KR101956233B1 - 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법 - Google Patents

폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(NCO기)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제, 폴리올 및 아민 화합물을 포함하는 경화제 및 무기 바인더;를 포함하고, 상기 주제, 경화제 및 무기 바인더는 1 : 1.5 ~ 2.3 : 9 ~ 11의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다. 본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은 빠른 경화가 가능하고, 단시간에 강한 강도를 발현할 수 있으며, 경화 후에도 우수한 탄성 복원력을 가져 콘크리트 구조물에 시공 시에 외부, 내부로부터 전달되는 충격을 흡수하여 완화해준다.

Description

폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법{ MOLTAR COMPOSITION OF POLYUREA RESIN COMPOSITION AND METHOD OF WORKING THE SAME}
본 발명은 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것으로, 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트(NCO기)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제, 폴리올과 아민 화합물을 포함하는 경화제 및 무기 바인더를 포함하는 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고속도로 등의 고가다리나 도로교에서는 기온의 변화에 의한 신축이나 진동에 의한 응력에 대처하기 위해 소정의 거리마다 신축장치가 설치되고 있으며, 종래의 신축장치의 고정에는 교통을 빠른 시기에 개방하기 위해서 속경성 시멘트를 사용한 모르타르 또는 콘크리트, 마그네시아·인산 시멘트를 사용한 모르타르, 에폭시 수지 모르타르, 아스팔트 모르타르 등이 사용되고 있었다.
그러나, 이러한 모르타르 또는 콘크리트 등의 고정 재료는, 주행 차량의 하중, 진동 등의 충격 등에 의한 영향에 의해 파손, 마모되거나, 혹은 고정 재료와 베이스면, 측면 및 신축장치 등과의 계면부분에서 계면박리를 일으키기 때문에 방수성이 저하되고, 또한 고정 재료가 파손되어 비산하는 경우는 교통사고를 야기할 우려가 있기 때문에, 주기적으로 보수할 필요가 있다.
따라서, 적절한 인공 탄성 도료 개발 요구에 부응하여 탄성과 시공성이 탁월한 폴리우레탄 모르타르 또는 폴리우레아 모르타르의 사용이 확대되고 있다.
하지만, 종래의 폴리우레탄 모르타르는 상온 경화 속도가 늦다는 단점이 있으며, 아민류의 첨가에 따른 반응 속도의 제어가 어려워 현장의 작업성이 저하되고, 반응 시의 온도가 반응 속도에 커다란 영향을 주는 문제점을 갖는다.
등록특허 제1447181호 (2014.09.26 등록공고)
본 발명은 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트(NCO기)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제, 폴리올과 아민 화합물을 포함하는 경화제 및 무기 바인더를 포함하는 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법을 제공함으로써, 빠른 경화가 가능하고, 단시간에 강한 강도를 발현할 수 있으며, 경화 후에도 우수한 탄성 복원력을 가져 콘크리트 구조물에 시공 시에 외부, 내부로부터 전달되는 충격을 흡수 및 완화해주는 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법을 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은, 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(NCO기)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제; 폴리올 및 아민 화합물을 포함하는 경화제; 및 무기 바인더;를 포함한다.
상기 주제, 경화제 및 무기 바인더는 1 : 1.5 ~ 2.3 : 9 ~ 11의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다.
경화제에 포함되는 폴리올은, 폴리 에스테르 폴리올, 폴리 카보네이트 폴리올, 폴리 카프로락톤 폴리올 및 폴리 에테르 폴리올로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 폴리올 또는 폴리올 혼합물을 포함할 수 있다.
또한 아민 화합물은, 폴리에테르 아민, 디에틸톨루엔디아민 및 폴리프로필렌디아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 경화제는 사슬 연장제를 더 포함할 수 있고, 상기 사슬 연장제는 1,4-부타디올, 4,4'-메틸렌 비스 오르소 클로로 아닐린(4,4'-Methylene bis Ortho-ChloroAniline;MOCA), 1,3-부틸렌글리콜(1,3-Butylene Glycol), 1,4-부타디엔(1,4-Butadien) 및 트리메틸올프로판(TrimethylolPropan)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
무기 바인더는 충전재와 골재를 포함하는데, 충전재는, 포트랜드 시멘트, 플라이애쉬, 용광로 슬래그, 포졸란 및 탄산칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 골재는 규사, 모래 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로는, 콘크리트 구조물의 베이스면에 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 시공하는 방법을 들 수 있으며, 베이스면의 파쇄, 결손 또는 취약부를 제거한 후, 이물질을 제거하는 전처리 단계; 전처리를 거친 베이스면의 수분을 제거하는 단계; 수분이 제거된 베이스면을 보온 양생하는 단계; 보온 양생한 베이스면에 프라이머(primer)를 도포하는 단계; 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계; 및 혼합된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 베이스면에 타설하는 단계;를 포함한다.
