최종보고서

화재성상 메커니즘 연구A Study on Fire Behavior Mechanism

연소반응 메커니즘 연구A Study on The Combustion

Reaction Mechanism

주관연구기관호서대학교

중 앙 소 방 학 교

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제 출 문

중 앙 소 방 학 교 장 귀하

본 보고서 “화재성상 메커니즘 연구” 과제(세부과제 “연소 반응 메커니즘 연구”)의

최종 연구 보고서로 제출합니다.

2005. 11. 30.

과제명 : 연소반응 메커니즘 연구

주관연구기관명 : 호서대학교

연구책임자 : 김정훈

연구원 : 김 홍

김응식

강영구

정기창

한상범

이정윤

박병기

김상우

진봉경

문종윤

조은희

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요 약 문

I. 제목

화재성상 메커니즘 연구

부제 : 연소반응 메커니즘 연구

II. 연구개발의 목적 및 필요성

본 연구과제의 해당 기술은 국외 NFPA, NIST를 포함한 여러 국공립기관을 중

심으로 광범위한 연구가 수행되어 왔으며, 현재의 기술 수준은 안정기에 도달되어

있는 상태이다. 그러나 기술의 진보에 따라 가연물질의 종류 및 연소형태가 다양해

지고, 국내 실정에 적합한 연구결과가 부족하여 이론과 실험에 기초한 종합적인 DB

구축과 체계적인 연구가 절실한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 화재성상 메커니즘

에 관한 기초연구의 일환으로 화재발생 빈도 및 영향도가 큰 건물화재를 중심으로

국내외 선행 기술정보를 효과적으로 수집, 분석, 가공하고 물질의 상, 화재관련 주요

가연물질에 따른 연소반응 활성화 요인, 연소메커니즘, 연소전후 현상학적 분석, 연

소반응 억제요인을 종합적으로 재평가하고자 한다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 연구개발의 내용 및 범위는 다음과 같다.

․가연물질의 물리․화학적 특성 및 연소특성에 대한 기초자료 수집

․가연성 고체, 액체, 기체의 연소특성에 관한 실험적 고찰

․화재구획실 내부 가연물의 종류에 따른 온도분포 변화특성 연구

․FDS를 활용한 건물화재 Simulation

IV. 연구개발 결과의 활용계획

본 연구의 4개 세부 부제를 중심으로 이론 데이터 수집 및 실험적 비교 검증을

통해 국내 실정에 적합한 화재성상 관련 각종 정보에 대한 DB를 제공할 수 있으리

라 판단된다. 구체적으로 연소반응의 필수 사항인 최소발화에너지, 연소 상하한계,

MOC, 조연성 물질의 영향을 분석하고, 가연물의 물리적 상태인 기체, 액체, 고체별

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연소 메커니즘과 제 특성을 평가하고자 하였다. 또한 연소생성물에 대한 농도 및 독

성 분석, 시간대별 연기농도 및 char 형성 특성에 의한 현상학적 분석과 난연 및 방

염처리에 따른 연소 억제요인 및 Mechanism 해석 등을 수행하였다. 특히 고분자 수

지의 난연화, 화재하중에 따른 건축물 화재 위험성 분석을 통해 설계단계부터 화재

안전성 확보의 중요성을 제시하고자 하였다. 궁극적으로 본 연구에서 도출된 연구결

과를 소방관련 업무 종사자, 일반인들에 제공함으로써 각종 가연물별 화재위험성 및

화재성상에 대한 이해를 증진시키고, 국내 화재관련 체계적 연구의 중요성과 향후

연구 추진방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

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S U M M A R Y

I. Title

A Study on the Fire Behavior Mechanisms

Subtitle : A Study on the Combustion Reaction Mechanisms

II. Purposes and Necessities of Research Development

Related technologies of this research have been widely conducted in the

national and public institutes containing NFPA, NIST. And the technical standard

is reached in stability. But total DB construction and systematical research is

necessary because the kinds and forms of combustible substances are diversified,

and research results suited to domestic situation are insufficient. And then this

research revaluates four categories, that is the activation factor of combustion

reaction, combustion mechanism, phenomenon analysis before and behind

combustion, and suppression factor of combustion reaction. Also, based on

building fires, the scopes of this research are focused in the collection, analysis

and improvement of preceding technology, and phases of materials as the basic

link for fire behavior mechanism.

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III. Contents and Scopes of Research Development

The contents and scopes are summarized as follows;

․Physicochemical properties of combustible substances and the collection for the

basic data on the combustion characteristics

․Experimental reviews for the combustion characteristics of flammable solid,

liquid and gas

․The study on the varying characteristics of temperature distribution as the

kinds of inner combustibles in a fire compartment

․Simulation of building fire using FDS

IV. Practical Uses for the Results of Research Development

It is concluded that this research provides Database for various information

related to fire behaviors through the collection of theory data and their

experimental verification focused on four detailed subtitles. Concretely MIE, LFL,

UFL, MOC, and the effects of supporting materials were analyzed, which they

are essential subjects of combustion reaction. And the combustion mechanisms

and various properties were estimated on the gas, liquid, solid.

And also, the concentration and toxicity evaluation, smoke concentration and

char formation properties for combustion products were conducted. The

suppression factor and mechanism analysis are conducted as the flame retardants

and resistants. Especially this research will give to the importances of fire safety

through the flame retardancy of polymer resin and the fire hazard analysis of

buildings, and it must be applied in the step of fire safety design.

Finally the results derived in this research will be used for fire protection

employee and public persons for the purpose of understanding promotion to fire

hazards and fire behavior. And it is thought that the importance of systematic

research in domestic, and promoting direction from now on will be indicated.

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목 차

제 1장 서론 1

제 1절 연구의 개요 1

제 2절 연구개발의 목적 1

제 3절 연구개발의 내용 및 범위 2

1. 연구개발의 최종 목표 2

2. 연구개발의 내용 및 범위 2

제 2장 국내외 관련 연구 현황 3

제 3장 화재성상 메커니즘 연구 6

제 1절 가연물질 연소반응시 활성화요인 6

1. 가연물질 최소발화에너지 분석 6

2. 연소 상하한계 분석 8

3. 가연물별 M.O.C. 분석 15

4. L.O.I. 분석 17

제 2절 가연물의 연소 메커니즘 특성 22

1. 가연성 기체의 연소 메커니즘 분석 22

2. 가연성 액체의 연소 메커니즘 분석 34

3. 가연성 고체의 연소 메커니즘 분석 67

제 3절 가연물질 연소전후 현상학적 분석 77

1. 가연물별 연소생성물의 종류, 농도 및 독성분석과 이들 혼합연소

생성물의 상가작용 분석 77

2. 연소시 시간에 따른 연기 농도 분석 112

3. 연소시 char 형성 특성 분석 125

제 4절 연소반응 억제요인 연구 127

1. 난연 및 방염처리에 의한 억제요인 분석 127

2. 자기소화특성 및 연소억제 Mechanism 분석 137

제 5절 가연물의 종류에 따른 화재구획실 내부온도 변화 143

1. 실험 개요 143

2. 실험 장치 143

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3. 실험 방법 145

4. 실험 결과 147

제 6절 FDS를 활용한 건물화재 Case Study 161

1. FDS 개요 161

2. 건물화재 Case 및 시나리오 작성 162

3. FDS를 활용한 simulation 결과 분석 165

제 4장 결론 178

제 5장 연구개발 목표달성도 및 대외기여도 179

제 1절 연구개발 목표의 달성도 179

제 2절 관련분야의 기술발전 기여도 179

제 6장 연구개발 결과의 활용계획 180

제 1절 추가연구의 필요성 및 타 연구에의 응용 180

제 2절 기업화 추진 방안 180

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List of Figures

그림 1 최소발화에너지 측정 장치 개략도 7

그림 2 Cst와 연소 한계 및 인화점과의 관계 10

그림 3 연소한계 측정용 Vessel (270ℓ)(정면) 11

그림 4 연소한계 측정용 Vessel의 측면 파열판 11

그림 5 기체의 연소한계 측정장치 개략도 12

그림 6 Double Cone Mixer 17

그림 7 Single Screw Extruder 18

그림 8 시험편 제조공정 18

그림 9 L.O.I. 측정 장치 19

그림 10 L.O.I. 시험편 19

그림 11 확산화염의 개념도 22

그림 12 난류 확산화염의 모습 23

그림 13 슬롯 버너 화염과 측정 기구들의 배치 23

그림 14 층류 확산화염 단면의 온도 24

그림 15 층류 확산화염의 수직 흐름속도 24

그림 16 층류 확산화염에서 화염 반응과 soot의 영역 25

그림 17 난류화염 온도변화 26

그림 18 가연성혼합기의 온도 의존성 28

그림 19 화재성상 측정용 유체 실린더 30

그림 20 산소, 질소 분압 조절장치 30

그림 21 디지털 온도 기록계 31

그림 22 가연성 기체의 화염성상 실험 장치 개략도 32

그림 23 각 조건에서의 프로판 연소시 화염 형상 33

그림 24 액면상의 화염전파에 선행되는 표면류 35

그림 25 메탄올의 맥동적 연소확대 (흐름사진법, -30℃, 1차원전파) 35

그림 26 액면하의 온도분포 계산 좌표계 38

그림 27 용기치수에 따른 무차원 화염길이의 변화 40

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그림 28 바람에 의한 액면확산화염의 경사모델 41

그림 29 화염의 호흡주기와 직경과의 관계 43

그림 30 복사열 측정센서 44

그림 31 복사열 측정 장비 45

그림 32 액체 가연물 복사열 측정용 부속 장비 45

그림 33 pool fire실험에 사용된 용기 및 측정 센서 위치 46

그림 34 가연성 액체 pool fire 실험 장치 세팅위치 46

그림 35 Methyl alcohol의 연소시 화염온도 변화 47

그림 36 Methyl alcohol의 연소시 주위온도 변화 47

그림 37 Methyl alcohol의 연소시 방출되는 복사열량 48

그림 38 Methyl alcohol pool fire의 화염높이 및 화염성상 49

그림 39 Ethyl alcohol의 연소시 화염온도 변화 50

그림 40 Ethyl alcohol의 연소시 주위온도 변화 50

그림 41 Ethyl alcohol의 연소시 방출되는 복사열량 50

그림 42 Ethyl alcohol pool fire의 화염높이 및 화염성상 51

그림 43 Acetone의 연소시 화염온도 변화 52

그림 44 Acetone의 연소시 주위온도 변화 52

그림 45 Acetone의 연소시 방출되는 복사열량 53

그림 46 Acetone pool fire의 화염높이 및 화염성상 54

그림 47 Hexane의 연소시 화염온도 변화 55

그림 48 Hexane의 연소시 주위온도 변화 55

그림 49 Hexane의 연소시 방출되는 복사열량 56

그림 50 Hexane pool fire의 화염높이 및 화염성상 57

그림 51 Gasoline의 연소시 화염온도 변화 58

그림 52 Gasoline의 연소시 주위온도 변화 58

그림 53 Gasoline의 연소시 방출되는 복사열량 59

그림 54 Gasoline pool fire의 화염높이 및 화염성상 60

그림 55 Kerosene의 연소시 화염온도 변화 61

그림 56 Kerosene의 연소시 주위온도 변화 61

그림 57 Kerosene의 연소시 방출되는 복사열량 62

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그림 58 Kerosene pool fire의 화염높이 및 화염성상 63

그림 59 Light oil의 연소시 화염온도 변화 64

그림 60 Light oil의 연소시 주위온도 변화 64

그림 61 Light oil의 연소시 방출되는 복사열량 64

그림 62 Light oil pool fire의 화염높이 및 화염성상 65

그림 63 고분자물질의 연소과정 67

그림 64 고분자재료의 표면상 연소확대모델 69

그림 65 가연성 고체의 판상 성형체 시험편 제작공정 70

그림 66 제작된 가연성고체 판상 연소시험편 70

그림 67 연소시험장치 71

그림 68 연소시험에 사용된 점화용 화염 72

그림 69 하방연소 시험장치 구성도 73

그림 70 상방연소 시험장치 구성도 73

그림 71 하방연소시 화염의 형상 74

그림 72 상방연소시 화염의 형상 74

그림 73 고체표면의 연소확대시 화염선단부근의 현상 75

그림 74 Double Cone Mixer 79

그림 75 Single Screw Extruder 79

그림 76 시험편 제작 공정 80

그림 77 NES 713규격에 의거하여 제작된 유해가스 시험장치 83

그림 78 HCl & HCN 측정․기록장비 83

그림 79 CO, NOx, SOx가스 측정용 Probe 84

그림 80 CO, NOx, SOx가스 측정용 Probe 84

그림 81 CO, NOx, SOx가스 측정․기록장비 84

그림 82 연소시험 챔버 시험편 홀더 및 버너 85

그림 83 2″×2″ 규격의 시험편 85

그림 84 연소시험 장면 86

그림 85 PVC 수지의 연소시험 후 사진 86

그림 86 HDPE 수지의 연소시험 후 사진 87

그림 87 PP수지의 연소시험 후 사진 87

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그림 88 ABS수지의 연소가스 분석 결과 88

그림 89 ABS-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 89

그림 90 ABS-Antimony trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 90

그림 91 Acrylic수지의 연소가스 분석 결과 91

그림 92 Acrylic-Ammonium phosphate 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 92

그림 93 Acrylic-Ammonium bromide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 93

그림 94 Acrylic-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 94

그림 95 Acrylic-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 95

그림 96 Acrylic-Borax 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 96

그림 97 PP수지의 연소가스 분석 결과 97

그림 98 PP-Ammonium phosphate 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 98

그림 99 PP-Ammonium bromide혼합 수지의 연소가스 분석 결과 99

그림 100 PP-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 100

그림 101 PP-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 101

그림 102 PP-Borax 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 102

그림 103 PVC 수지의 연소가스 분석 결과 103

그림 104 PVC-Ammonium phosphate 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 104

그림 105 PVC-Ammonium bromide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 105

그림 106 PVC-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 106

그림 107 PVC-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 107

그림 108 PVC-Borax 혼합수지의 연소가스 분석 결과 108

그림 109 HDPE-Ammonium phosphate 혼합수지의 연소가스 분석 결과 109

그림 110 HDPE-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 110

그림 111 HDPE-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과 111

그림 112 Smoke density tester (ASTM D 2843) 114

그림 113 Smoke density indicator 114

그림 114 Smoke density 시험장치의 광원 114

그림 115 광휘도 감지기 115

그림 116 시료 홀더 및 버너 115

그림 117 Smoke Density 시험편 116

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그림 118 Smoke density 측정장치 구성 개략도 117

그림 119 Smoke Density 측정 실험 장면 118

그림 120 Smoke Density 연소 후의 시험편 118

그림 121 ABS Smoke Density 측정 결과 119

그림 122 Acrylic Smoke Density 측정 결과 119

그림 123 PP Smoke Density 측정 결과 120

그림 124 PVC Smoke Density 측정 결과 121

그림 125 HDPE Smoke Density 측정 결과 121

그림 126 Cone heater 시험장치의 개략도 125

그림 127 Cone heater에 의하여 탄화된 목재표면 126

그림 128 고분자수지의 연소 메커니즘 127

그림 129 시험편 제작 공정 129

그림 130 Typical Equipment Layout 132

그림 131 L.O.I. 시험편 132

그림 132 L.O.I. 시험장치 구성 개략도 133

그림 133 Halogen계 난연제에 의한 난연화 Mechanism 139

그림 134 Phosphorus retardants 난연화 mechanism 140

그림 135 ISO 9705 규격에서 제시하는 화재구획실 (측면도)

3.6m×2.4m×2.4m (l×w×h) 143

그림 136 ISO 9705 규격에서 제시하는 화재구획실 (평면도) 144

그림 137 제작된 화재구획실의 크기와 thermocouple 위치 145

그림 138 화재구획실 내부 thermocouple 설치위치 145

그림 139 화재 실험에 사용된 thermocouple 146

그림 140 화재실험에 사용된 소파 146

그림 141 화재실험에 사용된 TV 146

그림 142 액체 연료 연소용 pool (30cm) 147

그림 143 실험에 사용된 연료(Acetone)의 연소장면 147

그림 144 실험에 사용된 연료(Hexane)의 연소장면 148

그림 145 실험에 사용된 연료(Gasoline)의 연소장면 148

그림 146 실험에 사용된 TV의 연소장면 148

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그림 147 TV 연소시 발생되는 연기 149

그림 148 Methyl alcohol 연소시 화재구획실 내부온도 변화 150

그림 149 Ethyl alcohol 연소시 화재구획실 내부온도 변화 151

그림 150 Acetone 연소시 화재구획실 내부온도 변화 152

그림 151 Hexane 연소시 화재구획실 내부온도 변화 153

그림 152 Gasoline 연소시 화재구획실 내부온도 변화 154

그림 153 Kerosene 연소시 화재구획실 내부온도 변화 155

그림 154 Light-oil 연소시 화재구획실 내부온도 변화 156

그림 155 Wood 연소시 화재구획실 내부온도 변화 157

그림 156 소파 연소시 화재구획실 내부온도 변화 158

그림 157 카세트 연소시 화재구획실 내부온도 변화 159

그림 158 TV 연소시 화재구획실 내부온도 변화 160

그림 159 FDS 실행 예 161

그림 160 FDS 설계도면(View of South) 163

그림 161 FDS 설계도면(View of North) 163

그림 162 FDS 설계도면(View of East) 164

그림 163 FDS 설계도면(View of West) 164

그림 164 FDS 설계도(2nd Floor 평면도) 165

그림 165 Smoke Particle at 30sec 165

그림 166 Smoke Particle at 60sec 166

그림 167 Smoke Particle at 90sec 166

그림 168 Smoke Particle at 120sec 166

그림 169 Smoke Particle at 150sec 167

그림 170 Smoke Particle at 180sec 167

그림 171 Smoke Particle at 210sec 167

그림 172 Smoke Particle at 240sec 168

그림 173 Smoke Particle at 270sec 168

그림 174 Smoke Particle at 300sec 168

그림 175 Mixture Fraction at 30sec 169

그림 176 Mixture Fraction at 60sec 169

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그림 177 Mixture Fraction at 90sec 170

그림 178 Mixture Fraction at 120sec 170

그림 179 Mixture Fraction at 150sec 170

그림 180 Mixture Fraction at 180sec 171

그림 181 Mixture Fraction at 210sec 171

그림 182 Mixture Fraction at 240sec 171

그림 183 Mixture Fraction at 270sec 172

그림 184 Mixture Fraction at 300sec 172

그림 185 Soot Density at 5sec 173

그림 186 Soot Density at 10sec 173

그림 187 Soot Density at 20sec 174

그림 188 Soot Density at 30sec 174

그림 189 Soot Density at 60sec 174

그림 190 Soot Density at 90sec 175

그림 191 Soot Density at 120sec 175

그림 192 Soot Density at 150sec 176

그림 193 Soot Density at 180sec 176

그림 194 Soot Density at 210sec 176

그림 195 Soot Density at 240sec 177

그림 196 Soot Density at 270sec 177

그림 197 Soot Density at 300sec 177

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List of Tables

표 1 플라스틱 제품의 난연성 시험에 대한 KS 규격 4

표 2 국내ㆍ외 플라스틱 제품의 난연성 시험 방법 5

표 3 M.I.E. of Flammable Gas 8

표 4 가연성 기체의 연소범위 13

표 5 가연성 가스의 연소범위 실험치 14

표 6 M.O.C. 조사분석 결과 16

표 7 L.O.I. 시험 측정 평균값 20

표 8 JIS D 1201에 따른 산소지수에 의한 난연성 구분 21

표 9 실온 대기압 상태에서 공기중 연료의 연소범위 29

표 10 실온 대기압 상태에서 공기중 연료의 폭굉 범위 29

표 11 예혼합연소, 확산연소-연소특성 비교 33

표 12 액체-연료별 화염온도, 주위온도, 복사열량 화염 길이 66

표 13 고분자의 상ㆍ하방연소에 따른 연소시간, 화염길이 및 화염 온도 76

표 14 연소가스의 독성영향 78

표 15 시편제작목록 81

표 16 시험편의 최대연기농도와 중량감소량 123

표 17 고분자수지의 연소과정별 결정인자 127

표 18 고분자수지와 난연제 혼합 시편 제작 목록 130

표 19 L.O.I. 시험 측정 평균값 134

표 20 JIS D 1201에 따른 산소지수에 의한 난연성 구분 136

표 21 Retardative Mechanism of Melamine Retardant 142

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제 1장 서 론

국내․외적으로 가연물질의 연소특성 및 화재성상 메커니즘에 관한 연구는 다양

한 방법의 세부연구를 통하여 이미 이론 및 실험적 검증을 완료한 상태이다. 그러나

연소 반응의 원인, 연소 메커니즘, 연소 전후 특성 변화, 연소억제요인 연구 등을 전

반적으로 다룬 표준화 모델 개발은 전무한 실정이다.

