콘피키오

배출유량을 0.024 ㎥/s ± 0.002 ㎥/s으로 설정하고, 데이터는 1분 동 안 기준 데이터를 수집한다. 연소시간이 짧을 것으로 예측되는 경우를 제외하고 표준 데이터 수집 간격은 5초로 한다. 복사열 차단장치를 제 위치에 삽입하고, 질량측정 장치를 보호하고 있는 열 차단 장치를 제거 한다. 준비된 시편과 시편홀더를 질량측정 장치 위에 놓는다. 삽입전의 복사열 차단장치의 온도는 100 ℃ 이하여야 한다. 인화 또는 일시적인 불꽃연소가 발생된 때에는 그 시간을 기록한다. 지속적인 불꽃연소가 발생한 때에는 그 시간을 기록하고 스파크 전원과 점화장치를 제거한다. 만일 스파크 전원을 차단 한 후에 불꽃이 꺼지면 점화기를 재삽입하고 5초 이내에 스파크를 가한 다음 시험이 완료될 때 까지 스파크를 제거하지 않는다. 이러한 현상을 시험보고서에 기록하며, 아래의 어느 하나에 먼저 해 당될 때까지 모든 데이터를 수집한다. ∙ 지속적인 불꽃연소가 시작된 때부터 32분간(32분은 시험시간 30분 과 시험 후 추가 2분간의 데이터 수집시간으로 구성되어 있다). ∙ 30분 경과 후에도 시편이 착화되지 않을 때. ∙ 10분 동안의 XO2가 예비 시험 산소 농도값의 100 ppm 이내로 되 돌아 갈 때. ∙ 시편의 질량이 0이 될 때 용융, 팽창, 균열 등과 같은 시편의 물리 적 변화를 관찰하여 기록한다. 또한, 3개의 시편에 대해 시험을 실시하고, 이를 보고한다. 3개 시편 에 대하여 180초 평균 열방출률을 비교한다. 이들 180초 평균 열방출률 값 중 어느 하나라도 3개 값에 대한 산술평균값에서 10% 이상 차이가 나면 추가로 3개의 시편에 대하여 시험을 실시한다. 이 경우에는 시편 6개에 대한 산술평균값을 보고해야 한다.

4.1.2 시험결과 및 고찰 화재에서 가장 중요한 물리량은 열방출률로서 화재의 전파, 온도 상 승 및 연기생성량 등 모든 화재에 의해 유발되는 문제와 밀접한 관계를 가지고 있다. 17) 일반 폼블럭 1종과 난연 폼블럭 1종, 총 2종에 대하여 콘칼로리미터 실험을 실시하였으며, 〈표 4-1〉과 같은 시험 조건에서 실험 전･후의 시편에 대한 결과를 측정하였다. 그 결과는 〈그림 4-4〉 와 〈그림 4-5〉와 같다. 일반 폼블럭과 난연 폼블럭 시편 모두 연소실험을 시작하면서 복사열 차단 장치를 제거 하자마자 연소되었으며 잔유물은 남아 있지 않았음을 확인할 수 있었다.

가. 착화시간 일반 폼블럭 1종과 난연 폼블럭 1종, 총 2종에 대하여 콘칼로리미터 시험을 실시하면서 각 종류별 3개의 시편을 준비하여 실험 한 결과, 착 화시간은 시편 총 6점 모두 1초 이내로 나타났다. 그 결과는 〈표 4- 2〉와 같다. 이는, 폼블럭의 주재료인 폴리에틸렌은 열가소성 수지로 화기에 취약한 재료임이 확인하였고,‘난연’제품이라 홍보하고 있는 난연 폼블럭은 난연PE 필름층 등 난연 성능을 일부 추가하였다고 하지 만 건축법상의 난연재료가 아님을 확인하였다.

나. 최고 열방출률 본 연구에서 사용한 폼블럭의 주요 구성 성분인 폴리에틸렌은 연소속 도가 빠르고 다양한 종류의 독성가스가 발생하는 특징이 있다. 또한, 폴리에틸렌은 열가소성 수지로 연소 시 고온의 용융물이 낙하하여 2차 위험성이 발생할 수 있다. 폼블럭의 최고 열방출률은 〈표 4-3〉과 〈그림 4-6〉, 〈그림 4-7〉에 각각 나타내었다.

