방사열에 노출된 발포폴리스티렌(EPS) 샌드위치패널의 성능(5)

 

출처: https://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/handle/10092/8474/baker_fire_research-02-1.pdf?sequence=1

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4) EPS 샌드위치패널의 연소

EPS 단열재 및 폴리우레탄 접착제와 금속 표면 페인트는 EPS 샌드위치패널의 가연성 물질입니다. ​이 보고서에서는 EPS가 다른 두 가연성 구성 요소보다 훨씬 많은 양으로 존재하기 때문에 EPS 가연성만 설명되어 있습니다.

(1) 연소 행동

고체 중합체 물질에 열이 가해지면 물질은 물리적 및 화학적 변화를 겪게 됩니다. ​물리적 변화를 열 열화라하고, 화학적 변화는 열분해라고 합니다. 매우 일반적이며 이상적인 용어로, ​열가소성 수지의 열적 분해는 그림에서와 같이 여러 단계로 나뉩니다.

[열가소성 수지 열분해의 이상적인 견해]

온도가 열가소성 소재에 가해지면, 처음에는 고체 또는 유리질 같은 상태에서 부드럽거나 고무 상태로 전환될 것입니다. 노출 온도가 더 증가함에 따라, 열가소성 수지는 용융 과정을 거쳐 점성 상태로 전환됩니다.

EPS는 90°C 단기 온도와 그리고 80°C의 장기 온도에 내성을 지닙니다. ​이 온도보다 높으면 EPS는 약 150°C까지 부드러워지고, 수축을 시작하여 고체 폴리스티렌으로 원래의 밀도로 되돌아갑니다. 계속해서 가열하면 EPS는 액체로 녹고 200°C 이상의 가스 상태가 됩니다. ​이러한 가스는 360~380°C의 온도에서 점화될 수 있으며 약 500°C에서 자체 점화가 발생합니다. ​또한 EPS는 연소열이 약 40~45MJ/kg입니다(Troitzsch, 1990; PINZa). EPS의 연소열 값을 인용할 때, ​이 재료가 부피의 2~3 % 폴리스티렌에 불과하다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. ​예를 들어, 100mm 두께의 천장 EPS 샌드위치패널은 건물에서 약 70MJ/m2의 화재 하중을 제공합니다.

열분해 과정에서 폴리스티렌의 탈 중합화가 발생하고, 주로 monomers, dimers 및 trimers를 형성합니다.

연소와 관련하여 열분해와 관련된 화학적 변화가 중요합니다. ​고체 고분자 물질의 화학적 분해는 기체증기를 생성하고, 이 증기는 중합체 위의 공기에 있는 산소와 반응하여 열을 발생시키며, 즉 연소됩니다. 이러한 공정이 자체적으로 유지되기 위해 연소 가스는 더 많은 연료 증기를 생성하기 위해 충분한 열을 가해야 합니다. 연속적인 순환 고리가 생성되어 그림과 같이 고체 중합체가 계속 연소됩니다.

[지속적인 연소를 위한 에너지 순환 고리]

(2) 난연제

현재 뉴질랜드에서 EPS 샌드위치패널 제조에 사용되는 모든 EPS에는 난연성 화학 물질이 추가되었습니다.

플라스틱 소재에 난연제를 첨가하는 이유는 가연성을 줄이기 위해 시도하는 것입니다. ​일반적으로 난연성은 하나 이상의 단계에서 연소 과정을 방해하는 것을 방해하는 것입니다. ​난연제의 간섭은 가열, 분해, 점화 또는 화염확산 중에 발생할 수 있습니다. 난연제는 모든 단계에서 화학적 또는 물리적으로 작용할 수 있습니다. 난연제를 이용한 연소의 억제 또는 진압은 근본적인 반응에도 불구하고, 많은 단계가 동시에 발생하는 복잡한 과정입니다.

그 한 예로 불활성 가스의 생성으로 인해 인화성 가스의 희석이 발생하는 흡열 반응입니다. ​가장 효과적인 난연제는 물리적이 아니라 화학적으로 작용하는 것으로 간주되며, 연소 과정의 간섭은 기체 또는 고체 단계에서 발생합니다.

EPS 샌드위치패널의 EPS 단열재와 관련하여, 난연제는 가스 단계에서 화학적으로 작용합니다.

가스 단계에서 과격한 물질을 형성하는 연소방법은 난연제에 의해 차단됩니다. 발열 또는 열 발생의 연소 과정이 중단되고, 냉각이 일어나 인화성 가스의 생성이 감소되거나 완전히 억제됩니다.

반응성과 첨가제 난연제의 구분도 이루어져야합니다. ​반응성 난연제는 중합체 분자에 화학적으로 내장되어 있지만, 반면 첨가제는 플라스틱에 첨가되어 있으며, ​가장 빈번하게 중합 후 사용됩니다.

