KR100996582B1 - 생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법 - Google Patents

생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로써, 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하여 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어지며, 본 발명의 생분해성 식생용 블록 복합소재를 제조하기 위해서 준설토를 입도에 따라 선별한 후 건조하는 준설토 준비단계(제1단계); 상기 제1단계 준비된 준설토에 탄소계 고분자를 혼합하는 탄소계 고분자 혼합단계(제2단계);및 상기 제2단계의 준설토와 탄소계 고분자 혼합물을 경화시키는 성형단계(제3단계)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기의 방법으로 제조된 생분해성 식생용 블록 복합소재는 준설토의 퇴적은 일정한 주기를 두고 반복되므로 해마다 발생하는 준설토 처리가 비용면 및 환경면에서 큰 문제로 대두되고 있는 실정에서 좋은 해결책이 될 수 있을 뿐 아니라, 하천 및 호안의 블록, 식생블록, 식생매트, 제방 위 보도블록 등에 이용이 가능하며, 하천 고정 구조물로서 설치되어 5~10년 정도 치수의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연 제방화시킬 필요가 있는 하천복원사업에 적용이 용이하다.

Description

생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법{BIODEGRADABLE VEGETATION BLOCK COMPOSITE AND IT'S METHOD}
본 발명은 생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로써, 더 상세히는 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하여 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어져 하천 및 호안의 블록, 식생블록, 식생매트, 제방 위 보도 블록 등에 이용이 가능하며, 하천 고정 구조물로서 설치되어 5~10년 정도 치수의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연 제방화시킬 필요가 있는 하천복원사업에 용이하게 적용할 수 있는 생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
준설작업은 하천, 호수 및 저수지 등에 일정한 수심의 확보 또는 오염원제거를 위하여 바닥부에 퇴적되어 있는 토사를 퍼내는 공정을 의미한다. 따라서 준설토의 퇴적은 일정한 주기를 두고 반복되므로 해마다 발생하는 준설토 처리가 비용 면에서 큰 문제로 대두되어 왔다.
준설 사토를 하천토목 분야에서 재활용하기 위한 연구 및 실용화는 일반적인 공정(채취 및 탈수/오염처리/선별 및 고형화)별로 개발되어 왔다. 첫째, 준설토 채굴 시 주변에 대한 오염을 최소화하기 위한 여러 방식의 준설토 채굴 및 처리 방법이 있으며, 국내공개특허공보 공개번호 10-2005-0028005('준설토 및 슬러지의 전자동 연속 진공흡입 이송시스템')에서 준설토 및 슬러지의 전자동 연속 진공흡입 이송시스템을 슬러지 처리나 그라우팅(Grouting) 슬러지의 처리에 이용한 예가 있으며 둘째, 국내등록특허공보 등록번호 10-0697671에서 점토질성 미립토의 이화학성을 개선하고 중금속에 오염된 토양을 복원하는 토양 개량제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 토양 개량 방법이 알려져 있다.