제 1절 연구의 개요

본 연구에서는 화재 발생 빈도 및 피해 비중이 크고 일반 대중과의 연계성이 매

우 높은 건물화재를 중심으로 건물 내부의 주요 가연물질 중 합성수지계 고분자물질

7종을 선정하여 난연제 함량 및 종류 변화에 따른 연소특성의 변화를 고찰하였으며,

또한 물질의 3상인 고체, 액체 및 기체상 가연물질의 기초적인 연소 특성을 실험을

통해 측정하고 이론값과 비교 검증하였다. 또한 NIST BFRL에서 개발, 보편화된 FDS

program을 사용하여 건물화재에 관한 simulation을 수행, 가상적으로 실험내용을 구

현하고자 하였다.

제 2절 연구개발의 목적

본 연구과제의 해당 기술은 국외 NFPA, NIST를 포함한 여러 국공립 연구 기관

에서 수행해 왔으며 현재는 안정기에 도달하고 있다. 그러나 국내 실정에 적합한 연

구결과가 부족하며, 해외 기술도입에 따른 기술․경제성 파급 효과는 큰 의미가 없

을 것으로 사료된다. 따라서 국내 화재 관련 연구의 발전에 필요한 기초연구결과의

습득 및 기술수준의 축적이 필요하며, 본 연구의 결과가 기초자료로 활용될 수 있을

것으로 사료된다.

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제 3절 연구개발의 내용 및 범위

1. 연구개발의 최종 목표

국내에서 사용되는 여러 종류의 가연물질들의 물리․화학적 특성 및 연소특성에

관한 Mechanism 및 가연물의 종류별 연소형태를 실험적으로 분석하여 국내 화재관

련 연구 수준을 한 단계 향상시키고자 한다.

2. 연구개발 내용 및 범위

본 연구개발의 내용 및 범위는 다음과 같다.

․가연성 고체, 액체, 기체의 연소특성에 관한 실험적 고찰

․화재구획실 내부 가연물의 종류에 따른 온도분포 변화특성 연구

․FDS를 활용한 건물화재 Simulation

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제 2장 국내외 관련 연구 현황

국내 화재발생 추이는 최근 10년간 341%로 증가추세로 동기간 전체 화재 발

생건수 또한 235%를 상회하고 있다. 최근 연구의 방향은 건물 화재시 발생되는 가연

물의 연소 Mechanism 및 가연물의 종류별 연소 형태를 이론 및 실험적으로 비교

분석하고, 연소생성물의 종류별 농도 및 독성 조사ㆍ분석, 연기농도 분석, 난연 및

방염처리에 의한 연소반응 억제요인 분석 등이다. 그러나 이들 연구영역을 종합적으

로 다룬 거시적 연구는 전무한 실정이다. 특히 연소 특성치 중 최소산소농도(M.O.C.)

는 폭발범위 안에서 심각한 위험이 있는 공정 산업에서 결정적으로 중요한 인자로서

가연성 가스나 증기에 대한 M.O.C. 연구는 대부분 탄화수소에 국한되어 수행되어

왔으며, 고분자나 분진의 M.O.C. 연구에 비해 가연성 증기나 가스의 M.O.C. 연구는

미흡한 실정이다. 또한 조연성 물질은 일상생활에서 표백제, 화약류, 산소발생제, 화

공품, 합성원료, 농약 등으로 광범위하게 사용되고 있는 것으로 산화성물질에 의한

사고 예방 측면에서 중요한 연구대상이 되고 있다.

또 다른 연구분야는 가연물의 물리적 상태에 따른 연소 메커니즘 분석이다.

다수의 연구자들에 의하여 pool 화재에 대한 연구가 수행되어, 연소 및 화재 공학적

으로 중요한 현상들이 발견되었고 화재 안전 평가를 위한 기초적인 수단도 제공되었

다. Pool 화재에 대한 연구는 화염길이, 연료의 증발율등 거시적이고도 외형적인 변

수들과 pool의 지경에 관한 관계 등으로부터 화염의 내부구조, 유입(entrainment), 복

사열등 미시적이고 세부적인 연구에 이르기까지 다양한 형태로 진행되어 왔다. 최근

에는 수분무(water spray)를 이용한 pool 화재의 소화와 관련된 연구결과도 보고되

고 있다.

한편 연소반응 억제요인에서 처리제의 종류 및 함량변화에 따른 L.O.I. 변화

특성 분석도 다양하게 수행되고 있다. 대표적인 가연성 물질인 플라스틱의 난연성능

을 평가하는 시험방법 및 기준들로는 UL(Underwriters` Laboratorries Inc.),

IEC(International Electrotechnical Commission) JIS, ASTM, KS 등이 있다. <표 1>는

플라스틱 제품의 국내 난연성 시험 규격을 나타낸 것이다.

- 4 -

<표 1> 플라스틱 제품의 난연성 시험에 대한 KS 규격

사양

항목KS C8431 KS C8455 KS M3015 KS M3305 KS F2271

시료길이[㎜] 50 150 120 120 220

불꽃길이[㎜] 15 15

불꽃과

시료의

간격[㎜]

15 15속불꽃이 시료

에 직접 닿도록

속불꽃이 시료

에 직접 닿도

록

전기가열

인가시간 1분 1분 30초 이내 30초 이내 10분

불꽃인가 수직 수직 30도 30도배 기 온 도

305℃

적용시험항목 내연성 내연성내 연 성 ( K S

M3015 A법)

내연성(연소시

간)난연

판정불꽃이 자연

히 꺼질 것

불꽃이 자연

히 꺼질 것

-연소 25㎜이하

인 경우 불연성

-연소 25~100㎜

이하인 경우 자

기소화성

-연소거리가 25

㎜이하인 경우

난연성

-연소 25~100

㎜이하인 경우

자기소화성

- 난연 1급

- 난연 2급

- 난연 3급

- 5 -

국내ㆍ외에서 사용하고 있는 플라스틱 제품의 난연성 시험방법을 <표 2>에

나타내었으며, 그 시험방법에 있어 매우 유사하며 선진외국의 경우 열가소성 및 열

경화성 플라스틱류에 대해 UL 94를 동일하게 적용하고 있다.

<표 2> 국내ㆍ외 플라스틱 제품의 난연성 시험 방법

사양

항목

KS M3015 JIS 1322 UL 94

시료길이[㎜] 120 300 125~150

불꽃길이[㎜] 65 총 125, Blue 40±2

불꽃과 시료의

간격[㎜]

속불꽃이 시료에 직

접 닿도록76

속불꽃이 시료에 직

접 닿도록

버너 노즐 지름[㎜] 8.5~11.5 9.5±0.3㎜

인가시간 30초 이내10초, 20초, 30초,

1분, 3분5초×5회

불꽃인가 30도 45도 20±5도

적용시험항목내연성(KS M3015 A

법)난연성 (UL 94(5VA))

판정

- 연소 25㎜이하인

경우 불연성

- 연소 25~100㎜이하

인 경우 자기소화성

- 탄화길이

ㆍ방염1급 50㎜이하

2급100㎜이하

3급150㎜이하

잔진이 1분후 존재하

지 않을 것

끝까지 타지 않을 것

- 6 -

제 3장 화재성상 메커니즘 연구

제 1절 가연물질 연소반응시 활성화요인

1. 가연물질 최소발화에너지 분석

(가) 최소발화에너지 (M.I.E.: Minimum Ignition Energy)

최소발화에너지는 가연 물질을 발화시키는데 필요한 최소의 에너지로서 영

향 인자로는 온도, 압력, 조성 등이 있다. 각 인자들간의 상관관계를 살펴보면 최소

발화에너지는 온도가 증가함에 따라 직선적으로 감소하고 압력의 제곱승에 반비례하

며, 가연성 가스 비율이 이론상 당량비보다 약간 높은 조성(당량비=1.1~1.2)에서 최

저값을 나타낸다. 그리고 불활성가스를 첨가할 경우에는 연소한계는 동일하나 최소

발화에너지는 증가하는 양상을 나타낸다.

(나) 측정 계산법

콘덴서를 이용하는 방식에서 정전용량 C(F)의 콘덴서를 충전해 가면, 그 양

단의 전압은 시간에 따라 지수함수적으로 상승하고, 폭발 용기내의 전극간에서 방전

이 발생하게 된다. 이때의 전위를 V라고 할 때 최소발화에너지 E는 (1)식으로 산출

된다.

E =

CV2 …………………………………………………………………………(1)식

에너지의 단위로는 Joule이 일반적으로 사용되며, Cal 단위로 환산시 1Cal은 약

4.2Joule이 된다.

- 7 -

(다) 실험 방법

일반적으로 구형의 용기에 가연성 가스와 공기의 혼합가스를 주입하고 중간

에 콘덴서를 이용, 화염방전을 통해 착화에 필요한 최소한의 에너지를 측정하는 방

식을 사용한다. 다음 <그림 1(a)>는 측정법의 원리를 나타낸 것이고, <그림 1(b)>는

고압 전원으로부터 공급되는 전압을 시간에 따라 표현한 것이다.

<그림 1> 최소발화에너지 측정 장치 개략도

- 8 -

<표 3>은 가연성 기체 종류별 최소발화에너지의 이론값을 나타낸 것이다.

<표 3> M.I.E. of Flammable Gas

Flammable Gas MIE(10-1

J)

carbon disulfide 0.009

hydrogen 0.019

acetylene 0.019

hydrogen disulfide 0.061

ethylene 0.096

benzene 0.200

cyclohexane 0.220

butane 0.260

propane 0.260

methane 0.280

acetonitrile 6.000

ammonia 0.770

acetone 1.150

2. 연소 상하한계 분석

(가) 연소상한계 하한계에 관한 이론

물질이 연소할 때 필요한 가연성 기체와 공기 또는 산소와의 혼합가스 농도

범위를 연소한계(Flammable Limit)라 하며, 농도가 낮은 것을 하한계(Lower

Flammable Limit: L.F.L.), 높을 때를 상한계(Upper Flammable Limit: U.F.L.)라 한

다.

- 9 -

불연소 연소 불연소

0 100

가연성 기체의농도

연소하한계

연소상한계

단위:vol%

연소 한계는 실험을 통해 구할 수 있지만 실험에 의한 자료가 없어도 (2)식

과 (3)식과 같이 Jone식을 이용하여 대략적인 계산이 가능하다.

Jone식은 다음식으로 산출된다.

LFL= 0.55CST …………………………………………………………………………(2)식

UFL= 3.50CST …………………………………………………………………………(3)식

이때 CST는 연료와 공기로 혼합되어 완전연소가 일어날 수 있는 혼합기체에

대한 연료의 부피(%)이며, 대부분의 유기물에 의한 양론 계수는 (4)식과 같이 일반적

인 연소반응을 이용하여 결정된다.

CmHxOy+zO2 → mCO2+x/2H2O ……………………………………………………(4)식

위의 식으로부터 산소분자수인 z=m+x/4-y/2의 양론계수 관계를 얻을 수 있

으며, (O2몰수/연료 몰수)라는 단위로 표현된다. CST를 z에 대한 함수로 변환하기 위

한 절차로 (5)식과 같이 단위 변환 과정이 필요하다.

100)()(

)(´

+=

AirMolesFuelMolesFuelMolesCst ………………………………………………(5)식

)21.0

(1

100

))()(

)(21.01(1

100)()(1

100

2

z

FMolesOMoles

FMolesAMoles

+=

+=

+=

(5)식을 z로 치환하면 (6)식～(7)식이 산출된다.

- 10 -

………………………………………………(6)식

………………………………………………(7)식

또한, 혼합가스에서 연소 상·하한계는 Le Chatelier Equation인 (8 )식과 (9 )식

으로이용하여 계산할 수있다.

LFLmix=

………………………………………………………(8)식

UFLmix=

………………………………………………………(9)식

여기서 LFLi, UFLi은 연료와 공기 혼합기 중의 i요소의 연소 상·하한계(V%) 이며, Yi는

Combustible Species중의 i요소의 Mole Fraction, 그리고 n은 Combustible Species 의 수

를나타낸다.

<그림 2> Cst와 연소 한계 및 인화점과의 관계

- 11 -

(나) 실험 장치

가연성 가스의 연소한계를 측정하기 위한 실험장치를 <그림 3～4>에 나타내

었다. 본 실험 장치는 270ℓ용량의 가연성 가스 폭발 시험조로써 Vessel 외에 가연성

가스 실린더, 적산 유량계, 점화장치를 갖추고 있다. 또한 실험 장면을 정밀하게 기

록하기 위하여 고속 카메라를 연동시켜 설치하였다.

<그림 3> 연소한계 측정용 Vessel (270ℓ, 정면)

<그림 4> 연소한계 측정용 Vessel의 측면 파열판

- 12 -

(다) 실험 방법

기체의 경우, 270ℓ용량의 폭발시험기를 사용하여 연소 상․하한계를 측정하

였다. 시험에 사용된 기체가연물은 Alkane계 탄화수소 중 가정 및 산업용으로 많이

사용되는 methane, propane, butane의 3종이다. 가스의 화염전파 형상을 기록하기

위하여 초고속 카메라를 사용하여 실험장면을 영상화시켜 기록하였다.

<그림 5> 기체의 연소한계 측정장치 개략도

- 13 -

(라) 실험 결과

<표 4> 가연성 기체의 연소범위

Fuel molecular formula Lean limit Rich limit

acetal CH3CH(OC2H5)2 1.6 10

acetaldehyde CH3CHO 4.0 60

acetic acid CH3COOH 5.4

acetic anhydride (CH3CO)2O 2.7 10

acetanilide CSH9NO 1.0(calc)

acetone CH3COCH3 2.6 13

acetophenone C6H5COCH3 1.1(calc)

acetylacetone CH3COCH2COCH3 1.7(calc)

acetyl chloride CH3COCl 5.0(calc)

acetylene C2H2 2.5 100

acrolein CH2=CHCHO 2.8 31

acrylonitrile CH2=CHCN 3.0

acetone cyanohydrin CH3COCH3 2.2 12

adipic acid HO2C(CH2)4CO2H 1.6(calc)

aldol CH3CH(OH)CH2CHO 2.0(calc)

amyl nitrite (CH3)2CHCH2CH2ONO 1.0(calc)

aniline C6H7N 1.2 8.3

anthracene C14H10 0.65

benzene C6H6 1.3 7.9

biphenyl C12H10 0.70

bromobenzene C6H5Br 1.6

butyric acid CH3CH2CH2COOH 2.1

chlorobenzene C6H5Cl 1.4

cumene C6H5CH(CH3)2 0.88 6.5

cyclobutane C4H8 1.8

cyclohexane C6H12 1.3 7.8

cyclohexanol C6H12O 1.2(calc)

cyclopentane C5H10 1.5

cyclopropane C3H6 2.4 10.4

- 14 -

Fuel molecular formula Lean limit Rich limit

dimethyl ether C2H6O 3.4 27

dioxane C4H8O2 2.0 22

diphenylamine (C6H5)2NH 0.7(calc)

ethane C2H6 3.0 12.4

ethyl acetate CH3COOC2H5 2.2 11

ethyl alcohol CH3CH2OH 3.3 19

ethyl amine CH3H2NH2 3.5

ethyl benzene C6H5C2H5 1.0 6.7

ethyl chloride CH3CH2Cl 3.8

ethylene C2H4 2.7 36

ethylene glycol HO(CH2)2OH 3.5(calc)

ethylene oxide C2H4O 3.6 100

hydrogen cyanide HCN 5.6 40

methyl acetate CH3COOCH3 3.2 16

methylamine CH3NH2 4.2(calc)

methyl bromide CH3Br 10 15

methyl butyl ketone CH3COC4H9 1.2 8.0

methyl chloride CH3Cl 7(calc)

methyl ethyl ketone CH3COC2H5 1.9 10

naphthalene C10H8 0.88 5.9

nicotine C10H14N2 0.75(calc)

nitroethane CH3CH2NO2 3.4

paraldehyde (CH3CHO)3 1.3

phthalic anhydride C8H4O3 1.2 9.2

propane CH3CH2CH3 2.1 9.5

propylene CH3CH=CH2 2.4 11

pyridine C5H5N 1.8 12

quinoline C9H7N 1.0(calc)

styrene C6H5CH=CH2 1.1

tetralin C10H12 0.84 50

toluene C7H8 1.2 7.1

trichloroethylene CHCl＝CCl2 12 40

vinyl acetate CH3COOCH＝CH2 2.6

vinyl chloride CH2＝CHCl 3.6 33

<표 5> 가연성 가스의 연소범위 실험치

FuelLean limit Rich limit

문헌치 실험치 문헌치 실험치

methane 5 5.3 15 15.7

propane 2.1 2.8 9.5 8.7

butane 1.8 2.1 8.4 7.7

- 15 -

3. 가연물별 M.O.C 분석

(가) 최소산소농도(Minimum Oxygen for Combustion)

연소하한계는 공기 또는 산소중의 연료량을 기준으로 하지만 폭발에 있어서

산소 농도의 양이 중요한 요소가 된다. 화염이 전파되기 위해서는 최소한의 산소 농

도가 요구된다. 즉, 가연성혼합물의 산소 농도가 감소하면 화염이 전파되지 않는다.

따라서 폭발의 예방은 가연물의 농도와 관계없이 산소량의 적절한 조절로 가능하며,

방폭을 위해서는 최소산소농도가 매우 중요하다. 최소산소농도(M.O.C.)는 공기와 연

료의 혼합물에서 산소 농도 %의 단위로 표현된다. 실험 자료가 충분하지 못할 경우

M.O.C. 값은 가연물과 산소의 완전연소반응식에서 산소의 양론계수(Stoichiometric

Coefficient of Oxygen)와 연소하한계(L.F.L.)의 곱을 이용하여 예측하며, 이 방법은

대부분의 탄화수소에 적용될 수 있다.

(나) M.O.C. 계산방법

M.O.C.는 다음식에 의해 계산할 수 있다.

MOC=(O2 moles of Completely Combustion)×(LFL)………………………………(10)식

다시 말해,

MOC=( 완전연소에 필요한 산소의 몰 수가연성 가스의 몰 수 )×( 가연성 가스의 몰 수가연성 가스의 몰 수+공기의 몰 수 )…………………(11)식

이 개념은 불활성(Inerting) 공정의 기초가 된다. 불활성이란 가연성혼합가스

에 불활성가스를 주입하여 산소의 농도를 연소하기 위한 최소산소농도 이하로 낮게

하는 공정으로 불활성가스로는 질소, 이산화탄소, 또는 수증기 등이 사용된다. 대부

분의 가연성 혼합가스의 M.O.C.는 10%정도이다. M.O.C. 계산을 위한 문헌조사를 통

하여 가연성가스 60여종(일부 액체 포함)의 연소한계를 조사하였으며, 이 결과를 토

대로 가연성 가스의 M.O.C.를 계산하였다.

- 16 -

(다) M.O.C. 조사 분석 결과

다음의 <표 6>에 가연성가스별 분자구조와 M.O.C. 조사결과를 나타내었다.

<표 6> M.O.C. 조사분석 결과

fuel molecular formula MOC Exp.