일반 폼블럭의 최고치는 280.57 ㎾/㎡ 이고, 최저치는 215.63 ㎾/㎡, 난연 폼블럭의 최고치는 277.04 ㎾/㎡이고 최저치는 254 ㎾/㎡로 큰 차 이가 없었으며, 최고 열방출률에 도달시간도 10초에서 20초 사이도 대 동소이 하였다. 열 방출량(MJ/㎡)은 불의 세기를 나타내므로 시료의 열 방출 특성을 잘 나타낼 수 있다. 「건축물 마감재료의 난연성능 및 화 재확산 방지구조 기준」(국토교통부 고시 제2015-744호, 2015.10.13.) 제 4조에서 규정한‘난연재료’는 한국 산업 규격 KS F 5660-1에 따른 가 열시험 개시 후 5분간 열방출률이 10초 이상 연속 200 ㎾/㎡를 초과치 않아야 하는 기준에 충족되지 않았다. 결국, 폼블럭은 난연재료가 아니 며 화재시 화염의 급속한 전파의 요인이 될 수 있음을 나타낸다.

다. 총 방출열량 총 방출열량은 일반 폼블럭과 난연 폼블럭 2종류의 폼 블록 연소로 인해 방출된 총열량으로써 이 실험에서는 5분간의 실험시간에 대한 값 이다. 폼 블록의 실험결과를 〈표 4-4〉와 〈그림 4-8〉과 〈그림 4- 9〉에 각각 나타내었다.

일반 폼블럭, 난연 폼블럭 구분 없이 착화 직후 순간적인 열방출이 일어나고 5분의 실험 시간 내내 비슷한 패턴을 보이고 있음을 알 수 있 다. 일반 폼블럭 시편 3개의 총 방출열량이 평균 11.9 MJ/㎡ 인 반면, 난연 폼블럭은 12.8 MJ/㎡ 로 나타나 일반 폼블럭보다는 난연 폼블럭의 총 발열량이 다소 많음을 나타내고 있다. 이는 난연 폼블럭의 재질 구 성상 난연PE 필름층 등 일부 추가된 물질의 연소로 발열량이 다소 증 가한 것으로 판단되며,「건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산 방지 구조 기준」제4조에서 규정한 “난연재료”는 한국 산업 규격 KS F 5660-1에 따른 가열시험 개시 후 5분간 총 방출열량이 8 MJ/㎡ 이하이 어야 하는 기준을 충족하지 못하였다.

라. 산소 농도 콘칼로리미터법에 의한 연소성능 시험 방법은 일반적으로‘순연소열 은 연소하는데 필요로 하는 산소의 양에 비례한다’는 점에 기초를 두 고 있다. 즉, 산소 1 ㎏이 소비되면 약 13.1×10 3 KJ의 열이 방출된다는 관계가 성립된다. 시험에서는 시편을 50 ㎾/㎡의 복사열에 노출시켜 대 기 조건에서 연소시키고 이때의 산소농도 변화를 측정한 결과를 〈그림 4-10〉과 〈그림 4-11〉에 나타냈다.

두 시료 모두 시험 시작 후 약 20초 부근에서 산소농도가 약 20.1%의 최저값을 나타내었다. 이 결과는 재료가 착화 후 연소하면서 최대한 산 소를 소모하면서 최고 열방출률을 나타낸 결과이다. 마. 연기 발생률 화재 발생 시 인명에 위험을 미치는 요인은 열, 연기, 유해가스의 3가 지로 분류되며 이 중 열은 화상을 야기하며, 연기는 가시거리 저하로 대피를 불가능하게 하고 유해가스 중 CO 및 HCN은 혼수상태 또는 사 망에 이르게 하며 HCI 등은 눈과 같은 감각기관과 호흡기관을 자극하 여 기침, 질식, 시력손상을 야기하거나 또는 폐 손상으로 사망에 이르 게 한다. 따라서 화재위험을 종합적으로 평가하기 위해서는 열 발생률, 연기, 유해가스와 같은 fire property를 모두 고려하여야 한다. 15)〈그림 4-12〉와 〈그림 4-13〉에서 시간에 따른 연기 발생률을 비교하였다. 시간 경과에 따른 연기 발생률은 열방출률의 경우와 다른 경향의 그래 프를 보인다. 열방출률의 경우는 착화 후 30초 내에서 최대값을 나타내 고 급격하게 감소하는 반면 연기 발생률은 착화 후 20초 이내에 서서히 감소하다가 40초까지 급격히 증가하고 이후에는 시험 시간인 5분 까지 큰 변동 없이 연기가 발생 하였다. 이와 같은 결과는 폼블럭의 구조적 소재 사이 풍부한 산소가 존재하며, 주성분인 폴리에틸렌과 열 특성이 다양한 다층구조의 성분에 기인한 것으로 판단되며, 연소초기 20초까지 는 열분해와 시료 아래층의 불완전 연소에 의한 연기 발생이 일어나고 40초 부근 연기발생률이 최대가 되는 것은 시료 전체적으로 연소가 일 어나는 것에 기인한다. 이 후 발생하는 연기는 상대적으로 연소속도가 느린 필름층, 코팅층, 접착제 성분의 연소 또는 탄화 과정에서 발생되 는 연소가스라 판단된다.