셋째, 국내공개특허공보 공개번호 특2001-0065003('준설토의 고형화 방법')에서 시멘트를 이용하여 준설토를 고형화시키거나, 국내등록특허공보 등록번호 10-0833217('준설토의 고화방법 및 이에 사용되는 준설토용 고화제')에서 C4AF(칼슘알루미노페라이트) 및 Ca(OH)2 로 구성되는 고화제를 첨가하는 방법, 그리고 국내등록특허공보 등록번호 10-0773991('준설토 고화처리 방법')에서 준설토, 시멘트 및 입자 크기가 0.02mm∼25mm 범위 내인 매립 석탄재로 이루어지는 혼합물 처리법이 알려져 있다. 이 외에 국내등록특허공보 등록번호 10-0897386('하천 오염 준설토를 이용한 친환경 보도 블록으로의 재활용 처리방법')에서 하천 오염 준설토를 이용한 친환경 보도 블록으로의 재활용 처리방법 등이 다수 보고되었다. 그러나, 시멘트를 바탕으로 하는 천연물 및 고분자와의 복합재는 잘 알려져 있으나 준설토를 이용한 고분자와의 복합재 발명은 전무하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하고자 발명한 것으로,
준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하여 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어지며, 그 목적은 준설토의 퇴적은 일정한 주기를 두고 반복되므로 해마다 발생하는 준설토 처리가 비용면 및 환경면에서 큰 문제로 대두되고 있는 실정에서 좋은 해결책이 될 수 있을 뿐 아니라, 하천 및 호안의 블록, 식생블록, 식생매트, 제방 위 보도 블록 등에 이용이 가능하며, 하천 고정 구조물로서 설치되어 5~10년 정도 치수의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연 제방화시킬 필요가 있는 하천복원사업에 용이하게 적용함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재는 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하여 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소계 고분자는 폴리우레탄계 고분자, 폴리에틸렌 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트 탄소계 합성 고분자 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 재활용 수지인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스타이렌, 에칠 비닐 아세테이트 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 폴리젖산과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합한 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재의 제조방법은 준설토를 입도에 따라 선별한 후 건조하는 준설토 준비단계(제1단계); 상기 제1단계 준비된 준설토에 탄소계 고분자를 혼합하는 탄소계 고분자 혼합단계(제2단계);및 상기 제2단계의 준설토와 탄소계 고분자 혼합물을 경화시키는 성형단계(제3단계)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재는 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하여 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어진 것으로 준설토의 퇴적은 일정한 주기를 두고 반복되므로 해마다 발생하는 준설토 처리가 비용면 및 환경면에서 큰 문제로 대두되고 있는 실정에서 좋은 해결책이 될 수 있을 뿐 아니라, 하천 및 호안의 블록, 식생블록, 식생매트, 제방 위 보도 블록 등에 이용이 가능하며, 하천 고정 구조물로서 설치되어 5~10년 정도 치수의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연 제방화시킬 필요가 있는 하천복원사업에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 준설토에 폴리우레탄계 탄소계 고분자 1중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 준설토에 폴리우레탄계 탄소계 고분자 10중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 준설토에 분말화된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 1중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 준설토에 분말화된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 10중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 준설토에 폴리에칠렌 탄소계 합성 고분자 5중량%와 재활용 수지인 폴리에칠렌 탄소계 고분자 5중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 황토에 폴리에칠렌계 탄소계 합성 고분자 10중량%와 재활용 수지인 폴리에칠렌 탄소계 고분자 2중량%를 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 황토에 폴리프로필렌 탄소계 합성 고분자 10중량%와 전분, 목분을 더 혼합하여 제조한 생분해성 식생용 블록 복합소재의 단면에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재 및 그의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재는 준설토에 탄소계 고분자가 혼합된 것을 특징으로 한다.
더 상세하게는 상기 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01 ~ 1의 비율로 혼합하는 것이다.
상기 준설토는 하천 및 호수 등의 준설작업에서 발생하는 것, 해성점토, 상하수슬러지, 재활용 가능한 고로슬래그, 황토 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 준설토를 사용할 경우에는 준설토의 퇴적은 일정한 주기를 두고 반복되므로 해마다 발생하는 준설토 처리가 비용면 및 환경면에서 큰 문제로 대두되고 있는 실정에서 좋은 해결책이 될 수 있다.
그리고, 상기 준설토의 입자크기는 0.01~20.00mm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 준설토의 입자크기를 0.01~20.00mm인 것을 사용하는 것은 상기 준설토에 탄소계 고분자가 균일하게 혼합되어 원활한 생분해가 가능한 소재를 제조하기 위함이다.
만약, 상기 준설토의 입자크기를 0.01mm 미만인 것을 사용할 경우에는 입자가 작아서 비산(飛散)이 심해지므로 제조에 불편을 줄 수 있으며, 상기 준설토의 입자크기를 20.00mm를 초과한 것을 사용할 경우에는 상기 준설토에 탄소계 고분자가 균일하게 혼합되기 어려울 수 있다.
