[논 문] Vol. 20, No. 4, 2006
샌드위치패널 단열재의 연기농도 및 연소독성가스에 대한 실험적 연구(연소챔버법)
The Experimental Study for the Smoke Optical Density and Toxic Gases of Sandwich Panel Insulations(Single Chamber Method)
박수영†·이우석·여한승·임홍순
Soo-Young Park
† ·Woo-Seok Lee
·Han-Seung Yeo
·Hong-Soon Im
방재시험연구원(2006. 7. 31. 접수/2006. 12. 20. 채택)
요 약
국내에서는 현재 샌드위치패널의 화재성능 평가를 위하여 KS F 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난 연성 시험방법)을 사용하고 있다. 그 중 연기 및 연소독성가스에 대한 시험인 가스유해성 시험은, 건축 재 료 및 내장재의 연소시 발생하는 가스의 유해성을 마우스의 평균 행동정지시간으로 측정하는 방법으로, 정 량적인 방법이 아니므로 마우스의 상태나 시험조건에 따라 시험결과가 달라질 수 있다. ISO 5659-2 연소 챔버 시험방법은 광학밀도를 정량적으로 측정할 수 있으며, FTIR을 이용한 유독가스 분석이 가능하다. 본 연구에서는 ISO 5659-2 연소챔버 시험방법을 사용하여, 국내에서 일반적으로 사용되는 4종의 샌드위치패 널 단열재의 광학밀도를 측정하여 각 시험체와 비교하였다. 또한, 시험체마다 3번의 시험 중 두 번째 시 험시 FTIR 분석을 수행하여 HCl, NO2등의 정량적 결과를 비교하였다.
ABSTRACT
Nowadays in Korea, KS F 2271 has been using for the test of fire safety performance of sandwich panels. Smoke toxicity test is the test for the toxicity evaluation of smoke and hazardous gas, caused by combustion of building materials and finishing materials. Smoke toxicity can be evaluated by the mean incapacitation time of mice; however this method is not a quantitative way. This test result can be influenced by the health status of mice and test condition. Specific optical density can be quanti- tatively measured by ISO 5659-2 single chamber method and toxic gases can be quantitatively mea- sured by FTIR analysis. In this study, specific optical density of sandwich panel insulations, which are widely used in Korea, were tested using the ISO 5659-2 single chamber test method and compared with each test. Also, in the second test of three tests for each specimen, FTIR analysis was performed and quantitative test results(HCl, NO2, etc) were compared with each test result.
Keywords : Sandwich panel insulation, ISO 5659-2 single chamber test, Specific optical density, Toxic gases, FTP Code
1. 서 론
1999년 씨랜드 청소년 수련원 화재로 19명의 사망자 가 발생한 사건으로부터 스티로폼 샌드위치패널의 위 험성이 대두되기 시작하여, 거의 매년 샌드위치패널에 의한 화재로 인명 및 재산손실이 발생하고 있다. 샌드 위치패널은 재료의 특성상 화재가 발생하였을 때, 급
격히 연소가 진행되고 외부의 강판 때문에 소화가 쉽 지 않아서 다른 화재에 비하여 인명 및 재산 피해가 높은 것으로 알려져 있다.
지난 2004년 2월에 경기도 안양에서 샌드위치패널 로 지어진 대규모 물류창고에서 화재가 일어나 20억원 의 피해를 입었으며, 2003년 12월에는 샌드위치패널로 지어진 청도 버섯농장에서 화재가 발생하여 12명이 숨 지는 등 샌드위치패널로 지어진 건물의 화재는 대형사 고로 발생하고 있다.
†E-mail: [email protected]
사람에 대한 화재위험 요인은 열, 연기, 유해가스의 3가지로 분류된다. 그 중에서 열은 화상을 야기하고, 연기는 가시거리 저해로 대피를 불가능하게 한다. 더 욱이 유해가스 중 CO 및 HCl은 혼수상태 또는 사망 에 이르게 하며, HCl 등은 눈과 같은 감각기관과 호흡 기관을 자극하여 기침, 질식, 시력손상을 야기하거나 또는 폐손상으로 사망에 이르게 한다. 따라서 화재위 험을 종합적으로 평가하기 위해서는 발생열 및 열방출 율, 연기, 유해가스와 같은 화재 특성을 모두 고려하여 야 한다.