상기 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계는, 주제 및 경화제를 1 : 1.5 ~ 2.3 부피비로 약 2분 ~ 3분 동안 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 주제를 기준으로 9 ~ 11의 부피비로 무기 바인더를 추가로 더 공급하여 약 3분 ~ 4분 동안 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은 단시간에 강한 강도를 발현할 수 있으며, 경화 후에도 우수한 탄성 복원력을 가져 콘크리트 구조물에 시공 시에는 외부, 내부로부터 전달되는 충격을 흡수하여 완화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은 온도 변화에 따른 체적의 팽창과 수축이 적어 파손의 발생이 적으면서도, 경화 속도가 빨라 작업에 소요되는 시간이 짧아 손쉽게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉온 반복 실험시 길이변화율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고정 온도에서의 길이변화율을 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)% 를 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에서 사용되는 분자량은 중량평균분자량을 의미한다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 및 이의 시공방법에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(-N=C-O)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제; 폴리올 및 아민 화합물을 포함하는 경화제; 및 무기 바인더;를 포함하고, 상기 주제, 경화제 및 무기 바인더는 1 : 1.4 ~ 2.4 : 9~11의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다.
폴리우레아는 분자 구조 내에 우레아 결합을 갖고 있는 고분자 화합물로, 이소시아네이트기(-N=C-O)를 가지고 있는 주제와 활성아민기(-NH2)를 가지고 있는 경화제가 연쇄적으로 반응함으로써 생성된다.
구체적으로, 주제에 포함되는 프리폴리머는 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(-N=C-O)를 갖는 것으로, 바람직하게는 23 ~ 24 중량%의 이소시아네이트기를 포함할 수 있으며, 상기 프리폴리머의 이소시아네이트기가 21 중량% 미만인 경우, 경화 후 모르타르의 내마모성 및 경도가 떨어지게 되고, 프리폴리머의 이소시아네이트기가 25 중량%를 초과할 경우, 모르타르의 내굴곡성이 떨어지고, 반응성이 증대되어 시공 시에 수작업이 불가능할 수 있다.
상세하게는, 이소시아네이트기를 갖는 프리폴리머는 이소시아네이트(isocyanate)와 폴리올(polyol)이 반응하여 생성된 것으로, 이소시아네이트로는 방향족 이소시아네이트를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 메틸렌디페닐 디이소시아네이트(MDI), 자일렌 디이소시아네이트(XDI), 테트라메틸 m- 또는 p-자일렌 디이소시아네이트(TMXDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 디알킬디페닐메탄 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸디페닐-4,4'-디이소시아네이트(TODI), 1,3-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트(NDI), 4,4'-디벤질디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 이소시아네이트일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 우수한 반발 탄성을 얻을 수 있고, 휘발에 의한 환경오염 물질 배출이 적고, 상온에서 액상으로 존재하여 취급이 용이한 메틸렌디페닐 디이소시아네이트(MDI)일 수 있다.
이때, 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(-N=C-O)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제는, 상온에서 480 ~ 520cPs 범위의 점도를 갖는 것이 바람직한데, 점도가 상기 범위 미만일 경우에는 콘크리트 구조물과의 접착성이 저하되게 되고, 범위를 초과하는 경우에는 작업성이 떨어지기 때문이다.
한편, 경화제는 폴리올(polyol) 및 아민 화합물을 포함한다.
폴리올은 탄화수소 사슬에 하이드록시기(OH)가 적어도 2개 이상 붙어 있는 액상 고분자 물질로서, 바람직하게는 2~5개의 OH기를 함유한 것일 수 있고, 모르타르의 기계적 강도 및 신축율을 향상시켜 준다.
