KR102150710B1 - 친환경 탄성포장재 조성물 및 이를 이용한 친환경 탄성포장재 시공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 탄성포장재 조성물은 포름알데히드 등과 같은 휘발성 유기화합물 등을 발생시키는 스티렌 등의 종래의 화학 접착바인더를 폐식용유를 이용해 제조한 유변성 알키드 수지로 대체하여 유해성분을 배출하지 않으면서도, 압축강도, 동결 융해 저항성 및 내화학성 등의 특성이 우수하여 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 포함하는 도로의 포장을 위해 손쉽게 활용될 수 있다.
또한, 반건성유형태로 현장에서 배합이 가능하여 취급이 용이하며, 황변현상이 없고 비교적 경제적인 가격으로 공급할 수 있어 대량 생산이 용이하며, 케나프섬유와 같은 천연섬유가 보강재로 더 포함됨으로써 인열강도, 마모강도, 표면경도 등의 기계적 물성이 크게 증가할 수 있다.
또한, 반건성유형태로 현장에서 배합이 가능하여 취급이 용이하며, 황변현상이 없고 비교적 경제적인 가격으로 공급할 수 있어 대량 생산이 용이하며, 케나프섬유와 같은 천연섬유가 보강재로 더 포함됨으로써 인열강도, 마모강도, 표면경도 등의 기계적 물성이 크게 증가할 수 있다.
Description
본 발명은 유변성 알키드 수지를 포함하는 친환경 탄성포장재 조성물과 이를 이용하여 도로에 탄성포장재를 시공하는 방법에 관한 것이다.
탄성포장재를 사용하여 형성시킨 포장층은 보행자가 걸을 때 충격을 흡수하여 편안함을 제공하고 넘어질 때 상처나 골절 등의 안전사고를 최소화 할 수 있어 육교, 통학로, 보도, 어린이놀이터, 산책로, 자전거 도로 및 각종 체육시설의 바닥면에 시공되고 있다.
상기 포장층은 도로가 설치되는 지역의 지반 상태나 주변 여건에 따라 여러 가지 방법으로 시공되고 있지만, 도로 표면을 구성하는 표층은 대부분 아스팔트 콘크리트나 시멘트 콘크리트로 포장되는 것이 일반적이다.
구체적으로, 상기 도로는 기초를 다진 후 쇄석 골재나 콘크리트를 포설하여 기층을 형성한 다음, 상면에 아스팔트 콘크리트나 시멘트 콘크리트 등을 포설하여 양생함으로써 표층 시공하고, 시공한 표층의 상면에 탄성포장재를 시공하여 포장층을 형성시키고 있다.
한편, 유변성 알키드 수지(oil-modified alkyd resin)는 다염기산, 폴리올의 축합에 의해 생기는 고분자 물질로서, 공업적으로 프탈산 등과 같은 이염기산 또는 동·식물성 기름이나 지방산이 다가 알코올과 축합반응시켜 다량의 분자를 갖는 고분자 형태로 제조되며, 지방산의 함량에 따라 단유성 알키드, 중유성 알키드, 장유성 알키드 등으로 분류되고, 각각의 특성에 따라 광범위한 용도로 활용되고 있다. 특히, 상기 유변성 알키드 수지는 용해성과 다른 수지와의 상용성이 우수하고, 안료의 습윤성과 광택성이 우수하여 결합재의 용도로 도료 등에 혼합되어 사용되고 있다.
