초록 ▼

1. 최종목표
- 각 단량체(melamine, formaldehyde, sodium metabisulfite, sulfanilic acid 등)의 몰비에 따른 다양한 조건에서의 합성 및 특성 평가
- 각 중합 공정의 안정화[수산화 메틸화 반응(hydroxymethylation)-술폰화 반응(sulfonation)-중합(polymerization)-중화 및 안정화(neutralization and stabilization)
- 망목상의 고분자 구조에 의한 입체적 반발력(steric repulsion)과 술폰산기(

1. 최종목표
- 각 단량체(melamine, formaldehyde, sodium metabisulfite, sulfanilic acid 등)의 몰비에 따른 다양한 조건에서의 합성 및 특성 평가
- 각 중합 공정의 안정화[수산화 메틸화 반응(hydroxymethylation)-술폰화 반응(sulfonation)-중합(polymerization)-중화 및 안정화(neutralization and stabilization)
- 망목상의 고분자 구조에 의한 입체적 반발력(steric repulsion)과 술폰산기(${SO_4}^{2-}$)의 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 동시에 가지는 고기능성 시멘트 분산제의 합성
2. 개발내용 및 결과
기존의 MSF계 고유동화제의 중합 방법으로는 중합 단계에서 가교제로 sulfuric acid(U. S Patent 3,985,696, 1976.)를 사용하므로 반응 종결 후 CaO를 사용하여 잔류하는 술폰산기의 제거 공정을 필요로 하며, 또한 고가의 술파닐릭산(sulfanilic acid)(U. S Patent 6,214,965, 2001)를 사용한 경우 경제적 부담이 크므로 기술 개발 및 적용 또한 미비한 실정이다. 따라서, 본 기술개발에서는 반응 온도, 시간, 중합 촉매의 양 및 중합 단계에서의 pH를 조절하여 step polymerization 반응의 단점인 반응 중 급격한 분자량 상승에 따른 겔화(gelation)를 방지하고, 기존의 공정 중 잔류하는 술폰산기의 제거 공정을 필요치 않고, 새로운 산 촉매인 p-toluene sulfonic acid 및 acetic acid를 사용하여 중합 공정의 안정화, 생산 원가 절감 및 합성 제품의 우수화를 유도할 수 있었다.
3. 사업성과
${\bigcirc}$ 기술적 성과
본 연구 개발을 통한 MSF계 고유동화제의 단계별 최적 합성조건은 다음과 같다.
Step 1 : Hydroxymethylation
- 포름알데하이드(F)/멜라민(M) = (4.0 ~ 4.5) , - 반응 온도 : 50 $^{\circ}C$, - pH : 11.0
Step 2 : Sulfonation
- sodium metabisulfite(S)/멜라민(M) = (0.5 ~ 0.6), - 반응 온도 : 85 $^{\circ}C$, - pH : 11.0
Step 3 : Polymerization
- Acid catalyst : p-toluene sulfonic acid, acetic acid, - 반응 온도 : 85 $^{\circ}C$, - pH : 4.0
Step 4 : Neutralization and Stabilization
- pH : (8.5 ~ 11.0)
${\bigcirc}$ 경제적 성과
구조물의 대형화 및 고층화에 따른 고강도 콘크리트가 필요함에 따라 폴리카르복실레이트계(PC계)를 적용하여 콘크리트의 물리적 특성 및 작업성을 개선시키고자 하였다. 하지만, PC계 고유동화제의 경우 원재료의 가격 상승(약 1 600원/kg ~ 2 300원/kg)과 강력한 분산기에 의한 보통 콘크리트 적용에 따른 재료 분리 및 급심한 블리딩 발생으로 콘크리트 배합의 수정을 필요로 하였다. 현재 많이 사용되는 PNS계(450원/kg)의 경우 등방성 구조에 의한 초기 콘크리트에 대한 강력한 분산력을 발휘하지만, 시간이 지남에 따른 급격한 유동성 손실을 가져오는 단점이 있다. 따라서, 본 기술 개발에서는 SMF계 고유동화제를 합성하여 굳지 않은 콘크리트의 품질 개선 및 열악한 골재 상황에 따른 블리딩 현상의 심화 등의 단점을 보완하여 workability를 향상시키며, 품질 경쟁력 및 가격 경쟁력(420원/kg)을 가지는 MSF계 고유동화제를 p-톨루엔 술포닉산(p-toluenesulfonic acid)과 아세트산(acetic acid)을 산촉매로 하여 안정한 방법으로 합성을 하였다.
${\bigcirc}$ 활용성과 등
합성된 MSF계 고유동화제는 기존의 술파닐릭산(sulfanilic acid)보다 균일한 분자량의 고분자를 합성할 수 있었고, 콘크리트에 적용 시 물리적 특성 또한 향상된 결과를 보여 품질 및 가격적인 측면에서도 우수한 경쟁력을 가진 제품을 개발하게 되었다. 또한, 콘크리트 2차제품(벤치플룸, 맨홀 등)에 적용 시 제품 표면의 기포 발생 억제 및 우수한 작업성을 확보하여 생산성을 증대시켰다. 또한 망목상 구조에 따른 콘크리트 내부의 균일한 기포 형성으로 동결융해에 대한 저항성 또한 우수하여 고내구성의 콘크리트 제조를 가능하게 하였다.
4. 향후추진계획
열악해져가는 골재 환경에 따른 자연사의 고갈로 인한 부순 모래 사용량 증대에 따른 콘크리트의 작업성 불량 및 블리딩 수 과다 발생, 건조 수축 및 자기 수축에 의한 콘크리트의 제2, 제3의 문제점을 해결하고자 한다. 그리고, 합성된 liquid상을 powder화 공정을 거친 후 국내 바닥재(건조 시멘트 모르타르, 그라우트제 등) 시장에 적용하여 균열 발생의 문제점을 해결하고, 해외 시장에 고유동화제로 수출을 하고자 한다.

