KR20050115220A - 반응성 충전제를 갖는 배향된 열가소성 복합 재료 - Google Patents

반응성 충전제를 갖는 배향된 열가소성 복합 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연신 공정에 의해 제조된 고도로 배향된 중합체, 및
유체와 반응하여 시멘트 결합 (cementitious bond)을 형성할 수 있는 미립자 충전제를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 상기 충전제의 분산량 및 분산도는 충전제가 유체와 반응하여 상호침투 (interpenetrating) 중합체 및 시멘트 망상구조를 형성하도록 선택된다.

Description

반응성 충전제를 갖는 배향된 열가소성 복합 재료 {Oriented Composite Thermoplastic Material with Reactive Filler}

본 발명은 고도로 배향된 중합체 전반에 미립자 충전제가 분산되어 있는 복합 재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 미립자 충전제가 반응성인 상기 복합 구조물에 관한 것이다.

본 발명자들의 이전 특허 출원 제PCT/CA00/01555호에는 복합 재료 및 이러한 복합 재료의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 공정은 하기의 공정 단계를 포함한다.

i. 배향가능한 압출성 열가소성 중합체를 미립자 충전제와 배합하여 출발 물질을 형성하는 단계;

ii. 출발 물질을 가열하여 제1 컬럼으로 압출하는 단계;

iii. 제1 컬럼의 온도를 연신 온도로 조정하는 단계;

iv. 제1 컬럼을 연신 다이에 제공하고, 연신 다이에서 제1 컬럼을 제1 컬럼의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제2 컬럼으로 배출하는 단계; 및

v. 제2 컬럼에 인장력을 가하여 중합체의 배향 유발 및 제2 컬럼의 밀도 감소에 충분한 속도로 연신 다이를 통해 제1 컬럼을 연신하여 복합 재료를 형성하는 단계.

예를 들면, 폴리프로필렌 및 목재 톱밥을 사용하여 상기 공정을 실시했을 때, 생성된 산물은 목재에 필적하는 다수의 특성을 갖는 다공성 구조물이며 많은 분야에서 목재의 대체물로 적합하다는 점이 놀라운 결과라 할만하다. 많은 분야에서, 생성된 산물은 비교적 수불투과성이어서 부식유발성 환경에서 목재보다 훨씬 잘 견디기 때문에 목재에 비해 유리하다.

본 발명은 최종 생성물에서 추가로 향상된 특성을 달성하기 위해 반응성 미립자 충전제의 사용을 고려한다.

본 발명의 목적은 배향된 중합체 및 시멘트 입자 충전제를 포함하며, 배합된 출발 물질의 이론치 밀도보다 작은 밀도를 가지고, 상기 배향된 중합체가 매트릭스를 형성하고, 상기 시멘트 미립자 충전제가 적합한 유체와 반응하여 배향된 중합체 매트릭스를 상호침투하는 시멘트 결합 구조를 생성할 수 있는 방식으로 시멘트 미립자 충전제가 상기 매트릭스 전반에 분산되어 있는 복합 재료를 제공하는 것이다.

<발명의 요약>

연신 공정에 의해 제조된 고도로 배향된 열가소성 중합체 및 유체와 반응하여 시멘트 결합 (cementitious bond)을 형성할 수 있는 미립자 충전제를 갖는 복합 재료를 제공한다. 충전제의 분산량 및 분산도는 충전제가 유체와 반응하여 상호침투 (interpenetrating) 중합체 및 공극 망상구조를 복합 재료중에 형성하도록 선택된다.

미립자 충전제는 규산염 시멘트 또는 석고일 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에서, 미립자 충전제는 포틀랜드 (Portland) 시멘트 및 황산칼슘 반수화물 중 적어도 하나를 포함한다.

미립자 충전제는 목재 톱밥과 같은 비반응성 성분을 추가로 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시양태를 기술할 것이지만, 이는 단지 예일 뿐이다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 재료를 형성하기 위한 형성 방법의 단면 예시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 복합 재료를 형성하기 위한 연속 공정의 개요도이다.

