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KR102286861B1 - 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물 - Google Patents

공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물 Download PDF

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Publication number
KR102286861B1
KR102286861B1 KR1020200150971A KR20200150971A KR102286861B1 KR 102286861 B1 KR102286861 B1 KR 102286861B1 KR 1020200150971 A KR1020200150971 A KR 1020200150971A KR 20200150971 A KR20200150971 A KR 20200150971A KR 102286861 B1 KR102286861 B1 KR 102286861B1
Authority
KR
South Korea
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cement
weight
parts
powder
photocatalyst
Prior art date
Application number
KR1020200150971A
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English (en)
Inventor
강봉희
권상진
최재원
기태경
Original Assignee
아세아시멘트(주)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 건축/토목 구조물의 표면코팅을 위한 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입도개질을 통하여 가공된 분말도가 낮은 시멘트를 사용하여 코팅면의 표면이 불균질하게 형성됨으로써, 대기에 노출되는 광촉매(TiO2) 입자의 비표면적을 증대시켜 공기정화 성능이 극대화되도록 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「보통 포틀랜드시멘트를 가공한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이상의 미분말이 30wt% 이상 포함된 개질 시멘트 및 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말을 포함하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 제공한다.

Description

공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물{Surface coating cement composition for air-purifying Type}
본 발명은 건축/토목 구조물의 표면코팅을 위한 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입도개질을 통하여 가공된 분말도가 낮은 시멘트를 사용하여 코팅면의 표면이 불균질하게 형성됨으로써, 대기에 노출되는 광촉매(TiO2) 입자의 비표면적을 증대시켜 공기정화 성능이 극대화되도록 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 관한 것이다.
건축/토목 구조물의 내·외부는 시멘트 모르타르에 의한 미장작업 또는 벽체면을 면갈이 한 후 시멘트 페이스트를 입히는 견출작업으로 마감처리된다.
미장작업은 모르터, 회반죽, 흙 등의 재료를 바르거나 뿜칠하는 공사로 건축/토목 구조물의 최종 마무리 또는 최종 마감재를 추가로 공사할 경우 그 바탕이 되는 작업이며, 견출작업은 콘크리트 표면에 생긴 기포자국이나 패인 자국 등을 매끄럽게 처리함으로써, 후속 페인트 작업 또는 최종 마감재 처리 작업을 원활하게 하기 위해 사용된다.
건축/토목 구조물의 마감면은 외부환경에 접하여 빛에 노출되는 부분으로, 외기와 접하는 마감면을 광촉매가 적용된 마감재로 시공하는 방법이 지속적으로 연구되어 왔다.
광촉매란, 자신은 반응전후에 변화하지 않지만, 빛을 흡수함으로서 반응 속도를 변화시키거나 반응을 개선하는 촉매로, 광촉매를 이용한 화학반응 기술은 별도의 에너지원 없이 태양 에너지를 원천으로 하는 친환경 기술로 각광받고 있다. 특히, 광촉매는 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반 영구적으로 사용할 수 있고, 염소나 오존보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나며, 모든 유기물을 탄산가스와 수분으로 분해할 수 있다. 이에 따라 대기정화, 방오기능, 친수기능, 수질정화, 탈취, 항균기능 등에서 탁월한 능력을 가지고 있다.
그중에서도 가장 높은 기대를 받고 있는 광촉매의 활용처는 대기정화 분야로 광촉매 반응에 의해 각종 휘발성 유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)을 분해할 뿐 아니라, 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)의 제거에도 탁월한 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이중 광촉매로서 사용하고 있는 대표적인 물질은 이산화티탄(TiO2)이다. 이산화티탄(TiO2)은 자원적으로 풍부하여 가격이 저렴하고, 광촉매로서 내구성, 내마모성이 우수하며 그 자체로 안전/무독물질로 폐기시에도 2차 공해에 대한 염려가 없어 가장 많이 사용되고 있다.
이와 같이 건설재료에 광촉매를 적용하는 연구는 다양하게 이루어지고 있으며, 우선적으로 건설재료에 고체 분말 상태의 광촉매를 고정화하는 방법에 대한 연구가 선행되어야 한다.
건설재료에 광촉매를 고정화하는 방법은 시멘트의 일부를 광촉매로 치환하는 방법, 표면 침투제를 이용해 광촉매를 마감면 표면에 침투시키는 방법 및 마감면 표면에 광촉매를 코팅하는 방법으로 구분할 수 있다.
이하에서는 광촉매를 사용한 마감용 시멘트 및 건설재료에 대한 몇 가지 선행기술을 소개한다.
1. 등록특허 제1960886 "미세먼지 저감 및 대기정화 기능의 고강도 보차도 블록 제조방법"
등록특허 제1960886는 대기중의 미세먼지를 저감하여 대기정화 기능을 가지는 고강도의 보차도 블록을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 태양광 에너지를 이용한 광촉매 작용을 통해서 대기중의 미세먼지 유발물질을 산화분해하여 제거함으로써 미세먼지 저감과 대기 정화 효과를 가지는 미세먼지 저감 및 대기정화 기능의 고강도 보차도 블록 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로는 「굵은 골재, 잔골재, 시멘트, 물 및 혼화재를 혼합하여 기층부조성물을 제조하는 제1단계; 상기 기층부조성물을 진동하판 상단에 마련된 몰드에 투입한 후, 진동상판이 상기 몰드 내부로 하강되고 상기 진동상판과 진동하판에 의하여 상기 기층부조성물이 진동되면서 가압 성형하여 기층부를 제조하는 제2단계; 잔골재, 시멘트, 물 및 광촉매 재료를 혼합하여 표층부조성물을 제조하는 제3단계;로 구성하되, 상기 제3단계는, 상기 잔골재, 시멘트 및 광촉매 재료를 건식혼합하며, 상기 광촉매 재료는 TiO2, ZrO2, V2O3, WO3, CuO, 및 SrTiO3으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 광촉매 50 중량%에 대하여 플라이애쉬 50 중량%를 혼합하고, 상기 진동상판과 진동하판에 의하여 상기 표층부조성물이 진동되면서 가압 성형하여 표층부를 제조하는 제4단계;를 통해 제조하고, 상기 제조된 표층부는 공극률이 6 내지 10%로 제조되어, 진동 가압시 상기 표층부의 표면으로 광촉매 물질의 이동을 용이하게 함으로써 광촉매 특성의 극대화가 가능한 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 및 대기정화 기능의 고강도 보차도 블록 제조방법.」을 제공한다.
2. 등록특허 제0949945 "시멘트계 모르타르를 이용한 도로포장공법"
등록특허 제0949945는 시멘트계 모르타르를 이용한 도로포장공법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 적정비율의 단열재, 광촉매 등이 배합된 모르타르를 이용하여 시멘트 콘크리트, 아스팔트 콘크리트 등으로 구성된 기저층 상부에 표면층을 도포함으로써 대기정화기능, 단열기능, 미끄럼저항기능, 칼라도로포장과 같은 다양한 기능이 발현되어 포장 전체를 기능성 콘크리트로 구성할 필요가 없어 시공이 용이하며 경제적인 시멘트계 모르타르를 이용한 도로포장공법에 관한 것이다.
구체적으로는 「시멘트 콘크리트 또는 아스팔트 콘크리트를 이용하여 기저층을 시공하는 단계와 시멘트 100중량부를 기준으로, 폴리머 3 내지 20중량부, 입도가 0.25 - 2mm인 잔골재 50 내지 400중량부, 단열재로 알루미늄 실리게이트 미립분 5 내지 20중량부, 물 30 내지 100중량부, 광촉매 3 내지 20중량부, 증점제 1중량부 이하(0중량부 초과), 안료 3 내지 20중량부로 배합된 시멘트계 모르타르를 포설하여 표면층을 시공하되, 상기 표면층이 3 내지 10mm의 두께로 포설하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 시멘트계 모르타르를 이용한 도로포장 공법.」을 제공한다.
