KR20170011776A - 셀룰로오스 에테르를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 - Google Patents

셀룰로오스 에테르를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 셀룰로오스 에테르(cellulose ether)를 포함하며, 상기 셀룰로오스 에테르는 메톡시기 치환율이 24 중량% 이상 31 중량% 이하인 것만으로 이루어진 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제를 제공한다.

Description

셀룰로오스 에테르를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 {CEMENT MORTAR ADDITIVE FOR EXTRUSION COMPRISING CELLULOSE ETHER AND CEMENT MORTAR FOR EXTRUSION COMPRISING THEREOF}
본 발명은 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온에서도 짧은 경화 시간을 갖도록 하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르에 관한 것이다.
압출 성형용 시멘트 모르타르는 시멘트, 펄프 또는 섬유, 첨가제 및 선택적으로 골재를 포함한다.
압출 성형된 시멘트는 상기 구성 물질의 믹싱, 혼련, 압출, 양생(경화) 과정을 거쳐 형성된다. 이 때, 상기 첨가제는 시멘트 모르타르의 압출 성형 시 보형성, 윤활성 및 보수성을 증진시키는 역할을 한다. 또한, 상기 첨가제는 시멘트 모르타르와의 가소적 결합력을 증진시켜 높은 성형성 및 매끄러운 표면을 가진 제품의 생산을 가능하게 할 수 있다.
압출 성형용 시멘트 모르타르의 경화는 고온에서 짧은 시간에 이루어지는 것이 바람직하나, 낮은 온도에서는 경화 시간이 오래 걸려서 겨울철 시멘트 양생의 공정 시간이 길어지는 문제가 있다.
대한민국 특허출원 제1989-0328790호는 시멘트 조성물의 응결 경화 시간이 지연되는 것을 방지하기 위하여 첨가제로서 1% 농도의 수용액 상태에서 8,000 cps 이상의 점도와 요변성(thixotropic)을 갖는 수용성 셀룰로오스 에테르를 함유하는 압출 성형용 시멘트 조성물을 개시하고 있다.
대한민국 특허출원 제1989-0212419호는 성형기 내의 발열에 의하여 촉진되는 무기질의 경화 시간을 지연시키는 기술로서, 석면 섬유 이외의 보강 섬유 재료를 함유하는 압출 성형에 있어서, 고로슬래그/시멘트를 중량비를 기준으로 70/30~90/10으로 혼합한 재료 및 상기 혼합 재료 100 중량%에 대하여 0.3 ~ 2.0 중량%의 알킬 셀룰로오스 및/또는 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스를 함유하는 압출 성형용 시멘트 조성물을 압출 성형시킨 후, 상기 압출 성형용 시멘트 조성물을 오토클레이브(autoclave)로 100℃ 이상의 온도에서 가압하여 양생시키는 공정을 개시하고 있다.
그러나, 상기 종래 기술들은 저온에서도 짧은 경화 시간을 갖도록 하는 첨가제에 관한 내용은 개시 또는 암시하고 있지 않다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 압출 성형용 시멘트 모르타르를 양생할 때, 저온에서도 짧은 경화 시간을 갖도록 하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제 및 이를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제는 셀룰로오스 에테르(cellulose ether)를 포함하며, 상기 셀룰로오스 에테르는 메톡시기 치환율이 24 중량% 이상 31 중량% 이하인 것만으로 이루어질 수 있다.
일 예로, 상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose) 및 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 셀룰로오스 에테르는 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose) 및 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르는 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제는 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 총 중량에 대하여 0.1 ~ 7.0 중량% 일 수 있다.
일 예로, 40 ℃에서 상기 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르의 경화 시작 후 1 MPa의 강도를 얻는 시간은 8시간 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르는 저온에서도 양생 시간이 짧아 겨울철에도 그 공정 시간이 줄어드는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제는 셀룰로오스 에테르(cellulose ether)를 포함할 수 있으며, 상기 셀룰로오스 에테르는 메톡시(methoxy)기 치환율이 24 중량% 이상 31 중량% 이하인 것만으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서, 메톡시기의 치환율이란 하기 화학식 1에서와 같이, 치환된 셀룰로오스의 반복 단위를 구성하는 원소들의 원자량 총합 중 각각의 치환체를 구성하는 원소들의 원자량 총합의 비율을 의미한다. 이하 동일한 의미로 사용된다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 식에서, R은 서로 독립적으로 -CH3, -CH2CH3, -CH2CH2OH 또는 -CH2CHOHCH3이고, n은 1 이상의 정수이다.
