건축 내장용 장식판류의 연소발열특성 연구

(1)

건축 내장용 장식판류의 연소발열특성 연구

이 봉 우^*†, 남 동 군^**

*한국소방산업기술원, 위험물기술부

**한국소방산업기술원, 소방기술연구소

A Study on Combustion Heating Characteristics of Decorative Plates for Interior Decoration

Bong-Woo Lee

^*,†

, Dong-Gun Nam

^**

*†

Hazmat Technical Standards Dept., Korea Fire Institute, Yongin, Korea

**R&D Laboratory, Korea Fire Institute, Yongin, Korea

(Received : Jun. 25, 2018, Revised : Aug. 20, 2018, Accepted : Sep. 20, 2018)

Abstract : It is believed that the decorative plates for architectural interior decoration are made of MDF, fiber board, and synthetic resin plate, which are mainly combustible materials, and are very vulnerable to fire. KSF ISO 5660-1 (Combustion Test) and KS F 2271 (Gas Hazard Test) were applied to 7 kinds of commercial decorative boards. The following results were obtained. In case of decorative plate, the maximum release rate was in the order of PE fiber board, MDF plywood, PVC synthetic resin, In case of actual fire PVC synthetic resin will be the biggest obstacle to the evacuation of evacuees. The average carbon monoxide production rate was found to be PVC synthetic resin, PE-fiber board and melamine synthetic resin plate, and MDF plywood was the lowest unexpectedly. Generally, synthetic resin set, which is an organic compound, showed 12 min of mouse downtime in case of fire, and MDF plywood was highly toxic with 6 min of mouse downtime as the thickness increased.

Keyword : Interior Boards, Hazard Factor, Heat Release Rate, Gas Toxicity, Carbon Oxide

1. 서 론

1)

최근 건축 용도의 다양화 및 사용자의 요구의 변화 에 따라서 건축물의 내장재료도 다양화 및 고급화 되 고 있는 실정이다. 그러나 이런 내장재료는 대부분 가 연성 물질로서 화재시 높은 발열량을 발생하고 다량의 연기 및 유독성가스를 방출하여 인명 및 재산피해를 증가시킬 위험성이 크다. 이러한 내장재료의 연소로 인한 피해를 경감하기 위해서는 다양한 내장재에 대해

†Corresponding Author 성 명 : 이 봉 우

소 속 : 한국소방산업기술원 위험물기술부 주 소 : 경기도 용인시 기흥구 지삼로 331 전 화 : 031-289-2931

E-mail : lee@kfi.or.kr

연소발열량, 유해가스량 및 연소가스 유해성을 측정하 여 화재안전설계 및 대책에 활용할 필요가 있다. 그러 나 화재 안전측면의 중요성에 비해 현재 연구 사례는 내장재료 중에 카페트류¹⁾ 및 플라스틱 단열재²⁾의 연 소 발열 특성에 관한 연구에 한정되어 있다. 화재안전 설계에 활용하기 위해서는 많은 종류 및 재질을 대상 으로 연소실험을 실행하여 실험 데이터를 축적할 필요 가 있다.

화재 발생시 연소에 의한 열적 특성과 함께 연기에 의한 피해가 우려된다. 즉 연기는 피난자의 시계를 방 해하고 연기에 포함된 가스는 피난자의 판단력 저하와 행동불능을 일으킬 가능성이 높으므로, 내장재료의 종 류별로 실험을 실행하여 가스유해성을 파악할 필요가 있다. 그러나 국내에서는 대부분 콘칼로리미시험³⁾을 이용하여 내장재료의 연소 가스량을 측정하는 제한적 인 시험만을 실행하고 있다. 이에 본 연구에서는 연소 가스에 대한 마우스의 행동가능여부를 바탕으로 안전

(2)

성을 평가하는 가스유해성시험을 실행하였다.

