KR20170059888A - 탄소섬유 및 수팽윤성 응집체 함유 방수소재용 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질아스팔트와 상용성이 있도록 표면개질되거나 결합되고 동시에 캡슐 안 유/무기 재료의 수팽윤성을 유지하게 하는 수팽윤성 유/무기 캡슐이 방수재에 손상(잔갈림 및 찢김 등)이 발생 시 누수에 쓸려나가지 않고 크랙으로 갈라진 수팽윤성 유/무기 캡슐 사이 또는 수팽윤성 유/무기 캡슐 표면에 노출된 층간(inter-layer)으로 물이 침투하고 캡슐 내부의 수팽윤성 유/무기 입자가 수팽창하여 손상된 방수재가 자가보수(self-repair)되는 신규한 기능성 방수소재에 관한 것으로 본 발명에 따르면 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화 및 방수재의 물성 제고에 기여하고 환경친화적인 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진한 고기능성 하이브리드 방수재와 그 제조방법을 제공하여 방수산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

탄소섬유 및 수팽윤성 응집체 함유 방수소재용 조성물 및 그 제조방법{Waterproofing composition comprising carbon fiber and water-swelling aggregate, and prepararing method thereof}
탄소섬유 및 수평윤성 응집체를 함유하는 방수소재용 조성 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방수재에 손상(잔갈림 및 찢김 등)이 발생하여 누수가 되었을 때 기능성 유/무기재료가 유실되지 않고 쪼개진 기능성 유/무기재료 캡슐(실란화 코팅) 안의 기능성 유/무기재료(벤토나이트 입자들 또는 층간에 폴리아크릴산을 삽입(intercalate)한 벤토나이트 입자들)들이 팽윤하면서 자가보수(self-repair)가 수행되어 방수재의 성능이 유지 되도록 기능성 유/무기재료 캡슐을 개질아스팔트에 충진한 기능성 방수소재 및 이를 함유한 방수 개질아스팔트의 물성 제고용 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진한 고기능성 하이브리드 방수재와 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 각종 건축 구조물 및 토목 구조물의 내구성 확보에 있어서 방수성능이 차지하는 비중은 점차로 증가하는 추세에 있다. 종래에는 방수공사에 있어서 보강재가 포함된 방수시트의 주된 사용으로 방수도막 자체의 강도가 문제가 되지 않았으나 최근에 방수시트를 사용하지 않고 방수도막을 사용하는 방수공사 수요가 증가하는 추세이다. 이에 따라 새로운 방수자재 및 방수공법들이 다수 개발되어 왔으나, 이러한 방수자재의 개발에 사용되는 재료적 한계로 말미암아 대부분 비슷한 재료를 활용하여 일부 기능만을 향상시킨 자재의 개발만이 이루어지고 있는 실정이다. 따라서, 요즈음은 방수기술의 재료적인 한계를 극복하여 방수기능의 향상 및 각종 구조물의 내구성 향상까지 기여하는 우수한 물성을 갖는 고기능성 방수재의 개발이 필요하다.
지금까지 개질아스팔트 요소 즉, 아스팔트, 고분자 개질제, 가소재, 점착제 등으로 구성된 방수분야의 개질아스팔트에 관한 특허 문헌을 살펴보면 방수 개질아스팔트가 파손되어 누수가 되는 경우에 파손된 틈에서 팽창하여 자가보수(self-repair)를 수행하는 방수 개질아스팔트에 첨가되는 수팽윤성 유/무기재료와 소수성인 개질아스팔트 간의 상용성에 대하여는 공지된 바 없다. 현재까지의 방수 개질아스팔트에 첨가되는 수팽윤성 유/무기재료는 혐수성인 개질아스팔트 간에 상용성이 전혀 없으므로, 방수개질아스팔트 제조 시에 도 1에 보인바와 같이 첨가되는 수팽윤성 유/무기재료 입자의 분산이 되지 않고 응집이 발생하고, 개질아스팔트 파손 및 누수 시에 누수되는 부분에 수팽윤성 유/무기재료 입자가 존재하지 않거나 유실이 되어 하자발생과 성능을 유지 못하는 치명적 결함이 있었다. 도 1에 도시된 공지된 발명 즉, 벤토나이트가 첨가된 방수 개질아스팔트 관련 특허 제0549564호(특허문헌 1 참조)에는 폐타이어 용융액이 아스팔트 및 벤토나이트를 모두 결합하는 것으로 개시되어 있으나, 폐타이어 용융액과 벤토나이트간에는 상용성이 없으므로 폐타이어 용융액과 벤토나이트는 결합할 수 없는 것이다. 따라서 방수 개질아스팔트의 설치 후에 크ŽL이 발생하여 누수가 되었을 때에 첨가된 벤토나이트를 아스팔트, 고분자 개질재 및 폐타이어 용융액이 물리적으로 둘러싸지(물리적 제한) 않으면 첨가된 벤토나이트는 유실되기 쉬운 것이다. 다시 말하면 상기 공지된 발명은 벤토나이트가 유실되지 않도록 가황을 하여 폐타이어 용융액 및 고분자 개질재의 이중결합이 있는 탄소를 가교시키는 것을 제시하고 있지만, 가교되는 것은 폐타이어 용융액과 고분자 개질재이므로 결국 크ŽL이 발생하여 누수발생 시 벤토나이트가 외부로 노출이 되면 곧 바로 물리적 제한이 해제되어 유실되기 쉬운 것이다.
