Toxicity Evaluation of the Combustion Products from Synthetic Wood as Internal Finish

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.2.007

건축물 내부 마감재인 합성목재별 연소가스 독성평가

김종북 · 이시영

^†

강원대학교 방재전문대학원

Toxicity Evaluation of the Combustion Products from Synthetic Wood as Internal Finish

Jong-Buk Kim · Si-Young Lee

^†

The Professional Graduate School of Disaster Prevention Technology, Kangwon National Univ.

(Received November 17, 2015; Revised February 5, 2016; Accepted March 2, 2016)

요 약

본 연구는 주택이나 창고 등의 내부 마감재로 사용하는 합성 목재의 연소 독성평가에 관한 것으로 SEM, 콘 칼로리미 터, FTIR를 활용해 집성판, MDF, 미송합판, 코어합판, 나왕 방부목 5종의 재료별 연소가스 독성을 실험 및 분석하였다.

각 재료별 독성특성 중 나왕 방부목에서 이산화탄소(CO

) 의 치사농도인 100,000 ppm을 2.5배 초과하는 256,965 ppm, 이산화황(SO

) 의 치사농도인 400 ppm의 3.6배를 초과하는 1,475 ppm이 검출되었다. 집성판은 이산화질소(NO

) 가 1,569 ppm 으로 치사농도인 250 ppm의 6배가 측정되었고, 암모니아(NH

) 는 MDF에서 치사농도 값인 750 ppm 대비 795 ppm 이 측정되었다. 따라서 대부분의 건축 재료에서 인체에 치명적인 가스가 발생되는 것을 확인하였고, 향후 건축 재료의 위해성을 평가하기 위한 기초데이터로 활용하고자 한다.

ABSTRACT

This study evaluated the toxicity of the burning gas from the synthetic wood products used in housings or warehouses.

The combustion products of five materials, viz. impregnated laminated board, MDF, Douglas fir plywood, core plywood, and Lauan retardant, were analyzed using SEM, FTIR and a Cone Calorimeter. For the Lauan retardant, 256,965 ppm of carbon dioxide (CO

) and 1,475 ppm of sulfur dioxide (SO

) were measured, which are 2.5 times and 3.6 times as high as their lethal concentrations of 100,000 ppm and 400 ppm, respectively. For the impregnated laminated board, 1,569 ppm of nitrogen dioxide (NO

) was measured, which is 6 times as high as its lethal concentration of 250 ppm. For MDF, 795 ppm of ammonia (NH

) was measured, which is higher than its lethal concentration of 750 ppm. As a result, most internal-fin- ishes generated toxic combustion products at levels higher than their lethal concentrations, which underlines the impor- tance of the selection and manufacturing of internal-finish materials.

Keywords : FTIR, Cone calorimeter, Toxicity evaluation, Combustion products, Internal finish

1. 서 론

최근 사람들은 건축물을 지을 때 저렴하고 시공이 간편하 고 편리하며 빨리 짓는 건축물의 아름다움을 고려하여 합성 목재류와 플라스틱 재료를 선호하는 추세이다. 그러나 화재 에 노출되면 위의 재료에서 나오는 유독한 연소가스가 인체 에 미치는 영향은클 것으로 사료된다. 무엇보다도 화재 시 위험요인 3가지(열, 연기, 유독가스) 중 유독가스에 노출 되어 질식사 하거나 생존하더라도 심각한 후유증에 시달 리는 상황이다. 최근 연소가스 시험법으로 우리나라는 물

론 가까운 일본에서는 마우스를 이용한 가스유해성 시험방 법⁽¹⁾, NF X70 100, 영국 NES 713 방법 등이 통용되어 왔 다. 금 번 실험에서는 콘 칼로리미터 및 Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer을 연결하여 열 방출과 연소가 스를 분석해 정성 · 정량적 데이터를 추출했다. FTIR을 이 용한 데이터 값은 역학적으로 각각의 연소가스를 정성 · 정 량적으로 분석할 수 있는 이점을 지니고 있다. 최근 사람들 이 생활하는 주택이나 창고, 가축 사육, 농작물 보관하는 창 고 등이 예기치 않은 화재(산불, 전기합선, 가스폭발) 등으 로 피해를 입은 사례가 간혹 발생하고 있다. 지금까지 전국