그리고, 상기 탄소계 고분자는 폴리우레탄(PU)계 고분자, 폴리에틸렌(PE) 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌(PP) 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌(PS) 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트(EVA) 탄소계 합성 고분자 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 재활용 수지인 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌(PS), 에칠 비닐 아세테이트(EVA) 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 폴리젖산(PLA)과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합한 것이다.
여기서, 상기 폴리우레탄계 고분자는 용제에 용해 가능한 것으로 용매에 혼합하여 사용하며, 상기 용매는 유기용매를 사용하는 것이 바람직하며, 아세톤(acetone), 알코올(Alcohol), 메탄올(Methanol), 초산에틸(Ethyl Acetate), 벤젠(Benzene), 헥산(hexane) 등을 사용하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 폴리우레탄계 고분자에 용매를 중량대비 1 : 0.005~0.5의 비율로 혼합하여 사용한다.
여기서, 상기 폴리우레탄계 고분자에 용매를 중량대비 1 : 0.005~0.5의 비율로 혼합하는 것은 상기 폴리우레탄계 고분자의 균일한 분산 및 점도를 갖게 하기 위함이다.
만약, 상기 폴리우레탄계 고분자에 용매를 중량대비 1 : 0.005 비율 미만으로 혼합할 경우에는 상기 용매의 양이 미량이어서 폴리우레탄계 고분자가 균일한 분산 및 점도를 갖기 어려울 수 있으며, 상기 폴리우레탄계 고분자에 용매를 중량대비 1 : 0.5의 비율을 초과하여 혼합할 경우에는 폴리우레탄계 고분자의 균일한 분산 및 점도를 갖는 용매의 양을 필요 이상으로 사용하게 되어 비경제적이다.
그리고, 상기 폴리에틸렌 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트 탄소계 합성 고분자는 분말 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 재활용 수지인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스타이렌, 에칠 비닐 아세테이트 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 폴리젖산(PLA)과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합한 것도 분말 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01 ~ 1의 비율로 혼합하는 것은 반복적인 실험을 통하여 상기 준설토에 탄소계 고분자가 고르게 혼합되어 최적의 물의 투과도, 압축강도, 생분해성을 갖는 비율이 도출된 것이다.
만약, 상기 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01 비율 미만으로 혼합할 경우에는 상기 준설토에 탄소계 고분자가 고르게 혼합되지 못하여 물의 투과도, 압축강도, 생분해성이 떨어질 수 있으며, 상기 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 1 비율을 초과하여 혼합할 경우에는 물의 투과도, 압축강도, 생분해성을 갖기에 필요 이상의 탄소계 고분자를 사용하게 되어 비경제적이다.
그리고, 상기 탄소계 고분자에 촉매인 전이금속의 산화물을 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 탄소계 고분자 100중량부에 대하여 0.01~5 중량부를 혼합할 수 있다.
여기서, 상기 전이금속은 원자번호 22번에서 30번까지의 원소를 말하는 것으로써, 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn)인 것이다.
상기 탄소계 고분자에 촉매 전이금속의 산화물을 혼합하는 것은 많은 전이금속 및 일부 희토류들의 화합물들이 속도의 차이는 있지만 탄소계 고분자를 산화시키는 것으로 알려져 있는데, 상기 생분해성 식생용 블록 복합소재를 하천이나 호안의 구조물에 이용할 때에 5~10년 정도 치수(治水)의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연제방 될 수 있도록 생분해를 촉진하기 위한 촉매로는 전이금속의 산화물이 시간상으로 가장 적합하며, 전이금속의 산화물이 다른 촉매에 비해 비용이 저렴한 장점이 있기 때문이다.
또한, 상기 탄소계 고분자에 촉매인 전이금속의 산화물을 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 탄소계 고분자 100중량부에 대하여 0.01~5중량부를 혼합하는 것은 반복적인 실험을 통하여 최적의 혼합비율이 도출된 것이다.
그리고, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 촉매 100중량부에 대하여 0.01~1,000중량부를 혼합할 수 있다.
여기서, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하는 것은 상기 전분, 지방성 폴리에스터는 자체가 가수분해형이므로 미생물의 초기 활성을 위함이다.
