A materials construction with PCM micro capsule and method for manufacturing same

마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료 및 그 제조방법{A materials construction with PCM micro capsule and method for manufacturing same}

본 발명은 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료 및 그 건설토목재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 선정된 건설토목재료의 외표면에 마이크로캡슐상의 상변화물질을 부착 고정시켜 마이크로캡슐상의 상변화물질이 부착된 건설토목재료를 포함하는 2종 이상의 건설토목재료를 혼합하여 건물과 도로 및 교량 등을 건설하는데 사용하는 조합건설토목재료 중에 마이크로캡슐상의 상변화물질이 조합 건설토목재료 중에 고루 혼재된 상태를 유지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에서 건설토목재료라함은 대표적으로 모래, 시멘트, 자갈, 각종 기능성 개선을 위한 혼화재, 석고, 각종 플래스터 등의 건설토목에 들어가는 개별 구성재료들을 통칭하며, 조합건설토목재료라함은 상기의 건설토목재료들의 조합으로 이루어진 대표적으로 건조 모르타르, 레미콘, 콘크리트, 모르타르, 석고보드, 석고모르타르, 섬유보드, 마그네슘보드, 시멘트보드 등과 같은 건설토목공사에 들어가는 구성물들을 통칭한다.

주택을 건설하거나 도로를 포장하고 교량 등을 건설하기 위해서는 건조 모르타르나 레미콘 콘크리트 및 아스팔트 등이 대표적인 조합건설토목재료로 사용되고 석고보드, 석고 모르타르나 마그네슘보드 및 섬유보드, 시멘트보드 등의 내화 및 단열보드 등도 조합건설토목재료로 제조된 제품으로 널리 사용되고 있다.

이러한 조합건설토목재료는 모래, 시멘트, 골재, 혼화제 및 석고, 플래스터 등의 건설토목재료를 단독으로 사용하거나 2종 이상의 건설토목재료를 적절한 비율로 혼합하여 조합된 조합건설토목재료로 사용되어진다.

대표적인 조합건설토목재료중 하나인 건조 모르타르는 주택이나 건물의 바닥 등을 시공할 때 사용할 뿐만 아니라 미장용, 토목용 등으로 사용하기 위해 시멘트와 모래 및 기타 혼화재 등 다수의 건설토목재료를 혼합한 후 포장하여 제공되는 것으로 시공 현장에서는 일정한 비율로 물만 배합하여 간편하게 사용할 수 있도록 한 것이고,

레미콘 콘크리트는 시멘트와 모래, 자갈과 혼화제 등 다수로 이루어진 건설토목재료를 물과 혼합한 후 목적한 장소에 타설할 수 있도록 한 것이다.

이러한 건조 모르타르나 레미콘 콘크리트 등의 조합 건설토목재료를 이용하여 시공을 하기 위해서는 모르타르와 콘크리트를 이루는 다수의 건설토목재료를 건비빔하여 혼합하고 물을 혼합시켜 슬러리상인 모르타르와 콘크리트를 타설코자 하는 장소에 붓고 고루 펼쳐주면 타설된 모르타르 및 콘크리트는 자연 상태에서 건조 양생되면서 충분한 강도를 얻게 되고 균열 등이 일어나지 않게 되는 것이었다.

한편, 근래 들어 최근 전 세계는 인류활동으로 인하여 방출되는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 등의 온실 가스(Greenhouse Grass, GHG)로 인한 지구온난화 방지에 최우선의 노력을 기울이고 있다. 이에 따라 전 지구적 차원의 대응 방안으로서 1992년 기후변화협약(United Nations Framework Convention On Climate Change, UNFCCC)을 채택하고 각 나라별 자체 대응전략, 정책을 수립하는 등 현재까지 지속적인 노력을 기울이고 있다. 기후변화협약의 구체적 이행 방안으로 발의된 1997년 교토의정서(KyotoProtocol) 발표 이후 온실가스 감축에 대한 국제적 관심은 더욱 고조되고 있으며, 특히 기후변화의 주요 원인이 되는 온실가스 중 CO2에 의한 영향은 55% 이상으로 다른 요소에 비해 월등히 높은 것으로 밝혀졌기 때문에 CO2 저감에 따른 온실가스 감축 기술이 중요하게 고려되고 있다.

