KR102570740B1 - 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 및 이를 이용한 투수체 시공방법 - Google Patents

친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 및 이를 이용한 투수체 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물 및 조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제를 이용한 투수체 시공방법에 관한 것이다.
본 발명의 1액형 요소결합 접착제는 2액형의 혼합불량에 따른 물성저하 방지 및 2액형 상당의 물성 유지가 가능하고 캐슈넷 및 바이오를 이용 자원 재활용의 효과가 있으며 요소결합 반응으로 수분에 민감하지 않는 결합 특성이 있다. 또한 이를 활용하면 중차량 도로 포장에서 지속적으로 발생하는 소성변형, 포트홀, 물튀김, 소음 등의 문제를 해결할 수 있다.

Description

친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 및 이를 이용한 투수체 시공방법{Adhesive with eco-friendly bio-based one-component element bonding and water permeable construction method using the same}
본 발명은 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물 및 조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제를 이용한 투수체 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로 도로는 사람이나 차 등이 다닐 수 있도록 땅 위에 만들어 놓은 길로서, 아스팔트 도로, 콘크리트 도로, 블록을 이용한 보도블록 도로 등이 있다.
여기서 도로포장은 주로 차량의 통행을 위해 도로에 일정한 두께와 경사도로 이루어진 포장층을 포설하여 교통 및 차량하중을 지탱하고, 고속주행을 위하여 설치된다. 그 예로는 자동차 전용도로, 버스전용차로, 일반차로, 이면도로, 스쿨존 등이 있다.
이러한 아스팔트 포장은 아래부터 3단계 기층 중간층 표층으로 이루어져 있는데 기층은 14cm, 중간층은 6cm, 표층은 5cm로 시공된다.
한편 도로포장은 다양한 종류의 재질로 제조되는데, 일반적으로 아스팔트가 주로 사용되고 있다. 그러나 아스팔트 도로 포장의 경우 이상 고온으로 소성변형이 증가하고 있고, 집중호우로 인하여 포트홀이 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 다양한 포장 손상이 급속하게 진행되고 있으며, 이러한 손상은 안전 운전을 저해할 뿐만 아니라, 이를 피하기 위한 교통사고도 유발시키고 있고 타이어 파손 등의 경제적 손실도 유발하고 있다.
여기서 보도블록은 주로 행인들이 이용하는 도로에 일정 크기와 형상으로 이루어진 블록체를 배열하여 먼지 등이 발생하는 것을 방지하고, 도로 미화를 위하여 설치된다. 그 예로는 보행로, 공원, 정원 및 골프장의 산책로, 계단 또는 화단의 경계면에 사용하기 위한 블록 등이 있다.
이러한 보도블록은 일반적으로 지면에 부직포 등의 모래유실방지 시트가 설치되고, 모래유실방지 시트 위에 모래가 포설된 후, 상기 모래 위에 다수의 블록이 배열됨으로써 시공된다.
한편 보도블록은 다양한 종류의 재질로 제조되는데, 일반적으로는 콘크리트를 성형하여 제조한 콘크리트 블록이 많이 사용되고 있다. 그러나 콘크리트로 제조된 보도블록의 경우, 시멘트의 특성상 우천시 빗물의 배수가 원활하지 않다는 문제점이 있다.
또한, 도시가 발전하면서 이동의 편의성을 확보하기 위해 포장이 확대되면서, 불투수성 포장 등 많아졌으며 여름철 집중 호우에 의한 도시홍수 사례 및 겨울철 폭설과 한파에 의한 결빙 문제로 차량 및 보행자 안전문제도 대두되고 있다.
한국등록특허 10-2308127에는 메틸메타크릴레이트(MMA)수지 30~40중량부, 실란커플링제 5~10중량부, 벤조일퍼 옥사이드(BPO) 경화제 1~2중량부를 포함하는 아크릴바인더 5~12중량부와 입자크기 1~5mm의 급냉제강환원슬래그를 포함하는 무기골재 60~70중량부를 포함하여 조성되는 A제와; 시멘트 10~20 중량부, 잔골재 15~30 중량부, 벤토나이트 골재, 다공질장석 골재 및 카올리나이트 골재를 동일 중량비로 포함하는 다공성 골재 15~30 중량부 및 적정량의 물을 포함하여 조성되는 B제; 를 포함하여 조성되어 상기 무기골재 표면에 상기 아크릴 바인더가 코팅 경화되면서 상기 무기골재 사이의 공극을 형성하고, 상기 다공성 골재에 형성된 공극에 의하여 투수성을 향상시키도록 한 친환경 아크릴계 폴리머 콘크리트 투수포장재 조성물 및 이를 이용한 폴리머 콘크리트 투수블록 및 이를 이용한 투수포장 시공공법에 대하여 공지되어 있다.
