KR100547946B1 - 폐 피이티 재생 불포화 폴리에스테르 수지와 폐유리를이용한 폴리머 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

폐 피이티 재생 불포화 폴리에스테르 수지와 폐유리를이용한 폴리머 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐 PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 및 폐유리를 이용하여 자원의 재활용, 환경보존 및 경제적 이득을 얻기 위한 것으로 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르를 결합재로, 폐유리를 골재 및 충전재로 이용한 폴리머 콘크리트 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.
이에 따른 본 발명은, 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 5~30 중량%, 충전재 5~30 중량%, 골재 40~90 중량%, 조골재의 폐유리 치환률 0~100%로 조성되는 기본적인 구성에서, 세골재의 폐유리 치환률 0~100%로 구성할 수 있고, 세골재와 조골재 모두를 치환하며 치환률 0~100%로 폴리머 콘크리트 조성물을 구할 수 있으며, 또한 상기 폴리머 콘크리트 조성물을 50~200℃에서 24시간이상 양생함으로써 폴리머 콘크리트의 제조방법을 얻을 수 있다.
PET, 폴리머 콘크리트

Description

폐 피이티 재생 불포화 폴리에스테르 수지와 폐유리를 이용한 폴리머 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법{A manufacturing process of polymer concrete using unsaturated polyester resin based on PET wasted and glass wasted}
본 발명은 폐 PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 및 폐유리를 이용하여 자원의 재활용, 환경보존 및 경제적 이득을 얻기 위한 것으로 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르를 결합재로, 폐유리를 골재 및 충전재로 이용한 폴리머 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.
폴리머 콘크리트를 제조하는 방법에는 일반적으로 세가지 방법이 있다.
첫째 방법으로는 기존의 포틀랜드 시멘트 결합재에 유리 고분자물을 첨가하여 강도를 보완한 PCC(polymer-modified cement concrete)가 있다. 이 방법은 분산시킬 수 있는 유화입자나 고분자 분말 또는 그 단량체를 시멘트 결합재와 혼합하고 물과 섞음으로써 시멘트의 수화작용과 동시에 시멘트층 위에 고분자 피막층이 형성되어 내부를 보호하는 구조로 이루어진다.
두 번째 방법은 골재의 결합재로서 순수한 고분자물을 사용하는 PC(Polymer concrete)이다. 이 방법은 결합재로서 고분자를 사용하기 때문에 일반적으로 보통 콘크리트에 비해서 강도, 접착력, 내구성, 내후성 및 화학적 저항성이 뛰어난 것으로 평가된다.
세 번째 방법으로는 이미 단단해진 시멘트로 이루어진 콘크리트물을 고분자 단량체로 함침시킨 PIC(Polymer Impregnated Concrete)가 있으나 실제 응용이 어렵고 비용이 많이 들어 잘 사용되고 있지는 않다.
이상과 같은 폴리머 콘크리트는 결합재로 시멘트 대신에 고분자를 사용하기 때문에 수분이나 공기의 침투가 용이하지 않아서 외부환경에 대한 내구성이 뛰어나며, 고분자와 골재와의 강한 결합력으로 인해 일반 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하는 시멘트 콘크리트에 비해서 압축 및 휨강도가 우수하다고 알려져 있다. 따라서 장기간 내구성 요구되는 통신용 멘홀이나 방사성 폐기물 용기 등의 제작에 사용되기도 하며, 일반 콘크리트로 만들어진 다리, 고속도로, 주차장 등의 보수공사에 이용된다.
국내 유리의 총생산량은 약 160만톤이고 그 중 약 54.5%가 창문 등에 사용하는 판유리, 약 42%가 병 등에 사용하는 소모적 유리제품, 기타 3.5%이며 그 재활용율이 99년 72.5%로 증가해왔으나 병용기를 제외한 폐유리, 특히 건설폐기물로 배출되는 폐유리는 아직까지 회수가 제대로 이루어지지 않고 폐기처분되는 실정이다.
더욱이 최근 환경파괴와 부존자원 고갈등의 이유로 천연골재의 채취가 규제됨에 따라 골재난이 심각한 상황을 고려할 때 폐유리의 건설재료로의 이용은 환경보전 및 비용 면에서 그 가치가 클 뿐만아니라 천연골재의 채취, 선별, 유해물제거, 함수량 조절등의 번거로운 골재 준비 작업소요 또한 줄일 수 있다.
현재 폐유리의 건설재료로의 이용은 글라스울 단열재, 도로포장용 골재(아스팔트 포장), 타일, 경량골재 등이 실용화 또는 시험적으로 이용되고 있는 상황이다. 그러나 이것은 시멘트 콘크리트에 국한된 것으로 시멘트 콘크리트와 비교할 때 그 성능이 월등한 폴리머 콘크리트에 활용은 없는 실정이다.
