KR102004913B1 - 수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 에폭시기를 포함하는 반응성 희석제 1~40중량부, 아민계 경화제 20~50중량부, 흄드(fumed) 실리카 입자 1~10중량부, 및 실리콘계 소포제와 실리콘계 레벨링제 중 1종 이상을 포함하는 첨가제 0.1~2중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물 {EPOXY RESIN COMPOSITION FOR FIBER IMPREGNATION WITH EXCELLENT IN HARDENABILITY AND WATER RESISTANCE UNDERWATER ENVIRONMENT}
본 발명은 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 노후화된 구조물은 콘크리트나 강판을 사용하여 보수 및 보강 공사를 하지만, 해양 구조물의 경우, 콘크리트나 강판 대신에 강도 증진과 표면 보호 기능을 갖는 섬유강화 복합소재를 사용하여 보수 및 보강 공사를 한다.
이러한 섬유강화 복합소재는 기존의 금속 및 무기물 재료에서 섬유를 사용한 재료로 빠르게 전환되고 있으며, 수중에 노출된 해양 구조물의 보수 보강 시 시간적, 경제적 비용을 획기적으로 절감시킬 수 있어 여러 분야에 널리 사용되고 있다. 섬유강화 복합소재에 사용되는 수지 조성물은 내수성, 접착성 및 내약품성이 우수한 에폭시 수지를 기반으로 한 조성물이 사용되고 있다.
그러나, 상기 에폭시 수지가 수중 환경 및 저온 환경에 장시간 노출되는 경우, 내수성, 접착성 등의 물성이 유지되는데 한계가 있으며, 추가적인 중장비를 필요로 하게 된다.
따라서, 염수, 수중, 0℃ 이하의 저온 환경에서도 경화성 및 내수성이 우수한 수지 조성물의 연구가 필요한 실정이다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 특2001-0000104호(2001.01.05. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 지하 매설물 및 수중 구조물을 위한 중방식 코팅 조성물이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수하여, 해양 구조물에 적용될 수 있는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 에폭시기를 포함하는 반응성 희석제 1~40중량부, 아민계 경화제 20~50중량부, 흄드(fumed) 실리카 입자 1~10중량부, 및 실리콘계 소포제와 실리콘계 레벨링제 중 1종 이상을 포함하는 첨가제 0.1~2중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비스페놀계 에폭시 수지의 당량은 170~180g/eq일 수 있다.
상기 아민계 경화제의 당량은 200~400g/eq일 수 있다.
상기 아민계 경화제는 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 흄드 실리카 입자의 직경은 5~50nm일 수 있다.
상기 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 이미다졸계 유도체를 포함하는 경화 촉진제 1~15중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 수중 환경에서도 경화 가능한 아민계 경화제를 포함함으로써, 수중 환경에서도 우수한 경화성과 내수성을 나타낼 수 있다.
또한, 에폭시 수지 조성물은 섬유 보강재에 함침되어 우수한 계면 접착력과 내구성을 나타낼 수 있어, 해양 구조물에 적용 가능하다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 무용제형 조성물로서, 섬유강화 복합소재에서 섬유 보강재에 함침되어 해양 구조물 등의 보수, 보강용으로 사용될 수 있다. 상기 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 천연섬유 등을 가리킨다.
본 발명에 따른 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 에폭시기를 포함하는 반응성 희석제 1~40중량부, 아민계 경화제 20~50중량부, 흄드(fumed) 실리카 입자 1~10중량부, 및 실리콘계 소포제와 실리콘계 레벨링제 중 1종 이상을 포함하는 첨가제 0.1~2중량부를 포함한다.
비스페놀계 에폭시 수지는 상온에서 액상으로 존재하고, 내수성, 접착성 등이 우수하다. 그 예로 비스페놀 A형 에폭시 수지 또는 비스페놀 F형 에폭시 수지 등이 있다. 상기 비스페놀계 에폭시 수지의 당량은 170~180g/eq일 수 있으며, 이 범위를 벗어나는 경우, 아민브러싱, 미경화, 물성저하 등의 문제점이 발생한다.
반응성 희석제는 에폭시 수지의 우수한 물성을 유지하면서도 조성물의 점도를 낮추는 물질을 총칭하는 것으로, 지방성 글라이시딜 에테르 형태의 2관능성 에폭시기 등을 포함하는 것이 바람직하다.
