KR102130741B1 - 폴리우레아 코팅을 위한 유무기 하이브리드 콘크리트 표면처리 조성물 및 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 표면 처리 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 조성물은 유기재료와 무기재료가 복합된 것으로서, 콘크리트 표면에 도포되어 프라이머층을 형성한다. 프라이머층 위에 폴리우레아 도막을 형성하게 된다. 본 발명에서는 알콕시실릴기가 도입된 수분산 폴리우레탄을 사용함으로써 유기재료와 무기재료가 일체화될 수 있으며, 더 나아가 무기재료인 콘크리트층 및 유기재료인 폴리우레아층과의 부착강도가 모두 향상되는 이점이 있다.

Description

폴리우레아 코팅을 위한 유무기 하이브리드 콘크리트 표면처리 조성물 및 표면처리 방법{ORGANIC AND INORGANIC COMPLEX COMPOSITION FOR CONCRETE SURFACE TREATMENT FOR POLYUREA COATING AND METHOD OF SURFACE TREATMENT USING THE SAME}

본 발명은 콘크리트 방수 코팅 기술에 관한 것으로서, 특히 폴리우레아를 코팅할 때 콘크리트의 표면을 개질하기 위한 기술에 관한 것이다.

폴리우레아(polyurea)는 인장강도와 신장률이 우수할 뿐만 아니라 내화학성 및 내구성 역시 뛰어나고, 건축 구조물 바닥 코팅제, 산업용 코팅제, 선박의 코팅제 등으로 널리 사용되고 있다.

시공의 측면에서, 폴리우레아는 폴리우레탄이나 에폭시와 달리 소수성을 띠기 때문에 코팅 대상물의 표면에 습기가 있어도 대상물의 표면에 직접 분사하여 코팅을 할 수 있으며, 경화속도도 빨라 공기단축에도 유리하다. 또한 대상물의 표면의 온도가 낮더라도 코팅에 지장이 없으며, 열에도 매우 강하기 때문에 적용 범위가 점점 넓어지고 있다.

그러나 폴리우레아를 콘크리트 표면에 직접 도포할 경우에는 콘크리트 표면 상태에 따라서 이른바 '핀홀(pin-hole)' 현상과 '부풀음' 현상이 발생되는 문제점이 있다. 핀홀 및 부풀음 현상이 발생하면 콘크리트 표면이 매끄럽지 않게 되므로 미려한 표면 마감이 어려워진다.

이러한 현상은 폴리우레아의 빠른 반응성에 의한 발열과, 폴리우레아 단량체 성분인 이소시아네이트와 수분의 반응에 의해서 야기되는 것이다. 이를 해결하기 위해 우레탄, 에폭시, 폴리머 시트 등의 바탕조정제를 콘크리트 표면에 도포한 후, 그 위에 다시 폴리우레아를 도포하는 방법이 사용된다.

그러나 상기한 방법의 콘크리트 표면처리 역시 많은 문제점이 있다. 예컨대 우레탄 소재를 사용하면 콘크리트-우레탄-폴리우레아 층이 순차적으로 형성되는데 부착강도가 약한 우레탄 층이 박리되는 현상이 발생한다. 또한 에폭시는 폴리우레아와 성격이 완전히 다른 소재로서 폴리우레아가 잘 부착되지 않기 때문에 폴리우레아층이 쉽게 벗겨진다. 폴리머 시트로 콘크리트 표면 처리할 경우는 폴리머 시트간에 이음새 부분에 문제가 발생하고 경제적인 시공도 어렵다.

대한민국 공개특허 제2006-0014901호는 폴리우레아를 방수코팅제로 코팅하기 전에 바탕조정제로 폴리우레탄을 도포함으로써, 상부에 시공되는 폴리우레아가 핀홀 없이 평탄하고 균일하게 도포될 수 있게 하는 방법을 제시한다. 그러나 에폭시나 폴리우레탄은 경화시간이 2~3일 정도 소요되며, 온도나 습기에 도 취약할 뿐만 아니라, 용제를 사용하기 때문에 밀폐된 공간에서의 작업성에 문제가 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 콘크리트층과 폴리우레아층 사이에 도포되는 바탕조정제로서 유기재료와 무기재료의 복합 조성물과, 이 복합 조성물을 이용한 콘크리트 표면 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레아 코팅을 위한 유무기 하이브리드 콘크리트 표면처리 조성물은 알콕시실릴기가 수분산 폴리우레탄에 도입된 실란-말단 수분산 폴리우레탄; 복수의 유기물로 이루어진 경화제; 및 시멘트를 포함하는 몰탈재;가 혼합된 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 실란-말단 수분산 폴리우레탄 10~15 중량%, 경화제 10~15 중량%, 몰탈재 70~80 중량%로 배합될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 실란-말단 수분산 폴리우레탄은 폴리올과 실란 화합물을 포함하며, 상기 실란 화합물은 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시드옥시프로필메틸디메틸실란, 3-글리시드옥시프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, 3-아미노프로필트라이에톡시실란 중 적어도 어느 하나를 사용한다.

