[논문]시멘트 페이스트 및 지오폴리머 내의 PLA 섬유의 용해성 평가

김주형; 권성준

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.204

시멘트 페이스트 및 지오폴리머 내의 PLA 섬유의 용해성 평가
Evaluation of PLA Fiber Dissolution in Cement Paste and Geopolymer 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.204 - 211

김주형 (한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터) , 권성준 (한남대학교 토목환경공학과)

초록
AI-Helper

PLA(Poly-Lactic Acid)섬유는 친환경소재이며 자연분해가 되므로 건설재료에 사용할 경우 내부 공극연결구조를 가진 다공성 재료의 제조가 가능하다. 본 연구에서는 국내에서 생산된 PLA 섬유(직경 0.5mm, 1.0mm, 길이 10mm)를 대상으로 강알칼리와 고온에서의 용해실험을 수행하였으며, 이를 이용하여 FA기반 지오폴리머에 활용하였다. 고온양생과 강알칼리 용액을 통하여 강도는 확보하였으나, 완전한 PLA 섬유의 용해을 확보하지 못하였다. 기존의 연구인 0.003mm의 직경에서는 완전히 용해하였으나 0.5mm는 약 42.5%, 1.0mm는 약 33.3%의 용해율을 가지고 있는 것으로 평가되었다. 또한 섬유의 체적이 커짐에 따라 양생시 부유하는 섬유가 발생하여 작업성과 용해에 부정적인 영향을 나타내었다. PLA 특성은 생산하는 원재료와 생산조건에 따라 달라질 수 있으나, 다공성 건설 자재로서 사용하기 위해서는 0.1mm 내외의 PLA 섬유의 사용이 바람직하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Poly-Lactic Acid(PLA) fiber is an eco-friendly material and is biodegradable, so it can be utilized for manufacturing porous construction materia ls with interna l pore connection. In this study, domestic PLA fiber products(0.5mm india meter, 1.0mm in length, 10mm in length) were tested for melting at high temperatures and high alkality, and they were incorporated with FA-based geopolymer. Compressive strength was obtained through high temperature curing and alkali activator, however the complete melting of the PLA fiber was not ensured. The previous study handling PLA fiber with 0.003mm in diameter was completely dissolved, but 0.5mm and 1.0mm in diameter showed 42.5% and 33.3% of dissolution ratio, respectively. In addition, the increasing fiber volume led floating fibers during curing, which had a negative effect on its workability and solubility. Although the properties of PLA fiber may vary depending on the raw materials and production conditions, PLA fiber with 0.1mm or less diameter is recommended for porous construction material.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Hazardous dust and ozone concentration with time(OECD 2016)
표 Table 1. Chemical composition of OPC
표 Table 2. Chemical compositions of FA
그림 Fig. 2. Chemical chain of hydrolysis of PLA fiber [4]
그림 Fig. 3. SEM image of PLA fiber with different diameter
그림 Fig. 4. TGA results of PLA fiber with different diameter
표 Table 3. Preliminary test conditions for solubility
그림 Fig. 5. Photos for test composites after curing
그림 Fig. 6. Photo for dissolution for 90℃ temperature
그림 Fig. 7. Photo for dissolution for 60℃ temperature
표 Table 4. Mix proportions for PLA-geoplymer
그림 Fig. 8. Floating and deformed fibers in the paste with PLA
그림 Fig. 9. Compressive strength results for OPC and FA geopolmer with PLA
그림 Fig. 10. Flexural crack pattern of FA geoplomer with PLA
그림 Fig. 11. Photos of the residual PLA fibers after curing
그림 Fig. 12. Diamerter measurement results for PLA fiber after curing
그림 Fig. 13. Dissolution ratio of PLA fiber with diameter
표 Table 5. Reduction ratio of PLA fiber with different diameters

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

국내 실험실 수준에서 생산되는 0.5mm 및 1.0mm의 PLA 섬유를 대상으로 건설자재 활용 다공성 지오폴리머를 제조하기 위한 기본적인 연구를 수행하였으며, 이를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 플라이애시 기반 지오폴리머를 사용하여 시멘트 제조시의 탄소량을 제어하고 여기에 혼입된 PLA의 용해 특성 및 공학적 특성을 평가하도록 한다. 기존의 연구(Kwon et al.
0mm를 적용하였다. 이러한 연구는 최종적으로 미세먼지 흡착 뿐 아니라 이를 공극 내부에 보유하기 위한 공학적 제한사항을 제시할 수 있다. Fig.

