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문제 정의
- 본 연구에서는 폴리프로필렌 지오텍스타일의 적용환경에 대한 저항성을 향상시킬 목적으로 자외선 안정제인 카본블랙이 첨가된 재생 폴리에스테르 지오텍스타일과 현재 사용되고 있는 폴리프로필렌 지오텍스타일을 이용하여 복합형 지오텍스타일을 제조하여, 역학적 성질변화에 의한 자외선 안정성과 화학저항성을 측정, 검토하였다.
제안 방법
- 기존의 PP 지오텍스타일의 자외선 안정성 향상을 목적으로 자외선 안정제로써 카본 블랙을 첨가한 재생 PET 지오텍스타일과 PP 지오텍스타일을 니들펀칭 방식(Needle-punching method)으로 복합화하였으며, 표 1과 같이 중량을 달리한 3종의 시료를 제조하였다.
- 노출 기간동안 침지액의 농도 변화를 막기 위해서 완충용액을 제조하였다. pH 3의 완충용액은 0.
- 일반적으로 매립되는 폐기물의 경우에 매립과정에서 분해되어 강산성의 침출수를 발생하며 기타 고형 폐기물 등이 산화, 분해되면 침출수는 강알칼리성이 되는 경우도 고려하면 침출수의 pH 범위는 산성에서 알칼리성까지 매우 광범위하다고 볼 수 있다. 따라서 본 실험에서는 pH 3과 12의 완충용액과 실제 쓰레기 매립장에서 취한 침출수를 침지액으로 이용하였다.
- 지오텍스타일과 복합 지오텍스타일의 자외선에 대한 안정성 평가는 Xenon-arc를 이용한 ASTM D 4355, ASTM Committee G 26에 의거하여 102분의 광조사와 18분의 물 분사로 이루어진 120분 사이클을 반복하여 총 500시간을 노출시킨 후 노출전과의 물성을 비교, 평가하였다.
- 지오텍스타일에 대한 자외선의 영향 및 화학저항성을 분석하기 위하여 인장강도의 변화를 평가하였다. 인장강도는 Instron 4302를 이용하여 ASTM D 5034의 grab test법에 의거하여 측정하였다.
- 폐기물 매립장에 적용되는 700, 800, 1000g/m2의 카본블랙이 첨가되지 않은 3종의 PP 지오텍스타일과 카본 블랙이 첨가된 200, 300g/m2의 재생 PET 지오텍스타일을 복합형 지오텍스타일 제조에 사용되는 시료로 택하였다.
- 폐기물 매립장에서 상용되고 있는 지오텍스타일과 복합 지오텍스타일의 적용환경에 대한 저항성을 자외선 안정성 및 화학저항성 평가를 통하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 침출수는 국내 폐기물 매립 현장에서 취하였으며, pH 8.34의 약 알칼리성을 띄고 있으며 침출수의 성분을 표 2에 나타내었다.
이론/모형
- 지오텍스타일의 화학저항성을 평가하기 위한 일반화된 방법이 없으므로 본 실험에서는 미국 환경부에서 제시한 FML(flexible membrane liner)의 화학저항성 평가 방법인 EPA 9090 Test Method를 적용하였다. 이 방법은 25℃와 50℃의 침지액에 시료를 침지시킨 후 매 30일 간격으로 120일 까지 시료를 취하여 MD 및 CD 양방향에서의 인장실험을 행하고 각각의 노출시간에 따른 인장강도와 신도 보유율로써 화학저항성을 평가하는 방법이며, 이 때 인장실험은 ASTM D 5034에 의거하여 행하였다. 일반적으로 매립되는 폐기물의 경우에 매립과정에서 분해되어 강산성의 침출수를 발생하며 기타 고형 폐기물 등이 산화, 분해되면 침출수는 강알칼리성이 되는 경우도 고려하면 침출수의 pH 범위는 산성에서 알칼리성까지 매우 광범위하다고 볼 수 있다.
- 지오텍스타일에 대한 자외선의 영향 및 화학저항성을 분석하기 위하여 인장강도의 변화를 평가하였다. 인장강도는 Instron 4302를 이용하여 ASTM D 5034의 grab test법에 의거하여 측정하였다.
