A Study on the Flame Retardant Performance and Toxicity of the Painting Wood Painted with Flame Retardant Solution

(1)

방염처리된 단청목재의 방염성능 및 유독성에 관한 연구

A Study on the Flame Retardant Performance and Toxicity of the Painting Wood Painted with Flame Retardant Solution

김인범

^†

·현성호

In-Beom Kim

^†

· Seong-Ho Hyun

경민대학소방행정과

(2009. 7. 30.

접수

/2009. 10. 9.

채택

)

요 약

본연구에서는방염처리단청목재에대한방염성능및연소가스를분석하여그독성지수에근거한유독 성을평가하였다

.

^시료에^대한^{방염처리방법과}^{시료처리의}^{환경조건은}^{방염성능에}^크게^영향을^미치지^않

았다

.

^{연소가스의}^발생량은^방염액을^{분무도포한}^{시료들에서}^거의^비슷한^발생량을^보였고^{독성지수는}^위

험등급

III

에해당하는높은위험도를나타내었고

,

방염액을가압함침시킨시료가상대적으로낮은위험도 인위험등급

II

를나타내었다

.

ABSTRACT

In this study, I evaluated toxicity that analyze performance of flame-retardant about flame-retardant painting wood and combustion gas that is based on the toxicity index. Processing condition of flame retardant solution and treatment method of samples didn’t affect greatly to performance of flame retar- dant. Occurrence of combustion gas showed a almost similar result from the sample which spraying flame retardant solution and toxicity corresponds to high level, Hazard Class III, and the flame retar- dant solution saturation sample which makes put out Hazard Class II which is a low toxicity relatively.

Key words :

Flame retardant, Flame retardant painting wood, Toxicity index, Toxicity

1. 서 론

우리나라목조문화재에사용되는소나무목재의경 우 내강성

,

내굴곡성

,

내구성이 우수하여 건축자재로 적합하지만목질이강하여제재된표면이거칠고건조 시에균열등이발생하고충해등의침해를받기쉬워 예로부터목재 표면에단청을 칠해그기능을 보완하 여왔다

.

^1,2) 그러나 화재의 발생시 열에의해 분해되 어가연성가스를배출하고착화되어연소하기때문에 목재의 화재성능을 개선하기위한방법으로방염액을 이용한 난연화 처리 및 방염처리를 진행하여 왔으며 주로 사용되는방법으로는방염액을사용하여 목재에 함침시키거나 방염액을 적용대상물 표면에 분사하여 목재의 점화를 지연시키고화염전파속도를낮추는 방 법이 이용된다

.

방염이란어떠한 가연성 물질을 물리

적또는화학적으로처리하여보통의환경조건에서불 꽃연소가 일어나지않게하는것을 의미하며난연또 는난연화라는용어와 혼용되는면이있기도하다

.

우 리의일상에서사용되는목재류에대한방염처리는처 리대상의 종류및재료에 따라달라지는데목재에 대 한방염처리방법으로는 물리적인방염처리방법도가 능하지만 방염효과적인 면이나 경제적인측면에서화 학적처리방법을따르지못하기때문에대부분의경우 화학적처리방법에 의해사용되어지고 있다

.

^3-7)

단청목재의경우는 방염액으로처리함에있어서 시 간의경과에따라단청의구성성분과방염액간의반응 으로인해 단청의탈리및염석현상과 단청의변색이 발생할 수있기때문에목재에 대한방염제로서의 성 능이외에채색된단청과방염제의상관관계를확인할 필요가 있으며이러한 단청이 채색된 방염처리목재의 경우 방염성능과 연소 시 발생되는 유독가스의 양과 유독성에는어떠한 상관관계가 있는지에대한부분은

†

E-mail: [email protected]

(2)

연구되어진바가거의없다

.

⁸⁾

따라서본연구에서는단청이채색되어진목재에대 해방염액을도포또는 함침시킨 후단청목재가노출 될수있는대표적인환경조건에 적용시키고브롬화 합물계와불소

-

인화합물계및인화합물계방염액등 시중에서판매되는대표적인목재 방염액

3

종류를선 택하여 단청목재에 방염처리를 진행하였을때단청 목재에서진행되는방염성능과연소시발생되는유독 가스 및그유독성을일반 육송의단청목재와 비교하 여분석하여보았다

.

