KR20190058276A - Self-healing capsule with surface modified silicon and manufacturing method the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 실시예는, 별도의 촉매제가 필요없이 시멘트 복합재료에 포함되어 있는 자유 칼슘이온 혹은 수산화칼슘 수화물과 반응할 수 있는 무기계 포졸란계 반응결합 재료를 혼합하여 개질시킨 실리콘 결정체를 포함하는 코어재를 사용하여 캡슐화된 시멘트 복합재료에 직접 혼합 가능한 균열 자기치유 캡슐에 관한 것으로, 기존의 유기계 코어재를 사용한 자기치유 캡슐의 단점인 별도의 반응 촉매제가 불필요하여 균열보강 효율이 우수한 캡슐 제조 방법에 관한 것이다.This embodiment uses a core material comprising a silicon crystal modified by mixing an inorganic pozzolanic reaction bonding material capable of reacting with a free calcium ion or calcium hydroxide hydrate contained in a cement composite material without requiring a separate catalytic agent The present invention relates to a self-healing capsule capable of being directly mixed with an encapsulated cement composite material, and a method for manufacturing a capsule having excellent crack-strengthening efficiency by eliminating the need for a separate reaction catalyst, which is a disadvantage of self-healing capsules using existing organic core materials.
자기치유 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료는 균열 발생시 캡슐이 파괴되어 캡슐 내부에 있는 코어재가 균열부로 용출되어 균열을 스스로 치유할 수 있어 유지관리 비용 절감 뿐만 아니라 유지관리를 위하여 인력투입이 어려운 구조물이나 위험한 공간에서도 균열 보수가 용이하다는 장점이 있다. 자기치유 캡슐에는 균열을 직접적으로 보수할 수 있는 자기치유 소재, 즉 코어재를 다량 포함할 수 있기 때문에 손상 부위 즉, 균열이 발생한 부위에 선택적으로 반응시킬 수 있는 장점이 있다. 종래의 자기치유 캡슐의 코어재는 대부분 국내외적으로 유기계 재료가 활용되어 왔다. 유기계 재료는 무기계 재료와 비교하여 반응시간이 빠르며, 캡슐화가 쉽다는 장점이 있다. 무기계 재료는 유기계 재료의 반응시간과 비교하여 상대적으로 느린 단점이 있으며, 균열보수를 위한 무기계 재료의 캡슐화가 어렵다는 단점이 있다. 무기계 재료는 시멘트 복합재료와 동등 계열의 재료이기 때문에 특성이 동일하여 균열 치유 영역 즉, 보수 부위의 내구성을 증대시킬 수 있다는 장점이 있으며, 코어재 유출시 별도의 촉매제 대신 시멘트 복합재료 내부로 침투한 수분에 의하여 간단하게 반응을 유도할 수 있기 때문에 최근 연구되고 있는 실정이다. 그러나 아직까지 무기계 재료를 사용한 사례가 국내외를 통틀어 연구사례가 적으며, 사용 실적이 적다. 특히 수분이 존재하지 않는 곳에서는 반응하기 어렵다는 문제점이 있으며, 반응시간이 길기 때문에 현재까지는 유기계 재료가 우위를 점하고 있다. 그러나 유기계 재료 역시 반응을 하기 위해서는 별도의 촉매제를 요구한다. 즉 코어재에 촉매제가 함께 포함되는 것이 아니라 코어재를 포함하는 캡슐, 촉매제를 포함하는 캡슐 2가지가 요구된다. 촉매제는 일반적인 재료이기 때문에 촉매제를 포함하는 캡슐은 별도로 언급하고 있지 않다. 그러나 유기계 재료는 반응을 위한 반응 촉매제가 반드시 필요하다. 다시 말해 균열부에 유기계 코어재가 유출되더라도 촉매와 만나지 못하는 코어재는 반응을 하지 못하여 치유 반응이 일어나지 않는다.The cement composite material mixed with the self-healing capsules can be used to prevent the capsule from being broken at the time of cracking, and the core material inside the capsule can be dissolved into the crack portion to heal the cracks, It is easy to repair cracks in space. The self-healing capsule has a merit that it can selectively react to a damaged area, that is, a site where a crack occurs, because it can contain a large amount of self-healing material, that is, a core material, capable of directly repairing cracks. Most of the core materials of conventional self-healing capsules have been utilized in organic materials outside the country. The organic material has an advantage that the reaction time is faster than that of the inorganic material and encapsulation is easy. The inorganic material has a disadvantage in that it is relatively slow in comparison with the reaction time of the organic material, and encapsulation of the inorganic material for crack repair is difficult. Since the inorganic material is the same material as the cement composite material, it has the advantage that the durability of the crack healing area, that is, the repair area, can be increased due to the same characteristics, and the core material leaks into the cement composite material And the reaction can be easily induced by moisture. However, the case of using inorganic materials has not been widely used in domestic and foreign countries, and the use of inorganic materials is low. Particularly, there is a problem that it is difficult to react in a place where moisture is not present, and since the reaction time is long, the organic materials have dominated so far. However, organic materials also require separate catalysts to react. That is, the core material is not required to contain a catalyst, but two capsules including a core material and a catalyst are required. Since the catalyst is a common material, capsules containing a catalyst are not mentioned separately. However, organic materials require a reactive catalyst for the reaction. In other words, even if the organic core material flows out to the cracked portion, the core material which does not meet with the catalyst does not react and the healing reaction does not occur.
