIR 단열재는 기존의 경질우레탄폼단열재보다 화재에 대한 열 반응이 크게 개선되었습니다.
2) 이 열 반응의 주요 차이점은 액체 폴리올로 분해되지 않고 단열 탄소 숯으로 재료를 환원시키는 것입니다.
3) 이 특성은 단열재가 화재 노출시 충분한 물리적 무결성을 유지하여 재료 내 화재 저항과 화재 전파 방지를 모두 달성할 수 있도록 합니다.
실제 화재 조사가 진행 중인 프로그램은 이러한 특징을 검증하고 성능 기반 화재 엔지니어링 설계에서 PIR 단열재가 있는 샌드위치패널(판넬) 시스템의 사용을 지원하는 데이터베이스에 추가하고 있습니다.