또한, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 촉매 100중량부에 대하여 0.01~1,000중량부를 혼합하는 것은 상기 전분, 지방성 폴리에스터는 미생물의 초기 활성을 위하여 사용하는 것으로 미량사용해야한다. 따라서, 상기 촉매 100중량부에 대하여 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 0.01중량부 미만으로 사용하면 전체 생분해성 식생용 블록 복합소재에 극히 미량 사용하게 되므로 미생물의 초기 활성이 원활히 이루어 지지 않을 수 있으며, 상기 촉매 100중량부에 대하여 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 1000중량부를 초과하여 사용하면 전체 생분해성 식생용 블록 복합소재에 필요 이상의 양을 사용하게 되어 미생물의 초기 활성이 원하는 것보다 더 이루어져 생분해성 식생용 블록 복합소재의 사용에 불편함을 줄 수 있다.
또한, 상기 준설토에 탄소계 고분자를 혼합할 때, 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 셀룰로스계 칩을 더 혼합할 수 있다.
여기서, 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 셀룰로스계 칩이라고 말한다.
상기 준설토에 탄소계 고분자를 혼합할 때, 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 셀룰로스계 칩을 더 혼합하는 것은 상기 셀룰로오스계 칩은 섬유질로서, 복합재의 인장 강도의 보강을 위함이다.
여기서, 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재는 준설토에 탄소계 고분자가 혼합되어 15~200℃에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 경화시켜 성형하는 것을 특징으로 한다.
상기 준설토에 탄소계 고분자가 혼합되어 15~200℃에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 경화시키는 것은 최적의 물의 투과도, 압축강도를 갖도록 하기 위하여 적당한 온도와 압력으로 경화시키는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재는 하천 및 호안의 블록, 식생블록, 식생매트, 제방 위 보도 블록 등에 이용이 가능하며, 하천 고정 구조물로서 설치되어 5~10년 정도 치수의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연 제방화시킬 필요가 있는 하천복원사업에 용이하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재에 비료를 혼합하여 토양 및 식물에 적용할 수 있다.
상기 비료는 식물의 영양소인 질소(N), 인(P), 칼륨(K) 외에 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 황(S) 등 미량의 화학성분이 포함되어 있으며, 당업계에서 일반적으로 사용하는 것으로 그 구체적인 설명은 생략한다.
그리고, 상기 생분해성 식생용 블록 복합소재에 비료를 혼합하여 토양 및 식물에 적용함으로써 식물재배시 식물뿌리 성장 및 흡수성도 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 생분해성 식생용 블록 복합소재에 비료를 혼합할 때에 그 혼합비율은 상기 생분해성 식생용 블록 복합소재 95~99중량%, 상기 비료 1~5중량%로 하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면에 의거 생분해성 식생용 블록 복합소재의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 생분해성 식생용 블록 복합소재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
1. 준설토 준비단계
준설토 준비단계는 준설토를 입도에 따라 선별한 후 건조하는 것으로,
준설토를 입도에 따라 선별한 후, 자연건조하는 것이다.
상기 준설토는 하천 및 호수 등의 준설작업에서 발생하는 것, 해성점토, 상하수슬러지, 재활용 가능한 고로슬래그, 황토 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 준설토를 체를 이용하여 0.01~20.00mm 입도 분포하는 준설토를 선별하여 15~25℃에서 1~7일 동안 건조한다.
여기서, 상기 준설토를 체를 이용하여 0.01~20.00mm 입도 분포하는 준설토를 선별하는 것은 상기 준설토에 하기의 단계에서 탄소계 고분자를 혼합할 때 상기 준설토에 탄소계 고분자가 균일하게 혼합되어 생분해가 가능한 소재를 제조하기 위함이다.
만약, 상기 준설토의 입자크기를 0.01mm 미만인 것을 사용할 경우에는 입자가 작아서 비산(飛散)이 심해지므로 제조에 불편을 줄 수 있으며, 상기 준설토의 입자크기를 20.00mm를 초과한 것을 사용할 경우에는 상기 준설토에 탄소계 고분자가 균일하게 혼합되기 어려울 수 있다.
