KR101091173B1 - 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 방지를 위한 친환경 수용성 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 방지를 위한 친환경 수용성 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 기계적 물성 및 화학적 물성을 나타내어 콘크리트 구조물의 내수성, 내염수성, 내열성, 내후성 또는 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 휘발성 유기 화합물 또는 유해 물질을 포함하지 않는 친환경 코팅 재료를 제공할 수 있는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 방지를 위한 친환경 수용성 에폭시 수지 조성물{ENVIRONMENT-FRIENDLY WATER SOLUBLE EPOXY RESIN COMPOSITION FOR PREVENTING INJURY FROM SALT AND NEUTRALIZATION OF CONCRETE}
본 발명은 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 기계적 물성 및 화학적 물성을 나타내어 콘크리트 구조물의 내수성, 내염수성, 내열성, 내후성 또는 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 현상을 방지할 수 있으며, 휘발성 유기 화합물 또는 유해 물질을 포함하지 않는 친환경 코팅 재료를 제공할 수 있는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
콘크리트 구조물의 내구성 예를 들면 교량, 냉각탑, 빌딩, 및 기타 구조물의 장기적인 내구성은 콘크리트 자체의 품질과 콘크리트의 물성을 향상시키기 위하여 적용되는 실러(sealer) 또는 코팅 재료에 의하여 결정된다.
콘크리트 구조물의 내구성을 저하시키는 일반적인 원인으로는 물속에 존재하는 황산염, 염수에 존재하는 염분 또는 염화물, 자외선 또는 외부 압력 등을 들 수 있다. 특히, 상기 물 또는 염수에 포함되는 성분들은 콘크리트 구조물 내에 존재하는 철근을 산화시키고, 콘크리트 자체의 물리/화학적 물성을 저하시킨다. 이와 같이, 철근이 산화되어 부식됨에 따라서, 철근의 부피가 팽창하게 되고 콘크리트에서 인장력을 야기하여 콘크리트 구조물 내에서 균열 또는 파괴 현상이 나타나게 된다.
또한, 자외선 또는 하중 등의 외부 영향으로 콘크리트 구조물 내에 균열이 발생할 수 있으며, 이러한 균열로 수분 또는 각종 화합물 등이 침투하여, 콘크리트와 철근의 물성을 저하시키게 된다.
이에 따라서, 철근의 부식을 방지하고 콘크리트 구조물의 전반적인 장기 내구성을 개선하기 위해 여러 가지 방법이 사용되고 있으며, 그 중 유기 고분자 용액을 건조 및 경화시켜서 콘크리트 구조물 내외부에 필름을 형성시키는 방법이 널리 이용되고 있다.
한국등록특허 제0153086호에는 시멘트를 포함하는 무기질분말, 합성 고분자 고무분산물, 지방산염계 고분자 수분산물, 아질산계 금속염을 포함하는 방청 도포제 조성물이 개시되어 있으며, 한국공개특허 제2009-0108357호에는 시멘트, 유리분말, 에폭시 수지 및 배합수를 포함하는 철강 방청제에 관하여 개시되어 있으나, 이러한 도포제 조성물 또는 철강 방청제에 의하여도 내수성, 방청성능, 내구성, 철강 및 콘크리트와의 부착성을 충분히 확보하지 못하는 문제가 있었다.
