KR102177623B1

KR102177623B1 - 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102177623B1
Application number: KR1020180156926A
Authority: KR
Inventors: 조계춘; 임주영; 장일한
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-11-12
Also published as: KR20190067729A

Abstract

유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 흙 조성물은 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 함유함으로써 물에 대한 저항성과 내구성이 향상된다.

Description

유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물 및 이의 제조 방법{SOIL COMPOSITION INCLUDING CROSS-LINKED BIOPOLYMER USING ORGANIC ACID AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

본원은, 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 흙은 물과 접촉하는 경우 그 구조와 강도를 잃게 된다. 이는 흙의 공학적 이용 측면에서 매우 큰 제약으로 작용하여, 인류의 문명과 함께 수 천년 동안 인류가 고민해 온 문제이다. 고대 수메르인들은 역청(bitumen)을 사용하여 흙의 방수성을 높이고자 했으며, 많은 지역에서 흙 건축 시 짚(straw) 등을 사용하여 흙의 강도 및 내구성을 증진하고자 하였다. 근대 이후로는 포틀랜드 시멘트, 각종 산업부산물(고로슬래그, fly ash 등), 화학 제품(epoxy, urethane 등)의 도입으로 흙의 공학적 처리는 비약적인 발전을 하게 된다. 그러나 최근 환경의 중요성이 증대되면서 건설, 토목 분야에서도 환경에 대한 영향을 고려하게 되었다. 이 경우 기존의 시멘트 및 기타 화학처리 방법들은 사용에 있어 큰 제약을 받게 된다. 시멘트의 경우 대표적인 온실가스 배출 물질로 알려져 있으며 고결과정에서 고 pH 상태가 되어 물과 인접한 경우 수생태계를 교란시키게 된다. 따라서 최근에는 친환경적인 흙 처리 기술에 대한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

한편, 흙의 지반공학적 구성, 엄밀히 말하면 입도분포, 함수비, 유기질 함량은 흙의 침식에 직접적인 영향을 미친다. 오늘날 흙의 침식이 중요한 환경 문제로 대두됨은 토양의 침식이 사막화 및 기후변화와 직간접적인 영향이 있기 때문이다. 현재 토양 침식이 수반되는 사막화는 전세계 육지의 1/3에서 진행 중이며, 매년 12백만ha의 새로운 사막을 생성하며 그 영역을 확대하고 있다. 토양의 침식은 생태계 교란뿐만 아니라 농경지의 생산력 저하를 초래하기 때문에 이를 저감 또는 억제할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다.

본원은, 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머-흙 조성물 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 흙과 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는, 흙 조성물을 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하고, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합하는 것을 포함하는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 흙 조성물의 제조 방법을 제공한다.

본원에 따른, 흙과 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물은 물에 대한 저항성 및 내구성이 매우 높고, 이에 따라 토양(흙)의 초기 안정화뿐만 아니라 중ㆍ장기 강도 증진과 침식 억제에 탁월한 효과가 있다. 특히, 본원에서 사용된 주 재료인 바이오폴리머는 탄화수소 계열의 고분자 재료로서 지하수 또는 토양 생태계에 대한 영향을 최소화시킬 수 있으며 교차-결합에 사용되는 유기산 또한 환경에 무해하여 환경 친화적이다.

따라서 본원에 따른 흙과 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물은 다양한 토양 보존 분야에 적용될 수 있을 뿐 아니라, 대형 건설 현장에서의 지반 개량, 지반 주입, 법면 안정화, 하천 및 수변 공간의 제방 조성, 토양 침식 억제, 도로 및 철도 성토층의 안정화, 대규모 농지 조성, 사막화 방지 등 다양한 분야에 효과적으로 사용될 수 있다.

본원에 따른 흙과 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물의 경우 기존 바이오폴리머-흙 조성물에 비해 내구성 및 지속성이 향상되어 시공 후 더 오랜 기간 안전성을 확보할 수 있다.

본원에 따른 흙과 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물은 흙의 공극 중 매우 견고하게 교차-결합된 바이오폴리머의 존재로 인해 높은 수압 조건에서도 흙 속의 투수성을 효과적으로 통제할 수 있게 된다.

