KR20200037578A - 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 콘크리트 구조체 표면에 코팅되어 우수한 발수성, 방오성, 내화학성, 고연성 및 고강도 성능을 구현할 수 있는 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함하고, 상기 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량은 세라믹 코팅 조성물의 총 중량에 대하여 0.0005 ~ 4 중량%인 것이 바람직하다.

Description

구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법{Ceramic coating composition for structural reinforcement and manufacturing method thereof}
본 발명은 콘크리트 구조체 표면을 코팅하기 위한 것으로, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함하여 우수한 발수성, 방오성, 내화학성, 고연성 및 고강도 성능을 구현할 수 있는 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트가 공기 중에 노출되면 시멘트 수화물인 수산화칼슘 Ca(OH)2이 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 반응하여 탄산염(탄산칼슘, 탄산수소칼슘)을 생성하게 되며, 이러한 작용으로 알칼리성인 콘크리트가 중성화되어 콘크리트가 열화된다.
이러한 콘크리트의 열화는 표면에서 내부를 향하여 진행되고, 열화가 진행됨에 따라 철근의 부동태 막이 파괴되어 철근의 부식을 가속화시키며, 철근이 팽창하게 되어 콘크리트 구조물의 응력을 가속화시켜 균열을 유발시킴으로써, 철근 부착강도 저하, 피복 콘크리트의 박리, 철근의 강도저하 등 철근 콘크리트 구조물의 물리적 성능을 저하시켜 최종적으로는 구조물 파괴를 초래한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 유기계 에폭시나 아크릴 수지, 폴리우레탄 계열 등을 원료로 하는 표면보호강화제가 사용되어 왔으며, 특히 열화 환경이나 내구 성능이 요구되는 부위에는 주로 유기계 도막제가 사용되어져 왔다.
등록특허공보 제10-1722753호는 내구성이 개선된 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, 자외선에 대한 내광성이 우수한 이산화 티탄 졸과 세륨염 수용액과 징크염 수용액과 안료 분산액 및 알콕시 실란을 일액형 형태로 가수분해한 세라믹 코팅제 조성물을 제시하고 있다.
이러한 세라믹 코팅제 조성물은, 열악한 환경하의 콘크리트 구조물 등과 강재, 강교량, 복상판, 강재 등의 화학적 침식으로 인한 부식, 열화 등을 방지할 수 있는 장점이 있으나, 콘크리트 구조체 표면에 도포될 시에 강도 및 연성의 성능이 떨어져 구조 보강용으로 사용되기 어려운 문제점을 여전히 갖고 있다.
등록특허공보 제10-1722753호
본 발명은, 콘크리트 구조체 표면을 코팅하기 위한 것으로, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함하여 우수한 발수성, 방오성, 내화학성, 고연성 및 고강도 성능을 구현할 수 있는 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 콘크리트 구조체 표면을 코팅하기 위한 구조보강용 세라믹 코팅 조성물에 관한 것으로, 상기 세라믹 코팅 조성물은, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량은 세라믹 코팅 조성물의 총 중량에 대하여 0.0005 ~ 4 중량%인 것이 바람직하다.
구체적으로, 세라믹 코팅 조성물 100 중량%를 기준으로 그래핀 0.0005 ~ 4 중량%, 제1 실란혼합물 80~85 중량%, 제2 실란 혼합물 10~15 중량% 및 세라믹 입자 3~5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 그래핀은 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물이 환원되어 형성될 수 있으며, 상기 그래핀의 두께는 0.55㎚ ~ 3.0㎚이고, 직경은 1㎛ ~ 50㎛인 것이 바람직하다.
