KR100547389B1 - 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조방법 - Google Patents

신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 보수, 보강을 위하여 사용되는 코팅 조성물에 관한 것으로서 콘크리트 구조물의 보수시 구콘크리트와 보수용 모르터간의 계면에 접착을 강화하고 구조물의 내구성을 장기간 유지할 수 있는 기능을 부여하는 나노 합성 기술을 이용한 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에서 제안하는 환경친화형 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형 계면접착강화제 코팅제는 금속알콕사이드(Metal alkoxide)라는 출발물질을 이용하여 탈수반응과 탈알콜반응을 통하여 무기질계 폴리머(올리고머)구조를 형성해 가는 합성과정과 수용성 합성수지와 가교반응하는 과정에 의하여 제조되어진다.
상기의 무기질 폴리머 구조는 비정질 형태를 가지며 3차원의 망목구조로서 분자량 2,000-3,000의 저분자 형태를 띠기 때문에 다공성을 갖는 물질에 대하여 침투력이 우수할 뿐 아니라 불용성 구조로서 미량의 수분과도 반응하지 않는 성질의 폴리머라고 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 계면 및 접착 강화제는 콘크리트의 세공 분포를 변화시키게 되는데 세공 직경이 클수록 세공 용적이 크게 감소되고 세공 직경이 작을수록 적게 감소되어 전체적으로 세공 내부에 균질하게 박막으로 코팅되어 열화인자를 차단하게 되는 기능을 나타낸다.
금속알콕사이드, sol-gel, 하이브리드(Hybrid), 콘크리트 표면 보호, 신·구 콘크리트 계면처리제, 접착계면 강화, 친수성, 소수성

Description

신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조방법{Coating compositions of organic-inorganic crosslinked polymer for strengthening the adhesion in interface between old concrete and new concrete and its manufacture method}
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 계면 접착강화용 코팅제를 도포한 경우와 도포하지 않은 상태의 공극분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 표면 마감코팅을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제를 처리한 것과 처리하지 않은 두 콘크리트의 표면을 촬영한 SEM사진이다.
본 발명은 콘크리트 구조물의 보수, 보강을 위하여 사용되는 코팅 조성물에 관한 것으로서 콘크리트 구조물의 보수시 구콘크리트와 보수용 모르터간의 계면에 접착을 강화하고 구조물의 내구성을 장기간 유지할 수 있는 기능을 부여하는 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성 물 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트 구조물의 열화는 대부분 외부적인 원인에 기인한다.즉, 수분이나 기타 외부 유해물질들이 콘크리트 내부로 침투하여 콘크리트 자체를 열화시키거나, 철근의 부식 등을 유발하여 콘크리트 구조물의 성능저하를 일으키게 되는 것이다.
철근 콘크리트 구조물의 수명에 영향을 미치는 열화요인에는 대체로 온도변화, 계절변화에 따른 동결융해, 강우, 습도, 대기조건, 토양의 화학물질 농도 등 환경적인 요인의 것으로서 중성화, 염화물 침해, 철근부식, 동결용해, 황산침해, 알카리 골재 반응 등의 요인이 포함된다.
대부분의 콘크리트 구조물의 열화는 여러 가지 열화 요인 중 여러 가지 혹은 두 세가지 열화요인이 복합적으로 서서히 작용하여 시공 후 사용기간이 경과함에 따라 심화된다.
그러므로 콘크리트의 열화를 방지하기 위해서는 이러한 수분 및 외부 유해물질들의 침투를 근본적으로 차단해야 한다. 건설 분야에서 콘크리트 구조물의 내구성 문제와 관련하여 구조물의 유지· 보수를 위하여 열화된 부위를 제거하고 각종 모르터를 사용하여 보수하는 공법이 다양하게 행하여지고 있다.