도 1은, 종래의 바이오폴리머를 이용한 토양 개선 효과를 나타내는 결과들이다.
도 2는, 황토에 종래의 바이오폴리머를 첨가하여 강도를 측정한 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 유기산에 의해 바이오폴리머의 교차-결합에 대한 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 따른 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물의 건조 및 습윤 상태의 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정에서 가열 온도 및 가열 시간을 달리하여 최적의 가열 온도 및 가열 시간을 측정한 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 구현예에 있어서, 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합한 뒤, 건조/탈수 과정에서 가열 온도를 달리하여 최적의 가열 온도를 측정한 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 구현예에 있어서, 2차 교차-결합(바이오폴리머-흙 간 교차-결합) 과정에서 적정의 가열 온도를 측정한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 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 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙 약 100 중량부를 기준으로 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머 약 0.01 내지 약 100 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는, 상기 바이오폴리머 약 100 중량부를 기준으로 상기 유기산 약 0.001 내지 약 100 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 생물체로부터 생성되는 고분자 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 바이오폴리머는 글루코오스(glucose)를 기본 단위(monomer)로서 가지는 물질을 포함하는 것일 수 있고, 크게 다당류(polysaccharide)와 아미노산(amino-acid) 계열로 분류할 수 있으며, 상기 다당류 계열의 바이오폴리머는 그 형상에 따라 고분자 사슬형(high-molecular chains)과 겔화(gelation) 바이오폴리머로 구분할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 사슬형 바이오폴리머는 베타-1,3/1,6-글루칸(PolycanTM), 알파글루칸, 커들란(Curdlan) 등을 포함할 수 있고, 상기 겔화 바이오폴리머로는 웰란 검(Wellan gum), 젤란 검(Gellan gum), 잔탄 검(Xanthan gum), 아가 검(Agar gum), 석시노글리칸 검(Succinoglycan gum) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 아미노산 계열의 바이오폴리머는 키토산 (Chitosan)과 감마피지에이(γPGA) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

바이오폴리머는 생물이 생성하는 고분자 물질로 생물체를 구성하는 탄수화물, 지방, 단백질, 핵산과 이들의 복합체 등이 생물체내에서 합성되어 체외로 분비하는 다양한 종류의 고분자 물질을 일컫는다. 특히, 수용성 또는 불용성 다당류(polysaccharide)들은 10개 이상의 단당 또는 유도 단당이 글리코시드(glycosidic) 결합에 의하여 생성된 고분자로 자연계에 가장 풍부하게 존재하면서 인간에게 유용한 대표적인 바이오폴리머이다. 이들은 화학적 합성고분자와 달리 환경친화적이며, 구조적 특성에서 비롯되는 겔(gel) 형성, 유화 안정능, 표면장력 조절능, 물 흡수능, 접착능, 윤활능 및 바이오필름 형성능 등의 기능적 특성으로 인해 각종 산업분야에서 주요 소재로 사용되고 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙은 세립질(점토), 조립질(모래), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산(organic acid)는, 말론산(Malonic acid), 카르복실산(carboxylic acid), 술폰산(sulfonic acid), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 뷰티르산(butyric acid), 발레르산(valeric acid), 카포르산(caproic acid), 옥살산(oxalic acid), 젖산(lactic acid), 사과산(malic acid), 구연산(citric acid), 벤조산(benzoic acid), 탄산(carbonic acid), 페놀(phenol), 요산(uric acid), 타우린(taurine), 아미노메틸포스포닉산(aminomethylphosphonic acid) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 바이오폴리머 분자들이 연결되며, 이에 따라, 분자간 상호작용이 더 강한 결합력을 가지게 된다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의한 상기 바이오폴리머의 교차-결합은 물 등과 같은 외부 요인에 대한 저항성 및 내구성이 증가될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는 흙 입자 간의 결합력을 증가시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 고온에서는 낮은 점성을 나타내어 흙과의 혼합이 용이하며, 냉각됨에 따라 점성이 급격히 증가하여 안정된 바이오폴리머-흙 결합 조성물을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물은, 이를 함유하지 않은 흙에 비하여 강도가 향상되고 물에 대한 저항성 및 내구성이 우수하다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물은, 습윤(wet) 상태에서도 이를 함유하지 않은 흙에 비하여 강도가 향상되고 물에 대한 저항성 및 내구성이 우수하다.