상기 제1 실란 혼합물은 트리메톡시실란 : 디페닐디클로로실란 : 알코올 : 탈이온수 : 염산이 각각 1 : 0.15~0.5 : 1~7 : 1~5 : 0.0001~0.1 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제1 실란 혼합물 100 중량부를 기준으로 유기폴리실록산 0.05 ~ 1.2 중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 실란 혼합물은 아미노프로필트리에톡시실란 : 알코올 : 탈이온수가 각각 1 : 10~20 : 3~15 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 입자는, 트리메틸화 실리카, 디메틸비닐화 실리카, 산화규소, 탄산칼슘, 산화아연 및 산화알루미늄으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 제조 방법에 관한 것으로, 제1 실란 혼합물을 제조하는 단계; 제2 실란 혼합물을 제조하는 단계; 그래핀, 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물을 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물을 기계적으로 분산 처리하는 단계; 및 분산 처리된 혼합물에 세라믹 입자를 첨가하여 그래핀-세라믹 혼합물을 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 분산 처리하는 단계는 초음파 처리, 균질기 처리, 수조 음파처리, 스터링 또는 전단력 인가 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물은, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함함으로써 콘크리트 구조체 표면에 코팅되어 우수한 발수성, 방오성, 내화학성, 고연성 및 고강도 성능을 구현할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물을 미장한 모르타르 실험체의 전단 강도 시험 후의 모습을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물을 미장한 모르타르 프리즘 실험체의 전단 강도 시험 후의 모습을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물을 미장한 모르타르 실험체의 부착 강도 시험 후의 모습을 촬영한 사진이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 및 이의 제조방법에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물은, 콘크리트 구조체 표면을 코팅하기 위한 것으로, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함하고, 상기 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량은 세라믹 코팅 조성물의 총 중량에 대하여 0.0005 ~ 4 중량%인 것이 바람직하다.
상기 그래핀은 우수한 고연성 및 고강도 성능을 구현하기 위한 것으로, 상기 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량이 0.0005 중량% 미만인 경우, 우수한 고연성 및 고강도의 코팅막을 구현할 수 없고, 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량이 4 중량%를 초과하는 경우, 여분의 그래핀이 불순물로 작용할 수 있고, 세라믹 코팅 조성물의 균일성 및 투명성을 확보할 수 없다.
구체적으로, 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물은, 세라믹 코팅 조성물 100 중량%를 기준으로 그래핀 0.0005 ~ 4 중량%, 제1 실란 혼합물 80 ~ 85 중량%, 제2 실란 혼합물 10 ~ 15 중량% 및 세라믹 입자 3~ 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 그래핀의 두께는 0.55㎚ ~ 3.0㎚ 인 것이 바람직하며, 그래핀의 직경은 1㎛ ~ 50㎛인 것이 바람직한데, 이는 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 혼합한 졸(sol) 용액은 비중이 높고 점도가 있어, 상대적으로 소프트한 그래핀이 세라믹 입자와 혼합되면서 그래핀 자체가 손상되는 문제가 발생하는 것을 방지하기 위함이다. 여기서 그래핀의 직경은 그래핀의 단면과 동일한 면적의 원이 갖는 직경을 의미한다.
또한, 상기 그래핀은 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물이 환원되어 형성될 수 있고, 상기 환원은 다양한 방법에 의하여 이루어질 수 있으나, 예를 들어, 화학적 환원법, 열 환원법, 광열 환원법 또는 마이크로웨이브 환원법을 사용하는 것이 바람직하다.
이때 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물이 환원되어 형성된 그래핀은, 표면 산화기에 의한 산소 함량이 탄소 백본 대비 5 중량% 이하인 것을 의미한다.
구체적으로, 화학적 환원법은 리튬, 나트륨, 칼륨 등의 유기 알칼리 금속 화합물, 하이드라진(hydrazine), 소듐보로하이드라이드(NaBH4), 할로겐화수소산(hydrohalic acid), 히드로퀴톤(hydroquinone), 철 나노입자 등과 같은 환원제를 사용하여 수행될 수 있다.
열 환원법은 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물을 200℃ 내외의 온도로 가열하여 환원시키는 방법이고, 광열 환원법은 광(flash)를 조사하여 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물을 환원시키는 방법이며, 다른 방법으로, 마이크로웨이브를 조사하는 마이크로웨이브 환원법이 사용될 수 있다.