또한, 상기 유기 고분자 용액을 사용하는 방법에 의하면, 희석제로 유기 용매 또는 경화촉진제를 사용함에 따라서 휘발성유기화합물(VOCs), 포르말린 또는 수은 등이 인체에 유해할 정로로 포함되었다. 이에 따라, 상기 유기 고분자 용액이 적용된 콘크리트 구조물에서는 인체 또는 동/식물에 유해한 물질이 발생되어 환경 문제가 발생하였다. 또한, 이전에 알려진 유기 고분자 용액을 사용한 콘크리트 코팅 재료에 의하면, 콘크리트 구조물의 기계적 또는 화학적 물성과 장기 내구성을 일정 수준 이상으로 향상시키지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 우수한 기계적 물성 및 화학적 물성을 나타내어 콘크리트 구조물의 내수성, 내염수성, 내열성, 내후성 또는 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 현상을 방지할 수 있으며, 휘발성 유기 화합물 또는 유해 물질을 포함하지 않는 친환경 코팅 재료를 제공할 수 있는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 수분산성 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지를 포함하는 주제; 아이소포론디아민(Isophorondiamine) 30 내지 80 중량%, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지 10 내지 60중량%, 및 폴리에테르아민 수지 1내지 50중량%의 반응물을 포함하는 수용성 경화제; 및 물, 알코올, 글리콜에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수용성 용매를 포함하고, 상기 주제와 수용성 경화제의 중량 기준 혼합 비율이 1:1 내지 10:1이고, 상기 폴리에테르아민 수지가 프로필렌옥사이드 반복 단위 및 에틸렌옥사이드 반복 단위를 1:2 내지 1:7의 몰(mol) 비율로 포함하고 1,000 내지 3,000의 중량평균분자량을 갖는 공중합체이고, 25℃에서 100 내지 1,000 Cps의 점도를 갖는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 수분산성 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지를 포함하는 주제; 아이소포론디아민(Isophorondiamine) 30 내지 80 중량%, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지 10 내지 60중량%, 및 폴리에테르아민 수지 1내지 50중량%의 반응물을 포함하는 수용성 경화제; 및 물, 알코올, 글리콜에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수용성 용매를 포함하고, 상기 주제와 수용성 경화제의 중량 기준 혼합 비율이 1:1 내지 10:1이고, 상기 폴리에테르아민 수지가 프로필렌옥사이드 반복 단위 및 에틸렌옥사이드 반복 단위를 1:2 내지 1:7의 몰(mol) 비율로 포함하고 1,000 내지 3,000의 중량평균분자량을 갖는 공중합체이고, 25℃에서 100 내지 1,000 Cps의 점도를 갖는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명자들은, 일정한 에폭시 수지에, 아이소포론디아민(Isophorondiamine); 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지; 및 폴리에테르아민 수지;를 반응시켜서 얻어진 수용성 경화제를 적용하면, 우수한 기계적 물성 및 화학적 물성을 나타내어 콘크리트 구조물의 내수성, 내염수성, 내열성, 내후성 또는 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 휘발성 유기 화합물 또는 유해 물질을 포함하지 않는 친환경 코팅 재료를 제공할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
상기 주제는 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물의 주요 성분을 의미한다. 이러한 주제로 사용 가능한 에폭시 수지로는, 통상적으로 알려진 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지로서 에폭시당량이 150 내지 550 g/eq 인 것이면 별 다른 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 상기 수용성 경화제는 아이소포론디아민(Isophorondiamine) 30 내지 80 중량%; 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지 10 내지 60중량%; 및 폴리에테르아민 수지 1내지 50중량%;의 3개 성분이 반응하여 얻어진 결과물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수용성 경화제를 얻기 위하여, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지를 폴리에테르아민 수지와 반응 시키고, 이러한 반응물을 아이소포론디아민과 80 내지120℃ 사이에서 1 내지 5시간 동안 반응시킨 후, 생성물 대비 20 내지 40 중량부의 물을 첨가하는 방법을 사용할 수 있다. 이때, 유리 아민을 최소화하기 위하여, 폴리에테르아민 수지와 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지의 반응 몰비는 7:1 내지 2:1으로 하는 것이 바람직하다.