이와 관련된 국외 기술의 경우 가장 우수한 기술은 에폭시계 유기재료를 코어재로 활용하여 캡슐을 제조하였으며, 별도의 촉매제를 캡슐화하여 적용하였다. 국내기술의 경우에는 촉매제를 별도로 첨가하지 않고 태양광(UV)과 반응하는 코어재를 포함하는 캡슐을 개발하였다. 그러나 이 역시 태양광이 없는 곳에서는 반응을 유도할 수 없어 치유가 어렵다는 단점이 있다. 종합적으로 선도 기술을 살펴보면 균열 발생시 캡슐이 파괴되어 균열부로 코어재료가 유출하게 되며, 유출된 코어재료를 반응시키기 위해서는 별도로 촉매를 첨가하거나 반응을 위한 매개체가 반드시 필요하다. 또한 촉매를 첨가하더라도 촉매가 없는 영역은 반응이 어려운 환경에 놓이게 되며, 촉매재 없이 반응 재료로써 태양광을 통하여 반응하는 경우에도 태양광이 없으면 반응할 수 없는 단점이 있다. 따라서 유기재료 코어재의 가장 큰 문제점인 촉매재의 유무와 반응 매개체에 따라서 성능이 구애 받지 않는 해결 방안이 필요한 것이다.In the case of foreign technologies related to this, the best technology is to encapsulate a separate catalyst by using epoxy based organic material as a core material. In the case of domestic technology, a capsule containing a core material reacting with sunlight (UV) without adding a catalyst separately has been developed. However, this also has a disadvantage that it is difficult to heal because it can not induce a reaction in the absence of sunlight. Comprehensively, the leading technology shows that when the cracks occur, the capsules are destroyed and the core material flows out to the crack part. In order to react the outgoing core material, a catalyst or a medium for reaction is indispensable. In addition, even if the catalyst is added, the catalyst-free region is placed in a difficult-to-react environment, and even if it reacts with solar light as a reaction material without a catalyst material, it can not react without solar light. Therefore, there is a need for a solution that does not depend on the presence or absence of the catalyst material and the reaction medium, which are the biggest problems of the organic material core material.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 시멘트 복합재료 내부에 반드시 존재하는 자유 칼슘이온 또는 수산화칼슘 수화물과 반응할 수 있는 무기계 포졸란계 반응결합 재료를 혼합하여 개질된 실리콘을 포함하는 코어재를 사용하여 유기재료의 장점을 부각시키고 별도의 반응 촉매재의 첨가 및 반응 매개체에 따라 성능에 구애받지 않도록 간편한 반응 시스템을 가지는 캡슐을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a core material containing modified silicone by mixing an inorganic pozzolanic reaction bonding material capable of reacting with free calcium ions or calcium hydroxide hydrate, It is an object of the present invention to provide a capsule having a simple reaction system so that advantages of organic materials can be emphasized and addition of a reaction catalyst material and performance depending on a reaction medium are not affected.
본 발명의 실시예에 따른 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐은 실리콘과, 상기 실리콘 100중량부에 대해 칼슘이온과 반응이 가능한 무기계 포졸란계 재료 1 내지 50 중량부가 상기 실리콘 입자와 혼합된 코어재; 상기 코어재의 외주면에 도포되는 코팅층을 포함할 수 있다.A self-healing self-healing capsule for a cementitious composite according to an embodiment of the present invention includes: a core composed of silicon and 1 to 50 parts by weight of an inorganic pozzolanic material capable of reacting with calcium ions with respect to 100 parts by weight of the silicon; And a coating layer applied to an outer circumferential surface of the core material.