따라서, 본 발명은 개질아스팔트 방수재에 첨가되는 수팽윤성 유/무기재료와 소수성인 개질아스팔트 간에 상용성을 가지게 하거나 결합시키고, 동시에 상기 유/무기 재료의 수팽윤성을 유지하게 하는 개질아스팔트 간의 상용성이 있는 기능성 유/무기 재료 캡슐을 이용하는 것으로 본 발명은 방수 개질아스팔트가 하자 없이 성공적인 성능을 유지하는데 필요한, 현재까지의 기술과 차별성이 있는 공백기술로서 중요한 발명인 것이다.
또 최근 개질아스팔트 방수재의 인장강도 등의 물성제고 및 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화에 기여할 수 있는 충진재 기술개발이 필요하였다. 현재 방수재에 사용되고 있는 탄산칼슘은 탈황제로 재사용되거나 건축자재, 플라스틱, 제지, 고무 등 다양한 용도의 산업재료의 충진제로 활용될 수 있으나 비중이 2.71 ∼ 2.83로서 비중이 1.8로서 glass fiber 비중의 약 70%임에 비해 지나치게 매우 큰 탄소재료이다. 탄산칼슘은 주로 미립질 방해석 형태로 얻어지는데 고도 이용화를 위해서는 고기능성 물질로의 기질의 개선이 요구되어 왔다. 미립화한 탄산칼슘 분체는 매우 중요한 기능성 무기질 충진제로서 주로 플라스틱, 고무, 마그네틱, 페인트 및 제지 공업 등에 이용되고, 이러한 공업적 사용은 주로 탄산칼슘의 분산성, 점결성, 압밀성을 이용하는 것으로 탄산칼슘의 입자 형상이나 입자크기, 입자의 표면 상태에 따라 활용도가 결정된다. 그러나 이러한 미립화한 탄산칼슘 분체는 열역학적으로 높은 표면에너지와 작은 입자 크기로 인해 덩어리로 엉기는 응집현상이 일어나서 실제적인 활용에 있어서는 큰 부정적 요인이 되었다. 또한 대부분의 미립 분체들의 표면은 친수성이며 큰 극성을 가지므로 대부분 비극성을 띄는 유기 매개체와의 친화력이 약하므로 고무나 페인트 등의 유기물질 제품 생산에 적용시키기에는 한계가 있었다. 더욱이 탄산칼슘 분말을 폴리에틸렌계 및 폴리프로필렌계 탄성체에 첨가할 경우 용융유동성, 인장강도 및 연신율이 감소하여 오히려 시트 성형성이 현저히 저하되는 것으로 보고되고 있다.
본 발명자들은 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴한 제품이 아니라, 소비자와 사회의 요구에 부합되는 충진재로서 물성을 제고하는 고기능성 하이브리드 소재 개발에 관심을 집중하고 이에 부합하는 소재로서 탄소성형 첨단부품에 주로 투입되는 탄소섬유에 주목하고 상기 충전재의 용도에 따라서 적당한 비율로 적용하는데 성공하였다.
특허문헌 1 : 특허 제0549564호 등록특허공보
따라서 본 발명의 목적은 개질아스팔트와 상용성이 있도록 표면개질되거나 결합되고 동시에 캡슐 안 유/무기 재료의 수팽윤성을 유지하게 하는 수팽윤성 유/무기 캡슐이 방수재에 잔갈림 또는 찢김 등의 손상이 발생 시 누수에 쓸려나가지 않고 크랙으로 갈라진 수팽윤성 유/무기 캡슐 사이나 수팽윤성 유/무기 캡슐 표면에 노출된 층간(inter-layer)으로 물이 침투하고 캡슐 내부의 수팽윤성 유/무기 입자가 수팽창하여 손상된 방수재가 자가보수(self-repair)되는 기능성을 갖는 방수소재를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기 탄소소재를 포함한 방수 개질아스팔트의 물성 제고 및 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화에 기여할 수 있는 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진한 하이브리드 방수재와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 상기 목적은 (a) 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화 및 인장강도 등 방수재의 물성 제고를 위하여 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진하는 단계와; (b)상기 단계에서 얻은 방수소재에 크 L이 발생하여 누수가 되었을 때 벤토나이트 캡슐(실란화)이 유실되지 않고 쪼개진 벤토나이트 캡슐(실란화)안의 벤토나이트 입자들 또는 벤토나이트 캡슐 표면에 노출된 벤토나이트 입자 층간(inter-layer)으로 물이 침투하고 캡슐 내부의 벤토나이트 입자가 팽윤하면서 자가보수(self-repair)되어 상기 방수재의 성능이 유지 되도록 벤토나이트 캡슐(실란화)을 개질아스팔트에 충진하여 고기능성 하이브리드 방수재를 제조하는 단계로 이루어지고 이를 평가함으로써 달성된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 실란화된 벤토나이트 캡슐에 의하여 고기능성 하이브리드 방수도막이 현장에서 도포 및 설치되면 크랙 발생 시 누수에 쓸려나가지 않고 크랙으로 갈라진 벤토나이트 캡슐 사이 또는 벤토나이트 캡슐 표면에 노출된 벤토나이트 입자 층간(inter-layer)으로 물이 침투하고 캡슐 내부의 벤토나이트 입자가 수팽창하여 용이하게 자가수리(self-sealing)되는 효과가 있다. 