KR20170075992A - 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 시멘트 및 그 시멘트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트분말간의 결속력을 향상시키는 한편, 강도개선 성분의 첨가로 시멘트의 내구성 및 강도의 향상을 가져오게 함은 물론, 친환경적으로 사용할 수 있게 하기 위한 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법에 관한 것이다.

Description

그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법{A functional cement method and functional cement containing graphene}

본 발명은 기능성 시멘트 및 그 시멘트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트를 조성함에 있어 시멘트분말의 결속력 향상과 내구성 및 강도의 향상을 가져오게 하기 위한 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 시멘트 콘크리트는 매우 높은 압축강도와 내구성으로 인하여 현대 건축에 광범위하게 사용되어 있으나, 그에 반하여 경화시간이 오래 걸리고, 인장강도가 낮으며, 건조 시 수축이 크고, 내산성이 약하다는 결점을 갖고 있다. 또한, 시멘트 콘크리트를 제조할 때 사용되는 주성분들의 특성 상 시멘트 콘크리트의 중량이 커질 수 밖에 없는 단점이 있다.

일반적으로, 시멘트는 건축재료로서 사용되는 접합제로 포틀랜드 시멘트를 말하는 것으로서 주성분은 석회, 실리카, 알루미나, 산화철 등으로 구성되어 있으며, 여기에 모래와 물을 적당량 혼합하면 접착력을 갖게 되어 벽돌이나 타일 등의 접합이나 내외벽에 밑바름하는 시멘트 몰탈을 이루게 된다.

그러나, 이러한 종래의 시멘트는 결속력이 약하여 경화시 쉽게 부서지는 등 내구성 및 강도가 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

이에, 근자에 들어 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 다양한 시멘트가 개발되고 있으나, 상기와 같은 문제점을 충족하지 못하였다.

대한민국특허출원등록 제10-1404381호.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 시멘트분말간의 결속력을 향상시키는 한편, 강도개선 성분의 첨가로 시멘트의 내구성 및 강도의 향상을 가져오게 함은 물론, 친환경적으로 사용할 수 있게 하기 위한 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로는, 시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말로 조성하여 되며, 시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말을 준비하는 재료 준비공정;

시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 그래핀분말을 교반기를 이용하여 교반 혼합하는 1차 혼합공정;

혼합된 분말을 찜통에 넣고 수분율 60~70%를 유지하도록 스팀을 가하면서 90~110℃의 온도로 열을 가해 슬러리 상태로 4~5시간동안 쪄내어 시멘트분말에 포함된 독성물질을 수증기와 함께 제거하는 찜공정;

쪄낸 슬러리를 수분율 60~70%를 유지한 상태에서 아크릴계 고분자수지를 더 혼합하여 교반기로 혼합하는 2차 혼합공정;

2차 혼합된 슬러리를 형틀에 넣고 500~800℃의 온도에서 구워 시멘트 덩어리를 얻는 소성공정;

구워진 시멘트 덩어리를 상온에서 20~24시간 동안 자연 냉각시키는 냉각공정; 및

경화된 시멘트 덩어리를 분쇄기를 이용하여 시멘트분말 입자 정도로 분쇄하는 분쇄공정을 수행함으로 달성할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 및 그 기능성 시멘트 제조방법은, 시멘트분말에 카올린과 리그닌과 아크릴계 고분자수지를 첨가함으로써 반죽시 결속력의 향상을 가져오는 한편, 그래핀분말 및 그래핀 산화용액을 첨가하여 시멘트의 강도가 현격히 보강되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 찜공정을 통해 시멘트분말에 포함된 독성 물질을 수증기와 함께 배출시킬 수 있는 것인바, 친환경적으로 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법 나타낸 전체 공정도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트를 살펴보면,

본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트는, 시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말로 이루어진 것으로,

여기서, 각각의 성분들은 시멘트분말 100중량부에 대하여 카올린 3~10중량부, 리그닌 0.05~1중량부, 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부, 그래핀분말 1~5중량부로 이루어진다.

이때, 상기 시멘트분말은 통상의 시멘트원료로 사용되는 포틀랜드 시멘트를 적용한다.

상기 카올린 3~10중량부는, 일반적으로 카올린(kaolin)은 할로사이트(Al2O3·SiO2·4H2O)와 카올리나이트(Al2O3·2SiO2·2H2O)로 주성분으로 하며, 주로 도자기의 원료로 사용되는 하얀 점토를 의미한다. 카올린은 할로사이트, 카올리나이트 외에도 버미큘라이트와 일라이트, 미량의Fe2O3 ,MgO, CaO, K2O, TiO2, MnO 등을 함유한다.