앞서 나열된 환원법은 단독으로 수행될 수도 있고, 두 가지 이상의 서로 다른 환원법이 복수로 포함되어 사용되는 것도 가능하다.
한편, 상기 제1 실란 혼합물은 트리메톡시실란 : 디페닐디클로로실란 : 알코올 : 탈이온수 : 염산이 각각 1 : 0.15~0.5 : 1~7 : 1~5 : 0.0001~0.1 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것이 바람직하다.
상기 알코올은 탄소수 1 내지 4인 알코올이라면 특별히 한정되지 않고 사용 가능하나, 바람직하게는 이소프로필알코올, 에탄올, 메틸알코올, 에틸알코올, 부틸알코올 및 에틸렌글라이콜로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
제1 실란 혼합물은 소수성 및 내화학성을 부여하는 것으로, 제1 실란 혼합물이 85 중량%를 초과할 경우 세라믹 입자의 비율이 낮아져 내수성 및 내부식 성능이 저하되게 되고, 80 중량% 미만일 경우 코팅제로서의 효과가 떨어지게 되므로 표면 경도가 저하될 수 있다.
이때 기타 첨가제로서, 제1 실란 혼합물에 유기폴리실록산을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 실란 혼합물 100 중량부를 기준으로 유기폴리실록산 0.05 ~ 1.2 중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 유기폴리실록산이 더 포함됨에 따라 경화 속도에 의한 접착 강도를 확보할 수 있다.
상기 유기폴리실록산은 에폭시 말단을 가지는 작용기를 포함할 수 있으며, 에폭시 말단을 가지는 작용기의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 에폭시, 탄소수 3 내지 8인 에폭시 알킬, 탄소수 8 내지 13인 에폭시 알킬아릴, 탄소수 8 내지 13인 에폭시 아릴 알킬, 탄소수 4 내지 9인 에폭시 시클로 알킬, 탄소수 4 내지 9인 알킬 글리시딜 에테르, 탄소수 3 내지 8인 글리시독시 알킬 또는 탄소수 9 이상인 글리시독시 아릴일 수 있다.
상기 제2 실란 혼합물은 아미노프로필트리에톡시실란 : 알코올 : 탈이온수가 각각 1 : 10 ~ 20 : 3 ~ 15 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것이 바람직하다.
이때 알코올은 탄소수 1 내지 4인 알코올이라면 특별히 한정되지 않고 사용 가능하나, 바람직하게는 이소프로필알코올, 에탄올, 메틸알코올, 에틸알코올, 부틸알코올 및 에틸렌글라이콜로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
제2 실란 혼합물은 경화 속도 및 표면 경도를 조절하기 위한 것으로, 제2 실란 혼합물이 15 중량%를 초과할 경우 경화 속도가 너무 빨라서 작업 시간이 부족하게 되고, 코팅되는 물질의 내부로 침투가 원활하지 못하며, 10 중량% 미만일 경우 경화 속도가 현저히 느려지고, 표면 경도가 저하될 수 있다.
상기 세라믹 입자는 트리메틸화 실리카(TRIMETHYLATED SILICA), 디메틸비닐화 실리카(DIMETHYLVINYLATED SILICA), 산화규소, 탄산칼슘, 산화아연 및 산화알루미늄으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 트리메틸화 실리카(TRIMETHYLATED SILICA) 또는 디메틸비닐화 실리카(DIMETHYLVINYLATED SILICA)가 사용될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 상기 세라믹 입자는 내수성 및 내부식 성능을 부여하기 위한 것으로, 세라믹 입자가 5 중량%를 초과하면 제1 실란 혼합물과 제2 실란 혼합물의 비율이 낮아져 코팅제로서의 효과가 떨어지게 되므로 표면 경도가 저하될 수 있으며, 3 중량% 미만이면 세라믹 입자의 내수성 및 내부식 성능이 저하될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 제조 방법에 관한 것으로서, 제1 실란 혼합물을 제조하는 단계; 제2 실란 혼합물을 제조하는 단계; 그래핀, 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물을 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물을 기계적으로 분산 처리하는 단계; 및 분산 처리된 혼합물에 세라믹 입자를 첨가하여 그래핀-세라믹 혼합물을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
제1 실란 혼합물을 제조하는 단계는, 트리메톡시실란 : 디페닐디클로로실란 : 알코올 : 탈이온수 : 염산을 각각 1 : 0.15~0.5 : 1~7 : 1~5 : 0.0001~0.1 의 몰비로 혼합하여 졸(sol) 용액을 제조하는 단계이다.
