자외선 촉진 내후성 시험에 의한 EPDM Chip을 사용한 탄성포장의 색차분석 Examination of Color Difference in Elastic Pavement that uses EPDM Chip using Ultraviolet Ray Accelerated Weathering Test원문보기
최근에 들어 보도나 산책로, 공원 등에 주로 사용되었던 보도블록 및 투수콘크리트 대신 합성고무칩(EPDM Chip)을 사용한 탄성포장이 보행시 충격흡수와 다양한 칼라와 디자인을 연출할 수 있어 사용이 증가되고 있다. 그러나, 자외선에 노출시 합성고무칩의 탄성력, 내구성 등이 저하되고, 황변현상으로 다양한 색상에 의한 경관포장의 기능이 저하되고 있다. 따라서 본 연구에서는 자외선에 노출 시 탄성포장의 주재료인 합성고무칩과 폴리우레탄수지의 색변화를 분석하기 위해 자외선 촉진 내후성 실험을 수행하였다. 그리고 색차계를 이용하여 색공간의 색 수치좌표를 이용하는 방법으로 색차를 정량적으로 분석하였다. 실험결과 기존에 주로 사용되는 BL 폴리우레탄수지의 색변화가 합성고무칩보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 BC 폴리우레탄수지의 총색차 ${\Delta}E$가 촉진재령 14일에서 3.162로 BL 폴리우레탄수지의 20.639에 비해 6배 정도 자외선에 대한 색변화 저항성이 높은 것으로 나타났다. 따라서 합성고무칩을 사용하는 탄성포장에서 폴리머 제조시 이소시아네이트를 HMDI로 사용하여 체인형 분자구조를 갖도록 제조된 BC 폴리우레탄수지를 바인더로 사용하는 것이 자외선에 의한 색변화를 억제하는데 매우 효율적인 방법으로 나타났다.
최근에 들어 보도나 산책로, 공원 등에 주로 사용되었던 보도블록 및 투수콘크리트 대신 합성고무칩(EPDM Chip)을 사용한 탄성포장이 보행시 충격흡수와 다양한 칼라와 디자인을 연출할 수 있어 사용이 증가되고 있다. 그러나, 자외선에 노출시 합성고무칩의 탄성력, 내구성 등이 저하되고, 황변현상으로 다양한 색상에 의한 경관포장의 기능이 저하되고 있다. 따라서 본 연구에서는 자외선에 노출 시 탄성포장의 주재료인 합성고무칩과 폴리우레탄수지의 색변화를 분석하기 위해 자외선 촉진 내후성 실험을 수행하였다. 그리고 색차계를 이용하여 색공간의 색 수치좌표를 이용하는 방법으로 색차를 정량적으로 분석하였다. 실험결과 기존에 주로 사용되는 BL 폴리우레탄수지의 색변화가 합성고무칩보다 큰 것으로 나타났다. 그리고 BC 폴리우레탄수지의 총색차 ${\Delta}E$가 촉진재령 14일에서 3.162로 BL 폴리우레탄수지의 20.639에 비해 6배 정도 자외선에 대한 색변화 저항성이 높은 것으로 나타났다. 따라서 합성고무칩을 사용하는 탄성포장에서 폴리머 제조시 이소시아네이트를 HMDI로 사용하여 체인형 분자구조를 갖도록 제조된 BC 폴리우레탄수지를 바인더로 사용하는 것이 자외선에 의한 색변화를 억제하는데 매우 효율적인 방법으로 나타났다.
Recently, the usage of elastic paving using EPDM Chip instead of pedestrian sidewalk blocks or permeable concrete used mostly for pedestrian walk, trails and in parks has been increassed as it can absorb impact during walking and produce wide range of colors and designs. However, the properties of E...
