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문제 정의
- 본 시험편들은 현재 국내에서 사용되는 다양한 건축 내장재 중 바닥재 및 내부 벽체 등으로 수요량이 높은 재료들이다(27). 건축 내장재는 주로 벽체 및 바닥재, 단열재, 그리고 기타 인테리어 재로 분류되고 있으며, 본 연구에서는 해당 분류에서의 대표적인 재료를 선정하여 연소가스의 유해성을 측정하였다. 본 실험에서 사용된 재료들은 최근 국내 건축 내장재 시장에서 주로 사용되는 건축용 목제품 및 단열재 중 소비량이 많은 재료들을 선정하였다(27).
- 본 연구는 건축 내장재 중 주로 사용되는 재료의 종류 및 성분에 대하여 고찰하고 해당 재료들의 연소가스를 분석하고, 향후 건물 실내에 적용 시 유해 가스 성분 방출량을 감소시키는 연구를 진행하는 데 기초 자료로써 활용하고자 실시하였다.
- 본 연구에서는 실내 건축 재료로 주로 사용되는 내장재 5종에 대하여 화재 발생 시 인명 피해로 이어질 수 있는 요소 중 연소가스 측정 및 독성 지수 산출을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 실내 단열재용 독성 지수를 적용하여 건물 실내에 적용되는 건축 내장재의 독성 지수를 평가하였다. 각 시험편에 대한 독성 지수를 Figure 6에 나타내었다.
- 본 연구에서는 화재 시 발생되는 연소가스를 분석하고, 유해가스의 농도를 확인하였다. 본 자료는 건물 실내에서 적용되는 재료의 화재 안정성을 평가하기 위한 기초 데이터로 활용할 수 있다고 판단된다.
제안 방법
- 각 시험편들은 NES 713 규정에 의거하여 실험체로부터 1 ± 0.25 g의 무게로 3개 씩 절취하여 제조하였다.
- 현재까지 진행된 연구 중, 건축 내장재 및 실내 마감재의 화재 시 방출되는 유해 가스의 독성 지수의 한계치를 구체적으로 규정한 규격이 없는 실정이므로 MIL-DTL 규격의 한계치를 적용하여 연소가스의 유해성을 분석하였다. 본 연구에서 사용된 시험편은 건축 내장재로 해당 규격의 용도 중 독성 지수가 가장 낮으며 실내 단열용으로 분류되는 Toxicity index 기준을 준용하여 각 재료의 독성 지수에 대하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 건물 실내에 주로 사용되고 있는 합판(인테리어용), 실내 마감용 목재(루바; 소나무), 압축 스티로폼 단열재(내장용 단열재), 강화마루 및 PVC 장판(바닥재) 등 5 종류를 선정하였고, NES 713 규정에 따른 유해 가스 분석을 진행하여 건물의 화재 위험성을 분석하였다. 본 시험편들은 현재 국내에서 사용되는 다양한 건축 내장재 중 바닥재 및 내부 벽체 등으로 수요량이 높은 재료들이다(27).
- 불꽃높이는 약 100 mm로 유지되도록 조정하고, 화염의 최고 온도는 1,150 ± 25 ℃가 되도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다.
- 제조된 시험편의 전처리 조건은 온도 23.1℃ ± 1.8 , 상대습도 49 ± 5%의 조건으로 항량이 될 때까지 처리하였다.
- 해당 규격은 재료의 완전 연소 후 발생되는 가스를 추출한 후, 챔버의 부피 및 사용된 시료의 무게를 적용하여 100 g의 시험편이 연소되었을 때 방출되는 가스양을 계산한다(9,13,14).
- 5로 독성 지수의 한계치를 규정하고 있다(17). 현재까지 진행된 연구 중, 건축 내장재 및 실내 마감재의 화재 시 방출되는 유해 가스의 독성 지수의 한계치를 구체적으로 규정한 규격이 없는 실정이므로 MIL-DTL 규격의 한계치를 적용하여 연소가스의 유해성을 분석하였다. 본 연구에서 사용된 시험편은 건축 내장재로 해당 규격의 용도 중 독성 지수가 가장 낮으며 실내 단열용으로 분류되는 Toxicity index 기준을 준용하여 각 재료의 독성 지수에 대하여 평가하였다.
