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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 C5 지방족 탄화수소계 수지에 polyolefin 수지(Tg = -57 ℃, softening point = 68∼70 ℃)를 첨가하고, 기능성이 부여된 산화 PE 왁스를 사용하여 차선도료의 물성을 향상시키고자 하였다.
- 따라서 차선도장의 경우 도장 온도에 따른 용융 점도와 함침비(embedding ratio) 및 유리알 고착비(glass bead adhesive ratio)가 매우 중요하다[17]. 따라서 본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 용융점도와 함침비를 개선하기 위해 수지 및 왁스의 배합비율, 첨가제의 배합비율을 변화시켜 우수한 물리적 특성을 갖는 차선도료를 설계하고자 하였다.
- 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 도막은 딱딱하고 견고한 성질을 나타내어 압축강도가 우수하여 수직하중에 따른 내구력은 좋으나, 실제 차량바퀴 운행하중에 따른 수평 마찰력 및 전단응력이 취약하여 도막탈리, 유리알 고착비 저하 등으로 운전자가 차선을 인지할 수 없어 교통안전에 치명적인 위험성을 내포하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 열가소성 차선도료를 개량 설계하여 도막자체의 인장강도를 개선하고 내마모성을 향상시켜 운전자의 시인성을 개선하였다.
- 차선도료에 첨가되는 왁스성분은 주로 도장 후 광택도나 함침비를 개선하는 역할을 하지만 과량 첨가할 경우 도장의 부착력을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 왁스의 종류와 첨가량에 따른 영향을 고찰하기 위해 기존에 사용되고 있는 LDPE 왁스와 기능성이 부여된 산화 PE 왁스를 비교 실험한 후 최적 첨가량을 결정하였다. 또한 첨가제로 사용된 CaCO3와 유리알은 전체 도료의 73∼76 wt% 첨가하였다.
- )와 유리알(glass beads, average diameter = 370 μm), 백색안료 등을 혼합하여 제조한다. 본 연구에서는 기존 도료의 용융점도와 함침비를 개선하기 위해 수지 및 왁스의 배합비율, 첨가제의 배합비율 등을 변화시켜 열가소성 차선도료를 제조하였다. 실험에 사용된 석유수지계 도료의 수지로는 C5 지방족 탄화수소계 수지(R-1100S, Kolonindustries Co.
제안 방법
- 1. 열가소성 차선도료의 시공방식이 분사도장방식인 경우 220℃ 온도에서 최적 점도를 500 cP 이하로 설계하였다.
- 4. 열가소성 차선도료의 내마모성 평가를 위하여 4가지 조건에서 재귀 반사성을 측정하였다. 교통사고 발생 최소화와 운전자의 노령화 등으로 운전자 주행 중 최소 야간재귀 반사성능계수가 150 mcd⋅m-2⋅lux-1 이상을 만족하여야 하며, 마모횟수 증가에 따른 야간재귀 반사도 저하가 가장 적은 TPRM-7를 열가소성 차선도료의 최적 배합비로 결정하였다.
- 교통사고 발생 최소화와 운전자의 노령화 등으로 운전자 주행 중 최소 야간재귀 반사성능계수가 150 mcd⋅m-2⋅lux-1 이상을 만족하여야 하며, 마모횟수 증가에 따른 야간재귀 반사도 저하가 가장 적은 TPRM-7를 열가소성 차선도료의 최적 배합비로 결정하였다.
- 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 경우 C5 지방족 탄화수소계 수지를 기본 수지로 사용하였으나, 본 연구에서 설계한 열가소성 차선도료인 TPRM-1∼TPRM-7은 인장강도, 유리알 고착비를 개선하기 위하여 hydrocarbon계 수지에 가소제 역할을 하는 polyolefin 수지를 첨가하였다.
- 도료의 인장강도는 0∼3.5 MPa 범위 접착강도 시험기(Elcometer 106, ASTM D4541)를 이용하여 측정하였으며, 유리알 고착비는 wet abrasion scrub 시험기(903/3, Sheen Co. Ltd., KS M6080/ASTM D3450)를 이용하여 산출하였다.