3. 등록특허 제1728445 "항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 미장용 첨가제, 이를 이용한 미장용 시멘트 및 몰탈"
등록특허 제1728445는 항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 미장용 첨가제, 이를 이용한 미장용 시멘트 및 몰탈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 천연광물질을 미세분말 처리하여 미장용 첨가제로 사용함으로써, 시멘트에서 발생하는 다양한 유해가스를 흡착 제거함은 물론 항곰팡이성, 항균성 및 공기정화능을 갖는 건축용 내외장재로 사용하여 친환경적인 주거공간을 구축할 수 있는 항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 미장용 첨가제, 이를 이용한 미장용 시멘트 및 몰탈에 관한 것이다.
구체적으로는 「견운모, 활성탄, 황토, 백토, 석고, 광촉매, 피레스로이드계 방충분말, 제올라이트 및 겔 라이트를 포함하되, 상기 견운모는 1200 내지 1300℃의 범위 내에서 열처리가 진행된 후 분말화되고, 상기 광촉매는 이산화티탄(TiO2), 이산화규소(SiO2) 및 나노은 분말 혼합된 혼합분말로 형성되며, 상기 피레스로이드계 방충분말은 비펜스린이 사용되되, 상기 견운모는 50 내지 100 중량부, 상기 활성탄은 5 내지 15 중량부, 상기 황토는 10 내지 20 중량부, 상기 백토는 3 내지 5 중량부, 상기 석고는 60 내지 100 중량부, 상기 광촉매는 2 내지 5 중량부, 상기 비펜스린은 0.01 내지 0.02중량부, 상기 제올라이트는 10 내지 20 중량부 및 상기 겔 라이트는 5 내지 15 중량부의 중량비율로 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 미장용 첨가제.」를 제공한다.
4. 등록특허 제1205491 "광촉매 코팅이 구비된 비소성 시멘트 투수 블록 및 그의 제조방법"
등록특허 제1205491은 광촉매 코팅이 구비된 비소성 시멘트 투수 블록에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 비소성 시멘트 투수 블록에 광촉매가 코팅됨으로써 정화기능이 구비되었을 뿐만 아니라, 하부구조가 개선되어 투수성이 향상된, 광촉매 코팅이 구비된 비소성 시멘트 투수 블록 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로는, 「양생 건조된 투수 블록 상단 표면에 0.3 내지 100 mm의 두께로 광촉매재를 도포하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 투수 블록의 제조방법」을 제공한다.
상기의 선행기술들은 건설재료에 광촉매를 고정화하는 다양한 방법들을 제공하고 있다. 기존의 광촉매를 고정화하는 방법들은 다음과 같은 특징이 있다.
광촉매를 시멘트의 일부에 치환해 사용하는 방법은 마감층 전체에 광촉매를 고르게 분포시킬 수 있어 마감층의 마모에 따른 성능 저하의 위험이 적다. 그러나, 상기 선행기술문헌 1의 경우 시멘트 일부에 광촉매를 치환해 블록의 표층부를 성형한 것으로, 광촉매가 블록의 표층부 조성물에 혼입되어 블록을 성형하게 되므로 광촉매의 사용양이 증가하게 되고, 조사면의 표면에서만 광촉매 반응이 이루어지므로 내부에 혼입된 광촉매는 공기정화 성능을 발휘할 수 없어 경제성 및 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 상기 선행기술문헌 3의 경우에도 광촉매의 사용량이 증가하고 미장면 내부에 혼입된 광촉매는 공기정화 성능이 저하되는 단점이 존재한다.
표면 침투제를 이용해 콘크리트 표면에 광촉매를 침투시키는 방식은 광촉매를 표면 침투제를 이용해 콘크리트나 아스팔트 표면 내측까지 침투시켜 고정하는 방식으로, 광촉매를 필요한 깊이까지 침투시켜 콘크리트를 코팅한다면 충분한 성능을 발현할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 콘크리트 구조물 또는 침투제의 특성에 따라서 광촉매를 적정 깊이까지 침투시키기 어렵거나, 콘크리트의 열화를 촉진해 광촉매 효과의 손실 및 콘크리트의 파손을 유발하는 문제점이 있다.
콘크리트 표면에 광촉매를 코팅하는 방법은 콘크리트를 2중 구조로 만들어 대기에 노출되지 않는 내측은 광촉매를 적용하지 않은 콘크리트로 하고, 대기 및 오염물질에 노출되는 표면부에는 무기계 또는 유기계 접착제를 이용하여 광촉매를 표면부에 코팅하여 고정하는 방법이다. 특히 블록 등과 같은 시멘트 2차 제품을 제조하는 과정에서 광촉매를 혼입한 모르타르층을 제품 표면에 부착하여 양생하는 방법이 일반적으로 사용되고 있으며, 기술이 비교적 간단하면서도 다른 방법에 비하여 저렴하게 광촉매를 적용할 수 있어 일반적으로 흔하게 적용되고 있다. 이 방법은 아스팔트 도로에도 적극적으로 적용 시험이 실시되었으며, 포장도로에 광촉매를 혼합한 수용액을 뿜칠하는(spray) 방식으로 서울시내도로, 경부고속도로 일부 구간에 시공되었다. 그러나, 광촉매 분말을 유기접착제(아크릴, 에폭시 등)에 혼합하여 고정하는 경우 광촉매의 화학반응에 의해 유기접착제가 분해되어 광촉매 분말이 점차 분리, 유실되어 내구성이 저하되고, 무기접착제(시멘트 등)와 혼합하여 고정하는 경우 광촉매가 빛을 투과하지 않는 무기접착제에 매몰되어 광촉매 반응의 활성도가 저하되는 문제점이 있다. 선행기술문헌 2 및 4의 경우 상기 문제점에 대한 대응책이 제시되지 않고 있다.
상기와 같이 광촉매를 이용해 구조물의 콘크리트에 공기정화성능을 부여하는 여러 기술들이 제시되고 있으나, 주로 광촉매를 콘크리트에 첨가하는 기술에 연구가 집중되어 있다. 상기 기술은 보통 포틀랜드시멘트 기반의 시멘트 모르타르에서 광촉매를 일부 치환한 조성물, 그 제조 방법 및 시공법을 제시하고 있는데, 기본적으로 시멘트나 모르타르 및 콘크리트는 빛을 투과하지 않는 재료이므로 일반적인 조성물 및 시공법을 사용하면 마감재 표면의 광촉매를 제외한 대부분의 광촉매가 빛에 노출되지 못하여 공기정화 성능이 저하되게 된다.
상기 성능 저하를 극복하기 위해서 주로 광촉매의 첨가량을 증가시키는 방법을 사용하는데 이 경우 시멘트 모르타르의 부착강도 및 인장강도가 저하되고, 균열이 발생하며, 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 광촉매가 외기에 접하는 비표면적을 증가시키면서 마감부의 작업성 및 내구도를 향상시킬 수 있는 시멘트 조성물 및 시공방법에 대한 기술 개발이 요구된다.