그러나, 시공시 아크릴산에 의한 눈따가움 및 독한 냄새 등으로 민원이 발생할 문제점이 있다.
한국등록특허 10-1901619에는 1액형 바이오바인더를 이용한 투수포장재 시공방법 및 이에 의해 만들어진 투수포장에 관하여 개시하고 있다. 배수층은 시멘트 쇄석골재로 구성 중량물에 쉽게 파손될 수 있으며 1액형 수분산형 폴리우레탄계 프라이머를 도포 및 침투한 후 바이오 폴리올(bio polyol)과 경질 폴리에스테르 폴리올(Polyether Polyols)이 혼합된 주제와, 이소시아네이트 화합물로 구성되는 경화제를 혼합한 1액형 바이오 바인더로 시공하는 것을 개시하고 있다.
그러나 주제, 경화제로 구성된 2액형으로 가사시간과 경화제인 이소시아네이트가 수분과 반응하기 때문에 수분산형 폴리우레탄계 프라이머가 완전 경화 후 시공되어야 하기 때문에 시간제약 및 공기가 길어지는 문제점이 있다.
공개특허 10-2015-0123137 등록특허 10-2308127 등록특허 10-1901619
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물 및 접착제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 접착제를 투수성 보장재료에 시공하여 간접인장강도, 투수계수, 마찰계수 등의 기계적 물성이 우수한 투수체 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물, 캡핑가교제, 촉매, 흡습제 및 소포제를 포함하는 1액형 요소결합을 가진 조성물로서,
상기 조성물은 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물 80 내지 90 중량%, 캡핑가교제 10 내지 15 중량%, 흡습제 0.5 내지 2.0 중량% 및 소포제 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물을 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 접착제 조성물을 포함하는 1액형 요소결합 접착제를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 매설된 유공관 위에 동상방지층을 시공하는 제 1 단계;
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 조성물을 포함하는 1액형 요소결합 접착제를 바탕 처리 후 10mm 내지 13mm 골재, 및 채움재에 코팅하여 기층을 포설하는 제 2 단계;
상기 기층 일면에 2.5 mm 내지 5.0 mm 골재 채움재를 적층한 후 상기 접착제를 포설하여 표층을 포설하는 제 3 단계; 및
상기 표층포설 후 다짐 작업 및 대기중의 수분과 결합하는 경화과정을 거치는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 1액형 요소결합 접착제를 이용한 투수체 시공방법을 제공한다.
본 발명의 1액형 요소결합 접착제는 2액형의 혼합불량에 따른 물성저하 방지 및 2액형 상당의 물성 유지가 가능하고 캐슈넷 및 바이오를 이용 자원 재활용의 효과가 있으며 요소결합 반응으로 수분에 민감하지 않은 결합 특성이 있다, 또한 이를 활용하면 중차량 도로 포장에서 지속적으로 발생하는 소성변형, 포트홀, 물튀김, 소음 등의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1액형 요소결합 접착제를 이용한 투수체 시공방법에 관한 도식이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투수체 시공방법을 이용한 베이직 공법에 관한 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투수체 시공방법을 이용한 칼라코팅공법에 관한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1액형 요소결합 접착제가 포설된 투수체의 절단면 이미지이다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술 분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
일반적으로 천연 유래 오일은 중성지방(Triglyceride) 구조를 이루고 있으며 천연 유래의 식물성 오일은 에스테르 결합을 하고 있어 자연적으로 가수분해 되는 성질을 지니고 있다.
이러한 이중결합을 가지는 천연 유래의 오일 단독으로는 접착제로 이용이 불가하고, 또 이중결합을 가지고 있는 오일을 이용하여 접착제로 사용하기 위해서는 자외선 경화와 같은 특별한 반응성 장비가 필요하다. 자외선 경화 방법을 이용한 접착제로의 응용은 우리가 목표로 한 산업으로의 현장 적용이 불가하므로, 일반적으로 이러한 이중결합을 가지는 오일의 작용기를 변화시킴으로서 응용이 가능하며 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다.
