KR101654478B1 - 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기전도성을 향상시킴으로, 높은 온도에서 장시간 견딜수 있는 안정성 및 내구성의 향상을 가져오게 하며, 또한, 화학성분이 대량 함유된 유해한 시멘트의 사용을 최소화 하면서도 무해한 성분들의 혼합으로 인해 친환경적으로의 제조가 가능하게 하는 등 다양한 분야에서의 적용 및 적용시 안정성의 향상을 가져오게 하기 위한 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

Description

그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법{A method and electrical conducting heating concrete containing graphene}

본 발명은 발열콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기전도성의 향상을 가져오면서도 고온에서 장시간 견딜수 있는 안정성의 향상 및 내구성의 향상을 가져오며, 특히, 기존의 유해한 시멘트의 사용을 최소화 함으로 친환경적으로 제조가 가능하게 하는 등 다양한 분야에서의 적용이 가능하게 하면서도 환경의 오염을 최소화하기 위한 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트는 주택, 도로, 다리, 초고층빌딩, 댐 등 도처에서 다양한 구조물의 시공에 필요한 것으로, 현대사회에서는 이러한 콘크리트의 영향에서 벗어나기 힘들 정도로 그 활용도가 상당한 실정이다.

특히, 이러한 콘크리트 중 발열콘크리트는 전기전도성의 향상으로 콘크리트로 주거 또는 생산시설의 바닥 및 벽체, 폭설이나 결빙시 눈이나 얼음을 제거하는데 필요한 노동력을 절감할 수 있도록 한느 공항의 활주로, 도로의 결빙지역, 교량, 철도의 분기시설지, 온실, 농산물의 건조시설 등 난방용 건설 및 건축설비물 등 다양한 온도 영역에서 사용되고 있다.

이러한 발열콘크리트는 장시간에 걸쳐 전기에너지를 열에너지로 변환시키는데 적합하여야 하므로 발열효율이 양호하여야 하며, 고온에서 콘크리트의 물질적 성질이 변화하지 않도록 안정성이 우수하여야 한다.

이와같이 발열콘크리트는 그 사용 영역의 확대와 그 사용영역에서의 우수한 성능의 발휘를 위해 보다 안정된 발열 시멘트의 개발이 시급한 실정이다.

대한민국특허출원등록 제10-0328539호.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 전기전도성을 향상시킴으로, 높은 온도에서 장시간 견딜수 있는 안정성 및 내구성의 향상을 가져오게 하기 위한 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

또한, 화학성분이 대량 함유된 유해한 시멘트의 사용을 최소화 하면서도 무해한 성분들의 혼합으로 인해 친환경적으로의 제조가 가능하게 하는 등 다양한 분야에서의 적용 및 적용시 안정성의 향상을 가져오게 하기 위한 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로는, 마사토 골재와, 황토와, 석회석 미분말과, 시멘트와, 슬래그 미분말과, 물과, 그래핀용액과, 광물접합물질이 혼합 조성되며,

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 마사토 골재 30~40중량%를 준비하는 마사토 골재 준비단계;

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 황토 3~7중량%와, 석회석 미분말 3~6중량%와, 시멘트 10~20중량%와, 슬래그 미분말 5~7중량%과, 물20~40중량%로 된 부재료를 준비하는 부재료 준비단계;

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 그래핀용액 0.1~6중량%를 준비하는 그래핀용액 준비단계;

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 광물접합물질 3~7 중량%를 준비하는 광물접합물질 준비단계; 및

마사토 골재와, 황토와, 석회석 미분말과, 시멘트와, 슬래그 미분말과, 물과, 그래핀용액과, 광물접합물질을 혼합하는 혼합단계를 수행함으로 달성할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법은, 전기전도성이 상당히 우수한 그래핀이 함유되어 있어 전기전도성의 현격한 향상을 가져오면서도 흙 성분의 함유로 안정성의 향상을 가져오면서도 열의 축열작용의 향상을 가져오는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 화학성분이 대량 함유되는 시멘트의 사용을 최소화 시키켠서 무해한 마사토 및 황토 성분의 함유로 친환경적으로 사용할 수 있어 다양한 분야에서의 적용 및 안정성의 향상을 가져오는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법을 나타낸 전체 공정도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트를 살펴보면,

