KR102168827B1 - 그래핀을 이용한 친환경 기능성 마감제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 개질 충전재 1～60중량% 및 기능 개선 결합재 40～99중량%를 포함하며, 상기 기능 개선 결합재는 기능 개선 결합재 중량 대비 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 30～98중량%, 폴리에스테르폴리올 1～20중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 0.1～20중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 0.1~15중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 0.1～15중량% 및 그래핀 분산액 0.01~15중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 기능성 마감제 조성물을 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 시공성, 전기전도성, 열전도율, 탈취성, 내오염성, 내화학성, 불연성, UV저항성, 염화물이온침투저항성, 중성화 저항성, 동결융해저항성 및 내구성이 우수하여 콘크리트 구조물의 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있다.

Description

그래핀을 이용한 친환경 기능성 마감제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법{Eco-friendly functional finish composition using graphene and surface protection and strengthening finishing method of concrete and steel structure using the same}
본 발명은 그래핀을 이용한 친환경 기능성 마감제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 속건성으로 시공기간이 단축되고 시공비의 절감과 구조물의 공용기간을 연장하고, 시공성, 전기전도성, 열전도율, 탈취성, 내오염성, 내화학성, 불연성, UV저항성, 염화물이온침투저항성, 중성화 저항성, 동결융해저항성 및 내구성이 우수하여 콘크리트 구조물의 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있는 그래핀을 이용한 친환경 기능성 마감제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 및 강구조물 표면 보호·강화 마감 공법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물에 균열이 발생하면 방수 성능 저하, 철근 부식, 내구성 저하, 강도 저하 등으로 치명적인 결함을 초래할 수 있다. 콘크리트의 균열은 염해, 열화와 같은 외적 환경의 원인, 설계 하중, 소성 수축 또는 건조 수축과 같은 재료 특성, 배합 조건, 시공적인 요인 등의 여러 가지 요인에 의하여 많이 발생한다. 이와 같은 요인에 의해 콘크리트 구조물에 균열이 발생하게 되면 콘크리트 구조물은 하중을 견디지 못하고 붕괴될 수도 있다.
한편, 강 구조물은 대부분 시공 시 부터 물리적, 화학적으로 열악한 환경조건에 노출되며 이러한 환경은 점차적으로 강구조물의 성능을 저하시킨다. 또한, 강재는 공기 중의 산소와 수분에 의해서 쉽게 부식되는 특성을 가지고 있어 강재의 부식에 의한 재료적 성능저하는 이를 사용하는 구조물의 내용연수를 급격하게 저하시키고 구조물의 안전성에 부정적인 영향을 미치게 됨으로써 이에 따르는 막대한 경제적 손실이 발생되고 있다. 또한, 해안가나 해상에 건설되는 강 구조물은 바다로 부터 날려온 해염 입자나 혹은 직접 해수에 의해 열화, 손상을 입게 된다. 이와 같이 해양 환경하에서 축조된 강 구조물은 해수나 해염입자(비래염분)에 의해 직접, 간접으로 열화 손상을 받게 되어 내구성이 크게 문제가 되고 있다. 또한, 해수비말이나 비래염분의 영향을 받는 곳에 위치한 강 구조물은 염해 피해 정도가 상당히 심각한 실정이다.
한편, 콘크리트 및 강 구조물의 기능 유지 및 사용수명을 연장하여 안전과 경제성을 확보하는 기술 중에 가장 효과적인 방법으로 구조물 표면에 방호 피막을 형성하는 도장 방법이 있는데, 기존에 사용하던 일반적인 표면 보호제들은 기본적으로 요구되는 성능 외에 특수 성능들을 함께 충족하기는 어려운 실정이다. 기존 도장 방법에는 에폭시계, 우레탄계 및 아크릴계 수지 도료 등과 같은 유기계 성분으로 이루어진 도료가 주로 사용되는데, 유기계 성분으로 이루어진 도료의 경우는 가공성이 좋고 접착성 및 유연성이 우수하다는 장점이 있으나, 도막을 형성하는 유기물이 자외선, 오존이나 수분에 의한 열화가 쉽게 발생하여 내구성이 저하되며, 내열성이 낮고 기름과 같은 유기물질이 혼입되어 오염되기 쉬운 문제점이 있다.
오늘날 세계적인 환경보호 추세와 더불어 중금속이나 휘발성 유기화합물의 방출이 없는 친환경적인 도막제의 개발에 많은 연구가 진행되어오고 있는 실정이며, 종래의 유기바인더 도막제는 경화 시 휘발성 유기 화합물의 방출과 경화 후의 다양한 환경요소, 특히 산성비, 자동차 배기가스에 의한 질소산화물, 황산화물 및 해양환경에서의 염소이온 등에 의해 도막제가 열화되며, 자외선에 의한 황변현상, 갈라짐, 부풀어 오름 현상에 의해 사용수명이 빠르게 떨어져 내구성의 확보에 어려움이 대두되고 있는 실정이다.