본 발명의 일 예에서, 상기 실란-말단 수분산 폴리우레탄은, 10~30중량%, 폴리에틸-co-프로필렌글리콜 20~35중량%, 피마자유 20~35중량%, 3-글리시드옥시프로필렌메틸디메틸실란 5~15중량%, 트리에틸아민 1~3중량%, 장쇄알콜계 소포제 2~3중량%의 범위로 혼합제조된다.

본 발명의 또 다른 목적에 따른 콘크리트 표면처리 방법은 콘크리트 표면에 상기한 조성물을 바탕조정제로 도포하는 단계; 및 상기 바탕조정제가 도포된 층 위에 폴리우레아를 도포하여 코팅하는 단계;를 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에서는 유기재료와 무기재료의 복합 조성물로 콘크리트 표면에 프라이머층을 형성함으로써, 콘크리트에 폴리우레아 도막을 안정적으로 형성할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명에 따른 조성물은 무기재료를 이용하여 콘크리트와의 부착강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 유기재료에 의하여 폴리우레아와의 부착강도도 향상된다.

폴리우레아의 여러가지 장점에도 불구하고, 콘크리트에 직접 도포시 발생하는 핀홀 현상이나 부풀음 현상은 본 발명에 따른 조성물을 콘크리트 표면에 전처리함으로써 모두 해결될 수 있다. 이에 폴리우레아 도막의 이점을 최대한 발현할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 표면 처리 조성물의 화학적 일체화 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 표면 처리 조성물의 제조과정 및 도포과정을 설명하기 위한 개략적 흐름도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 콘크리트 표면에 폴리우레아를 코팅하기 전에 표면 처리를 통해 콘크리트의 표면을 개질하기 위한 것이다.

앞에서도 언급한 바와 같이, 폴리우레아는 여러가지 장점이 있지만 콘크리트 표면에 폴리우레아를 직접 도포하는 경우 핀홀 현상이나 부풀음 현상이 발생하는 문제점이 있다. 본 발명은 이를 해결하기 위한 것으로서 유기재료와 무기재료가 복합된 하이브리드 콘크리트 표면 처리 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 조성물을 콘크리트 표면에 도포하여 프라이머층을 형성한 후, 프라이머층 위에 폴리우레아를 코팅한다. 본 발명에 따른 조성물로 프라이머층을 형성할 경우, 콘크리트 층과 프라이머 층 및 폴리우레아 층이 화학적으로 일체화된다는 이점이 있다. 이를 통해 기존의 폴리우레아 사용시의 문제점이 모두 해소되어, 폴리우레아 코팅의 장점을 최대한 발현할 수 있다.

본 발명에 따른 조성물은 무기재료인 콘크리트와 유기재료인 폴리우레아에 모두 화학적으로 결합되도록, 유기재료와 무기재료를 혼합하여 제조되는 것에 특징이 있다.

유기재료는 수분산 폴리우레탄 재료에 알콕시 실릴기를 포함된 폴리우레탄 하이브리드 수지(이하‘실란-말단 수분산 폴리우레탄’이라함)를 포함한다. 무기재료로는 몰탈재료, 에컨대 시멘트, 규사, 물을 혼합한 몰탈을 사용할 수 있다.

보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 콘크리트 표면처리 조성물은 실란-말단 수분산 폴리우레탄 10 ~ 15 중량% 와 경화제 10 ~ 15 중량% 및 몰탈재 70 ~ 80 중량% 으로 구성된다.