상기 리그닌 0.05~1중량부는, 일반적으로 리그닌(lignin)은 식물세포벽의 중엽층과 1차 세포벽에 많이 분포하는 고분자 화합물로 셀룰로우즈(cellulose) 및 헤미셀룰로우즈(hemicellulose)와 함께 식물세포벽을 구성하는 성분 중의 하나이다. 리그닌의 화학구조는 명확하지 않으나 C18H24O11과 C40H45O18 사이라고 추정되고 벤젠고리에 탄소 3개가 붙은 페닌프로판형의 탄소골격으로 되어 있고, 이것들이 서로 곁사슬과 곁사슬, 벤젠고리와 곁사슬로 결합된 나뭇가지 모양의 구조로 분자량 5만이상의 중합체인 것으로 알려져 있다[C. R. Yin, D. I. Seo, S. T. Lee, and Y. S. Jin, Korean Society of Env. Eng., 22, 2197 (2000)].

이러한 리그닌은 셀룰로우즈 다음으로 풍부한 유기물이지만 연료로 쓰이는 것을 제외하고는 거의 산업에 사용되지 못하고 있는 실정이며, 펄프공업의 부산물로 다량 발생하고 분해가 쉽지 않기 때문에 환경오염 문제가 되고 있다.

본 발명에서 리그닌을 첨가함으로써 시멘트의 결합력을 증대시켜 강도를 크게 향상시킬 수 있다.

상기 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부는, 본 발명에서는 액상의 접착제로 구성된 것으로, 본 발명에서는 시멘트분말의 결속력을 향상시켜 내구성을 더욱 향상시켜주게 된다.

상기 그래핀분말 1~5중량부는, 그래핀은 알려진 바와 같이 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그래핀은 현존하는 소재 중 특성이 가장 뛰어난 소재로 두께가 0.2nm로 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 열전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 기계적 강도도 강철보다 200배 이상 강하다.

한편, 상기와 같이 이루어진 그래핀을 함유한 기능성 시멘트의 제조방법을 살펴보면,

도 1은 본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법 나타낸 전체 공정도이다.

도 1의 도시와 같이 본 발명 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법은, 재료 준비공정(S100)과, 1차 혼합공정(S200)과, 찜공정(S300)과, 2차 혼합공정(S400)과, 소성공정(S500)과, 냉각공정(S600)과, 분쇄공정(S700)을 수행함으로 가능하다.

여기서, 먼저 상기 재료 준비공정(S100)은,

시멘트를 제조함에 있어 조성되는 성분들을 준비하는 공정으로, 시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말이 준비된다.

이때, 각각의 성분들은 시멘트분말 100중량부에 대하여 카올린 3~10중량부, 리그닌 0.05~1중량부, 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부, 그래핀분말 1~5중량부로 이루어진다.

이후, 1차 혼합공정(S200)은,

상기와 같이 준비된 재료중 시멘트분말 100중량부에 대하여 카올린 3~10중량부, 리그닌 0.05~1중량부, 그래핀분말 1~5중량부를 먼저, 교반기를 이용하여 1차 혼합한다.

이후, 찜공정(S300)은,

상기 1차 혼합공정(S200)에서 얻어진 혼합물을 찜통에 넣고 쪄내되, 이때에는 그 혼합물에 수분율이 60~70%를 이루는 슬러리상태를 유지하도록 스팀을 가하면서 하부에서 90~110℃의 열을 가해 4~5시간동안 쪄내면 되는 것으로, 이렇게 쪄내는 과정에서 수증기가 발생되는 것인 바, 그 수증기와 함께 시멘트분말에 포함된 독성물질을 배출시킬 수 있다.

이때, 상기와 같이 수분율을 60~70%로 유지함은 수분율이 70% 이상으로 지나치게 가해질시 시멘트가 용해되어 액상화가 될 수 있기 때문에 70%를 넘지 않도록 유지한다.

한편, 상기와 같이 찜공정에서 적용되는 스팀은 물 또는 그래핀을 산화시켜 얻은 그래핀산화용액으로 사용할 수 있는 것으로,

그래핀산화용액은, 황산(H2SO4) 50ml를 90℃까지 열중탕기를 이용하여 가열하고, 과황화칼륨(K2S2O8) 10g과 오산화인 10g을 넣어준 후, 다 녹을 때까지 교반하고, 교반된 혼합액을 80℃가 되도록 냉각시킨 후, 흑연(Graphite) 12g을 넣고 4~5시간동안 반응시킨 후, 가열을 멈추고 2L의 증류수로 12시간 동안 교반하면서 희석시키며, 희석된 용액을 0.2㎛의 나일론 필터를 이용하여 흑연을 걸러낸 후, 용액만 추출한다.

