본 발명은 초속경 시멘트; 골재; 초속경 시멘트 중량 대비 실리카흄 3~13중량%;를 포함하는 보수공사를 위한 건식 숏크리트용 프리믹스 조성물을 제시함으로써, 초속경 및 고내구성의 품질을 얻을 수 있으면서도 분진발생률과 리바운드 발생을 최소화하며, 특히 콘크리트포장의 줄눈 및 표면 손상부 보수의 경우 간편하고 신속하게 보수작업을 수행할 수 있도록 한다.
□ 기술개요해당 기술은 입자 상태에서 나노크기(100nm이하)를 가지고 있는 층상 클레이(clay)의 제조 및 그것을 이용한 고분자/클레이 나노복합재료의 제조방법에 관한 것이다. 일반적으로 층상 구조를 가지고 있는 클레이는 스멕타이트(smectite)계의 클레이로서 이러한 클레이는 제1도 에서 나타낸 것과 같이 Si사면체와 Al팔면체가 2:1의 비율로 3층판(Si-Al-Si)구조를 이루는 층상구조(layer structure)를 가지고 있다. 스멕타이트계에서 층상구조를 이용하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 것은 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 세포나이트(saponite)와 같은 것들이 있는데, 그 가운데에서도 물 속에서 팽윤성이 크고 분산성이 가장 좋은 몬모릴로나이트(montmorillonite:MMT)가 가장 일반적으로 사용되고 있다.층상구조를 가지고 있는 MMT는 phyllosilicates의 화학 구조식인 Al2Si4(OH)로 형성되어 있으며, aluminum oxide 중간층인 gibbsite layer에서 +3가의 Al이 +2가인 magnesium으로 치환되고, 이에 따라서 MMT의 표면에 -1가 만큼의 교환성 이온을 가지게 되며, 부족한 전하를 만족시킨 성분에 따라서 Na+로 만족시킨 형태가 Na+형-MMT이고, Ca+로 만족시킨 형태가 Ca+형-MMT이다.일반적인 스멕타이트계 클레이의 특성은 층상구조 사이에 존재하는 양이온과 물사이에 작용하는 수화작용에 의하여 클레이의 층과 층사이에 물분자가 들어가게 되고 이러한 작용과 더불어 교반기와 같은 장치를 이용하여 외력을 가하여 주게되면 클레이의 층과 층이 수중에서 박리되어 한층의 두께가 약 1나노미터(nm)의 두께를 갖는 각각의 층으로 박리되어 슬러리 상태로 수중에 존재하게 된다.이러한 슬러리 상태의 클레이는 수분을 건조하면 클레이의 층간에 작용하는 강력한 분자간력으로 인하여 클레이를 수중에 수화시키기 전과 같은 상태로 환원이 되는 것으로 알려져 있다. 또한, 이러한 입자를 이용한 고분자/클레이 복합재료의 경우에도 매트릭스재료인 고분자 재료와 혼합하는 등의 공정을 거쳐도 클레이의 층과 층이 나노 두께를 갖는 상태로 박리 되는 작용이 발생하지 않기 때문에 나노복합재료가 아닌 일반적인 복합재료가 제조되게된다.상기와 같은 문제를 해결하고 클레이를 이용한 나노복합재료용 클레이를 제조하기 위해서 일반적으로 클레이를 처리하는 방법은 클레이의 층간에 존재하는 교환성 양이온을 유기개질제로 치환시켜서 클레이의 층간거리를 증가시키는 유기화 공정을 거쳐서 유기화된 클레이를 제조하는 미국특허 제4,889,885 및 4,810,734등과 같은 방법으로 유기화 클레이를 제조하여 사용하는 방법이 사용되고 있다.그러나, 상기특허와 같은 방법으로 제조된 클레이는 입자상태에서는 크 크기가 마이크로 크기를 가지고 있으므로 이러한 클레이가 나노화가 되기위해서는 클레이와 고분자 매트릭스재료간의 상호작용이 가능한 재료를 사용하여야 한다는 제약이 발생하게 되며, 클레이의 유기화 과정에 매우 많은 시간과 공정이 필요하게되고 환경적으로도 유기화제를 처리하는과정에서 환경에 유해한 물질이 발생하는등 많은 문제점이 있다.