본 측면에 따른 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머에 대하여 상기 제 1 측면에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머의 제조 방법은 하기와 같다.

먼저, 바이오폴리머 수용액을 조성할 수 있는 용매를 준비한다. 용매는 증류수 또는 일반물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

1종 이상의 다당류 계열 바이오폴리머를 용매 100 중량부를 기준으로 약 0.01에서 약 60(60%)까지 용해하면서 젤화된 고점성 바이오폴리머-함유 용액을 조성한다. 이때 온도를 200℃ 이하로 가열해주면 더 균질한 바이오폴리머-함유 용액을 조성할 수 있다.

균질하게 조성된 상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액을 20℃ 내지 150℃의 온도로 냉각시켜 안정화시킨다.

유기산을 고형(solid) 또는 액상(Liquid) 상태로 상기 젤화된 바이오폴리머-함유 용액에 첨가한다. 이때의 유기산 중량비는 바이오폴리머-함유 용액 100 중량부를 기준으로 약 0.001 내지 약 100(100%)까지 혼합 가능하다.

상기 유기산 첨가 후 유기산-1종 이상의 젤화된 바이오폴리머-함유 용액을 균질하게 교반을 하면서 상기 유기산이 상기 바이오폴리머 간 교차-결합을 형성할 수 있도록 유도한다. 이때 반응을 촉진시키기 위해 교반속도를 10 rpm 에서 5000 rpm 사이로 조절하고, 온도 또한 20℃ 내지 150℃ 구간에서 조절할 수 있다.

또한 교차-결합을 촉진시키 위해 추가로 촉매제를 유기산이 첨가된 젤화된 바이오폴리머-함유 용액 100 중량부를 기준으로 0.01에서 50(50%)까지 추가할 수 있다. 촉매제는 차아인산나트륨(sodium hypophosphite monohydrate) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

교차-결합이 충분히 형성되도록 해당 혼합 용액은 최소 1분에서 최대 24 시간까지 교반시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액에 상기 유기산을 첨가하고 교반시킴으로써 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하는 것은, 50℃ 내지 200℃ 에서 10 분 내지 4 시간 동안 가열하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

완성된 교차-결합된 바이오폴리머-함유 용액을 흙 100 중량부를 기준으로 0.01에서 100(100%)까지 혼합, 주입, 또는 살포한다.

교차-결합된 바이오폴리머-함유 용액 및 흙을 균질하게 혼합하여 균일한 바이오폴리머-흙 조성물을 조성한다.

혼합, 주입 또는 살포 후 바이오폴리머-흙 조성물을 약 60℃ 이하 온도, 구체적으로 20℃ 내지 50℃에서 건조/탈수 시켜 2차 교차-결합(바이오폴리머-흙 간 교차-결합)을 유도한다.

이때 상기 건조/탈수 후에 추가로 온도 범위 약 70℃ 이상 내지 약 200℃ 이하로 가열하면 바이오폴리머-흙 간 교차-결합이 증진된다. 또한, 상기 건조/탈수 후의 가열은 0.1 MPa 내지 2 MPa의 압력 범위의 가압 상태에서 수행될 경우 바이오폴리머-흙 간 교차-결합이 더욱 증진된다.