Recently, the usage of elastic paving using EPDM Chip instead of pedestrian sidewalk blocks or permeable concrete used mostly for pedestrian walk, trails and in parks has been increassed as it can absorb impact during walking and produce wide range of colors and designs. However, the properties of EPDM Chip including elasticity and durability are decreased when exposed to ultraviolet ray and scenic paving functions through various colors are lowered due to the yellowing phenomenon. In this study, ultraviolet ray accelerated weathering test has been conducted to analyze the color changes in EPDM Chip and polyurethane resin, which are the main ingredients of elastic paving, when exposed to ultraviolet ray. The color differences are quantitatively analyzed through the color value coordination of the colored space by using the color difference scheme. The experimental results show that the color changes in BL polyurethane resin which is used most frequently at present was larger than that of EPDM Chip. Moreover, the total color difference, ${\Delta}E$, of BC polyurethane resin are 3.162 on the $14^{th}$ day of commencement of acceleration, which is 6 times greater color change resistance against ultraviolet ray than that of BL polyurethane resin with total color difference of 20.639. Therefore, the usage of BC polyurethane resin, which is manufactured to have chain-type molecular structure by using the isocyanate as the HMDI at the time of producing polymer, as binder in elastic paving with EPDM Chip is found to be a highly efficient method of restraining the color changes due to the ultraviolet ray.
Recently, the usage of elastic paving using EPDM Chip instead of pedestrian sidewalk blocks or permeable concrete used mostly for pedestrian walk, trails and in parks has been increassed as it can absorb impact during walking and produce wide range of colors and designs. However, the properties of EPDM Chip including elasticity and durability are decreased when exposed to ultraviolet ray and scenic paving functions through various colors are lowered due to the yellowing phenomenon. In this study, ultraviolet ray accelerated weathering test has been conducted to analyze the color changes in EPDM Chip and polyurethane resin, which are the main ingredients of elastic paving, when exposed to ultraviolet ray. The color differences are quantitatively analyzed through the color value coordination of the colored space by using the color difference scheme. The experimental results show that the color changes in BL polyurethane resin which is used most frequently at present was larger than that of EPDM Chip. Moreover, the total color difference, ${\Delta}E$, of BC polyurethane resin are 3.162 on the $14^{th}$ day of commencement of acceleration, which is 6 times greater color change resistance against ultraviolet ray than that of BL polyurethane resin with total color difference of 20.639. Therefore, the usage of BC polyurethane resin, which is manufactured to have chain-type molecular structure by using the isocyanate as the HMDI at the time of producing polymer, as binder in elastic paving with EPDM Chip is found to be a highly efficient method of restraining the color changes due to the ultraviolet ray.
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문제 정의
이와 같은 실험결과를 통해 합성고무칩을 사용하는 탄성포장의 색변화 원인을 규명하고자 하였다. 그리고 기존의 시각적 검사로 색차를 6등급으로 구분하는 방법을 보다 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
그리고 황변현상을 억제하기 위한 대안으로 폴리우레탄 바인더 제조특성 변화에 따른 영향을 분석하였다. 이와 같은 실험결과를 통해 합성고무칩을 사용하는 탄성포장의 색변화 원인을 규명하고자 하였다. 그리고 기존의 시각적 검사로 색차를 6등급으로 구분하는 방법을 보다 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 합성고무칩을 사용한 탄성포장의 자외선 노출에 의한 탄성포장의 주재료인 합성고무칩과 폴리우레탄 바인더 각각의 색변화도를 자외선 촉진 내후성 실험과 자연광 노출실험을 통해 색차계를 이용하여 색공간의 색수치좌표를 이용하는 방법으로 색변화도를 정량적으로 분석하였다. 그리고 황변현상을 억제하기 위한 대안으로 폴리우레탄 바인더 제조특성 변화에 따른 영향을 분석하였다. 이와 같은 실험결과를 통해 합성고무칩을 사용하는 탄성포장의 색변화 원인을 규명하고자 하였다.