- 이는 전반적으로 도료배합 중 CaCO3의 첨가량이 56 wt%로 크기 때문으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 CaCO3의 첨가량을 56 wt%에서 39 wt%로 감소시켜 TPRM-3, TPRM-4, TPRM-5를 제조하였다. CaCO3의 첨가량이 감소함에 따라 마모횟수가 10만 회인 경우 건조조건에서 TPRM-3 (254 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-4 (256 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-5 (262 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 개선되었으나 마모횟수가 20만 회인 경우 TPRM-3 (203 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-4 (212 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-5 (221 mcd⋅m-2⋅lux-1)를 비교하면 큰 개선효과를 기대할 수 없었다.
- 따라서 본 연구에서는 도료의 도장과 동시에 반사유리알을 살포한 경우와 1∼3 s 간격 후에 살포한 경우를 비교하였다.
- 이는 실질적인 도로에서 차륜에 의한 오염이나 아스팔트의 오염 등을 고려하지 않았기 때문으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 야간재귀 반사성능을 이용하여 열가소성 차선도 료의 최적 설계비를 결정하였다. 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 경우 마모횟수가 10만 회인 경우 건조조건(115 mcd⋅m-2⋅ lux-1), 젖은조건(54 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(25 mcd⋅m-2⋅ lux-1)으로 급격한 저하가 나타났다.
- 5 mm로 일정하게 도장한 후 시인성 향상을 위해 반사유리알(average diameter = 470 μm)을 390 g/m2로 살포하여 함침비 및 유리알 고착비를 분석하였다. 또한 내마모성 시험은 실물 마모시험기(wear simulator)를 이용하여 측정하였다. 실물 마모시험기는 직경 6.
- 기존에 사용되는 석유수지계 도료에 polyolefin 수지를 첨가하고, LDPE 왁스 대신 기능성이 부여된 산화 PE 왁스를 사용하여 연화점, 인장강도 등 차선도료의 물성을 개선하였다. 또한 첨가제 중 CaCO3를 40wt% 이하로 첨가하여 유리알 고착비를 향상시켰다.
- 또한 첨가제로 사용된 CaCO3와 유리알은 전체 도료의 73∼76 wt% 첨가하였다.
- CaCO3의 첨가량이 많으면 도료의 인장강도가 저하되어 crack이 발생할 수 있고, 유리알의 첨가량이 많으면 도장과정에서 스프레이 분사 막힘 등에 문제가 발생될 수 있어 배합비율이 매우 중요하다. 본 연구에서는 CaCO3의 사용량을 줄이고, 유리알의 사용량을 최대 35 wt%까지 첨가하여 열가소성 차선도료를 설계하였다.
- 본 연구에서는 도장 후 반사유리알의 살포시간 간격을 1 s로 설정하여 함침비를 50∼60%로 조절하였다.
- 열가소성 차선도료의 내마모성 평가를 위하여 운전자의 기본 주행 환경인 주간조건, 야간 건조조건, 야간 젖은조건, 그리고 야간 비오는 조건 등 4가지 조건에서 비교 평가하였다. 일반적으로 차선도장의 야간 재귀 반사 성능 최소요구기준은 2000년도 이전에 100 mcd⋅m-2⋅lux-1 이하로 관리되어 왔으나, 교통사고 방지 및 인간 수명연장으로 인한 노령화 등으로 2000년 이후에는 120 mcd⋅m-2⋅lux-1로 상향되었고, 최근에는 150 mcd⋅m-2⋅lux-1 이상으로 관리되고 있는 것이 국제적인 경향이다.
- 열가소성 차선도료의 물성 분석을 위해 용융점도, 인장강도, 연화점 등을 분석하였다. 용융점도는 브룩필드 점도계(RVDV-III Ultra, ASTM D4016)를 이용하여 160∼220 ℃ 온도범위에서 측정하였으며, 연화점은 링과 볼을 이용한 장비(Ring-Ball apparatus, EN 1871)를 사용하여 측정하였다.
