PCM 기술의 콘크리트 적용 II : 계면중합법에 의한 1-도데카놀 마이크로 캡슐에 있어서 계면활성제로 사용된 SSMA의 표면활성도가 마이크로 캡슐의 특성에 미치는 영향 Application of PCM Technology to Concrete II : Effects of SSMA(Sulfonated Styrene-Maleic Anhydride) on the Properties of the 1-Dodecanol Micro-Capsule원문보기
축열재 이용 기술은 실내 냉난방을 위하여 사용된 에너지를 장시간 일정온도로 유지할 수 있도록 하여 에너지 사용 효율을 높이는 장점이 있다. 이 중 상변화 물질을 이용한 잠열 축열재는 물질의 잠열성질을 이용하는 것으로서 심물질로서 일정온도에서 녹는점을 갖는 물질을 캡슐화 하여 이를 건축자재에 적용하여 실내 및 외기의 온도에 따라서 심물질이 녹거나 어는 과정에서 축열과 방열로 인한 에너지 절감 및 차단 효과를 갖는다. 상변화 물질을 이용해 축열재를 만드는 방법은 마이크로 캡슐화의 방법이 있다. 이 방법은 크게 분류하면 화학적 방법, 물리 화학적 방법 및 물리적 기계적 방법의 3가지로 나눌 수 있다. 물리 화학적 방법으로 습식공정에 의한 마이크로 캡슐화 공정을 이용했으며 이 공정은 심물질을 용매에서 에멀젼화한 다음 고분자모노머를 심물질인 에멀젼의 벽면에 코팅하여 경화 시키는 공정이다. 이 경우에 심물질의 에멀젼이나 벽재 모노머의 코팅 성능을 좋게 하기 위하여 계면활성제가 사용된다. 또한 계면활성제의 특성에 따라서 마이크로 캡슐화의 성능이 좌우되고 특히 벽재물질의 코팅 두께 및 코팅의 균일성에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 상변화를 이용한 축열재로서 심물질인 1-도데카놀을 멜라민수지로 계면중합법에 의하여 마이크로 캡슐화 하는데 있어서 계면활성제인 SSMA(sulfonated styrene-maleic anhydride)의 화학적 특성에 따른 마이크로 캡슐의 성능과 이에 따른 축열 성능을 비교하였다.
축열재 이용 기술은 실내 냉난방을 위하여 사용된 에너지를 장시간 일정온도로 유지할 수 있도록 하여 에너지 사용 효율을 높이는 장점이 있다. 이 중 상변화 물질을 이용한 잠열 축열재는 물질의 잠열성질을 이용하는 것으로서 심물질로서 일정온도에서 녹는점을 갖는 물질을 캡슐화 하여 이를 건축자재에 적용하여 실내 및 외기의 온도에 따라서 심물질이 녹거나 어는 과정에서 축열과 방열로 인한 에너지 절감 및 차단 효과를 갖는다. 상변화 물질을 이용해 축열재를 만드는 방법은 마이크로 캡슐화의 방법이 있다. 이 방법은 크게 분류하면 화학적 방법, 물리 화학적 방법 및 물리적 기계적 방법의 3가지로 나눌 수 있다. 물리 화학적 방법으로 습식공정에 의한 마이크로 캡슐화 공정을 이용했으며 이 공정은 심물질을 용매에서 에멀젼화한 다음 고분자모노머를 심물질인 에멀젼의 벽면에 코팅하여 경화 시키는 공정이다. 이 경우에 심물질의 에멀젼이나 벽재 모노머의 코팅 성능을 좋게 하기 위하여 계면활성제가 사용된다. 또한 계면활성제의 특성에 따라서 마이크로 캡슐화의 성능이 좌우되고 특히 벽재물질의 코팅 두께 및 코팅의 균일성에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 상변화를 이용한 축열재로서 심물질인 1-도데카놀을 멜라민수지로 계면중합법에 의하여 마이크로 캡슐화 하는데 있어서 계면활성제인 SSMA(sulfonated styrene-maleic anhydride)의 화학적 특성에 따른 마이크로 캡슐의 성능과 이에 따른 축열 성능을 비교하였다.