색차계의 측정원리는 색의 특성인 명도, 채도, 색상의 3가지 특성을 측정하기 때문에 색을 평가하는 기본적 원리인 Munsell color chart와 유사하며 오히려 광학기기에 의하여 색이 분석되므로 보다 객관성과 정밀성을 지니고 있다고 할 수 있다(이동욱, 2002; 이재용 등, 2003; 김기인 등; 2002). 따라서 본 연구에서는 합성고무칩을 사용한 탄성포장의 자외선 노출에 의한 탄성포장의 주재료인 합성고무칩과 폴리우레탄 바인더 각각의 색변화도를 자외선 촉진 내후성 실험과 자연광 노출실험을 통해 색차계를 이용하여 색공간의 색수치좌표를 이용하는 방법으로 색변화도를 정량적으로 분석하였다. 그리고 황변현상을 억제하기 위한 대안으로 폴리우레탄 바인더 제조특성 변화에 따른 영향을 분석하였다.
폴리우레탄 수지의 자외선 촉진 내후성 시험에 따른 색변화도 영향을 분석한 결과는 표 5와 같다. 박영섭(1989)의 연구결과를 바탕으로 배경판의 영향을 배제하여 사용된 폴리우레탄 수지만의 색변화도를 분석하기 위해 시편 제작은 수지의 두께는 5mm로 하였으며, 배경판의 색상은 검정색으로 하였다.
배합은 합성고무칩의 중량대비 바인더의 혼입률을 20%로 고정하였으며, 알루미늄 판넬과 아크릴판에 부착하여 시편을 15일간 항온항습실(20±1℃)에서 경화하여 제작하였다.
사이클 모드는 4시간동안 60±3℃에서 UV조사(0.63W/m2/nm), 이후 4시간 동안 50±3℃에서 응축하는 것을 1사이클로 하여 30일간 촉진실험을 수행하였다.
자연광 노출시험은 시험편을 아크릴 판넬에 부착하여 외기에 180일간 노출시켜 30일 간격으로 색차계를 이용하여 색차를 측정하였다.
자외선 촉진 내후성 시험은 KS M ISO 11507에 준하여 시편은 알루미늄 판넬에 합성고무칩을 부착한 후 시험기에 장착하였으며, 시험기는 그림 1과 같이 ASTRA 2000 UV 시험기를 사용하였다.
합성고무칩은 적색, 노랑색, 녹색을 선정하였으며, 합성고무칩과 혼합하여 사용되는 바인더는 고리형 BL수지와 체인형 BC수지를 사용하였다. 주요 실험인자는 표 3과 같이 자외선 촉진시험에 따른 색변화도 내후성 분석을 위해 색상별 합성고무칩 3종류와 바인더 2종류(BL, BC수지)를 선정하였으며, 이 재료간의 배합에 따른 영향인자를 추가하여 11가지를 선정하였다. 배합은 합성고무칩의 중량대비 바인더의 혼입률을 20%로 고정하였으며, 알루미늄 판넬과 아크릴판에 부착하여 시편을 15일간 항온항습실(20±1℃)에서 경화하여 제작하였다.
합성고무칩과 폴리우레탄 수지를 사용한 탄성포장의 색변화도를 자외선 촉진 내후성 시험과 자연광 노출시험을 통해 색변화를 분석한 결과 다음과 같다.
대상 데이터
합성고무칩은 내한성, 내온성이 우수하며, 안료를 혼합하여 다양한 색상으로 제조된다. 본 실험에서는 국내 G사의 합성고무칩을 사용하였으며, 주요 색상은 적색, 노랑색, 녹색을 선정하였다. 실험에 사용된 합성고무 칩의 물리적 특성은 표 1과 같다.
수지는 폴리우레탄 계열인 1액형 습기경화형 방식으로 주요 성질은 표 2와 같다. 실험에 사용된 수지는 방향족으로 고리형 분자구조를 갖은 폴리우레탄 수지 BL과 지방족으로 체인형 분자구조를 갖는 폴리우레탄 수지 BC 2가지를 선정 하였다. BL과 BC수지의 차이는 프리폴리머(prepolymer) 제조시 이소시아네이트(isocyanate)를 BL수지는 MDI를 사용한 것이고, BC수지는 HMDI를 사용하여 폴리올과 반응시킨 것이다.