- 용융점도는 브룩필드 점도계(RVDV-III Ultra, ASTM D4016)를 이용하여 160∼220 ℃ 온도범위에서 측정하였으며, 연화점은 링과 볼을 이용한 장비(Ring-Ball apparatus, EN 1871)를 사용하여 측정하였다.
- 이를 조절하기 위하여 CaCO3의 첨가량을 줄이면서 융용점도를 조절하였다.
- 는 광원이 조명 방향과 수직인 장소에서의 조도이다. 이에 따른 표준 측정 조건은 운전자의 눈높이가 노면에서 1.2 m이고 전조등의 높이가 0.65 m인 조건에서 거리 30 m되는 차선의 재귀 반사성능을 측정한다.
- 차선도료의 도장특성을 평가하기 위해 시편에 1.5 mm로 일정하게 도장한 후 시인성 향상을 위해 반사유리알(average diameter = 470 μm)을 390 g/m2로 살포하여 함침비 및 유리알 고착비를 분석하였다.
- 특히 TPRM-7의 경우에는 마모횟수가 20만 회인 경우 야간재귀 반사성능이 건조조건(314 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은조건(167 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(82 mcd⋅m-2⋅lux-1)으로 나타나 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 건조조건(84 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은조건(41 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(18 mcd⋅m-2⋅lux-1)이나 동일한 CaCO3첨가량인 TPRM-5의 건조조건(221 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은 조건(83 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(51 mcd⋅m-2⋅lux-1)에 비해 매우 우수한 야간재귀 반사성능을 나타내어 본 연구에서는 TPRM-7 의 배합비율을 최적 배합비율로 결정하였다.
대상 데이터
- )를 사용하였다. 또한 혼화성(miscibility) 향상을 위하여 가소제로는 di-octyl phthalate (DOP)를 사용하였고, 첨가제로는 CaCO3와 유리알을 혼합하여 사용하였다. 실험에 사용된 열가소성 차선도료의 배합비율을 Table 1에 나타내었다.
- 실물 마모시험기는 직경 6.4 m의 회전판으로 구성되어 있으며, 회전속도는 5∼120 km/h로 조정할 수 있다.
- 본 연구에서는 기존 도료의 용융점도와 함침비를 개선하기 위해 수지 및 왁스의 배합비율, 첨가제의 배합비율 등을 변화시켜 열가소성 차선도료를 제조하였다. 실험에 사용된 석유수지계 도료의 수지로는 C5 지방족 탄화수소계 수지(R-1100S, Kolonindustries Co. Ltd.)에 polyolefin 수지(Affinity, Dow chemical)를 혼합하여 사용하였으며, 왁스는 LDPE 왁스(LC-101N, Lion ChemTech.)와 산화 PE 왁스(oxidized PE wax, LC-301E, Lion ChemTech.)를 사용하였다. 또한 혼화성(miscibility) 향상을 위하여 가소제로는 di-octyl phthalate (DOP)를 사용하였고, 첨가제로는 CaCO3와 유리알을 혼합하여 사용하였다.
- 회전판 원형틀 내에 8개의 시험판 고정대(0.4 × 0.25 × 0.05 m)를 설치하고 표면은 아스팔트 재질을 사용하였다.
성능/효과
- 2. 기존에 사용되는 석유수지계 도료에 polyolefin 수지를 첨가하고, LDPE 왁스 대신 기능성이 부여된 산화 PE 왁스를 사용하여 연화점, 인장강도 등 차선도료의 물성을 개선하였다. 또한 첨가제 중 CaCO3를 40wt% 이하로 첨가하여 유리알 고착비를 향상시켰다.
- 3. 반사유리알의 함침비는 열가소성 차선도료에 살포되어 고착된 반사유리알의 침투 깊이로 가장 이상적인 함침비는 50∼60%이다.
- C5 지방족 탄화수소계 수지에 56 wt%의 CaCO3가 첨가된 기존의 열가소성 차선도료의 경우 20% 이상의 반사유리알이 탈리되었으나 polyolefin 수지를 첨가한 TPRM-1, TPRM-2의 경우에는 동일량의 CaCO3가 첨가되었음에도 유리알 고착비가 92∼96 wt%로 크게 향상됨을 알 수 있었다.
