KR102372277B1 - Carbon Nanotube Intermixed Cement and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전처리한 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이를 통해, 건식 공정에서 탄소나노튜브를 혼합하는 단계의 도입 및 탄소나노튜브 표면을 기능화하여 화학적 결착을 유도함으로서 시멘트 입자와 교착된 전처리한 탄소나노튜브는 콘크리트 내 나노 스케일로 분산 가능함을 확인하였고, 상기 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트를 배합하여 제조된 콘크리트 또한 일반 시멘트에 비해 강도가 현저히 향상됨을 확인하였다. The present invention relates to a carbon nanotube agglutination mixed cement comprising pretreated carbon nanotubes and a method for manufacturing the same. Through this, by introducing the step of mixing carbon nanotubes in the dry process and functionalizing the carbon nanotube surface to induce chemical bonding, it was confirmed that the pretreated carbon nanotubes agglomerated with cement particles can be dispersed in the nanoscale in concrete, It was confirmed that the concrete prepared by blending the carbon nanotube agglutination cement also had significantly improved strength compared to general cement.

Description

탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 및 이의 제조방법{Carbon Nanotube Intermixed Cement and preparation method thereof}Carbon nanotube intermixed cement and preparation method thereof

본 발명은 전처리한 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon nanotube agglutination mixed cement comprising pretreated carbon nanotubes and a method for manufacturing the same.

2010년 이후로부터 콘크리트를 포함한 시멘트복합체의 초미세구조분야 기술개발이 확대되며 급속한 발전을 이루었다. 건설재료로서의 콘크리트는 전 세계에 걸쳐 연간 약 110억 톤 이상이 사용되고 있는 핵심재료로 평가된다. 최근 콘크리트 재료의 매크로(macro-metric) 스케일 특성을 보다 포괄적으로 이해 및 관리하기 위하여 마이크로(micro-metric) 범위를 넘어 나노 스케일 범위(nano-metric)의 초미세구조분야에 초점을 맞춘 연구가 상당 수 진행되고 있다. 그러나 NT분야와 관련된 다수의 기존 연구에도 불구, 콘크리트의 본질적인 취약점인 취성파괴와 이로 인한 낮은 파괴인성, 그리고 수축으로 인한 균열 등은 여전히 불가피한 단점으로 지적되고 있다.Since 2010, technological development in the ultra-fine structure field of cement composites including concrete has expanded and achieved rapid development. Concrete as a construction material is evaluated as a core material, which is used over 11 billion tons per year around the world. In order to more comprehensively understand and manage the macro-scale properties of concrete materials, a lot of research has focused on the ultra-microstructure field in the nano-scale range beyond the micro-metric range. number is in progress. However, despite many existing studies related to NT, brittle fracture, which is an essential weakness of concrete, low fracture toughness, and cracking due to shrinkage are still pointed out as unavoidable disadvantages.

한편, NT분야의 신재료로서 탄소나노튜브(Carbon Nano Tubes, 이하 CNTs)가 등장하여 세라믹이나 섬유, 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 각광받으며 관련분야의 연구가 증가되고 있다. 탄소나노튜브는 탄소원자로만 이루어진 그래핀(graphene)막을 롤 업(roll-up)하여 나노 규모의 직경을 갖는 튜브의 형태로 제조된 신재료를 일컫는다. 이는 단일막을 사용한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 다중막을 사용한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)로 각각 구분되며, 관련 산업에서는 주로 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)가 활용되고 있다.Meanwhile, as a new material in the NT field, carbon nanotubes (hereinafter, CNTs) have emerged, attracting attention in various fields such as ceramics, fibers, and wearable devices, and research in related fields is increasing. Carbon nanotube refers to a new material manufactured in the form of a tube having a nano-scale diameter by rolling up a graphene film made of only carbon atoms. It is divided into single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) using single membranes and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) using multiple membranes, and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are mainly used in related industries.

미국 MIT 대학의 빌딩기술 프로그램 (building technology program)에서는 탄소나노튜브를 콘크리트에 적용할 경우 압축강도 200 MPa 이상의 극초고강도 콘크리트를 용이하게 생산할 수 있을 것으로 예측하여 이를 보고하였다. 또한, 나노 스케일인 탄소나노튜브는 콘크리트 모체에서 발생하는 다양한 균열발생 메커니즘(matrix crack)을 최저 스케일 범위에서 제어하므로 콘크리트의 파괴인성 증진과 수축 등에 의한 균열발생을 월등히 제어할 수 있을 것으로 전망되고 있다.The building technology program of MIT University in the US predicted and reported that when carbon nanotubes are applied to concrete, ultra-high strength concrete with a compressive strength of 200 MPa or more can be easily produced. In addition, nano-scale carbon nanotubes control various matrix cracks occurring in the concrete matrix in the lowest scale range, so it is expected to be able to significantly control cracks caused by enhancement of fracture toughness and shrinkage of concrete. .

압축강도 200 MPa를 발휘할 수 있는 극초고강도 콘크리트를 생산하거나, 균열발생을 억제할 수 있는 탄소나노튜브 혼입 콘크리트의 제조를 위해서는 국내·외 연구자들이 최대 쟁점으로 꼽고 있는 꼬임(intorsion)과 뭉침(agglomeration) 문제에 대한 해결하는 것이 가장 우선적이다. 이의 해결방안을 위해 다수의 선진국에서는 이미 원천기술의 개발이 추진되고 있으며, 관련 분야에서도 이를 최대 기술이슈 중 하나로 지목하고 있다.In order to produce ultra-high-strength concrete capable of exerting a compressive strength of 200 MPa or to produce carbon nanotube-mixed concrete capable of suppressing cracking, intorsion and agglomeration, which are considered the biggest issues by domestic and foreign researchers, are Resolving the problem is of the utmost priority. In order to solve this problem, many advanced countries are already promoting the development of source technology, and related fields are also pointing out this as one of the biggest technology issues.

기존 국내·외 연구에서는 주로 시멘트의 경화 이전단계인 재료의 혼합과정(fresh concrete)에서 아세톤이나 에탄올 등의 용제를 추가 혼입하는 기법과 혼합수에 계면활성제(surfactant)와 탄소나노튜브를 동시 혼입하는 기법, 그리고 물리적 외력인 초음파(sonication) 처리를 통해 나노재료의 물성을 변화시키려는 등의 다양한 노력이 있어왔다. 그러나 탄소나노튜브의 분산효과 적용 후 경과시간 수분 내에 혼합수와 계면활성제 그리고 탄소나노튜브의 밀도 차이에 의한 침전현상이 나타났을 뿐만 아니라, 여러 공정의 전처리 문제 및 탄소나노튜브의 과도한 혼입률(혼입량을 증가시킴으로서 분산문제를 해결하려 함)로 인해 경제성에 대한 한계를 드러냈다. 특히 강도증진 즉, 시멘트량 절감을 위해 혼입된 탄소나노튜브가 오히려 콘크리트 전체 단가를 상승시키는 결과를 초래하게 됨으로서, 현장적용성에 문제가 드러났다.In existing domestic and foreign studies, the technique of adding a solvent such as acetone or ethanol in the mixing process of materials (fresh concrete), which is the stage before hardening of cement, and the simultaneous mixing of a surfactant and carbon nanotubes in the mixed water. Various efforts have been made to change the physical properties of nanomaterials through techniques and ultrasonic treatment, which is a physical external force. However, within a few minutes after application of the dispersion effect of carbon nanotubes, precipitation caused by the difference in density between mixed water, surfactant, and carbon nanotubes, as well as pretreatment problems in various processes and excessive mixing of carbon nanotubes (the amount of mixing It attempts to solve the dispersion problem by increasing the In particular, carbon nanotubes mixed to improve strength, that is, to reduce the amount of cement, actually increase the overall unit cost of concrete, which revealed a problem in field applicability.

본 발명자들은 탄소나노튜브를 소량 혼입하면서도 시멘트 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있도록 예의 연구 노력한 결과 기존의 탄소나노튜브 혼합 시멘트 제조방법과 달리 건식의 시멘트 원재료에 혼합함으로서 수분 중에서의 뭉침현상을 해결하고 탄소나노튜브의 전처리를 통해 시멘트 원재료와 화학적으로 교착하도록 하여 분산성을 향상시켜 본 발명을 완성하기에 이르렀다.As a result of diligent research efforts to efficiently improve cement strength while mixing a small amount of carbon nanotubes, the present inventors solve the agglomeration phenomenon in water by mixing with dry cement raw materials, unlike the existing carbon nanotube mixed cement manufacturing method. The present invention was completed by improving the dispersibility by chemically colliding with the cement raw material through pretreatment of the nanotubes.

본 발명의 하나의 목적은 전처리한 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for producing a pretreated carbon nanotube agglutination mixed cement.

본 발명의 다른 목적은 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브; 및 시멘트 원재료를 포함하는 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a carbon nanotube having an oxidized surface; And to provide a carbon nanotube agglutination mixed cement comprising a cement raw material.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.This will be described in detail as follows. Meanwhile, each description and embodiment disclosed in the present invention may be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be considered that the scope of the present invention is limited by the specific descriptions described below.