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-33-570-6806, FAX: +82-33-570-6896

게 분산시킴으로서 결점을 최소화된 목재로도 알려져 있고, 목재 집성 시 친환경 접착제인 독일산 Jawacoll 103-30 접 착제를 사용해 제품을 만들며, 계단이나 가구 제작에 많이 쓰인다⁽²⁾. Medium Density Fiberboard (MDF)는 중밀도 섬유판을 말한다. 목질 재료를 원료로 하여 얻은 목 섬유 를 접착제와 함께 고온, 고압으로 압착 성형한 판재로 3~

30 mm 두께를 주로 생산한다. 조직이 치밀하고 균일한 특 성이 있으며 기계 가공성과 강도가 우수하므로 일반 목재를 대신하여 가구, 스피커 지관, 탁구대 등의 재료로 널리 이용 된다. 주요특징으로는 제작 및 가공이 용이하고 가격이 원 목이나 합판보다 저렴하며 팽창 및 수축과 뒤틀림 현상이 없으며, 단열성, 차음성, 난연성이 원목이나 합판보다 우수 한 특징이 있다⁽³⁾. 미송합판(Donglas-fir plywood)은 무늬 가 아름다워 인테리어 마감 용도로 많이 사용되며 천연 수 성페인트나 유색 오일스테인으로 마감처리 했을 때에는 색다른 느낌을 갖게 되는 자재이다. 또한 미송합판의 특성 상 충격에 강하며 습기에 노출되었을 때에도 다른 일반 판 넬보다 적게 팽창하며 습기가 제거되어 다시 건조되었을 때에도 본래의 형태/모양/강도로 복원되는 안정성을 가지 고 있어 마감재로 널리 이용되는 자재이다⁽⁴⁾. 코어합판 (Core plywood)은 합판의 한 종류로 위아래 단판사이에 있는 심판을 만들 때 특수한 재료를 사용하여 만든 것. 제 재하고 남은 목재를 재활용하거나 페놀수지, 요소수지를 넣어 벌집모양으로 만드는 등 심재의 재질이나 형태에 따 라 다양한 종류가 있다. 두께가 두꺼우면서도 가볍고 강도 가 크며 단열 효과가 좋은 특성을 가지고 있다⁽⁵⁾. 나왕 방 부목(Lauan retardant) 목재는 횡단면, 방사단면, 접선단면 으로 나타내는데 여기에 방부약제는 횡단면상으로 대부분 이 침투되며, 방사단면과 접선단면에는 거의 침투하지 않 는다. 주위에 방부처리 된 목재를 살펴보면 표면은 방부처 리가 되었는데 중간쯤을 잘라보면 약액이 다 들어가지 않 았음을 알 수 있다⁽⁶⁾. 본 연구의 목적은 주택이나 공장, 창 고 등이 화재로 인해 소중한 생명이나 재산에 피해를 보는 직접적인 것과 2차적인 연소가스 피해 즉, 내부 마감재인 합성 목재류인 집성판, MDF, 미송합판, 코어합판, 나왕 방 부목 5종의 각종 유해가스 연소실험을 통해 가스 노출 시 각 재료별 독성평가(치사농도)를 분석하여 주택이나 공장, 창고재료 개발 시 위해성 평가의 기초자료를 제시하고자 한다.

성한 FTIR을 활용해 각각의 주택이나 공장, 창고 주재료 마감재인 합성목재류인 집성판, MDF, 미송합판, 코어합 판, 나왕 방부목 5종에 대하여 연소가스 분석을 실시하 였다.

2.2 시편 제작 및 분석방법

합성목재류인 집성판, MDF, 미송합판, 코어합판, 나왕 방부목 5종을 선택하여 콘 칼로리미터 시험방법 KS F ISO 5660-1 기준⁽⁷⁾으로 크기는 맞추고 두께는 비 동일하 게 시편을 제작하였다. 각 재료별 기초 사항인 두께와 무 게는 Table 1에 나타내었다. FTIR은 규격 Midac, US/

Table 1. Descriptions of Material for Cone Calorimeter

Materials Thickness

[mm]

Weight [g]