먼저, 트리메톡시실란과 디페닐디클로로실란을 범위 내의 몰비로 혼합한 후 약 10분 ~ 30분 동안 1200 rpm ~ 2000 rpm 으로 교반한다. 이후 알코올을 첨가한 후 동일 조건으로 교반하고, 탈이온수와 염산을 혼합하여 약 10분 ~ 20분 동안 교반한 혼합 용액을 첨가하여 약 4시간 ~ 5시간 동안 1200 rpm ~ 2000 rpm으로 교반한다.
이때 첨가제로 유기폴리실록산을 더 첨가하는 것이 바람직하며, 유기폴리실록산을 제1 실란 혼합물 전체 중량에 대하여 0.05 ~ 1.2 중량% 더 첨가하여 약 1시간 ~ 2시간 동안 교반시킴으로써 제1 실란 혼합물을 제조할 수 있다.
제2 실란 혼합물을 제조하는 단계는, 아미노프로필트리에톡시실란 : 알코올 : 탈이온수를 각각 1 : 10 ~ 20 : 3 ~ 15 의 몰비로 혼합하여 졸(sol) 용액을 제조하는 단계이며, 제1 실란 혼합물을 제조하는 단계 이후에 진행되거나, 혹은 동시에 진행될 수 있다.
구체적으로, 먼저 아미노프로필트리에톡시실란과 알코올을 혼합하고 약 30분 ~ 40분 동안 300 ~ 400 rpm으로 교반한다. 이후 탈이온수를 첨가한 후 약 4시간 ~ 5시간 동안 400 ~ 500 rpm으로 교반하여 제2 실란 혼합물을 제조할 수 있다.
아미노프로필트리에톡시실란는 탈이온수에 대한 반응성이 낮기 때문에, 아미노프로필트리에톡시실란을 먼저 알코올과 혼합한 후, 탈이온수를 첨가하여 혼합하여 제2 실란 혼합물을 제조함으로써 탈이온수에 아미노프로필트리에톡시실란이 응집되는 것을 방지할 수 있다.
제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물이 제조된 후에는, 그래핀, 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물을 혼합하는 단계가 진행된다.
상기 혼합하는 단계는 그래핀, 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물을 혼합하여 각각의 실란올 분자단(Si-OH)이 서로 중축합하여 3차원 망목구조를 형성하여 겔화(gelation)되도록 하고, 그래핀을 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물에 분산시키는 단계이다.
구체적으로, 그래핀 : 제1 실란 혼합물 : 제2 실란 혼합물을 각각 0.0005 ~ 4 : 80 ~ 85 : 10 ~ 15의 중량비로 혼합한 후 약 5분 ~ 15분 동안 교반한다.
이때 제1 실란 혼합물의 유기작용기는 제2 실란 혼합물의 유기작용기와 반응하여 서서히 경화되고, 각각의 실란올(Si-OH) 분자단은 서로 중축합하여 3차원 망목 구조를 형성하고 겔화(gelation)된 후 빨리 경화되도록 한다.
또한, 그래핀은 알코올에 의해서 그래핀 표면에 흡착된 수분이 제거되게 되며, 이에 따라 혼합물인 졸(sol) 용액의 안정화가 극대화될 수 있으며, 염산에 의해서 분산 안정성이 유지될 수 있다.
한편, 그래핀이 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물에 효율적으로 분산되도록 그래핀 분산제를 혼합물 100 중량을 기준으로 1 중량% 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 그래핀 분산제는 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜(PEG: polyethylene glycol), 글리세롤, 아세트산, 시트르산 등과 같은 물질 혹은 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
다음으로, 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물을 기계적으로 분산 처리하는 단계가 진행된다.
