KR101761609B1 - 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기질 재료로 구성되며 균열을 보강하기 위한 코어재; 상기 코어재 외주연에 도포되는 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐에 관한 것이다.

Description

무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐{Inorganic liquid type capsule with self-healing composition}

본 발명은 시멘트 복합재료와 동질의 재질인 무기질재료를 코어재로 사용하여 균열보강의 효율을 더욱 높이며, 견고한 코팅층에 의해 시멘트 복합재료에 직접적으로 혼합이 가능하여 적용성이 우수한 자기치유 액상캡슐에 관한 것이다.

콘크리트에 있어서의 손상은 여러 가지 열화요인 또는 환경적인 요인에 의하여 복합적으로 작용하며, 이는 곧 콘크리트 구조물에 균열을 발생시키게 되어 내구성을 감소시키는 주 원인이 된다. 콘크리트의 균열은 취약부위 등에 국부적으로 발생하지만 조기에 발견하여 적절한 보수를 수행하지 않는다면 국부 균열이 전파되어 최악의 경우 구조물 붕괴의 결과를 초래할 수 있다.

일반적인 구조물의 경우에는 조기에 균열을 관찰하여 유지 및 보수가 가능한 부분이 있지만 2차 피해가 발생할 수 있는 문제가 있으며, 또한 원자력 발전시설, 고속도로 및 지하 구조물 등 사람이 쉽게 접근하기 어려운 장소나 장기적으로 사용을 중단할 수 없는 경우에는 균열의 보수가 곤란해지는 경우도 있다. 따라서 콘크리트에 있어서의 균열은 구조물의 내구성과 직결되는 문제이기 때문에 이를 저감하거나 보수를 위한 연구가 다양한 분야에서 수행되고 있다.

최근 콘크리트의 균열저감을 위한 건설기술 동향을 살펴보면 스마트 구조물, 인텔리전트 재료의 개념이 대두되면서 콘크리트 균열을 스스로 치유할 수 있는 자기치유 기술에 관한 연구 및 검토가 수행되고 있다. 자기치유 성능을 부여한 구조물은 균열이 발생할 경우 균열을 스스로 탐지하여 균열 발생 초기에 치유할 수 있으므로 일반적인 구조물의 유지보수에 따른 시간, 노력 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히 사람이 쉽게 접근하기 어려운 구조물의 경우에도 효과적으로 보수를 수행할 수 있는 장점이 있다.

반면 자기치유를 적용한 구조물은 일반적인 구조물과 비교하여 초기 투자비용이 발생하게 되는 단점은 있다. 그러나 균열 발생시 균열이 스스로 치유되기 때문에 추후 유지관리 비용 절감에 따른 경제성 효과가 더욱 큰 것으로 나타나고 있다.

이러한 자기치유 기술은 자기치유 성능을 구조물에 부여할 수 있는 기술이기 때문에 국내ㆍ외적으로 다양한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 여러 가지 자기치유 개념 중에서도 특히 캡슐을 활용한 자기치유 기술은 직접적인 자기치유 소재를 다량 포함할 수 있기 때문에 손상 부위 즉, 균열이 발생한 부위에 선택적으로 반응시킬 수 있는 장점이 있다. 이와 관련된 국외기술의 경우 자기치유 소재와 촉매제를 마이크로 캡슐화하여 적용한 사례가 있으며, 국내기술의 경우에는 별도의 촉매재 없이 태양광 또는 수분으로 반응할 수 있는 친환경 자기치유 마이크로 캡슐을 적용한 사례가 있다.

전자 및 후자의 자기치유 기술의 특징은 모두 구조물의 표면에 보호 피막으로써 적용하는 경우가 대부분이기 때문에 자기치유 마이크로 캡슐량이 한정적이라는 문제점이 있다. 이는 배합과정 등에서 코팅층의 손상으로 코어재의 사전유출 등의 문제가 있어 그 배합량이 한정되며 이러한 제한에 의해 상기에서 언급한 바와 같이 기존에는 구조물 표면에 보호피막으로 적용되는 정도에 불과한 것이다.