Glued laminated timber 18

088.716

064.463

09 044.038

Core plywood 18

064.367

Lauan retardant 28 195.371

Table 2. Gas with Critical Factor⁽⁸⁾

GAS Cf (ppm)

Carbon dioxide (CO₂) 100,000 Carbon monoxide (CO) 4,000 Hydrogen sulfide (H₂S) 750

Ammonia (NH₃) 750

Formaldehyde (HCHO) 500 Hydrogen chloride (HCl) 500 Acrylonitrile (CH₂CHCN) 400 Sulphur dioxide (SO₂) 400 Oxides of nitrogen (NOx = NO + NO₂) 250 Phenol (C₆H₅OH) 250 Hydrogen cyanide (HCN) 150 Hydrogen bromide (HBr) 150 Hydrogen fluoride (HF) 100

Phosgene (COCl₂) 25

14001이고 콘 칼로리미터 규격은 Fire testing technology, GB/Dual Cone 2000으로 상기 두개의 장비를 연결해 각각 3반복 실험하여 각각의 주재료의 연소가스 분석을 관찰하 였고 주사전자현미경(SEM) 규격은 HITACHI S-3500N Scanning Electron Microscope을 이용하였다.

2.3 독성 특성

시편을 1150 ± 25^oC의 화염에 노출시켜 완전 연소 시킨 후, 직독식 개별 가스 검지관을 이용하여 총 14가지의 가 스를 측정하였다. 측정한 가스는 Table 2에 정리하였다.

1 g의 시험편의 연소를 통해 검출된 가스 농도를 100 g의 물질이 연소했을 때의 경우로 환산하여 NES 713 규격에 서 제시하고 있는 각각의 가스에 대한 치사농도(Cf, 인간 이 30분간 노출되었을 경우 사망할 수 있는 가스 농도)를 활용하여 최종 독성지수(Toxicity Index)를 계산하였다 (Table 3). 독성지수는 식(1), Kim (2010) 등에 의해 계산 하였다⁽⁸⁾.

Toxicity Index = C_θ1/C_f1+ C_θ2/C_f2

+ C_θ3/C_f3+ … + C_θn/C_fn (1) 본 실험에서 얻어진 독성지수는 NES 713의 방법을 콘 칼로리미터와 FTIR으로 측정한 값으로 응용해 구한 값

이다.

3. 분석결과

3.1 일반적인 특징 분석

콘 칼로리미터의 가열 강도를 50 kW/m²로 화염이 발생 후 완전히 꺼진 후 약 180초가량을 연소시킨 후 관찰해 보 니 먼저, Figure 1에서 보듯이 MDF와 미송합판은 연소된 부위가 균일하게 부풀어 올라왔다. 이는 본 연구에 쓰인 재료 중 두께가 얇은 MDF, 미송합판으로 나무구조 사이 에 화학물질인 접착제를 혼합 · 도포하여 얇은 판상으로 제작 되어 고온에 노출 시 연소되어 나무조직과 접착제가 혼재 후 타서 나타난 결과로 사료되며 열로 인해 접착제는 녹아 타며 여러 가스가 발생하고 나무성분인 셀룰로오스 가 대부분 존재함을 알 수 있었다. 특히 Lee (2012)⁽⁹⁾는 MDF가 목질재료를 주원료로 하여 화학약품 처리 후 고온 에서 섬유질만을 추출해 낸 뒤 합성수지 접착제로 결합시 켜 성형 · 열압하여 만든 밀도 0.4~0.8 g/cm³의 목질 판상 제품으로 집성판, 미송합판 및 코어합판보다 뚜렷한 형태 를 유지한다고 보고하였다. 나왕 방부목은 난연 약제가 목 질 내부 깊숙이 침윤해 있어 고열에도 견디며 목재의 형태 를 유지함을 관찰할 수 있었다.

Table 3. Each Concentrations (ppm) of Gases and Toxicity Index Division (ppm) Toxicity

Index

CO₂ (ppm)

HBr (ppm)

HCl (ppm)

NO₂ (ppm)

SO₂ (ppm)

CO (ppm)

NH₃ (ppm) Glued laminated timber 1.77 190,859 33.5

053.6

MDF 5.85 111,450 20.9 117.7 408.7 807.3 3,062 795

Donglas-fir plywood 5.30

096,495

025.5

01.6

Figure 1. Photograph of specimen.