1. 등록특허 제1960886 "미세먼지 저감 및 대기정화 기능의 고강도 보차도 블록 제조방법", 2019. 03. 21. 공고 2. 등록특허 제0949945 "시멘트계 모르타르를 이용한 도로포장공법", 2010. 03. 30. 공고 3. 등록특허 제1728445 "항균 및 탈취 기능을 갖는 친환경 미장용 첨가제, 이를 이용한 미장용 시멘트 및 몰탈", 2017. 04. 24. 공고 4. 등록특허 제1205491 "광촉매 코팅이 구비된 비소성 시멘트 투수 블록 및 그의 제조방법" 2012. 11. 27. 공고
본 발명은 건축/토목 구조물의 마감면에 광촉매를 고정시키고, 외기에 노출되는 광촉매 입자의 비표면적을 증가시키며, 신축 구조물의 미장부 표면은 물론 기존 구조물의 표면에도 시공이 용이하고, 부착성 및 내구도를 향상 시킬 수 있는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 과제 해결을 위해, 본 발명은 「보통 포틀랜드시멘트를 가공한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이상의 미분말이 30wt% 이상 포함된 개질 시멘트 및 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말을 포함하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성된 분말형 증점제가, 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 1.5중량부 이하(0중량부 제외)로 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「비닐아세테이트계, 비닐아세테이트 에틸렌계, 비닐아세테이트 비닐 버사테이트 및 스타이렌-아크릴계 중 어느 하나로 구성된 분말수지가, 상기 개질 시멘트 100중량부 대비, 0.05~3.0중량부 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「상기 이산화티탄(TiO2) 분말은, 입경 20㎛ 이상의 미분말이 20wt%를 초과하지 않도록 포함된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
1. 특허청구범위에 제시된 조건으로 입도개질한 포틀랜드시멘트를 광촉매(TiO2) 분말과 혼합하여 구조물의 표면에 코팅함으로써, 코팅면의 표면이 불균질하게 형성되므로 외기에 노출되는 광촉매(TiO2)의 비표면적이 증가하여 공기정화 성능이 향상되고 재료 사용량을 줄일 수 있다.
2. 본 발명의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 점성을 증가시키는 분말형 증점제를 혼입함에 따라서, 재료분리 안정성이 증가하여 블리딩이 방지되고, 이에 따라 재료분리에 의한 재믹싱이 불필요하므로 작업시간이 단축되며, 시멘트 페이스트의 보수성 증가로 초기 소성수축 균열을 저감하고, 전반적인 시공성이 우수해지는 효과가 있다.
3. 본 발명의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 분말수지를 혼입함으로써, 코팅면의 부착강도가 향상된다.
4. 개질 시멘트, 광촉매 분말, 증점제 및 분말수지가 분체형태로 믹싱된 본 발명의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 작업 현장에서 물만 부어 곧바로 사용 가능하므로 작업시간이 크게 단축된다.
5. 본 발명의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 부착강도와 시공성이 향상되는 증점제 및 분말수지를 첨가하여 신축 구조물은 물론 기존 구조물의 표면에도 코팅시공이 가능하다.
6. 본 발명의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 광촉매의 노출 비표면적이 증가됨에 따라 백색도가 증가되어 표면의 상단에 페인트 등을 도포할 때 바탕면으로도 유리하다.
본 발명은 「보통 포틀랜드시멘트를 가공한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이상의 미분말이 30wt% 이상 포함된 개질 시멘트 및 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말을 포함하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 제공한다.
광촉매의 재료로 사용할 수 있는 물질로는 TiO2, ZrO2, V2O3, WO3, CuO, SrTiO3, ZnO 등이 존재한다. 본 발명에서는 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고, 염소나 오존보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나며, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있고, 자원적으로 풍부하여 가격이 저렴하고, 광촉매로서 내구성, 내마모성이 우수하며 그 자체로 안전/무독물질로 폐기시에도 2차 공해에 대한 염려가 없는 이산화티탄(TiO2)이 광촉매로 사용된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 제공한다.
이산화티탄(TiO2)은 결정구조상 아나타제(anatase), 루타일(rutile) 및 브루카이트(brookite)의 3가지 결정형이 있다.
본 발명에서는 상기 결정형 중 어느 것을 적용해도 무방하나 그중에서도 특히 아나타제(anatase)형의 결정구조를 가지는 이산화티탄(TiO2)을 광촉매로 사용하는 것이 바람직하다. 아나타제(anatase)형은 열에 불안정하며, 팔면체가 매우 심하게 뒤틀려 루타일형의 사방정계보다 대칭성이 크게 떨어진 구조로 결정구조가 불안정하며 우수한 광촉매 활성을 발휘한다. 또한, 아나타제(anatase)형은 광활성도(optical activity)가 높고, 루타일(rutile)형 및 브루카이트(brookite)형에 비해서 높은 밴드 갭(band gab)을 가지고 있어 전자와 정공이 재결합(electron-hole recombination)할 확률이 매우 낮으며, 강한 산화력에 의한 광촉매 활성이 루타일(rutile)형 및 브루카이트(brookite)형에 비해서 월등히 우수하다. 따라서, 아나타제(anatase)형 결정구조를 가진 이산화티탄(TiO2)을 광촉매로 사용할 경우 다른 결정형의 이산화티탄(TiO2)에 비해서 적은 재료로 더 우수한 효과를 발현할 수 있다.
기성품인 보통 포틀랜드시멘트의 분말도는 3,400~3,800㎠/g이고, 입도개질을 통하여 가공된 본 발명의 포틀랜드시멘트는 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지므로, 상기 입도개질 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트와 품질관리 영역에서 극명한 차이를 보인다. 상기 본 발명의 가공된 포틀랜드시멘트는 일반적인 보통 포틀랜드시멘트 보다 분말도가 낮아 코팅면의 표면이 불균질하게 형성된다.
따라서, 상기 2,200~3,000㎠/g의 분말도로 개질한 시멘트에 이산화티탄(TiO2) 분말을 혼입하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 구조물의 표면에 코팅할 경우 코팅면이 불균질하게 형성되며, 코팅면에 균일하게 분산되어 있는 이산화티탄(TiO2) 분말은 외기와 접하는 노출면적이 극대화 될 수 있다.
또한, 본 발명은 「셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성된 분말형 증점제가, 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 1.5중량부 이하(0중량부 제외)로 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 함께 제공한다. 상기 중점제를 추가할 경우 재료분리 안정성이 증가하여 블리딩이 방지되고, 시멘트 페이스트의 보수성 증가로 초기 소성수축 균열을 저감하여 전반적인 시공성이 우수해진다.
본 발명은 펴바름 방식 또는 뿜칠 시공법으로 벽체면에 넓게 코팅하는 표면코팅 시멘트 조성물로, 페이스트 상태에서 일정 수준의 점도(소성점도 및 항복치)와 작업성이 함께 요구된다. 이에 본 발명이 제공하는 표면코팅 시멘트는 점성을 증가시키는 셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성된 분말형 증점제를 더 혼입하여 구성될 수 있다. 시공성능을 확보하기 위하여 메틸셀룰로오스계와 폴리사카라이드계가 주성분으로, 다당류와 전분류가 보조적으로 포함되어 구성되는 것이 바람직하다. 상기 소성점도는 셀룰로스계 또는 아미드계의 혼합 비율에 따라 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 「비닐아세테이트계, 비닐아세테이트 에틸렌계, 비닐아세테이트 비닐 버사테이트 및 스타이렌-아크릴계 중 어느 하나로 구성된 분말수지가, 상기 개질 시멘트 100중량부 대비, 0.05~3.0중량부 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
상기 분말수지를 혼입함으로써, 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물의 부착강도가 증가하여 기존 콘크리트 구조물의 벽면에도 코팅작업을 진행할 수 있다. 시멘트 페이스트에 광촉매를 혼합하여 표면코팅방식으로 광촉매를 고정하는 경우 상기 분말수지를 혼입함으로써 부착력이 증가함에 따라 페이스트의 열화로 인한 이산화티탄(TiO2) 분말의 탈락을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 상기 이산화티탄(TiO2) 분말은, 입경 20㎛이상의 미분말이 20wt%를 초과하지 않도록 포함된 것을 특징으로 한다. 이산화티탄(TiO2) 분말의 입경이 작을수록 동일한 중량을 기준으로 했을 경우 노출면적이 증가하는데, 노출면적이 증가할수록 이산화티탄(TiO2) 분말의 공기정화성능은 증가한다. 그러나, 입경 20㎛ 이상의 미분말은 단위중량당 입자의 표면적이 작아, 이산화티탄(TiO2) 분말 전체 중량 대비 입경 20㎛ 이상의 미분말이 포함되는 중량비가 높을수록 이산화티탄(TiO2) 분말의 공기정화성능이 충분히 발현되지 않는다. 따라서, 상기 이산화티탄(TiO2) 분말은, 입경 20㎛ 이상의 미분말의 포함비율이 20wt%를 초과하지 않도록 제한하는 것이 바람직하다.
