건식 모르타르 제조에 일반적으로 사용되는 혼화제의 종류, 성능 특성, 작용 메커니즘 및 건식 모르타르 제품의 성능에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 특히 셀룰로오스 에테르 및 전분 에테르와 같은 보수제, 재분산성 라텍스 분말 및 섬유 재료가 건식 모르타르의 성능 향상에 미치는 효과에 대해 중점적으로 논의하였다.
혼화제는 건식 모르타르의 성능 향상에 중요한 역할을 하지만, 혼화제 첨가로 인해 건식 모르타르 제품의 재료비가 기존 모르타르보다 훨씬 높아지며, 전체 재료비의 40% 이상을 차지합니다. 현재 상당 부분의 혼화제가 해외 제조업체에서 공급되고 있으며, 제품의 권장 배합비 또한 공급업체에서 제공하고 있습니다. 그 결과, 건식 모르타르 제품의 가격이 높게 유지되고 있으며, 대량 및 광범위한 면적에 사용되는 일반적인 벽돌 및 미장 모르타르의 보급이 어렵습니다. 고급 시장은 해외 기업이 장악하고 있어 건식 모르타르 제조업체는 수익률이 낮고 가격 인하 여력이 부족합니다. 또한, 의약품을 활용한 체계적이고 구체적인 연구가 부족하고, 해외 제조법을 맹목적으로 따라가는 경향이 있습니다.
위와 같은 이유로 본 논문에서는 일반적으로 사용되는 혼화제의 몇 가지 기본 특성을 분석 및 비교하고, 이를 바탕으로 혼화제를 사용한 건식 혼합 모르타르 제품의 성능을 연구한다.
1. 수분 보유제
보수제는 건식 모르타르의 보수 성능을 향상시키는 핵심 혼화제이며, 건식 모르타르 재료의 가격을 결정하는 주요 혼화제 중 하나이기도 합니다.
1. 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스 에테르(HPMC)
하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 알칼리 셀룰로오스와 에테르화제가 특정 조건에서 반응하여 생성되는 일련의 생성물을 총칭하는 용어입니다. 알칼리 셀룰로오스 대신 다른 에테르화제를 사용하면 다양한 셀룰로오스 에테르를 얻을 수 있습니다. 치환기의 이온화 특성에 따라 셀룰로오스 에테르는 이온성(예: 카르복시메틸셀룰로오스)과 비이온성(예: 메틸셀룰로오스)으로 나눌 수 있습니다. 치환기의 종류에 따라 단일 에테르(예: 메틸셀룰로오스)와 혼합 에테르(예: 하이드록시프로필메틸셀룰로오스)로 구분됩니다. 용해도에 따라 수용성(예: 하이드록시에틸셀룰로오스)과 유기 용매 가용성(예: 에틸셀룰로오스) 등으로 나눌 수 있습니다. 건식 혼합 모르타르는 주로 수용성 셀룰로오스를 사용하며, 수용성 셀룰로오스는 즉시 용해형과 표면 처리 지연 용해형으로 구분됩니다.
모르타르에서 셀룰로오스 에테르의 작용 메커니즘은 다음과 같습니다.
(1) 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 찬물에 쉽게 용해되지만 뜨거운 물에는 용해되기 어렵습니다. 그러나 뜨거운 물에서의 겔화 온도는 메틸셀룰로오스보다 상당히 높습니다. 또한 찬물에서의 용해도도 메틸셀룰로오스에 비해 크게 향상되었습니다.
(2) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 점도는 분자량과 관련이 있으며 분자량이 클수록 점도가 높아집니다. 온도 또한 점도에 영향을 미치며 온도가 증가함에 따라 점도는 감소합니다. 그러나 메틸셀룰로오스보다 높은 점도를 가지므로 온도의 영향이 적습니다. 이 용액은 상온에서 보관해도 안정합니다.
(3) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 수분 보유량은 첨가량, 점도 등에 따라 달라지며, 동일한 첨가량에서 수분 보유율은 메틸셀룰로오스보다 높다.
(4) 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 산과 알칼리에 안정하며, 그 수용액은 pH=2~12 범위에서 매우 안정하다. 가성소다와 석회수는 그 성능에 거의 영향을 미치지 않지만, 알칼리는 용해 속도를 높이고 점도를 증가시킨다. 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 일반 염에 안정하지만, 염 용액의 농도가 높을수록 히드록시프로필메틸셀룰로오스 용액의 점도가 증가하는 경향이 있다.
(5) 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 수용성 고분자 화합물과 혼합하여 균일하고 점도가 높은 용액을 형성할 수 있습니다. 예를 들어 폴리비닐알코올, 전분에테르, 식물성 검 등이 있습니다.
