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문제 정의
- 다음은 휴식기간(치유기간)에 따른 충격강도 수치를 가지고 아스팔트의 자기치유능을 알아 보았다. DMP가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트(Figure 10, a)는 1일 후 87.
- 35 본 연구는 단량체 2,6-dimethylphenol(DMP)과 SBS(styrene- buta- diene-styrene triblock copolymer) 고무를 치유제로 삼고 이들을 내용물(core)로 하여 마이크로캡슐을 제조하고, 이를 아스팔트 균열 부분에 도입하여 아스팔트 자가치유에 대해 알아보았다. 여기서 DMP는 아스팔트 내에 있는 금속과 아민화합물, 그리고 공기 중의 산소분자에 의해 polyphenyleneoxide(PPO)로 중합되면서 아스팔트 균열 부분을 봉합, 치유할 수 있을 것으로 보고, 본 연구에서 이를 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 자기복구력을 알아보기 위한 실험에서는 Figure 7과 같이, 위에서 만들어진 충격강도 시편(a)을 강도 시험하고 난 두 쪽 (b)을 모아 이 두 쪽을 원래모양으로 손으로 붙이고(c) 난 후 10℃에서 보관하였다가 휴식기간(치유기간)이 1일, 3일, 7일, 15일 지난 후 10℃의 온도에서 다시 시험하였다.
- 1972년 미국의 General Electric 회사에서 Figure 5와 같이 DMP에 구리이온 촉매와 아민염을 첨가하여 최초로 PPO를 합성하였다.35 본 연구는 단량체 2,6-dimethylphenol(DMP)과 SBS(styrene- buta- diene-styrene triblock copolymer) 고무를 치유제로 삼고 이들을 내용물(core)로 하여 마이크로캡슐을 제조하고, 이를 아스팔트 균열 부분에 도입하여 아스팔트 자가치유에 대해 알아보았다. 여기서 DMP는 아스팔트 내에 있는 금속과 아민화합물, 그리고 공기 중의 산소분자에 의해 polyphenyleneoxide(PPO)로 중합되면서 아스팔트 균열 부분을 봉합, 치유할 수 있을 것으로 보고, 본 연구에서 이를 확인하고자 하였다.
- 강도 시험으로는 취성파괴(brittle fracture) 파단면을 관찰하기 위하여 아이조드(Izod) 충격 시험을 행하였다. 시험 시료는 ASTM D256에 따라 Figure 6과 같이 제조하였다.
- Tinius-Olsen 사의 충격강도시험기를 사용하여 파단이 노치 부분에서 일어나도록 하고 10℃의 온도에서 시험하였다. 노치는 아스팔트가연성이라 기계로 깍기 어려워 날카로운 문방구 칼로 찍어 만들었다. 제조된 시료는 아스팔트의 물러짐을 방지하기 위하여 10℃에서 보관하여 사용하였다.
- 먼저 아스팔트 내부에서 DMP가 PPO로 중합되는 지를 알아보았다. Table 1과 같이, DMP로 개질된 아스팔트의 인장강도와 티네시티(work-done)가 증가한 것으로 보아 아스팔트 내부에서 PPO가 생성됨을 확인하였다.
- 본 연구에서, DMP 또는 DMP/SBS를 내용물(core)로 하고 멜라민/포름알데히드 수지를 표피(shell)로 하는 마이크로캡슐을 만들고 이를 아스팔트에 적용함으로써 아스팔트의 자기치유능을 검토하였다.
- 사용한 XRD의 기기는 CuK⍺ radiation (λ= 1.542 Å)을 적용하는 XRD9D/MAX 2C(Rigaku 사)를 사용하여 회절각 2θ를 1∼60˚ 범위에서 측정하였다.
- 충격강도 시험 후의 시편의 파단면을 전자현미경(JEOL)으로 관찰하였다. 파괴된 마이크로캡슐에서 DMP가 흘러나와 시간이 경과함에 따라 공기 중의 산소와 반응하여 중합이 이루어졌는지 확인하기 위하여 XRD의 측정이 이루어졌다.
- 충격강도 시험 후의 시편의 파단면을 전자현미경(JEOL)으로 관찰하였다. 파괴된 마이크로캡슐에서 DMP가 흘러나와 시간이 경과함에 따라 공기 중의 산소와 반응하여 중합이 이루어졌는지 확인하기 위하여 XRD의 측정이 이루어졌다. 사용한 XRD의 기기는 CuK⍺ radiation (λ= 1.