국내에서는 현재 샌드위치패널의 화재성능 평가방법 으로 KS F 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 시험방법)1)을 사용하고 있다. 그러나 개정의 필요성이 대두되어, 열방출율은 ISO 5660-1(Cone Calorimeter Method) 시험방법을 도입하여 건축법 개정고시(안)을 준비 중인 것으로 알려져 있으며, 연기 및 유해가스 부 분에서는 기존의 시험방법인 가스유해성 시험방법을 유지하는 것으로 알려지고 있다.
그러나 가스유해성 시험방법은 건축 재료 및 내장재 의 연소시 발생하는 가스의 유해성을 마우스의 평균 행동정지시간으로 측정하는 방법으로, 유해가스의 정 량적인 방법이 아니므로 마우스의 상태나 시험조건에 따라 시험결과가 달라질 수 있다. 아래 Table 1에 KS F 2271 시험방법 중 가스유해성시험과 ISO 5659-22) 시험방법을 비교하였다.
본 연구에서는 ISO 5659-22) 연소챔버 시험방법을 사 용하여 샌드위치패널 단열재의 연기농도 및 연소독성 가스를 검토하기 위하여 시험을 수행하였다. 시험체는 국내 샌드위치패널 단열재 4종이다. 각각의 시험에서 얻은 결과를 바탕으로 샌드위치패널 단열재의 연기농 도 및 연소독성가스를 확인하고자 하였다.
2. 연기농도 및 연소독성가스 성능평가
FTP Code(Inernational Code for Application of Fire
Test Procedures)3)에서는 ISO 5659-2 시험방법을 통하 여 재료의 연기농도(광학밀도 : specific optical density) 및 연소독성가스를 평가하고 있는데, 시험결과에 따 라, 연기에서는 내장재의 사용용도에 따라 4가지로 평 가하고, 연소독성가스에서는 각각의 독성가스 농도 제 한을 넘지 않도록 규정하고 있다.
그러나, 재료의 연기농도 및 연소독성가스에 대한 측 정기준이 적용되는 분야는 철도차량과 선박 내장재이 며, 건축물 내장재 분야는 정립되어 있지 않다.
따라서, 본 연구에서는 연기농도 및 연소독성가스 기 준이 적용되는 선박용 화재기준 FTP Code(Inernational Code for Application of Fire Test Procedures)기준을 참 고적으로 제시하였으나, 시험결과와의 비교평가는 하 지 않았다.
2.1 FTP Code(Inernational Code for Application of Fire Test Procedures)
FTP Code에서는 ISO 5659-2의 시험절차에 따라 시 험하도록 하고 있으며, 시험조건은 아래의 3가지 조건 이다.
시험은 적어도 10분간 실시하며, 만약 10분간의 노 출시간동안 최소 광투과율값에 이르지 못하였을 경우, 추가하여 10분 동안 시험을 계속한다.
연기에 대한 광학밀도(Ds)는 시험을 실시하는 동안 적어도 5초 간격으로 기록한다. 광학밀도에 대한 계산 식은 아래와 같다. Dm은 Ds의 평균값이다.
연소독성가스의 측정은 연기에 대한 최대 광학밀도 에 도달한 시간으로부터 3분 이내에, 챔버의 중심에서, 각각의 시험의 두 번째 혹은 세 번째 시험편을 시험하 는 동안 연소독성가스 증기의 시료를 채취한다. 연소 독성가스의 농도는 챔버 부피에 대하여 ppm으로 나타 낸다.
Table 3 및 Table 4에는 연기농도 및 연소독성가스 의 판정기준을 나타내었다.
