건축 재료별 연소가스에 따른 인체 유해성 평가에 관한 본 연구는 SEM, FTIR와 콘칼로리미터를 이용하여 목재류인 MDF와 나왕방부목 2종과 화학물질인 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종의 플라스틱류 각각의 재료별 연소가스 분석을 하였다. 분석결과, MDF는 연소된 부분의 나무구조와 접착제가 혼합되어 균일하게 연소되었고 나왕방부목은 난연 약제가 깊숙이 침투하여 높은 열에도 목재의 형태를 일정하게 유지하였다. 난연 스티로폼은 불이 붙지 않고 녹아내렸는데 무기계 난연제 때문으로 사료되고 석고보드는 형태는 유지했으나 열에 취약함을 확인하였다. MDF에서 암모니아($NH_3$)치사농도(750 ppm)대비 795 ppm, 나왕방부목은 이산화탄소($CO_2$)가 256,965 ppm으로 치사농도(100,000 ppm)의 2.5배 초과하였고, 우레탄에서 염화수소(HCl)의 치사농도(500 ppm)를 초과하는 697 ppm, 또한 우레탄에서 이산화질소($NO_2$) 치사농도(250 ppm)를 크게 초과하는 434 ppm과 난연 스티로폼 398 ppm이 방출되었다. 대부분의 재료에서 인체에 매우 유해한 가스가 방출됨을 확인하였고, 본 연구결과는 향후 건축 재료별 인체 유해성을 평가하는 기초데이터로 활용하고자 한다.
건축 재료별 연소가스에 따른 인체 유해성 평가에 관한 본 연구는 SEM, FTIR와 콘칼로리미터를 이용하여 목재류인 MDF와 나왕방부목 2종과 화학물질인 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종의 플라스틱류 각각의 재료별 연소가스 분석을 하였다. 분석결과, MDF는 연소된 부분의 나무구조와 접착제가 혼합되어 균일하게 연소되었고 나왕방부목은 난연 약제가 깊숙이 침투하여 높은 열에도 목재의 형태를 일정하게 유지하였다. 난연 스티로폼은 불이 붙지 않고 녹아내렸는데 무기계 난연제 때문으로 사료되고 석고보드는 형태는 유지했으나 열에 취약함을 확인하였다. MDF에서 암모니아($NH_3$)치사농도(750 ppm)대비 795 ppm, 나왕방부목은 이산화탄소($CO_2$)가 256,965 ppm으로 치사농도(100,000 ppm)의 2.5배 초과하였고, 우레탄에서 염화수소(HCl)의 치사농도(500 ppm)를 초과하는 697 ppm, 또한 우레탄에서 이산화질소($NO_2$) 치사농도(250 ppm)를 크게 초과하는 434 ppm과 난연 스티로폼 398 ppm이 방출되었다. 대부분의 재료에서 인체에 매우 유해한 가스가 방출됨을 확인하였고, 본 연구결과는 향후 건축 재료별 인체 유해성을 평가하는 기초데이터로 활용하고자 한다.
This study building materials by relates to human hazard assessment in accordance with the combustion gas SEM, the flame-retardant foam FTIR and cone calorimeter to configure the Forest products of MDF and preservative treated Lauan two kinds of Retardant styrofoam, Styrofoam, Urethane foam and gyps...
