KR100281697B1 - 도전성 복합물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성 복합물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트계 결합재에 도전성 재료로 입자형 탄소재료 및 섬유형 탄소재료를 적절한 배합비로 혼합한 것을 사용함으로써 고도의 전기적 물성 및 기계적 물성을 나타낼 수 있도록 물성을 조절하여, 우수한 전기전도성과 고강도, 고내구성 등이 요구되는 접지저항 저감용, 정전기 방지용, 전자파 차폐용, 발열용, 부식방지용 등 특수목적의 콘크리트 구조물을 제조하는데 유용한 도전성 복합물에 관한 것이다.

Description

[발명의 명칭]
도전성 복합물
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 도전성 복합물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트계 결합재에 도전성 재료로 입자형 탄소재료 및 섬유형 탄소재료를 적절한 배합비로 혼합한 것을 사용함으로써 고도의 전기적 물성 및 기계적 물성을 나타낼 수 있고, 우수한 전기전도성과 고강도, 고내구성 등이 요구되는 접지저항 저감용, 정전기 방지용, 전자파 차폐용, 발열용, 부식방지용 등 특수목적의 콘크리트 구조물을 제조하는데 유용한 도전성 복합물에 관한 것이다.
종래에는 탄소계 재료를 이용한 도전성 복합물을 제조하는 기술로서 피치 코크스와 시멘트를 이용하는 방법이나 탄소섬유와 시멘트를 이용하되, 주로 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 단독으로 사용하는 것에 국한되었다. 열처리한 피치 코크스를 이용한 제품(마르코나이트, 영국 마르코나이트사)과 탄소섬유를 이용한 제품(도덴크리크, 일본 적수화학사) 등이 개발되었으나 입자형 탄소재료만 사용하는 경우 강도, 전기전도성 등에 문제가 있어 응용범위가 제한적이고, 섬유형 탄소재료만 사용하는 경우는 혼합성능이 좋지 않아 작업성에 문제가 있으며, 섬유의 균일한 분산이 어려워 전기전도성을 좋게 하는데는 한계가 있었다.
시멘트계 결합재와 입자형 탄소재료만을 사용한 종래의 도전성 복합물은 물과 혼합하여 사용할 경우 도전성 탄소 입자와 입자간의 네트워킹이 효과적으로 이루어지지 못하고 일부 분말이 시멘트 페이스트로 둘러싸여 있어 전기전도성에 기하지 못하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 시멘트계 결합재와 탄소섬유만을 사용한 도전성 복합물은 물과 혼합하여 사용할 경우 충분한 섬유의 분산이 이루어지지 않아 전기전도도 향상에 기여하지 못해 필요이상 많은 양의 섬유를 넣어야 하는 문제가 있다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 시멘트계 결합재에 도전성 재료로서 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 적절한 배합비로 혼합한 것을 사용함으로써 전기전도성, 강도 및 작업성을 크게 향상시킨 도전성 복합물을 제공하는데 그 목적이 있다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명은 입자형 탄소재료 또는 섬유형 탄소재료 중에서 선택된 도전성 재료, 결합재, 응결촉진제, 유동화제 및 충전제로 이루어진 도전성 복합물에 있어서, 상기 도전성 재료는 0.05 ∼ 7.5 ㎜의 입도를 갖는 입자형 탄소재료와 2 ∼ 40 ㎜의 길이를 갖는 섬유형 탄소재료가 100 : 0.5 ∼ 100 : 140의 중량비로 혼합된 혼합물인 것을 그 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 도전성 복합물은 시멘트계 결합재에 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합물을 도전성 재료로 사용함으로써 이를 이용해 제조된 구조물의 비저항을 전기응용분야에 적용이 가능한 수준인 1 ∼ 10-1Ω㎝ 정도로 낮추는 것이 가능한 물질이다. 그러므로 본 발명에 따른 도전성 복합물은 전기전도성, 강도 및 작업성을 크게 향상시켜 우수한 전기전도성과 고강도, 고내구성 등이 요구되는 접지저항 저감용, 정전기 방지용, 전자파 차폐용, 발열용, 부식방지용 등 특수목적의 콘크리트 구조물을 제조하는데 유용한 특징이 있다.