이후, 0℃의 항온조에 2L 비커를 넣어 준비하고 460mL의 황산을 비커에 넣고 전처리를 거친 그래핀을 비커에 넣고 교반하고, 혼합물을 비커에 과망간산칼륨(KMnO4) 60g을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반한 후, 비커를 꺼내어 35℃의 항온조에 넣고 2시간동안 교반하며, 혼합물을 다시 0℃의 항온조에서 40~50℃의 온도를 유지하면서 증류수 920mL를 20~30mL로 나누어 넣어주면서 2시간 동안 교반 후, 2.8L의 물을 넣어 3시간동안 교반 희석하며, 희석물 100중량%에 대하여 과산화수소(H2O2)를 20~30중량%를 넣어준 후, 염화수소(HCl)와 증류수가 1 : 2의 비율로 혼합된 물을 PH 5~7에 해당하게 첨가하여 그래핀산화용액을 얻을 수 있다.

즉, 상기와 같이 찜공정(S300)에서 스팀으로 그래핀산화용액을 사용하게 되면, 그 스팀이 슬러리에 함침되어 강도의 강도의 향상을 위한 그래핀성분이 더 포함되게 된다.

이후, 2차 혼합공정(S400)은,

상기와 같이 쪄낸 재료를 수분율 60~70%를 유지한 슬러리 상태에서 시멘트분말 100중량부에 대하여 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부를 더 혼합 및 교반하여 그 아크릴계 고분자수지가 고르게 혼합하면 되는 것으로, 이때, 아크릴계 고분자수지는 액상의 접착제로 시멘트분말의 접착력을 향상시켜주게 된다.

한편, 상기와 같이 1차 혼합공정(S200)과 2차 혼합공정(S400)을 달리함은, 아크릴계 고분자수지는 액상으로 조성된 특성상 다른 성분들과 혼합하여 상기 찜공정(S300)을 수행 시 그 아크릴계 고분자수지가 수증기와 함께 배출될 수 있는 것인 바, 이를 방지하기 위함이다.

이후, 소성공정(S500)은,

상기에서 얻어진 슬러리를 성분들의 물성이 파괴되지 않도록 구워내기 위한 공정으로, 이를 위해서는 슬러리를 형틀에 넣은 후, 500~800℃ 온도의 소성로에서 구워냄으로 시멘트 덩어리를 얻을 수 있게 된다.

이때, 상기 형틀은 한정되는 것이 아니고 단지 슬러리를 덩어리화 시킬 수 있는 것이면 가능하다.

이후, 냉각공정(S600)은,

상기 소성공정(S500)에서 얻어진 시멘트 덩어리를 상온에서 20~24시간 동안 자연 냉각시키게 된다.

이후, 분쇄공정(S50)은,

상기와 같이 경화된 시멘트 덩어리를 분쇄기를 이용하여 시멘트분말 입자 정도로 분쇄하면 되는 것으로, 본 발명 기능성 시멘트의 제조가 완료된다.

한편, 상기와 같이 얻어진 시멘트와 물과 모래를 혼합하여 된 실시예와, 통상의 일반시멘트를 이용하여 시멘트와 물과 모래의 비율을 달리한 시멘트블럭의 비교예 1,2에 대하여 재령기간 3일 및 7일에 걸쳐 각각 3번에 걸친 압축강도 시험을 실시하였다.

혼합비)

	시멘트(㎏/㎤)	물(㎏/㎤)	모래(㎏/㎤)
실시예	400	200	800
비교예1	400	300	800
비교예2	400	200	800

시험결과)

	시편 (㎤)	온도 (℃)	압축강도(Mpa)
			표본	3일	7일
실시예	12	32	1	20.7	28.8
			2	1.9	27.9
			3	2.5	27.6
			평균	1.7	28.1
비교예1	12	32	1	12.9	17.5
			2	12.1	15.9
			3	12.4	15.4
			평균	12.5	16.3
비교예2	12	32	1	20.4	23.8
			2	9.3	23.6
			3	9.2	21.3
			평균	9.6	22.9

상기 표 2에서 알 수 있듯이 본 발명 시멘트를 이용한 시멘트블럭은 일반적인 시멘트를 이용한 시멘트블럭에 비해 압축강도가 월등함을 알 수 있었다.

