KR20120070749A - 방출성이 조절된 도로 동결방지제 - Google Patents

방출성이 조절된 도로 동결방지제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동계에 적설 및 결빙을 방지하는 동결방지제를 제공하는 것으로서 더욱 상세하게는 탄소수 2 내지 6개의 수용성 다가알코올을 활성탄, 제올라이트, 알루미나 등의 다공성 흡착제에 흡착 저장시키고 잔탄, 아크릴폴리머 등의 증점제를 첨가하여 흡착되지 않은 과잉의 수용성 다가알코올을 젤화시키므로서 속효성과 지효성이 우수하고 환경 친화적인 동결방지제를 제조하는 것으로서 본 발명에 의한 동결방지제를 도로면에 코팅하면 적설과 동결방지제의 접촉부위에서 수용성 다가알코올이 장시간동안 서서히 방출되어 박막형태의 다가알코올 수용액 층이 생성되면서 융빙현상이 일어나 적설이 도로면과 분리되어 적설이 용이하게 제거되고 도로면 동결이 방지되는 것을 특징으로 한다.

Description

방출성이 조절된 도로 동결방지제{Release-rate controlled road antifreezing agent}
본 발명은 빙점강하제의 방출속도가 흡착제와 증점제에 의하여 제어되므로, 동절기 도로면에 살포되어 적설 및 결빙을 장시간동안 안정적으로 방지하는 도로 동결방지제에 관한 것이다.
동계 적설기에는 원활한 도로교통을 위하여 모래 등의 마찰제나 염화칼슘 등의 동결방지제를 살포하거나 제설차량을 이용하여 적설시마다 수시로 제거하고 있다. 이미 내린 적설을 도로교통에 방해되지 않게 단시간 내에 제거하기 위해서는 다수의 장비와 인력을 투입하여 신속히 작업을 해야 하는 어려움이 따른다.
모래나 쇄석 등의 마찰재를 살포하여 미끄러움을 방지하는 방법은 융설 효과가 없고 추가 적설시 눈 속으로 매립되므로 효과를 기대하기 어렵다.
현재 사용되는 동결방지제로는 염화칼슘, 염화나트륨, 초산염, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등이 알려져 있는데 이들 또는 이들의 수용액은 점도가 작아 쉽게 도로면에서 흘러내리므로 속효성은 있지만 지효성이 부족하여 적설시마다 재 살포해야 하는 번거로움이 있다. 특히 염화칼슘, 염화나트륨 등의 염화물염류는 염화물 축적 등으로 환경오염, 차량 및 교량의 부식 등의 부작용이 문제시되고 있다.
한편 스테아린산 소금, 소수성 코팅재 등을 이용한 서방성 동결방지제가 보고되어 있으나[일본특허공개 제1995-189226호], 속효성이 부족하여 동결방지효과가 충분하지 않은 상황이다.
지효성 동결방지제를 아스콘 등의 도로포장재에 첨가하여 도로면의 동결을 경감시키는 방법이 제안되었으나[한국특허공개 제1997-0042931호], 동결방지효과를 얻기 위해서는 기존 도로에는 적용하지 못하고 주기적으로 새로이 도로포장을 해야 하는 어려움이 있고 속효성이 부족하여 실용화에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 빙점강하제의 방출속도를 제어하여 속효성과 지속성을 동시에 만족시키고 적용방법이 용이한 도로 동결방지제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소수 2 내지 6개의 수용성 다가알코올 35 ? 75 중량%; 활성탄, 제올라이트 및 활성알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 다공성 흡착제 20 ? 60 중량%; 그리고 잔탄(Xanthan), 아크릴폴리머 및 이의 혼합물로부터 선택된 1종 이상의 증점제 0.01 ? 10 중량%를 포함하는 도로 동결방지제를 그 특징으로 한다.
본 발명은 빙점강하제로서 속효성이 우수한 수용성 다가알코올을 다공성 흡착제에 흡착 저장하여 서방화시켜 지효성을 증진시키고, 흡착되지 않은 과잉의 수용성 다가알코올은 증점제로 젤화시켜 포함하도록 하여 동결방지제 내 빙점강하제의 함유량을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명의 동결방지제를 동계에 도로면에 도포하면 빙판의 형성이 장시간 억제되고 적설제거가 용이하여 동계 빙판 및 적설에 의한 피해를 경감시키는 효과가 있다.
본 발명의 동결방지제는 도로교통량에 따라 졸-젤로 변화하면서 빙점강하제의 유출속도를 제어함으로써 동결방지제의 소모를 최소화하는 효과도 있다.