2. 실험방법

2.1시료의준비

본 연구에 사용한 단청목재는 가로

0.29m ×

세로

0.19m ×

두께

0.01m

의육송을사용하여그한쪽표면

에 석간주

(

적색

)

단청으로 도색한 후건조된 면에 각 각의방염액을도포또는함침하여자연건조시켜제조 하였으며실험에사용된시료에대한구체적인내용을

Table 1

에정리하였다

.

방염성능테스트에는방염처리된

단청목재가실제로노출되어있는외부환경과내부환경 에대한영향을확인하기위해단청이채색된상태에서 햇빛과 비등에 노출될수있는 외부환경을 고려하여 하나의시료를준비하였고또한단청이채색된상태에 서실내환경에노출되는시료를고려하여시료를준비 하였다

.

방염액을적용하는 방법으로분무기를 사용하 여목재표면에

3

회분사하여도포하는방식과진공가 압장치 내에서 방염액에 시료를 함침시키는 방식으로 적용한 시료를사용하였다

.

연소가스분석실험에는 각 각의시료가화염에가열되는면적을동일하게하고자

0.02m × 0.02m(2~3g)

로 절단하여

23 ± 2

^o

C,

상대습도

50 ± 5%

의조건에서

24

시간보관한후실험에사용하였다

.

2.2실험장치및실험방법

방염처리된 단청목재의 방염 성능평가는 소방시설

설치유지 및안전관리에관한법률시행령 제

20

^조^제

2

항규정에의해 방염대상물의 방염성능기준에 관한 사항을 기술한 방염제의 형식승인 및 검정기술기준

(KOFEIS 0201)

에근거⁹⁾하여

45

^o연소시험방법에의해

Figure 1

에보이는

45

^o연소측정장치를사용하였다

.

시

료는실험장비내의시험체 받침틀 내에느슨하지않 게고정시킨후버너의불꽃길이가

65mm

^가^되도록^한

뒤불꽃끝이시편 중앙하단에접하도록하였고 가열 은시료에대해

2

^분간^{진행하였으며}^가열시간^중에^착

염되는시료에대해서는착염한후부터

2

초후에버너 를제거하였다

,

방염성능평가기준은버너의불꽃을제 거한때부터 불꽃을올리며 연소하는상태가 그칠때 까지의 시간을 의미하는 잔염시간이

10

초 이내

,

버너 의불꽃을 제거한때부터 불꽃을올리지 아니하고연 소하는 상태가 그칠 때까지의시간

(

잔염이 생기는 동 안의시간은제외

)

을의미하는잔신시간이

30

초이내

,

불꽃에 의해 탄화된 면적이

0.005m

² 이내

,

불꽃에 의

해 탄화된 길이를 의미하는탄화길이가

0.2m

이내이 어야한다

.

이때탄화면적의측정은

digital planimeter

인

KOIZUMI

사의

KP-90N

기기를 이용하였다

.

또한

,

방염처리된단청목재가 연소할 때발생되어지는 연소 가스에 대한 분석실험을

DS 02-713(Defence Standard

Table 1.

Specimens used for this Study

시료명 시료 방염처리여부 방염액종류 방염처리조건 방염처리

A

일반육송

+

단청

×

- - -

B

○

인화합물계

방염처리후실외방치 분사도포

C

○ 방염처리후실내방치 분사도포

D

○ 방염처리후실내방치 가압함침

E

○ 브롬화합물계 방염처리후실내방치 분사도포

F

○ 불소

-

인화합물 방염처리후실내방치 분사도포

Figure 1.

A photo of 45

^o

combustion tester.

(3)

02-713)

^방법에 ^의해¹⁰⁾ ^유독성을 ^{평가하였는데} ^테스트

챔버와시료등을

DS 02-713

방법에근거하여준비하

고실험하였으며가스의측정은가스검지관을테스트 챔버 내에 삽입하여 분석하였고

Madur

사의 가스분석

장치인

GA-21plus

^를^{이용하였는데} ^장치^및^장치의^구

성요소와규격은

Figure 2

와

Table 2

에나타내었다

.