목차 Contents

• 사업비사용실적보고서...1
• I. 조성 금액...1
• II. 과제개발비 집행내역...1
• 개발결과의견서...5
• 별첨...7
• 최종보고요약서(초록)...10
• 목차...12
• 제 1 장 서 론...16
• 제 1 절 이론적 배경...16
• 제 2 절 콘크리트용 화학 혼화제...18
• 2.1 역사...18
• 2.2 콘크리트용 화학 혼화제의 분류 및 작용...18
• 2.2.1 콘크리트용 화학 혼화제의 분류...18
• 2.2.2 콘크리트용 화학 혼화제의 작용...19
• 2.3 화학 혼화제의 특징...21
• 2.3.1 개요...21
• 2.3.2 종류 및 특징...22
• 2.3.3 고성능 AE감수제의 작용 기구...25
• 2.4 콘크리트용 화학 혼화제의 흡착 기구...27
• 2.5 콘크리트용 화학 혼화제의 분산 이론 및 기구...29
• 2.5.1 DLVO 이론에 의한 정전기적 반발력...29
• 2.5.2 입체 상호 작용에 의한 반발력...31
• 2.5.3 공핍 효과(depletion effect)...33
• 2.5.4 마찰 효과(tribology effect)...34
• 2.6 시멘트 클링커의 수화 반응 및 응결...35
• 2.6.1 Calcium Silicate의 수화반응...35
• 2.6.2 Calcium Aluminate의 수화반응...37
• 2.6.3 Ferrite 상의 수화 반응...39
• 2.7 시멘트 페이스트의 수화 반응 및 응결...39
• 2.7.1 초기 수화 반응...39
• 2.7.2 중기 수화 반응...39
• 2.7.3 후기 수화 반응...39
• 2.7.4 시멘트 수화반응에 미치는 고유동화제의 영향...40
• 제 3 절 고분자 합성...41
• 3.1 단계 성장 중합...41
• 3.2 단계 성장 중합의 분자량...41
• 3.3 단계 성장 중합의 속도론...42
• 제 2 장 과제개발 내용 및 방법...44
• 제 1 절 원재료...44
• 1.1 고분자 합성용 단량체...44
• 1.2 시멘트...44
• 1.3 골재...44
• 제 2 절 실험...45
• 2.1 MSF계 고유동화제의 합성...45
• 2.2 구조 분석...45
• 2.3 분자량 측정...45
• 2.4 전환율 측정...46
• 2.5 점도 및 비중 측정...47
• 2.6 시멘트 페이스트의 미니 슬럼프(mini-slump) 및 슬럼프 로스(slump loss) 측정...48
• 2.7 블리딩 율(Bleeding rate)...49
• 2.8 시멘트 페이스트 응결시간...49
• 2.9 기공율 및 기공크기 분포...49
• 2.10 SEM 이미지...50
• 2.11 모르타르 압축강도...50
• 2.12 콘크리트 시험...50
• 제 3 절 실험 결과...51
• 3.1 MSF계 고유동화제의 합성...51
• 3.1.1 수산화 메틸화 반응(Hydroxymethylation)...51
• 3.1.2 황산화 반응(Sulfonation)...52
• 3.1.3 중합 반응(Polymerization)...53
• 3.2 구조 분석...54
• 3.3 MSF계 고유동화제의 점도 및 전환율...57
• 3.4 MSF계 고유동화제의 분자량...60
• 3.5 MSF계 고유동화제를 사용한 시멘트 페이스트의 슬럼프 플로...63
• 3.6 시멘트 페이스트 및 모르타르에 대한 물리적 특성...67
• 3.6.1 슬럼프 및 슬럼프 로스 측정...67
• 3.6.2 시멘트 페이스트의 응결시간...70
• 3.6.3 시멘트 페이스트의 기공율 및 기공크기 분포...71
• 3.6.4 시멘트 페이스트의 SEM 이미지...72
• 3.6.5 블리딩 율...74
• 3.6.6 모르타르 압축강도...75
• 3.7 Scale-up 합성...76
• 3.7.1 최적 합성조건...76
• 3.7.2 Scale-up 합성된 고유동화제의 물리적 특성...77
• 3.8 콘크리트 적용 시험...79
• 3.8.1 보통 콘크리트...79
• 3.8.2 경화되지 않은 콘크리트의 특성...79
• 3.8.3 경화된 콘크리트의 특성...81
• 3.8.4 최종 합성된 MSF계 고유동화제의 시험 결과...82
• 제 3 장 사업 성과...83
• 제 1 절 기술적 성과...83
• 1.1 MSF계 고유동화제의 합성...83
• 1.1.1 최적의 합성조건 확립...83
• 1.1.2 MSF계 고유동화제의 물리적 특성 향상...83
• 제 2 절 경제적 성과...85
• 제 3 절 기타 성과...87
• 제 4 장 결론...88
• 제 1 절 MSF계 고유동화제의 합성 조건...88
• 제 2 절 콘크리트의 품질 향상...90
• 제 3 절 향후 계획...91
• 참고 문헌...93
• 부 록 1. 2008년 봄 학술발표회 논문...95