2.1.1 시약

폴리우레탄 프리폴리머 합성에 사용된 폴리올은 평균 분자 량이 1,000~3,000, 산가(mgKOH/g) 0.03이하인 한국포리올 (주)의 polyetherpolyol로 폴리우레탄 폼 지수제에 일반적으 로 사용하는 것을 그대로 사용하였으며, 사용하기 전에 수분 을 측정하여 0.05%이상인 경우는 100°C에서 진공 탈수하여 수산기가를 측정하여 정량적으로 당량비를 계산하여 사용하 였으며, Isocyanate는 isopronediisocyanate, tolene diisocyanate (TDI-80/바스프), Methylene diphenyl diisocyanate(M-200/금 호미쓰이)를 상온에서 보관하여 사용하였다.

정포제로는 산업현장에서 사용이 가장 많은 Air Products 사의 실리콘계 소포제인 DC series 6종을 사용하였다.

2.1.2 폴리우레탄 프리폴리머의 합성

합성 장치는 Fig. 4와 같이 설치하여 폴리올과 이소시아네 이트를 정량으로 투입하고, 1ℓ-4구 플라스크에 교반기, 질소 주입관, 온도계, dropping funnel을 장치한 후, Table 2와 같은 배합으로 먼저 polyol과 foam control agent을 넣고 질소 분위 기 하에서 isocyanate를 적하하면서 교반하고, 적하가 끝난 후 heating mantle를 이용하여 반응 온도를 80±2°C로 승온 시킨 다음 약 5 hr 동안 반응시켜 폴리우레탄 폼 프리폴리머를 합성 하였다.

Fig. 4

Composite apparatus of polyurethane prepolymer

2.1.3 합성 확인

Fig. 5는 폴리우레탄 폼 프리폴리머는 반응 종결 후 FT-IR 로서 약 2928 cm^-1의 NCO group과 3359 cm^-1의 NH group이 나타나는 것으로부터 polyurethane prepomer의 합성을 확인 하였다³⁾.

Fig. 5

FT-IR Spectrum

2.1.4 2액형 우레탄 폼의 제조

2.1.2에서 합성한 폴리우레탄 프리폴리머를 Air Products 사의 실리콘계 소포제인 DC-193, -198, -2585, -5043, -5125, -5598의 정포제를 사용하였고, 물을 넣어 물리적/화학적 발포 를 유도하였다. Table 3과 같은 배합비율로 혼합/교반하여 기 포가 형성된 폼을 제조하였다.

Fig. 6은 Table 3의 DC-193의 발포 상태를 확인하기 위해 우레탄 폼 지수제 10 g과 물 1 g을 혼합하여 발포하는 단계를 나타내었다.

Fig. 6

Foaming of Polyurethane foam prepolymer

2.1.5 전개 방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM) 측정

정포제의 종류에 따라 폴리우레탄 폼 지수제의 FE-SEM를 측정하기 위하여 Fig. 6과 같이 폴리우레탄 폼 프리폴리머를 물을 사용하는 수화 발포 방법으로 샘플을 제작하여 JEOL사 의 JSM-7600 FE-SEM으로 진공상태에서 수행하였다.

2.1.6 흡수량 측정

수화 발포 방법으로 제작한 샘플을 각각 30일간 수중 침지 후 물의 흡수량을 측정하여 cell 구조 변화에 따른 내수성 비 교를 KS F 2622의 규격을 인용하여 시행하였다.

2.1.7 물성 측정

발포율은 발포 전 액상의 높이를 측정하고, 발포 후 품 증의 높이의 차이를 계산하였고, 기계적 물성을 확인하기 위해 KS F 6518의 시험방법을 인용하여 표준상태에서 1시간 이상 방 치한 후 만능재료시험기에 물림 간격이 60 mm가 되도록 시험 체를 설치하고, 1 mm/min의 인장 속도로 시험체가 파단 될 때 가지 인장하였다. 동일한 시험체를 대상으로 168시간 수중에 침치 후 인장강도 비(%)를 측정하였다.⁴⁾