- 지오텍스타일의 화학저항성을 평가하기 위한 일반화된 방법이 없으므로 본 실험에서는 미국 환경부에서 제시한 FML(flexible membrane liner)의 화학저항성 평가 방법인 EPA 9090 Test Method를 적용하였다. 이 방법은 25℃와 50℃의 침지액에 시료를 침지시킨 후 매 30일 간격으로 120일 까지 시료를 취하여 MD 및 CD 양방향에서의 인장실험을 행하고 각각의 노출시간에 따른 인장강도와 신도 보유율로써 화학저항성을 평가하는 방법이며, 이 때 인장실험은 ASTM D 5034에 의거하여 행하였다.
성능/효과
- 1. 카본블랙이 첨가된 재생 폴리에스테르 지오텍스타일의 자외선 안정성 평가 결과 90% 이상의 강도 보유율을 보이며, 폴리에스테르 지오텍스타일은 화학저항성 평가결과 pH 3 용액에 안정하였지만, pH 12 용액과 침출수에 대하여 70～80%의 인장강도 보유율과 50～60%의 인 장신도 보유율을 가짐으로써 안정성이 낮음을 알 수 있었다.
- 2. 복합 지오텍스타일은 자외선에 노출 후 강도 보유율이 80% 정도이며, PET 지오텍스타일의 중량이 커질수록 자외선에 안정함을 나타내었다.
- 그림 6, 7, 8, 9는 pH 12의 알칼리용액에서 지오텍스타일의 안정성을 평가한 결과이며 인장강신도 변화율로 나타내었다. 25℃, 50℃의 온도조건에서 지오텍스타일들은 안정함을 보였지만, PP 지오텍스타일의 인장강도는 10% 정도 감소하였고 PET의 경우에는 -20%의 변화율을 나타내었다. 한편 인장신도 변화율은 pH 3의 완충용액에 침지한 경우와 마찬가지로 20% 정도 인장신도가 감소되었고, PET 지오텍스타일의 경우 약 30～40% 정도로 감소폭이 가장 큼을 알 수 있었다.
- 3. 복합 지오텍스타일의 경우 PP 지오텍스타일의 중량이 증가함에 따라 강도보유율이 증가하였다.
- 4. 복합 지오텍스타일의 화학저항성 평가 결과 80～90% 이상의 인장강신도 보유율을 나타냄으로써 침출수 뿐만 아니라 pH 3과 12의 완충용액에 대하여 안정함을 보였다.
- pH 3의 산성용액에 대한 안정성 평가 결과는 그림 14, 15에 인장강도와 그림 16, 17에 인장신도의 변화율을 나타냈으며, 앞서 실험한 지오텍스타일의 안정성 평가 결과와 유사하게 약 10% 정도의 인장강도 감소를 나타냄으로 pH 3의 용액에 안정함을 알 수 있다. 한편, 인장신도 변화율은 10～20%의 감소를 보이며, pH 3의 완충용액에 침지함에 따라 강도저하 보다는 신도 감소율이 커짐을 알 수 있었다.
- 이는 단 섬유인 PP의 중량이 증가할수록 단위체적 당 섬유밀도가 커짐으로 광원이 조사되는 면적감소에 기인하는 결과라고 생각된다. 그러나, PP지오텍스타일보다 PET 지오텍스타일의 중량을 증가시키는 경우에 더욱 큰 효과를 얻을 수 있었다.
- 그림 2, 3, 4, 5는 pH 3의 산성용액에서 지오텍스타일의 안정성을 평가한 결과이며 pH 3의 완충용액에 침지한 PP, PET 지오텍스타일 모두 인장강도 변화율은 노출 전에 비하여 약 -10% 정도의 변화를 보였으며, 인장신도는 10～20% 정도 감소되었지만, 25℃, 50℃의 pH 3 산성용액에 대하여 안정함을 보였다. 그림 6, 7, 8, 9는 pH 12의 알칼리용액에서 지오텍스타일의 안정성을 평가한 결과이며 인장강신도 변화율로 나타내었다.