본 발명의 제1양태는 탄소나노튜브를 산성용액에 투입하여 전처리한 탄소나노튜브를 제조하는 제1단계; 시멘트 원재료 및 상기 전처리한 탄소나노튜브를 용매에 혼합하여 시멘트 재료를 제조하는 제2단계; 상기 제2단계의 혼합된 상기 시멘트 재료를 불활성 가스 조건에서 소성하여 클링커(clinker)를 생성하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 생성된 상기 클링커에 석고를 혼합하는 제4단계를 포함하는, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법을 제공하는 것이다.A first aspect of the present invention is a first step of preparing a pre-treated carbon nanotube by putting the carbon nanotube in an acidic solution; a second step of preparing a cement material by mixing the raw material for cement and the pretreated carbon nanotubes in a solvent; a third step of calcining the cement material mixed in the second step under an inert gas condition to produce clinker; and a fourth step of mixing gypsum with the clinker produced in the third step, to provide a method for producing carbon nanotube agglutination cement.

본 발명의 용어 "탄소나노튜브"는 탄소원자로만 이루어진 그래핀(graphene)막을 롤 업(roll-up)하여 나노 규모의 직경을 갖는 튜브의 형태로 제조된 신재료를 의미할 수 있다. 이는 단일막을 사용한 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT)와 다중막을 사용한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)로 각각 구분될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As used herein, the term “carbon nanotube” may refer to a new material manufactured in the form of a tube having a nano-scale diameter by rolling up a graphene film made of only carbon atoms. It may be divided into single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) using single membranes and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) using multiple membranes, respectively, but is not limited thereto.

본 발명의 상기 제1단계는 탄소나노튜브 표면의 결함 부위의 변형을 이용하여 탄소나노튜브 뭉침현상(도 1)을 해결하기 위해 도입된 단계이다. 상기 '결함 부위의 변형'은 탄소나노튜브 표면의 결함 부위에 관능기를 도입하는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 제1단계는 탄소나노튜브를 산성용액에 투입하여 환류시키는 산화공정을 통해 탄소나노튜브 표면에 산소를 포함하는 관능기를 갖도록 하는 탄소나노튜브 기능화(도 2)하는 단계를 의미할 수 있다. 상기 산성용액의 pH는 약 2 이하일 수 있다. 이는 낮은 pH가 CNTs 표면의 산화를 형성시키기 위한 반응 통로의 역할을 하기 때문이다.The first step of the present invention is a step introduced to solve the carbon nanotube aggregation phenomenon (FIG. 1) by using the deformation of the defect site on the surface of the carbon nanotube. The 'modification of the defect site' may mean introducing a functional group into the defect site on the surface of the carbon nanotube. Specifically, the first step may mean a step of functionalizing the carbon nanotube (FIG. 2) to have a functional group containing oxygen on the surface of the carbon nanotube through an oxidation process in which the carbon nanotube is put into an acidic solution and refluxed. . The pH of the acidic solution may be about 2 or less. This is because the low pH serves as a reaction pathway to form oxidation of the CNTs surface.

상기 제1단계는 탄소나노튜브를 약 1시간 내지 약 24시간 동안 환류(reflux)시키는 것일 수 있다. 탄소나노튜브를 약 1시간 미만으로 환류시킬 경우 CNTs의 표면에 도입되는 산소의 양이 불충분할 수 있으며, 24시간 이상으로 환류시킬 경우 산소 양이 지나쳐 탄소나노튜브끼리의 결합을 야기할 수 있는 문제가 있다.The first step may be to reflux the carbon nanotubes for about 1 hour to about 24 hours. If the carbon nanotubes are refluxed for less than about 1 hour, the amount of oxygen introduced to the surface of CNTs may be insufficient. there is

본 발명의 상기 제2단계는 시멘트 원재료 및 상기 전처리한 탄소나노튜브를 용매에 혼합하여 시멘트 재료를 제조하는 단계이다. 이는 종래 기술이 시멘트 원재료로 습식 상태의 최종적인 시멘트 재료를 제조한 다음 탄소나노튜브를 투입하는 것과 달리 본 발명은 건식의 후처리가 되지 않은 시멘트 원재료 상태에 전처리한 탄소나노튜브를 투입하여 제조하는 점에 현저한 차이가 있다. 습식 상태의 시멘트 재료에 탄소나노튜브를 투입할 경우 탄소나노튜브는 수성물질보다 유성물질과의 친화력이 큰 무극성 및 소수성(hydrophobic)을 지닌 물질이다. 따라서, 탄소나노튜브를 물을 포함하는 재료 내에 투입하는 경우 입자들 간의 반데르발스 힘 (Van der Waals force)이 작용되어 엉킴 및 뭉침현상이 나타난다.. 이에 따라, 전처리하지 않은 탄소나노튜브를 시멘트 재료에 투입하는 경우 뭉침현상으로 인해 투입 효과가 미미하게 되어 현저히 많은 양의 탄소나노튜브를 투입해야 하는 문제가 있었다. 따라서 본 발명의 상기 제2단계를 통해 상기 문제를 해결할 수 있다.The second step of the present invention is a step of preparing a cement material by mixing the raw material for cement and the pretreated carbon nanotubes in a solvent. This is different from the prior art in which the final cement material in a wet state is prepared from cement raw materials and then carbon nanotubes are put in, the present invention is manufactured by putting the pretreated carbon nanotubes in the state of the raw cement raw material that has not been dry post-treated. There is a marked difference in points. When carbon nanotubes are injected into cement materials in a wet state, carbon nanotubes are non-polar and hydrophobic materials that have a greater affinity for oily materials than water-based materials. Therefore, when carbon nanotubes are put into a material containing water, a Van der Waals force between the particles is applied to cause entanglement and agglomeration. In the case of input to the material, there was a problem in that a significantly large amount of carbon nanotubes had to be input because the input effect was insignificant due to agglomeration. Therefore, the problem can be solved through the second step of the present invention.

상기 제2단계를 수행함에 있어서, 상기 전처리한 탄소나노튜브는 상기 시멘트 원재료 중량 대비 약 0.5 wt% 내지 약 1.5 wt%으로 혼합될 수 있다. 0.5 wt% 미만인 경우 전처리한 탄소나노튜브 투입 효과가 미미해지는 문제가 있으며, 1.5 wt% 초과인 경우 시멘트 강도의 증가율이 더이상 향상되지 않아 비경제성의 문제가 있다. 이는 상기 전처리한 탄소나노튜브의 양이 종래 기술에 비해 소량을 첨가하더라고 시멘트 압축강도가 최대를 나타낼 수 있어 의의가 있다.In performing the second step, the pretreated carbon nanotubes may be mixed in an amount of about 0.5 wt% to about 1.5 wt% based on the weight of the cement raw material. If it is less than 0.5 wt%, there is a problem in that the effect of adding the pretreated carbon nanotubes is insignificant, and if it is more than 1.5 wt%, the increase rate of cement strength is not improved any more, so there is a problem of inefficiency. This is significant because the cement compressive strength can be maximized even when a small amount of the pretreated carbon nanotubes is added compared to the prior art.

상기 제2단계의 상기 용매는 유기용매 또는 수계용매일 수 있다. 예를 들어, 용매는 탄화수소계, 할로겐화 탄화수소, 알코올류, 알데하이드류, 에테르류, 에스터류, 케톤류, 글리콜유도체 등 일 수 있다. 일 실시예에 따르면 용매는 에탄올일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The solvent of the second step may be an organic solvent or an aqueous solvent. For example, the solvent may be a hydrocarbon-based, halogenated hydrocarbon, alcohol, aldehyde, ether, ester, ketone, glycol derivative, or the like. According to an embodiment, the solvent may be ethanol, but is not limited thereto.

본 발명의 상기 제3단계는 건식 공정으로 탄소나노튜브를 혼합하여 시멘트를 제조하기 위해 필수적인 단계이다. 구체적으로, 혼합된 상기 시멘트 재료를 직경 20 내지 40 nm 경단으로 제작하여 고온 소성로(furnace)의 불활성 가스 조건에서 소성하는 것을 의미할 수 있다.The third step of the present invention is an essential step for manufacturing cement by mixing carbon nanotubes in a dry process. Specifically, it may mean that the mixed cement material is manufactured into dumplings with a diameter of 20 to 40 nm and calcined in an inert gas condition in a high-temperature sintering furnace (furnace).

탄소나노튜브를 공기중 노출시키는 경우 하기 반응식 1과 같이 이산화탄소, 산소 그리고 수분과 산화(oxidation) 반응을 일으켜 중량감소를 가져올 수 있는 문제가 있다.When carbon nanotubes are exposed to air, there is a problem in that the weight may be reduced by causing an oxidation reaction with carbon dioxide, oxygen, and moisture as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1] [Scheme 1]

C + CO2(g) → 2CO(g) C + CO 2 (g) → 2CO (g)

2C + O2(g) → 2CO(g) 2C + O 2 (g) → 2CO (g)

C + H2O(g) → CO(g) + H2(g) C + H 2 O(g) → CO(g) + H 2 (g)

종래 기술에 의하면 시멘트 원재료를 대기 중에서 소성하기 때문에 본 발명의 상기 제2단계 이후 종래기술과 같이 대기 중에서 소성시키면 탄소나노튜브의 중량감소가 현저하여 탄소나노튜브를 과량 투입해야하는 문제가 발생한다. 따라서 중량감소를 최저로 하여 탄소나노튜브 투입효과를 극대화하기 위해 본 발명은 산소를 포함하는 일반 대기 상태가 아닌 불활성 가스 상태에서 소성하는 단계를 적용하였다. 본 발명의 일 실시예에서 일반 대기 상태 대비 아르곤 가스 상태에서의 소성 시 중량 감소율 비교 실험을 통해 중량감소가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. According to the prior art, since the raw material for cement is calcined in the air, after the second step of the present invention, when calcined in the air as in the prior art, the weight reduction of the carbon nanotubes is remarkable, and there is a problem that an excessive amount of the carbon nanotubes is added. Therefore, in order to maximize the carbon nanotube input effect by minimizing the weight reduction, the present invention applied the step of calcining in an inert gas state, not in a general atmospheric state containing oxygen. In an embodiment of the present invention, it was confirmed that the weight reduction was significantly reduced through a comparison experiment of the weight reduction rate during firing in the argon gas state compared to the general atmospheric state.

