KR102565672B1 - 수중 구조물 보수 보강에 사용되는 하이브리드 섬유 함침용 수중 경화형 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

수중 구조물 보수 보강에 사용되는 하이브리드 섬유 함침용 수중 경화형 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

수중 구조물 보수 보강에 사용되며, 탄소섬유와 아라미드 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유에 함침이 가능한 수중 경화형 에폭시 수지 조성물에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 수중 구조물 보수 보강용 에폭시 수지 조성물은 비스페놀 A형 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 노볼락계 에폭시 수지 10 ~ 30중량부, 반응성 희석제 1 ~ 30중량부, 아민계 경화제 10 ~ 100중량부, 실란 커플링제 0.1 ~ 2중량부, 다공성 실리카 0.5 ~ 1중량부 및 실란 표면층을 포함하는 탄산칼슘 1 ~ 20 중량부를 포함한다.

Description

수중 구조물 보수 보강에 사용되는 하이브리드 섬유 함침용 수중 경화형 에폭시 수지 조성물{WATER-CURABLE EPOXY RESIN COMPOSITION FOR HYBRID FIBER IMPREGNATION USED FOR REPAIR AND REINFORCEMENT OF UNDERWATER STRUCTURES}
본 발명은 수중 구조물 보수 보강에 사용되며, 탄소섬유와 아라미드 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유에 함침이 가능한 수중 경화형 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
에폭시 수지는 내수성, 접착성 및 내약품성이 우수하여 구조물의 접착제 및 코팅제로서 널리 사용되고 있다.
그러나, 상기 에폭시 수지가 수중 환경 및 저온 환경에 노출되는 경우, 내수성 등의 물성이 저하되어 구조물의 본래 상태를 유지하는데 한계가 있다.
이에 따라, 구조물의 보강 작업 시 건조 상태를 유지하기 위해 물막이 공사를 하는 등의 공사비 인력이 필요하며, 추가적인 중장비를 필요로 하게 된다.
따라서, 수중, 0℃ 이하의 저온 환경에서도 경화성 및 내수성이 우수한 수지 조성물의 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 수중 구조물 보수 보강에 사용되는 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 접착력이 우수한 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 탄소섬유와 아라미드 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유에 함침성이 우수한 수중 경화형 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 수중 환경 및 0℃ 이하의 저온 환경에서 내수성과 경화성이 우수한 수중 경화형 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 비스페놀 A형 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 노볼락계 에폭시 수지 10 ~ 30중량부, 반응성 희석제 1 ~ 30중량부, 아민계 경화제 10 ~ 100중량부, 실란 커플링제 0.1 ~ 2중량부, 다공성 실리카 0.5 ~ 1중량부 및 실란 표면층을 포함하는 탄산칼슘 1 ~ 20 중량부를 포함한다.
상기 반응성 희석제는 라우릴 글리시딜 에테르 및 부틸 글리시딜 에테르 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 비스페놀 A형 에폭시 수지의 당량은 150 ~ 250g/eq 일 수 있다.
상기 노볼락계 에폭시 수지의 당량은 150 ~ 200g/eq 일 수 있다.
상기 아민계 경화제의 당량은 90 ~ 250g/eq 일 수 있다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 수중 구조물 보수 보강에 사용될 수 있으며, 접착력이 우수하고 섬유에 대한 함침성이 우수한 효과가 있다.
특히 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 탄소섬유와 아라미드 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유에 함침성이 우수한 효과가 있다.
또한 수중 환경 및 0℃ 이하의 저온 환경에서 내수성과 경화성이 우수한 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 수중 구조물 보수 보강에 사용되는 하이브리드 섬유 함침용 수중 경화형 에폭시 수지 조성물을 설명하도록 한다.