이와 같이 종래의 폴리머 콘크리트가 그 성능이 우수함에도 불구하고 비용 면에서 불리하기 때문에 상용화에 어려움이 있었으며 폐유리는 건설재료로의 재활용이 미비하였다.
또한 종래의 폴리머 콘크리트는 기본적으로 생산비용이 커 고스란히 소비자가격에 반영되는 문제점도 제기되어 왔다.
이에 본 발명자는 폐PET를 재생한 불포화 폴리에스테르 수지를 결합재로 이용하고 골재 또는 충전재로써 천연재료에 비해 그 값이 저렴한 폐유리를 사용함으로서 생산단가를 낮추는 동시에 환경보전의 효과도 기대할 수 있는 기계적 성질이 우수한 유리 폴리머 콘크리트의 제조방법을 제시하였다.
본 발명의 목적은 결합재로 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지와 골재 또는 충전재로 폐유리를 이용하여 저렴하고 기계적 성질이 우수한 유리 폴리머 콘크리트의 제조방법을 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지와 골재 또는 충전재로 파쇄된 폐유리를 포함하는 것을 특징으로 한다. 종래 폴리머 콘크리트에서는 열가소성 수지를 사용하였으나 강도 등의 기계적 특성이 불량하고 경화수축이 발생하는 문제점이 있었다. 반면 본 발명에서는 열경화성 수지인 폐 PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지를 사용함으로써 폴리머 콘크리트의 기계적 특성이 향상되었고 또한 폐PET를 재활용한 수지를 사용하고 충전재 또는 골재로 폐유리를 사용함으로써 제조 단가를 낮추어 비용문제를 해결하는 동시에 환경보전의 이득을 얻을 수 있다.
일반적으로 폴리머 콘크리트에서는 에폭시 수지, 폴리 우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 고분자 수지가 사용되었다. 에폭시 수지는 경화거동을 조절하기가 용이하지 않아서 실제 콘크리트 제작에 어려움이 따르기는 하지만 반응시 낮은 수축율과 괄재와의 강한 결합력 등의 장점을 가지고 있다. 폴리 우레탄은 에폭시 수지와 마찬가지로 축합 반응을 통해 결합하기 때문에 경화 반응을 조절하기가 용이하지는 않은 면이 있다. 이에 비해서 아크릴레이트 수지나 불포화 폴리에스터 수지는 라디칼 반응을 통해서 경화가 일어나므로 용이하게 고형화를 조절할 수 있다. 특히 아크릴레이트 수지는 휘발성이 강하며 골재와의 결합력이 충분하지 않기도 하지만, 단량체로 주로 메틸 메타크릴레이트를 사용하므로 낮은 점성으로 인해 쉽게 골재와 섞을 수 있다는 장점이 있다. 불포화 폴리에스테르는 폴리머 콘크리트 결합제로서 가장 널리 사용되는 물질로서 골재와의 결합력이 좋고 분자량도 큰 장점이 있다. 액상의 불포화 폴리에스테르 등의 상기 고분자 수지는 하나의 분자에 여러개의 미반응 이중 결합을 포함하고 있으며, 이 부분이 라디칼 반응을 하면서 유도하게된다. 또한 불포화 폴리에스테르 외에도 스티렌 단량체를 수지 내부에 희석제로 첨가하여 수지의 점성을 낮춤으로써 작업성을 향상시킬 뿐만 아니라 가교도를 조절할 수 있다.
본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 5~40 중량%, 충전재 5~40 중량%, 세골재 0~90 중량%, 조골재 0~90 중량%, 충전재 폐유리 치환률 0~100%, 조골재 폐유리 치환률 0~100% 또는 세골재 폐유리 치환률 0~100%로 구성되는 것이 바람직하다.
수지 함량은 5~40 중량%가 바람직하나 수지 함량이 너무 적으면 입자간 결합력이 약해지고 성형성 및 작업성이 불량해지며 과다하면 강도가 저하되고 비용문제가 있으므로 5~30 중량%가 더욱 바람직하다.
충전재는 탄산칼슘 또는 플라이애쉬를 사용하는 것이 바람직하고 그 미세분말은 세골재 사이에 스며들어 수지의 필요량을 감소시키고 경화체의 기계적 강도를 증가시키는 역할을 하며 그 함량은 5~40 중량%가 바람직하나, 더욱 바람직하게는 5~30 중량% (수지:충전재 = 1:1)이다.