또한 환경친화적인 하이브리드 충진재에 의하여 기능성 방수소재에 충진된 고기능성 하이브리드 방수재방수재가 경량화됨으로써 건축물 경량화 및 인장 및 인열강도, 신장률 등 방수재 물성 제고에 기여하는 효과가 있을 뿐만 아니라 환경친화적인 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진한 고기능성 하이브리드 방수재를 제공하는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 종래 공지된 수팽윤성 유/무기재료가 첨가된 방수 개질아스팔트의 결함을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 현장 설치된 방수재 도막의 크ŽL과 누수 발생 시에 벤토나이트 캡슐이 유실되지 않고 수팽창하여 자가보수(self-repair)되는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 벤토나이트 캡슐의 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 충전재를 첨가하여 제조한 방수소재에서 하이브리드 충전재 조성에 따른 방수소재의 인장강도 추이를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드 충전재를 첨가하여 제조한 방수소재에서 하이브리드 충전재 조성에 따른 방수소재의 신장율 추이를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 충전재를 첨가하여 제조한 방수소재에서 하이브리드 충전재 조성에 따른 방수소재의 인열성능 추이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/ v% 농도로 60분 동안 교반 후에 섭씨 50도에서 각각 1, 2 및 5 시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxys ilane)을 5.0 w/v% 농도로 각각 20, 60 또는 100분 동안 교반 후에 섭씨 50도에서 1 시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 각각 2.5, 5.0 및 7.5 w/v% 농도로 60분 동안 교반 후에 섭씨 50도에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 7.5 w/ v% 농도로 60분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50도 또는 80도에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/v% 농도로 60분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50도 또는 80도에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 Na+-개질된 몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/ v% 농도로 100분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50도 또는 80도에서 1시간 동안 실란화 반응시켜서 Na+-개질된 몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에서는 개질아스팔트와 상용성이 있도록 표면개질되거나 결합되고 동시에 캡슐 안 유/무기재료의 수팽윤성을 유지하게 하는 수팽윤성 유/무기 캡슐을 제조함으로써, 표면개질된 수팽윤성 유/무기 캡슐이 개질아스팔트와 상용성을 보유하도록 하고 동시에 수팽윤성 유/무기 캡슐 안의 수팽윤성 유/무기재료의 수팽윤성이 유지되도록 하였다. 본 발명에서 수팽윤성 유/무기재료는 수팽윤성 유기재료와 수팽윤성 무기재료 중의 어느 하나 또는 양자를 모두 포함하는 수팽윤성 재료를 의미하며, 수팽윤성 무기재료에 수팽윤성 유기재료를 결합한 복합체(composite)를 포함한다. 수팽윤성 유기재료는 카르복시메틸셀루로즈(CMC)계, 전분 및 셀루로즈와 같은 천연고분자에 석유화합물인 친수성합성고분자를 결합시킨 반합성가교고분자 및 수용성합성고분자(폴리아크릴산, 폴리비닐알콜)의 가교물을 포함한다. 수팽윤성 무기재료는 벤토나이트, 헥토라이트, 사포나이트, 몬모릴로나이트 등의 수팽윤성 점토를 포함한다. 또한 수팽윤성 유/무기재료는 벤토나이트에 아크릴아마이드(acrylamide)를 수용액에서 층간삽입(intercalate)시키고 아크릴산(acrylic acid)을 중합시켜서 제조된 폴리아클릴레이트(polyacryl ate)/벤토나이트 결합체와 같은 벤토나이트 복합체(composite)를 포함한다. 본 발명에서는 벤토나이트 또는 상기 벤토나이트 조성 중에서 몬모릴로나이트(MMT)를 취하여 수팽윤성 무기재료로서 적용하였다. 몬모릴로나이트(MMT)는 양이온에 따라서 크게 Na+-몬모릴로나이트(MMT)와 Ca++-몬모릴로나이트(MMT)로 구분된다.
본 발명에서는 첫째 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화 및 인장강도 등 방수재의 물성 제고를 위하여 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 충진재를 상기 기능성 방수소재에 충진하며, 또한 둘째로, 방수재에 크랙이 발생하여 누수가 되었을 때 실란화 벤토나이트 캡슐이 유실되지 않고 쪼개진 벤토나이트 캡슐(실란화)안의 벤토나이트 입자들 또는 벤토나이트 캡슐 표면에 노출된 벤토나이트 입자 층간(inter-layer )으로 물이 침투하고 캡슐 내부의 벤토나이트 입자가 팽윤하면서 자가보수(self- repair)되어 방수재의 성능이 그대로 유지가 되도록 벤토나이트 캡슐을 개질아스팔트에 충진하였다.