Methane CH4 12

Ethane C2H6 11

Propane C3H8 11.5

n-Butane C4H10 12

Iso-Butane C4H10 12

n-Pentane C5H12 12

Iso-Pentane C5H12 12

n-Hexane C6H14 12

n-Heptane C7H16 11.5

Ethylene C2H4 10

Propylene C3H6 11.5

1-Butene C4H8 11.5

Iso-Butylene C4H8 12

Butadiene C4H6 10.5

3-Methy-1-Butene C5H10 11.5

Benzene C6H6 11.4

Toluene C7H8 9.5

Styrene C8H8 9.0

Ethylbenzene C8H10 9.0

Vinyltoluene C9H10 9.0

Di-Vinylbenzene C10H10 8.5

Di-Ethylbenzene(Para) C10H14 8.5

Cyclopropane C3H6 11.5

n-Buthl Chloride C4H9Cl 14

Methylene Chloride CH2Cl2 19(30℃)

Ethylene Di-Chloride C2H4Cl2 13

1.1.1-Trichloro Thane C2H3Cl3 14

Vinyl chloride C2H3Cl 13.4

Vinylidiene chloride CH2Cl2 15

- 17 -

4. L.O.I 분석

(가) 시험편 제조

Pellet 형 고분자 수지를 60℃로 유지되는 항온 건조기에서 24시간 동안 건조시킨

후, 난연제를 5%첨가하여 Double Cone Mixer (see <그림 6>)를 사용하여 30rpm,

30분 동안 혼합하고 <그림 7>의 single screw extruder를 사용하여 압출하였다. 압출

된 고분자 수지 혼합물을 pellet 형태로 제작한 후, 다시 건조하였다. 제작 건조된

pellet을 압착성형기에서 5kg/cm2의 압력으로 4시간 동안 가열, 냉각시켜 판상의 성

형체를 제작하였으며, 각 시험 규격에 적합한 시험편을 가동하였다.

<그림 6> Double Cone Mixer

- 18 -

<그림 7> Single Screw Extruder

<그림 8>시험편 제조공정

- 19 -

(나) L.O.I.(Limiting Oxygen Index) 시험장치 및 방법

ASTM D 2863-91에 의거하여 L.O.I.시험기를 사용하여 6×6×120(mm)시험편을 제작

하여 75mm내경의 관에 유속 4cm/min, 유량 11ℓ/min. 으로 산소, 질소 혼합가스를

방출하여 하방연소시켜 고분자 수지의 L.O.I.수치를 측정하였다.

<그림 9>L.O.I. 측정 장치

<그림 10> L.O.I. 시험편

- 20 -

No. Plastic Additive L.O.I. 난연등급

1 ABS - 23.0 난연 4급

2 ABS Ammonium phosphate 27.6 난연 2급

3 ABS Ammonium bromide 25.8 난연 3급

4 ABS Magnesium hydroxide 28.6 난연 2급

5 ABS Antimony trioxide 29.3 난연 2급

6 ABS Borax 29.7 난연 2급

7 ABS Hexabromocyclododecan × -

8 Acrylic - 17.0 난연 4급 이하

9 Acrylic Ammonium phosphate 24.6 난연 3급

10 Acrylic Ammonium bromide 26.7 난연 3급

11 Acrylic Magnesium hydroxide 31.7 난연 1급

12 Acrylic Antimony trioxide 28.7 난연 2급

13 Acrylic Borax 30.2 난연 1급

14 Acrylic Hexabromocyclododecan × -

15 PP - 22 난연 4급

16 PP Ammonium phosphate 28.1 난연 2급

17 PP Ammonium bromide 26.3 난연 3급

18 PP Magnesium hydroxide 28.4 난연 2급

19 PP Antimony trioxide 29.3 난연 2급

20 PP Borax 27.6 난연 2급

21 PP Hexabromocyclododecan × -

22 PVC - 19.5 난연 4급 이하

23 PVC Ammonium phosphate 22.4 난연 4급

24 PVC Ammonium bromide 27.6 난연 2급

25 PVC Magnesium hydroxide 24.7 난연 3급

26 PVC Antimony trioxide 23.5 난연 4급

27 PVC Borax 25.7 난연 3급

28 PVC Hexabromocyclododecan × -

29 HDPE - 15.7 난연 4급 이하

30 HDPE Ammonium phosphate 29.7 난연 2급

31 HDPE Ammonium bromide 27.4 난연 2급

32 HDPE Magnesium hydroxide 28.1 난연 2급

33 HDPE Antimony trioxide 25.4 난연 3급

34 HDPE Borax 24.8 난연 3급

35 HDPE Hexabromocyclododecan × -

36 PC - × -

37 PC Ammonium phosphate × -

38 PC Ammonium bromide × -

39 PC Magnesium hydroxide × -

40 PC Antimony trioxide × -

41 PC Borax × -

(다) L.O.I. 시험 결과

L.O.I.시험을 각 시험편별로 7회 실시하여 그 평균값과 JIS D 1201에 따른 난연등

급을 <표 7>에 나타내었다.

<표 7> L.O.I. 시험 측정 평균값

- 21 -

No. Plastic Additive L.O.I. 난연등급

42 PC Hexabromocyclododecan × -

43 PET - × -

44 PET Ammonium phosphate × -

45 PET Ammonium bromide × -

46 PET Magnesium hydroxide × -

47 PET Antimony trioxide × -

48 PET Borax × -

49 PET Hexabromocyclododecan × -

JIS D 1201에서는 산소지수로부터 난연등급을 구분하고 있다. 이에 따르면 Pure

상태(No. 1, 8, 15, 22, 29)에서의 난연 등급은 4급 이하를 나타내고 있지만 난연제를

첨가한 후 그 결과는 등급이 상승한 것을 알 수 있다. Smoke Density 실험 결과와

비슷한 양상을 L.O.I에서도 나타냈다.

<표 8> JIS D 1201에 따른 산소지수에 의한 난연성 구분

구분 산소지수

난연 1급

난연 2급

난연 3급

난연 4급

산소지수 30 ～ 인 것

산소지수 27 ～ 30인 것

산소지수 24 ～ 27인 것

산소지수 21 ～ 24인 것

- 22 -

제 2절 가연물의 연소 메커니즘 특성

1. 가연성 기체의 연소 메커니즘 분석

(가) 예혼합, 확산연소

1) 확산화염

확산화염이란 연료가스와 산소의 농도 차이에 의해 반응대(reaction zone)로

이동하여 연소하는 과정이다. 이 이동과정을 확산(diffusion)이라고 하며, Fick's Law

즉, 혼합기에서는 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다는 법칙에 지배된다. 화

학반응에 의하여 화염대에서 산소가 소모되면 공기 중의 산소는 화염 쪽으로 이동한

다. 또한 연료는 화염의 반대쪽에서 산소와 같은 원리로 화염대로 이동하며, 연소생

성물은 화염대에서 양방향으로 확산하게 된다. <그림 11>은 이러한 과정을 나타낸

것이다.

<그림 11> 확산화염의 개념도

자연적으로 발생하는 대부분의 불꽃화재는 확산화염이며, 그 대표적인 예가

성냥불과 촛불이다. 양초의 경우 화염에 의해 왁스가 용해되고 모세관 현상에 의하

여 심지로 이동한다. 화염은 왁스를 기화시키고 발생된 열에 의하여 목재가 기상 연

료와 숯(char)으로 분해되는 데, 이러한 과정을 열분해(pyrolysis)라고 한다. 촛불은

전형적인 층류확산화염(laminar diffusion flame)으로서, 순수한 분자 확산에 의하여

지배된다. 반면 높이가 1피트 이상인 화염은 유체역학적인 비정상 상태의 불규칙성

을 갖고 있으며, 연기와 화염에서 볼 수 있는 소용돌이(eddy)에 의하여 확인될 수

있다. 이것을 난류라고 하며, 이러한 특성을 가지는 확산화염을 난류 확산화염이라고

한다. <그림 12>

- 23 -

<그림 12> 난류 확산화염의 모습

메탄을 연료로 사용한 층류 확산화염에 대한 실험은 Kermit, Smyth 등에 의

해 수행되었다. 이 화염은 <그림 13>와 같이 메탄과 공기의 유량을 조절하면서 설계

되었는데, 이 버너를 Slot Burner라 하며 촛불의 원추형 화염에 비하여 평면화염의

특성을 갖으나 화재역학적 현상은 동일하다. 화염을 정량적으로 분석하기 위하여 화

염의 여러 지점을 측정하는 방법이 사용되었으며, 정량화 기법을 도입할 수 있게 되

었다.

<그림 13> 슬롯 버너 화염과 측정 기구들의 배치

- 24 -

열전대를 이용하여 화염영역 9mm 높이를 가로질러 온도를 측정한 결과를

<그림 14>에 나타내었다. 발광화염 영역 내의 다른 높이에서 측정해도 결과들은 비

슷하며, 이 결과로부터 확산화염은 두 면이 존재한다는 것을 알 수 있다. 열전대에

의한 약간의 열손실과 화염의 냉각효과로 반응대의 최고 온도를 정확하게 측정하기

는 어렵다. 그래서 최고 온도 값이 대략 1,700˚C로 나타나고 있지만 실제는 1,900˚C

에서 2,000˚C 범위일 가능성이 높다. 이 최고 온도 값의 위치는 반응대의 위치를 나

타내며, 이것은 촛불의 밝은 황색 부분에 해당된다. 화염 내부 온도는 반응대에서 내

부로의 열전도에 의한 것이며 바깥쪽 온도는 결국 외부 공기의 온도와 같아지게 된

다. 이에 상응하는 수직 방향으로 흐름의 속도를 <그림 15>에 나타내었으며, 주로

작용인자는 부력에 의해 결정된다.

<그림 14> 층류 확산화염 단면의 온도

<그림 15> 층류 확산화염의 수직 흐름속도

- 25 -

특수한 레이저 광학기술을 이용하여 Smyth 등은 가시화염(visible flame),

OH 라디칼(radical), 수트(검댕, soot)를 촬영하였다. OH 라디칼은 반응대의 중심부

에서 일시 존재하는 화학종으로 이들 라디칼은 화염의 양측, 즉 공기 쪽으로 확장되

어 있다. Soot 또는 양초 화염에서의 검은 연기는 화염의 발광대(luminous flame

zone)로부터 나오는데 이러한 현상은 <그림 16>를 통해 명확히 알 수 있다. 일반적

으로 Soot는 확산 화염의 연료측에서 형성된다. 메탄이 화염으로 확산되어 가는 도

중 가열되는 복잡한 과정에서 형성되는데, 이러한 강한 가열에 의하여 메탄(CH4) 분

자가 깨어져서 많은 다른 탄화수소 분자로 열분해 되는데 아세틸렌(C2H2) 그리고 다

른 전구체의 형태와 soot(대부분 탄소원자)가 생성된다. 고체 탄소원자인 soot는 화염

대로 이동하여 주로 OH에 의해 산화, 소모되며 가시화염의 황색 발광에 의해 이러

한 산화를 알 수 있다.

<그림 16> 층류 확산화염에서 화염 반응과 soot의 영역

- 26 -

2) 난류 확산화염

화재사고에 의해 발생되는 자연적인 확산화염은 대부분 난류이다. <그림 17>

과 같은 양상으로 난류화염의 온도변화는 시간에 따라 fluctuation하기 때문에 일반

적으로 형성되는 온도는 평균값으로 표현하게 된다. 따라서 특정 위치에서 온도를

측정하고자 할 경우에는 풍속, 장애물 등에 의해 온도 변화폭이 크기 때문에 평균값

을 실측하여 기록하게 되며, 보통 그 값은 약 800℃에서 1,000℃가 된다.

<그림 17> 난류화염 온도변화

- 27 -

(나) 예혼합화염

예혼합화염이란 점화 이전에 연료와 공기가 미리 혼합되어 있는 상태에서

연소가 일어나는 과정이다. 구획된 공간에서 이러한 연소과정이 발생하면 급격한 압

력의 증가에 의하여 폭발이 일어난다. 화염전파 이후에 충분한 압력이 형성되면, 충

격파가 화염보다 앞서서 형성될 수 있다. 이러한 현상을 폭굉(Detonation)이라고 부

른다. 결국 폭굉이 형성되면 대피해를 가져올 뿐만 아니라, 압력에 의하여 화염의 속

도가 급격히 가속될 수 있다.

가스연료는 일정한 농도 범위 내에서 점화가 가능하며 공기 중의 모든 연료

가스는 화염전파가 가능한 연소상한계(U.F.L.)와 연소하한계(L.F.L.)가 있다. 일반적으

로 대기압, 25℃에서 계산되는 이 값은 <그림 18>과 같이 온도에 따라 약간 변한다.

주어진 온도에서 연소상한과 하한이 있는 것을 알 수 있다. 이 범위에서는 작은 에

너지원에 의해서도 점화가 일어날 수 있으며, 층류의 경우 일반적으로 1m/s보다 작

은 값을 갖는다. 그리고 연료혼합물의 온도가 변화하면, L.F.L.과 U.F.L.은 약간 변화

되지만 아주 낮은 온도에서 연료는 응축하여 작은 물방울 형태로 된다. 이 물방울

형태의 혼합물도 연소한계를 갖는다. L.F.L.에서 연료가 액체로 응축되기 바로 전의

온도(T.L.)를 인화점(flash-point)이라 한다. 이런 점화 과정에서 화염 또는 전기불꽃과

같은 에너지 공급원을 필요로 하지만 그것은 1mJ 이하로서 아주 작다.

이와는 달리 충분히 높은 온도에서는 연료-공기 혼합물은 다른 에너지 공급

원이 없어도 점화될 수 있다. 자연발화 현상을 일으키는 가장 낮은 온도를 자동발화

온도(A.I.T.; Auto Ignition Temperature)라 한다. L.F.L.과 U.F.L.의 몰농도(부피비%)

값과 자연발화 온도는 <표 9>와 같다. 연료-공기 혼합물이 인화하여 일단 화염이 전

파되기 시작되면 층류 상태에서 대략 0.1～0.5m/s의 속도가 된다. 즉, 화염전파 속도

는 층류의 경우 전형적으로 0.1～0.5m/s의 범위에 있다. 난류가 발생하면, 화염은 주

름상이 되어 더 큰 표면적이 되므로 더 많은 에너지를 갖게 되어 화염전파 속도는

증가한다. 극단적인 경우 압력에 의해 형성된 폭굉(Detonation)을 일으킬 수 있는 화

염의 속도는 2,000m/s 이상으로 가속된다. <표 9>는 폭굉의 한계를 측정한 값을 나

타낸 것이며, <표 10>으로부터 폭굉 한계는 일반적으로 연소한계 내에 있음을 알 수

있다.

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<그림 18> 가연성혼합기의 온도 의존성

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<표 9> 실온 대기압 상태에서 공기중 연료의 연소범위

물질명 하한계(%) 상한계(%) 발화온도(℃)

Acetylene 2.5 100 305

Benzene 1.3 7.9 560

n-Butane 1.8 8.4 405

Carbon Monoxide 12.5 74 -

Ethylene 2.7 36 490

n-Heptane 1.05 6.7 215

Hydrogen 4.0 75 400

Methane 5.0 15.0 540

Propane 2.1 9.5 450

Trichlorethylene 40 40 420

<표 10> 실온 대기압 상태에서 공기중 연료의 폭굉 범위

물질 조건 하한계(%) 상한계(%) 폭굉속도(m/s)

Hydrogen in pure O2 15 90 2,821

Hydrogen in air 18.3 59 -

CO in pure moist O2 38 90 1,264

Propane in pure O2 3.2 37 2,280,2,600

Acetylene in air 4.2 50 -

Acetylene in pure O2 3.5 92 2,716

- 30 -

(다) 실험장치

본 실험장치는 가연성 기체의 화염 성상을 고찰하기 위한 장치로써 O2, N2

실린더의 가스를 공급 받아 이들의 분압을 조절하여 실린더에 공급할 수 있도록 설

계되어 있다. 실린더 내부의 기체연소성상의 변화를 측정하기 위하여 Digital 영상분

석 시스템을 사용하였으며, 디지털 온도기록계로 화염온도를 측정하였다.

<그림 19> 화재성상 측정용 유체 실린더

<그림 20> 산소, 질소 분압 조절장치

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<그림 21> 디지털 온도 기록계

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(라) 실험방법

기체의 예혼합 및 확산 연소시 화염의 형상 및 특성을 비교하기 위하여 다

음 그림과 같은 장치를 사용하였으며, 실험용 gas로는 methane, propane, butane 3

종을 사용하였다.

<그림 22> 가연성 기체의 화염성상 실험 장치 개략도

(마) 실험 결과

<표 11>는 실험에 사용된 가연성 기체의 연소분위기 변화에 따른 화염성상을 실

험한 결과를 나타낸 것이다.

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<표 11> 예혼합연소, 확산연소-연소특성 비교

물질명 산소/질소화염온도 ( )k〫 화염길이

(1ℓ/min.)문헌치 실측치

methane

21/79

2226

1579 22cm

60/40 2084 3cm

예혼합 2021 7cm

propane

21/79

2267

1478 26cm

60/40 2022 5cm

예혼합 1987 9cm

butane

21/79

2270

1583 27cm

60/40 1969 5cm

예혼합 2017 10cm

주1) 예혼합연소시 methane, propane, butane의 당량비 1로 설정함.

주2) Stephen R. Turns, " An Introduction to Combustion.

실험결과에서 문헌치와 실측치가 다소 다르게 측정된 것은 연소 시험장소의

분위기 및 시험장치 세팅에서 오차가 발생되었기 때문인 것으로 사료된다. 실측치

모두 공기 중에서의 연소시보다 산소농도 60%에서의 연소시 화염온도가 높게 측정

되었으며, 가장 높은 화염온도는 당량비의 예혼합연소에서 나타났다. 화염 길이는 공

기 중 연소에서 가장 길게 나타났으며, 이는 공기중 산소량이 다른 실험에서의 그것

보다 낮기 때문에 연료에 충분한 산소공급이 이루어지지 않았기 때문인 것으로 해석

된다. 반면, 공기중 산소농소 60% 및 예혼합연소에서의 화염길이가 매우 짧게 나타

난 원인은 충분한 산소 공급에 따라 연소가 매우 빠르게 이루어 졌으며, 이에 따라

화염온도가 비교적 높게 측정되었다.

<그림 23>는 화염 성상실험에 따른 실험사진을 나타낸 것이다. <그림 23(a)>

는 프로판의 공기중 연소시 화염의 성상을 나타낸 것으로써 약 22cm의 화염길이를

보이고 있다. <그림 23(b)>는 공기 중 산소농도 60% 분위기에서의 프로판 화염 성상

을 나타낸 것이다.

(a) 공기중 (b) 산소 60%분위기 (c) 당량비 1

<그림 23> 각 조건에서의 프로판 연소시 화염 형상

- 34 -

2. 가연성 액체의 연소메커니즘 분석

(가) pool fire 이론

1) 액면상의 연소 확대

가연성 액체는 액면상의 한점에서 착화가 일어나면 화염은 액면을 따라서

일정한 속도로 번져 나간다. 이 현상을 연소확대라고 하며, 그 거동은 액체 온도가

액체의 인화점보다 낮은가, 높은가에 따라 변화된다. 액온이 인화점보다 높은 경우에

는, 액면상의 증기는 어떤 위치에서 가연범위에 들어 있는 농도영역이 존재한다. 따

라서 착화가 발생하면 화염은 그 증기층을 통해서 전파해 간다. 이 화염 전파의 구

조는 관속의 가연성 혼합기의 화염전파와 비슷한 것으로서, 약간의 차이는 증기공간

에 농도 구배가 있고 또한 윗면이 대기에 개방되어 있다는 것이다. 이 형식의 연소

확대를 예혼합형 전파라고 하며, 전파속도는 액체의 종류에 따라 일정한 값을 가지

면서, 액체온도와 함께 증가한다. 그러나 증기상의 농도가 연료증기와 공기사이의 화

학양론혼합비가 되는 액체온도를 넣으면 연소확대속도는 그 이상 증가하지 않고 후

에는 일정한 값을 유지한다. 그러므로 그 속도에는 치대치가 있어서 액체온도가 높

아짐에 따라 계속 증가한다고 할 수는 없다. 일반적인 탄화수소나 알콜에서 이 값은

200cm/s 전후이며, 최대속도 Vm과 같은 연료의 예혼합기의 층류연소속도 Su와의 사

이에는, 다음과 같은 관계가 있다.