본 발명의 도전성 복합물의 결합재로 사용되는 시멘트계 결합재로는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 알루미나 시멘트, 백 시멘트, 초속경 시멘트, 팽창 시멘트, 또는 고강도 시멘트를 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 도전성 복합물에 전기전도성을 부여하기 위해 도전성 골재는 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합물을 사용한다. 종래에 입자형 탄소재료만을 사용하는 기술의 경우에는 강도, 전기전도성 등에 문제가 있어 응용범위가 제한적이었으며, 섬유형 탄소재료만을 사용하는 기술의 경우에 혼합성능이 좋지 않아 작업성에 문제가 있고, 섬유의 균일한 분산이 어려워 전기전도성을 좋게 하는데는 한계가 있는 것과는 달리 본 발명에서는 상기 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 혼합 사용하되, 바람직하기로 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 100 : 0.5 ∼ 100 : 140의 중량비로 혼합 사용함으로써 낮은 도전성 골재 비율로도 우수한 전기전도성을 얻을 수 있어, 강도증진, 도전성재료 절감 등의 상승효과를 얻을 수 있다. 만일, 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료의 혼합비가 100 : 0.5 미만이면 섬유형 탄소재료 첨가에 의한 상승효과가 줄어들기 때문에 도전성 복합물의 비저항을 사용 가능한 수준으로 맞추기 위해 도전성 재료의 양이 많이 들어가 강도가 저하되는 문제가 발생하고, 100 : 140 을 초과하면 섬유의 양이 너무 많아져서 작업시 섬유의 분산성이 나빠 작업성 떨어지는 문제가 있다. 이러한 도전성 재료는 결합재 100 중량부에 대하여 5.5 ∼ 107 중량부로 함유시킨다. 만일, 도전성 재료의 함유량이 5.5 중량부 미만이면 전기응용분야에 적용이 불가능한 비저항 값이 얻어지고, 107 중량부를 초과하면 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 이때, 복합물내의 도전성 재료의 최적 분포 및 충전 상태가 전기전도성 및 저항 안정성, 저항 균일성, 강도에 큰 영향을 주기 때문에 도전성 재료의 입도 및 길이 등을 세밀하게 조정하여야 한다. 즉, 입자형 탄소재료는 입도가 0.05 ~ 7.5 ㎜인 것을 사용하는 것이고 좋고, 섬유형 탄소재료는 길이가 2 ~ 40 ㎜인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 만일, 입자형 탄소재료의 입도가 0.05 ㎜ 미만이면 비표면적이 매우 커지기 때문에 현장 작업시 배합수의 흡수 및 배수 작용에 의해 작업성 저하와 강 저하 등의 문제를 유발시키고, 7.5 ㎜를 초과하면 균일한 혼합이 어려워 골재의 재료분리가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 섬유형 탄소재료의 길이가 2 ㎜ 미만이면 네트워킹에 의한 전기전도성 발현효과와 강도 보강효과가 저하되고, 40 ㎜를 초과하면 재료 혼합시 섬유끼리 엉켜 분산성이 좋지 않은 특성을 나타낸다.
본 발명에서 도전성 재료로 사용되는 입자형 탄소재료는 인조흑연, 토상흑연 및 코크스 중에서 선택한 1종 이상을 사용한다. 이들 중에서 복합재의 강도면에서는 코크스를 사용하는 것이 좋고, 전기전도성면에서는 인조흑연을 사용하는 것이 좋다. 코크스를 사용하는 경우에는 결합재 100 중량부에 대하여 10 ∼ 80 중량부를 사용하고, 인조흑연을 사용하는 경우에는 결합재 100 중량부에 대하여 5 ~ 80 중량부를 사용한다. 만일, 코크스 또는 인조흑연의 사용량이 상기 범위를 벗어나면 전기전도성 또는 강도가 취약해지는 문제가 있다. 또한, 섬유형 탄소재료로는 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(pitch)계 탄소섬유를 사용한다.
본 발명에서는 이러한 입자형 탄소재료와 섬유형 탄소재료를 적절한 배합비로 혼합하고, 바람직하기로는 100 : 0.5 ∼ 100 : 140의 중량비로 혼합하여 이를 도전성 재료로 함유시키는 것이다.
본 발명에서는 전기전도성, 강도 및 작업성을 향상시키기 위하여 상기 재료들의 배합을 적절하게 조절한다. 본 발명에서 최적화시킨 배합은 예를 들면, 결합재 100 중량부에 대하여 도전성 재료로 인조흑연, 토상흑연 및 코크스 중에서 선택한 1종 이상의 혼합물 5 ∼ 100 중량부와 팬계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유중에서 선택한 1종 이상의 혼합물 0.5 ∼ 7 중량부를 혼합하여 사용하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 도전성 복합물의 충전율을 높여 강도를 증진시키고, 시멘트계 결합재의 응결시간을 단축하여 성형 특성을 향상시키기 위해 응결촉진제를 사용한다. 이러한 응결촉진제로는 탄산나트륨, 탄산리튬, 탄산칼슘, 탄산수소리튬, 탄산수소나트륨 및 탄산수소칼륨 중에서 선택된 1종 이상을 결합재 100 중량부에 대하여 0.5 ∼ 5.0 중량부를 첨가한다.