본 발명의 실시단계는 도 3과 같으며, 첫 단계로서는 벤토나이트 입자를 원하는 크기로 응집시키는 것이다. 본 발명의 첫 단계에서는 벤토나이트를 분산시킨 극성용액(에탄올 수용액 등)에서 이온강도(예: NaClO4, 0.1 M)를 증가시키고 또한 pH를 조절하고 필요시에 교반과 응집제를 사용하여 벤토나이트를 응집시키고 건조 후에 평균입도를 측정하여 pH 및 이온강도에 따른 응집도를 측정하였다. 한편 본 발명에서는 첫 번째 벤토나이트 응집단계를 거치지 않고 다음의 두 번째 단계를 실행할 수 있다.
본 발명의 두 번째 단계는 벤토나이트 표면 또는 벤토나이트 응집체 표면을 실란커플링제로써 소수성 개질하거나 결합하여 표면개질된 벤토나이트 캡슐(실란화)을 제조하는 것이다. 더 상세히 설명하면 1) 캡슐(실란화)이 되는 것이 벤토나이트 응집체이고 응집체의 평균입도가 8 ∼ 200㎛ 정도의 응집도를 보이는 pH 및 이온강도의 극성용액(에탄올 수용액 등)에서 응집된 벤토나이트의 실란화를 수행하거나; 또는 2) 첫 번째 벤토나이트 응집단계를 거치지 않고 벤토나이트 입자의 실란화를 수행하여 벤토나이트 캡슐(실란화)을 제조하는 것이다.
실란커플링제로서 n-옥틸트리에톡시실란(n-octyl-triethoxy-silane), 데실트리메톡시실란(decyltrimethoxysilane), 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane), 데실트리메톡시실란(decyltri methoxysilane), N,N-비스(2-하이드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(N,N-b is(2-hydroxyethyl)-3-aminopropyltriethoxy silane), 3-글라이시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 또는 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-metacryloxypropyl-trimethoxy-silane) 등을 사용하여 실란커플링제의 가수분해 후에 벤토나이트 표면의 OH기와 수소결합, 또는 실란커플링제의 가수분해 및 응축 후에 벤토나이트 표면과 에테르결합을 하고 그 결합체에 소수성을 부여하여 개질아스팔트와 상용성을 부여하도록 하였다. 또한 본 발명에서 실란커플링제를 이용한 벤토나이트 표면개질은 벤토나이트와 개질아스팔트간의 상용성뿐만 아니라, 상기 실란커플링제의 관능기를 아민기 또는 에폭시기를 포함한 글리시딜(glycidyl)기 등으로 설정하여, 가교된 폴리아크릴산의 -COOH기와 반응시키거나 개질아스팔트의 조성 중 극성 아로마틱 화합물에 포함된 아세트산의 -COOH기와 반응시키는 화학결합도 포함한다. 따라서 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilan e)의 관능기인 아민기와 개질아스팔트 성분 중의 극성 아로마틱 화합물에 포함된 아세트산의 100 이상에서 아마이드 반응을 통하여, 개질아스팔트와 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)으로 표면개질된 몬모릴로나이트(MMT)의 화학결합을 유도하였다. 본 발명에서 상기 벤토나이트 입자는, 벤토나이트에 아크릴아마이드(acrylamide)를 수용액에서 층간삽입(intercalate)시키고 아크릴산(acry lic acid)을 중합시켜서 제조된 폴리아크릴레이트(polyacrylate)/벤토나이트 결합체와 같은 벤토나이트 복합체(composite)를 포함한다.
마지막으로 본 발명의 세 번째 단계로서는 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화 및 방수재의 물성 제고에 기여하고 환경친화적인 상기 벤토나이트 캡슐(실란화)을, 개질아스팔트 요소(아스팔트, 개질제, 가소재, 점착제 등)를 160 ∼ 180에서 혼합/용융한 상태에서 첨가하여 기능성 방수소재를 제조하는 것이다. 상기 개질아스팔트 요소들은 개질아스팔트 요소 합에 대하여 아스팔트 49 ∼ 90 중량%, 개질제 10 ∼ 39 중량%, 가소제 0 ∼ 12 중량%의 배합비로 고기능성 방수소재를 제조하는 것이다. 상기 개질제는 SBS(styrene-butadiene-styrene)와 SIS(styrene-isoprene-styrene) 외에 폴리부텐, 석유수지, 천연수지, 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA) 및 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic polyurethane) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 또 다른 세 번째 단계로서는 방수재의 경량화를 통한 건축물 경량화 및 방수재의 물성 제고에 기여하고 환경친화적인, 상기 벤토나이트 캡슐(실란화) 외에, 하이브리드 충진재를 개질아스팔트 요소(아스팔트, 고분자 개질제, 가소재, 점착제 등)를 160 ∼ 180에서 용융한 상태에서 첨가하여 고기능성 하이브리드 방수재를 제조하는 것이다. 또한 본 발명은 개질아스팔트 요소를 160-180에서 용융한 상태에서 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐(실란화)을 제외하고 하이브리드 충전재만을 첨가하여 고기능성 하이브리드 방수재를 제조하는 것을 포함한다. 상기 하이브리드 충전재는 기존의 탄산칼슘, 탄소섬유, 탄화 바이오매스입자, 스테아린산 코팅 탄산칼슘 등을 상기 개질아스팔트 요소 총중량의 각각 0 ∼ 30, 0 ∼ 10, 0 ∼ 5, 0 ∼ 30 중량부의 비율로 혼합한 하이브리드 충진재이다. 상기 탄소섬유는 PAN( Polyacrylonitrile) 또는 피치(pitch)와 같은 전구체섬유 유래 탄소섬유를 포함한다. 상기 탄소섬유의 애스펙트(aspect) 비는 10 또는 그 이상인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 탄산칼슘 또는 상기 스테아린산 코팅 탄산칼슘의 크기는 각각 0.7 μm 또는 그 이상인 것을 특징으로 한다.