그리고, 상기 준설토를 체를 이용하여 0.01~20.00mm 이하 입도 분포하는 준설토를 선별하여 15~25℃에서 1~7일 동안 건조하는 것은 상기 준설토에 함유되어 있는 수분 및 악취를 제거하기 위함이다.
2. 탄소계 고분자 혼합단계
탄소계 고분자 혼합단계는 상기 제1단계에서 준비된 준설토에 탄소계 고분자를 혼합하는 단계로,
상기 제1단계에서 준비된 준설토에 탄소계 고분자들을 용해특성에 따라 전처리하여 혼합하는 것이다.
더 상세하게는 상기 제1단계에서 준비된 준설토에 탄소계 고분자를 용해특성에 따라 분말로 준비하거나, 용매에 녹여 혼합하는 것이다.
여기서, 탄소계 고분자는 폴리우레탄(PU)계 고분자, 폴리에틸렌(PE) 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌(PP) 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌(PS) 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트(EVA) 탄소계 합성 고분자 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 재활용 수지인 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌(PS), 에칠 비닐 아세테이트(EVA) 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 폴리젖산(PLA)과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합한 것이다.
여기서, 상기 폴리우레탄계 고분자 용제에 용해 가능한 것으로 용매에 혼합하여 사용하며, 상기 용매는 유기용매를 사용하는 것이 바람직하며, 아세톤(acetone), 알코올(Alcohol), 메탄올(Methanol), 초산에틸(Ethyl Acetate), 벤젠(Benzene), 헥산(hexane) 등을 사용하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 폴리우레탄계 고분자에 용매를 중량대비 1 : 0.005~0.5의 비율로 혼합하여 사용한다.
그리고, 폴리에틸렌 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트 탄소계 합성 고분자는 분말 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 재활용 수지인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스타이렌, 에칠 비닐 아세테이트 중 하나 또는 둘 이상을 혼합하거나, 폴리젖산(PLA)과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합한 것도 분말 형태로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 탄소계 고분자에 촉매인 전이금속의 산화물을 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 탄소계 고분자 100중량부에 대하여 0.01~5중량부를 혼합할 수 있다.
여기서, 상기 전이금속은 원자번호 22번에서 30번까지의 원소를 말하는 것으로써, 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn)인 것이다.
상기 탄소계 고분자에 촉매 전이금속의 산화물을 혼합하는 것은 많은 전이금속 및 일부 희토류들의 화합물들이 속도의 차이는 있지만 탄소계 고분자를 산화시키는 것으로 알려져 있는데, 상기 생분해성 식생용 블록 복합소재를 하천이나 호안의 구조물에 이용할 때에 5~10년 정도 치수(治水)의 역할을 한 뒤, 자연적으로 생분해 과정을 거쳐 자연제방 될 수 있도록 생분해를 촉진하기 위한 촉매로는 전이금속의 산화물이 시간상으로 가장 적합하며, 전이금속의 산화물이 다른 촉매에 비해 비용이 저렴한 장점이 있기 때문이다.
또한, 상기 탄소계 고분자에 촉매인 전이금속의 산화물을 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 탄소계 고분자 100중량부에 대하여 0.01~5중량부를 혼합하는 것은 반복적인 실험을 통하여 최적의 혼합비율이 도출된 것이다.
그리고, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 촉매 100중량부에 대하여 0.01~1,000중량부를 혼합할 수 있다.
여기서, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하는 것은 상기 전분, 지방성 폴리에스터는 자체가 가수분해형이므로 미생물의 초기 활성을 위함이다.