본 발명의 동결방지제는 빙점강하제로서 수용성 다가알코올을 함유함으로써 기존의 염화물류 빙점강하제보다 환경오염을 줄이면서 동결방지 지효성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 도로 동결방지제에 포함되는 각 조성성분에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 빙점강하제로 탄소수 2 내지 6개의 수용성 다가알코올을 사용하는 바, 상기 수용성 다가알코올은 속효성이 우수하면서도 환경친화성이 우수하다는 장점이 있다. 이러한 수용성 다가알코올은 구체적으로 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린, 디에틸렌글리콜, 소르비톨, 이소시톨, 만니톨 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 상기한 수용성 다가알코올 중에서도 수용해도가 비교적 큰 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린 등이 바람직하다. 본 발명의 도로 동결방지제 중에 상기한 수용성 다가알코올은 35 내지 75 중량%, 바람직하게는 45 내지 65 중량%의 함량 범위로 포함되는 것이 좋다. 수용성 다가알코올의 함량이 상기 범위를 벗어나면 동결방지제로서 바람직한 속효성 및 지효성을 동시에 얻는 것이 어려워진다.
본 발명에서는 지효성 기능소재로 다공성 흡착제를 선택 사용하며, 상기 흡착제로는 활성탄, 제올라이트 및 활성알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 다공성 재료를 사용한다. 상기 다공성 흡착제의 기공도는 비표면적이 200 내지 1500 ㎡/g, 바람직하게는 500 내지 1200 ㎡/g이고, 입자직경이 0.001 내지 3 mm인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 속효성을 가지는 수용성 다가알코올을 다공성 흡착제에 흡착시켜 서방화함으로써 속효성 및 지효성을 조절한다. 다공성 흡착제에 수용성 다가알코올을 흡착시키기 위해서는, 대기압 또는 감압 조건하에서 흡착제와 수용성 다가알코올을 혼합 교반하여 흡착 상평형을 이루도록 하며 수용성 다가알코올이 흡착제의 기공 속으로 흡착되어 저장된다. 본 발명의 도로 동결방지제 중에 상기한 흡착제는 20 내지 60 중량%, 바람직하게는 30 내지 50 중량%의 함량 범위로 포함되는 것이 좋다. 흡착제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 동결방지제로서 바람직한 속효성 및 지효성을 동시에 얻는 것이 어려워진다.
본 발명에서는 증점제로서 잔탄(Xanthan), 아크릴폴리머 또는 이의 혼합물을 선택하여 포함한다. 본 발명이 증점제로 선택 사용하는 잔탄(Xanthan), 아크릴폴리머는 수용성이 우수하여 다가알코올과의 혼화성이 좋으므로, 잉여(excess) 다가알코올을 증점제 젤(Gel) 내부에 포함시켜 보존하는 것이 가능하다. 또한, 잔탄(Xanthan), 아크릴폴리머는 낮은 전단력하에서는 젤(Gel) 형태가 유지되다가 고 전단력이 적용되면 졸(Sol) 형태로 전환되는 특징이 있다. 이러한 증점제의 졸-젤 원리를 도로용 동결방지제에 적용시키면, 차량 비통행시에는 온도변화 및 시간경과에도 불구하고 동결방지제의 점도가 높아 동결방지제가 젤(Gel) 형태로 도로면에 코팅되어 있다가 자동차 통행 등으로 도로면에 고 전단력이 발생하면 동결방지제의 점도가 낮아져 졸(Sol) 형태로 전환되면서 빙점강하제가 쉽게 유출되어 동결방지효과가 증대된다. 또한, 이러한 증점제는 졸-젤 원리에 의해 빙점강하제의 유출을 제어함은 물론이고, 빙점강하제로 사용된 수용성 다가알코올의 유실을 억제하는 또 다른 효과도 기대된다. 즉, 빙점강하제로서 수용성 다가알코올을 다공성 흡착제에 흡착 저장하여 속효성을 조절하지만, 과량으로 사용된 잉여(excess) 수용성 다가 알코올은 흡착제에 흡착되지 않아 쉽게 유실될 수 있으나, 본 발명에서는 증점제를 함께 포함시킴으로써 동결방지제에 점도를 부여하여 과량의 수용성 다가알코올이 젤(Gel) 상태로 보존되어 쉽게 유출되지 않도록 하는 효과를 얻고 있다. 따라서, 본 발명에서는 증점제의 사용으로 도로 통행량에 따라 빙점강하제의 유출량을 제어하는 효과와 더불어, 과량의 빙점강하제의 유실을 최소화하여 동결방지제의 지효성을 증가시키는 효과가 기대된다. 본 발명의 도로 동결방지제 중에 상기한 증점제는 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 1 중량%의 함량 범위로 포함되는 것이 좋다. 증점제의 함량이 상기 범위 미만이면 동결방지제의 점도가 작아 지효성이 감소되고, 상기 범위를 초과하면 점도가 너무 높아 도로면에 살포시 어려움이 따른다.
