KR101804202B1 - 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트에 탄소나노튜브와 탄소섬유를 적정한 중량비로 혼합하여 물/시멘트비(w/c)의 변화에 의한 비저항 변화의 민감성을 낮춰 안정적인 전기적 성능을 발휘할 수 있는 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은, 물/시멘트비(w/c)의 변화에도 비저항이 100Ω·㎝ 이하로 안정적인 전기적 특성을 갖기 위하여, 시멘트와, 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%의 탄소나노튜브, 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%의 탄소섬유, 기타 첨가제로서 실리카퓸(Silica fume)과 유동화제(superplasticizer)를 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물{Electrically conductive cememtitious composite}
본 발명은 전기 전도성을 갖는 시멘트 복합 재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트에 탄소나노튜브와 탄소섬유를 적정한 중량비로 혼합하여 물/시멘트비(w/c)의 변화에 의한 비저항 변화의 민감성을 낮춰 안정적인 전기적 성능을 발휘할 수 있는 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물에 관한 것이다.
전도성 시멘트계 재료는 전기 전도성을 갖는 시멘트계 재료로서, 접지저항 저감, 정전기 방지, 압저항 센서, 전자파 차폐재, 발열체 제품 등에 사용할 수 있다.
통상적으로 전도성 시멘트계 재료를 제조하는 방법에는 전통적인 전도성 필러인 강섬유, 흑연 등을 사용하는 방법과 나노소재인 CNT를 사용하는 방법이 있다.
강섬유를 사용한 전도성 시멘트계 재료는 강섬유의 부식에 의해 시멘트계 복합체의 전기적 성능의 저하, 강섬유의 노출에 의한 손상, 복합체의 상대적으로 낮은 전기전도성 등의 단점이 있고, 온도에 의한 전기전도성의 변화가 크게 발생하는 단점이 있다.
그리고 흑연을 사용한 시멘트계 복합체의 경우 전기전도성을 확보하기 위해 15% 이상의 흑연을 혼입해야 하며, 이로 인해 복합체의 역학적 성능이 급격하게 저하될 수 있고, 단순 양생에 의한 제조가 불가능하여 압출 성형 등을 해야 하는 문제가 있다.
탄소나노튜브(CNT)를 사용한 시멘트 복합체는 언급된 강섬유와, 흑연이 혼입된 시멘트계 복합체에서 발생할 수 있는 문제가 발생하기 않으나, 높은 전기전도성을 확보하기 위해서는 물/시멘트비(w/c)(콘크리트 또는 시멘트 페이스트에 섞여져 있는 물의 양 w와 시멘트량 c의 중량비)를 극도로 제한하여 타설해야 하고, 그렇지 않은 경우 온도 및 수분에 의해 쉽게 전기전도성이 변할 수 있다.
즉, 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 시멘트계 복합체는 탁월한 전기전도성과 역학적 성질을 갖지만, 나노 사이즈의 CNT로 인해 제조 시에 사용되는 물/시멘트비(w/c)에 의해 전기적 성질의 변화가 급격하게 발생하는 단점이 있다.
이러한 요인은 CNT가 혼입된 전도성 시멘트계 복합체의 실용화에 기술적 한계요인이 된다. 따라서, 뛰어난 전기전도성을 보유한 동시에 제조 시에 사용되는 물의 양에 의해 전기적 특성이 변화가 거의 발생하지 않는 전도성 복합체의 개발이 필요한 실정이다.