- 불꽃높이는 약 100 mm로 유지되도록 조정하고, 화염의 최고 온도는 1,150 ± 25 ℃가 되도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다. 화염에 노출시킨 시험편은 완전 연소를 시켰으며, 완전 연소 후 mixing fan을 작동시켜 발생된 가스를 혼합 및 가스 검지관을 이용하여 가스 검출을 실시하였다. 이 때 발생 가스의 혼합 지속 시간은 30초이다.
대상 데이터
- 건축 내장재는 주로 벽체 및 바닥재, 단열재, 그리고 기타 인테리어 재로 분류되고 있으며, 본 연구에서는 해당 분류에서의 대표적인 재료를 선정하여 연소가스의 유해성을 측정하였다. 본 실험에서 사용된 재료들은 최근 국내 건축 내장재 시장에서 주로 사용되는 건축용 목제품 및 단열재 중 소비량이 많은 재료들을 선정하였다(27). 해당 재료들은 현재 화재 시 발생되는 열량에 대한 연구가 주로 진행되고 있었으며, 특히 목질 건축 내장재의 경우에는 가연성이 문제시 되었으나 연소가스의 유해성에 대한 연구는 아직 초기단계라고 판단되었다(28-30).
- 본 실험에서는 건축 내장재로 널리 쓰이는 합판, 압축 스티로폼 단열재, 실내 마감용 목재(소나무), 강화마루 및 PVC 바닥재 총 5종류의 시험편을 사용하였다. 각 시험편들은 NES 713 규정에 의거하여 실험체로부터 1 ± 0.
- 시험에 사용되는 챔버의 부피는 0.6 m3이며, 챔버 내 버너의 화염은 메탄가스 2 l/min, 공기 15 l/min인 혼합 기체를 생성하여 설정하였다. 불꽃높이는 약 100 mm로 유지되도록 조정하고, 화염의 최고 온도는 1,150 ± 25 ℃가 되도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다.
- 실험에서 사용된 합판은 3 ply로 페놀 수지를 사용하여 제조한 내장용 합판이다. 합판 시험편에서는 질소산화물(NOX) 및 아크릴로니트릴(SO2)의 검출량이 높게 나타났다.
이론/모형
- 건물 실내에 적용되는 재료의 연소가스 독성을 평가하기 위하여 NES 713 규격에 만족하는 영국 FTT사의 Toxicity Test Apparatus를 사용하여 실험을 진행하였다(Figure 1).
- 독성 지수에 따른 위험성을 구체적으로 평가하기 위해서 현재 미국국방성 규격(MIL-DTL)에서 정하고 있는 난연성 케이블에 대하여 기준을 참고하였다(15,16). 해당 규격은 케이블의 부위에 따라서 피복용(Jacket), 충진용(Filler), 그리고 실내 단열용(insulation)으로 구분하고 있으며, 부위 및 용도에 따라 각각 5, 5, 1.
- 이러한 이유로 해당 규격의 독성 지수 한계치를 구체적으로 제시한 기준을 검토한 결과, 현재 미국의 MIL-DTL 규격에서 제시하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 NES 713 규격을 통해 산출한 연소가스의 독성 지수를 미국국방성 규격(MIL-DTL)에 의거하여 평가하였다.
- 이러한 실험 방법은 연소가스의 유해성에 대한 평가에는 적당하지만 성분 중 어느 유해 가스가 얼마의 농도로 흰 쥐의 행동정지시간에 영향을 미쳤는지에 대한 정량적인 평가가 어려울 수 있다는 한계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 유해 가스의 성분 및 농도를 검출하기 위하여 NES 713 규격(1985)(13)을 준용하였다. 영국 NES 713 규정은 작은 시험편의 연소에 의하여 방출되는 유해 가스를 검출하고 후속 계산을 통해 가스 농도를 계산하는 영국 정부의 기준으로 건축재료, 선박 및 항공재료 등 다양한 재료의 방출 가스 및 유해 가스 농도를 검출할 수 있는 규정이다(9,14).
- Table 3에 나타낸 가스 검출량 값을 식(2)에 적용하여 연소가스의 독성 지수를 산출하였다. 연소가스 독성 지수는 현재 미국국방성규격(MIL-DTL)에서 규정하고 있는 위험성을 기준으로 하였다. 해당 규격은 설비 시 적용되는 케이블의 부위 및 용도별로 피복면, 충전제, 그리고 실내 단열재로 독성 지수의 치사 농도를 제한하고 있다(15,17).