본 발명에 따른 상기 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐은 수용성 실리카인 실리카퓸 혹은 반응성 실리카 재료로 구성된 반응 촉진을 위한 보조재를 더 포함하고, 상기 무기계 포졸란계 재료는 황산 알루미늄(Al2(SO4)3), 황산 칼슘 알루미늄(AlK(SO4)2), 알루민산 나트륨(Al2O3nKa2O)이 단독 혹은 혼합된 형태인 것을 특징으로 한다.The cementitious self-healing capsules for cement composites according to the present invention further comprise an auxiliary material for promoting the reaction composed of silica fume or a reactive silica material, which is water-soluble silica, and the inorganic pozzolanic material is aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 ), calcium aluminum sulfate (AlK (SO 4 ) 2 ), and sodium aluminate (Al 2 O 3 nKa 2 O) are singly or in combination.
보다 구체적으로는, 무기계 포졸란계 재료는 수용성 무기계 겔화재를 통하여 시멘트 복합재료의 자유 칼슘이온 및 수산화칼슘 수화물과 반응하여 목표를 달성 할 수 있다. 또한 반응을 촉진할 수 있는 보조재의 혼합으로 제조할 수 있다. More specifically, the inorganic pozzolanic material can achieve the target by reacting with free calcium ions and calcium hydroxide hydrates of the cement composite material through water-soluble inorganic gel fire. And can also be prepared by mixing auxiliary materials capable of promoting the reaction.
수용성 무기계 겔화제는 황산 알루미늄(Al2(SO4)3), 황산 칼슘 알루미늄(AlK(SO4)2), 알루민산 나트륨(Al2O3nKa2O)이 단독 혹은 혼합된 형태일 수 있으며, 무기계 포졸란계 재료의 100 중량부에 대하여 50 내지 80 중량부를 구성할 수 있다. 반응 촉진을 위한 보조재는 수용성 실리카인 실리카퓸 혹은 이외의 반응성 실리카 재료를 무기계 포졸란계 재료의 100 중량부에 대하여 20 내지 50 중량부로 혼합된 형태이다. 또한 반응속도 조절을 위하여 불소계 지연제(KFnH2O)를 외할로 1 내지 5 중량부를 첨가한다.The water-soluble inorganic gelling agent may be a mixture of aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 ), calcium aluminum sulfate (AlK (SO 4 ) 2 ) and sodium aluminate (Al 2 O 3 nKa 2 O) And 50 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic pozzolanic material. The auxiliary material for accelerating the reaction is a mixture of 20 to 50 parts by weight of silica fume or other reactive silica material with respect to 100 parts by weight of the inorganic pozzolanic material. Also, 1 to 5 parts by weight of a fluorine-based retarder (KFnH 2 O) is added to the reaction mixture to adjust the reaction rate.
무기계 포졸란계 재료는 실리콘과 혼합하여 개질하는 단계를 거치며, 개질된 실리콘을 코어재로 사용할 경우 자유 칼슘 이온 혹은 수산화칼슘 수화물과 만나 반응할 수 있으며, 반응 촉매재 및 반응 매개체에 따른 상기의 문제점을 해결할 수 있는 것이다.The inorganic pozzolanic material is modified by mixing with silicon. When the modified silicone is used as a core, the inorganic pozzolanic material can react with free calcium ions or calcium hydroxide hydrate to solve the above-described problems according to the reaction catalyst material and the reaction medium. You can.
