| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 자가세척 기능을 갖는 친환경 셀룰로오스 방오 소수성 코팅제 개발 ◼ 전체 내용 (연구배경) ⦁ 해양이나 수중에 시공된 구조물은 수중물질의 부유물이나 어패류, 조류, 미생물 등 다양한 물질은 콘크리트 표면에 부착되어 오손(fouling) 및 손상이 야기되기 때문에 주기적인 청소가 요구되고 있으며, 유지관리 비용 또한 증가하고 있음. 또한 콘크리트 및 강재 구조물은 가혹한 해양 환경 조건에 의해서 부식 및 파손 등이 발생하여 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있음. ⦁ 해양구조물의 손상을 방지하기 위해 해양환경을 고려한 설계가 반영되고 있으며, 강재 구조물은 도료를 활용하여 부식을 방지하고 있음. 하지만 기존의 도료는 유기주석 성분의 확산 및 용출로 인한 유해성에 대한 문제가 논란이 되고 있으며, 유기 실리콘 오염 배척 코팅제가 상용화 되고 있으나 가격이 비싸 특수 용도에만 국한되어 사용되고 있음. (연구내용) ⦁ 셀룰로오스 나노피브릴(Cellulose nanofibrils, CNF)은 입자의 크기가 100nm 미만인 셀룰로오스 섬유로, 지구상에서 가장 많은 물질로 알려져 있으며, 우수한 강도뿐만 아니라 가공 방식에 따라 다양한 형태로 가공될 수 있어 제지 생산뿐만 아니라, 다양한 산업에 활용할 수 있는 잠재성이 있는 물질로 평가 받고 있음. 친환경 물질로 제지 및 의학 분야에서 주로 활용되고 있으며, 미국 일본 등에서는 대규모 생산 설비를 구축하여 본격적으로 생산에 나서고 있음. ⦁ CNF는 친수성을 지닌 물질이지만 Alkyl ketene dimer(AKD)를 활용할 경우 소수성으로 개질의 변화가 가능하며, 소수성능은 미세 표면의 특성으로 인해 오염물질 및 수분의 접촉을 최소화하여 콘크리트나 강재의 수명을 향상시킬 수 있는 것으로 평가됨. 따라서, 본 연구에서는 CNF를 AKD 에멀젼에 침지하여 소수성을 나타낼 수 있는 코팅제를 연구하여 해양구조물에 적용할 수 있는 기술을 개발하고자 함. 이에 CNF와 AKD를 혼합하여 소수성 에멀젼을 제조하고 제조된 에멀젼의 소수성능을 분석하여, 방오성능과 내구성능 향상 여부를 평가하고자 함. (연구필요성) ⦁ 해상풍력발전과 원유 및 가스 개발 등 에너지원의 공급 산업의 확대로 등 세계의 항만 및 해양구조물에 대한 투자는 2000년 38.1억 유로에서 2011년 104.2억 유로로 증가하였으며, 지속적인 증가 추세를 보이고 있음. 해양수산부 자료에 따르면 2013년부터 2017년까지 항만의 자산은 매년 9.7% 증가하였으나, 유지보수 예산은 2.6% 증가하였으며, 유지보수 수요는 늘어나고 있으나 예산은 한정적이기 때문에 유지보수에 어려움이 있음. 이에 따라 해상구조물의 장수명화와 유지보수 문제가 대두되고 있는 가운데, 방청·방오를 위한 고분자 도료 등에 대한 수요가 확대되고 있음. (연구차별성) ⦁ 최근에는 오염물질 저감을 위해서 이산화티탄과 같은 광촉매 물질을 활용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 실제 상업화하여 제품으로 생산되고 있어 그 활용가치가 높은 것으로 나타남. 이산화티탄의 경우에도 셀룰로오스와 마찬가지로 미세 마이크로/나노 입자로 구성되어 있으며, 특징은 자외선에 노출될 경우 유기오염물질(탄화수소, 오일 등)을 산화 및 분해할 수 있는 반응성 산소종을 생성하므로, 자정작용에 기여하고 심하게 오염된 표면에서 습윤 성질을 회복할 수 있는 장점이 있음. 또한, 이산화티탄과 함께 사용되는 계면활성제의 경우 유기성분이 다양하게 적용되고 있어 해양환경에 적용하기 어려워 본 연구에서 개발하고자 하는 친환경 코팅제와는 차이가 있는 것으로 평가됨. ◼ 1년차 ❏ 목표 친환경 셀룰로오스 방오코팅재 최적배합비 개발 ❏ 내용 ○ 셀룰로오스 나노피브릴을 활용한 방오 코팅제 관련 문헌 조사 및 연구 - 기존 제지, 화장품 분야에서 사용되는 셀룰로오스 코팅제 및 코팅법 등에 대한 기술 고찰 - 셀룰로오스 재료의 특장점 정리 후 배합 기준 및 방법 수립 - 방오 성능 확보를 위한 코팅제와 해양 물질 착생 메커니즘 분석 - 구조물의 방오 성능 확보 방법 정리 및 방오 성능 만족을 위한 최소 성능 기준 마련 ○ 셀룰로오스 나노피브릴 방오 코팅제 배합 특성 분석 및 물성시험 - 셀룰로오스 나노피브릴 