3.2 각 재료별 주사전자현미경(SEM)분석

본 연구의 대표적 재료인 MDF와 나왕 방부목의 내부 구조를 SEM을 이용해 방사단면 내부 구조를 살펴 본 결 과 MDF 태우기 전, 후 사진을 보면 내부 다층 구조가 뚜 렷했던 것이 높은 열에 의해 일정부분 공기층으로 비워져 있던 구조가 무너져서 물리 · 화학적으로 물성이 변해 탄 화가 되었다. 연소 전 표층부 MDF에서는 섬유 간 결합이 조밀하고 공극이 상당히 적게 나타나고 있다. 이는 Lee et al. (2009)⁽¹⁰⁾ 등이 표층부에 직접적으로 작용된 압력 때문 에 섬유와 접착제가 상당히 압착되어 있다고 보고하였다.

연소 후 내층부의 MDF에서는 표층부에 비하여 섬유 간 결합이 비교적 느슨하고 공극이 적으며 섬유와 벽공의 손 상이 다소 적게 관찰되었다. 그리고 Lee et al. (2009)⁽¹⁰⁾는 탄화온도가 상승함에 따라 섬유의 형태가 뚜렷하게 관찰

되고 섬유간의 접착층이 제거되어 세포벽 표면이 매끄러 운 비결정형 물질로 관찰되었다고 보고하였다. 본 연구에 서 MDF 내부에 다량의 접착제가 고열로 인해 기포를 발 생하였고 그 결과 공극이 막히고 탄화로 인해 char가 형성 되었음을 알 수 있었다. 나왕 방부목은 대체적으로 온전한 형태를 어느 정도는 유지하고 있는데 이는 나왕 방부목 내 부 깊숙이 발포성(기포) 난연 약제가 침투하여 고열을 견 디게 해준 결과로 사료된다(Figure 2).

3.3 각 재료별 가스양 및 가스종류 분석

FTIR을 1기압(1013 kPa) 조건하에 내부의 오염물질 제 거를 위해 질소가스(N2: dry nitrogen gas)로 세척해 초기 화를 시켰다. FTIR의 표준흡수 파장대의 상태를 확인하여 수분 및 이산화탄소(CO2)가 깨끗이 없어진 상태에서 실험

Figure 3. Star concentration time curve of CO₂ of each material.

Figure 2. SEM photograph of specimen.

및 분석을 실시하였다. 각 건축 재료인 집성판, MDF, 미 송합판, 코어합판, 나왕 방부목 등의 이산화탄소(CO2), 브 롬화수소(HBr), 염화수소(HCl) 및 이산화질소(NO2), 이산 화황(SO2), 일산화탄소(CO), 시간대별 농도를 분석하였다 (Figure 3~Figure 9). 각 재료는 탄화수소와 일정량의 화학 약품으로 혼합되어 있는 시료들로서 Figure 3에서 보이듯 이 각 재료별 이산화탄소(CO₂)를 비교 관찰해보니 나왕방 부목이 가장 높은 농도로 다음으로는 집성판이 높은 농도 로 관찰되었는데 이는 전형적으로 목재가 탈 때 대표적으

로 많이 나오는 가스로 다른 재료들보다 나왕 방부목이나 집성판의 목질 내부 구조가 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스 및 리그린 등의 치밀한 조직으로 인해 이산화탄소가 코어 합판이나 MDF보다 월등히 관찰되었다. Figure 4에서 브 롬화수소(HBr)가 모든 재료별로 골고루 방출되었으며 다 른 재료들보다 약간 집성판에서 높게 방출되었다. Figure 5에서 각 재료별 염화수소(HCl)의 농도를 비교해보니 코 어합판, MDF 순으로 나타났으며 집성판, 나왕 방부목 및 미송합판에서 미미하게 방출 되었다. Figure 6에서 재료별 Figure 5. Star concentration time curve of HCl of each material.

Figure 4. Star concentration time curve of HBr of each material.