캡슐화된 개질 실리콘을 코어재로 사용한 자기치유 캡슐의 균열 치유 반응 매커니즘은 다음과 같다. 균열이 발생하여 파괴된 캡슐은 균열 내부로 개질 실리콘이 유출하게 되며 2가지 반응을 달성할 수 있다. 첫번째 반응은 개질 실리콘의 주요성분 중 하나인 황산이온(SO4 2-) 및 알루미나이온(Al3+)이 칼슘 이온(Ca)과 수분(H2O)과 만나 수화물인 에트린자이트를 생성하여 균열부에 가교 역할을 하는 침상형 물질이 형성되며, 실리콘이 접착제 혹은 충전재 역할을 하여 균열부를 치유, 즉 균열을 보수하게 된다. 두번째 반응은 나트륨이온(Na), 칼륨(K)이온이 내부의 칼슘과 만나 규산염계 반응 생성물을 통하여 균열부를 치유하며, 또한 기존의 미수화 시멘트 및 수산화칼슘 수화물의 2차 수화반응을 유도할 수 있어 견고하게 균열을 치유할 수 있는 것이다. 따라서 별도의 촉매제 또는 반응 매개체에 따른 구속조건 없이 반응 효율을 극대화 할 수 있는 것이다. The crack healing reaction mechanism of self-healing capsules using encapsulated modified silicone as a core is as follows. The cracked capsule is broken and the modified silicone is released into the crack and two reactions can be achieved. In the first reaction, sulfuric acid ions (SO 4 2- ) and alumina ions (Al 3+ ), which are one of the main components of modified silicon, meet with calcium ions (Ca) and water (H 2 O) to form a hydrate, And an acicular material acting as a bridge is formed in the crack portion, and the silicon acts as an adhesive or a filler to heal the crack, that is, to repair the crack. The second reaction is that the sodium ion (Na) and potassium (K) ions meet the internal calcium and heal the cracks through the silicate-based reaction product and can induce the secondary hydration reaction of the existing unhydrated cement and calcium hydroxide hydrate It is able to heal the crack firmly. Therefore, the reaction efficiency can be maximized without restraint depending on the catalyst or the reaction medium.
본 발명의 실시예에 따른 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐의 제조방법은 칼슘이온과 반응이 가능한 무기계 포졸란계 재료를 제조하는 단계; 상기 무기계 포졸란계 재료를 실리콘과 혼합하여 실리콘을 개질화하는 단계;A method for preparing a self-healing capsule for a cementitious composite according to an embodiment of the present invention includes: preparing an inorganic pozzolanic material capable of reacting with calcium ions; Mixing the inorganic pozzolana-based material with silicon to reform the silicon;
상기 개질화된 실리콘을 캡슐화하는 단계; 및 상기 캡슐화된 캡슐의 외주면에 코팅층을 도포하는 단계를 포함할 수 있다.Encapsulating the reformed silicon; And applying a coating layer to the outer circumferential surface of the encapsulated capsule.
본 발명의 실시예에 따른, 개질된 실리콘을 포함하는 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐은 시멘트 복합재료에 포함되어 있는 자유 칼슘이온 및 수산화칼슘 수화물과 반응할 수 있는 무기계 포졸란계 재료를 혼합하여 개질된 실리콘을 포함하는 코어재를 사용하여, 별도의 반응 촉매재의 첨가 및 매개체가 없이도 반응할 수 있기 때문에 코어재의 치유 효율을 증대할 수 있다. 또한 무기계 포졸란계 재료에 의하여 일반적인 시멘트 복합재료의 수화물인 침상의 에트린자이트 생성, 알칼리 회복에 도움이 되는 규산염계 반응 생성물 및 실리콘의 접착 및 충전 역할에 의하여 견고하게 균열 면을 스스로 보수가 가능하기 때문에 이러한 구성을 가진 본 발명의 자기치유 캡슐은 코팅재로써 표면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 시멘트 복합재료에 직접 혼합이 가능하여 구조물에서 약 3-10 mm 수준 또는 그 이상을 도포하여 어느 정도의 두께를 가지는 막형태로 시공되거나 또는 구조물 모체 자체로 시공될 수 있는 것이다.According to an embodiment of the present invention, a self-healing capsule for a cement composite material containing modified silicon is prepared by mixing a free calcium ion and an inorganic pozzolanic material capable of reacting with a calcium hydroxide hydrate contained in a cement composite material, It is possible to increase the healing efficiency of the core material by using a core material containing silicon and reacting without addition of a reaction catalyst material and without a mediator. In addition, the inorganic pozzolanic materials make it possible to repair the crack surface by itself, due to the role of silicate-based reaction product and siliceous adhesion and filling of the silicate-based reaction product, Therefore, the self-healing capsules of the present invention having such a configuration can be applied to the surface as a coating material and can be directly mixed with the cement composite material so that the coating can be applied at a level of about 3-10 mm or more in the structure, Or may be constructed with the structure body itself.
도 1은 본 발명을 달성하기 위한 개질된 실리콘의 첫번째 반응 매커니즘을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명을 달성하기 위한 개질된 실리콘의 두번째 반응 매커니즘을 나타내는 도면이다.