이상에서 설명한 바와 같은 수용성 다가알코올, 다공성 흡착제 및 증점제를 혼합하여 본 발명의 동결방지제를 제조하는데, 이때 필요하다면 이들 간의 고른 혼합을 위하여 물을 추가로 투입할 수 있다. 이때 물의 첨가량은 수용성 다가알코올, 다공성 흡착제 및 증점제로 이루어진 동결방지제의 전체 함량 100 중량부를 기준으로 10 내지 50 중량부 범위내에서 사용하며, 지나치게 많은 양의 물을 첨가하여 슬러리상이 되면 동결방지제의 점도가 너무 낮아져 흘러내릴 수 있고 또한 다가알코올이 흡착제에 고정화되지 않고 유출되어 결국엔 다가알코올의 유실을 초래할 수도 있다.
이러한 본 발명의 동결방지제는 젤(Gel) 형태로서 제조되며, 젤 형태의 동결방지제를 도로면에 살포하게 된다. 젤(Gel) 형태의 동결방지제는 눈이 쌓이기 전에 노출된 도로면에 살포하면 적설시 도로면과 접촉한 눈이 용융되어 상기 적설이 도로면과 분리되어 부유상태가 되므로 제설차량 뿐 만 아니라 일반 자동차 통행으로도 제설이 용이하게 되고 미끄러움을 예방할 수 있다. 그리고 -5℃ 정도의 온도에서는 도로면에 결빙이 방지되므로 교량 등 대기와 노출된 노면의 갑작스러운 결빙, 태양이 비치지 않는 음지나 산간지역에서 차량의 미끄러짐을 경감시킬 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 동결방지제의 살포량은 빙점강하제 함량, 흡착제의 기공도에 따라 다소 차이는 있지만, 통상 도로면 평방미터(㎡)당 10 내지 300 g씩 살포하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1?13 및 비교예 1?10. 동결방지제의 제조
500 mL 용량의 둥근 플라스크에 하기 표 1에 나타낸 조성비로 혼합하여 동결방지제를 제조하였다. 먼저, 다가알코올과 흡착제를 넣고 상온에서 30분간 혼합하여 다가알코올을 흡착제에 흡착 저장시켰다. 그런 다음, 증점제와 물을 추가하고 10분 동안 교반하여 젤 상태의 동결방지제를 제조하였다.
실험예. 동결방지제의 속효성과 지효성 측정
상기 실시예 1?13 및 비교예 1?10에서 제조된 각각의 동결방지제에 대하여 속효성과 지효성을 평가하기 위하여 용빙시간과 결빙시간을 하기의 방법으로 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
[용빙시간 측정에 의한 속효성 평가방법]
직경이 40 mm인 50 ㎖ 초자시료병에 물을 20 ㎖ 넣고 마개를 닫은 후 -5℃로 유지되는 냉각항온조에 넣어 물을 동결시켰다. 완전 동결 후 이 얼음위에 동결방지제 0.1 g를 취하여 균일하게 도포하고 시간의 경과에 따른 얼음 표면의 용빙 상태를 3분 간격으로 관찰하여 용빙시간을 측정하였다. 동결방지제의 속효성은 용빙시간이 작을수록 우수하다고 평가하였다.
[결빙시간 측정에 의한 지효성 평가방법]
상기 용빙시간 측정방법으로 얻은 얼음표면 용빙시료를 용빙된 시점부터 3시간동안 -5℃로 유지되는 냉각항온조에 넣어 용빙을 숙성시킨 후 -5℃에서 시간경과에 따른 결빙시간을 4시간 간격으로 측정하였다. 동결방지제의 지효성은 결빙시간이 클수록 우수하다고 평가하였다.
