[논문]인산염 종류와 붕사 첨가율에 따른 무기접착재의 특성

송하영; 임정준; 길배수; 이상수

doi:10.5345/jkibc.2019.19.4.289

인산염 종류와 붕사 첨가율에 따른 무기접착재의 특성
Properties of Inorganic Adhesives according to Phosphate Type and Borax Ratio 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.4, 2019년, pp.289 - 297

송하영 (Department of Architectural Engineering, Hanbat National University) , 임정준 (Department of Architectural Engineering, Hanbat National University) , 길배수 (CEO, Tripod Co., Inc) , 이상수 (Department of Architectural Engineering, Hanbat National University)

초록
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현재 건축물에 사용되는 접착제는 주로 유기질 재료인 에폭시 수지 접착제가 사용되고 있다. 유기질 재료인 에폭시 수지 접착제는 유기성 물질로 접착제 생산 시 유해물질이 발생하며, 시공 후에도 유해물질이 실내거주공간에서 높게 나타난다. 또한 건축물 화재 시 유기 재료에서 발생되는 다량의 일산화탄소가 인명피해로 이어진다. 본 연구는 순수무기계 재료인 산화마그네시아, 인산염, 붕사를 사용한 무기 접착재에 대해 기존 유기 접착제를 대체 할 무기 접착재로의 활용가능성을 평가한 연구이다. 적정 인산염 선정에 관한 실험과 지연제로서 활용한 붕사의 첨가율에 대한 특성을 실험한 결과 적정 인산염으로 제1인산칼륨이 도출되었으며, 붕사 첨가율에 따른 특성을 측정한 결과 KS F 4923의 품질기준과 비교하여 경화수축률과 가열변화율은 품질기준을 만족하였으며, 인장강도는 붕사 첨가율 4% 이상에서 만족하는 결과가 나왔지만 접착강도의 경우 품질 기준을 충족하지 못하였다. 향후 접착강도 증진을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Epoxy resin adhesives are currently used as adhesives in buildings. Epoxy resin adhesives, which are organic materials, generate harmful substances when producing adhesives, and toxic substances are high in the residential space after installation. In addition, a large amount of carbon monoxide generated from organic materials in the case of a building fire leads to personal injury. This study evaluates the feasibility of inorganic adhesives using pure inorganic materials such as magnesia, phosphate, and borax as inorganic adhesives to replace existing organic adhesives. As a result of the experiment on the selection of adequate phosphate and the characteristics of the addition rate of borax used as a retarder, the potassium phosphate monobasic was obtained as a suitable phosphate and the characteristics according to the borax addition rate were compared with the quality standard of KS F 4923 The hardening shrinkage and heat change rate satisfied the quality standards. The tensile strength was satisfactory when the borax addition rate was 4% or more, but the adhesive strength did not meet the quality standards. Further studies are needed to improve adhesion strength.

주제어

표/그림 (18)

그림 Figure 1. Epoxy curing mechanism
표 Table 1. Quality standard of epoxy resin adhesive
그림 Figure 2. Mixing method
표 Table 2. Factors and levels of fundamental experiment
표 Table 3. Factors and levels of main experiment
그림 Figure 3. Compressive strength according to KHPO₄ addition ratio
그림 Figure 4. Compressive stength according to NH₄H₂PO₄ addition ratio
그림 Figure 5. Compressive stength according to NaH₂PO₄ addition ratio
표 Table 4. Properties of used materials
표 Table 5. Properties of phosphate
그림 Figure 6. Pot life according to phosphate types
그림 Figure 7. Hardening shapes according to phosphate types
그림 Figure 8. Adhesive strength and tensile strength according to borax addition ratio
그림 Figure 9. Rate of heat change according to borax addition ratio
그림 Figure 10. Rate of harden shrinkage according to borax addition ratio
그림 Figure 11. Pot life according to borax addition ratio
그림 Figure 12. Compressive strength according to borax addition ratio
그림 Figure 13. Flexural strength according to borax addition ratio