제안 방법

PLA를 혼입한 OPC 및 지오폴리머 페이스트를 제작하기 위해 지난 일반 시멘트 배합(w/c: 0.35)과 FA 기반 지오폴리머 페이스트의 4가지 배합을 고려하였다. PLA 직경은 0.
기초분해 시험에서는 직경 0.5mm와 1.0mm PLA 섬유 10g을 대상으로 NaOH 농도를 0.0~12.0mol로 고려하여 용해성을 평가 하였다. 온도는 60℃ 및 90℃의 2가지로 고려하였으며, 존치시간 은 24시간으로 고정하였다.
본 실험은 고온과 강알칼리 용액에서의 PLA 용해도를 평가하는 선행연구와 OPC(Ordinary Portland Cement) 페이스트와 플라이애쉬 지오폴리머를 고려한 본 실험을 분류하여 실험을 수행하였다. 사용된 1종 OPC 및 FA의 화학조성은 Table 1 및 Table 2와 같다.
시험체에 대해 압축강도 시험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 배합 후 증기양생에 따라 28일 강도가 기준 강도의 90% 이상이 1일 재령에서 발현하고 있으며, 재령에 따라 조금 씩 증가하는 것을 확인하였다.
0mm 사용하였으며, 길이는 10mm를 적용하였다. 양생온도는 온도 90℃, 습도 95% 이상으로 증기양생을 실시하였으며, 양생시간은 충분한 양생을 위해 12시간으로 하였다. Table 4에서는 PLA 지오폴리머 제작을 위한 배합표를 나타내었으며, Fig.
0mol로 고려하여 용해성을 평가 하였다. 온도는 60℃ 및 90℃의 2가지로 고려하였으며, 존치시간 은 24시간으로 고정하였다. Table 3에서는 실험에 따른 조건을 나타내고 있다.
(2011)은 플라이애시 기반 지오폴리머와 PLA 섬유를 이용하여, 직경 및 혼입률에 따른 내부 모세관 공극의 관계를 제시하였다. 이 연구에서는 다양한 양생조건와 SiO₂/Al₂O₃ molar ratio, Na₂O/Al₂O₃ molar ratio를 고려한 투수성 시험을 수행하였으며, 투수성능 및 투기 성능이 우수한 PLA 기반 지오폴리머를 제조하기도 하였다. FA 기반 지오폴리머와 PLA 섬유를 고려한 건설 부재 생산은 몇 가지 장점이 있는데, OPC를 대체함으로서 탄소저감에 효과적이고(Kwon 2016; Lee et al.
5에서는 양생 후 시험체 전경을 나타내었다. 페이스트의 강도 변화, 용해전후의 직경변화, 작업에 따른 특성이 분석되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 플라이애시 기반 지오폴리머를 사용하여 시멘트 제조시의 탄소량을 제어하고 여기에 혼입된 PLA의 용해 특성 및 공학적 특성을 평가하도록 한다. 기존의 연구(Kwon et al. 2019)에서는 0.0015~0.003mm 수준의 매우 직경이 작은 PLA 섬유를 사용하였으나 본 연구에서는 대단위 흡착 및 저장을 위해 길이 10mm, 직경 0.5mm와 1.0mm를 적용하였다. 이러한 연구는 최종적으로 미세먼지 흡착 뿐 아니라 이를 공극 내부에 보유하기 위한 공학적 제한사항을 제시할 수 있다.
생분해성 고분자인 PLA 섬유는 국내에서 생산된 제품을 사용 하였는데, 직경 0.5mm, 1.0mm의 PLA를 생산하였으며, PLA 길이 에 따른 영향을 검토하기 위해 5mm, 10mm, 15mm, 20mm로 커팅 하여 재료를 수급하였다. 비중은 1.