합성고무칩은 적색, 노랑색, 녹색을 선정하였으며, 합성고무칩과 혼합하여 사용되는 바인더는 고리형 BL수지와 체인형 BC수지를 사용하였다. 주요 실험인자는 표 3과 같이 자외선 촉진시험에 따른 색변화도 내후성 분석을 위해 색상별 합성고무칩 3종류와 바인더 2종류(BL, BC수지)를 선정하였으며, 이 재료간의 배합에 따른 영향인자를 추가하여 11가지를 선정하였다.
이론/모형
색차시험은 미놀타 CR-400을 이용하여 KS M ISO 7724-2의 측색법 색차측정에 준하여 측정하였으며, 측정값은 5회 측정 후 평균값을 사용하였다.
자외선 노출 내후성 시험에 따른 색차도는 KS M ISO 7724-3의 방법에 준하여 분석하였다. 이 방법은 시험시편과 표준시편간에 존재하는 색차를 정량적으로 측정하는 방법으로서, 색상의 차이를 CIE 1976에서 제안한 색좌표로 계산한다.
성능/효과
1. 합성고무칩 적색과 녹색의 경우는 총색차 ∆E가 7.5 이내의 결과를 보였으나, 노랑색의 경우는 36.3으로 매우 큰 색차를 보였으며, 주로 b* 의 값이 촉진재령이 증가함에 따라 청색방향으로 변화하는 것에 영향을 받은 것으로 나타 났다. 그리고 합성고무칩의 색상에 따른 색변화도의 차이는 사용된 색상안료에 따른 영향으로 판단된다.
2. 폴리우레탄 수지의 자외선 촉진 내후성 시험에 따른 색차를 분석한 결과 주로 사용되고 있는 BL수지는 총색차∆E가 촉진재령 14일에서 20.639로 나타나, 수지가 합성고무칩 적색과 녹색의 경우 보다 총색차가 큰 것으로 나타났다. 반면에 BC수지는 ∆E가 3.
3. 폴리우레탄 BL, BC수지에 합성고무칩을 혼합한 경우의 색변화는 BC수지에 혼합한 경우가 BL수지에 혼합한 경우에 비해 색상에 관계없이 2.5배 이상의 자외선에 대한 색변화 저항성이 높은 것으로 나타났다.
4. 촉진시험과 외기 노출시험을 비교하여 재현성을 검토한결과 합성고무칩의 경우는 자외선 촉진재령 14일, 수지와 혼합하였을 경우에는 7일의 결과가 외기 노출시험의 150~180일 정도의 환경을 재현하는 것으로 나타났다.
5. 합성고무칩을 사용하는 탄성포장에서 주로 사용되고 있는 폴리우레탄 BL수지를 프리폴리머 제조시 이소시아네이트를 HMDI로 사용하여 체인형 분자구조를 갖도록 제조된 BC수지를 바인더로 사용하는 것이 자외선에 의한 색변화를 억제하는데 효율적인 방법으로 나타났다.
304로 BL수지의 1일 총색차에도 미치지 않는 것으로 나타나 자외선에 대한 저항성이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. BL수지의 ∆E는 적색 및 녹색 합성고무칩보다 색변화도가 커, 폴리우레탄 수지가 색변화에 미치는 영향은 매우 큰 것으로 나타났다.
노랑색, 녹색 합성고무칩에 BL수지 및 BC수지를 혼합한 경우는 그림 12와 13에서 보는 바와 같이 자외선 촉진재령 7일의 결과는 자연광 노출 재령 150~180일 정도와 유사한 것으로 나타났다. 그리고 적색 합성고무칩을 사용한 경우는 그림 11과 같이 총색차가 노랑색 및 녹색 시편에 비해 적어 총색차의 상관성은 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 자외선 촉진 내후성 시험을 통해 외기중에 노출된 환경의 재현을 완벽히 수행할 수는 없지만 자외선 촉진 재령을 14일 정도 수행하면, 자연광에 노출된 환경 180일 정도의 색변화를 예측하는데 효율적인 결과를 제시하는 것을 확인하였다.