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 친환경적인 순수무기계 재료를 사용하면서 초속경 특성을 가진 마그네시아 인산염 접착재의 성능을 실험을 통해 측정하여 기존 유기 접착제를 대체 할 무기접착재로의 활용가능성을 평가하고자 한다.
본 실험은 기초실험을 통해 도출된 적정 인산염과 첨가율에 대한 최적의 배합에 지연제인 붕사의 첨가율에 따른 무기 접착제의 특성을 분석하기 위한 실험이다.
본 연구는 기존의 유기 접착제의 단점을 보완하기 위해 친환경적인 순수무기계 재료인 산화마그네슘, 인산염, 붕사 등을 사용하여 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응을 통해 생기는 초속경 특성을 활용한 무기 접착재 개발을 위한 연구이다.
본 연구는 순수무기계 재료인 산화마그네시아, 인산염, 붕사를 사용한 무기 접착재에 대해 기존 유기 접착제를 대체 할 활용가능성을 평가한 연구로서 적정 인산염 선정에 관한 실험과 지연제로서 활용한 붕사의 첨가율에 대한 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 순수무기계 재료인 산화마그네시아, 인산염, 붕사를 사용한 무기 접착재에 대해 기존 유기 접착제를 대체 할 무기접착재로의 활용가능성을 평가한 연구이다.
본 연구의 실험에서는 마그네시아 인산염 시멘트의 빠른 응결 특성을 활용하고자 할 때 요구되는 지연제의 첨가율에 따른 가사시간에 대한 실험을 진행하였다.