(6) 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 메틸셀룰로오스보다 효소 저항성이 더 우수하고, 그 용액은 메틸셀룰로오스보다 효소에 의해 분해될 가능성이 적습니다.
(7) 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스의 모르타르 구조물에 대한 접착력은 메틸셀룰로오스보다 높다.
2. 메틸셀룰로오스(MC)
정제된 면을 알칼리 처리한 후, 에테르화제인 염화메탄을 사용하여 일련의 반응을 통해 셀룰로오스 에테르를 생성합니다. 일반적으로 치환도는 1.6~2.0이며, 치환도에 따라 용해도 또한 다릅니다. 이는 비이온성 셀룰로오스 에테르에 속합니다.
(1) 메틸셀룰로오스는 찬물에 용해되며 뜨거운 물에는 용해되기 어렵습니다. 수용액은 pH=3~12 범위에서 매우 안정합니다. 전분, 구아검 등과 많은 계면활성제와 상용성이 좋습니다. 온도가 겔화 온도에 도달하면 겔화가 일어납니다.
(2) 메틸셀룰로오스의 수분 보유율은 첨가량, 점도, 입자 미세도 및 용해 속도에 따라 달라진다. 일반적으로 첨가량이 많고, 입자 미세도가 작으며, 점도가 높을수록 수분 보유율이 높다. 이 중 첨가량이 수분 보유율에 가장 큰 영향을 미치며, 점도 수준은 수분 보유율 수준과 직접적인 비례 관계가 없다. 용해 속도는 주로 셀룰로오스 입자의 표면 개질 정도와 입자 미세도에 따라 달라진다. 상기 셀룰로오스 에테르 중에서 메틸셀룰로오스와 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 수분 보유율이 높다.
(3) 온도 변화는 메틸셀룰로오스의 수분 보유율에 심각한 영향을 미칩니다. 일반적으로 온도가 높을수록 수분 보유력이 떨어집니다. 모르타르 온도가 40°C를 초과하면 메틸셀룰로오스의 수분 보유력이 크게 감소하여 모르타르 시공에 심각한 영향을 미칩니다.
(4) 메틸셀룰로오스는 모르타르의 시공성과 접착력에 상당한 영향을 미칩니다. 여기서 "접착력"이란 작업자의 시공 도구와 벽면 기판 사이에 느껴지는 접착력, 즉 모르타르의 전단 저항을 의미합니다. 접착력이 높으면 모르타르의 전단 저항이 크고, 사용 과정에서 작업자가 요구하는 강도 또한 크며, 모르타르의 시공 성능이 떨어집니다. 메틸셀룰로오스의 접착력은 셀룰로오스 에테르 제품 중에서 중간 수준입니다.
3. 하이드록시에틸셀룰로오스(HEC)
알칼리 처리된 정제면을 아세톤 존재 하에 에테르화제인 에틸렌옥사이드와 반응시켜 제조합니다. 치환도는 일반적으로 1.5~2.0입니다. 친수성이 강하고 수분 흡수력이 뛰어납니다.
(1) 히드록시에틸셀룰로오스는 찬물에 용해되지만 뜨거운 물에는 용해되기 어렵습니다. 이 용액은 고온에서도 겔화되지 않고 안정합니다. 모르타르에서 고온에 장시간 사용할 수 있지만 수분 보유력은 메틸셀룰로오스보다 낮습니다.
(2) 히드록시에틸셀룰로오스는 일반적인 산과 알칼리에 안정하다. 알칼리는 용해를 촉진하고 점도를 약간 증가시킬 수 있다. 물에 대한 분산성은 메틸셀룰로오스와 히드록시프로필메틸셀룰로오스보다 약간 나쁘다.
(3) 히드록시에틸셀룰로오스는 모르타르에 대해 우수한 처짐 방지 성능을 가지고 있지만 시멘트에 대해서는 지연 시간이 더 길다.
(4) 일부 국내 기업에서 생산한 하이드록시에틸셀룰로오스의 성능은 수분 함량과 회분 함량이 높아 메틸셀룰로오스보다 현저히 낮다.
전분 에테르
모르타르에 사용되는 전분 에테르는 감자, 옥수수, 카사바, 구아르콩 등과 같은 다당류의 천연 중합체를 변형시킨 것입니다.
1. 변성 전분
감자, 옥수수, 카사바 등에서 추출한 변성 전분 에테르는 셀룰로오스 에테르보다 수분 보유력이 현저히 낮습니다. 변성 정도에 따라 산 및 알칼리 안정성도 다릅니다. 일부 제품은 석고계 모르타르에 적합하고, 다른 제품은 시멘트계 모르타르에 사용할 수 있습니다. 모르타르에 전분 에테르를 사용하는 주된 용도는 증점제로서 모르타르의 처짐 방지 특성을 향상시키고, 습윤 모르타르의 점착성을 감소시키며, 작업 가능 시간을 연장하는 것입니다.