에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시기를 포함하는 반응성 희석제 1~40중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 함량이 1중량부 미만인 경우, 조성물의 점도와 유리 전이 온도가 증가될 수 있다. 반대로, 함량이 40중량부를 초과하는 경우, 조성물의 점도와 유리 전이 온도가 감소될 수 있다.
아민계 경화제는 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 지방족 아민계 경화제는 에폭시 수지와의 경화 반응이 빠르고 접착성이 우수하며, 그 예로 에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민 등이 있다. 아미도아민계 경화제는 화학적 내성과 강한 접착력을 가지며, 그 예로 폴리아미도아민, 폴리키탈 아미도아민 등이 있다. 페날카민계 경화제는 에폭시 수지와의 상용성이 우수하고, 5℃ 이하의 저온에서 경화되며, 경화 속도가 빠른 특징이 있다.
에폭시 수지 조성물은 아민계 경화제 20~50중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 함량이 20중량부 미만인 경우, 경화 속도가 지나치게 느려지는 문제점이 있고, 50중량부를 초과하는 경우 경화 속도가 너무 빨라지게 되어 바람직하지 않다.
이러한 아민계 경화제의 당량은 200~400g/eq일 수 있으며, 이들 범위를 벗어나는 경우, 물성저하 및 외관상의 문제점이 발생한다.
흄드 실리카 입자는 퓸 형태로 만들어진 무수 규산으로, 조성물의 흐름 방지, 유동성 개선을 위해 에폭시 수지 조성물에 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 아스팔트와 수지 조성물이 분리되는 것을 방지하고, 조성물 경화 후 콘크리트와의 부착력도 향상시킬 수 있으며, 에폭시 수지 조성물 내 요변성(thixotropy)을 증가시킬 수 있다. 이러한 흄드 실리카 입자는 직경이 5~50nm인 구형인 것이 바람직하며, BET 비표면적은 100~300m2/g일 수 있다.
에폭시 수지 조성물은 흄드 실리카 입자 1~10중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 함량이 1중량부 미만인 경우, 에폭시 수지 조성물이 섬유 보강재에 함침되기에 불충분할 수 있으며, 섬유 계면과의 접착력이 저하될 수 있다. 반대로, 10중량부를 초과하는 경우, 흄드 실리카 입자의 함량이 너무 많아지면서 물성 향상 효과없이 제조 비용만 상승하게 되고, 작업성이 저하될 수 있다.
첨가제는 실리콘계 소포제와 실리콘계 레벨링제 중 1종 이상을 포함하는 것으로, 에폭시 수지 조성물은 0.1~2중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 첨가제의 함량이 0.1중량부 미만이거나, 2중량부를 초과하는 경우, 경화물의 요구되는 물성을 보다 향상시키기 어려울 수 있고, 경화물의 표면 습윤성이 저하되거나 표면이 불균일해질 수 있다.
본 발명의 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 경화 반응성과 상온±20℃에서의 저장안정성을 유지하기 위해, 이미다졸계 유도체를 포함하는 경화 촉진제를 더 포함할 수 있다.
상기 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 이미다졸계 유도체를 포함하는 경화 촉진제 1~15중량부가 더 포함될 수 있다. 이미다졸계 유도체를 포함하는 경화 촉진제는 이미다졸, 이소이미다졸, 2-메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 등에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트(tetrabutylphosphonium tetrafluoroborate)를 더 포함할 수 있다. 상기 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트를 더 포함하는 경우, 점도 조절이 용이하며, 습윤 환경에서 우수한 경화성을 나타낼 수 있다.
상기 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 상기 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 상기 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트 0.1~3중량부를 더 포함할 수 있으며, 이 범위를 만족함으로써 보다 우수한 경화성을 나타낼 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 수중 환경에서 우수한 경화성을 나타내는 아민계 경화제를 포함하고, 비스페놀계 에폭시 수지에 요변성을 부여하는 흄드 실리카를 포함함으로써, 섬유 보강재에 함침되기에 용이하고, 섬유 계면과의 접착력 및 내구성이 우수한 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 섬유 보강재에 함침됨에 따라, 수중 환경에 존재하는 해양 구조물 등에 보수, 보강용으로 적용 가능하다.