제안 방법

또한, 인산염은 제1인산암모늄, 제1인산칼륨 및 제1인산나트륨 총 3가지를 사용하였으며, 각각의 첨가율은 동일하게 20, 30, 40, 50, 60 (%)로 실험을 실시하였다.
본 실험의 수준 및 요인은 Table 3에 나타내었다. W/B를 50%로 고정하고 기초실험을 통해 도출된 적정 인산염인 제1인산칼륨의 첨가율을 50%로 고정하여 실험을 진행하였다. 마그네시아와 인산염의 산-염기반응을 통해 생기는 초속경 특성으로 적합한 작업성을 가지기 위해 지연제인 붕사를 사소마그네시아 중량 대비 4, 4.
가열변화율은 시험체에 대해 공기 중에서의 질량을 측정하고, 온도 110±3℃의 순환식 공기 건조기 중에 7일간 방치한 후 공기 중에서의 질량을 측정하여 질량 변화율을 산출했다.
경화 수축률은 5가지 수준별로 30mm 입방체 크기인 몰드로 제작한 각 각의 공시체에 대하여 측정한 액비중과 고체비중으로부터 산출하였다.
경화수축률은 크기 30mm의 입방체 몰드를 제작하여 시험하였으며, 가열변화율은 10×3×100(mm)의 시험체를 제작하여 시험을 실시하였다.
기초실험은 마그네시아 인산염을 활용한 무기 접착재에 맞는 적절한 인산염 선정을 위한 실험으로 제1인산암모늄, 제1인산칼륨, 제1인산나트륨 등 3가지 종류에 대한 실험을 진행하였다.
마그네시아 인산염 접착제의 활용성 검토를 위하여 압축강도, 가사시간, 접착강도, 경화 수축률, 인장강도, 가열변화, 포름알데히드 발생여부 실험을 실시하였다.
마그네시아와 인산염의 산-염기반응을 통해 생기는 초속경 특성으로 적합한 작업성을 가지기 위해 지연제인 붕사를 사소마그네시아 중량 대비 4, 4.5, 5(%) 씩 첨가하여 가사시간 유형별 지연제의 첨가율 실험을 진행하였다.
무기 접착재의 비빔이 끝난 후 가사시간 측정을 위해 30초 간격으로 타설 후 초결까지의 시간을 측정하였으며 압축 강도 및 휨강도를 측정하기 위해 시멘트의 강도 시험방법(KS L ISO 679)에 의거하여 40×40×160(mm)의 형태로 성형한 시험체를 1시간, 3시간, 12시간으로 나누어 기건양생을 한 후 강도를 측정하였다.
본 실험의 배합은 사소마그네시아와 인산염 그리고 붕사를 무기 접착재 제작 버켓에 재료를 투입하여 120초 동안 비빔을 진행하였다.
또한, 인산염은 제1인산암모늄, 제1인산칼륨 및 제1인산나트륨 총 3가지를 사용하였으며, 각각의 첨가율은 동일하게 20, 30, 40, 50, 60 (%)로 실험을 실시하였다. 응결 지연을 위한 붕사의 첨가율은 4%로 고정하였고 양생은 기건양생을 실시하였다.
이전의 연구를 통해 도출된 배합설계와 실험계획에 따라 제작한 시험체에 대하여 마그네시아 인산염 접착제의 활용성 검토를 위하여 콘크리트 구조물 보수용 에폭시 수지(KS F 4923)에 의거하여 접착강도, 경화 수축률, 인장강도 및 가열변화율을 측정하였으며 두 가지의 부재를 접착하는 접착제의 활용 용도에 따라 수직 응력을 받을 경우도 있기 때문에 다양한 방향에서 고려하고자 압축강도와 휨강도를 측정하였다.
이를 위한 기초연구로서 산화마그네슘의 자극제 선정을 위한 인산염의 종류는 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 제1인산칼륨(KHPO₄), 제1인산나트륨(NaH₂PO₄)으로 총 3가지를 사용하였다. 적정 자극제의 종류와 사용량 선정을 위해 가사시간, 응결특성, 압축강도 및 휨강도를 평가하였다[9].
접착강도는 2개의 모의 부재 40×40×80(mm)를 제작한 뒤 두 부재 사이를 무기접착재로 접착한 후 수중양생 후 재령 28일의 접착강도를 측정하였다.
접착제의 경화 수축률이 3%를 초과하게 되면 시공불량이 발생할 수 있기 때문에 본 실험에서 사소마그네시아의 팽창하는 성질로 인해 경화 수축율의 기준 값을 -3~3%로 설정하였다.

대상 데이터

반응성 자극제로 사용한 인산염은 제1인산암모늄, 제1인산칼륨 및 제1인산나트륨 총 3가지를 사용하였다.
실험에 시용한 재료의 특성을 Table 4, 5와 같으며, 산화마그네슘은 순도 98% 이상의 사소마그네시아를 사용하였다. 산화마그네슘의 밀도는 3.
42g/cm³이며 비표면적은 3,539cm²/g이다. 응결지연제로써 사용한 붕사는 밀도1.73g/cm³, 순도 99.9% 이상인 것이다. 반응성 자극제로 사용한 인산염은 제1인산암모늄, 제1인산칼륨 및 제1인산나트륨 총 3가지를 사용하였다.
이를 위한 기초연구로서 산화마그네슘의 자극제 선정을 위한 인산염의 종류는 제1인산암모늄(NH4H2PO4), 제1인산칼륨(KHPO4), 제1인산나트륨(NaH2PO4)으로 총 3가지를 사용하였다.

이론/모형

가열변화율, 접착강도, 경화수축률 및 인장강도는 콘크리트 구조물 보수용 에폭시 수지(KS F 4923)에 따랐으며, 인장강도의 경우 KS M ISO 527-1에 의거한 몰드로 성형하여 기건양생 후 재령 7일에 측정하였다.
액비중은 'KS M3705'의 비중컵 법에 따르고, 고체비중은 'KS M3016'의 A법(수중치환법에 따른 측정 방법)에 따라 측정하였다.
접착강도 및 인장강도의 측정은 콘크리트 구조물 보수용 에폭시 수지(KS F 4923)에 의거하여 진행하였으며 접착강도 측정을 위한 시험체는 표준상태에서 7일간 양생 후 강도를 측정하였다.