특허등록번호 10-1094217 (2011.12.14.) 특허등록번호 10-1035002 (2011.05.17.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 속건성으로 시공기간이 단축되고 시공비의 절감과 구조물의 공용 기간을 연장하고, 시공성, 전기전도성, 열전도율, 탈취성, 내오염성, 내화학성, 불연성, UV저항성, 염화물이온침투저항성, 중성화 저항성, 동결융해저항성 및 내구성이 우수하여 콘크리트 구조물의 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있는 그래핀을 이용한 친환경 기능성 마감제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법을 제공함에 있다.
본 발명은, 개질 충전재 1～60중량% 및 기능 개선 결합재 40～99중량%를 포함하며, 상기 기능 개선 결합재는 기능 개선 결합재 중량 대비 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 30～98중량%, 폴리에스테르폴리올 1～20중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 0.1～20중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 0.1~15중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 0.1～15중량% 및 그래핀 분산액 0.1～15중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 기능성 마감제 조성물을 제공한다.
상기 그래핀 분산액은 산 용액에 그래핀 분말을 분산시키고 알칼리 용액으로 pH를 8로 조절한 것으로서, 상기 그래핀 분산액 내 분산된 그래핀의 농도는 0.001～30중량%의 범위이다.
상기 기능 개선 결합재는 반응성을 개선시켜 강도 및 내구성을 개선하기 위하여 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란을 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기능 개선 결합재는 강도, 내열성, 내충격성, 내마모성, 내노화성 등을 개선하기 위하여 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체를 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기능 개선 결합재는 붓자국, 로울러자국, 오렌지필(orange peal), 분화구현상(cratering), 핀홀(pin hole), 색얼룩 등의 표면에 생기는 결함을 방지하기 위하여 폴리아크릴산알킬을 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기능 개선 결합재는 연행공기의 발생으로 인한 공기량의 증가를 감소시키기 위한 소포제를 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 더 포함할 수 있다.
상기 기능 개선 결합재는 유동성을 개선하기 위한 유동화제를 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 더 포함할 수 있다.
상기 개질 충전재는 개질 충전재 중량 대비 황산 바륨 30～98중량%, 뮬라이트 1～30중량%, 티타늄디옥사이드 0.1~20중량%, 규조토 0.1~20중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 0.1～15중량%, 비트리파이드 0.1~15 중량%, 백탄 0.1~15중량% 및 안료 0.1~15중량%를 포함할 수 있다.
상기 개질 충전재는 강도, 내식성, 방오, 방부 등을 개선하기 위한 마그네슘, 칼슘 또는 아연을 개질 충전재 중량 대비 0.01～10중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 개질 충전재는 강도, 내마모성, 내열성 등을 개선하기 위한 탄화붕소를 개질 충전재 중량 대비 0.01～10중량%를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 콘크리트 구조물 표면 보호·강화 마감 공법을 제공하며, 이는 콘크리트 구조물의 불순물 또는 열화부위를 그라인더, 평삭기, 숏블라스터, 핸드 워터젯, 고온고압살수기 등으로 제거하고 진공 흡입기 등으로 청소하는 단계와, 청소된 부위에 균열, 홈, 핀홀 등을 에폭시 수지 또는 속경성 퍼티재를 이용하여 바탕면을 조정하는 단계와, 바탕 조정면에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물의 부착력을 개선하고, 물의 침투와 염소이온 침투를 억제하며, 내수성 및 방수성을 개선하기 위한 표면 보호제를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계와, 형성된 프라이머층에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물을 붓, 롤러, 에어리스, 뿜칠 장비 등을 이용하여 도포하는 단계; 및 양생하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 표면 보호제는 스티렌-부타디엔 라텍스, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리 아크릴 에스테르, 아크릴, 상기 기능 개선 결합재 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 친환경 기능성 마감제 조성물은 현장 적용성, 내마모성, 내오염성, 탈취성, 항균성, 내화학성, 불연성, UV저항성, 염화물이온침투저항성, 중성화 저항성, 동결융해저항성 및 내구성이 우수하여 시공이 용이하고, 빠른 시간 내에 경화되어 시공기간이 단축되고, 콘크리트 구조물의 공용기간 증가, 유지보수비용 절감 및 시공성 향상을 구현할 수 있다.