성능/효과
- 1) 5종의 내장재 모두 CO2의 방출량은 NES 713 규격에서 규정하고 있는 100,000 ppm을 초과하지 않았다. CO 방출량의 경우 압축 스티로폼 단열재가 6,098 ppm으로 규격 한계치인 4,000 ppm을 초과한 것으로 확인되었다.
- 2) 포름알데히드는 폴리에틸렌 계열의 성분으로 구성되어 있는 PVC 장판과 압축 스티로폼 단열재에서 각각 25 ppm, 49 ppm 방출되었으나, 규정 한계치인 400 ppm을 초과하지는 않았다.
- 3) 질소산화물의 경우 합판에서 955 ppm으로 가장 높은 양이 방출되었으며, 강화마루에서는 338 ppm가 방출되었다. 또한, PVC 장판에서는 247 ppm의 양이 검출되었고 실내 벽체용 목재(소나무)의 경우 48 ppm이 검출되었다.
- 4) 독성 지수는 미국국방성규격(MIL-DTL)을 적용하여 평가하였으며, 합판 5.19, PVC 장판 4.13, 강화마루 2.34, 실내 마감용 목재(루바; 소나무) 1.22, 그리고 압축 스티로폼 단열재가 2.35로 산출되어 건물 실내에 적용 시 유해 가스의 방출이 가장 적은 재료는 실내 마감용 목재(소나무)인 것으로 확인되었다.
- 5개의 시험편 중 합판 5.19, PVC 장판 4.13, 압축 스티로폼 단열재, 2.35강화마루 2.34 등 총 4종류의 시험편에서 MIL-DTL에서 규정하고 있는 독성지수 기준 중 실내 단열용 (insulation) 한계치 1.5 이상의 값을 나타내었고, 실내 마감용 목재(루바; 소나무)는 1.22의 값을 나타내었다. 독성지수 한계치 1.
- 의 방출량은 NES 713 규격에서 규정하고 있는 100,000 ppm을 초과하지 않았다. CO 방출량의 경우 압축 스티로폼 단열재가 6,098 ppm으로 규격 한계치인 4,000 ppm을 초과한 것으로 확인되었다.
- 강화마루와 실내 마감용 목재(루바; 소나무)의 연소 가스는 이산화탄소와 일산화탄소가 주를 이루고 있었으나, 강화마루에서는 질소산화물이 338 ppm이 방출되어 NES 713 규격의 치사 기준인 250 ppm을 초과하는 값을 나타내었다. 이는 강화마루 제조 시 사용된 접착제와 표면 코팅 물질의 영향이 있었기 때문으로 사료된다.
- 본 자료는 건물 실내에서 적용되는 재료의 화재 안정성을 평가하기 위한 기초 데이터로 활용할 수 있다고 판단된다. 또한, 기존의 목질 기반의 건축 재료와 천연 목질재료에 대해연소가스 유해성을 분석하였고, 그 중 목재는 연소가스의 유해성이 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다.
- PVC 장판에서는 다량의 이산화탄소와 일산화탄소가 검출되었다. 또한, 포름알데히드와 염화수소, 질소산화물, 페놀 및 브롬화수소 등 다양한 유해 가스가 방출되는 것이 확인되었다. 다른 재료들과 비교하였을 때 염화수소와 브롬화수소가 방출되었다는 것이 특이 사항으로 보이며, 이 결과는 김해림(2011)(20)의 발표와 근접하게 나타났다.
- 3으로 확인되었다는 보고에 의거하여 합판 제조 시 사용된 접착제가 연소되면서 발생된 유해 가스로 사료된다. 방출된 가스의 양은 NES 713 규격의 방출 치사량에는 못 미치는 양으로 검출되었다.
- 모든 시험편은 1분 이내에 연소가 종료되었고, 보정 시험 역시 1분 동안 진행되었다. 시험편의 연소가스 성분 중전체적으로 이산화탄소, 일산화탄소가 검출되었으며, 부분적으로 포름알데히드, 염화수소, 질소산화물, 아크릴로니트릴, 페놀 및 브롬화수소가 검출되었다. 황화수소, 암모니아, 이산화황, 시안화수소 및 플루오린화수소는 검출되지 않았다.
- 연구 배경에서 암모니아 등에 의한 인명 피해의 비율이 상당히 높은 것으로 고찰하였으나, 본 실험에서는 암모니아 가스가 5종의 시험편 모두에서 검출되지 않았다. Figure 2~5에 각 유해 가스 별 검출 결과를 나타내었다.