실시예 1.
하이브리드 충전재가 첨가된 방수소재 제조에서 하이브리드 충전재의 적정조성
150에서 녹인 아스팔트(AP-3), 가소제(P-31), SBS(LG 501)를 개질아스팔트의 필수구성요소로 하고, 기타 개질제로서 C-5계 석유수지(A-1100)를 추가하여 본 발명의 방수소재의 기본구성요소로 하였다. 본 발명의 방수소재의 상기 기본구성요소의 조성을 각각 75.0, 6.8, 13.6, 4.6% 중량부(합 100%)로 하였다. 본 발명의 방수소재의 상기 기본구성요소(control: 테스트 1)에 하이브리드 충전재를 기본구성요소의 합(100%)에 대하여 2.5, 5.0, 7.5 및 10% 중량부를 충전하였다. 하이브리드 충전재 2.5% 중량부의 경우에는 2.5% 탄산칼슘(테스트 2), 2.5% 탄소섬유(테스트 3), 2.5% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4), 및 1.25% 탄소섬유와 1.25% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 5)을 각각 투입하였다. 하이브리드 충전재 5.0% 중량부의 경우에는 5.0% 탄산칼슘(테스트 2), 5.0% 탄소섬유(테스트 3), 5.0% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4), 및 2.5% 탄소섬유와 2.5% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 5)을 각각 투입하였다. 하이브리드 충전재 7.5% 중량부의 경우에는 7.5% 탄산칼슘(테스트 2), 7.5% 탄소섬유(테스트 3), 7.5% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4), 및 3.75% 탄소섬유와 3.75% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 5)을 각각 투입하였다. 마지막으로 하이브리드 충전재 10% 중량부의 경우에는 10% 탄산칼슘(테스트 2), 10% 탄소섬유(테스트 3), 10% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4), 및 5.0% 탄소섬유와 5.0% 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 5)을 각각 투입하였다. 이러한 조성물을 180에서 2 시간 이상, 1200 rpm 이상으로 교반하여서 각각의 방수소재를 사용한 KS F 3211 규격에 따른 시편제조 및 물성실험을 수행하였다. 제조된 방수소재의 인장강도(N/mm2), 신장율(%) 및 인열성능(N/mm)에 대한 실험결과를 각각 도 4, 5 및 6에 각각 나타내었다.
도 4의 인장강도의 경우, 탄산칼슘(테스트 2) 경우는 기본구성요소(control: 테스트 1)와 별 차이가 없어서 충전재에 의한 인장강도 제고효과가 없었다. 그러나 그 외의 경우[탄소섬유(테스트 3), 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4) 및 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5)]에는 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5)>탄소섬유((테스트3)>스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트4) 순으로 모두 인장강도가 제고되었는데 각각 하이브리드 충전재 조성 5.0%가 최적조성이었다. 최적조성에서 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4) 경우보다, 탄소섬유(테스트 3) 경우가 인장강도가 약 10% 정도 더 컸고, 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5) 경우에는 20% 이상 제고되었다. 따라서 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5) 경우에서 충전재 혼합에 의한 시너지효과가 관찰되었다.
도 5와 같은 신장율의 경우에는, 하이브리드충전제가 첨가된 테스트 2, 3, 4 및 5들이 각각 기본구성요소(control: 테스트 1)와 별 차이가 없어서 충전재에 의한 신장율 제고효과가 거의 없었다. 그러나 탄산칼슘(테스트 2)과 탄소섬유(테스트 3)의 각각 10% 하이브리드 충전재의 경우에는 신장율이 각각 20% 정도 제고되었다.