상기 폴리올은 폴리 에스테르 폴리올(PES 폴리올), 폴리 카보네이트 폴리올(PC 폴리올), 폴리 카프로락톤 폴리올(PCL 폴리올) 및 폴리 에테르 폴리올로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 폴리올 또는 혼합물일 수 있으나, 폴리 에스테르 폴리올과 폴리 카보네이트 폴리올의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 폴리올은 경화제 중에 20 내지 50중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 범위 내에 있는 경우 본 발명에 따른 모르타르의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
아민 화합물은 우레아 반응에 의해 모르타르를 경화시키는 역할을 하는 것으로, 1차 아민이나 2차 아민이면 제한 없이 사용할 수 있고, 기계적 강도를 향상시키는 측면에서 바람직하게 수평균 분자량이 200 ~ 5000인 디아민(diamine) 또는 트리아민(triamine)을 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리에테르아민, 디에틸톨루엔디아민 및 폴리프로필렌디아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 아민 화합물은 경화제 중에 40 내지 70중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 범위 내에 있는 경우 본 발명에 따른 모르타르의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
또한, 폴리올 및 아민 화합물을 포함하는 경화제는, 작업성 향상과 동시에 콘크리트 구조물과의 접착성이 향상되도록 상온에서 680 ~ 760cPs 범위의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 상기 경화제는 사슬연장제를 추가로 더 포함할 수 있으며, 사슬연장제는 분자구조 연장을 통하여 경화물의 기계적 강도를 향상시키는 것으로, 4,4'-메틸렌비스 오르소 클로로아닐린(4,4'-Methylene bis Ortho-ChloroAniline;MOCA), 1,3-부틸렌글리콜(1,3-Butylene Glycol), 1,4-부타디엔(1,4-Butadien), 트리메틸올프로판(TrimethylolPropane), 1,4-부타디올 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 사슬 연장제는 경화제 중에 3 내지 10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 3 중량% 미만인 경우 최종 경화물의 경도 물성과 반응효율이 떨어지고, 10 중량%를 초과하면 조성물의 최종 점도가 높아지는 문제점이 발생한다.
상기 경화제는 상술한 폴리올, 아민 화합물, 사슬 연장제 이외에 본 발명이 속한 분야에서 통상적으로 첨가되는 착색제, 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제로는 흡습제, 희석제 등을 들 수 있으며, 이러한 첨가제는 임의의 목적에 따라 적절히 조절하여 첨가할 수 있다.
착색제는 Ti계, Cyanine계, Carbon계, Fe계, 세라믹계 등을 들 수 있으며, 구체적인 예로는 산화티타늄(TiO2), 프탈로시아닌 그린(phthalo cyanine green), 산화철 그린(iron oxide green), 산화철 레드(iron oxide red), 산화철 엘로우(iron oxide yellow), 카본블랙(carbon black), 크롬 엘로우(chrome yellow) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 흡습제로는 옥사졸리딘(oxazolidine) 등을 들 수 있고, 희석제로는 프로필렌 카보네이트, 디메틸카보네이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 착색제 및 첨가제는 경화제 중에 각각 1 내지 5중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 범위 내에 있는 경우 폴리우레아 수지 모르타르 조성물 경화체의 물성이 좋게 유지되며, 지나친 발포를 억제할 수 있게 된다.
한편, 무기 바인더는 충전재 및 골재를 포함하며, 충전재는 포트랜드 시멘트(portland cement), 플라이애쉬(fly ash), 용광로 슬래그 분말, 실리카퓸, 포졸란 분말 및 탄산칼슘 분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 골재는 규사, 건조된 하천 모래, 육지 모래, 바다 모래 등의 미세한 골재인 것이 바람직하며, 입자 형태가 가능한 한 둥근 것이 더욱 바람직하다.
상기 무기 바인더는 충전재 및 골재가 미리 혼합된 후, 주제 및 경화제와 혼합되는 것이 바람직하며, 이때 충전재는 골재 100 중량부에 대하여 2 내지 35 중량부 범위의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
충전재가 골재 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만인 경우에는 혼합 용액 내에서 골재가 침강하거나, 또는 분리되는 경향을 나타내며, 35 중량부를 초과하는 경우에는 혼합 용액의 유동성이 작게 되므로 시공할 때의 작업성이 저하되는 경향을 나타내게 된다.
한편, 본 발명의 주제, 경화제 및 무기 바인더는 1 : 1.5 ~ 2.3 : 9 ~ 11의 부피비가 되도록 혼합될 경우, 작업시 물질들의 반응성이 향상되고, 폴리우레아 수지 모르타르의 성능 밸런스가 향상될 수 있으므로, 상술한 부피비를 갖도록 배합되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 경화제의 부피비가 상기 범위보다 높아지게 되면 폴리우레아 수지 모르타르의 강도, 탄성 및 연신율이 저하되게 되고, 경화제의 부피비가 상기 범위보다 낮아지게 되면, 모르타르의 강도는 높아지나, 연신율이 떨어지고 기포가 발생하게 되며, 수분과 과다 반응하여 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 무기 바인더의 부피비가 상기 범위보다 높아지면 골재가 많아져서 본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르의 유동성 및 탄성회복력이 저하되게 되며, 상기 범위보다 낮아지는 경우에는 폴리우레아 수지 모르타르 내 골재 함량이 적어져, 경제성이 나빠지고 압축 강도가 저하되게 된다.
