1. 서 론
폴리우레탄폼은 가장 많이 사용되고 있는 단열재로 액체 상태의 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)라는 물질을 섞은 후 발포제를 넣어서 만든 화학물질이다. 폴리우레탄폼은 유기단열재 중 열전도율이 가장 우수하며, 샷시 교체나 단열공사 시 다양한 공법으로 작업이 가능하고, 작은 틈이나 모서리 등 열악한 작업 공간에서도 시공의 용이성을 가지고 있어 향후 화재 위험성으로 인한 규제가 되지 않는 이상 지속적으로 사용될 것으로 생각된다. 특히, 스프레이형 폴리우레탄폼의 경우 쉽게 구매 가능한 장점과 누구나 손쉽게 사용이 가능하고, 셀프 시공의 장점이 있어 사용량이 점차 증가되고 있는 추세이다. 이와 같이 다양한 장점으로 인해 가장 많이 사용되는 단열재지만, 화재가 발생할 경우 폴리우레탄폼 자체의 가연성으로 인해 연소속도가 빠르고 일산화탄소, 염소, 암모니아, 시안화수소 등 유독가스가 다량으로 방출되면서 화재 시 인명피해를 높이는 위험성을 가지고 있다(1). 여기서 스프레이형 폴리우레탄폼의 경우 1액형, 2액형이 있고, 1액형의 경우 한 개의 캔용기에 추진체, 주제, 경화제가 들어 있는 것을 말하며, 2액형의 경우 두 개의 분리된 용기에 주제와 경화제를 나눠 사용하는 차이가 있다. 이러한 휴대용이 가능한 스프레이형 폴리우레탄폼의 경우 화재 안전성 측면에서 취약한 부분이 나타나는데 공사장 작업자의 안일한 안전의식으로 스프레이 폴리우레탄폼 뿜칠 작업 시 용접작업 그리고 페인트 도장작업이 동시에 이루어지면서 공사장에서 크고 작은 화재가 빈번하게 발생하고 있는 실정이다(2). 또한, 1액형 추진체의 경우 가연성 가스가 내포되어 있고 작업장 환기를 진행하지 않은 상태로 전열기 및 흡연에 의한 가스 점화 화재사례가 지속적으로 발생되고 있다. 즉, 가연성 분위기 조성과 더불어 용접 불티 및 전열기가 점화원으로 작용하여 화재와 폭발을 동반한 화재사고들이 지속적으로 발생하고 있다. 2008년 경기도 이천 냉동창고 화재는 폴리우레탄폼 작업 중 발생한 대형화재로 많은 사상자를 발생한 대표적인 화재사례이다(3). 하지만, 12년이 지난 2020년 4월 29일 한익스프레스 냉동⋅냉장물류창고에서 2액형 스프레이폼으로 공사 중 화재가 발생하여 48명의 사상자가 발생하면서 이천 냉동창고화재와 동일한 대형화재 사고가 반복적으로 발생하고 있다(4). 또한, 대구 수성구 공사장에서도 1액형 스프레이폼 화재가 발생하는 등 폴리우레탄폼 뿜칠 작업 중 지속적인 화재가 발생하고 있다.
기존 폴리우레탄폼 관련 연구를 분석해 보면 Oh와 Choi(5)는 선박 건조작업장은 가연성 물질과 화기를 취급하는 작업이 연속되므로 폴리우레탄폼의 독성가스 방출과 열방출율을 저감한 단열재가 개발되어야 한다고 제언하였다. Mun 등(6)은 경질 스프레이 폴리우레탄폼의 FDS를 위해 열분해 물성을 측정하여 열분해 반응이 일어나는 기준 온도 및 반응률 등을 측정하였다. ｢발포제에 따른 폴리우레탄폼의 발포 특성 및 물성 분석｣을 연구한 Yun과 Kim(7)은 폼의 온도상승 소도와 발포제의 가스생성 속도를 고려하여 대체 발포제의 가능성을 확인하였다. 더하여, Kim 등(8)은 경질 폴리우레탄 폼 외부에 물유리를 코팅하여 난연성능을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 이처럼 국내에서는 폴리우레탄폼으로 인한 인체 유독성 저하 및 폼의 난연성 향상을 위한 수많은 연구가 이루어졌지만, 실제 공사현장에서 스프레이폼을 활용한 작업 중 발생할 수 있는 화재폭발의 위험성을 실 화재 실험을 통해 증명한 바는 없다.