본 발명의 친환경 기능성 마감제 조성물을 이용한 콘크리트 및 강 구조물의 표면 보호·강화 마감 공법에 의하면, 속건성이고 높은 강도 및 내구성을 나타냄으로써, 시공기간을 단축하고, 구조물의 사용기간을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 유지보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 우수한 강도특성과 내구성을 보유하여 공용기간 증가와 유지보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 또한, 피착물이 습윤 상태에서도 시공이 가능하고 우수한 접착력을 나타내 기존 유기계 수지에서처럼 건조할 필요가 없어 시공기간을 단축할 수 있어 비용 절감효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하에서, 콘크리트 구조물이라 함은 도로 및 고속도로뿐만 아니라 차량이 통행하는 시설 구조물(중앙 분리벽, 날개벽, 측구 콘크리트, 용벽 콘크리트), 농수로, 수로교 등의 수리구조물, 지하 및 지수 구조물, 화학시설물, 해양구조물, 주택, 아파트, 주차장 등의 건축구조물 등을 포함하는 콘크리트로 이루어진 모든 구조물의 의미로 사용한다.
본 발명에 따른 친환경 기능성 마감제 조성물은, 개질 충전재 1～60중량% 및 기능 개선 결합재 40～99중량%를 포함한다.
상기 개질 충전재는 상기 친환경 기능성 마감제 조성물에 대하여 1～60중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 개질 충전재는, 개질 충전재 중량 대비 황산바륨 30～98중량%, 뮬라이트 1～30중량%, 티타늄디옥사이드 0.1~20중량%, 규조토 0.1~20중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 0.1～15중량%, 비트리파이드 0.1~15 중량%, 백탄 0.1~15중량% 및 안료 0.1~15중량%를 포함할 수 있다.
상기 황산바륨은 충전성, 내충격성, 보온성 및 내화성을 개선하기 위하여 사용된다. 상기 황산바륨은 개질 충전재 중량 대비 30~98 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 상기 황산바륨의 함량이 98중량%를 초과하면 성능은 개선되나 작업성이 저하되고, 상기 황산바륨의 함량이 30중량% 미만이면 작업성은 개선되나 내충격성, 보온성 및 내화성 개선효과가 미약할 수 있다.
상기 뮬라이트는 내마모성, 흡착성, 내화성 등을 개선하기 위하여 사용된다. 상기 뮬라이트는 상기 개질 충전재 중량 대비 1~30 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 상기 뮬라이트의 함량이 30중량%를 초과하면 성능은 개선되나 작업성이 저하되고, 상기 뮬라이트의 함량이 1중량% 미만이면 내마모성, 흡착성, 내화성 개선효과가 미약할 수 있다.
상기 티타늄디옥사이드는 백색 분말로 자외선 저항성, 내오염성 및 내열성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 티타늄디옥사이드는 개질 충전재 중량 대비 0.1～20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 티타늄디옥사이드의 중량비가 증가하면 자외선 및 재료분리 저항성 개선 효과를 나타내며, 상기 티타늄디옥사이드의 함량이 0.1중량% 미만일 경우 성능 개선 효과가 미약할 수 있고, 상기 티타늄디옥사이드의 함량이 20중량%를 초과할 경우에는 성능은 개선되나 강도가 저하되고 가격경쟁력이 떨어진다.
상기 규조토는 천연 포졸란 물질로 장기강도 증진 및 내구성 개선뿐만 아니라 항균성, 탈취성, 단열, 방수성능 등을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 규조토는 상기 개질 충전재 중량 대비 0.1～20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 규조토의 함량이 0.1중량% 미만이면 장기강도 발현, 내구성, 지수성능 및 자기치유성능이 저하되고, 그 함량이 20중량%를 초과하면 작업성이 저하되고 초기강도 발현이 지연될 수 있다.
상기 리튬-소듐실리케이트 혼합물은 강도, 내수성, 내식성 등의 역할을 위해 사용할 수 있다. 상기 리튬-소듐실리케이트 혼합물은 개질 충전재 중량 대비 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 리튬-소듐실리케이트 혼합물의 함량이 0.1중량% 미만일 경우 강도, 내수성, 내식성의 개선 효과가 미약할 수 있고, 상기 리튬-소듐실리케이트 혼합물의 함량이 15중량%를 초과할 경우에는 제조 원가가 높아져 경제적이지 못하다.
상기 비트리파이드는 강도, 내마모성, 내구성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 비트리파이드는 개질 충전재 중량 대비 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 비트리파이드의 함량이 0.1중량% 미만일 경우 성능 개선 효과가 미약할 수 있고, 상기 비트리파이드의 함량이 15중량%를 초과할 경우에는 제조 원가가 높아져 경제적이지 못하다.