본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르는 건축 분야에서 방수 콘크리트, 하수 배수용 관로 등으로 사용될 수 있고, 토목 분야의 교량 그라우트, 거더, 하수 배수용 관로, 세그먼트 충진용 그라우트 및 터널 배수로 등에서 방수, 균열 방지, 진동 저항의 용도로 사용될 수 있으며, 기타 분야에서도 전신주, 하수 배수용 및 농수로용 U형 관로 등의 진동, 균열 저항 및 방수의 용도로 다양하게 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로는, 콘크리트 구조물의 베이스면에 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 시공하는 방법에 관한 것으로서, 베이스면의 파쇄, 결손 또는 취약부를 제거한 후, 이물질을 제거하는 전처리 단계; 전처리를 거친 베이스면의 수분을 제거하는 단계; 수분이 제거된 베이스면을 보온 양생하는 단계; 보온 양생한 베이스면에 프라이머(primer)를 도포하는 단계; 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계; 및 혼합된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 베이스면에 타설하는 단계;를 포함할 수 있다.
전처리 단계는 폴리우레아 수지 모르타르를 콘크리트 구조물의 베이스면에 시공할 때 접착성을 확보하기 위한 것으로, 콘크리트 구조물의 베이스면의 파쇄, 결손 또는 취약부를 제거한 후, 이물질을 제거해준다.
다음으로, 전처리를 거친 베이스면의 수분을 제거하는 단계가 진행된다.
구체적으로, 수분을 제거하는 단계는 먼저 전처리를 거친 베이스면의 수분 함량을 수분계 등을 이용하여 측정한 후, 수분 함량이 8% 이하, 바람직하게는 6% 이하가 되도록 건조시킨다.
베이스면의 수분을 제거한 후에는, 베이스면을 보온 양생하는 단계를 진행할 수 있다.
이후, 보온 양생한 베이스면에 프라이머(primer)를 도포하는 단계가 진행된다.
이때, 상기 프라이머는 폴리우레아 수지 모르타르과 베이스면의 접착력을 증대시키기 위한 것으로, 사용 가능시간이 40분 이내인 에폭시 수지계 프라이머를 사용하는 것이 바람직하며, 도포량은 베이스면에 대해 0.1 내지 0.5L/m2 인 것이 바람직하다.
한편, 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계는, 주제, 경화제 및 무기 바인더를 1 : 1.5 ~ 2.3 : 9 ~ 11의 부피비로 혼합하여 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 제조하는 단계로, 도포된 프라이머의 표면이 지촉 건조되기 전에 진행되는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기 혼합하는 단계는, 먼저 주제 및 경화제를 1 : 1.5 ~ 2.3의 부피비로 약 2분 ~ 3분 동안 혼합하여 제1 혼합물을 제조한다.
이후, 상기 주제를 기준으로 9 ~ 11의 부피비로 무기 바인더를 제1 혼합물에 추가로 더 공급한 후, 약 3분 ~ 4분 동안 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계를 거치며, 상기 단계를 통해 폴리우레아 수지 모르타르 조성물의 흐름성이 증가하여 작업성이 확보된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 제조할 수 있다.
다음으로, 혼합된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 베이스면에 타설하는 단계가 진행되며, 혼합된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물의 작업성 감소를 방지하기 위하여, 약 15분 이내에 타설하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레아 수지 모르타르를 제조하고, 이를 통해 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 설명하고자 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
주제의 제조
디페닐메탄 디이소시아네이트(4,4-Diphenylmethane diisocyanate, MDI) 및 폴리 에스테르 폴리올을 반응기에 투입한 후 교반기로 혼합하여, 점도가 500(cPs/25℃)이고, 23.1 중량%의 이소시아네이트기(NCO기)를 갖는 MDI계 프리폴리머를 제조하였다.
경화제의 제조
경화제를 제조하기 위해, 폴리올로 폴리 에스테르 폴리올 25 중량%를 사용하였고, 아민 성분으로 폴리에테르 아민 50 중량%과 디에틸톨루엔디아민 15 중량%를 함께 사용하였으며, 사슬연장제로 1,4-부타디올 5 중량%과 1,3-부틸렌글리콜 1.5 중량%를 사용하였다. 또한, 착색제로 티타늄디옥사이드 1.5 중량%를 사용하고, 흡습제 및 희석제로 옥사졸리딘 1 중량%과 프로필렌 카보네이트 1.9 중량%를 각각 사용하여 반응기에 투입한 후, 교반기로 혼합하여 점도가 720(cPs/25℃)인 경화제를 제조하였다.
비교예 8의 경우에는, 경화제에 사슬연장제인 1,4-부타디올 및 1,3-부틸렌글리콜을 포함하지 않고, 폴리올 성분인 폴리 에스테르 폴리올 31.5중량%를 포함하며, 아민 성분, 착색제, 흡습제 및 희석제는 앞선 예와 동일하게 포함한다.