따라서 본 연구에서는 시중에서 쉽게 유통되어 사용하고 있는 스프레이형 폴리우레탄폼 B1, B2, B3를 실험시료로 선정하여 난연등급에 따른 가연성가스의 점화 위험성을 확인하고자 하였으며, 이를 위해 자체 제작한 폴리우레탄폼 점화 실험체를 제작하여, 발포 시 발생되는 가연성 증기에 시간과 거리에 따른 점화유무를 확인하였다.
2. 이론적 배경
2.1 폴리우레탄폼(9)
폴리우레탄폼은 한국산업규격 KS M 3809 (경질폴리우레탄폼 단열재)에서 규정한 100 °C 이하의 보온 및 보냉에 사용하는 경질 폴리우레탄폼 단열재 등 미리 성형한 우레탄폼 단열판과 현장에서 시공하는 스프레이 우레탄폼을 말한다. Table 1은 폴리우레탄폼 원료의 일반적인 물성치를 나타낸 것이다. 단열재용 폴리우레탄폼의 주원료는 액상의 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)이고, 부원료로 반응속도를 조절하기 위한 촉매류 및 정포제와 발포제 등을 사용한다. 발포제는 HCFC-141b와 같은 탄화플루오르(fluorocabron) 계열을 주로 사용하며, 열분해 시 염소, 일산화탄소 등과 같은 유독성 가스를 발생시킨다. HCFC-141b는 상온에서 액상 상태이지만 비점이 32 °C로 낮아 발포시 발생되는 열에 의해 기화되어 발포제를 형성하고 발포 성형된 후 내부에 남아 단열성능을 유지시킨다. 또한, 냉장고 등과 같은 냉동기 제작시에는 인화점이 낮은 사이클로펜탄(cyclopentane)을 발포제 등도 사용한다(10).
Table 1
General Properties of Polyurethane Foam Raw Materials
2.2 스프레이 폴리우레탄폼
스프레이가 적용된 셀룰러 플라스틱인 스프레이 폴리우레탄폼은 화학물질을 섞어 거품을 내는 방식으로 만들어진다. 이러한 화학물질들은 매우 빠르게 반응하여 접촉면을 확장하여 단열된 거품을 만들고, 공기를 밀봉하여 수분 장벽을 제공한다. 스프레이 폴리우레탄폼은 올바르게 설치되면 벽, 코너 주변 및 윤곽이 있는 표면에 연속적인 장벽을 형성한다. 열전달에 매우 잘 저항하며 균열, 솔기 및 이음매를 통해 원치 않는 공기 침투를 줄이는 데 효과적이다. 스프레이 폴리우레탄 폼은 1액형과 2액형이 있으며, 1액형은 습기경화형이라하며 공기 중에 있는 습기와 반응을 하여 굳게 되고, 구성성분으로는 추진체와, 주제(폼의 주요성분), 경화제가 있다. 함유량은 제조사마다 약소한 차이가 나타나지만 대부분 추진체 25%, 주제 33%, 경화제 42%로 구성되어 있다. 추진체에서는 약 부탄 10%, 프로판 5%, 다이메틸 에테르 10% 성분을 가지고 있으며 프로판의 경우 설계에 따라 프로판의 비율이 많아질수록 스프레이 폴리우레탄 폼의 분사력이 강해지는 특성이 있고, 다이메틸 에테르의 경우 부탄과 프로판 및 액체 용액을 녹여 섞이게 하여 분사 시 주제 및 추진체 등이 골고루 분사될 수 있도록 하는 특성을 가지고 있다. 이처럼 1액형의 폼의 경우 추진체 등이 LPG 계열의 가연성 가스를 용기에 액화시켜 놓은 것으로 1액형 스프레이 폴리우레탄 폼 분사 시 주제와 함께 부탄, 프로판 가스 등 가연성 가스가 뿜어져 나오게 된다. 이후 이러한 가스는 공기보다 비중이 무겁기 때문에 공간에 가라앉게 되고, 이러한 상황에서 실내에 환기가 되지 않거나 밀폐된 장소의 경우 가연성 가스는 지속적으로 실내에 체류되게 된다(11). 이때 실내에 작은 불티나, 스파크, 정전기 등의 점화원이 발생되면 가연성 가스에 점화되어 폭발하는 상황이 발생된다. 1액형의 폼 제조사의 경우 B1, B2, B3의 난연등급을 평가하기 위해 시험을 진행하지만 폼 발포 이후 완전경화 후(약 24 h 소요) 폼에 직접 점화하여 불꽃을 접촉시켜 폼에서 자기소화 능력을 평가하기 때문에 폼 발포 시 발생되는 가스에 대한 시험을 따로 진행하지 않는 문제점이 있다(12,13).