질소산화물인 이산화질소(NO2)의 농도를 비교 관찰해 보 니 집성판이 다른 재료들보다 월등하게 많이 방출되었고 다음으로는 나왕 방부목이 뒤를 이어 많이 방출되었는데 제조 과정상 집성판과 나왕 방부목 내부에 일부 셀룰로오 스가 다른 재료들보다 더 치밀하고 많은 화학물질 접착제 나 난연 약제가 침윤되어 있어 높은 열로 인해 탄화되며 방출된 것으로 판단된다. 이는 집성판 제조 시 멜라민 E-1 등급을 사용하는데 아미노기(NH2)와 포름알데히드(HCHO)

가 혼합된 수지로 고열에 노출되어 타며 이산화질소(NO2) 가 다량 방출된 것으로 사료된다. Figure 7에서 이산화황 (SO₂)은 나왕방부목이 다른 재료들보다 월등히 많이 방출 되었고 코어합판 다음으로 미송합판, MDF 순으로 관찰되 었다. Figure 8에서 각 재료별 일산화탄소(CO)가스양을 비교해 보니 나왕 방부목, 다음으로 MDF 및 코어합판, 미 송합판 순으로 방출되었는데 나왕 방부목에서 일산화탄소 (CO)가 월등히 많이 관찰된 이유는 열에 강한 난연 약제 Figure 6. Star concentration time curve of NO₂ of each material.

Figure 7. Star concentration time curve of SO₂ of each material.

Figure 8. Star concentration time curve of CO of each material.

Figure 9. Star concentration time curve of NH₃ of each material.

Figure 10. Glued laminated timber gases spectrum. Figure 11. MDF gases spectrum.

가 열과 충돌하여 불완전 연소로 이끌었기 때문으로 여겨 진다. Figure 9에서 암모니아 가스양을 비교하여 보니 MDF에서 월등히농도가 높았으며 코어합판, 미송합판이 다른 재료들인 집성판이나 나왕 방부목보다 높은 가스가 관찰되었다. 각각의 개별 건축 재료별 대표적 가스 SO2, NO₂, NH₃, HCl, HBr, CO₂, CO의 스펙트럼 그래프 Figure 10~Figure 14에 잘 나타내고 있다. 즉, X축은 흡수 (Wavenumbers (cmµ⁻¹)) 파장범위 Y축은 흡광도(absorbance) 이다. 각 가스별 고유 특정 스펙트럼의 위치를 확인하고

실험 데이터 그래프가 동일위치에 피크가 나타나는지 정 성분석으로 확인을 하였다. 가스별 고유 피크는 미국 환경 보호청(EPA)에 제시된 독성가스⁽¹¹⁾에 대한 FTIR Spectra regions 자료와 일치하는 경향을 나타냈다(Figure 15).

3.4 각 재료별 독성평가 분석

각 재료별 이산화탄소(CO₂), 브롬화수소(HBr), 염화수 소(HCl), 이산화질소(NO₂), 및 이산화황(SO₂), 일산화탄소 (CO), 암모니아(NH2) 가스들을 분석 관찰하여 Table 3에 각재료 별 내부마감재의 독성지수를 정리하였다. Figure 15의 각 가스별 고유 피크대⁽¹¹⁾와 ISO DIS 19702⁽¹²⁾의 각 가스별 흡수 피크가 관찰된 스펙트럼 영역인 Table 4를 기 초로 Figure 16의 각 재료별 이산화탄소(CO2)의 총량을 비교 분석한 결과 나왕 방부목 치사농도(Cf) 값이 256,965 ppm으로서 이산화탄소(CO₂) 치사농도(Cf)인 100,000 ppm 보다 무려 2.5배 큰 것으로 관찰되었는데 자세히 살펴보면 Figure 3의 그래프에서 나왕 방부목은 연소가 서서히 일어 나 1520 s에서 연소 피크 시간 값을 나타내고 1856 s에서 연소가 소멸되었고 집성판이 190,859 ppm으로 거의 이산 화탄소(CO2) 치사농도 2.0배에 근사한 양으로 검출되었는 Figure 12. Donglas-fir plywood gases spectrum.

Figure 13. Core plywood gases spectrum.

Figure 14. Lauan retardant gases spectrum.

Figure 15. FTIR calibration spectra of fire gases⁽¹¹⁾.