상기 제3단계의 소성 온도는 약 1250℃내지 약 1450℃인 것일 수 있다. 이는 시멘트 원재료의 상 변화를 위한 과정을 의미할 수 있다. 상기의 고온의 온도범위에서도 중량감소가 최저를 유지할 수 있음을 본 발명의 일 실시예에서 확인할 수 있다. 약 1250℃보다 낮은 온도에서는 상 변화가 일어나지 않는 문제가 있으며, 약 1450℃초과시에는 비경제성의 문제가 있다.The sintering temperature of the third step may be about 1250°C to about 1450°C. This may mean a process for the phase change of the cement raw material. It can be confirmed from an embodiment of the present invention that the weight reduction can be maintained at the lowest even in the high temperature range. At a temperature lower than about 1250°C, there is a problem that a phase change does not occur, and when it exceeds about 1450°C, there is a problem of inefficiency.

본 발명의 상기 제4단계는 시멘트의 급결(flash set)방지를 위한 석고(gypsum)를 혼합하여 1차 로터리 컵 밀링(rotary cup milling)과 2차 자 볼 밀링(jar ball milling)을 수행하여 시멘트를 제조하는 단계이다. In the fourth step of the present invention, the first rotary cup milling and the second jar ball milling are performed by mixing gypsum to prevent flash set of cement. is a manufacturing step.

상기 제4단계를 수행함에 있어서, 상기 석고는 상기 클링커 중량 대비 약 2.5 wt% 내지 약 4 wt% 로 혼합될 수 있다. 석고의 혼합량이 약 2.5 wt% 미만인 경우 급결 방지 효과가 미미한 문제가 있으며, 석고의 혼합량이 약 4 wt% 초과인 경우 최종 생성물인 혼합시멘트의 응결시간을 지나치게 지연시키는 문제가 있다.In performing the fourth step, the gypsum may be mixed in an amount of about 2.5 wt% to about 4 wt% based on the weight of the clinker. When the mixing amount of gypsum is less than about 2.5 wt%, there is a slight problem in preventing the rapid setting, and when the mixing amount of gypsum is more than about 4 wt%, there is a problem in that the setting time of the final product, the mixed cement, is excessively delayed.

본 발명의 제2 양태는 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브; 및 시멘트 원재료를 포함하고, 상기 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브와 상기 시멘트 원재료가 화학적 교착된 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트를 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention is a carbon nanotube having an oxidized surface; and a cement raw material, wherein the carbon nanotube having the oxidized surface and the cement raw material are chemically crosslinked, to provide a carbon nanotube agglutination mixed cement.

본 발명의 상기 '산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브'는 본 발명의 제1 양태에 언급한 '전처리한 탄소나노튜브'를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로 탄소나노튜브를 산성용액에 투입한 후 환류(reflux) 시키는 단계; 상기 산처리 환류된 탄소나노튜브를 여과하는 단계; 및 상기 여과된 탄소나노튜브를 건조하는 단계를 포함하는 방법으로 전처리한 것을 의미할 수 있다. 상기 전처리에 의해 CNTs 표면에 카르복실산(COOH) 또는 하이드록실(OH) 기능화되어 CNTs의 분상성이 현저히 향상된 탄소나노튜브를 획득할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 '산화된 표면'은 탄소나노튜브 표면에 카르복실산 관능기(-COOH) 및/또는 하이드록실 관능기(-OH)가 제공된 것을 의미할 수 있다. 특히 실시예에 따라 '산화된 표면'은 탄소나노튜브에서 산소함량이 탄소함량 대비 10% 내지 20%인 것을 의미할 수 있다.The 'carbon nanotube having an oxidized surface' of the present invention may mean the 'pretreated carbon nanotube' mentioned in the first aspect of the present invention. More specifically, the step of refluxing carbon nanotubes after the input into an acidic solution; filtering the acid-treated refluxed carbon nanotubes; and drying the filtered carbon nanotubes may mean pre-treatment. By the pretreatment, carboxylic acid (COOH) or hydroxyl (OH) functionalization on the surface of CNTs can obtain carbon nanotubes with significantly improved separation of CNTs. Accordingly, the 'oxidized surface' according to an embodiment of the present invention may mean that a carboxylic acid functional group (-COOH) and/or a hydroxyl functional group (-OH) is provided on the surface of the carbon nanotube. In particular, according to an embodiment, the 'oxidized surface' may mean that the oxygen content in the carbon nanotube is 10% to 20% compared to the carbon content.

본 발명의 상기 '시멘트 원재료'에는 석회암(limestone), 규석(silicon stone), 동슬래그(copper slag), 점토(clay)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 원료 화학적 구성 성분은 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The 'cement raw material' of the present invention may include limestone, silica stone, copper slag, and clay, but is not limited thereto. Raw material chemical constituents may include, but are not limited to, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O, SO 3 .

본 발명의 상기 '교착'은 탄소나노튜브와 상기 시멘트 원재료의 화학적 결착을 의미할 수 있다. 카르복실기(COOH)와 하이드록실기(OH)기는 산화알루미늄(Al2O3)이나 산화규소(SiO2)와 같은 세라믹계 재료와의 호환성이 상당히 높다. 본 발명에서는 세라믹계와 유사한 성분을 갖는 시멘트 원재료 또한 탄소나노튜브와의 화학적 교착을 이룰 수 있다. 반응 예시는 하기와 같다(반응식 2). In the present invention, the 'agglutination' may mean chemical bonding between the carbon nanotubes and the cement raw material. A carboxyl group (COOH) and a hydroxyl group (OH) group are highly compatible with ceramic materials such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon oxide (SiO 2 ). In the present invention, a raw material for cement having a composition similar to that of ceramics can also achieve chemical agglutination with carbon nanotubes. A reaction example is as follows (Scheme 2).

[반응식 2][Scheme 2]

CaO + 2(COOH-R) = Ca(COO-R) + H2OCaO + 2(COOH-R) = Ca(COO-R) + H 2 O

SiO2 + 2(COOH-R) = SiO(COO-R) + H2OSiO 2 + 2(COOH-R) = SiO(COO-R) + H 2 O

Al2O3 + 6(COOH-R) = 2Al(COO-R)3 + 3H2OAl 2 O 3 + 6(COOH-R) = 2Al(COO-R) 3 + 3H 2 O

따라서, 이러한 점을 이용하여 육안을 확인하기 힘든 나노스케일의 탄소나노튜브를 자체적인 뭉침 현상 없이 최대의 분산성을 가질 수 있도록 하여 탄소나노튜브의 시멘트 강도 향상 효과를 향상시킴을 확인할 수 있다.Therefore, using this point, it can be confirmed that the effect of improving the cement strength of the carbon nanotubes is improved by allowing the nanoscale carbon nanotubes, which are difficult to see with the naked eye, to have the maximum dispersibility without their own agglomeration.

상기 탄소나노튜브의 비표면적이 약 70 m2/g 내지 약 150 m2/g 인 것일 수 있다. 구체적으로 외경(outer diameter)이 약 20 nm 내지 약 30 nm 이고, 길이가 약 10 um 내지 약 30 um 인 것일 수 있다. 보다 구체적으로 내경이 약 5 nm 내지 약 10 nm이며, 부피밀도는 약 0.2 g/cm3 내지 약 0.5 g/cm3인 것일 수 있다. 이는 시멘트 보강재용으로서 우수한 물리적, 기계적 특성인 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 비표면적은 BET법에 따라 측정한 질소 흡착 비표면적을 의미할 수 있다. 탄소나노튜브의 비표면적이 약 70 m2/g 이상이면 산과의 접촉 면적을 늘릴 수 있어, 탄소나노튜브의 분산성이 한층 더 우수한 분산액을 얻을 수 있다. 탄소나노튜브의 비표면적이 약 150 m2/g 이하이면 섬유상 탄소 나노 구조체가 갖는 도전성, 열 전도성, 강도와 같은 특징이 손상되는 것을 억제할 수 있다. The specific surface area of the carbon nanotubes may be about 70 m 2 /g to about 150 m 2 /g. Specifically, the outer diameter may be about 20 nm to about 30 nm, and the length may be about 10 um to about 30 um. More specifically, the inner diameter may be from about 5 nm to about 10 nm, and the bulk density may be from about 0.2 g/cm 3 to about 0.5 g/cm 3 . It may have excellent physical and mechanical properties as a cement reinforcing material. The specific surface area of the carbon nanotube may mean a nitrogen adsorption specific surface area measured according to the BET method. When the specific surface area of the carbon nanotubes is about 70 m 2 /g or more, the contact area with the acid can be increased, so that a dispersion having further excellent dispersibility of the carbon nanotubes can be obtained. If the specific surface area of the carbon nanotube is about 150 m 2 /g or less, it is possible to suppress damage to characteristics such as conductivity, thermal conductivity, and strength of the fibrous carbon nanostructure.