도 3는 국외 기술을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 국내 기술을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 캡슐의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 7는 본 발명을 통하여 제조된 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명을 활용할 수 있는 방안에 대한 개략도를 나타낸 것이다.Figure 1 is a diagram showing the first reaction mechanism of modified silicon to achieve the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a second reaction mechanism of the modified silicon to achieve the present invention.
Fig. 3 is a view schematically showing the foreign technology.
Figure 4 is a schematic representation of domestic technology.
5 is a view schematically showing the present invention.
6 is a flowchart showing a method of manufacturing a capsule according to the present invention.
7 is a view schematically showing an example produced through the present invention.
FIG. 8 shows a schematic diagram of a scheme for utilizing the present invention.
이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일부 실시 예를 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the components in the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals whenever possible, even if they are displayed on other drawings.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 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. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결' 또는 '결합'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결' 또는 '결합'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that the words or words used in the present specification and claims are not to be construed in a conventional or dictionary sense and that the inventor can properly define the concept of a term to describe its invention in the best way And should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected" or "coupled" to another component, the component may be directly coupled or coupled to the other component, but another component It is to be understood that the elements may be " connected " or " coupled ".
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명의 실시예에 따른 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐은 실리콘과, 상기 실리콘 100중량부에 대해 칼슘이온과 반응이 가능한 무기계 포졸란계 재료 1 내지 50 중량부가 상기 실리콘 입자와 혼합된 코어재; 상기 코어재의 외주면에 도포되는 코팅층을 포함할 수 있다.A self-healing self-healing capsule for a cementitious composite according to an embodiment of the present invention includes: a core composed of silicon and 1 to 50 parts by weight of an inorganic pozzolanic material capable of reacting with calcium ions with respect to 100 parts by weight of the silicon; And a coating layer applied to an outer circumferential surface of the core material.
무기계 포졸란계 재료는 수용성 무기계 겔화재를 통하여 시멘트 복합재료의 자유 칼슘이온 및 수산화칼슘 수화물과 반응하여 목표를 달성 할 수 있다. 또한 반응을 촉진할 수 있는 보조재의 혼합으로 제조할 수 있다. 수용성 무기계 겔화제는 황산 알루미늄(Al2(SO4)3), 황산 칼슘 알루미늄(AlK(SO4)2), 알루민산 나트륨(Al2O3nKa2O)이 단독 혹은 혼합된 형태일 수 있으며, 무기계 포졸란계 재료의 100 중량부에 대하여 50 내지 80 중량부를 구성할 수 있다. 반응 촉진을 위한 보조재는 수용성 실리카인 실리카퓸 혹은 이외의 반응성 실리카 재료를 무기계 포졸란계 재료의 100 중량부에 대하여 20 내지 50 중량부로 혼합된 형태이다. 또한 반응속도 조절을 위하여 불소계 지연제(KFnH2O)를 외할로 1 내지 5중량부를 첨가한다.The inorganic pozzolanic materials react with free calcium ions and calcium hydroxide hydrates of cement composites through water-soluble inorganic gel fire to achieve the target. And can also be prepared by mixing auxiliary materials capable of promoting the reaction. The water-soluble inorganic gelling agent may be a mixture of aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 ), calcium aluminum sulfate (AlK (SO 4 ) 2 ) and sodium aluminate (Al 2 O 3 nKa 2 O) And 50 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the inorganic pozzolanic material. The auxiliary material for accelerating the reaction is a mixture of 20 to 50 parts by weight of silica fume or other reactive silica material with respect to 100 parts by weight of the inorganic pozzolanic material. Also, 1 to 5 parts by weight of a fluorine-based retarder (KFnH 2 O) is added to the reaction mixture to adjust the reaction rate.
