[논문]다양한 접착제로 제조한 단열재용 저밀도섬유판의 특성(II) - 폼알데하이드·총휘발성유기화합물 방출 특성 및 연소 형상 -

장재혁; 이민; 강은창; 이상민

doi:10.5658/wood.2017.45.5.580

다양한 접착제로 제조한 단열재용 저밀도섬유판의 특성(II) - 폼알데하이드·총휘발성유기화합물 방출 특성 및 연소 형상 -
Characteristics of Low Density Fiberboards Bonded with Different Adhesives for Thermal Insulation (II) - Formaldehyde·Total Volatile Organic Compounds Emission Properties and Combustion Shapes - 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.45 no.5, 2017년, pp.580 - 587

장재혁 (국립산림과학원 임산공학부) , 이민 (국립산림과학원 임산공학부) , 강은창 (국립산림과학원 임산공학부) , 이상민 (국립산림과학원 임산공학부)

초록
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목섬유 단열재는 친환경 고단열성에 기인하여 저에너지 및 쾌적하고 안전한 주거 공간 형성을 위한 핵심 건축재료로 고려된다. 본 연구에서는 서로 다른 접착제로 제조한 단열재용 저밀도섬유판의 폼알데하이드(HCHO) 총휘발성유기화합물(TVOC) 방출 및 화염에 의한 연소 형상을 조사하였다. 멜라민 요소 폼알데하이드(MUF), 페놀 폼알데하이드(PF), emulsified methylene diphenyl diisocyanate (eMDI) 및 라텍스 수지 접착제 등으로 제조한 저밀도섬유판 4종의 HCHO TVOC 방출 특성 및 연소 형상은 각각 챔버법과 화염실험을 통하여 분석하였다. 그 결과 MUF, eMDI, 라텍스 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판들은 Super $E_0$급의 우수한 HCHO 저방출 성능을 나타냈다. 반면 PF 수지로 제조된 저밀도섬유판은 $E_0$급 성능을 나타내었다. TVOC 방출량은 모든 저밀도섬유판이 국내 실내공기질 기준(이하 $400{\mu}g/m^2{\cdot}h$)을 만족하였으며, 기존 석유계 합성원료 기반의 단열재보다 낮은 수치를 나타냈다. 그중에서도 특히 eMDI 수지 접착제로 제조한 경우에서는 HCHO 및 TVOC 방출량이 각각 $0.14mg/{\ell}$, $12{\mu}g/m^2{\cdot}h$로 가장 낮게 측정되었다. 그러나 eMDI로 제조한 저밀도섬유판에서 방출된 VOC의 성분을 조사한 결과, 톨루엔 성분($3{\mu}g/m^2{\cdot}h$)이 소량 검출되었다. 화염에 의한 연소시험에서는 MUF 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판이 다른 경우에 비하여 연소 후 비교적 가장 양호한 형상을 나타내었다. HCHO 및 TVOC 방출 특성, 연소 형상을 고려하였을 때 단열재용 저밀도섬유판은 MUF 수지 접착제가 가장 적합할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Woodfiber insulation board can be considered as a one of the key material for low energy consumption, comfortable and safety construction of residential space because of its eco-friendly and high thermal insulation performance. This study was carried out to investigate the formaldehyde (HCHO) total volatile organic compounds (TVOC) emission properties and combustion shapes by flame test of low density fiberboards (LDFs) prepared with different adhesives. HCHO TVOC emission and combustion properties of LDFs prepared by melamine urea formaldehyde (MUF), phenol formaldehyde (PF), emulsified methylene diphenyl diisocyanate (eMDI) and latex resin adhesives were measured by desiccator method, 20 L chamber method, and flame test, respectively. As results, LDFs manufactured by MUF, eMDI and latex resin adhesives satisfied the Super $E_0$ grade of HCHO emission performance except PF resin. Furthermore, TVOC emission of all LDFs were satisfied the Korean indoor air quality standard (below $400{\mu}g/m^2{\cdot}h$). Especially, LDF with eMDI resin adhesive showed the lowest HCHO and TVOC emissivity, that $0.14mg/{\ell}$, $12{\mu}g/m^2{\cdot}h$, respectively. However, eMDI emitted the small amount ($3{\mu}g/m^2{\cdot}h$) of toluene in VOC components. In the flame test, LDF with MUF resin adhesives showed the most favorable shape after flame test compare to LDFs prepared other adhesives. Based on HCHO and TVOC emission, and combustion shapes, MUF resin adhesive may be recommended to prepare LDF for insulation purpose.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 종류의 접착제로부터 제조한 단열재용 저밀도섬유판이 실내공기질에 미치는 영향과 화재 시 연소 형상을 조사하기 위하여 수행되었으며, 그 결과는 다음과 같다.
그 결과, 압출 발포 폴리스티렌과 유사한 단열 성능을 나타내는 저밀도섬유판을 제조하였으며, 이들의 물리적 성질은 한국산업규격의 기준을 만족하였다. 본보에서는 이의 후속 연구로 단열재용 저밀도섬유판의 폼알데하이드 및 총휘발성유기화합물 방출량과 연소(화재)에 의한 목섬유 단열재의 형상 변화 분석을 통해 실제 단열재로써의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