719로 청색에서 노랑색 방향으로 색변화가 크게 진행되었다. 그리고 총색차 ∆E는 촉진재령이 1일에서 30일까지 증가함에 따라 10.081에서 24.376으로 자외선 촉진 초기부터 색변화도가 매우 크게 진행되는 것으로 나타났다. 반면에 BC 수지는 a*, b*의 변화가 거의 없었으며, 총색차 ∆E는 1.
반면에 합성고무칩을 BC수지에 혼합하였을 경우, 적색은 80% 감소하였고, 노랑색과 녹색은 각각 65%, 27% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 합성고무칩을 BC수지에 혼합한 경우가 BL수지에 혼합한 경우에 비해 색상에 관계없이 총색차가 적어, 자외선내후성이 우수한 것으로 나타났다.
376으로 자외선 촉진 초기부터 색변화도가 매우 크게 진행되는 것으로 나타났다. 반면에 BC 수지는 a*, b*의 변화가 거의 없었으며, 총색차 ∆E는 1.089에서 5.304로 BL수지의 1일 총색차에도 미치지 않는 것으로 나타나 자외선에 대한 저항성이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. BL수지의 ∆E는 적색 및 녹색 합성고무칩보다 색변화도가 커, 폴리우레탄 수지가 색변화에 미치는 영향은 매우 큰 것으로 나타났다.
7% 감소, 녹색은 95% 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 합성고무칩을 BC수지에 혼합하였을 경우, 적색은 80% 감소하였고, 노랑색과 녹색은 각각 65%, 27% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 합성고무칩을 BC수지에 혼합한 경우가 BL수지에 혼합한 경우에 비해 색상에 관계없이 총색차가 적어, 자외선내후성이 우수한 것으로 나타났다.
9% 감소하였다. 이와같은 결과로부터 C-R 시편은 명도인 L*값의 감소가 가장 큰 영향을 미쳤으며, C-Y 시편은 b*값이 노랑색에서 청색방향으로 변화하고, a*값이 녹색에서 적색방향으로 변화됨에 따라 색 변화가 진행되었다. C-G 시편은 b*값이 가장 큰 영향을 미쳤으며, 노랑색에서 청색방향으로 색변화가 진행되는 것으로 나타났다.
457로 나타났다. 이와같은 결과로부터 합성고무칩을 BL수지에 혼합하였을 경우, 적색은 합성고무 칩의 변화보다 29.7% 증가하였고, 노랑색은 12.7% 감소, 녹색은 95% 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 합성고무칩을 BC수지에 혼합하였을 경우, 적색은 80% 감소하였고, 노랑색과 녹색은 각각 65%, 27% 감소하는 것으로 나타났다.
그리고 적색 합성고무칩을 사용한 경우는 그림 11과 같이 총색차가 노랑색 및 녹색 시편에 비해 적어 총색차의 상관성은 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 자외선 촉진 내후성 시험을 통해 외기중에 노출된 환경의 재현을 완벽히 수행할 수는 없지만 자외선 촉진 재령을 14일 정도 수행하면, 자연광에 노출된 환경 180일 정도의 색변화를 예측하는데 효율적인 결과를 제시하는 것을 확인하였다.
그리고 그림 11~13은 합성고무칩의 색상(적색, 노랑색, 녹색)별 자외선 촉진내후성 실험결과와 자연광 노출시험의 재령별 총색차 ∆E를 도식화한 것이다. 첫 번째로 합성고무칩만의 실험결과를 비교하면, 그림 11과 12에 나타난 바와 같이 적색과 노랑색의 합성고무칩의 색변화는 자외선 촉진재령 7일의 결과는 자연광 노출 90일 정도의 값을 보였다. 그리고 자외선 촉진재령 14일은 자연광 120일에서 150일 정도의 결과를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합성고무 칩과 폴리우레탄 수지를 사용한 탄성포장의 색변화도를 자외선 촉진 내후성 시험과 자연광 노출시험을 통해 색 변화를 분석한 결과는?