천연 셀룰로오스 펄프를 이용하여 제조되는 각종 셀룰로오스 에테르 유도체는 증점제, 보수제, 또는 재료분리 저감제 등의 명칭으로 시멘트 모르타르용 혼화제로서 널리 사용되고 있다. 이러한 셀룰로오스 에테르가 시멘트 모르타르용 혼화제로 사용되는 주된 이유는 시멘트 모르타르에 혼입된 셀룰로오스 에테르가 보수 작용, 수화 반응 지연 작용 및 공기 인입(引入) 작용이라는 3대 기본작용을 수행함으로써 소정 시간 동안 응결되지 않도록 하여 시멘트 모르타르의 작업성을 개선하고 재료의 분리를 방지하며 경화된 모르타르의 강도를 증가시키기 때문이다.
보수 작용이란, 시멘트가 충분한 강도를 갖도록 하기 위하여 물을 모르타르 내부에 유지하는 작용을 말한다. 결합재로서 시멘트를 사용하는 건축 마감용 모르타르는 1 ~ 30 mm 정도의 매우 얇은 시공 두께를 갖는 것이 일반적이다. 이 경우, 시공 직후부터 물이 하지(substrate)에 흡수되고 대기 중으로 증발되면서 수분이 급감하게 되어 정상적인 응결 강화가 일어나지 않는데 이를 드라이 아웃(dry out)이라고 한다. 따라서, 충분한 강도 발현을 위해서는 시멘트의 수화 반응에 필요한 물이 모르타르 내부에 오랫동안 유지되는 것이 중요하며, 모르타르 내부에 충분한 양의 물이 존재하는 시간 내에 최대의 수화 반응이 진행되도록 모르타르의 배합을 설계하는 것이 중요하다. 셀룰로오스 에테르는 상기와 같이 시멘트의 수화반응에 필요한 물을 오랫동안 잡아 주는 작용, 즉 보수 작용을 수행하게 된다. 일반적으로 시멘트 모르타르의 작업 가능 시간은 모르타르 비빔(mixing) 후 약 1시간 정도이면 충분하며 일단 시공이 완료되면 빠른 시간 내에 시멘트의 수화 반응이 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
수화 반응 지연 작용이란, 시멘트 모르타르가 비빔수(mixing water)에 혼합 및 용해되어 점도 발현을 할 때, 셀룰로오스 에테르의 일부 미치환된 OH기가 시멘트 입자 표면의 Ca2 + 이온에 흡착하여 시멘트와 물이 접촉하는 것을 방해함으로써 시멘트의 수화 반응을 저해하는 것을 말한다. 이러한 수화 반응 지연 작용은 모르타르의 작업 가능 시간을 연장시켜주는 역할을 하기도 하지만 과도한 지연작용은 시멘트의 충분한 경화를 방해하여 최종적으로는 모르타르의 강도를 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 시공 후 빠른 수화 반응을 통해 강도의 증가를 도모하기 위해서는 보수성 및 작업 가능 시간이 확보되는 범위 내에서 셀룰로오스 에테르가 시멘트에 흡착되는 양을 최소화하도록 시멘트 모르타르를 설계하는 것이 바람직하다.
공기 인입 작용이란, 셀룰로오스 에테르의 계면 활성 작용에 의하여 시멘트 모르타르에 비빔 시에 공기를 인입하는 작용을 말한다. 인입된 미세한 공기 기포들은 모르타르 내에서 볼 베어링(ball bearing) 작용을 하여 골재간의 마찰을 줄여줌으로써 작업성을 개선하는 역할을 수행한다. 그러나, 과도한 공기 인입량은 경화된 시멘트 모르타르의 강도를 저하시키는 결과를 초래하게 되고, 아울러 시멘트 모르타르의 처짐 저항성(sag resistance)도 감소시킨다. 따라서, 작업성이 확보되는 범위내에서 인입 공기량을 최소화하는 방향으로 시멘트 모르타르를 설계하는 것이 바람직하다.