또한, 종래 기술을 살펴보면 자기치유를 위한 소재나 모재 매트릭스의 경우에는 유기계 재료나 유ㆍ무기 혼합 형태로 되어 있는 경우가 대부분이다. 그러나 보다 효과적인 자기치유 성능을 기대하기 위해서는 무기재료인 시멘트 복합재료와 동일한 특성을 가져야 한다.

대한민국 특허등록 제10-1168038호

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 자기치유를 위한 조성물로써 코어재를 무기질 재료를 사용함으로써 시멘트 복합재료와 동질의 재질을 사용하여 균열보강의 효율을 높이도록 하고, 코팅을 견고히 하여 시멘트 복합재료와 직접 혼합의 경우도 코팅의 손상에 의해 초기 비빔시에 코어재의 외부노출을 제어할 수 있는 자기치유 액상캡슐을 제공하고자 함이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐은, 무기질 재료로 구성되며 균열을 보강하기 위한 코어재; 상기 코어재 외주연에 도포되는 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 무기질재료는, 물 100중량부에 대해 규산염 50 내지 200중량부, 불소계 계면활성제 1 내지 3중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 규산염은 규산칼륨 100중량부에 대해 규산나트륨 50 내지 90중량부, 규산리튬 10 내지 80중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 물 100중량부에 대해 양이온 교환기를 가지는 수지분말 1 내지 3중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 적층 코팅되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 코팅액에는 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐은 균열보강을 위한 코어재로 무기질 재료가 사용됨으로써 시멘트 복합재료를 구성하는 타 조성과 동질의 재질특성을 발현하여 균열보강시 부착력이 향상되며 보강후 온도차 등에 의한 신장률 차이 등이 보정되므로 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 견고한 코팅 등에 의해 시멘트 복합재료의 배합시에 타 조성물과 배합을 시킬 수 있어 시멘트 복합재료에 의한 구조물 전체에 걸쳐 균일하게 균열저항성을 향상시킬 수 있어 균열보수를 위한 인력투입이 어려운 부분, 노후화가 진행된 기 건설 구조물의 경우에는 열화부위가 광범위하여 단면복구가 요구되는 부분 등 그 활용범위를 크게 가져갈 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 구조물을 나타내는 개략도이고,
도 2 및 도 3은 본 발명을 나타내는 사진이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 대한 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 본 발명의 한계를 명시하거나 내포하는 것이 아니라 본 발명을 통하여 활용할 수 있는 일반적인 방법을 설명하고 있으므로 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

본 발명의 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐은, 무기질 재료로 구성되며 균열을 보강하기 위한 코어재; 상기 코어재 외주연에 도포되는 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 무기질 재료로서 본 발명에서는 물 100중량부에 대해 규산염 50 내지 200중량부, 불소계 계면활성제 1 내지 3중량부를 포함하는 예를 제시한다.

상기 코어재는 하기 표 1 및 표 2에서 보는 바와 같이 구성될 수 있다.

상기 표 1 및 상기 표 2에서 보는 바와 같이 상기 규산염의 경우 규산칼륨(Potassium Silicates) 100중량부에 대해 규산나트륨(Sodium Silicates) 50 내지 90중량부, 규산리튬(Lithium Silicates) 10 내지 80중량부를 포함하도록 배합되는 것이 바람직하다.

이렇게 코어재에 무기질 재료로서 규산염이 첨가되도록 함으로써 균열발생시 시멘트 복합체의 균열면의 시멘트 알카리반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응을 통하여 규산칼슘수화물을 생성시키며, 생성된 규산칼슘수화물은 페이스트의 미세기공에 충진되어 결국 균열면의 밀실한 충진이 이루어지도록 함으로써 견고하게 균열보강이 이루어지도록 하는 것이다.