이하에서는 구체적인 실험 결과와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
1. 광촉매 입자 노출도 및 공기정화성능 비교실험
아래 [표 1]은 본 발명에 따른 입도개질 시멘트(실시예)와 기존 포틀랜드시멘트(비교예)를 비교하여 이산화티탄(TiO2) 입자의 노출도와 공기정화 성능을 비교한 실험결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 보통 포틀랜드시멘트를 입도개질한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이하의 미분말이 30wt% 이상이 포함된 개질 시멘트 및 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말을 포함하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 관한 것으로, 상기 [표 1]에는 본 발명의 분말도 및 혼합비율 내에 속하도록 조성된 실시예와 본 발명의 분말도 및 혼합비율에 속하지 않는 비교예로 구분된다.
상기 실험 시 이산화티탄(TiO2) 분말의 첨가 중량비와 물-시멘트비(W/C)는 각각 5wt% 및 50%로 일정하게 유지하였다.
아래 [표 1]은 기존의 포틀랜드시멘트를 사용하되 분말도 3,600㎠/g인 경우(비교예 1) 및 분말도 3,200㎠/g인 경우(비교예 2)의 시험결과를 나타낸 것이다. 또한, 입도개질 시멘트를 사용하되 분말도 2,800㎠/g인 경우(실시예 1), 분말도 2,400㎠/g인 경우(실시예 2) 및 분말도 2,000㎠/g인 경우(비교예 3)로 구분하였다. 상기 비교예 3은 개질 시멘트를 사용하였으나 본 발명의 청구범위에 포함되지 않는 경우이다. 또한, 시멘트의 입도특성은 44㎛(표준체 ＃325)규격의 체를 통과하고 남은 미분말의 중량비로 측정하였으며 분말도가 낮아질수록 입경 44㎛이상 미분말의 중량비가 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 분말도와 입경 44㎛이상 미분말의 중량비는 반비례하는 것으로 확인된다.
백색도(L)는 표면의 흰색 정도를 수치화한 것으로 색도계를 이용하여 측정하였으며 헌터랩(Hunter Lab) 색공간의 L값으로 표시하였고 L값이 높을수록 백색도가 높아진다.
표면 거칠기(Rz)는 표면의 고저차를 이용해 면의 균일한 정도를 광학현미경으로 확인하여 측정한 값으로 Rz값이 높을수록 표면이 불균질해져서 단위면적당 대기노출면적이 증가하게 된다.
일산화질소(NO) 및 질소산화물(NOx)의 제거율은 ISO 22197-1(2016) 광촉매물질 공기정화성능 시험방법에 의거하여 측정하였다.
구분 포틀랜드시멘트 입도개질 시멘트
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2 비교예 3
시멘트분말도(cm2/g) 3,600 3,200 2,800 2,400 2,000
시멘트 중 입경 44㎛ 이상 미분말의 중량비(wt%) 8.9 17.1 32.1 52.5 58.7
부착성 양호 불량
광촉매 TiO2 함량(wt%) 5
백색도 (L*) 78.1 79.2 83.4 90.0 92.4
표면 거칠기(Rz) 25.4 25.0 35.2 41.2 43.5
NO 제거율(vol%) 6.4 6.6 9.4 12.1 12.3
NOx 제거율(vol%) 3.4 3.5 6.8 7.5 7.5
포틀랜드시멘트(3,600)
대비 공기정화 성능비(%)		 100.0 102.9 200.0 220.6 220.6
기존 포틀랜드시멘트를 사용하는 비교예 1, 2는 개질 시멘트를 사용하는 실시예 1 및 2, 비교예 3와 비교하여 백색도 및 표면 거칠기가 낮은 것을 알 수 있으며, 시멘트의 분말도가 낮을수록 백색도 및 표면 거칠기가 높아지는 것을 알 수 있다. 표면 거칠기가 증가하는 것은 단위면적당 대기노출면적이 증가하는 것을 의미하여 시멘트에 포함되어 있는 이산화티탄(TiO2) 분말의 대기노출면적이 증가하여 공기정화성능이 극대화 될 수 있다.시멘트에 광촉매로 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말은 높은 백색도를 가지고 있어 이산화티탄(TiO2) 분말의 노출도가 증가할수록 미장부 표면의 백색도가 증가한다. 또한, 일반적으로는 분말도가 낮은 시멘트를 사용할 경우 미장부 표면의 거칠기가 증가하고 표면의 거칠기가 증가할수록 불균일한 빛반사에 의하여 백색도가 하락하는데, 이와 반대로 [표 1]에서는 시멘트의 분말도가 낮고 표면의 거칠기가 증가할수록 백색도가 증가하는 것이 확인된다. 따라서, 분말도가 낮은 입도개질 시멘트를 사용할 경우 기존 포틀랜드시멘트를 사용하는 경우에 비하여 이산화티탄(TiO2) 분말의 노출도가 증가한다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 일산화질소(NO) 및 질소산화물(NOx)의 제거율은 입도개질 시멘트가 기존의 포틀랜드시멘트에 비해서 2배 이상의 제거율을 보여주고 있는데, 이를 분말도 3,600㎠/g의 기존 포틀랜드시멘트를 기준으로 대비하면 분말도 2,800㎠/g의 입도개질 시멘트가 2배의 제거율을 보이며, 시멘트의 분말도가 감소함에 따라서 일산화질소(NO) 및 질소산화물(NOx)의 제거율이 상승하는 것을 알 수 있다. 평균적으로 기존 포틀랜드시멘트 대비 본 발명에 따른 개질 시멘트의 일산화질소(NO) 및 질소산화물(NOx) 제거율이 약 2.2배 증가하는 것으로 확인된다.
상기 비교예 3은 시멘트의 분말도가 2,000㎠/g일 경우 입경 44㎛ 이상의 미분말이 58.7wt% 포함되는 것으로 확인되며, 공기정화성능은 일반 포틀랜드 시멘트 대비 우수하나 부착성이 급속하게 감소되는 것으로 확인된다. 분말도 2,200㎠/g 미만부터 부착성의 감소가 확인되어, 부착성이 감소되지 않는 범위에서 공기정화성능을 발현하기 위하여 개질 시멘트의 분말도는 2,200~3,000㎠/g 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
[참고도 1]
Figure 112020121220677-pat00001
상기 [참고도 1]은 적용 코팅면의 사진으로 좌측은 기존 포틀랜드시멘트를 표면에 코팅하여 양생한 것이고, 우측은 입도개질 시멘트를 표면에 코팅하여 양생한 것이다. 육안으로 관찰하였을 때 좌측이 우측에 비해서 표면이 매끈한 것을 확인할 수 있으며, 우측은 좌측에 비해서 표면이 더 거칠게 형성되지만 이산화티탄(TiO2) 분말의 노출도가 높아 백색도가 더 높은것을 확인할 수 있다.