실란-말단 수분산 폴리우레탄이 10 중량% 미만일 경우 폴리우레탄 경화물질의 인장강도가 낮아질 수 있고, 15 중량%를 초과할 경우 미반응 물질이 발생할 수 있는바 바람직하지 않다. 또한 경화제의 함량이 10 중량% 미만일 경우 미반응 물질이 발생할 수 있고, 15 중량%를 초과할 경우 경화물질의 인장강도가 낮아지고 폴리우레탄 수지가 부풀어 오르는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 조성물은 크게 유기재료와 무기재료로 나누어진다. 실란-말단 수분산 폴리우레탄과 경화제가 유기재료이며, 몰탈재가 무기재료이다.

주요 재료인 실란-말단 수분산 폴리우레탄은 폴리올과 실란화합물을 포함한다. 폴리올은 합성 폴리올과 천연 폴리올을 사용할 수 있다. 합성 폴리올은 모노에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리코, 폴리에틸렌-co-프로필렌글리콜 등이 사용될 수 있다. 또한 천연 폴리올로서는 대두유, 코코넛 오일, 로진에스터, 면실유, 피마자유, 팜오일 등을 사용할 수 있다. 여기에 우레탄 촉매로 모노메틸아민, 디메틸아민, 트리에틸아민 등을 첨가하여 사용할 수 있다. 실란 화합물은 2-(3,4 에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시드옥시프로필메틸디메틸실란, 3-글리시드옥시프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, 3-아미노프로필트라에톡시실란, 등을 사용할 수 있다.

또한 첨가제인 소포제로 장쇄알콜계 소포제 혹은 실리콘계 소포제를 첨가할 수 있으나, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서 주제부는 합성 폴리올로 디에틸렌글리콜 10~30중량%, 폴리에틸-co-프로필렌글리콜 20~35중량%, 피마자유 20~35중량%, 실란화합물로 3-글리시드옥시프로필렌메틸디메틸실란(다른 실란화합물 포함) 5~15중량%, 촉매로 트리에틸아민 1~3중량%, 장쇄알콜계 소포제 2~3중량%로 제조하였다.

실란-말단 수분산 폴리우레탄에서 실란 화합물이 5~15중량%로 5중량% 미만일 경우 콘크리트 모체와 폴리우레탄내의 분말과의 화학적 결합력이 약하게 되어 기대하는 물성을 발휘하기 어렵고, 15 중량%를 초과하여 첨가될 경우 가격이 너무 많이 올라 경제성을 확보하기 어렵다.

상기 폴리올과 결합되어 실란-말단 수분산 폴리우레탄을 완성시키는 경화제부는 이소시아네이트 계열 경화제가 포함될 수 있다. 이소시아네이트 계열로 톨루엔 디이소시아네이트, 메틸 디페닐 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트, 톨루이딘 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 자일렌 디이소사아네이트를 사용할 수 있고, 단일 혹은 이종이상 혼합하여 사용될 수 있다.

경화제부에도 실란-말단 수분산 폴리우레탄 화합물의 완성을 위해 실란 화합물을 첨가할 수 있다. 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 트리-(트리메톡시실리프로필)이소시아누레이트, 3-머캅토프로필메틸디메톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 등을 사용할 수 있다.

본 실시 예 에서는 경화제부에 메틸 디페닐 디이소시아네이트 85~95 중량%, 실란 화합물로 3-이소시아네이트플로필트리에톡시실란 5~15 중량%를 사용하여 제조하였다.

무기재료로는 1종 보통시멘트, 3종 조강 시멘트, 백시멘트, 석회석 분말, 석회암, 돌로마이트, 4호 규사, 5호 규사, 6호 규사, 7호 규사, 8호 규사, 황산바륨, 슬래그, 탄산칼슘, 소석회, 플라이애쉬 등을 단독, 2종 혹은 3종 이상 혼합 사용할 수 있으나, 그 종류가 일반적으로 단순 충진재 및 시멘트와 같이 수화반응을 일으킬 수 있는 역할을 수행할 수 있는 재료로 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 실시 예 에서는 백시멘트 20~30 중량%, 석회석 분말 20~30 중량%, 돌로마이트 6호 규사 30~40 중량%, 돌로마이트 7호 규사 20~30 중량% 사용되어 제조되었다.