데 Figure 3의 그래프에서 서서히 연소가 일어나기 시작하 여 연소 피크시간이 848 s에서 나타나고 1224 s에서 연소 가 소멸되었다. 코어합판 119,809 ppm(피크시간 760 s, 연 소소멸시간 1016 s), MDF 111,450 ppm(피크시간 576 s, 연소소멸시간 896 s), 미송합판 96,495 ppm(피크시간 496 s, 연소소멸시간 888 s) 순으로 이산화탄소(CO2) 치사농도에

가깝게 나타났는데 공히 상기 목재들은 화학약품을 함침 한 합성목재류인데 특히 나왕 방부목이나 집성판이 코어 합판, MDF 및 미송합판보다 월등히 높았다. 이는 제조 기 법 상 각종 화학물질인 접착제 및 난연 약제들로 인한 불 완전 연소의 결과라고 사료된다. Figure 17의 각 재료별 브롬화수소(HBr)를 비교해 보면 공히, 각 재료별 공통적 Table 4. K.1-Summary of Spectral Regions where Absorption Peaks are Observed⁽¹²⁾

Reference gas Concentration μl/l

Spectral region Maximum absorbance Start cm⁻¹ End cm⁻¹

CO₂ 15100

3764 3480

>

2400 2200 > 6.0

0800 0520 >

CO

03005

>

NO₂

00470

>

1667 1518

>

SO₂

00960

2525 1410 1253

0640

2442 1290 1029

0437

>

>

>

>

HCl

05420

>

HBr

01000

>

Figure 16. Material by CO₂ total amount (ppm).

Figure 17. Material by HBr total amount (ppm). Figure 19. Material by NO₂ total amount (ppm).

Figure 18. Material by HCl total amount (ppm).

면(피크시간 176 s, 연소소멸시간 1224 s)으로 치사농도 기 준 값 250 ppm보다 무려 6배가 검출되었고 또한 나왕방부 목이 927 ppm(피크시간 816 s, 연소소멸시간 1856 s), 코 어합판 545 ppm(피크시간 832 s, 연소소멸시간 1016 s), 미송합판 446 ppm(피크시간 272 s, 연소소멸시간 888 s), MDF 408.7 ppm(피크시간 160 s, 연소소멸시간 896 s)으로 모든 재료가 치사농도인 250 ppm을 초과하였다. Figure 20의 이산화황(SO2) 각 재료별 치사농도 값을 비교해 보 면 나왕 방부목이 1,475 ppm으로 Figure 7(피크시간 816 s, 연소소멸시간 1856 s), 다음으로 코어합판 934.3 ppm(피크 시간 192 s, 연소소멸시간 1016 s), 미송합판 815.9 ppm(피 크시간 496 s, 연소소멸시간 888 s), MDF 807.3 ppm(피크 시간 568 s, 연소소멸시간 896 s) 순으로 나타났는데 목재

Figure 20. Material by SO₂ total amount (ppm).

Figure 21. Material by CO total amount (ppm). Figure 22. Material by NH₃ total amount (ppm).

연소소멸시간 896 s), 코어합판 2,876 ppm(피크시간 840 s, 연소소멸시간 1016 s), 미송합판 2,327 ppm(피크시간 688 s, 연소소멸시간 888 s) 순으로 기준 값에 못 미치는 경향을 보였으며 집성판은 현저히 낮은 농도인 1,600 ppm(피크시간 1080 s, 연소소멸시간 1224 s)을 나타내었다. Lee (2012)⁽⁹⁾ 가 나왕 방부목은 현재 업계에서 많이 사용하고 있는 무기 방부약제인 ACQ (Alkaline Copper Quaternary: 구리, 알 킬암모늄 화합물)가 과거 CCA를 대신하여 업계에서 널리 사용되고 있는데 ACQ의 유해성분의 하나인 동 화합물은 목재 중에 물에 녹지 않는 안정된 고착성의 동 화합물로 변환되어 목재에 강하게 고착됨과 또 Lee (2012)⁽⁹⁾는 하나 의 유해성분인 BKC는 목재 중에 음이온과 결합하여 목재 에 강하게 흡착되어 쉽게 물에 녹지 않음에 따라 내부에 함침되어 있어 높은 열에도 견디어 연소 시 불완전 가스인 일산화탄소(CO) 발생을 많이 나게 한 것으로 관찰되었다 고 보고한 점은 본 논문의 연구결과와 일치하는 경향이었 다. Figure 22와 Figure 9에서는 각 재료별 암모니아(NH3) 총량을 비교해보니 MDF가 795 ppm(피크시간 152 s, 연소 소멸시간 896 s)으로 치사농도 기준 값인 750 ppm보다 약 간 높았으며 다음으로 코어합판 609 ppm(피크시간 152 s, 연소소멸시간 1016 s), 미송합판 571 ppm(피크시간 264 s, 연소소멸시간 888 s)으로서 높게 나타난 결과는 업체에서 제품으로 가공할 때 화학약제 중 암모니아(NH3) 성분이 들어있는 접착제를 도포한 결과로 사료된다. 특히 MDF 제조 시 페놀, 멜라민, 요소수지 등이 첨가되는데 열경화 성 수지인 페놀수지는 부서지기 쉽고 수축률이 높아 대부