2.3 스프레이 폴리우레탄폼 화재사례
스프레이형 폴리우레탄폼의 화재 및 폭발 위험성 측정실험에 앞서, 국내 화재사례를 바탕으로 화재 재현실험 조건을 구성하고자 하였다. Figure 1(a)는 2020년 2월 27일 대구에 발생된 화재사례로 폴리우레탄폼이 경화되기 전 착화가 되어 화재로 이어진 사례이다. Figure 1(b)는 2020년 7월 31일 대구에서 발생된 화재사례로 폴리우레탄폼이 도포된 전선에서 과전류에 의한 화재가 발생하여 폴리우레탄폼에 착화된 화재사례이다. Figure 1(c)는 2018년 1월 29일 울산 남구 공사현장에서 스프레이 폴리우레탄폼 뿜칠작업 중 폭발이 발생하여 화재로 이어진 사례이다. Figure 1(d)는 2020년 4월 29일 경기도 이천 물류창고 폴리우레탄폼 뿜칠작업 중 폭발이 발생하여 화재로 이어진 사례이다. 이처럼 대부분 스프레이 폴리우레탄폼 뿜칠 작업 중 발생된 사고사례로 뿜칠 중 추진체의 가연성가스가 좁은 실내에 체류 되면서 점화원에 의해 화재 및 폭발사고가 발생된 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 3항에서 진행하고자 하는 실험은 폴리우레탄폼 시공작업 시 동시에 화기를 취급하여 화재가 발생한 사고가 대부분이기 때문에 스프레이 폴리우레탄폼에서 분사 및 폴리우레탄 폼 경화 시 분출되는 가연성가스의 확산에 따른 화재위험성을 확인하기 위해 실험을 진행하였다.
2.4 인화성 물질 분석
실험에 앞서 우레탄폼에는 난연 등급인 B1, B2, B3로 구분되어 사용되며 B3은 가연성폼으로 가장 보편적으로 많이 사용되고 설비(건축물/콘크리트)의 충진, 메꿈작업에 사용한다. B2는 준난연성폼으로 단열성이 우수하여 건물 내에 주로 사용하고, B1은 고난연폼으로 방화문, 다중이용시설 등 화재 위험성이 있는 곳에 사용한다. 먼저 준난연성폼 B2와 가연성폼 B3의 인화성 물질의 존재 여부를 확인하기 위해 기체크로마토그래피/질량분석기인 GC/MS (PerkinElmer Clarus 600) 장비를 이용하였다. 고난연폼 B1의 경우 현재까지 화재가 발생한 사례가 없었기 때문에 성분분석에서 배제하였다. Figure 2(a)의 전처리기를 이용하여 80 °C의 온도로 16 h 보관한 추출제를 유리병(teflon-lined)에 N-pentane 1 mL를 넣은 뒤, Figure 2(b)의 GC/MS 장비를 이용하여 인화성 물질의 존재 여부를 검출하였다.