Ds 132log10 100 ---T
⎝ ⎠
⎛ ⎞
= Table 1. Comparison of test methods
KS F 2271 ISO 5659-2 Size 220×220×50 75×75×25 Heating system Propane gas,
cone-heater Cone-heater Measuring item Incapacitation of mice (9 min) Optical density Intention of test Estimating combustibles of fire
simulation
Table 2. Test conditions
Test conditions 1. 25 kW/m2 with pilot flame 2. 25 kW/m2 without pilot flame 3. 50 kW/m2 without pilot flame
3. ISO 5659-2 Single Chamber Test
3.1 개 요
ISO 5659-2 시험방법은 두께가 25 mm 이하인 평평 한 재료나 복합 재료, 조립재 등의 시험편을 수평으로 놓고 밀폐된 공간에서 점화불꽃을 사용하거나 사용하 지 않은 상태로 규정된 방사열에 노출하였을 때 시험 편의 노출면으로부터 발생하는 연기를 측정하는 시험이다.
본 논문에서는 국내 샌드위치패널 단열재의 연기농 도 및 연소독성가스를 확인하기 위하여 4종의 시험체 를 대상으로 시험하였으며, 화재 초기 단계에서의 가 열조건으로 25 kW/m2의 방사열에서 광학밀도 및 유독 성가스를 분석하였다.
3.2 시험장치
시험체의 광학밀도 및 유독성가스를 측정하기 위하 여 ISO 5659 연소챔버(영국, FTT사)를 사용하였다. 시 험장치는 공기의 누설이 없는 챔버에 시험편 지지대, 콘 방열기, 광투과율 측정기, 작동조건 보조장치 및 데 이터수집 및 분석 시스템들로 구성되어 있다.
연소챔버의 구조는 Fig. 1과 같다.
연소독성가스는 연소챔버에 연결된 가스수집시스템 에서 샘플링하여 FTIR 분석을 통하여 확인하였다. FTIR 의 분석조건은 Table 5와 같다.
3.3 시험체 종류
시험체는 샌드위치패널 단열재 4종으로써, 스티로폼 1종(EPS), 우레탄폼 2종(PIR, PUR), 유리면 1종(Glass wool)에 대해 시험하였다. Table 6에 시험체 종류를 나 타내었다.
3.4 시험방법
3.4.1 전처리시험편은 각 변의 치수가 75 mm인 정사각형으로 준 Table 3. Evaluation of specific optical density with FTP
code
MaterialsEvaluation Cross wall, interior finish and ceiling
materials Dm≤ 200
First deck covering materials Dm≤ 400 Flooring materialsDm≤ 500 Plastic canals, electrical wires Dm≤ 400 Table 4. Limit of combustive toxicity gas
GasLimit(ppm) GasLimit(ppm)
CO 1450 HBr 600
HCl 600 HCN 140
HF 600 SO2 120
NOX 350
Fig. 1. ISO 5659-2 single chamber.
Table 5. FTIR analysis conditions
Content Analysis conditions Resolution 0.5 cm−1
Spectrum range 4500~650 cm−1
Detector DTGS(Deuterated Triglycine Sulfate)
Path length 10m Gas cell temperature 140oC Gas cell pressure 12 psi Filter(Diameter,
membrane, cell size) Stainless steel
(25 mm, glass fiber, 1 µm) Quantitative analysis
principal Classical partial least square
Table 6. Test specimens
ID Thickness(mm) Insulation Composition A 50.0 Glass Wool
(48.0 kg/m3) Glass wool B 50.0 EPS(9.2 kg/m3) EPS C 50.0 PUR(40.0 kg/m3) Polyol(ppg):isocyanate(MDI)=1:1 D 51.5 PIR(66.3 kg/m3) Polyol(esterpolyol):isocyanate(MDI)=1:1.6
비하여 온도 23±2oC, 상대습도 50±5% 항량이 될 때 까지 양생한다. 전 처리된 시편은 약 0.04 mm의 알루 미늄 호일로 중앙에 노출되는 면적이 65 mm×65 mm 가 되도록 감싼다. 덮개를 씌우는 동안 호일에 구멍이 뚫어지거나 불필요한 주름이 생기지 않도록 주의한다.
싸여진 시험편은 오븐 건조 밀도 850±100 kg/m3, 두 께 12.5 mm인 한 장 이상의 불연성 받침대 위에 놓고 시험편 지지대 틀에 맞추어 넣는다.
광도계를 정렬하고, 연소챔버의 누출율을 확인한 후, 연소기 및 콘 방열기를 교정한다.