하지만, 상기 유변성 알키드 수지는 탄성포장재의 바인더로 사용할 경우 탄성과 미끄럼 저항성이 우수한 포장층을 형성하는 장점이 있지만, 상기 유변성 알키드 수지는 내수성, 내알칼리성 등의 특성이 미흡하여 아스팔트 콘크리트 포장도로나 시멘트 콘크리트 포장도로 등과의 부착성이 떨어져 쉽게 박리된다는 문제가 있으며, 내마모성이 떨어져 쉽게 벗겨지거나 색상을 잃어버리기 쉬워 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 포름알데히드 등과 같은 휘발성 유기화합물 등을 발생시키는 종래의 화학 접착바인더를 유변성 알키드 수지로 대체하여, 유해성분을 배출하지 않으면서도, 압축강도, 동결 융해 저항성 및 내화학성 등의 특성이 우수하여 도로 포장을 위해 손쉽게 활용될 수 있는 친환경 탄성포장재 조성물에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 유변성 알키드 수지의 단점인 낮은 내후성을 보완하기 위해 천연섬유를 보강재로 더 투입한 친환경 탄성포장재 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 천연섬유의 단점인 유기수지와의 혼화성을 높이기 위해 코팅제로 천연섬유로 표면을 코팅한 친환경 탄성포장재 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 친환경 탄성포장재 조성물 및 이를 이용한 친환경 탄성포장재 시공방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는 유변성 알키드 수지 40 내지 60 중량%, 폴리올 10 내지 30 중량%, 천연섬유 10 내지 30 중량% 및 경화제 10 내지 30 중량%를 포함하는 혼합물과 골재를 각각 1 : 3 내지 10의 중량비로 포함하되,
상기 유변성 알키드 수지는 폐식용유 50 내지 70 중량%, 폴리올 10 내지 30 중량% 및 다염기산 10 내지 30 중량%를 포함하는 혼합물을 반응시켜 제조한 것을 특징으로 하는 친환경 탄성포장재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 유변성 알키드 수지는 폐식용유 50 내지 70 중량%, 트리메틸올프로판(trimethylolpropane) 10 내지 30 중량% 및 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDI) 10 내지 30 중량%를 혼합한 혼합물을 반응시켜 제조한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 천연섬유는 면섬유, 마섬유, 모섬유, 대나무섬유 및 펄프에서 선택되는 어느 하나 또는 복수인 것을 특징으로 하되, 상기 천연섬유는 섬도가 30 내지 100 dtex이며, 섬유장이 1 내지 10㎝이다.
또한 상기 조성물은 비닐기를 포함하는 실란 화합물, 에폭시기를 포함하는 실란 화합물, 아미노기를 포함하는 실란 화합물, 메르캅토기를 포함하는 실란화합물, 메타크릴옥시기를 포함하는 실란 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 복수의 실란 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는 상기 친환경 탄성포장재 조성물을 콘크리트의 상면에 코팅하는 단계를 포함하는 탄성포장재의 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄성포장재 조성물은 포름알데히드 등과 같은 휘발성 유기화합물 등을 발생시키는 스티렌 등의 종래의 화학 접착바인더를 폐식용유를 이용해 제조한 유변성 알키드 수지로 대체하여 유해성분을 배출하지 않으면서도, 압축강도, 동결 융해 저항성 및 내화학성 등의 특성이 우수하여 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 포함하는 도로의 포장을 위해 손쉽게 활용될 수 있다.
또한, 반건성유형태로 현장에서 배합이 가능하여 취급이 용이하며, 황변현상이 없고 비교적 경제적인 가격으로 공급할 수 있어 대량 생산이 용이하며, 케나프섬유와 같은 천연섬유가 보강재로 더 포함됨으로써 인열강도, 마모강도, 표면경도 등의 기계적 물성이 크게 증가할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 따른 친환경 탄성포장재 조성물을 더욱 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 구체예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 구체예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 발명은 유변성 알키드 수지, 폴리올 및 경화제를 포함하는 혼합물과 골재를 포함하는 친환경 탄성포장재 조성물을 제공한다.
상기 유변성 알키드 수지(oil modified alkyd resin)는 상기 조성물에서 지방산, 폴리올, 다염기산을 각각 반응시켜 지방산이 폴리올과 축합된 고분자로서, 탄성포장재 조성물에 탄성, 유연성, 접착력, 강성 및 내마모성을 부여하는 역할을 하며, 자원 재활용 측면과 유해물질을 배출하지 않는다는 환경적 측면에서 친환경적인 목적을 달성할 수 있게 한다.
바람직하게는, 상기 유변성 알키드 수지는 여과하여 불순물을 제거한 폐식용유을 이용해 제조한 것을 사용할 수 있으며, 상기 폐식용유는 대두유, 유채유, 면실유, 팜유, 해바라기유, 카놀라유, 포도씨유, 코코넛유, 홍화유, 옥수수유, 올리브유 등에서 유래한 식물성 오일을 사용할 수 있고, 사용되고 버려지는 식물성 오일을 수득하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 폐식용유는 수득한 폐식용유를 여과필터를 이용해 여과하도록 하여 부유물질, 음식물 찌꺼기, 탄화 물질 등을 제거한 것을 사용할 수 있고, 가압 수단이 구비된 여과 장치를 이용해 여과한 것을 사용할 수도 있다.