상기 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브의 산소함량은 탄소함량 대비 약 10% 내지 약 20% 인 것일 수 있다. 상술한 산소함량은 탄소나노튜브 표면을 구성하는 전체 원자량을 100%로 하여, 산소원자(O)의 존재량이 차지하는 비율을 산출한 값을 의미할 수 있다. 산소함량이 약 10% 미만인 경우 시멘트 원재료와 충분한 수의 화학적 교착이 일어나지 않을 수 있으며, 산소함량이 약 20% 이내인 경우에 분산성이 최대 값을 나타낼 수 있다.The oxygen content of the carbon nanotube having the oxidized surface may be about 10% to about 20% relative to the carbon content. The above-described oxygen content may refer to a value obtained by calculating the ratio of the abundance of oxygen atoms (O) to 100% of the total atomic weight constituting the surface of the carbon nanotube. When the oxygen content is less than about 10%, a sufficient number of chemical agglomerations with the cement raw material may not occur, and when the oxygen content is less than about 20%, the dispersibility may exhibit a maximum value.

본 발명을 통해 탄소나노튜브 혼입 콘크리트 제조 시 뭉침 현상으로 인한 고강도 콘크리트 생산에 제한이 있었던 종래 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다. 구체적으로, 전처리한 탄소나노튜브를 시멘트 제조의 앞 단계에서 건식공정으로 시멘트 원재료와 혼합하고 시멘트 원재료와 화학적 결착을 유도함으로서 소량의 탄소나노튜브 투입만으로도 시멘트 강도 향상 효과를 최대로 가질 수 있도록 하였다. 따라서, 본 발명은 건설분야에 다기능성 콘크리트 제조 시 유용하게 사용될 수 있다. Through the present invention, it was confirmed that the conventional problem that was limited in the production of high-strength concrete due to agglomeration during the production of carbon nanotube-mixed concrete could be solved. Specifically, the pre-treated carbon nanotubes were mixed with the cement raw material in a dry process in the previous stage of cement manufacturing and chemical bonding with the cement raw material was induced, so that the cement strength improvement effect could be maximized even by the input of a small amount of carbon nanotubes. Therefore, the present invention can be usefully used in the manufacture of multi-functional concrete in the construction field.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 상용화 다중벽탄소나노튜브의 SEM (Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 2는 탄소나노튜브 기능화 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 다중벽탄소나노튜브 산처리 환류 과정을 나타낸 것이다.
도 4은 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 제조의 모식도이다.
도 5는 TGA에 의한 다중벽탄소나노튜브의 중량감소율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 클링커 사진이다.
도 7는 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트와 일반 시멘트(ordinary portland cement, OPC) 대조 사진이다.
도 8는 상기 도 7에 다중벽탄소나노튜브의 혼입률별 교착 시멘트와 일반 시멘트(OPC)의 비중시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9은 시멘트의 분말도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 시멘트 안정도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 시멘트 응결시간 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 시멘트 배합별 모르타르 압축강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 배합별 모르타르 압축강도 증진율을 나타낸 그래프이다.
도 14은 배합별 모르타르 휨강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 배합별 모르타르 휨강도 증진율을 나타낸 그래프이다.
도 16a는 P-MWCNTs(전처리 하지 않은 MWCNTs) 교착 시멘트 페이스트 SEM 이미지이다.
도 16b 및 도 16c는 촬영 시간만 달리한 F-MWCNTs(전처리한 MWCNTs) 교착 시멘트 페이스트 SEM 이미지이다.
도 17는 본 발명의 일시예에서 배합설계된 콘크리트 압축강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18는 본 발명의 일시예에서 배합설계된 콘크리트 쪼갬인장강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19은 본 발명의 일시예에서 배합설계된 콘크리트 휨강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a commercial multi-wall carbon nanotube according to an embodiment of the present invention.
2 shows a schematic diagram of carbon nanotube functionalization.
Figure 3 shows a multi-wall carbon nanotube acid treatment reflux process according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of the production of carbon nanotube agglutination mixed cement.
5 is a graph showing the weight reduction rate of multi-wall carbon nanotubes by TGA.
6 is a photograph of a multi-wall carbon nanotube agglutination mixed cement clinker prepared in an embodiment of the present invention.
7 is a contrast photograph of multi-walled carbon nanotube agglutination mixed cement and ordinary portland cement (OPC).
8 is a graph showing the specific gravity test results of agglutination cement and ordinary cement (OPC) according to the mixing rate of the multi-wall carbon nanotubes in FIG. 7 .
9 is a graph showing the results of a fineness test of cement.
10 is a graph showing the results of the cement stability test.
11 is a graph showing the cement setting time test results.
12 is a graph showing the mortar compressive strength test results for each blend of multi-wall carbon nanotube agglutination cement prepared in an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing the improvement rate of mortar compressive strength for each compounding.
14 is a graph showing the mortar flexural strength test results for each compounding.
15 is a graph showing the improvement rate of mortar flexural strength for each compounding.
16A is a SEM image of P-MWCNTs (MWCNTs without pretreatment) agglomerated cement paste.
16b and 16c are SEM images of F-MWCNTs (pre-treated MWCNTs) agglomerated cement paste with different imaging times.
17 is a graph showing the results of measuring the compressive strength of concrete designed for mixing in an example of the present invention.
18 is a graph showing the measurement result of splitting tensile strength of concrete designed by mixing in one embodiment of the present invention.
19 is a graph showing the results of measurement of the flexural strength of concrete mixing designed in an example of the present invention.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1. 산처리 환류법(Reflux)을 통한 탄소나노튜브의 전처리Example 1. Pretreatment of carbon nanotubes through acid treatment reflux

실험에서 사용된 다중벽탄소나노튜브(Multi - walled carbon nano tubes, MWCNTs)는 CHEAPTUBES Inc.(Grafton, Vermont, 미국)에서 제조된 순도 99% 이상의 것을 사용하였다. 제조사에서 실행한 주사 전자 현미경 (SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM) 측정으로부터의 초기 다중벽탄소나노튜브의 추정된 직경 및 길이는 평균 약 28 nm와 약 22.5 μm 범위로 나타났다. 실험에 사용된 다중벽탄소나노튜브의 특성은 하기 표 1과 같다.Multi-walled carbon nano tubes (MWCNTs) used in the experiment were manufactured by CHEAPTUBES Inc. (Grafton, Vermont, USA) with a purity of 99% or more. The estimated diameter and length of the initial multi-walled carbon nanotubes from scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) measurements performed by the manufacturer ranged from about 28 nm to about 22.5 μm on average. The characteristics of the multi-wall carbon nanotubes used in the experiment are shown in Table 1 below.

외경 (Outer diameter) / nmOuter diameter / nm 20-3020-30 내경 (Inside diameter) / nmInside diameter / nm 5-105-10 길이 (Length) / μmLength / μm 10-3010-30 순도 (Purity) / %Purity/% 95 이상95 or more 분도 (Ash) / %Minutes (Ash) / % 1.5 미만less than 1.5 비표면적 (Specific surface area) / m2/gSpecific surface area / m 2 /g 110110 전기 전도도 (Electrical conductivity) / (S/cm)Electrical conductivity / (S/cm) 100 이상over 100 부피밀도 (Bulk density) / g/cm3 Bulk density / g/cm 3 0.280.28 진밀도 (True density) / g/cm3 True density / g/cm 3 2.12.1

다중벽탄소나노튜브의 산처리를 위한 산화제는 더 사이언스 컴퍼니(The Science Company) (Lakewood, Colorado, 미국)에서 제조된 질산(HNO3)과 황산(H2SO4)이 각각 사용되었으며 각각의 물리·화학적 특성은 하기 표 2와 같다. Nitric acid (HNO 3 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) manufactured by The Science Company (Lakewood, Colorado, USA) were used as oxidizing agents for acid treatment of multi-wall carbon nanotubes, respectively, and each physical · Chemical properties are shown in Table 2 below.

분류classification 질산 (NITRIC ACID)Nitric acid (NITRIC ACID) 황산(SULFURIC ACID)SULFURIC ACID 화학식 (Chemical formula)Chemical formula HNO3 HNO 3 H2SO4 H 2 SO 4 농도 (Concentration) / %Concentration / % 68-7068-70 58-9858-98 외관 (Appearance)Appearance 무색의 투명 액상colorless transparent liquid 무색의 투명 액상colorless transparent liquid 수소이온농도 (pH at 20℃)Hydrogen ion concentration (pH at 20℃) 1 이상1 or more 0.3 이상0.3 or more 용해도 (Solubility)Solubility 물에 희석 가능Can be diluted in water 물에 희석 가능Can be diluted in water 비중 (Specific gravity)Specific gravity 1.411.41 1.48-1.841.48-1.84

도 1은 산처리 전 탄소나노튜브인 상용화 다중벽탄소나노튜브의 SEM 사진으로 다중벽탄소나노튜브 의 뭉침현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 뭉침현상을 해결하고자 도 2에서와 같이 산소 기능화된 표면을 갖는 CNTs 를 생성하고자 산성용액으로 전처리하였다. 도 3은 산처리 과정을 나타낸 것이다. 황산과 질산을 3:1(부피비)로 혼합한 산화용액 약 200 ml에 약 2 g의 다중벽탄소나노튜브를 투입한 후 약 70℃조건에서 환류를 진행하였다. 이후 여과지를 통해 추출된 CNTs는 약 100℃이하에서 약 24시간 동안 건조시켰다.1 is an SEM photograph of a commercialized multi-walled carbon nanotube, which is a carbon nanotube, before acid treatment, and agglomeration of the multi-walled carbon nanotube could be observed. To solve such agglomeration, as shown in FIG. 2, CNTs having an oxygen-functionalized surface were pretreated with an acidic solution. 3 shows an acid treatment process. About 2 g of multi-wall carbon nanotubes were put into about 200 ml of an oxidizing solution in which sulfuric acid and nitric acid were mixed at a ratio of 3:1 (volume ratio), and then refluxed at about 70°C. Then, the CNTs extracted through the filter paper were dried at about 100° C. or less for about 24 hours.