상기 분산 처리하는 단계는 초음파 처리, 균질기 처리, 수조 음파처리, 스터링 또는 전단력 인가 방법으로 수행되는 것이 바람직하며, 분산 처리하는 단계에 의해 혼합물 내 그래핀의 분산성이 극대화될 수 있다.
이후, 분산 처리된 혼합물에 세라믹 입자를 첨가하여 그래핀-세라믹 혼합물을 제조하는 단계가 진행된다.
구체적으로, 분산 처리된 혼합물과 세라믹 입자를 약 1200 rpm ~ 2000 rpm으로 교반하며, 24시간 이상 숙성시켜 그래핀-세라믹 혼합물이 제조되며, 이로 인해 그래핀에 세라믹 입자가 최대로 분산되어 흡착될 수 있고, 균일한 그래핀-세라믹 혼합물이 제조될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
[제조예 1]
구조 보강용 세라믹 코팅 조성물 제조
트리메톡시실란 2.4 mole과 디페닐디클로로실란 0.4 mole을 혼합 비율에 따라 혼합하고 20분 동안 1300rpm으로 교반한다. 이후 이소프로필알코올 2.4 mole을 첨가하여 동일 조건으로 교반하고, 다음 탈이온수 6.2 mole와 염산 0.001 mole을 혼합하여 10분 동안 교반한 혼합 용액을 첨가하고 4시간 동안 1300rpm으로 교반한다. 이때 가수분해 시 발생되는 알코올성 가스는 방출하여 포집하고, 발열 반응에 의해 발생하는 증발물을 응축기를 통해 다시 회수하면서 반응시킨다.
다음 첨가제로 폴리디메틸실록산을 전체 중량에 대하여 0.3 중량% 첨가하고 1시간 동안 교반한다. 이후 상기 교반된 용액을 1㎛ 여과 필터를 통과시켜 불순물을 제거하여 제1 실란 혼합물을 제조하였다.
한편, 아미노프로필트리에톡시실란 0.08 mole과 이소프로필알코올 1.2mole을 혼합하고 30분 동안 300rpm으로 교반하고, 다음 탈이온수 1mole을 첨가하고 4시간 동안 400rpm으로 교반한다. 이때 가수분해 시 발생되는 알코올성 가스는 방출하여 포집하고, 발열반응에 의해 발생하는 증발물은 응축기를 통해 다시 회수하면서 반응시킨다. 이후 상기 교반된 용액을 1㎛ 여과 필터를 통해 불순물을 제거하여 제2 실란 혼합물을 제조하였다.
이후 그래핀과 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물을 하기 표 1에 제시된 혼합 비율에 따라 혼합하고, 분산제로 폴리에틸렌글리콜(PEG:polyethylene glycol)을 전체 중량에 대하여 1 중량% 첨가한 후 10분 동안 교반하고, 초음파 처리를 10분간 수행하여 분산 처리하여 혼합물을 제조하였다.
다음으로, 분산 처리된 혼합물에 트리메틸화 실리카 및 디메틸비닐화 실리카가 포함된 세라믹 입자를 하기 표 1에 제시된 혼합 비율에 따라 혼합한 후, 1300 rpm으로 교반하며, 24시간 동안 숙성시켜 구조보강용 세라믹 코팅 조성물을 제조하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예 5 비교예 6
제1 실란 혼합물 82 82 82 82 82 82 82 82 82
제2 실란 혼합물 14.3 13 11.5 14.5 10 13 13 13 13
그래핀 0.2 1.5 3 0 4.5 1.5 1.5 1.5 1.5
그래핀 두께 2.0㎚ 2.0㎚ 2.0㎚ 2.0㎚ 2.0㎚ 0.3㎚ 3.3㎚ 2.0㎚ 2.0㎚
그래핀 직경 40㎛ 40㎛ 40㎛ 40㎛ 40㎛ 40㎛ 40㎛ 0.5㎛ 55㎛
세라믹 입자 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
그래핀 분산제 1 1 1 1 1 1 1 1 1
(단위 : 중량%)
[실험예 1]
구조보강용 세라믹 코팅 조성물의 내화학성 및 내구성 성능 평가
상기 제조예 1에서 제조된 세라믹 코팅 조성물의 내화학성 및 내구성을 알아보기 위하여, KS규격 콘크리트를 준비한 후, 상기 실시예 및 비교예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 KS규격 콘크리트 표면에 붓바름하고, 72시간 동안 방치시켜 경화시켰다. 대조군으로는 세라믹 코팅 조성물을 피복하지 않은 KS규격 콘크리트를 사용하였다.