도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머의 제조 과정을 나타내는 모식도이다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합하는 것은, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 상기 흙과 혼합하거나, 상기 흙의 표면에 살포하거나, 또는 상기 흙 내에 주입하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는 흙과 직접 혼합하여 사용하거나, 바이오폴리머 분말 또는 현탁액/수용액을 흙의 표면에 도포하여 피복을 형성하도록 하거나, 또는 상기 흙 내에 주입할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 상기 흙과 직접 혼합한 후에, 이를 대상 지역의 지표면에 포설할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는 열처리 후 냉각 시 젤(gel)을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 열처리 후 냉각 시 상기 젤이 형성되어 강도가 향상됨으로써 상기 바이오폴리머를 함유하는 흙 조성물이 물에 침수 또는 포화 되어도 그 구조가 흐트러지지 않고 일정한 강도를 유지할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 고온에서는 낮은 점성을 나타내어 흙과의 혼합이 용이하며, 냉각됨에 따라 점성이 급격히 증가하여 안정된 흙-바이오폴리머 결합 조성물을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 흙에 첨가한 후 약 200℃ 이하의 온도에서 충분히 가열한 후 약 60℃ 이하로 냉각하여 상기 바이오폴리머의 겔화를 유도할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 온도는 약 200℃ 이하, 약 180℃ 이하, 약 160℃ 이하, 약 140℃ 이하, 약 120℃ 이하, 약 100℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하인 것일 수 있으며, 상기 가열 후 냉각 온도는 약 60℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 40℃ 이하, 약 30℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기산(organic acid)는, 말론산 (Malonic acid), 카르복실산(carboxylic acid), 술폰산(sulfonic acid), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 뷰티르산(butyric acid), 발레르산(valeric acid), 카포르산(caproic acid), 옥살산(oxalic acid), 젖산(lactic acid), 사과산(malic acid), 구연산(citric acid), 벤조산(benzoic acid), 탄산(carbonic acid), 페놀(phenol), 요산(uric acid), 타우린(taurine), 아미노메틸포스포닉산(aminomethylphosphonic acid) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

실시예 1: 유기산에 의해 교차- 결합된 바이오폴리머의 제조

말론산(malonic acid) 및 녹말(starch)을 물과 함께 혼합하여 에스터화(esterification) 반응을 시킴으로써 상기 말론산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하였다.

먼저, 바이오폴리머 수용액 조성을 위한 용매를 준비하였다. 용매는 증류수 또는 일반물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다

녹말을 상기 용매 100 중량부를 기준으로 0.001에서 60(60%)까지 첨가하여 녹말 수용액을 제조하였다. 녹말 수용액 제조 시 온도를 100℃ 이상으로 유지하여 젤화된 녹말 수용액을 제조하였다. 젤화된 녹말 수용액은 60℃ 이하로 냉각하여 안정화시켰다.

상기 말론산은 젤화된 녹말 수용액 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 40(40%) 비율로 첨가하였다. 이때 말론산은 분말 또는 희석된 액상 형태로 혼합이 가능하다. 여기에, 촉매제를 첨가하여 말론산으로 인한 녹말의 교차-결합을 촉진할 수 있다. 촉매제는 차아인산나트륨을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

해당 수용액을 지속적으로 교반하여 교차-결합을 촉진하여 말론산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머-함유 수용액을 완성하였다.

이에 대한 제조 과정을 도 3에 나타내었다.

실시예 2: 흙과 유기산에 의해 교차- 결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물의 제조 및 이의 강도 측정

상기 실시예 1에서 제조된 말론산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머와 흙을 각각 준비하였다. 상기 바이오폴리머를 흙과 혼합함으로써 흙 조성물을 제조하였다.

상기 실시예 1에서 조성된 수용액을 흙 100 중량부를 기준으로 0.001에서 100(100%) 중량비로 흙과 혼합하였다.

교차-결합된 바이오폴리머 수용액을 흙과 균질하게 혼합한 후 원하는 모양으로 성형하였다.

성형 후 교차-결합된 바이오폴리머-흙 조성물을 60℃ 이하 온도에서 건조(탈수)시켜 교차-결합된 바이오폴리머와 흙 간 결합력을 증가시켰다.

건조 후 교차-결합된 바이오폴리머-흙 조성물을 80℃ 이상 내지 200℃ 이하 온도 조건에서 1시간 이상 양생하여 2차 교차-결합(바이오폴리머-흙 간 교차-결합)을 유도하였다.