본 연구에서는 건축물의 화재안전설계의 활용을 염 두에 두고 국내에 사용되고 있는 내장재료 중에 다양 한 장식판 재료를 선정하여 발열량, 가스유해성 시험 등을 실시하였다. 즉 시험에서는 장식판재에 대해 콘 칼로리미터시험을 실행하여 열 및 가스발생량을 측정 하였고, 가스유해성시험을 통해 발생가스에 대한 마우 스의 행동 정지시간 등을 파악하였다.

2. 시험 개요

본 연구에서는 KS F ISO 5660³⁾ 기준에 의거하여 콘칼로리미터시험 및 KS F 2271⁴⁾ 기준에 의거하여 가스유해성시험을 실행하였다. 콘칼로리미터시험에서 는 전기 콘히터의 복사열로 장식판류의 시편을 가열하 여 자연발화를 유도하고 산소소모법에 의해 열방출률 등을 측정하였다. 산소소모법이란 연소시 발생하는 열 은 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점을 기초 로 산소 1 kg이 소모될 때 13.1 MJ/kg의 열량을 발 생한다는 기본원리에서 산소농도 등을 측정하여 열방 출률을 계산할 수 있다.

가스유해성시험에서는 마우스를 이용하여 장식판류 의 연소시 발생하는 가스의 유해성으로 마우스의 평균 행동정지시간을 측정하고 가스유해성을 평가하였다.

2.1 콘칼로리미터시험 (1) 시험장치 및 시험조건

시험장치는 콘 형태의 복사 전기히터, 시편의 질량 을 측정하기 위한 무게측장치, 시편홀더, 산소분석장 치, 유량측정장치를 부착한 배출시스템, 스파크 점화 회로, Heat flux meter, 교정용 버너, 데이터 수집 및 분석 시스템들로 구성되어 있다. 시험에서는 콘칼 로리미터시험기의 전기 콘히터로 방사열 50 kW/m² 로 형성하여 시편을 수평으로 놓은 상태에서 상부면을 가열하고, 열방출률, 유해가스농도 등을 측정하였다.

Figure 1. Cone Calorimeter (2) 시편

시편의 종류 및 특성 등을 Table 1에 나타내었다.

시편은 일반 시중에 유통하는 MDF, 섬유판, 합성수 지판, 합성수지시트의 4종의 장식판을 구매하여 제작

하였다. 상세하게 설명하면 시편은 시험에 앞서 온도 23±2℃, 상대습도 5±5%에서 함량이 될 때까지 양생 하였고, 100㎜×100㎜ 인 정사각형으로 제작하였다.

Table 1. Summary of the interior material

Example

NO. Designation Material

Cone calorimeter test

Gas hazard test Size

(mm) Thickness

(mm) No of

times Size (mm)

No of times 1

MDF Wood Hori- zontal 100 × Vertical 100

9

3

Horizontal, Vertical 220

2

2 15

3 18

4 Fiber-

board Polyester 10 5 Synthetic

resin plate

Melamine

resin 7

6 FRP 9

7

Synthetic resin sheet

PVC 0.2

MDF(9mm) Fiber Board(PE)

Synyhesis Plate(Melamine) Synthesis Resin Sheet Figure 2. Cone calorimeter test piece.

2.2 가스유해성시험 (1) 시험장치

가스유해성 시험장치는 마우스를 이용하여 방염대상 물 및 건축재료의 연소 시 발생하는 가스의 유해성을 평균 행동정지시간으로 측정하는 장치를 사용하였다.

가열로에서 시험체가 연소 시 발생하는 연소 가스는 교반상자에서 교반되고 피검 상자 속으로 유입되어 마 우스가 흡입하도록 되어 있다. 가열로는 건조 양생된 표준판을 부착하고 먼저 부열원(LPG 사용, 공급량 350 ml/min)으로 3분간 가열한 후 다시 주열원으로 3분간 가열한 다음 9분간 닫힌계에서 마우스의 행동 정지시간을 측정한다.