상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose) 및 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose) 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 셀룰로오스 에테르는 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose) 및 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose) 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 더욱 구체적으로 상기 셀룰로오스 에테르는 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose) 또는 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose)일 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르는 메톡시기 치환율이 24 중량% 이상 31 중량% 이하인 것만으로 이루어질 수 있다. 시멘트에 흡착되는 셀룰로오스 에테르의 양은 셀룰로오스 에테르의 메톡시기 치환율에 크게 영향을 받으며 메톡시기 치환율이 높을수록 시멘트에 흡착되는 셀룰로오스 에테르의 양은 적어지게 된다. 따라서, 셀룰로오스 에테르의 메톡시기 치환율이 24 중량% 미만인 것이 포함될 경우, 용해성이 떨어지고 시멘트의 수화 반응 지연 시간이 과도하게 길어져서 일정한 강도를 갖는 시멘트의 발현 시간이 길어지므로, 40 ℃ 이하의 저온에서 압출 성형용 시멘트 모르타르의 경화 시간이 8시간을 초과할 수 있다. 셀롤로오스 에테르의 메톡시기 치환율이 31 중량%를 초과하는 경우 생산성이 떨어지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 모르타르, 시멘트 및 골재를 포함할 수 있다.
상기 시멘트로는 포틀랜드 시멘트(Portland cement), 플라이 애쉬 시멘트(fly ash cement), 알루미늄 함유 시멘트(aluminous cement)등의 수경성 시멘트가 사용될 수 있으며, 컬러 시멘트 등을 사용하여도 무방하다. 필요할 경우, 반수석고, 소석회, 탄산칼슘, 백운석 플라스터, 및/또는 점토 등을 함께 사용할 수도 있다. 상기 골재로는 강모래, 산모래, 규사, 경량 골재(예를 들어, 펄라이트(pearlite))등이 사용될 수 있다. 이외에도 에멀젼 및/또는 섬유물질 등을 배합하여도 무방하다.
상기 골재의 배합량은 시멘트의 중량 대비 30 ~ 300 중량%인 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 시멘트 모르타르에는 물을 첨가하여 일정한 방식에 의해 혼련하지만, 물은 통상 요구되는 시멘트 모르타르의 시공성(workability)을 확보할 수 있을 만큼의 양이 첨가된다. 한편, 상기 시멘트 모르타르에는 타일 시멘트 모르타르, 타일 줄눈 모르타르, 조적 모르타르, 그라우트 모르타르, 철근 콘크리트 보수 모르타르, 시멘트 플라스터 등 시멘트를 결합재로 사용하는 건축공사 마감재 또는 보수재용 시멘트 모르타르가 포함될 수 있다.
상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제는 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 총 중량에 대하여 0.1 ~ 7.0 중량% 일 수 있다. 상기 첨가제의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우, 보수성, 수화 반응 지연성 등의 첨가제로서의 기능이 충분히 발현될 수 없다. 상기 첨가제의 함량이 7.0 중량%를 초과하는 경우, 수화 반응 시간이 현저하게 길어지게 되는 문제가 있다.
상기 셀룰로오스 에테르의 2 중량% 수용액은 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용하여 20 ℃ 및 20 rpm에서 측정한 점도가 1,000 ~ 100,000 cps 일 수 있다. 상기 점도가 1,000 cps 미만인 경우, 통상적인 사용 범위에서 보수율이 부족할 수 있다. 100,000 cps를 초과하는 경우, 공기 인입량이 과도하게 많아져서 경화 후 시멘트 모르타르의 강도가 약해질 수 있고, 셀룰로오스 에테르의 첨가량이 많아지기 때문에 비용이 증가할 수 있다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~6 및 비교예 1~2
포틀랜드 시멘트(동양 시멘트, 1종 보통 시멘트), 실리카 샌드(SAC, S-SIL 20), 쿼츠 샌드(경인 소재, 8호사), 규회석(와이엔케미칼), 펄프(Arbocel, ZZ8/2CA1) 및 폴리프로필렌(PP) 섬유(나이콘 소재)를 하기 표 1에 나타나는 조성과 함량으로 혼합하여 압출 성형용 시멘트 모르타르를 제조하였다.