본 발명의 일측면에 따르면, 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물, 캡핑가교제, 촉매, 흡습제 및 소포제를 포함하는 1액형 요소결합을 가진 조성물로서, 상기 조성물은 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물 80 내지 90 중량%, 캡핑가교제 10 내지 15 중량%, 흡습제 0.5 내지 2.0 중량% 및 소포제 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물을 제공한다.
이소시아네이트 프레폴리머는 캐슈넛쉘 액체 기반 폴리올 또는 폴리올 블렌드와 과량의 디이소시아네이트(MDI) 사이의 반응에 의해 합성된다. 합성은 기계적 교반기, 가열 맨틀 및 온도계가 장착된 둥근 바닥, 4구 리터 플라스크에서 수행될 수 있다.　예비중합 공정에서, 캐슈넛 기반 폴리에스테르 디올을 반응기에 첨가하고 1mmHg 미만의 진공 하에 1시간 동안 100℃ 이상으로 가열하여 잔류 수분을 제거한다. 폴리머화된 MDI(Methylene diphenyl diisocyanate)를 반응기에 첨가하고 원하는 NCO wt%가 얻어질 때까지 80 내지 90℃에서 2∼3시간 동안 교반한다.
이 때, 얻고자 하는 NCO%는 10 내지 20 %이고, 더욱 바람직하게는 12 내지 18 %, 가장 바람직하게는 13 내지 17% 이다.
상기 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머는 캐슈넛 기반 디올; 및 모노머릭 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI), 포리머릭 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 및 변성 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 중에서 선택되는 하나 이상의 이소시아네이트;를 포함하는 것이 바람직하다.
캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머는 디올 및 이소시아네이트가 1 : 1 ~ 2의 중량비로 반응하는 것이 바람직하다.
상기 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물은 알리파틱 이소시아네이트 및 저점도 알리파틱 이소시아네이트 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 조성물 중 이소시아네이트는, IPDI(Isophorone diisocyanate), HDI(Hexamethylene diisocyanate), MDI(Methylene diphenyl diisocyanate) 등은 페인트나 접착제로 많이 사용되고 있으나 IPDI(Isophorone diisocyanate)는 가격이 고가일 뿐만 아니라 증기압이 낮아 반드시 트라이머나 폴리머 형태의 물질을 사용하여야 하며 이러한 고가의 이소시아네이트 경화제는 반응성이 낮아 촉매 등을 사용하여야 하기 때문에 환경적으로 유해하므로 본 발명에서는 상대적으로 가격이 저렴하고 반응성이 좋은 MDI(Methylene diphenyl diisocyanate) 또는 폴리머화된 MDI(Methylene diphenyl diisocyanate)와 내후성이 우수한 HDI(Hexamethylene diisocyanate)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 캡핑 가교제는 일반적으로 캡핑하는 데 사용되는 주요 화합물은 케톤이지만 캡핑 반응은 가역적 반응이기 때문에 케톤의 활성이 충분히 높지 않고 완전한 캡핑을 보장하기 어렵고, 캡핑된 아민과 이소시아네이트 프리폴리머를 1액형 접착제로 만들 경우 저장 안정성이 떨어지고 겔화되기 쉽다. 따라서 본 발명에서는 아민은 1차로 케톤 캡핑을 하고, 최종 캡핑제로 알데히드를 사용한다.
또한, 아민과 제 1 케톤 캡핑제를 첨가하고, 촉매와 함께 교반시켜 혼합시켜 1차 반응물을 제조하고, 1차 반응물에 제 2 케톤 캡핑제와 알데히드 캡핑제를 추가로 투입하여 최종반응물을 제조하는 것이 바람직하다. 이때, 1차 반응물 생성에 사용되는 케톤 캡핑제와 최종반응물 생성에 사용되는 케톤 캡핑제는 다른 것을 사용하는 것이 바람직하나 동일하여도 무방하다.
1차 반응물 생성시 캡핑제인 케톤을 첨가하는 과정에서의 몰비는 아민 : 제 1 케톤 캡핑제 : 촉매가 30~40 : 60~70 : 0~1 몰비인 것이 바람직하다. 최종반응물 생성시 1차 반응물 : 제 2 케톤 캡핑제 : 알데이드 캡핑제의 몰 비는 5.5~6.5 : 2.5~3.5 : 0~1 이다.