상기 폴리에테르아민 수지는 말단에 아민기가 치환된 고분자 수지로서, 이러한 폴리에테르아민 수지 내에서 프로필렌옥사이드 반복 단위 및 에틸렌옥사이드 반복 단위의 몰(mol) 비율은 1:2 내지 1:7일 수 있다. 상기 '프로필렌옥사이드 반복 단위'는 프로필렌옥사이드로부터 유래된 반복단위를 의미하며, 상기 '에틸렌옥사이드 반복단위'는 에틸렌옥사이드로부터 유래된 반복단위를 의미한다. 그리고, 상기 폴리에테르아민 수지는 1,000 내지 3,000의 중량평균분자량을 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 폴리에테르아민 수지는 하기 화학식1의 화합물일 수 있다.
[화학식1]
Figure 112011058511297-pat00001
상기 화학식1에서, R1은 각각의 반복 단위에서 에틸렌옥사이드 반복 단위인지 프로필렌옥사이드 반복 단위인지에 따라서 수소 또는 메틸기가 될 수 있고, 각각의 반복단위에서 달라질 수 있다. 그리고, 상기 x는 30 내지 50의 정수일 수 있다.
상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물에서, 상기 주제와 수용성 경화제는 중량 기준으로 1:1 내지 10:1, 바람직하게는 3:1 내지 6:1의 비율로 혼합될 수 있다. 이러한 혼합 비율이 적용됨에 따라서, 콘크리트 코팅제로서 바람직하고 적절한 물성을 가질 수 있다.
그리고, 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물은 25℃에서 100 내지 800 cps, 바람직하게는 150 내지 600 cps 의 점도를 가질 수 있다.
한편, 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물은 물, 알코올, 글리콜에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수용성 용매 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 3 내지 10 중량%; 및 잔량의 주제 및 수용성 경화제를 포함할 수 있다. 상기 수용성 용매가 너무 많거나 작게 사용되는 경우 코팅제로서 적절한 점도 또는 물성을 가질 수 없다.
상기 알코올은 탄소수 1 내지 20의 알코올일 수 있으며, 보다 구체적으로 에탄올, n-프로판올, iso-프로판올, n-부탄올, iso-부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
상기 글리콜 에테르의 구체적인 예로, 에틸렌글리콜 모노메틸에테르 (메틸셀로솔브), 에틸렌글리콜 모노에틸에테르 (에틸셀로솔브), 에틸렌글리콜 모노에틸에테르아세텔 (셀로솔브아세테이트), 에틸렌글리콜 모노뷰틸에테르 (뷰틸셀로솔브) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
상기 케톤은 탄소수 1내지 20의 케톤 일 수 있으며, 구체적인 예로 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK), 메틸뷰틸케톤(MBK), 메틸아이소뷰틸케톤(MIBK) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
일반적으로 콘크리트 구조물은 pH 11 이상의 강알카리 특성을 갖는데 반하여 종래의 도료는 중성 또는 산성의 특성을 가져서 콘크리트와의 친화력이 그리 좋지 않았을 뿐만 아니라, 콘크리트 표면에 적절히 스며들지 못하여 충분한 접착력을 확보하지 못하였고, 염수, 수분, 외부 압력, 자외선 등의 외부 요인으로 인하여 쉽게 염해 또는 중성화되어 장기 내구성, 장기 내수성 또는 장기 내후성을 확보하는 것이 용이하지 않았다. 이에 반하여 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물은 콘크리트 구조물과의 친화력이 좋으며, 콘크리트 표면의 다공질 속으로 충분히 스며들 수 있어서 일정 수준 이상의 접착 면적과 접착력을 확보할 수 있으며, 장기 내구성, 장기 내수성 또는 장기 내후성 등을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 현상을 방지하여 구조물 자체의 열화 현상을 최소화 할 수 있다.
구체적으로, 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물을 경화하였을 때, ASTM D3359-09에 의하여 측정한 콘크리트에 대한 부착력이 5A일 수 있다. 즉, 상기 조성물은 실제 콘크리트에 적용하는 경우, 높은 부착력을 확보하여 장기간 사용에 따른 표면 코팅층 박리 현상을 최소화 할 수 있고, 이에 따라 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화에 따른 열화 현상을 방지할 수 있다. 상기 콘크리트는 시멘트, 물, 모래 및 자갈을 혼합하여 경화시킨 일반적인 건설 재료 또는 이로부터 형성된 구조물을 의미하며, 상기 부착력의 정의는 ASTM D3359-09에 따른다.