본 발명은 수중 구조물 보수 보강에 사용되며, 하이브리드 섬유에 대한 함침성이 우수하고, 수중에서도 경화 특성이 우수한 에폭시 수지 조성물에 관한 발명이다. 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 섬유 중에서도 하이브리드 섬유에 대한 함침성이 우수한 것이 핵심이며, 기존에 콘크리트에 바르는 조성물과는 상이하다.
본 발명에서 탄소섬유와 아라미드 섬유를 혼합한 하이브리드 섬유는 탄소 섬유와 아라미드 섬유가 혼합된 하이브리드 섬유를 가리킨다.
하이브리드 섬유는 탄소섬유와 아라미드 섬유 각각을 포함하는 혼합 상태의 섬유를 가리키며, 탄소섬유와 아라미드 섬유 각각은 일방향 섬유 조직을 갖는다. 또한 하이브리드 섬유는 탄소섬유와 아라미드 섬유가 4 : 1 ~ 9 : 1의 중량비로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 비스페놀 A형 에폭시 수지 100중량부에 대하여, 노볼락계 에폭시 수지 10 ~ 30중량부, 반응성 희석제 1 ~ 30중량부, 아민계 경화제 10 ~ 100중량부, 실란 커플링제 0.1 ~ 2중량부, 다공성 실리카 0.5 ~ 1중량부 및 실란 표면층을 포함하는 탄산칼슘 1 ~ 20 중량부를 포함한다.
비스페놀 A형 에폭시 수지는 상온에서 액상으로 존재하고, 내수성, 접착성 등이 우수하다. 비스페놀 A형 에폭시 수지의 점도(cps, 25℃)는 10,000 ~ 11,500이며, 비중은 1 ~ 2 일 수 있다.
비스페놀 A형 에폭시 수지는 당량이 150 ~ 250g/eq일 수 있으며, 구체적으로는, 당량이 160 ~ 200g/eq일 수 있다.
당량이 150g/eq 미만인 경우, 경화 밀도가 높아짐에 따라 경화물의 부착력이 저하될 수 있으며, 내충격성 및 내크랙성이 저하될 수 있다.
당량이 250g/eq를 초과하는 경우, 에폭시 수지 조성물의 점도가 높아짐에 따라 경화물의 두께를 조절하기에 어려움이 있고, 작업성이 저하될 수 있다.
또한, 150 ~ 250g/eq인 범위를 벗어나는 경우, 아민 브러싱, 미경화, 물성 저하의 문제점이 발생할 수 있다.
노볼락계 에폭시 수지는 페놀 노볼락 에폭시 수지, o-크레졸 노볼락 에폭시 수지 및 디사이클로펜타디엔(DCPD) 노볼락 에폭시 수지 중 1종 이상을 포함한다.
상기 노볼락계 에폭시 수지의 당량은 150 ~ 200g/eq 일 수 있고, 구체적으로는 170 ~ 190g/eq 일 수 있다. 당량이 이 범위를 벗어나는 경우 목표로 하는 물성을 확보하기에 불충분할 수 있다.
노볼락계 에폭시 수지는 10 ~ 30중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 이 범위를 벗어나는 경우, 수지 조성물의 내수성 및 접착강도가 다소 저하될 수 있다.
이처럼 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 당량이 150 ~ 200g/eq 이고, 10 ~ 30 중량부의 노볼락계 에폭시 수지를 필수 요소로 포함함으로써, 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유에 함침성이 우수한 효과를 나타낸다.
반응성 희석제는 에폭시 수지의 우수한 물성을 유지하면서도 조성물의 점도를 낮추는 물질을 총칭하는 것으로, 라우릴 글리시딜 에테르 및 부틸 글리시딜 에테르 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
반응성 희석제는 1~30중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 10 ~ 30중량부로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 함량이 1중량부 미만인 경우, 조성물의 점도와 유리 전이 온도가 증가될 수 있다. 반대로, 함량이 30중량부를 초과하는 경우, 조성물의 점도와 유리 전이 온도가 감소될 수 있다.