Vm=AS u(ρ u /ρ f)1/2, A=2∼3 ……………………………………………………(12)식

여기서 ρ u와 ρ f는 각각 액온 및 화염 온도에 있어서의 증기의 밀도이다. 액온이 인

화점보다 낮은 경우에는, 액면 위에 가연범위에 들어가는 증기층이 형성되지 않으므

로 부분적으로 액체를 가열해서 착화하여도 그대로 연소가 확대되지 않는다. 그러나

약간 시간이 경과하면, 스스로의 화염에 의하여 미연소 액면이 예열되므로 연소확대

가 시작된다. 이는 인화점이 40℃ 부근인 백등유를 상온에서 착화하면 계속 연소하

는 것에서도 알 수 있다. 이 형식의 연소확대를 예열형 전파라고 한다. 예열을 위한

전열은 화염 전방과 같은 방향으로 진행하는 표면류에 의하지만, 이 흐름은 화염의

맨 앞부분부터 전방에 이르는 액면상의 표면장력의 구배에 기인하므로 표면장력 구

동류라고 한다. <그림 24>의 점선으로 표시된 것과 같은 구조를 가지고 화염으로부

터 멀어짐에 따라 온도다 저하하여 부력을 잃기 때문에 흐름은 순환한다. 연소확대

는 따뜻한 표면류에 의하여 차가운 미연액체가 가열되어 인화점에 도달하면, 화염은

그 위치까지 이동한다고 하는 형식을 취한다.

- 35 -

<그림 24> 액면상의 화염전파에 선행되는 표면류

그러나 일반적으로 표면류의 이동에 비하여, 기상 중의 화염 전파는 빠르므

로 이러한 상황하의 연소확대에서 화염은 곧바로 표면류의 맨 앞부분에 따라 붙어,

거기에서 다시 표면류의 발생을 기다려 진행하게 된다. 이 때문에 액온이 인화점보

다 낮을 경우, 화염은 일정한 속도로 진행되지 않고 가속과 감속을 반복하여 맥동적

이 된다. <그림 25>의 빗금은 이 거동을 표시한 흐름을 나타낸 것으로, 화염이 표면

류에 따라 붙어서 다시 표면류가 발생하는 모습을 볼 수 있다.

<그림 25> 메탄올의 맥동적 연소확대 (흐름사진법, -30℃, 1차원전파)

- 36 -

2) Pool fire

용기나 저장조 내와 같이 치수가 정해진 상태에서 액면 위에서 타는 석유화

재를 액면화재라고 하며, 각종 액체에 대하여 관련 인자인 액면강하속도, 액면아래

온도 분포, 화염높이, 바람에 의한 화염 경사 등의 연소특성에 관한 세부내용이 구축

되어 있다.

가) 액면강하속도

액면화재에 있어 연소속도는 일반적으로 액면 강하속도로 표시된다. 이 값은

용기의 치수에 의존하며, 치수가 작을 때는 용기 직경의 증가에 따라서 액면강하속

도는 감소하지만, 용기가 커져서 거의 1m를 넘는 정도가 되면 용기 직경에 무관하

게 일정해지는 것으로 알려져 있다. 이 변화는 화염 상태와도 일치하며, 용기가 작은

경우에는 단일 층류화염을 형성하지만, 액면강하속도가 용기직경과 무관한 영역에서

의 화염은 불규칙한 형상의 난류화염이 된다. 이와 같은 전이가 생기는 이유는 열전

달기구가 용기 크기에 따라 변하기 때문이다.

화염으로부터 액면으로의 열전달 형식으로써 용기의 측벽을 통한 열전도, 액

면상의 기체 대류, 화염방사의 세 가지를 고려해서 다음의 식으로 표현이 가능하다.

V l=1

ρ lHv{ Kd (T f-T b)+(U(T f-TB)+(σF(T4

f-T4b)(1-e-xd)} ……………………(13)식

- 37 -

여기서,

V l = 액면강하속도

ρ l = 액체밀도

Hv = 액체의 증발잠열

K = 증기의 열전도율

d = 용기 직경

T f, T b = 화염 및 액면 온도

U = 대류전열계수

σ = 스테판 볼츠만상수

F = 화염과 액면사이형태계수

x = 복사의 화염구스에 의한 흡수계수를 나타낸다.

우변 제 3항의 지수항은 복사율을 흡수계수로 바꾸어 놓고, 다시 화염 두께

는 용기직경에 비례한다고 가정해서 변형한 것이다. 위 식은 용기가 작은 경우에는

전도항, 커지면 열복사항이 지배한다. 또한 화염의 상태는 액면상 증기의 movement

에 관한 레이놀즈수 R e≡Vgd/ν의 변화를 통해 예측할 수 있다.

여기서,

ν는 증기의 동점성계수

Vg = 증기의 이동속도

기액의 연속식 = { Vgρ g=V lρ l }

ρ g = 증기 밀도

ρ l = 액체 밀도

V l = 연소에 의한 액면강하속도

일반적으로 저장조의 화재는 용기가 크므로 위 식의 우변 제 3항만이 중요

하기 때문에 다음과 같이 간략화할 수 있다.

V l, ∞= ρFT 4f/(ρ lHv)……………………………………………………………………(14)식

우변 분자를 구성하는 복사열량은 화염중에서 발생하는 전열량의 일정비율

- 38 -

을 차지한다고 가정하면, 이 항은 연료의 연소열 H c에 비례한다. 따라서, 큰 용기의

액면강하속도는 연소열과 증발열의 비에 관계되며, 대다수의 탄화수소에서 성립된다.

나) 액면 아래의 온도 분포

석유화재에 있어서 온도가 가장 높은 곳은 화염의 중심부이며, 이때의 온도

는 약 1,400~1,500℃ 정도이다. 액면에서는 비점이 되고 액체내는 다시 지수함수에

따라서 서서히 감소한다. 화염이라고 하는 열원이 상단에 존재하고 액체내에서는 큰

대류가 발생하지 않는다고 가정하면 액면으로부터 매우 근접부의 액체의 온도는 처

음 온도와 비교하여 거의 변하지 않는다.

<그림 26> 액면하의 온도분포 계산 좌표계

이 모양을 정량적으로 조사하려면 <그림 26>에 나타낸 것과 같이 액면강화

와 같은 속도로 이동하는 좌표계를 사용한 액체내의 열전도 방정식을 적용하면 된

다. 화염으로부터의 열복사는 액면에 도달하고 액내에서는 Beer 법칙에 따라 감소하

는 것을 고려하면, 정상 1차원으로 해서

λ ld 2Tdx2 +cρ lV l

dTdx

+αx exp (-xx)= 0 ……………………………………………(15)식

이 된다.

여기서,

T = 온도

- 39 -

x = 액면에 수직방향 좌표

c = 액체의 비열

ρ l = 액체 밀도

λ l = 액체 열전도율

V l = 액면강하속도

x = 화염복사의 액체에 대한 흡수계수

α = 비례상수를 나타낸다.

이 경우 경계조건은 최초 액온을 T 0, 비점을 T b로 하여

(T) x= 0=T b,(T) x= ∞=T 0……………………………………………………………(16)식

이므로 정리하면 다음과 같다.

T=T 0+(T b-T 0)e- βx+

αλ l(β-x)

(e-xx-e - βx),…………………………………(17)식

β≡cρ lVl/λ l

위 식의 우변 3항은 열복사의 액내로의 흡수를 나타내며, 알콜화염과 같은

불휘염의 경우 혹은 흡수계수가 커서 복사가 액표면에서 거의 모두 흡수되는 경우에

는 소실된다. 따라서 액면 연소에 있어서 액면 아래의 온도 분포는 대개 지수 곡선

을 따라서 저하되며 이 경향은 액면강하속도가 큰 액체에서 현저히 나타남을 알 수

있다.

- 40 -

다) 화염높이와 바람에 의한 경사

석유화재에 있어 화염의 높이는 재해와 관련하여 매우 중요한 인자로서 두

가지 방법에 의해 추정을 하여 왔다. 첫 번째 방법은 가스연료에 대한 난류확산화염

의 유추에서 난류화염을 동반한 영역에서는, 용기 직경으로 무차원화한 액면화재의

화염 길이는 용기치수에 관계없이 일정하게 된다고 하는 것으로써 <그림 27>의 실

험 결과에 기초를 둔다.

<그림 27> 용기치수에 따른 무차원 화염길이의 변화

두 번째 방법은 무차원 화염길이가 Froude 수, F r의 함수로서 다음 식과 같

은 관계식으로 나타내는 것이다.

L/d=AF 1/5r , F r≡V2

g/gd ……………………………………………………………(18)식

여기서,

L = 화염 길이

d = 용기직경

Vg = 액면상의 증기속도

g = 중력가속도

A = 상수

한편 바람에 의한 화염의 경사에 대해서는 아래의 주어진 식과 같이, 액면의

수직선과 화염측 사이의 각 θ의 tan값은 풍속 W의 제곱에 비례하고 용기직경 d에

반비례한다는 관계가 자주 사용되고 있다.

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tanθ∼W2/(gd) …………………………………………………………………………(19)식

이 관계식은 <그림 28>의 모델에 기초하여 부력, 저항력, 연료증기의 운동량

의 수지로부터 구해진 것이다.

즉, 이 모델에서 얻어지는

부력 F b=(π d 2/4)Lcosθ(ρ a-ρ g)g sinθ

저항력 F d=-(dL cosθ)C f(ρ aW2/2) cosθ

운동량 (Mv) f=(πd 2/4)Vgρ g⋅Vgsinθ

인 관계를 그 평형의 식 (FB+FD)+(MV)F=0 에 대입하고, W≫Vg, ρ a≫ρ g등의

가정을 사용해서 유도된 식이다. 식 중 ρ a , ρ g는 각각 공기와 화염내 가스밀도, C f

는 저항계수를 표시하지만 유입공기의 운동량은 공기가 주위로부터 같은 형태로 들

어간다고 가정하여 무시하였다. 그러나 이 이론은 실험결과와는 반드시 일치하지는

않으며 실측치와 일치하려면 오히려 tanθ∼{W2/(gd)} n으로 두어 n을 적당하게 정하

는 것이 맞다.

<그림 28> 바람에 의한 액면확산화염의 경사모델

- 42 -

라) 화염 특성과 호흡

액면 연소에 의해 발생하는 화염은 용기가 10cm보다 작은 경우일수록 층류

화염이 발생하지만 용기가 그것보다 커지면 난류형상이 되며 석유화재 등에서 격렬

한 흑연의 발생을 동반한다. 이러한 발연의 원인은 공기의 공급 부족에 기인한 것으

로 용기의 증대와 연료의 탄소 수 증가에 따라 현저하게 되며, 특히 방향족계의 탄

화수소에는 그을음이 많다. 용기 치수와 불완전연소의 관계는 연료증기의 발생이 면

적에 비례하고, 또한 공기유입은 용기의 둘레길이에 비례하므로 대부분 용기 직경에

반비례해서 발연은 증가하는 것으로 나타난다. 따라서 대규모 석유화재인 경우 화염

양상은 변화가 심하며, 직경이 수십미터에 이르는 화재에서 화염은 흑연속에 발광부

가 산재하는 상태로 된다. 이때 화염으로부터 열복사는 발광부가 화염 전면에 있다

고 가정한 경우보다 현저하게 저하한다. 일반적으로 화염 특성의 용기치수에 다른

변화를 고려하는 것은 석유화재의 위험 평가 등에서 중요하지만 실험결과를 종합하

면 화염의 양상이 현저하게 변하는 저장조 직경은 5m 전후가 된다.

이와 같은 규모의 큰 석유화재인 경우, 화염은 특징적인 호흡을 동반한다.

이 호흡은 매우 규칙적으로 거의 수초의 주기를 가지고 저장조 직경과 함께 다음 식

에 따라서 길어진다.

( t/τ)(d/g) 1/2=π ………………………………………………………………………(20)식

식에서 τ는 호흡의 주기, d는 용기 직경, g는 중력가속도, π는 일정한 값

을 갖는 무차원수이다. 화염 호흡주기는 d와 g를 사용해서 무차원화 했을 때 π의

값은 몇 가지 방법의 실험에 의해 구하면 다음과 같이 된다.

π= 0.29, (d= 20∼50cm), π= 0.46, (d= 15∼250cm),

π= 0.55, (d= 500∼5,000cm)

완전히 일치하는 값을 얻을 수는 없지만 대규모 화재에서는 대개 π~0.5로

해석해도 좋다. <그림 29>에서는 실측치와 <20>식을 정리한 결과를 나타내었다. 석

유화재에서 화염의 주기적인 호흡이 생기는 이유는 유입되는 공기가 일정치 않고 국

부적인 연료증기와의 혼합에 의한 연소와 이에 따른 가스 팽창에 의한 것이라고 판

단되며, 실제의 경우에서도 유입공기속도는 이 호흡주기와 같은 변화를 나타내고 있

다.

- 43 -

일반적으로 이러한 화재가 발생하면 화염 위에는 검은 연기를 포함한 열기

류가 생기는데, 이를 fire plum이라고 한다. 저장조의 직경이 30m 정도가 되면 그

높이는 1km를 넘는다. Plum은 연소가스와 유입공기가 부력에 의하여 상승하는 현상

이며, 그 최대 높이나 열적, 유체적인 구조 등이 문제가 된다.

<그림 29> 화염의 호흡주기와 직경과의 관계

- 44 -

(나) 실험 장치

본 연구에서는 액체가연물의 연소특성을 평가하기 위하여 30cm의 pool을 사

용하였으며, pool 직경의 1~3배에 해당되는 높이 및 거리에 k-type thermocouple을

설치하여 액체가연물의 연소 중 발생되는 화염 온도 및 주위온도를 측정․기록하였

다. 또한 같은 거리에 복사열 측정 센서를 취부하여 화염으로부터 방출되는 복사열

량을 측정하였다. 연구에 사용된 액체 가연물의 종류는 모두 7종으로써 methyl

alcohol, ethyl alcohol, acetone, hexane, gasoline, kerosene, light oil이다.

<그림 30>는 복사열 측정장비의 sensor를 나타낸 것이며, <그림 31>의 Heat

flux indicator에 연결된다. <그림 32(a)>는 Heat flux indicator의 출력을 기록하는

Digital recorder이다. 그리고 <그림 32(b)>는 화재온도 측정장비로써 K-type 열전대

를 12개 연결하여 가연성액체의 화염온도 및 주위온도를 측정․기록하는데 사용되었

다. <그림 32(c)>는 실험장면을 기록하기 위한 Digital camcorder이며, 화염성상 분석

에 사용되었다.

<그림 30> 복사열 측정센서

- 45 -

<그림 31> 복사열 측정 장비

(a) 디지털 레코더 (b) 화재온도 측정장비(32채널)

(c) 디지털 카메라 겸용 캠코더 (화재성상 기록용)

<그림 32> 액체 가연물 복사열 측정용 부속 장비

- 46 -

(다) 실험 방법

본 실험에 사용된 가연성 액체는 모두 7종이며, 30cm 직경의 Pool을 사용하

여 각 2ℓ를 연소시켰다. 동시에 화염온도, 주위온도, 복사열량의 기록을 수행하였다.

각 센서의 위치는 아래 그림과 같이 배열하였다.

<그림 33> Pool fire실험에 사용된 용기 및 측정 센서 위치

<그림 34> 가연성 액체 pool fire 실험 장치 세팅위치

- 47 -

(라) 실험 결과

1) Methyl alcohol

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 35> Methyl alcohol의 연소시 화염온도 변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C)

.

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 36> Methyl alcohol의 연소시 주위온도 변화

- 48 -

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

time(min.)

radi

ant h

eat f

lux(

kw/m

2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 37> Methyl alcohol의 연소시 방출되는 복사열량

<그림 35>는 Methyl alcohol의 연소시 화염 온도를 나타낸 것으로써 점화와

동시에 급격히 상승한 것으로 나타났으며, 화염의 하부에서는 650~750℃의 고온이

기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 300℃의 분포를 나타냈으며, 상부는 약 100℃로

기록되었다.

또한 <그림 36>～<그림 37>으로부터 기록된 화염의 최고온도는 약 803.5℃

이며, 복사열량은 1kw/m2, 최고화염 높이는 약 37.63cm로 기록되었으며, 약 15분 40

초의 연소시간이 기록되었다.

- 49 -

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 38> Methyl alcohol pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 50 -

2) Ethyl alcohol

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 39> Ethyl alcohol의 연소시 화염온도 변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C)

.

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 40> Ethyl alcohol의 연소시 주위온도 변화

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

time(min.)

radi

ant h

eat f

lux(

kw/m

2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 41> Ethyl alcohol의 연소시 방출되는 복사열량

- 51 -

<그림 39>은 Ethyl alcohol의 연소시 화염 온도를 나타낸 것으로써 다른 가

연성 액체와 같이 점화와 동시에 급격히 상승한 것으로 나타났으며, 화염의 하부에

서는 600~700℃의 고온이 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 300~400℃의 분포를

나타냈으며, 상부는 약 100℃로 기록되었다. 또한 주위온도는 23~38℃사이에서 유지

되는 것으로 측정되었다. 또한 <그림 40>～<그림 41>으로부터 기록된 화염의 최고

온도는 약 856.5℃이며, 복사열량은 2kw/m2, 최고화염 높이는 약 42.26cm로 기록되

었으며, 약 17분 10초의 연소시간이 기록되었다.

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 42> Ethyl alcohol pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 52 -

3) Acetone

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 43> Acetone의 연소시 화염온도 변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 44> Acetone의 연소시 주위온도 변화

- 53 -

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

tima(min.)

radi

ant h

eat f

lux(

kw/m

2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 45> Acetone의 연소시 방출되는 복사열량

<그림 43>는 Acetone의 연소시 화염 온도를 나타낸 것으로써 다른 가연성

액체와 같이 점화와 동시에 급격히 상승한 것으로 나타났으며, 화염의 하부에서는

800~900℃의 고온이 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 500~600℃의 분포를 나타냈

으며, 상부는 약 200~300℃로 기록되었다. <그림 44>으로부터 기록된 주위온도 분포

는 가장 가까운 위치에서 약 40~50℃로 상승하였다. 이는 Methyl alcohol, Ethyl

alcohol의 주위온도와 비교하여 약 2배 상승한 수치이다. 기록된 화염의 최고온도는

약 928.8℃이며, 복사열량은 7kw/m2, 최고화염 높이는 약 76.74cm로 기록되었으며,

약 9분 41초의 연소시간이 기록되었다.

- 54 -

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 46> Acetone pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 55 -

4) Hexane

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 47> Hexane의 연소시 화염온도 변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 48> Hexane의 연소시 주위온도 변화

- 56 -

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

time(min.)

radi

ant

heat

flu

x(kw

/m2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 49> Hexane의 연소시 방출되는 복사열량

<그림 47>은 Hexane의 연소시 화염 온도를 나타낸 것이며, 화염의 하부에서는

750~850℃의 고온이 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 500~600℃의 분포를 나타냈

으며, 상부는 약 300~500℃로 기록되었다. <그림 48>로부터 기록된 주위온도 분포는

가장 가까운 위치에서 약 60~90℃로 상승하였다. 이는 Methyl alcohol, Ethyl alcohol

의 주위온도와 비교하여 약 3배 상승한 수치이다. 또한 기록된 화염의 최고온도는

약 883.6℃이며, 복사열량은 15kw/m2, 최고화염 높이는 약 70.23cm로 기록되었으며,

약 7분 46초의 연소시간이 기록되었다.

- 57 -

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 50> Hexane pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 58 -

5) Gasoline

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 51> Gasoline의 연소시 화염온도변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 52> Gasoline의 연소시 주위온도 변화

- 59 -

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

time(min.)

radi

ant h

eat f

lux(

kw/m

2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 53> Gasoline의 연소시 방출되는 복사열량

<그림 51>은 Gasoline의 연소시 화염 온도를 나타낸 것이며, 화염의 하부에

서는 600~800℃의 온도가 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 300~500℃의 분포를

나타냈으며, 상부는 약 150~300℃로 기록되었다. <그림 52>로부터 기록된 주위온도

분포는 가장 가까운 위치에서 약 60~80℃로 상승하였다. 이는 Methyl alcohol, Ethyl

alcohol의 주위온도와 비교하여 약 3배 상승한 수치이다. 또한 기록된 화염의 최고온

도는 약 814.1℃이며, 복사열량은 14kw/m2, 최고화염 높이는 약 95.74cm로 기록되었

으며, 약 8분 40초의 연소시간이 기록되었다.

