Water-soluble polyvinylidene pyrrolidone/low density polyethylene (PVP/LDPE) blend polymer was fabricated for sinkhole restoration polymer pouch application. The mechanical property and water solubility were measured as a function of blended PVP and LDPE ratios. Increase of blended LDPE ratio caused the enhancement of tensile strength, elongation at break and storage modulus while water solubility decreased due to its non-soluble property. In order to enhance the mechanical properties, moreover, surface modified silica nanoparticle via silane coupling agent was adopted as a filler. As a result, the tensile strength was enhanced while water solubility was almost not influenced by additional silica filler.

지반 공극 복구용 수용성 고분자 파우치 소재 개발을 위하여 수용성 고분자인 polyvinylidene pyrrolidone (PVP)와 low density polyethylene(LDPE)를 블렌드하였다. 또한 두 고분자의 다양한 혼합비에 따른 기계적 물성 및 수용성 변화를 관찰하였다. LDPE의 함량이 증가함에 따라 인장강도와 신장률, 저장탄성률이 증가하였으며 수용해도가 감소하였다. 폴리머 블렌드의 기계적 물성을 강화하기 위하여 실리카 나노입자를 실란커플링제로 표면처리 후 필러로 복합화하여 고분자 블렌드의 인장강도 증가를 확인하였고, 용해도에는 실리카 필러가 커다란 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.

Keywords: water soluble polymer, polymer blend, solubility, mechanical property

최근 전세계적으로 지반 함몰이나 싱크홀같은 지반 침하 문제가 대두되고 있다. 지반 침하는 자연적, 또는 인공적인 다양한 원인에 의한 지질학적 현상이다.^1,2 지반 침하의 자연적 원인으로는 석회암의 용해 및 기타 용해성 물질의 용해 및 증발, 그리고 지진 활동 등이 있다. 인공적인 원인으로는 석유, 가스 시추, 지하 광물의 채굴, 지하수 개발 및 습지의 배수, 그리고 지하 바위의 제거 등의 결과로 나타난다.³ 특히, 최근에는 도심의 난개발로 인한 지하수위의 변동에 의하여 지반의 토양이 유실되어 도심 내에 많은 양의 지하 공극 및 지반 침하 문제가 발생하고 있다. 이러한 지반 침하는 지상의 시설뿐만 아니라 수로, 하수 시스템, 매장 파이프 라인 등의 지하 시설 등의 광범위한 손상을 가져올 수 있다.⁴
안타깝게도, 토양 유실을 방지하는 기술은 존재하지 않기 때문에 지속적인 관찰을 통한 지하 공극의 보수가 유일한 해결책이다. 현재 사용되는 지하 공극의 보수 방법으로 지상에서 지반을 개착 후 공극을 메운 후 상부 구조물을 재 시공하는 방법이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 방법은 지반 강도 저하 및 시공 과정의 복잡성, 높은 비용 등의 문제점이 발생하게 된다. 또한 공사를 위해 장시간 도로 등을 폐쇄해야 하기 때문에 높은 사회적 비용이 발생한다는 단점이 있다.⁵ 따라서 비개착식 방법으로 지반의 천공 후 시멘트계 충전재를 주입하는 방법이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 방법은 지하수 오염의 문제와 지하수 흐름에 의한 충전재의 재료분리, 유실 문제가 있어 강도 저하에 따른 안정성 문제를 야기할 수 있다.⁶ 이와 같이 일반적으로 적용되고 있는 지반 침하 보수 방법의 단점을 보완하기 위한 새로운 기술이 필요하다. 비개착식 방법의 장점을 활용하고 시멘트계 충전재의 유실을 방지하기 위해 고분자 파우치에 충전재를 충전하여 지하 공극에 주입하는 방법이 제안되고 있다. 고분자 파우치를 사용할 시 파우치 내에서 시멘트계 충전재의 유출을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 사전에 제작된 파우치형 충전재의 사용으로 충전재 혼합 등의 공정시간을 단축시켜 긴급 복구가 가능 하다는 장점이 있다.
이러한 지반 공극 복구용 폴리머 파우치는 지하수에 의해 쉽게 용해될 수 있을 뿐만 아니라 지반 공극에 주입 시 충격에 파손되지 않고 충전재의 팽창에 버틸 수 있는 강한 기계적 강도를 요구한다. 현재 지반 공극 복구용 수용성 파우치 관련 연구는 전무한 상황이다. 또한 기존의 수용성 폴리머에 대한 연구는 약물전달에 적용하기 위한 인체 내부에서 용해되는 물질에 관한 연구가 주를 이루고 있다. 하지만, 이러한 연구 및 적용은 기계적 강도를 요구하지 않기 때문에 고분자 파우치에 적용할 수 없다.^7,8 따라서 본 연구에서는 높은 기계적 강도를 갖는 수용성 폴리머 소재 개발을 주제로 하고 있다. 본 연구에서는 polyvinylidene pyrrolidone(PVP)를 수용성 고분자로 선정하였다. PVP는 상온의 물속에서 쉽게 용해되는 고분자로 대량생산에 용이한 열가소성 수지이다. 하지만, PVP는 외부 충격에 대한 매우 낮은 기계적 강도를 갖는다. 따라서 PVP의 기계적 강도를 높이기 위하여 PVP와 low density polyethylene(LDPE)를 블렌딩하였다. LDPE는 녹는점 (130 ℃)이 PVP의 녹는점(120 ℃)과 유사하여 블렌딩에 적합한 고분자 중 하나일 뿐만 아니라 높은 충격강도를 갖는 고분자이다.9,10 PVP와 LDPE을 다양한 비율로 블렌딩하여 수용성 고분자 파우치용 소재로서의 수용성 및 기계적 물성을 관찰하였다. 또한 PVP/LDPE 복합소재의 기계적 물성을 강화시키기 위하여 표면처리된 실리카 입자를 복합화하였다.