- 이는 섬유의 중량이 증가할수록 두께가 증가함에 따라 투과되는 자외선 조사량이 감소되어 강도변화가 적게 나타나는 것이다. 또한 PP 지오텍스타일은 광 조사 후 약 30～40%의 강도 보유율을 갖는 반면, PET 지오텍스타일은 90% 이상으로 이는 PP와 비교하여 자외선에 대한 안정성은 큰 편인 PET의 영향일 뿐만 아니라 자외선에 의한 취화를 억제하는 카본블랙을 첨가함으로써 자외선에 의한 강도변화가 크게 발생하지 않는다고 생각되어진다.
- 표 4는 카본블랙이 첨가된 재생 PET 지오텍스타일과 카본블랙이 첨가되지 않은 PP 지오텍스타일을 니들펀칭법으로 제조한 세 종류 복합지오텍스타일의 초기 인장강신도이다. 복합지오텍스타일의 인장강도는 동일 중량을 갖는 PP 지오텍스타일의 약 85～80% 정도이며, 이는 두 가지 재료의 복합화에 따른 결과로 기존의 PP 지오텍스타일과 비교하여 인장강도의 차이가 크지 않았다.
- 여기서, 복합지오텍스타일 세 종류 모두 80% 이상의 인장강도 보유율을 갖음으로 기존의 PP 지오텍스타일과 비교해 볼 때 자외선에 대한 안정성이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 복합화된 지오텍스타일에서, 전체 중량을 동일할 때 카본블랙이 첨가된 PET 지오텍스타일의 중량을 증가시킬수록 자외선에 의한 인장강도와 신도의 저하 폭이 감소하였으며, PET 지오텍스타일의 중량을 동일하게 하고 PP 지오텍스타일의 중량을 증가시킨 경우에도 PP 지오텍스타일의 중량이 증가함에 따라 인장강신도의 저하가 감소되었다. 이는 단 섬유인 PP의 중량이 증가할수록 단위체적 당 섬유밀도가 커짐으로 광원이 조사되는 면적감소에 기인하는 결과라고 생각된다.
- 폐기물, 특히 음식폐기물 매립지에서 발생하는 침출수에 대한 지오텍스타일의 인장강도 변화율을 그림 10, 11에 나타내었다. 본 실험에서 이용한 침출수는 pH 8.34의 약 알칼리성이며 9,050의 상당히 높은 알칼리도를 갖기 때문에 인장강도는 PP, PET 지오텍스타일 모두 -20～10%의 변화율을 보이며, 침지온도가 25℃ 보다는 50℃의 경우에 감소폭이 더 컸다. 인장신도 변화율은 그림 12, 13과 같이 PP의 경우에는 20% 정도 감소하였고, PET의 경우에는 40～50%의 감소율을 나타내었다.
- 그림 22, 23은 침출수에 노출시킨 복합지오텍스타일의 인장강도 변화율을, 그림 24, 25에는 인장신도 변화율을 나타내었다. 앞서 살펴본 pH 3과 12의 완충용액에 노출시킨 결과와 유사하게 인장강신도 모두 10～20%의 감소를 보였으며, 25℃의 조건에서보다 50℃의 경우에 감소폭이 더 큼을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 제조된 세 종류의 복합 지오텍스타일은 화학용액들에 의하여 인장신도가 크게 저하되었지만, 인장강도 변화율이 약 ±20% 정도로 화학용액에 대한 안정성을 가짐을 알 수 있었다.
- 자외선에 500시간의 노출 후 지오텍스타일의 물성변화를 표 5에 나타내었다. 여기서 PP 지오텍스타일은 인장강도와 신도 모두 현저한 감소를 보였으며, 평균적으로 인장강도는 초기강도의 약 30～70%가 감소함을 보였고, 신장도 또한 약 16～40%의 감소를 나타내었다. PP 지오텍스타일 중 1,500g/m2의 시료가 인장강도 뿐만 아니라 신도의 감소 폭이 가장 적게 나타났다.