해당 기술은 상기의 문제점을 해결하고 입자상태에서 이미 입자의 두께가 나노 크기를 갖는 클레이를 제조하여 나노복합재료를 제조함에 있어서 고분자 매트릭스의 종류에 제한을 받지않고 나노 두께를 갖는 클레이를 첨가하는 것만으로 고분자/클레이 나노복합재료를 제조 할 수 있도록 하기 위한 것이다.해당 기술은 입자상태에서 입자의 두께가 나노 크기를 갖는 클레이를 제조하기위한 방법으로 분무건조 방법을 이용하였다. 분무건조방법(제2도)을 이용한 나노 두께를 갖는 클레이를 제조하기위해서는 마이크로 크기를 가지고 있는 스멕타이트계 클레이의 수중에서의 수화성을 이용하여 클레이와 물을 혼합하여 클레이의 층과 층이 수중에서 나노 크기로 박리 된 상태의 슬러리(slurry)를 제조하고 이러한 슬러리를 분무건조기의 분무 노즐을 통하여 이미 온도가 높은 상태로 예열 된 분무관 속으로 고압으로 분무하게 되면 물과 함께 여러 개의 층이 박리 된 상태로 수중에 존재하던 나노 두께를 갖는 클레이 입자가 분무되는 물 입자 속에 나노 크기로 존재하게 된다. 이러한 분무 된 물 입자는 안개와 같은 상태로 분무되기 때문에 분무건조기의 분무관 내부의 온도에 접촉하게 되면 순간적으로 건조되어 나노 두께를 갖는 입자가 제조된다. 이와 같은 분무건조방식에 의하여 제조된 클레이는 그 공정이 매우 간단하고 환경적으로는 어떠한 유해물질도 사용하지 않기 때문에 매우 친환경적인 방법이라고 할 수 있다. 제3도는 분무건조전 클레이를 나타내었다. 제4도는 기존의 유기화방식에 의한 유기화클레이 제조방법과 분무건조법에 의한 나노클레이입자의 제조공정을 비교하여 나타내었다. 그림에서와 같이 분무건조에 의한 나노클레이 입자의 제조방식이 기존 공정과 비교하여 제조공정이 매우 단순하고 제조된 최종입자의 크기가 나노크기(100nm이하)를 갖게 된다는 것을 알 수있다. 제5도는 분무건조방식으로 제조된 나노클레이('a'나노클레이의 면방향 형태, 'b'나노클레이의 두께방향 형태)를 나타내었다. □ 기술특징1.기술성기존의 고분자/클레이 나노복합재료용 나노클레이 제조기술은 필수적으로 유기화 공정을 통하여 일차적으로 유기화클레이를 제조하고 그것을 사용하는 방식을 이용하였다. 그러나, 이러한 유기화클레이는 입자상태에서 입자의 크기나 두께가 마이크로 크기를 가지고 있고 입자의 형상 또한 벌크형태를 가지고 있기 때문에 그것을 이용하여 고분자/클레이 나노복합재료를 제조하기위해서는 클레이와 고분자의 상호작용 즉 기계적인 혼합에 의한 전단력을 가하여 준다든지 또는 용제를 사용하여 유기화클레이의 층간에 존재하는 유기화제를 용해 시켜 클레이를 박리 시키는 등의 공정을 거쳐서 나노화된 복합재료를 얻는 것이 일반적인 방식이었다.본 기술이 상기의 기술과 비교하여 우위에 있는 것은 유기화제를 클레이의 층간에 처리하는 유기화 방식을 사용하지 않고 입자상태에서 입자의 두께가 나노크기를 갖는 입자를 제조 할 수 있다는데에 있다.해당 기술은 유기화방식을 사용하지 않음에 따라서 장시간에 걸친 반응시간이 필요없으며, 환경에 유해한 유기화제를 사용치 않음에 따라서 유기화공정에서 부수적으로 발생되는 폐수가 발생되지 않는등 친환경적인 나노클레이 제조 방법이라고 할 수 있다. 또한, 클레이의 크기나 형태가 입자상태에서 이미 나노크기와 판상형태를 가지고 있기 때문에 고분자와의 혼합만으로 고분자/클레이 나노복합재료를 제조 할 수 있는등의 장점을 가지고 있다.2.기술동향층상구조를 가지고 있는 clay를 이용한 고분자 나노복합체의 제조와 관련된 기술 동향은 일반적으로 clay의 유기화처리 공정이라고 부르고 있는 방식을 통하여 유기화클레이(clay)를 제조하는 것으로부터 시작된다. 유기화 공정은 저분자량의 유기화제를 clay의 층상구조에 삽입시켜서 고분자의 침투를 쉽게하여 주는 과정이라고 할 수 있다. 