- 영국의 NES 규격의 경우 가스 농도를 확인하고 가스의 독성 지수를 산출할 수 있으나, 해당 규격에서 산출된 독성 지수를 실제로 건물 내에 적용하였을 때의 유해성에 대한 한계치가 구체적으로 제시되어 있지 않은 실정이다. 이러한 이유로 해당 규격의 독성 지수 한계치를 구체적으로 제시한 기준을 검토한 결과, 현재 미국의 MIL-DTL 규격에서 제시하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 NES 713 규격을 통해 산출한 연소가스의 독성 지수를 미국국방성 규격(MIL-DTL)에 의거하여 평가하였다.
- 질소산화물의 방출량은 955 ppm, 아크릴로니트릴은 48 ppm이 방출되었다. 이산화탄소와 일산화탄소의 방출량 역시 높은 값을 나타내었으나, 허용 기준치를 넘지는 않는 것으로 확인되었다.
- 이러한 결과는 Wilkins(22)가 1980에 보고하였던 목재가 연소될 때 목재를 구성하고 있는 추출물의 열분해에 의하여 기체 질산 등의 질소화합물이 방출된다는 결과와 유사하다. 특이사항으로는 두 재료 모두에서 아크릴로니트릴이 방출되었다는 것인데, 적용된 규격의 치사 기준인 400 ppm에는 미치지 못한 것으로 확인되었다.
- 해당 재료들을 건물 실내에 적용하였을 경우 화재 발생 시 유해가스의 방출 위험도가 가장 낮은 재료는 실내 벽체용으로 제조된 원목 재료인 것으로 확인되었다. 합판 역시 원목을 단판으로 제조하여 제작되는 재료이지만 제조 시 사용되는 접착제로 인해 연소 시 접착제에서 방출되는 유해가스 중 NOX가 독성 지수 382 ppm으로 나타나 전체 독성 지수에 영향을 미친 것으로 추정된다.
- 78%에 비하여 5배 가까이 높음을 보고한 바 있다. 화재 발생 시 재실자들은 화염에 의한 직접적인 피해보다 연소 시 방출되는 독성 가스에 대한 피해가 더 광범위하고 치명적인 것으로 나타났다. 건물 화재 발생 시 발생되는 유독 가스로 인한 인명 피해 등의 실내 화재 위험성을 평가 및 예측하기 위해서는 먼저 건축물 실내에 적용되는 건축 재료의 연소가스 성분을 분석하는 것이 중요하다고 판단된다.
후속연구
- 이러한 고시 및 시험 방법을 바탕으로 화재 시 발생되는 열량에 관한 대책에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 난연제, 방염제 등을 처리하여 재료의 난연 및 방염 성능을 향상 시키는 연구(32-35)가 주로 진행되고 있다. 그러나 연소가스의 유해성에 관한 연구는 아직 재료에서 발생되는 연소가스의 유해 성분에 대한 연구가 주를 이루고 있어, 성분 분석 및 향후 유해 성분을 절감하는 연구가 필요하다고 판단된다.
- 본 연구에서는 화재 시 발생되는 연소가스를 분석하고, 유해가스의 농도를 확인하였다. 본 자료는 건물 실내에서 적용되는 재료의 화재 안정성을 평가하기 위한 기초 데이터로 활용할 수 있다고 판단된다. 또한, 기존의 목질 기반의 건축 재료와 천연 목질재료에 대해연소가스 유해성을 분석하였고, 그 중 목재는 연소가스의 유해성이 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다.
- 현재 국내 건축법에서는 가스유해성시험(KS F 2271)을 통하여 재료의 가스안정성을 평가하도록 되어 있으며, 해당 규정은 시험용 흰 쥐를 연소가스에 노출시켰을 때 나타나는 흰 쥐의 평균행동정지시간(min)을 측정하는 것이다. 이러한 실험 방법은 연소가스의 유해성에 대한 평가에는 적당하지만 성분 중 어느 유해 가스가 얼마의 농도로 흰 쥐의 행동정지시간에 영향을 미쳤는지에 대한 정량적인 평가가 어려울 수 있다는 한계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 유해 가스의 성분 및 농도를 검출하기 위하여 NES 713 규격(1985)(13)을 준용하였다.
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