Colouring penetration-grade bitumen through emulsification and optical masking with a light mineral phase: laboratory development and process design
본 연구는 유화 공정과 광학적 마스킹을 위한 경량 광물 상의 첨가를 포함하는 저비용의 확장 가능한 공정을 통해 기존의 검은색 비튜멘을 밝게 하고 색을 입히는 것이 가능하다는 것을 입증하며, 이는 바인더를 검은색에서 회색으로 변화시키고 안료 사용량을 줄이면서도 효과적인 착색을 가능하게 한다.
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우리 발밑의 지면은 종종 원유의 무거운 잔여물에서 유래한 아스팔트라는 어둡고 끈적한 태피스트리로 이루어져 있습니다. 비투멘(bitumen)이라 알려진 이 물질은 우리가 매일 사용하는 도로, 자전거 도로, 주차장을 하나로 묶어주는 접착제 역할을 합니다. 자연 상태의 비투멘는 가시광선을 거의 모두 흡수하는 아스팔텐이라는 작고 복잡한 분자들로 채워져 있기 때문에 짙은 빛을 흡수하는 검은색을 띱니다. 이 검은색은 내구성 측면에서는 완벽하지만, 단점이 있습니다. 바로 태양열을 흡수하여 도시가 주변 시골 지역보다 현저히 더 뜨거워지는 '도시 열섬' 현상을 가중시킨다는 점입니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어와 도시 계획가들은 오랫동안 이러한 표면의 색을 바꾸어 열을 반사하고 안전성을 높이는 방법을 모색해 왔습니다. 그러나 유색 도로를 만드는 길은 단순한 물리적 문제에 의해 가로막혀 왔습니다. 밝은 색의 안료를 검은색 접착제에 섞으면 대개 탁하고 어두운 갈색의 엉망진창인 결과물이 나오며, 또 다른 대안인 어떤 색도 수용할 수 있는 값비싼 투명 합성 바인더를 사용하는 것은 프로젝트를 광범위하게 적용하기에는 너무 비용이 많이 듭니다.
카라치 대학교의 연구팀은 값비싼 합성 대안을 사용하지 않고도 일반적인 검은색 비투멘을 밝고 색을 입힐 수 있는 베이스로 바꾸는 방법을 찾아내어 이 수수께끼를 풀고자 했습니다. 그들의 접근 방식은 비투멘의 검은색과 싸우는 것이 아니라, 그것을 숨기는 것이었습니다. 그들은 가장 뻔한 아이디어인 뜨거운 액체 상태의 비투멘에 밝은 주황색 염료를 직접 섞는 것부터 테스트를 시작했습니다. 결과는 실망스러웠습니다. 많은 양의 염료를 넣었음에도 불구하고 혼합물은 여전히 어둡고 탁한 갈색으로 남았습니다. 비투멘의 검고 빛을 흡수하는 분자들이 염료가 반사하려는 빛을 집어삼키기에 너무나 지배적이었습니다. 그들은 또한 흰색 입자들이 혼합물을 밝게 만들어주기를 기대하며 뜨거운 비투멘에 점토나 초크 같은 밝은 색 가루를 직접 첨가하기도 했습니다. 이 역시 실패했습니다. 뜨겁고 연속적인 액체 속에서 검은 비투멘이 가루의 모든 입자를 코팅하여 전체 혼합물을 다시 검은색으로 만들어버렸기 때문입니다.
돌파구는 연구진이 비투멘의 물리적 상태를 변화시켰을 때 찾아왔습니다. 비투멘을 연속적인 액체 상태로 유지하는 대신, 이를 아주 작은 방울로 분해하여 물 속에 부유시키는 '비투멘-물 에멀션(emulsion)'을 만들었습니다. 이것은 마치 고체 초콜릿을 우유 속에 떠다니는 작은 초콜릿 가루 구름으로 만드는 것과 같습니다. 일단 비투멘이 이 작은 방울 안에 갇히게 되자, 연구진은 방울들을 둘러싼 물속에 미세한 점토와 수산화칼슘 같은 밝은 색의 광물 상(phase)을 도입했습니다. 비투멘이 더 이상 연속적인 검은 막이 아니게 되었기 때문에, 밝은 색의 광물들이 방울 주변에 자리 잡을 수 있었고, 빛이 검은 핵심부에 도달하기 전에 빛을 산란시킬 수 있었습니다. 연구진이 '광학적 마스킹(optical masking)'이라고 부르는 이 과정은 혼합물을 칠흑 같은 검은색 액체에서 부드럽고 밝은 회색으로 변모시켰습니다.
이 새로운 회색 베이스를 통해 연구진은 색을 훨씬 더 효과적으로 입힐 수 있음을 발견했습니다. 배경이 더 이상 빛을 흡수하는 검은색이 아니었기 때문에, 눈에 띄고 선명한 색조를 만들기 위해 더 적은 양의 안료가 필요했습니다. 그러나 이 새로운 혼합물은 두 가지 난관에 봉착했습니다. 첫째, 비투멘을 에멀션으로 만들고 점토로 덮는 과정에서 결합력이 약해졌습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 재료의 강도를 회복시키는 접착제 역할을 하는 폴리머 변성 바인더를 추가했습니다. 둘째, 처음에 사용했던 밝은 섬유 염료는 물에 노출되면 쉽게 씻겨 내려갔습니다. 연구진은 도로가 오래 지속되려면 물에 녹는 염료 대신, 전통적인 건설 자재에 쓰이는 산화철과 유사하게 표면에 더 잘 결합하는 내광성 무기 안료로 교체해야 한다는 것을 알아냈습니다.
실험실에서 개념 증명을 마친 후, 팀은 이 유색 바인더를 생산하기 위한 연속적인 산업 공정을 설계했습니다. 그들은 건조된 바인더 1kg을 생산할 때마다 공정에 약 0.22메가줄의 열량과 0.077킬로와트시의 전력이 필요하다는 것을 계산했습니다. 이 유색 바인더의 원재료 비용은 연구 당시 일반적인 무색 비투멘 가격의 약 1.4배로 추정되었습니다. 이는 표준 도로용 접착제보다는 비싸지만, 현재 유색 도로에 사용되는 투명 합성 바인더보다는 훨씬 저렴합니다. 연구진은 이 광학적 마스킹 방식이 색을 입힌 반사형 도로를 만드는 데 있어 유망하고 저렴한 경로를 제공한다고 결론지었습니다. 다만, 이 재료가 실제 도로에서 사용되기 전에는 교통량과 환경 요인을 견뎌낼 수 있는지 엄격한 테스트를 거쳐야 한다고 언급했는데, 이는 현재의 연구가 실험실 관찰과 육안 확인에 국한되었기 때문입니다.
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