R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C132555-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 나노캡슐 에어로겔을 활용한 기포콘크리트 고단열 소재 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-06-30 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 양근혁 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 147,000,000 원 계 : 367,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 247,000,000 원 계 : 617,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 경기대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
나노캡슐 에어로겔을 활용한 기포콘크리트 고단열 소재. ● 표면기능화된 나노캡슐 에어로겔과 기포콘크리트의 융합을 통해 기존 기포콘크리트의 단열성 및 방수성을 향상시키는 고단열 소재 제조기술. ● 본 연구의 기술달성 목표는 제안 아이디어의 실험실 검증 단계인 TRL 4로서 연구의 최종목표는 사업화보다는 아이디어 검증의 학술적·실험적 연구에 중점을 두었음. 본 연구의 최종목표는 가연재인 EPS 대체를 위하여 친·소수성이 부여된 나노캡슐 에어로겔과 기포콘크리트를 활용한 경제성이 확보된 무기계 단열소재의 개발임(그림 1.1). ※ 나노캡슐 에어로겔의 표면기능화를 통한 친수성-소수성 전이 제어기술 확립. ※ 나노캡슐 에어로겔을 활용한 고성능 경량기포콘크리트 제조기술 확립 및 성능 모델링. ※ 나노캡슐 에어로겔 적용 기포콘크리트의 강도향상 및 단기실용화를 위한 ALC 기술의 확장. (1) 기술의 핵심요소 ● 나노캡슐 에어로겔 : 표면기능화 기술을 통해 친·소수성 부여. ● 기포콘크리트 : 경량 기포 콘크리트의 소요성능(압축강도, 밀도 및 열전도율 등) 확보 및 지속가능성 부여를 위한 최적 배합설계. ● 성능향상 및 ALC 최적화 기술 : 나노캡슐 에어로겔을 포함하는 기포콘크리트 강도 및 방수성능 향상을 위한 최적 배합설계, 양생기법 및 ALC 기법 확장. ● 제안 기술은 기존 경량기포콘크리트의 단열성능의 한계를 극복하고 ALC 기술로의 확장을 위해 표면기능화된 나노캡슐 에어로겔을 적용한 고단열·고성능 경량기포콘크리트 배합설계의 정립을 목표로, 다음과 같은 요소기술들이 융합됨. ① 표면기능화를 통한 나노캡슐 에어로겔의 친수성-소수성 전이 제어기술 ● ‘친수성-소수성 가역반응을 유도할 수 있는 화학적인 나노코팅 방식(졸겔 및 자기조립단분자)을 이용하여 나노캡슐 에어로겔’을 개발하는 것이 본 제안기술의 핵심요소임. 다양한 소재 종류와 두께에 따른 나노캡슐 에어로겔의 습윤성(wettability) 특성을 평가하고, 콘크리트에 적용할 수 있는 수준의 습윤성 특성을 가지는 나노캡슐 에어로겔 소재들을 선별하는 것이 필요함. 또한 나노캡슐 에어로겔의 크기 및 농도에 따라 콘크리트와의 배합조건을 확인하는 것이 중요함. ② 나노캡슐 에어로겔을 적용한 고단열 기포콘크리트 배합설계 기술 ● 기포콘크리트는 사용목적에 따라 밀도, 압축강도 및 열전도율 등의 특성을 고려하여야하며, 목표 성능을 만족하기 위한 최적의 배합설계 방안을 도출하는 것이 본 제안기술의 핵심요소임. 