S100 : 재료 준비공정 S200 : 1차 혼합공정
S300 : 찜공정 S400 : 2차 혼합공정
S500 : 소성공정 S600 : 냉각공정
S700 : 분쇄공정

Claims (8)

1. 시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말로 조성함을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트.
2. 제 1항에 있어서,
   카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 그래핀분말은,
   시멘트분말 100중량부에 대하여 카올린 3~10중량부, 리그닌 0.05~1중량부, 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부, 그래핀분말 1~5중량부로 조성함을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 아크릴계 고분자수지는 액상의 접착제인 것을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트.
4. 시멘트 제조방법에 있어서,
   시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 나노입자 형태의 그래핀분말을 준비하는 재료 준비공정(S100);
   시멘트분말과, 카올린과, 리그닌과, 그래핀분말을 교반기를 이용하여 교반 혼합하는 1차 혼합공정(S200);
   혼합된 분말을 찜통에 넣고 수분율 60~70%를 유지하도록 스팀을 가하면서 90~110℃의 온도로 열을 가해 슬러리 상태로 4~5시간동안 쪄내어 시멘트분말에 포함된 독성물질을 수증기와 함께 제거하는 찜공정(S300);
   쪄낸 슬러리를 수분율 60~70%를 유지한 상태에서 아크릴계 고분자수지를 더 혼합하여 교반기로 혼합하는 2차 혼합공정(S400);
   2차 혼합된 슬러리를 형틀에 넣고 500~800℃의 온도에서 구워 시멘트 덩어리를 얻는 소성공정(S500);
   구워진 시멘트 덩어리를 상온에서 20~24시간 동안 자연 냉각시키는 냉각공정(S600); 및
   경화된 시멘트 덩어리를 분쇄기를 이용하여 시멘트분말 입자 정도로 분쇄하는 분쇄공정(S700)을 수행함을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,
   재료 준비공정(S100)에서,
   카올린과, 리그닌과, 아크릴계 고분자수지와, 그래핀분말은,
   시멘트분말 100중량부에 대하여 카올린 3~10중량부, 리그닌 0.05~1중량부, 아크릴계 고분자수지 0.5~10중량부, 그래핀분말 1~5중량부를 포함하여 조성함을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 아크릴계 고분자수지는 액상의 접착제인 것을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법.
7. 제 4항에 있어서,
   찜공정(S300)에서,
   스팀은 물 또는 그래핀을 산화시켜 얻은 그래핀산화용액으로 구성함을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,
   그래핀산화용액은,
   그래핀을 전처리 하여 불순물이 제거된 상태에서 산화시켜 얻어진 산화물 용액으로 조성하되,
   황산(H2SO4) 50ml를 90℃까지 열중탕기를 이용하여 가열하고, 과황화칼륨(K2S2O8) 10g과 오산화인 10g을 넣어준 후, 다 녹을 때까지 교반하고,
   교반된 혼합액을 80℃가 되도록 냉각시킨 후, 흑연(Graphite) 12g을 넣고 4~5시간동안 반응시킨 후, 가열을 멈추고 2L의 증류수로 12시간 동안 교반하면서 희석시키며,
   희석된 용액을 0.2㎛의 나일론 필터를 이용하여 흑연을 걸러내어 용액만 추출하며,
   추출된 용액을 0℃의 항온조에 2L 비커를 넣어 준비하고 460mL의 황산을 비커에 넣고 전처리를 거친 그래핀을 비커에 넣고 교반하고,
   혼합물을 비커에 넣고 과망간산칼륨(KMnO4) 60g을 넣고 완전히 녹을 때까지 교반한 후, 비커를 꺼내어 35℃의 항온조에 넣고 2시간동안 교반하며,
   혼합물을 다시 0℃의 항온조에서 40~50℃의 온도를 유지하면서 증류수 920mL를 20~30mL로 나누어 넣어주면서 2시간 동안 교반 후, 2.8L의 물을 넣어 3시간동안 교반 희석하며,
   희석물 100중량%에 대하여 과산화수소(H2O2)를 20~30중량%를 넣어준 후, 염화수소(HCl)와 증류수가 1 : 2의 비율로 혼합된 물을 PH 5~7에 해당하는 첨가하여얻어짐을 특징으로 하는 그래핀을 함유한 기능성 시멘트 제조방법.

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