7%가 탄화되었으며, PF와 라텍스는 거의 대부분이 화염에 의해 소실되었다. 본 연구에서는PF를 이용한 저밀도섬유판 제조 시 경화제로 eMDI를 3% 비율로 첨가하였고, 열압온도는 다른 수지 접착제와 동일하게 150℃로 하였다. 따라서 PF로 제조한 저밀도섬유판의 연소 시험 결과는 eMDI의 첨가 및 낮은 경화온도에 기인한 것으로 판단되며, 향후 페놀계 수지 접착제를 이용한 연구에서는 내열성의 향상을 위하여 다른 종류의 경화제 및 170℃ 이상의 열압온도 조건을 부여하여야 할 것으로 생각된다.
종류별 저밀도섬유판을 50 mm × 50 mm × 20 mm 크기의 시험편으로 제작하여 최대 온도 약 1,350℃의 화염을 발사할 수 있는 토치를 이용하여 각 시험편에 동일한 가스 압력으로 화염을 1분간 발사하였다.

대상 데이터

재료의 연소특성은 사용원료의 종류 뿐만 아니라 최종제품의 두께와 밀도 등 물리적 특성에도 큰 영향을 받는다. 본 연구에서 제조한 단열재용 저밀도섬유판은 약 0.10 g/cm³의 낮은 밀도에 기인한 다공성 구조의 형성으로 열 및 산소의 이동통로가 많아졌으며, 제조 과정에서 특별한 난연 처리를 하지 않았기 때문에 기존 단열재들과 차이를 나타내는 것으로 판단된다. 한편 eMDI를 포함하는 이소시아네이트는 열분해 시 고독성의 시안화수소를 생성하므로 섬유판제조 시 열압 과정 및 연소실험 중에 각별한 주의가 요구된다(Woolley and Fardell, 1977; Hirata et al.
이때 폼알데하이드 방출량을 조사하기 위한 시험편의 크기는 150 mm × 50 mm × 20 mm로 하여 저밀도섬유판별로 각각 8매씩 제작하였으며, 총휘발성유기화합물 분석을 위해서는 160 mm × 160 mm ×20 mm 크기의 시험편을 각각 2매씩 제작하여 사용하였다.
전보(Jang et al., 2017a)에서 제조한 라디에타파인목섬유(함수율 약 5%) 기반 저밀도섬유판 중 MUF,PF, eMDI, Latex-810 수지 접착제로 제조한 4종의 것을 공시재료로 사용하였으며, 모든 저밀도섬유판들의 제원은 밀도 약 0.10 g/cm³, 두께 약 20 mm의 범위를 나타냈다. 이때 분석에 사용한 모든 시험편은 23℃ 및 50%의 항온항습 조건에서 2주 이상 보관한 것을 사용하였다.

이론/모형

제조된 저밀도섬유판의 폼알데하이드 및 총휘발성유기화합물 방출 특성은 한국산업규격 건축 내장재의 폼알데하이드 및 휘발성 유기화합물 방출량 측정시험방법(KS M 1998, 2009)에 의거하여 분석하였다. 이때 폼알데하이드 방출량을 조사하기 위한 시험편의 크기는 150 mm × 50 mm × 20 mm로 하여 저밀도섬유판별로 각각 8매씩 제작하였으며, 총휘발성유기화합물 분석을 위해서는 160 mm × 160 mm ×20 mm 크기의 시험편을 각각 2매씩 제작하여 사용하였다.