아민계 경화제는 지환족 아민계 경화제, 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
지환족 아민계 경화제는 에폭시 수지와의 경화 반응이 빠르고 내수성이 우수하다.
지방족 아민계 경화제는 에폭시 수지와의 경화 반응이 빠르고 접착성이 우수하며, 그 예로 에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민 등이 있다. 아미도아민계 경화제는 화학적 내성과 강한 접착력을 가지며, 그 예로 폴리아미도아민, 폴리키탈 아미도아민 등이 있다. 페날카민계 경화제는 에폭시 수지와의 상용성이 우수하고, 5℃ 이하의 저온에서 경화되며, 경화 속도가 빠른 특징이 있다.
이러한 아민계 경화제의 당량은 90 ~ 250g/eq일 수 있으며, 이 범위를 만족함으로써 수중 환경 및 0℃ 이하의 저온에서 우수한 경화를 나타낼 수 있다.
반대로, 당량이 이들 범위를 벗어나는 경우, 물성저하 및 외관상의 문제점이 발생한다.
아민계 경화제는 10 ~ 100중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 함량이 10중량부 미만인 경우, 경화 속도가 지나치게 느려지는 문제점이 있다. 100중량부를 초과하는 경우 경화 속도가 너무 빨라지게 되어 바람직하지 않다. 이에 따라 작업성이 저하될 수 있다.
실란 커플링제는 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필메틸디메톡시실란 및 3-클로로프로필트리메톡시실란 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
실란 커플링제는 0.1 ~ 2중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 실란 커플링제의 함량이 0.1 ~ 2중량부를 만족함으로써, 수지 조성물의 표면 부착력을 유지 내지는 향상시킬 수 있고, 수지 조성물의 반응성과 작용기 사이의 결합력을 유지 내지는 향상시킬 수 있다.
상기 수중 보수 보강용 에폭시 수지 조성물은 다공성 실리카와 실란으로 표면처리 된 탄산칼슘을 포함한다.
상기 다공성 실리카는 0.5 ~ 1 중량부를 포함하는 입자일 수 있다.
다공성 실리카의 첨가량이 0.5 ~ 1중량부를 만족함으로써, 요변성을 부여하며 하이브리드 섬유와 콘크리트 계면간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
특히, 다공성 실리카는 나노 크기를 가지며, 입경이 40 ~ 130nm일 수 있다.
다공성 실리카의 입경이 40 ~ 130nm 를 만족함으로써 요변성을 향상시켜, 하이브리드 섬유와 콘크리트 구조물 계면 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
실란 표면 처리가 된 탄산칼슘의 경우 1 ~ 20의 중량부로 배합함으로써, 하이브리드 섬유와 콘크리드 구조물 계면 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는 실란 표면층을 갖는 탄산칼슘 1 ~ 10 중량부를 포함할 수 있다.
탄산칼슘에 처리된 실란의 경우 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필메틸디메톡시실란 및 3-클로로프로필트리메톡시실란 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 각 성분을 혼합한 후 20 ~ 60℃에서 교반함으로써 제조될 수 있다.
이와 같이 하이브리드 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 수중 보수 보강에 사용되는 하이브리드 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물의 제조
실시예 1
비스페놀 A형 에폭시 수지(200g/eq) 100중량부에 대하여, 노볼락 에폭시 수지(180g/eq) 20중량부, 라우릴 글리시딜 에테르 희석제 10중량부, 폴리아미도아민 경화제(200g/eq) 10중량부, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 1중량부, 다공성 실리카 0.5중량부, 실란 표면층을 포함하는 탄산칼슘 10중량부를 포함하는 하이브리드 섬유 함침용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 2
라우릴 글리시딜 에테르 희석제 30중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 3
다공성 실리카 1중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 4
실란 표면층을 갖는 탄산칼슘 20중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 5
라우릴 글리시딜 에테르 및 부틸 글리시딜 에테르를 1:1의 중량비로 혼합하여 20중량부로 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 1
노볼락 에폭시 수지 5중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 2
노볼락 에폭시 수지 40중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 3
다공성 실리카 0.1중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 4
다공성 실리카 2중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 5
실란 표면층을 갖는 탄산칼슘 30중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 6
라우릴 글리시딜 에테르 0.5중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 7
라우릴 글리시딜 에테르 40중량부를 포함하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 7에서 제조된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 다음과 같이, 물성 평가를 실시하였다.