모든 과정 후 바이오폴리머-흙 조성물을 실온 조건으로 냉각하여 교차-결합된 바이오폴리머-흙 조성물을 완성하였다.

상기 제조된 흙 조성물과 다양한 비교예들의 건조 상태 및 습윤 상태에 대한 압축강도를 측정하였다. 구체적으로 본원의 상기 조성물은 흙 100 중량부에 대해 교차-결합된 바이오폴리머 1 중량부를 포함하하도록 하였다. 본원의 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물의 압축강도는 바이오폴리머를 처리하지 않은 흙, 흙 100 중량부 대해 각각 잔탄 검 1 중량부, 젤란 검 1 중량부 및 아가 검 1 중량부를 포함하는 비교예에 비해 Dry Strength 및 Wet Stength 모두에서 7배 이상 압축강도가 증가함을 확인하여, 본원의 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 포함하는 흙 조성물의 압축강도가 월등히 우수함을 알 수 있었다 (도 4).

실시예 3: 유기산에 의해 교차- 결합된 바이오폴리머의 가열시간, 온도, 압력 관계 확인

유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머와 흙의 혼합 전과 후 각각에서, 유기산에 의해 바이오폴리머의 교차-결합 반응을 용이하게 하기 위한 최적의 열 처리 조건을 설정하기 위한 실험을 진행하였다. 구체적으로 흙과의 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정에서 바이오폴리머 수용액에 유기산을 첨가한 후 가열 온도 및 가열 시간을 달리하여 최적의 가열 온도 및 가열 시간을 측정하였으며, 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합한 뒤, 건조(탈수) 과정에서 가열 온도를 달리하여 최적의 가열 온도를 측정하였다. 그리고 건조 과정 이후, 후-양생 과정인 2차 교차-결합(바이오폴리머-흙 간 교차-결합) 과정에서의 적정 가열 온도를 측정하였다.

먼저 흙과의 혼합 전, 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정에서 바이오폴리머 수용액에 유기산을 첨가한 후 가열 온도 및 가열 시간을 달리하여 측정한 결과를 도 5를 참조하여 설명하면, 50℃ 이상 온도에서 가열한 경우 바이오폴리머의 교차-결합이 촉진되었으나, 50℃ 미만의 온도에서 가열한 경우 바이오폴리머의 교차-결합이 미흡하여 압축강도 증진의 효과가 크지 않았다. 또한, 50℃ 이상으로 가열하더라도 가열 시간이 1 시간을 초과하는 경우 오히려 압축강도 증진 효과가 떨어짐을 확인하여, 시간이 길어질수록 교차-결합이 미흡해지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 흙과 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정에서는 90℃에서 30분간 열처리하는 것이 압축강도 증진 효과가 가장 우수함을 알 수 있었다.

교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합한 뒤, 건조(탈수) 과정에서 가열 온도를 달리하여 최적의 가열 온도를 측정한 결과를 도 6을 참조하여 설명하면, 건조 과정에서는 가열 온도를 50℃를 초과하면 오히려 압축강도의 증진 효과가 떨어짐을 확인하였다. 구체적으로 그래프를 설명하면, 도 6의 X축은 도 5에서의 흙과 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정의 가열 시간과 같으며, Y축은 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합한 뒤, 건조(탈수) 과정에서 가열 온도(Oven 온도)에 따른 흙-교차-결합된 바이오폴리머 혼합물의 압축강도를 나타낸다. 즉, 그래프를 해석하면 건조 과정에서 가열 온도를 20℃ 내지 50℃를 설정하는 경우, 건조 과정에서 압축강도는 점차 증가하되, 흙과 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정의 가열 시간이 1 시간까지 압축강도가 점차 증가하였으며, 1 시간 이후에는 점차 압축강도가 감소하였다. 반면, 건조 과정에서 가열 온도가 50℃를 초과하게 되면, 흙과 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정의 가열 시간에 관계없이 압축강도가 감소함을 확인할 수 있었다.