이러한 규산염은 상기에서 언급한 바와 같이 규산칼륨(Potassium Silicates) 100중량부에 대해 규산나트륨(Sodium Silicates) 50 내지 90중량부, 규산리튬(Lithium Silicates) 10 내지 80중량부가 포함된 혼합물인 것을 사용하는 것이 타당하다.

그런데 상기 규산칼슘수화물의 생성반응에서는 수산화나트륨(NaOH)이 생성되는데 이렇게 생성되는 수산화나트륨은 물에 대한 용해도가 높기 때문에 수분이 존재하면 재용해되어 용출되는 문제점이 있다.

따라서 수산화나트륨과 반응을 하여 불용화하고, 규산염과 같이 시멘트 복합체 성분과 화학반응하여 미세공극을 충진시키는 규불화염이 상기 코어재에 더 첨가되도록 할 수 있다. 즉 규불화염의 첨가됨으로써 균열에 보강된 페이스트를 완전히 밀실한 구조가 되게 한다.

즉 규불화염은 균열면에서 시멘트 알카리반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 미세한 입자를 생성시켜 균열에 보강된 페이스트의 미세기공을 충진시킴으로써 강도를 더욱 강화시키게 되는 것이다.

이러한 규불화염은 규불화아연, 규불화마그네슘, 규불화니켈, 규불화철, 규불화코발트 중 1 또는 2 이상의 혼합물을 사용하는 것이 타당하다.

이렇게 규불화염이 더 첨가되는 경우 규산염 및 규불화염 혼합물에 있어 규산염과 규불화염의 배합비는 중량비로 규산염:규불화염 = (5 ~ 15):(2 ~ 4)인 것이 타당하다.

한편 상기 코어재에는 규산염(규산나트륨) 등이 배합되는데 균열보강과정에서 경화된 페이스트에는 나트륨이온(Na+)이 잔존하게 되며 나트륨이온은 물과 반응하여 페이스트 외부로 누출되게 되며 이러한 누출은 페이스트의 체적 감소에 따라 균열을 유발하는 등으로 수밀성 및 강도를 저해하는 요인으로 작용하게 된다.

이에 본 발명에서는 상기 조성들 외에도 무기질 재료로 물 100중량부에 대해 양이온 교환기를 가지는 수지분말 1 내지 3중량부가 더 포함되는 예를 제시하고 있다. 양이온교환기를 포함하는 수지분말이 더 첨가되도록 하여 양이온교환기를 포함하는 수지분말에 의해 페이스트에 잔존하는 나트륨이온(Na+)을 이온교환을 통해 제거토록 하여 경화후 페이스트로부터 나트륨의 누출에 의한 수밀성 및 강도저하를 방지토록 하는 것이다.

즉 균열을 보강시킨 페이스트의 수밀성 및 강도저하를 방지하도록 하여 내구성을 향상시키도록 하는 것이다.

바람직하게 상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 구성된 군에서 선택된 하나 또는 하나 이상인 것이 바람직하다.

바람직하게 상기 수지분말은 고분자수지로 그 종류를 한정하지 않으나, 수용성 수지가 사용됨으로써 전체 무기질 재료의 액상화가 가능하도록 하는 것이 타당하다.

또한 상기 코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 적층 코팅되는 예가 제시된다.

이와 같이 코팅을 다단으로 수행토록 하여 코어재에 코팅층이 적층되도록 하는 이유는 본 발명의 캡슐이 시멘트 복합재료에 배합되는 과정에서 타 조성과의 마찰 등에 의해 코어재의 노출 등 내구성 저하요인을 제어하기 위한 것이다.