그 후, KS규격 콘크리트를 각각 5% 소금물에 1500시간 침지하고, 5% 염화칼슘, 2% 염산, 2% 암모니아, 95% 에탄올, DI water에 24시간 침지하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예 5 비교예 6 대조군
5% 소금물 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 표면 박리
5% 염화칼슘 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 갈라짐
2% 염산 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 탈락
2% 암모니아 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 갈라짐
95% 에탄올 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 탈락
DI water 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 부풀어 오름
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 6를 피복한 KS규격 콘크리트의 경우, 대조군의 KS규격 콘크리트와 비교하여 5% 소금물, 5% 염화칼슘, 2% 염산, 2% 암모니아, 95% 에탄올 및 DI water에 대한 내화학성, 소수성 및 내구성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물이 피복된 콘크리트 구조물은 표면이 박리되는 현상이 현저히 개선되고, 내구성이 개선되는 효과를 나타내는 것으로 판단된다.
[실험예 2]
구조보강용 세라믹 코팅 조성물의 분산 안정성 평가
상기 실시예 및 비교예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 투명한 cell(두께 2mm, 폭 8mm)에 넣은 다음, 1300 rpm 으로 교반시키면서, 시간에 따라 865㎚ 빛의 투과도 30%인 지점이 변화하는 속도를 상대적으로 측정하여 분산 안정성을 평가하였다. 여기서 분산 안정성은 측정된 속도가 3㎛/s 를 초과하는 경우 불량, 1㎛/s ~ 3㎛/s 인 경우에는 보통, 1㎛/s 미만인 경우 양호로 평가하였다.
구조보강용 세라믹 코팅 조성물의 압축강도, 내투습도 및 연신율 평가
KS규격 콘크리트를 준비한 후, 상기 실시예 및 비교예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 KS규격 콘크리트 표면에 붓바름하고, 72시간 동안 방치시켜 경화시켰다.
그 후, KS규격 콘크리트의 압축강도, 내투습도 및 연신율 시험을 실시하였다. 여기서 압축강도는 KS L 5105 시험법에 따라 실시하였고, 내투습도는 투습컵 KS A 1013 표준 시험법을 사용하였다.
연신율은 인장강도 시험시 재료가 늘어나는 비율을 측정하는 것으로, KS규격 콘크리트를 인장강도 시험기에서 하중을 가하여 거의 중앙 부분에서 절단되거나 파괴가 일어날 때까지의 길이 변화를 측정하였다.
*연신율(%) : (L'- L) / L X 100
하기 표 3은 각 평가 시험에 따른 결과를 나타낸 표이다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예 5 비교예 6
압축강도(MPa) 25.2 25.8 26.4 21.4 22.7 22.9 23.1 23.1 23.2
내투습도(g/m2·day) 1.1 1.2 1.2 1.1 1.0 1.0 1.2 1.1 1.2
연신율(%) 25.3 25.4 25.4 19.8 25.5 23.1 23.2 23.1 23.3
분산 안정성 양호 양호 양호 양호 불량 불량 불량 불량 불량
표 3을 참조하면, 모든 실시예 및 비교예의 내투습도는 1.0 ~ 1.2g/m2·day 의 범위 내로 측정되었으며, 비교적 우수한 내투수성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 그래핀이 포함되지 않은 비교예 1의 압축강도는 21.4MPa이고, 그래핀이 0.0005 ~ 4 중량% 포함된 실시예 1 내지 3의 압축강도는 각각 25.2MPa, 25.8MPa, 26.4MPa로, 실시예 1 내지 3은 비교예 1에 비해 압축강도가 현저히 증가된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 그래핀이 4 중량%를 초과하여 포함된 비교예 2의 압축강도는 22.7MPa로, 실시예 1 내지 3보다 압축강도가 낮은 결과를 나타냈으며, 분산 안전성 또한 불량하였는데, 이는 여분의 그래핀이 불순물로 작용함에 따라 세라믹 코팅 조성물 내에 그래핀이 제대로 분산되지 못하여 그래핀이 포함되지 않은 비교예 1과 유사한 결과를 나타내는 것으로 예상된다.