무기 바인더 제조
실리카퓸(시판품) 8 중량부, 분자체(Siliporite 사, NK30AP(제올라이트)) 6 중량부, 플라이애쉬(시판품) 8 중량부 및 골재(0.075~0.3mm 입도의 규사) 100 중량부를 반응기에 투입한 후 교반기로 혼합하여 무기 바인더를 제조하였다.
[제조예 2]
폴리우레아 수지 모르타르 제조
제조예 1에서 제조된 주제와 경화제를 하기 표 1과 같은 부피비로 혼합한 후, 페이스트 믹서(paste mixer)를 사용하여 2분간 혼합하여 제1 혼합액을 제조하였다.
이후 제1 혼합액에 하기 표 1과 같은 부피비로 무기 바인더를 추가로 더 공급한 후, 페이스트 믹서(paste mixer)를 사용하여 3분간 혼합하여 제2 혼합액을 제조하였다. 이후 몰드에 투입하고 실온에서 하루 동안 양생하여 시편을 제작하였다.
주제 경화제 무기 바인더 사슬 연장제
(1,4-부타디올, 1,3-부틸렌글리콜)
실시예 1 1 1.5 10 포함
실시예 2 1 2 10 포함
실시예 3 1 2.3 10 포함
비교예 1 1 0.6 10 포함
비교예 2 1 1 10 포함
비교예 3 1 1.3 10 포함
비교예 4 1 2.5 10 포함
비교예 5 1 3 10 포함
비교예 6 1 2 8 포함
비교예 7 1 2 12 포함
비교예 8 1 2 10 불포함
[실험예 1] 유리전이온도(Tg) 측정 시험
제조예 1에서 제조된 주제 및 경화제의 유리전이온도(Tg)를 확인하기 위하여, DSC 장비를 이용하여 주제 및 제1 경화제가 고체 상태에서 유동성 액체 상태로 변화하는 온도(유리전이온도, Tg)를 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
여기서, 유리전이온도는 낮을수록 재료의 유연성이 높은 것으로 판단되며, 유리전이온도가 높을수록 재료의 강성이 있는 것으로 판단된다.
주제 경화제
유리전이온도(℃) -53.09℃ -61.01℃
표 2를 참조하면, 주제의 유리전이온도는 -53.9℃이며, 경화제의 유리전이온도는 -61.01℃로, 경화제에 비해 주제의 유리전이온도가 높은 값을 나타냈으며, 주제는 경화제에 비해 강성이 있으나, 유연성이 낮은 것으로 여겨진다.
[실험예 2] 인장강도 및 연신율 측정 시험
경화제의 함량 변화에 따른 기계적 물성을 확인하기 위하여, 제조예 2의 시편을 대상으로 ASTM D 638 시험 방법에 따라 인장강도 시험을 수행하고, 연신율 및 100~200% Modulus 값을 측정하여 각각의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
연신율은 인장강도 측정시 재료가 늘어난 비율을 측정하는 것으로, 인장강도 시험을 수행할 때 시편이 절단되거나 파괴가 일어날 때까지의 길이 변화를 측정한다.
*연신율(%) : (L'- L) / L X 100
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 4 비교예 5
100% Modulus(kg/cm2) 시편 형성되지 않음 279 148 17 18 17 5 시편 형성되지 않음
200% Modulus(kg/cm2) - - 46 44 45 -
인장강도(kg/cm2) 348 193 84 85 82 5
연신율(%) 130 140 247 250 241 100
표 3을 참조하면, 주제를 기준으로 경화제를 1.5 미만의 부피비로 혼합한 비교예 1은 시편이 형성되지 않았고, 비교예 2 및 비교예 3의 경우 실시예 1 내지 3에 비해 높은 인장강도 및 Modulus 값을 보였으나, 연신율이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 2 및 비교예 3의 경우 기포가 발생하였고, 수분과 과다 반응하여 폴리우레아 수지에 가까웠으며, 이에 따라 실시예 1 내지 3에 비해 내구성이 저하될 것으로 예상된다.
한편, 주제를 기준으로 경화제를 2.3의 부피비를 초과하여 혼합한 비교예 4의 경우에는 실시예 1 내지 3에 비해 인장강도, Modulus 및 연신율이 현저히 낮게 나타났으며, 비교예 5는 비교예 1과 동일하게 시편이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 폴리우레아 수지 모르타르는 비교예에 비해 인장강도 및 연신율이 높아 우수한 탄성복원력을 갖는 것으로 여겨진다.