도 3은 본 발명의 실시양태에 따른 수화된 다이 연신된 복합 재료의 시간에 따른 물 흡수를 예시하는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 수화된 다이 연신된 복합 재료의 시간에 따른 물 손실을 예시하는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시양태에 따른 수화된 복합 재료의 시간에 따른 물 흡수 및 물 손실을 예시하는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시양태에 따른 복합 재료의 수화된 시료 및 비수화된 시료가 연소될 때 시료의 질량 변화 속도를 예시하는 그래프이다.

도 7은 도 6의 시료의 연소 속도에 대한 화염 높이의 대응을 예시하는 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실시양태에 따른 제1 비율(%)의 충전제를 갖는 수화된 복합 재료 및 비수화된 복합 재료의 상대 내하력 (relative load carrying capacity)을 예시하는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실시양태에 따른 제2 비율(%)의 충전제를 갖는 수화된 복합 재료 및 비수화된 복합 재료의 상대 내하력을 예시하는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시양태에 따른 제3 비율(%)의 충전제를 갖는 수화된 복합 재료 및 비수화된 복합 재료의 상대 내하력을 예시하는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 실시양태에 따른 수화된 자유 연신된 복합 재료의 물 손실을 예시하는 그래프이다.

<바람직한 실시양태의 기재>

본원에 적합한 미립자 충전제를 갖는 고도로 배향된 열가소성 중합체를 제조하기 위한 연신 공정은 PCT 출원 제PCT/CA00/01555호에 개시되어 있으며, 상기 배경 기술란에 기재되어 있다.

도 1은 연신 공정을 예시한다. 도 1에 따라, 배향가능한 열가소성 중합체 및 충전제 물질인 혼합 공급 물질 (일반적으로 참조 부호 (10)으로 나타냄)을 배출구 (24) 방향으로 단면적이 감소하는 통로 (22)를 갖는 압출 다이 (20)에 통과시킨다. 혼합된 물질을 가열하고, 인장 장치 (40)으로 잡을 수 있는 선단 (30)이 나타날 때까지 배출구 (24)를 통해 우선 통과시킨다. 밀도 감소 및 배향 모두를 유발하기에 충분한 인장력을 화살표 (44) 방향으로 가하며, 선단 생성물은 매트릭스 전반에 미립자 충전제 물질 및 공기가 분산되어 있는, 고도로 배향된 다공성 중합체 매트릭스이다.

도 2는 도 1에 예시된 다이 (20)과 같은 장치를 사용하는 연속 공정을 예시하는데, 주된 차이는 도 1에 예시된 체인 및 클램프 장치 대신에 참조 부호 (40)으로 나타낸 그리핑 벨트 (gripping belt)를 사용하는 점이다. 다이 (20)의 상류 (도면 좌측)에는 배향가능한 중합체 및 미립자 충전제의 배합물을 뒤섞어 용융시키며 뒤섞인 혼합물을 추가로 압출 다이 (122)를 통해 이송하는 압출기 (120)에 공급물을 제공하는 공급 호퍼 (121)이 있다. 제1 인취 (haul-off) 장치 (125)는 압출된 컬럼을 컬럼 온도가 연신 온도로 조정되는 연속 노 (furnace) (126)을 통해 공급한다. 나머지 공정은 도 1에 예시된 공정과 실질적으로 동일한다.

상기한 바와 같이, 초기 작업은 비교적 불활성인 충전제를 이용하여 수행하였는데, 이는 충전제가 전형적인 사용 환경에서 일반적으로 중합체와 비반응성이었음을 의미한다.

본 발명에 따라, 예를 들면 배향된 중합체 매트릭스에 침투하는 상호침투 망상구조 시스템 및(또는) 항균성을 제공할 수 있는 반응성 미립자 충전제가 고려된다. 다양한 반응성 충전제를 사용하여 본원의 기술을 다른 분야에 적용할 수 있다. 예로서, 일부 칼슘 화합물이 잠재적 후보로 고려되어 왔다. 이들 중 일부의 특성을 하기에 기재하였으나, 이들은 단지 예에 불과하며 전체를 망라한 것이 아님을 이해하여야 한다.