This study building materials by relates to human hazard assessment in accordance with the combustion gas SEM, the flame-retardant foam FTIR and cone calorimeter to configure the Forest products of MDF and preservative treated Lauan two kinds of Retardant styrofoam, Styrofoam, Urethane foam and gypsum board four kinds of plastics material by the combustion gas were each analyzed. MDF was burned to the structure of the wood and the glue evenly mixed combustion area preservative treated Lauan, kept constant even in the form of high heat to penetrate deep into the wood flame retardant agents. Retardant styrofoam is due to feed my Dropped dissolved inorganic flame retardant without the fire-stick and confirmed that the weak form of gypsum board, but keep the column. In MDF ammonia ($NH_3$), lethal concentration (750 ppm) compared to 795 ppm, preservative treated Lauan is carbon dioxide ($CO_2$) that was greater than 2.5 times the lethal concentration (100,000 ppm) to 256,965 ppm, the lethal concentration (500 ppm) of hydrogen chloride (HCl). The Urethane greater than 697 ppm, 434 ppm also greatly exceeding the nitrogen dioxide ($NO_2$) lethal concentration (250 ppm) in Retardant styrofoam and 398 ppm was released. It is confirmed that the human body is extremely harmful gas emitted from most of the materials to be utilized as basic data for evaluating the hazard-specific human future building material.
This study building materials by relates to human hazard assessment in accordance with the combustion gas SEM, the flame-retardant foam FTIR and cone calorimeter to configure the Forest products of MDF and preservative treated Lauan two kinds of Retardant styrofoam, Styrofoam, Urethane foam and gypsum board four kinds of plastics material by the combustion gas were each analyzed. MDF was burned to the structure of the wood and the glue evenly mixed combustion area preservative treated Lauan, kept constant even in the form of high heat to penetrate deep into the wood flame retardant agents. Retardant styrofoam is due to feed my Dropped dissolved inorganic flame retardant without the fire-stick and confirmed that the weak form of gypsum board, but keep the column. In MDF ammonia ($NH_3$), lethal concentration (750 ppm) compared to 795 ppm, preservative treated Lauan is carbon dioxide ($CO_2$) that was greater than 2.5 times the lethal concentration (100,000 ppm) to 256,965 ppm, the lethal concentration (500 ppm) of hydrogen chloride (HCl). The Urethane greater than 697 ppm, 434 ppm also greatly exceeding the nitrogen dioxide ($NO_2$) lethal concentration (250 ppm) in Retardant styrofoam and 398 ppm was released. It is confirmed that the human body is extremely harmful gas emitted from most of the materials to be utilized as basic data for evaluating the hazard-specific human future building material.
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문제 정의
또 흡음보드는 음향흡수성이 있으며, 표면에 인쇄나 플라스틱 도장을 한 화장석고보드는 내장벽용으로 사용 한다. 따라서 본 연구의 목적은 화재로 주택이나 팬션, 창고 등의 2차적인 연소가스에 의한 피해 즉, 건축 재료인 목재류 MDF 및 나왕 방부목 2종과 플라스틱류 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종의 각종 유해 연소가스를 분석하여 각 재료별 인체유해성(치사농도) 평가를 통하여 화재로부터 안전한 각종 친환경 복합재료를 개발하고 활용하기 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 화재로 인한 주요 건축 재료의 목재류인 MDF, 나왕방부목 2종과 플라스틱류 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼, 석고보드 4종의 구조와 연소가스 분석을 통해, 건축 재료별 인체 유해성을 평가하는 기초데이터를 제안하였다.
제안 방법
FTIR 내부의 오염물질 제거를 위하여 질소가스(N2: dry nitrogen gas)로 세척하고 1기압(1013 kPa) 조건하에 초기화 시켰다. FTIR와 연결된 컴퓨터에서 표준흡수 파장대의 상태를 확인하고 이산화탄소(CO2) 및 수분이 깨끗이 제거된 상태에서 실험을 실시 후 분석하였다.
: dry nitrogen gas)로 세척하고 1기압(1013 kPa) 조건하에 초기화 시켰다. FTIR와 연결된 컴퓨터에서 표준흡수 파장대의 상태를 확인하고 이산화탄소(CO2) 및 수분이 깨끗이 제거된 상태에서 실험을 실시 후 분석하였다. 또한, 각 건축 재료인 MDF, 나왕방부목, 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄 및 석고 등의 이산화탄소(CO2), 브롬화수소(HBr), 염화수소(HCl) 및 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3)를 시간대별 농도를 분석하였다(Figs.