2.1.8 방수성능 시험

본고에서 합성된 우레탄 폼 지수제 중에서 물과 프리폴리 머의 배합비율이 1:10인 DC-193의 시료를 대상으로 방수성능 을 확인하기 위하여, Fig. 7과 같이 현장을 대체한 300 × 300 × 55 mm의 콘크리트 블록 단면에 우레탄 폼을 발포한 시험체 2 기와 콘크리트 구조물의 균열을 모사하여, Fig. 8과 같이 동일 한 콘크리트 블록 2기의 간격을 15 mm로 하고, 15 mm 사이에 우 레탄 폼을 발포하여 2기의 콘크리트 블록을 접합하였다.

Fig. 7

Water-blowing of single sided urethane foam

Fig. 8

Urethane foam blowing in between concrete blocks

콘크리트 블록에 발포 시킨 우레탄 폼 지수제 시편을 168시 간 양생 시킨 후 305 × 305 × 330 mm 크기의 투명 아크릴 수조 3 기를 제작하여 넣고 시편 끝단을 실링재를 사용하여 누수 방 지를 위해 고정시켰다. Fig. 9는 단면 우레탄 폼 발포 시험체는 지수제가 물에 직접 노출된 현장을 모사하였고, Fig. 10은 콘 크리트 구조물과 우레탄 폼 지수제가 토양에 노출되는 지하 환경을 모사하였고, KS F 2622(멤브레인 방수층 성능 평가 시 험방법)의 방수시험방법을 인용하여, 두가지 형태의 시험체 에 물을 넣고 168 hr을 대기압조건에서 방치하였다.

Fig. 9

Urethane foam directly exposed to water

Fig. 10

Urethane foam indirectly exposed to water by covering with soil

Fig. 11은 지하 콘크리트 구조물의 균열에 따른 보수재의 성능을 확인하기 위해 콘크리트 블록 사이를 15 mm로 하고 우 레탄 폼을 발포하여 한쪽 콘크리트 블록 외벽에 물을 채워 168 hr을 대기압조건에서 KS F 2622(멤브레인 방수층 성능 평가 시험방법)을 인용하여 방치하였다.

Fig. 11

Concrete block test specimen with water-blown foam in between

2.2.1 전개 방사형 주사 전자 현미경 (FE-SEM) 측정에 의한 폴리우레탄 폼 지수제의 cell 구조 분석

실리콘 정포제의 종류에 따라서 합성한 폴리우레탄 폼 프 리폴리머를 수화 발포 방법으로 샘풀을 제작하여 측정한 결 과 실리콘 정포제의 실록산 주사슬 말단에 PO = n개가 결합 되어 있는 Fig. 12의 DC-193, Fig. 14의 DC-2585, Fig. 16의 DC-5125가 close cell 구조로 로 확인이 되었고, Fig. 13의 DC-198은 close cell 구조 이기는 하나 다른 close cell 구조 시 료의 세밀하고 균일한 cell 형태와는 다른 판상형 형태를 나타 내었다. 이는 물과 혼합 되어 발포 시 정포제의 안정성이 우수 하여 cell이 크게 형성이 되기 때문인 것으로 사료된다. 그러 나 실리콘 정포제의 실록산 주사슬 말단에 EO = n개가 결합 된 Fig. 15의 DC-5043과 Fig. 17의 DC-5598은 open cell 구조 로 확인이 되었는데, 이는 발포 시 정포제로서의 기능을 발현 하지 못한 것으로 판단된다.

Fig. 12

DC-193 FE-SEM

Fig. 13

DC-198 FE-SEM

Fig. 14

DC-2585 FE-SEM

Fig. 15

DC-5043 FE-SEM

Fig. 16

DC-5125 FE-SEM

Fig. 17

DC-5598 FE-SEM

Fig. 18은 clell의 크기가 가장 세밀하고 균일한 DC-193의 × 100 배 확대 사진이며, Fig. 19는 DC-193과 정반대의 특성을 가지고 있는 DC-5043의 × 100 배 확대 사진인데, open cell과 close cell의 차이가 매우 선명하게 나타내고 있다.