상기 아민은 1,4-부틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민, 페닐렌디아민, 토릴렌디아민, 2,4-디에틸톨루엔디아민 및 2,6-디에틸톨루엔디아민, 2,4-디메틸톨루엔디아민 및 2,6-디메틸톨루엔디아민, 이소포론디아민, 폴리옥시프로필렌디아민, 폴리옥시 프로필렌트리 아민에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 아민이 채택하는 제 1 및 제 2 케톤 캡핑제는 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소프로필 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 시클로헥사논 또는 벤조페논 일 수 있다. 알데히드 캡핑제는 포름알데히드, 아세트알데히드, 파라포름알데히드, 프로피온알데히드, 벤즈알데히드, 부틸알데히드, 이소부틸알데히드 및 2-에틸헥산알 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.　촉매는 아세트산, p-톨루엔술폰산, 벤조산, 프탈산, 또는 무기산 H2SO4 중에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일측면에 따르면, 상기 1액형 요소결합을 가진 접착제 조성물을 포함하는 1액형 요소결합 접착제를 제공한다.
상기 접착제의 인열강도는 100 내지 140 N/㎜인 것이 바람직하다. 탄성율은 7 내지 9%, 인장강도는 30 내지 80 MPa로 2액형과 비교하여 큰 차이가 나지 않아 1액형으로 2액형 만큼의 효과를 내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 매설된 유공관 위에 동상방지층을 시공하는 제 1 단계; 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 형성된 조성물을 포함하는 1액형 요소결합 접착제를 바탕 처리 후 10mm 내지 13mm 골재 및 채움재에 코팅하여 기층을 포설하는 제 2 단계; 상기 기층 일면에 2.5 mm 내지 5.0 mm 골재 을 적층한 후 상기 접착제를 포설하여 표층을 포설하는 제 3 단계; 및 상기 표층포설 후 다짐 작업 및 대기중의 수분과 결합하는 경화과정을 거치는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 1액형 요소결합 접착제를 이용한 투수체 시공방법을 제공한다.
상기 표층 형성 후, 안료페이스트(칼라런트)를 더 포함하여 칼라코팅공법을 시공할 수도 있다.
본 발명은 투수체 바닥 포장방법에 관한 것으로 캐슈넛 껍질에서 파생된 폴리올은 널리 알려진 폴리에스터 및 폴리에테르 폴리올 및 기타 천연 기반 폴리올과 비교하여 접착성, 내열성, 내화학성에 우수한 특성을 제공하고　뛰어난 소수성은 폴리우레탄 시스템의 수분 민감성을 극복하는 데 도움이 되며 방향족성과 긴 지방족 사슬의 조합은 가수분해 안정성을 더욱 높이고 기계적 강도를 증가시킨다.
수분은 우레탄 반응에서 이산화탄소등과 같은 부가반응이 일어나 기포를 발생시키므로 접착제로서의 물성을 악화시키는 단점이 있을 수 있다. 따라서, 캐슈넛기반 폴리올과 폴리메틸렌비스페닐이소시아네이트(PMDI)등의 이소시아 네이트기와 반응시켜 프레폴리머를 제조하고 캡핑된 아민에 의해 경화과정에서 수분 민감성을 감소시켜 결과적으로 이산화 탄소 발생을 최소한으로 줄일 수 있다. 이 접착제에 골재(또는 고무, EDPM, 슬래그)를 사용하여 충격 및 지진에 강한 자전거 도로, 보도, 산책로, 놀이터, 주행도로 등 노면을 포장할 때 하부로 빗물이 쉽게 투과될 수 있다.