물질 측정결과 가연성폼 B3의 경우 전처리를 통하여 경화 후 상태에서 인화성 물질이 검출되었고, 준난연성폼 B2의 경우 경화 후 인화성 물질이 검출되지 않았다. 이와 같은 결과 B3 등급의 스프레이형 폴리우레탄폼의 경우 경화 전⋅후 상관없이 점화원이 가해질 경우 언제든 발화 가능성이 있는 것을 확인할 수 있었고, B2의 경우 경화 후 인화성 물질이 나타나진 않았지만 경화 전 가연성 가스를 분해 및 배출하기 때문에 위와 같은 화재사례 발생 당시 폴리우레탄폼 작업과 동시에 용접 작업이 이루어지고 있었으며, 폴리우레탄폼 표면에 용접불티가 점화원으로 작용하여 폴리우레탄폼에 착화되면서 화재가 발생하였다.
3. 실 험
3.1 실험시료
스프레이형 폴리우레탄폼의 화재위험성을 확인하기 위해 시중에서 가장 많이 유통되고 있는 스프레이형 폴리우레탄폼을 대상으로 난연등급별 위험성을 확인하기 위해 Figure 3과 같이 고난연성 폴리우레탄폼인 고난연성폼 B1, 준난연성폼 B2, 가연성폼 B3를 실험시료로 사용하였다.
3.2 폴리우레탄폼 점화 실험장치를 이용한 착화실험
본 실험은 폴리우레탄폼 시공작업 시 동시에 화기를 취급하여 화재가 발생한 사고가 대부분이기 때문에 스프레이 폴리우레탄폼에서 분사 시와 폴리우레탄 폼 경화 시 분출되는 가연성 가스의 확산에 따른 화재위험성을 확인하기 위해 실험을 진행하였다.
실험에 사용된 용기는 10 cm × 10 cm × 5 cm 크기로 제작하였고, 실험의 재현성을 위해 천장부에 메쉬(mesh)망으로 덮어 폴리우레탄폼 주입 시 일정한 양이 들어가도록 하였다. 또한, 용기 내부에 폴리우레탄폼을 주입하기 위해 용기 하부에 폼 건의 주입구가 들어갈 수 있을 정도의 구멍을 내어 용기 하부에서부터 주입하여 용기 전체에 가득 차도록 주입하였다. 예비실험 결과 용기내부에 폼을 주입할 경우 31.6 ± 0.3 g으로 나타났고 이와 같이 매 실험 정량적인 질량을 맞추어 실험을 진행하였다. 스프레이폼의 경우 폴리우레탄폼과 가연성 가스가 서로 혼합되어 있고, 분사 시 폼과 더불어 가연성 가스가 배출된다. 또한, 폼 자체에 가연성 가스가 용해 및 혼합되어 있고 폼이 공기 중에서 경화될 때 폼 내부에 있는 가연성 증기가 분리되어 계속 배출된다. 이에 따라 예비실험으로 폼의 질량감소율을 측정하였고 스프레이 폼의 경우 표면경화시간은 약 10 min이 소모되고, 폼 절단가능시간은 약 40 min인 것을 참고하여, 약 60 min간 폼 분사 후 가스가 분해 및 분리되면서 감소되는 질량감소율을 측정하였다. 측정결과 약 1 ± 0.2 g의 질량이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 가스와 첨가제가 60 min간 폼내부에서 분해 및 방출되면서 최종 경화 까지의 질량손실이 약 1 g정도 발생되는 것을 확인하였다. Figure 4는 실험시료인 B1, B2, B3의 경화 후 질량 사진이다.
본 실험의 실험방법은 스프레이폼 분사 시 발생되는 가연성 가스에 의한 점화 시간 및 점화가능 거리를 실험으로 통해 분석하고자 하였으며, Figure 5(a)는 실험에 사용된 시험용기(이하; 용기)이다. 용기의 크기는 질량감소율 측정 용기의 크기와 동일하며, 용기 내부에 폼을 도포하기 위해 용기 하부에 폼 건의 입구가 들어갈 수 있을 정도의 구멍을 내어 제작하였다. Figure 5(b)는 스프레이폼 시공 시 발생되는 가연성 가스의 점화 가능 여부를 확인하기 위해 제작된 점화실험장치로써 1.5 m × 0.3 m × 0.3 m 크기로 제작하였고, 총 8개의 스파크 점화장치(16.5 kV, 220 V)를 내장하고 있다.