기존의 콘크리트 보호 코팅제로 사용되는 재료는 크게 합성수지계와 시멘트계로 구분 할 수 있는데 이들을 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
합성수지계는 수용성 타입으로 수분의 접촉이 반복될 경우 에멀젼의 열화 현상으로 인한 발수, 방수성능 저하 및 환경오염등의 문제를 내포하고 있으며, 시멘 트계는 시멘트의 수화 반응에 의한 콘크리트 조직의 체적 팽창으로 인하여 균열발생 및 누수현상 등의 문제점을 갖게 된다.
본 발명의 주된 목적은 콘크리트 구조물의 보수시 구콘크리트와 보수용 모르터간의 계면에 접착을 강화하고 구조물의 내구성을 장기간 유지할 수 있는 기능을 부여하는 콘크리트 구조물의 보수시 신·구 콘크리트 접착을 위한 계면 처리용 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적에 따른 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조 방법은:
이소프로필알콜(IPA) 5∼7중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 2∼5중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 2∼4중량%, 안료(pigment, bayer제조)12∼14중량%, 물(pH를 1∼2로 조절되도록 질산을 혼합한 액)4∼7중량%를 혼합하여 도료용 분산기로 분산시킨 분산액 A를 만들고, 이 용액에 이소프로필알콜(IPA) 27∼30중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 10∼12중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량% 물(H2O)1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 12∼15중량%,를 차례로 혼합하여 반응시킨용액 B를 만든다.
이 B 용액에 폴리비닐알코올 수용액(P-17,동양화학제품, 물에 5중량%를 용해시킨 수용액) 8∼11중량%을 혼합하여 제조한다.
본 발명의 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형 코팅제는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)라는 출발물질을 이용하여 탈수 반응과 탈 알콜반응을 통하여 단 분자(monomer)에서 올리고머(oligomer)의 형태로 중합과정을 통하여 무기질계 폴리머(올리고머)구조를 형성해 나가는 반응과 이를 수용성 합성수지와 가교결합되어 하이브리드 형태로 반응되어 이루어진 생성물을 제조하는 일련의 합성과정을 통하여 제조 되어진다.
또한, 본 발명은 가수분해 생성물인 올리고머형 알콕시 실란계와 수성 에멀젼을 나노 수준에서 가교 결합하여 제조됨으로 친수성과 소수성을 동시에 발휘하여 계면접착강화제의 경우에는 친수성기를 구콘크리트쪽에 소수성기는 보수용 모르터쪽에 결합되며, 표면 마감 코팅제의 경우에는 반대로 보수용 모르터쪽에 소수성기가 최표면에는 친수성기가 결합되도록 함으로써 발수·방수기능을 나타내게 된다.
따라서, 본 발명은 노후된 구조물의 경우 보수. 충전용 모르터를 접착하기 위한 구콘크리트면과 보수용 모르터간의 계면접착 향상을 통하여 구조물의 내구 수명을 연장시킴과 아울러, 부착력 향상, 소수성계면, 불용성, 통기성, 발수, 방수성 등의 성능을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 콘크리트 구조물의 보수시 신·구 콘크리트 접착을 위한 계면과 콘크리트 표면 마감 코팅을 위하여 콘크리트 구조물의 내·외부로부터 침투하는 열 화인자(수분, 이산화탄소, 염소이온, 황화물 등)를 제어 할 수 있는 통기성구조를 형성하고 부착에 대한 내구성을 확보하도록 콘크리트 구체와의 화학결합이 가능한 기능성 폴리머로 구성된 콘크리트 보호 코팅제를 개발하는데 주안점을 두었으며, 본 발명의 역점과제는 다음과 같다.
첫째, 콘크리트 구체와의 화학결합으로 일체화된 결합 구조,
둘째 통기성 확보로 도막의 박리 현상 해소,
셋째 콘크리트 내부의 세공에 미세기공의 형성으로 열화인자의 제어 기능 (중성화 및 염해 이온),
넷째 800℃의 열에도 견딜 수 있는 무기질 폴리머 고유의 난연성 확보,
다섯째 친수성과 초소수성을 동시 갖는 화학 구조로 결합력 개선과 발수·방수성 향상 등을 목표물성으로 접근하였다.