[참고도 2]
Figure 112020121220677-pat00002
[참고도 2]는 적용 코팅면의 표면 거칠기(Rz)를 비교한 그래프로, 그래프 좌상부의 상자그림은 분말도 2,400㎠/g의 입도개질 시멘트의 Rz값의 범위를 나타낸 것이고, 우하부의 상자그림은 분말도 3,600㎠/g의 기존 포틀랜드시멘트의 Rz값의 범위를 나타낸 것으로 개질 시멘트는 기존 포틀랜드시멘트에 비해서 표면 거칠기(Rz)가 대폭 상승하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112020121220677-pat00003
Figure 112020121220677-pat00004
Figure 112020121220677-pat00005
기존 포틀랜드 시멘트의
코팅면 표면		 기존 포틀랜드시멘트의
표면 거칠기 3D 영상		 기존 포틀랜드 시멘트의
표면 거칠기 3D 등고선
Figure 112020121220677-pat00006
Figure 112020121220677-pat00007
Figure 112020121220677-pat00008
입도개질 시멘트의
코팅면 표면		 입도개질 시멘트의
표면 거칠기 3D 영상		 입도개질 시멘트의
표면 거칠기 3D 등고선
[표 2]는 광학현미경과 디지털분석장비로 적용 코팅면의 표면을 분석한 사진으로 상측은 기존 포틀랜드 시멘트를 사용한 코팅면의 사진이고, 하측은 입도개질 시멘트를 사용한 코팅면의 사진이다. 상기 사진에서 확인할 수 있듯이 기존 포틀랜드시멘트를 사용한 코팅면에 비해서 입도개질 시멘트를 사용하여 코팅한 표면이 더 불균질하게 형성되어 있으며 표면 거칠기의 정도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 우측의 표면 거칠기 3D 등고선은 표면 거칠기를 직관적으로 비교하기 위하여 표면의 높이에 따라 같은 지점을 연결한 것으로 입도개질 시멘트의 3D 등고선이 기존 포틀랜드시멘트에 비해서 복잡하며 표면 고저차의 변화가 심한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 개질 시멘트는 적용 코팅면의 표면적이 상승하여 대기노출면적이 증가하게 된다.
2. 광촉매 분말( TiO 2 ) 함량별 공기정화성능 비교실험
아래 [표 3]은 입도개질 시멘트에 이산화티탄(TiO2) 분말의 첨가량에 따른 공기정화성능을 비교한 실험결과를 나타낸 것이다.
아래 [표 3]은 기존의 포틀랜드시멘트를 사용하되 분말도 3,600㎠/g이고 이산화티탄(TiO2) 분말을 5중량부 첨가한 경우(비교예 4) 및 분말도 2,400㎠/g의 입도개질 시멘트를 사용하되 이산화티탄(TiO2) 분말을 0.1중량부 첨가한 경우(실시예 3), 이산화티탄(TiO2) 분말을 1중량부 첨가한 경우(실시예 4), 이산화티탄(TiO2) 분말을 5중량부 첨가한 경우(실시예 5) 및 이산화티탄(TiO2) 분말을 10중량부 첨가한 경우(실시예 6), 이산화티탄(TiO2) 분말을 20중량부 첨가한 경우(실시예 7)로 구분하였다. 상기 이산화티탄(TiO2) 분말의 중량부는 각각의 시멘트 100중량부 기준으로 첨가된 중량부이다.
상기 실험 시에는 실험예의 시멘트 페이스트를 물-시멘트비(W/C)를 50%로 일정하게 유지하고, 동일한 형태와 크기의 콘크리트 시험판 표면(아크릴판 표면)에 도포하여 KS L ISO 22197-1 파인세라믹스-반도성 광촉매 재료의 공기정화 성능 측정방법에 기초하여 실험을 진행하였다.
구분 포틀랜드
시멘트
(분말도 3,600cm2/g)		 입도개질 시멘트 (분말도 2,400cm2/g)
비교예 4 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7
부착성 양호 비교적 양호
광촉매 TiO2 함량(중량부) 5 0.1 1 5 10 20
백색도 (L*) 78.1 80.1 80.2 90.0 94.5 95.4
NO 제거율(vol%) 6.4 0.2 2.0 12.1 30.2 45.2
NOx 제거율(vol%) 3.4 0.1 1.0 7.5 17.2 26.0
포틀랜드시멘트(3,600)
대비 공기정화 성능비(%)		 100.0 2.94 29.4 220.6 505.9 764.7
이산화티탄(TiO2) 분말의 첨가량에 차이는 있지만 0.1중량부를 첨가했을 때부터 유의미한 수준(보통 포틀랜드 시멘트의 대비 약 1.5배의 성능)의 공기정화성능이 발현되며, 보다 명확하게는 이산화티탄(TiO2) 분말을 0.1중량부를 첨가했을 경우의 NOx 제거율이 0.2vol%로 명확하게 광활성 반응이 발생하는 것으로 측정이 가능하며 측정가능 범위의 최소치를 선정하여 0.1중량부를 첨가하였을 때부터 광활성 반응이 발생하는 것으로 확인된다.또한, 실시예 7과 같이 이산화티탄(TiO2) 분말을 20중량부를 첨가하였을 경우 마감면의 상태가 양호하나 20중량부를 초과하여 첨가했을 경우 건조수축으로 추정되는 미세균열이 발생하는 것이 확인되어 이산화티탄(TiO2) 분말을 20중량부를 초과하여 첨가할 경우 내구성이 저하될 우려가 있는 것으로 확인되었다. 20중량부를 초과하여 이산화티탄(TiO2) 분말을 첨가할 경우 공기정화성능은 타 실시예 대비 상승하나 미세균열의 발생이 증가하여 내구력이 하락하는 것으로 확인된다. 부착력이 감소하면 시멘트 페이스트가 코팅면에서 떨어져나가 균열이 발생하고, 표면 박리, 박락이 발생하여 코팅면의 강도 저하가 발생할 수 있다. 따라서, 입도개질 시멘트에 첨가되는 이산화티탄(TiO2) 분말의 첨가비는 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 표에서 기존의 포틀랜드시멘트와 대비를 위하여 비교예 4를 추가하였으며, 비교예 4의 이산화티탄(TiO2) 분말의 첨가비율을 실시예 3과 같이 1중량부로 일치시킬 경우 공기정화 성능비는 1/5수준인 20%로 예상된다. 실시예 3은 29.4%로 약 30%로 기존의 포틀랜드시멘트 대비 1.5배의 공기정화 성능을 가져 유의미한 수준의 공기정화성능이 발현됨을 알 수 있다. 따라서, 입도개질 시멘트를 사용할 경우 기존 포틀랜드시멘트 대비 적은양의 이산화티탄(TiO2) 분말로도 공기정화성능을 가지게 되어 재료사용량을 절감할 수 있음이 확인된다.
3. 증점제 혼입비율에 따른 시공성능 비교실험
벽체면에 넓게 펴 바르기 위한 코팅용 시멘트는 페이스트 상태에서 일정 수준의 점도와 작업성이 함께 요구된다.
아래 [표 4]는 광촉매가 첨가된 입도개질 시멘트에 시공성능을 확보하기 위하여 증점제를 첨가하였을 경우 미장 바름성, 흙손 마감성, 표면 겉마름을 측정하여 정리한 것이다.