상기 폴리올은 2개 이상의 수산기(-OH)를 가진 지방족 화합물로서, 폐식용유에 포함된 지방산을 알코올화하여 에스테르화될 수 있는 모노글리세리드를 형성시키는 역할을 하며, 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 트리메틸올에탄(trimethylolethane), 1,2,6-헥산트리올(1,2,6-hexanetriol), 글리세린(glycerine), 펜타에리트롤(pentaeritrol), 피펜타에리트롤(p-pentaeritrol), 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 글리세린 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 바람직하게는, 트리메틸올프로판을 사용하여 제조한 것일 수 있다.
상기 유변성 알키드 수지는 상기 폐식용유 50 내지 70 중량%에 대해 10 내지 30 중량%의 비율로 폴리올을 혼합하고 반응시켜 제조한 것을 사용할 수 있다. 상기 폴리올이 10 중량% 미만으로 포함될 경우 형성되는 유변성 알키드 수지의 분자량이 감소하게 되어 내수성, 화학안정성 등의 특성이 저하되고, 점도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 30 중량%를 초과하는 범위로 포함될 경우 고분자량의 유변성 알키드 수지가 형성되어 유연성 등의 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 다염기산은 상기 폐식용유에 포함된 지방산을 에스테르화하여 유변성 알키드 수지를 형성시키는 역할을 하며, 상기 다염기산은 벤조산, 말레산, 말레산 무수물, 푸마르산, 메사콘산, 시트라콘산, 이타콘산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 숙신산 무수물, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 디글리콜산, 구연산, 사이클로헥산 디카르복실산, 프탈산, 프탈산 무수물, 이소프탈산, 테레프탈산, 테트라하이드로프탈산, 테트라하이드로프탈산 무수물, 트리멜리트산, 피로멜리트산, 비페닐디카르복실산, 나프탈렌 디카르복실산 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있고, 바람직하게는, 프탈산을 사용하여 제조한 것일 수 있다.
상기 유변성 알키드 수지는 상기 폐식용유 50 내지 70 중량%에 대해 10 내지 30 중량%의 비율로 다염기산을 혼합하고 반응시켜 제조한 것을 사용할 수 있다. 상기 다염기산이 10 중량% 미만으로 포함될 경우 형성되는 유변성 알키드 수지의 분자량이 감소하게 되어 내수성, 화학안정성 등의 특성이 저하되고, 점도가 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 30 중량%를 초과하는 범위로 포함될 경우 고분자량의 유변성 알키드 수지가 형성되어 유연성 등의 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 유변성 알키드 수지는 폐식용 대두유 60 중량% 및 트리메틸올프로판 20 중량부% 혼합하고 190 내지 250 ℃의 온도로 가열하고 0.5 내지 3시간 동안 반응시킨 후, 150 ℃ 이하로 냉각하여 반응물을 제조하고, 제조한 반응물에 프탈산 20 중량%를 혼합하고 200 내지 250 ℃의 온도로 반응시킨 후 냉각하여 제조한 것을 사용할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 유변성 알키드 수지를 제조할 경우 90 내지 95% 수율로 수지를 제조할 수 있고, 제조한 유변성 알키드 수지는 강도, 내수성, 화학저항성 등의 특성이 우수하고, 장시간 사용 시에도 황변 변성 등이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 자원 재활용 측면과, 유해성분을 배출하지 않는 환경적인 측면에서 친환경적이다.
상기 유변성 알키드 수지는 용해성, 안료의 습윤성, 다른 수지와의 상용성 및 건조된 막의 광택 등은 우수하여 탄성포장재 조성물에서 골재를 결합시키는 바인더의 역할을 할 수 있으며, 이와 같은 유변성 알키드 수지를 포함하는 탄성포장재 조성물은 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 포함하는 도로의 시공을 위한 용도로 용이하게 활용될 수 있다.