종래에는 비정질 실리카계 함침제 혹은 실리케이트계 알칼리 회복제을 사용하여 콘크리트의 구체강화, 방수, 알칼리 회복 등을 주요기능으로 제안하고 있으나 다음과 같은 반응기구 X2O SiO2 H2O＋CO2 ·SiO2 ·H2O＋X2CO3 에 의하여 가용성염인 X2CO3의 생성으로 인하여 염농도가 증가되어 백화현상이나 중성화가 촉진될 우려가 있고, 실리카겔(SiO2·H2O)의 알칼리 골재반응으로 인하여 팽창에 의한 균열과 2차공극이 발생되는 등의 문제점을 가지고 있다.
이하, 본 발명에 따른 신·구 콘크리트의 계면 접착강화을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 제조 방법에 따른 바람직한 실시예를 설명 한다.
(바람직한 실시예)
이소프로필알콜(IPA) 5∼7중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 2∼5중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 2∼4중량%, 안료(pigment, bayer제조)12∼14중량%, 물(pH를 1∼2로 조절되도록 질산을 혼합한 액) 4∼7중량% 를 혼합하여 도료용 분산기로 분산시킨 분산액 A를 만들고, 이 용액에 이소프로필알콜(IPA) 27∼30중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 10∼12중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량%, 물(H2O) 1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 12∼15중량% 를 차례로 혼합하여 반응시킨용액 B를 만든다.
이 B 용액에 폴리비닐알코올 수용액(P-17,동양화학제품, 물에 5중량%를 용해시킨 수용액) 8∼11중량% 을 혼합하여 제조한다.
(실시태양)
이소프로필알콜(IPA) 6.36중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 2.73중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 2.73중량% 을 혼합한 용액에 안료(pigment, bayer제조) 13.64중량% 를 혼합한 다음, 물(질산의 pH농도가 1∼2로 조절된 것) 6.36중량% 을 혼합하여 준비한 용액을 바스켓 밀(basket mill, bead를 사용하는 도료용 분산기)로 분산하여 분산액 A 를 얻는다.
분산액 A 에 이소프로필알콜(IPA) 28.18중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1∼2중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 10.91중량%, 노르말헥산(N-H) 2.73중량%, 물(H2O) 2.30중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 15.00중량%를 차례대로 약 5분씩 혼합한 다음 2시간 동안 교반하여 반응시킨 B 액을 얻는다.
상기 B액에 폴리비닐알코올 수용액(P-17, 동양화학제품, 물에 5중량%를 녹인 수용액)을 혼합하여 30분간 교반하여 제품을 얻는다.
상기한 하이드로프로필셀룰로스(HPC)는 점도에 영향을 미치게 되며, 그 량의 증감에 따라 점도가 높거나 낮아진다.
아울러, 물(증류수)는 가수분해작용에 영향을 미치는 것으로, H2O/MTMS(메틸트리메톡시실란)=г 로 표현되는 비율이 가수분해속도 결정에 중요한 요인이 된다.
pH는 가수분해속도에 영향을 주는 요인으로, pH가 낮으면 가수분해속도가 빨라지고, 높으면 가수분해반응 속도가 느리게 일어난다. 따라서, 상기한 pH를 1∼2로 한 것은 바람직한 가수분해반응 속도를 고려한 것이나 질산의 투입량에 따라 pH를 조절하여 가수분해반응속도를 조절할 수 있다.
상기한 폴리비닐 알코올 수지는 유·무기 가교결합용으로 첨가한 것으로 그 량이 과다하면 저장성이 짧고, 과소하면 친수성이 감소된다. 따라서, 상기한 폴리비닐 알코올 수지의 바람직한 성분비는 9∼11중량%가 바람직하다.