본 발명은 캐슈넛기반 일액형 접착제를 이용한 투수재를 시공하는 방법으로 기층의 노상을 평탄화하고, 골재를 크기별로 선별하고, 고압의 에어로 흙이나 이물질 제거하는 준비작업을 한다. 먼저 시공할 장소에 맞춰 흙 파기 또는 일정 두께로 깍기 작업을 하고(M001), 유공관을 매설한 다음(M002), 매립도가 높은 동상방지층을 시공하고(M003), 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제를 바탕 처리한 후 골재 채움재를 비율별로 섞은 다음 골재 및 채움재 85 내지 99 중량 %를 회전식 탱크에 넣고 회전하면서 캐슈넛쉘 액체 기반 폴리머 코팅제 1 내지 15 중량 %를 서서히 투입시켜 코팅한다. 일정두께로 지면에 기층포설(M004)하고 도로 다짐기를 이용하여 다짐작업과 대기중의 수분과 결합 경화과정(M005)를 거치고 골재 및 채움재 85 내지 99 중량 %를 회전식 탱크에 넣고 회전하면서 친환경 바이오기반 1액형 요소결합을 가진 접착제 1 내지 15 중량 %를 서서히 투입, 코팅하고, 일정두께로 지면에 표층포설 (M006)한다. 도로 다짐기를 이용하여 다짐작업과 대기중의 수분과 결합 경화과정(M007)를 거치고 필요에 따라 요구되는 색상의 칼라런트를 캐슈넛쉘 액체 기반 폴리머 코팅제를 골재 90~95 중량 %에 5~20 중량 % 섞어 코팅한다(도 1 참조).
본 발명의 시공방법으로 시공한 투수체의 간접인장강도는 3.0MPa 이상으로 기존의 가열아스팔트 혼합물 보다 우수한 성능을 보이고, 바인더 함량이 증가하여도 터프니스만 증가한다. 이러한 특성은 균열에 대한 저항이 높음을 증빙한다. 투수계수는 0.2 내지 0.5 cm/sec로 국도교통부 품질기준보다 약 9배 이상 우수한 투수성능을 나타낸다. 칸타브로 손실률 품질 기준도 영상의 온도와 영하의 온도에서 모두 국도교통부 품질기준을 만족할 뿐만 아니라 온도 범위에서 유사하여 저온에 대한 저항성이 우수함을 나타낸다.
일반적인 가열 아스팔트 혼합물은 골재에 비하여 아스팔트 바인더의 강도가 월등히 낮기 때문에 바인더에서 균열이 발생하지만, 본 발명의 1액형 요소결합 접착제를 사용한 투수체에서는 접착제의 강도가 골재 강도보다 높아 파괴단면이 전부 골재에서 나타나 골재의 강도 발현된 것으로 판단된다. 본 발명의 10mm 내지 13mm 골재 및 채움재의 경우 공극률이 25%이상이고 간접인장강도가 3.0MPa 이상 이면서, 칸타브로 손실률이 15% 이하인 투수체가 제조가능하다. 기존의 배수성 아스팔트에서 공극막힘 현상으로 인한 투수성능 저하를 방지하기 위하여 2.5mm~5mm의 단입도 투수체에 대해서도 공극률 28%이상이고 인장강도가 3.7MPa 이상이면서, 칸타브로 손실률이 11% 이하인 투수체가 제조가능하다.
본 발명의 1액형 요소결합 접착제를 사용한 투수체는 최대한의 공극률과 유효공극을 확보하여 투수시험에서도 개선된 종래 기준값 보다 4배～9배 높은 실내 투수성능을 보인다.
본 발명의 1액형 요소결합 접착제를 사용한 투수체는 복수의 10mm 내지 13mm 골재 및 채움재를 투수 기층으로 사용하고, 2.5~5.0㎜의 골재를 투수 표층으로 시공한다면 요소결합 접착제를 활용한 투수체는 도로포장재료로 충분히 사용 가능한 재료적 안정성이 있고, 기능적 성능인 배수성능 또한 우수하다.
경제적인 측면에서는 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머를 사용한 1액형 요소결합 접착제를 적용하고, 내후성 측면에서는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물를 사용한 1액형 요소결합 코팅제를 적용하는 것이 상호 장단점을 보완할 수 있다. 따라서 최적의 효과를 내기 위해서 기층 및 표층에는 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머를 사용하고, 표면 코팅에서는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다.
본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
제조예 1 - 캐슈넛기반 MDI 프레폴리머 제조
캐슈넛기반 프레폴리머는 이소시안네이트(-NCO)기를 각각 가지고 있는 폴리머릭 엠디아이(Polymeric MDI) 57 중량부에, 캐슈넛 기반 디올 43 중량부를 80 ～ 90℃ 온도에서 2～ 3시간 반응시켜 제조한다. NCO%는 15.4이다.
제조예 2 - 바이오기반 HDI 폴리머 제조
바이오기반 폴리머 혼합물은 바이오기반 알리파틱 이소시아네이트 66 중량부에 저점도 알리파틱 이소시아네이트 34 중량부를 혼합 제조한다. NCO%는 15.4이다.