상기 코팅액은 폴리머, 세라믹 등 다양한 재질이 사용될 수 있는 바, 배합과정에서 본 발명의 캡슐이 배합되도록 하기 위해 일정 강도가 발현되는 재질이 사용되어야 한다. 즉 시멘트 복합재료와 직접 혼합되기 때문에 시멘트 복합재료의 구성재료 및 혼합기에 대하여 마찰 및 전단 등의 압력이 가해지므로 손실량을 최소화할 수 있게 다단으로 코팅이 되도록 하는 것이며, 이를 통해 코어재로의 수분차단력을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

그런데 상기 코팅액에 있어 주재로 폴리머를 사용하는 경우 코팅후 경화과정에서 미세균열이 발생되어 강도가 저하될 수 있으며 코어재로 수분의 유입을 제어할 수 없는 문제가 있으며 특히 본 발명의 캡슐을 시멘트 복합재료와 혼합하여 배합시 경화과정에서 경화열이 발생되는데 이러한 경화열은 코팅층의 강도를 저하시켜 시멘트 복합재료의 경화과정에서 발생되는 인장력에 의해 코팅층 자체에 균열이 발생될 수 있다.

이에 본 발명에서는 상기 코팅액에는 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유가 포함되도록 하는데 바람직하게는 전체 코팅액 대비 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유는 1 내지 5중량%로 배합되는 것이 타당하다.

상기 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유는 상기 코팅액에 첨가되어 섬유의 가교작용에 의해 코팅층의 균열저항성을 물리적으로 향상시키게 되는 것이며 섬유가 다공성으로 이루어져 열차단층의 기능을 하게 되는 것인데 시멘트 복합재료의 경화열이 코어재로 유입을 차단토록 하는 것이다.

특히 스트론튬 알루미네이트를 함유하고 있어 시멘트 복합재료의 경화열을 빛 에너지로 전환시켜 방출시킴으로써 코팅층 및 코어재의 열에 의한 영향을 제어하도록 하는 것이다. 상기 스트론튬 알루미네이트는 열에너지에 노출되는 경우 핵 주위를 도는 전자가 열에너지에 의하여 들뜬 상태로 가면서 열에너지를 흡수하고 전자의 안정화 경향에 따라 빛 에너지로 방사하면서 다시 원상태로 복귀하는 성질을 가진다. 즉 상기 스트론튬 알루미네이트는 열에너지를 빛에너지로 전환하여 방사함으로써 코팅층 및 코어재가 경화열에 노출되는 것을 방지하도록 하는 것이다.

또한 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유는 상기 코팅액에 첨가되어 코어재에 도포하면 다공성 섬유가 코팅층 외부로 노출되는데 이렇게 노출된 부분에 의해 시멘트 복합재료와 고상캡슐 간에 부착력을 더욱 향상시키게 되는 것이다.

이러한 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성섬유는 공지의 방법에 의해 제조될 수 있는 바, 예로 폴리머 전구체와 용매를 혼합한 후에 이러한 혼합물에 스트론튬 알루미네이트을 상기 폴리머 전구체에 분산시키고 이러한 과정을 거쳐 얻어진 혼합물을 전기방사하여 섬유로 제조되도록 하는 것이다. 이렇게 제조된 섬유를 산화시키고 탄화시켜 최종적으로 스트론튬 알루미네이트가 함유된 다공성 섬유로 제조되도록 하는 것이다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 자기치유 액상캡슐은 시멘트 복합재료에 직접 혼합이 가능하여 도 1에서 보는 바와 같이 구조물에서 약 3-10 mm 수준 또는 그 이상을 도포하여 어느 정도의 두께를 가지는 막형태로 시공되거나 또는 구조물 모체 자체로 시공될 수 있는 것이다. 또한 신규 구조물이나 기존 구조물의 보수 재료로써 활용할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 물 100중량부에 대해 규산염 50 내지 200중량부, 불소계 계면활성제 1 내지 3중량부를 포함하는 무기질 재료로 구성되며 균열을 보강하기 위한 코어재;
   상기 코어재 외주연에 도포되는 코팅층;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 규산염은 규산칼륨 100중량부에 대해 규산나트륨 50 내지 90중량부, 규산리튬 10 내지 80중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐.
   
4. 제 1항에 있어서,
   물 100중량부에 대해 양이온 교환기를 가지는 수지분말 1 내지 3중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 적층 코팅되는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 코팅액에는 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유가 포함되는 것을 특징으로 하는 무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐.

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