한편, 그래핀의 두께가 0.3㎚인 비교예 3, 3.3㎚인 비교예 4와, 그래핀 직경이 0.5㎛인 비교예 5 및 55㎛인 비교예 6 또한 실시예 2에 비해 압축강도가 낮았으며, 분산 안정성이 불량한 것으로 확인되었다.
구체적으로, 비교예 3 내지 6의 경우에는, 소프트한 그래핀이 세라믹 입자와 혼합될 때 일부 손상되거나, 혹은 그래핀이 서로 응집되어 균일하게 분산되지 않은 것으로 판단된다. 반면, 본 발명에 따른 실시예 2의 경우, 분산성이 증대되는 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1 내지 3의 연신율은 각각 25.3 ~ 25.4 %로 비교예 1의 19.8 %에 비해 현저히 높아 고연성의 성능을 구현하는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 구조보강용 세라믹 코팅 조성물은 콘크리트 구조물의 압축강도 및 연신율을 증가시키는 것으로 여겨진다.
[실험예 3]
구조보강용 세라믹 코팅 조성물의 전단 강도 평가
인조대리석 폐분말 100 중량부에, 시멘트 슬러지 35 중량부, 인산부산이수석고 30 중량부를 혼합한 KS 규격의 일반 모르타르 시편(실험체 1-a)을 복수 개 준비하였다.
또한 인조대리석 폐분말 100 중량부에 시멘트 슬러지 35 중량부, 인산부산이수석고 30 중량부 및 알루미늄 아연 산화물(AZO)의 나노 입자로 이루어진 나노 복합체 분말 3 중량부를 혼합한 KS 규격의 나노 모르타르 시편(실험체 1-b)을 복수 개 준비하였다.
마지막으로, 상기 실시예 1에 따른 세라믹 코팅 조성물을 실험체 1-b 시편 표면에 미장하고, 72시간 동안 방치시켜 경화시킨 실험체 1-c를 복수 개 준비하였다.
한편, 상기 일반 모르타르 프리즘 시편(실험체 2-a) 및 나노 모르타르 프리즘 시편(실험체 2-b)을 복수 개 준비하고, 상기 실시예 1에 따른 세라믹 코팅 조성물을 실험체 2-b 시편 표면에 미장하고, 72시간 동안 방치시켜 경화시킨 실험체 2-c를 복수 개 준비하였다.
이후, ASTM E519 시험법에 따라 각 실험체의 사인장 전단강도 시험을 3차례 실시한 후, 최대 하중을 나타낸 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
1번 최대하중(kN) 2번 최대하중(kN) 3번 최대하중(kN) 평균 최대하중(kN)
실험체 1-a 40.77 36.16 31.85 36.26
실험체 1-b 76.44 77.61 64.68 72.91
실험체 1-c 87.22 91.83 95.55 91.63
실험체 2-a 128.58 135.0 132.5 132.01
실험체 2-b 142.1 142.1 163.1 149.1
실험체 2-c 158.8 157.39 161.7 159.25
도 1 및 표 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 표면에 미장한 실험체 1-c의 경우 평균 최대 하중이 91.63 kN 으로 측정되어, 실험체 1-a의 36.26 kN 및 실험체 1-b의 72.91 kN 과 비교하여 높은 측정값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
프리즘 시편을 사용한 실험체 2-a 내지 2-c의 실험 결과 또한 유사한 결과를 나타내는데, 도 2 및 표 4에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 표면에 미장한 실험체 2-c의 경우 평균 최대 하중이 159.25 kN 으로 측정되어, 실험체 2-a의 132.01 kN 및 실험체 2-b의 149.1 kN 보다 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
구조보강용 세라믹 코팅 조성물의 부착 강도 평가
실험예 3의 일반 모르타르로 제작한 KS 규격의 시편(실험체 3-a) 및 실험예 3의 나노 모르타르로 제작한 KS 규격의 시편(실험체 3-b)을 복수 개 준비하였다. 또한 상기 실시예 1에 따른 세라믹 코팅 조성물을 실험체 3-b 시편 표면에 미장하고, 72시간 동안 방치시켜 경화시킨 실험체 3-c를 복수 개 준비하였다.