폐유리 골재의 입경은 세골재를 대체하는 유리골재의 경우 0.075mm~4.75mm, 바람직하게는 0.1 ~ 1.0 mm, 조골재를 대체하는 유리골재의 경우 4.75~50mm가 바람직하며, 충전재를 대체하는 폐유리(폐유리 미세분말) 입경은 0.005 ~ 0.075mm인 것이 바람직하다. 이러한 유리골재와 세골재 또는 조골재로 하는 골재의 함량은 0 ~ 90중량%로 하여 구비하도록 하고 있으나, 40 ~ 90 중량%로 함이 더욱 바람직하다.
양생방법은 상온양생(20±3℃)과 고온양생이 있으며 고온 양생의 경우 양생온도는 50~200℃에서 24hr 이상 양생이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
결합재로 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지를 사용하였으며 개시제로 메틸에틸케톤 퍼옥사이드(MEKPO)를, 촉진제로 옥탄산코발트를 각각 사용하였다.
충전재로는 10~30μm 입경의 플라이 애쉬(또는 유리분말)을 사용하였고 세골재로 1mm이하 규사와 조골재로 13mm이하를 함수비 0.3%이하가 되도록 노건조하여 사용하였다
각 재료는 무게로 계량하였으며 1회 계량분의 0.5%까지 읽을 수 있는 계량기를 사용하였다. 성형몰드는 알루미늄 금형 (직경7.5㎝, 길이15m의 원통형)을 사용하였으며 배치 믹서기를 사용하여 혼합하였다. 이형제로 왁스를 사용하였고 외부진동기를 이용하여 다짐을 실시하였다.
하기 표1 <실시예 ①~④>는 충전재와 골재함량은 변화없이 수지량에 변화 따른 강도 변화이다.
[표 1] 수지량별 유리 폴리머 콘크리트의 강도(중량%, wt.%)
실시예 번 호 수지량 (중량%) 충전재량 (중량%) 유리조골재(중량%) 유리세골재 (중량%) 압축강도 (kgf/㎠) 휨인장강도 (kgf/㎠)
① 9 9 41 41 198 74
② 11 11 39 39 232 97
③ 13 13 37 37 249 99
④ 15 15 35 35 253 101
상기 실시예에서 알 수 있듯이 수지량이 늘어남에 따라 강도가 증가하였다. 그러나 11 중량% 이상이 되면 강도의 증가량이 둔화되어 비용을 고려할 때 11 중량%가 가장 바람직하다 하겠다. 따라서 이하 실시예는 수지함량 11 중량%를 제시하였다.
<실시예 1~12>는 유리 폴리머 콘크리트의 제조 배합비이다.
[표 2] 조골재대체 중량별 배합비율(중량%)
실시예 번 호 수지함유량 충전재량 조골재 조골재에 대한 폐유리 골재 치환률 세골재량
1 11중량% 11중량% 39중량% 25% 39중량%
2 50%
3 75%
4 100%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비(중량%)이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1중량%씩 포함된 것이다.

상기 조골재 및 세골재는 천연골재를 포함하는 것이다.
실시예 번 호 수지함유량 충전재량 천연조골재(39%)에 대한 폐유리 골재 치환률 천연세골재량
1 11% 11% 25% 39%
2 50%
3 75%
4 100%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1%씩 포함된 것이다.
[표 3] 세골재대체 중량별 배합비율(중량%)
실시예 번 호 수지함유량 충전재량 조골재량 세골재 세골재 대비 폐유리 골재 치환률
5 11중량% 11중량% 39중량% 39중량% 25%
6 50%
7 75%
8 100%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비(중량%)이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1중량%씩 포함된 것이다.

상기 조골재 및 세골재는 천연골재를 포함하는 것이다.
실시예 번 호 수지함유량 충전재량 천연조골재량 천연세골재(39%) 대비 폐유리 골재 치환률
5 11% 11% 39% 25%
6 50%
7 75%
8 100%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1%씩 포함된 것이다.
[표 4] 충전재 대체 중량별 배합비율(중량%) 및 치환 미실시
실시예 번 호 수지함유량 충전재 충전재 대비 유리 충전재 치환률 조골재량 세골재량
9 11중량% 11중량% 25% 39중량% 39중량%
10 50%
11 75%
12 100%
13 11중량% 0%(치환 미실시) 39중량% 39중량%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비(중량%)이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1중량%씩 포함된 것이다.

상기 조골재 및 세골재는 천연골재를 포함하는 것이다.
실시예 1~13에서 제작된 시험체에 대하여 강도를 측정하였다. 제작된 시험체는 상온(20± 3℃)과 고온(100℃)에서 24시간 이상 7일 이하 양생되었으며 일반 시멘트 콘크리트와는 달리 폴리머 콘크리트는 조강성이 우수하므로 재령 7일 강도를 측정하였다.