Thermal storage technology used for indoor heating and cooling to maintain a constant temperature for a long period of time has an advantage of raising energy use efficiency. This, the phase changing material, which utilizes heat storage properties of the substances, capsulizes substances that melt ...
Thermal storage technology used for indoor heating and cooling to maintain a constant temperature for a long period of time has an advantage of raising energy use efficiency. This, the phase changing material, which utilizes heat storage properties of the substances, capsulizes substances that melt at a constant temperature. This is applied to construction materials to block or save energy due to heat storage and heat protection during the process in which substances melt or freeze according to the indoor or outdoor temperature. The micro-encapsulation method is used to create thermal storage from phase changing material. This method can be broadly classified in 3 ways: chemical method, physical and chemical method and physical and mechanical method. In the physical and chemical method, a wet process using the micro-encapsulation process utilized. This process emulsifies the core material in a solvent then coats the monomer polymer on the wall of the emulsion to harden it. In this process, a surfactant is utilized to enhance the performance of the emulsion of the core material and the coating of the wall monomer. The performance of the micro-encapsulation, especially the coating thickness of the wall material and the uniformity of the coating, is largely dependent on the characteristics of the surfactant. This research compares the performance of the micro-capsules and heat storage for product according to molecular mass and concentration of the surfactant, SSMA (sulfonated styrene-maleic anhydride), when it comes to micro-encapsulation through interfacial polymerization, in which Dodecan-1 is transformed to melamin resin, a heat storage material using phase changing properties. In addition, the thickness of the micro-encapsulation wall material and residual melamine were reduced by adjusting the concentration of melamin resin microcapsules.
Thermal storage technology used for indoor heating and cooling to maintain a constant temperature for a long period of time has an advantage of raising energy use efficiency. This, the phase changing material, which utilizes heat storage properties of the substances, capsulizes substances that melt at a constant temperature. This is applied to construction materials to block or save energy due to heat storage and heat protection during the process in which substances melt or freeze according to the indoor or outdoor temperature. The micro-encapsulation method is used to create thermal storage from phase changing material. This method can be broadly classified in 3 ways: chemical method, physical and chemical method and physical and mechanical method. In the physical and chemical method, a wet process using the micro-encapsulation process utilized. This process emulsifies the core material in a solvent then coats the monomer polymer on the wall of the emulsion to harden it. In this process, a surfactant is utilized to enhance the performance of the emulsion of the core material and the coating of the wall monomer. The performance of the micro-encapsulation, especially the coating thickness of the wall material and the uniformity of the coating, is largely dependent on the characteristics of the surfactant. This research compares the performance of the micro-capsules and heat storage for product according to molecular mass and concentration of the surfactant, SSMA (sulfonated styrene-maleic anhydride), when it comes to micro-encapsulation through interfacial polymerization, in which Dodecan-1 is transformed to melamin resin, a heat storage material using phase changing properties. In addition, the thickness of the micro-encapsulation wall material and residual melamine were reduced by adjusting the concentration of melamin resin microcapsules.
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문제 정의
마이크로 캡슐의 제조 공정은 심물질의 에멀젼 형성 및 고분자 물질의 계면흡착과 계면중합 등에 의한 것으로서 계면물성의 제어가 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이의 물성을 검토하기 위하여 각 상 간의 계면 에너지를 측정하였다. 계면장력 측정은 Fig.
본 연구에서는 마이크로 캡슐 제조에 있어서 벽재에 멜라민 수 지가 계면중합에 캡슐화 되도록 하였다. 벽재에 형성되는 멜라민 수지의 계면 중합의 원리는 다음과 같다.
즉, 본 연구에서는 심물질인 1-도데카놀 에멀젼과 수용액 간의 계면에서 계면중합이 발생하는 경우 시간에 따른 계면에너지의 변화를 관찰하기 위하여 계면장력을 측정하였다.