[실험예 3] 압축강도 및 휨강도 측정 시험
제조예 2의 시편을 3일, 7일 및 28일 동안 표준 양생한 후, 시편을 대상으로 KS L 5105 시험법에 의거하여 압축강도 시험을 수행하였고, KS F 2408 시험법에 의한 휨강도 시험을 수행하여 각각의 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
압축강도(MPa) 휨강도(MPa)
3일 7일 28일 3일 7일 28일
비교예 2 6.44 9.87 9.88 7.11 8.55 8.56
비교예 3 6.52 10.02 10.13 7.09 8.63 8.85
실시예 1 10.8 15.11 15.64 10.4 12.03 12.64
실시예 2 11.9 15.24 15.74 10.6 12.07 12.78
실시예 3 11.2 15.22 15.33 10.33 12.14 12.77
비교예 4 6.55 9.98 10.01 7.04 8.43 8.65
표 4를 참조하면, 모든 양생 기간 동안 실시예 1 내지 3의 압축강도는 비교예 2 내지 4의 압축강도에 비해 현저히 높은 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1 내지 3의 경우, 7일 및 28일 표준 양생 후 압축강도는 각각 15.11~15.24MPa, 15.33~15.74MPa이고, 비교예 2 내지 4의 경우, 각각 9.87~10.02MPa, 9.88~10.13MPa으로 측정되어, 모든 실시예 및 비교예에서 7일 및 28일 표준 양생 후의 압축강도가 유사한 값을 나타냈다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 폴리우레아 수지 모르타르 조성물은 7일 양생 후 압축강도의 발현이 대부분 이루어지는 것으로 보여진다.
한편, 실시예 1 내지 3의 휨강도 또한, 모든 양생 기간 동안에 비교예 2 내지 4의 휨강도에 비해 높은 값을 나타냈으며, 압축강도의 결과와 유사하게 모든 실시예 및 비교예에서 7일 및 28일 표준 양생 후의 휨강도가 유사한 값으로 측정된 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 4] 탄성계수 및 내열성 실험
탄성계수 측정 시험
무기 바인더의 함량 변화에 따른 탄성계수 값을 확인하기 위하여, 실시예 2, 비교예 6 및 비교예 7에 따라 제조된 폴리우레아 수지 모르타르를 사용하여 100,200 원주형 공시체를 제작하고, 7일 표준 양생한 후, 공시체를 대상으로 KS F 2438에 따라 일축 압축 실험을 3회 실시하고, 평균값을 취하여 표 5에 나타내었다.
내열성 실험
무기 바인더의 함량 변화에 따른 내열성을 시험하기 위하여, 실시예 2, 비교예 6 및 비교예 7에 따라 제조된 폴리우레아 수지 모르타르를 사용하여 크기 50㎜ × 50㎜ 의 시편을 제작한 후, KS M 6518에 따라 노화시험기(Rubber Aging Tester)를 사용하여 내열성 시험을 수행하였다.
상기 내열성 시험은 0℃부터 진행되며, 온도를 서서히 높이면서 시편이 녹는 온도를 측정하여, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
탄성계수(MPa) 내열성 온도(℃)
1 2 3 평균
실시예 2 181.6 172.0 201.9 185.2 300℃ 이상
비교예 6 161.3 155.2 170.4 162.3 300℃ 이상
비교예 7 144.8 129.6 119.2 131.2 300℃ 이상
표 5를 참조하면, 무기 바인더의 함량 변화에 따라 탄성계수의 값이 영향을 받는 것을 확인할 수 있으며, 실시예 2는 비교예 6 및 비교예 7에 비해 높은 탄성계수를 나타내고, 우수한 탄성복원력을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
특히 실시예 2 및 비교예 7을 살펴보면, 주제를 기준으로 무기 바인더를 12의 부피비로 혼합한 비교예 7의 탄성계수의 평균값은 실시예 2의 탄성계수 평균값에 비해 현저히 낮게 나타났는데, 이는 비교예 7의 모르타르 내에 골재가 많아져서 유동성 및 탄성회복력이 저하된 것으로 여겨진다.
반면, 실시예 2, 비교예 6 및 비교예 7의 내열성 온도는 모두 300℃ 이상으로 측정되어, 모든 예에서 비교적 우수한 내열성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 5] 동결 융해 저항성 실험
제조예 2의 실시예 1 내지 3, 비교예 6 및 비교예 7를 사용하여 공시체를 제작하고, ASTM C 666 시험법에 따라 공시체의 중심온도가 동결 시 -18℃, 융해시 4℃가 되도록 수중 또는 기중에서 동결, 융해의 반복 적용을 1사이클에서 2 ~ 4시간 정도로 300사이클 또는 상대동탄성계수가 60% 이하가 되는 사이클까지 반복 진행하였다.