1. 합성고무칩 적색과 녹색의 경우는 총색차 ∆E가 7.5 이내의 결과를 보였으나, 노랑색의 경우는 36.3으로 매우 큰 색차를 보였으며, 주로 b* 의 값이 촉진재령이 증가함에 따라 청색방향으로 변화하는 것에 영향을 받은 것으로 나타 났다. 그리고 합성고무칩의 색상에 따른 색변화도의 차이는 사용된 색상안료에 따른 영향으로 판단된다.
2. 폴리우레탄 수지의 자외선 촉진 내후성 시험에 따른 색차를 분석한 결과 주로 사용되고 있는 BL수지는 총색차∆E가 촉진재령 14일에서 20.639로 나타나, 수지가 합성고무칩 적색과 녹색의 경우 보다 총색차가 큰 것으로 나타났다. 반면에 BC수지는 ∆E가 3.162로 BL수지에 비해 자외선에 대한 색변화 저항성이 높은 것으로 확인되었다.
3. 폴리우레탄 BL, BC수지에 합성고무칩을 혼합한 경우의 색변화는 BC수지에 혼합한 경우가 BL수지에 혼합한 경우에 비해 색상에 관계없이 2.5배 이상의 자외선에 대한 색변화 저항성이 높은 것으로 나타났다.
4. 촉진시험과 외기 노출시험을 비교하여 재현성을 검토한결과 합성고무칩의 경우는 자외선 촉진재령 14일, 수지와 혼합하였을 경우에는 7일의 결과가 외기 노출시험의 150~180일 정도의 환경을 재현하는 것으로 나타났다.
5. 합성고무칩을 사용하는 탄성포장에서 주로 사용되고 있는 폴리우레탄 BL수지를 프리폴리머 제조시 이소시아네이트를 HMDI로 사용하여 체인형 분자구조를 갖도록 제조된 BC수지를 바인더로 사용하는 것이 자외선에 의한 색변화를 억제하는데 효율적인 방법으로 나타났다.
EPDM이란 무엇인가?
EPDM(ethylene-propylene-diene ter-polymer)은 에틸렌-프로필렌-디엔을 삼원 공중합시켜 만든 유기화합물로서 이 고무를 판상형으로 분쇄한 것이 도로용 탄성포장에 사용되는 합성고무칩(EPDM chip)이다. 합성고무칩은 내한성, 내온성이 우수하며, 안료를 혼합하여 다양한 색상으로 제조된다.
합성고무칩은 어떤 특성이 있는가?
EPDM(ethylene-propylene-diene ter-polymer)은 에틸렌-프로필렌-디엔을 삼원 공중합시켜 만든 유기화합물로서 이 고무를 판상형으로 분쇄한 것이 도로용 탄성포장에 사용되는 합성고무칩(EPDM chip)이다. 합성고무칩은 내한성, 내온성이 우수하며, 안료를 혼합하여 다양한 색상으로 제조된다. 본 실험에서는 국내 G사의 합성고무칩을 사용하였으며, 주요 색상은 적색, 노랑색, 녹색을 선정하였다.
참고문헌 (11)
김기인, 홍순달(2002) 토양의 색 특성과 색차계 측정치의 상호관계, 한국토양비료학회지, 한국토양비료학회, 제35권 제2호, pp. 77-86.
지재성 등(2006) 포장면의 환경성 향상 소재 개발, 연구보고서 건기원 2006-096, 한국건설기술연구원.
한승호(2007) 조경용 투수포장의 환경성능 평가기법 연구, 박사학위논문, 서울대학교.
Nandish M. Mattikalli(1997) Soil color modeling for the visible and near-infrared bands of landsat sensors using laboratory spectral measurements, International Journal of Remote Sensing, Vol 59, pp. 14-28.
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