본 발명에서 제시하는 나노합성 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형 계면 접 착강화 폴리머는 콘크리트내의 CSH(Calcium Silicate Hydrate)와 직접 수화반응이 가능한 구조로 콘크리트 구체와 일체화되는 화학반응을 이루고 무기질 폴리머형 3차원 망목구조를 형성하기 때문에 기본적으로 물에 불용성이며, 건조후에 초소수성을 나타내기 때문에 배면으로부터의 수분의 확산을 차단하여 장기적으로 안정된 보수상태를 유지할 수 있는 장점을 갖고 있다.
이는 콘크리트 구조물의 보수처리공정에서 보수용 모르터의 내구성과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 매우 중요한 의미를 갖는다.
아울러, 본 발명에서 제안한 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형 계면접착 강화제는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)라는 출발물질을 이용하여 탈수 반응과 탈 알콜반응을 통하여 단 분자(monomer)에서 올리고머(oligomer)의 형태로 중합과정을 통하여 무기질계 폴리머(올리고머)구조를 형성해 나가는 반응과 이를 수용성 합성수지와 가교결합되어 하이브리드 형태로 반응되어 이루어진 생성물을 제조하는 일련의 합성과정을 통하여 제조된 것으로, 이러한 과정을 통하여 제조된 무기질 폴리머 구조는 비정질 형태를 가지며 아래의 [그림1]과 같이 3차원의 망목구조을 띤다.
Figure 112002043150795-pat00001
[그림1] 망목구조(Network)
이러한 반응과정을 통하여 생성된 코팅 조성물은 분자량이 2,000∼3,000의 저분자 형태를 띠기 때문에 다공성의 무기재료에 대하여 침투력이 우수할 뿐만 아니라 불용성 구조로서 미량의 수분과도 절대 반응하지 않는 성질의 불용성 박막을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형 계면접착 강화제에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명과 종래의 기술과의 비교를 위하여 종래의 신기술 331호(종래기술 A라 함)와 종래의 신기술 334호(종래기술 B라 함)를 비교예로 설정하였는데 이는 유사한 종래 신기술중 대표적인 차별성을 설명하기 위한 목적임을 먼저 밝혀 두는 바이며, 종래의 기존 신기술에 제시된 내용을 근거로 본 발명의 주요 구성원료와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
[표1] 알콕시 실란과 일반 실란계 원료와의 화학 성분
본 발명 종래기술 A 종래기술 B
- 알콕시실란(금속알콕사이드) - 증류수 - 반응성 촉매(PH 조절용) - 수용성 합성수지 - 무기질 안료 - 이소프로필 알코올 - 리튬 실리케이트수용액 - 실란 화합물 - 실란/실록산 혼합물 - 증류수 - 계면 활성제 - 유화제 - 물 유리 (Na2O·SiO2·nH2O)
위 [표1]의 내용에서 알 수 있는 바와 같이 종래기술 A에서는 리튬실리케이트 수용액(알칼리 회복제)에 실란화합물을 혼합한 용액을 사용하였고, 종래기술 B에서는 물유리 수용액에 실란/실록산 혼합물을 계면 활성제와 유화제를 사용하여 물에 희석시킨 후 혼합하여 사용되었음을 알 수 있다. 이를 보다 구체적으로 비교 하여 보면 다음과 같다.
[표2] 알콕시 실란과 일반 실란계 원료의 결정 구조 비교
구 분 본 발명 종래기술 A(신기술 331호) 종래기술 A(신기술 334호)
외 관 - 투명/칼라 침투형 - 투명/칼라 도막형 - 투명 침투식 - 크림형 침투식
결정(화학)구조 비정질 3차원 망목구조
Figure 112002043150795-pat00002
 선형 고분자 구조 Li2O,SiO2,nH2O+Si(OH)n 반응에 의한 수소 결합상의 선상 고리구조 선형 고분자 구조 Na2O,,SiO2,,nH2O+Si(OH)반응에 의한 수소 결합상의 선상 고리구조
상기 [표2]에서 알 수 있는 바와 같이 종래기술 A와 종래기술 B의 경우에는 실란/실록산 수용액을 리튬 실리케이트 수용액(종래기술 A)이나 물유리(종래기술 A)에 단순 혼합하여 OH-이온에 의한 수소결합을 유도하여 선상 고분자의 형태를 갖는다.
