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SIS-SBS 개질아스팔트 방수시트재 물성 최적화
Optimization to Prepare SIS-SBS Modified Asphalt for Waterproof-sheet 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.5, 2017년, pp.690 - 697  

임광희 (대구대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 방수시트재를 위한 아스팔트의 styrene-butadiene-styrene (SBS)와 styrene-isoprene-styrene (SIS)에 의한 개질에 있어서 자가치유성을 가지는 개질아스팔트 방수시트재의 연화점(softening point), 침입도(penetration), 저온굴곡저항성능(low temperature flexibility), 점도(viscosity) 및 부착성능(adhesion) 등의 물성을 관찰하고, 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 활용하여 아스팔트 질량 대비 SBS와 SIS의 적정조성을 도출하고 자가치유성을 가지는 개질아스팔트 방수시트재의 물성을 최적화하였다. 고온에서 측정이 수행되는 연화점과 점도는 SBS 또는 SIS의 함량이 증가함에 따라서 유의하게 값이 증가하였다. 그러나 함량 대비 연화점과 점도 증가분은 SBS 경우가 SIS보다 커짐이 관찰되었다. 이러한 원인은 SBS와 SIS의 열적거동의 차이 때문인데, SBS는 고온에서 점도 상승을 동반하는 겔화(gelation)가 되어 가교도가 커지나 SIS는 점도감소를 초래하는 폴리이소프렌 블록의 사슬분리(chain scission) 때문에 사슬꼬임(chain entanglement)이 상대적으로 적어지기 때문이다. 반면에 SIS-SBS 개질아스팔트는 상온에서 측정되는 침입도, 부착성능 및 저온굴곡성능에 대하여, 아스팔트 63 g을 기본으로 SIS 4~5 g과 SBS 8.5 g의 조성에서 최소 탄성거동을 나타내어 최대 침입도 및 최대 부착성능과 최저 저온굴곡성능 값을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, styrene-isoprene-styrene (SIS)-styrene-butadiene-styrene (SBS) modified asphalt was prepared for waterproof-sheet to measure its properties including softening point, penetration, low temperature flexibility, viscosity and adhesion. Then the properties of SIS-SBS modified asphalt impa...

주제어

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제안 방법

  • Table 1의 배합조건에 따라서 일정량의 파라핀계 가소제가 첨가된 아스팔트에 SBS와 SIS를 투입하고 약 180~190 oC를 유지하며 800~1200 rpm의 교반속도로 혼합하여 혼합물인 개질아스팔트를 제조하고 각 물성시험방법에 따라서 시편을 제조하고 물성시험을 수행하였다. 연화점(softening point)은 KS M2250의 역청재료의 연화점 시험방법(환구법)[13]에 따라서 각 시편이 연화되어 강구가 바닥에 닿을 때의 온도를 측정하였다.
  • 또한 부착성능(adhesion)은 KS F4934 자착식형 고무화 아스팔트 방수 시트의 부착성능 평가방법[15]에 따라서측정한 부착력들의 평균값을 너비로 나눈 값을 부착성능값으로 사용하였다. 마지막으로, 점도(viscosity)는 혼합물을 160 oC로 설정된 가열 건조시험기에 2 h 동안 정치 후에 점도계(Brookfield, DV-Iprime)로 6 및 7번 스핀들을 사용하여서 측정하였다.
  • 축점의 수는 독립변수(Xn)가 2개이므로 4개로 했으며, 축점에서 α 및 −α 값은 각각 2 및 −2로 하고 축점은 (α, 0), (−α, 0), (0, α), (0, −α)로 설정하였다. 반응표면분석법에서 반응표면의 최적화를 위한 중심합성계획(central composite design)에 따라 10개 실험구로 설정했고, 개질아스팔트의 물성에 대한 종속변수(Yn)는 연화점(Y1), 침입도(Y2), 저온굴곡성(Y3) 및 점도(Y4), 부착성능(Y5)으로 나타내고 3회 이상 반복측정의 평균값을 회귀분석에 사용하였다. 이때 회귀분석을 위한 독립변수들의 선형 항(linear term), 자승 항(quadratic term) 및 교차 항(interactive term)이 기여하는 각각의 주 효과(main effect), 자승효과(quadratic effect) 및 교차효과(interactive effect)에 대한 2차 회귀모델은 다음과 같다.
  • 이와 같이 SIS는 개질재로서 개질아스팔트의 물성을 제고하리라 예상되나, SBS와 SIS를 아스팔트 개질제로서 함께 적용한 국내외 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 방수시트재를 위한 아스팔트의 SBS와 SIS에 의한 개질에 있어서 자가치유성을 가지는 개질아스팔트 방수시트재의 연화점(softening point), 침입도(penetration), 저온 굴곡저항성능(low temperature flexibility), 점도(viscosity) 및 부착성능(adhesive force) 등의 물성을 관찰하고 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)을 활용하여 아스팔트 질량 대비 SBS와 SIS의 적정조성을 도출하고 자가치유성을 가지는 개질아스팔트 방수시트재의 물성을 최적화하였다.
  • 아스팔트, 아스팔트 대비 SBS와 SIS 개질재 함량의 합이 각각 7% (SBS, 3.5%; SIS, 3.5%), 14% (SBS, 7%; SIS, 7%), 20% (SBS,10%; SIS, 10%) 및 30% (SBS, 15%; SIS, 15%)인 개질아스팔트, SIS 및 SBS의 시료들을 열분석기(Perkin Elmer DSC-8500)를 사용하여 유리전이온도(Tg)를 분석하였다. 측정할 시료들을 −120 oC에서 100 oC까지 20 oC/min의 승온조건으로 가열하고, 100 oC에서−120 oC까지 150 oC/min의 냉각조건으로 급냉(quenching)시키는 과정을 거친 후에, 급냉된 시료들을 20 oC/min의 승온조건으로 100 oC까지 2차 가열하면서 질소분위기에서 DSC (Differential Scanning Calorimeter)분석을 수행하였다.
  • 축점의 수는 독립변수(Xn)가 2개이므로 4개로 했으며, 축점에서 α 및 −α 값은 각각 2 및 −2로 하고 축점은 (α, 0), (−α, 0), (0, α), (0, −α)로 설정하였다.
  • 측정할 시료들을 −120 oC에서 100 oC까지 20 oC/min의 승온조건으로 가열하고, 100 oC에서−120 oC까지 150 oC/min의 냉각조건으로 급냉(quenching)시키는 과정을 거친 후에, 급냉된 시료들을 20 oC/min의 승온조건으로 100 oC까지 2차 가열하면서 질소분위기에서 DSC (Differential Scanning Calorimeter)분석을 수행하였다.