또한, 강도 보강을 목적으로 충전제를 사용하는데, 이러한 충전제는 탄산칼슘, 석회, 실리카, 알루미나 및 탈크 중에서 선택된 1종 이상을 결합재 100 중량부에 대하여 5 ∼ 40 중량부를 첨가할 수 있다.
그리고, 실제 작업시 수분 흡수율을 낮추어 적절한 작업성을 얻기 위해서 적은 양의 배합수를 사용할 뿐만 아니라 도전성 재료의 균일한 분산을 위하여 유동화제를 첨가한다. 이러한 유동화제로는 나프탈렌계, 멜라민계 또는 리그닌계 유동화재를 결합재 100 중량부에 대하여 0.5 ∼ 2.0 중량부를 첨가한다. 이 물질들은 친수성(hydrophilic)과 소수성(hydrophobic)을 모두 갖는 물질(amphiphilic)이기 때문에 유동화제의 역할과 분산제의 역할을 모두 수행함으로써 유동성 증가와 함께 분산특성을 좋게 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 도전성 복합물은 우수한 전기전도성과 강도, 내구성 등을 나타내기 때문에 접지저항 저감, 정전기 방지, 전자파차폐, 발열용, 부식방지용 등 특수한 목적의 구조재로 적용이 가능하다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~5]
실시예 1 ~ 5의 조성 및 함량은 다음 표 1에 나타낸 바와 같으며, 각 재료의 조성 및 함량에 따라 결합재와 도전성 재료, 응결촉진제, 충전제 및 유동화제를 혼합하고 여기에 배합수를 첨가, 혼합한 도전성 복합물을 이용한 구조물을 제작하였다.
상기 구조물의 제작시 혼합방법은 KS L 5190에 규정되어 있는 수경성 시멘트 반죽 및 모르터의 기계적 혼합방법을 사용하였다.
[비교예 1~5]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하되, 비교예 1 ∼ 5의 조성 및 함량은 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로하여 구조물을 제작하였다.
[실험예]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 구조물에 대하여 양생은 항온항습조건에서 실시하고, 1일 양생 후 몰드를 탈형하고, 7일간 대기양생 시킨 후, 비저항, 압축강도, 휨강도 및 작업성을 측정하고, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
저항측정은 시편의 양 끝부분에 은(Ag) 전극을 바른 후 저항측정기(Multimeter, Fluke사 제품)로 측정하였고, 압축강도 및 휨강도는 JIS R 5201에 의하여 측정하였다.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 도전성 복합물은 비교예 1 ∼ 2에서 입자형 탄소재료만을 사용하여 제조한 구조물 및 비교예 3 ∼ 5에서 섬유형 탄소재료만을 사용하여 제조한 구조물에 비하여 전기전도성이 우수하고, 강도도 종래보다 매우 향상되었을 뿐만 아니라 작업성도 향상되었다.
[발명의 효과]
상술한 바와 같이, 본 발명의 도전성 복합물은 시멘트계 결합재에 입자형 탄소 재료와 섬유형 탄소재료의 혼합물을 도전성 재료로 사용하여 전기응용분야에 적용이 가능한 수준인 1 ∼ 10-1Ω㎝ 정도로 낮출 수 있기 때문에, 전기전도성, 강도 및 작업성을 크게 향상시켜 우수한 전기전도성과 고강도, 고내구성 등이 요구되는 접지저항 저감용, 정전기 방지용, 전자파 차폐용, 발열용, 부식방지용 등 특수목적의 콘크리트 구조물을 제조하는데 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 입자형 탄소재료 또는 섬유형 탄소재료 중에서 선택된 도전성 재료, 결합재, 응결촉진제, 유동화제 및 충전제로 이루어진 도전성 복합물에 있어서, 상기 도전성 재료는 0.05 ∼ 7.5 ㎜의 입도를 갖는 입자형 탄소재료와 2 ∼ 40 ㎜의 길이를 갖는 섬유형 탄소재료가 100 : 0.5 ∼ 100 : 140의 중량비로 혼합된 혼합물인 것임을 특징으로 하는 도전성 복합물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자형 탄소재료는 인조흑연, 토상흑연 또는 코크스인 것임을 특징으로 하는 도전성 복합물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 섬유형 탄소재료는 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(pitch)계 탄소섬유인 것임을 특징으로 하는 도전성 복합물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도전성 재료는 결합재 100 중량부에 대하여 5.5 ∼ 107 중량부 함유된 것임을 특징으로 하는 도전성 복합물.
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