4.2 가스유해성 측정시험 4.2.1 시험 개요 가. 적용범위 및 시험장치 ISO 19701(Method for sample and analysis of fire effluents)에서는 화 재유출물을 샘플링하고 분석하는 방법을 정의하고 있다. 인체에 유해한 가스를 이산화탄소, 일산화탄소 및 시안화수소와 같은 질식성 가스와 염화수소, 브롬화수소, 불화수소, 질산화합물, 아크롤레인, 포름알데히드 및 이산화황 등과 같은 자극성 가스로 나누고, 이러한 가스를 샘플링하 여 분석하는 기술로써 여러 종류를 소개하고 있는데 그 중 하나가 적외 선분광계(FTIR)이다. 7) ISO 19702(Guidance for sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy)에서는 적외선분광계(FTIR)를 이용하여 일산화탄소, 이산화 탄소, 시안화수소, 염화수소, 브롬화수소, 일산화질소, 이산화질소, 불화 수소, 이산화황, 아크로레인 등 가스의 농도를 분석하는 방법에 대한 일반 지침을 소개하고 있다. 7) 적외선 분광법은 적외선에 노출된 물질은 광학이성질체를 제외하고는 대부분의 경우 다른 화합물과 쉽게 구별할 수 있는 독특한 지문을 제공한다는 성질에 기초하는 분석기법으로 물질 의 정성 및 정량분석에 널리 응용되고 있다. 18)19) 이에 본 연구에서는 〈그림 4-14〉에 나타낸 바와 같이, 가스유해성 을 분석하기 위해 콘칼로리미터 시험기와 적외선분광계를 결합하여 재 료의 열방출 특성과 연소가스의 유해성을 동시에 평가하기 위하여 적외 선 투광 방식의 화학 작용제 탐지기인 핀란드 GASMET사의 DX 4040을 이용하였는데, 이 탐지기는 백팩, PDA, 베터리 및 충전기, 샘플링 프로 브, 라이브러리(불산, 염산, 포름알데히드, 이산화탄소, 일산화탄소, 아세 트알데하이드, 아크롤레인, 아크릴로니트릴 등 34종 가스), 노트북 등으 로 구성되어 있으며, 탐지된 가스의 물질명과 농도를 ppm 단위로 표 시가 가능하여 가스 유해성 분석을 용이하게 한다.

또한, 적외선분광계(FTIR)에 대한 설비 사양은 〈표 4-5〉에 나타내었다.

나. 시험재료 및 시편 실험재료는 콘칼로리미터 시험과 동일한 대형마트, 쇼셜커머스, 인터 넷몰 등에서 판매되는 제품 중 일반 폼블럭 1종과 난연 폼블럭 1종을 선정하였다. KS F ISO 5660-1에 따라 시편은 그림 4-2에 나타낸 바와 같이 가로·세로 각각 100 ㎜인 정사각형의 것으로 3개씩을 준비하였 다. 시험을 실시하기 전에 시편을 ISO 554 기준에 따라 온도 (23±2) ℃ 상대습도 (50±5)%의 조건에서 항량이 될 때까지 처리한다. 모든 시편 들은 시편 고정틀과 함께 시험을 실시한다. 시험을 위한 시편 준비는 시편 고정틀을 아래로 향하도록 하여 평평한 바닥면에 놓고 포일로 감 싼 시편을 노출면이 바닥을 향하도록 하여 시편 고정틀 속으로 넣은 후 시편 고정틀을 시편 홀더에 고정한다. 4.2.2 시험결과 및 고찰 가. FTIR 스펙트럼 모든 유기, 무기분자의 화합물은 어떤 복사선의 에너지(빛)을 받게 되 면 적외선 영역에서 각 물질에 따른 흡수가 이루어지며 이때 각 물질 (성분)별로 고유의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 스펙트럼을 이용하여 각 성분의 정량분석, 정성분석을 할 수 있으며, 이때 광원에서 오는 약한 신호(빛의 흡수량)를 스펙트럼을 분석하는 데는 ‘퓨리에 변환 분광 법’을 이용하는 것이 현재까지는 가장 효과적인 방법이다. 퓨리에 변환 적외선(FTIR: Fourier Transform Infra-red)의 원리는 프 랑스 수학자 Jean Fourier(1768-1830)에 의해 이론이 성립되었다. 광원 으로는 적외선을 이용하지만, 기존의 Filter(일정한 파장의 빛만 통과시 키는 장치)방법 대신에 빛 분배기(beam splitter), 고정거울(reference mirror), 이동거울(moving mirror)을 이용하여 여러 성분을 동시에 분석한다.