- 60 -

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 54> Gasoline pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 61 -

6) Kerosene

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('c)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 55> Kerosene의 연소시 화염온도 변화

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('c)

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 56> Kerosene의 연소시 주위온도 변화

- 62 -

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20

time(min.)

radi

ant

heat

flu

x(kw

/m2)

CH1

CH2

CH3

<그림 57> Kerosene의 연소시 방출되는 복사열량

<그림 55>는 Kerosene의 연소시 화염 온도를 나타낸 것이며, 화염의 하부에

서는 650~800℃의 온도가 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 300~500℃의 분포를

나타냈으며, 상부는 약 150~300℃로 기록되었다. <그림 56>로부터 기록된 주위온도

분포는 가장 가까운 위치에서 약 60~80℃로 상승하였다. 이는 Methyl alcohol, Ethyl

alcohol의 주위온도와 비교하여 약 3배 상승한 수치이다. 또한 기록된 화염의 최고온

도는 약 845.5℃이며, 복사열량은 15kw/m2, 최고화염 높이는 약 63.82cm로 기록되었

으며, 약 14분 30초의 연소시간이 기록되었다.

- 63 -

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 58> Kerosene pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 64 -

7) Light oil

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH1

CH2

CH3

CH4

<그림 59> Light oil의 연소시 화염온도 변화

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

time(min.)

tem

pera

ture

('C

)

.

CH5

CH6

CH7

CH8

CH9

CH10

CH11

CH12

CH13

CH14

CH15

CH16

<그림 60> Light oil의 연소시 주위온도 변화

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25

time(min.)

radi

ant

heat

flu

x(kw

/m2)

.

CH1

CH2

CH3

<그림 61> Light oil의 연소시 방출되는 복사열량

- 65 -

<그림 59>은 Light oil의 연소시 화염 온도를 나타낸 것이며, 화염의 하부에

서는 600~800℃의 온도가 기록되었다. 화염의 중간 부분은 약 300~500℃의 분포를

나타냈으며, 상부는 약 150~300℃로 기록되었다. <그림 60>로부터 기록된 주위온도

분포는 가장 가까운 위치에서 약 60~80℃로 상승하였다. 이는 Methyl alcohol, Ethyl

alcohol의 주위온도와 비교하여 약 3배 상승한 수치이다. 기록된 화염의 최고온도는

약 855.1℃이며, 복사열량은 15kw/m2, 최고화염 높이는 약 103.17cm로 기록되었으

며, 약 12분 46초의 연소시간이 기록되었다.

(a) 화염높이 측정 (b) 화염성상(I)

(c) 화염성상(II) (d) 화염성상(III)

<그림 62> Light oil pool fire의 화염높이 및 화염성상

- 66 -

<표 12>은 pool fire 실험 결과 측정된 연료별 최고 화염온도, 복사열량, 화

염높이, 연소시간을 종합적으로 나타낸 것이다. 대표적인 가연성 액체 7종의 분석 결

과 최고 화염온도는 Acetone이 928.8℃로 가장 높은 온도를 나타내었으며, 나머지의

연료는 800～880℃의 범위를 기록하였다. 이 값은 고분자계 고체 가연물질로 구성되

어 있는 차량화재의 최고온도 900～1100℃와 비교하였을 때 다소 낮은 수치로서, 가

연성 액체의 온도로 인한 인체 영향성은 상대적으로 위험성이 낮다고 판단된다. 또

한 복사열에 의한 영향은 가정 및 산업용으로 많이 사용되는 gasoline, kerosene,

light oil이 14～15kw/m2으로 높은 값을 나타내었으며, alcohol 계열은 이와는 대조

적으로 복사열에 의한 영향도는 낮은 것으로 나타났다. 그리고 탄화수소 계열인

Hexane의 경우 gasoline 계열과 유사한 수치를 나타낸 것은 화학구조상 chain의

break에 의한 것으로 사료된다.

<표 12> 액체- 연료별 화염온도, 주위온도, 복사열량 화염 길이

FuelMax. Flametemperature

(℃)

Max. radiantheat flux(kw/m

2)

Flame length(cm)

Combustiontime

(min. & sec.)

Methyl alcohol 803.5 1 37.63 15' 40"

Ethyl alcohol 856.5 2 42.26 17' 10"

Acetone 928.8 7 76.74 9' 41"

Hexane 883.6 15 70.23 7' 46"

Gasoline 814.1 14 95.74 8' 40"

Kerosene 845.5 15 63.82 14' 30"

Light oil 855.1 15 103.17 12' 16"

- 67 -

3. 가연성 고체의 연소 메커니즘 분석

(가) 고체 연소 메커니즘

1) 고분자물질의 연소구조

일반적으로 건물내에서 발생하는 화재는 내장재료나 가구를 구성하고 있는

고분자물질을 중심으로 한 유기재료가 복잡하게 조합되어 연소하는 현상이다. 고분

자의 종류로는 종이, 헝겊, 목재와 같은 천연적인 것부터 화학섬유, 성형품, 발포체

등의 많은 합성 고분자가 포함되며 또, 재료의 형상 특성도 다양하다. 따라서 이와

같은 재료의 연소구조는 개개의 물질에 따라 다르게 나타난다. 그러나 일반적으로

고분자 물질의 연소구조는 <그림 63>에 나타낸 것과 같은 연소과정을 나타낸다.

<그림 63> 고분자물질의 연소과정

- 68 -

이러한 물질들은 가열되면 먼저 함수성인 것에서는 수분증발, 용융하는 것이

라면 융해와 같은 흡열과정을 거쳐 열분해를 일으킨다. 이 분해에는 polymethyl

methacrylate, polystyrene 등과 같이 말단으로부터 순차적으로 결합이 끊겨져 가는

해중합형인 것과 대다수의 고분자와 같이 긴 사슬의 임의 위치에서 결합이 끊어지는

랜덤형이 있다. 분해생성물을 두 가지가 다른데, 해중합형에는 monomer가 생성되는

데 비하여 랜덤 분해형에서는 다종류의 저분자량의 생성물이 생성된다. 또 폴리염화

비닐이나 목재와 같은 고분자에서는 시체생성물 외에 탄소질의 고체잔사가 생긴다.

2) 연소확대의 거동

고분자물질은 일부에서 발화가 일어나면, 화염의 열이 미연부분으로 전달되

기 때문에 주위로 확대된다. 이 거동은 액온이 인화온도보다 낮은 경우의 액면상 연

소확대와 같은 예열형이다. 그러나 고체에서는 액체와 달리 연소확대의 방향이 다양

하다. 가연성 가스의 발생은 열분해라고 하는 화학반응에 기인하며 발생가스의 성분

이 다양하기 때문에 매우 복잡한 메커니즘을 갖게 된다. 따라서 화재의 기초현상으

로서 고분자물질의 연소확대를 조사할 경우 물질의 종류, 형상, 연소 확대방향, 기타

환경조건을 단순화하고 간단한 모델을 사용해서 이와 관련된 법칙을 찾아내는 것이

가장 최선책이다. 현재까지 종이, 헝겊, 목재와 같은 천연고분자, 폴리에틸렌, 폴리염

화비닐, PMMA 등의 합성고분자를 이용한 다양한 연구가 수행되어 왔다. <그림 64>

은 고체재료 표면을 따라 수평방향으로의 연소확대를 모델화한 것이다. 화염이동이

정상으로 되었을 때의 화염과 고체의 상대위치를 표시하고 열과 물질의 이동방향을

각각 화살표로 나타낸 것이다. 화염으로부터의 열은 기연측의 전역과 화염가까이의

미연측으로 전달되고 열분해 생성물과 공기는 화염을 향하여 진행된다. 연소확대속

도를 지배하는 것은 화염전방으로의 예열속도로써 이 부분에서 발생하는 가연성 가

스 농도가 다성분계의 가연한계에 도달하면 화염은 거기까지 이동한다는 이론이다.

예열의 방법은 화염 부착점 부근에 있어서 열방사(또는 열 복사)와 열전도이지만 대

부분의 경우 열전도의 영향이 크다. 또한 전도에 의한 전열 중에 기상을 통해서 들

어오는 열과, 고상을 경유하는 열과의 비율은 재료의 두께에 따라 변하며, 두꺼운 재

료에서 기상을 통하는 것이 많지만 얇은 재료에는 고상을 통한 것이 많다.

- 69 -

<그림 64> 고분자재료의 표면상 연소확대모델

- 70 -

(나) 실험 장치

1) 시험편 제작

가연성 고체의 연소 메커니즘을 분석하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하

였다. Pellet형 고분자 수지를 60℃로 유지되는 항온 건조기에서 24시간 동안 건조시

킨 후, 건조된 pellet을 압착성형기에서 5kg/cm2의 압력으로 4시간 동안 가열, 냉각

시켜 판상의 성형체를 제작하였으며, 시험편을 가공하였다.

<그림 65> 가연성 고체의 판상 성형체 시험편 제작공정

<그림 66> 제작된 가연성고체 판상 연소시험편

- 71 -

2) 연소시험기

<그림 67> 연소시험장치

- 72 -

(다) 실험 방법

ASTM D 2863-91에 의거하여 자체 제작한 L.O.I.시험기를 활용하여

6×6×120(mm)시험편을 제작하여 75mm내경의 관에 유속 4cm/min., 유량 11ℓ/min.

으로 산소, 질소 혼합가스를 방출하여 상․하방연소시켜 그 고분자 수지의 연소시간,

화염 온도, 화염길이를 측정하였다. 그림 114는 하방연소시험에 사용된 화염을 나타

낸 것으로써 0.05 l/min의 유량으로 고정시킨 후 실험을 수행하였다.

<그림 68> 연소시험에 사용된 점화용 화염

<그림 69>과 <그림 70>는 연소시험장치의 구성을 나타낸 것으로서 L.O.I. 시

험기를 응용하여 상방연소 및 하방연소 시험을 수행하였으며, 점화원은 프로판 연료

를 사용하였다. 화염온도 특정은 R-type thermocouple을 사용하여 실험 중 가연물의

화염 온도를 측정하였다.

- 73 -

<그림 69> 하방연소 시험장치 구성도

<그림 70> 상방연소 시험장치 구성도

- 74 -

(라) 실험 결과

(a) (b) (c)

<그림 71> 하방연소시 화염의 형상

(a) (b) (c)

<그림 72> 상방연소시 화염의 형상

고분자수지의 수직 연소에서 나타나는 가장 큰 특징은 연소방향에 의한 화

염전파속도와 길이, 연소시간이 다양하게 변하는 것이다. 이것은 화염의 전파 방향이

상방 또는 하방에 따라서 연소확대 양상이 달라진다. <그림 73>는 연소 방향에 따른

연소현상을 도식화한 것이다.

- 75 -

<그림 73> 고체표면의 연소확대시 화염선단부근의 현상

위의 <그림 73>에서

q c = 기체에서 고체로의 대류에 의해 유입되는 열

q r = 화염에서 고체로의 복사에 의해 유입되는 열

qcd = 고체내를 전도에 따라 이동하는 열

q r e = 외부열원에서 고체로의 복사에 의해 유입되는 열

을 나타낸다.

- 76 -

<표 13> 고분자의 상․하방연소에 따른 연소시간, 화염길이 및 화염 온도

고분자 종류연소시간(분, 초) 화염길이(cm) 화염온도(℃)

하방연소 상방연소 하방연소 상방연소 하방연소 상방연소

PP 2′ 31″ 34 7 28 1375 1393

ABS 3′ 23″ 44 9 26 1352 1332

HDPE 1′ 56″ 29 14 37 1221 1206

Acrylic 3′ 46″ 37 11 25 1085 1058

PVC 4′ 33″ 47 6 38 1046 1065

가연성 고체 5종을 대상으로 연소방향에 따른 연소시간, 화염길이 및 화염온

도를 측정한 결과 <표 13>과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 하방연소의 경우 연소시

간은 HDPE가 가장 빨라 연소에 따른 위험성이 가장 높은 것으로 나타났다. PP도

HDPE와 유사하게 연소가 빠르게 측정되었으나 기타의 소재는 3분 30초 이상으로

상대적으로 연소과정이 느린 것을 알 수 있었다. 상방연소는 하방연소에 비해 약

4～6배 정도 연소시간이 단축되어 가연물의 적재시 하부 연소에 따라 화염의 크기가

급속히 성장하는 것을 예측할 수 있었다. 이것은 화염길이 측정을 통해서도 확인할

수 있었으며, 그 값은 하방연소보다 약 2～4배로 나타났다. 그러나 연소방향에 따라

화염온도는 거의 동일한 값을 나타냄으로써 큰 영향인자는 아닌 것을 알 수 있었다.

- 77 -

제 3절 가연물질 연소전후 현상학적 분석

1. 가연물별 연소생성물의 종류, 농도 및 독성분석과 이들 혼합연소생성물의 상가작

용 분석

(가) 연소가스 독성영향

1) 화재 시 유독가스와 인명피해

건물의 화재시 연소에 의해 생성되는 것은 연소가스, 화염, 열, 연기가 있는

데 이것은 인체에 여러 가지 영향을 미치게 된다. 이중 가장 주요 인자로는 열에 의

한 화상, 가열된 공기 및 가스에 의한 독성을 들 수 있다. 연소에 의해 발생되는 강

렬한 열은 피부와 근육의 조직을 단시간 내에 분열 파괴시킨다. 대기의 온도가 93℃

정도에 도달하면 인간의 생존 확률은 거의 0에 가까워진다.

2) 연소가스

연소가스란 연소생성물 중에서 기체로 된 것을 말한다. 대부분의 가연성 물

질은 탄소를 가지고 있어 공기의 공급이 원활하면 이산화탄소(CO2), 공기의 공급이부

족하면 독성이매우 강한 일산화탄소(CO)를 생성한다. 또한 물질의 연소에 의하여 황화수

소(H2S), 이산화황(SO2),암모니아(NH4), 시안화수소(HCN), 일산화 또는 이산화질소(NO,

NO2), 포스겐(COCl2) 등이 연소가스에 포함되어 발생하기도 한다. 연소가스의 종류는 여

러 요인에 의하여 달라지지만 가장 중요한 것은 연소물질의 조성, 연소에 공급되는 공기

량, 온도등이 있다.

3) 연소가스의독성

대규모의 인명피해를 수반하는 화재의 경우 어느 경우에서나 그 원인은 가열된

독성가스 혹은, 산소의 부족에 의한 질식에 있다. 연소가스 중 일산화탄소(CO)에 의한 영

향이제일큰것으로알려져있으며, 그밖에이산화탄소(CO2),아황산가스(SO2),암모니아

(NH4), 시안화수소(HCN), 염화수소(HCl), 이산화질소(NO2), 아크롤레인(CH2=CHCHO)

및포스겐(COCl2) 등이 치사원인이되기도한다.

- 78 -

<표 14> 연소가스의 독성영향

독성가스 발생원 독성영향 치사농도

시안화수소(HCN)

모, 견, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄,종이 등의 연소

급속한 치사적 질식증상, 일반화재 시발생량 적음

3500.3%농도 :즉시 치명상을 입음

이산화질소(NO2)

니트로셀룰로즈, 셀룰로이드의 연소

간한 폐 자극, 급성사망 또는 후유장애적갈색으로 독성이매우큼, 노출정도가심하지않으면 독성에의한효과가늦게나타남(8 시간정도 후)

〉2000.0025%미만농도 :수분 정도 호흡하여도안전0.02~0.07%농도 :잠시노출시 치명적

암모니아(NH3)

목재, 모, 견, 나일론, 멜라민의 연소(일반건물 화재에서는 저농도)

냄새가 강하며 호흡불가능, 눈, 코를 자극질소함유물의 연소 시생성, 눈, 코, 목구멍,간에 자극

〉10000.25~0.65%농도 :30 분정도노출 시치사

염화수소(HCl)

PVC제품, 일부 난연처리재료의 연소

호흡기 자극염소포함 Plastic의연소 시 생성금속 부식

〉500(미립자의 경우)0.0015%의농도 :수분 내 치명상을입음

할로겐화수소(HF, HBr)

불소수지, 필름, 일부 취소 함유 난연제 연소

호흡기 자극 HF5, 400HBr〉500

이산화황(SO2)

유황 함유재료의 연소(고무, 모 등) 강한 자극성 〈 500

아클로레인(C2H3CHO)

비교적 저온(540℃이하)에서 폴리올레핀, 셀룰로즈제품의 열분해

호흡기 자극석유제품, 유지 등의연소시 발생생성가스량은 적지만독성이높음

30~1000.001%농도 : 치사

(나) 실험 개요

본 연구에서는 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 고분자 수지 중 7종을 선

정하여 수지 각각의 Smoke density, 연소가스 분석의 시험을 수행하여 연소특성을

실험적으로 고찰하고자 하였다. 이와 동시에 고분자의 난연화에 사용되고 있는 난연

제 6종을 선정하여 혼합 후 연소특성 변화를 비교․고찰하였다.

(다) 실험 장치

1) 시험편 제작

Pellet 형 고분자 수지를 60℃로 유지되는 항온 건조기에서 24시간 동안 건조시

킨 후, 난연제를 5%첨가하여 Double Cone Mixer (see <그림 74>)를 사용하여

30rpm, 30분 동안 혼합하고 <그림 75>의 single screw extruder를 사용하여 압출하

였다. 압출된 고분자 수지 혼합물을 pellet 형태로 제작한 후, 다시 건조하였다. 제작

건조된 pellet을 압착성형기에서 5kg/cm2의 압력으로 4시간 동안 가열, 냉각시켜 판

상의 성형체를 제작하였으며, 각 시험 규격에 적합한 시험편을 제작하였다.

- 79 -

<그림 74> Double Cone Mixer

<그림 75> Single Screw Extruder

- 80 -

<그림 76> 시험편 제작 공정

플라스틱은 PP, ABS, PVC, Acrylic, HDPE, PC, PET를 사용하고 난연제로는

Ammonium bromide, Antimony trioxide, Magnesium hydroxide, Ammonium

phosphate, Borax, Hexabromocyclododecan를 사용하여 순수 고분자 수지를 포함하

여 총 49종을 준비하고 <표 1>에 나타내고 Smoke Density(ASTM D 2843)시험을 수

행하였다.

- 81 -

<표 15> 시편제작목록

No. Plastic Additivemixture

ratio

1 ABS -

2 ABS Ammonium phosphate 5(vol%)

3 ABS Ammonium bromide 5(vol%)

4 ABS Magnesium hydroxide 5(vol%)

5 ABS Antimony trioxide 5(vol%)

6 ABS Borax 5(vol%)

7 ABS Hexabromocyclododecan 5(vol%)

8 Acrylic -

9 Acrylic Ammonium phosphate 5(vol%)

10 Acrylic Ammonium bromide 5(vol%)

11 Acrylic Magnesium hydroxide 5(vol%)

12 Acrylic Antimony trioxide 5(vol%)

13 Acrylic Borax 5(vol%)

14 Acrylic Hexabromocyclododecan 5(vol%)

15 PP -

16 PP Ammonium phosphate 5(vol%)

17 PP Ammonium bromide 5(vol%)

18 PP Magnesium hydroxide 5(vol%)

19 PP Antimony trioxide 5(vol%)

20 PP Borax 5(vol%)

21 PP Hexabromocyclododecan 5(vol%)

- 82 -

No. Plastic Additivemixture

ratio

22 PVC -

23 PVC Ammonium phosphate 5(vol%)

24 PVC Ammonium bromide 5(vol%)

25 PVC Magnesium hydroxide 5(vol%)

26 PVC Antimony trioxide 5(vol%)

27 PVC Borax 5(vol%)

28 PVC Hexabromocyclododecan 5(vol%)

29 HDPE -

30 HDPE Ammonium phosphate 5(vol%)

31 HDPE Ammonium bromide 5(vol%)

32 HDPE Magnesium hydroxide 5(vol%)

33 HDPE Antimony trioxide 5(vol%)

34 HDPE Borax 5(vol%)

35 HDPE Hexabromocyclododecan 5(vol%)

36 PC -

37 PC Ammonium phosphate 5(vol%)

38 PC Ammonium bromide 5(vol%)

39 PC Magnesium hydroxide 5(vol%)

40 PC Antimony trioxide 5(vol%)

41 PC Borax 5(vol%)

42 PC Hexabromocyclododecan 5(vol%)

43 PET -

44 PET Ammonium phosphate 5(vol%)

45 PET Ammonium bromide 5(vol%)

46 PET Magnesium hydroxide 5(vol%)

47 PET Antimony trioxide 5(vol%)

48 PET Borax 5(vol%)

49 PET Hexabromocyclododecan 5(vol%)

- 83 -

(가) 연소가스 분석 실험장치

난연제가 혼합된 고분자수지의 연소 시 발생되는 연소가스의 종류 및 농도

를 측정하기 위한 연구로써, NES 713 규격에서 제시하는 연소시험챔버를 사용하였

다. 연소시험 챔버 내부에는 버너와 순환팬 및 배기팬, 연소가스분석장치의 probe 삽

입용 tube가 설치되어 있다. 시험에 사용된 연소가스 분석 장비는 Madur 사의

GA-21Plus와 GrayWolf사의 Wolfsense TG-501 Toxic gas probe로써, 가스온도, CO,

NOx, SOx, HCl, HCN을 분석할 수 있도록 제작되었다.