제조예 3 - 캡핑 가교제 제조
캡핑 가교제의 제조는 톨루엔에 폴리에테르아민, 메틸 이소부틸 케톤을 첨가하고, 촉매를 교반 혼합하고, 80-100℃에서 2-3시간 동안 계속 반응한 다음, 시클로헥사논을 첨가하고, 3-5시간 동안 계속 반응하고, 마지막으로 n-부틸알데히드를 첨가, 최종 캡핑제로 사용하고, 반응 0.5-1시간 후 가열을 중지하고, 미반응 용매를 감압하에 증류 제거하여 캡핑 폴리에테르아민 생성물을 얻는다.
1차 반응의 폴리에테르아민: 메틸 이소부틸 케톤: 촉매의 몰비는 33:66:1이고, 촉매는 p-톨루엔술폰산 이다. 2차 반응의 1차 반응물: 시클로헥사논: n-부틸알데히드 몰비는 60:30:10이다.
실시예 1 - 1액형 요소결합 접착제 제조(1)
캐슈넷기반 MDI 프레폴리머 85 중량부, 캠핑가교제 13.5 중량부, 소포제 0.5중량부, 흡습제 1.0 중량부를 혼합하여 제조하였다.
실시예 2 - 1액형 요소결합 접착제 제조(2)
바이오기반 HDI 폴리머 85 중량부, 캠핑가교제 13.5 중량부, 소포제 0.5 중량부, 흡습제 1.0 중량부를 혼합하여 제조하였다.
비교예 1 - 2액형 우레탄 접착제 제조(1)
주제는 캐스터 오일 베이스 폴리올 98.1중량부, 소포제 0.5 중량부, 흡습제 1.0 중량부를 혼합하여 제조하였다. 이에 NCO 22-23 % 알리파틱 이소시아네이트 100 중량부를 경화제로 준비하고 주제와 경화제 혼합비는 1.0:1.0이다.
비교예 2 - 2액형 우레탄 접착제 제조(2)
주제는 캐스터 오일 베이스 폴리올 98.5중량부, 소포제 0.5 중량부, 흡습제 1.0 중량부를 혼합하여 제조하였다. 이에 NCO 30.2-32 % 폴리머릭 엠디아이 (Polymeric MDI) 77 중량부를 경화제로 준비하고 주제와 경화제 혼합비는 1.3:1.0이다.
상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 성분을 하기 표 1에 정리하였다:
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
경화제 성분
폴리머릭 엠디아이 - - - 77
알리파틱 이소시아네이트 - - 100 -
주제 성분
캐슈넛기반 MDI 프레폴리머 85 -
바이오기반 HDI 폴리머 - 85
캐스터오일 베이스 폴리올 98.1 98.5
캡핑가교제 13.5 13.5
촉매 - - 0.4 -
흡습제 1 1 1 1
소포제 0.5 0.5 0.5 0.5
100 100 100 100
실시예 3 - 접착제의 물성테스트
접착제의 물성시험을 위해 KS M 6518에 따라 인장강도(MPa), 탄성율(%), 인열강도시험을 진행하였다.
실시예 4 - 접착제의 물성평가
접착제 물성시험 인장강도(MPa), 탄성율(%), 인열강도 시험은 KS M 6518에 따라 실험하였다.
실시예 5 - 투수체 제조
상기 골재와 실시예 1과 2 접착제를 균일하게 교반한 후 밀폐 가능한 PE 용기에 골재와 접착제를 넣고 약 5분간 충분히 흔들어 골재 표면에 접착제가 충분히 wetting 되도록 하였다. 1일 후 경화된 상태를 확인 후 제조된 투수 블록을 용기에서 탈형하여 투수체를 시험 제작 하였다. 최적 바인더 함량을 구하기 위하여 접착제 함량을 0.5%씩 증가하면서 투수체를 제작하였다.