FTIR을 이용하여 수집된 스펙트럼으로부터 정성 정량분석을 수행하 였다. 〈그림 4-15〉는 콘칼로리미터 시험기의 가스 샘플링 환형 검침 기와 FTIR 가스탐지기의 샘플링 프로브를 결합한 후 측정된 폼블럭 시 료의 FTIR 분석 스팩트럼이다. x축은 시료에 조사되는 적외선 파수 (wave number, m -1 )로 4,250∼700 cm -1 범위에서 측정되었으며 y축은 적외선 흡광도를 나타낸 것이다. FTIR 스팩트럼 결과 연소가스 내 다양 한 성분이 존재함을 알 수 있으며, Mutifly Reference Spectrum 분석 프로그램(Calcmet Lite software)을 통해 연소가스에 존재하는 각각의 성분과 농도를 측정하였다. 2)

나. 연소가스 분석 〈표 4-6〉은 일반적인 연소가스에 대한 독성기준20) 값을 정리한 것 이다. TWA(Time weighted Average)는 국내 고용노동부 고시를 참조한 근로자가 작업 중 노출허용농도이며, IDLH(Immediately Dangerous to Life or Health)는 일반인이 30분 동안 노출될 경우 생명 또는 건강에 즉각적인 위험을 일으키는 농도, LC50은 30분 동안 실험생물(rat)을 흡 입시 50% 이상 치사시킬 수 있는 농도에 해당하는 기준 값이다.

연소가스 중에서도 아크롤레인, 포름알데히드, 시안화수소, 불화수소 및 포스겐 등이 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있는 물질임을 알 수 있다. 콘칼로리미터 시험기의 가스 샘플링 환형 검침기와 FTIR 가스탐지기 의 샘플링 프로브를 결합한 후 측정된 일반 폼블럭, 난연 폼블럭의 측 정된 연소가스 농도를〈표 4-7〉나타내었다.

두 시편은 모두 5분 이내에 연소가 종료되었고, 연소가스 성분 중 공 통적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 아세트알데하이드, 아크롤레인, 아크 릴로니트릴, 암모니아, 시안화수소, 이산화황 및 이산화질소가 검출되었 다. 반면 포름알데하이드, 브롬화수소, 염화수소, 불화수소 및 포스겐은 검출되지 않았다. 이산화탄소와 일산화탄소 발생농도는 연소가스 성분 중 가장 높게 나 온 것을 볼 수 있는데 이는 폼블럭의 주 구성소재인 폴리에틸렌의 연소 에 의한 것임을 알 수 있다. 아크롤레인은 일반인이 30분 동안 노출될 경우 생명 또는 건강에 즉각적인 위험을 일으키는 농도인 IDLH 값이 2 ppm인 맹독성 가스로 난연 폼블럭에서 5.43 ppm으로 측정되었으며, 이 농도는 인체에 치명적일 수 있는 수치이다. 아크로레인은 석유제품과 유지류 등이 탈 때 생성되는 것으로 자극성이 크고 맹독성가스로 1 ppm 정도의 농도만 되어도 건강에 피해를 줄 수 있으며 10 ppm 이상 의 농도에서는 성인이 즉사할 수 있는 것으로 알려져 있다. 아크릴로니 트릴과 시안화수소가 일반 폼블럭에서 각각 1.11 ppm과 1.05 ppm이 검 출되었으며, 난연 폼블럭에서는 각각 13.12 ppm과 1.55 ppm으로 검출 되었다. 아크릴로니트릴과 시안화수소는 폼블럭 제조 시 사용된 접착제 가 연소되면서 발생된 유해가스로 알려진 물질이다. 폼블럭 연소 시 주 성분인 폴리에틸렌뿐만 아니라 난연성 물질과 접착제 사용량도 유해가 스를 발생시킬 수 있는 중요인자 중 하나임을 알 수 있다. 21) 폼블럭 연소가스의 위험정도를 알아보기 위해 국제적으로 공인된(ISO 13344) 방법을 사용하여 평가하였다. 22) 식 1은 Barbara C. etc가 실험을 통해 제시한 연소가스 독성지수를 구하는 N-Gas model 식을 기초로 하 여 나타낸 것이다. LC50()은 〈표 4-6〉에서 정리한 해당물질()의 LC50 값을 사용하였고, []은 본 실험을 통해 FTIR로 측정한 연소가스 농도값 이다. CO2 농도가 5% 이하일 경우 m=-18, b=122,000이며, CO2 농도가 5% 이상일 경우 m=23, b=-38,600이다. 이는 CO2 농도가 5% 이상이 되 면 CO의 독성은 감소한다는 연구결과에 기초한 것이다. 산소(O2) 농도 는 섹센 3.1에서 콘칼로리미터시험을 통해 측정한 가장 낮은 산소농도 (low O2) 평균값을 사용하였다. Barbara C. etc 실험에서 흥미로운 결과 는 이산화질소 존재 하에서는 시안화수소의 독성이 감소한다는 것이다. 식 1을 적용하여 일반 폼블럭와 난연 폼블럭의 연소가스 독성지수는 각각 0.069, 0.125로 계산되었다(표 4-8 참조). 독성지수 값이 0.8 이상이 면 생물을 치사시킬 수 있고, 1.3 이상이면 대상 생물을 100% 치사되는 값이다. 난연 폼블럭이 일반 폼블럭에 비해 화재시 더 치명적인 유해가 스를 발생할 수 있음을 알 수 있으며, 시료의 양을 고려할 경우 상당량 의 유해 연소가스가 발생될 것으로 예측된다. 2)