성능/효과

1) 인산염별 압축강도를 측정한 결과 제1인산칼륨이 제1인산암모늄과 제1인산나트륨에 비해 높은 강도발현을 나타내었다. 가사시간은 제1인산칼륨이 가장 높은 가사시간을 나타내었으며 제1인산암모늄의 경우 제1인산칼륨에 비하여 급격한 속경성을 보였다.
2) 붕사의 첨가율별 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과 붕사의 첨가율이 증가할수록 강도가 저하하는 경향을 나타내었다.
3) 붕사의 첨가율이 증가할수록 인장강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 첨가율 3.
4) 붕사의 첨가율이 증가할수록 접착강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 접착강도는 5가지 수준 모두 'KS F4923'의 품질기준인 3MPa를 충족하지 못하였다.
40% 이상의 첨가율에서는 첨가율이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었으며 매우 빠른 속경성을 나타내어 첨가율 60%는 시험체의 제작이 불가하였다.
5) 가열변화율은 5가지 수준 모두 유사한 값으로 측정되었으며. ‘KS F 4923’의 품질기준인 5%이하의 값에 만족하는 것으로 나타났다.
5가지 수준 모두 설정한 경화 수출률의 기준 값을 충족하며 붕사의 첨가율이 증가함에 따라 경화 수축률이 0에 가까워지는 경향을 나타내었다. 이는 붕사의 첨가율이 증가하면서 단시간에 높은 열이 발생하지 않고 서서히 반응하여 경화가 이루어지기 때문에 붕사의 첨가율이 증가할수록 반응이 지연되어 경화 수축률이 0에 가까워지는 것으로 판단된다.
6) 경화수축률은 5가지 수준 모두 설정한 경화 수축률의 기준 값을 충족하며 붕사의 첨가율이 증가함에 따라 경화수축률이 0에 가까워지는 경향을 나타내었다.
7) 가사시간은 붕사의 첨가율이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.
기초실험은 사소마그네시아를 기반으로 적정 인산염을 선정하기 위한 실험으로 제1인산암모늄, 제1인산칼륨, 제1인산나트륨 총 3가지에 대한 인산염을 첨가한 결과, 제1인산칼륨은 3가지 인산염 중 강도 발현이 높으며 경화시 안정적인 상태를 보였다.
따라서 시간이 지남에 따라 붕사 첨가율 5%의 압축강도 및 휨강도는 첨가율 3%와 비슷한 강도를 나타낼 것으로 판단된다.
붕사 첨가율 3%의 접착강도 1.24MPa에 대한 첨가율 5%의 접착강도 비는 88%이며 인장강도의 경우 붕사 첨가율 3%에 대한 첨가율 5%의 인장강도 비는 127%로 측정되었다.
압축강도와 휨강도 모두 붕사의 첨가율이 증가할수록 강도가 저하하는 경향을 나타내었다. 첨가되는 붕사의 B₄O₇^2-이온이 MgO입자의 표면에 흡착되면서 마그네시아붕산염 성분의 층이 형성되어 인산염과 산화마그네슘의 접촉을 방해하여 지연효과를 얻는다.
인장강도의 경우 붕사 첨가율 4%이상의 시험체는 크리트 구조물 보수용 에폭시 수지(KS F 4923)의 품질 기준인 1MPa에 충족하는 강도를 가지지만 첨가율 3.5%이하의 시험체는 기준 강도인 1MPa에 충족되지 못하는 강도를 나타내었다.
적정 인산염 선정에 관한 실험과 지연제로서 활용한 붕사의 첨가율에 대한 특성을 실험한 결과 적정 인산염으로 제1인산칼륨이 도출되었으며, 붕사 첨가율에 따른 특성을 측정한 결과 KS F 4923의 품질기준과 비교하여 경화수축률과 가열변화율은 품질기준을 만족하였으며, 인장강도는 붕사 첨가율 4% 이상에서 만족하는 결과가 나왔지만 접착강도의 경우 품질 기준을 충족하지 못하였다.
지연제인 붕사의 첨가율이 증가할수록 가사시간은 증가하는 경향으로 나타났으며, 붕사의 첨가율이 0.5%씩 증가할 때마다 가사시간 증가 폭이 더 커지는 현상을 보였다.