실시예 2. 탄소나노튜브(Carbon nano tubes, CNTs) 화학적 교착 혼합시멘트 제조Example 2. Carbon nanotubes (CNTs) chemical agglutination cement production

도 4는 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 제조의 모식도를 나타낸 것이다. 본 발명의 일실시예로서 탄소나노튜브 중에서도 다중벽탄소나노튜브 를 사용하였다. 다중벽탄소나노튜브 교착형 혼합시멘트를 제조하기 위하여 우선 미국의 G 시멘트사로부터 공급받은 원재료에 상기 실시예 1에 따라 전처리한 다중벽탄소나노튜브를 시멘트 원재료 대비 약 0.25 wt%, 약 0.5 wt%, 약 0.75 wt%, 약 1 wt%, 약 1.25 wt%, 약 1.5 wt% 로 각각 첨가한 후 로터리 컵 밀링(rotary cup milling) 장치를 이용하여 약 75 μm의 크기로 1차 분쇄를 실시하였다. 이후 자 볼 밀링(jar ball milling) 장치를 이용해 동일한 시멘트 원재료의 2차 분쇄와 함께 다중벽탄소나노튜브MWCNTs의 2차 분산을 유도한다. MWCNTs를 포함하는 분쇄된 시멘트 원재료를 에탄올을 이용하여 고르게 혼합한다. 이는 시멘트 원재료 내 수용성 물질의 이동을 방지하기 위한 것이며, 에탄올과 고르게 혼합된 MWCNTs를 포함하는 시멘트 원재료를 약 20 mm 내지 약 30 mm 직경의 경단으로 제작하여 고온 소성로(furnace)의 아르곤 가스 환경에서 약 1450℃까지 소성을 수행하였다. 이후 다중벽탄소나노튜브 교착 시멘트 클링커(도 6)와 시멘트의 급결(flash set)방지를 위한 석고(gypsum)를 클링커 대비 약 2.5% 내지 약 4%를 혼합하여 1차 로터리 컵 밀링(rotary cup milling)과 2차 자 볼 밀링(jar ball milling)다시 수행하여 목표로 한 비표면적을 갖는 시멘트를 제조하였다. 도 7에서와 같이 다중벽탄소나노튜브 교착형 시멘트의 경우 일반 시멘트(ordinary portland cement, OPC)와 비교하여 고른 흑색을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 분산처리된 다중벽탄소나노튜브가 시멘트에 고르게 분포한 것으로 간주할 수 있다.Figure 4 shows a schematic diagram of the carbon nanotube agglutination mixed cement production. As an embodiment of the present invention, among carbon nanotubes, multi-wall carbon nanotubes were used. In order to prepare the multi-wall carbon nanotube agglutination type mixed cement, the multi-wall carbon nanotubes pretreated according to Example 1 were first added to the raw material supplied from G Cement of the United States in about 0.25 wt%, about 0.5 wt%, compared to the raw material of cement. , about 0.75 wt %, about 1 wt %, about 1.25 wt %, and about 1.5 wt %, respectively, and then primary grinding was performed to a size of about 75 μm using a rotary cup milling device. Thereafter, secondary dispersion of MWCNTs of MWCNTs is induced along with secondary grinding of the same raw material for cement using a jar ball milling device. The pulverized cement raw material containing MWCNTs is mixed evenly with ethanol. This is to prevent the movement of water-soluble substances in the raw material of cement, and the raw material for cement containing MWCNTs evenly mixed with ethanol is made into dumplings with a diameter of about 20 mm to about 30 mm in an argon gas environment of a high-temperature furnace. Firing was performed up to 1450°C. Thereafter, multi-wall carbon nanotube agglutination cement clinker (FIG. 6) and gypsum for preventing flash set of cement are mixed with about 2.5% to about 4% compared to clinker, and primary rotary cup milling (rotary cup milling) ) and secondary jar ball milling were performed again to prepare cement having a target specific surface area. As shown in FIG. 7 , it was confirmed that the multi-wall carbon nanotube agglutination cement exhibited an even black color compared to ordinary portland cement (OPC). It can be considered that the dispersed multi-walled carbon nanotubes are evenly distributed in the cement.

구분division SiO2 SiO 2 Al2O3 Al 2 O 3 Fe2O3 Fe 2 O 3 CaOCaO MgOMgO Na2ONa 2 O K2OK 2 O SO3 SO 3 Ratio Ratio 석회암(%)limestone(%) 0.050.05 0.040.04 0.010.01 53.7953.79 0.300.30 0.570.57 0.080.08 0.430.43 78.5278.52 규석 (%)Quartzite (%) 92.8592.85 3.953.95 1.251.25 0.100.10 0.000.00 0.000.00 0.950.95 0.000.00 11.1211.12 동슬래그(%)Copper slag (%) 33.2033.20 5.005.00 60.6060.60 2.802.80 1.601.60 0.000.00 0.900.90 1.201.20 2.982.98 점토 (%)clay (%) 45.4045.40 38.1038.10 0.870.87 0.100.10 0.050.05 0.030.03 0.250.25 0.010.01 7.377.37 MWCNTs (%)MWCNTs (%) Cement 원재료 * 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5 %Cement raw material * 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5 %

상기 표 3은 다중벽탄소나노튜브 교착형 혼합시멘트 제조를 위한 원재료의 화학구성 및 혼합비율을 나타낸 것이다. 단, 석회암의 화학구성 성분 합이 100%가 되지 않는 것은 CO2 등의 기체성분은 제외하였기 때문이다. Table 3 shows the chemical composition and mixing ratio of raw materials for manufacturing the multi-wall carbon nanotube agglomerated mixed cement. However, the reason that the sum of the chemical components of limestone does not reach 100% is because gas components such as CO 2 are excluded.

실시예 3. CNTs 교착 콘크리트 배합설계 Example 3. CNTs agglomerated concrete mix design

상기 실시예 2에서 제조한 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트를 활용해 콘크리트 배합설계를 수행하였다. 하기 표 4는 사용한 콘크리트 배합을 나타낸 것이다. Concrete mixing design was performed using the multi-wall carbon nanotube agglutination mixed cement prepared in Example 2. Table 4 below shows the concrete formulation used.

w/b
(%)
w/b
(%)
S/a
(%)
S/a
(%)
Air
(%)
Air
(%)
W
(kg/m3)
W
(kg/m 3 )
단위중량(kg/m3)Unit weight (kg/m 3 ) SP
(BΥ%)
SP
(BΥ%)
w/b
(%)
w/b
(%)
S/a
(%)
S/a
(%)
Air
(%)
Air
(%)
W
(kg/m3)
W
(kg/m 3 )
CC SS GG SP
(BΥ%)
SP
(BΥ%)
5555 48.248.2 4.54.5 165165 300300 871871 947947 0.80.8

(상기 표 4에서 w/b : 물결합재비, S/a : 잔골재율, Air : 공기량, W : 단위수량 C : 단위시멘트량 S : 단위잔골재량 G : 단위굵은골재량, SP : 고성능감수제(superplasticizer)을 의미할 수 있다.)(In Table 4, w/b: water binder ratio, S/a: fine aggregate ratio, Air: air quantity, W: unit quantity C: unit cement quantity S: unit fine aggregate quantity G: unit coarse aggregate quantity, SP: superplasticizer ) can mean

시험예 1. 전처리한 다중벽탄소나노튜브 의 시차열 분석Test Example 1. Differential Thermal Analysis of Pretreated Multi-Walled Carbon Nanotubes

전처리된 다중벽탄소나노튜브를 대상으로 산소를 포함하는 일반 대기 상태와 비활성 기체인 아르곤(argon) 가스 상태의 두 개의 다른 환경을 적용하였으며, 시차열분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 통해 중량손실을 검토하였다. Two different environments were applied to the pretreated multi-wall carbon nanotubes: a normal atmospheric condition containing oxygen and an inert gas, argon gas. reviewed.

도 5에 TGA 실험 결과를 나타냈다. 공기 중에서 실시한 시차열 중량이 약 550℃에서 급격하게 감소하였고, 약 650℃에서는 대부분의 다중벽탄소나노튜브가 산화되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 비활성 기체인 아르곤 가스 환경에서 약 20%의 다중벽탄소나노튜브가 산화된 것을 확인되었다. 이는 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 소성시 탄소나노튜브가 20% 가량 유실 될 수 있음을 나타내는 결과이다. 5 shows the results of the TGA experiment. It can be seen that the weight of differential heat carried out in air was rapidly reduced at about 550 °C, and most of the multi-walled carbon nanotubes were oxidized at about 650 °C. On the other hand, it was confirmed that about 20% of the multi-wall carbon nanotubes were oxidized in an inert gas argon gas environment. This result indicates that about 20% of carbon nanotubes can be lost when carbon nanotube agglutination mixed cement is fired.