개질 실리콘을 코어재로 사용한 자기치유 캡슐의 균열 치유 반응 매커니즘은 도 1과 도 2에서 설명한다. 도 1은 개질 실리콘의 주요성분 중 하나인 황산이온(SO4 2-) 및 알루미나이온(Al3+)이 칼슘 이온(Ca)과 수분(H2O)과 만나 수화물인 에트린자이트를 생성하여 균열 부에 가교 역할을 하는 침상형 물질이 형성되며, 실리콘이 접착제 혹은 충전재 역할을 하여 균열부를 치유, 즉 균열을 보수하게 된다. 도2는 개질 실리콘의 주요성분 중 나트륨이온(Na), 칼륨(K)이온이 내부의 칼슘과 만나 규산염계 반응 생성물을 통하여 균열부를 치유하며, 또한 기존의 미수화 시멘트 및 수산화칼슘 수화물의 2차 수화반응을 유도할 수 있어 견고하게 균열을 치유할 수 있는 것이다. 따라서 별도의 촉매제 또는 반응 매개체에 따른 구속조건 없이 반응 효율을 극대화 할 수 있는 것이다. 또한 강알칼리 이온화를 통하여 중성화된 내부를 알칼리 회복 성능을 추가적으로 얻을 수 있다.The crack healing reaction mechanism of self-healing capsules using modified silicon as a core is illustrated in FIG. 1 and FIG. FIG. 1 shows that sulfate ion (SO 4 2- ) and alumina ion (Al 3+ ), which are one of the main components of modified silicon, meet with calcium ions (Ca) and water (H 2 O) to form a hydrate, And an acicular material acting as a bridge is formed in the crack portion, and the silicon acts as an adhesive or a filler to heal the crack, that is, to repair the crack. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of sodium ions (Na) and potassium (K) ions in the modified silicon and the amount of secondary hydration of existing non-hydrogenated cement and calcium hydroxide hydrate The reaction can be induced, and the crack can be healed firmly. Therefore, the reaction efficiency can be maximized without restraint depending on the catalyst or the reaction medium. In addition, alkaline recovery performance can be additionally obtained in the interior that is neutralized through strong alkali ionization.
일반적으로 시멘트의 성분은 규산삼칼슘(3CaO·SiO2)과 규산이칼슘(2CaO·SiO2)을 포함하여 이루어지고, 풍부한 칼슘이온이 존재하기 때문에, 본 발명에서는 이러한 칼슘이온과 직접 반응할 수 있는 코어재를 제안한다. 이러한 코어재는 캡슐화 될 수 있고, 캡슐이 깨지면, 개질된 실리콘 코어재가 별도의 촉매 없이 시멘트 복합재료의 칼슘이온과 반응하여 경화될 수 있다. In general, components of the cement is a calcium silicate ginseng (3CaO · SiO 2) and the silicic acid is made by including calcium (2CaO · SiO 2), because it is rich in calcium ions, according to the present invention can be directly reacted with such calcium ions And a core material. Such a core material can be encapsulated, and when the capsule is broken, the modified silicone core material can react with the calcium ions of the cement composite material and cure without additional catalyst.
그러나 이와 관련된 유사기술을 살펴보면 도 3에서 대표적인 국외의 기술을 개략적으로 도시한다. 자기치유 캡슐 외에 도 3과 같이 별도의 촉매제를 캡슐화하여 함께 시멘트 복합재료에 적용하여야만 하며, 균열부에 유기계 코어재가 유출되더라도 촉매와 만나지 못하는 코어재는 반응을 하지 못하여 치유 반응이 일어나지 않는다. 또한 캡슐 자체의 강도가 약하여 시멘트 복합재료와 함께 혼합 적용이 어렵다. 이러한 이유로 에폭시계 Base 재료에 캡슐과 촉매제를 혼합하여 표면에 박막의 코팅막을 형성한다. 따라서 스크래치 수준의 균열만을 대상으로 하면 내부로 진전되는 균열에 대해서는 치유효과가 한정적이다.However, a similar technique related to this is schematically shown in Fig. 3, which is a typical foreign technology. In addition to the self-healing capsules, a separate catalytic agent should be encapsulated and applied to the cement composite material as shown in FIG. 3, and even if the organic core material flows out to the cracked portion, the core material that does not meet with the catalyst does not react and the healing reaction does not occur. In addition, the strength of the capsule itself is low, so it is difficult to mix it with the cement composite material. For this reason, a capsule and a catalyst are mixed with an epoxy base material to form a thin coating film on the surface. Therefore, if only the cracks at the scratch level are targeted, the healing effect is limited for cracks propagating inward.
도 4는 대표적인 국내의 기술을 개략적으로 도시한다. 국내의 기술은 국외의 별도의 촉매제의 문제점을 보완하기 위하여 코어재가 태양광(UV)만을 가지고 반응하는 재료를 사용하였다. 그러나 이러한 경우에도 태양광이 없는 공간에서는 치유반응을 유도하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 국외와 동일하게 캡슐 자체의 강도가 약하여 표면에 박막의 코팅막을 형성하는 수준인 것이다. Figure 4 schematically illustrates a representative domestic technology. Domestic technology uses a material that reacts only with the sunlight (UV) in order to compensate the problem of a separate catalyst outside the country. However, even in such a case, there is a disadvantage that it is difficult to induce a healing reaction in a space without sunlight. In addition, the strength of the capsule itself is weak, as in the case of outside the country, to form a thin coating film on the surface.