즉 본 발명에 따른 조성물의 일 성분인 폴리우레탄은 강인하고 내마모, 유연성, 내용제성 및 탄성이 우수하여 각종 탄성체, 발포체, 접착제, 합성피혁, 탄성 섬유 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 반면에 시멘트, 규사, 물로 구성된 무기재료는 몰탈 재료로 높은 강도와 콘크리트의 접착성이 우수해 콘크리트 보수재료로 많이 활용되고 있다. 폴리우레탄 성분의 유기재료와 몰탈 구성의 무기재료간의 상용성과 부착력 및 화학적 일체화를 위한 구성성분으로 알콕시 실릴기를 함유한 실란-말단 수분산 폴리우레탄을 적용하였다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 몰탈재의 함량이 가장 많으며, 이는 콘크리트와의 결합력을 증대시킨다. 또한 본 조성물은 유기물인 폴리우레아와의 결합강도가 증대되어야 하므로 알콕시 실릴기를 함유한 실란-말단 수분산 폴리우레탄과 경화제를 포함한다. 즉 유기재료와 무기재료에 모두 잘 결합되는 하이브리드 재료로 형성하였다.

본 발명에 따른 콘크리트 표면 처리 조성물은 수분산 폴리우레탄이 갖는 낮은 점도로 인하여 콘크리트의 기공을 메우고 미세 균열까지 주입된다. 이에 콘크리트의 물리적 인장력을 보완하여 콘크리트 균열 저항성을 확보하게 된다.

또한 무기재료인 몰탈은 폴리우레탄의 낮은 강도를 보상해주고 콘크리트와의 일체성을 강화한다. 그리고 도 1에 도시된 바와 같이 실란-말단 폴리우레탄은 알콕시 실릴기의 함유로 시멘트의 수화물인 Ca(OH)2 과 화학적 결합을 통해 폴리우레탄 화합물과 콘크리트 및 몰탈과 화학적 결합을 만들어 재료의 일체화를 만들어 준다.

한편 폴리우레아 코팅 시공에서는 콘크리트 프라이머층 표면에 노출된 폴리우레탄 반응기인 이소시아네이트 혹은 알콜 반응기와 폴리우레아의 아민화합물 또는 이소시아네이트 반응기와의 화학적 결합을 만들어 바탕조정제와 폴리우레아와 화학적으로 일체화된 우수한 도막을 형성할 수 있게 하였다.

결과적으로 이와 같은 조성물은 기존 폴리우레아가 갖는 핀홀(pin-hole) 및 부풀음 현상을 미연에 방지하고 미려한 폴리우레아 도막을 형성할 수 있게 해준다.

본 발명에 따른 조성물의 제조과정 및 시공방법은 매우 간단하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실란-말단 폴리우레탄 주제와 경화제를 넣고 교반하고, 이후 분말 몰탈 조성물을 넣어 고르게 섞어주면 된다. 이렇게 만들어진 조성물은 스프레이, 롤러, 레끼 등을 이용하여 도막두께 1.0 ~ 2.0mm 정도로 콘크리트의 표면에 얇게 포설해주면 된다. 포설 이후 대략 8~12 시간 정도가 경과하면 건조가 완료되어 프라이머층이 형성된다. 이후 폴리우레아 도막 코팅을 진행하면 콘크리트의 표면 코팅이 완료된다.

이하 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명의 효과에 대하여 설명한다.

[비교예 1]

콘크리트의 양생이 완료한 후, 일반적인 바탕조정제로 사용되는 경도 60~80(shore A), 인장강도 2~3 MPa, 신장률 400~500%의 물성을 갖는 폴리우레탄 바탕조정제를 사용하였다. 바탕조정제두께는 1~2mm로 하였다. 이후 바탕조정재가 완전 경화되기 전, 폴리우레아를 약 1.5mm 코팅하여 1일 정도 경화시켰다. 마지막 단계로 변색방지를 위해 우레탄계 top 코팅제를 도포하여 바닥재시공을 완성하였다.

[실시예 1 내지 4]

본 발명의 실란-말단 수분산 폴리우레탄의 주제부는 디에틸렌글리콜, 폴리에틸-co-프로필렌글리콜, 피마자유, 트리에틸아민, 3-글리시드옥시프로필메틸디메틸실란 혹은 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, 소포제로 BYK054를 사용해 아래 표와 같이 제조하였다.

또한 실란-말단 수분산 폴리우레탄의 경화제부는 폴리머릭 메틸 디페닐 디이소시아네이트, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란을 사용해 아래 표 1과 같이 제조하였다.