반면에 본 발명의 경우에는 [표2]에 주요 화학 성분이 제시되어 있는 바와 같이 알콕시 실란(금속 알콕사이드)모노머를 출발 물질로 하여 가수분해 반응에 적합한 배합 비율을 연구하여 중축합 반응을 통하여 요구하는 분자 수준의 올리고머형으로 무기질계 폴리머를 합성하는 것이 핵심적인 기술이라 하겠다.
콘크리트 구체에 침투가 용이할 뿐만 아니라 보수 시공 중에 시공 관리가 용이하도록 무기질 안료를 혼합하여 다양한 색상을 나타낼 수 있다.
위 [표1]에 제시된 원료를 출발물질로 하여 제조되는 알콕시실란계 무기질 폴리머계 코팅제의 제조에는 기능성 박막제조에 활용되는 나노수준 분자제어 기술인 “Sol-gel 공정(process)”을 도입하였다.
1) Sol-gel 공정의 원리는 아래의 [그림2]와 같은 결합 구조를 갖는 중합체를 시멘트겔체와 화학결합을 유도하여 콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키고자 하는 것을 본 발명의 기술 목표로 설정하였으며 사용목적에 따라 수용성 합성수지와 가교결합을 유도하여 콘크리트의 균열에 대한 저항성을 개선 할 수 있도록 분자수준에서 제어함으로써 콘크리트 열화인자를 근본적으로 차단하며 내구성이 향상된 계면 접착강화제을 제조할 수 있다.
[그림2]
Figure 112002043150795-pat00003
2) 반응 과정
① 가수분해 반응
Si(OR)n + XH2O → Si(OH)x (OR)n-x + X ROH
② 중축합 반응
- Si-OH+H-O-Si → -Si-O-Si + H2O(탈수반응)
- Si-OH+R-O-Si → -Si-O-Si + ROH(탈알콜반응)
상기의 ①, ②반응은 반응온도 출발 물질의 종류, 농도, 물의 함량, 반응성 촉매의 종류, PH등에 의하여 반응이 좌우되며 이로 인하여 생성되는 중합체가 선상고분자 또는 망목상 고분자 형태로 달라지게 된다.
따라서 [표2]에서 알 수 있는 바와 같이 종래기술 A,B의 경우에는 결정구조가 선상고분자 구조임을 미루어 볼 때 실란/실록산계 화합물로 수용액상에 단순 유화되어 있음을 확인할 수 있으며 본 발명의 경우에는 이상적인 무기질계 폴리머 구조인 3차원 망목구조가 생성되며, 폴리머의 결정구조는 콘크리트와의 결합뿐만 아니라 장기적인 내구성에서도 중요한 역할을 한다.
시멘트 수화물(Ca(OH)2등)과의 반응기구는 다음의 반응 (1)항의 가수분해 결과물로 생성된 Si(OH)3와 시멘트 수화물의 OH-이온이 수소 결합되어 형성되기 때문에 반응 (2)항의 화학구조식으로 표현할 수 있다.
따라서 침투가 용이하고 3차원 망목 구조상으로 콘크리트와 일체화된 결합이 가능하게 되는데 시멘트 수화물과의 반응은 다음과 같다.
(1)가수분해반응:R.SiX + 3H2O → R Si(OH)3 + 3HX
[그림3] 시멘트와 수소결합 반응
Figure 112002043150795-pat00004
(2) 합성수지와 가교결합은 아래의 [그림3]과 같이 이루어지며, 무기질계 폴리머 결합은 유연성이 부족하여 균열에 대하여 취약한 것으로 밝혀져 있기 때문에 이를 개선하기 위하여 아래 [그림3]과 같이 수용성 합성수지와 나노수준에서 가교결합한 하이브리드계 도포제는 균열에 대한 저항성을 개선하게 된다.