상기 백탄은 흡착 성능이 있고 원적외선에 의한 음이온의 발생으로 부패를 방지하고 방습, 항균성, 탈취 성능을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 백탄은 개질 충전재 중량 대비 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 백탄의 함량이 15중량%를 초과하면 작업성이 저하되고, 상기 백탄의 함량이 0.1중량% 미만이면 방습, 탈취 성능의 개선 효과가 미흡하게 된다.
상기 안료는 색상을 구현하고 미관을 개선하기 위하여 사용하는 것으로서, 개질 충전재 중량 대비 0.1~15 중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 안료는 식별이 용이하도록 첨가되며, 보다 선명한 색상으로 식별이 용이하고 색상의 지속성이 향상될 수 있다. 상기 안료는 적색 산화철, 황색 산화철, 산화크롬 (CrO3), 자색 산화철 및 흑색 산화철(카본 블랙) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질을 사용할 수 있으며, 이에 의해 적색, 녹색, 황색, 흑색, 청색, 흰색 등 다양한 색상을 구현할 수 있다.
상기 개질 충전재는 마그네슘, 칼슘 또는 아연을 더 포함할 수 있다. 상기 마그네슘, 칼슘 또는 아연은 강도, 내식성, 방오, 방부 등을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 마그네슘, 칼슘 또는 아연은 개질 충전재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 마그네슘, 칼슘 또는 아연의 함량이 10중량%를 초과하면 작업성이 저하되고, 상기 마그네슘, 칼슘 또는 아연의 함량이 0.1중량% 미만이면 성능 개선효과가 미흡하게 된다.
상기 개질 충전재는 탄화붕소를 더 포함할 수 있다. 상기 탄화붕소는 강도, 내마모성, 내열성 등을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 탄화붕소는 개질 충전재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 탄화붕소의 함량이 10중량%를 초과하면 더 이상의 성능 개선효과는 미흡하고 경제성이 저하되고, 상기 탄화붕소의 함량이 0.1중량% 미만이면 성능 개선효과가 미흡하게 된다.
상기 기능 개선 결합재는 휨, 인장 및 부착강도를 향상시키고 작업성 및 내구성을 개선하며 고유동성(셀프 레벨링)을 갖게 하는 역할을 하며, 친환경 기능성 마감제 조성물에 대하여 40～99중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 기능 개선 결합재는 기능 개선 결합재 중량 대비 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 30～98중량%, 폴리에스테르폴리올 1～20중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 0.1～20중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 0.1~15중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 0.1～15중량% 및 그래핀 분산액 0.1～15중량%를 포함한다.
상기 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체는 강도, 친수성, 내구성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체는 기능 개선 결합재 중량 대비 30～98중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체의 함량이 30중량% 미만이면 성능 개선효과가 저하되고, 그 함량이 98중량%를 초과하면 성능은 개선되나 재료분리 현상이 발생되기 쉽다.
상기 폴리에스테르폴리올은 유연성 증가, 휨 및 인장 강도 개선, 접착력 및 내구성을 개선시키는 등의 현저한 효과를 제공할 수 있다. 상기 폴리에스테르폴리올은 기능 개선 결합재 중량 대비 1～20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 폴리에스테르폴리올 함량이 1중량% 미만이면 강도 및 내구성 개선효과가 저하되고, 그 함량이 20중량%를 초과하면 개선효과는 뚜렷하나 경제성이 떨어진다.
상기 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체는 접착력, 내마모성, 내유성 등을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체는 기능 개선 결합재 중량 대비 0.1～20중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체의 함량이 0.1중량% 미만이면 성능 개선효가 미흡하게 되고, 그 함량이 20중량%를 초과하면 성능은 개선되나 작업성 및 경제성이 저하된다.
상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌은 강도, 내후성, 내오염성, 내열성 및 내구성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌은 기능 개선 결합재 중량 대비 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직한데, 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 함량이 0.1중량% 미만일 경우에는 강도 및 내구성 개선의 효과가 미약할 수 있고, 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 함량이 15중량%를 초과하는 경우에는 더 이상의 강도 및 내구성 개선 효과를 기대하기 어렵고 경제성이 저하된다.
상기 메틸렌비스스테아린산아마이드는 강도, 내마모성, 내피로성을 개선하기 위하여 첨가한다. 상기 메틸렌비스스테아린산아마이드는 기능 개선 결합재에 대하여 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 메틸렌비스스테아린산아마이드의 함량이 0.1중량% 미만이면 강도, 내마모성 및 내피로성 개선효과가 미흡하고, 그 함량이 15중량%를 초과하면 점도가 낮아져 재료분리가 발생하기 쉽다.