첨가제 난연제는 EPS와 같은 열가소성수지에서 가장 많이 사용되는데, 그 중 가장 중요한 것은 할로겐 함유입니다. 할로겐 함유 난연제는 근본적인 사슬 mechnism을 방해함으로써 작동하며, 연소 과정의 일부로 가스 단계에서 발생합니다. 고 에너지 radicals OH와 H는 (식1)과 (식2)와 같이 가지 사슬에 의해 형성됩니다.

 

H + O₂→ OH + O (식1)

O + H₂→ OH + H (식2)

할로겐 함유 난연제는 초기 (식1)과 같이 분해됩니다.

RX → R + X (식3)

할로겐 라디칼은 (식4)에 표시된 바와 같이 기호 X로 표시된 탄화수소 RH와 반응하여 할로겐화수소를 형성합니다.

 

X + RH → R + HX (식4)

생성된 할로겐화수소 HX는 (식5)와 (식6)과 같이, 이제 OH radicals 및 H radicals과 반응하여 radicals chain mechnism을 방해 합니다.

 

HX + H → H₂+ X (식5)

HX + OH → H₂O + X (식6)

 

(식5)와 (식6)은 높은 에너지 H 및 OH radicals이 할로겐화수소, HX와 반응할 때 어떻게 제거되는지 보여줍니다. 이러한 반응은 연료 화합물과 반응하는 OH radicals을 H가 방지합니다. 이 6개의 방정식이 나타내는 단순 화학공정은 할로겐화수소 HX가 화염지연 과정에서 중요한 시약임을 보여줍니다.

할로겐 함유 물질의 난연 효과와 관련된 물리적 방법도 있습니다. ​불연성 HX가스는 존재하는 인화성 가스를 희석할 뿐만 아니라 화염구역의 농축 단계에서 불연성 보호층을 형성하여 산소 및 방사열에 대한 차폐를 제공합니다. 난연제는 플라스틱의 가치있는 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이상적인 난연제는 다음과 같은 특성을 갖습니다.

① 플라스틱과 쉽게 통합할 수 있을 것

② 플라스틱과 호환 가능성

③ 플라스틱의 기계적 특성을 변경하지 않을 것

④ 무색.

⑤ 자외선 및 빛의 안정성이 우수할 것

⑥ 노화에 강할 것

⑦ 불용성

⑧ 플라스틱의 분해 온도 이하에서 계속 영향을 주어 전체 분해 온도 범위에 걸쳐 진행하여 플라스틱의 분해 온도와 일치시킴

⑨ 부식을 일으키지 않을 것

⑩ 내열성

⑪ 소량으로 효과가 있을 것

⑫ 냄새가 나지 않을 것

⑬ 생리적인 이상이 없을 것

⑭ 낮은 연기와 유독가스 배출

⑮ 값이 저렴

원래 플라스틱의 유익한 특성의 감소와 난연제의 효과 사이에 절충이 필요합니다. ​지속적인 연구로 이상적인 난연제 개발을 계속하고 있습니다.

EPS의 경우, 브롬을 함유 난연제가 사용되며, 구체적으로 헥사브로모사이클로도데칸(hexabromocyclo-dodecane, HBCD)이라는 브롬화 지방족 탄화수소(brominated cycloaliphatic hydrocarbon)가 사용되고, ​농도는 중량의 1%미만입니다.

가능한 4가지 할로겐 함유 난연제를 고려할 때, 요오드(iodine)만이 잠재적으로 브롬보다 효과적입니다. ​그러나 요오드계 난연제는 실제로 적절한 단계에서 연소 과정을 방해하지 않으며, 그 부산물은 열 안정성이 충분하지 않습니다.

브롬은 여러 가지 요인으로 효과적인 난연제입니다.

(식3)과 관련된 약한 화학 결합은 브롬의 반응이 보다 유리한 반응 지점에서 연소 과정을 효과적으로 방해할 수 있게 합니다. 할로겐화 수소(hydrogen halide) HBr은 화염 온도에 해당하는 좁은 온도 범위에서방출되어 화염 구역에서 고농도로 존재합니다. 브롬은 낮은 농도에서 사용되며, 따라서 EPS의 특성에 미치는 영향이 적습니다. 또한, 브롬은 첨가제로서 쉽게 혼입 될 수 있으며, 섞이지 않습니다.

다른 면에서 브롬 함유 난연제는 열의 안정성이 낮고 비용이 비쌉니다. EPS에 첨가될 때, 난연제는 처리되지 않은 물질에 비해 점화 임계값을 증가시킵니다. 난연제는 EPS의 불연소성을 보장하지 않지만 EPS가 충분한 열에 노출되면 탈 수 있습니다.