[논문]콘칼로리미터와 적외선분광계(FTIR)를 이용한 폼블럭의 연소특성에 대한 실험적 연구

한봉훈; 서동호; 권영희; 민세홍

doi:10.7731/kifse.2017.31.6.023

[국내논문] 콘칼로리미터와 적외선분광계(FTIR)를 이용한 폼블럭의 연소특성에 대한 실험적 연구
A Study on the Fire Characterization of Foam block using Cone-calorimeter and FTIR 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.6, 2017년, pp.23 - 32

한봉훈 (가천대학교 일반대학원) , 서동호 (경기도재난안전본부 특수대응단) , 권영희 (가천대학교 일반대학원) , 민세홍 (가천대학교 설비.소방공학과)

초록
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폼블럭은 셀프 인테리어 용품으로 새롭게 유행하고 있는 건축마감재로 폴리에틸렌을 주성분으로 하여 제조되고 있어 화재에 취약할 것으로 판단된다. 시중에 판매되고 있는 폼블럭 2종(일반, 난연)을 KS F ISO 5660-1(연소성능시험)의 기준에 따라 화재시 발생되는 연소특성을 파악하였다. 또한 적외선분광계(FTIR)를 이용하여 시편의 연소로 발생하는 가스중 대표적 독성가스를 측정한 후 기존의 독성모델에 적용하였다. 콘칼로리미터 시험 결과 2종의 시편 모두 복사열 차단장치를 제거하자마자 인화 및 불꽃연소가 시작되어, 화재시 화염의 급속한 전파 요인이 될 수 있음을 확인하였으며, 적외선분광계를 통한 연소가스 분석 결과, 일반적인 연소가스인 이산화탄소와 일산화탄소뿐만 아니라 인체에 심각한 위해를 주는 아크롤레인, 암모니아 및 시안화수소 등이 다량 검출되었다. 본 연구를 통해 폼블럭 제품은 착화성과 발열량이 높으며 유해가스가 다량 방출될 수 있음을 실험을 통해 확인하였다. 따라서 폼불럭 사용에 따른 재료의 연소특성, 즉 착화성 저감, 최대 열방출률 제한 및 주요 유해가스의 농도를 제한하는 기준마련도 시급히 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Foam block, popularized as the self-interior goods, is susceptible to fire since the main material is the polyethylene flammable synthetic resin. However, it is widely used in homes, offices, and multi-use facilities. In order to understand the fire characteristics of the foam block, two kinds of foam blocks sold in the market (non-fire retardant and fire retardant) were evaluated according to standard of KS F 5660-1 (Reaction to fire test). In addition, the hazard analysis of the gas generated by the combustion of the specimen was performed using the FTIR gas analyzer. The cone calorimeter test showed that the ignition and flame combustion of both two specimens were burned as soon as the radiant heat blocking device was removed, and it was confirmed that the flame could become a rapid propagation factor during the fire. The analysis of the combustion gas through the FTIR gas analyzer showed that both the carbon dioxide and carbon monoxide classified as the common combustion gases and the acrolein, ammonia, and hydrogen cyanide causing serious damage to the human body were detected substantially. This study showed that a foam block product has high ignitionability and generates toxic gases. Hence, it is urgently required to establish the standards used for properly classifying the combustion characteristics of the material on the basis of the use conditions of a foam block product and to prepare the standards on the purpose of use.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Photography of building interior with Foam block.
그림 Figure 2. Structure of general and fire retardant foam block.
그림 Figure 3. Cone Calorimeter & FTIR Analyzer
그림 Figure 4. Specimen Sample A & Specimen Sample B.
표 Table 1. Analytical Conditions of FTIR for Combustion Gas
그림 Figure 5. Foam block sample A specimen before and after a cone calorimeter test.
그림 Figure 6. Foam block sample B specimen before and after a cone calorimeter test.
그림 Figure 7. Heat release rate of samples A and B.
그림 Figure 8. Total heat release of samples A and B.
표 Table 2. Maxium (Peak) of Heat Release Rate for Samples A and B
그림 Figure 9. Concentration of oxygen in combustion gas samples A and B.
그림 Figure 10. Smoke production rate of samples A and B.
그림 Figure 11. FTIR spectrum of combustion gas : (a) sample A, (b) sample B.
표 Table 3. Toxicity Criteria for Combustion Gases⁽⁶⁾
표 Table 4. Concentration of Combustion Gas (ppm)
표 Table 5. Low O₂ and Toxicity Value of Combustion Gas