3.4.2 시험절차
25 kW/m2의 방열량으로 설정한 콘이 장치된 연소 챔 버를 준비한다. 선행시험이 실시되었을 경우 흡입구와 배출구를 열어 두어 연기가 완전히 없어질 때까지 공 기로 연소 챔버를 세척한다. 매 시험 전에는 연소챔버 내부의 광학창을 청소한다.
점화 불꽃을 시험하기 위해서는 연소기를 제 위치에 놓고 가스와 공기를 공급하고 버너를 점화한다.
광도계의 원점을 맞춘 후, 최대범위 100% 투과도를 맞춘다. 전처리 과정을 진행시킨 시험편을 지지대에 놓 는다. 콘 방열기 아래의 고정대에 지지대와 시험편을 놓고, 즉시 연소 챔버의 문을 닫는다. 콘 아래의 방열 차단막을 제거하고 10분간 가열한다.
시험 시작과 동시에 광투과율과 시간을 연속적으로 기록한다.
FTIR 연소가스 분석은 시험시 미리 분해능과 주사 율을 설정하여, 얻으려는 흡수 스펙트럼을 작동시키 고, 연소챔버내의 연기농도가 최대에 도달한 후, 샘플 링을 시작한다.
4. 시험 결과
샌드위치패널 단열재 4종에 대하여 시험을 실시하 여, 아래와 같은 결과를 얻었으며, 아래 Fig. 2~Fig. 9 에 시험체의 시험전 모습과 시험후 모습을 나타내었 다. 시험 가열조건은 25 kW/m2이다.
Fig. 2. Specimen A (Nonflame test, Before and after).
Fig. 3. Specimen A (Flame test, before and after).
Fig. 4. Specimen B (Nonflame test, Before and after).
Fig. 5. Specimen B (Flame test, before and after).
Fig. 6. Specimen C (Nonflame test, Before and after).
Fig. 7. Specimen C (Flame test, before and after).
Fig. 8. Specimen D (Nonflame test, Before and after).
각각의 시험체 연소 형상에서는 점화불꽃이 있는 시 험체와 없는 시험체 사이에 차이가 거의 없었다.
4.1 광학밀도
ISO 5659-2 시험방법에 따른 샌드위치패널 단열재의 광학밀도 결과를 아래에 나타내었으며, Fig. 10~Fig. 13 에 시간에 따른 광학밀도를 나타내었다.
단열재가 Glass wool 인 시험체 A의 경우는 점화불 꽃 유무에 관계없이 연기발생이 거의 없었다. 반면, 단 열재가 PUR인 시험체 C의 경우는 점화불꽃이 있을 경 우의 시험에서 시험시작 2분 이내에 급격한 연기발생 현상을 보였다. 반면 점화불꽃이 없는 경우에는 연기 가 비교적 천천히 발생되어, 점화불꽃이 있는 경우와 다른 연소 특성을 보여주고 있다.
단열재가 EPS인 시험체 B에서는 PUR이나 PIR에 비 하여 연기발생이 적은 것으로 나타났는데 이는 EPS 시 험체의 밀도가 9.2 kg/m3로 가장 작아 연소될 재료가 없는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
시험체 D의 경우는 점화 불꽃 유무에 관계없이 거 의 동일한 연기를 발생하는 것으로 나타났다.
전체적으로 연기발생은 시험체 C(PUR)에서 가장 많 이 발생하였으며, 시험체 D, 시험체 B, 시험체 A의 순 서를 나타내었다.
따라서, 이러한 결과로 미루어 판단하여, ISO 5659- 2 연소챔버 시험방법은 연기농도 및 연소독성가스가 정량적으로 측정될 수 있는 시험방법으로 적용이 가능 하지만, 시험체의 크기, 연소물의 양, 가열조건 등에 따 라 시험결과가 달라질 수 있는 여지를 가지고 있는 것 으로 판단된다.
Table 7에는 광학밀도 최대값을 나타내었다.
최대 광학밀도 결과를 살펴보면 시험체 C, D, B, A 의 순서로 광학밀도가 높았으며, 이는 연기 발생이 많 은 순서를 나타내고 있다.
