| 연구개발개요 |
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, 이하 CNTs)는 낮은 밀도(0.2∼1.33 g/cm3)에도 불구하고 약 1.0 TPa의 탄성계수와 20∼60 GPa 수준의 항복강도를 갖는 기계적 우월성을 이유로 각종 복합재료의 초미세 섬유보강재로 각광을 받고 있으며, 한편 최근 건설구조물이 대형화 및 고성능화 됨에 따라 건설재료의 고강도화뿐만 아니라 현장적용성의 용이함을 위한 시공성 및 경량화 등에 대한 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 CNTs를 활용한 첨단 NT기술과 전통 건설재료 기술의 융합을 기반으로 하는 CNTs 교착형 혼합시멘트 제조 원천기술을 개발하고, 이를 기반으로 콘크리트의 고강도 및 다능화를 부여함으로서 현재 건설산업에서 요구하는 사안들에 대한 문제점을 해결하고자 한다. 아울러, 연구에서는 그간 국내·외에서 시멘트 기반 재료의 혼합과정(fresh concrete)에서 CNTs를 혼입하였던 기존 기법과는 달리 시멘트 제조 시부터 CNTs를 시멘트 분말과 교착화시키는 혼합시멘트 제조 원천기술 개발한다. 이는 현재까지 전 세계적으로 한 번도 시도되지 않은 방법으로, 본 연구가 성공으로 진행될 경우 CNTs를 적용한 첨단건설재료의 개발에 대하여 독보적인 선진기술력을 확보, 이를 국산화할 수 있을 것으로 기대된다.
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| 최종목표 |
본 과제는 건설재료 개발 및 활용기술 중 3차원 나노소재 활용 고성능 건설자재 기술에 기반한 연구로서, 다중막 탄소나노튜브(MWCNT)를 시멘트와 교착, 일체화함으로서 콘크리트 혼합단계에 별도의 분산제 없이도 Nano scale 범위의 분산성능을 확보하고, 이를 시각화하여 증명하는 것을 목표로 한다. 또한 분산성능이 확보된 혼합시멘트는 1종시멘트 사용 동일배합 대비 150% 이상의 압축 및 인장강도발현을 정량 목표로 한다.개발된 혼합시멘트를 활용해 고강도 및 목표 기능성 콘크리트 배합기술을 제시, 이의 성능평가를 실시함으로서, CNTs-cement particle의 교착 원천기술에 대한 시작품제작 및 성능검증을 완료한다.
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| 연구내용 및 범위 |
다중막 탄소나노튜브 교착형 혼합시멘트 제조 원천기술 확보를 위한 핵심적 요소기술과 내용은 다음과 같다.(1) CNTs 입자들의 뭉침 현상 (agglomeration) 해결 - CNTs의 불가피한 단점 중에 하나로 입자들 간의 뭉침 현상을 들 수 있다. 이는 CNTs가 나노 규모의 크기를 가지므로 입자들 간의 반데르발스 힘(Van der Waals force)의 작용한데 따른 것이다. 이러한 CNTs 입자간 뭉침 현상을 방지하기 위하여 기존에 사용된 아세톤 또는 에탄올 등의 수용액이 아닌 메틸기의 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 특수 용제와 Lecithin surfactant를 사용하여 재료의 분산작용을 유도함과 동시에 1년 이상 이를 유지할 수 있는 반영구적 기법을 제시하고 있다.(2) CNTs와 시멘트 입자간 교착의 용이성을 위한 기능성 부여 - CNTs 입자간 분산작용을 위한 전처리 후, CNTs와 시멘트 분말간의 교착 용이성을 위하여 CNTs 표면에 환류(reflux)법을 적용하고, COOH(카르복실기) 구조를 갖는 그룹을 부여한다. 카르복실기 기능이 부여된 CNTs 입자들은 시멘트의 주된 조성성분, 즉 CaO, SiO2, Al2O3 등과 화학적 공유결합(covalent bond)이 가능하게 된다. 전처리 및 화학적 유도를 바탕으로 시멘트 제조 공정 중 소성 단계에 CNTs를 투입할 경우 시멘트의 주된 원재료들의 액상화 및 단계별 화학조성이 이루어지면서 클링커 (clinker)와 CNTs 입자간의 결속력을 확보할 수 있다.(3) 시멘트 원재료내 CNTs의 분포 및 분산성능 증진을 위한 Delivery system 고안 - CNTs를 소성 전 단계에 직접 투입할 경우 시멘트 원재료들 사이 한 부분에 국한되어 반응이 이루어질 수 있거나 CNTs가 유실될 수 있는 문제점을 안고 있다. 이의 해결을 위해 고농도의 CNTs 입자를 일정 크기를 갖는 (시멘트 제조에 사용되는 원재료 광물보다 작은 크기) 용융 Kaolinite (Al2Si2O5(OH)4)나 Mullite (3Al2O3SiO2)와 같은 광물 내에 결정화 시킨다. 결정화 된 광물을 시멘트 제조 공정 중 소성 전 단계의 Milling 공정에 투입할 경우 시멘트 원재료 광물과 고르게 분포 시킬 수 있을 것으로 예상된다.- 실험실 규모 CNTs 교착형 시멘트 제조 기술 확보 및 품질평가- MWCNTs 교착형 시멘트를 사용한 고강도 및 고기능 모르타르 및 콘크리트 개발 및 성능평가(4) 실험실 규모에서 제조된 혼합시멘트 활용 최적 배합설계 도출 - 이론기반 기술의 실제적 검증에 따른 제한사항 도출 및 해석모색 - CNTs의 다양한 기능성을 목표로 하는 시멘트 복합체의 최적 배합설계 도출
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