공개특허 제10-2011-0075871호 등록특허 제10-0328539호 등록특허 제10-0234577호 등록특허 제10-1425536호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 전기 전도성을 보유함과 동시에 제조 시에 사용되는 물/시멘트비(w/c)에 의한 전기적 특성의 변화가 거의 발생하지 않아 안정적인 전기적 성능을 발휘할 수 있는 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은, 시멘트와, 탄소나노튜브와, 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%의 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 형태에 따르면, 상기 탄소섬유는 시멘트 중량 대비 0.1~0.2 중량%가 포함된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 탄소나노튜브는 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 본 발명의 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은 실리카퓸(Silica fume)과 유동화제(superplasticizer)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 시멘트 재료에 전도성 필러로서 나노 소재인 탄소나노튜브(CNT)와 마이크로 소재인 탄소섬유(Carbon fiber)를 혼입하여 구성하고, 탄소섬유의 혼입량을 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%로 하고, 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량을 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%로 한정함으로써 시멘트 복합체가 우수한 전기적 성능을 가짐과 동시에 균일한 품질로 시멘트 복합체를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물에 물을 혼합하여 성형한 전기 전도성 시멘트계 복합체의 작용 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 2는 시멘트에 혼입되는 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량을 일정하게 한 상태에서 탄소섬유의 혼입량을 다르게 하여 시멘트 복합체 조성물 시료(specimens)를 제조한 예를 나타낸 표이다.
도 3은 도 2에 제시된 각각의 시료(specimens)를 사용하여 제조한 시멘트 복합체에 대한 전기 비저항값(Electrical resistivity) 및 플로우(flow) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 탄소섬유의 혼입량을 달리하여 제작한 시멘트 복합체 조성물 시료에 대한 플로우(flow) 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 시멘트에 혼입되는 탄소섬유와 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량을 다르게 하여 시멘브 복합체 조성물 시료(specimens)를 제조한 예를 나타낸 표이다.
도 6은 도 5에 제시된 각각의 시료(specimens)를 사용하여 제조한 시멘트 복합체에 대한 전기 비저항값(Electrical resistivity) 및 플로우(flow) 시험 결과를 나타낸 표이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물을 상세히 설명한다.
본 발명의 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은 시멘트와 탄소나노튜브(CNT), 탄소섬유, 기타 첨가제를 혼합한 구성으로 이루어지며, 물과 혼합된 후 성형되어 전기 전도성 시멘트계 복합체를 이루게 된다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은 물/시멘트비(w/c)의 변화에도 비저항이 100Ω·㎝ 이하로 안정적인 전기적 특성을 갖기 위하여, 시멘트와, 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%의 탄소나노튜브, 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%의 탄소섬유, 기타 첨가제로서 실리카퓸(Silica fume)과 유동화제(superplasticizer)를 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotube)는 튜브형태의 나노크기의 작은 입자로서 sp2라는 강한 화학결합에 의한 독특한 구조적, 화학적, 기계적 및 전기적 성질을 바탕으로 여러 분야에서 활용되고 있다. 상기 탄소나노튜브는 다양한 종류의 것이 사용될 수 있지만, 다양한 길이를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nanotubes)를 사용하는 것이 바람직하다.
전술한 것과 같이 본 발명의 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은 전도성 필러로서 나노 소재인 탄소나노튜브(CNT)와 함께 마이크로 소재인 탄소섬유(Carbon fiber)를 상기와 같이 정해진 비율(중량비)로 혼용하여, 물과 혼합하여 전기 전도성 시멘트계 복합체를 제조할 때 물/시멘트비(w/c)의 변화에도 비저항이 100Ω·㎝ 이하로 안정적인 전기적 특성을 가지며, 플로우(flow)도 양호하여 우수한 작업을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물에 물을 혼합하여 성형한 전기 전도성 시멘트계 복합체의 작용 메커니즘을 나타낸 것으로, 도 1의 (a), (b), (c) 도면에 도시한 것과 같이 탄소섬유(Carbon fiber)가 혼합되지 않고 시멘트 재료에 탄소나노튜브(CNT)만 혼합된 경우, 물/시멘트비(w/c)가 증가함에 따라 탄소나노튜브(CNT)의 뭉침 현상은 증가하고 전해액(electrolytic solution)으로 채워진 공극이 증가하여 전도성 네크워크가 불안정해짐을 알 수 있다.