도 6의 인열성능의 경우에는, 인장강도와 마찬가지로 탄산칼슘(테스트 2) 경우는 기본구성요소(control: 테스트 1)와 별 차이가 없어서 충전재에 의한 인열성능 제고효과가 거의 없었다. 그러나 그 외의 경우[탄소섬유(테스트 3), 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4) 및 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5)]에는 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5)>스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트4)>탄소섬유((테스트3) 순으로 모두 인열성능이 제고되었는데 각각 하이브리드 충전재 조성 5.0%가 최적조성이었다. 최적조성에서 스테아릭산코팅 탄산칼슘(테스트 4) 경우가 탄소섬유(테스트 3) 경우보다 인열성능이 약 10% 정도 더 컸고, 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5) 경우에는 탄소섬유(테스트 3) 경우보다 약 33% 제고되었다. 따라서 인열성능에서도 인장강도와 같이 탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 동량 혼합물(테스트 5) 경우에서 충전재 혼합에 의한 시너지효과가 관찰되었다.
실시예 2.
각 교반시간, 각 실란커플링제 농도 및 각 실란화 반응시간과 반응온도에 따른 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 적용한 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 개질
아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 1, 2 및 3g을 80% 에탄올수용액 40ml에 각각 투입하여 2.5, 5.0 및 7.5 w/v%의 농도로 교반하였다. 20, 60 또는 100분 동안 교반 후에 각각의 농도의 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 교반액에 벤토나이트의 주성분인 Na+-몬모릴로나이트(MMT) 2g을 투입하였다. 투입 후에 섭씨 50도 또는 80도에서 1, 2 또는 5시간 동안 실란화 반응을 시켰다. 도 7 ∼ 12는 실란화 반응에 의하여 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 1040, 1700, 2900 및 3800 ∼ 3600 cm-1에서 각각 실록산 결합(Si-O), 아민기, 메틸기 및 OH 기의 피크가 발견되었다. 실록산 결합(Si-O), 아민기, 메틸기 및 OH 기의 피크는 실란화 반응한 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)에서 유래하고, 그 중에서 실록산 결합(Si-O)와 OH 기의 피크는 Na+-몬모릴로나이트(MMT)에서도 유래한다.
도 7은 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/ v% 농도로 60분 동안 교반 후에 섭씨 50도에서 각각 1, 2 및 5 시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 반응시간이 1시간에서 2시간으로 증가함에 따라서 모든 피크 세기가 급격하게 커졌으나 2시간에서 5시간이 경과하였을 때에는 모든 피크의 세기가 증가하였으나 피크세기의 증가속도는 완화되었다. 따라서 반응시간은 3시간이 적합하다고 판단되었다.
도 8은 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/v% 농도로 각각 20, 60 또는 100분 동안 교반 후에 섭씨 50도에서 1 시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 교반시간이 증가함에도 불구하고 모든 피크 세기는 거의 변화가 없었다. 따라서 교반시간은 20분이 적합하다고 판단되었다.
도 9는 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 각각 2.5, 5.0 및 7.5 w/v% 농도로 60분 동안 교반 후에 섭씨 50℃에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 농도가 2.5 w/v%에서 5.0 w/v%로 커질 때보다 5.0 w/v%에서 7.5 w/v%로 농도가 커짐에 따라서 모든 피크 세기 증가폭이 더 큼이 관찰되었다. 따라서 농도는 7.5 w/v%가 적합하다고 판단되었다.
도 10은 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 7.5 w/ v% 농도로 60분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50℃ 또는 80℃에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 반응온도가 섭씨 50℃ 또는 80℃로 증가하였을 때에 모든 피크의 세기가 매우 커졌다. 따라서 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 농도가 7.5 w/v% 일 경우에 실란화 반응온도는 섭씨 80℃가 적합하다고 판단되었다.
도 11은 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/v% 농도로 60분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50℃ 또는 80℃에서 5시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 반응온도가 섭씨 50℃ 또는 80℃로 증가하였을 때에 모든 피크의 세기는 거의 변화가 없었다. 따라서 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 농도가 5.0 w/v% 일 경우에 실란화 반응온도는 섭씨 50℃가 적합하다고 판단되었다.
도 12는 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)을 5.0 w/ v% 농도로 100분 동안 교반 후에 각각 섭씨 50℃ 또는 80℃에서 1시간 동안 실란화 반응시켜서 개질된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이다. 반응온도가 섭씨 50℃ 또는 80℃로 증가하였을 때에 모든 피크의 세기는 거의 변화가 없었다. 따라서 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane) 농도가 5.0 w/v% 일 경우에 도 11과 다른 반응시간 및 다른 교반시간에도 불구하고 실란화 반응온도는 섭씨 50℃가 적합하다고 판단되었다.
따라서 종합적으로 적정 반응시간, 적정교반시간, 적정농도, 적정반응온도는 각각 3시간, 20분 및 7.5 w/v% 및 섭씨 80℃가 도출되었다. 그러나 농도가 5.0 w/v% 이하일 때에는 적정반응온도는 섭씨 50℃가 도출되었다.
실시예 3.