상기 그래핀 분산액은 강도, 특히 휨 및 인장강도를 개선함과 동시에 방수성, 내식성, 내마모성 등의 내구성능을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 그래핀 분산액은 친환경 기능성 마감제 조성물에 대하여 0.1～15중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 그래핀 분산액의 함량이 0.1중량% 미만이면 성능개선효과가 저하되고, 그 함량이 15중량%를 초과하면 성능은 개선되나 작업성 및 경제성이 저하된다.
본 발명에 따른 그래핀 분산액은 용매 내에 그래핀 분말 입자가 분산된 형태이다. 일반적으로 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 sp2결합에 의한 육각형 벌집모양의 배열로 구성되어 있으며 원자 한 층의 두께를 가진 반금속성 물질로, 구조적, 화학적으로 매우 안정할 뿐만 아니라, 우수한 기계적 물성과 뛰어난 전기, 열 전도체로서의 특징을 가지고 있다. 또한, 그래핀은 비표면적이 2,000～3,000m2/g으로 매우 크며, 철의 100배 정도의 인장강도, 수소나 헬륨 원소도 차단하는 높은 기밀성을 가져 내구성이 우수하다. 하지만, 그래핀을 분말상태로 사용하기에는 분말도가 너무 커서 혼입이 어렵기 때문에 사용성을 개선하기 위하여 그래핀을 물에 분산하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 그래핀 분산액의 제조는 냉각수 자켓이 장착된 10ℓ 반응기에 40 ml의 citric acid (농도; 1mg/ml) 수용액에 나노 그래핀을 Teflon-lined autoclave에 넣고 200℃에서 3 시간 동안 교반한 후, 상온으로 냉각시킨 후에 NaOH를 이용해서 pH를 8로 조절하여 제조한다. 이때 용액 내 분산된 그래핀의 농도는 0.001~30중량%의 범위이지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 기능 개선 결합재는 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란을 더 포함할 수 있다. 상기 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란은 반응성을 개선시켜 강도 및 내구성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란은 기능 개선 결합재에 대하여 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란의 함량이 0.01중량% 미만이면 강도 및 내구성 개선효과가 미흡하고, 그 함량이 10중량%를 초과하면 성능 개선효과는 뚜렷하나 작업성이 저하된다.
상기 기능 개선 결합재는 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체를 더 포함할 수 있다. 상기 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체는 강도, 내열성, 내충격성, 내마모성, 내노화성 등을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체는 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체의 함량이 0.01중량% 미만이면 재료분리가 발생하기 쉬우며, 그 함량이 10중량%를 초과하면 내수성은 개선되나 점도가 높아져 작업성이 저하된다.
상기 기능 개선 결합재는 폴리아크릴산알킬을 더 포함할 수 있다. 상기 폴리아크릴산알킬은 붓자국, 로울러자국, 오렌지필(orange peal), 분화구현상(cratering), 핀홀(pin hole), 색얼룩 등의 표면에 생기는 결함을 방지하기 위하여 사용한다. 상기 폴리아크릴산알킬은 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 폴리아크릴산알킬의 함량이 0.01중량% 미만이면 성능 개선효과가 미흡하게 되고, 그 함량이 10중량%를 초과하면 성능은 개선되나 강도 및 작업성이 저하된다.
상기 기능 개선 결합재는 소포제를 더 포함할 수 있다. 상기 소포제는 기포를 감소시켜 강도 및 내구성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 소포제로는 알콜계 소포제, 실리콘계 소포제, 지방산계 소포제, 오일계 소포제, 에스테르계 소포제, 옥시알킬렌계 소포제 등을 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 소포제로는 디메틸실리콘유, 폴리오가노실록산, 플루오로실리콘유 등이 있다. 상기 지방산계 소포제로는 스테아린산, 올레인산 등이 있다. 상기 오일계 소포제로는 등유, 동식물유, 피마자유 등이 있다. 상기 에스테르계 소포제로는 솔리톨트리올레이트, 글리세롤모노리시놀레이트 등이 있다. 상기 옥시알킬렌계 소포제로는 폴리옥시알킬렌, 아세틸렌에테르류, 폴리옥시알킬렌지방산에스테르, 폴리옥시알킬렌알킬아민 등이 있다. 상기 알콜계 소포제로는 글리콜(glycol) 등이 있다. 상기 소포제는 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 소포제의 함량이 0.01중량% 미만이면 성능 개선효과가 미흡하게 되고, 그 함량이 10중량%를 초과하면 강도 및 내구성이 저하된다.