연소챔버바닥중앙에 위치한 시편지지대에 시편을

올려놓고 버너 불꽃의 길이를

100mm

정도로 유지시

켜서 시편에노출되도록 하였으며연소챔버의 밀폐를 확인하고강제배출장치가꺼져있는것을확인한다음 연소챔버우측에위치한가스검지관삽입구를통해가 스검지관을삽입하고버너에연료를공급함과동시에

점화시킨 다음시간을측정하였다

.

연소시간은시료가 충분히 연소할수있도록 자유연소시킨후그시간을 기록하고 버너를끈후

30

초동안혼합팬을작동시킨 후즉시연소챔버로부터가스검지관에 의해

5

^분간^가

스농도를 분석하였다

.

연소가스의농도에대한분석은 각각의시료마다

3

회의실험을통해얻어진값을평균 하여사용하였으며 가스분석이 끝나면연소챔버의 문 을열고강제배출장치를가동시켜연소챔버 내의잔 류연소생성물을 완전히배출시키고

3

분이상강제배 출을진행하였다

.

^이^때^{이산화탄소}

(CO

²

),

일산화탄소

(CO)

및질소산화물

(NO

^x

)

의농도는실험전연소챔버

내에서 버너의 불꽃을

1150 ± 50

^o

C

로조정한 다음 점

화하고

1

분간자유연소시킨 후연료를차단하고

30

초 동안순환 팬을작동시킨후가스농도를분석하여이 값을실험값에보정하여사용하였다

.

DS 02-713

방법에서는시료에서발생되는유독가스

의양을 평가하기 위해가스를

1m

³의체적을 기준으

로

100g

의 시료에 대해 발생되는 연소가스의 값으로

환산하여평가하게되며이렇게계산되어진각각의연 소가스 발생량은 그 시료가 연소함에 의해 발생되는 연소가스가인체에노출되어질때얼마나치명적일수

있는지를 독성지수

(toxicity index)

로표현하게되는데

먼저 발생되는 각각의 가스들은

GA-21plus

가스분석

기를통해측정된값을시료

100g

에대한발생량

(C)

으

로환산하여사용하며그계산식으로다음식

(1)

을이 용하였다

.

(1)

C

i

:

각각의연소가스농도

(ppm)

V:

연소챔버의체적

(m

³

)

m:

시료의질량

(g)

또한각각의시료에대한독성지수

(toxicity index)

^는

다음의식

(2)

에의해 계산되어졌는데¹⁰⁾

(2)

C:

각각의연소가스측정농도

(ppm)

C

^f

: 30

^분^노출^시^사람에게^치명적일^수^있는^가스농도

여기에서

C

^f^값들은^가스의^종류에^따라^다르기^때문

에그값을

Table 3

에나타내었는데이렇게측정과계

산을통해얻어진독성지수의값은그값이큰시료일 수록그만큼 인체에대해 유독한결과를 발생시킬수 있음을의미한다

.

C

θ⁽

ppm

⁾

= C

ⁱ^×

100

^×

V --- m

Toxicity index = C --- + C C

^θ1f1

--- + C

^θ2f2 ^…

+ C C ---

^θnfn

Figure 2.

Experimental apparatus of combustion gas tester.

Table 2.

Characterization of Combustion Chamber

구성요소 규격및용도

연소챔버 부피

0.96m

³

분젠버너 높이

125mm,

구경

11mm

순환팬 챔버내연소가스의농도균일화 강제배출장치 실험종료후연소가스배출 가스감지관삽입구 가스농도측정

(4)

3. 결과 및 고찰

3.1방염성능평가

방염 성능기준

KOFEIS 1001

에 근거한

45

^o 연소시

험방법으로 얻어진실험결과를

Table 4

^에^{정리하였다}

.

단청목재로일반적으로사용되는육송

(A)

에대한방염 테스트의경우 탄화면적과탄화길이는 방염성능기준 내에서 그 값을 나타내었지만 버너의 불꽃을 제거한 후시료에존재하는잔염이

90

^초^이상^지속되고^이^잔

염이 사라진 후 시료 표면의 잔신 또한

30

초 이상이 지속되어지므로일반적인단청목재의경우방염성능을 갖추고있지않음을알수있으며방염액을도포또는 함침시킨나머지모든시료에있어서방염성능기준을 만족하고있음을확인할수있었다

.