상기 탄성포장재 조성물은 상기 유변성 알키드 수지를 40 내지 60 중량%의 비율로 포함하는 혼합물에 골재를 혼합하여 제조할 수 있으며, 상기 유변성 알키드 수지의 함량이 40 중량% 미만일 경우, 탄성포장재 조성물이 경화된 후 강도가 낮고, 마모 손실률이 증가하는 문제가 발생할 수 있고, 60 중량%를 초과할 경우 공극률과 투수계수가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 탄성포장재 조성물에 포함되는 폴리올은 조성물을 이용해 형성시킨 포장층에 연성을 부여하고 탄성을 증대시키는 역할을 하며, 상기 폴리올은 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 트리메틸올에탄(trimethylolethane), 1,2,6-헥산트리올(1,2,6-hexanetriol), 글리세린(glycerine), 펜타에리트롤(pentaeritrol), 피펜타에리트롤(p-pentaeritrol), 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 글리세린 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있으며, 상기 폴리올 중 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 폴리올은 상기 혼합물 100 중량% 중 10 내지 30 중량%의 비율로 포함할 수 있으며, 상기 폴리올의 포함함량이 10 중량% 미만일 경우 충분한 연성과 탄성을 부여하기 힘든 문제가 있으며, 30 중량%를 초과하는 경우 탄성포장재의 접착력과 강도가 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 경화제는 상기 유변성 알키드 수지 및 폴리올을 경화시키는 역할을 하고, 분자 내 2개 이상의 이소시아네이트기를 갖는 이소시아네이트계 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 경화제의 이소시아네이트기(-NCO)와 유변성 알키드 수지, 폴리올에 존재하는 히드록실기(-OH) 간의 우레탄 결합을 형성시키는 방법으로 탄성포장재 조성물을 경화시킬 수 있다. 상기 경화제는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate, HMDI), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI) 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 탄성포장재 조성물은 상기 혼합물 중 경화제를 10 내지 30 중량%의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 경화제의 함량이 10 중량% 미만일 경우 충분한 경화효과를 기대하기 힘들고, 30 중량%를 초과할 경우 취성이 증가하고 균일한 강도 발현이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 천연섬유는 상기 조성물에서 일종의 보강재로 작용하는 것으로, 조성물의 코팅으로 형성되는 도막의 인장강도, 인열강도, 파단강도 등의 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하며, 생분해성을 갖고 있으며, 이산화탄소 등의 온실가스를 흡수하여 다른 보강재에 비해 친환경적이다.
본 발명에서 상기 천연섬유는 당업계에서 보강재로 사용하는 통상적인 섬유라면 종류에 한정하지 않으며, 기본적으로 유리섬유 수준의 물성을 갖고 있으며, 대량 생산이 가능하면 좋다. 또한 생분해가 가능하며 강인성(stiffness)이 높은 것이 좋다.
상기와 같은 특성을 갖는 천연섬유로 예를 들면, 면섬유, 마섬유, 모섬유, 대나무섬유 및 펄프 등을 들 수 있으며, 이들 중 아마, 대마 등의 마섬유가 가장 우수한 물성을 갖고 있어 바람직하다.
본 발명에서 상기 천연섬유로 더욱 바람직하게는 케나프섬유를 사용하는 것이 좋다. 케나프(Hibiscus cannabinus L.) 섬유는 양마(洋麻)라고도 불리며, 서부 아프리카 원산의 무궁화과(Malvaceae) 1년생 초본식물로 세계 3대 섬유작물의 하나이며 다양한 바이오 소재용 식물자원으로 각광을 받고 있다. 생장이 빠르고 다른 천연섬유에 비해 상대적으로 대기 중의 이산화탄소 흡수량이 많아서 그린복합재료 분야에서 가장 많은 관심을 받고 있는 천연섬유이다.
상기 케나프(kenaf)섬유는 셀룰로오스 함량이 약 60 내지 70%,리그닌 함량이 10 내지 20% 이며, 펜토산 등의 함량이 20 내지 25%로서 성분 함량을 비교할 때 대마나 황마와 유사한 섬유 특성을 지니고 있으면서 짧은 생육기간으로 인해 경제적이기 때문에 미국에서 1940년대부터 황마 대체 섬유로서 연구되기 시작하였다.
케나프섬유는 일반 인피섬유와 마찬가지로 셀룰로스와 펙틴, 헤미셀룰로스, 리그닌 등의 비 셀룰로스로 구성되어 있다. 상기 케나프섬유는 배합 시 혼합물에 용이하게 분산되어 조성물에 보강 효과를 제공할 뿐만 아니라, 조성물의 치수안정성 향상에도 기여한다.
상기 케나프섬유는 섬유와 섬유 간 또는 섬유와 혼합물 간의 얽힘을 강고히 하여 조성물의 물리적 성질을 강화하기 위해 섬도 및 길이를 한정하는 것이 좋다. 구체적으로 상기 케나프섬유는 섬도가 30 내지 100 dtex이며, 섬유장이 1 내지 10㎝인 것이 좋다. 상기 섬도가 30 dtex 미만인 경우 외력에 의해 파단이 발생하여 조성물 또는 도막 전체의 인장강도, 인열강도 등이 떨어질 수 있으며, 100 dtex 초과 첨가하는 경우 종횡비(단섬유 길이/단섬유 직경)가 작아져 인장탄성율 등의 기계적 물성이 감소할 수 있다. 또한 섬유장이 1㎝ 미만인 경우 도막의 경도가 하락하고 마모저항성이 감소할 수 있으며, 10㎝ 초과인 경우 조성물과의 혼화성이 하락하여 마모하중에 노출되었을 때 도막 표면에 위치하는 케나프섬유가 대량으로 이탈할 수 있다.