탄소섬유와 스테아릭산코팅 탄산칼슘의 혼합물을 충전재로 첨가한 개질아스팔트(a)와 스테아릭산코팅 탄산칼슘을 동량의 실란화-응집 Na+-몬모릴로나이트( MMT)를 충전재로 치환한 개질아스팔트(b)의 비교
실시예 1에서와 같이 탄소섬유(2.5%)와 스테아릭산코팅 탄산칼슘(2.5%)의 동량 혼합물(테스트 5)을 기본구성요소(control, 테스트 1) 컴파운드에 충전재로 첨가한 최적화된 개질아스팔트(a)의 시편에 대한 투수저항성, 인장강도 및 신장율, 인열성능 시험을 수행하였다. 한편 응집 Na+-몬모릴로나이트(MMT)에 대한 실란화를 통한 실란화-응집 Na+-몬모릴로나이트(MMT) 제조 및 이를 충전재로 첨가한 개질아스팔트(b)를 제조하였다. 적정 응집크기를 가지는 Na+-몬모릴로나이트(MMT) 응집조건(80% 에탄올 수용액에서 3 hr 동안 Na+-몬모릴로나이트(MMT)를 교반)에서 얻은 응집된 Na+-몬모릴로나이트(MMT)에, 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane)에 의한 Na+-몬모릴로나이트(MMT)의 개질 실험(실시예 2)을 통해 구한 개질적정조건(반응온도(50℃), 농도(5.0 w/v%), 반응시간(3 hr), 교반시간(20 min))을 적용하여 실란화반응을 수행하였다. 실시예 1에서 시너지효과가 관찰된 탄소섬유(2.5%)와 스테아릭산코팅 탄산칼슘(2.5%)의 동량 혼합물(테스트 5)의 충전재에서, 스테아릭산코팅 탄산칼슘을 동량의 실란화된 응집 Na+-몬모릴로나이트(MMT)를 충전재로 치환한 개질아스팔트(b)를 제조하였고, 이와 같은 개질아스팔트(b)의 시편에 대한 투수저항성, 인장강도 및 신장율, 인열성능 시험을 수행하였다. 그 결과 개질아스팔트(a) 및 (b)의 경우에 모두 규격 KS F 3211(인장강도 : 0.3 N/mm2 이상, 연신율 : 600% 이상, 인열성능 : 2.9 N/mm 이상)의 요구조건을 하기 표1과 같이 만족하였다.
한편 투수저항성능 시험을 위하여 KS F 4935의 방법에 따라 투수시험체의 투수용 몰타르를 준비하고 몰타르의 테두리면은 실리콘 실링한 후에 개질아스팔트(a) 및 (b) 시편을 각각 부착하고 상부 몰타르를 올리고 눌림판(실제 방수재 시공 시 상부 하중)을 체결하였다. 24 hr 이상 정치 후에, 실리콘실링이 완전히 굳어졌을 때, 투수용 시험기에 체결하고 물 1L를 투입한 후에 수압을 0.3~0.6 N/mm2을 3 hr 동안 가한 후 투수유무 및 개질아스팔트(a) 및 (b) 시편 각각의 양상을 파악하였다. 개질아스팔트(a) 및 (b) 시편에 대한 투수저항성능 시험(KS F 4935)에서, 수압이 0.3 N/mm2 경우에 모두 투수되지 않아서 투수저항성에서 KS F 4935를 만족시켰다. 한편 수압이 0.4 N/mm2 경우에는 개질아스팔트(a) 시편은 투수가 되었음에도 불구하고, 개질아스팔트(b) 시편은 투수되지 않았다. 또한 개질아스팔트(b) 시편은 수압이 0.5 N/mm2 경우에도 투수되지 않았다. 따라서 개질아스팔트(b) 시편의 경우에 투수저항의 한계수압은 0.5 N/mm2 이상으로서 본 발명 방수도막의 도 2와 같은 자가보수(self-repair) 능력을 입증되었다.