상기 기능 개선 결합재는 유동화제를 더 포함할 수 있다. 상기 유동화제는 유동성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 유동화제는 기능 개선 결합재 중량 대비 0.01～10중량% 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유동화제의 함량이 0.01중량% 미만이면 유동성 개선효과가 미흡하게 되고, 그 함량이 10중량%를 초과하면 재료분리가 발생하기 쉽다. 상기 유동화제는 폴리카본산계 유동화제를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 친환경 기능성 마감제 조성물은 개질 충전재 1～60중량% 및 기능 개선 결합재 40～99중량%를 혼합하여 소정시간 (예를 들어 1~5분간) 강제 교반함으로써 제조할 수 있다.
이하, 상술한 친환경 기능성 마감제 조성물을 이용한 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법을 제시한다.
콘크리트 구조물의 불순물 또는 열화부위를 그라인더, 평삭기, 숏블라스터, 핸드 워터젯, 고온고압살수기 등으로 제거하고 진공 흡입기 등으로 청소하는 단계와, 청소된 부위에 균열, 홈, 핀홀 등을 속경성 퍼티재를 이용하여 바탕조정하는 단계와, 바탕조정면에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물의 부착력을 개선하고, 물의 침투와 염소이온 침투를 억제하며, 내수성 및 방수성을 개선하기 위한 표면 보호제를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계와, 형성된 프라이머층에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물을 붓, 롤러, 에어리스, 뿜칠 장비 등을 이용하여 도포하는 단계; 및 양생하는 단계를 포함하는 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법을 제공한다.
여기서, 퍼티재는 에폭시, 우레탄, 초속경성 시멘트계의 재료를 사용하여 미세균열을 보수함과 동시에 초기 소성 균열 발생을 방지할 수 있다.
상기 표면 보호제는 스티렌-부타디엔 라텍스, 에틸렌비닐 아세테이트, 폴리 아크릴 에스테르, 아크릴, 상기 기능 개선 결합재 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 친환경 기능성 마감제 조성물의 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
그래핀 분산액의 제조예
냉각수 자켓이 장착된 10ℓ 반응기에 40 ml의 citric acid (농도; 1mg/ml) 수용액에 나노 그래핀을 Teflon-lined autoclave에 넣고 200℃에서 3시간 동안 교반한 후, 상온으로 냉각시킨 후에 NaOH를 이용해서 pH를 8로 조절하여 그래핀 분산액을 제조한다. 그래핀 분산액 내 분산된 그래핀의 농도는 15중량%로 조절하였다.
<실시예 1>
개질 충전재 35중량% 및 기능 개선 결합재 65중량%를 강제식 믹서로 2분간 교반하여 친환경 기능성 마감제 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 개질 충전재는, 황산바륨 46중량%, 뮬라이트 20중량%, 티타늄디옥사이드 5중량%, 규조토 5중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 5중량%, 비트리파이드 5중량%, 백탄 5중량%, 적색 안료 5중량%, 마그네슘 2중량% 및 탄화 붕소 2중량%를 혼합하여 사용하였다.
상기 기능 개선 결합재는 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 91중량%, 폴리에스테르폴리올 1중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 1중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 1중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 1중량%, 상기 제조한 그래핀 분산액 1중량%, 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란 1중량%, 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체 1중량%, 폴리아크릴산알킬 1중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
<실시예 2>
개질 충전재 35중량% 및 기능 개선 결합재 65중량%를 강제식 믹서로 2분간 교반하여 친환경 기능성 마감제 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 개질 충전재는, 황산바륨 46중량%, 뮬라이트 20중량%, 티타늄디옥사이드 5중량%, 규조토 5중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 5중량%, 비트리파이드 5중량%, 백탄 5중량%, 적색 안료 5중량%, 마그네슘 2중량% 및 탄화 붕소 2중량%를 혼합하여 사용하였다.
상기 기능 개선 결합재는 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 85중량%, 폴리에스테르폴리올 2중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 2중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 2중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 2중량%, 상기 제조한 그래핀 분산액 2중량%, 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란 2중량%, 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체 1중량%, 폴리아크릴산알킬 1중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
<실시예 3>
개질 충전재 35중량% 및 기능 개선 결합재 65중량%를 강제식 믹서로 2분간 교반하여 친환경 기능성 마감제 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 개질 충전재는, 황산 바륨 46중량%, 뮬라이트 20중량%, 티타늄디옥사이드 5중량%, 규조토 5중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 5중량%, 비트리파이드 5중량%, 백탄 5중량%, 적색 안료 5중량%, 마그네슘 2중량% 및 탄화 붕소 2중량%를 혼합하여 사용하였다.
상기 기능 개선 결합재는 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 79중량%, 폴리에스테르폴리올 3중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 3중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 3중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 3중량%, 상기 제조한 그래핀 분산액 3중량%, 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란 3중량%, 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체 1중량%, 폴리아크릴산알킬 1중량%, 실리콘계 소포제 0.5중량% 및 폴리카본산계 유동화제 0.5중량%를 혼합하여 사용하였다.