또한 나노캡슐 에어로겔은 기포콘크리트의 열전도율을 저감시키는데 있어 가장 중요한 구성요소로서 콘크리트와 배합 시 분산성 및 재료분리 방지에 대해 중요하게 다루어져야만 함. ③ 나노캡슐 에어로겔 적용 기포콘크리트의 강도향샹 및 단기실용화를 위한 ALC 기술의 확장 ● 기존 습식형 기포콘크리트는 기존 기술로는 단열성능 및 강도향상에 한계가 있으며, 이를 극복하기 위해서는 체계적인 배합설계 및 고성능을 위한 제조기법(ALC) 등의 정립이 필요함. ● 기포콘크리트의 강도 및 단열성능은 연속공극에 의해 상당히 저감되며, 연속 공극을 통해 흡수된 수분은 열교발생으로 인한 단열성능저하 및 동절기 동해 및 내구성저하의 주요 원인이 됨. 이에 따라 기포콘크리트의 제조 시 흡수제어 및 발수성을 갖는 배합설계 및 양생기법은 고성능 나노캡슐 에어로겔 기포콘크리트(ALC 포함)의 성능향상 측면에서 중요함 요소기술임. ● 특히 나노캡슐 에어로겔을 혼입한 ALC 기법의 확장은 제품화를 통한 실용성 및 경제성 측면에서 매우 중요함. [최종목표] 최종목표는 가연재인 EPS 대체를 위하여 표면기능화된 나노캡슐 에어로겔과 기포콘크리트를 활용한 경제성이 확보된 고단열 소재의 개발로서 그 목표성능은 다음과 같음. ？ 습윤성 : 친수성(CA 40도 이하), 소수성 (CA 120도 이상) ？ 압축강도 : 1 MPa (ALC= 3.6 MPa) 이상 / ？ 밀도 : 0.4 g/cm3 이하 ？ 열전도율 : 0.07 W/m·K 이하(200% 이상 향상) / ？ 흡수성 : 20% 이하 ① 표면기능화를 통한 나노캡슐 에어로겔의 친수성-소수성 전이 제어기술 정립 ● 친수성-소수성 가역반응을 유도할 수 있는 화학적인 나노코팅 방식(졸겔 및 자기조립단분자)을 이용하여 나노캡슐 에어로겔을 개발하는 것이 본 제안기술의 핵심요소임. 다양한 종류와 두께의 나노캡슐 에어로겔의 습윤성(wettability) 특성을 평가하고, 콘크리트에 적용할 수 있는 에어로겔을 선별하는 것이 필요하며, 나노캡슐 에어로겔의 크기 및 농도에 따른 콘크리트와의 배합조건 분석이 필요함. ② 나노캡슐 에어로겔을 적용한 고단열 기포콘크리트 배합설계 기술 정립 ● 나노캡슐 에어로겔을 활용한 기포콘크리트의 사용목적에 따른 목표 성능을 결정하고 이를 만족하기 위한 최적의 배합설계 방안을 도출하는 것이 본 제안기술의 핵심요소임. 나노캡슐 에어로겔은 기포콘크리트의 열전도율을 저감시키는데 있어 가장 중요한 구성요소로 콘크리트 내 균질한 분산성 유지 및 부유방지가 중요함. ③ 나노캡슐 에어로겔 적용 기포콘크리트의 강도향상 및 단기실용화를 위한 ALC기술의 확장 ● 기존 ALC 블록은 낮은 모서리 경도 및 열전도율이 상대적으로 높고, 방수 문제 등이 있음. 이에 대한 문제점을 해결하기 위하여 고온고압의 ALC 기법에 나노캡슐 에어로겔을 융합한 연구로 확장하여 단기적 실용성과 경제성을 확보함. [연구내용 및 범위] 1차년도 ？ 선행연구 조사/분석 ● 에어로겔 표면처리와 관련된 선행논문 및 특허 분석 ● 본 제안기술에 대한 특허 포트폴리오 구축 ● 특허 출원을 위한 차별성 및 기술 확보 ？ 목표성능 및 주요 변수설정 ● 에어로겔의 표면처리 소재 및 방식에 대한 분석 ● 에어로겔의 크기에 따른 콘크리트와의 배합조건 분석 ● 표면처리된 에어로겔의 측정 방법 확립 ● 나노캡슐 에어로겔의 친수성-소수성 제어 목표 설정 ？ 연구실 규모에서의 나노캡슐 에어로겔의 표면 처리 특성 테스트 ● 나노캡슐 에어로겔 소재 제작 및 표면기능화 부여: 에어로겔 표면에 친수성-소수성 가역반응을 유도 ● 표면기능화된 나노캡슐 에어로겔의 친수-소수성 전이특성 확보: 친수성 (접촉각 40도 이하) 및 소수성 (접촉각 120도 이상) 전이 기술 개발 결합재의 구성 및 나노캡슐 에어로겔 혼입 양에 따른 기포콘크리트의 성능 평가 ？ 