이에 건설토목재료 부분에서도 효율적 설비시스템을 기반으로 에너지 저감 및 CO2 저감 방안 마련을 위한 건축자재, 재료 및 공법 개발에 다분한 노력을 기울이고 있으며 그에 따른 결과를 토대로 한 다수의 신기술들이 현재 실용화 단계까지 이르고 있다.

이러한 기술 중 열저장에 따른 재료 및 기술은 매우 효과적이며 획기적인 기

술이 될 수 있다. 때문에 재료 분야에서는 1980년대 후반부터 열저장 및 온도조절

기능을 하는 혁신적인 온도조절 물질인 Phase Change Materials(이하, PCM)를 이용하기 위한 연구적 노력을 점차 이루어 왔지만 국내에서는 그 수준이 아직 미미한 단계이다.

현행의 PCM에 의한 에너지 저감 기술의 발전 추세를 살펴보면 건축물 외장재와 같은 구조체 외적 요소에 의한 기술들이 대부분이다. 이러한 기술들의 대부분은 시공 및 유지관리 측면에서 적지 않은 문제점들이 발견되고 있으며 그에 따른 경제성 또한 문제점으로 제기되고 있다.

종래에 마이크로캡슐상의 상변화 물질(이하 "PCM 마이크로캡슐"로 칭한다.)을 함유하는 건조 모르타르의 제조 방법이 등록특허 제10-0602717호에 개시되어 있다.

상기 종래 기술에 따르면 PCM 마이크로캡슐을 건조시켜 파우더 상으로 제조한 후 건조 모르타르에 혼합하여 사용토록 하는 것이었다.

그러나 종래에 파우더 상으로 제조된 PCM 마이크로캡슐을 건조 모르타르나 콘크리트에 혼합할 경우 타설되어진 이후 양생되어지는 기간 동안에 모르타르나 콘크리트에 혼합된 PCM 마이크로캡슐은 비중의 차이로 인해 상층으로 이동되어 집중적으로 분포되어지기 때문에 타설된 바닥이 들뜨는 현상이 일어나고 압축강도와 부착강도 및 인장강도가 저하될 뿐 아니라 균열과 수화열의 불균형 등을 야기하는 심각한 문제가 있었다. 특히, 자중으로 수평을 형성하여 평탄하고 내구성이 우수한 바닥면을 형성시켜주기 위해 물을 과량으로 혼합하는 바닥용 건조 모르타르의 경우는 이러한 현상들이 매우 심하다.

이러한 이유는 콘크리트의 경우에서와 같이 시멘트는 약 3.15이고 모래는 약2.6정도의 밀도를 가지나 PCM 마이크로캡슐의 비중은 0.8 내지 1.0 정도인 것이어서 타설 후 양생이 이루어지는 동안 PCM 마이크로캡슐이 상층으로 부상되고 부상된 PCM 마이크로캡슐은 상층에 층을 형성하게 되어 전술한 문제점이 야기되는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지의 절약과 결로현상 감소 및 콘크리트 양생 시에 발생하는 수화열을 제어할 수 있는 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료 및 그 건설토목재료의 제조방법을 제공하기 위한 것으로