이로써, 도 5 및 도 6을 통합하여 해석하면, 흙과 혼합 전 교차-결합된 바이오폴리머 제조과정에서 90℃ 및 30분간 열처리하고, 흙과 교차-결합된 바이오폴리미를 혼합 후의 건조(탈수) 과정에서는 20℃ 내지 50℃로 열처리하는 것이 최적의 조합 조건임을 확인하였다.

도 7을 참조하여, 건조 과정 이후, 후-양생 과정인 2차 교차-결합(바이오폴리머-흙 간 교차-결합) 과정에서의 가열 온도를 설명하면, 후-양생 단계에서 110℃ 온도 및 500 kPa 이하의 압력에서 1 시간동안 처리한 실시예가 후-양생하지 않은 비교예에 비해 압축강도가 월등히 우수함을 확인하여, 건조 과정 이후에 70℃ 이상 내지 200℃ 이하의 온도에서 후-양생하는 것이 바이오폴리머-흙 간 교차-결합을 추가적으로 증진시킴을 알 수 있었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

흙과 유기산(organic acid)에 의해 교차-결합된(cross-linked) 바이오폴리머
를 포함하는, 흙 조성물로서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는, 상기 바이오폴리머 100 중량부를 기준으로 상기 유기산 30 내지 50 중량부를 포함하고,
상기 흙 100 중량부를 기준으로 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머 1 내지 10 중량부를 포함하는 것인,
흙 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 유기산은, 말론산, 카르복실산, 술폰산, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 카포르산, 옥살산, 젖산, 사과산, 구연산, 벤조산, 탄산, 페놀, 요산, 타우린, 아미노메틸포스포닉산 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 흙 조성물.
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유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하고,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 흙과 혼합하는 것
을 포함하는, 흙 조성물의 제조 방법으로서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하는 것은, 젤화 바이오폴리머-함유 용액을 제조하고, 상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액에 상기 유기산을 첨가하고 교반시킴으로써 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하는 것을 포함하고,
상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액에 상기 유기산을 첨가하고 교반시킴으로써 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하는 것은, 50℃ 내지 200℃에서 10 분 내지 1 시간 미만 동안 가열하는 것을 포함하는 것인,
흙 조성물의 제조 방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액은, 용매 100 중량부를 기준으로 상기 바이오폴리머 0.01 내지 60 중량부를 혼합하여 제조되는 것인, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머는, 상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액 100 중량부를 기준으로 상기 유기산 30 내지 50 중량부를 혼합하여 제조되는 것인, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액을 제조하는 것은, 200℃ 이하에서 상기 바이오폴리머를 용매에 용해시킨 후 혼합하여 제조된 혼합용액을 20℃ 내지 150℃ 로 냉각하여 안정화 및 젤화시키는 것을 포함하는 것인, 흙 조성물의 제조 방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 젤화 바이오폴리머-함유 용액에 상기 유기산을 첨가하고 10 rpm 내지 5000 rpm 속도로 교반하는 것인, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 제조하는 것은, 교차-결합을 위한 촉매제를 첨가하는 것을 추가 포함하는, 흙 조성물의 제조 방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 흙 100 중량부를 기준으로 상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머 1 내지 10 중량부를 혼합하여 상기 흙 조성물을 제조하는 것인, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 상기 흙과 혼합하여 상기 흙 조성물을 제조 후, 상기 흙 조성물을 20℃ 내지 50℃에서 탈수하는 것을 추가 포함하는, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 상기 흙과 혼합하여 상기 흙 조성물을 제조 후, 상기 흙 조성물의 교차-결합을 증진시키기 위해,
상기 흙 조성물을 탈수 후에 70℃ 이상 내지 200℃의 온도 범위에서 가열하는 것을 추가 포함하는, 흙 조성물의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기산에 의해 교차-결합된 바이오폴리머를 상기 흙과 혼합하여 상기 흙 조성물을 제조 후, 상기 흙 조성물의 교차-결합을 증진시키기 위해,
상기 흙 조성물을 탈수 후에 0.1 MPa 내지 2 MPa의 압력 범위에서 가압하는 것을 추가 포함하는, 흙 조성물의 제조 방법.