시험체 A, B, D에서는 점화불꽃 유무에 따른 시험 에서 비슷한 경향을 나타내었으나, 시험체 C에서는 점 Fig. 9. Specimen D (Flame test, before and after).
Fig. 10. Specific optical density of Specimen A.
Fig. 11. Specific optical density of Specimen B.
Fig. 12. Specific optical density of Specimen C.
Fig. 13. Specific optical density of Specimen D.
화불꽃이 있을 경우 465.71, 없을 경우 217.60을 기록 하여 점화불꽃이 있을 때 연기가 많이 발생하는 것으 로 나타났다.
4.2 FTIR 연소가스 농도 분석
FTIR 연소가스 분석은 각 시험체의 2번 시료에서, 챔버 내의 연기농도가 최대에 도달하였을 때, 3분동안 실시하였으며, 그 시험결과는 Table 8과 같다.
유독성 연소가스는 상대적으로 시험체 C, D인 경우 가 시험체 A, B에 비하여 많이 발생되었다.
모든 시험체에서 CO, HCl, NO 가 검출되었으며, 시 험체 A(GW), B(EPS), C(PUR)에서는 CO와 NO가 최 대 광학밀도(Ds) 값과 비례관계를 보였다. 따라서, CO 와 NO는 연기발생량에 따라 증가함을 확인할 수 있었다.
시험체의 단열재 재료별로 결과를 확인하면, 시험체 C(PUR)는 다량의 연기가 발생하였으며, 또한 가장 많 은 독성가스(CO, HCN, NO, SO2)를 발생하였다. 시험
체 D(PIR)은 시험체 C(PUR)에 비하여 적은 양의 연기 가 발생하였으나, 독성가스의 검출량은 비슷하였다.
연소독성가스 종류별로 결과를 확인하면, CO의 경 우는 점화불꽃이 없는 경우 시험체 D, C, A, B의 순 서로 검출이 많이 되었으며, 점화불꽃이 있는 경우 시 험체 C, D, B, A의 순서로 검출이 많이 되었다.
SO2의 경우는 점화불꽃이 없는 경우 시험체 C, D, A, B의 순서로 검출이 많이 되었으며, 점화불꽃이 있 는 경우 시험체 D, C=A, B의 순서로 검출이 많이 되 었다.
독성가스에 대한 참고값을 제시하기 위하여 Table 9 에 동물시험을 통한 각종 가스의 치사량값6)을 나타내 었다.
시험체 A, B, C, D의 독성가스와 동물에 대한 치사 량값을 비교하면 네 종류 모두 치사량에 영향을 미치 는 않는 극소량의 값을 보였다. 그러나 HCN의 경우 시험체 C의 불꽃 조건(완전연소 조건)에서 14.9 ppm으 로 측정되어, 마우스에 장시간 노출시켰을 때 마우스 의 행동에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
5. 시험결과 및 고찰
본 연구에서는 시중에서 일반적으로 유통되고 있는 샌드위치패널 단열재의 연기농도 및 연소독성가스를 알아보기 위하여, ISO 5659-2 연소챔버 시험방법을 사 용하여 시험을 수행한 후 광학밀도 및 유독성가스에 대한 분석을 하였다. 그 결과는 다음과 같다.
1) 단열재가 Glass wool인 시험체 A의 경우는 점화 불꽃 유무에 따라 관계없이 연기발생이 거의 없었다.
반면, 단열재가 PUR인 시험체 C의 경우는 점화불꽃이 있을 경우의 시험에서 시험시작 2분 이내에 급격한 연 기발생 현상을 보였다.
2) 최대 광학밀도는 시험체 C, D, B, A의 순서로 높 았으며, 이는 연기 발생이 많은 순서를 나타내고 있다.