- 그러나 본 연구에서 설계한 열가소성 차선도료인 TPRM-3에서 TPRM-7의 경우에는 반사유리알 살포시간이 1 s 간격에서 함침비가 50∼60% 적정범위를 나타내었다.
- 내마모성 평가 결과 마모횟수가 각각 10만 회와 20만 회인 경우 야간재귀 반사성능이 건조조건에서 TPRM-1의 경우 10만 회(194 mcd⋅m-2⋅lux-1), 20만 회(131 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-2의 경우에는 10만 회 (201 mcd⋅m-2⋅lux-1), 20만 회(178 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 급격한 감소를 나타내었다.
- 이는 기존에 사용되고 있는 C5 지방족 탄화수소계 수지만으로는 열가소성 차선도료의 성능을 만족시킬 수 없음을 보여주는 것이고, 도료 중 CaCO3의 첨가량이 56 wt%이므로 도료 자체의 취성 (brittleness)이 약하여 반사유리알이 쉽게 탈리되기 때문으로 사료된다. 따라서 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료는 운전자가 안전하게 운행할 수 있는 차선 최소 반사성능 기준에 만족할 수 없는 결과로 나타났다. 본 연구에서 설계한 TPRM-1, TPRM-2는 기존 수지를 개량하기 위하여 polyolefin 수지를 2 wt% 추가 배합하고, 기존 LDPE 왁스를 산화 PE 왁스로 대체 설계한 열가소성 차선도료이다.
- C5 지방족 탄화수소계 수지에 56 wt%의 CaCO3가 첨가된 기존의 열가소성 차선도료의 경우 20% 이상의 반사유리알이 탈리되었으나 polyolefin 수지를 첨가한 TPRM-1, TPRM-2의 경우에는 동일량의 CaCO3가 첨가되었음에도 유리알 고착비가 92∼96 wt%로 크게 향상됨을 알 수 있었다. 또한 CaCO3의 첨가량이 감소됨에 따라 유리알 고착비는 증가하였으며, 이를 바탕으로 첨가제인 CaCO3의 첨가량은 40 wt% 이하로 조절하는 것이 이상적임을 알 수 있었다.
- 연화점 시험결과 2 ℃의 차이는 시험재료를 링에 주입하여 과정이나 온도 상승조건에서의 편차 등을 고려하면 충분히 발생될 수 있다. 또한 기본수지에 polyolefin 수지가 첨가될 경우 인장강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히 왁스 대신 사용된 가소제인 di-octyl phthalate를 첨가할 경우 인장강도가 증가됨을 알 수 있었다. 또한 열가소성 차선도료의 유리알 고착비를 측정 결과 사용된 수지와 차선도료에 첨가된 첨가제인 CaCO3의 첨가량에 크게 의존하는 것을 알 수 있었다.
- 또한 기본수지에 polyolefin 수지가 첨가될 경우 인장강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히 왁스 대신 사용된 가소제인 di-octyl phthalate를 첨가할 경우 인장강도가 증가됨을 알 수 있었다. 또한 열가소성 차선도료의 유리알 고착비를 측정 결과 사용된 수지와 차선도료에 첨가된 첨가제인 CaCO3의 첨가량에 크게 의존하는 것을 알 수 있었다. C5 지방족 탄화수소계 수지에 56 wt%의 CaCO3가 첨가된 기존의 열가소성 차선도료의 경우 20% 이상의 반사유리알이 탈리되었으나 polyolefin 수지를 첨가한 TPRM-1, TPRM-2의 경우에는 동일량의 CaCO3가 첨가되었음에도 유리알 고착비가 92∼96 wt%로 크게 향상됨을 알 수 있었다.
- 실험 결과 기존에 사용되고 있는 도료와 본 연구에서 설계한 TPRM-4∼TPRM-7의 경우 220 ℃의 온도에서 분사도장방식의 최적 점도인 500 cP 이하가 됨을 알 수 있었다.