Figure 6은 실험의 구성도를 나타낸 것이다. 폼 용기는 실험체 내부 왼쪽에서부터 10 cm 떨어진 위치에 설치하였다. 폼 분사 후 점화가능 거리를 측정 및 분석하기 위해 폼이 담기는 용기 오른쪽 말단에서부터 15 cm 떨어진 위치에 1번 점화기를 설치하였으며, 이후 15 cm 간격으로 8번 점화기까지 설치하였다. 가연성 가스에 점화되어 분출되는 화염의 온도를 측정하기 위해 용기 직상부에 설치한 K-type 열전대를 1번으로 점화기 위치 상단부에 순서대로 설치하였고 배출구를 마지막으로 10번째 열전대를 설치하였다. 온도데이터는 데이터수집장치(SmartDAC + P20, Yokogawa Co., Japan)를 이용하여 측정하였다. 추가적으로 캠코더(HDR-CX405, Sony Co., Japan), 열화상카메라(Testo 885, Testo Co., Germany), 초고속 카메라(Jetcam 19, KAYA Instruments Co., Germany)를 설치해 점화 시 분출되는 화염을 촬영하였다. 스프레이폼을 분사하기 위해 실험체 왼쪽 하단부에 구멍을 내어 폼 건이 용기 하단부에 고정되도록 하였고, 실험 시작 시 실험체 하단부에서부터 분사하여 실험용기에 주입할 수 있도록 하였다. 분사량은 질량감소율 측정 예비실험과 동일하게 31.6 ± 0.3 g으로 진행하였다. 최종 스프레이폼 분사 완료 시 실험체 하단부 구멍은 은박테이프로 밀봉하여 가연성 가스의 실험체 외부 소실을 최소화하여 실험을 진행하였다.
실험은 B1, B2, B3 스프레이폼 분사 시 발생되는 가연성 가스에 경화시간 별 점화발생 거리 측정을 위해 폼 분사 후 즉시 점화한 경우, 폼 분사 후 15 s, 30 s, 45 s, 60 s, 300 s 경과 후 점화한 경우로 실험을 설정하였다. 점화기는 1 min 이상 전원을 인가하여 실험체 내부에 점화원인 전기적 스파크를 인가하였고, 실험은 최소 3회 반복 실험하여 점화 가능 여부를 확인하였다. 또한 추가적으로 폴리우레탄폼 분사 시 폴리우레탄폼에서 자체 성분인 N과 가연성 가스 성분 중 존재하는 H와 만나 발생되는 암모니아 가스의 생성 여부를 확인하고자 암모니아 가스측정용 적외선카메라(FLIR GF306, Teledyne FLIR Co., Germany)를 이용하여 암모니아 생성 여부를 확인하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 폴리우레탄폼 점화 실험장치를 이용한 착화실험결과
Table 2는 고난연성폼 B1의 실험결과를 나타낸 것이다. B1의 경우 분사 즉시(0 s) 점화하였을 경우 1번에서 4번 점화기까지 가연성가스에 점화되어 폭발이 발생하였다. 15 s 경화 후 점화한 경우 1번에서 3번 점화기까지 가연성가스에 점화되었다. 30 s 경화 후 점화한 경우 1번에서 2번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 45 s와 60 s 경화 후 점화한 경우 1번 점화기에서만 가연성 가스에 점화되어 폭발이 발생되었고, 300 s 경화 후 점화한 경우 모든 점화기에서 점화가 일어나지 않았다.