일반적으로 시멘트 제조과정은 시멘트 원재료의 상변화를 위하여 고온의 소성과정(약 1250℃약 1450℃을 거친다. 이 과정에서 탄소가 주요 원소인 다중벽탄소나노튜브는 아래 식과 같이 이산화탄소, 산소 그리고 수분과 산화(oxidation) 반응을 일으켜 중량감소를 가져올 수 있는 문제가 있다(식 1).In general, the cement manufacturing process goes through a high-temperature firing process (about 1250°C to about 1450°C) for the phase change of raw materials for cement. In this process, multi-walled carbon nanotubes, whose main element is carbon, are produced with carbon dioxide, oxygen, and moisture as shown in the following formula. There is a problem that may cause an oxidation reaction to cause weight loss (Equation 1).

(식 1)(Equation 1)

C + CO2(g) → 2CO(g) C + CO 2 (g) → 2CO (g)

2C + O2(g) → 2CO(g) 2C + O 2 (g) → 2CO (g)

C + H2O(g) → CO(g) + H2(g) C + H 2 O(g) → CO(g) + H 2 (g)

본 발명은 건식과정에서 탄소나노튜브가 시멘트 원재료와 함께 소성과정을 거치게 되므로 중량감소 문제를 해결하기 위해 소성시 아르곤 가스를 도입함이 가장 효과적임을 확인할 수 있었다.In the present invention, since carbon nanotubes undergo a firing process together with cement raw materials in the dry process, it was confirmed that introducing argon gas during firing in order to solve the problem of weight reduction is most effective.

시험예 2. 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 특성 평가Test Example 2. Evaluation of properties of carbon nanotube agglutination mixed cement

1.1 시멘트 비중 시험 1.1 Cement specific gravity test

도 8에 다중벽탄소나노튜브의 혼입률별 교착 시멘트와 일반 시멘트(OPC)의 비중시험 결과 값을 나타냈다. 실험 결과, 일반 시멘트의 경우 3회의 비중 평균 값이 약 3.17을 나타내었으며, 다중벽탄소나노튜브 교착형 시멘트의 경우 혼입률별 최대 약 3.15에서 약 3.17의 비중 값을 나타내었다. 이에 상기 실시예 2에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트가 적정 비중을 가진 것을 확인할 수 있었다. 8 shows the results of the specific gravity test of agglutination cement and general cement (OPC) for each mixing rate of multi-wall carbon nanotubes. As a result of the experiment, the average specific gravity value of three times of general cement was about 3.17, and in the case of multi-wall carbon nanotube agglomerated cement, the specific gravity value was from about 3.15 to about 3.17 at the maximum by mixing rate. Accordingly, it was confirmed that the multi-wall carbon nanotube agglutination mixed cement prepared in Example 2 had an appropriate specific gravity.

1.2 시멘트 분말도 시험 1.2 Cement fineness test

상기 실시예 2에서 제조된 혼합시멘트의 분말도 측정을 위해 공기 투과 장치에 의한 시험 방법을 실시하였다. 이 방법에 사용되는 블레인 공기 투과 장치는 일정한 기공률을 갖도록 만든 시멘트 베드를 통하여 일정량의 공기를 흡입하게 하여 베드를 통하여 흐르는 공기의 속도에 따라 분말도를 결정한다. 분말도 시험은 시멘트 클링커의 1차, 2차 밀링(milling) 시간을 결정하기 위해 수시로 진행되었으며, KS 규정 값인 약 2800 cm2/g을 상회할 수 있도록 최적 밀링 시간을 결정하였다. 도 9에 나타난 바와 같이 3번의 실험 결과 모두 KS 규정 값을 상회함을 확인할 수 있었다.In order to measure the fineness of the mixed cement prepared in Example 2, a test method using an air permeation device was performed. The air permeable device used in this method sucks a certain amount of air through a cement bed having a constant porosity, and determines the fineness of the air according to the speed of the air flowing through the bed. The fineness test was conducted frequently to determine the first and second milling times of cement clinker, and the optimal milling time was determined to exceed the KS standard value of about 2800 cm 2 /g. As shown in FIG. 9 , it was confirmed that all three test results exceeded the KS regulation value.

1.3 시멘트의 오토클레이브 팽창도에 의한 안정도 시험1.3 Stability test by autoclave expansion of cement

상기 실시예 2에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 재료가 포함하고 있는 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO) 또는 이 두 가지 성분으로 인한 잠재적 팽창의 지표를 알아보기 위한 오토클레이브 팽창도 시험을 실시하였다. 실험 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에 기재된 시멘트 안정도(%)는 오토클레이브에서 시멘트 시료를 팽창시키기 전후 부피 차이를 나타낸 것이다. 도 7에 나타난 바와 같이 모든 시험체에서 KS에서 규정하고 있는 약 0.8% 이하의 값을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다.Calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO) contained in the multi-walled carbon nanotube agglutination mixed cement material prepared in Example 2, or autoclave expansion degree to determine the index of potential expansion due to these two components The test was carried out. The experimental results are shown in FIG. 10 . The cement stability (%) described in FIG. 10 shows the difference in volume before and after expanding the cement sample in the autoclave. As shown in FIG. 7 , it was confirmed that all specimens exhibited a value of about 0.8% or less as stipulated in KS.

1.4 모르타르의 응결시간 시험 1.4 Mortar setting time test

일반적으로 시멘트의 응결시간을 측정하기 위하여 길모어 침에 의한 시멘트 응결시간을 측정방법을 채택하고 있으나, 여기서는 일반적으로 응결이란 특성이 다소 정성적인 양상을 나타내었다. 본 발명은 단순 다중벽탄소나노튜브를 포함하는 시멘트와 OPC간의 응결특성 비교를 목적으로 하며, 경과시간에 따른 응결 특성을 보다 정량적으로 확인하기 위하여 KS F 2436에 의거한 MWCNTs 교착형 시멘트와 표준사를 사용한 모르타르의 관입저항에 따른 응결시간을 측정하였고, 그 실험 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타난 바와 같이 다중벽탄소나노튜브를 포함한 모든 시험체에서 OPC와 아주 유사한 응결특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.In general, in order to measure the setting time of cement, the method of measuring the cement setting time by a Gilmore needle is adopted. The present invention aims to compare the setting characteristics between cement containing simple multi-walled carbon nanotubes and OPC, and in order to more quantitatively confirm the setting characteristics according to elapsed time, MWCNTs agglutination cement and standard sand according to KS F 2436 The setting time according to the penetration resistance of the mortar was measured, and the experimental results are shown in FIG. As shown in FIG. 11 , it was confirmed that all specimens including multi-walled carbon nanotubes exhibited very similar coagulation properties to OPC.

1.5 모르타르의 압축강도 시험1.5 Compressive strength test of mortar

상기 실시예 2에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 압축강도 측정을 위하여 수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법에서 규정하고 있는 KS 표준에 의거 시험을 실시하였다. 시험용 시험체 제작을 위해 약 50 mm Х 약 50 mm Х약 50 mm 입방 몰드를 사용하였다. 시험체는 습기실에서 약 24시간 보관 후 탈형을 하여 항상 약 23±2℃환경에서 수중양생을 진행하였다. 재령별 각 배합의 압축강도를 도 12에 압축강도 증진율을 도 13에 나타내었다. OPC와 비교하여 다중벽탄소나노튜브를 포함하는 모든 시험체에서 이를 상회하는 강도 값을 나타냈으며, 특히 다중벽탄소나노튜브가 시멘트 대비 약 1 wt% 비율로 혼합된 시료에서 가장 높은 강도율(143%)을 나타내었다. 탄소나노튜브의 혼입율이 증가될수록 높은 압축강도를 나타냈던 종래 기술과 달리 약 1 wt%에서도 충분한 분산성으로 최대의 압축강도 발현율을 나타냄을 알 수 있었다.In order to measure the compressive strength of the multi-walled carbon nanotube agglomerate mixed cement prepared in Example 2, a test was performed according to the KS standard prescribed in the compressive strength test method of hydraulic cement mortar. An about 50 mm Х about 50 mm Х about 50 mm cubic mold was used to prepare the test specimen. After the specimen was stored in a humid room for about 24 hours, it was demolded and cured in water at about 23±2℃. The compressive strength of each compound by age is shown in FIG. 12, and the compressive strength enhancement rate is shown in FIG. 13. Compared with OPC, all specimens including multi-walled carbon nanotubes showed a strength value that exceeded this, and in particular, the highest strength ratio (143% ) was shown. Unlike the prior art, which showed high compressive strength as the mixing rate of carbon nanotubes increased, it was found that the maximum compressive strength expression rate was exhibited with sufficient dispersibility even at about 1 wt%.