제안 방법
SSMA의 합성여부를 확인하기 위해 FT-IR을 이용하여 분석하였다. 다음의 그림들은 SSMA 각 분자량마다 FR-IR을 분석하여 SSMA합성여부를 판단한 것이다.
합성된 SSMA는 계면활성제로서 마이크로 캡슐 합성에 있어서 에멀션 형성에 관여한다. 따라서 합성된 SSMA를 스티렌 함량별로 농도(wt%)의 대비 표면장력을 측정하였다. 측정방법은 Dunoy Ring 법을 이용하였으며 표면장력측정기(KSV, Sigma-70)를 이용하였다.
측정장치는 계면장력측정기(First Ten Angstrom, FTA-200)을 이용하였으며 55℃로 온도를 유지하면서 1-도데카놀에 순수한 SSMA 수용액을 pendent Drop법을 이용하여 액적을 위치시켜서 액적의 모양을 이미지 해석기를 통하여 수치적으로 계면장력을 계산하였다. 또한 심물질인 1-도데카놀과 벽재물인 전중합용액 + SSMA 수용액 간의 계면장력도 측정하였다. 계면장력의 수치적 계산을 ADSA(Axisymmetric Drop Shape Analysis)법에 의하였다.
또한 잔여 멜라민 수지를 줄이고 벽재의 두께를 조절하기 위해 다음과 같이 전중합용액의 질량농도를 조절하여 실험하였다. 실험 조건은 Table 2에 나타나 있다.
또한 전중합용액의 질량농도 변화를 주어 마이크로 캡슐의 성능과 아울러 제품의 축열 및 방열 성능을 비교하였다.
또한 제조된 마이크로 캡슐의 형태 및 표면은 Scanning Electron Microscope(Universal TA Instrument,TM-1000)를 이용하여 관찰하였다. 제조된 마이크로 캡슐의 내열성 및 축열 성능은 주사시차열 분석기(DSC)를 이용하여 관찰하였다.
마이크로 캡슐화 제조에 있어서 2.2.2 에 나타낸 계면중합을 이루기 위하여 멜라민 모노머를 이용하여 전중합 용액을 제조하였다. 전중합 용액은 멜라민 0.
본 연구에서는 1-도데카놀을 수용액에서 에멀젼화한 후 벽재물질인 멜라민 수지를 투입하여 왁스의 계면에서 계면중합이 일어나도록 하여 마이크로 캡슐 반응을 행하였다. 계면중합은 Fig.
본 연구에서는 마이크로 캡슐의 심물질로서 1-도데카놀에 멜라민 수지를 벽재화하여 계면중합법에 의하여 건축물 단열재로서 축·방열 기능이 있는 마이크로 캡슐을 제조하였다.
본 연구에서는 상변화를 이용한 축열재로서 1-도데카놀을 멜라민수지로 계면중합법에 의하여 마이크로 캡슐화 하는데 있어서 계면활성제로서는 SSMA(syntesis of sulfonated styrene-maleic anhydride)의 함량에 따른 마이크로 캡슐의 성능과 아울러 제품의 축열 성능을 비교하였다.
본 연구에서는 심물질로서 1-도데카놀을 이용하였으며 벽재 물질로서 멜라민 수지가 되도록 고분자 시약을 이용하였다. 심물질은 녹는점이 22℃~26℃ 인 순도가 매우 높은 시약급 1-도데카놀을(SAMCHUN, 98%)을 추가 정제 없이 사용하였다.
본 연구에서는 제조된 마이크로 캡슐의 축열 성능 평가를 시차열 분석기를 이용하여 온도 상승 및 냉각을 반복하여 (최소 3회 이상)캡슐로부터 흡수 및 방출되는 열에너지를 측정하였다.
이와 같은 실험을 SMA의 스티렌:말레인 몰비가 1:1, 2:1, 2.6:1, 3:1, 17:1에 대하여 SSMA를 제조하였다.
