서론
에폭시 수지는 뛰어난 접착력, 기계적 특성 및 내화학성을 바탕으로 건축물 보강 및 보수 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 특히, 에폭시 수지는 콘크리트 구조물 복원 시 균열 그라우팅 및 표면 보수에 사용되어 구조물의 완전성과 내구성을 효과적으로 회복시킵니다. 그러나 순수한 에폭시 수지는 경화 과정 중이나 가열된 환경에서 어느 정도의 길이 변화를 겪습니다. 열팽창 계수가 콘크리트 기판의 열팽창 계수와 크게 다를 경우, 온도 변화 시 계면에서 내부 응력이 발생할 가능성이 높으며, 이는 결국 박리나 2차 균열을 유발하여 보수 효과와 장기적인 안정성에 영향을 미치게 됩니다 [1].
에폭시 수지의 치수 안정성을 향상시키기 위해, 수지 매트릭스에 무기 충전재를 첨가하여 열팽창 계수를 낮추는 경우가 많습니다. 중공의 경량 마이크론 크기 무기 충전재인 유리 비드는 낮은 열팽창 계수, 높은 비강도 및 우수한 유동성을 특징으로 합니다 [2]. 유리 비드는 복합 재료의 열팽창 계수를 낮출 뿐만 아니라 보수 재료의 자중도 어느 정도 줄일 수 있어 실용적이면서도 경제적입니다.
본 실험에 사용된 시편은 건물 균열 수리에 사용되는 에폭시 수지로, 페놀 아미드를 경화제로 사용하고 카르다놀(C) 및 디에틸렌트리아민(D)을 첨가하여 복합 경화 촉진제 시스템을 형성한 것이다(그림 1). 수지에 서로 다른 질량 분율(0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%)의 유리 비드(GB)를 첨가하여(첨가 비율은 에폭시 수지 질량의 백분율로 계산함), 유리 비드(GB)의 함량이 에폭시 수지의 평균 열팽창 계수에 미치는 영향을 조사하였다. 본 실험에 사용된 시험 장비는 NETZSCH TMA 402 F1 열기계 분석기(스테인리스강 가마 장착)였다.
실험 조건
측정 조건은 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: 실험 조건
| 측정 기기 | TMA 402 F1 Hyperion® |
| 시편 크기 | 직육면체, 약 10 mm × 10 mm x 25 mm |
| 가열 속도 | 5 K/min |
| 정적 힘 | 50 mN |
| 시편 홀더 | 융합 실리카 압축 홀더 |
| 온도 범위 | -50 ~ 150°C |
| 대기 조건 | 불활성 가스 (70 ml/min) |
측정 결과 및 고찰
그림 2는 GB 함량이 다른 경화 에폭시 수지 시료의 2차 측정 dL/L0 곡선을 보여준다. 표 2는 각 시료의 유리전이온도(Tg)와 다양한 온도 범위에서의 평균 열팽창계수(mCTE)를 요약한 것이다.
표 2에서 볼 수 있듯이, GB 함량이 증가함에 따라 에폭시 수지의Tg는 약간 감소한다. 대조군 시편(1#)의Tg는 60.8°C인 반면, GB 함량이 2.0 %인 시편의Tg는 57.9°C로, 2.9°C 감소한 값을 보인다. 이러한 미미한 감소는 가교 네트워크의 파괴와 계면에서의 자유 부피 증가[3], 그리고 경화를 미미하게 저해하는 미량의 수분 및 잔류 첨가제[4]에 기인하는 것으로 보입니다.
표 2: GB 함량이 다른 에폭시 수지 시료의Tg 및 mCTE
| 시료 번호 | 유리 비드 함량 (중량 %) | Tg (°C) | mCTE (10⁻⁶ 1/K) | |
| -40 ~ 0°C | 100 - 150°C | |||
| 1 | 0 | 60.8 | 84.49 | 202.65 |
| 2 | 0.5 | 60.1 | 82.58 | 202.27 |
| 3 | 1.0 | 59.8 | 82.43 | 200.14 |
| 4 | 1.5 | 58.3 | 81.47 | 194.05 |
| 5 | 2.0 | 57.9 | 81.29 | 192.42 |
유리 상태(-40°C ~ 0°C)에서, GB 함량이 0%에서 2.0%로 증가함에 따라 mCTE는 84.49 × 10⁻⁶ K⁻¹에서 81.29 × 10⁻⁶ K⁻¹로 감소하며, 이는 3.8%의 감소에 해당합니다. 이는 매트릭스가Tg 이하일 때에도 강성 GB가 열팽창을 억제함을 나타낸다. 고무 상태(100°C ~ 150°C)에서, 순수 에폭시는 202.65×10⁻⁶ K⁻¹의 mCTE를 나타내며(유리 상태 값의 약 2.4배), 2.0 %의 GB를 첨가하면 이 값은 192.42 ×10-⁶ K-¹ (5.1 % 감소)로 감소하며, 이는 고무 상태에서 더 뚜렷한 제한 효과가 있음을 확인해 줍니다.
조사된 온도 범위 전반에 걸쳐, mCTE는 GB 함량과 음의 상관관계를 보이며, 이는 문헌의 연구 결과[5]와 일치합니다.
결론
TMA 402 F1 를 통해 얻은 시료 시험 결과를 바탕으로, 복합재료의 열적 거동을 정밀하게 규명할 수 있다. 유리 비드를 첨가하면 에폭시 수지의 열팽창 계수가 현저히 감소하고, 콘크리트 기판과의 열적 적합성이 향상되며, 온도 변화로 인한 박리 및 균열 발생 위험이 낮아져, 콘크리트 보수 재료의 배합 최적화를 위한 실험적 근거를 제공한다.