본 발명에 따른 증점제는 셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성되며, 아래 실험용으로 사용된 증점제는 메틸셀룰로오스 및 폴리사카라이드가 주성분으로 60~90wt% 포함되고, 다당류 및 전분류가 보조적으로 5~20wt% 포함된 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 증점제를 각각의 비교예와 실시예의 시멘트에 혼합하여 증점제의 첨가비율에 따른 시공성능을 평가하였다. 상기 실험 시 물-시멘트비(W/C)는 50%로 일정하게 유지하고, 콘크리트 벽면에 상기 증점제를 첨가한 표면코팅 시멘트를 얇게 펴 바르고 이때의 시공성능을 평가하는 방식으로 실험을 진행하였다.
시공성 평가는 표면 코팅작업 시 중요한 작업성능인자(키워드)를 선정하여 미장 바름성, 흙손 마감성 및 표면 겉마름으로 선정하여 평가하였으며, 미장 바름성은 흙손을 이용하여 콘크리트 표면에 시멘트 페이스트를 바르는 작업을 수행할 경우 바름작업 중 손목에 저항감이 없이 부드럽게 바름작업을 진행할 수 있는지 여부를 판단하여 바름작업의 용이성으로 평가점수를 부여하였다. 흙손 마감성은 시멘트 페이스트 바름작업을 진행하였을 때 표면에 기공이나 긁힘의 발생 정도를 관능평가하고, 흙손에 남아있는 잔여 페이스트를 육안으로 관찰하여 평가점수를 부여하였다. 표면 겉마름은 미장 시공작업이 완료된 경우 표면 겉마름 현상이 발생하는지 여부를 육안으로 관찰하여 평가점수를 부여하였다. 표면 겉마름 현상이 발생할 경우 추가적인 보수작업이 필요하여 시공성이 떨어진다. 상기 작업성능인자는 아주나쁨(1), 나쁨(2), 보통(3), 좋음(4), 아주좋음(5)으로 평가점수를 부여하였다. 실험은 아래 [참고도 3]와 같이 콘트리트 벽면에 직접 펴바르고 [참고도 4]와 같이 각 실험군의 바름면을 관찰하여 비교할 수 있도록 진행하였다.
[참고도 3]
Figure 112020121220677-pat00009
[참고도 4]
Figure 112020121220677-pat00010
구분 W/B(%) 증점제
(중량부) 		평가항목
미장 바름성 흙손 마감성 표면 겉마름
비교예 5 OPC-0 50 - 2 3 2
비교예 6 개발품-0 50 - 1 3 2
실시예 8 개발품-0.3 50 0.3 4 4 4
실시예 9 개발품-0.5 50 0.5 5 5 5
실시예 10 개발품-1.5 50 1.5 3 4 5
비교예 7 개발품-3.0 50 3.0 0 1 5
상기 [표 4]는 기존의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하되, 증점제를 추가하지 않은 경우(비교예 5), 광촉매가 첨가된 입도개질 시멘트를 사용하되, 증점제를 추가하지 않은 경우(비교예 6), 증점제가 0.3중량부 혼입된 경우(실시예 8), 증점제가 0.5증량부 혼입된 경우(실시예 9), 증점제가 1.5증량부 혼입된 경우(실시예 10) 및 증점제가 3.0증량부 혼입된 경우(비교예 7)로 구분하였다. 상기 비교예 및 실시예의 단위는 각각의 시멘트 100중량부에 대비한 중량부로 표시되었다. 증점제를 첨가할 경우 시멘트 페이스트의 점성이 증가하여 증점제의 첨가량이 0.5중량부에서 시공성이 가장 높고 1.5중량부를 초과하는 경우 점도의 증가로 인하여 시공성이 저하되는 것으로 확인된다. 또한, 증점제를 첨가할수록 표면 겉마름의 발생을 방지하는 효과도 비례하여 증가한다. 비교예 7과 같이 증점제를 3.0중량부 추가한 경우 미장 바름성이 0으로 바름작업을 진행하기 어려울 정도로 시공성이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 증점제를 1.5중량부를 초과하여 혼입할 경우 표면 겉마름의 발생은 억제되나 미장 바름성 및 흙손 마감성이 저하되어 시공성이 떨어지게 된다.이에 본 발명에 따른 광촉매가 첨가된 입도개질 시멘트에 혼입되는 증점제는 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 1.5중량부 이하(0중량부 제외)로 더 혼입하는 것이 바람직하다.
4. 분말수지 혼입비율에 따른 부착강도 비교시험
본 발명에 따른 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말의 분리에 따른 공기정화성능의 저하를 방지하고 코팅부의 내구성 보강을 위하여 분말수지를 추가할 수 있다. 상기 분말수지는 비닐아세테이트계, 비닐아세테이트 에틸렌계, 비닐아세테이트 비닐 버사테이트 및 스타이렌-아크릴계 중 어느 하나로 구성되고 부착성을 증가시키는 효과가 있다.
분말수지를 첨가할 경우 부착강도가 증진됨에 따라 광촉매 입자를 시공대상 코팅면에 단단하게 고정하고 표면의 열화를 방지하며 수축저감에 따른 균열을 억제한다. 또한, 시공대상 코팅면의 수밀성이 증가하여 도로, 옥외, 바닷가, 시공현장과 같이 외기의 영향을 그대로 받는 환경에서 염화물이나 수분의 침투를 방지하고 동해 저항성이 강해 광촉매 입자의 변성이나 손상을 방지하는 역할을 한다.
아래 [표 6]은 0×30×5mm(폭×길이×두께) 블럭의 상부면에 공기정화형 표면코팅 시멘트 페이스트를 쇠흙손을 사용하여 2mm 두께로 상단면을 평탄하게 성형한 후 재령 14일이 경과한 시점의 부착강도를 측정한 실험결과를 나타낸 것이다.
부착강도의 측정실험은 아래 [참고도 5] 및 [표 5]에 도시된 바와 같이 KS F 4716(시멘트계 바탕 바름재)에 의거하여 시료 도포면의 상면에 상부 인장용 지그(40×40mm, 가로×세로, 강철제)를 접착제를 이용하여 접착하고, 시료면에 대하여 수직 방향으로 인장력을 가해 최대 인장 하중을 구하는 방식으로 진행되었다.
[참고도 5]
Figure 112020121220677-pat00011
Figure 112020121220677-pat00012
Figure 112020121220677-pat00013
Figure 112020121220677-pat00014
부착강도 시료 컷팅 및 부착 시험기(측정기, 지그, 커넥터) 부착강도 측정
구분 구성재료 부착강도
(MPa)
시멘트
(wt%)		 TiO2
(wt%)		 증점제
(시멘트 조성물 대비 첨가분, 중량부)		 분말수지
(시멘트 조성물 대비 첨가분, 중량부)
비교예 Plain 보통포틀랜드시멘트
95		 5 0.5 - 0.10
실시예 11 VA-0.05 입도개질시멘트
95		 5 0.5 0.05 0.17
실시예 12 VA-0.5 5 0.5 0.5 0.25
실시예 13 VA-1.0 5 0.5 1.0 0.28
실시예 14 VA-2.0 5 0.5 2.0 0.51
실시예 15 VA-3.0 5 0.5 3.0 0.70
* 상기 [표 6]의 실험에서 시멘트 95wt%, 이산화티탄(TiO2) 분말 5wt%의 중량비는 시멘트 100중량부 대비 이산화티탄(TiO2) 분말 5.26중량부로 환산되어 본 발명의 청구범위 이내이다.상기 [표 6]은 비교예 및 실시예의 입도개질 시멘트의 비율을 95wt%, 이산화티탄(TiO2) 분말의 비율을 5wt%, 증점제의 비율을 시멘트 조성물 100중량부 대비 0.5중량부로 일정하게 유지하고, 분말수지는 시멘트 조성물 100중량부 대비 혼입 중량부를 조정하면서 실험을 진행하였다. 이때의 분말수지는 폴리머 분말수지(비닐아세틸렌)을 사용하였다.