한편, 상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물을 경화하였을 때, 수은 발생량은 0.01 mg/L이하, 바람직하게는 0.01 mg/L이하 일 수 있다. 상기 '수은 발생량이 0.01 mg/L이하'인 것은 상기 수지 조성물의 경화하였을 때 수은이 실질적으로 발생되지 않는다는 점을 의미할 수 있다.
상기 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물은 분산제, 부식억제제, 증점제, 충진제, 소포제, 습윤제 및 실란커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 양은, 제조하고자 하는 코팅제의 성격 및 물성에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들어, 전체 수지 조성물 내에서 1 내지 50중량% 범위로 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 기계적 물성 및 화학적 물성을 나타내어 콘크리트 구조물의 내수성, 내염수성, 내열성, 내후성 또는 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 현상을 방지할 수 있으며, 휘발성 유기 화합물 또는 유해 물질을 포함하지 않는 친환경 코팅 재료를 제공할 수 있는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물이 제공될 수 있다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 : 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물의 제조>
1. 수용성 경화제의 제조
170 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 F 수지 80g (YDF-170, 국도화학주식회사)와 Huntsman M-2070 20g을 120℃에서 5시간 동안 반응 시켰다. 그리고, 이러한 반응물에 아이소포론디아민 200g을 첨가한 후, 100℃에서 3시간 동안 반응시킨 후, 80℃로 냉각하고 75g의 물을 첨가하였다.
2. 콘크리트 코팅제의 제조
187 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 100g[주제: YD-128, 국도화학주식회사]와 상기에서 얻어진 수용성 경화제 50g, BYK-190(습윤분산제) 0.5g, BYK-011(소포제) 0.5g 및 물50 g을 실온 에서 30분 동안 혼합시켜, 콘크리트 코팅용 조성물을 제조하였다.
이때 얻어진 조성물의 점도는 200Cps였으며, 이러한 점도는 측정장비(Brookfield Vicometer DV-E, Spindle No.2)을 사용하고 50rpm 조건을 적용하여 측정하였다.
< 실험예 : 코팅막의 물성 측정>
상기 실시예에서 얻어진 콘크리트 코팅용 조성물을 콘크리트 기재 상에 코팅한 후, 하기 표1의 실험 항목 및 실험 방법에 따라 제조된 코팅막의 물성을 측정하였다. 하기 실험은 2011년01월31일에 한국화학융합시험연구원 의뢰한 것으로, 측정 결과는 성적서번호 TAS-004391(2011년03월15일 결과)에 따른 것이다.
그리고, 상기 얻어진 코팅막에 관하여 하기의 표1의 실험을 진행하였다
코팅막의 물성 평가
실험 항목 (조건) [단위] 시험방법 실험결과[단위]
부착성 ASTM D3359-09 5A
내수성(25℃, 증류수, 168H) KS M ISO2812-1 (2007) 이상없음
내염수성(25℃, 10%NaOH, 168H) KS M ISO2812-1 (2007) 이상없음
촉진 내후성(WS-A형, 168H) KS F 2274 (2002) 이상없음
내한열성 하기 조건을 순차적으로 적용
1) 20±2℃, 18h 청수침적
2) - 20±2℃, 3h
3) (50±2℃, 3h) 6회 반복		 이상없음
맛 수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009) 이상없음
냄새 수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009) 이상없음
색도 [도] 수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009) 검출안됨
탁도 [NTU] 수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009) 0.12
수은 [mg/L] 수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009) 검출안됨
* 내수성, 내염수성, 촉진 내후성 및 내한열성 측정 결과에서, '이상 없음'은 상기 실험 항목의 조건을 적용한 이후에 코팅 층에서 외형적 변화 또는 물성적 변화가 실질적으로 발생하지 않았음을 의미함.