분 충진제를 첨가하여 사용한다. 포름알데히드와 암모니아 의 반응 생성물인 헥사메틸렌 테트라아민은 전형적인 경 화제로 이용되며 내열성이 뛰어나 장시간 고온에서 사용 해도 강도의 유지율이 크며 초고온에서는 표면에 탄화 층 이 발생되어 이로 인한 단열 효과로 내층을 보호해 직접 불 에 접촉하는 용도로도 사용이 가능하다⁽¹³⁾. 발생되는 유해 가스의 종류별 농도가 다르게 나타났으며 특히 대다수 재 료에서 이산화탄소(CO2), 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2) 및 일산화탄소(CO), 암모니아 가스(NH3)가 치사농도를 초 과하는 경향을 보였다. 또한 위의 관찰된 7가지 가스 종들 에 대한 건강위험성 평가는 Table 4와 물질안전보건자료 (MSDS)에 기초한 노출 및 건강위험성 기준⁽¹⁴⁾인 Table 5 를 기초로 분석하였다. 이산화탄소(CO2) 흡입시에는 혈압 변화, 구역, 불규칙 심장박동, 두통, 졸음, 현기증 및 질식, 의식불명, 흡입미스트 LC50 50,000 ppm~30,000 ppm Rat.

이며 이산화질소(NO2)는 화상, 위통, 청색증, 불규칙 심장 박동, 흡입 LC50 88 ppm 4 hr Rat. UN 부식성 물질, 폐기 능에 영향 및 폐수종이 나타남⁽¹⁵⁾과 이산화황(SO2) 흡입 시 알레르기 반응, 화상을 일으킬 수 있음, 흡입 LC50 2520 ppm 1 hr Rat(흰쥐) 기도 저항 증가, 기도 저항 증가 등의 호흡기능 저하가 나타나며 고농도에서 폐수종을 일 으킴과 일산화탄소(CO)는 무미무취의 가스로 흡입 가스 LC50 1,805 ppm 4 hr Rat. 흡입 노출에 의해 혈액 중에 카 르 복시 헤모그로빈이 증가해 사람 및 동물의 신경계, 순 환기계에 영향을 주어 지력, 운동능력, 청력 등을 저하시 킴⁽¹⁵⁾과 암모니아(NH₃)는 흡입 가스 LC50 2,000 ppm 4 hr Rat 사람에서 직접 접촉에 의한 고농도 노출 시 심각한 눈 장애가 보고됨과 천식, 염색체 이상, 호흡곤란, 폐수종, 기 관지 폐렴, 폐색성 폐질환 등 임상 증상이 보고됨⁽¹⁵⁾ 등 발 생가스 대부분은 인체에 악영향을 주는 유해가스가 다량 포함되어 있는 것으로 관찰되었다. 특히 이산화탄소(CO2), 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2) 및 일산화탄소(CO), 암 모니아(NH₃) 가스가 화학물질이 함침된 상기 5종의 합성 목재류에서 대체적으로 가스양이 많았다. 브롬화수소

(HBr)와 염화수소(HCl)는 모든 재료별로 가스양이 비슷하 게 검출되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 화재로 인해 소중한 생명이나 재산에 피 해는 물론 2차적 연소가스에 의한 피해 즉, 내부 마감재인 합성 목재류인 집성판, MDF, 미송합판, 코어합판, 나왕 방 부목 5종의 각각의 각종 유해 연소가스 분석, 연구하여 노 출 시 각 재료별 독성평가(치사농도)를 분석하여 향후, 화 재로부터 안전한 각종 친환경 복합재료를 개발하여 주택 이나 공장, 창고 등에 활용하는 중요 기초자료를 분석 제 안하였다.