다수의 충전제가 열가소성 물질에 사용되며, 경제적인 잠재력이 가장 클 수 있는 것을 먼저 고려하였다. 포틀랜드 시멘트 및 황산칼슘 (또는 석고)는 수분과의 반응성, 및 충전된 배향된 중합체를 먼저 형성하고 2차 조작으로 상기 중합체를 물과 반응시킬 수 있는 가능성 때문에 고려된다. 이는 시멘트 및 석고 생성물의 형성 과정에 특별하다.

표 1은 이들 부류의 충전제에 대한 개요를 제공한다.

본 연구의 칼슘 화합물 물질 화학식 밀도 가격(미국 달러/톤 (tonne)) 일반명 규산칼슘 CaO·SiO2 3 150-180 포틀랜드 시멘트 황산칼슘 CaSO4·1/2H2O 2.32 150-180 석고

규산칼슘 (포틀랜드 시멘트)

포틀랜드 시멘트는 온도가 1500 ℃ (2,732 ℉)에 이르는 회전 가마 (rotary kiln)라 불리는 회전 노에서 석회석, 점토 및 모래를 주성분으로 제조한다. 격렬한 가열은 부분적으로 용융된 원료를 클링커 (clinker)라 불리는 펠렛으로 전환시키는 화학반응을 일으킨다. 약간의 석고 및 기타 주요 물질을 첨가한 후, 혼합물을 "포틀랜드 시멘트"라 불리는 극미세 회색 분말 (75 마이크론)로 분쇄한다. 다양한 물리적 및 화학적 요건을 충족하도록 제조된 여러 유형의 포틀랜드 시멘트가 있다. 미국 재료시험협회 (ASTM) 설명서 C-150은 8가지 유형의 포틀랜드 시멘트를 규정한다. 예컨대, 유형 1 포틀랜드 시멘트는 모든 용도에 적합한 표준 범용 시멘트이고 본 연구에서 사용될 유형이다.

포틀랜드 시멘트의 4가지 주요 화합물은 규산 삼칼슘 C3S, 규산 이칼슘 C2S, 알루민산 삼칼슘 C3A 및 테트라칼슘 알루미노페라이트 C4AF에 가까운 조성을 갖는다. 석회 함량의 적은 변화는 시멘트의 C3S 및 C2S 함량에서 큰 변화를 초래한다. 과량의 비화합 또는 유리 석회의 존재는 수화 동안 부피를 증가시켜 경화된 페이스트를 약화시키므로 시멘트 클링커에서 피해야 한다.

무수 시멘트 화합물은 물과 혼합되어 페이스트를 형성할 때 불안정한 포화 석회 용액을 생성하고, 이로부터 발열반응에 의해 수화 생성물이 점차적으로 침착된다. 별도로 수화될 경우, 4가지 주요 화합물은 상이한 속도로 자신의 반응 생성물을 생성하고 강도를 획득한다. 규산 삼칼슘 C3S는 포틀랜드 시멘트의 모든 속성을 갖는다. 미분되어 물과 혼합될 때, 규산 삼칼슘 C3S는 급속히 수화되며 수산화칼슘 Ca(OH)2 결정이 빠르게 침전된다. 최초의 그레인 (grain) 주위에는 불투과성이어서 추가의 수화반응을 상당히 늦추는, 수화된 젤라틴성 규산칼슘이 형성된다. 수화된 C3S는 수시간 이내에 응고 또는 경화되어 매우 빠르게 강도를 획득하며, 한 달 이내에 강도의 대부분을 획득한다. C2S의 수경 (hydraulic) 형태인 베타 규산 이칼슘 bC2S는 정의된 응고 시간을 나타내지 않으며 수일의 기간에 걸쳐서 천천히 경화한다. 상기 bC2S는 약 14일 동안 강도를 거의 나타내지 않지만, 1년 후 그의 강도는 C3S의 강도와 동일하다. C3S의 더 큰 반응성은 bC2S내의 더 치밀한 이온 충전과 비교되는 C3S 결정격자의 더 개방된 구조 때문일 수 있다. 트리칼슘 알루미네이트 C3A는 물과 매우 빠르게 반응하며, 페이스트는 완전 건조될 수 있도록 많은 열을 발생시키면서 거의 순간적으로 응고된다. C3A 함량의 25 내지 50%에 상응하는 3 내지 4%의 석고를 시멘트 클링커에 첨가하면 표준 응고 시간을 나타낸다. 수화된 C3A는 강도를 거의 나타내지 않으며 황산염 공격에 대해 낮은 내성을 갖는다. 테트라칼슘 알루미노페라이트 C4AF, 또는 페라이트 상은 물과 빠르게 반응하지만 C3A보다는 덜 빠르게 반응하며 강도를 거의 나타내지 않는다.