본 발명인 개질 실리콘을 코어재로 활용한 캡슐의 기술은 도 5에서 개략적으로 도시한다. 개질 실리콘은 기존의 코어재의 반응에 대한 문제점을 보완하기 위한 것으로 별도의 촉매제를 사용하지 않으며, 태양광과 같은 조건변수에 따른 영향을 해결할 수 있다. 또한 막의 강화를 통하여 시멘트 복합재료에 직접적으로 혼합이 가능한 장점이 있어 손실량을 최소화 할 수 있다.The technology of the capsule using the modified silicon as the core material of the present invention is schematically shown in Fig. Modified silicon is used to supplement the problems of the existing core material and does not use a separate catalyst, and can solve the influence of condition variables such as sunlight. Also, since the membrane can be directly mixed with the cement composite material through reinforcement, the loss can be minimized.
상기의 반응 매커니즘을 가지는 개질 실리콘을 코어재로 활용한 자기치유 캡슐의 제조방법은 도 6에서 도시한다. 개질된 실리콘은 외부와 차단될 수 있는 막 형태를 갖도록 캡슐화하여 보호할 수 있다. 이때, 막은 요소(urea)와 포름알데히드(formaldehyde)를 합성시킨 urea-formaldehyd 재질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 캡슐화는 인시츄(In-situ) 중합법을 통해 이루어 질 수 있고, RPM에 따라 캡슐의 사이즈를 조절할 수 있다.A manufacturing method of a self-healing capsule using modified silicon as a core material having the above reaction mechanism is shown in FIG. The modified silicone can be encapsulated and protected to have a film form that can be shielded from the outside. At this time, the membrane may be a urea-formaldehyde material synthesized of urea and formaldehyde, but is not limited thereto. Encapsulation can be accomplished through in-situ polymerization and the size of the capsules can be controlled according to RPM.
이렇게 형성된 캡슐의 외주면에는 코팅층이 형성될 수 있다. 코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 적층 도포될 수 있다. A coating layer may be formed on the outer circumferential surface of the capsule thus formed. The coating layer can be laminated in multiple stages using a coating liquid.
이와 같이 코팅을 다단으로 수행토록 하여 코어재에 코팅층이 적층되도록 하는 이유는 본 발명의 캡슐이 시멘트 복합재료에 배합되는 과정에서 타 조성과의 마찰 등에 의해 코어재의 노출 등 내구성 저하요인을 제어하기 위한 것이다.The reason why the coating layer is laminated on the core material in such a manner that the coating is performed in a multi-stage manner is to prevent the durability deterioration factors such as exposure of the core material due to friction with the other composition during the process of compounding the capsules of the present invention with the cement composite material will be.
상기 코팅액은 폴리머, 세라믹 등 다양한 재질이 사용될 수 있는 바, 배합과정에서 본 발명의 캡슐이 배합되도록 하기 위해 일정 강도가 발현되는 재질이 사용되어야 한다. 즉 시멘트 복합재료와 직접 혼합되기 때문에 시멘트 복합재료의 구성재료 및 혼합기에 대하여 마찰 및 전단 등의 압력이 가해지므로 손실량을 최소화할 수 있게 다단으로 코팅이 되도록 하는 것이며, 이를 통해 코어재로의 수분차단력을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.Various materials such as polymers and ceramics may be used as the coating liquid. In order to formulate the capsules of the present invention during the compounding process, a material having a constant strength should be used. In other words, since it is directly mixed with the cement composite material, the friction and shearing pressure is applied to the constituent materials and the mixer of the cement composite material, so that the multi-layer coating can be performed in order to minimize the loss, Can be improved.