본 발명에서 상기 케나프섬유는 단독으로 사용하여도 무방하나, 상기 혼합물과의 혼화성 및 조성물의 기계적 물성을 더욱 높이기 위해 표면에 하나 이상의 고분자로 코팅할 수 있다.
본 발명에서 상기 고분자로 더욱 바람직하게는 폴리도파민일 수 있다. 상기 폴리도파민은 도파민 단량체가 수산화 알킬기를 포함하여 일정한 pH 범위에서 자가중합(self-polymerization)이 가능할 뿐만 아니라, 탁월한 화학적 안정성으로 보유하며, 50 ㎚ 이하로 코팅이 가능하여 가공성이 좋다. 특히 도파민의 경우 가격이 비싸고 인체에 해로운 유기용매를 대신하여 친환경적이고 저렴한 증류수 기반의 완충용액을 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 상기 폴리도파민은 제조방법을 한정하지 않으나, 도파민은 pH 7 내지 12, 바람직하게는 pH 8 내지 10에서 메탄올, 에탄올 등의 알코올류가 혼합된 상태로 자발적으로 중합될 수 있다.
본 발명에서 상기 폴리도파민은 상기와 같은 알코올류가 완충용액으로 작용하여 코팅액을 형성할 수 있으며, 상기 코팅액에 상기 케나프섬유와 같은 천연섬유를 일정 시간 함침함으로써 코팅층으로 형성될 수 있다. 상기 함침방법은 일반적인 침지코팅법 뿐만 아니라 가압코팅법, 스핀코팅법, 스프레이법 또는 롤러코팅법 등의 다양한 방식이 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 천연섬유는 전체 혼합물 중 10 내지 30 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 10 중량% 미만 첨가되는 경우 도막의 표면 마모율이 급격하게 감소할 수 있으며, 30 중량% 초과 첨가하는 경우 조성물과 천연섬유의 혼화성이 급격하게 감소하여 오히려 천연섬유가 도막으로부터 쉽게 이탈할 수 있다.
본 발명에서 상기 골재는 고로슬래그, 제강슬래그 등을 이용해 제조한 슬래그볼, 각종 철부산물, 니켈 부산물, 규사, 쇄석, 모래 등의 잔골재 또는 이들의 혼합물과 같이 기존에 도로를 포장하거나 보수하기 위한 용도로 사용되는 통상적인 다양한 형태의 골재를 사용할 수 있다. 특히, 상기 골재는 평균입자 크기가 1 내지 7 mm인 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는, 상기 골재는 평균입자 크기가 2 내지 3 mm인 슬래그볼을 사용할 수 있다.
상기 골재 입자의 사이에는 상기 유변성 알키드 수지, 폴리올 및 경화제를 포함하는 혼합물이 침투하여 골재를 결합시키는 바인더의 역할을 하며 압축강도, 휨강도, 내수성, 화학 저항성 등의 특성이 우수한 도로용 포장재를 형성할 수 있게 된다.
상기 도로 포장용 조성물은 상기 혼합물과 골재를 각각 1 :3 내지 10의 중량비로 혼합하여 혼합 장치를 이용해 균일하게 혼합하여 탄성포장재 조성물을 제조한 후, 제조한 도로 포장용 조성물을 콘크리트 표층에 도포하여 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 탄성포장재 조성물은 내화학성과 내수성을 향상시킬 수 있도록 실란 화합물을 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 실란 화합물은 비닐기를 포함하는 실란 화합물, 에폭시기를 포함하는 실란 화합물, 아미노기를 포함하는 실란 화합물, 메르캅토기를 포함하는 실란 화합물, 메타크릴옥시기를 포함하는 실란 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란 등을 대표적인 예로 들 수 있다. 상기 탄성포장재 조성물은 상기 실란 화합물을 5 내지 20 중량%의 비율로 더 포함할 수 있으며, 상기 실란 화합물을 포함함량이 5 중량% 미만일 경우 내알칼리성과 내수성 등의 물성 향상을 기대하기 어렵고, 20 중량%를 초과할 경우 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 바람직하게는, 상기 실란 화합물은 3-메르캅토프로필트리메톡시실란을 사용할 수 있으며, 상기와 같은 실란 화합물을 10 중량%의 범위로 포함하도록 구성할 수 있다.