포틀랜드 시멘트의 4가지 주요 화합물을 함께 혼합할 때 석고는 2가지 규산칼슘 화합물 C3S 및 bC2S의 수화 속도 및 반응 생성물에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보이지만 C3A 및 C4AF에는 상당히 영향을 미친다. 석회 및 석고 용액의 존재하에, C3A는 칼슘 알루미네이트 수화물뿐만 아니라 칼슘 술포알루미네이트 화합물을 생성한다. C4AF의 경우, 유사한 술포페라이트가 형성되지만 상기 두 술페이트 화합물은 시멘트 가 (cementitious value)를 거의 또는 전혀 갖지 않는다.

캐나다의 포틀랜드 시멘트 제조사는 다음과 같다:

- 시멘트 퀘벡 인크. (Ciment Quebec Inc.)

- 에스록 이탈시멘티 그룹 (Essroc Italcementi Group) www.essroc.com

- 페더럴 화이트 시멘트 리미티드 (Federal White cement Ltd.)

- 글라시에르 노쓰웨스트 캐나디언 리미티드 (Glacier Northwest Canadian Ltd.) www.glaciernw.com

- 라파지 노쓰 어메리카 인크. (Lafarge North America Inc.)

- 리하이 인랜드 시멘트 리미티드 (Lehigh Inland Cement Limited)

- 밀러 시멘트 (Miller Cement) www.millergroup.ca

- 세인트 로렌스 시멘트 인크. (St. Lawrence Cement Inc.) www.stlawrencecement.com

- 세인트 매리스 시멘트 컴퍼니 (St. Mary's Cement Company)

황산칼슘 (석고)

석고는 수화된 황산칼슘 CaSO4 ˙ 2(H2O)이다. 석고는 침전 환경에서 더 일반적인 광물의 하나이다. 석고는 경도가 2이고 비중 (이하, 상대 중력이라 함)이 2.3+이다. 대지로부터 천연 석고 암석을 채굴한 다음, 분쇄하여 미분으로 밀링한다. 이어서, 하소하여 화학-결합수의 3/4을 제거한다. 생성물은, 물과 혼합될 때 신속히 재수화되어 "응고" 또는 경화되는 매우 건조한 분말로서, 일반적으로 소석고 (plaster of Paris)라고도 알려진 스터코 (stucco)이다.

북아메리카의 석고 제조사는 다음과 같다:

- 내셔날 집섬 컴퍼니 (National Gypsum Company) www.national-gypsum.com

- 지-피 집섬 (G-P Gypsum) www.gp.com/gypsum

- 제임스 하디 집섬 (James Hardie Gypsum) www.hardirock.com

- 씨지씨 인크. (CGC Inc.) www.cgcinc.com

- 유에스지 (USG) www.usg.com

- 아메리칸 집섬 (American Gypsum) www.americangypsum.com

실시양태

주택 건설 산업에서 석면 또는 셀룰로오스 섬유를 활용한 섬유 강화 시멘트는 사이딩 (siding)용으로 널리 사용되어 왔다. 현재의 시멘트 사이딩/시멘트 싱글 (shingle) 구성의 단점은 선적시 상당한 무게 및 섬세하게 취급되어야 하는 다소 취약한 구조를 포함한다.