선행연구 분석 및 DB 구축 ● 관련 선행연구 조사 및 데이터 수집·분석: 국내외 선행연구 사례 조사 및 분석(연구논문 및 특허기술 조사), 데이터베이스 구축(기포콘크리트 데이터베이스 예비연구에서 400여개 구축) ？ 목표성능 및 주요 변수설정 ● 기포콘크리트 특성(소포, 공극률, 플로우, 압축강도, 및 열전도율 등)에 영향을 미치는 요인 분석: 데이터베이스 및 실내실험을 통한 데이터 확보 및 분석 ● 압축강도, 기건밀도 및 열전도율을 고려한 나노 에어로겔 기포 콘크리트 목표성능 설정 ？ 실내실험 및 특성평가(1): 결합재 종류 선정 및 단위 결합재 양과 에어로겔 혼입 양의 관계 중점 ● 습식형 기포콘크리트 기반 실내 배합실험 ● 주요 변수: 결합재 종류 및 구성비율, 단위결합재량 및 에어로겔 혼입비율 ● 물리·역학적 특성분석 : 플로우, 소포량, 기포율, 밀도, 압축강도 발현, 열전도율 및 흡수율 등 ● 미세공극 구조 및 수화생성물 평가: 공극분석(MIP, SEM), 화학적 조성 및 수화생성 광물 분석(XRD) ● 건조수축 거동 평가: 초기 및 장기 건조수축율 평가 2차년도 나노캡슐 에어로겔의 표면기능화 부여(콘크리트와의 결합 특성 향상) ？ 1차년도 연구결과 분석 및 보완방향 설정 ● 1차년도 실험결과들에서 발생한 문제점들을 분석하고, 1차년도의 스크린테스트에서 통과된 조건들에 대한 최적화 작업 진행 ？ 나노캡슐 에어로겔 소재 제작 최적화 ● 1차년 실험결과를 기반으로 성능 보완을 위한 나노캡슐 에어로겔 제작 ● 에어로겔과 콘크리트와의 배합조건 최적화 ● 나노캡슐 에어로겔의 친-소수성 전이 특성 최적화 ？ 나노캡슐 에어로겔의 콘크리트 배합 조건 최적화 ● 에어로겔에 나노캡슐 부착 방식 연구 및 콘크리트와의 결합 기술 개발: 에어로겔에 나노캡슐 기능성 부여를 통한 에어로겔과 콘크리트의 결합 특성 향상 ● 나노캡슐 에어로겔 특성 확보: 효과적인 단열성능, 방수성능 및 곰팜이 억제 기능성을 확보 기포율, 물-결합재비 및 혼화재 사용에 따른 나노캡슐 에어로겔 기포콘크리트의 물리·역학적 특성분석 ？ 1차년도 연구결과 분석 및 보완방향 설정 ● 1차년도 실험결과의 분석 및 문제점 분석: 실험결과에 대한 회귀분석 및 상호간의 영향성 예측, 문제점 발생에 따른 최적 해결 방안 모색 ？ 실내실험 및 특성 평가(2): 기포율 및 물-결합재비와 에어로겔 혼입양의 관계 중점. ● 1차년 실험결과에 기반한 성능 보완 실내 배합실험 ● 주요 변수: 물-결합재비, 기포율 등과 에어로겔 혼입량에 대한 상호간 구성비율 ● 물리·역학적 특성평가 및 분석: 압축강도, 절건 밀도 및 열전도율의 분석결과를 집중적으로 수행->에어로겔 혼입에대한 영향성 분석 ● 건조수축 거동 평가: 초기 및 장기 건조수축율 평가 ？ 나노캡슐 에어로겔 혼입 경량기포콘크리트 최적 배합설계 가이드라인 제시 ● 에어로겔 혼입 기포 콘크리트의 성능예측 모델 제시 : 결합재, 압축강도, 절건밀도, 열전도율 및 기포율 대한 각 특성들간의 상관성 ● 소요성능에 대한 나노에어로겔 혼입 기포 콘크리트의 배합설계 절차 제시 |
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| 색인어 | 한글 | 에어로겔 | 나노캡슐 | 기포콘크리트 | 고단열 | 오토클레이브 |
| 영문 | Aerogel | Nano-capsule | Foamed concrete | High-insulation | ALC | |
| 최종보고서 | 에어로겔 최종보고서.pdf | |||||