나아가, 상기와 같은 도로용 포장재 조성물은 안료, 산화방지제, 광안정제, 열안정제, 항균제, 내마모제, 촉매, 가교 결합제, 난연제 등을 추가로 포함할 수 있으며, 도로용 포장재 조성물의 물성과 용도에 따라 첨가량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 탄성포장재 조성물는 상기 유변성 알키드 수지를 용해시켜 유동성을 부여하기 위해서 유기용제를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 유기용제는 에틸아세트산, 부틸 아세트산, 메틸에틸케톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 셀로솔브, 부틸셀로솔브, 자일렌 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 도로용 포장재 조성물은 상기 유변성 알키드 수지 50 중량%, 폴리에틸렌 글리콜 12 중량%, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란 12 중량%, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 12 중량% 및 케나프섬유 14 중량%를 각각 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조한 혼합물을 규사 및 슬래그볼 혼합물(8:2의 중량비)과 각각 1:10의 중량비로 혼합하여 탄성포장재 조성물을 제조할 수 있다. 상기와 같은 탄성포장재 조성물은 내수성, 내알칼리성 등의 특성이 우수하고, 시멘트 콘크리트 또는 아스팔트 콘크리트로 이루어진 도로의 표층에 결합력이 증진되어 고품질의 탄성포장재를 형성시킬 수 있다.
특히, 상기와 같은 도로용 포장재 조성물은 유해성분을 배출하지 않으면서도, 압축강도, 동결 융해 저항성 및 내화학성 등의 특성이 우수하며, 시멘트 콘크리트 또는 아스팔트 콘크리트 등으로 형성시킨 도로의 표층 상면에 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 포장하기 위한 탄성포장재로 용이하게 활용될 수 있다.
상기와 같은 탄성포장재 조성물은 시공되는 도로의 용도 및 목적에 따라, 경화온도를 조절할 수 있으며, 이와 같은 조건을 조절하도록 하여 휨강도, 압축강도, 내수성, 화학저항성 등의 특성을 조절할 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 탄성포장재 조성물은 포름알데히드 등과 같은 휘발성 유기화합물 등을 발생시키는 스티렌 등의 종래의 화학 접착바인더를 폐식용유를 이용해 제조한 유변성 알키드 수지로 대체하여 유해성분을 배출하지 않으면서도, 압축강도, 동결 융해 저항성 및 내화학성 등의 특성이 우수하여 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 포함하는 도로의 포장을 위해 손쉽게 활용될 수 있다.
또한, 반건성유형태로 현장에서 배합이 가능하여 취급이 용이하며, 황변현상이 없고 비교적 경제적인 가격으로 공급할 수 있어 대량 생산이 용이하며, 케나프섬유와 같은 천연섬유가 보강재로 더 포함됨으로써 인열강도, 마모강도, 표면경도 등의 기계적 물성이 크게 증가할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에 기재된 탄성 포장재 조성물을 이용한 탄성포장재 시공방법을 제공하며, 본 발명에 따른 탄성포장재 시공방법은 상기와 같은 방법으로 제조한 탄성포장재 조성물을 콘크리트의 상면에 포설하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 탄성포장재 조성물을 콘크리트 표층의 상부에 도포한 후에는 건조하여 도로 표층 상에 탄성포장재를 시공할 수 있고, 이와 같은 탄성포장재는 자전거 도로, 도보 등의 형성을 위해 용이하게 활용될 수 있다.
특히, 상기한 탄성포장재 조성물은 현장 배합이 가능하여 도로 포장용으로 손쉽게 시공할 수 있으며, 상기 유변성 알키드 수지 40 내지 60 중량%, 폴리올 10 내지 30 중량%, 천연섬유 10 내지 30 중량% 및 경화제 10 내지 30 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조한 혼합물과 골재를 각각 1 : 3 내지 10의 중량비로 혼합 장치에 투입하고 균일하게 혼합하여 탄성포장재 조성물을 제조한 후, 제조한 탄성포장재 조성물을 아스팔트 콘크리트 또는 시멘트 콘크리트로 형성시킨 도로의 표층 상면에 도포하여 보도, 자전거 도로, 산책로, 육교, 통학로, 공원 보도 등을 형성시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
하기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 시편의 물성을 다음과 같이 측정하였다.
