2.1 시 료

본 연구에서는 방염도료의 연소 유해성 분석과 이를 활용한 화재 위험성 예측의 기초 데이터베이스 확보를 목적으로, 소방용품 형식승인 정보의 방염도료 리스트에서 방염대상처리물이 합판목재인 현장방염처리용 도료로써 처리면적이 5.0 m²/L 동일한 제품 3종(수성 2종, 유성 1종)을 각기 다른 제조사의 제품으로 Table 1과 같이 선정하였다. 대조군 시료로 방염처리가 되지 않은 oriented strand board (OSB)합판에 대한 연소실험도 함께 수행하였다. 시료별 질량차이가 있으나, ISO 13344에 따른 연소유해성 예측은 산출과정에서 연소에 따른 질량감소를 고려하므로 시료는 크기를 기준으로 표준화하였으며, 이를 위하여 방염도료만을 건조시켜 100 × 100 × 10 mm로 재단한 시료를 이용하였다.

Table 1

Samples

2.2 콘 칼로리미터

화재모델은 일반적인 화재 단계를 재현하기 위하여 정의된 조건에서 시험편을 연소시키는 방법으로 연소실험의 중요 요소 중 하나이다(4). ISO/TR 9122-4 “화재 생성물의 독성시험-화재모델”에서 화재생성물의 유해성연구에 사용되는 여러 가지의 화재 모델(시험실 연소 장치)을 제시하고 있다(4). NBS컵 가열로, Upitt 상자 가열로, DIN 53436 튜브 가열로 등의 화재모델 중, 본 연구에 이용된 콘칼로리미터는 연소시료가 공기에 노출되어있어 공기 유량이 높은 동적 화재모델로써, FT-IR과 연계하여 연소생성물의 화재단계별 농도변화가 분석가능하여 채택하였다(5,6). 이와 달리 정적 화재모델은 산소공급이 제한된 밀폐공간에서 연소 후, 축적된 연소생성물을 분석하므로 각 화재단계별 농도변화의 분석이 불가능하다.

본 연구에 적용된 콘 칼로리미터 모델은 ISO 5660을 준용하여 Figure 1의 구조이며, 콘히터로 시료를 가열한 후 전기스파크에 의하여 점화시키는 화재모델이다. 연소열량과 산소소모량이 비례한다는 이론에 기초하여 연소에 의한 산소농도의 감소를 통하여 발열량을 분석하며, 시료하단의 로드셀로 질량변화를 측정한다. 추가적으로 ISO 19702를 준용하여 샘플링포트를 설치하여 FT-IR기기로 샘플링할 수 있도록 구성되었다(5-7).

Figure 1

Cone calorimeter model(5).

2.3 연소가스 분석 기법

연소가스 분석기법을 제시하고 있는 ISO 9122-4에서는 연소생성물을 분석하기 위한 기법으로 gas chromatography (GC), 비분산형 적외선(NDIR), 이온 선택성 전극(ion selective electrode), 가스 검지관(gas detector tube), fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) 등을 제시하고 있다(4).

이 중 적외선 분광법은 적외선에 노출된 물질이 독특한 지문을 제공하는 성질을 이용하여 정성분석을 실시하며, 농도에 따라 흡광도가 변하는 성질(beer–lambert’s law)을 이용하여 정량 분석이 가능한 분석기법이다. 특히 FT-IR은 감도가 높아 정확한 분석이 가능하며, 분석시간이 짧아 실시간 정량분석이 가능하다. 이를 이용하여 다양한 종류의 화재생성물을 연속적으로 모니터링 할 수 있으며, 분석을 실시한 이후에도 저장된 스펙트럼 데이터로부터 새로운 정량기준을 설정함으로써 재분석이 가능하다(6).

본 연구에서는 ISO 19702에 따라 Figure 2와 같이 샘플링 라인을 구성하고, 그 샘플링 라인과 가스셀의 온도를 150 ℃로 설정하여 산성가스 및 기타 물질이 샘플링 시스템이나 FT-IR의 가스셀에 흡착되는 것과 이로 인하여 농도가 변하는 것을 방지하였다(7). 가스셀은 필터로 보호하였으며 그을음과 산성기체를 걸러내는 것을 목적으로 5 μm 필터를 사용하였다. 샘플링포트에서 FT-IR까지 샘플링 라인(직경 3 mm, 테프론재질)의 길이는 3 m, 흡입펌프 유량은 3.5 L/min로 하였다(7). Table 2의 조건에 따라 설정된 가스 분석용 FT-IR은 약 8 s 간격으로 스펙트럼을 출력하며, 이 스펙트럼을 사전에 제작된 정량기준으로 분석하여, 연소가스 정성⋅정량분석 결과를 도출하였다(5,7).