본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트는, 마사토 골재와, 황토와, 석회석 미분말과, 시멘트와, 슬래그 미분말과, 물과, 그래핀용액과, 광물접합물질로 이루어진 것으로,

이때, 각각의 성분들은, 콘크리트 전체 100중량%에 대하여 마사토 골재는 30~40중량%, 황토는 3~7중량%, 석회석 미분말은 3~6중량%, 시멘트는 10~20중량%, 슬래그 미분말은 5~7중량%, 물은 20~40중량%, 그래핀용액은 0.1~6중량%, 광물접합물질은 3~7중량%로 조성되어 된다.

이때, 마사토 골재 30~40중량%는, 마사토와 골재가 혼합되어 된 것으로, 이때, 그 혼합비로는 1 : 1~1.5를 이루게 조성된다.

한편, 상기 마사토는 흙으로 풍화되기 전 단계의 것으로서, 투수성과 흡수성을 높일 수 있으며, 그 입자의 크기는 평균직경 1~10mm인 것이 적용된다.

그리고, 골재로는 재생잔골재 및 부순잔골재의 1종 또는 그 혼합물로 이루어진 것이 적용된다.

상기 황토 3~7중량%는, 황토를 100 메시(mesh) 이상으로 분말화한 것으로, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 철분, 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 카리 등 수많은 무기질이 함유된 미세입자로, 인체에 유익한 미네랄과 많은 약성이 있고, 원적외선을 다량 방사하며, 주위의 습도에 따라 쾌적한 습도를 유지해 주는 습도조절기능과 단열 및 축열로 열의 손실을 줄이는 단열 보온기능이 있고, 오랜 기간 축적된 토양 미생물과 효소작용에 의한 항균·방충·탈취효과 및 오염 물질 제거 효과에 의한 공기정화기능 등을 가지는 특징이 있다.

상기 석회석 미분말 3~6중량%는, 혼화재의 일종으로 사용되며, 석회석 산지에서 가공된 제품으로 포졸란 반응이 일어나 내구성 향상, 수밀성 향상, 장기 강도 증진에 효과가 있으며, 특히 콘크리트 표면 개선에 도움을 준다.

상기 시멘트 10~20중량%는, 통상의 포틀랜드 시멘트를 적용하되, 본 발명에서는 포틀랜드 시멘트는 규산3석회나 규산2석회 등이 수화하면서 다량의 Ca(OH)2를 생성하므로 육가 크롬 및 알칼리 성분 용출에 따른 오염물질이 발생하고, 화학적 침식에 대한 저항성이 약해지는 원인이 되기 때문에 20중량%를 넘지 않도록 한다.

상기 슬래그 미분말 5~7중량%는, 상기와 같은 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄이기 위해 결합제로 첨가되며, 포틀랜드 시멘트에서 생성되는 Ca(OH)2 양을 감소시킬 수 있다.

상기 물 20~40중량%는, 상기 시멘트의 수화반응을 유도하는 것으로, 시멘트에 물이 첨가되면 알루미네이트와 석고와의 반응으로 생기는 침상 결정의 에트링가이트를 생성시키게 된다.

상기 그래핀용액 0.1~6중량%는, 그래핀을 전처리 하여 불순물이 제거된 상태에서 산화시켜 얻어진 산화물 용액으로 열 전도성의 향상을 가져오게 된다.

한편, 그래핀은, 알려진바와 같이 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그래핀은 현존하는 소재중 특성이 가장 뛰어난 소재로 두께가 0.2nm로 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만아니라 열전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 기계적 강도도 강철보다 200배 이상 강하지만 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 열전도성을 잃지 않는다.

상기 광물접합물질 3~7중량%는, 이산화규소(SiO2)와 산화리튬(Li2O)으로 된 알칼리 규산염 화합물을 이루며, 이산화규소(SiO2)의 산화리튬(Li2O)에 대한 몰(mole) 비율이 2~3 범위인 것을 사용한 것으로, 이때, 몰 비율이 2.0 이하이면 시멘트 재료의 압축강도를 저하시킬 수 있으며, 몰 비율이 3.0 이상이면 급격한 시

멘트의 경화로 인하여 작업시간을 확보할 수 없게 된다.