<그림 77> NES 713규격에 의거하여 제작된 유해가스 시험장치

<그림 78> HCl & HCN 측정․기록장비

- 84 -

<그림 79> CO, NOx, SOx가스 측정용 Probe

<그림 80> CO, NOx, SOx가스 측정용 Probe

<그림 81> CO, NOx, SOx가스 측정․기록장비

- 85 -

(다) 연소가스분석 실험방법

연소시험챔버 내부의 시험편 연소생성물을 15초 간격으로 샘플링하여 연소

가스를 분석․기록하였다.

.

<그림 82> 연소시험 챔버 시험편 홀더 및 버너

<그림 83> 2″×2″ 규격의 시험편

- 86 -

(라) 연소가스분석 실험결과

<그림 84>～<그림 87>은 실험에 사용된 burner 화염을 나타낸 것이며, 그림

과 같이 연소현상이 달라지는 것을 알 수 있었다.

<그림 84> 연소시험 장면

<그림 85> PVC 수지의 연소시험 후 사진

- 87 -

<그림 86> HDPE 수지의 연소시험 후 사진

<그림 87> PP수지의 연소시험 후 사진

- 88 -

1) ABS

<그림 88> ABS수지의 연소가스 분석 결과

순수한 ABS 수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온도

는 최고 68℃로 나타났으며, CO는 327ppm, NO는 4ppm, SO2는 9ppm, HCl은

2.4ppm으로 측정․기록되었다.

- 89 -

2) ABS-Magnesium hydroxide

<그림 89> ABS-Magnesium hydroxide 혼합수지의

연소가스 분석 결과

ABS-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 61℃로 나타났으며, CO는 186ppm, NO는 6ppm, SO2는

6ppm, HCl은 0.9ppm으로 측정․기록되었다.

- 90 -

3) ABS-Antimony trioxide

<그림 90> ABS-Antimony trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과

ABS-Antimoni trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 68℃로 나타났으며, CO는 327ppm, NO는 4ppm, SO2는

9ppm, HCl은 2.4ppm으로 측정․기록되었다.

- 91 -

4) Acrylic

<그림 91> Acrylic수지의 연소가스 분석 결과

순수한 Acrylic 수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온

도는 최고 63℃로 나타났으며, CO는 405ppm, NO는 15ppm, SO2는 12ppm, HCl은

2.5ppm으로 측정․기록되었다.

- 92 -

5) Acrylic-Ammonium phosphate

<그림 92> Acrylic-Ammonium phosphate 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

Acrylic-Ammonium phosphate 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연

소 중 측정된 가스온도는 최고 70℃로 나타났으며, CO는 515ppm, NO는 58ppm,

SO2는 19ppm, HCl은 7.8ppm으로 측정․기록되었다.

- 93 -

6) Acrylic-Ammonium bromide

<그림 93> Acrylic-Ammonium bromide 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

Acrylic-Ammonium bromide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소

중 측정된 가스온도는 최고 46℃로 나타났으며, CO는 1330ppm, NO는 75ppm, SO2

는 122ppm, HCl은 79ppm으로 측정․기록되었다.

- 94 -

7) Acrylic-Magnesium hydroxide

<그림 94> Acrylic-Magnesium hydroxide 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

Acrylic-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연

소 중 측정된 가스온도는 최고 77℃로 나타났으며, CO는 446ppm, NO는 21ppm,

SO2는 14ppm, HCl은 3.9ppm으로 측정․기록되었다.

- 95 -

8) Acrylic-Antimony trioxide

<그림 95> Acrylic-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

ABS-Antimoni trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 81℃로 나타났으며, CO는 536ppm, NO는 72ppm, SO2는

13ppm, HCl은 9.0ppm으로 측정․기록되었다.

- 96 -

9) Acrylic-Borax

<그림 96> Acrylic-Borax 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

Acrylic-Borax 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가

스온도는 최고 76℃로 나타났으며, CO는 470ppm, NO는 29ppm, SO2는 11ppm,

HCl은 5.6ppm으로 측정․기록되었다.

- 97 -

10) PP

<그림 97> PP수지의 연소가스 분석 결과

순수한 PP 수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온도는

최고 65℃로 나타났으며, CO는 437ppm, NO는 5ppm, SO2는 22ppm, HCl은

5.9ppm으로 측정․기록되었다.

- 98 -

11) PP-Ammonium phosphate

<그림 98> PP-Ammonium phosphate 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

PP-Ammonium phosphate 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소

중 측정된 가스온도는 최고 59℃로 나타났으며, CO는 359ppm, NO는 48ppm, SO2

는 2ppm으로 측정․기록되었다.

- 99 -

12) PP-Ammonium bromide

<그림 99> PP-Ammonium bromide혼합 수지의 연소가스 분석 결과

PP-Ammonium bromide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 59℃로 나타났으며, CO는 336ppm, NO는 28ppm, SO2는

6ppm, HCl은 6.5ppm으로 측정․기록되었다.

- 100 -

13) PP-Magnesium hydroxide

<그림 100> PP-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

PP-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 59℃로 나타났으며, CO는 287ppm, NO는 8ppm, SO2는

8ppm, HCl은 5.9ppm으로 측정․기록되었다.

- 101 -

14) PP-Antimony trioxide

<그림 101> PP-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

PP-Antimony trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측

정된 가스온도는 최고 52℃로 나타났으며, CO는 446pm, NO는 16ppm, SO2는

11ppm, HCl은 5.8ppm으로 측정․기록되었다.

- 102 -

15) PP-Borax

<그림 102> PP-Borax 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

PP-Borax 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온

도는 최고 62℃로 나타났으며, CO는 404ppm, NO는 11ppm, SO2는 12ppm, HCl은

5.8ppm으로 측정․기록되었다.

- 103 -

16) PVC

<그림 103> PVC 수지의 연소가스 분석 결과

순수한 PVC 수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온도

는 최고 29℃로 나타났으며, CO는 368ppm, NO는 6ppm, SO2는 27ppm, HCl은

3.2ppm으로 측정․기록되었다.

- 104 -

17) PVC-Ammonium phosphate

<그림 104> PVC-Ammonium phosphate 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

PVC-Ammonium phosphate 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소

중 측정된 가스온도는 최고 29℃로 나타났으며, CO는 342ppm, NO는 4ppm, SO2는

25ppm, HCl은 2.4ppm으로 측정․기록되었다.

- 105 -

18) PVC-Ammonium bromide

<그림 105> PVC-Ammonium bromide 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

PVC-Ammonium bromide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소

중 측정된 가스온도는 최고 28℃로 나타났으며, CO는 338ppm, NO는 9ppm, SO2는

28ppm, HCl은 4.1ppm으로 측정․기록되었다.

- 106 -

19) PVC-Magnesium hydroxide

<그림 106> PVC-Magnesium hydroxide 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

PVC-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소

중 측정된 가스온도는 최고 27℃로 나타났으며, CO는 142ppm, NO는 3ppm, SO2는

8ppm, HCl은 1.5ppm으로 측정․기록되었다.

- 107 -

20) PVC-Antimony trioxide

<그림 107> PVC-Antimony trioxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

PVC-Antimony trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 32℃로 나타났으며, CO는 406ppm, NO는 6ppm, SO2는

18ppm, HCl은 5.7ppm으로 측정․기록되었다.

- 108 -

21) PVC-Borax

<그림 108> PVC-Borax 혼합수지의 연소가스 분석 결과

PVC-Borax 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중 측정된 가스온

도는 최고 33℃로 나타났으며, CO는 167ppm, NO는 4ppm, SO2는 8ppm, HCl은

2.4ppm으로 측정․기록되었다.

- 109 -

22) HDPE-Ammonium phosphate

<그림 109> HDPE-Ammonium phosphate 혼합수지의

연소가스 분석 결과

HDPE-Ammonium phosphate 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연

소 중 측정된 가스온도는 최고 44℃로 나타났으며, CO는 143ppm, NO는 6ppm,

SO2는 31ppm, HCl은 5.7ppm으로 측정․기록되었다.

- 110 -

23) HDPE-Magnesium hydroxide

<그림 110> HDPE-Magnesium hydroxide 혼합 수지의 연소가스 분석 결과

HDPE-Magnesium hydroxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연

소 중 측정된 가스온도는 최고 44℃로 나타났으며, CO는 47ppm, NO는 7ppm, SO2

는 15ppm, HCl은 4.2ppm으로 측정․기록되었다.

- 111 -

24) HDPE-Antimony trioxide

<그림 111> HDPE-Antimony trioxide 혼합 수지의

연소가스 분석 결과

HDPE-Antimoni trioxide 혼합수지의 연소가스 분석 결과 시험편의 연소 중

측정된 가스온도는 최고 45℃로 나타났으며, CO는 68ppm, NO는 8ppm, SO2는

38ppm, HCl은 7.6ppm으로 측정․기록되었다.

- 112 -

2. 연소시 시간에 따른 연기 농도 분석

(나) 연기

연기는매우 작은 고체입자와 농축증기로 구성되어 있으며 일반가연물의 연소시

수증기, 이산화탄소, 일산화탄소 등을 포함하며, 불완전 연소시에는 메탄, 메탄올, 포름알

데히드 등이 포함되기도 한다. 연소가스를 눈으로 볼 수 있는 것은 탄소 및 타르입자로서

이들의 입자에 의한 것이다. 연소가스의 열 및 독성이 인체에 해를 주는 것과 마찬가지로

연소가스에 분산된 고체 및 액체입자(연기입자)도 인체에 해를 주게된다. 인체에 대한 유

해성은 시각적피해, 심리적피해, 생리적피해로 구분된다.

(다) 건물내의 연기유동

화재실로부터 유출된 연기는 화재실의 출입구에서 복도를 지나 계단을 통하여 상

층으로 유동하게된다. 연기는 공기보다 고온이기때문에 기류와섞이지않는다면천장하

면을따라흐르게되며 이 연기층의아래쪽공기층에서는 화재진행에 따라 연소에필요한

신선한 공기가 화재실쪽으로 연기 유동방향과 역방향으로 이동한다. 연기 유동 현상은 개

구부의크기, 건물내외의 온도와풍향,풍속, 화재실의 화재하중 등 여러 복잡한 요인이 작

용한다.

1) 수평방향의전파

연기온도는 화재실로부터 멀어짐에 따라 급속히 떨어지나 연기층의 두께는 연기

온도가 강하여도거의 변하지않는다. 다만 Flash Over 시에는 다량의 연기가 일시에 복도

로 분출하기때문에순간적으로 연기층이엷어지는 현상이 나타나지만그 후 화재실의 연

소가 정상상태(최성기)로 되면 연기층의 두께도 일정하게 된다. 연기의 유동속도는 화재

실의 온도, 화재실로부터 매초당 분출량, 유로의 폭, 화재실로부터의 거리에 따라 다르나

대략 0.8~1.0m/sec이다.

2) 수직방향의전파

계단실이나 파이프샤프트(pipe shaft) 같은 수직공간에서의 연기 상승속도는 수

평속도의 3~5배 정도빠른 3~5m/sec이며 최상층부터 연기가충만하게된다. 연기의 수직

유동 통로인 계단식, 파이프샤프트공조 Main Duct 등은 연기와 화염의급속한 상승을허

용하므로 인명과 재산손실을 최소화하기 위한 방화구획 피난시설의 설치시 중요한 검토

요인이다.

- 113 -

(라) 화재단계별 발연

1) 화재초기의발연

화재초기의 연기는 재료 중 수분의 방출에 의해 백색 또는 회색의 경우가 많으나

플라스틱이나 유지류의 경우에는 초기부터 흑색인 경우도 있다. 화재초기의 경우 연소는

실의 일부에서 이루어지며 공기도충분하게 공급되기때문에 전연량(全煙量)도 내장재를

포함한 전 가연물의 종류나 표면적혹은 그 위치관계 등에 좌우되고 일반적으로 최성기에

비하면 적다.

2) Flash Over 시의발연

Flash Over 시에는급격한 온도상승에 따라 화재실내 가스의 열팽창에 의해 다량

의 연기가 발생하고 일시에 실외로 분출되며급격한 연소에 비하여 산소의 공급이불충분

하기 때문에 미연소에 의한 유리탄소 즉 그을음을 다량 함유한 짙은 흑연이 분출된다. 화

재실의용적을 M(m3), Flash Over 의 t 분경과시화재실온도가 Θ1에서 Θ2 로상승하는것

으로하면이때화재실로부터 분출되는 연기량 Q(m3/min)는다음식과같다.

Q =

(m3/min) …………………………………………………………(21)식

3) 최성기의 발연

최성기에는 그 실의 개구부에 의한 급기 조건에 제약되고 연소는 정상적이지만

일반적으로 연소면적에 비하여 개구면적이작을때에는 연기의농도가크고 그역의 경우

에는 연기의 농도가 낮게 된다. 또한 실내에서 유출하는 연기의 질량은 화재실의 온도에

거의 관계없이 (약 300~1,200℃의 범위 내에서)개구부의 조건에 좌우된다. 이 연기의 분출

량을 개략 추정하면 화재실내에서 가연물(목재)이 완전 연소하는 것으로 가정하고 목재

1kg 이완전연소할때생기는연기의체적은 5.8m3/sec 정도이다.

- 114 -

(마) Smoke Density 측정

ASTM D 2843시험 규격에 적합하게 제작된 시험편(25.4×25.4×6(mm)) 및

SMS-35(smoke density tester, 필립교역)를 사용하여 고분자수지의 연소 중 발생되는

연기밀도 변화를 측정․기록하였다.

<그림 112> Smoke density tester (ASTM D 2843)

<그림 113> Smoke density indicator

<그림 114> Smoke density 시험장치의 광원

- 115 -

<그림 115> 광휘도 감지기

<그림 116> 시료 홀더 및 버너

- 116 -

(바) Smoke Density 실험 방법

ASTM D 2843 시험 규격에 적합하게 제작된 시험편(25.4×25.4×6(mm)) 및 필립

교역의 SMS-35(smoke density tester)를 사용하여 고분자수지의 연소 중 발생되는 연

기밀도 변화를 측정․기록하였다. 연기밀도 시험방법은 다음과 같다.

① 시험편 중량 측정 기록

② 시험편 설치 및 점화

③ 15초 간격, 4분간 광 감소율 측정 기록

④ 연소 후 시험편 중량 변화 측정

<그림 117> Smoke density 시험편

- 117 -

<그림 118> Smoke density 측정장치 구성 개략도

(사) Smoke Density 실험 결과

본 연구에 사용된 고분자 수지들 중 PC, PET 및 난연제로 사용된

Hexabromocyclododecan을 첨가하여 성형을 할 경우에도 시험편으로의 성형의 어려

움으로 실험을 수행하지 못하였다. 이외에 시험편을 성형하여 실험을 수행한 결과를

<그림 119~125>에 나타내었다.

- 118 -

<그림 119> Smoke density 측정 실험 장면

<그림 120> Smoke density 연소 후의 시험편

- 119 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

Time(sec)

Pure

ammonium phosphate

Ammonium bromide

Magnesium hydroxide

Antimony trioxide

Borax

<그림 121> ABS의 Smoke density 측정 결과

ABS를 모재로 사용하였을 때 Pure로 실험한 것보다는 난연성을 나타내었으

나 Magnesium hydroxide를 사용한 경우 곡선의 변화가 심한 것을 볼 수 있다. 이는

연소시 화학반응을 일으키면서 연기발생량의 차이가 발생한 것으로 사료된다.

Antimony trioxide를 난연제로 사용하였을 때 가장 큰 효과를 얻을 수 있었다.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

Time(sec)

Pure

ammonium phosphate

Ammonium bromide

Magnesium hydroxide

Antimony trioxide

Borax

<그림 122> Acrylic Smoke Density 측정 결과

- 120 -

Acrylic을 모재로 사용하여 실험을 수행한 경우 Pure 상태에서 점화 후 1분

동안 연기 발생량이 급격히 상승하였다. 이는 대피 시간이 상대적으로 짧다는 것을

보여주며 화재시에 정확한 초기대응이 필요하다. Magnesium hydroxide를 난연제로

사용하였을 때 가장 뛰어난 난연성을 나타내었다.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

Time(sec)

Pure

ammonium phosphate

Ammonium bromide

Magnesium hydroxide

Antimony trioxide

Borax

<그림 123> PP Smoke Density 측정 결과

PP의 경우 점화 후 75sec까지는 적은 변화를 보이나 이후 급격하게 연기발

생량이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 PP의 특성상 연소 초기에는 반응이 적다가

점차 열량이 축적되면서 반응이 급격하게 발생하는 것으로 볼 수 있다. Borax를 난

연제로 첨가하였을때 가장 좋은 효과를 얻을 수 있었다.

- 121 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

Time(sec)

Pure

ammonium phosphate

Ammonium bromide

Magnesium hydroxide

Antimony trioxide

Borax

<그림 124> PVC Smoke Density 측정 결과

PVC의 경우 점화 후 1분간 연기의 발생이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있

다. 발생량은 줄어들었지만 210초까지 연기의 발생이 계속되어 빛이 투과율이 계속

감소하고 있음을 확인할 수 있었다. 연소 초기 에는 Antimony trioxide를 난연제로

사용하였을 때 효과가 뛰어났으나 실험 전체를 보았을 때 Ammonium trioxide를 난

연제로 사용하였을 경우 가장 큰 효과를 얻을 수 있었다.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

Time(sec)

Pure

ammonium phosphate

Ammonium bromide

Magnesium hydroxide

Antimony trioxide

Borax

<그림 125> HDPE Smoke Density 측정 결과

- 122 -

HDPE는 실생활에서 가장 쉽게 접할 수 있는 플라스틱으로서 실험 시작 후

30초에서 90초 사이에 연기의 발생량이 급격히 증가하고 이후 발생량은 일정한 것을

볼 수 있다. Magnesium hydroxide를 사용하였을 때 165초를 지나면서 연기의 발생

량이 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 연소가 진행됨에 따라 화학반응을 통하여

난연 효과가 커지는 것으로 사료된다. 실험 초기부터 종료까지 연기 발생량이 가장

적게 나타났던 Ammonium phosphate를 난연제로 사용하였을 때 가장 큰 효과를 얻

을 수 있었다.