AI 본문요약
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문제 정의

일상에서 시공이 편리하며, 단열 등 여러 장점이 있다는 이유로 손쉽게 사용하고 있는 폴리에틸렌 가연성 합성수지 단열벽지인 폼블럭의 위험성 평가에 대해 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

질량측정 장치 위에 열차단 장치를 놓고 반복해서 3개의 시편을 실험하고 그 결과를 기록하였다.⁽⁴⁾ 가스 유해성 분석은 콘칼로리미터 시험기의 가스 샘플링 환형 검침기와 적외선분광계 샘플링 프로브를 결합한 후 콘칼로리미터법에 의한 연소 성능 시험을 실시간 측정하였다.
x축은 시료에 조사되는 적외선 파수(wave number, cm^-1)로 4,250∼700 cm^-1 범위에서 측정되었으며 y축은 적외선 흡광도를 나타낸 것이다. FTIR 스팩트럼 결과 연소가스 내 다양한 성분이 존재함을 알 수 있으며, Multiply Reference Spectrum 분석 프로그램(Calcmet Lite software)을 통해 연소 가스에 존재하는 각각의 성분과 농도를 측정하였다.
FTIR을 이용하여 수집된 스펙트럼으로부터 정성 정량분석을 수행하였다. 샘플링 라인은 별도 가열을 하지 않았고 연소가스의 응축을 최소화하기 위해 샘플링 라인을 1 m 이내로 하였다.
Figure 3에 나타낸 바와 같이 가스유해성을 분석하기 위해 콘칼로리미터 시험기와 적외선분광계(핀란드 GASMET사, DX 4040)를 결합하여 재료의 열방출 특성과 연소가스의 유해성을 동시에 평가하였다. 이 분석기는 휴대용 측정기로 PDA, 베터리, 샘플링 프로브와 라이브러리 내장형으로 해당물질의 최소 탐지 농도 한계는 약 0.
002) m²/s로 설정하였다. 가열강도 50 kW/m²로 하여 복사열 차단장치를 제 위치에 삽입하고 질량 측정 장치를 보호하고 있는 열 차단 장치를 제거한 후 준비된 시편과 시편홀더를 질량 측정 장치 위에 수평(Horizontal)으로 올려놓았다. 인화 또는 일시적인 불꽃 연소가 발생된 때의 시간과 지속적인 불꽃 연소가 발생한 때 시간을 기록하고 스파크전원과 점화 장치를 제거하였다.
본 연구에서는 시중에서 판매되고 있는 폼블럭 중 Sample A(일반 폼블럭)과 ‘난연’ 성능이 있다고 판매하는 Sample B(난연 폼 블록)를 KS F ISO 5660-1 콘칼로리미터법에 의한 연소성능 시험과 적외선 분광계(FTIR)를 이용한 가스 유해성 분석을 통해 폼블럭의 화재 특성을 파악하여 화재 위험성을 분석하였다.
가열강도 50 kW/m²로 하여 복사열 차단장치를 제 위치에 삽입하고 질량 측정 장치를 보호하고 있는 열 차단 장치를 제거한 후 준비된 시편과 시편홀더를 질량 측정 장치 위에 수평(Horizontal)으로 올려놓았다. 인화 또는 일시적인 불꽃 연소가 발생된 때의 시간과 지속적인 불꽃 연소가 발생한 때 시간을 기록하고 스파크전원과 점화 장치를 제거하였다. 5분의 실험시간 동안 모든 데이터를 수집한 후 시편과 시편홀더를 제거하였다.
5분의 실험시간 동안 모든 데이터를 수집한 후 시편과 시편홀더를 제거하였다. 질량측정 장치 위에 열차단 장치를 놓고 반복해서 3개의 시편을 실험하고 그 결과를 기록하였다.⁽⁴⁾ 가스 유해성 분석은 콘칼로리미터 시험기의 가스 샘플링 환형 검침기와 적외선분광계 샘플링 프로브를 결합한 후 콘칼로리미터법에 의한 연소 성능 시험을 실시간 측정하였다.
콘칼로리미터를 이용한 연소성능시험은 초기 준비로 CO2트랩과 최종 수분 트랩을 점검하고 배출 유량을 (0.024±0.002) m2/s로 설정하였다.

대상 데이터

Figure 4에 나타낸 바와 같이 시편은 KS F ISO 5660-1 기준에 따라 가로·세로 각각 100 mm인 정사각형의 것으로 3 개씩을 준비하였다.
)을 측정할 수 있어, 재료의 화재 시 열적특성을 평가하기 위한 목적으로 국내외에서 널리 사용되고 있는 시험 방법이다. 본 연구에서는 한국건설기술연구원 화재안전연 구소의 콘칼로리미터를 사용하였다.
실험재료는 대형마트, 쇼셜커머스, 인터넷몰 등에서 판매되는 제품 중 Sample A(일반 폼블럭) 1종과 Sample B(난연 폼블럭) 1종을 선정하였다.