구분 인장강도(N/mm2) 연신율 (%) 인열성능 (N/mm) 비고
실시예 1의 기본구성요소
(control, 테스트 1)
컴파운드		 0.46 (0.0274) 2642 (15.81) 1.95 (0.0707)
개질아스팔트(a) 0.60 (0.0487) 2532 (88.76) 3.07 (0.1922)
개질아스팔트(b) 0.58 (0.0455) 2413 (24.56) 2.91 (0.1580)
개질아스팔트(a) 대
기본구성요소 컴파운드		 30.4% 증가 4.2% 감소 57.4% 증가
개질아스팔트(b) 대
기본구성요소 컴파운드		 26.1% 증가 8.7% 감소 49.2% 증가

Claims (20)

  1. 수팽윤성 유/무기재료를 응집시킨 수팽윤성 유/무기재료 응집체를 제조하는 단계와;
    이와 별도로 상기 응집단계를 거치지 않은 수팽윤성 유/무기재료 표면 또는 상기 수팽윤성 유/무기재료 응집체 표면을 실란커플링제로서 소수성 개질하거나 결합하여 표면개질된 수팽윤성 유/무기 캡슐(실란화)을 제조하는 단계와;
    개질아스팔트 요소들을 혼합/용융한 상태에서 상기 단계에서 얻은 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐(실란화) 또는 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐(실란화) 외에 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 충전재를 추가로 첨가하거나, 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐(실란화)을 제외하고 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 충전재만을 첨가하는 것이 특징인 방수소재의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수팽윤성 유/무기재료는 수팽윤성 유기재료와 수팽윤성 무기재료 중의 어느 하나 또는 상호간 복합체(composite)이거나 또는 양자를 모두 포함하는 수팽윤성 재료중 어느하나인 것이 특징인 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 수팽윤성 유기재료는 카르복시메틸셀루로즈(CMC)계, 전분 및 셀루로즈 중 어느 하나 이상의 친수성합성고분자의 결합물이거나, 폴리아크릴산 또는 폴리비닐알콜의 가교물인 것이 특징인 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 수팽윤성 무기재료는 벤토나이트, 헥토라이트, 사포나이트, 몬모릴로나이트 중에서 선택되는 어느 하나의 수팽윤성 점토인 것이 특징인 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 복합체(composite)는 벤토나이트에 아크릴아마이드(acrylamide)를 수용액에서 층간삽입(intercalate)시키고 아크릴산(acrylic acid)을 중합시켜서 제조된 폴리아클릴레이트(polyacrylate)/벤토나이트 결합체인 것이 특징인 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 개질아스팔트 요소들은 아스팔트, 개질제 및 가소제인 것이 특징인 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 충진재는 탄산칼슘, 탄소섬유, 탄화 바이오매스입자, 스테아린산 코팅 탄산칼슘의 배합비를 상기 개질아스팔트 요소 총 중량의 각각 0 ∼ 30, 0 ∼ 10, 0 ∼ 5, 0 ∼ 30 중량부의 비율로 배합하는 것이 특징인 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐은 상기 실란커플링제로써 실란화를 수행하여 벤토나이트 입자 표면이 개질된 벤토나이트 입자로서 벤토나이트 캡슐 또는 벤토나이트 응집체 표면이 개질된 벤토나이트 응집체로서 벤토나이트 캡슐인 것이 특징인 방법.
  9. 제 1항 또는 8항에 있어서, 상기 실란커플링제는 n-옥틸트리에톡시실란(n-octyl-triethoxy-silane), 데실트리메톡시실란(decyltrimethoxysilane), 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane), 데실트리메톡시실란(decyltrimethoxysilane), N,N-비스(2-하이드록시에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(N,N-bis(2-hydroxyethyl)-3-aminopropyltriethoxy silane), 3-글라이시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 또는 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-metacryloxypropyl-trimethoxy-silane) 중 어느 하나이며 상기 실란커플링제의 관능기는 아민기 또는 에폭시기를 포함한 글리시딜(glycidyl)기이거나 또는 없는 것이 특징인 방법.
  10. 제 4항, 5항 및 8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 벤토나이트는 벤토나이트 또는 벤토나이트 조성 중에서 몬모릴로나이트(MMT) 인 것이 특징인 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 벤토나이트 응집체는 평균입도가 8 ∼ 200㎛의 응집도를 보이는 것이 특징인 방법.
  12. 제 1항 또는 6항에 있어서, 상기 개질아스팔트 요소들은 개질아스팔트 요소 합에 대하여 아스팔트 49 ∼ 90 중량%, 개질제 10 ∼ 39 중량%, 가소제 0 ∼ 12 중량%의 배합비로 이루어지는 것이 특징인 방법.
  13. 제 6항 또는 12항에 있어서, 상기 개질제는 SBS(styrene-butadiene-styren e), SIS(styrene-isoprene-styrene), 폴리부텐, 석유수지, 천연수지, 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA) 및 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic polyurethane) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 특징인 방법.
  14. 제 9항에 있어서 상기 아민기는 개질아스팔트 성분 중 극성 아로마틱 화합물에 포함된 아세트산과 100 이상에서 아마이드 반응을 통하여, 개질아스팔트와 상기 실란커플링제로 표면개질된 벤토나이트와 결합하는 것이 특징인 방법.
  15. 제 1항 또는 7항에 있어서, 상기 하이브리드 충전재의 조성은 개질아스팔트 요소 합에 대하여 탄산칼슘, 탄소섬유, 탄화 바이오매스입자, 스테아린산 코팅 탄산칼슘이 각각 0, 2 ∼ 5, 0 ∼ 3, 0 ∼ 5 중량부의 비율인 것이 특징인 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 수팽윤성 유/무기 캡슐의 조성은 상기 하이브리드 충전재 요소 중에서 스테아린산 코팅 탄산칼슘과 동량이고 스테아린산 코팅 탄산칼슘을 치환하는 것이 특징인 방법.
  17. 제 1항, 7항 또는 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소섬유의 애스펙트(aspect) 비는 10 또는 그 이상인 것이 특징인 방법.
  18. 제 1항, 7항 또는 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄산칼슘 또는 상기 스테아린산 코팅 탄산칼슘의 크기는 각각 0.7 μm 또는 그 이상인 것이 특징인 방법.
  19. 제 10항에 있어서, 상기 몬모릴로나이트(MMT)는 Na+-몬모릴로나이트(MMT) 또는 Ca++-몬모릴로나이트(MMT) 인 것이 특징인 방법.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 하나의 방법에 따라 제조된 방수소재 조성물.
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