(3)

Figure 3. 가스유해성 시험장치 (2) 시험절차

시편을 부열원으로 3분간 가열한 후 다시 주열원으 로 3분간 가열한다. 가열시험은 시작할 때 피검상자 내의 온도는 30℃로 하고 시험용 마우스를 1마리씩 넣은 회전바구니 8개를 피검상자 내에 넣는다. 가열을 시작해서 시험용 마우스가 행동을 정지할때가지의 시 간의 측정은 자동기록할 수 있는 장치를 사용하며 기 록은 가열시작 후 15분간 각각의 시험용 마우스 마다 실시하여야 한다. 시험용 마우스의 평균 행동정지시간 (x)은 아래 식(1)에 따라 구한다(5).

    ---식(1) 여기서 ^



^

_ _ _⋯ _



 



^^



^ 



^^



^ 



^^⋯



^ 



^

판정은 시편 2개에 대한 계산결과에서 시편 각각의 마우스 평균행동정지시간(x)의 값이 9분보다 클 경우 기준에 통과하는 것으로 판정한다.

(3) 시편

시편은 크기가 가로, 세로 220 mm, 두께는 실제 의 것과 같은 것으로 25 mm구멍이 3개를 갖는 시편 을 통풍이 잘되는 실내에 약 1개월 이상 방치한 다음 35～45℃ 건조기 안에서 24시간 이상 건조시킨 후 데시케이터 속에서 24시간 이상 방치 하여 양생한 것 을 샘플로 사용하여 실험을 하였다. 마우스는 ICR계 암놈 5주령 정도의 18 - 22g인 것을 한 시험당 8마 리를 사용하여 실험하였다.

3. 시험 결과 및 고찰 3.1 콘칼로리미터시험

3.1.1 장식판류의 연소발열특성

(1) 최대열방출률(Peak heat release rate: PHRR) 장식판류의 최대열방출률을 Figure 4에 나타내었 다. 최대열방출률은 화재시 예측할 수 있는 최대의 열 방출률로 화재의 위험성평가 등에서 최악의 상황을 가 정할 경우 기초 자료로 활용할 수 있다.

Figure 4. Average of peak heat release rate in tests

Table 2. Combustion properties of decorative plates

Example NO.

Designat ion Material

Average of Peak Heat Release Rate [kW/m²]

Average of Total Heat Release [MJ/m²]

Average of Total Heat Release Rate per Mass

[MJ/kg]

Average of Heat Release

Rate [kW/m²]

Mass Loss Rate

[g/s]

Specific extinction

area [m²/kg]

Average of CO Yield

[kg/kg]

Average of CO2 Yield

[kg/kg]

1

MDF Wood

287.0 82.9

14.1

128.6 0.0987 73.1 0.0186 1.3464 2 176.6 117.0 99.6 0.0890 64.2 0.0192 1.1955 3 174.8 129.9 106.6 0.0941 71.6 0.0232 1.2527 4 Fiber-

board Polyester 560.7 38.2 17.4 93.3 0.0468 347.8 0.1119 2.2418 5 Synthetic

resin plate

Melamine

resin 46.0 7.1

2.5 12.9 0.0437 6.2 0.0554 1.0091 6 FRP 27.1 10.6 7.6 0.0273 23.8 0.0805 1.4793 7

PVC 46.4 2.5 22.7 18.4 0.0153 399.7 0.1148 3.2045

(4)

Figure 4를 보면 장식판류의 최대열방출률은 섬유 판이 566.7 kW/m² 로 가장 크고, 그 다음으로 9mm 합판의 287 kW/m²으로 큰 것을 알 수 있다.

합판의 두께에 따른 최대열방출률을 보면 두께 9mm 가 287이고 두께 15mm, 18mm가 각각 176 kW/m², 175 kW/m²으로 유사한 값을 나타내었다.

총발열량은 합판의 밀도가 클수록 비례하는데, 최대열 방출률은 합판의 두께에 영향을 받으며 합판의 밀도에 비례하지 않는 것을 알 수 있다. 이것은 시편의 두께 가 9mm로 얇기 때문에 시편 앞면의 표면이 연소한 후에 탄화하면서 각리되고 복사열에 의해 합판이 휘면 서 시편 후면의 공기공급량이 순간적으로 증가하였기 때문이다.