여기서 동결융해는 공시체에 흡수된 수분이 결빙되고 녹는 것을 말하는 것으로, 동결융해가 반복되면 모르타르 조직에 미세한 균열이 발생하게 되어 내구성이 저하되는 문제가 발생하게 되며, 상대동탄성계수를 측정하여 모르타르 공시체의 열화 정도를 판단할 수 있다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 6 비교예 7
Cycle(0~300) 상대동탄성계수(%)
0cycle 100 100 100 100 100
60cycle 72.08 101.7 100.06 84.04 82.22
120cycle 83.26 120.48 117.36 70.03 80.31
180cycle 68.24 100.14 168.10 68.22 79.24
240cycle 108.54 112.44 101.13 65.30 70.04
300cycle 103.36 100.37 100.37 65.21 69.01
표 6을 참조하면, 실시예 2 및 실시예 3의 상대동탄성계수는 0 사이클에서 180 사이클까지 다소 증가하다가, 이후부터 감소하여 300 사이클에서 100.37로 나타났으며, 실시예 1의 상대동탄성계수는 0 사이클에서 180 사이클까지 다소 감소하다가, 이후부터 증가하여 300 사이클에서 103.36으로 나타난 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과처럼, 실시예 1 내지 3의 상대동탄성계수는 각각 차이가 있으나, 대체적으로 사이클 횟수 증가에 따른 표면 열화의 정도가 심화되지 않는 것으로 판단된다.
반면, 비교예 6 및 비교예 7의 상대동탄성계수는 사이클 횟수가 증가됨에 따라 상대동탄성계수가 감소하여 300 사이클에서 각각 65.21, 69.01로 나타났으며, 실시예 1 내지 3에 비해 사이클 횟수 증가에 따른 표면 열화의 정도가 심화되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실험 결과를 바탕으로 본 발명의 폴리우레아 수지 모르타르는 동결 융해에 대한 저항성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 6]
실시예 2 및 비교예 8에 따라 제조된 폴리우레아 수지 모르타르를 사용하여 레일체결장치 조립체를 제작하였다.
정적 수직 강성 시험
이후, KRS TR 0014-15R 시험법에 따라 레일 두부 중심선에 1kN ~ 43kN까지 일정한 속도로 하중을 재하하고, 레일 저부 4개의 변위 측정 장치를 이용하여 수직 변위를 측정하여 정적 수직 강성을 계산한 결과를 표 7에 나타내었다.
동적 수직 강성 시험
KRS TR 0014-15R 시험법에 따라 상기 레일에 동일하중을 적용하여 5Hz의 속도로 1000번의 하중을 재하하고, 레일 저부 4개의 변위 측정 장치를 이용하여 수직 변위를 측정하여 동적 수직 강성을 계산한 결과를 표 7에 나타내었다.
종방향 저항력 시험
KRS TR 0014-15R 시험법에 따라 상기 레일 한 쪽 단부에 1kN ~ 70kN까지 일정한 속도로 종방향력을 가력하고, 레일의 상대변위를 측정하여 종방향 저항력을 측정한 결과를 표 7에 나타내었다.
인발 저항력 시험
KRS TR 0014-15R 시험법에 따라 상기 레일 좌면부에 수직 방향으로 16kN ~ 30kN까지 일정한 속도로 하중을 재하하고, 균열 및 파손이 발생하는 하중을 표 7에 나타내었다.
반복 하중 시험
KRS TR 0014-15R 시험법에 따라 상기 레일에 동일하중을 적용하여 5Hz의 속도로 총 300만 번의 반복 하중을 재하하고, 최초 1000회와 최후 1000회의 레일 두부의 횡변위를 측정하여 그 차이값을 계산한 결과를 표 7에 나타내었다.
또한, 반복 하중 시험 후, 상기 정적/동적 수직 강성 시험 및 종방향 저항력을 시험과 동일한 시험을 수행하였다. 이후 반복 하중 시험 전/후의 정적/동적 수직 강성 및 종방향 저항력 변화 범위를 계산하여 그 결과를 표 7에 나타내었다.
항목 KTRS TR 0014-15R(성능기준) 비교예 8 실시예 2
정적 수직 강성 요청자 제시 41.15kN 96.1kN/mm
동적 수직 강성 요청자 제시 94.97kN 112.6kN/mm
종방향 저항력 7kN/mm 이상 7kN/mm 30kN/mm
반복하중시험 최초/최후 1000사이클
두부 횡변위차		 4mm 이하 약 3mm 약 1mm
수직강성변화범위 반복시험 전 25% 이하 25.1%(정적)
27.2%(동적)		 11.3%(정적)
17.8%(동적)
종방향 저항력 변화 범위 반복시험 전 20% 이하 19.8% 11.3%
인발 저항력 균열 및 파손 없는 하중 16kN 30kN
표 7에 나타난 바와 같이, 경화제에 사슬 연장제를 포함하는 실시예 2는 경화제에 사슬 연장제를 포함하지 않은 비교예 8에 비해 정적/동적 수직 강성, 종방향 저항력 및 인발 저항력이 현저히 높게 나타났으며, 모든 항목에서 성능 시험의 요구 조건을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.