Figure 2

Experimental flow model fllowing ISO 19702.

Table 2

Measure Condition of FT-IR

2.4 LFED 계산

연소생성물은 질식, 자극 등의 유해성을 가지는 다양한 화학종이 혼합되어있기 때문에 정량적 비교를 위한 척도로써 연소독지수가 이용된다. 연소독성지수는 정해진 조건에서 연소실험을 수행했을때의 각 물질별 발생량과 유해성 기준값의 비율로 계산되며, ISO 13344의 fractional effective dose (FED), BS 6853의 Rvalue 등이 대표적인 연소독성지수이다(3,8). ISO 13344의 FED는 개념적으로 무력화유발 FED를 incapacitation fractional effective dose (IFED)로, 사망유발 FED를 LFED로 구분하며, 본 연구에서는 치사율을 기준으로 하는 LFED를 계산하였다. 대상물에 노출시 사망을 유발시킬 것으로 예상되는 LFED는 유해물질의 정량분석 결과와 CO, HCN, HCl, HBr, HF, SO₂, NO₂ 등 유해물질에 30 min간 노출되었을 때 노출대상의 50%가 사망할 것으로 예상되는 유해물질의 농도인 LC50-30 min을 식(1)에 적용하여 계산된 연소독성지수이다. 계산에 이용된 LC50-30 min은 Table 3과 같다(2,3).

Table 3

LC50-30 min of Fire Effluent

CN = concentration of cyanide (L/μl)

X = concentration of each acid gas (L/μl)

Y = concentration of each organic irritant (L/μl)

LC_50,X = LC₅₀ of each acid gas irritant (L/μl)

LC₅₀,_Y = LC₅₀ of each organic irritant (L/μl)

CO₂ = CO₂ concentration (%)

V_CO2= multiplication factor for CO₂-driven hyperventilation (Dimensionless)

Z_A = acidosis factor (Dimensionless)

LFED의 계산은 LC50-30 min을 분모로, 실제 측정값을 분자로 설정하여 유효분율을 계산하므로 계산된 LFED의 값이 1을 넘는 가연물은 그 연소가스에 노출된 재실자를 사망시킬 수 있는 것으로 간주한다(2,3,9). ISO 13344에서는 30 min의 노출시간에 기초한 LC50-30 min을 제시하는데, 30 min 이하의 실험이 이루어지는 경우 LFED는 해당 노출시간에 대한 LC50-30 min과 가스상 물질의 평균 유해성 비율이 되어, LFED가 1인 경우, 노출 대상의 50% 치사를 예상할 수 있다는 방식의 절대적 비교가 불가능하다(6). ISO 5660의 콘 칼로리미터 시험은 15 min에 기초하기 때문에 본 연구에서 도출된 LFED는 시료간의 연소 유해성 수치 비교를 위한 상대수치로 보았으며, 연소 전 시료의 LC50을 도출하기 위한 과정으로 이용되었다(6). 식(1)은 LFED를 이용하여 LC50을 산출하는 과정으로 CN은 HCN의 농도이나 다른 니트릴의 존재와 NO₂의 보호 효과에 대해 교정되어 “HCN + 총 유기 니트릴 - NO₂”로 계산된다(3). 또한, V_CO2 는 CO₂에 의한 과다호흡의 증배율이므로 “1 + e [(0.14⋅CO₂) - 1]/2”로 계산되며, ZA는 산성혈증 계수로 “CO₂ × 0.05”로 계산된다(3,6).

M: Mass loss of specimen (g)

V: Volume of experimental air (m³)

식(2)는 ISO 13344에서 제시된 LC50의 계산식으로 LFED를 이용하여 연소 이전 시료의 LC50을 계산하는 식이다(3). 시료의 질량손실은 실험 전후의 질량 데이터를 이용하였으며, dynamic 화재 모델의 경우에는 분석된 총 유량을 공기의 체적으로 대입하기 때문에 3.5 L/min의 유량으로 15 min간 실험이 진행됨을 감안하여 총 52.5 L의 체적으로 계산하게 된다(5-7). 식(2)를 통하여 계산된 LC50은 1 m³의 공간에 배치가능한 연소 이전 대상물질의 양으로, 전체 공간의 체적 대비 대상물질의 양을 비교하여 화재 시의 연소유해성을 예측하기위한 척도로 이용될 수 있다.

