여타 플라스틱에 비해 난연성 우수, 유해가스 존재 미미함으로 나타나
PVC 건축재료의 연소특성 평가연구
PVC에서 자주 회자되었던 것은 화재 시 유독가스의 배출 위험성이 어느 정도냐 하는 것이다. 이는 제대로 된 검사기준도 통과하지 못한 채 무분별하게 받아들이는 정보이기도 했다. 이에 한국바이닐환경협의회는 방재시험연구원에 의탁해 실시한 여타의 플라스틱계와 비교해 PVC의 유독성 검사를 실시한 결과를 알아보자.
연구의 목적
1. 열방출율시험(Heat Release Rate Test) : 콘칼로리미터법
1.1 시험의 개요
이 시험에서는 수평방향에서 외부 점화장치를 부착한 상태로 50㎾/㎡의 복사열에 노출된 시험체의 열방출 특성을 평가한다. 열방출 특성은 연소생성물 흐름속의 산소농도와 유속으로부터 유도된 산소소비량을 측정하여 결정한다.
이 시험방법은 일반적으로 재료의 순연소열량은 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점에 기초를 두고 있다. 즉, 연소 중에 산소 1kg이 소비되면 약 13.1×103MJ의 열이 방출된다는 관계에 근거한 시험장치로 산소소비량을 정밀도가 높은 측정장치를 이용하여 화재시 재료의 위험도를 예측하는 중요한 인자인 열방출율을 다음과 같은 식에 의해 산출한다.
시험결과 (Herat release rate)
(1) 열방출특성
난연성 보강의 유무 또는 밀도의 차이에 따라서 총방출열량 및 최대열방출율에 있어서 차이를 보여 일반ABS보다 난연ABS에서 연질PVC보다 경질PVC에서 총 방출열량 및 최대열방출율이 적게 나타났다.
총방출열량이란 5분간 50kW/m의 복사열을 시험체에 노출시켰을 경우 시험체가 탄화 또는 착화되어 발생되는 총 열량을 나타내는 것으로서 총방출열량이 적을수록 난연성이 우수하다는 것을 나타낸다. 또한 최대열방출율은 5분간 50kW/m의 복사열을 시험체에 노출시켰을 경우 시험체가 탄화 또는 착화되어 발생되는 열량 중 최대치를 나타낸다.
최대열방출율이 높다는 것은 화재발생 후 화재 확산의 확률이 높다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에 사용한 시험체만을 비교했을 경우 경질 PVC가 난연성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
(2) 평균착화시간
평균착화시간은 PC-경질PVC-HDPE-난연 ABS-목재-종이-일반ABS-아크릴-연질PVC순으로 나타났다. 평균착화시간이 길다는 것은 동일한 열량에 노출되었을 경우 착화가 어렵다는 것을 의미함으로 연소의 확대를 감소시킬 수 있다.
2. 표면연소성 시험(화염전파성 시험)
2.1 시험의 개요
이 시험은 시험장치에 시험체(155㎜×800㎜)를 수직으로 설치하여 표면의 연소성을 평가하는 시험이다. 시험체는 가스연소의 복사 패널에서 보내어진 열유량 구배의 분위기에 노출된다. 시험체의 착화시간, 화염이 확대되는 시간 및 소화시간, 착화열, 연소지속에 필요한 열, 소화시 열유량, 총열방출량 및 최대열방출율을 측정한다.
2.2 시험장치
이 시험장치는 규정된 복사 열유량을 방사할 수 있는 복사패널, 파이롯트 버너, 시험체를 수직으로 설치하는 시험체틀, 열전대가 설치된 굴뚝시설, 거울 등이 있는 시험대, 복사패널에 전달되는 가스·공기 혼합물을 일정하게 공급하기 위한 각종 제어시설이 있는 제어반, 센서의 측정값을 신호값으로 기록하는 기록계, 급기시설, 배기시설, 배기온도(굴뚝 열전대)보정용 배관형 버너시설, 열류계 수냉시설 등의 기타시설로 대별된다.