(내수성)
JIS K 6857(접착제의 내수성 시험) 시험방법에 따라 시멘트를 이용해 공시체를 제조하였으며, 제조한 공시체의 상부에 실시예 및 비교예를 통해 제조된 시료를 도포하고, 이를 건조하여 시험용 공시체를 제조하였다. 그리고 제조한 시험용 공시체를 물속에 7일 동안 침지시킨 후, 내수접착강도 유지율(%)을 확인하는 방법을 통해 조성물의 내수성을 평가하였다.
(내화학성)
ASTM C267 시험방법에 따라 시험용 공시체를 제작하고, 제작한 공시체를 5% 염화칼슘 수용액에 5일 동안 침지시켜 내염수성을 평가하였고, 수산화칼슘 수용액에 7일 동안 침지시켜 내알칼리성을 평가하였으며, 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.
(내마모성)
JIS K 6857(접착제의 내수성 시험) 시험방법에 따라 시멘트를 이용해 공시체를 제조하였으며, 제조한 공시체의 상부에 실시예 및 비교예를 통해 제조된 시료를 도포하고, 이를 건조하여 시험용 공시체를 제조하였다. 그리고 상기 시험용 공시체를 내마모 측정기(제품명:Rotary Abraser; 공급자: Taber사)를 이용하여 내마모성을 측정하였다(관련 규격: ASTM D3389-05 변형 규격). 또한, 대조군으로 연속 가황 장치인 로토큐어(Rotocure)를 이용하여 가황 공정에 의해 제조된 탄성 바닥재(제품명: Super X Performance 13㎜; 공급사: Mondo사, 미국; 주요성분: 천연고무인 NR과 합성고무인 BR, SBR, EPDM 소재)를 사용하였다.
탄성 바닥재를 직경 150㎜ 크기의 시험편으로 제작하고, 여기에 1 ㎏f의 추가 달린 연마석 롤러를 회전시키고, 회전수에 따른 마모 정도를 관찰하였다. 마모 전/후의 중량을 하기 식 1에 대입하여 계산하였다.
[식 1]
마모율(%) = (시험 전 시험편 중량 - 시험 후 시험편 중량)×100/시험 전 시험편 중량
(인장탄성율)
인장시험기(Zwick Z005, Swiss)를 사용하여 ASTM D412에 의거하여 수행하였다. 압축성형기를 이용하여 시트 형태의 고무배합물로부터 인장시험용 시편을 제조하였다. 인장시험은 25°에서 500 mm/min의 crosshead speed에서 수행하였다. Gage length는 20 mm였다.
(표면경도)
경도시험은 Shore A-type의 스프링식 경도계(Kobunshi Keiki Co., Ltd., Japan)를 사용하여 수행하였다.
(실시예 1)
불순물을 제거한 폐식용 대두유를 수득하였으며, 교반수단이 구비된 가열 혼합조에 폐식용 대두유 60 중량% 및 트리메틸올프로판(TMP) 20 중량%를 공급한 후 혼합하고, 질소 가스 분위기 하에서 230 ℃의 온도로 가열하여 1 시간 동안 반응시켜 모노글리세리드를 형성시키고, 모노글리세리드를 형성시킨 반응물을 150 ℃로 냉각하였으며, 제조한 반응물에 프탈산 20 중량%를 혼합하고 210 ℃의 온도로 반응시킨 후 냉각하여 유변성 알키드수지를 제조하였다.