본 발명의 목적은 하나 또는 하나 이상의 건설토목재료에 슬러리 상의 PCM 마이크로캡슐을 투입하고 시멘트나 석고 또는 바인더를 선택적으로 투입하여 유동하면서 충분한 접촉을 이룬 후 건조시킴으로서 PCM 마이크로캡슐이 건설토목재료의 표면에 견고하게 부착시켜 타설 후 모르타르나 콘크리트의 상층에 PCM 마이크로캡슐이 비중차로 인해 이동되어 층을 형성함이 없이 고부 분산되어 혼재된 상태를 유지할 수 있도록 한 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료를 제공할 수 있도록 한 것이다. 또한, 석고보드, 석고모르타르, 마그네슘보드, 시멘트보드와 같은 각종 보드류 조합건설토목재료 제조시에도 마찬가지로 하나 또는 하나 이상의 기존 보드류 원재료에 슬러리 상의 PCM 마이크로캡슐을 투입하고 석고, 시멘트 또는 바인더를 선택적으로 투입하여 유동하면서 충분한 접촉을 이룬 후 건조시킴으로써 PCM 마이크로캡슐을 선택된 기존 원재료 성분에 견고하게 부착시켜 기존 원재료와 비슷한 비중의 PCM 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 각종 보드류 원재료를 1차 제조하여 이를 각종 보드류 조합건설토목재료의 제조공정에 이용함으로써 건축용 보드류 제조시 비중의 차이로 발생할 수 있는 문제점들을 해소할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 건설토목재료의 외표 면에 직접 PCM 마이크로캡슐을 부착 고정시킴으로서 다수의 건설토목재료를 혼합하여 제조되는 모르타르나 레미콘 콘크리트 등의 조합 건설토목재료를 타설하고 양생할 때 건설토목재료와 분리된 PCM 마이크로캡슐과의 비중차로 인해 상층으로 이동한 PCM 마이크로캡슐이 층을 이루지 못하게 함으로서 PCM 마이크로캡슐 층이 형성되어 일어나는 바닥의 들뜸이나 압축강도와 부착강도 및 인장강도의 저하를 막을 수 있고 균열 등을 방지할 수 있으며 PCM마이크로캡슐의 고른 분산으로 열적인 효과를 높일 수 있다는 효과가 있다.

또한, 석고보드, 석고모르타르 등과 같은 경량 건자재의 제조시 그 중 한 가지 또는 한 가지 이상의 재료들에 슬러리상의 PCM마이크로캡슐을 투입, 혼합, 건조를 통해 부착 고정시킴으로써 이러한 경량 건자재의 제조시 비중차로 인해 발생될 수 있는 제조상의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

특히, PCM 마이크로캡슐을 건설토목재료에 부착하기 위해 행해지는 건조 과정에 마이크로캡슐의 제조시 사용된 계면활성제를 고분자 바인더로 이용함으로써 건설재의 제조 경비를 획기적으로 절감할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

제1도는 본 발명에 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료의 단면도.

본 발명에 따른 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료(1)는 모래, 시멘트, 골재 및 특성개선제로 사용되는 혼화제, 석고, 플래스터 등에서 한 가지 또는 한 가지 이상으로 선택된 건설토목재료에 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐(2)을 투입하고 혼합한 후 선택된 건설토목재료(1)의 표면에 PCM 마이크로캡슐(2)을 건조를 통하여 부착시켜 선택된 건설토목재료(1)의 표면에 PCM 마이크로캡슐(2)이 견고히 부착된 건설토목재료(1)를 획득할 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 선택된 건설토목재료(1)가 시멘트가 아닌 경우에는 건축, 토목의 대표적인 결합경화제인 시멘트나 석고 적당량을 같이 혼합하여 주면 더욱 견고하게 건설토목재료(1)의 표면에 PCM 마이크로캡슐을 부착 고정시킬 수 있다. 또한, 필요에 따라 바인더를 투입하는 방법을 사용할 수 있다.

실시 예에 따르면 건설토목재료(1)로 선정한 모래에 고형분의 함량이 1 내지 80 중량% 바람직하게는 30 내지 60 중량%인 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐을 투입하고 혼합하여 건조시켜 PCM 마이크로캡슐이 외표 면에 부착된 모래를 얻을 수 있게 된다.

이때, 투입되는 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐의 양은 사용 목적에 따라 적절히 조절할 수 있는 것이다.

한편, 상기 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐이라 함은 사전적으로 유동성을 지닌 고체와 액체의 혼합물의 의미로 본 발명에 부합하기 위해서는 하기에 설명된 이유로 인해 건설토목재료와 부착력을 증가시키기 위해 마이크로캡슐의 제조시 사용된 고분자 계면활성제를 감소시키지 않는 것이 바람직하며 건설토목재료와의 균일한 분산성과 개별적 부착력의 향상을 위해 반드시 유동성을 지녀야 한다. 유동성을 지니기 위해서는 PCM 마이크로캡슐 자체의 고형분이 60% 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 고형분을 높이기 위해 마이크로캡슐의 제조 후 필터프레스를 사용하여 탈수하는 처리는 대다수의 고분자 계면활성제를 감소시키고 유동성을 없게 하기 때문에 본 발명의 취지에는 부합하지 않다.