- Figure 1은 수지와 왁스의 조성 변화에 따른 열가소성 차선도료의 용융점도를 200∼220 ℃의 온도범위에서 나타낸 그림이다. 온도가 증가함에 따라 용융점도는 감소하는 경향을 나타내었으며, C5 지방족 탄화수소계 수지에 polyolefin 수지를 첨가한 TPRM-1, TPRM-2의 경우에는 기존의 차선도료에 비해 용융점도가 높게 나타났다. 이를 조절하기 위하여 CaCO3의 첨가량을 줄이면서 융용점도를 조절하였다.
- 이러한 단점을 개선하기 위해 본 연구에서는 polyolefin 수지를 첨가하였으며, 그 결과 본 연구에서 설계한 도료의 연화점이 97∼100 ℃로 나타났다.
- 이를 개선하기 위해 산화 PE 왁스의 사용량을 반으로 줄여 유리알 고착비를 향상시키고, 열가소성 차선도료의 섞임성을 향상시키기 위해 가소제인 di-octyl phthalate를 추가 첨가하여 설계한 TPRM-6, TPRM-7는 마모횟수가 10만 회인 경우 야간재귀 반사성능이 TPRM-6 (319 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-7 (332 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 개선되었으며, 마모횟수가 20만 회인 경우 TPRM-6 (283 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-7 (314 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 야간재귀 반사성능계수(RL)의 감소가 완만하게 이루어짐을 알 수 있었다.
- 또한 가소제인 di-octyl phthalate는 첨가량이 많은 TPRM-6와 TPRM-7의 경우 용융점도가 많이 감소하였다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 설계한 TPRM-4 (450 cP), TPRM-5 (440 cP), TPRM-6 (420 cP), TPRM-7 (430 cP)의 용융점도가 220 ℃에서 분사도장방식의 최적 점도인 500 cP 이하가 됨을 확인하였다.
- 이를 개선하기 위해 산화 PE 왁스의 사용량을 반으로 줄여 유리알 고착비를 향상시키고, 열가소성 차선도료의 섞임성을 향상시키기 위해 가소제인 di-octyl phthalate를 추가 첨가하여 설계한 TPRM-6, TPRM-7는 마모횟수가 10만 회인 경우 야간재귀 반사성능이 TPRM-6 (319 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-7 (332 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 개선되었으며, 마모횟수가 20만 회인 경우 TPRM-6 (283 mcd⋅m-2⋅lux-1), TPRM-7 (314 mcd⋅m-2⋅lux-1)로 야간재귀 반사성능계수(RL)의 감소가 완만하게 이루어짐을 알 수 있었다. 특히 polyolefin 수지를 3 wt%로 첨가한 TPRM-7의 야간재귀 반사성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 특히 TPRM-7의 경우에는 마모횟수가 20만 회인 경우 야간재귀 반사성능이 건조조건(314 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은조건(167 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(82 mcd⋅m-2⋅lux-1)으로 나타나 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료의 건조조건(84 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은조건(41 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(18 mcd⋅m-2⋅lux-1)이나 동일한 CaCO3첨가량인 TPRM-5의 건조조건(221 mcd⋅m-2⋅lux-1), 젖은 조건(83 mcd⋅m-2⋅lux-1), 비오는 조건(51 mcd⋅m-2⋅lux-1)에 비해 매우 우수한 야간재귀 반사성능을 나타내어 본 연구에서는 TPRM-7 의 배합비율을 최적 배합비율로 결정하였다.
- Figure 3은 반사유리알 살포시간이 1 s 간격일 때 열가소성 차선도료의 도장표면에 노출된 반사유리알을 나타낸 사진이다. 함침비의 결과와 마찬가지로 기존에 사용되고 있는 열가소성 차선도료와 TPRM-1, TPRM-2는 도장 표면에서 돌출되어 있는 것을 확인할 수 있으며, TPRM-3에서 TPRM-7까지의 열가소성 차선도료의 경우에는 비교적 적절하게 함침되어 있는 것을 알 수 있었다.
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