KR100286925B1 - 복합수지의 재생가공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합수지의 재생가공 방법에 관한 것으로, 특히 자동차의 인스트루먼트 패널로부터 분리, 회수된 재생 PC/ABS계에 있어 혼입된 발포우레탄 폼이 가공 온도조건에 따라 PC/ABS계의 모폴로지 및 기계적 물성에 미치는 영향을 조사함으로서, 상용화제 첨가없이 큰 폭의 물성저하를 막아 재생 PC/ABS계를 자동차 라디에터그릴 소재로 적용하고자 한 복합수지의 재생가공 방법으로, 표피층은 폴리염화비닐시트, 증간층은 발포우레탄 폼, 기재층은 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 복합재료 층을 분리하는 제 1단계(S1)와; 상기 제 1단계에서 분리된 재료를 파쇄하는 제 2단계(S2)와; 상기 제 2단계에 의해 파쇄된 재료를 미세하게 분쇄하기 위한 제 3단계(S3)와; 상기 분쇄된 분말을 재료별로 선별하기 위한 제 4단계(S4)와; 상기 분리, 분쇄, 선별 회수된 재료를 고온 및 저온으로 압출 가공하여 자동차 라디에터 그릴을 생산하는 제 5단계(S5)로 이루어진다.
Description
본 발명은 복합수지의 재생가공 방법에 관한 것으로, 특히 자동차의 인스트루먼트 패널로부터 분리, 회수된 재생 PC/ABS계에 있어 혼입된 발포우레탄 폼이 가공온도조건에 따라 PC/ABS계의 모폴로지 및 기계적 물성에 미치는 영향을 조사함으로서, 상용화제 첨가없이 큰 폭의 물성저하를 막아 재생 PC/ABS계를 자동차 라디에터 그릴 소재로 적용하고자 한 복합수지의 재생가공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 산업의 발달과 더불어 국민 생활수준의 향상으로 자동차 생산 및 판매량이 매년 증가하는 추세이고, 또한 자동차 제조기술은 상당한 수준에 이르러 내구연한은 길어졌으나 신차의 선호도 때문에 자동차의 라이프 사이클이 짧아지면서 폐차량이 급증하고 있다.
또한 연비향상과 배기가스 절감을 목적으로 자동차의 경량화가 추진되면서 경량소재인 플라스틱의 사용이 증가하고 있다.
즉, 자동차에서 플라스틱이 차지하는 비율은 부피지 32vol％로 금속재료의 34vol％와 거의 비슷한 수준에 있으나 금속재료가 거의 대부분 재활용되고 있는데에 반하여 플라스틱은 코팅, 적층 등 복합재료료 쓰이는 것이 많아 재활용에 어려움이 따랐다.
또한 상기 복합재료로 이루어진 부품들은 폐기물로 취급되어 매립되거나 소각 처리됨으로서, 환경오염과 폐기물 처리시 사용되는 비용 등의 문제점이 발생하였다.
따라서, 상기와 같은 플라스틱의 재활용 방법이 연구되고 있는 데 크게
첫째, 재료로의 재이용(material recycling), 둘째, 화학적 재활용(chemical recycling), 셋째, 에너지로 회수하는 방법(energy recycling) 3가지로 나눌수가 있으나 이러한 방법들은 하기에 기재된 바와 같은 문제점이 지적된다.
첫째, 재료로의 재이용의 경우에는 재용융, 재성형이 가능한 열가소성 수지를 용해, 분쇄, 분별, 혼합, 상용화 등의 방법으로 재생하는 것으로 플라스틱 복합재료의 경우 재료별 분리에 어려움이 따른다.
둘째, 화학적 재활용은 플라스틱을 화학적으로 분해하여 원료로 회수하는 방법인데 PMMA, PET, PP 등이 일부 처리되고 있으나 경제성을 고려할 때 아직 실용화단계에는 이르지 못하고 있다.
셋째, 에너지로 회수하는 방법은 열경화성 플라스틱은 용해나 융해가 되지 않기 때문에 재자원화가 어려워 소각하여 에너지로 회수하고 있다. 플라스틱의 연소 발열량은 8,000∼10,000㎉/㎏으로 상당히 높으나 소각시 발생하는 유해물질 제거기술, 에너지 회수기술, 소각기술 등을 필요로 하는 문제점이 있었다.
한편 자동차 부품 중 큰 비중을 차지하고 있으나 재활용이 어려운 대표적인 플라스틱 부품은 운전석 전면을 구성하는 인스트루먼트 패널이다.
상기 인스트루먼트 패널은 표피층은 폴리염화비닐 시트, 증간층은 발포우레탄 폼, 기재층은 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 3층구조의 패드타입(pad-type)이 대부분이다.
따라서, 상기 인스트루먼트 패널의 재활용에는 이들 구성재질들의 효율적인 분리가 선행되어야만 한다.