Table 2
Results of B1 due to Ignition Experiment
| Ignition Delay Time | Igniter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 0 s | O | O | O | O | - | - | - | - |
| 15 s | O | O | O | - | - | - | - | - |
| 30 s | O | O | - | - | - | - | - | - |
| 45 s | O | - | - | - | - | - | - | - |
| 60 s | O | - | - | - | - | - | - | - |
| 300 s | - | - | - | - | - | - | - | - |
Table 3은 준난연성폼 B2의 실험결과를 나타낸 것이다. B2의 경우 분사 즉시(0 s) 점화하였을 경우 1번에서 8번 점화기까지 가연성가스에 점화되어 폭발이 발생하였다. 15 s 경화 후 점화한 경우에도 1번에서 8번 점화기까지 가연성가스에 점화되었다. 30 s 경화 후 점화한 경우 1번에서 7번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 45 s 경화 후 점화한 경우 1번에서 5번 점화기까지 가연성가스에 점화되었다. 60 s 경화 후 점화한 경우 1번에서 2번 점화기까지 가연성가스에 점화되었다. 300 s 경화 후 점화한 경우는 B1과 마찬가지로 모든 점화기에서 점화가 일어나지 않았다. 실험결과 B2가 B1보다 화재위험성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
Table 3
Results of B2 due to Ignition Experiment
| Ignition Delay Time | Igniter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 0 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 15 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 30 s | O | O | O | O | O | O | O | - |
| 45 s | O | O | O | O | O | - | - | - |
| 60 s | O | O | - | - | - | - | - | - |
| 300 s | - | - | - | - | - | - | - | - |
Table 4는 가연성폼 B3의 실험결과를 나타낸 것이다. B3의 경우 분사 즉시(0 s) 점화하였을 경우 1번에서 8번 점화기까지 가연성 가스에 점화되어 폭발이 발생하였다. 15 s 경화 후 점화한 경우에도 1번에서 8번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 30 s 경화 후 점화한 경우에도 1번에서 8번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 45 s 경화 후 점화한 경우에도 1번에서 8번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 60 s 경화 후 점화한 경우에도 1번에서 8번 점화기까지 가연성 가스에 점화되었다. 300 s 경화 후 점화한 경우는 B1, B2와 마찬가지로 모든 점화기에서 점화가 일어나지 않았다. 실험결과 B3의 경우 300 s를 제외한 모든 조건에서 점화가 발생하면서 B2, B1보다 위험성이 상당히 높은 것을 확인할 수 있었다.
Table 4
Results of B3 due to Ignition Experiment
| Ignition Delay Time | Igniter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 0 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 15 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 30 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 45 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 60 s | O | O | O | O | O | O | O | O |
| 300 s | - | - | - | - | - | - | - | - |
Figure 7은 화재위험성이 가장 높은 B3 시료의 1번 점화기의 즉시(0 s) 및 60 s 경화 후 스프레이폼에 점화된 사진 및 온도그래프를 나타낸 것이다. 사진에서 보듯 동일지점의 위치에서도 스프레이폼을 분사 후 즉시 점화했을 때가 60 s 경화 후 보다 점화로 인한 화재 및 폭발 강도가 더욱 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 1번 점화기로 즉시(0 s) 점화했을 때 최대온도는 191 °C까지 측정되었고, 60 s 경화 후 점화했을 때, 최대온도는 95 °C로 약 100 °C 이상 온도차이를 확인하였다.
Figure 8은 화재위험성이 가장 높은 B3 시료의 8번 점화기의 즉시(0 s) 및 60 s 경화 후 스프레이폼에 점화된 사진 및 온도그래프를 나타낸 것이다. 마찬가지로 동일지점의 위치에서도 스프레이폼을 분사 후 즉시 점화했을 때가 60 s 경화 후 보다 점화로 인한 화재 및 폭발 강도가 더욱 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 1번 점화기로 점화했을 때와 다른 점은 8번 점화기에서 점화가 된 후 가연성 가스의 연소범위 농도가 분사된 폼 쪽에 있기 때문에 역화(back fire)형태로 및 폭발 방향이 진행되는 것으로 나타났다. 즉, 1번 점화기는 점화 후 가연성 가스가 확산되는 방향으로 화염전파화재 가 진행되었다면, 8번 점화기는 점화 후 가연성 가스가 방출되는 방향으로 화염전파가 나타났다. 8번 점화기로 즉시(0 s) 점화했을 때 최대온도는 118 °C까지 측정되었고, 60 s 경화 후 점화했을 때, 최대온도는 78 °C로 약 30 °C 이상 온도차이를 확인하였다.