데이터처리

이는 CO₂ 농도가 5% 이상이 되면 CO의 독성은 감소한다는 연구결과에 기초한 것이다. 산소(O²) 농도는 섹센 3.1에서 콘칼로리미터 실험을 통해 측정한 가장 낮은 산소농도(low O₂) 평균값을 사용하였다. Barbara C.

이론/모형

폼블럭 연소가스의 위험정도를 알아보기 위해 국제적으로 공인된(ISO 13344) 방법을 사용하여 평가하였다. 식 1은 Barbara C.

성능/효과

1) 콘칼로리미터 시험 결과, 시험조건인 50 kW/m² 열유량(Heat flux)의 복사열 크기에서 Sample A(일반 폼블럭)과 Sample B(난연 폼블럭) 소재 모두 복사열 차단 장치를 제거하자마자 불꽂을 내며 연소를 시작하였다.
1. Sample A(일반 폼블럭) 1종과 Sample B(난연 폼블럭) 1종, 총 2종에 대하여 콘칼로리미터 실험을 실시하면서 각 종류별 3개의 시편을 준비하여 실험 한 결과, 착화 시간은 시편 총 6점 모두 1초 이내로 나타났다. 폼블럭의 주재료인 폴리에틸렌은 열가소성 수지로 화기에 취약한 재료임을 확인하였고, Sample A(일반 폼블럭) 뿐만 아니라 Sample B(난연 폼블럭)도 동일한 콘칼로리미터 실험조건인 50 kW/m² 열유량(Heat flux)에서 큰 차이가 없이 쉽게 연소되는 것을 알 수 있었다.
2) 난연 폼블럭은 건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지 구조 기준 제4조에 의한 난연재료로서의 기능을 충족하지 못함을 확인하였다.
3) FTIR 시험 결과 연소가스 성분 중 공통적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 아세트알데하이드, 아크롤레인, 아크릴로니트릴, 암모니아, 시안화수소, 이산화황 및 이산화질소가 검출되었다. 특히 연소가스 중 아크롤레인은 맹독성 가스로 Sample B(난연 폼블럭)에서 5.
⁽⁵⁾ Sample A(일반 폼블럭) 1종과 Sample B(난연 폼블럭) 1종, 총 2종에 대하여 콘칼로리미터 실험을 실시하였으며, 실험 전 · 후의 시편에 대한 결과를 Figure 5와 Figure 6에 나타낸 것이다. Sample A(일반 폼블럭)과 Sample B(난연 폼블럭) 시편 모두 연소실험을 시작하면서 복사열 차단 장치를 제거하자마자 연소되었으며 잔유물은 남아 있지 않았음을 확인할 수 있었다. 건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지구조 기준(국토 교통부 고시 제2015-744호, 2015.
Figure 9는 각 시편을 50㎾/㎡ 의 복사열에 노출시켜 대기 조건에서 연소시키고 이 때 산소농도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 두 시료 모두 시험 시작 후 약 20초 부근에서 산소농도가 약 20.1%의 최저값을 나타내었다. Figure 10의 Sample A(일반 폼블럭) Sample B(난연 폼블럭)의 시간에 따른 연기발생율을 비교한 것이다.
Table 4는 콘칼로리미터 시험기의 가스 샘플링 환형 검침기와 FTIR 가스탐지기의 샘플링 프로브를 결합한 후 측정된 폼블럭 Sample A(일반 폼블럭), Sample B(난연 폼블럭)의 측정된 연소가스 농도를 나타낸 것이다. 두 시편은 모두 5분 이내에 연소가 종료되었고, 연소가스 성분 중 공통적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 아세트알데하이드, 아크롤레인, 아크릴로니트릴, 암모니아, 시안화수소, 이산화황 및 이산화질소가 검출되었다. 반면 포름알데하이드, 브롬화수소, 염화수소, 불화수소 및 포스겐은 검출되지 않았다.
Figure 8은 Sample A(일반 폼블럭)과 Sample B(난연 폼블럭) 2종류의 폼 블록 연소로 인해 방출된 총열량을 나타낸 것으로 5분간의 실험시간에 대한 값이다. 실험 결과 2종류의 폼 블럭의 재료 구성의 차이는 크지 않음을 알 수 있다. Sample A(일반 폼블럭) Sample B(난연 폼블럭) 구분 없이 착화 직후 순간적인 열방출이 일어나고 5분의 실험 시간 내내 비슷한 패턴을 보이고 있음을 알 수 있다.
) 제4조에서 “난연재료‘는 한국산업규격 KS F 5660-1에 따른 가열시험 개시 후 5분간 총방출열량이 8 MJ/m² 이하이며, 5분간 열방출률이 10 초 이상 연속으로 200 kW/m²를 초과하지 않으며, 5분간 가열 후 시험체를 관통하는 균열, 구멍 및 용융 등이 없어야 한다고 규정되어 있다. 실험결과 Sample B는 난연재료 기준을 충족되지 못함을 확인하였다.
아크릴로니트릴과 시안화수소가 Sample A(일반 폼블럭) 에서 각각 1.11 ppm과 1.05 ppm이 검출되었으며, Sample B(난연 폼블럭)에서는 각각 13.12 ppm과 1.55 ppm으로 검출되었다. 아크릴로니트릴과 시안화수소는 폼블럭 제조시 사용된 접착제가 연소되면서 발생된 유해가스로 알려진 물질이다.
Sample A(일반 폼블럭) 1종과 Sample B(난연 폼블럭) 1종, 총 2종에 대하여 콘칼로리미터 실험을 실시하면서 각 종류별 3개의 시편을 준비하여 실험 한 결과, 착화 시간은 시편 총 6점 모두 1초 이내로 나타났다. 폼블럭의 주재료인 폴리에틸렌은 열가소성 수지로 화기에 취약한 재료임을 확인하였고, Sample A(일반 폼블럭) 뿐만 아니라 Sample B(난연 폼블럭)도 동일한 콘칼로리미터 실험조건인 50 kW/m² 열유량(Heat flux)에서 큰 차이가 없이 쉽게 연소되는 것을 알 수 있었다.
43 ppm 측정되었다. 폼블럭이 직접적인 화재유발인자는 아니더라도 화재 발생시 연소를 가속화 시키고 인체에 치명적인 연소가스를 발생시킬 수 있음을 확인하였다.