- PP 지오텍스타일의 자외선 안정성을 향상시키기 위하여 제조한 복합지오텍스타일의 자외선 저항성 평가 결과를 표 6에 나타내었다. 여기서, 복합지오텍스타일 세 종류 모두 80% 이상의 인장강도 보유율을 갖음으로 기존의 PP 지오텍스타일과 비교해 볼 때 자외선에 대한 안정성이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 복합화된 지오텍스타일에서, 전체 중량을 동일할 때 카본블랙이 첨가된 PET 지오텍스타일의 중량을 증가시킬수록 자외선에 의한 인장강도와 신도의 저하 폭이 감소하였으며, PET 지오텍스타일의 중량을 동일하게 하고 PP 지오텍스타일의 중량을 증가시킨 경우에도 PP 지오텍스타일의 중량이 증가함에 따라 인장강신도의 저하가 감소되었다.
- 앞서 살펴본 pH 3과 12의 완충용액에 노출시킨 결과와 유사하게 인장강신도 모두 10～20%의 감소를 보였으며, 25℃의 조건에서보다 50℃의 경우에 감소폭이 더 큼을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 제조된 세 종류의 복합 지오텍스타일은 화학용액들에 의하여 인장신도가 크게 저하되었지만, 인장강도 변화율이 약 ±20% 정도로 화학용액에 대한 안정성을 가짐을 알 수 있었다.
- 인장신도 변화율은 그림 12, 13과 같이 PP의 경우에는 20% 정도 감소하였고, PET의 경우에는 40～50%의 감소율을 나타내었다. 지오텍스타일의 화학저항성을 평가한 결과 PP 지오텍스타일은 pH 3의 산성용액, pH 12의 알칼리용액 및 침출수에 대한 안정성을 갖지만, PET 지오텍스타일은 pH 12의 알칼리용액과 침출수에 대하여 인장 강도 및 인장신도 감소율이 크게 나타남으로써 화학저항성이 낮음을 알 수 있었다.
- 표 3은 지오텍스타일의 인장강신도이며, PET에 비하여 PP 지오텍스타일의 인장성질이 우수하였고, 카본블랙이 첨가된 PP, PET 지오텍스타일의 인장성질이 첨가되지 않은 시료의 경우보다 상당히 저하됨을 보인다. 이는 카본블랙의 함량과 분산에 따른 문제로 생각되며, 각 지오텍스타일의 길이 방향과 폭 방향의 인장강도 수치의 차이는 지오텍스타일 제조 과정 중 섬유 배향 방향의 차이 및 섬유 밀도 차에 기인한 것으로 생각된다.
- 25℃, 50℃의 온도조건에서 지오텍스타일들은 안정함을 보였지만, PP 지오텍스타일의 인장강도는 10% 정도 감소하였고 PET의 경우에는 -20%의 변화율을 나타내었다. 한편 인장신도 변화율은 pH 3의 완충용액에 침지한 경우와 마찬가지로 20% 정도 인장신도가 감소되었고, PET 지오텍스타일의 경우 약 30～40% 정도로 감소폭이 가장 큼을 알 수 있었다. 이는 알칼리에 취약한 PET의 고유한 특성으로 생각된다.
- pH 3의 산성용액에 대한 안정성 평가 결과는 그림 14, 15에 인장강도와 그림 16, 17에 인장신도의 변화율을 나타냈으며, 앞서 실험한 지오텍스타일의 안정성 평가 결과와 유사하게 약 10% 정도의 인장강도 감소를 나타냄으로 pH 3의 용액에 안정함을 알 수 있다. 한편, 인장신도 변화율은 10～20%의 감소를 보이며, pH 3의 완충용액에 침지함에 따라 강도저하 보다는 신도 감소율이 커짐을 알 수 있었다. 그림 18～21은 각각 pH 12의 알칼리용액에 노출시킨 복합지오텍스타일들의 인장강신도 변화율이며, 여기서 인장강도는 약 10～20% 정도 감소된 반면, 인장신도는 약 20～40% 정도의 인장신도 감소가 나타났다.
후속연구
- 실제로 지오텍스타일이 적용되는 건설공사 현장에서는 자외선뿐만 아니라, 자외선 외의 일광, 빗물, 온도, 습도, 산소 등 여러 환경인자들이 복합적으로 전반적인 물성에 영향을 미치기 때문에, 이들 인자들에 따른 내후도 시험에 대한 검토가 향후 보완되어야 할 것이다.
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