[표 1]

또한 실란-말단 수분산 폴리우레탄의 분말조성물로는 백시멘트 20중량%, 석회석분말 30중량%, 돌로마이트 6호사 20중량%, 돌로마이트 7호사 30중량%로 사용되어 제조되었다.

상기와 같이 혼합 제조된 주제부, 경화제부, 분말은 각각 15중량%, 15중량%, 70중량%의 비율로 아래와 같은 시공방법으로 사용되었다.

주제부와 경화제부를 1,500 rpm의 교속교반으로 1분간 혼합한 후, 몰탈재 분말을 첨가하여 1,500 rpm으로 3 ~ 5분간 고르게 혼합하였다. 이후 롤러, 흙손 혹은 레끼 등을 활용하여 1~2mm 두께로 도포하여 실란-말단 수분산 폴리우레탄 바탕조정재를 시공하였다.

이후 바닥조정재가 완전 경화되기 전, 폴리우레아를 약 1.5mm 코팅하여 1일 정도 경화시켰다. 마지막 단계로 변색방지를 위해 우레탄계 top 코팅제를 도포하여 바닥재시공을 완성하였다.

[물리적 특성 평가]

물리적 특성 평가는 바탕조정재 자체로 평가하고, 폴리우레아(상도)-폴리우레탄(바탕조정제), 폴리우레아(상도)-실란,말단 수분산 폴리우레탄(바탕조정제) 계면 접착강도는 구분하여 평가하였다.

(1)접착강도

접착강도는 폴리우레탄(바탕조정제)-콘크리트 와 실란-말단 수분산 폴리우레탄(바탕조정제)-콘크리트의 시편과 폴리우레아(상도)-폴리우레탄(바탕조정제), 폴리우레아(상도)-실란,말단 수분산 폴리우레탄(바탕조정제) 계면 접착강도로 구분해서 KS F 2476:2017 시험법에 의거해 실험하였다.

(2)인장강도

인장강도는 바탕조정재 단독으로 KS M ISO 527-2:2013 시험법에 의거해 실험하였다.

(3)핀홀의 개수

폴리우레탄 바탕조정재와 실란-말단 수분산 폴리우레탄 바탕조정재를 처리한 후 폴리우레아 시공을 한 부위를 가로 1M 세로 1M로 하여 표면에 발생된 핀홀의 개수를 측정하였다.

실험 결과는 아래의 표 2와 같다.

[표 2]

실험 결과 실란-말단 수분산 폴리우레탄과 콘크리트 및 폴리우레아와의 접착강도가 비교예에 비해 월등하게 우수한 결과를 나타내었다. 이는 콘크리트-바탕조정재-폴리우레아 층이 일체화된 현상으로 판단되어진다. 또한 핀홀의 개수도 거의 관찰이 되지 않았다. 이는 콘크리의 핀홀을 메우는 역할을 충분히 수행한 결과로 판단되어진다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (5)

1. 알콕시실릴기가 수분산 폴리우레탄에 도입된 실란-말단 수분산 폴리우레탄;
   복수의 유기물로 이루어진 경화제; 및
   시멘트를 포함하는 몰탈재;가 혼합되며,
   상기 실란-말단 수분산 폴리우레탄은, 디에틸렌글리콜 10~30중량%, 폴리에틸-co-프로필렌글리콜 20~35중량%, 피마자유 20~35중량%, 3-글리시드옥시프로필렌메틸디메틸실란 5~15중량%, 트리에틸아민 1~3중량%, 장쇄알콜계 소포제 2~3중량%의 범위로 혼합제조되는 것을 특징으로 하는 폴리우레아 코팅을 위한 유무기 하이브리드 콘크리트 표면처리 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실란-말단 수분산 폴리우레탄 10~15 중량%, 경화제 10~15 중량%, 몰탈재 70~80 중량%로 배합되는 것을 특징으로 하는 폴리우레아 코팅을 위한 유무기 하이브리드 콘크리트 표면처리 조성물.
3. 삭제
4. 삭제
5. 콘크리트 표면에 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 하나에 기재된 조성물을 바탕조정제로 도포하는 단계; 및
   상기 바탕조정제가 도포된 층 위에 폴리우레아를 도포하여 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 표면처리 방법.

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