또한, 상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 촉매 100중량부에 대하여 0.01~1,000중량부를 혼합하는 것은 상기 전분, 지방성 폴리에스터는 미생물의 초기 활성을 위하여 사용하는 것으로 미량사용해야한다. 따라서, 상기 촉매 100중량부에 대하여 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 0.01중량부 미만으로 사용하면 전체 생분해성 식생용 블록 복합소재에 극히 미량 사용하게 되므로 미생물의 초기 활성이 원활히 이루어 지지 않을 수 있으며, 상기 촉매 100중량부에 대하여 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 1000중량부를 초과하여 사용하면 전체 생분해성 식생용 블록 복합소재에 필요 이상의 양을 사용하게 되어 미생물의 초기 활성이 원하는 것보다 더 이루어져 생분해성 식생용 블록 복합소재의 사용에 불편함을 줄 수 있다.
또한, 상기 준설토에 탄소계 고분자를 혼합할 때 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 셀룰로스계 칩을 더 혼합할 수 있다.
여기서, 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 셀룰로스계 칩이라고 말한다.
상기 준설토에 탄소계 고분자를 혼합할 때, 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 셀룰로스계 칩을 더 혼합하는 것은 상기 셀룰로오스계 칩은 섬유질로서, 복합재의 인장 강도의 보강을 위함이다.
3. 성형단계
성형단계는 상기 제 2단계에서 준설토와 탄소계 고분자를 혼합한 것을 성형하는 단계로,
상기 제 2단계에서 준설토와 탄소계 고분자를 혼합한 것을 성형장치에 넣고 15~200℃에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 경화시켜 생분해성 식생용 블록 복합소재 제조하는 것이다.
여기서, 상기 제 2단계에서 준설토와 탄소계 고분자를 혼합한 것을 성형장치에 넣고 15~200℃에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 경화시키는 것은 최적의 물의 투과도, 압축강도를 갖도록 하기 위하여 적당한 온도와 압력으로 경화시키는 것이다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하는 것이 아님은 당업자에게 있어서 명백한 사실이다. 즉, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
실시예 1 : 준설토와 폴리우레탄 탄소계 고분자를 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 1.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 용매인 아세톤(Acetone) 0.5g에 녹인 폴리우레탄계 탄소계 고분자 5g을 성형 장치에 넣고 100℃에서 10kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 2 : 준설토와 폴리우레탄 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분을 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 1.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 용매인 아세톤(Acetone) 0.5g에 녹인 폴리우레탄계 탄소계 고분자 1g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.05g과 전분 0.01g을 혼합한 시료에서 용매를 제거한 다음 성형 장치에 넣고 100℃에서 0.1kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 3 : 준설토와 폴리우레탄 탄소계 고분자와 전이금속 촉매를 혼합한 소재
영산강에서 채집 후 선별된 3.5mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 용매인 아세톤(Acetone) 2g에 녹인 폴리우레탄계 탄소계 고분자 5g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.05g을 혼합한 시료에서 용매를 제거한 다음 성형 장치에 넣고 25℃에서 250kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 4 : 준설토와 폴리우레탄 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분을 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 1.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 용매인 아세톤(Acetone) 100g에 녹인 폴리우레탄계 탄소계 고분자 20,000g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 2g과 전분 0.001g을 혼합한 시료에서 용매를 제거한 다음 성형 장치에 넣고 50℃에서 50kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 5 : 준설토와 폴리에칠린계 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분을 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 2.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 분말화된폴리에칠렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.05g과 전분 0.05g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 100℃에서 10kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 6 : 준설토와 폴리젖산 수지를 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 2.