및 소수성 특성 확보를 위한 AKD 혼합 시험 실시 - 배합된 코팅제 소수성능 시험 실시 후 접촉각 만족 여부 확인 - 코팅제의 화학적, 물리적 성능 평가 - 최적배합비 도출 및 특성 분석 ○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제의 자가세척 및 방오성능 평가 - 배양 실험을 통한 방오성능 확보 여부 검토 ○ 셀룰로오스 코팅제의 구조물 적용을 위한 브러쉬 및 스프레이 코팅 기술 개발 및 고찰 - 셀룰로오스 방오 코팅제 코팅제의 브러쉬 및 스프레이 코팅 방법 고찰 - 셀룰로오스 방오 코팅제 코팅제의 브러쉬 및 스프레이 코팅 공법 매뉴얼 도출 ◼ 2년차 ❏ 목표 친환경 셀룰로오스 방오코팅재 요구성능 확보를 위한 성능평가 ❏ 내용 ○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포 콘크리트의 내구성능 평가 - 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 동결융해 저항성능 평가 - 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 염소 이온 침투 저항성 평가 - 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 콘크리트의 탄산화 저항성 평가 ○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포 강재의 부식 방지 성능 평가 - 셀룰로오스 방오 코팅제 도포 후 강재의 부식 성능 평가 ○ 셀룰로오스 나노피브릴 코팅제 도포후 대상 구조물의 방오 수명 평가 - 셀룰로오스 코팅제 코팅 방법별 코팅 두께 측정 - 셀룰로오스 코팅제 도포 후 해양 노출 시험을 통한 콘크리트와 강재의 코팅 지속 시간 평가 - 장기 노출을 통한 코팅 효과 검증 ○ 셀룰로오스 코팅제의 구조물 적용을 위한 UV 및 파우더 코팅 기술 개발 및 고찰 - 셀룰로오스 장오 코팅제 UV 코팅 기술 개발 및 매뉴얼 도출 - 셀룰로오스 방오 코팅제 파우더 코팅 최적 코팅법 제안 및 고찰 □ 연구개발성과 자가세척 기능을 갖는 친환경 셀룰로오스 방오 소수성 코팅제 개발 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 (활용방안) ⦁ 해양구조물의 장수명화 및 유지관리 비용 절감 - 전국의 항만 유지관리비는 1620억원(2020년) 수준이며, 40년 이상 경과 항만시설은 143개, 이중 50년 이상 경과 항만시설은 52개로 항만 구조물의 유지관리 비용에 대한 문제가 대두되고 있음. - 해양수산부에 따르면 계류시설(부두), 외곽시설(방파제, 호안 등), 임항교통시설, 건축물 등 전체 52개소가 50년 이상 된 것으로 파악하고 있으며, 유지관리에 드는 비용도 2000년대 연평균 1450억 원에서 2010년대에는 1620억 원 수준으로 약 12%가 증가한 것으로 나타났음. - 해양 수산부는 2020년 말까지 노후 정도, 안전성, 여건변화에 따른 이용수요 등 기술·정책적 요인을 종합적으로 판단해 약 30개의 재생사업 대상 시설물 후보를 선정하여 향후 노후항만 재생계획을 마련할 계획임. - 이와 관련하여, 콘크리트 및 강재의 내구성능 향상은 현재 보수 및 보강이 예정되어 있는 항만시설물이 향후 재보수 시기를 늦출 수 있을 것으로 판단하며, 본 연구개발을 통해 개발된 코팅제료는 콘크리트뿐만 아니라 강재 시설물에 적용할 경우 시설물의 장수명화를 이룰 것으로 평가됨. ⦁ 정부의 대규모 해상풍력 단지 조성 - 정부가 마련한 제3차 추가경정예산에서 ‘그린뉴딜’ 관련 예산은 4,639억원이 편성되었으며, 이중 해상풍력 부문에는 △해상풍력 인프라 기술 개발 등 160억원 △대규모 해상풍력 단지 개발 지원 35억원 등이 편성되어 최근 친환경 발전에 대한 수요 증가로 인한 대규모 해상풍력 단지 조성이 예고되고 있음. - 유럽, 중국을 중심으로 19년말 기준 29.1GW의 해상풍력 발전기가 설치되어 있으며 해상풍력의 증가율은 연간 28.7%인 것으로 나타나 세계적으로 해상풍력에 대한 발전 점유율이 향상될 것으로 전망되고 있음. - 해상풍력은 빠른 성장성으로 재생에너지 중 높은 비중을 차지할 것으로 예상되며 제조업(조선, 기계, 철강)·건설업과 연계성이 크고 고용 유발효과가 커 지역경제 활성화에도 긍정적인 것으로 평가되고 있음. - 해상풍력발전은 육상과 다르게 조류 및 파랑, |