후속연구

제언으로, 폼블럭이 실내 마감재료로 널리 사용되고 있고, 착화성과 발열량이 높다는 점, 연소시 유해가스가 다량 방출되는 점 등을 고려하여 사용기준을 신속하게 마련해야 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	do ityour-selp 인테리어란 무엇인가?	최근 전문가에게 시공을 맡기지 않고 저렴한 비용으로 직접 가정이나 사무실, 다중이용시설 등을 꾸미는 do ityour-selp (DIY) 인테리어가 유행하면서 관련 제품도 인기를 얻고 있다. 이 중 소비자들이 온라인 및 오프라인에서 쉽게 구입할 수 있는 폴리에틸렌 가연성 합성수지 단열 벽지(이하 폼블럭)가 그 중 하나라 할 수 있다.
	폼블럭이 무분별하게 사용되는 이유는 무엇인가?	시중에 판매되고 있는 일반적인 폼블럭의 일반재와 난연재에 대한 구조를 Figure 2에 나타내었다. 소방법령에서는 대통령령으로 정하는 특정소방대상물에 실내장식 등의목적으로 설치 또는 부착하는 물품은 "방염대상물품"으로 정하고 규제하고 있지만, 폴리에틸렌 가연성 합성수지 단열 벽지인 폼블럭은 아무런 규제 없이 다양한 장소에 실내장식 및 결로방지 등 다양한 목적으로 무분별하게 사용되고 있다. 건축법 제43조, 동 시행령 제61조 및 건축물의 피난·방화 등의 기준에 관한 규칙 제24조에서는 건축물 마감재료에 대한 용도 및 규모별 적용 대상을 규정하고 있다. 또한 건축물의 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지 구조(국토교통부 고시 제2015-744호, 2015 10.
	폼블럭의 위험성은 무엇인가?	3) FTIR 시험 결과 연소가스 성분 중 공통적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 아세트알데하이드, 아크롤레인, 아크릴로니트릴, 암모니아, 시안화수소, 이산화황 및 이산화질소가 검출되었다. 특히 연소가스 중 아크롤레인은 맹독성 가스로 Sample B(난연 폼블럭)에서 5.

참고문헌 (9)

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ISO 19702, "Guidance for Sampling and Analysis of Toxic Gases and Vapours in Fire Effluents using Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectroscopy", ISO (2015).
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ISO 13344, "Estimation of the Lethal Toxic Potency of Fire Effluents", ISO (2015).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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