장식판류 중에 최대열방출률이 가장 작은 것은 합성 수지판으로 섬유판이나 MDF 계열의 합판에 비하여 매우 낮은 수치를 보이고 있다. 합성수지판의 소재에 관계없이 최대열방출률이 작은 것을 알 수 있다.

MDF Fiber-board

Figure 5. Peak heat release rate in test 3 and test 4 Figure 5를 보면 MDF의 열방출률이 2개의 피크 를 형성하는 것을 알 수 있다. 이것은 시편 앞면의 표 면적 전체가 착화하면서 열방출률의 1차 피크가 발생 하고, 그 후에 시편 내부로 점차적으로 연소하며, 시 편 두께만큼 연소한 후에 시편 후면의 표면적이 전체 적으로 점화하면서 열방출률 2차 피크가 발생하였기 때문이다. 섬유판의 열방출률의 피크는 1개가 형성되 었는데, 이것은 섬유판의 두께가 10 mm로 얇기 때문 에 앞면이 연소한 직후에 뒷면도 거의 동시에 연소하 였기 때문이다.

(2) 총 방출열량(Total heat release: THR) 장식판류의 평균총발열량을 Table 2에 나타내었다.

앞서 언급한 것처럼 각 시험에서는 동일한 시편 3개를 실행하였으며 Table 2에는 시편 3개의 총발열량의 평 균값을 나타내었다. Table 2의 단위중량당 발열량 (MJ/kg)은 시편의 총발열량(MJ)을 연소량(kg)으로 나누어 산정하였다. 여기서 연소량(kg)은 가열로 인해 시편이 연소한 양을 의미한다.

단위중량당 발열량을 보면 합성수지시트가 22.7 MJ/kg 으로 가장 크고 FRP의 합성수지판이 2.3 MJ/kg 로 가장 작은 값을 나타내었다. 시험 1 ~3에 서는 동일한 재료로 시험을 진행하였지만, 시험 1이 15.9 MJ/m² 으로 크고 시험 2, 3가 약 13 MJ/m²

로 유사한 값을 나타내었다. 이는 시험 1의 시편 두께 가 시험 2, 3보다 얇은데, 두께가 얇으면 쉽게 관통하 여 열분해 속도가 빠르기 때문이다.

장식판류의 평균연소량과 평균발열량의 상관관계를 Figure 6에 제시하였는데, 평균연소량과 평균발열량 은 R²= 0.8142로 약 81 % 정도의 상관을 갖는 것 으로 나타났으며, 높은 관계성을 갖고 있다. .

Figure 6. Relationship between average of burning mass and average of total heat release 3.1.2 장식판류의 연기특성

(1) 비광소멸면적(Specific extinction area: SEA) 평균 비광소멸면적은 콘칼로리미터 시험에서 측정할 수 있는 중요한 연기특성으로 그 값이 클수록 연기의 농도가 크다는 것을 의미하는데, 열방출률이 높은 합 판 제품들이 섬유판이나 PVC 합성수지시트에 비해 매우 낮은 값을 보이고 있다. 또한 반대로 발열량이 높지 않은 재료의 경우에도 연기 농도는 높을 수 있음 을 보여주었다. 상세하게 살펴보면 평균비광소멸면적 은 PVC 소재 합성수지시트가 399.7 m²/kg으로 다 른 재료보다 가장 크며, 제품의 소재가 같은 플라스틱 계열인 멜라민과 FRP 시트에 비해 비광소멸면적이 매우 큰 것을 알 수 있다.

평균비광소멸면적은 멜라민 소재 합성수지판이 6.2 로 가장 작은데, 멜라민 소재 합성수지판의 경우 열적 특성뿐만 아니라 연기특성도 우수한 것을 알 수 있다.