이와는 달리, 본 발명에 따르면, 고도로 배향된 중합체 전반에 시멘트 결합을 형성할 수 있는 미립자 충전제 물질이 분산되어 있지만 이를 응고시키는 유체 또는 촉매와는 반응하지 않는 구조가 제공된다. 이러한 구조는 섬유 시멘트에 비해 상대적으로 작은 중량 및 인성을 갖는, 선적시 가볍고 견고하고 설치가 용이한 생성물을 생성한다. 설치 이후, 상기 생성물을 주변 습도에 의해 자연적으로 수화하거나 또는 물로 적시는 방법으로 수화하여 시멘트 물질의 인접 포켓 간에 시멘트 결합을 형성함으로써 상호침투 중합체 및 시멘트 매트릭스를 생성한다. 선적 전에 수화될 수도 있다.

미립자 충전제 물질은 전적으로 시멘트 물질일 수 있지만, 예를 들어 목재 톱밥 또는 (환경에서) 일부 다른 비반응성 충전제 등의 충전제와 혼합된 시멘트 물질일 수도 있다.

미립자 충전제 물질의 "포켓" 간의 상호접속을 위해, 배향된 다공성 중합체 매트릭스의 기공이 실질적으로 개방되고 미립자 충전제가 중합체 매트릭스내 기공 또는 공극의 비교적 많은 부분을 점유하도록 중합체에 대한 충전제의 비율이 충분해야 한다. 이는 복합 재료가 공기를 함유하는 실질적으로 폐쇄된 기공으로 충전된 다공성의 배향된 중합체 매트릭스 및 미립자 충전제 물질로 구성되는, 본 발명자의 이전 특허 출원 PCT/CA00/01555에 기재된 발명과 대비된다. 부피의 상당 부분이 공기였으며, 미립자 충전제는 중합체 매트릭스 중의 기공 또는 공극의 비교적 적은 비율을 점유하였다.

본 발명에서, 충전제 비율이 너무 적으면 충전제가 폐쇄된 기공 중에 남아 있어서 시멘트 반응을 일으키는 반응 유체에 접근할 수 없다. 충전제 대 중합체의 특정 비율은 연신 속도 및 온도와 같은 공정 매개변수에 어느 정도 의존할 수 있다. 그러나, 일반적으로는 상호침투 망상구조를 달성하는데 약 50:50의 부피 비율이 필요할 것으로 예측된다. 부피비는 구성 성분의 밀도에 따라 상기 성분의 중량비와 유의하게 다를 수 있음을 인식해야 한다. 예컨대, 포틀랜드 시멘트는 3.1의 상대 중력을 갖지만 폴리프로필렌은 0.9의 상대 중력을 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시양태에서, 배향가능한 열가소성 중합체는 폴리프로필렌이다. 그러나, 당업자라면 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐 ("PVC") 및 PET와 같은 배향가능한 다른 열가소성 중합체가 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 상기 목록은 단지 예시를 위한 것일 뿐 전체를 망라하고자 하는 것은 아니며, 성분 분자 구성의 "신장"으로부터 일어날 수 있는, 승온에서 연신된 결과로 신장성에 대해 힘의 증가를 나타내는 임의의 열가소성 중합체가 사용될 수 있다.

동일 반응계에서 수화된 다이 연신되어 발포 배향된 시멘트 폴리프로필렌:

아클로(Aclo) 컴파운더에 의해 시멘트 75 중량% 대 폴리프로필렌 25 중량% 비율로 상용 포틀랜드 시멘트를 순수한 폴리프로필렌 공중합체 (Basell PDC 1275, MFI 8-10)와 배합하였다. 상기 배합물을 순수한 폴리프로필렌 단독중합체 (BP 10-6014, MFI 약 0.7)와 더 혼합하여 다양한 수준의 포틀랜드 시멘트를 갖는 최종 물질을 제조하였다. 상기 시멘트/폴리프로필렌 물질을 단일 스크류 압출기 (1.75 인치 델타플라스트 (Deltaplast)) 에서 1.75 인치×0.375 인치 다이를 통해 압출하였다.

초기 실험에서, 1 ft/분의 속도로 압출된 물질은 폴리프로필렌 중 37.5 중량%, 52.5 중량% 및 67.5 중량% 시멘트로 이루어졌다. 이어서, 상기 물질을 145 ℃의 8 피트 강제 대류 오븐에 통과시킨 다음, 15 도의 상부 및 하부 다이 각도 및 25 도의 측부 각도, 및 출구 면적에 대한 부품 크기 1.8의 비율을 갖는 수렴하는 가열된 다이 (145 ℃)를 통해 연속으로 잡아당겼다.