4.2 스프레이형 폴리우레탄폼의 착화실험 결과
Figure 9의 경우 폴리우레탄폼 분사 시 발포제로 사용하는 암모니아 가스의 생성 여부를 확인하고자 암모니아 가스측정용 적외선카메라(FLIR GF306, Teledyne FLIR Co., Germany)를 이용하여 암모니아 생성 여부를 확인한 사진이다. 측정결과 시간 경과에 따른 B1의 경우 약소한 암모니아 가스가 배출되었고, B2에서는 점차 암모니아 가스 생성량이 많아지면서 B3의 경우 암모니아 배출량이 많아지는 것을 확인할 수 있었다. 최종결과 점화 위험성의 경우 B1, B2, B3순으로 나타났는데 이와 같은 원인은 첫째 B3의 경우 실제 들어간 주제 및 발포제 의 경우 GC/MS 성분분석결과 인화성 물질의 양이 B1, B2에 비해 많이 존재하기 때문에 이러한 특성이 나타나고 추진체의 비율이 B1, B2보다 높을경우 이러한 특성이 나타난 것으로 판단된다. 둘째 B1, B2의 방염성분에 의해 비교적 폼 자체에 용해되어 있는 가연성 가스를 더욱 빨리 분해하여 배출시키고 B3의 경우 추가적인 방염성분이 경화제에 포함되어 있지 않기 때문에 이러한 이유로 폼 자체의 용해되어 있는 가연성 가스의 양이 더욱 많아지게 되기 때문에 NH3 발생량도 많아지는 특성이 나타난 것으로 판단된다. 실제 암모니아 생성 이미지를 볼 경우 B2의 경우 B3보다 시간이 경과될수록 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 경화제의 경우 주제에 포함되어 -OH기와 반응하는 -NCO기를 가지고 있는 폴리우레탄을 말하고 경화되는 과정에 있어서 N성분에 의해 암모니아 가스가 발생된다. 즉, 스프레이형 폴리우레탄폼의 경우 추진체에 들어있는 가연성가스와 폴리우레탄폼 경화시 발생되는 암모니아 가스로 인해 화재폭발의 가능성이 필수적으로 존재한다.
해당실험의 경우 축소 실험체를 통해 실험시료를 약 30.5 g의 적은양을 사용하였는데도 불구하고 B3의 경우 60 s 경과 후에도 실험체 1.5 m 떨어진 공간에서도 점화가 되어 폭발하였다. 스프레이 폴리우레탄폼의 경우 총질량비는 830 g으로 용기 무게를 제외하면 주제, 경화제, 추진체의 무게가 약 500 g 정도 이다. 즉 1캔의 용량을 전부 사용하였다면 폭발력 또한 더욱 강해질 것이고 점화거리 또한 넓어질 것으로 판단되며 실제 시공 현장에서는 스프레이형 폴리우레탄폼을 많으면 10캔 이상 사용되는 점을 감안하면 실제 현장에서는 더욱 많은양의 가연성 가스가 배출되어 폭발성 분위기를 생성할 것으로 생각된다. 이에 따라 밀폐된 실내공간의 경우 1액형 스프레이형 폴리우레탄폼 사용 시 각별한 주의가 필요하고, 스프레이형 폴리우레탄폼 작업 시 이중 작업 또는 화기작업을 실시하지 않아야 될 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 난연등급에 따른 스프레이형 폴리우레탄폼의 분사 및 경화 시 분출되는 가연성 가스로 인한 화재폭발의 위험성과 암모니아 가스 생성 여부에 따른 점화 위험성 확인을 위한 실화재 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
고난연성 폴리우레탄폼(B1), 준난연성 폴리우레탄폼(B2), 가연성 폴리우레탄폼(B3) 스프레이폼 분사 시 발생되는 가연성 가스에 경화시간 별 점화 발생 거리 측정을 한 결과 B1 스프레이폼은 분사 즉시 1번에서 4번 점화기까지 가연성가스에 의하여 폭발하였지만 시간 경과에 따라 점화기에 도달하는 거리가 감소하여 300 s에는 모든 점화기에서 점화하지 않았다. B2 스프레이폼의 경우 분사 즉시 1번에서 8번 점화기까지 가연성 점화기에 점화하였고 시간이 경과됨에 따라 도달하는 점화기까지의 거리가 감소하였으므로 이를 통해 같은 시간에 더 먼 거리의 점화기까지 도달한 B2가 B1 스프레이폼보다 화재위험성이 높다는 것을 알 수 있었다. 반면, B3 스프레이폼은 300 s에 B1, B2와 마찬가지로 점화하지 않았지만, 0 s부터 60 s까지 15 s 간격으로 모두 1번에서 8번 점화기까지 도달하여 점화하였으므로 B1, B2보다 상당한 화재폭발의 위험성을 지녔다는 것을 확인하였다.