반면에 도 1의 (d), (e), (f) 도면에 도시한 것과 같이 시멘트 재료에 탄소나노튜브(CNT)와 함께 탄소섬유(Carbon fiber)가 혼합되는 경우, 물/시멘트비(w/c)가 증가함에 따라 탄소나노튜브(CNT)의 뭉침 현상이 증가하고 전해액(electrolytic solution)으로 채워진 공극이 증가하더라도 탄소섬유(Carbon fiber)에 의해 탄소나노튜브들이 전기적으로 서로 연결되므로 전기 전도도의 변화를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
상기 탄소섬유는 시멘트에 대해 설정된 중량비만큼 혼합되어야 물/시멘트비(w/c)의 변화에 따른 비저항 증가를 방지함과 동시에 플로우(flow)를 원하는 수준으로 유지할 수 있다. 본 발명에서 시멘트에 대한 탄소섬유의 바람직한 배합비는 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%가 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로 탄소섬유는 시멘트 중량 대비 0.1~0.2 중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 시멘트 중량 대비 0.1 중량% 미만으로 혼합되면 물/시멘트비(w/c)가 증가함에 따라 비저항이 급격하게 증가하며, 0.4 중량%를 초과하게 되면 물/시멘트비(w/c)가 증가하더라도 플로우가 낮아서 작업성이 좋지 않은 문제가 발생한다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%가 포함되는 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브의 혼입량이 0.1 중량% 미만일 경우 비저항이 대폭 증가하여 전기 전도도가 매우 낮아 전도체로서 기능하지 못하며, 탄소나노튜브의 혼입량이 0.5 중량%를 초과할 경우, 플로우가 급격히 낮아져 작업성이 좋지 않은 문제가 있다.
따라서 우수한 전기 전도도를 확보함과 동시에 양호한 작업성을 얻기 위한 탄소섬유의 혼입량은 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%이며, 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량은 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량% 로 제한된다.
상기 실리카퓸(Silica fume)은 탄소나노튜브의 뭉침 현상을 억제하여 분산성을 향상시킴으로써 전기 전도도를 향상시킨다.
실시예
도 2는 시멘트 중량 대비 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량을 0.5중량%로 고정하고, 탄소섬유(CF)의 혼입량을 시멘트 중량 대비 0~0.5중량%로 변화시키고, 실리카퓸과 유동화제를 혼합하여 시멘트 복합체 시료(specimens)를 제작한 예를 나타낸 표이고, 도 3은 도 2에 도시된 시멘트 복합체 시료들을 큐빅 몰드에 타설하여 기건양생하여 제작한 시멘트 복합체에 대한 비저항값(Electrical resistivity) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에서 시료(specimens) 이름을 나타내는 문자 중 F는 탄소섬유를 의미하는 것으로 예컨대 F0.03은 시멘트 중량 대비 탄소섬유가 0.03 중량%가 혼입됨을 의미한다. 그리고, W1, W2, W3, W4는 각각 물/시멘트비(w/c)가 0.3, 0.32, 0.35, 0.40 임을 의미한다.
도 3에 도시한 것과 같이, 탄소섬유가 0.05 중량% 이하(F0, F0.03, F0.05)일 경우 물/시멘트비(w/c)가 증가함에 따라 비저항이 급격히 증가하지만, 탄소섬유가 0.1~0.5 중량% 일 경우 물/시멘트비(w/c)가 증가하더라도 비저항값이 100Ω·㎝ 이하에서 대체로 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
따라서 탄소섬유의 혼입량이 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량% 일 경우에 물/시멘트비(w/c)가 변화하더라도 안정적인 전기적 특성을 발휘함을 알 수 있다.