1) 굴곡강도(MPa) : 콘크리트 면에 롤러를 사용하여 상기 에폭시 수지 조성물을 도포한 후, 0℃ 및 수중에서 24시간 동안 경화시켜, ISO 178에 따라 측정하였다.
2) 경화시간(hr) : KS M ISO 6721-10에 따라, 콘크리트 면에 롤러를 사용하여 상기 에폭시 수지 조성물을 도포한 후, 0℃ 및 수중 조건 하에 완전히 경화되는 시간을 측정하였다.
3) 접착강도(kgf/cm2): JIS K 5400 또는 KS F 2762 또는 KS F 4936 Testing methods for paint에 따라 도막재가 도포된 표면에 에폭시 수지 조성물를 부착한 후 접착면이 경화되면, 시험체의 지그 주변을 따라 도막재의 밑판에 닿을 때까지 홈을 내고, 하부 인장용 지그와 강철재 받침판을 사용하여 시험제면에 대하여 연직 방향으로 인장력을 측정하였다.
4) 경화도(%) 측정: 콘크리트 면에 롤러를 사용하여 상기 에폭시 수지 조성물을 도포한 후, 25℃ 및 수분 85%의 조건 하에 6시간 동안 방치하였다.
상기 방치하기 전 초기 무게 대비 방치 후의 무게 비율을 측정하여 경화도(%)를 도출하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재한 바와 같다.
5) 투습도 측정 : ASTME 96의 조건에 따라 투습도를 측정하였으며, 투습도가 1~10 g/m2·day인 경우 “◎: 우수”, 10~20 g/m2·day인 경우, “○: 양호”, 20 g/m2·day 이상인 경우 “×: 나쁨”으로 표시하였다.
6) 함침성 : 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 9 : 1의 중량비로 혼합한 하이브리드 섬유를 상기 에폭시 수지 조성물에 1분간 함침시킨 후 조성물이 섬유에 스며든 정도를 확인하였다. 광학현미경을 이용하여 섬유 단면에 함침 정도를 측정하였으며, 섬유 단면적의 90 ~ 100%가 함침되었으면 “우수”, 90% 미만으로 함침되었으면 “보통”으로 표시하였다.
[표 1]
[표 2]
표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 5는 비교예 1 내지 7에 비해, 모든 물성 항목에서 우수한 결과를 보여준다.
반면 비교예 1 내지 7은 조성의 함량이 하나라도 만족하지 않는 경우 모든 물성 항목에서 상대적으로 낮은 결과를 나타냈다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (5)

  1. 비스페놀 A형 에폭시 수지 100중량부에 대하여,
    노볼락계 에폭시 수지 10 ~ 30중량부,
    반응성 희석제 10 ~ 30중량부,
    아민계 경화제 10 ~ 100중량부,
    실란 커플링제 0.1 ~ 2중량부,
    다공성 실리카 0.5 ~ 1중량부 및
    실란 표면층을 포함하는 탄산칼슘 1 ~ 20 중량부를 포함하고,
    상기 반응성 희석제는 라우릴 글리시딜 에테르 및 부틸 글리시딜 에테르 중 1종 이상을 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비스페놀 A형 에폭시 수지의 당량은 150 ~ 250g/eq 인 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노볼락계 에폭시 수지의 당량은 150 ~ 200g/eq 인 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아민계 경화제의 당량은 90 ~ 250g/eq 인 에폭시 수지 조성물.

  5. 삭제
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