상기 [표 6]에서 분말수지의 첨가량 증가에 따라 부착강도는 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 부착강도가 유의미하게 증가하는 분말수지 첨가비율의 최소치는 0.05중량부로 나타나며, 분말수지의 첨가비율이 3.0중량부를 넘어갈 경우 코팅면의 내구성에 저하되는 문제점이 있다. 분말수지의 첨가비율이 3.0중량부를 초과할 경우 시멘트 페이스트의 혼합성이 저하되어 내구도가 저하되는 것으로 확인된다. 따라서, 입도개질 시멘트에 첨가되는 분말수지의 첨가비는 시멘트 조성물 100중량부 대비 0.05~3.0중량부의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이산화티탄(TiO2) 분말은, 입경 20㎛ 이상의 미분말이 20wt%를 초과하지 않도록 포함된 것이 바람직하다. 이산화티탄 분말의 입경이 작을수록(분말도가 클수록) 동일한 중량 기준으로 노출면적이 증가하므로 입경 20㎛ 이상 미분말의 포함비율이 높을수록 이산화티탄(TiO2) 분말의 노출면적이 감소하게 된다.
따라서, 입경 20㎛ 이상의 미분말을 중량비 20wt%를 초과하지 않도록 포함하여 최적의 공기정화성능을 발현하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 입도개질을 통하여 가공되어 낮은 분말도를 가진 시멘트에 광촉매인 이산화티탄(TiO2) 분말을 첨가하여 이산화티탄(TiO2) 분말의 대기 노출면적을 증가시켜 공기정화성능을 향상시키고, 점성을 증가시키는 증점제를 혼입하여 보수성 확보 및 블리딩을 방지하고 시공성이 우수해지는 효과가 있으며, 분말수지를 혼입하여 코팅면의 부착강도를 향상시키는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 광촉매의 성능을 증가시키면서도 광촉매의 분리를 방지하고 코팅면의 강도를 증가시킬 수 있는 조성물을 제공하여, 상기 조성물을 사용하여 광촉매를 건설재료에 고정할 경우, 기존의 광촉매를 고정화하는 방법에 적용된 재료들에 대비해 공기정화성능이 우수하고, 기존의 단점을 보완할 수 있다. 이는 기존의 광촉매를 건설재료에 고정하는 방식들과 차별화된 고정방식을 제공한다. 하기 표 5에서는 건설재료를 광촉매에 고정하는 기존 방법들의 장단점과 본 발명에 따른 조성물을 비교하였다.
구분 치환방식 침투방식 코팅방식 본 발명
고정방법 시멘트의 일부를 광촉매로 치환 표면 침투제를 혼합하여 광촉매를 마감면 표면에 침투 무기계 접착제 또는 유기계 접착제를 이용하여 표면부에 코팅 입도개질 시멘트에 광촉매를 혼합하여 표면부에 코팅
장점 ●광촉매를 고르게 분포시킬수 있음
●마감층의 마모가 적음		 ●광촉매반응의 증가
●마모에 따른 위험성 감소		 ●간단한 시공법
●저렴한 가격		 ●간단한 시공법
●재료절감
●광촉매의 효율증가
●분말수지의 추가로 페이스트의 열화에 따른 파손방지
단점 ●광촉매반응의 효율성 저하
●광촉매 사용량 증가
●비용증가		 ●광촉매를 침투시키기 어려움
●페이스트의 열화 촉진으로 인한 코팅면 파손우려		 ●유기계 접착제가 광촉매의 화학반응에 의하여 분해
●무기계 접착제를 사용하는 경우 광촉매 활성도저하
상기 [표 7]과 같이 본 발명은 코팅방식 또는 치환방식과 일부 유사하나 입도개질 시멘트에 증점제, 분말수지를 추가하여 코팅방식이나 치환방식의 단점을 모두 보완하고 있으며, 재료를 절감하면서 광촉매의 성능을 효율적으로 높일 수 있다.
상기 광촉매 고정방식들은 각각 조성물과 시공법의 개량을 거듭하며 기술발전에 대한 연구를 진행중이다. 본 발명에 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 사용한 과촉매 고정방식은 시멘트의 일부를 치환하고 표면부에 코팅하는 방식으로 치환방식과 코팅방식과 일부 유사하나 낮은 분말도를 가진 시멘트를 사용하여 표면 코팅시 표면의 거칠기가 증가하고 이에 따라 광촉매의 반응성을 향상시키는 방식으로 기존의 방식들과 차별성을 가진다. 코팅면에 얇게 코팅되더라도 높은 공기정화성능을 발현할 수 있으며, 구조물의 마감재로서의 기능도 충실하게 수행할 수 있도록 부착성 및 강도가 우수하고 일부 코팅면이 파손되더라도 덧바름이나 뿜칠로 손쉽게 복구할 수 있다. 분말도가 다른 시멘트를 사용하여 다른 고정방식들과 차별화된 효과와 시공법을 가지게 되므로 본 발명의 조성물을 사용한 광촉매 고정방식을 '시멘트 코팅방식'으로 호칭할 수 있을 것이다. 아래 [참고도 6]은 상기의 내용을 참조하여 기존의 광촉매 고정방식과 시멘트 코팅방식으로 칭할 수 있는 본 발명에 따른 광촉매 고정방식의 기술발전 방향을 모식적으로 도시한 것이다. 아래 참고도에서 볼 수 있듯이 기존의 광촉매 고정방식과 본 발명에 따른 시멘트 코팅방식은 광촉매를 고정시키는 방식에서 큰 차별점이 존재하므로 각 방식은 서로 기술적으로 치환되거나 대체될 수 없고 독자적으로 기술발전이 이루어지게 될 것이다.
[참고도 6]
Figure 112020121220677-pat00015
따라서, 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은 시공대상 벽면에 1~5mm 두께로 코팅하는 것이 바람직하다. 외기와 접하는 표면에서만 광촉매 반응이 발생하므로, 빛이 투과되지 않는 내부에 혼입된 광촉매는 광촉매 반응의 활성도가 저하되어 비효율적이다. 따라서, 1~5mm 두께로 시공대상 벽면의 표면을 코팅할 경우 혼입되는 광촉매의 사용량을 줄이면서도 광촉매의 반응면적이 극대화되어 경제적이고 효율적이다.
상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 시공 대상 벽면 표면에 코팅하는 최적의 시공법을 정리하면 하기와 같다.
(a) 보통 포틀랜드시멘트를 가공한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이상의 미분말이 30wt% 이상 포함된 개질 시멘트; 및 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말; 을 포함하여 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 준비하는 단계;
(b) 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 물을 혼합한 표면 코팅재를 제조하는 단계;
(c) 시공 대상 벽면에 상기 표면 코팅재를 도포하여 미장면을 생성시키는 단계;
상기 (a)단계를 통하여 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물을 준비한다. 현장 혼합 또는 공장에서 미리 조성된 분체형태로 제공될 수도 있다. 분체형의 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 물을 혼합하여 페이스트 형태의 표면 코팅재를 제조한다. 상기 표면 코팅재는 흙손을 이용한 펴바름 방식이나 뿜칠기구를 이용한 뿜칠 시공법으로 도포되므로 시공성(점도, 유동성)을 확보하기 위하여 혼합되는 물의 양을 조절할 수 있다.