[그림4] (가교형 유무기 복합 중합체 생성 모델)
Figure 112002043150795-pat00005
위 [그림4]에서 알 수 있는 바와 같이 최종적으로 생성된 실록산(siloxane)이 시멘트 표면에서 결합되어 초소수성의 표면 특성을 나타내게 되며 반대쪽에는 수용성폴리머를 분포시켜 내수성이 우수하며 통기성을 가진 기능성 도막을 얻을 수 있고 이는 계면 접착강화 목적으로 도포 시 보수용 모르터와의 접착을 용이하게 하고 장기적으로 구콘크리트를 보호할 수 있는 성능을 나타내는 것이다.
Figure 112002043150795-pat00006
[그림5] 신·구 콘크리트 계면과의 접착 개요
위 [그림5]에서 본 발명의 계면 및 접착 강화제의 특성은 구콘크리트쪽에 소수성 실록산 구조를 분포시켜 구콘크리트와의 수소결합을 유도함으로써 소수성을 나타내어 구콘크리트 쪽에서 침투하는 수분이나 열화인자를 차단할 뿐만 아니라 구콘크리트 면과의 접착을 강화시키는 기능을 나타낼 수 있으며, 충전용 모르터 쪽에는 친수성 폴리머를 분포시켜 충전용 모르터와의 접착을 증가시키며, 내부에는 소수성 폴리머(siloxane 결합)가 결합되어 접착 후 친수성 폴리머는 충전용 모르터 쪽으로 이동되어 최종적으로는 소수성을 나타내도록 하여 통기성을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 실란계 원료를 이용한 무기질 폴리머계 계면접촉 강화용 폴리머의 개념을 도입하게 된 이유는:
1) 나노수준에서의 분자 제어기술을 이용한 폴리머합성으로 콘크리트 열화인 자의 차단,
2) 무기질계 폴리머의 3차원 망목구조를 이용한 통기성 구조의 폴리머 구조 형성으로 도막 박리 현상억제,
3) 콘크리트 수화물과의 화학결합(수소결합)을 유도하여 콘크리트 구체와의 일체화된 결합 모델제시,
4) 수용성 합성수지와의 가교결합을 유도하여 하이브리드형 폴리머의 합성을 통하여 균열저항성을 개선할 수 있기 때문이다.
다시 말해서, 금속 알콕사이드 상태의 모노머를 원하는 수준의 분자량으로 반응을 유도하는 공정과 이를 수용성 합성수지와 가교 반응시켜 원하는 화학구조를 만들고 여기에 기능을 부가시킨 새로운 형태의 폴리머를 개발하여 이를 계면접착 강화제 형태로 제조한 제품이라고 하겠다.
본 발명에서 개발된 나노합성 침투성 알콕시 실란계 하이브리드형(Hybrid type)계면 접착 강화제는 콘크리트 내의 CSH(Calcium Silicate Hydrate)와 직접 수화반응이 가능한 구조로 콘크리트 구체와 일체화되는 화학반응을 이루고 무기질 폴리머형 3차원 망목구조(Network)를 형성하기 때문에 기본적으로 물에 불용성이며, 건조 후에 초소수성을 나타내기 때문에 배면으로부터의 수분의 확산을 차단하여 장기적으로 안정된 보수상태를 유지할 수 있는 장점을 갖고 있음이 확인되었다.
이는 콘크리트 구조물의 방수처리 공정에서 보수용 모르터의 내구성과 직접적으로 관계되어 있기 때문에 매우 중요한 기술적 의미를 가진다. 이를 보다 상세히 설명한다.
[그림6]
Figure 112002043150795-pat00007
상기의 [그림6]에서 가수분해 반응은 (M:금속, R:알킬기)M(OR)n＋XH2O → M(OH)x(OR)n-x＋ROH과 같고, 중축합반응 ⇒ 탈수반응: -Si-OH＋H-O-Si → -Si-O-Si+ H2O (3차원 망목상 구조 형성), 탈알콜반응:-Si-OH＋R-O-Si → -Si-O-＋ROH의 반응식을 갖는다.
