가. 고화매질
폴리머 고화매질로 사용한 폴리머는 소수성을 갖으면서 매우 강력한 접착력을 갖는 에폭시 수지이다. 에폭시 수지는 국도화학 제품으로서, 주제는 YD-128, 경화제로는 G1 034, 그리고 희석제로는 LGE 이었다.
LGE는 주제와 경화제의 혼합을 용이하게 하고, 또한 펠렛과 펠렛 사이의 공극을 채 우는 데 유동성을 부여하는 기능을 담당한다. YD-128는 Bisphenol-A로부터 유도된 표 준 액상 수지로서 접착력이 매우 우수하고, 내열성과 내화학성도 매우 우수한 수지이 다. 다만 점도가 11,500 ∼ 13,500 cps 로서 작업성을 위해서는 점도를 낮출 필요가 있다. 경화제인 G1034는 중간정도의 점도(10,000 ∼ 20,000 cps)을 갖는 폴리아미드 수지이다. LGE는 에폭시 수지의 점도를 낮추기 사용되는 반응성 희석제로서 C12 ∼ C1 4 의 지방족 알코올 혼합물의 글리시딜 에테르이다. 따라서 독성, 증기압 및 휘발성 성분이 낮다(점도, 50 ∼ 20 cps).
나. 점도 조절 및 혼합비율
YD-128의 에폭시 주제에 LGE 희석제를 5 ∼ 25 % 를 첨가하여 각각의 경우에 혼합물 의 점도를 측정하였다. 점도 측정은 Brookfield사의 Digital viscometer(모델 : LVDV-E)로 측정하였다. 실험한 결과는 아래 표 29와 같다.
LGE 첨가량
0 % 5 % 10 % 15 % 20 % 25 %
Viscosity (cp)
YD-128 + LGE 19,050 5,850 2,700 1,080 810 450
표 29. LGE 첨가량에 따른 점도 측정 결과
주제, 경화제 및 희석제의 혼합비율 결정은 제조된 폴리머 고화체의 기계적 강도 및 침수/침출 특성에 많은 영향을 주게 되므로 신중히 결정하여야 한다.
(1) 혼합비율에 따른 비교군
폴리머 고화체의 처분적합성 평가에 앞서 기존에 사용하던 YD-128 및 G-1034 폴리머 와의 비교 군을 형성하기 위해 기존 K사의 씰링계열 에폭시인 KSR(주제)과 KH(경화 제), 해외에서 유통 중인 YD-134(주제)와 KMH(경화제), 그리고 D사의 THC 계열의 에폭 시를 사용하였다. 즉 폴리머 구성물의 혼합비를 달리하여 예비 시편을 제조하였다. 표 30에서는 에폭시의 주제/경화제/희석제별 혼합 비율을 W%로 보여주고 있다. 각 실험을 들어가기 전, 여분의 시편을 만들어 경화시간, 고화상태, 간이 침수시험 등 다양한 테 스트 결과를 비교하였다. 따라서 007부터 010번 시편이 실험에 가장 적합하다는 결과 를 얻게 되었다. 따라서 해당 혼합비율로 고화체를 제조해 1차적으로 압축강도, 열순 환, 침수시험을 통해 구조적 안정성을 확인한다.
구분 에폭시 혼합
시료번호 주제 비율(W%) 경화제 비율(W%)
001 THC-4001L 100 THC-4001L 100
002 THC-4001M 100 THC-4001M 100
003 KSR-177 65 G-1034 35
004 KSR-177 100 KH-700 100
005 KSR-276M70 45 G-1034 55
006 KSR-276M70 30 KH-700 70
007 YD-128 65 G-1034 35
008 THC-4001L 100 THC-4001L 50
009 THC-4001M 100 THC-4001M 50
010 YD-134X80 40 KMH-153XB80 60
표 30. 예비시편 제조 – 폴리머 구성물의 혼합비
(2) 혼합비율의 최종 선정
우선 YD-128의 EEW3)(에폭시 당량, epoxy equivalent weight), 경화제인 G-1034의 A HEW4)(아민의 활성수소당량, active hydrogen equivalent weight)을 고려하여 아래 식 으로부터 혼합 비율5)이 결정된다.
화제 주입량
× 국도화학에서는 YD-128 : G-1034 = 65 : 35 phr 로 혼합하기를 권고하고 있다. 따라 서 국도화학에서 권고한 비율대로 혼합비율을 결정하되, 실제로는 주제의 점도를 낮추 어야 하므로 LGE의 첨가량을 고려하여야 한다. 첨가된 LGE의 양(YD-128의 10 %)을 고 려하여 경화제의 양을 결정하였는데, 도출된 혼합비율은 YD-128 : G-1034 : LGE = 100 : 60 : 10 이었다.
따라서 여기서 선택된 에폭시 및 에폭시 혼합비율에 따라 고화체를 추가로 제작한 다. 그리고 해당시험을 통해 구조적 안전성 확인 및 평가를 수행해하며, 처분장의 인 수기준에 적합한 고화체의 특성을 종합 평가한다.
다. 폴리머 고화
펠렛은 일정한 크기와 형태를 갖고 있으므로, 액체나 유동성 분말 고체입자를 고화 매질과 혼합하듯이 교반 등의 방법으로 혼합할 수가 없다. 즉 분말로 성형된 펠렛을 드럼 내에 충진 한 후에는 교반하면서 펠렛과 고화매질을 혼합할 수가 없다는 의미이 다. 따라서 펠렛을 드럼 내에 충진 한 후에는 특별한 방법으로 펠렛과 펠렛 사이의 공 극내로 액상의 고화매질을 주입하여 경화시키는 안정화 방법을 이용할 수밖에 없다.
대표적인 시료(부피가 1.2 L 인 시료)를 채택하여, 고화체 내부에 대한 온도 변화
3) Epoxy Equivalent Weight, 에폭시기를 1 당량 함유하는 에폭시 수지의 중량 4) Active Hydrogen Equivalent Weight, 아민의 분자량/아민의 활성 수소수
5) phr = parts per hundred parts of resins (에폭시 수지 100에 경화제를 얼마 첨가는 의미)
를 살펴보았다. 이때 보통 폴리머 경화 시 발열반응이 일어나는데 고화체 중심부의 온 도와 고화체 주변 온도의 차가 크면 고화체의 내부 및 외부에 많은 균열이 발생기 때 문이다. 이에 대한 내용을 그림 17과 그림18에 정리하였다.
그림 17. 경화 시간에 따른 고화체의 내부 온도변화 – 상온 경화(L), 50℃ 경화(R)
그림 18. 열전대를 이용한 온도측정 모습 – 상온 경화(L), 항온조 내의 50℃ 경화(R)
즉, 고화체가 경화 시에 열이 많이 발생하는 경우에는 열 발생에 따른 내부 온도를 추정하여, 그 열을 쉽게 발산시키게 하거나 열을 흡수할 수 있는 열 흡수 물질을 사전 에 주입하여 열에 의해 고화체가 균열되는 것을 예방하여야 한다. 또는 고화체 주변의 온도를 높여서 고화체 내부의 온도가 자연히 주변온도로 떨어지도록 하여야만 고화체 에 균열이 가지 않게 된다. 따라서 펠렛과 에폭시 수지의 안정화를 위한 혼합물의 경 화는 빠른 시간 내에 완전히 경화시키기 위하여 60 ℃ 로 유지되는 항온조 내에서 수 행하기로 결정되었다.