상술한 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물의 물성과 비교하기 위하여 비교예 1을 제시한다.
<비교예 1>
황산 바륨 35중량% 및 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 65중량%를 강제식 믹서로 2분간 교반하여 보호제 조성물을 제조하였다.
<시험예 1> 시험용 공시체의 제작
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제시한 배합에 따라 KS F 4936(콘크리트 보호용 도막재)에 의하여 제조하고, 치수 100×100㎜(도막형성 후 겉모양), 100×100×100㎜ 모르타르판 (중성화깊이), 100×50㎜모르타르판(염화물이온침투저항성), 150mm시험편(투습도), 150×40㎜모르타르판(내투수성), 70×70×20㎜모타르판(부착강도) 및 230×90×6mm플래시블판(균열대응성)을 사용하여 시험체를 제작하였으며, 온도(20±2)℃, 습도(65±10)%로 양생하여 시험을 실시하였다.
<시험예 2> 도막형성후의 겉모양
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물의 도막형성 후의 겉모양을 아래의 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
표준양생 후 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
촉진내후성시험 후
온·냉반복시험 후
내알칼리성시험 후
내염수성시험 후
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물 모두 도막형성 후의 겉모양은 이상 없이 나타났다.
<시험예 3> 중성화 깊이
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물의 중성화 깊이 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
중성화깊이 (mm) 0 0 0 0.02
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물은 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물과 비교하여 중성화 저항성이 매우 우수함을 알 수 있었다.
<시험예 4> 염화물 이온 침투 저항성
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물의 염화물 이온 침투 저항성 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
염화물이온 침투저항성(Coulombs) 30 22 13 50
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물은 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물과 비교하여 매우 우수한 염화물 이온 침투 저항성을 나타내었다.
<시험예 5> 투습도
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1 에 따라 제조된 보호제 조성물의 투습도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
투습도(g/m2·℃) 17 15 14 20
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물은 비교예 1 에 따라 제조된 보호제 조성물과 비교하여 투습도가 낮게 나타났다.
<시험예 6> 부착강도
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1 에 의하여 제조된 보호제 조성물의 부착강도 시험을 수행하였고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
부착강도
(N/mm2)		 표준양생 후 1.6 1.7 1.8 1.3
촉진내후성시험 후 1.5 1.6 1.7 1.2
온·냉반복시험 후 1.4 1.5 1.7 1.1
내알칼리성시험 후 1.5 1.6 1.7 1.2
내염수성시험 후 1.5 1.6 1.8 1.2
위의 표 5에서와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3이 비교예 1에 비하여 높은 부착강도를 나타내는 것을 알 수 있었다.
<시험예 7> 내투수성
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물의 내투수성 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
내투수성 투수되지않음 투수되지않음 투수되지않음 투수되지않음
상기 표 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 환친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물 모두 내투수성이 우수함을 알 수 있었다.
<시험예 8> 균열대응성
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물의 균열대응성 시험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
균열대응성 -20℃ 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
20℃ 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
촉진내후성 시험 후 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
상기 표 7에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물 모두 균열대응성이 우수함을 알 수 있었다.
<시험예 9>
실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물과 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물을 KS M ISO 2812에 의하여 내약품성(황산, 염산, 수산화 나트륨) 시험을 수행하였으며, KS D 6711에 의하여 내충격성 시험을 수행하였으며, 주택공사 전문시방-2006에 의하여 내오염성 시험을 수행하였고, 국토교통부고시 제 2015-744호에 의하여 불연성 및 가스유해성 시험을 수행하였고, KS F 2813에 의하여 내마모성 시험을 수행하였고, KFIA-FI-1004에 의하여 암모니아 가스검지관에 따른 탈취성 시험을 수행하였고, KS F 4039에 의하여 열전도율 시험을 수행하였고, 4-point probe method로 전기 전도도 시험을 수행하여 각각의 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