1.6 모르타르의 휨강도 시험 1.6 Flexural strength test of mortar

상기 실시예 2에서 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트 모르타르 휨강도 시험용 시험체는 시멘트 안정성 시험에서 사용한 약 25.4 mm Х 약 25.4 mm의 단면과 유효 표점 거리 약 254 mm를 갖는 틀을 이용하여 성형하였다. 측정 장비는 최대 1000 kN 하중을 가할 수 있는 일렉트로-하이드롤릭 서보 유니버셜 테스트(electro-hydraulic servo universal test) 장치를 이용하여 초당 약 890 N 내지 약 1800 N의 힘으로 시험체가 파괴 될 때까지 가압하였다. 도 14에 재령 28일 각 배합별 휨강도 및 도 15에 휨강도 증진율을 나타내었다. 그림에서와 같이 OPC와 비교하여 다중벽탄소나노튜브를 포함하는 모든 시험체에서 OPC를 상회하는 휨강도를 나타내었으며, 특히 시멘트 원재료 중량 대비 약 1 wt%의 다중벽탄소나노튜브를 첨가한 시험체에서 가장 높은 증진율인 158%를 나타내었다.The multi-wall carbon nanotube agglutination mixed cement mortar flexural strength test specimen prepared in Example 2 was molded using a mold having a cross section of about 25.4 mm Х about 25.4 mm and an effective gage distance of about 254 mm used in the cement stability test. The measuring equipment was pressurized with a force of about 890 N to about 1800 N per second using an electro-hydraulic servo universal test device capable of applying a maximum load of 1000 kN until the specimen was destroyed. Fig. 14 shows the flexural strength for each formulation at 28 days of age, and Fig. 15 shows the flexural strength enhancement rate. As shown in the figure, compared with OPC, all specimens including multi-walled carbon nanotubes showed flexural strength that exceeded OPC. It showed an improvement rate of 158%.

비교예 1. 탄소나노튜브의 물리적 혼합에 의한 혼합 시멘트 제조Comparative Example 1. Preparation of mixed cement by physical mixing of carbon nanotubes

상기 실시예 1의 탄소나노튜브의 전처리 없이 시멘트 원재료를 대기중 약 1450℃로 소성하여 시멘트 클링커를 제조하였다. 상기 클링커에 석고를 상기 실시예 2와 동일한 방식으로 혼합하고 난 후, 습식 상태의 석고가 투입된 클링커를 분쇄하였다. 분쇄된 상기 클링커에 준비된 탄소나노튜브를 시멘트 원재료 중량 대비 약 1 wt%, 약 1.5 wt%, 약 2 wt%, 약 5 wt%, 약 10 wt%, 약 20 wt%를 투입하고 혼합하였다. 그 결과, 상기 실시예 1 및 실시예 2와 달리 최종 생성된 시멘트 강도가 향상되는 정도가 시멘트 원재료 중량 대비 10 wt% 이상이 되어야만 모르타르 압축강도 가 150% 이상이 됨을 나타내었다. 이는 상기 시험예 1.5의 결과와 대비할 때, 탄소나노튜브와 시멘트 원재료의 화학적 교착이 아닌 습식 공정에서의 물리적 혼합인 경우 탄소나노튜브의 뭉침 현상에 영향을 받아 첨가량 대비 강도 증진 효율이 현저히 떨어짐을 유추할 수 있었다. Cement clinker was prepared by calcining the raw material of cement at about 1450° C. in the air without pretreatment of the carbon nanotubes of Example 1. After gypsum was mixed with the clinker in the same manner as in Example 2, the clinker in which the wet gypsum was added was pulverized. About 1 wt%, about 1.5 wt%, about 2 wt%, about 5 wt%, about 10 wt%, and about 20 wt% of the carbon nanotubes prepared in the pulverized clinker were added and mixed with respect to the weight of the cement raw material. As a result, unlike Examples 1 and 2, it was shown that the compressive strength of the mortar would be 150% or more only when the degree of improvement in the strength of the final cement was 10 wt% or more based on the weight of the cement raw material. In comparison with the results of Test Example 1.5, it is inferred that, in the case of physical mixing in a wet process rather than chemical agglomeration of carbon nanotubes and cement raw materials, the aggregation phenomenon of carbon nanotubes is affected and the strength enhancement efficiency compared to the addition amount is significantly reduced. Could.

따라서 상기 시험예 1.1 내지 1.6 및 비교예 1을 종합하면, 탄소나노튜브의 비교적 낮은 혼입율에도 불구하고 월등한 수준의 결과 값을 나타냄으로서 시멘트 복합체 내 탄소나노튜브의 분산이 고루 이루어짐을 알 수 있었다. 더욱이 실제로 이러한 분산이 시각적으로 확인되는지 여부에 대해 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용해 시멘트 페이스트를 분석한 결과를 도 16에 나타내었다. 그 결과, 도 16a는 전처리 하지 않은 탄소나노튜브 혼합시멘트의 경우 뭉침현상이 확인되었으나, 도 16b 및 도 16c의 전처리한 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트는 뭉침현상 없이 고르게 분산되었음을 확인할 수 있었다. Therefore, combining Test Examples 1.1 to 1.6 and Comparative Example 1, it can be seen that carbon nanotubes are evenly dispersed in the cement composite by showing superior results despite a relatively low incorporation rate of carbon nanotubes. Moreover, the results of analyzing the cement paste using a scanning electron microscope (SEM) to determine whether such dispersion is actually visually confirmed is shown in FIG. 16 . As a result, it was confirmed that the agglomeration phenomenon was confirmed in the case of the carbon nanotube mixed cement that was not pretreated in FIG. 16A, but it was confirmed that the pretreated carbon nanotube agglutination mixed cement of FIGS. 16B and 16C was evenly dispersed without agglomeration.

시험예 2. 배합설계된 탄소나노튜브 교착 콘크리트 성능평가Test Example 2. Performance evaluation of mixed-designed carbon nanotube agglomerated concrete

2.1 굳지않은 콘크리트 성능평가 2.1 Performance evaluation of unhardened concrete

상기 실시예 3에서 제조한 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트를 적용한 콘크리트의 굳지 않은 상태의 물성평가 결과를 표 5에 나타냈다.Table 5 shows the results of the evaluation of the physical properties of the concrete to which the multi-wall carbon nanotube agglutination mixed cement prepared in Example 3 was applied.

배합항목Combination items 슬럼프 (mm)Slump (mm) 공기 (%)air (%) 응결시간 (hour)setting time (hour) 습식밀도
(kg/m3)
wet density
(kg/m 3 )
초결(Initial)Initial 종결(Final)Final OPC(a)OPC(a) 120120 5.45.4 8.08.0 10.510.5 2,2462,246 OPC(b)OPC(b) 115115 5.05.0 8.58.5 10.510.5 2,2372,237 MWC 0.25 wt%MWC 0.25 wt% 125125 5.55.5 7.57.5 10.010.0 2,2512,251 MWC 0.50 wt%MWC 0.50 wt% 120120 5.25.2 7.57.5 9.09.0 2,2452,245 MWC 0.75 wt%MWC 0.75 wt% 120120 5.45.4 7.07.0 8.58.5 2,2522,252 MWC 1.00 wt%MWC 1.00 wt% 120120 5.65.6 7.57.5 8.58.5 2,2512,251

(상기 표 5에서 MWC: MWCNTs, 슬럼프 : (slump) 콘크리트 슬럼프 측정치, 공기 : (air) 콘크리트 공기량 측정치, 응결 시간 : (setting time), 습식 밀도 : (Wet density) 콘크리트 단위용적중량을 의미한다.)시중에서 제조되는 물성 차이가 나타날 우려가 있어, 시판되는 일반 시멘트(OPC(a))와 실험실에서 생산한 CNTs 무혼입 일반 시멘트(OPC(b))를 각각 실험의 기준 배합으로 선정하였다. (In Table 5 above, MWC: MWCNTs, slump: (slump) concrete slump measurement value, air: (air) concrete air amount measurement value, setting time: (setting time), wet density: (Wet density) means the unit volumetric weight of concrete. ) Because there is a risk of differences in physical properties manufactured on the market, commercially available general cement (OPC(a)) and laboratory-produced general cement without CNTs (OPC(b)) were selected as standard formulations for each experiment.

그 결과 슬럼프와 공기량, 응결시간 등의 굳지않은 콘크리트 특성은 거의 변화가 나타나지 않았다. 응결시간에서 탄소나노튜브 혼입율이 높아질수록 응결속도가 일부 빨라지는 경향을 보였으나, 유동성 결과는 모두 오차범위 이내에 있었다. 이는 콘크리트 믹싱시 탄소나노튜브를 별로도 혼입하는 기존 방식과의 차이에 의한 것일 수 있다. 이미 물리적 및 화학적으로 시멘트와 교착화된 탄소나노튜브는 물이나 골재와의 강제식 믹싱에 의해 분리되지 않고 시멘트 입자와 일체화되어 있어 경화 이전 물성에는 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다. 특히 CNTs 혼입 콘크리트의 문제점으로 지적되는 믹싱 후 탄소나노튜브 입자가 블리딩수와 함께 표면을 떠오르거나 몰드 아래에서 침전되는 현상은 나타나지 않았으며, 배합 후 블리딩수가 검게 나타나는 현상도 찾아볼 수 없었다. As a result, there was almost no change in the properties of non-hardened concrete such as slump, air volume, and setting time. In the setting time, the higher the carbon nanotube mixing rate, the higher the setting rate was, but the fluidity results were all within the error range. This may be due to the difference from the existing method of mixing carbon nanotubes separately when mixing concrete. It can be seen that the carbon nanotubes, which have already been physically and chemically agglomerated with cement, are not separated by forced mixing with water or aggregate, but are integrated with the cement particles, and thus do not affect the physical properties before hardening. In particular, after mixing, which is pointed out as a problem with concrete mixed with CNTs, there was no phenomenon that the carbon nanotube particles floated on the surface together with the bleed water or precipitated under the mold, and there was no phenomenon that the bleed water appeared black after mixing.