4.3 화염전파성시험(KS F 2844 : 2002) 화염전파성시험은 재료의 표면연소성능의 적합성을 평가하는 시험이 다. 19) 표면에서 화염이 전파되는 성상을 파악하기 위한 시험법으로써 터널 로법이나 수직·수평전파법 또는 경사형 시험법들이 사용되며 대 표적인 터널 로법으로는 미국의 ASTM E 84가 널리 사용되고, 수직·수 평전파법으로는 영국의 BS 476:Part7, ISO 5658법이, 경사형 시험법에는 프랑스의 복사 가열 시험법이나 일본의 JIS A 1322가 있다. 4) 본 연구의 건축 재료의 화염전파시험 방법은 수직 방향으로 설치된 제품(155 ㎜×800 ㎜)의 수평 화염 전파를 측정하는 방법으로써, 시험체 는 가스 연소식 복사 패널에 의해 공급되는 적정한 복사열 분포장에 노 출시켜, 연소의 진행에 따라 보정된 배기가스용 열전대로 밀리볼트 신 호값을 측정한다. 시험체의 거리에 따른 불꽃의 착화 및 소화시간을 기록하며, 실험 결과는 착화열, 연소 지속열, 소화시 임계열류량, 평균 연소 지속열, 전 체 방출열 및 최대 방출열 등을 측정한다. 23) 4.3.1 시험 개요 가. 시편 및 시험 준비 시험체의 개수는 〈그림 4-16〉및 〈그림 4-17〉과 같은 일반 폼블럭 과 난연 폼블럭 각각 3개씩 3반복으로 시험체를 시험하였다. 시험체의 크기는 건축 재료의 화염전파 시험 방법(KS F 2844)에 따라 길이 800 ¬  mm, 나비 155 ¬  mm로 하였다. 각 시험체의 길이 방향으로 중간 높 이에 수평 중앙선을 표시하고, 그 선을 따라 50 ㎜ 간격으로 수직선을 그린다. 제로 표시선은 시험체의 노출 부분의 시작점과 일치하도록 하 며, 그려진 표시선이 표면에 손상을 주거나 흡수성을 증가시킴으로써 시험체의 성능에 주지 않도록 한다. 제품이 일반적으로 뒷면에 공간이 없이 사용되는 경우 양생 후에 시험체의 테두리 및 뒷면을 알루미늄 포 일로 싸고, 이 알루미늄 포일은 0.02 ㎜ 내지 0.03 ㎜ 두께, (175+2a) ㎜ ×(820+2a) ㎜(a:시험체의 두께) 크기의 것으로 시험체의 전면 테두리 위를 평평하게 10 ㎜ 정도 중첩되게 한다. 시험체 전면의 포일은 압착 시켜 평평하게 한다. 포일로 싼 시험체는 기판 위에 얹어서 시험체 홀 더에 삽입한다.

나. 시험장치 및 시험절차 본 시험은 한국건설생활환경시험연구원의 전용실에서 ISO 5658-2 : 1998 Reaction to fire tests - Spread of flame-Part2 : Lateral spread on building products in vertical configuration을 기초로 작성한 한국 산업 표 준인 건축 재료의 화염전파 시험 방법(KS F 2844)에 의해 시험하였다.