3.1 콘 칼로리미터 실험 결과

3종의 방염도료의 콘 칼로리미터 실험을 통하여 총 발열량, 착화시간, 산소농도 및 질량감소를 분석한 결과는 Table 4와 같다. 시료 B는 257.6 MJ/m²의 THR, 116.78 g의 질량감소로 3종의 시료 중 높은 수치를 보였으며, 시료 A는 11.0 MJ/m²의 THR, 23.62 g의 질량감소로 가장 낮은 수치를 보였다. 또한, 실험시작 후 100 s간의 발열량 그래프인 Figure 3을 통하여 각 시료의 착화지연시간을 확인할 수 있으며, 시료 B의 경우, 약 40 s의 착화지연시간 이후 급격한 연소반응이 발생한 것으로 분석된다. 또한, 시료 A는 가열 개시 후 203 s간 착화되지 않아 착화지연효과가 높고 발열량은 낮아, 화재 시 연소억제 및 재실자의 대피시간확보에 유리할 것으로 사료된다. 시료 B와 C는 착화지연시간과 발열량에서 상반된 결과를 보이는데, 시료 B는 착화지연시간이 시료 C보다 길지만 발열량이 높은 것으로 나타나 연소실험뿐만아니라 연소생성물 분석 및 연소독성지수 산정을 통한 심층 분석이 필요함을 확인할 수 있었다.

Table 4

Experimental Result of Cone Calorimeter

Figure 3

THR of experimental time.

3.2 연소가스 분석 결과

콘 칼로리미터 연소실험으로부터 발생한 연소생성물을 FT-IR로 정성⋅정량분석한 결과는 Table 5와 같으며, 3종의 방염시료에서 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화질소의 발생이 확인되었다. 목재시료 대비 낮은 일산화탄소 발생량을 보였으며, 시료A가 가장 낮은 연소생성물 발생량을 보였다.

Table 5

Calculating Result of LFED

연소생성물 정량분석 결과와 식(1)에 따라 계산된 LFED는 시료 C에서 최대 2.201의 값을 보여, life safety code handbook의 무능화발생 LFED인 0.3과 비치사 LFED인 0.8을 초과함을 확인하였다(2). 이는 목재시료의 LFED보다 높은 값으로 나타났으며, LC50-30 min이 1400 ppm으로 고위험 물질인 SO₂의 발생이 영향을 미친 것으로 사료된다. 앞서 콘 칼로리미터 실험 결과의 분석에서 착화지연시간과 발열량이 상반되게 나타난 시료 B와 C는 LFED 분석을 통하여 시료C의 연소유해성이 높은 것으로 나타났다. 이를 통하여 콘칼로리미터를 이용한 연소실험과 연소독성지수를 활용한 연소유해성 분석은 각각의 분석방법만으로 연소 유해성을 예측하기에 한계가 있으므로, 각 분석결과를 종합적으로 고려할 필요가 있음을 확인하였다.

3.3 LC50 산정 결과

연소독성지수 LFED를 식(2)에 적용하여 LC50을 계산한 결과는 Table 6과 같으며, LFED가 가장 낮은 시료 A의 경우, LC50은 82724 g/m³로 나타났다. 도출된 LC50은 대상 물질이 연소 이전의 상태로 1 m³의 공간에 배치되어 연소했을떄 치사수준을 예측할 수 있는 유해성의 기준이다. 화재 위험성평가의 관점에서 목재시료와 비교 시, 목재는 10 mm 이상 두께의 벽체 및 가구로 배치될 수 있으나, 방염도료는 0.5 mm 이하의 두께로 벽체 및 가연물의 표면에 도포된다. LC50 값이 가장 작은 시료 C의 LC50이 806 g/m³이며, 연소 전 시료의 100 × 100 × 10 mm 부피의 질량인 22.97 g임을 감안하면, 1 m³에 시료 35개 분량이 도포되어야 LC50에 도달할 수 있다. 따라서 일반적으로 방염도료가 도포된 경우, 방염도료의 질량이 LC50에 근접하거나, 그 연소유해성이 치사수준에 도달하기는 어려울 것으로 사료된다. 또한, 콘칼로리미터 실험에서 확인한 착화지연 효과 이후에 연소유해성을 나타내기 때문에 재실자의 대피시간을 확보하는데 도움이 될 수 있어, 연소유해성에 의한 단점보다 착화지연효과를 통한 장점이 큰 것으로 사료된다.

Table 6

Calculating Result of LC50