1. 서론

지구 온난화 등 기후 변화와 과잉 개간 등의 인위적 요인으로 인해 육지의 4 분의 1에서 건조지화가 진행되고 있는 것으로 알려져 있으며, 중장기적인 식량 문제로 표면화되고 있다. 이 건조지 토양 회복을 목적으로 기존 흡수성 재료에서 건조지 대책이 진행되고 있었지만, 땅속에서 상승하는 바닷물에 의해 염해를 방지할 수 없었다. 그래서 발수 처리한 발수 모래를 사용하여 염분을 포함한 지하수 상승에 의한 염해 방지와 함께, 보수 가능한 토양을 제공하는 것으로 식물을 육성할 수 있는 환경을 제공하는 것을 검토했다.

유기 초박막 기술의 하나인 화학 흡착 단분자막을 개발, 발수성 및 발 유성 표면 개질 기능을 갖춘 이 단분자막을 조리 가전 제품에 적용해왔다. 본고는 이 단분자막 형성 기술을 응용하여 현지 모래를 효율적으로 발수 코팅하여 발수 모래를 제조하는 기술과 함께, 염해 방지 기능에 대한 실제 식물을 이용한 실험 결과 그리고 환경 보전에 기여하기 위해 발수 모래를 응용한 물 뿌리기 효과 등의 응용 프로그램에 대해 보고한다.

2. 발수 기술

2.1 발수 재료와 단분자막 기술

표면을 발수하는 행위로는 기재 표면을 발수하는 요소로 덮는 진공 증착과 같은 물리적 방법과, CVD (Chemical Vapor Deposition)과 같은 화학적 방법이 준비되어 각각 장점과 단점이 있다. 화학 흡착법에 사용되는 물질은 매우 반응성이 풍부하여 실록산 결합을 형성한다. 이상 단분자막이 형성되어 단분자막 형성 분자 반대편에 발수성 관능기를 마련해두면 저절로 발수성 작용기가 표면에 노출되기 시작, 마지막에는 발수성 작용기로 표면이 가득 찬다. 발수는 접촉각이 90° 이상인 상태를 말하며, 접촉각은 고체의 표면 장력, 액체의 표면 장력, 고액의 계면 장력의 관계식에 자리 매김, T. Young 식으로 표시된다. 표면 관능기의 표면 장력(γc (mN / m))이 이미 정리되어 있다. 불화 탄소 기가 만드는 표면 장력은 그 중에서도 작은 값이다. 트리클로로 실란, CF3(CF2) 7(CH2) 2SiCl3(이하 FAS-17로)을 이용하여 실리콘 기판에 화학 흡착법으로 형성한 단분자막의 표면 장력은 8 mN / m이며, 불과 2nm 두께의 표면 개질이면서 불소 수지 피막 동등 이상의 수치를 나타낸다.

2.2 모래 발수화

기재되는 모래는 "1 / 16 mm에서 2 mm까지의 직경을 가지는 것"이라고 입경으로 정의되어 있으며, 입도 조성의 분류뿐이며 미네랄 성분에 의한 분류가 아니다. 모래 발수화 화학 흡착법을 적용하는 경우, 모래 표면 수산기의 유무가 중요한 열쇠가 된다. 모래의 대표적인 광물인 규사, 장석, 휘석, 운모 등은 모두 규산염에서 표면 수산기를 가지고 있다고 생각할 수 있지만, 결정 구조를 고려할 필요가 있다. 산지에 따라 모래의 대부분이 산호와 유기물일 수 있다.

3. 발수 모래 제조 기술

3.1 발수 모래 제조

2.1 절과 같이 화학 흡착법은 기재 표면의 수산기와 관능기의 접촉을 촉진함으로써 성립한다. 따라서 접촉을 방해하고 수분을 제거하는 것이 유일한 조건이 된다.

액상 흡착법의 예시로 위의 FAS-17을 재료로 한 경우 그 용매는 불화 탄소계 재료가 용해 가능할 필요가 있다. 그 대표적인 예는 불소계 용제이다. 이러한 용매는 함유 수분도 적고 사용하기 편하다. 종래의 탄화수소계 용매와 할로겐 용매의 혼합계도 사용 가능하지만, 불소계 용제 이상의 수분 관리주의가 필요하다. 용매의 수분 관리가 불충분한 경우에는 관능기가 기재 접촉하기 전에 용액에서 관능기 간의 반응이 진행, 발수 재료가 낭비되고, 발수 처리 효율이 저하된다.

기재의 수분 관리도 물론 중요하다. 지금까지 화학 흡착법에 사용된 기판은 유리, 스테인리스 판, 실리콘 판 등으로 표면 건조는 건조 공기에 노출 등으로 충분했다. 그러나 물체가 모래인 경우, 비 표면적이 크기 때문에 수분 제거를 위해서는 100℃ 이상 가열 및 대기압 이하에서 장시간 방치 등 판 상의 기재보다 장시간의 전처리가 필요하게 되었다. 이상의 작업을 거쳐 액상법으로 구성된 발수 모래를 형성했다.

3.2 외관의 접촉각

발수성의 평가는 평평하고 매끄러운 고체 표면에 물방울이 있는 경우, 고 - 액 계면에서 기체 - 액체 계면에 가는 접촉각이 지표가 된다. 그러나 발수 모래로 이루어진 평면은 고르지 않기 때문에 편평한 판의 표면에 모래를 평면으로 정렬, 그 표면에 형성된 물방울에 명백한 접촉각으로 평가했다.