성능/효과

Fig. 12(a)는 직경 0.5mm PLA에 대한 측정 결과로 양생 후 0.45mm ~ 0.47mm로의 직경 변화가 발생하였으며, 양생전 평균 직경이 0.62mm를 고려하면 약 0.15mm ~ 0.17mm의 차이가 발생하였다. 또한 Fig.
1) PLA 섬유는 직경에 상관없이 NaOH를 넣지 않은 용액(Water)에 서는 60℃ 및 90℃ 온도 조건에서 완전히 녹지 않았으나, NaOH 넣은 조건에서는 완전히 녹는 것을 확인하였다. 이는 강알칼리조건이 온도 조건보다 선행되어야 함을 알 수 있으며, 상대적으로 큰 직경 0.
2) 연구에 사용된 PLA 직경의 크기가 증가함에 따라 PLA 자체 부력이 증가하는 원인으로 인해 페이스트 표면에 위치하며 온도에 의해 변형이 됨을 알 수 있다. 압축강도의 경우, 기존의 연구와 다르게 7일 강도 기준으로 다소 증가하는 것으로 나타 났는데 이는 PLA 직경이 증가함에 따라 페이스트 내부에서 용해가 되지 않고 섬유보강 형태의 기능을 발휘함에 따른 것으로 판단된다.
3) 직경 0.5mm PLA에 대한 측정 결과로 양생 후 0.15mm ~ 0.17mm의 감소가, 직경 1.0mm PLA에 대해서는 0.22mm ~ 0.25mm의 감소가 발생하였다. 적용된 PLA는 직경 대비 0.
PLA 페이스트 배합에 적용한 결과, 페이스트 배합별로 차이는 있으나 일부 배합에서 PLA가 페이스트 표면으로 부유하는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 연구(Kwon et al.
9에 나타내었다. 배합 후 증기양생에 따라 28일 강도가 기준 강도의 90% 이상이 1일 재령에서 발현하고 있으며, 재령에 따라 조금 씩 증가하는 것을 확인하였다. 기존의 연구(Kwon et al.
0mm의 PLA를 생산하였으며, PLA 길이 에 따른 영향을 검토하기 위해 5mm, 10mm, 15mm, 20mm로 커팅 하여 재료를 수급하였다. 비중은 1.659~1.678g/cm³ 로 평가되었 으며, SEM 분석을 통해 실제 직경을 분석한 결과, 직경 0.5mm는 0.62mm, 직경 1.0mm는 1.2mm로 평가되어 실제 생산되는 환경에서 압출 후 약간의 팽창이 일어나는 것으로 판단된다. 생산된 PLA 의 색깔은 투명하고 열분석 시험 결과 용융온도는 직경 0.
2mm로 평가되어 실제 생산되는 환경에서 압출 후 약간의 팽창이 일어나는 것으로 판단된다. 생산된 PLA 의 색깔은 투명하고 열분석 시험 결과 용융온도는 직경 0.5mm에 서는 175.5℃, 직경 1.0mm에서는 175.9℃로 평가되었다.
실험결과로부터 PLA 밀도 및 직경의 영향에 따라 용해되는 범위는 달라지는 것으로 판단되지만, 건축 및 건설자재의 다공성 재료로 사용하기 위해서는 0.1mm 내외의 PLA를 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 기존의 연구에서는 PLA 섬유의 직경이 0.
육안으로 확인한 결과, 90℃ 온도 조건에서 NaOH를 넣지 않은 0.0 몰 조건(Water: PLA-1, -5, -9, -13)에서는 유리 전이도, 즉 형태가 변형되는 현상이 발생하였으나, 완전히 녹지 않은 것으로 확인되었다. 이는 용융점이 열분석 결과 170℃ 이상임을 고려할 때, 지오폴리머 양생 및 2차 제품에 적용하기 위한 온도 조건에서 는 순수 양생온도에 의한 PLA 적용은 어려울 것으로 판단된다.
25mm의 감소가 발생하였다. 적용된 PLA는 직경 대비 0.5mm 는 약 42.5%, 1.0mm는 약 33.3%의 용해율을 가지고 있는 것으로 나타났다. PLA를 생산하는 원재료와 생산조건에 따라 달라질 수 있으나, 건설자재로서 사용하기 위해서는 0.