성능/효과

1. 본 연구에서 제조한 단열재용 저밀도섬유판 중MUF 수지, eMDI 수지, 라텍스 수지 접착제로 제조한 것은 Super E₀급의 폼알데하이드 방출특성을 나타냈다.
3과 Table 2는 화염에 의한 단열재용 저밀도 섬유판의 형상 변화와 시험편 전체 두께 대비 연소에 의해 탄화된 시험편의 깊이 비율 및 중량 감소율을 나타낸 결과이다. 1분간의 화염 노출에 의해 PF, eMDI, 라텍스 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판은 거의 모두 탄화되었으나, MUF로 제조한 경우에서는 시험편의 표면만 탄화되고, 화염이 내부 깊숙이까지 침투하지는 못한 것으로 나타났다. 화염 노출시험 후 시험편의 단면 내부를 절삭하여 탄화된 깊이를 측정한 결과, MUF 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판은 전체 두께 중 31.
2. 모든 단열재용 저밀도섬유판은 국내 실내공기질 기준을 만족하는 총휘발성유기화합물 방출특성을 나타냈다.
3. eMDI 수지 접착제로 제조한 단열재용 저밀도섬유판은 가장 낮은 폼알데하이드 및 총휘발성유기화합물을 방출하였으나, VOC 성분 중 톨루엔이 소량 검출되었다.
4. MUF 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판은 화염 발사 시험 후 가장 양호한 형상을 유지하였으며, 중량감소율이 가장 낮았다.
, 2017a)에서는 단열성능 및 물리적 성질이 확보된 목섬유 단열재의 제조 가능성을 평가하기 위하여 아미노계 접착제로 멜라민⋅요소폼알데하이드(MUF)를, 페놀계 접착제로 페놀⋅폼알데하이드(PF)를, 이소시아네이트계 접착제로 emulsified methylene diphenyl diisocyanate (eMDI)를, 수성 라텍스계 접착제로는 Latex-810을 사용하는 등 서로 다른 접착제로 제조한 단열재용 저밀도섬유판의 특성을 비교한 바 있다. 그 결과, 압출 발포 폴리스티렌과 유사한 단열 성능을 나타내는 저밀도섬유판을 제조하였으며, 이들의 물리적 성질은 한국산업규격의 기준을 만족하였다. 본보에서는 이의 후속 연구로 단열재용 저밀도섬유판의 폼알데하이드 및 총휘발성유기화합물 방출량과 연소(화재)에 의한 목섬유 단열재의 형상 변화 분석을 통해 실제 단열재로써의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
2는 단열재용 저밀도섬유판의 폼알데하이드(HCHO) 및 총휘발성유기화합물(TVOC) 방출량을 측정한 결과이다. 저밀도섬유판의 HCHO 방출량은 PF(0.43 mg/ℓ), MUF (0.26 mg/ℓ), Latex-810 (0.18 mg/ℓ),eMDI (0.14 mg/ℓ)의 순으로 나타났다. 현재 섬유판의 한국산업표준(KS F 3200, 2016) 기준에서는 저밀도섬유판의 품질 평가 시 HCHO의 방출량을 조사하지 않아도 되는 것으로 되어 있지만, 중밀도섬유판을 기준으로 봤을 때 그 방출량의 평균값이 0.
1분간의 화염 노출에 의해 PF, eMDI, 라텍스 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판은 거의 모두 탄화되었으나, MUF로 제조한 경우에서는 시험편의 표면만 탄화되고, 화염이 내부 깊숙이까지 침투하지는 못한 것으로 나타났다. 화염 노출시험 후 시험편의 단면 내부를 절삭하여 탄화된 깊이를 측정한 결과, MUF 수지 접착제로 제조한 저밀도섬유판은 전체 두께 중 31.4%만이 탄화되었고,eMDI는 81.7%가 탄화되었으며, PF와 라텍스는 거의 대부분이 화염에 의해 소실되었다. 본 연구에서는PF를 이용한 저밀도섬유판 제조 시 경화제로 eMDI를 3% 비율로 첨가하였고, 열압온도는 다른 수지 접착제와 동일하게 150℃로 하였다.