내약품성 황산 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
염산 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
수산화나트륨 이상없음 이상없음 이상없음 이상없음
내충격성 이상없음 이상없음 이상없음 갈라짐
내오염성 이상없음 이상없음 이상없음 흔적발생
불연재료(불연성, 가스유해성) 적합 적합 적합 부적합
내마모성 (500g, 500회) (%) 0.19 0.16 0.13 0.25
탈취성 (탈취율, %) 83 85 88 75
열전도율 (W/mk) 10.2 10.4 10.5 1.01
전기전도도 (S/m) 11.0 11.6 12.0 5.8
상기 표 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 친환경 기능성 마감제 조성물은 비교예 1에 따라 제조된 보호제 조성물에 비해 우수한 결과를 나타내었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호 강화를 위한 친환경 기능성 마감제 조성물로서,
    개질 충전재 1～60중량% 및 기능 개선 결합재 40～99중량%를 포함하며,
    상기 개질 충전재는 개질 충전재 중량 대비 황산 바륨 30～98중량%, 뮬라이트 1～30중량%, 티타늄디옥사이드 0.1~20중량%, 규조토 0.1~20중량%, 리튬-소듐실리케이트 혼합물 0.1～15중량%, 비트리파이드 0.1~15 중량%, 백탄 0.1~15중량%, 안료 0.1~15중량%, 마그네슘, 칼슘 또는 아연 0.01～10중량%, 탄화붕소 0.01～10중량%을 포함하고,
    상기 기능 개선 결합재는 기능 개선 결합재 중량 대비 메틸메타크릴레이트-부틸아크릴레이트-스티렌 공중합체 30～98중량%, 폴리에스테르폴리올 1～20중량%, 비스페놀A-에피클로로하이드린 중합체 0.1～20중량%, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 0.1~15중량%, 메틸렌비스스테아린산아마이드 0.1～15중량%, 그래핀 분산액 0.1～15중량%, 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란 0.01～10중량%, 아크릴로니트릴-부타디엔-폴리염화비닐 공중합체 0.01～10중량%, 폴리아크릴산알킬 0.01～10중량%, 소포제 0.01～10중량% 및 유동화제 0.01～10중량%를 포함하며,
    상기 기능 개선 결합재 중 그래핀 분산액은 산 용액에 그래핀 분말을 분산시키고 알칼리 용액으로 pH를 8로 조절한 것으로서, 상기 그래핀 분산액 내 분산된 그래핀의 농도는 0.001～30중량%의 범위이고,
    KS F 4936(콘크리트 보호용 도막재)에 따라 실시한 시험 결과, 도막형성후 겉모양에는 이상이 없고, 중성화 깊이(mm)는 0mm이고, 염화물이온 침투저항성(Coulombs)은 13 ~ 30이고, 투습도(g/m2·℃)는 14 ~ 17이고, 부착강도(N/㎟)는 표준양생 후 1.6 ~ 1.8, 촉진내후성시험 후 1.5 ~ 1.7, 온·냉반복시험 후 1.4 ~ 1.7, 내알칼리성시험 후 1.5 ~ 1.7, 내염수성시험 후 1.5 ~ 1.8이고, 내투수성 시험 결과 투수되지 않았으며, 균열대응성 시험 결과 -20℃, 20℃ 및 촉진내후성 시험후 이상 없었으며, 또한 KS M ISO 2812에 의하여 내약품성(황산, 염산, 수산화 나트륨) 시험 결과 이상 없었으며, KS D 6711에 의하여 내충격성 시험을 수행한 결과 이상 없었으며, 주택공사 전문시방-2006에 의하여 내오염성 시험 결과 이상 없었으며, 국토교통부고시 제 2015-744호에 의하여 불연성 및 가스유해성 시험을 수행한 결과 적합하였고, KS F 2813에 의하여 내마모성(500g, 500회) (%) 시험 결과 0.13 ~ 0.19이고, KFIA-FI-1004에 의하여 암모니아 가스검지관에 따른 탈취성(탈취율, %) 시험 결과 83 ~ 88이고, KS F 4039에 의하여 열전도율(W/mk) 시험 결과 10.2 ~ 10.5이고, 4점 프로브 기법(4-point probe method)으로 전기 전도도(S/m) 시험을 수행한 결과 11.0 ~ 12.0인
    것을 특징으로 하는 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호 강화를 위한 친환경 기능성 마감제 조성물.
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  10. 제1항에 기재된 친환경 기능성 마감제 조성물을 이용하는 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법으로서,
    콘크리트 구조물의 불순물 또는 열화부위를 그라인더, 평삭기, 숏블라스터, 핸드 워터젯 또는 고온고압살수기로 제거하고 청소하는 단계와;
    청소된 부위에 균열, 홈 또는 핀홀을 에폭시 수지 또는 속경성 퍼티재를 이용하여 바탕면을 조정하는 단계와;
    바탕 조정면에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물의 부착력을 개선하고, 물의 침투와 염소이온 침투를 억제하며, 내수성 및 방수성을 개선하기 위한 표면 보호제를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계와;
    형성된 프라이머층에 상기 친환경 기능성 마감제 조성물을 붓, 롤러, 에어리스 또는 뿜칠 장비를 이용하여 도포하는 단계; 및
    양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 표면 보호제는 스티렌-부타디엔 라텍스, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리 아크릴 에스테르, 아크릴 및 상기 기능 개선 결합재 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 및 강 구조물 표면 보호·강화 마감 공법.
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