시험 결과
(1) 평균 연소지속열(MJ/㎡)
평균연소지속열이라 함은 교정시 조정판에서 50mm 간격으로 측정된 지점의 열량에 화염이 전파되는 시간을 곱한 값이므로 화염의 전파가 느리면 화염이 전파되는 시간이 커져 그 값이 증가한다. 평균연소지속열이 크다는 것은 시험체 표면의 화염전파속도가 늦다는 것을 의미한다. 따라서 평균연소지속열이 클 경우 상대적으로 작은 경우보다 화염의 확산이 늦어 화재의 확산을 방지 할 수 있다. 평균연소지속열은 경질 PVC가 가장 크며 경질 PVC를 제외한 시험체는 비슷한 경향을 보인다.
(2) 소화시 임계복사열유속(㎾/㎡)
소화시 임계복사열유속은 시험체 표면의 화염의 전파거리를 나타낸다. [표 2]에서 나타낸 것과 같이 시험체의 고온노출에서의 거리별 열유속은 50mm에서 가장 크며 거리가 증가할수록 작아진다. 따라서 소화시 임계 복사열유속이 크다는 것은 시험체 표면의 화염전파 거리가 적다는 것을 의미하며 이는 화재시 화염의 전파가 크지 않다는 것을 의미한다. 경질 PVC 및 PC가 시험체 표면의 화염전파거리가 가장 짧았으며 이를 제외 한 시험체는 비슷한 경향을 보였다.
(3) 총열방출량(MJ)
총열방출량은 시험기간 중 열방출율 곡선의 양의부분을 합한 것으로서 발생하는 열방출량의 총 합계를 나타낸다. 따라서 총열방출량이 적다 는 것은 시험체의 난연성이 우수하다는 것을 의미한다. 총방출열량은 목재-경질PVC-종이-PC순으로 적게 나타났다.
(4) 최대열방출율(㎾)
최대열방출율은 시험기간 중의 열방출율이 가장 높은 값을 나타낸다.
최대열방출율이 높다는 것은 가연물의 양이 증가할수록 총열방출량이 함께 증가한다는 것을 의미한다. 최대열방출율은 경질PVC-연질PVC-목재-HDPE 순으로 낮게 나타났다.
3. 산소지수시험
3.1 개 요
플라스틱류 연소성평가방법의 하나로 산소와 질소가 혼합된 상승기류 내에서 점화된 재료가 연소를 지속하는데 필요한 산소의 최저농도(부피%)의 수치를 말한다. 산소지수는 플라스틱, 고무, 섬유 등의 연소성을 상대적으로 나타내는 것으로 그 값이 클수록 타기 어려운 것을 의미한다.
3.2 시험기구의 구성
산소를 함유한 기체 혼합물이 도입될 수 있는 기반부 위에 수직으로 지지하는 내열유리관 높이 500mm, 안지름 100mm의 연소원통, 시험체지지구, 가스공급부, 기체 측정 및 조절장치, 점화기 및 시간 측정기 등으로 이루어져있다.
시험 결과
산소지수는 점화된 재료가 연소를 지속하는데 필요한 산소의 최저농도의 수치를 말한다. 따라서 산소지수가 높다는 것은 상대적으로 연소를 지속하는데 산소가 많이 필요하다는 것을 의미하며 산소의 지속적인 공급없이 일정한 공간내에서 연소가 발생하였다면 보다 빠른 자기소화가 이루어질 수 있다는 것을 의미한다. 경질PVC가 상대적으로 산소지수가 높게 나타났다.
4. 플라스틱 연소성시험(UL 94 시험)
4.1 개 요
장치 및 기구의 부품으로 사용되는 플라스틱 재료의 연소성능을 평가한다. 조그만 막대기형 시험체로 시험하여 얻어진 결과를 근거로 하여 94V-0, 94V-1, 94V-2로 등급으로 구분한다.
4.2 시험장치의 구성
시험시 사용되는 배기후드는 내부용적이 0.5m3 이상의 것이며 시험용 버너는 내경 9.5mm, 길이 100mm의 관으로 된 것으로 한다. 측정기구로는 초시계, 측정자(mm 눈금), 연료는 98% 이상의 순도를 가진 공업용 메탄가스를 사용한다. 용융물의 착화유무 확인을 위한 100% 외과용 탈지면을 사용한다.