또한, 상기 건설토목재료에 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐에 혼합한 후 행해지는 건조과정에서는 30℃ 내지 500℃의 온도 범위를 유지함으로서 PCM 마이크로캡슐의 손상을 방지토록 할 수 있다.

상기 건조는 건조로를 이용한 고온 건조나 진공을 유지하여 저온 건조를 행할 수 있는 것으로 이는 일반적으로 시멘트나 건조 모르타르 및 레미콘 콘크리트 등 기존 제조 과정 중에 있는 건조 공정을 그대로 이용하거나 설비를 추가하거나 약간의 변형을 통하여 별다른 추가비용 없이 PCM 마이크로캡슐을 건조시켜 부착을 이루도록 할 수 있다.

이때, 혼합되어진 건설토목재료와 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐은 지속적으로 유동 상태를 유지하면서 30℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 운전되는 건조로에 유입된 후에도 유동 상태를 유지함으로써 선택된 바인더와 혼합된 PCM 마이크로캡슐이 균일하게 뭉침이 없이 건설토목재료의 외표 면에 부착 고정되도록 할 수 있다.

이 건조과정에서 슬러리 상태의 PCM 마이크로캡슐에는 마이크로캡슐의 제조시 유화의 안정성을 부여하기 위해 필수적으로 사용되어진 고분자의 계면활성제가 탈수, 건조과정을 통해 고분자바인더로써 PCM 마이크로캡슐이 건설재의 외표 면에 견고하게 부착 고정되도록 할 수 있다. 이러한 메커니즘을 통해 바인더로 종래 마이크로캡슐의 유화제가 사용할 수 있는 것이다. 종래 기술처럼 슬러리상의 마이크로캡슐만을 단독으로 건조시켜 파우더 상으로 제조하여 건설토목재료에 투입할 경우 마이크로캡슐의 단독 자체비중의 파우더로 제조되어 투입되기 때문에 대부분의 건설토목재료와의 혼합 시 큰 비중의 차이로 조합건설토목재료의 제조가 불가능한 심각한 문제를 발생시키고 슬러리상의 PCM마이크로캡슐을 건설토목재료 중 어느 하나에 부착시키지 않고 그대로 투입했을 경우도 마찬가지로 양생되기 전 또는 보드류와 같은 조합건설토목재료의 제조 공정 중의 유동적인 상태에서 대부분의 건설토목재료와의 큰 비중차로 PCM마이크로캡슐만 분리되는 심각한 문제가 발생한다. 본 발명은 마이크로캡슐 제조시 사용된 고분자 계면활성제가 바인더 역할을 하거나 결합제로서 시멘트나 석고 또는 바인더를 선택적으로 추가하여 주재(主材)인 건설토목재료 중 선정된 하나의 재료의 외표 면에 견고하게 부착시킴으로써 PCM 마이크로캡슐의 비중이 주재(主材)인 건설토목재료의 기존 비중과 거의 동일하게 변화시킨 상태로 만듦으로써 건조모르타르나 레미콘, 석고보드와 같은 PCM 마이크로캡슐이 균일하게 함유된 조합건설토목재료를 제조할 수 있는 방법을 제공함과 동시에 슬러리 상태에 있는 PCM 마이크로캡슐을 이용할 경우 별도의 PCM 마이크로캡슐의 건조과정 없이 기존 건설토목재료의 건조과정을 이용함으로써 원가 절감을 이룰 수 있다.