2.2 경화 콘크리트 강도 특성2.2 Hardened concrete strength properties

다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 분산도를 직·간접적으로 평가하기 위해 압축강도, 쪼갬인장강도 그리고 휨강도 등의 역학특성을 평가하였다. 실험 방법은 각각의 KS 규준을 따랐으며, 측정 재령까지 수중양생을 실시하였다.In order to directly or indirectly evaluate the dispersibility of multi-wall carbon nanotube agglomerated cement, mechanical properties such as compressive strength, splitting tensile strength, and flexural strength were evaluated. The experimental method followed each KS standard, and underwater curing was performed until the age of measurement.

상기 실시예 3에서 제조된 다중벽탄소나노튜브를 교착한 혼합시멘트를 적용한 콘크리트의 강도특성 평가 결과를 도 17 내지 도 19 및 표 6에 나타내었고, 이를 통해 비약적으로 월등한 강도특성을 가짐을 알 수 있었다.17 to 19 and Table 6 show the strength characteristics evaluation results of the concrete to which the mixed cement obtained by interlocking the multi-wall carbon nanotubes prepared in Example 3 is applied, and through this, it can be seen that the multi-wall carbon nanotubes have dramatically superior strength characteristics. could

강도증진율
(%)
strength increase rate
(%)
OPC (a)OPC (a) OPC (b)OPC (b) MWC 0.25 wt%MWC 0.25 wt% MWC 0.50 wt%MWC 0.50 wt% MWC 0.75 wt%MWC 0.75 wt% MWC 1.00 wt%MWC 1.00 wt% MWC 1.50 wt%MWC 1.50 wt%
압축강도compressive strength 100100 95.095.0 118.7118.7 128.4128.4 126.4126.4 128.8128.8 124.1124.1 쪼갬인장강도Splitting Tensile Strength 100100 94.194.1 123.5123.5 144.9144.9 158.1158.1 155.4155.4 156.6156.6 휨강도flexural strength 100100 98.898.8 120.2120.2 145.7145.7 160.7160.7 154.8154.8 153.6153.6

(상기 표 6의 상기 OPC (a)는 기존의 시판되고 있는 탄소나노튜브 무혼입 포클랜드 시멘트를 의미하며, 상기 OPC (b)는 실험실 수준에서 제조된 탄소나노튜브 무혼입 포클랜드 시멘트를 의미한다.)상기 표 6에 나타나듯이 탄소나노튜브의 혼입율에 의한 강도 증가는 모든 강도특성에 확연히 나타나고 있다. 혼입율 약 0.25%의 배합에서 OPC(a) 대비 강도증진율 약 120% 내외를 보이고 있으며, 그 외 혼입율 약 0.5 wt% 이상에서는 압축강도 증진율이 약 125% 이상, 휨 및 인장강도 증진율이 약 145% 이상의 값을 거의 모든 재령에서 나타내고 있다. 특히 혼입율 약 0.5% wt% 이상에서는 모든 재령에서 거의 유사한 결과를 보이고 있다. 이는 혼입율 약 0.5 wt% 내지 약 1.50 wt%에서 이미 분산이 충분히 완료되어 탄소나노튜브의 브릿징(bridging) 효과로 증진될 수 있는 한계점에 도달한 것으로 유추할 수 있다. 이를 통해 제조된 다중벽탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 적정 최대 혼입율은 시멘트 원재료 중량 대비 약 0.5 wt% 내지 약 1.50 wt% 이내인 것임을 확인할 수 있었으며, 시멘트 소성온도 약 1450℃에서 탄소나노튜브의 산화율이 약 20% 였던 것을 감안하면 시멘트 중량 대비 약 0.4 wt% 내지 약 1.20 wt%의 탄소나노튜브로도 충분한 강도증진을 가져올 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 시험예 2를 종합하여도 시험예 1과 동일하게 습식 공정을 통한 탄소나노튜브의 물리적 혼합시에 필요한 탄소나노튜브 중량 보다 훨씬 적은 양 구체적으로 시멘트 원재료 중량 대비 약 0.5 wt% 내지 약 1.50 wt% 이내로도 월등한 강도증진을 가져올 수 있음을 확인할 수 있었다.(The OPC (a) in Table 6 refers to the existing commercially available carbon nanotube-free Falkland cement, and the OPC (b) refers to the carbon nanotube-free Falkland cement manufactured at the laboratory level.) As shown in Table 6, the increase in strength due to the incorporation rate of carbon nanotubes is clearly shown in all strength characteristics. At a mixing ratio of about 0.25%, the strength improvement rate is about 120% compared to OPC(a), and in other mixing ratios of about 0.5 wt% or more, the compressive strength improvement ratio is about 125% or more, and the bending and tensile strength improvement ratio is about A value of 145% or more is shown at almost all ages. In particular, when the mixing ratio is about 0.5% wt% or more, almost similar results are shown at all ages. It can be inferred that the dispersion has already been sufficiently completed at the mixing ratio of about 0.5 wt% to about 1.50 wt%, reaching a limit that can be enhanced by the bridging effect of carbon nanotubes. It was confirmed that the optimal mixing ratio of the multi-walled carbon nanotube agglomerate mixed cement produced through this was within about 0.5 wt% to about 1.50 wt% of the weight of the raw material of cement, and the oxidation rate of carbon nanotubes at the cement firing temperature of about 1450 ° C. Considering that it was about 20%, it was found that sufficient strength improvement could be achieved even with about 0.4 wt% to about 1.20 wt% of carbon nanotubes relative to the weight of cement. Therefore, even in the synthesis of Test Example 2, an amount much less than the weight of carbon nanotubes required for physical mixing of carbon nanotubes through the wet process as in Test Example 1, specifically, about 0.5 wt% to about 1.50 wt. It was confirmed that even within %, it can bring about superior strength improvement.

Claims (9)

탄소나노튜브를 산성용액에 투입하여 전처리한 탄소나노튜브를 제조하는 제1단계;
시멘트 원재료 및 상기 전처리한 탄소나노튜브를 용매에 혼합하여 시멘트 재료를 제조하는 제2단계;
상기 제2단계의 혼합된 상기 시멘트 재료를 소성하여 클링커(clinker)를 생성하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 생성된 상기 클링커에 석고를 혼합하는 제4단계를 포함하는, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법으로서,
상기 제3단계를 수행함에 있어서 상기 시멘트 재료는 불활성 가스 조건에서 소성되어, 상기 전처리한 탄소나노튜브가 산화되는 것을 방지하는 것인, 제조방법.
A first step of preparing a pre-treated carbon nanotube by putting the carbon nanotube into an acidic solution;
a second step of preparing a cement material by mixing the raw material for cement and the pretreated carbon nanotubes in a solvent;
a third step of calcining the cement material mixed in the second step to produce clinker; and
A method for producing carbon nanotube agglutination cement, comprising a fourth step of mixing gypsum with the clinker produced in the third step,
In performing the third step, the cement material is fired under an inert gas condition to prevent oxidation of the pretreated carbon nanotubes.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 1시간 내지 24시간 동안 환류(reflux)시키는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법.
The method of claim 1,
The first step is a method for producing carbon nanotube agglutination cement comprising the step of refluxing for 1 hour to 24 hours.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2단계를 수행함에 있어서, 상기 전처리한 탄소나노튜브는 상기 시멘트 원재료 중량 대비 0.5 wt% 내지 1.5 wt% 비율로 혼합되는, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법.
The method of claim 1,
In performing the second step, the pretreated carbon nanotubes are mixed in a ratio of 0.5 wt% to 1.5 wt% based on the weight of the raw material for cement, a method for producing carbon nanotube agglutination mixed cement.
제1항에 있어서,
상기 제3단계의 소성 온도는 1250℃내지 1450℃인 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법.
The method of claim 1,
The sintering temperature of the third step is 1250 ° C to 1450 ° C.
제1항에 있어서,
상기 제4단계를 수행함에 있어서, 상기 석고는 상기 클링커 중량 대비 2.5 wt% 내지 4 wt% 비율로 혼합하는, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트의 제조방법.
The method of claim 1,
In performing the fourth step, the gypsum is mixed in a ratio of 2.5 wt% to 4 wt% based on the weight of the clinker, a method for producing carbon nanotube agglutination cement.
산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브; 및
시멘트 원재료를 포함하고,
상기 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브와 상기 시멘트 원재료가 화학적 교착된 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트로서,
상기 탄소나노튜브는 시멘트 원재료 중량 대비 0.5 wt% 내지 1.5 wt% 비율로 혼합된 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트.
carbon nanotubes having an oxidized surface; and
containing cement raw materials;
As a carbon nanotube agglutination mixed cement, wherein the carbon nanotube having the oxidized surface and the cement raw material are chemically crossed,
Wherein the carbon nanotubes are mixed in a ratio of 0.5 wt% to 1.5 wt% based on the weight of the cement raw material, carbon nanotube agglutination cement.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 비표면적이 70 m2/g 내지 150 m2/g 인 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트.
8. The method of claim 7,
The carbon nanotubes have a specific surface area of 70 m 2 /g to 150 m 2 /g, the carbon nanotube agglutination cement.
제7항에 있어서,
상기 산화된 표면을 갖는 탄소나노튜브의 산소함량은 탄소함량 대비 10원자% 내지 20원자%인 것인, 탄소나노튜브 교착 혼합시멘트.
8. The method of claim 7,
The oxygen content of the carbon nanotube having the oxidized surface is 10 atomic% to 20 atomic% relative to the carbon content, the carbon nanotube agglutination cement.
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