대상 데이터
- 주로 정신적인 치유를 뜻하는 것으로 보인다. 과학분야에서는 얼마 전 세계경제포럼에서 2013년에 떠오르는 유망 기술 10가지 중에 우리나라 고유 기술인 KAIST의 온라인전기차 그리고 자기치유(또는 자가복구) 재료가 선정되었다.1
- 실험에 사용된 마이크로캡슐을 제조하기 위하여 껍질(shell)을 이루는 멜라민 수지의 원재료 멜라민(99%), 포름알데히드 수용액(35%)은 삼전순약에서 구입하였고, 이들은 정제과정 없이 그대로 사용되었다. 속(core) 물질로 사용된 2.6-dimethylphenol(99%)는 Aldrich에서, SBS(linear type)는 금호석유화학에서 구입하여 사용하였다. 아스팔트는 국내 SK정유회사의 아스팔트(AP-5, 침입도 60 ~ 70)을 사용하였다.
- 실험에 사용된 마이크로캡슐을 제조하기 위하여 껍질(shell)을 이루는 멜라민 수지의 원재료 멜라민(99%), 포름알데히드 수용액(35%)은 삼전순약에서 구입하였고, 이들은 정제과정 없이 그대로 사용되었다. 속(core) 물질로 사용된 2.
- 6-dimethylphenol(99%)는 Aldrich에서, SBS(linear type)는 금호석유화학에서 구입하여 사용하였다. 아스팔트는 국내 SK정유회사의 아스팔트(AP-5, 침입도 60 ~ 70)을 사용하였다.
이론/모형
- 시험 시료는 ASTM D256에 따라 Figure 6과 같이 제조하였다. Tinius-Olsen 사의 충격강도시험기를 사용하여 파단이 노치 부분에서 일어나도록 하고 10℃의 온도에서 시험하였다. 노치는 아스팔트가연성이라 기계로 깍기 어려워 날카로운 문방구 칼로 찍어 만들었다.
- 강도 시험으로는 취성파괴(brittle fracture) 파단면을 관찰하기 위하여 아이조드(Izod) 충격 시험을 행하였다. 시험 시료는 ASTM D256에 따라 Figure 6과 같이 제조하였다. Tinius-Olsen 사의 충격강도시험기를 사용하여 파단이 노치 부분에서 일어나도록 하고 10℃의 온도에서 시험하였다.
성능/효과
- 보통 20℃에서 측정하나 여기서의 측정온도는 10℃이었기 때문일 것이다. DMP가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트 그리고 DMP와 SBS가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트의 충격강도가 순수아스팔트의 강도보다 더 높게 나왔다. 이로써 겉(shell)이 멜라민 수지로 형성된 마이크로캡슐이 아스팔트 내에서 보강재 역할을 하는 것으로 보인다.
- 다음은 휴식기간(치유기간)에 따른 충격강도 수치를 가지고 아스팔트의 자기치유능을 알아 보았다. DMP가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트(Figure 10, a)는 1일 후 87.6%가 회복되었고 15일째에 원래의 강도로 회복(102%)되었다, 즉, 15일이 지나야 완전 치유되었다. DMP와 SBS가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트(Figure 10, b) 또한 1일 후 92.
- 6%가 회복되었고 15일째에 원래의 강도로 회복(102%)되었다, 즉, 15일이 지나야 완전 치유되었다. DMP와 SBS가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트(Figure 10, b) 또한 1일 후 92.1%가 회복되었고 15일째에 원래의 강도로 회복(104%)되었다. 자가치유능은 DMP와 SBS가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트가 조금 나아 보인다.
- 모두 평균직경은 160 µm이었다. 교반속도가 증가할수록 마이크로캡슐의 크기가 작아지는 경향을 보였다. 제조된 마이크로캡슐의 수율은 43%로 나타났다.
- 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트의 충격강도 시험을 통해 시간이 지남에 따른 충격강도 값은 증가추세를 보였다. 이로써 마이크로캡슐을 내장한 아스팔트가 자가복구력을 가짐을 알 수 있었다.
- 시편들의 XRD 측정 결과를 통해 파괴된 마이크로캡슐에서 흘러나온 DMP가 시간이 지남에 따라 아스팔트에 내재된 금속과 아민화합물 그리고 공기 중의 산소에 의하여 PPO로 중합이 이루어졌음을 알 수 있었다.
- 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트의 충격강도 시험을 통해 시간이 지남에 따른 충격강도 값은 증가추세를 보였다. 이로써 마이크로캡슐을 내장한 아스팔트가 자가복구력을 가짐을 알 수 있었다. 자가치유능은 DMP와 SBS가 내용물인 마이크로캡슐을 함유한 아스팔트가 조금 나았다.
- 그 이유는 SBS의 고유한 탄성과 접착성에 기인한 것으로 보인다. 치유능은 15일 째에 100%를 넘어 15일이 지나면 아스팔트 표면의 파손은 완전복구 됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 보통 균열이 발생하면 사람의 손으로 수리되나 미세균열은 작아서 탐지가 어렵다. 물질이 사용 중에 일어나는 작은 손상을 치유할 수 있는 능력을 구조적으로 가지고 있다면 손상 수리비용과 함께 사용기간이 연장되어 생산비용도 크게 줄일 수 있을 것이며, 결과적으로 CO2 발생량을 줄일 수 있을 것이다.
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