실시예 6 - 투수체 시공
기층의 노상을 평탄화하고, 골재를 크기별(13㎜, 10㎜, 0.6㎜이하 채움재, 2.5~5㎜)로 선별하고, 고압의 에어로 흙이나 이물질 제거하는 준비 작업을 하였다. 먼저 시공할 장소가 흙이면 흙 파기를 하고, 포장면이면 일정 두께로 깍기 작업을 하고(M001), 유공관을 매설한 다음(M002), 매립도가 높은 동상방지층을 시공하고(M003), 캐슈넛쉘 액체 기반 폴리머 코팅제를 바탕 처리한 후 골재 13㎜, 10㎜와 0.6㎜이하 채움재를 비율별로 섞은 다음 96 중량 %를 회전식 탱크에 넣고 회전하면서 캐슈넛쉘 액체 기반 폴리머 코팅제를 4 중량 %를 서서히 투입, 코팅하고, 일정두께로 지면에 기층포설 (M004)하고 도로 다짐기를 이용하여 다짐작업과 대기 중의 수분과 결합 경화과정(M005)를 거치고 골재 2.5~5㎜를 95 중량 %를 회전식 탱크에 넣고 회전하면서 캐슈넛 기반 폴리머 접착제를 5 중량 %를 서서히 투입, 코팅하고, 일정두께로 지면에 표층포설 (M006)하고 도로 다짐기를 이용하여 다짐작업과 대기 중의 수분과 결합 경화과정(M007)를 거치고 필요에 따라 요구되는 색상의 칼라런트를 바이오 기반 폴리머 코팅제에 5~20% 섞어 로울러 등으로 코팅한다(도 1 참조).
실시예 6 - 투수체의 물성 테스트
배수성 아스팔트 혼합물의 주요 파손은 골재의 비산이며, 배합설계 기준에서 칸타브로 손실률은 골재의 비산 저항성을 평가하고 신뢰성을 확보하기 위해 주요한 항목 중 하나이다. 이에 칸타브로 시험을 먼저 테스트하였다.
KS F 2492 배수성 아스팔트 혼합물의 칸타브로 시험방법을 수행하였다.
KS F 2494 배수성 아스팔트 혼합물의 실내 투수 시험방법으로 테스트를 진행하였다.
KS F 2496 진공 밀봉방법을 이용한 다져진 아스팔트 혼합물의 건보기 비중 및 밀도 시험방법에 따랐다.
KS F 2398 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 시험방법으로 측정 계산되었다.
KS F 2375 노면의 미끄럼 저항성 시험 방법 (BPT))의 방법으로 BPN(British Pendulum Number)을 측정하였다.
KS F 2364 다져진 아스팔트 혼합물의 공극율 시험방법으로 계산되었다.
<결과 및 평가>
접착제 물성 평가 결과
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
가사시간(min) - - 14 45
인장강도(MPa) 36 74 39 73
인열강도(N/㎜) 120 128 130 120
탄성율(%) 8.4 7.8 9 6.8
접착제의 물성시험 결과 2액형 우레탄 접착제와 1액형 요소결합 접착제의 인장강도, 인열강도, 탄성율 차이가 크지 않는 것으로 볼 때 접착제로 대용이 가능 함을 알 수 있었다.
투수체의 물성 평가 결과
칸다블로 손실율(%)을 하기 표 3에 나타내었다:
3.0% 3.5% 4.0% 4.5% 5.0% 비고
13㎜ 22.0% 10.8% 7.4% - - 20이하
13㎜+10㎜ - 21.7% 10.1% 9.0% -
13㎜+10㎜+채움재 - 25.3% 13.0% 12.7% -
2.5~5.0㎜ - - 31.0% 21.1% 10.7%
표 3을 참고하여 설명하면, 실시예 1과 2의 접착제 함량이 증가함에 따라 칸타브로 손실률이 감소하였으며, 접착제 함량이 13㎜에서는 3.5% 이상, 13㎜+10㎜에서는 4.0%이상, 13㎜+10㎜+채움재 에서는 4.0%이상, 2.5~5.0㎜에서는 5.0% 이상에서 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다.
표 1을 참고하여 4% 이상의 품질을 만족하는 13㎜+10㎜+채움재 및 2.5~5.0㎜채움재의 물성을 실시예 1 및 실시예2를 이용하여 물성평가를 하였고 하기 표 4에 나타냈다:
골재크기 13㎜+10㎜+채움재 2.5~5.0㎜ 비고
접착제 함량 4.0 5.0
공극율(%) 25.3 28.8 16이상
간접인장강도(MPa) 3.08 3.7 -
투수계수(㎝/sec) 0.452 0.225 0.05
마찰계수(BPN) 80 100 77이상
칸다브로손실율(%) 20℃
(60°C,24시간 수침)		 13.0 10.7 20이하
-20℃ 12.4 5.6 30이하
간접인장강도비
(TSR, 1회 동결)		 동결전 3.08 0.93 3.70 1.10 0.85이상
동결후 2.85 4.06
공극율은 KS F 2496에 의한 진공 밀봉법에 따라 측정한 겉보기 밀도와 KS F 2366에 의한 이론최대밀도 시험방법에 따라 측정한 밀도를 사용하여 KS F 2364에 의한 공식에 따라 계산하였다.