목재계열의 합판에 비해서 1/10 이상 작은 값을 나타 낸다.종합해 보면 PVC 소재 합성수지시트는 열적특성이 강하나 연기특성이 나쁘다는 사실을 알 수 있다.

Figure 7. Average of Specific Extinction Area in tests

(5)

(2) 평균 일산화탄소 생성률

일산화탄소 생성률은 재료의 단위무게당 일산화탄소 가 생성된 비율로서 재료의 연기유해성 평가에서 핵심 적인 부분인데, 그림을 보면 평균일산화탄소 생성률은 PVC 소재 합성수지시트가 0.1148 kg/kg로 가장 크 고 그 다음으로 0.1119 kg/kg으로 크다. 멜라민과 FRP 소재의 제품들의 평균 일산화탄소 생성률이 MDF 합판 제품보다 높았다. 이는 목재 계열의 제품 에서는 일반적으로 플라스틱 계열의 제품보다 일산화 탄소의 발생량이 적었다

Figure 8. Average of CO yield in tests (3) 유해가스농도와 최대열방출률의 상관관계 분석 화재안전설계에서는 인명안전성을 평가하기 위해 재 료의 열방출률에서 유해가스농도를 예측할 필요가 있 다. 장식판의 최대열방출률과 최대일산화탄소 및 최대 이산화탄소의 상관관계를 분석하였다

장식판의 최대열방출률과 최대이산화탄소의 관계를 Figure 9에, 최대열방출률과 최대일산화탄소의 관계 를 Figure 10에 나타내었다.

Figure 9를 보면 최대열방출률과 최대이산화탄소 농도는 상관관계는 R² = 0.962로 약 97 % 정도의 상관관계로 아주 높은 관계성을 갖고 있다. 이처럼 상 관관계가 아주 높은 것은 최대열방출률이 형성되었을 시점에 완전연소가 일어나므로 이산화탄소 농도가 최 대값으로 증가하였기 때문이다. Figure 10을 보면 최 대열방출률과 최대일산화탄소 농도는 상관관계가 약 89 % 정도의 상관관계로 높은 관계성을 갖고 있는데, 이는 최대열방출률이 형성되었을 시점에 일산화탄소농 도가 최대값인 것을 의미한다.

Figure 9. Relationship between peak heat release rate and peak CO₂ concentration

Figure 10. Relationship between peak heat release rate and peak CO concentration

3.2 가스유해성 시험

장식판류의 마우스 행동정지시간을 Table 3에 나타 내었다. 일반적으로 유기화합물로 제조되는 멜라민합 성수지, FRP는 화재 시 마우스의 행동정지시간이 12 분대로 늦은 경향성을 보여주고 있다. 천연재료(목재) 인 MDF는 두께가 증가할수록 약간의 평균행동정지시 간의 감소가 보이고 6분을 전후로 하여 모든 마우스의 행동정지가 확인되었다. 또한 MDF는 콘칼로리미터시 험의 일산화탄소 생성률이 다른 재료 보다 낮지만 행 동정지시간이 빠른 경향을 나타내었다. 이 결과를 보 면 마우스의 행동정지시간에는 일산화탄소만이 영향을 미치는 것이 아니라 MDF의 연소에 의해 발생하는 다 양한 유독가스가 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이 를 검증하기 위해서는 향후에 마우스의 행동정지시간 과 유독가스의 종류 및 양에 따른 상관관계를 확인하 기 위하여 추가적으로 연구를 진행할 필요성이 크다.

Table 3. Mouse behavior downtime for decorative plates NO. Design-

ation Material 1 time

2 time

A (sec) 1

MDF Wood

347 373 360

2 346 353 350

3 354 345 350

4 Fiber

plate Polyester 857 875 866 5 Synthetic

resin plate

Melamine

resin 816 708 762

6 FRP 788 767 778

7

PVC 823 884 854

4. 결 론

본 연구에서는 건축용 장식판류에 대하여 열적 특성 및 유해가스특성을 파악하기 위해 KS F ISO 5660-1에 따라 콘칼로리미터시험과 KS F 2271 가

peak heat release rate

(6)

스유해성시험을 실행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

① 장식판류의 최대열방출률은 섬유판이 566.7 kW/m² 로 가장 크고, 그 다음으로 9mm 합판의 287 kW/m²으로 큰 것을 알 수 있다. 장식판류 중에 최대열방출률이 가장 작은 것은 합성수지판으로 섬유 판이나 MDF 계열의 합판에 비하여 매우 낮은 수치를 보이고 있다.