1. 합성목재류는 탄소화합물과 화학약제가 열분해 되며 물리 · 화학적 변화에 의해 탄소로 변하는 것을 확인하였다.

2. SEM으로 구조를 관찰해보니 MDF는 내부 다층 공기 층 구조가 뚜렷했던 것이 무너져 탄화가 되고 다량의 접착 제가 고열로 인해 기포를 발생 공극이 막히고 탄화로 인해 Char가 형성되었고 이와 대조적으로 나왕 방부목은 대체 적으로 형태가 온전했는데 이는 내부 깊숙이 난연 약제가 침투하여 고열을 견디게 해준 결과로 사료된다.

3. 나왕 방부목의 독성특성 중 이산화탄소(CO2)의 치사 농도가 100,000 ppm인데 무려 2.5배를 초과하는 256,965 ppm(피크시간 1520 s, 연소소멸시간 1856 s)으로 이산화황 (SO₂)에서는 나왕방부목이 무려 1,475 ppm(피크시간 816 s, 연소소멸시간 1856 s)으로 치사농도 값인 400 ppm의 3.6 배로 일산화탄소(CO)에서도 나왕방부목이 4,441 ppm(피 크시간 1760 s, 연소소멸시간 1856 s)으로 기준치를 넘는 것으로 분석되었다.

4. 집성판은 이산화질소(NO2)가 1,569 ppm(피크시간 176 s, 연소소멸시간 1224 s)으로 치사농도인 250 ppm의 6 배로 검출 되었으며, 브롬화수소(HBr)가 상기 재료들보다 는 많이 발생되었으나 치사농도인 150 ppm에 훨씬 못 미 치는 34 ppm이 검출되었다.

Table 5. Exposure Standards of Chemical and Physical Factors⁽¹⁴⁾

Name of Hazardous

Substances Formula

Occapational exposure limits

Remark (CAS number, etc.)

TWA STEL

ppm mg/m³ ppm mg/m³

Carbon dioxide CO₂ 5,000 9,000 30,000 54,000 [124-38-9]

Carbon monoxide CO 30 34 200 229 [630-08-0]

Reproductive toxicity 1A

Ammonia NH₃ 25 18 35 27 [7664-41-7]

Hydrogen chloride HCl 1 1.5 2 3 [7647-01-0]

Sulfur dioxide SO₂ 2 5 5 10 [7446-09-5]

Nitrogen dioxide NO₂/N₂O₄ 3 6 5 10 [10102-44-0]

Hydrogen bromide HBr C2 C 6.62 - - [10035-10-6]

내었다. 따라서 나왕 방부목은 건축 재료로는 좋지 않은 것으로 판명되었다.

7. 상기 여러 건축 재료별 가스에 노출되었을 경우 치사 농도(Cf)나 물질안전보건자료(MSDS) 위험 범위를 벗어난 인체의 심장박동에 의한 혈압 변화, 두통, 근육 경련 및 염 색체 이상,피부 눈의 손상, 천식 등을 일으키는 다량의 유 해가스가 발생됨을 확인하였다.

서둘러 주택 공장, 창고 등 건축물 각각의 재료에 대한 물리 · 화학적 특성을 파악하여 친환경적인 재료를 개발 · 시공하는 방향으로 정책이 추진되어야 하겠다.

References

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2. http://cafe.naver.com/wihhnh/14687).2015.8.28.

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11. EPA FTIR Spectra regions data.

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13. ENGINEERING BOX/plastic materials/phenol resin char- acteristic COPYRIGHT©2015 ALL RIGHT RESERVED- CREATED BY ARLINA DESIGN.

14. Ministry of Employment and Labor Reserved Notice No.2013-38, ‘Exposure standards of chemical and physi- cal factors’.

15. KOREA Occupational Safety & Health Agency ‘MSDS CAS No.’ (2015).