전분 에테르는 셀룰로오스와 함께 사용되는 경우가 많아 두 제품의 특성과 장점을 상호 보완합니다. 전분 에테르 제품은 셀룰로오스 에테르보다 훨씬 저렴하기 때문에 모르타르에 전분 에테르를 사용하면 모르타르 배합 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
2. 구아검 에테르
구아검 에테르는 천연 구아콩을 변형시켜 만든 특수한 성질을 지닌 전분 에테르의 일종입니다. 주로 구아검과 아크릴 작용기의 에테르화 반응을 통해 2-하이드록시프로필 작용기를 포함하는 구조, 즉 폴리갈락토만노스 구조가 형성됩니다.
(1) 셀룰로오스 에테르와 비교했을 때, 구아검 에테르는 물에 더 잘 녹는다. pH 구아 에테르의 특성은 본질적으로 영향을 받지 않는다.
(2) 저점도 및 저용량 조건에서 구아검은 셀룰로오스 에테르를 동량으로 대체할 수 있으며 유사한 수분 보유력을 갖습니다. 그러나 점도, 처짐 방지, 요변성 등이 현저히 향상됩니다.
(3) 고점도 및 대량 투여 조건에서는 구아검이 셀룰로오스 에테르를 대체할 수 없으며, 둘을 혼합하여 사용하면 더 나은 성능을 발휘합니다.
(4) 석고 기반 모르타르에 구아검을 첨가하면 시공 중 접착력이 크게 감소하고 시공이 더욱 매끄러워집니다. 석고 모르타르의 경화 시간 및 강도에는 악영향을 미치지 않습니다.
3. 변성 미네랄 수분 보유 증점제
천연 광물을 개질 및 배합하여 만든 보수성 증점제가 중국에서 사용되고 있다. 보수성 증점제 제조에 주로 사용되는 광물은 세피올라이트, 벤토나이트, 몬트모릴로나이트, 카올린 등이다. 이러한 광물들은 결합제 등의 개질을 통해 특정한 보수성 및 증점성을 갖게 된다. 모르타르에 적용되는 이러한 종류의 보수성 증점제는 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 일반 모르타르의 성능을 크게 향상시키고 시멘트 모르타르의 작업성 부족, 혼합 모르타르의 낮은 강도, 내수성 부족 등의 문제를 해결할 수 있습니다.
(2) 일반 산업 및 민간 건물에 대해 강도 수준이 다른 모르타르 제품을 제조할 수 있습니다.
(3) 재료비는 셀룰로오스 에테르 및 전분 에테르보다 상당히 낮습니다.
(4) 수분 보유량은 유기 수분 보유제보다 낮고, 제조된 모르타르의 건조 수축값이 더 크며, 응집력이 감소합니다.
재분산성 고분자 고무 분말
재분산성 고무 분말은 특수 고분자 에멀젼을 분무 건조하여 제조됩니다. 제조 과정에서 보호 콜로이드, 고결방지제 등이 필수적인 첨가제가 됩니다. 건조된 고무 분말은 80~100mm 크기의 구형 입자들이 모여 있는 형태입니다. 이 입자들은 물에 용해되어 원래 에멀젼 입자보다 약간 큰 안정적인 분산액을 형성합니다. 이 분산액은 탈수 및 건조 과정을 거치면 필름을 형성합니다. 이 필름은 일반적인 에멀젼 필름 형성과 마찬가지로 비가역적이며, 물과 접촉해도 재분산되지 않습니다.
재분산성 고무 분말은 스티렌-부타디엔 공중합체, 3차 탄산 에틸렌 공중합체, 에틸렌-아세트산 공중합체 등으로 나눌 수 있으며, 이를 기반으로 실리콘, 비닐 라우레이트 등을 접합하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 다양한 개질 방법을 통해 재분산성 고무 분말은 내수성, 내알칼리성, 내후성 및 유연성과 같은 다양한 특성을 나타낼 수 있습니다. 비닐 라우레이트와 실리콘을 함유하면 고무 분말에 우수한 소수성을 부여할 수 있습니다. 고도로 분지된 비닐 3차 탄산염은 낮은 유리전이온도(Tg)와 우수한 유연성을 가집니다.
이러한 종류의 고무 분말을 모르타르에 첨가하면 모두 시멘트의 응결 시간을 지연시키는 효과가 있지만, 유사한 유화액을 직접 첨가했을 때보다 지연 효과는 작습니다. 비교하자면, 스티렌-부타디엔이 가장 큰 지연 효과를 나타내고, 에틸렌-비닐 아세테이트가 가장 작은 지연 효과를 나타냅니다. 첨가량이 너무 적으면 모르타르 성능 향상 효과가 뚜렷하지 않습니다.
게시 시간: 2023년 4월 3일