후속연구

3%의 용해율을 가지고 있는 것으로 나타났다. PLA를 생산하는 원재료와 생산조건에 따라 달라질 수 있으나, 건설자재로서 사용하기 위해서는 0.1mm 내외의 PLA 섬유의 사용이 바람직하며, 다양한 직경 및 물성을 가진 PLA 섬유의 적용성 평가가 추가적으로 필요하다.

참고문헌 (14)

Bakharev, T. (2005). Geopolymeric materials prepared using Class F fly ash and elevated temperature curing, Cement and Concrete Research, 35(6), 1224-1232.

상세보기
Choe, J.I., Lee, Y.S. (2015). A study on the impact of PM 2.5 emissions on respiratory diseases, Journal of the Korea Environment Institute, 23(4), 155-172.
Hardjito, D., Wallah, S.E., Sumajouw, D.M., Rangan, B.V. (2004). On the development of fly ash-based geopolymer concrete, Materials Journal, 101(6), 467-472.

상세보기
Kovalchuk, G., Ferndez-Jimez, A., Palomo, A. (2007). Alkaliactivated fly ash : Effect of thermal curing conditions on mechanical and microstructural development - Part II, Fuel, 86(3), 315-322.

상세보기
Kwon, S.J. (2016). Effect of mineral admixture on $CO_2$ emissions and absorption in relation to service life and varying $CO_2$ concentrations, International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, 7(3-4), 1-9.
Kwon, S.J., Hwang, S.H., Cho, Y.K., Kim, T.S., Moon, E.J. (2019). Characteristic evaluation of FA-based geopolymer with PLA fiber, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 7(3), 187-193.
Lee, J.W., Choi, J.P., Kang, J.K., Kim, D.E., Yoo, S.W. (2017). A study on biomimicry methods for reducing fine dust in buildings, Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design, 33(1), 11-20.
Lee, S.H., Park, W.J., Lee, H.S. (2013). Lifecycle $CO_2$ assessment method for concrete using $CO_2$ balance and suggestion to decrease $LCCO_2$ of concrete in South-Korean apartment, Energy and Buildings, 58, 93-102.

상세보기
Lloyd, N., Rangan, V. (2010). Geopolymer concrete with fly ash, In Proceedings of the Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, UWM Center for By-Products Utilization, 1493-1504.
Ma, Y., Hu, J., Ye, G. (2013). The pore structure and permeability of alkali activated fly ash, Fuel, 104, 771-780.

상세보기
OECD POLICY HIGHLIGHTS The economic consequences of outdoor air pollution (2016). https://www.oecd.org/environment/indicators-modelling-outlooks/Policy-Highlights-Economicconsequences-of-outdoor-air-pollution-web.pdf
Okada, K., Imase, A., Isobe, T., Nakajima, A. (2011). Capillary rise properties of porous geopolymers prepared by an extrusion method using polylactic acid (PLA) fibers as the pore formers, Journal of the European Ceramic Society, 31(4), 461-467.

상세보기
Olivia, M., Nikraz, H. (2012). Properties of fly ash geopolymer concrete designed by Taguchi method, Materials & Design (1980-2015), 36, 191-198.
Rasoulia, H.R., Golestani-fard, F., Mirhabibia, A.R., Nasab, G.M., Mackenzie, K.J.D., Shahraki, M.H. (2015). Fabrication and properties of micro porous metakaolin-based geopolymer bodies with poly lactic acid(PLA) fibers as pore generators, Ceramics International, 41(6), 7872-7880.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증