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 시중에서 판매되는 생분해성 수지 폴리젖산(PLA, Polylactic Acid) 수지 10g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 120℃에서 10kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 7 : 준설토와 폴리에친린계 탄소계 고분자와 전이금속과 지방족 폴리에스터를 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 1.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 재활용으로 수거되어 분말화된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.05g과 지방족 폴리에스터 0.05g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 100℃에서 50kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 8 : 준설토와 폴리에칠렌과 전이금속 촉매와 전분을 혼합한 소재
금강에서 채집 후 선별된 1.0mm 이하의 건조된 준설토 시료 100g에 범용성 폴리에칠렌 5g과 재활용으로 수거된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 5g을 분말로 만들어 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.2g과 전분 0.4g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 110℃에서 20kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 9 : 황토와 폴리에칠렌계 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분을 혼합한 소재
야산에서 채집 후 선별된 5.0mm 이하의 황토 시료 100g에 분말화된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.1g과 전분 0.005g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 110℃에서 20kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 10 : 황토와 폴리에칠렌계 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분과 생분해성수지 폴리 젖산을 혼합한 소재
야산에서 채집 후 선별된 2.0mm 이하의 황토 시료 100g에 분말화된 폴리에칠렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.2g과 전분 2.0g을 혼합한 시료와 기존 시판중인 생분해성수지 폴리 젖산 1g을 혼합하여 특정 성형 장치에 넣고 110℃에서 20kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 11 : 황토와 폴리프로필렌계 탄소계 고분자와 전이금속 촉매와 전분과 지방종 폴리에스터를 혼합한 소재
야산에서 채집 후 선별된 2.0mm 이하의 황토 시료 100g에 분말화된 폴리프로필렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.1g, 이산화티타늄(TiO2) 0.1g과 전분 0.1g과 지방족 폴리에스터 0.1g을 혼합한 시료를 특정 성형 장치에 넣고 200℃에서 20kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실시예 12 : 황토와 폴리프로필렌계 고분자와 전이금속 촉매와 전분과 목분을 혼합한 소재
야산에서 채집 후 선별된 2.0mm 이하의 황토 시료 100g에 분말화된 폴리프로필렌계 탄소계 고분자 10g과 전이금속 촉매인 삼이산화철(Fe2O3) 0.1g과 전분 0.01g을 혼합한 시료에 폭 10mm 이하, 길이 100mm 이하인 목분을 혼합하여 특정 성형 장치에 넣고 100℃에서 10kg/cm2 압력으로 시편을 성형하였다.
실험 1 : 압축강도 실험
상기의 실시예 1~12의 시편들에 대한 압축강도 측정은 한국건자재시험연구원에서 수행하였다. 원통형 시험편의 크기는 Ø 34 L 68mm 크기로 제작되었다. 시험 검사는 KS L 4201방법(2008 준용)을 사용하였다.
여기서, 준설토를 소재로 제조한 복합체의 결과는 황토보다 일반적으로 압축 강도의 분포가 높게 나타났다. 이는 준설토의 경우 상대적으로 더 많은 양의 미세한 입자들이 복합재 공극을 채우는 충진물질로 작용한 결과를 알 수 있다.
결과는 아래 표 1에 나타내었다.
시편 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
압축
강도
Mpa
8
3
15
40
20
18
28
17
14
12
18
22
실험 2 : 투수율 측정 실험
투수율 측정 모듈 시중에서 사용중인 제품을 사용하였다. 투수 실험에 사용된 시편은 두께 50㎜ 이하로 제조되었다. 본 투수율 측정모듈은 물 펌프로 inlet 수압을 유지하며 outlet 공간에는 상압부터 10-3torr의 압력을 가변적으로 걸 수 있게 고안되었다. 진공을 걸 경우 투과되는 수분은 냉각 응축기에 포집되어 정량적으로 투과량을 빠르게 측정할 수 있다. 본 실험에서는 inlet 평균 수압 110psi 하에서 측정하였으며, oultlet은 상압 하에서 측정하였다. 투수 현상에 대한 정량적 tracer로 염화나트륨을 사용하였다.
참고로, 시편의 물 투과도는 주어진 시간에 시편을 투과하여 포집된 물, 염화나트륨 또는 기타 추적 물질의 양을 측정하여 결정한다. 시편의 공극을 통하여 확산 투과하는 추적이온 농도를 이용하여 수치해석 한다.
결과는 아래 표 2에 나타내었다.
시편 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
투수율
wt%
17
20
12
2
15
17
15
17
13
17
17
18
실험 3 : 생분해성 식생용 블록 복합소재의 생분해성 실험
탄소계 고분자 복합체 대비 위에서 언급한 촉매 0.01~5.0% 포함하는 생분해성 식생용 블록 복합소재 시편을 밀폐 인큐베이터 용기(5L)에 넣고 토양곰팡이(3종)와 함께 상온에서 인큐베이팅하였다. 일주일 간격으로 UV 조사하에서 이산화탄소(CO2) 발생량을 측정하였다.