실시예 번 호 수지함유량 충전재(11%) 대비 유리 충전재 치환률 천연조골재량 천연세골재량
9 11% 25% 39% 39%
10 50%
11 75%
12 100%
13 11% 0%(치환률) 39% 39%
비 고 각 재료의 배합량는 전체 중량에 대한 비이다. 수지함유량은 개시제와 촉진제가 수지중량대비 각각 1%씩 포함된 것이다.
삭제
압축시험은 각각 5개의 시험체를 UTM(압축시험기)에서 재하속도가 매초 2.5kgf/㎠가 되도록 하중을 가하여 파괴시 하중을 측정하였고 그 크기를 시험체 단면적으로 나누어 압축강도를 산출 및 평균하였다. 휨인장강도 역시 휨인장시험기를 사용하여 휨인장시험을 실시하여 휨인장강도를 산출하였다.
그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[표 5] 기계적 강도
실시예 번 호 압축 강도 (kgf/㎠) 휨인장 강도 (kgf/㎠) 비 고
상온양생 고온양생 상온양생 고온양생
1 615 706 246 278 조골재 치환
2 535 604 219 248
3 472 538 198 225
4 411 464 169 192
5 708 805 276 311 세골재 치환
6 559 626 229 259
7 442 504 185 210
8 349 401 142 160
9 721 819 302 344 충전재 치환
10 634 722 259 297
11 558 632 238 273
12 491 549 206 235
13 812 932 331 381 치환 미실시
실시예 번 호 압축 강도 (kgf/㎠) 휨인장 강도 (kgf/㎠) 비 고
상온양생 고온양생 상온양생 고온양생
1 615 706 246 278 조골재 치 환
2 535 604 219 248
3 472 538 198 225
4 411 464 169 192
5 708 805 276 311 세골재 치 환
6 559 626 229 259
7 442 504 185 210
8 349 401 142 160
9 721 819 302 344 충전재 치 환
10 634 722 259 297
11 558 632 238 273
12 491 549 206 235
13 812 932 331 381 치환 미실시
상기 표 4에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 유리 폴리머 콘크리트의 기계적 강도는 유리치환율에 따라 천연재료만의 폴리머 콘크리트보다는 작지만 시멘트 콘크리트의 강도에 비하여는 우수하였고 특히, 휨인장강도에 대해서는 더욱 우수하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 유리 폴리머 콘크리트는 압축강도나 휨인장강도에 있어서 일반 시멘트 콘크리트보다 우수한 기계적 강도를 지니고 있어 일반구조재로 사용할 수 있으며, 폐PET 수지와 폐유리를 사용함으로써 폴리머 콘크리트의 단점인 고비용 문제 해결과 더불어 골재준비 소요작업 단축, 환경보존의 효과 또한 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지, 충전재, 골재를 포함하며,
    상기 충전재는 중탄산칼슘과 플라이애쉬인 유리 폴리머 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 5~30 중량%, 상기 충전재 5~30 중량%, 상기 골재 40~90 중량%를 포함하며,
    상기 골재는 조골재를 포함하며, 조골재에 대한 폐유리의 치환률이 0~100%로 되는 것을 특징으로 하는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물.
  2. 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지, 충전재, 골재를 포함하며,
    상기 충전재는 중탄산칼슘과 플라이애쉬인 유리 폴리머 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 5~30 중량%, 상기 충전재 5~30 중량%, 상기 골재 40~90 중량%를 포함하며,
    상기 골재는 세골재를 포함하며, 세골재에 대한 폐유리의 치환률이 0~100%로 되는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물.
  3. 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지, 충전재, 골재를 포함하며,
    상기 충전재는 중탄산칼슘과 플라이애쉬인 유리 폴리머 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 폐PET 재생 불포화 폴리에스테르 수지 5~30 중량%, 상기 충전재 5~30 중량%, 상기 골재 40~90 중량%를 포함하며,
    상기 골재는 세골재와 조골재를 포함하며, 세골재와 조골재에 대한 폐유리의 치환률이 0~100%로 되는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전재에 대한 상기 폐유리의 치환률이 0~100%로 되는 폐유리로 충전되는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 폐유리는 직경이 0.1~1.0mm인 .것을 특징으로 하는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 충전재 대체 폐유리 직경은 0.005 ~ 0.075mm인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의해 제조되는 폴리머 콘크리트 조성물을,
    50~200℃에서 24시간 이상 7일 이하 양생하는 것을 특징으로 하는 폐유리 폴리머 콘크리트 조성물 제조방법.
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