후속연구

본 실험은 가사시간 유형별 무기 접착제의 특성을 측정하여 유기 접착제를 대체할 무기 접착재의 활용 가능성을 평가하는 실험으로서, 접착강도와 인장강도의 측정 결과에 따르면 유기 접착제의 품질 기준을 충족하기 위해서는 강도증진에 대한 다양한 연구가 필요할 것으로 본다.
마그네시아-인산염 시멘트는 순수 무기계로 구성되어 있고, 산-염기반응으로 초속경의 특성을 가지며, 시멘트의 수산화칼슘과 인산염의 반응으로 시멘트 콘크리트와의 부착성능이 우수하여 국내 및 국외에서는 이를 도로 응급 보수재로 활용한 연구[3-9]가 많이 진행되었다. 이러한 특징을 가진 마그네시아-인산염 시멘트를 활용하여 기존 에폭시 충전 접착제의 기능을 대체할 수 있을 것으로 본다. 이에 본 연구는 친환경적인 순수무기계 재료를 사용하면서 초속경 특성을 가진 마그네시아 인산염 접착재의 성능을 실험을 통해 측정하여 기존 유기 접착제를 대체 할 무기접착재로의 활용가능성을 평가하고자 한다.
적정 인산염 선정에 관한 실험과 지연제로서 활용한 붕사의 첨가율에 대한 특성을 실험한 결과 적정 인산염으로 제1인산칼륨이 도출되었으며, 붕사 첨가율에 따른 특성을 측정한 결과 KS F 4923의 품질기준과 비교하여 경화수축률과 가열변화율은 품질기준을 만족하였으며, 인장강도는 붕사 첨가율 4% 이상에서 만족하는 결과가 나왔지만 접착강도의 경우 품질 기준을 충족하지 못하였다. 향후 접착강도 증진을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네시아-인산염 시멘트의 특징은?	마그네시아-인산염 시멘트는 순수 무기계로 구성되어 있고, 산-염기반응으로 초속경의 특성을 가지며, 시멘트의 수산화칼슘과 인산염의 반응으로 시멘트 콘크리트와의 부착성능이 우수하여 국내 및 국외에서는 이를 도로 응급 보수재로 활용한 연구[3-9]가 많이 진행되었다. 이러한 특징을 가진 마그네시아-인산염 시멘트를 활용하여 기존 에폭시 충전 접착제의 기능을 대체할 수 있을 것으로 본다.
	범용 접착제의 수요처 다각화와 대체 시장 발굴 등 시장 축소 대응 전략이 필요한 이유는?	범용인 초산비닐, 에폭시 및 합성고무 접착제는 건설, 섬유 등 전방산업의 성장 둔화에 따라 수요 감소가 불가피한 것으로 예상된다. 따라서 범용 접착제는 수요처 다각화와 대체 시장 발굴 등 시장 축소 대응 전략이 필요하다.
	현재 건축물에 사용되는 접착제는?	현재 건축물에 사용되는 접착제는 주로 유기질 재료인 에폭시 수지 접착제가 사용되고 있다. 유기질 재료인 에폭시 수지 접착제는 유기성 물질로 접착제 생산 시 유해물질이 발생하며, 시공 후에도 유해물질이 실내거주공간에서 높게 나타난다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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