② 평균비광소멸면적은 PVC 소재 합성수지시트가 399.7 m²/kg으로 다른 재료보다 가장 크며, 제품의 소재가 같은 플라스틱 계열인 멜라민과 FRP 시트에 비 해 비광소멸면적이 매우 큰 것을 알 수 있다. 만일 실 제 화재 시 PVC 합성수지시트가 연소하면 다른 소재에 비해 피난자의 피난에 지장을 초래할 우려가 있다.

③ 평균 일산화탄소 생성률은 PVC 소재 합성수지 시트가 0.1148 kg/kg로 가장 크고 그 다음으로 PE 섬유판이 0.1119 kg/kg으로 크다. 멜라민과 FRP 소 재의 제품들의 평균 일산화탄소 생성률이 MDF 합판 제품보다 높았다.

④ 일반적으로 유기화합물로 제조되는 멜라민합성수 지, FRP는 화재 시 마우스 행동정지시간이 12분대로 늦은 경향성을 보여주고 있으며 천연재료(목재)인 MDF는 두께가 증가할수록 약간의 평균행동정지시간 의 감소가 보이고 6분을 전후로 해서 모든 마우스의 행동정지가 확인되었다.

감 사

본 연구는 2018년도 소방청의 현장중심형 소방활동 지원 기술개발사업(MPSS-소방안전-2015-66)의 지 원을 받아 수행되었으며 관계제위께 감사드립니다.

참고문헌

01. Lee, B. W., Kwon, S. P., Lee, J. W, Lee, B. H., Kim, H. S, Kim, H. J, "Evaluation of the Burning Properties of Various Carpet Samples by using the Cone Calorimeter and Gas Toxicity Test", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol.

23, No. 6, 01-09 (2009).

02. Lee, K. W., Kim, K. E, "Fire Characteristics of Plastics Insulating Materials from Cone Calorimeter Test", Journal of Korean Institute of Fire Science &

Engineering, Vol. 17, No. 1, 76-83 (2003).

03. ISO 5660-1:2002. Reaction-to-fire tests-Heat release, smoke production and mass loss rate-Part 1: Heat release rate(cone calorimeter method) (2002).

04. KS F 2271, “Testing method for incombustibility of internal finish material and element of buildings(2016).

05. Nam, D. G., Kim, S. C, "A Study on the Burning Characteristics of Interior Boards and Louvers",

Journal of Korean Institute of Fire Science &

06. Son, Y. S., Kim, J. G., A Study on the Hazard of Combustion gas in Flame Retardant (2000)

07. Lee, B. W., Kwon, S. P., Lee, J. W, Lee, B. H., Kim, H. S, Kim, H. J, "Evaluation of the Burning Properties of Various Carpet Samples by using the Cone Calorimeter and Gas Toxicity Test", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol.

23, No. 6, 01-09 (2009).

08. D. G. Nam, "Experimental Study on Combustion Characteristics of Live Fire Load in a Bookstore", Journal of Korean Institute of Fire Science &

09. Min, S. H., Sun, J. S., Kim, S. C., Choi, Y. M., Lee, S. K., "A Study on Fire Performance Evaluation of EIFS on Anti-Flaming Finish by Cone Calorimeter Test", Journal of Korean Institute of Fire Science &

10. Yeo, I. H., Park, K. H., Cho, K. S., Min, B. Y., Yoon, B. O., "An Experimental Study on the Charring Rate of Solid Sawn Timber Exposed to Fire", Journal of Korean Institute of Fire Science &