시험 결과
플라스틱 연소성시험(UL94)은 시험체를 수직으로 고정시켜 화염을 하단부에 접촉시켜 시험체의 착화시간 및 잔염, 잔진을 확인하는 시험으로서 수직화염의 전파를 측정하는 시험이다. 따라서 수평시험체 표면의 연소특성을 평가하는 다른 시험방법과 구분되며 경질PVC, 연질PVC 및 난연ABS가 UL 94 V-0의 등급, 폴리카보네이트 (PC)가 UL 94 V-2 등급으로 나타났으며 기타 6종은 등급 외로 나타났다.
5. 연기농도시험
5.1 개 요
이 시험은 밀폐된 공간에서 시험체가 점화불꽃의 존재 또는 비존재하에 수평방향에서 25㎾/㎡ 및 50㎾/㎡의 복사열에 노출되었을 때 노출면에서 발생하는 연기를 빛의 감쇠정도로 측정하는 방법이다.
5.2 시험장치
공기가 새지 않는 챔버(내부치수, 길이914mm, 높이914mm, 깊이610mm), 시험체지지대, 콘형방열기, 광투과율 및 측정기, 시간 측정장치, 순환장치, 기록계 등 기타 보조장치로 이루어졌다.
시험 결과
(1) 가열 복사량이 25 Kw/㎡이며 Non-flaming mode인 경우
난연성 유무에 따른 최대연기밀도는 일반ABS가 난연ABS 보다 적게 나타났으며 최대연기밀도에 도달하는 시간은 난연ABS가 일반ABS 보다 빠르게 나타났다.
(2) 가열원이 25 Kw/㎡이며 Flaming mode인 경우
난연성 유무에 따른 최대연기밀도는 일반ABS가 난연ABS 보다 적게 나타났으며 최대연기밀도에 도달하는 시간은 난연ABS가 일반ABS보다 빠르게 나타났다.
6. 가스유해성시험
재료가 연소시 발생되는 연소생성물 중 유해성가스에 대하여 마우스를 이용한 마우스의 평균행동정지시간을 측정하였다.
6.1 마우스에 의한 가스유해성시험방법
시료를 수평으로 설치 한 후 시험체를 가열하여 연소시 발생하는 가스를 피검상자 안의 마우스에 폭로시켜 마우스행동정지유무를 관측하여 가스의 유해정도를 판정한다.
6.2 시험장치의 구성
마우스를 이용한 가스유해성시험장치는 의뢰자가 제공한 수평가열로와 KS F 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 시험방법)에서 사용되는 교반 상자, 피검 상자, 마우스 행동기록계로 구성되며, 수평가열로에서 시험체가 연소시 발생하는 연소가스는 교반 상자에서 교반되고, 피검 상자속으로 유입되어 마우스가 흡입하도록 되어있다. 가열조건은 부열원(LPG 사용, 공급량 350ml/min) 6분간, 시험시작 3분 후 추가로 주열원 3분간 가열한 후 가열을 종료하고 마우스 행동기록계로 마우스의 행동정지시간을 기록한다.
시험결과
각 시험체별 마우스의 평균행동정지시간
가스유해성시험장치를 이용하여 시험 실시한 여덟마리 마우스의 평균행동 정지시간측정 결과를 나타내었다. 실험은 PVC 및 올레핀계 수지 등 6종 플라스틱 소재를 대상으로 실시하였다. 마우스를 이용한 가스유해성 실험결과 6종 플라스틱의 유해성은 유사한 것으로 나타났다.
종합
(1) 난연성 난연성을 판단하는 여러 가지 실험은 시험장치, 시험체의 크기, 측정방법 등이 다르기 때문에 실험결과를 종합적으로 판단하여 결론짓기는 어렵다. 그러나 대부분의 실험에서 경질PVC의 난연성은 우수한 것으로 나타났다.
(2) 가스유해성 쥐를 이용한 가스유해성시험장치의 결과를 통하여 플라스틱 소재별 가스 유해성을 비교해 본 결과 시험에 사용된 플라스틱의 유해성은 유사한 수준으로 나타났다. 플라스틱은 소재별로 구조적 특성상 발생가스의 종류와 양이 다르고 또한 일반적으로 측정되는 가스 이외에 미지의 유해가스가 다수 존재 할 수 있으므로 특정 소재가 더 유해하거나 무해하다고 단정하기는 어렵다. 자료제공 : 한국바이닐환경협의회