대상 데이터

  • 아스팔트 개질제로 선형 SBS (LG Chemical., LG501; 0.94 g/ml, 13.4 cP (5% Toluene, ASTM D445), 31% Styrene content)와 SIS (Zeon Chemical, Quintac 3421; 200,000 g/mol, 10 g/10 min (Melt flow), 14% Styrene content)를 적용하였으며, 가소제로서는 파라핀계 가소제(S-oil, P-31; 0.8666 g/ml, 101 (Viscosity index (ASTM D 2270))를 사용하였다.
  • 아스팔트(AP-3[12])를 SK 에너지에서 공급받았다. 아스팔트 개질제로 선형 SBS (LG Chemical.

이론/모형

  • 한편, 저온 굴곡저항성능(low temperature flexibility)는 KS F4934의 자착식형 고무화 아스팔트 방수 시트의 굴곡저항성능 평가방법[15]에 따라서 0 oC, −5 oC, −10 oC, −15 oC, −20 oC, −25 o C 및 −30 oC의 온도조건에서 각 시편을 180°로 굽혔을 때 시편 표면에 잔금 및 박리현상의 발생 유무를 관찰하였다. 또한 부착성능(adhesion)은 KS F4934 자착식형 고무화 아스팔트 방수 시트의 부착성능 평가방법[15]에 따라서측정한 부착력들의 평균값을 너비로 나눈 값을 부착성능값으로 사용하였다. 마지막으로, 점도(viscosity)는 혼합물을 160 oC로 설정된 가열 건조시험기에 2 h 동안 정치 후에 점도계(Brookfield, DV-Iprime)로 6 및 7번 스핀들을 사용하여서 측정하였다.
  • 식 (1)의 반응표면을 반응표면분석법에 의하여 Statistica (ver. 13.2)를 활용하여 분석하였다.
  • C를 유지하며 800~1200 rpm의 교반속도로 혼합하여 혼합물인 개질아스팔트를 제조하고 각 물성시험방법에 따라서 시편을 제조하고 물성시험을 수행하였다. 연화점(softening point)은 KS M2250의 역청재료의 연화점 시험방법(환구법)[13]에 따라서 각 시편이 연화되어 강구가 바닥에 닿을 때의 온도를 측정하였다. 침입도(penetration)는 KSM2252의 역청재료의 침입도 시험방법[14]에 따라서 각 시편에 대한 침(2.
  • 침입도(penetration)는 KSM2252의 역청재료의 침입도 시험방법[14]에 따라서 각 시편에 대한 침(2.5(±0.2) g)의 침입도 결과를 측정하였다.
  • 한편, 저온 굴곡저항성능(low temperature flexibility)는 KS F4934의 자착식형 고무화 아스팔트 방수 시트의 굴곡저항성능 평가방법[15]에 따라서 0 oC, −5 oC, −10 oC, −15 oC, −20 oC, −25 o C 및 −30 oC의 온도조건에서 각 시편을 180°로 굽혔을 때 시편 표면에 잔금 및 박리현상의 발생 유무를 관찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아스팔트란? 아스팔트는 bitumen이라고도 알려져 있으며, 석유를 구성하고 있는 성분 중에서 경질유분이 제거되고 남은 최종 잔사물로서 천연으로 얻어지는 천연아스팔트와 원유 정제 후 얻어지는 석유아스팔트로 구분된다. 아스팔트는 상온에서 흑갈색의 반고체 성질을 가진 점탄성이 우수하며 접착력 및 방수성능이 탁월한 물질이다.
함량 대비 연화점과 점도 증가분은 SBS 경우가 SIS보다 커지는 이유는? 그러나 함량 대비 연화점과 점도 증가분은 SBS 경우가 SIS보다 커짐이 관찰되었다. 이러한 원인은 SBS와 SIS의 열적거동의 차이 때문인데, SBS는 고온에서 점도 상승을 동반하는 겔화(gelation)가 되어 가교도가 커지나 SIS는 점도감소를 초래하는 폴리이소프렌 블록의 사슬분리(chain scission) 때문에 사슬꼬임(chain entanglement)이 상대적으로 적어지기 때문이다. 반면에 SIS-SBS 개질아스팔트는 상온에서 측정되는 침입도, 부착성능 및 저온굴곡성능에 대하여, 아스팔트 63 g을 기본으로 SIS 4~5 g과 SBS 8.
아스팔트의 장점은? 아스팔트는 bitumen이라고도 알려져 있으며, 석유를 구성하고 있는 성분 중에서 경질유분이 제거되고 남은 최종 잔사물로서 천연으로 얻어지는 천연아스팔트와 원유 정제 후 얻어지는 석유아스팔트로 구분된다. 아스팔트는 상온에서 흑갈색의 반고체 성질을 가진 점탄성이 우수하며 접착력 및 방수성능이 탁월한 물질이다. 또한 아스팔트는 평균분자량이 500~2000 정도의 각종 탄화수소가 주성분이고 그밖에 유황, 질소, 산소와 미량의 금속화합물로 이루어진 화학적으로 매우 복잡한 구조를가진다[2,3].
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참고문헌 (18)