구 분 사용성분 (g) 용빙시간
(분)		 결빙시간
(시간)
다가알코올 흡착제 증점제 물
실시예 1 에틸렌글리콜 (7) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 9 72 이상
실시예 2 프로필렌글리콜(7) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 9 72 이상
실시예 3 글리세린 (7) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 9 72 이상
실시예 4 소르비톨 (7) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 12 72 이상
실시예 5 만니톨 (7) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 12 72 이상
실시예 6 에틸렌글리콜 (30) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 3 72 이상
실시예 7 프로필렌글리콜 (30) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 3 72 이상
실시예 8 글리세린 (30) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 3 72 이상
실시예 9 소르비톨 (30) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 6 72 이상
실시예 10 만니톨 (30) 활성탄 (10) 잔탄 (0.03) 10 6 72 이상
실시예 11 에틸렌글리콜 (30) 제올라이트 (10) 잔탄 (0.03) 10 3 72 이상
실시예 12 에틸렌글리콜 (30) 활성알루미나 (10) 잔탄 (0.03) 10 3 72 이상
실시예 13 에틸렌글리콜 (30) 활성탄 (10) 아크릴폴리머 (0.03) 10 3 72 이상
비교예 1 에틸렌글리콜 (7) - - - 3 20
비교예 2 프로필렌글리콜 (7) - - - 3 20
비교예 3 글리세린 (7) - - - 3 20
비교예 4 소르비톨 (7) - - 10 6 16
비교예 5 만니톨 (7) - - 10 6 16
비교예 6 에틸렌글리콜 (7) 활성탄 (10) - - 6 40
비교예 7 프로필렌글리콜 (7) 활성탄 (10) - - 6 40
비교예 8 글리세린 (7) 활성탄 (10) - - 9 36
비교예 9 에틸렌글리콜 (7) 제올라이트(10) - - 12 40
비교예 10 에틸렌글리콜 (7) 활성알루미나 (10) 12 36
[다가알코올]
에틸렌글리콜(C2H6O2): Mw 62.07, 프로필렌글리콜(C3H8O2): Mw 76.09,
글리세린(C3H6O3): Mw 92.09, 소르비톨(C6H14O6): Mw 182.17, 만니톨(C6H14O6): Mw 182.17
[흡착제]
활성탄: 비표면적 1,150 ㎡/g, 평균입경 1.5 mm
제올라이트: 비표면적 920 ㎡/g, 평균입경 1.3 mm
활성알루미나: 비표면적 350 ㎡/g, 평균입경 1.3 mm
[증점제]
잔탄(polysaccharide gum): Mw > 106 , 수용액은 고도로 의가소성(pseudoplastic) 함.
아크릴폴리머((C3H4O2)n): Mw 1,250,000 (Aldrich No.306223)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수용성 다가알코올, 흡착제 및 증점제를 모두 포함하는 실시예 1?13에서 제조된 동결방지제는 젤(Gel) 형태로 제조되었으며, 다가알코올의 과다 유출없이 72 시간이 훨씬 지나서까지 결빙이 되지 않아 지효성이 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 과량의 다가알코올을 포함하고 있는 실시예 6?13은 용빙시간이 6분 이내로 속효성도 우수함을 확인하였다. 다가알코올 중에서도 분자량이 상대적으로 작은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린을 사용한 경우, 속효성이 더욱 우수함을 확인하였다.
이에 반하여, 수용성 다가알코올만을 포함하고 있는 비교예 1?5의 동결방지제는 액상으로 제조되었으며, 도로면에 살포되어 즉시 얼음을 용해하면서 수용액 형태로 희석되므로 용빙시간이 작아 속효성은 우수하였지만, 용해된 물과 희석되면서 결빙시간이 단축되어 지효성이 열약한 단점이 있었으며 노면에 살포될 경우 액상 다가알코올이 도로면에 코팅되지 못하고 우수관으로 흘려내려 동결방지 성능이 급속히 감소하는 단점이 있다.
또한, 수용성 다가알코올과 흡착제를 혼합하여 제조된 비교예 6?10의 동결방지제는 비교예 1?5에 비교하여 용빙시간이 커서 속효성은 감소하였으나, 지효성이 발현되어 빙결시간이 증가되었음을 확인할 수 있었지만, 실시예 1?13에 비교하여 빙결시간이 작아 지효성은 현저히 떨어짐을 알 수 있다.
현재 도로에 적용하고 있는 동결방지제는 비교예 1?5 과 같이 빙점강하제로만 구성되어 있으며, 이 경우 상기 기술한 바와 같이 속효성은 우수하나 지효성이 열악한 단점이 있다. 그러나, 본 발명의 동결방지제는 지효성이 우수하였고, 특히 실시예 6?13은 지효성은 물론이고 속효성도 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

  1. 탄소수 2 내지 6개의 수용성 다가알코올 35 ? 75 중량%;
    활성탄, 제올라이트 및 활성알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 다공성 흡착제 20 ? 60 중량%; 및
    잔탄(Xanthan), 아크릴폴리머 또는 이의 혼합물로부터 선택된 증점제 0.01 ? 10 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로 동결방지제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용성 다가알코올은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린, 디에틸렌글리콜, 소르비톨, 이소시톨, 및 만니톨로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 동결방지제.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제는 비표면적이 200?1500 ㎡/g이고, 입자직경이 0.001?3 mm인 것을 특징으로 하는 동결방지제.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    젤(Gel) 형태로 제조된 것을 특징으로 하는 동결방지제.
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