각 재료별 이산화탄소(CO2), 브롬화수소(HBr), 염화수소(HCl), 이산화질소(NO2), 및 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3)가스들을 분석 관찰하여 Table 4에 각각의 재료별 독성지수를 기술하였다.
이유는 실제 재료 두께가 콘칼로리미터 실험조건 두께인 50 mm를 초과하였다. 단, MDF, 나왕방부목, 석고 보드만 비두께로 실험을 실시하였다.
또한, 각 건축 재료인 MDF, 나왕방부목, 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄 및 석고 등의 이산화탄소(CO2), 브롬화수소(HBr), 염화수소(HCl) 및 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3)를 시간대별 농도를 분석하였다(Figs. 3∼9).
본 연구의 가스별 흡수 파장범위와 미국 환경보호청(EPA)이 제시한 독성가스 파장대역 분류법(Bands Classification)인 고유 피크(EPA FTIR Spectra regions data)와 일치하는지 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 16의 FTIR Spectra regions 자료에 나타내었다.
목재류인 MDF, 나왕방부목 2종과 플라스틱류인 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종 등은 실내 장식물 불연, 준불연 재료로 KFI 인정기준 및 국토해양부 고시 제2011-39호, “건축물 마감 재료의 난연 성능기준”에 의한 열방출률 시험(KS F ISO 5660-1)기준에 의거하여 시험하였다. 이 기준에 따라 MDF, 나왕방부목, 석고보드는 비 동일한 두께로 위의 조건에 맞추어 시편을 제작하였고, 스티로폼(3종)은 두께를 50 mm로 동일하게 위의 조건에 맞추어 시편을 제작하였다. 각 재료별 두께와 무게는 Table 1에 나타내었다.
각 재료별 두께와 무게는 Table 1에 나타내었다. 콘칼로리미터 규격은 Fire testing technology, GB/Dual Cone 2000이고 FTIR은 규격 Midac, US/14001으로 상기 두개의 장비를 연결해 각각 3반복 실험하여 각 재료별 연소가스 분석을 하였고, 주사전자현미경(SEM)은 HITACHI S-3500N Scanning Electron Microscope을 이용하였다.
최근까지 주민이 생활하던 건축물에서 수집한 재료로 현실성을 주고자 했으며 조습조건은 고려하지 않았다. 콘칼로리미터와 구성한 FTIR을 이용해 각각의 주택이나 창고 등 건축재료인 목재류 MDF, 나왕방부목 2종과 플라스틱류의 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종을 연소가스 분석을 수행하였다. 상기 스티로폼류 3종은 시편 두께(단위면적 당 밀도)를 동일하게 하여 실험을 하였다.
대상 데이터
본 실험에서 얻어진 독성지수는 NES 713의 방법을 콘칼로리미터와 FTIR으로 측정한 값으로 응용하여 구한 값이다(Table 4).
데이터처리
10 ∼ 15에 정성, 정량분석 결과를 나타내었다. FTIR 가스별 고유 파장 즉, 스펙트럼을 가지고 있다는 것을 근거로 실험 데이터 그래프가 동일위치에 피크가 나타나는지 비교하여 정성분석을 하였다. X축은 흡수(Wavenumbers (cmµ-1))파장범위, Y축은 흡광도(absorbance)를 나타낸 것이다.
이론/모형
목재류인 MDF, 나왕방부목 2종과 플라스틱류인 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄폼 및 석고보드 4종 등은 실내 장식물 불연, 준불연 재료로 KFI 인정기준 및 국토해양부 고시 제2011-39호, “건축물 마감 재료의 난연 성능기준”에 의한 열방출률 시험(KS F ISO 5660-1)기준에 의거하여 시험하였다.