그러나, B3 스프레이폼이 15 s, 30 s, 45 s, 60 s에 모두 8번 점화기까지 도달하였다고하여 같은 온도 및 방향으로 도달한 것은 아니었으며, 1번 점화기로 점화하였을 때 경화 0 s 후와 60 s 후의 차이는 최대온도 95 °C로 100 °C 이상의 온도차이가 나며 가연성가스가 확산되는 방향으로 폭발하였지만, 8번 점화기로 점화한 경우엔 최대온도 78 °C로 약 30 °C 이상의 온도차이와 연소범위 농도차로 인한 역화형태의 폭발을 확인하였다.
스프레이형 폴리우레탄폼을 분사 시 발포제로 적용되는 암모니아 가스의 생성여부를 암모니아 가스측정용 적외선카메라로 측정한 결과 B3 스프레이폼은 B1과 B2 스프레이폼에 비해 인화성 물질이 다량으로 존재하고 추진체의 비율이 높아 암모니아 가스가 제일 많이 검출되었으므로 인화성 물질이 발포제 내부에 내포된 함량에 따라 B1, B2, B3의 순서로 점화의 위험성이 커진다는 것을 알 수 있었다.
또한, B1, B2 스프레이폼의 경우 폼 자체에 녹아있는 방염성분에 의해 가연성 가스가 더욱 빠르게 분해하여 배출되지만, B3는 강화제가 방염성분을 함유하고 있지 않아 가연성 가스의 양이 증가되고 이에따라 NH3 발생량이 상승되는 것으로 나타났으며, 폴리우레탄폼의 -NCO기가 경화되며 N과 결합하여 암모니아 가스가 발생되므로 추진체에 함유되어있는 가연성가스와 스프레이폼 경화 시 발생하는 암모니아 가스로 인해 화재폭발의 가능성은 난연등급에 관계없이 필수적으로 존재한다고 판단하였다.
이와 같은 실험을 통하여 스프레이형 폴리우레탄폼은 난연등급에 따라 내포된 인화성 물질의 양의 차이로 경화와 분사 시에 분출되는 가연성 가스의 확산 범위가 넓어지며 화재 위험성이 비례하고 추진체의 함량에 따라 암모니아가스 생성량이 증가하므로 폴리우레탄폼 스프레이를 이용한 시공작업 중 화기취급은 용접불티 등이 점화원으로 작용하여 화재폭발을 초래할 수 있다는 결론을 얻었다. 또한, 실제 현장시공 작업장에서는 실험에서 사용된 스프레이형 폴리우레탄폼 양의 10배 이상을 사용하므로 더욱 방대한 가연성 가스가 배출되고 부유하며 작업 중 착화 위험성이 커 밀폐된 실내공간 내부에서는 1액형 스프레이형 폴리우레탄폼을 이용한 작업 시 화기작업 및 이중작업을 지양하고 작업자와 안전관리자에게 화재폭발에 대한 경각심을 인지시켜줄 필요가 있다고 사료된다.
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