여기서, 촉매라 함은 자외선(UV light) 감응제를 주로 말하며 미량 첨가하여 빛이 조사되거나 산소 라디칼 등 산화물질이 존재하면 고분자의 분해를 촉진한다. 이 경우 빛이 없는 곳에서의 생분해는 매우 느리게 된다. 그러나 자외선과 유사한 역할을 활성산소(산소라디칼)가 하므로 수중에서 용존산소 존재 하에 고분자를 미생물에 의해 가수분해시키는 메커니즘도 존재한다.
본 발명에서는 생분해성 식생용 블록 복합소재를 제조함에 있어서 산화금속계 촉매첨가제를 미량 넣어 상기의 첨가제는 금속 또는 금속 산화물로 주변의 에너지에 의하여 활성화되면 고분자의 분해를 촉진시킨다.
본 생분해성 식생용 블록 복합소재의 공극은 일반적인 콘크리이트에 비하여 매우 높으므로 압축강도는 측정 결과 일반용 콘크리이트의 30~50% 정도의 수치를 나타내고 있다.
결과는 아래 표 3에 나타내었다.
시편 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
CO₂누적발생량
mg/L		 25 5 27 104000 48 50 55 30 60 70 69 60
140일
경과후
무게감소률
wt%		 1.5 0.3 1.7 6200 2.5 3 3 1.9 4 5 4 4
실험 4 : 마이크로 구조 분석 실험
도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이,
생분해성 식생용 블록 복합소재 시편들은 백금 전처리 후 Hitachi S-4800 를 사용하여 마이크로에서 나노미터 영역에서 영상을 주사하였다.
시편의 표면 및 절단면에 대한 SEM 이미지는 도면 2~8에 나타내었다. 준설토의 입자들은 SEM 분석결과 평균 50㎛(5.0㎜) 크기에 다소 넓은 크기분포를 나타냈다. 입자의 크기가 고르지 않을 경우 작은 입자들이 공극을 채워 밀도가 증가하게 되며 함수율이 낮아지는 결과를 예상할 수 있다.

Claims (11)

  1. 준설토에 탄소계 고분자를 중량대비 1 : 0.01~1의 비율로 혼합하되, 상기 탄소계 고분자 100중량부에 대하여 촉매인 전이금속 산화물 하나 또는 둘 이상을 0.01~5중량부 혼합하고, 15~200℃의 온도에서 0.1~250kg/cm2의 압력으로 성형하여 이루어지되, 상기 탄소계 고분자는 폴리우레탄계 고분자, 폴리에틸렌 탄소계 합성 고분자, 폴리프로필렌 탄소계 합성 고분자, 폴리스타이렌 탄소계 합성 고분자, 에칠 비닐 아세테이트 탄소계 합성 고분자 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 준설토는 하천 및 호수 등의 준설작업에서 발생하는 것, 해성점토, 상하수 슬러지, 황토, 재활용 가능한 고로슬래그 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 준설토의 입자크기는 0.01 ~ 20.00mm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 고분자는 제1항에 기재된 탄소계 고분자 대신에 재활용 수지인 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스타이렌, 에칠 비닐 아세테이트 중 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 고분자는 제1항에 기재된 탄소계 고분자 대신에 폴리젖산과 같은 기존 생분해성 수지를 단독 혹은 둘 이상을 혼합하는 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  7. 삭제
  8. 제 1항, 5항, 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매에 전분, 지방성 폴리에스터를 하나 또는 둘 이상을 혼합하되, 상기 촉매 100중량부에 대하여 0.01~1,000중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  9. 제 1항, 5항, 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 준설토에 탄소계 고분자를 혼합할 때 목분, 갈대, 볏집 중 하나 또는 둘 이상의 셀룰로스계 칩을 더 포함하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 생분해성 식생용 블록 복합소재.
  10. 삭제
  11. 삭제
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