반복하중시험을 살펴보면, 최초 1000회와 최후 1000회의 레일 두부의 횡변위 차의 경우 실시예 2는 약 1mm, 비교예 8은 약 3mm로 나타났으며, 이를 통해 비교예 8에 비해 실시예 2로 제작된 조립체의 장기 성능이 우수할 것으로 여겨진다.
또한, 정적/동적 수직 강성 변화의 경우 실시예 2가 비교예 8에 비해 낮은 변화를 나타냈고, 종방향 저항력의 변화 범위 또한 실시예 2가 비교예 8에 비해 낮은 변화를 나타내 우수한 물성을 갖는 것으로 보아, 실시예 2에 포함된 사슬 연장제는 조립체의 기계적 강도를 향상시키는 것으로 예측할 수 있다.
[실험예 7] 길이변화 실험
제조예 2에서 실시예 2로 제작한 시편을 -50℃, 20℃, 50℃에 각각 2시간 동안 거치하는 것을 1 사이클로 하여 냉온 반복 실험을 수행하고, 1 사이클의 온도 변화 시점에서 공시체의 길이변화율을 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.
또한, 공시체를 -50℃, -20℃, 20℃, 50℃에서 항온항습으로 거치시킨 후, 2시간을 1 사이클로 하여 3 사이클마다 공시체의 길이변화율을 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 냉온 반복실험에 따른 공시체의 길이변화율은 약 -0.25 ~ 0.2% 이내 범위로 나타났으며, 고정된 온도에서 항온항습으로 양생시킨 공시체의 길이변화율은 약 -0.25 ~ 0.25% 로 나타났다.
특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 20℃에서 항온항습으로 양생시킨 공시체의 길이변화율은 약 0.01% 내로 매우 안정적인 길이변화율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (8)

  1. 21 내지 25 중량%의 이소시아네이트기(NCO기)를 갖는 프리폴리머를 포함하는 주제; 폴리올, 아민 화합물 및 사슬 연장제를 포함하는 경화제; 및 무기 바인더;를 포함하고,
    상기 주제, 경화제 및 무기 바인더는 1 : 1.5 ~ 2.3 : 9 ~ 11의 부피비로 혼합되며,
    상기 경화제는, 폴리에스테르 폴리올, 폴리 카보네이트 폴리올, 폴리 카프로락톤 폴리올 및 폴리 에테르 폴리올로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 폴리올 또는 폴리올 혼합물 20~50wt%; 폴리에테르 아민, 디에틸톨루엔디아민 및 폴리프로필렌디아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 아민 화합물 40~70wt%; 및 1,4-부타디올, 4,4'-메틸렌 비스 오르소 클로로 아닐린(4,4'-Methylene bis Ortho-ChloroAniline;MOCA), 1,3-부틸렌글리콜(1,3-Butylene Glycol), 1,4-부타디엔(1,4-Butadien) 및 트리메틸올프로판(TrimethylolPropan)으로 루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 사슬 연장제 3~10wt%;를 포함하고,
    상기 무기 바인더는 충전재와 골재를 포함하되, 상기 충전재는, 포트랜드 시멘트, 플라이애쉬, 용광로 슬래그, 포졸란 및 탄산칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 골재는 규사, 모래 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 폴리우레아 수지 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 콘크리트 구조물의 베이스면에 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 시공하는 방법에 있어서,
    베이스면의 파쇄, 결손 또는 취약부를 제거한 후, 이물질을 제거하는 전처리 단계;
    전처리를 거친 베이스면의 수분을 제거하는 단계;
    수분이 제거된 베이스면을 보온 양생하는 단계;
    보온 양생한 베이스면에 프라이머(primer)를 도포하는 단계;
    제1항에 기재된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계; 및
    혼합된 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 베이스면에 타설하는 단계;를 포함하되,
    상기 폴리우레아 수지 모르타르 조성물을 혼합하는 단계는,
    주제 및 경화제를 1 : 1.5 ~ 2.3 부피비로 2분 ~ 3분 동안 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 주제를 기준으로 9 ~ 11의 부피비로 무기 바인더를 추가로 더 공급하여 3분 ~ 4분 동안 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 폴리우레아 수지 모르타르의 시공 방법
  8. 삭제
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