제조된 유기화 clay를 이용하여 나노복합체를 제조하는 방식은 용액법, 중합법, 컴파운딩법 등이 있다. 용액법은 유기화 clay를 고분자 용액에 침지시켜 용매가 clay의 층간에 침투하여 층간이 박리되거나 층간거리를 확대시켜 층간에 고분자가 쉽게 삽입되도록하는 방식이며, 중합법은 clay의 층간에 단량체를 삽입시킨후에 층간중합을 거쳐 clay 시트를 분산시키는 방식이다.또한, 컴파운딩법은 용융상태의 고분자 수지에 clay를 기계적인 혼합에 의한 전단력 등으로 clay 시트(sheet)를 박리시키거나 시트와 시트사이인 clay의 층간에 고분자 수지를 삽입시켜 복합체를 만드는 방식이며, 이와 같은 방식들이 clay를 이용한 나노복합체 제조와 관련된 일반적인 기술동향이다.3.사업성해당 기술은 기존의 기술과 비교하여 표.1에 나타낸 것처럼 여러가지 차이점을 가지고 있으며, 그밖에 기존 유기화 클레이는 상기에서 기술된 것과 같이 고분자에 투입되어 clay의 박리 또는 수지의 층간삽입이라는 과정을 통하여 나노복합체가 되도록 되어있다. 그러나, 해당 기술에의하여 제조된 clay는 입자의 두께가 이미 나노크기를 가지고 있고 형태도 판상을 가지고 있으므로 고분자와 혼합하는 것만으로 나노복합체 제조가 가능하다는 장점이 있기 때문에 활용도 면에서 더욱 앞선다고 할 수 있다.
금속-폴리머 복합재료에 있어서 금속 재료로 매트릭스를 이루어 금속 재료 고유의 물리적 특성을 담보하고, 나노 금속 입자 각각의 표면 상에 폴리머층이 형성됨과 함께 폴리머층이 네트워크를 형성하도록 하여 나노 금속 입자들의 연결 특성을 강화시킬 수 있는 금속-폴리머 복합재료 제조방법에 관한 것으로서, 해당 기술에 따른 금속-폴리머 복합재료 제조방법은 단분자 용액 내에 나노 금속 입자, 개시제 및 분자량 조절제를 혼합하여 교반하는 단계와, 원심분리기용 튜브 내에 상기 교반된 용액을 주입한 다음, 해당 원심분리기용 튜브를 원심분리기 내에 장착시킨 후 원심분리하는 단계와, 상기 원심분리에 의해, 상기 원심분리기용 튜브의 일단에 상기 나노 입자들이 자기조립되어 자기조립된 성형물을 형성하고, 상기 자기조립된 성형물 상에 고분자 용액층이 위치되는 단계와, 상기 자기조립된 성형물과 고분자 용액층을 열처리하여 경화시키는 단계 및 상기 고분자 용액층을 제거하여 금속-폴리머 복합재료를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
폴리머 기판 간의 접합력을 결정하는 요인은 기판 표면의 미세구조와 화학적 성질의 의해 결정된다. 해당 기술은 금 나노입자를 마스크로 사용하고 간단한 건식 식각공정을 통해 기판 표면에 나노수준의 미세한 거칠기를 부여함으로써 기판 간의 부착력을 효과적으로 증대시키는 방법이다. 이때, 기판은 폴리머 재질을 가지며, 공정 과정은 산소 플라즈마 처리, 연결 분자 코팅, 금 나노입자 고정, 건식 식각, 나노입자 제거 등의 일련의 과정으로 이루어진다. 해당 기술은 금 나노입자를 사용하는 매우 단순한 공정으로 획기적인 접합력 개선을 이룩할 수 있는 매우 유용한 기술이다. 특히, 기존의 구조와 공정에 쉽게 호환 가능한 특성을 지니고 있어 매우 빠른 사업적 유용성을 지닌다. 이 기술의 응용 범위는 가장 직접적으로 소자의 패키징에서부터 널리 다양한 형태의 다층 구조의 적층에 있어서 접합 특성의 개선등에 이르기까지 매우 광범위하다. 따라서, 시장은 작게는 특수한 제품의 불량개선에서 크게는 다양한 부착력 개선 솔루션으로 이어져 그 규모를 간단히 가늠하기 어렵다. 기술을 적용할 때 기대되는 효과는 기술의 적용 사업 규모에 따라 상이할 것이며 소자의 패키징 등에 활용되는 경우 불량률을 현저히 줄여 제품의 신뢰성 및 수익성 제고에 크게 기여할 것이다.