상기 시멘트 모르타르에 외할로 하기 표 1에 나타나는 조성과 함량으로 첨가제를 첨가하여 건비빔(dry mixing)하였다.
건비빔한 시멘트 모르타르에 외할로 물 27 중량%를 부은 후 믹서를 이용하여 20분간 혼련하였다. 물의 첨가로 인하여 시멘트 모르타르가 일정한 점도를 나타내도록 하였다.
내할(%) 외할(%)
포틀랜드 시멘트 실리카 샌드 쿼츠 샌드 규회석 펄프 PP 섬유 MC
MC 종류 함량
실시예 1 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HPMC1 0.7 27
실시예 2 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HPMC2 0.7 27
실시예 3 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HPMC3 0.7 27
실시예 4 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HEMC1 0.7 27
실시예 5 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HEMC2 0.7 27
실시예 6 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HEMC3 0.7 27
비교예 1 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HPMC4 0.7 27
비교예 2 49 30.7 10.0 5.0 5.0 0.3 HEMC4 0.7 27
HPMC1: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:24.0중량%
HPMC2: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:25.5 중량%
HPMC3: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:26.1 중량%
HPMC4: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:23.5 중량%
HEMC1: 삼성정밀화학㈜, EMA-70U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:24.1 중량%
HEMC2: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:25.4 중량%
HEMC3: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:26.2 중량%
HEMC4: 삼성정밀화학㈜, PMC-60U, 점도:60,000cps, 메톡시기 치환율:23.5 중량%
[평가예]
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 압출 성형용 모르타르의 굴곡 강도와 굴곡 강도(1 MPa) 발현시간을 각각 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
(굴곡 강도 평가)
압출 성형용 시멘트 모르타르를 40 ℃에서 경화하기 시작한지 8시간 후에 발현된 굴곡 강도를 각각 측정하였다.
(굴곡 강도(1 MPa) 발현시간)
압출 성형용 시멘트 모르타르를 40 ℃에서 경화하기 시작한 후 굴곡 강도가 1 MPa에 이르기까지의 시간을 각각 측정하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2
굴곡강도
(MPa)
1.18 1.82 2.10 1.18 1.84 2.12 0.91 0.90
굴곡 강도(1MPa) 발현 시간 7.5 5.2 4.9 7.2 5.3 4.8 8.5 8.7
표 2를 참조하면, 셀룰로오스 에테르의 메톡시기 치환율이 24.0~31.0 중량% 범위인 실시예 1~6의 굴곡강도가 메톡시기 치환율이 24 중량% 미만인 비교예 1~2에 비해 상당히 높은 것을 알 수 있다.
그리고, 셀룰로오스 에테르의 메톡시기 치환율이 24.0~31.0 중량%일 때 경화 후 굴곡강도 1 MPa에 이르기까지의 시간이 8시간 이하의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 셀룰로오스 에테르의 메톡시기 치환율이 24.0 중량% 미만인 경우 경화 후 굴곡강도가 1 MPa에 이르기까지의 시간이 8시간을 초과하는 것을 알 수 있다. 따라서, 메톡시기가 24.0~31.0 중량% 이상인 셀룰로오스 에테르를 첨가제로 첨가함으로써 저온에서 시멘트 양생 공정 시간을 단축할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 셀룰로오스 에테르(cellulose ether)를 포함하며,
    상기 셀룰로오스 에테르는 메톡시기 치환율이 24 중량% 이상 31 중량% 이하인 것만으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose) 및 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose) 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르는 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose) 및 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제를 포함하는 압출 성형용 시멘트 모르타르.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압출 성형용 시멘트 모르타르 첨가제는 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르의 총 건조 중량에 대하여 0.1 ~ 7.0 중량% 인 것을 특징으로 하는 압출 성형용 시멘트 모르타르.
  6. 제4항에 있어서,
    40 ℃에서 상기 압출 성형용 시멘트 모르타르의 경화 시작 후 1 MPa의 강도를 얻는 시간은 8시간 이하인 것을 특징으로 하는 압출 성형용 시멘트 모르타르.
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