상기 표1에 나타난 바와 같이, 실시예의 콘크리트 코팅용 조성물을 이용하여 제공되는 코팅막은 ASTM D3359-09에 의하여 측정한 콘크리트에 대한 부착성이 5A로 나타나서, 콘크리트 구조물에 대한 접착력이 우수하다는 점이 확인되었다.
뿐만 아니라, 상기 표1에 나타난 바와 같이, 실시예의 콘크리트 코팅용 조성물을 이용하여 제공되는 코팅막은 증류수나 염수에 대한 저항이 우수할 뿐만 아니라 촉진 내후성과 내한열성이 우수하여, 염수, 수분, 외부 압력, 자외선 등의 외부 요인으로 인하여 쉽게 염해 또는 중성화되는 현상이 방지할 수 있고 구조물 자체의 열화를 최소화 할 수 있다는 점이 확인되었다. 즉, 상기 실시예의 조성물을 이용하면, 콘크리트 구조물을 표면에 우수한 장기 내구성, 장기 내수성 및 장기 내후성을 갖는 코팅막을 셩헝살 수 있다.
또한, 상기 실시예의 조성물을 이용하여 제공되는 코팅막은 상기 '수도용 지재 및 제품의 위생안전기준 공정시험방법(2009)'에 따른 맛, 냄세, 색도 및 탁도의 실험 결과, 실질적으로 큰 변화가 없거나 이상이 없어서 실제 콘크리트 구조물에 용이하게 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실시예의 조성물을 이용한 코팅막에서는 수은 또는 기타 중금속이 실질적으로 검출되지 않아서 인체에 유해한 물질이 생성되지 않는다는 점이 확인되었다.

Claims (5)

150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 수분산성 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지를 포함하는 주제;
아이소포론디아민(Isophorondiamine) 30 내지 80 중량%, 150 내지 550 g/eq의 에폭시당량를 갖는 비스페놀 A 수지 또는 비스페놀 F 수지 10 내지 60중량%, 및 폴리에테르아민 수지 1내지 50중량%의 반응물을 포함하는 수용성 경화제; 및
물, 알코올, 글리콜에테르 및 케톤으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수용성 용매를 포함하고,
상기 주제와 수용성 경화제의 중량 기준 혼합 비율이 1:1 내지 10:1이고,
상기 폴리에테르아민 수지가 프로필렌옥사이드 반복 단위 및 에틸렌옥사이드 반복 단위를 1:2 내지 1:7의 몰(mol) 비율로 포함하고 1,000 내지 3,000의 중량평균분자량을 갖는 공중합체이고,
25℃에서 100 내지 1,000 Cps의 점도를 갖는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물이 경화시 ASTM D3359-09에 의하여 측정한 콘크리트에 대한 부착력이 5A인 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 폴리에테르아민 수지는 하기 화학식1의 화합물을 포함하는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물:
[화학식1]
Figure 112011058511297-pat00002

상기 화학식1에서, R1은 각각의 반복 단위에서 같거나 다를 수 있으며, 각각 수소 또는 메틸기이고, x는 30 내지 50의 정수이다.
제1항에 있어서,
상기 수용성 용매 1 내지 20 중량%; 및
잔량의 주제 및 수용성 경화제를 포함하는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물이 경화시 0.01 mg/L이하의 수은 발생량을 나타내는 콘크리트 코팅용 수용성 에폭시 수지 조성물.
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JPH10339040A (ja) 1997-06-09 1998-12-22 Mitsubishi Chem Corp 構造物の補強方法
KR100464250B1 (ko) 2003-11-25 2005-01-03 주식회사 뉴택코팅 방수코팅제
KR100906416B1 (ko) 2008-09-03 2009-07-09 주식회사 헵스켐 콘크리트 방식공법 및 방식도막

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