- 123 -

<표 16> 시험편의 최대연기농도와 중량감소량

No. Plastic Additive

Peakvalue ofsmokedensity

Weightloss

1 ABS - 51.77 0.703

2 ABS Ammonium phosphate 74.97 0.8567

3 ABS Ammonium bromide 80.98 0.753

4 ABS Magnesium hydroxide 55.23 1.145

5 ABS Antimony trioxide 94.87 0.874

6 ABS Borax 70.57 0.6993

7 ABS Hexabromocyclododecan - -

8 Acrylic - 21.0 0.814

9 Acrylic Ammonium phosphate 58.90 0.933

10 Acrylic Ammonium bromide 65.40 0.8923

11 Acrylic Magnesium hydroxide 98.55 0.8333

12 Acrylic Antimony trioxide 88.40 0.7946

13 Acrylic Borax 97.07 0.7766

14 Acrylic Hexabromocyclododecan - -

15 PP - 48.63 0.4183

16 PP Ammonium phosphate 81.68 0.535

17 PP Ammonium bromide 91.77 0.392

18 PP Magnesium hydroxide 91.77 0.429

19 PP Antimony trioxide 87.67 0.4807

20 PP Borax 97.17 0.4017

21 PP Hexabromocyclododecan - -

- 124 -

No. Plastic Additive

Peakvalue ofsmokedensity

Weightloss

22 PVC - 30.77 0.7027

23 PVC Ammonium phosphate 72.63 0.8368

24 PVC Ammonium bromide 81.17 0.5753

25 PVC Magnesium hydroxide 81.97 0.7633

26 PVC Antimony trioxide 74.83 0.6437

27 PVC Borax 63.87 0.8393

28 PVC Hexabromocyclododecan - -

29 HDPE - 19.73 0.4869

30 HDPE Ammonium phosphate 98.43 0.443

31 HDPE Ammonium bromide 73.24 0.5836

32 HDPE Magnesium hydroxide 82.5 0.481

33 HDPE Antimony trioxide 72.07 0.379

34 HDPE Borax 81.01 0.3563

35 HDPE Hexabromocyclododecan - -

36 PC - - -

37 PC Ammonium phosphate - -

38 PC Ammonium bromide - -

39 PC Magnesium hydroxide - -

40 PC Antimony trioxide - -

41 PC Borax - -

42 PC Hexabromocyclododecan - -

43 PET - - -

44 PET Ammonium phosphate - -

45 PET Ammonium bromide - -

46 PET Magnesium hydroxide - -

47 PET Antimony trioxide - -

48 PET Borax - -

49 PET Hexabromocyclododecan - -

- 125 -

3. 연소시 char 형성 특성 분석

(가) 실험 개요

본 실험에서는 목재가 일정한 복사열에 노출될 때 나타나는 탄화특성을 실

험적으로 고찰하기 위하여 <그림 126>의 cone heater를 사용하였다. 복사열량은

35kw/m2으로 고정시켰으며 목재는 15cm×15cm×5cm(가로×세로×높이)의 크기로 제

작하였다.

<그림 126> Cone heater 시험장치의 개략도

(나) Cone heater를 사용한 목재의 탄화특성 시험 방법

15cm×15cm×5cm(가로×세로×높이)의 크기를 갖는 목재에 35kw/m2의 일정한

복사열을 노출시켰을 때 나타나는 탄화특성을 고찰하였다. 복사열 측정 장비를 사용

하여 cone heater의 출력을 조정하였으며, 복사열량이 일정해진 후 목재를 노출시키

고 2.5분, 5분, 7.5분, 10분, 12.5분, 15분 후 노출을 중지시켰다.

(다) Cone heater를 사용한 목재의 탄화특성 시험

<그림 127>은 35kw/m2의 복사열에 노출된 시간 변화에 따른 목제의 탄화정도

를 나타낸 것이다.

- 126 -

<그림 127> Cone heater에 의하여 탄화된 목재표면

- 127 -

제 4절 연소반응 억제요인 연구

1. 난연 및 방염처리에 의한 억제요인 분석

난연 및 방염처리에 의한 억제요인을 분석하기 위해서는 연소과정에 대한 이해

가 필요하다. 본 연구에서는 고분자수지의 난연 및 방염 처리에 의한 억제요인을 연

구하고 분석하였다. <표 17>과 <그림 128>에 고분자수지의 연소과정과 메커니즘을

나타내었다. 난연 또는 방염처리는 플라스틱의 연소과정 중 가열, 분해, 연소, 불꽃확

산 등의 각 과정에서 다양하게 작용한다.

<표 17> 고분자수지의 연소과정별 결정인자

과 정 결 정 인 자

가 열 비열․열전도도

용 융 용융 및 휘발 잠열

노화, 분해열에 불안정한 결합의 함유율, 분해잠열, 열의 공급속도,

분해거동

기화, 확산 확산속도, 산소농도, 기화열

착 화 분해생성물의 분포, 양, 발화점, 인화점

연소의 진행 연소열, 연소속도, 불꽃 전달속도

<그림 128> 고분자수지의 연소 메커니즘

- 128 -

고분자수지의 난연방법은 다양하게 존재하지만 그 중 Cooling, Coating,

Dilution, 활성라디칼 흡수 등의 방법이 고분자수지의 물리․화학적 난연방법의 대부

분을 차지하고 있다. Cooling는 첨가제에 의해 연소과정에서 유지되어야 하는 열에

너지를 소비시키는 방법으로 연소를 억제하고 그 예로는 Aluminium hydroxide를

들 수 있다. Coating은 고분자수지가 기체와 접촉하지 못하도록 고체나 기체로 응축

시켜 막을 형성하는 것을 말하며 그 예로는 인계 화합물을 들 수 있다. Dilution은

연소 시 불연성 중질가스를 생성시켜 연소를 진행시키는 가스들끼리의 반응을 억제

시킴으로써 소화 작용을 하는 것을 말하며 그 예로는 Aluminium hydroxide와 삼산

화 안티몬 등을 예로 들 수 있다.

활성라디칼 흡수는 연소반응에 참가하는 H, OH와 같은 라디칼을 난연제가

흡수해서 연속반응을 억제하는 방법이다 그 예로는 할로겐계 화합물을 들 수 있다.

위와 같은 난연 방법을 참고하여 고분자수지로는 PP, ABS, PVC, Acrylic, HDPE,

PC, PET를 사용하고 난연제로는 Ammonium bromide, Antimony trioxide,

Magnesium hydroxide, Ammonium phosphate, Borax, Hexabromocyclododecan를

사용하여 <표 18>와 같이 총 42종의 시료를 준비하고 <그림 129>과 같은 방법으로

시험편을 제작한 후 L.O.I (Limiting Oxygen Index)시험을 수행하였다.

- 129 -

<그림 129> 시험편 제작 공정

- 130 -

<표 18> 고분자수지와 난연제 혼합 시편 제작 목록

No. Plastic Additive mixture ratio

1 ABS Ammonium phosphate 5(vol%)

2 ABS Ammonium bromide 5(vol%)

3 ABS Magnesium hydroxide 5(vol%)

4 ABS Antimony trioxide 5(vol%)

5 ABS Borax 5(vol%)

6 ABS Hexabromocyclododecan 5(vol%)

7 Acrylic Ammonium phosphate 5(vol%)

8 Acrylic Ammonium bromide 5(vol%)

9 Acrylic Magnesium hydroxide 5(vol%)

10 Acrylic Antimony trioxide 5(vol%)

11 Acrylic Borax 5(vol%)

12 Acrylic Hexabromocyclododecan 5(vol%)

13 PP Ammonium phosphate 5(vol%)

14 PP Ammonium bromide 5(vol%)

15 PP Magnesium hydroxide 5(vol%)

16 PP Antimony trioxide 5(vol%)

17 PP Borax 5(vol%)

18 PP Hexabromocyclododecan 5(vol%)

19 PVC Ammonium phosphate 5(vol%)

20 PVC Ammonium bromide 5(vol%)

21 PVC Magnesium hydroxide 5(vol%)

22 PVC Antimony trioxide 5(vol%)

23 PVC Borax 5(vol%)

24 PVC Hexabromocyclododecan 5(vol%)

- 131 -

No. Plastic Additive mixture ratio

25 HDPE Ammonium phosphate 5(vol%)

26 HDPE Ammonium bromide 5(vol%)

27 HDPE Magnesium hydroxide 5(vol%)

28 HDPE Antimony trioxide 5(vol%)

29 HDPE Borax 5(vol%)

30 HDPE Hexabromocyclododecan 5(vol%)

31 PC Ammonium phosphate 5(vol%)

32 PC Ammonium bromide 5(vol%)

33 PC Magnesium hydroxide 5(vol%)

34 PC Antimony trioxide 5(vol%)

35 PC Borax 5(vol%)

36 PC Hexabromocyclododecan 5(vol%)

37 PET Ammonium phosphate 5(vol%)

38 PET Ammonium bromide 5(vol%)

39 PET Magnesium hydroxide 5(vol%)

40 PET Antimony trioxide 5(vol%)

41 PET Borax 5(vol%)

42 PET Hexabromocyclododecan 5(vol%)

- 132 -

(가) L.O.I. 시험

1) 실험방법

ASTM D 2863-91에 의거하여 자체 제작한 L.O.I.시험기를 사용하여

6×6×120(mm)시험편을 제작하여 75mm내경의 관에 유속 4cm/min., 유량 11ℓ/min.

으로 산소, 질소 혼합가스를 방출하여 연소시간법으로 하방연소시켜 그 고분자 수지

의 L.O.I.수치를 측정하였다.

<그림 130> Typical Equipment Layout

<그림 131> L.O.I. 시험편

- 133 -

<그림 132> L.O.I. 시험장치 구성 개략도

- 134 -

2) 실험 결과

L.O.I.시험을 각 시험편별로 7회 실시하여 그 평균값과 JIS D 1201에 따른 난연

등급을 <표 19>에 나타내었다.

<표 19> L.O.I. 시험 측정 평균값

No. Plastic Additive L.O.I. 난연등급

1 ABS Ammonium phosphate 27 난연 2급

2 ABS Ammonium bromide 25 난연 3급

3 ABS Magnesium hydroxide 28 난연 2급

4 ABS Antimony trioxide 29 난연 2급

5 ABS Borax 30 난연 2급

6 ABS Hexabromocyclododecan × -

7 Acrylic Ammonium phosphate 25 난연 3급

8 Acrylic Ammonium bromide 27 난연 3급

9 Acrylic Magnesium hydroxide 32 난연 1급

10 Acrylic Antimony trioxide 29 난연 2급

11 Acrylic Borax 30 난연 1급

12 Acrylic Hexabromocyclododecan × -

13 PP Ammonium phosphate 28 난연 2급

14 PP Ammonium bromide 26 난연 3급

15 PP Magnesium hydroxide 28 난연 2급

16 PP Antimony trioxide 29 난연 2급

17 PP Borax 28 난연 2급

18 PP Hexabromocyclododecan × -

19 PVC Ammonium phosphate 28 난연 4급

20 PVC Ammonium bromide 35 난연 2급

21 PVC Magnesium hydroxide 25 난연 3급

22 PVC Antimony trioxide 32 난연 4급

23 PVC Borax 26 난연 3급

24 PVC Hexabromocyclododecan × -

25 HDPE Ammonium phosphate 30 난연 2급

- 135 -

No. Plastic Additive L.O.I. 난연등급

26 HDPE Ammonium bromide 29 난연 2급

27 HDPE Magnesium hydroxide 27 난연 2급

28 HDPE Antimony trioxide 28 난연 3급

29 HDPE Borax 25 난연 3급

30 HDPE Hexabromocyclododecan × -

31 PC Ammonium phosphate × -

32 PC Ammonium bromide × -

33 PC Magnesium hydroxide × -

34 PC Antimony trioxide × -

35 PC Borax × -

36 PC Hexabromocyclododecan × -

37 PET Ammonium phosphate × -

38 PET Ammonium bromide × -

39 PET Magnesium hydroxide × -

40 PET Antimony trioxide × -

41 PET Borax × -

42 PET Hexabromocyclododecan × -

- 136 -

JIS D 1201에서는 산소지수로부터 난연등급을 구분하고 있다. 이에 따라 난

연등급을 구분하여 보면 같은 고분자수지라도 난연제의 종류에 따라 난연등급이 다

르고 같은 난연제라도 고분자수지의 종류에 따라 등급이 상이함을 알 수 있다. 이는

고분자수지의 종류에 따라 그에 맞는 난연제가 다름을 알 수 있다.

<표 19>에서 L.O.I. 수치에 ×표가 된 것이 있는데 이는 시험편의 제작과정에

서 강도가 약하여 시험편을 제작하지 못하여 시험을 수행하지 못한 것을 나타내고

있다.

<표 20> JIS D 1201에 따른 산소지수에 의한 난연성 구분

구분 산소지수

난연 1급

난연 2급

난연 3급

난연 4급

산소지수 30 ～ 인 것

산소지수 27 ～ 30인 것

산소지수 24 ～ 27인 것

산소지수 21 ～ 24인 것

- 137 -

2. 자기소화특성 및 연소억제 Mechanism 분석

자기소화특성(Self-extinguishing)이란 고분자수지가 화염에 접하고 있을 때는

타지만, 화염을 제거하면 자연히 소화하는 성질이다. 이러한 성질은 주로 고분자수지

에 난연화를 실시하였을 때 나타나게 된다. 고분자수지에 난연화를 실시하는 방법으

로는 크게 첨가형과 반응형으로 나눌 수 있고 첨가형은 물리적으로 고분자수지에 난

연제를 첨가해서 난연성을 향상시키지만 반응형은 고분자수지를 제조할 때 일부에

난연제를 첨가해서 화학반응을 일으키고 난연성을 향상시키는 방법이다.

(가) Flame Retardant Mechanism

1) 난연제의 개요

고분자수지의 난연화 방법에는 여러 가지가 있으며, 난연화과정은 고분자에

열공급을 줄이는 목적으로 열안정성을 유지하고자 함이다. 이는 주로 연소 확산 방

지 기능을 이용하는데 연소시에 생성되는 radical의 제거와 고체-기체상의 경계면에

서의 열전달, 물질 전달제한을 통해 가능해진다. 첨가형 난연제 중 주로 사용되는

Halogen계 난연제는 Gas phase reaction을 통해 연소 Cycle을 방해하는 작용

mechanism을 나타내는 것으로 알려져 있다.

- 138 -

2) Halogen Retardant

Halogen계 난연제는 수지내 고분자의 연소과정에서 생성되는 OH radical과의

반응을 통해 연소과정의 연쇄반응을 억제하는 역할을 한다. Halogen radical은 반응

성이 큰 H, O, OH의 radical 등과 반응하여 이것을 중화시키는 역할을 하며 이렇게

생성된 Halogen radical은 매우 sluggish하고 inactive해지며, 연소중인 수지표면에서

Gas blanket covering을 통해 주위 산소와의 반응경로를 차단하는 역할을 하게 된다.

Halogen계 난연제 화합물은 근본적으로 기체상에서 발생하는 radical을 안정화시켜

난연효과를 가지게 된다.

연소시 OH․radical과 같은 activation radical은 화학반응을 통하여 열을 발생하

게 되며 이때 발생된 잠열은 주위 인화성물질이 연소하는데 소요되는 에너지원으로

작용하게 된다. 난연제는 앞의 mechanism처럼 activation radical인 OH 및 O의 농도

를 줄이고 연쇄반응을 정지시켜 난연효과를 부여하게 되는데 연소 시 C-X결합의 절

단은 흡열반응으로 가연성물질의 연소열을 감소시키는 효과가 있다. 또한 분해 시

불연성 기체를 발생시켜 산소를 차단하는 효과도 있다. 그러므로 실제적인 난연효과

는 HX가 부여하게 되며 반응하여 저에너지원의 X-radical로 전환된다. 또한 Halogen

함유 난연제는 고체상에서도 난연효과를 나타내며 HX는 가연성물질의 산화촉매로

작용하여 산화된 물질은 환 구조화되어 결과적으로는 탄소화합물을 생성하게 된다.

이렇게 생성된 탄소화합물은 산소 및 잠열을 차단하여 가연성물질이 연소영역 이하

에 있도록 도와주는 역할을 하게 된다.

특히 염소는 액상, 고상에서는 무거운 gas로써 표면을 덮어 열과 산소를 차단하

는 교화, 탄화하기 쉬운 이중결합을 가진 화합물의 생성작용을 한다.

난연성은 ‘aliphatic > acrylic > aromatic'의 순서로 높게 나타난다. 지방족

Halogen 화합물은 방향족 Halogen 화합물보다 효과가 더 좋다. 그것은 Halogen의

결합에너지 차이 때문이다. 즉 결합에너지가 강하면 Halogen 원소가 벗어나기 어렵

기 때문에 난연효과가 저하된다. Halogen계 난연제에 의한 mechanism을 <그림

133>에 나타내었다.

Halogen계 난연제는 여러 고분자에 다양하게 적용할 수 있고, 고분자 물성에 영

향을 미치지 않을 정도로 소량으로 높은 난연효과를 낼 수 있다. 하지만 최근 들어

저발연성 및 저독성에 대한 요구가 증대되고 있어 환경규제에 의한 제한요인이 부각

되고 있다.

- 139 -

<그림 133> Halogen계 난연제에 의한 난연화 Mechanism

- 140 -

3) Phosphorus Retardant

인계 난연제는 산소를 다량 함유하고 있는 플라스틱에서 우수한 난연효과를 보

인다. 반응 메카니즘은 열분해에 의하여 폴리인산이 생성되고 이것은 에스테르화 및

탈수소화하여 char을 생성하며 이렇게 생성된 char가 플라스틱 표면에 산화피막을

형성하여 열과 산소를 차단하는 역할을 한다. 난연화 과정을 나타내면 <그림 134>과

같다. 비휘발성의 고분자량 폴리인산은 탄소층을 형성시켜 산소 및 잠열을 차단하여

열분해 반응을 감소시키는 역할을 한다.

Phosphine은 폴리인산 첨가시에 char형성에 도움이 된다. 적인은 독성이 없고

열적으로 안정하나 물과 접촉할 경우 독성이 강하고 밀폐공간에서 폭발 위험이 있는

포스핀 가스를 방출한다. 인계 난연제는 저독성 및 고성능의 두가지 측면을 만족시

키면서 할로겐계 난연제의 대체품으로 각광을 받고 있지만 기존제품에서 인계 난연

제로 교체하는 프로세스 비용이 많이 들고 비교적 고가인 점이 단점이 있다.

<그림 134> Phosphorus retardants의 난연화 mechanism

- 141 -

4) Phosphorus/Halogen Retardant

저휘발성, 무색, 무취이고 물에 대해 비교적 안정하지만 내열성이 좋지 않다.

Polyurethane foam과 Acrylic resin에 사용된다. phosphorus halide 와 oxyhalide는

Hydrogen halide 보다 우수한 radical intercepter이며 끓는점이 높고 고비중으로 연

소영역에 머무르는 시간이 길기 때문에 gas phase에서 난연 상승효과를 주며 연소를

억제시킨다.

5) Phosphorus/Nitrogen Retardant

내열성, 내착색성, 내유성이 우수하고 가소화 효과를 부여하며 Engineering

plastics, PVC, Cellulose acetate 등에 사용된다. Urea, Nitrogenous compounds은 폴

리인산의 열적 축중합을 촉진시켜 Polyphosphoric acid을 생성한다. 생성된

phosphoric acid은 탈수소촉매로 작용하여 char 형성을 유도한다.

6) Melamine Retardant

Halogen계 retardant를 대체하는 retardant 개발의 요구가 증가함에 따라

Phosphorus retardant와 더불어 주로 서유럽에서 사용량이 증가하고 있다. Halogen

계 retardant 보다 독성이 적으며 취급이 용이한 특성을 가지고 있다. 특히 멜라민을

함유한 연질 Polyurethane foam 제품의 열분해 시 독성기체의 발생이 없으며 다른

retardant보다 연기의 발생이 적다. Melamine계 retardant의 우선 적용가능성이 있는

분야는 Nylon, Polyurethane, 등이 있으며 Epoxy, Polyester, PBT, Polypropylene 등

이 가능성이 제시되고 있다. 현재 국내에서는 Nylon의 일부용도의 retardant로

Melamine cyanurate(MC)가 사용되고 있으며 다른 분야로는 최근에 적용실험이 시

도되고 있는 실정이다.

한편 Phosphate계로는 Melamine phosphate, Dimelamine phosphate,

Melamine pyrophosphate 세가지가 상용화되어 있는데 chopped 상의 고체로서

coating이나 Thermoplastic resin에 분산시키는 데 적절하며, 최근에는 polyolefine에

도 사용되고 있다. 난연 mechanism으로는 지금까지 연구결과로 열이 가해지면 멜라

민이 분해되면서 멜라민과 melamine과 phosphoric acid 가 각각 응축되며, 흡열반은

과정과 응축상에서의 mechanism 등에 기인하는 것으로 알려져 있다.