또한 제조된 마이크로 캡슐의 형태 및 표면은 Scanning Electron Microscope(Universal TA Instrument,TM-1000)를 이용하여 관찰하였다. 제조된 마이크로 캡슐의 내열성 및 축열 성능은 주사시차열 분석기(DSC)를 이용하여 관찰하였다.
즉, 본 연구에서는 심물질인 1-도데카놀 에멀젼과 수용액 간의 계면에서 계면중합이 발생하는 경우 시간에 따른 계면에너지의 변화를 관찰하기 위하여 계면장력을 측정하였다. 측정장치는 계면장력측정기(First Ten Angstrom, FTA-200)을 이용하였으며 55℃로 온도를 유지하면서 1-도데카놀에 순수한 SSMA 수용액을 pendent Drop법을 이용하여 액적을 위치시켜서 액적의 모양을 이미지 해석기를 통하여 수치적으로 계면장력을 계산하였다. 또한 심물질인 1-도데카놀과 벽재물인 전중합용액 + SSMA 수용액 간의 계면장력도 측정하였다.
대상 데이터
SMA(Styrene-maleic anhydride)는 스티렌:말레인 몰비가 1:1, 2:1, 2.6:1, 3:1, 17:1 인 것을 사용하였다. 황산(Samchun, 95%), 발연황산(UNI, H2SO4+XSO3) 등을 반응물로 사용하였고 중화제로서 수산화칼슘과 수산화나트륨을 사용하였다
심물질은 녹는점이 22℃~26℃ 인 순도가 매우 높은 시약급 1-도데카놀을(SAMCHUN, 98%)을 추가 정제 없이 사용하였다. 또한 안정화제로서 투입된 계면활성제는 합성된 SSMA (syntesis of sulfonated styrene-maleic anhydride)를 사용하였으며 용매인 물은 실험실에서 제조된 증류수를 이용하였다.
벽재 형성을 위한 계면 중합은 2.2.3에서 전술한 미리 제조된 전 중합 용액과 아세트산을 정량 투입하여 100분간 750rpm의 속도로 교반한 후 실온으로 냉각 후 건조하여 최종 제품을 얻었다.
본 연구에서는 심물질로서 1-도데카놀을 이용하였으며 벽재 물질로서 멜라민 수지가 되도록 고분자 시약을 이용하였다. 심물질은 녹는점이 22℃~26℃ 인 순도가 매우 높은 시약급 1-도데카놀을(SAMCHUN, 98%)을 추가 정제 없이 사용하였다. 또한 안정화제로서 투입된 계면활성제는 합성된 SSMA (syntesis of sulfonated styrene-maleic anhydride)를 사용하였으며 용매인 물은 실험실에서 제조된 증류수를 이용하였다.
6:1, 3:1, 17:1 인 것을 사용하였다. 황산(Samchun, 95%), 발연황산(UNI, H2SO4+XSO3) 등을 반응물로 사용하였고 중화제로서 수산화칼슘과 수산화나트륨을 사용하였다
이론/모형
따라서 본 연구에서는 이의 물성을 검토하기 위하여 각 상 간의 계면 에너지를 측정하였다. 계면장력 측정은 Fig. 12에서 보인 기구로 Pendent Drop법을 이용하였다. 즉, 본 연구에서는 심물질인 1-도데카놀 에멀젼과 수용액 간의 계면에서 계면중합이 발생하는 경우 시간에 따른 계면에너지의 변화를 관찰하기 위하여 계면장력을 측정하였다.
또한 심물질인 1-도데카놀과 벽재물인 전중합용액 + SSMA 수용액 간의 계면장력도 측정하였다. 계면장력의 수치적 계산을 ADSA(Axisymmetric Drop Shape Analysis)법에 의하였다.
따라서 합성된 SSMA를 스티렌 함량별로 농도(wt%)의 대비 표면장력을 측정하였다. 측정방법은 Dunoy Ring 법을 이용하였으며 표면장력측정기(KSV, Sigma-70)를 이용하였다.
성능/효과
1. 적정조건에서 제조된 마이크로 캡슐은 일정두께의 멜라민 수지 벽재가 형성되었으며 시차열분석 결과 반복성을 갖는 우수한 축열 및 방열 특성을 보였다.