좀 더 자세하게는 슬러리상의 PCM 마이크로캡슐은 PCM 마이크로캡슐 제조시 중합과정의 유화 안정성을 부여하기 위해 에틸렌 아크릴산 공중합체, 스타이렌 아크릴 공중합체, 스타이렌 말레익산 공중합체, 에틸렌 말레익산 공중합체, 폴리비닐알콜, 에틸렌 아크릴산 공중합체 등의 10,000 이상에서 800,000 정도의 분자량을 가지는 고분자의 유화제를 사용할 수 있는데 이는 친수성부분과 소수성부분을 모두 가지고 있는 고분자 계면활성제로서 마이크로캡슐 제조시 입자 안정화와 중합장소를 제공할 수 있는 집합체(aggregate)를 형성할 수 있고 정전기적 안정화 작용을 동시에 할 수 있고 당해 분야에서 일반적으로 알려진 계면활성제를 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 고분자 계면활성제는 동시에 PCM 마이크로캡슐이 입자와 건조과정 동안 건설토목재료인 모래, 시멘트, 골재 및 혼화제 등의 표면에 탈수, 흡착되거나 그래프팅(grafting)되면서 고분자 바인더로서 강한 부착력을 발휘할 수 있게 된다.

또한 상기에 기술한 것과 같이 필요에 따라서는 기존에 통상적으로 알려진 수용성 또는 유용성의 바인더를 추가할 수 있다. 대부분이 고분자적 성질로서 접합되는 바인더의 결합력은 바인더의 응집력과 접착계면에서 작용하는 바인더 분자 화학제 분자간에 결합력에 의해 정해지는데 피착제 분자와 바인더 분자가 공유결합을 하고 있으면 강한 결합력이 얻어지고 반데르발스의 힘에 의한 2차 결합 또는 에폭시 수지계의 바인더처럼 수소 결합에 의한 바인딩을 형성할 수 있다. 이러한 바인더의 종류로서는 에폭시수지계, 페놀수지계, 폴리아세트산비닐계, 폴리아미드계, 폴리비닐알콜계, 실리콘수지계, 폴리우레탄계, 요소수지계, 멜라민수지계, 폴리올레핀계, 고무계 등 일반적으로 알려진 것들이 선택되어질 수 있으며 이러한 바인더에 대한 제한은 없다.

상기와 같은 처리를 통해 제조된 마이크로캡슐상의 상변화물질을 함유한 건설토목재료를 2종 이상 혼합하여 건조 모르타르나 레미콘 콘크리트나 도로포장용 아스팔트 골재나 석고보드, 석고 모르타르, 마그네슘보드 및 섬유 보드, 시멘트보드 등의 조합 건설토목재료를 제조할 수 있으며 건설토목재료를 혼합하여 제조되는 조합건설토목재료에 대한 제한은 없다.

PCM(Phase Change Material)이라함은 상변화물질로서 잠열 또는 축열 물질로서도 표현될 수 있는데 일정 온도 범위에서 고상에서 액상 또는 액상에서 고상으로 변화하면서 많은 열에너지(잠열)를 흡수 또는 방출하는 물질을 의미하는 것으로 물을 비롯하여 여러 종류가 있으나, 본 발명에서는 그러한 물성을 갖는 임의의 물질을 사용할 수 있는 것으로 파라핀왁스, 에스테르, 그 용융 온도가 약 -20 ~ 90℃인 물질들이 선택되어 질 수 있고 이에 대한 특별한 한정은 없다.

본 발명에 사용되어 질 수 있는 상변화물질로는 각종 유기 및 무기물질이 포함된다. 이것으로 제한되지는 않지만 그 예로서, 탄화수소류(직쇄형 또는 분기형 알칸 또는 파라핀계 탄화수소, 등), 수화염류(염화칼슘 6수화물, 불화칼륨 4수화물, 암모늄백반), 왁스류, 오일류, 지방산류, 복합지방산 에스테르류, 1차 알코올류, 방향족화합물, 무수물류(스테아르산 무수물 등), 다가 알코올(에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 테트라메틸올 프로판 등), 고분자류(폴리에틸렌, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌, 폴리에스테르류, 폴리아크릴레이트 공궁합체, 폴리에틸렌글리콜 등)등이 있다.

상변화물질의 표면을 코팅하는 PCM 마이크로캡슐의 벽재로서는 통상적으로 마이크로캡슐의 벽재로써 사용될 수 있는 임의의 고분자를 이용할 수 있으나 멜라민수지, 요소수지, 아크릴수지, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리아마이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐알콜, 젤라틴 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 고분자를 이용할 수 있다.

1 : 건설토목재료 2 : PCM 마이크로캡슐