성능/효과
1. 목재류는 탄소화합물에 화학약제가 함침 열분해되며 물리 ⋅ 화학적 변화에 따라 탄소로 변하는 것을 확인하였고 난연 스티로폼은 불이 붙지 않고 검은 색을 띠며 녹아 내렸는데 난연제인 무기계 규산나트륨을 혼합, 함침시켜 제조된 것으로 사료되며, 스티로폼은 빠른 시간 내에 불꽃에 의해 갈색으로 녹아내렸다.
2. SEM의 태우기 전, 후를 비교해 보니 MDF는 다층 공기층이 무너지며 접착제의 기포로 인해 공극이 막히고 Char가 형성되고, 나왕방부목은 내부 깊숙이 난연 약재가 함침되어 비교적 온전한 형태를 유지하였고 난연 스티로폼, 스티로폼 및 우레탄은 다층구조가 뚜렷했던 것이 고열에 의해 무너져 내려 탄화가 되었고, 석고는 대부분 광물질로서 상당한 형태는 유지하고 있었다.
4. 이산화질소(NO2)의 치사농도 값인 250 ppm을 크게 웃도는 나왕방부목 927 ppm이 MDF 408.7 ppm, 우레탄 434 ppm, 난연 스티로폼에서 398 ppm이 치사농도에는 못 미치나 스티로폼에서 179 ppm이 확인되었다.
5. 목재류인 나왕방부목이 1,475 ppm, MDF가 807.3 ppm으로 이산화황(SO2)의 치사농도의 2∼4배가 우레탄에서 342 ppm, 난연 스티로폼 337 ppm, 석고보드에서 260 ppm로 이산화황(SO2)의 치사농도(400 ppm)에 못 미치는 것이 관찰되었다.
6. 전체적으로 연소가스를 분석한 결과 상기 목재류인 나왕방부목과 MDF의 대다수 크게 유해한 성분의 가스가 방출되었고 플라스틱류 중 우레탄과 난연 스티로폼이 상대적으로 여러 가지 인체에 해로운 유해가스가 더 많이 배출되었다.
7. 상기 여러 건축 재료별 가스에 노출되었을 경우 치사농도(Cf)나 물질안전보건자료(MSDS)에 있는 피부 부식성, 화상, 폐수종, 호흡 곤란, 청색증, 심한 눈 손상, 사망 등을 일으키는 다량의 유해가스가 발생됨을 확인하였다.
3은 각 재료별 이산화탄소(CO2) 발생량을 측정한 결과이다. 결과에서 보는 바와 같이 공히 매우 많은 가스가 방출되었는데 나왕방부목, MDF, 우레탄, 난연 스티로폼 다음으로 석고보드로 관찰되었고 스티로폼도 상당량의 가스가 방출되었다. Fig.
7에서 이산화황(SO2)은 나왕방부목에서 월등한 값을 나타내었고 MDF 및 우레탄, 난연 스티로폼, 석고 보드, 스티로폼 순으로 관찰되었다. 다른 재료들보다 월등한 값을 보인 나왕방부목 속에 여러 성분들 중 알킬암모늄 화합물이 다수 침윤해 있다 고열에 방출됨의 결과로 알 수 있었다. Fig.
주사는 직선적이지만 주사축을 순차적으로 틀어 가면서 시료표면 전체의 정보를 얻는 원리이다. 본 연구의 대표적 재료인 MDF, 나왕방부목, 난연 스티로폼, 스티로폼, 우레탄 및 석고보드 등 내부 구조를 SEM을 이용해 방사단면 내부 구조를 살펴 본 결과 MDF의 섬유 내부 사이에 접착제 성분이 고열로 인해 기포가 발생하고 섬유 간 공극이 막히고 탄화로 char가 형성되었음을 확인하였다. 이(Lee et al.
우레탄 폼은 가장자리에서 작은 불이 붙었으며 내부에는 거의 검은 잔재가 남지 않았고 일부 수분이 있음을 알 수 있었다. 우레탄은 주로 디이소시아네이트와 디올의 중부가로 만들어진다.