또한, 상기의 알칼리 규산염 화합물을 사용하게 되면 훨씬 더 고온에서도 견딜 수 있게 된다.

이하, 상기와 같이 조성되는 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법을 살펴보면,

도 1은 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법을 나타낸 전체 공정도이다.

도 1의 도시와 같이 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법은, 골재 준비단계(S100)와, 그래핀 준비단계(S200)와, 부재료 준비단계(S200)와, 그래핀용액 준비단계(S300)와, 광물접합물질 준비단계(S400)와, 혼합단계(S500)를 수행하여 된다.

이때 마사토 골재 준비단계(S100)는,

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 마사토 골재 30~40중량%를 준비하되, 마사토와 골재가 혼합되어 된 것으로, 이때, 그 혼합비로는 1 : 1~1.5을 이루게 하며, 이때 상기 마사토는 흙으로 풍화되기 전 단계의 것으로서, 투수성과 흡수성을 높일 수 있으며, 그 입자의 크기는 평균직경 1~10mm인 것을 준비하고, 골재로는 재생잔골재 및 부순잔골재의 1종 또는 그 혼합물로 이루어진 것을 준비한다.

이후, 부재료 준비단계(S200)는,

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 황토 3~7중량%와, 석회석 미분말 3~6중량%와, 시멘트 10~20중량%와 슬래그 미분말 5~7중량%로 된 부재료를 준비하는 부재료 준비한다.

이후, 그래핀용액 준비단계(S300)는,

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 그래핀용액 0.1~6중량%를 준비하되,

이때, 그래핀용액은, 황산(H2SO4) 50ml를 90℃까지 열중탕기를 이용하여 가열하고, 과황화칼륨(K2S2O8) 10g과 오산화인 10g을 넣어준 후, 다 녹을 때까지 교반하고, 교반된 혼합액을 80℃가 되도록 냉각시킨 후, 흑연(Graphite) 12g을 넣고 4~5시간동안 반응시킨 후, 가열을 멈추고 2L의 증류수로 12시간 동안 교반하면서 희석시키며, 희석된 용액을 0.2㎛의 나일론 필터를 이용하여 흑연을 걸러낸 후, 용액만 추출한다.

이후, 0℃의 항온조에 2L 비커를 넣어 준비하고 460mL의 황산을 비커에 넣고 전처리를 거친 그래핀을 비커에 넣고 교반하고, 혼합물을 비커에 과망간산칼륨(KMnO4) 60g을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반한 후, 비커를 꺼내어 35℃의 항온조에 넣고 2시간동안 교반하며, 혼합물을 다시 0℃의 항온조에서 40~50℃의 온도를 유지하면서 증류수 920mL를 20~30mL로 나누어 넣어주면서 2시간 동안 교반 후, 2.8L의 물을 넣어 3시간동안 교반 희석하며, 희석물 100중량%에 대하여 과산화수소(H2O2)를 20~30중량%를 넣어준 후, 염화수소(HCl)와 증류수가 부피비로 1 : 2의 비율로 혼합된 물을 첨가하여 PH 5~7에 해당하는 그래핀용액을 얻게 된다.

이후, 광물접합물질 준비단계(S400)는,

콘크리트 전체 100중량%에 대하여 광물접합물질 3~7 중량%를 준비하되,

이산화규소(SiO2)와 산화리튬(Li2O)으로 된 알칼리 규산염 화합물을 이루며, 이산화규소(SiO2)의 산화리튬(Li2O)에 대한 몰(mole) 비율이 2~3 범위인 것을 적용한다.

이후, 혼합단계(S500)는,

상기와 같이 준비된 마사토 골재와, 황토와, 석회석 미분말과, 시멘트와, 슬래그 미분말과, 물과, 그래핀용액과, 광물접합물질을 혼합 교반하여 되는 것으로, 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조가 가능하게 된다.

한편, 상기와 같은 제조 공정에 의해 제조되는 본 발명 발열콘크리트를 300*300mm의 형틀에 주입 양생하여 된 시편을 제조하여 표면을 고르게 연마후, 전원을 인가하여 온도를가하면서 외관 변형 상태 및 압축강도를 측정하였다.