또한동일한인화 합물계방염액을도포하고시료를실외에방치한시료

B

와실내에방치한시료

C

의경우잔염이나잔신은발

생하지 않았으며탄화면적과탄화길이는 기준내에서 실외에 방치한 시료

B

가다소 우수한 값을 나타내었 지만큰차이를 보이지않기 때문에시료들이노출되 어진환경조건이방염성능에는크게영향을주지않는 것으로 생각되어지며 방염액을 분사시켜도포한 시료

C

와방염액을 고압으로함침시킨 시료

D

의실험결과

를비교하면방염액을고압함침시킨 시료

D

의탄화면 적과탄화길이가 다소낮은값을나타내나큰차이를 보이지 않으므로방염액의적용방법은단청목재의 방 염성능을 크게좌우하지않는 것으로생각되어진다

.

또한각기다른방염액을사용한시료

C, E, F

의경

우는 방염액의종류에 따라 잔염시간

,

잔신시간과 탄 화길이에서는약간의차이는있지만방염성능기준내 에모든시료가 위치하고있으며탄화면적도 방염성 능기준내에위치하여소방법에요구하는기준을만족 하나 다만 탄화면적에 있어서 방염액의 종류에 따라 큰차이를 보이고있으며 인화합물계방염액의탄화 면적이 가장작은것으로 나타나어떠한 종류의 방염 액을사용하느냐에 따라방염성능에영향을 줄수있 는요소가존재하며방염성능기준에대한부합성도중 요하지만 시료의 연소로 인해발생되어지는 연소가스 와부산물들에의한유독성을함께 고려하여야할필 요성또한존재하는것으로생각되어진다

.

3.2연소가스분석및유독성평가

DS 02-713

방법에 의거하여연소시킬때 발생되어

지는연소가스에대한측정결과를시료

100g

에대하여

정량화한 결과를

Table 5

에나타내었다

.

또한이데이

터와

Table 3

의데이터를근거로 식

(2)

에대입하여각

시편들의 독성지수를계산하여

Table 6

에정리하였다

.

Table 5

에서알수있듯이단청목재를연소시켰기때

문에 일반적으로 이산화탄소와 일산화탄소의 발생이 대부분을 차지하고있으며 질소산화물과 이산화황및

Table 4.

Results of Flame Retardant Performance

방염테스트기준 시료

잔염시간

(

^초

)

^잔신시간

(

^초

)

^탄화면적

(m

²

)

^탄화길이

(m)

10

^초^이내

30

^초^이내

0.005m

²^이내

0.2 m

^이내

A 90

초이상

30

초이상

0.00331 0.15

B 0 0 0.00057 0.055

C 0 0 0.00079 0.07

D 0 0 0.00067 0.065

E 3.8 3.7 0.00249 0.08

F 0 0 0.00201 0.06

Table 3.

The Values of Concentration of the Gas Considered Fatal to Man for a 30minute Exposure Time

Gas C

f

(ppm)

CO

2

100,000

CO 4,000

H

2

S 750

NH

3

750 HCHO 500

HCl 500

CH

2

CHCN 400

SO

2

400 NOx 250

C

⁶

H

⁵

OH 250

HCN 150

HBr 150

HF 100

(5)

황화수소가일부발생하는것은목재표면에도포되어 있는단청으로부터유발되어지는것으로생각되어지며

Table 6

^의^{독성지수는}^일반^{단청목재를}^연소시킨^경우

가가장큰값을내어위험도가가장심각한

IV

등급을 나타냈으며시료

D

^를^제외한^{방염처리된}^단청목재^모

두위험도가높은

III

등급을나타내었고방염액을함침 시킨단청목재인시료

D

가상대적으로위험도가가장 낮은

II

등급을 나타내어발생되는 연소가스에 기초한 독성지수만을 비교할 때 인체에 대한 유독성이 가장 낮다고 할수있다

.