3) 시험체 A, B, D에서는 점화불꽃 유무에 따른 시 험에서 비슷한 경향을 나타내었으나, 시험체 C에서는 Table 7. Maximum of specific optical density
Ds
Test 1 Test 2 Test 3 Avg. (Dm) A(nonflame) 1.17 0.97 1.39 1.18 A(flame) 1.26 0.27 0.25 0.59 B(nonflame) 70.86 23.12 76.71 56.90 B(flame) 48.57 81.85 51.47 60.63 C(nonflame) 162.84 218.93 271.03 217.60 C(flame) 479.83 449.76 467.56 465.71 D(nonflame) 100.05 103.78 102.70 102.18 D(flame) 89.58 102.08 83.47 91.71
Table 8. Maximum of combustive toxicity gas A(GW) B(EPS) C(PUR) D(PIR)
NF F NF F NF F NF F
Ds 1.0 0.3 23.1 81.9 218.8 449.8 103.8 102.1 CO 52.9 41.6 40.9 74.5 75.7 169.1 106.3 165.4 HBr 0.0 0.0 0.1 ND* 0.1 0.1 ND* 0.1 HCN 4.0 2.4 ND* ND* 2.0 14.9 3.1 9.6 HCl 1.3 0.7 1.2 2.0 4.6 1.3 5.4 1.6 HF ND* ND* ND* ND* ND* ND* ND* ND* NO 11.0 16.2 11.4 20.8 11.9 20.1 12.0 14.3 NO2 ND* ND* ND* ND* 3.9 ND* ND* ND* SO2 1.1 1.0 0.1 ND* 13.2 1.0 10.5 4.8
*ND: Not detected.
Table 9. LC50 values of rat and mice
Rat Mice
CO LC50:1807 ppm(4 hours) LC50:5718 ppm(4 hours) HCN LC50:544 ppm(5 min) LC50:69 ppm(5 min) HCl LC50:4701 ppm(30 min) LC50:2644 ppm(30 min) NO2 LC50:67 ppm(4 hours) LCL0:250 ppm(30 min) SO2 LCL0:611 ppm(5 hours) LC50:610 ppm(1 hours)
점화불꽃이 있을 경우 465.71, 없을 경우 217.60을 기 록하여 점화불꽃이 있을 때 연기가 많이 발생하는 것 으로 나타났다.
4) 모든 시험체에서 CO, HCl, NO가 검출되었으며, 시험체 A(GW), B(EPS), C(PUR)에서는 CO와 NO가 최대 광학밀도(Ds) 값과 비례관계를 보였다. 따라서, CO와 NO는 연기발생량에 따라 증가함을 확인할 수 있었다.
5) 시험체 C(PUR)는 다량의 연기가 발생하였으며, 또한 가장 많은 독성가스(CO, HCN, NO, SO2)를 발생 하였다. 시험체 D(PIR)은 시험체 C(PUR)에 비하여 적 은 양의 연기가 발생하였으나, 독성가스의 검출량은 비 슷하였다.
본 연구를 진행한 결과 ISO 5659-2 연소챔버 시험 방법으로 국내의 샌드위치패널 단열재의 연기농도 및 연소독성가스를 정량적으로 측정하였다. 그 결과를 사 용하여 시험체별 상호 비교가 가능하였으며, 각 시험 체별 유해성을 일목요연하게 판단할 수 있었다. 다만, 시험체의 밀도차이 등으로 인한 가연물의 기준화가 필 요한 것으로 판단되며, FTIR을 통한 독성가스의 인체 유해성에 대한 연구가 다각적으로 필요한 것으로 판단 된다.
감사의 글
이 연구는 2004년도 건설교통부 건설핵심기술개발사 업 과제 지원에 의해 수행되었음(04핵심기술 A02-01).
참고문헌
1. KS F 2271, 건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 시 험방법, 한국표준협회(1998).
2. ISO 5659-2, Plastics - Smoke Generation - Part 2 : Determination of Optical Density by a Single Chamber Test, ISO(2002).
3. FTP Code, International Code for Appoication of Fire Test Procedures, Res.MSC.61(67).
4. KS M ISO 5659-2, 플라스틱-연기발생-제2부 : 단일 전소 체임버 시험에 의한 광학밀도의 측정, 한국표준 협회(2002).
5. 신건축기준법에 의한 방화재료의 성능평가, 일본건재 시험정보(2000. 9).
6. 화재연소생성물의 독성, 일본 화재연소생성물 독성조 사연구위원회, 소화 62.
7. 방화재료팜플랫, 일본건설재료학회(1993).