발수 처리를 모래로, 토요 우라 표준 모래를 사용했다. 토요 우라 표준 모래는 시멘트의 물리적 특성을 알아내기 위하여 사용 지정된 모래를 바른다. 입경은 0.1mm ~ 0.3mm의 범위로 조정된 천연 규사로, 야마구 현 토요 우라군 토요 우라쵸 쿠로이 산이다. 토요 우라 표준 모래를 발수 처리한 발수 모래, 유리 슬라이드에 붙인 양면 테이프에 살포하고 평평하게 고착한 후 고정되지 않은 여분의 모래를 떨어뜨려, 평가용 시료를 제작하였다. 접촉각 측정기를 사용하여 물방울 양을 3 μL로 측정했다. 대표적인 측정 결과는 133.1 °였다.

3.3 물 침수 압력

여기서는 발수 모래의 물 침수 압력 측정 결과를 나타낸다. 물 침수 압력과 발수 모래 층에 물을 친 경우에 물이 발수 사층에 침입할 때의 수압을 바른다. 발수 모래의 응용을 생각하는데, 물 침수 압력을 추측하는 것이 중요하며, 이 측정은 물 침수 압력과 발수 모래 입경의 관계를 확인했다. 입자는 입자 지름이 다른(30 μm ~ 1 mm) 소다 유리의 구형 입자를 이용한 발수 처리는 FAS-17 하이드로 플루오르 에테르로 희석 한 1 % 용액에 침지시키는 액상 처리에서 실시되었다. 물 침수 압력은 입경 100 μm 전후에서 약 30cm를 경계로 입자 크기의 감소에 따라 급격히 상승하는 경향을 보였다. 이 측정 결과 및 모세관 현상과 표면 장력의 관계보다, 발수 모래에 물 침수 압력은 발수 모래 입자 크기의 역수에 비례하는 특성이라고 추측된다.

4. 발수 모래 응용 프로그램

4.1 염해 방지에의 응용

염분을 포함한 지하수 상승에 의한 염해 방지 효과를 확인하기 위해 간단한 실험을 했다. 2개의 화분에 식물(매일 잔디)을 설치하고 한쪽 화분에만 바닥에 3cm의 두께 발수 사층을 설정한다. 2개의 화분 밑이 4%의 소금물에 잠기도록 설치하고, 토양의 염분 농도의 경시 변화와 식물의 생육 상황을 관찰했다.

발수 모래가 없는 식목의 토양은 염분 농도가 점차 상승하고 식물은 6일 후에는 고사되기 시작했고, 45일째에 완전히 고사했지만 발수 사층을 설치 한 식목은 2주 후에도 염분 농도에 변화가 없었고, 45일째에도 식물 육성 상황은 양호했다. 이 결과는 발수 사층이 지하수 상승에 따른 염해 방지에 효과가 있음을 입증할 수 있었다.

4.2 물 뿌리기 효과에의 응용

최근 열섬 현상의 대책으로 다양한 냉각 포장 구조가 제안 및 입증되었다. 3.3 절에 나와있는 결과보다 본 발수 모래가 물 침수를 막는 것을 확인했다. 이 성질을 이용하여 토양에 발수 모래의 저수조를 설치함으로써 적당한 양의 저수지를 가능하게 하고, 그 물에 장시간 포장 표면을 습윤 상태로 유지하기 위해 물 뿌리기 시스템을 제안했다. 또한 여름철 기후를 이용하여 제안된 물 뿌리기 시스템의 포장 표면 냉각 효과를 확인했다. 이 시스템은 5m 사방의 지역에 5cm 두께의 발수 사층을 차수층으로 설치하고 그 위에 6cm의 발수하지 사층을 보수 계층으로 설치하고 그 위에 양수 힘 있는 블록을 깐 간단한 구조이다. 일사량, 기온, 습도, 풍속, 강수량 등의 기후 조건과 함께 블록 표면 온도 반사 일사량 등을 측정하여 냉각 대책을 실시하지 않는 일반 포장 표면 및 발수 모래를 이용하지 않고 시판의 보수 블록을 깐 포장 표면과 측정 결과를 비교했다. 저녁 강수에 의한 물 공급을 예상하고 전날 저녁에 각각의 표면에 같은 양의 물을 뿌려 야간 방치한 후, 다음날 맑은 하늘일 때의 측정 결과를 비교했다. 발수 모래를 이용한 시스템은 하루 종일 기온과 비슷한 온도를 유지, 다른 시스템의 표면 온도보다 10 ℃ ~ 15 ℃ 낮은 값을 보였다. 또한 반사 일사량도 다른 시스템에 비해 30 % ~ 40 % 억제하는 효과가 이 시스템의 표면 냉각 효과를 확인할 수 있었다.

5 정리

발수 모래 제조 기술 및 발수 모래를 응용한 프로그램을 검토했다. 발수 모래는 염분을 포함한 지하수 상승에 의한 염해 방지와 물 뿌리기 시스템에 응용될 가능성이 있다는 것을 보여주었다.

키워드 : 모래, 발수, 열섬효과, 접촉각

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://panasonic.co.jp/

연도: 2012-09-23

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2012.10.06 12:03

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