교반 수단이 구비된 혼합조에 상기와 같이 제조된 유변성 알키드수지 55 중량%, 폴리에틸렌글리콜 12 중량%, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 12 중량%, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란 5 중량% 및 섬도가 50 dtex이며, 섬유장이 5㎝인 케나프섬유 16 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였고, 제조한 혼합물에 골재를 1:10의 중량비로 혼합하여 탄성포장재 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 골재는 평균입자 크기가 6 mm인 슬래그 볼과 평균입경이 2mm인 규사를 각각 1:4의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하였다. 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 1 및 2에 기재하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 케나프섬유의 섬도가 20 dtex인 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서 케나프섬유의 섬도가 120 dtex인 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서 케나프섬유의 섬유장이 0.1㎝인 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 5)
상기 실시예 1에서 케나프섬유의 섬유장이 15㎝인 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 6)
상기 케나프섬유의 혼합 시 표면에 폴리도파민 코팅층으로 피복된 케나프섬유를 사용하였다. 구체적으로, 증류수 기반의 완충용액(10 mM tris buffer solution, pH 8.5)과 메탄올을 1 : 1의 비율로 섞고 여기에 완충용액과 메탄올 혼합용액 1㎖ 당 도파민을 2㎎ 용해하고 30초간 교반하여 코팅액을 제조하였다. 제조된 코팅액에 상기 케나프섬유를 함침하고 500 rpm으로 1시간 동안 교반하여 표면에 폴리도파민이 자가중합된 케나프섬유를 제조하였다. 이외에는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 7)
상기 실시예 1에서 케나프섬유를 대체하여 동일한 섬도와 섬유장 길이를 갖는 모섬유를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 8)
상기 실시예 1에서 케나프섬유를 대체하여 동일한 섬도와 섬유장 길이를 갖는 저마섬유를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(비교예 1)
상기 실시예 1에서 혼합물 제조 시 유변성 알키드수지 60 중량%, 폴리에틸렌글리콜 20 중량% 및 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 20 중량%을 혼합한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(비교예 2)
상기 실시예 1에서 케나프섬유의 첨가량을 35 중량%, 유변성 알키드 수지의 함량을 34 중량%로 한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
[표 1]
[표 2]
상기 표 1 및 2와 같이 실시예에 따른 탄성포장재는 내수접착강도유지율, 내알칼리성 및 내염수성을 충분히 확보하고 있어 수분 하에서도 접착강도를 유지하면서도 내약품성이 우수한 것을 알 수 있다.
또한 마모율, 인장강도, 파단신율, 표면경도와 같은 기계적 물성을 보면, 일정 섬도 및 섬유장 길이를 갖는 케나프 섬유를 적정 범위로 첨가한 실시예 1은 그렇지 않은 실시예 2 내지 5나, 다른 천연섬유를 첨가한 실시예 7, 8에 비해 우수한 물성을 보이고 있다. 이는 케나프 섬유의 섬도와 섬유장이 종횡비와 관련 있으며, 특히 조성물 내에서 섬유의 배향성이 증가하면서 이에 직접적으로 영향을 받는 인장강도 등이 함께 증가한 것을 알 수 있다. 특히 섬유의 섬도가 증가하거나 섬유장이 짧아져 종횡비가 낮아지는 경우 기계적 물성이 크게 떨어지는 것을 알 수 있다.
또한 상기 케나프섬유에 폴리도파민으로 표면을 코팅한 실시예 6의 경우 그렇지 않은 다른 실시예에 비해 더욱 높은 인장강도를 보이고 있다. 이는 조성물 내에서 케나프섬유의 배향성이 폴리도파민의 관능기에 의해 더욱 증가하며, 특히 조성물 내 유변성 알키드 수지 등과 같은 다른 고분자와 상기 폴리도파민의 관능기가 화학적으로 결합함으로써 천연섬유와 다른 조성물간의 계면결합력이 더욱 증가되면서 외력에 의한 저항성이 증가된 것으로 보인다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 폐식용유 50 내지 70 중량%, 트리메틸올프로판(trimethylolpropane) 10 내지 30 중량% 및 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDI) 10 내지 30 중량%를 혼합한 혼합물을 반응시켜 제조한 유변성 알키드 수지 40 내지 60 중량%, 폴리올 10 내지 30 중량%, 케나프 섬유 10 내지 30 중량% 및 경화제 10 내지 30 중량%를 포함하는 혼합물과 골재를 각각 1 : 3 내지 10의 중량비로 포함하되,
상기 케나프 섬유는 섬도가 30 내지 100 dtex이며, 섬유장이 1 내지 10㎝이며,
도파민이 포함된 조성물을 침지코팅법, 가압코팅법, 스핀코팅법, 스프레이법 및 롤러코팅법에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 상기 케나프 섬유에 적용하여 표면에 폴리도파민 고분자를 포함하는 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 친환경 탄성포장재 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 조성물은 비닐기를 포함하는 실란 화합물, 에폭시기를 포함하는 실란 화합물, 아미노기를 포함하는 실란 화합물, 메르캅토기를 포함하는 실란화합물, 메타크릴옥시기를 포함하는 실란 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 복수의 실란 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 탄성포장재 조성물.
- 제 1항 또는 제 5항에 따른 친환경 탄성포장재 조성물을 콘크리트의 상면에 코팅하는 단계를 포함하는 탄성포장재의 시공방법.
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