먼저동일한 방염액을사용하고시료의 보관방법이 다른시료

B

와

C

의결과를비교하면발생하는연소가

스의 양과 독성지수

(toxicity index)

모두 거의 비슷한

수치를 나타내므로 단청목재가적용된 환경조건은연 소가스의발생량과및그유독성에영향을 주지않는 것으로생각되며동일한인화합물계방염액을사용하 여분무도포한 시료

C

와가압함침시킨 시료

D

를비 교하여보면가압함침시킨시료

D

의경우가발생되어 지는 연소가스의양도 상대적으로적으며 독성지수에 있어서도위험등급이한단계낮아위험도가상대적으 로낮으므로분무도포의방법보다는가압함침에의해 목재를 처리할 경우유독성가스로 인한피해를 방지 하는데효과가있을것으로판단되어지는데이러한결 과는방염액을분무하여단청목재표면에도포한경우

는목재표면에방염액이분포하지만고압으로목재에 방염액을 함침하는경우는 목재의 내부까지 방염액이 침투하여목재의연소를방해하기때문인것으로생각 되어진다

.

^그리고^본^실험에^{사용되어진}

3

^가지^종류의

방염액을분무처리한시료들을기준으로유독성및연 소가스의발생량을상대적으로비교하여보았을때브 롬계방염액을사용한시료

E

가이산화탄소의발생량 이상대적으로많아방염처리된단청목재시료중에서 는독성지수 또한가장높게 나타났으나위험등급분 류상으로는 같은 범위내에 존재하였다

.

^그러나 ^방염

처리방법이 다른시료

D

와함께 비교하여본다면 상 대적으로 위험등급이 가장 낮은

II

등급을 나타내므로 단청목재의 방염처리방법으로서 방염액을가압함침시 키는방법이 시료의연소 시발생되는연소가스의양 과유독성을낮추는데더유리하게작용할것으로판 단되어지며시료

E, F

의경우할로겐원소가포함되어 진방염제를사용하였기때문에연소가스 중에

HBr

이 나

HF

등의유독성가스가발생될수있을것으로사 료되나 사용되어진분석기기에서 이러한 가스의 분석 이동시에이루어지지 않아시료

E, F

에있어서는독 성지수의 수치가 다소상승할수있을 것으로생각되 어진다

.

4. 결 론

이상과같이방염처리되어진단청목재에대해방염 성능및연소가스를분석하고그독성지수에 대해분 석하여본결과다음과같은결론을 얻을수있었다

.

방염액을처리한단청목재모두소방법에근거한방 염성능기준을 만족하였으며 시료에대한 방염액의적 용방법과 시료를 처리한후보관되어진조건 등은방 염성능에크게영향을미치지않았으며방염액의종류 에 따라 탄화면적과 같은 일부의 방염성능 조건에서 차이를나타내므로방염액의사용에유의할점이존재 할것으로 사료되며방염처리된단청목재의 연소가스 Table 5.

The Occurrence Quantities of Combustion Gases

연소가스발생량

(ppm/100g) C

θ

CO

2

CO NO

x

SO

2

H

2

S

A 13291 8506 337 245 00

B 10809 6336 032 193 33

C 10235 6671 047 200 00

D 8164 3843 063 120 21

E 13632 6146 081 231 00

F 11194 6671 011 238 23

Table 6.

Result of Toxicity Index Using CO

2

, CO, NO

x

, SO

2

, H

2

S and a Division of Hazard Class by Toxicity Index Specimen Toxicity Index Hazard Class Toxicity Index Range Hazard Class Hazard Response

A 4.22 IV 0.4

^미만

0 None

B 2.35 III 0.4~1.5 I A Little Hazard

C 2.46 III 1.5~2 II Hazard

D 1.62 II 2~4 III Heavy Hazard

E 2.57 III

4

^초과

IV Severe Hazard

F 2.45 III

(6)

발생량은방염액을분무도포한시료의경우거의비슷 한발생량을보였고 독성지수 또한약간의 차이는있 지만 모두위험등급상

III

등급을 나타내었고방염액을 가압함침한 시료만이 상대적으로 낮은 등급인

II

^등급

을나타내어단청목재의방염처리방법으로서방염액을 가압함침시키는방법이시료의연소시발생되는연소 가스의양과유독성을낮추는데도움을줄것으로판 단되어진다

.

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20

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2

^항