이와 같이 수중 환경에서 경화성 및 내수성이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물의 제조
실시예 1~4 및 비교예 1~2
1g당량이 170g/eq인 비스페놀 A형 에폭시 수지(Huntsman사), 반응성 희석제인 지방성 글라이시딜 에테르 형태의 2관능성 에폭시기(Shin-Nihon Rika K. K.), 1g당량이 300g/eq인 아민계 경화제, 흄드 실리카(평균 직경 10nm, Sigma Aldrich), 실리콘 소포제, 실리콘 레벨링제(LG화학), 경화촉진제인 2-메틸 이미다졸(Sigma Aldrich), 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트를 표 1의 조성으로 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 표 1의 조성은 수지 100중량부에 대한 중량부를 기재한 것이다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
지방성 글라이시딜 에테르 형태의 2관능성 에폭시기 30 30 30 30 20 20 20
디에틸렌트리아민 15 15 15 15 15 15 15
폴리아미도아민 20 20 20 20 20 30 -
흄드 실리카 1 10 10 10 10 - 10
실리콘 소포제 0.1 0.1 1 1 1 1 1
실리콘 레벨링제 0.1 0.1 1 1 1 1 1
2-메틸 이미다졸 - - - 10 10 - -
테트라부틸포스포늄테트라플루오로보레이트 - - - - 1 - -
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
상기 실시예 1~5 및 비교예 1~2에서 제조된 조성물을 이용하여 다음과 같이, 물성 평가를 실시하였다.
1) 굴곡강도(N/mm2) : 콘크리트 면에 롤러를 사용하여 조성물을 도포한 후, 25℃ 및 수분 85%의 조건 하에 24시간 방치한 뒤, 경화시켜 KSM 3008을 이용하여 측정하였다.
2) 경화도(%) 측정: 콘크리트 면에 롤러를 사용하여 조성물을 도포한 후, 25℃ 및 수분 85%의 조건 하에 24시간 방치하여 초기 무게 대비 방치한 후의 무게의 비율을 측정하여 경화도(%)를 도출하였다. 그 결과는 하기 표 2에 기재한 바와 같다.
3) 투습도 측정 : ASTME 96의 조건에 따라 투습도를 측정하였으며, 투습도가 1~10 g/m2·day인 경우 "◎: 우수", 10~20 g/m2·day인 경우, "○: 양호", 20 g/m2·day 이상인 경우 "Х: 나쁨"으로 표시하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
굴곡강도(MPa) 70 70 70 70 77 68 67
경화도(%) 90 90 90 92 95 70 70
투습도 ○ ○ ○ ◎ ◎ Х Х
표 1 및 표 2를 참조하면, 에폭시 수지, 반응성 희석제, 아민계 경화제, 흄드 실리카 입자 및 첨가제의 함량을 만족한 실시예 1~5의 굴곡강도의 경우, 비교예 1~2의 굴곡강도, 경화도, 투습도에 비하여 상대적으로 높은 결과값을 보여주었다.
특히, 실시예 4는 경화 촉진제를 더 포함함으로써, 실시예 1~3에 비하여 경화도와 투습도가 더 높은 결과를 나타낸다. 실시예 5는 경화 촉진제와 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트를 더 포함함으로써, 실시예 1~4에 비하여 굴곡강도, 경화도, 투습도가 더 높은 결과를 나타낸다.
표 2의 결과로부터 본 발명의 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물은 습윤 환경에서 굴곡강도 70~80MPa, 경화도 90~95%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 염수, 수중, 저온 환경에서 우수한 경화성 및 내수성을 나타내기 위해서는 에폭시 수지 조성물에 비스페놀계 에폭시 수지, 아민계 경화제, 흄드 실리카 입자, 및 실리콘계 첨가제를 필수적으로 포함시키는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 에폭시기를 포함하는 반응성 희석제 1~40중량부, 아민계 경화제 20~50중량부, 흄드(fumed) 실리카 입자 1~10중량부, 및 실리콘계 소포제와 실리콘계 레벨링제 중 1종 이상을 포함하는 첨가제 0.1~2중량부를 포함하고,
    상기 비스페놀계 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 이미다졸계 유도체를 포함하는 경화 촉진제 1~15중량부 및 테트라부틸포스포늄 테트라플루오로보레이트 0.1~3중량부를 더 포함하며,
    상기 흄드 실리카 입자의 직경은 5~50nm인 것을 특징으로 하는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비스페놀계 에폭시 수지의 당량은 170~180g/eq인 것을 특징으로 하는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아민계 경화제의 당량은 200~400g/eq인 것을 특징으로 하는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아민계 경화제는 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물.
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