표 4를 참고하여 설명하면, 간접인장강도는 3.0MPa 이상으로 기존의 가열아스팔트 혼합물 보다 우수한 성능을 보였으며, 바인더 함량이 증가하여도 터프니스만 증가하였다. 이러한 특성은 균열에 대한 저항성이 높은 것으로 판단된다. 투수계수는 품질기준보다 9배 이상으로 우수한 투수성능을 나타내었다. 칸타브로 손실률 품질기준도 20℃와 -20℃ 모두 만족하여 두 조건 모두 유사한 결과 값을 보이며 저온에 대한 저항성이 우수하였다.
일반적인 가열 아스팔트 혼합물은 골재에 비하여 아스팔트 바인더의 강도가 월등히 낮기 때문에 바인더에서 균열이 발생하지만, 요소결합접착제를 사용한 투수체에서는 접착제의 강도가 골재 강도보다 높아 파괴단면이 전부 골재에서 나타나 골재의 강도 발현된 것으로 판단된다. 본 발명의 결과 10mm 내지 13mm 골재와 채움재의 경우 공극률이 25%이상이고 간접인장강도가 3.0MPa 이상 이면서, 칸타브로 손실률이 15% 이하인 투수체을 개발하였다. 그리고, 기존의 배수성 아스팔트에서 공극막힘 현상으로 인한 투수성능 저하를 방지하기 위하여 2.5mm~5mm의 단입도 투수체에 대해서도 공극률 28%이상이고 인장강도가 3.7MPa 이상이면서, 칸타브로 손실률이 11% 이하인 투수체 개발이 가능하였다.
개발된 투수체는 최대한의 공극률과 유효공극을 확보하여 투수시험에서도 개선된 기준값인 보다 4배～9배 높은 실내 투수성능을 보였다.
따라서, 유공관 매설 후 동상방지층 위에 13㎜+10㎜ 골재 및 채움재의 투수 기층 7∼12㎝, 2.5~5.0㎜의 투수표층 3㎝으로 시공한다면 요소결합 접착제를 활용한 투수체는 도로포장재료로 충분히 사용 가능한 재료적 안정성이 있고, 기능적 성능인 배수성능 또한 우수한 것으로 판단된다. 가격적인 면에서는 실시예 1이 우수하였고, 내후성 및 인장강도에서는 실시예 2가 우수하였다. 따라서 기층 및 표층에는 실시예 1를 사용하고 코팅층에서는 실시예 2를 사용하는 것이 바람직함을 확인하였다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 매설된 유공관 위에 동상방지층을 시공하는 제 1 단계;
    캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물, 캡핑가교제, 촉매, 흡습제 및 소포제를 포함하는 1액형 요소결합을 가진 조성물을 포함하는 1액형 요소결합 접착제를 바탕 처리 후 10mm 내지 13mm 골재 및 채움재에 코팅하여 기층을 포설하는 제 2 단계;
    상기 기층 일면에 2.5 mm 내지 5.0 mm 골재 채움재를 적층한 후 상기 접착제를 포설하여 표층을 포설하는 제 3 단계; 및
    상기 표층포설 후 다짐 작업 및 대기중의 수분과 결합하는 경화과정을 거치는 제 4 단계;를 포함하고,
    상기 조성물은 상기 조성물은 캐슈넛기반 메틸렌 디페닐 이소시아네이트(MDI) 프레폴리머 또는 바이오기반 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI) 혼합물 80 내지 90 중량%, 캡핑가교제 10 내지 15 중량%, 흡습제 0.5 내지 2.0 중량% 및 소포제 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 1액형 요소결합 접착제를 이용한 투수체 시공방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표층 형성 후, 안료페이스트를 더 포함하여 칼라코팅공법을 시공하는 것을 특징으로 하는 1액형 요소결합 접착제를 이용한 투수체 시공방법.


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