상기 시멘트 충전제의 각 수준은 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 최종 부품에서 상이한 밀도를 나타냈다. 복합 재료의 연신 (즉, 다이 연신 (die drawing) 또는 자유 연신 (free drawing))은 출발 빌렛 (billet)의 상대 밀도보다 상당히 낮은 상대 밀도를 갖는 물질을 생성한다. 발포 배향된 목재 충전된 폴리프로필렌의 경우처럼, 상기 감소된 밀도는 미립자 충전제 및 폴리프로필렌이 서로 부착하지 않고 (아마도 미립자 충전제 및 폴리프로필렌 각각의 극성에서의 불일치로 인한 것일 수 있음) 오히려 떨어진 채로 남아있음으로써 연신 공정 동안 공극을 생성한 결과라고 생각된다.

표 2에서 밀도는 시편의 치수 및 질량을 측정하고, 부피를 계산하고, 이를 통해 밀도를 측정함으로써 계산된다. 물질은 다공성 구조내로 약간의 액체를 쉽게 흡수할 것이기 때문에 이 경우 밀도 또는 부피를 측정하기 위한 액체 치환 방법은 신뢰성이 없다.

포틀랜드 시멘트(중량%) 폴리프로필렌(중량%) 밀도(g/cm3) 37.5 62.5 0.90 52.5 47.5 0.85 67.5 32.5 0.82

시멘트의 양이 증가함에 따라, 시멘트 입자가 연신 공정 동안 공극을 형성하는 작용을 하여 다공성 최종 물질이 얻어지기 때문에 총 밀도는 감소한다. 다공성 구조물의 공극 내에 있는 시멘트를 수화하기 위해 상기 다공성 최종 물질을 물에 함침할 수 있다. 물 흡수를 가속하기 위해, 시료를 상용 부엌 모델 압력 쿠커에 넣었다. 다양한 시간에 시료를 압력 쿠커에서 제거하여 그 표면을 건조하고 시료를 칭량하였다. 도 3은 3가지 시료의 경우에 일정 기간 동안의 물 흡수를 예시한다.

연신 전후 물질의 밀도를 사용하여 공극 비율을 계산하였다. 67.5% 시멘트의 경우, 물 흡수 시험 말기에 90% 미만의 공극 부피만이 채워졌다. 상기 물은 시멘트와 반응하여 다공성 물질의 공극 내부에 수화된 생성물을 형성하는 것으로 예상되었다. 시멘트의 수화도를 조사하기 위해, 주변 조건에서 시료를 공기중에서 경화시키고 시료의 중량을 추적하였다 (도 4).

도 4는 대부분의 물이 손실됨을 나타내지만, 시료가 정상 상태에 도달한 후 (67.5% 시멘트 시료에서 16 000분후 처럼) 일부의 물은 유지된다. 시멘트에 대한 유지된 물의 질량비는 수화 수준을 나타낸다. 67.5% 시멘트 시료 경우, 시멘트와 물의 질량비는 6.3:1이다.

동일한 시험을 도 5에 그래프로 만들고, 시멘트와 물의 비율을 계산하였다. 시험 말기에 물이 유지되었음을 알 수 있다. 물에 대한 시멘트의 비율이 낮은 것은 완전한 수화를 위해 바람직하다.

수화된 시멘트에 대한 연소 효과를 조사하기 위해, 폴리프로필렌 중 수화 및 비수화 67.5% 포틀랜드 시멘트 시료를 스케일 (scale)에서 호일 팬 (foil pan)상의 와이어 홀더 (wire holder)에 넣었다. 이 시료를 부탄 화염으로 점화하고, 물질 연소, 질량 변화 및 화염 높이를 기록하였다. 연소가 진행함에 따라 질량이 감소하였는데, 질량 감소 속도는 비수화된 시료에 비해 수화된 시료에서 더 느렸다. 도 6은 수화된 시료 및 비수화된 시료의 질량 변화 속도를 예시하는데, 수화된 시료는 비수화된 시료보다 더 느린 질량 감소 속도를 나타낸다. 질량을 초기 시료 질량의 비율로 제시하였다.