2. 본 연구의 조건에서는 1-도데카놀에 멜라민수지를 캡슐화 하는 경우 마이크로 캡슐의 두께 및 축·방열 특성은 계면활성제인 SSMA의 스티렌 함량에 영향을 받으며 스티렌 함량이 클수록 우수한 물성을 나타내었다.
또한 가열 및 냉각을 여러번 박복하여도 열 흡수 및 방출 곡선이 거의 변화가 없는 경우로 보아 열 충격에 의한 벽재의 손상이 거의 없는 충분한 물성의 축·방열을 위한 마이크로 캡슐이 잘 이루어진 것으로 판단된다.
본 연구의 조건에서는 1-도데카놀에 멜라민수지를 캡슐화 하는 경우 마이크로 캡슐의 두께 및 축·방열 특성은 계면활성제인 SSMA의 스티렌 함량에 영향을 받으며 스티렌 함량이 클수록 우수한 물성을 나타내었다. 또한 첨가되는 SSMA는 멜라민 단량체와 1-도데카놀 간의 젖음성을 향상시켜서 계면중합에 의한 캡슐효율을 높이는 것으로 판단되었다.
벽재인 멜라민 수지는 열경화성 수지로서 열을 가하면 더욱 경화되므로 축열재로 이용 시 내열성에 도움이 될 것으로 보인다. 본 연구에서는 제조된 시료를 융점측정기로 가열하여 온도를 250℃까지 상승시켜도 캡슐이 손상되지 않음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에너지 절약이 전 세계적인 이슈가 되고 있는 이유는?
에너지 절약은 근래에 이르러 지구온난화 문제를 해결하기 위한 기후협약 등의 영향으로 전 세계적인 이슈가 되고 있다. 현재 우리나라의 경우 국가 총 에너지의 약20% 이상을 건축물에서 사용되고 있으며, 영국 및 일본 등 냉난방이 더욱 발달한 선진국은 현재 약 26~28%를 사용하고 있어, 향후 지구기후변화로 인해 약 38~40%의 에너지가 소비될 것으로 예측되고 있다.
축열재 이용기술의 장점은?
이러한 증가하는 에너지 소비량을 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있으며 그 중 축열재를 이용한 건축물의 단열 또한 에너지 절약에 기여하여 왔다. 또한 축열재 이용기술은 실내 냉난방을 위하여 사용된 에너지를 장시간 일정온도로 유지할 수 있도록 하여 에너지 사용 효율을 높이는 장점이 있다. 특히 온돌 방식으로 이루어진 난방의 경우 온돌방식이 콘크리트로 대체됨에 따라 건축물의 벽이 축열 기능이 낮은 단점이 있다.
온돌 방식을 통해 건축물의 벽이 축열 기능이 낮은 이유로 생기는 문제점은 무엇인가?
특히 온돌 방식으로 이루어진 난방의 경우 온돌방식이 콘크리트로 대체됨에 따라 건축물의 벽이 축열 기능이 낮은 단점이 있다. 따라서 바닥과 벽간의 심한 온도차로 인한 실내 온도편차로 오는 문제점이 있고 이에 따른 에너지 효율의 저하가 결국 에너지의 낭비를 초래하고 있다. 냉방의 경우도 마찬가지로 주·야간에 따라 외기의 온도는 극심한 변화에 따른 실내온도를 일정하게 유지할 수 있는 축열 성능을 갖는 소재가 갈수록 요구되고 있다.
참고문헌 (6)
Adamson, A.W. (1990). "Physical Chemistry of Surfaces," John Wiley & Sons, Inc, AP Gast 5th. ed.
Ben Yeung. (2011). "Energy Saving Performances of Building Materials using Phase Change Materials," PhD. thesis, Taiwan national univ.
Kwoki, D.Y., and Neumann, A.W. (1999). "Contact Angle Measurement and Contact angle Interpretation," Advances in Colloid and Interface Science, 81, 167-249.
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