- 142 -

<표 21> Retardative Mechanism of Melamine Retardant

Retardative Mechanism MelamineMelamine

cyanulate

Melamine

phosphate

Affect degradation reactions ○ ○ ○

Heat Sink ○ ○ ○

Inert gases ○ ○ ○

Char Formation ○

Intumescence ○

Heat Insulation ○

Heat transfer (Dripping) ○

7) Inorganic Retardant

열에 의해 휘발되지 않으며 분해되어 H2O, CO2, 이산화황, 염화수소와 같은

불연성기체를 방출하게 되며 흡열반응을 한다. 기체상에서는 가연성기체를 희석시켜

플라스틱 표면을 도포하여 산소의 접근을 방지하고, 동시에 고체상 표면에서 흡열반

응을 통하여 플라스틱 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시키는 효과가 있다. 화

재시 인명피해의 원인중 대부분이 연기에 의한 질식사로 보고 있으며 관련 연구가

광범위하게 수행되고 있다.

- 143 -

제 5절 가연물의 종류에 따른 화재구획실 내부온도 변화

1. 실험 개요

본 연구는 정해진 크기의 화재구획실 내에서 어떠한 가연물질이 연소할 때

발생되는 화염이 구획실 내부 온도 상승이 미치는 영향을 실험적으로 고찰하기 위한

것으로써, 본 연구에 사용된 화재구획실은 ISO 9705 room corner test 규격에 제시

하는 3.6m×2.4m×2.4m(l×w×h) 크기의 단일룸으로 구성되어있다. 연구의 결과물은 차

후 진행될 우리나라 실정에 적합한 화재 simulation 프로그램 개발에 기초 연구자료

로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실험 장치

<그림 135, 136>은 실험에 사용된 화재 실험동을 나타낸 것으로 ISO 9705 시험

규격에서 제시하는 화재실의 크기와 동일하게 건축되었다. 화재실험동은 길이방향으

로 하나의 개구부를 가지고 있다.

<그림 135> ISO 9705 규격에서 제시하는 화재구획실(측면도)

3.6m×2.4m×2.4m (l×w×h)

- 144 -

<그림 136> ISO 9705 규격에서 제시하는 화재구획실(평면도)

- 145 -

3. 실험 방법

<그림 137>~<그림 139>은 화재실험동내부에 설치된 K-type thermocouple의

위치를 나타낸 것이다. Thermocouple의 위치는 화재실험동 내부 크기의 상하좌우

단과 3방향 길이의 중앙에 해당되는 위치에 설치되었다.

<그림 140>~<그림 141>은 실험에 사용된 가연물(일부) 사진으로, 점화는 신

문 고지 1/2부를 사용하여 가연물 하부에서 점화하였으며, 이와 동시에 화재실 내부

온도 변화를 측정․기록하였다.

<그림 137> 제작된 화재구획실의 크기와 thermocouple 위치

<그림 138> 화재구획실 내부 thermocouple 설치위치

- 146 -

<그림 139> 화재 실험에 사용된 thermocouple

<그림 140> 화재실험에 사용된 소파

<그림 141> 화재실험에 사용된 TV

- 147 -

4. 실험 결과

<그림 142>은 실험에 사용된 직경 30cm의 가연성 액체 pool을 나타낸 것이다.

<그림 143>~<그림 147>은 가연성 액체의 pool 화재 발생시 화재구획실 내부 온도

변화를 측정하기 위한 실험 장면으로써 가연물의 종류에 따라 다른 화염 성상을 나

타냈다.

<그림 142> 액체 연료 연소용 pool (30cm)

<그림 143> 실험에 사용된 연료(Acetone)의 연소장면

- 148 -

<그림 144> 실험에 사용된 연료(Hexane)의 연소장면

<그림 145> 실험에 사용된 연료(Gasoline)의 연소장면

<그림 146> 실험에 사용된 TV의 연소장면

- 149 -

<그림 146>는 가정용 TV의 연소현상을 화재 진행에 따라 나타낸 것으로서,

화재 성장의 양상을 쉽게 알 수 있었다. <그림 147>은 가정용 TV의 연소시, 연기 발

생을 나타낸 사진이다.

<그림 147> TV 연소시 발생되는 연기

- 150 -

(가) Methyl alcohol

<그림 148> Methyl alcohol 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Methyl alcohol의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~6

0℃사이에 있는 것으로 기록되었다. 화원의 위치에서 가장 가까운 곳의 온도가 가장

높게 나타났으며, 전형적인 pool 화재의 양상을 나타내고 있는 것으로 해석된다. 화

재 지속 시간은 약 56분으로 기록되었다.

- 151 -

(나) Ethyl alcohol

<그림 149> Ethyl alcohol 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Ethyl alcohol의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~7

0℃사이에 있는 것으로 기록되었다. 전형적인 pool 화재의 양상을 나타내고 있으며,

내부 온도변화에서 기록된 최고온도가 Methyl alcohol 화재에서의 온도보다 소폭 증

가된 것은 연료 자체의 연소열량이 높은 것에 기인한 결과로 사료된다. 화재 지속

시간은 약 60분으로 기록되었다.

- 152 -

(다) Acetone

<그림 150> Acetone 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Acetone의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~85℃사이

에 있는 것으로 기록되었다. 내부 온도변화에서 기록된 최고온도가 Methyl alcohol

화재에서의 온도보다 소폭 증가된 것은 연료 자체의 연소열량이 높은 것에 기인한

결과로 사료된다. 또한 화재 지속 시간은 약 22분으로 기록되었다. 이는 Alcohol계

연료보다 높은 열량 feed back이 이루어지기 때문으로 해석된다.

- 153 -

(라) Hexane

<그림 151> Hexane 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Hexane의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~110℃사이

에 있는 것으로 기록되었다. 내부 온도변화에서 기록된 최고온도가 Methyl alcohol

화재에서의 온도보다 상승된 것은 연료 자체의 연소열량이 높은 것에 기인한 결과로

사료된다. 또한 화재 지속 시간은 약 17분으로 기록되었다. 이는 Alcohol계 연료보다

높은 열량 feed back이 이루어지기 때문으로 해석된다.

- 154 -

(마) Gasoline

<그림 152> Gasoline 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Gasoline의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~80℃사이

에 있는 것으로 기록되었다. 내부 온도변화에서 기록된 최고온도가 Methyl alcohol

화재에서의 온도보다 상승된 것은 연료 자체의 연소열량이 높은 것에 기인한 결과로

사료된다. 또한 화재 지속 시간은 약 19분으로 기록되었다. 이는 Alcohol계 연료보다

높은 열량 feed back이 이루어지기 때문으로 해석된다.

- 155 -

(바) Kerosene

<그림 153> Kerosene 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Kerosene의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~70℃사

이에 있는 것으로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 37분으로 기록되었다. 화재

구획실 내부 온도가 gasoline, hexane보다 낮은 원인은 kerosene의 연소속도가 비교

적 느려 단위시간당 발생되는 열량이 적음에 기인한 결과로 해석된다.

- 156 -

(사) Light-oil

<그림 154> Light-oil 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Kerosene의 pool 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~70℃사

이에 있는 것으로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 37분으로 기록되었다. 이는

Kerosene의 화재 경과와 동일한 양상을 보이는 것으로써 원인 또한 같은 것으로 사

료된다.

- 157 -

(아) Wood

<그림 155> Wood 연소시 화재구획실 내부온도 변화

Wood 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 30~70℃사이에 있는 것으

로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 6분으로 기록되었다. 화재 지속 시간이 매

우 짧은 것은 가연물량이 적음과 화재의 확대 및 감소에 소요되는 시간이 매우 짧음

을 의미한다. 또한 Wood의 연소속도가 매우 빠르다는 것으로 해석되어 진다.

- 158 -

(자) Sofa

<그림 156> 소파 연소시 화재구획실 내부온도 변화

소파의 연소시 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 850℃에 이르

는 것으로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 30분으로 기록되었다. 화재 지속

시간이 매우 긴 것은 가연물량이 많음과 화재의 확대 및 감소에 소요되는 시간이 매

우 길다는 것을 의미한다.

- 159 -

(차) Cassette

<그림 157> 카세트 연소시 화재구획실 내부온도 변화

카세트의 연소시 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 227℃에 이

르는 것으로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 23분으로 기록되었다. 화재의 성

장에 이어 짧은 시간의 최성기를 거쳐 감소기로 전이하는데 소요되는 시간 간격이

비교적 짧다는 것을 알 수 있다.

- 160 -

(카) TV

<그림 158> TV 연소시 화재구획실 내부온도 변화

TV의 연소시 화염에 의한 화재 구획실 내부 온도 분포는 약 230℃에 이르는

것으로 기록되었다. 또한 화재 지속 시간은 약 17분으로 기록되었다. 같은 종류의 가

연물인 카세트와 비교하여 비교적 짧은 화재 지속시간을 보이는 것으로 나타났다.

이는 TV의 실 가연물량이 카세트보다 적기 때문으로 사료된다.

- 161 -

제 6절 FDS를 활용한 건물화재 Case Study

1. FDS 개요

FDS(Fire Dynamics Simulator)는 미국 NIST(National Institute of Standards and

Technology)에서 개발된 화재발생시 가열된 유체의 흐름의 평가를 위해 개발되어진

프로그램이다.

<그림 159> FDS 실행 예

FDS Program은 설계도면에 따라 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 계산된

결과 값을 사용한다. 화재로부터 발생되는 열유속을 계산하고 계산된 열유속에 대한

값을 Smokeview란 Program을 사용하여 그 결과를 확인할 수 있다. <그림 159>는

FDS로 모델링하고 계산된 값을 Smokeview를 이용하여 그 결과값을 확인한 것이다.

FDS로 계산된 결과 값을 Smokeview를 통하여 Smoke, Water, Heat release rate

per unit velocity, Temperature, Velocity, Soot density, Burning rate, Heat flux,

Wall Temperature 등을 확인할 수 있으며 생성되는 파일(*.csv)들을 통하여 Heat

release rate, Radiation loss, Convection loss, Conduction loss, Burning rate와 같은

열전달과 관계된 값들과 Fuel, O2, N2, H2O, CO2, CO, H2, Soot와 같은 질량과 관계

된 값 등을 시간에 따른 변화량을 알 수 있다. 2005년 10월 현재 Ver. 4.0.6까지

Update가 되어 있으며 추후 지속적인 Update가 될 것으로 전망된다. 본 연구에 사

용된 FDS의 Version은 4.0.6으로 최신 Version을 사용하였다.

2. 건물화재 Case 및 시나리오 작성

- 162 -

주택화재를 기준으로 2층 주택을 Modeling하여 300sec동안 시뮬레이션을 실시하

였다. 6.4m×8.0m×4.8m 크기로 1층에 주방과 식당, 거실을 설계하고 2층에 3개의 침

실을 구성 설계하였다.

가연물은 Wood로 하였고 건물의 기본적인 재료는 Gypsum Board로 설정하였고

주방에 Spruce 재질로 상단과 하부에 Cabinet을 설계하였다. 식당에는 Spruce 재질

의 Table을 설치하였다. 거실은 2층으로 올라가는 계단을 설치하였고 식당과 통하는

개구부를 설치하였으며 Upholstery 재질의 Sofa 2개와 Chair 2개를 제작하였다. 바닥

은 Carpet을 거실부분에 깔아놓은 것으로 설정하였다.

2층에는 계단과 이어지는 3개의 침실문 중 Room 2와 Room 3은 Hole을 생성하

여 개구부가 open된 상태로 설정하였고 Room 1의 개구부는 180sec에 open 되도록

설정하여 개구부의 open과 close 상태에서의 연기유동 및 온도변화를 확인하고자 하

였다. Room 1에는 Upholstery 재질의 침대와 Spruce 재질의 수납장을 2개 설치하였

고 Room 2와 Room 3에는 각각 Upholstery 재질의 침대 1개와 Spruce 재질의 수납

장 1개를 설치하였다. 2층 바닥 전체에도 Carpet을 깔아놓았다.

개구부는 1층에 거실방향 출입문과 주방 방향의 출입구를 각각 1.6㎡, 3.52㎡크기

로 제작하였고 2층에 Room 1번에 0.64㎡크기의 창문 2개를 설계하고 Room 2와

Room 3에 각각 0.64㎡ 크기의 창문을 설계하였다. 주방방향의 출입구는 문을 둘로

나누어 각각 60sec와 120sec에 open되도록 설정하였고 거실방향의 출입구는 120sec

에 open되도록 설정하였다. 2층의 창문들은 모두 180sec에 open되도록 설정하였다.

화재발생은 주방에 설계된 아래쪽 Cabinet에서 발화하여 앞에서 열거한 특성들을 확

인하였다.

- 163 -

Kitchen Dining Room

Room 3Room 2

Kitchen Dining Room

Room 3Room 2

<그림 160> FDS 설계도면(View of South)

Steps Living Room

Room 1

Steps Living Room

Room 1

<그림 161> FDS 설계도면(View of North)

- 164 -

StepsDining Room

Room 3

StepsDining Room

Room 3

<그림 162> FDS 설계도면(View of East)

Living Room Kitchen

Room 2Room 1

Living Room Kitchen

Room 2Room 1

<그림 163> FDS 설계도면(View of West)

- 165 -

Room 1

Room 2Room 3

Steps

Room 1

Room 2Room 3

Steps

<그림 164> FDS 설계도(2nd Floor 평면도)

3. FDS를 활용한 simulation 결과 분석

(가) Smoke Particle

시간에 따른 Smoke Particle의 변화를 <그림 165>~<그림 174>에 나타내었다.

<그림 165> Smoke Particle at 30sec

- 166 -

<그림 166> Smoke Particle at 60sec

<그림 167> Smoke Particle at 90sec

<그림 168> Smoke Particle at 120sec

- 167 -

<그림 169> Smoke Particle at 150sec

<그림 170> Smoke Particle at 180sec

<그림 171> Smoke Particle at 210sec

- 168 -

<그림 172> Smoke Particle at 240sec

<그림 173> Smoke Particle at 270sec

<그림 174> Smoke Particle at 300sec

- 169 -

(나) Mixture Fraction

Mixture Fraction은 연소가스와 공기의 경계면을 나타낸 것으로 연소지역의

최외각 부분을 나타낸 것이라 할 수 있다. 시간에 따른 Mixture Fraction의 변화를

<그림 175>~<그림 184>에 나타내었다.

<그림 175> Mixture Fraction at 30sec

<그림 176> Mixture Fraction at 60sec

- 170 -

<그림 177> Mixture Fraction at 90sec

<그림 178> Mixture Fraction at 120sec

<그림 179> Mixture Fraction at 150sec

- 171 -

<그림 180> Mixture Fraction at 180sec

<그림 181> Mixture Fraction at 210sec

<그림 182> Mixture Fraction at 240sec

- 172 -

<그림 183> Mixture Fraction at 270sec

<그림 184> Mixture Fraction at 300sec

- 173 -

(다) Soot Density

연기의 밀도를 통하여 연기 확산 및 하강 등의 유동을 확인할 수 있다. 색의

진하기에 따라 밀도의 높음과 낮음을 보여준다. <그림 185>~<그림 197>에 시간에

따른 연기 밀도의 변화를 나타내었다.

<그림 185> Soot Density at 5sec

<그림 186> Soot Density at 10sec

- 174 -

<그림 187> Soot Density at 20sec

<그림 188> Soot Density at 30sec

<그림 189> Soot Density at 60sec

- 175 -

<그림 190> Soot Density at 90sec

<그림 191> Soot Density at 120sec

- 176 -

<그림 192> Soot Density at 150sec

<그림 193> Soot Density at 180sec

<그림 194> Soot Density at 210sec

- 177 -

<그림 195> Soot Density at 240sec

<그림 196> Soot Density at 270sec

<그림 197> Soot Density at 300sec

- 178 -

제 4장 결 론

가연물질 DB 구축 및 고분자 수지의 첨가 난연제의 종류 변화에 따른 연소특성

변화 연구, 화재하중 조사분석 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 난연제를 첨가한 고분자수지의 L.O.I., Smoke Density, 화염전파시험 수행 결과

고분자수지의 종류에 따라 최적의 효과를 나타내는 난연제가 다르다는 것을 알

수 있었다.

2. 가연성 기체의 연소특성 시험 결과 공기 중 산소농도의 영향에 따라 화염 길이

및 온도가 다르다는 것을 알 수 있었다. 이는 실제 화재에서 연료지배화재가 발

생할 때, 화염이 더욱 빠르게 전파 할 수 있다는 것을 의미한다.

3. 가연성 액체의 pool fire 실험 결과 화염의 온도가 높은 것이 주위의 온도에 미

치는 영향이 큰 것만은 아니며, 연료의 분자량이 크고 발열량이 많을수록 더욱

큰 화염을 발생시키며 주위온도 영향 및 복사열량이 많은 것으로 나타났다.

4. ISO 9705에서 제시하는 화재구획실에서 수행한 내부 가연물의 종류 변화에 따른

온도 분포 변화시험을 수행한 결과 가연물의 종류에 따른 구획실 내부온도 변화

특성이 매우 달라짐을 알 수 있었다.

5. FDS를 사용한 건물화재 시뮬레이션을 수행한 결과 실대화재를 수행하지 않고 화

재를 예측할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 화재 시뮬레이션을 수행할 때 입력파

일에서 가연물 정보의 정확성이 높아야 한다는 것을 다시 확인하였다.

- 179 -

제 5장 연구개발 목표달성도 및 대외기여도

제 1절 연구개발 목표의 달성도

1. 난연제 첨가에 따른 고분자수지의 연소특성 변화

- 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 고분자수지의 첨가 난연제 종류에 따른

연소특성의 변화를 측정하기 위하여 L.O.I., Smoke Density, 화연전파시험을

수행하였다.

2. 가연성 기체의 연소특성 고찰

- 기연성 기체 3종에 대한 화재 성상을 실험적으로 고찰 완료함.

3. 가연성 액체의 연소특성 고찰

- 가연성 액제 7종에 대한 화염온도, 주위온도 및 화염으로부터 방출되는 복사열

량을 실험적으로 고찰 완료함.

4. 가연물의 종류에 따른 화재구획실 내부온도 변화

- ISO 9705규격에서 제시하는 화재구획실을 활용하여 가연물 종류의 변화에 따른

내부온도 변화고찰 완료.

5. FDS를 활용한 건물화재 Case study

- NIST BFRL에서 개발된 FDS를 활용하여 건물화재에 관한 시뮬레이션을 수행

완료함.

제 2절 관련 분야의 기술 발전 기여도

본 연구의 결과로 가연물에 관한 물리․화학적 특성 및 연소특성에 관한 자료를

검색하는 소요시간이 단축되었으며, 편리성 또한 극대화되었다. 고분자 수지의 난연

화에 따른 연소특설의 변화 시험을 수행하여 관련 산업에의 기초 연구자료로 활용될

수 있을 것으로 사료된다. 화재하중 조사분석에 따라 건축물의 용도에 따라 화재 위

험성이 매우 달라진 다는 것을 알게 되었으며, 건축물의 설계단계에서 화재안전성을

향상 시킬 수 있는 방법을 찾는데 귀중한 자료로 사용될 것이다.

- 180 -

제 6장 연구개발 결과의 활용계획

제 1절 추가연구의 필요성 및 타 연구에의 응용

본 연구의 결과물을 상용화하기 위한 반복실험이 필요하며, 연구결과의 신뢰도를

제고하여야한다.

본 연구결과는 건물화재를 비롯한 각종 화재성상 예측 시뮬레이션의 입력자료

및 차년도 연구과제에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

또한 본 연구의 내용 및 결과를 활용하여 소방대원들의 기초 교육 및 재교육을

통하여 화재성장과 화염의 특성을 이해하고 원론적 배경지식을 축적할 수 있을 것으

로 기대된다.

제 2절 기업화 추진 방안

본 연구결과의 저작권은 중앙소방학교에 있으며 관련 기관에서 소방 관련 업체

를 선정하여 DB 프로그램은 상용화하기 위한 추가연구비를 제공받아 기업화하는 것

이 바람직 할 것으로 사료된다.