2007). 우레탄은 절연제로 쓰이는 발포제를 만드는데 사용되는데 발포거품은 중합반응 동안 소량의 물을 첨가하면 발포 현상이 발생한다고 하였는데 본 연구에서도 고온에 우레탄이 노출되며 일부의 첨가된 물이 잔류함을 확인할 수 있었다. 우레탄은 폴리올과 폴리 이소시아네이트의 주성분으로 화재에 취약한 재료로 불에 잘 붙는 특징이 있다.
4 ppm이 방출되었는데 이산화질소(NO2) 흡입 시 화상, 구역, 위통, 호흡곤란, 불규칙 심장 박동, 두통, 현기증, 청색증, 폐 이상, 사망을 일으킬 수 있고 흡입 LC50 88 ppm 4 hr Rat UN 부식성 물질, 사람 노출에 의해 폐 기능에 영향 및 폐수종이 나타난다 하였다(KOSHA, 2015). 이산화황(SO2)은 Fig. 21에서 목재류인 나왕방부목과 MDF에서 각각 1,475 ppm, 807.3 ppm의 높은 값과 우레탄, 난연 스티로폼 및 석고보드에서는 골고루 치사농도에 근접하게 방출되었는데, 이산화황(SO2) 흡입 시 알레르기 반응, 화상을 일으킬 수 있고, 고농도 노출 결과 가역성의 결막염이나 각막 표면의 화상이 나타났다. 또한, 특정 표적 장기 독성(1회 노출) 사람에서 흡입 노출 시 기도저항 증가 등의 호흡기 저하가 나타나며 고농도에서 폐수종을 일으킨다고 하였다(KOSHA, 2015).
특히, 목재류인 나왕방부목과 MDF에서 이산화탄소(CO2), 이산화질소(NO2) 및 이산화황(SO2), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO) 등의 치사농도 값이 상대적으로 플라스틱류보다 높은 값을 보임을 알 수 있었다. 플라스틱류인 재료들 중에서 염화수소(HCl), 이산화질소(NO2) 및 이산화황(SO2)은 우레탄에서 난연 스티로폼은 이산화질소(NO2) 및 이산화황(SO2) 등에서 대체적으로 가스 방출양이 많았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FTIR을 이용한 데이터 값은 어떤 이점이 있는가?
금번 연구에서는 콘칼로리미터 및 FTIR (Fourier Transform Infrared) spectrometer을 연결하여 열방출과 연소가스를 분석해 정성, 정량적 데이터를 추출했다. FTIR을 이용한 데이터 값은 각각의 연소가스를 정성, 정량적으로 분석할 수 있는 이점을 지니고 있다. 현재까지 전국적으로 지어져 있는 조립식 건축물(가건물, 창고 등)들의 정확한 통계 숫자도 파악되지 않은 것도 문제이다.
난연 스티로폼은 무엇인가?
나왕방부목(preservative treated Lauan)은 목재의 내구성을 향상시키기 위해 방부약재를 침투시켜 뒤틀림에 강한 외장바닥재로 활용하고 있다. 난연 스티로폼(Retardant styrofoam)은 발포 성형된 스티로폼 완성품에 무기재료인 난연재를 함침 시키는 방법으로 생산하는 것을 말한다. 스티로폼(Styrofoam)은 발포 폴리스티렌이라는 플라스틱의 상표명이다.
스티로폼은 어떤 특성이 있고, 어디에 사용되는가?
스티로폼(Styrofoam)은 발포 폴리스티렌이라는 플라스틱의 상표명이다. 체적의 98%가 공기이고 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다. 그리고 작은 공기 방울이 다량 포함되어 있다. 물을 거의 흡수하지 않으며 세균이나 곰팡이에 손상되지 않아 포장에 많이 사용되며, 아이스박스, 장난감, 부표 등에도 사용되나 재활용이 되지 않아 환경문재로 대두되고 있다. 열차단성이 우수하여 단열제품에 많이 사용된다.
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