도 7은 연소 실험의 질량 및 화염 높이 데이타를 예시한다. 재료 연소 속도 (g/분/cm3)의 결과를 화염 높이와 함께 그래프로 만들었다. 연소 속도는 화염 높이에 반영되며, 수화된 시료는 현저하게 낮은 화염 높이 및 재료 연소 속도를 나타내었다. 비수화된 시료는 118초에 큰 덩어리의 재료를 떨어뜨리기 시작했지만 수화된 시료는 시험하는 동안 손상되지 않은채로 남아있었다.

폴리프로필렌이 재료로부터 효과적으로 연소되었기 때문에, 폴리프로필렌은 분명히 연속상으로 있었으며 발화/발연됨에 따라 표면으로 이동하였다. 잔사는 타지 않은 본래의 시료 보다 약간 더 작았기 때문에, 수화된 시멘트는 매우 다공성인 시멘트로 공극을 채우거나 또는 공극의 외벽을 코팅하고, 이러한 방식으로 연소가 끝난 후에 부피를 유지한다. 남아있는 수화된 시멘트는 고형 블록으로 남아있었으며 즉시 먼지로 되지는 않았기 때문에, 제2 연속상을 구성할 수 있으며, 또는 수화된 시멘트의 도메인들을 기계적으로 또는 연소하는 폴리프로필렌으로부터의 재(ash)에 의해 간단히 유지할 수 있다. 어떤 경우, 폴리프로필렌이 소비된 후, 남아있는 물질은 구조 재료로서 쓸모없다고 생각될 정도로 강도가 거의 없으며 약간의 바람으로도 먼지로 되었다. (50배율) 현미경 조사로는 수화 전후에 공극 외관에 임의의 변화는 나타나지 않았다. 현재, 수화된 시멘트의 정확한 형태는 알려져 있지 않다.

이러한 결과로부터, 시멘트는 특정 수화 수준에 도달하며, 이 수화된 시멘트는 폴리프로필렌이 연소되는 것을 방지하는 것이 아니라 불활성 충전제에 비해 그러한 연소 공정을 변형시킨다는 것을 알 수 있다. 또한, 폴리프로필렌이 제거된 후, 시멘트 잔여분은 즉시 부서지지 않았다. 이는 수화된 시멘트가 공극에서 소립자 형태로 존재하는 것이 아니라 (아마도 큰 공극 크기를 갖는) 공극내에 퍼져있으며 입자 부착된 네트워크를 형성하거나 또는 입자의 형태로 인해 기계적으로 함께 고정되었음을 나타낸다.

수화 및 비수화 다이 연신된 포틀랜드 시멘트-폴리프로필렌의 시료를 16:1 이상의 시험 스팬 (span) 대 두께 비율을 사용하여 3 점 굴곡 시험 (bending)을 수행하였다 (도 8 내지 10에 나타냄). 결과는 모든 경우에서 전술한 수화 공정에 노출된 시료가 증가된 내하력을 갖는다고 나타낸다. 도 8은 67.5 중량%의 시멘트 함량을 갖는 시료의 비교를 예시하고, 도 9는 52.5 중량%의 시멘트 함량을 갖는 시료의 비교를 예시하며, 도 10은 37.5 중량%의 시멘트 함량을 갖는 시료의 비교를 예시한다.

동일 반응계에서 수화된 자유 연신되어 발포 배향된 시멘트 폴리프로필렌:

40 중량%, 50 중량% 및 60 중량%의 시멘트 함량을 갖는 압출된 시멘트/폴리프로필렌의 스트립을 제조하고, 연신 벤치(bench)를 사용하여 배치 모드로 자유 연신시켰다 (즉, 다이를 사용하지 않고 연신시킴). 길이 48 인치로 시료를 잘라내고, 3/8인치 핀의 경우 한쪽 말단으로부터 2 인치를 드릴로 천공하였다. 이 절단된 시료를 150 ℃의 오븐에 최소 30분 동안 두었다. 이어서, 시료를 오븐으로부터 제거하고, 테일(tail) 말단을 수중에서 수초 동안 냉각하고, 테일 말단을 통하는 핀을 갖는 연신 벤치 (150 ℃)의 챔버를 통해 위치시켰다. 이어서, 다른 말단을 연신 벤치의 손잡이(gripper)로 잡아 8.5 ft/분으로 당겼다. 형성된 넥(neck)이 유지 핀 주변의 냉각된 재료에 가까울 때까지 제1 세트 시료를 잡아당겼다. 제2 세트 조작을 수행하였으며, 각 시료가 파괴되거나 또는 리그(rig)가 더 잡아당길 수 없을 때까지 시료를 잡아당겼다. 시료의 밀도 및 선형 연신비 (LDR)는 표 3에서 확인할 수 있다.

실험 1 - 초기에 중단함 실험 2 - 가능한 멀리 신장됨 시멘트 함량(중량) 밀도 (g/cm3) LDR 밀도(g/cm3) LDR 40% .74 13 .59 17(공간 이탈) 50% .75 11.5 .62 16.5(공간 이탈) 60% .66 11.125 .64 12 (파괴)

실험 1의 시료를 부엌 모델 압력 쿠커에 넣고, 장비에 대한 설정 압력에서 증기에 노출시켰다. 시료를 일정 간격을 두고 제거하고, 그 표면을 건조한 다음, 칭량하였다. 압력 쿠커에서 일정 시간 후, 시료를 제거하고, 표면이 냉각되지 않도록 시료를 신속하게 실온의 물에 넣고, 중량을 주기적으로 측정하였다. 측정후, 시료를 주변 공기 온도에 두어 경화시켰다.

시멘트 대 물의 질량비 측면에서, 상기 자유 연신된 시편은 큰 공극 부피로 인해 높은 초기 물 함량을 나타내지만, 일정 시간 후, 수화된 시멘트는 상기 섹션의 다이 연신된 시멘트 시료와 매우 유사하게 정상 상태에 도달할 때까지 물을 배출한다 (도 11).

상기 내용은 본 발명을 제한하는 기재라기 보다는 예시를 위한 것이다. 당업계의 숙련가라면 하기 설정된 청구의 범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 변형시킬 수 있음은 분명하다. 생성된 산물에 기여하는 것으로 현재 생각되는 다양한 메카니즘이 제안되어 왔지만, 그러한 메카니즘은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함될 뿐이다. 이들 메카니즘의 일부가 이론적인 것임은 분명해야 하며, 따라서 기재된 본 발명을 한정하는 것으로 고려해서는 안된다.

Claims (9)

  1. 연신 공정에 의해 제조된 고도로 배향된 중합체, 및
    유체와 반응하여 시멘트 결합 (cementitious bond)을 형성할 수 있는, 고도로 배향된 상기 중합체와 부착하지 않는 미립자 충전제를 포함하며, 상기 충전제의 분산량 및 분산도는 상기 충전제가 상기 유체와 반응하여 복합 재료중에 상호침투 (interpenetrating) 중합체 및 시멘트 망상구조를 형성하도록 선택되는 것인 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미립자 충전제가 규산염 시멘트 및 석고로 이루어진 군으로부터 선택되는 일원인 복합 재료.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미립자 충전제가 포틀랜드 (Portland) 시멘트 및 황산칼슘 반수화물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 복합 재료.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미립자 충전제가 비반응성 성분을 추가로 포함하는 것인 복합 재료.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비반응성 성분이 목재 톱밥인 복합 재료.
  6. 제1항에 있어서, 연신 공정이 다이 연신 공정 (die drawing process)인 복합 재료.
  7. 제1항에 있어서, 연신 공정이 자유 연신 공정 (free drawing process)인 복합 재료.
  8. 제3항에 있어서, 배향된 중합체에 대한 포틀랜드 시멘트의 중량비가 37.5 중량% 내지 67.5 중량%인 복합 재료.
  9. 제3항에 있어서, 배향된 중합체에 대한 포틀랜드 시멘트의 중량비가 67.5 중량%인 복합 구조 재료.
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