Fig. 18

Enlarged photo of DC-193 FE-SEM

Fig. 19

Enlarged photo of DC-5043 FE-SEM

2.2.2 Cell 구조에 따른 폴리우레탄 폼 지수제의 흡수량 변 화 분석

Fig. 20과 같이 30일간 수중 침지 후 물의 흡수량을 측정하 여 cell 구조 변화에 따른 내수성 변화를 분석한 결과는 Table 4와 같이 FE-SEM측정 결과 close cell의 크기가 가장 세밀하 고 균일한 DC-193의 흡수량이 작은 결과를 나타내어 내수성 이 가장 우수한 것으로 나타났으며, open cell의 크기가 가장 크게 형성된 DC-5043의 흡수량이 가장 많은 것으로 나타났다.

Fig. 20

A photo of Absorption measurements

2.2.3 우레탄 폼 지수제 주제의 합성 특성 조사

2.1.2절에서 제조된 주제는 투명한 점조액상으로 Fig. 5의 FT-IR 분석결과 다음의 Fig. 21의 합성구조식과 대체로 잘 일 치됨으로써 합성이 용이하게 이루어진 것을 알 수 있었다.⁵⁾

Fig. 21

Chemically bonded structure of the main component

2.2.4 우레탄 폼 지수제의 기계적 물성 결과

Table 5와 같이 기존 제품인 DC-2585의 인장강도는 16.5 kgf/cm²이며, 신장률은 30%, 발포율은 3300%, 168 hr 수중침지 후 인장강도 비는 65%로 측정되었으며, 2.1.2절에서 제조된 DC-193은 인장강도 17 kgf/cm², 신장률은 35%, 발포율은 3000%, 168 hr 수중침지 후 인장강도비는 80%, DC-198과 5043, 5125, 5598의 물성은 각각 인장강도 15.3, 1.2, 15.4, 1.4 kgf/cm²과 신장률은 각각 32, 11, 33, 13%이며, 발포율은 각각 3000, 1800, 300, 1900으로 나타났으며, 168 hr 수중침지 후 인 장강도는 75, 34, 80, 39%로 close cell과 open cell의 특징을 알 수 있는 물성결과를 확인하였다. 기존 제품인 DC-2585와 전 체적인 물성이 우수한 DC-193과 비교한 결과 발포율이 300% 낮은 것으로 단단한 미세기포가 다수 존재하는 것으로 판단 되며, 이들이 인장강도와 신장률, 내수성능의 물성을 향상시 킨 것으로 판단된다.

2.2.5 방수성능 결과

Fig. 22의 a)는 물을 직접 노출시킨 시험체의 기중상태의 배 면이고, b)는 단면을 절단하여 육안으로 관찰한 결과 누수의 흔적이 없는 것을 확인하였다.

Fig. 22

Test specimen directly exposed to water

Fig. 23의 c), d)는 우레탄 폼 지수제를 토양으로 덮어 물에 간접적으로 노출시킨 시험체의 기중에서의 배면과 단면 사진 으로 Fig. 22와 같이 누수의 흔적이 없는 것을 확인하였다.

Fig. 23

Test specimen indirectly exposed to water by covering with soil

Fig. 24는 콘크리트 구조물의 균열을 모사한 시험체로 e)와 같이 물을 직접 노출시킨 콘크리트 블록 반대편의 기중상태 의 콘크리트 블록의 사진으로 누수의 흔적이 없었고, f)와 같 이 절단한 단면에서 위의 부분과 같이 누수의 흔적이 없음을 확인하였고, 물과 직접 노출된 콘크리트 블럭에서는 누수의 흔적을 확인하였고 이들의 면적을 점선으로 나타내었다.

Fig. 24

Concrete block test specimen directly exposed to one side

따라서, Fig. 22~23의 결과에서와 같이 본 고에서 제조된 우 레탄 폼 지수제의 현장을 대체한 콘크리트 블록을 활용한 방 수성능 시험결과 open cell과 close cell의 방수성능을 확인하 였다. 이들의 방수성능을 Table 6에 나타내었다.