상기 (c)단계의 도포방식에서 펴바름 방식은 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 물을 혼합한 표면 코팅재를 도포하지만, 뿜칠 시공법은 물 이외에 모래를 더 혼합한 표면 코팅재를 사용할 수 있다. 상기 뿜칠 시공법에서 뿜칠기구는 주로 스프레이 건을 사용하며, 스프레이 건은 압축공기의 힘으로 물과 혼합된 시멘트 페이스트를 안개의 형태로 분사하는 방식으로 시공 대상 벽면 표면에 코팅을 진행한다. 스프레이 건으로 분사할 경우 코팅면이 얇은 막으로 형성되므로 1~5mm 두께의 코팅면을 형성하기 위하여 수차례에 걸쳐 분사를 진행하게 된다. 뿜칠 시공법은 유동성의 확보를 위하여 흙손을 이용한 펴바름 시공법에 비해 가수량(加水量)을 더 증가시킬 수 있다. 뿜칠 시공법으로 시공할 때 시멘트 페이스트만으로 뿜칠하여 시공할 경우 시공 대상 벽면에 코팅된 시멘트 페이스트가 중력에 의하여 흘러내리거나 코팅면이 처지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 뿜칠 시공법에서는 코팅면의 강도를 증가시키기 위하여 시멘트 페이스트에 모래를 혼합함으로써 중력에 의한 처짐이나 흘러내림을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모래는 입경 0.075~4.5mm의 입도분포를 가지고 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물 100중량부 대비 100~800중량부 혼입된 것을 특징으로 하는데, 상기와 같이 뿜칠 시공법에서 코팅면의 강도를 증가시키기 위하여 혼입되는 모래는 표면코팅 시멘트 조성물 100중량부 대비 최소 100중량부 이상 혼입될 때부터 흘러내림 또는 처짐현상을 방지할 수 있으며, 800중량부를 초과하여 혼입될 경우 표면강도가 저하되고 코팅면의 무게가 증가하여 코팅면이 파손될 가능성이 있다. 따라서, 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 혼입되는 모래는 표면코팅 시멘트 조성물 100중량부 대비 100~800중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
모래의 입도분포 범위에서 입경 0.075mm 미만일 경우 시공성 확보를 위한 단위수량이 증가하여 내구성이 저하하며, 입경 4.5mm를 초과할 경우, 잔골재의 입도범위를 초과하고 모래 입자가 코팅면의 두께를 초과하여 광촉매의 노출도를 낮추며 코팅면의 내구도가 낮아지고 스프레이 건의 노즐을 막아 분사가 원할하게 이루어지지 않는 문제점이 있다. 따라서, 상기 모래는 입경 0.075~4.5mm의 입도분포를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c)단계에서는 1~5㎜ 두께로 미장면을 생성시킬 수 있다. 광촉매 반응은 코팅면의 표면에서만 발생하므로, 코팅면이 두꺼울 경우 빛이 투과되지 않는 코팅면의 내측부에 고정된 광촉매 분말은 광촉매 반응이 발생하지 않으므로 비효율적이다. 따라서, 코팅강도를 확보하고 광촉매 반응을 효율적으로 발생시킬 수 있는 최적의 두께인 1~5㎜ 두께로 코팅면의 두께를 한정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 미장면이 1~5㎜ 두께로 생성되어 신축건축물은 물론 마감재 공사가 완료된 기존의 건축물에도 도포가 가능하다. 마감재 공사가 완료된 건물에서 추가적인 코팅작업을 진행할 경우, 코팅재료에 의한 추가적인 하중이 가해져 마감면의 탈락, 박락이 발생할 가능성이 있다. 그러나, 본 발명에 의한 시공법으로 미장면을 생성할 경우 재료의 하중에 대한 부담을 줄일 수 있고, 내부에 매립되는 광촉매 분말의 비율을 낮춰 광촉매의 활용도를 높이고 재료의 사용량을 낮출 수 있다.
상기 (a)단계의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은, 셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성된 분말형 증점제가 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 1.5중량부 이하(0중량부 제외) 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면 코팅재 미장 시공법을 제공한다. 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물의 조성비에서 전술한 바와 같다.
상기 (a)단계의 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물은, 비닐아세테이트계, 비닐아세테이트 에틸렌계, 비닐아세테이트 비닐 버사테이트 및 스타이렌-아크릴계 중 어느 하나로 구성된 분말수지가 상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.05~3.0중량부 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면 코팅재 미장 시공법을 제공한다. 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물의 조성비에서 전술한 바와 같다.
상기 (a)단계의 이산화티탄(TiO2) 분말은 입경 20㎛ 이상의 미분말이 20wt%를 초과하지 않도록 포함된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면 코팅재 미장 시공법을 제공한다. 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물의 조성비에서 전술한 바와 같다.
상기 (b)단계는 상기 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물에 물을 혼합해서 시멘트 페이스트를 제조하는 단계로 개질 시멘트, 광촉매 분말, 증점제 및 분말수지를 본 발명의 제공비율 내에서 적절한 비율로 배합된 상태(분체 조성물)로 제공할 수 있다. 작업 현장에서 물 만을 배합하고 믹싱하여 간단하게 사용 가능하므로 작업시간이 크게 단축된다. 또한, 상기에서 설명한 바와 같이 뿜칠 시공법으로 도포할 경우 모래를 더 추가한 모르타르 형식으로 제조할 수도 있다.
상기 (c)단계는 시공 대상 벽면에 상기 표면 코팅재를 도포하여 미장면을 생성시키는 단계로 미장면의 두께가 얇게 형성되기 때문에, 상기 (b)단계 실시 후, (b-1) 시공 대상 벽면을 평탄화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 콘크리트 벽체면의 요철을 제거하고, 기포자국이나 패인 자국 등을 메꿔 매끄럽게 처리함으로써, 후속 작업을 원할하게 할 수 있다.
이때, 이산화티탄(TiO2) 분말은 백색의 분말로 코팅면의 색상 발현에 큰 영향을 주지 않으므로 코팅면의 일부에 채색작업을 진행할 경우 바탕면의 기능을 수행할 수 있다. 1~5㎜ 두께로 얇게 형성된 코팅면은 이산화티탄(TiO2) 분말의 비표면적을 증가시켜 반응성을 향상시킨다. 이에 따라 상기 코팅면에 부딛힌 오염된 공기는 상기 코팅면의 표면에 노출된 이산화티탄(TiO2)에 흡착되고, 이 상태에서 빛을 받음에 따라 오염된 공기에 포함된 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 화학적으로 분해하여 이산화탄소와 물을 배출시킨다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이전 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (4)

  1. 건축/토목 구조물의 마감면에 코팅 시공하는 표면 코팅재로 사용하기 위한 시멘트 조성물로서,
    보통 포틀랜드시멘트를 가공한 것으로서, 2,200~3,000㎠/g의 분말도를 가지고, 입경 44㎛ 이상의 미분말이 30wt% 이상 포함된 개질 시멘트; 및
    상기 개질 시멘트 100중량부 대비 0.1~20중량부 첨가된 이산화티탄(TiO2) 분말; 을 포함하여 코팅면의 표면이 불균질하게 형성됨으로써, 대기에 노출되는 이산화티탄(TiO2) 입자의 비표면적을 증대시키도록 조성된 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물.
  2. 제1항에서,
    셀룰로스계 또는 아미드계 중 어느 하나로 구성된 분말형 증점제가,
    상기 개질 시멘트 100중량부 대비 1.5중량부 이하(0중량부 제외)로 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물.
  3. 제1항에서,
    비닐아세테이트계, 비닐아세테이트 에틸렌계, 비닐아세테이트 비닐 버사테이트 및 스타이렌-아크릴계 중 어느 하나로 구성된 분말수지가,
    상기 개질 시멘트 100중량부 대비, 0.05~3.0중량부 더 혼입된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 이산화티탄(TiO2) 분말은,
    입경 20㎛ 이상의 미분말이 20wt%를 초과하지 않도록 포함된 것을 특징으로 하는 공기정화형 표면코팅 시멘트 조성물.
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