이후, KS F 4716 시험법에 따라 각 실험체의 부착 강도 시험을 3차례 실시한 후, 최대 인장 하중을 나타낸 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
1번 최대하중(kN) 2번 최대하중(kN) 3번 최대하중(kN) 평균 최대하중(kN)
실험체 3-a 18.72 10.39 19.6 16.27
실험체 3-b 91.34 95.26 87.22 91.24
실험체 3-c 116.52 103.39 108.27 112.6
도 3 및 표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 코팅 조성물을 표면에 미장한 실험체 3-c의 경우 평균 최대 인장 하중이 112.6 kN 으로 측정되어, 91.24 kN 의 값을 나타내는 실험체 3-b에 비해 높은 값을 나타내었다.
즉, 본 발명의 구조보강용 세라믹 코팅 조성물은 모르타르 구조물에 하중이 작용될 때 미세한 균열을 고르게 분산시키며 하중을 유지함에 따라 모르타르 구조물의 내구성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 콘크리트 구조체 표면을 코팅하기 위한 세라믹 코팅 조성물에 있어서,
    상기 세라믹 코팅 조성물은, 그래핀, 제1 실란 혼합물, 제2 실란 혼합물 및 세라믹 입자를 포함하고,
    상기 세라믹 코팅 조성물 내 그래핀의 함량은 세라믹 코팅 조성물의 총 중량에 대하여 0.0005 ~ 4 중량%인 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    세라믹 코팅 조성물 100 중량%를 기준으로 그래핀 0.0005 ~ 4 중량%, 제1 실란혼합물 80~85 중량%, 제2 실란 혼합물 10~15 중량% 및 세라믹 입자 3~5 중량%를 포함하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀은 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 그래파이트 또는 이들의 혼합물이 환원되어 형성된 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀의 두께는 0.55㎚ ~ 3.0㎚이고, 직경은 1㎛ ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실란 혼합물은 트리메톡시실란 : 디페닐디클로로실란 : 알코올 : 탈이온수 : 염산이 각각 1 : 0.15~0.5 : 1~7 : 1~5 : 0.0001~0.1 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 실란 혼합물 100 중량부를 기준으로 유기폴리실록산 0.05 ~ 1.2 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실란 혼합물은 아미노프로필트리에톡시실란 : 알코올 : 탈이온수가 각각 1 : 10~20 : 3~15 의 몰비로 혼합된 졸(sol) 용액인 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 입자는, 트리메틸화 실리카, 디메틸비닐화 실리카, 산화규소, 탄산칼슘, 산화아연 및 산화알루미늄으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물.
  9. 제1 실란 혼합물을 제조하는 단계;
    제2 실란 혼합물을 제조하는 단계;
    그래핀, 제1 실란 혼합물 및 제2 실란 혼합물을 혼합하는 단계;
    상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물을 기계적으로 분산 처리하는 단계; 및
    분산 처리된 혼합물에 세라믹 입자를 첨가하여 그래핀-세라믹 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분산 처리하는 단계는 초음파 처리, 균질기 처리, 수조 음파처리, 스터링 또는 전단력 인가 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 구조보강용 세라믹 코팅 조성물 제조 방법.
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