후속연구

본 연구에서는PF를 이용한 저밀도섬유판 제조 시 경화제로 eMDI를 3% 비율로 첨가하였고, 열압온도는 다른 수지 접착제와 동일하게 150℃로 하였다. 따라서 PF로 제조한 저밀도섬유판의 연소 시험 결과는 eMDI의 첨가 및 낮은 경화온도에 기인한 것으로 판단되며, 향후 페놀계 수지 접착제를 이용한 연구에서는 내열성의 향상을 위하여 다른 종류의 경화제 및 170℃ 이상의 열압온도 조건을 부여하여야 할 것으로 생각된다. 한편, 화염 노출 후 시험편의 중량 감소율은 MUF가약 44%의 수치를 나타낸 반면, 나머지 경우에서는 모두 80% 이상의 큰 중량 손실이 발생하였다.
그러나 단열재는 외벽과 내벽 사이에 설치되어 즉, 외부에 직접적으로 노출되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서 얻은 수치들을 실내공기질의 평가에 직접적으로 반영하기 보다는 간접적인 평가 지표로 활용해야 할 것으로 생각한다.
현재 환경부에서는 VOC 방출 허용치 중 400 µg/m²⋅h 이하의 수치를 가장 높은 단계로 분류하고 있는데 의료기관, 어린이집, 노인요양시설, 산후조리원 등과 같은 다중이용시설에서는 이 기준을 충족시켜야 한다. 따라서 본 연구에서 제조한 저밀도섬유판을 위와 같이 면역력이 상대적으로 약한 사람들의 생활 공간에 단열재로 사용한다면 따뜻하고 쾌적한 환경 조성은 물론, 목재가 갖는 특유의 온화함을 통해 재실자에게 심리적인 안정감도 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 단열재는 외벽과 내벽 사이에 설치되어 즉, 외부에 직접적으로 노출되어 있지 않다.
, 2017). 즉, 목재를 기반으로 하는 단열재는 앞서 언급한 여러 규제들을 충족시킬 수 있는 잠재성을 가지며, 궁극적으로는 범국가적인 에너지 절약 및 인류의 건강 증진을 도모할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연재료 기반의 것으로 대체하기 위한 방안의 마련이 절실한 이유는 무엇인가?	현재 북미나 유럽뿐만 아니라 우리나라도 패시브하우스 공법으로 많은 건축물들이 설계되어 축조되고 있는데, 여기에는 당연히 난방에 소요되는 유효 에너지를 절감하기 위한 친환경⋅고성능 단열재의 적용이 반드시 요구된다. 그러나 현재 사용되고 있는 대부분의 단열재는 그 원료를 석유화학을 기반으로 하는 합성재료로 하고 있기 때문에 제조 과정에서는 환경에 부하를, 얻어진 최종 제품은 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 기존의 합성재료 기반 단열재를 천연재료 기반의 것으로 대체하기 위한 방안의 마련이 절실한 실정이며, 이를 위한 가장 대표적인 재료는 바로 목재라 생각한다.
	목질계 건축재료에서 발생될 수 있는 위험물질에는 어떠한 것들이 있는가?	1996년에 환경부가 처음으로 제정한“지하생활공간 공기질 관리법”은 2003년에 “다중이용시설 등의 실내공기질관리법”으로 개정되면서 어린이집 등 다중이용시설로 관리 범위가 확대되었고, 2016년 말에는 건축자재의 사전 적합 확인제도 도입 및 품질 관리 기준을 더욱 강화하여 “실내공기질 관리법”으로 법명이 개정되었다. 특히, 여기에는 목질계 건축재료에서 방출될 수 있는 폼알데하이드, 총휘발성유기화합물, 이산화탄소, 일산화탄소 등이 포함되어 있는데, 이들의 기준은 개정을 거듭하면서 점차 강화되어 왔다. 한편, 국토교통부에서 제정한 “건축물의 에너지절약 설계기준”과 “건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙”은 국가적인 에너지 절약 및 안전한 생활 공간 조성을 위한 법률로, 여기에 포함된 단열성 및 난연성에 관한 관리 기준 또한 해를 거듭할수록 강화되고 있다.
	패시브하우스란 무엇인가?	이러한 관점에서 패시브하우스(passive house)란 에너지 소비는 대폭 절약하면서 적당한 가격으로 안전하고 쾌적한 주거 공간을 조성하기 위한 최신 건축 공법으로, 각종 첨단 단열 기술을 적용하여 난방시스템을 간소화하는데 주 목적을 두고 있다(Feist etal., 2005).

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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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