[실시예]

구분	혼합비(kg)	양생기간 (일)	관찰기간 (일)	허용온도 (℃)	외관	압축강도 (M㎩)
마사토 골재	35	10	20	208	이상없음	56.8
황토	5
석회석 미분말	5
시멘트	15
슬래그 미분말	6
물	30
그래핀용액	3
광물접합물질	5

[실험결과]

상기 시험결과에서 알수 있듯이, 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트는 208℃의 고온까지 외관상 아무런 이상이 발생하지 않았으며, 압축강도 또한 우수한 것으로 나타났다.

이상에서와 같이 본 발명 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 및 그 발열콘크리트 제조방법은 온도변화에 따른 안정성을 얻을 수 있게 된다.

S100 : 골재 준비단계 S200 : 부재료 준비단계
S300 : 그래핀용액 준비단계 S400 : 광물접합물질 준비단
S500 : 혼합단계

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 콘크리트 제조방법에 있어서,
   콘크리트 전체 100중량%에 대하여 마사토 골재 30~40중량%를 준비하는 마사토 골재 준비단계(S100);
   콘크리트 전체 100중량%에 대하여 황토 3~7중량%와, 석회석 미분말 3~6중량%와, 시멘트 10~20중량%와, 슬래그 미분말 5~7중량%와, 물 20~40중량%로 된 부재료를 준비하는 부재료 준비단계(S200);
   콘크리트 전체 100중량%에 대하여 그래핀용액 0.1~6중량%를 준비하는 그래핀용액 준비단계(S300);
   콘크리트 전체 100중량%에 대하여 광물접합물질 3~7 중량%를 준비하는 광물접합물질 준비단계(S400); 및
   마사토 골재와, 황토와, 석회석 미분말과, 시멘트와, 슬래그 미분말과, 물과, 그래핀용액과, 광물접합물질을 혼합하는 혼합단계(S500)를 포함하되,
   상기 그래핀용액 준비단계(S300)에서, 그래핀용액은,
   황산(H2SO4) 50ml를 90℃까지 열중탕기를 이용하여 가열하고, 과황화칼륨(K2S2O8) 10g과 오산화인 10g을 넣어준 후, 다 녹을 때까지 교반하고,
   교반된 혼합액을 80℃가 되도록 냉각시킨 후, 흑연(Graphite) 12g을 넣고 4~5시간동안 반응시킨 후, 가열을 멈추고 2L의 증류수로 12시간 동안 교반하면서 희석시키며,
   희석된 용액을 0.2㎛의 나일론 필터를 이용하여 흑연을 걸러내어 용액만 추출하며,
   추출된 용액을 0℃의 항온조에 2L 비커를 넣어 준비하고 460mL의 황산을 비커에 넣고 전처리를 거친 그래핀을 비커에 넣고 교반하고,
   혼합물을 비커에 과망간산칼륨(KMnO4) 60g을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반한 후, 비커를 꺼내어 35℃의 항온조에 넣고 2시간동안 교반하며,
   혼합물을 다시 0℃의 항온조에서 40~50℃의 온도를 유지하면서 증류수 920mL를 20~30mL로 나누어 넣어주면서 2시간 동안 교반 후, 2.8L의 물을 넣어 3시간동안 교반 희석하며,
   희석물 100중량%에 대하여 과산화수소(H2O2)를 20~30중량%를 넣어준 후, 염화수소(HCl)와 증류수가 부피비로 1 : 2의 비율로 혼합된 물을 첨가하여 얻어진 PH 5~7에 해당하는 그래핀용액인 것을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,
   마사토 골재 준비단계(S100)는,
   마사토와 골재의 중량비가 1 : 1~1.5를 이루게 준비하되,
   골재로는, 재생잔골재 및 부순잔골재의 1종 또는 그 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법.
8. 삭제
9. 제 6항에 있어서,
   광물접합물질 준비단계(S400)에서,
   광물접합물질은,
   이산화규소(SiO2)와 산화리튬(Li2O)으로 된 알칼리 규산염 화합물을 이루며,
   이산화규소(SiO2)의 산화리튬(Li2O)에 대한 몰(mole) 비율이 2~3 범위인 것을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 전도성 발열콘크리트 제조방법.

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