또한 도 4는 탄소섬유의 혼입량을 0.1 중량%, 0.2중량%, 0.25 중량%, 0.3 중량%, 0.4 중량%, 0.5 중량%로 변화를 주어 시멘트 복합체 조성물 시료를 제작하고, 각각의 시료에 대해 물/시멘트비(w/c)를 0.3, 0.32, 0.35, 0.40 로 달리하여 플로우(flow) 실험을 수행한 결과를 나타낸다.
도 4에 도시된 플로우(flow)를 보면, 탄소섬유가 0.1~0.4 중량%가 혼입될 경우에는 물/시멘트비(w/c)가 증가함에 따라 플로우가 급격히 증가하여 작업성이 양호한 반면에, 탄소섬유의 혼입량이 0.5 중량%인 경우에는 플로우가 다른 시료에 비하여 현저하게 낮아서 작업성이 좋지 않음을 알 수 있다. 즉, 탄소섬유를 0.5 중량%로 혼입한 경우 물/시멘트비(w/c)를 0.4까지 증가시켜도 플로우가 약 118㎜ 수준으로 낮게 확보되기 때문에 시멘트 복합체 제조시 작업성이 매우 나쁘고, 따라서 제조되는 시멘트 복합체의 품질 확보가 어려운 문제가 있다.
따라서, 균일한 품질을 확보하면서 100Ω·㎝ 이하의 비저항을 갖는 시멘트 복합체를 얻기 위해서 본 발명의 시멘트 복합체 조성물에 혼입되는 탄소섬유는 시멘트 중량 대비 0.1~0.4인 것이 바람직하며, 경제성을 고려하면 0.1~0.2 중량%가 혼입되는 것이 가장 바람직하다.
그리고 도 5는 시멘트에 혼입되는 탄소섬유의 혼입량이 0.1~0.4 중량%인 경우, 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량을 시멘트 중량 대비 0.05~0.7 중량%로 변화시켜 시료(specimens)를 제조한 예를 나타낸 것으로, 물.시멘트비(w/c)는 0.4로 고정하였다.
그리고, 도 6은 도 5에 제시된 각각의 시료(specimens)를 큐빅 몰드에 타설하여 기건양생하여 제조한 시멘트 복합체에 대한 전기 비저항값(Electrical resistivity) 및 플로우(flow) 변화를 나타낸 표이다.
도 6을 참조하면, 탄소나노튜브의 혼입량이 0.05 중량%인 경우에는 비저항값이 20000Ω·㎝ 이상으로 매우 높아서 전기 전도도가 매우 낮고, 탄소나노튜브의 혼입량이 0.7 중량%인 경우에는 비저항값은 매우 낮아 전도성은 우수하지만 플로우가 118 이하로 현저하게 낮아져서 유동성이 나빠진다. 탄소나노튜브의 혼입량이 0.1~0.5 중량%에서는 비저항값과 플로우가 모두 양호하여 우수한 전기적 성능과 작업성을 가짐을 볼 수 있다.
따라서, 우수한 전기적 성능과 작업성을 동시에 확보할 수 있는 탄소나노튜브(CNT)의 혼입량은 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물은 시멘트 재료에 전도성 필러로서 나노 소재인 탄소나노튜브(CNT)와 함께 마이크로 소재인 탄소섬유(Carbon fiber)를 혼입하여 구성하되, 탄소섬유를 시멘트 중량 대비 0.1~0.4 중량%로 혼입하고, 탄소나노튜브(CNT)를 시멘트 중량 대비 0.1~0.5 중량%로 혼입함으로써 우수한 전기적 성능과 작업성을 동시에 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
CNT : 탄소나노튜브 CF : 탄소섬유

Claims (4)

  1. 시멘트와, 시멘트 중량 대비 0.5 중량%의 탄소나노튜브와, 시멘트 중량 대비 0.1~0.2 중량%의 탄소섬유와, 실리카퓸(Silica fume)과 유동화제(superplasticizer)를 포함하며,
    양생 후 비저항이 100Ω·㎝ 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 시멘트계 복합체 조성물.
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