구체적으로, 코팅액은 TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 포함할 수 있고, 이를 통해 상기 캡슐의 표면에 코팅층을 형성할 수 있다. TEOS가 표면을 한층더 코팅해주기 위해서, monobasic sodium phosphate, ammonium chloride, TBAF(tetrabutylammonium fluoride) solution, distilled water등이 환경을 조성하기위한 베이스(base)제로 사용될 수 있다. 즉, 이러한 베이스제에 캡슐화 TEOS를 넣고 교반기를 통하여 코팅이 이루어 질 수 있다. 도 7은 본 발명을 통하여 제조된 예를 나타낸 것이다.Specifically, the coating liquid may include tetraethyl orthosilicate (TEOS), thereby forming a coating layer on the surface of the capsule. In order to further coat the surface of TEOS, monobasic sodium phosphate, ammonium chloride, tetrabutylammonium fluoride (TBAF) solution and distilled water can be used as the base for the environment. That is, the encapsulated TEOS may be added to the base material and the coating may be performed through the agitator. Figure 7 shows an example made through the present invention.
본 발명의 개질된 실리콘을 코어재로 활용한 자기치유 캡슐은 시멘트 복합재료와 직접적으로 혼합되어 질 수 있다. 따라서 도 8과 같이 활용되어질 수 있다. 박막의 코팅재로만 활용되는 기존의 캡슐과는 다르게 본 발명은 기존 캡슐과 동일하게 박막의 코팅재로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 시멘트 복합재료에 혼합하여 3 mm 이상 30 mm 이하의 피복재로 활용될 수 있다. 또한 신규 구조물의 위험단면에 전체 혹은 국부적으로 적용 가능하다. The self-healing capsules utilizing the modified silicone of the present invention as a core material can be directly mixed with the cement composite material. Therefore, it can be utilized as shown in FIG. Unlike conventional capsules which are used only as a coating material for thin films, the present invention can be utilized not only as a coating material for a thin film but also as a covering material of 3 mm or more and 30 mm or less by mixing with a cement composite material. It is also applicable in whole or in part to the hazardous section of the new structure.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 '포함하다', '구성하다' 또는 '가지다' 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively coupled to one or more of them. It is to be understood that the terms such as 'include', 'comprising', or 'having', as used herein, mean that a component can be implied unless specifically stated to the contrary. But should be construed as including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (3)
상기 실리콘 100중량부에 대해 칼슘이온과 반응이 가능한 무기계 포졸란계 재료 1 내지 50 중량부가 상기 실리콘 입자와 혼합된 코어재; 및
상기 코어재의 외주면에 도포되는 코팅층;
을 포함하는 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐.
silicon;
1 to 50 parts by weight of an inorganic pozzolanic material capable of reacting with calcium ions with respect to 100 parts by weight of silicon; And
A coating layer applied to an outer circumferential surface of the core material;
Wherein the self-healing capsule is a self-healing capsule.
상기 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐은 수용성 실리카인 실리카퓸 혹은 반응성 실리카 재료로 구성된 반응 촉진을 위한 보조재를 더 포함하고,
상기 무기계 포졸란계 재료는 황산 알루미늄(Al2(SO4)3), 황산 칼슘 알루미늄(AlK(SO4)2), 알루민산 나트륨(Al2O3nKa2O)이 단독 혹은 혼합된 형태인 것을 특징으로 하는 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐.
The method according to claim 1,
Wherein the self-healing capsules for cement composites further comprise an auxiliary material for reaction promotion consisting of silica fume or reactive silica material, which is water-soluble silica,
The inorganic pozzolanic material may be a mixture of aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 ), calcium aluminum sulfate (AlK (SO 4 ) 2 ) and sodium aluminate (Al 2 O 3 nKa 2 O) Crack self-healing capsules for cement composites characterized.
상기 무기계 포졸란계 재료를 실리콘과 혼합하여 실리콘을 개질화하는 단계;
상기 개질화된 실리콘을 캡슐화하는 단계; 및
상기 캡슐화된 캡슐의 외주면에 코팅층을 도포하는 단계;
를 포함하는 시멘트 복합재료용 균열 자기치유 캡슐의 제조방법.
Preparing an inorganic pozzolanic material capable of reacting with calcium ions;
Mixing the inorganic pozzolana-based material with silicon to reform the silicon;
Encapsulating the reformed silicon; And
Applying a coating layer to an outer circumferential surface of the encapsulated capsule;
≪ / RTI > wherein the cementitious self-healing capsules are prepared by the method.
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| KR101168038B1 (en) | 2011-12-15 | 2012-07-27 | 한국건설생활환경시험연구원 | Microcapsule, self-healing coating material forming composition, capsule dispersion type self-healing coating material and manufacturing method of the coating material |
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