이러한 반응과정을 통하여 생성된 코팅 조성물은 분자량이 2,000∼3,000의 저분자 형태를 띠기 때문에 다공성의 무기재료에 대하여 침투력이 우수할 뿐만 아니라 불용성 구조로서 미량의 수분과도 절대 반응하지 않는 성질의 불용성 박막을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 무기질 폴리머의 3차원 망목구조로 인하여 약 1∼2Å정도의 미세 기공이 형성됨으로서 콘크리트 내의 유해성 이온의 침입을 억제 할 수 있으며, 통기성을 유지하기 때문에 도막형 방수재와 달리 내부 수증기의 증발에 의한 팽창 압력으로 인한 도막의 박리 현상이 발생하지 않는 특성을 갖게 되는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요성능은 이를 도포한 경우 콘크리트 내부 공극 구조의 변화는 도 1을 통해 확인할 수 있다.
도1은 알콕시 실란계 계면 접착 강화용 폴리머를 도포한 시험체의 공극분포를 측정한 자료로서 (a)무도포시험체는 전형적인 콘크리트 수화조직내의 공극분포를 공극 크기별로 나타낸 내용으로 일반적으로 콘크리트 수화 반응으로 형성되는 수화조직에서 취급하는 공극 크기는 10㎚∼100㎛ 범위이다.
(b)도포시험체의 그래프는 본 발명의 코팅 조성물을 도포한 후의 콘크리트 내부 공극 분포를 나타내는 분포도 곡선으로 무도포 시험체의 경우와 비교하여 볼 때 미세한 기공으로부터 비교적 큰 기공까지 균일하게 침투됨으로써 세공경이 크기 별로 일정량 감소되었음을 나타내는데 이는 계면처리제가 저분자량으로 구성되어 콘크리트 내부로의 침투가 용이하고 공극 내부에 박막 형태로 코팅되어 공극의 부피가 감소되었고 전체적인 공극 분포는 무도포 시험체의 경우와 유사한 성상을 나타내고 있음을 알 수 있다.
그러나, 기존의 유기계 폴리머 방수재의 경우에는 공극을 모두 충진하기 때문에 (b)의 분포도 곡선이 X축에 평행하거나 거대한 공극에서의 공극량 감소가 예 상된다.
도2를 참조하면, 도2는 본 발명에 따른 신·구 콘크리트의 계면 접착강화를 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물을 처리한 것과 처리하지 않은 두 콘크리트의 표면을 촬영한 SEM사진으로, 주사전자현미경의 사진에서 무도포 시험체의 경우 전형적인 콘크리트의 수화된 조직을 나타내고 있으나 도포 시험체의 경우 표면 뿐만 아니라 단면 조직 구조에서도 매우 치밀하게 침투되어 공극이 미세하게 변화되었음을 볼 수 있다.
따라서, 외부로부터의 수분 침투를 억제함으로써 콘크리트의 열화원인이 되는 염소이온이나 CO2 가스의 침투 및 확산이 어렵게 되는 것이다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 본 발명의 표면처리제는 화학 구조상 3차원 망목구조(-O-Si-O-)를 형성되어 약 1∼2Å 정도의 미세 기공이 존재하게 되는데, 이는 내부의 수분을 외부로 방출함으로써, 통기성을 갖게 되어 도막의 박리가 발생되지 않는 주요 원인이라 하겠다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 화학적 물성으로 인하여 발휘되는 성능을 요약하면, 콘크리트와의 반응을 통하여 일체화된 조직 특성을 가지며, 신·구콘크리트의 계면접착 강화용 코팅제로 사용되어질 경우 부착력 향상, 소수성계면, 불용성, 통기성, 발수, 방수성 등의 성능을 나타내고, 만일 콘크리트 표면 마감용 코팅제로 사용될 경우 상기의 성능 이외에 열화인자 차단, 도장효과, 색상 발현 등의 복합기능을 나타내는데, 이는 기존의 합성수지계 재료와는 근본적으로 다른 환경 친화적 소재로서, 내약품성, 내오존성 등이 우수하기 때문에 장기적인 내구성을 기대할 수 있어 시공 후 유지보수 비용을 대폭 절감 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명에서 개발하고자 하는 환경친화형 침투성 알콕시 실란계 계면접착 강화용 폴리머는 아래의 [표4] 에서와 같은 원료와 기술로 요약할 수 있으며, 제품의 종류에 따라 용도를 달리 구분하여 사용 할 수 있다.