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  2. Wen, G., Zhang, Y., Zhang, Y., Sun, K. and Chen, Z., "Vulcanization Characteristics of Asphalt/SBS blend in the Presence of Sulfur," J. Appl. Polym. Sci., 82(4), 989-996(2001). 

  3. Takallou, H. B., Hicks, R. G., Vinsen, T. S. and Esch, D. C., "Performance of Rubber-Modified Asphalt Pavement in Cold Region," Cold Region Engineering, 99, 86(1988). 

  4. Polacco, G., Stastna, J., Vlachovicova, Z., Biondi, D. and Zanzotto, L., "Temporary Networks in Polymer-Modified Asphalts," Polym. Eng. Sci., 44(12), 2185-2193(2004). 

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  6. Airey, G. D., "Styrene Butadiene Styrene Polymer Modification of Road Bitumens," J. Mater. Sci., 39(3), 951-999(2004). 

  7. Becker, Y., Mendez, M. P. and Rodriguez, Y., "Polymer Modified Asphalt," Vision Technologica, 9(1), 39-50(2001). 

  8. Wen, G., Zhang, Y., San, K. and Fan, Y., "Rheological Characterization of Storage-stable SBS-modified Asphalts," Polymer Testing, 21(3), 295-302(2002). 

  9. Dong, D., Huang, X., Li, X. and Zhang, L., "Swelling Process of Rubber in Asphalt and Its Effect on the Structure and Properties of Rubber and Asphalt," Construction and Building Materials, 29, 316-322(2012). 

  10. Sengoz, B. and Isikyakar, G., "Analysis of Styrene-butadiene-Styrene Polymer Modified Bitumen Using Fluorescent Microscopy and Conventional Test Methods," J. Hazard. Mater., 150(2), 424-432(2008). 

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  13. Korean Standards Association, KS M2250 Testing method for softening point of bituminous materials (Ring and ball method) (2012). 

  14. Korean Standards Association, KS M2252 Testing method for penetrating of bituminous materials (2012). 

  15. Korean Standards Association, KS F4934 Self adhesive rubberized asphalt sheet (2013). 

  16. Jin, H., Gao, G., Zhang, Y., Zhang, Y., Sun, K. and Fan, Y., "Improved Properties of Polystyrene-modified Asphalt Through Dynamic Vulcanization," Polymer Testing, 21(6), 633-640(2002). 

  17. Zhang, Y., Zhao, S., Li, Y., Xie, L. and Sheng, K., "Radiation Effects of Styrene-butadiene-styrene Copolymer," Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., 266(15), 3431-3436(2007). 

  18. Chen, J.-S., Liao, M.-C. and Shiah, M.-S., "Asphalt Modified by Styrene-butadiene-styrene Triblock Copolymer: Morphology and Model," JMCE., 14(3), 224-229(2002). 

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