[표4] 알콕시 실란계 표면처리제의 구성원료
Figure 112002043150795-pat00008
이러한 계면 및 접착 강화제는 아래[그림6]과 같이 콘크리트의 세공 분포를 변화시키게 되는데, 세공 직경이 클수록 세공 용적이 크게 감소되고, 세공 직경이 작을수록 적게 감소되어 전체적으로 세공 내부에 균질하게 박막으로 코팅되어 열화인자를 차단하게 되는 기능을 나타내며 [그림6]의 사진에서 도포후의 표면 구조로써 전형적인 수화물 조직과 일체화된 도포형상을 확인할 수 있다.
[그림6]
Figure 112002043150795-pat00009
(a)무도포 시험체 SEM사진 (b)알콕실란계 도포 시험체 SEM사진
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 부착 강도 및 계면의 소수화 특성은 아래의 [표5]에 나타낸 바와 같다. [표5]는 본 발명에 따라 보수용 모르터의 부착력을 확인하고자 본 발명에 사용되는 코팅 조성물과 국내 A사의 방수재를 비교하여 KS F 4918에 준하여 시험한 내용이다. 본 시험결과로부터 다음의 결론을 얻을 수 있다.
[표5] 보수용 모르터의 부착력 시험(평균값)
Figure 112002043150795-pat00010
계면처리 조성물을 처리한 경우와 무처리의 경우는 모르터의 종류에 무관하게 약 10% 정도 부착력이 감소된 것으로 나타나고 있는데, 이는 외국의 부착력 관리 기준값을 상회하는 수치로서 비교적 안정적으로 판단되며 계면 특성상 가장 중요한 결과는 아래[그림7]에서 보는 바와 같이 계면이 소수화 처리되어 근본적으로 구콘크리트쪽의 배면으로부터 침투하는 수분(열화이온을 함유하는 수분)을 완전하게 차단할 수 있음을 확인 할 수 있었다.

Figure 112002043150795-pat00011
(a) 4주 양생 후 부착력 시험
Figure 112002043150795-pat00012
(b) 4주 양생 끓는물 2시간 후 부착력 시험
Figure 112002043150795-pat00013
(c) 계면처리(CT-400CI)에 의한 발수성 시험
[그림7] 보수용 모르터의 계면 부착력 및 방수성 평가

Claims (2)

  1. 콘크리트의 표면처리 마감용 유·무기 복합 폴리머계 코팅제 조성물 제조방법에 있어서,
    이소프로필알콜(IPA) 5∼7중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 2∼5중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 2∼4중량%, 안료(pigment, bayer제조) 12∼14중량%, 물(pH를 1∼2로 조절되도록 질산을 혼합한 액) 4∼7중량% 를 혼합하여 도료용 분산기로 분산시킨 분산액 A를 만들고, 이 용액에 이소프로필알콜(IPA) 27∼30중량%, 하이드로프로필셀룰로스용액(HPC, 이소프로필알콜에 1.5중량%의 하이드로프로필셀룰로스를 용해시킨 용액) 10∼12중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량%, 물(H2O)1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 12∼15중량% 를 차례로 혼합하여 반응시킨용액 B를 만들고, 이 B 용액에 폴리비닐알코올 수용액(P-17,동양화학제품, 물에 5중량%를 용해시킨 수용액) 8∼11중량%을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 신·구 콘크리트 표면 마감코팅을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물 제조방법.
  2. 제1항에 따라 제조된 신·구 콘크리트 표면 마감코팅을 위한 유·무기 가교형 복합 폴리머계 코팅제 조성물.
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