그러나, 재활용을 위하여 분쇄, 분리, 분별, 회수하는 공정중에 부득이하게 패드층의 우레탄 폼이 양쪽으로 혼합되어 있는 데, 이 혼합된 우레탄 폼이 재생 PC/ABS계의 물성에 크게 영향을 미칠 수가 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 자동차의 인스트루먼트 패널로부터 분리, 회수된 재생 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(이하 PC/ABS라 칭함)계에 흡착되어 있는 발포우레탄 폼(PU foam)을 가공온도 조건에 따라 상기 PC/ABS계의 모폴로지 및 기계적 물성에 미치는 영향을 조사함으로서 상용화제 첨가없이 우레탄폼의 열적성질을 이용한 모폴로지 제어에 의해 큰 폭의 물성저하를 막아 재생 PC/ABS계를 자동차 라디에터 그릴 소재로 재사용하도록 한 복합수지의 재생가공 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 표피층은 폴리염화비닐 시트, 증간층은 발포우레탄 폼, 기재층은 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 복합재료 층을 분리하는 제 1단계와;
상기 제 1단계에서 분리된 재료를 파쇄하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에 의해 파쇄된 재료를 미세하게 분쇄하기 위한 제 3단계와; 상기 분쇄된 분말을 재료별로 선별하기 위한 제 4단계와; 상기 분리, 분쇄, 선별 회수된 재료를 고온 및 저온으로 압출 가공하여 자동차 라디에터 그릴을 생산하는 제 5단계로 됨을 특징으로 한다.
상기 분리, 분쇄, 선별 회수된 재료는 260℃∼270℃로 압출 가공한 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명 복합수지의 재생가공 방법을 단계적으로 나타낸 도,
도 2 및 도 3은 본 발명 복합수지의 재생가공 방법 중 압출처리온도에 따른 발포우레탄 폼의 형태, 분자운동성 및 관능기량의 변화를 나타낸 도,
도 4a 및 도 4b는 고온과 저온에서의 발포우레탄 입자 모폴로지를 비교하기 위하여 각 블렌드물의 파단면을 SEM으로 촬영한 도,
도 5는 신재 PC/ABS와 재생 PC/ABS블렌드를 인장시켰을 때의 대표적인 응력-변형곡선,
도 6 내지 도 11은 신재 PC/ABS와 재생 PC/ABS를 조성에 따라 고온 및 저온에서 압출했을 대 인장강도 및 신율의 변화를 나타낸 도,
본 발명의 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명 하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 복합수지의 재생가공 방법을 단계적으로 나타낸 도이고,도 2 및 도 3는 본 발명 복합수지의 재생가공 방법 중 압출처리온도에 따른 발포우레탄 폼(PU)의 형태, 분자운동성 및 관능기량의 변화를 나타낸 도이며, 도 4a 및 도 4b는 고온과 저온에서의 발포우레탄 입자 모폴로지를 비교하기 위하여 각 블렌드물의 파단면을 SEM으로 촬영한 도이고, 도 5는 신재 PC/ABS와 재생 PC/ABS블렌드를 인장시켰을 때의 대표적인 응력-변형곡선이고, 도 6 내지 도 11은 신재 PC/ABS와 재생 PC/ABS를 조성에 따라 고온 및 저온에서 압출했을 대 인장강도 및 신율의 변화를 나타낸 도이다.
본 발명 복합수지의 재생가공 방법을 도 1을 첨부하여 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
표피층은 폴리염화비닐 시트, 증간층은 발포우레탄 폼, 기재층은 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 복합재료 층을 분리하는 제 1단계(S1)와; 상기 제 1단계에서 분리된 재료를 파쇄하는 제 2단계(S2)와; 상기 제 2단계에 의해 파쇄된 재료를 미세하게 분쇄하기 위한 제 3단계(S3)와; 상기 분쇄된 분말을 재료별로 선별하기 위한 제 4단계(S4)와; 상기 분리, 분쇄, 선별 회수된 재료를 고온 및 저온으로 압출 가공하여 자동차 라디에터 그릴을 생산하는 제 5단계(S5)로 이루어진다.
(실험)
상기와 같이 복합수지의 재생가공 단계를 실험을 통하여 알아보면 다음과 같다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 180℃에서부터 발포우레탄 폼이 미세화되기 시작하고 280℃이후에는 가소화되는 것을 알 수가 있다.
여기에서, 하드 세그먼트(hard segment)의 운동성은 압출온도에 의존하지 않는 것으로 나타낸 반면, 소프트 세그먼트(soft segment)의 운동성은 미세화 영역에서부터 압출온도와 비례하여 선형적으로 증가하였다.
아민가는 180℃에서 증가하기 시작하여 260∼280℃에서 일단 감소한 후 280℃이상에서 급격하게 증가하였다.
즉, 상기 260∼280℃온도에서 아민이 감소하는 것은 분해에 의해 생성된 아민에 의해 아민교환반응이 이루어져 아민이 소비되었기 때문이다.
또한 발포우레탄 폼의 IR 흡수강도는 압출온도가 높을수록 점점 감소하는 데 이것은 분자운동성 측정결과 일치하는 것으로 180℃이상에서 우레탄 폼 결합이 선택적으로 분해되고 있음을 암시한다.
따라서, 압출기를 이용하여 발포우레탄 폼 분쇄물에 열과 높은 전단력을 가하면, 발포우레탄 폼 내에 포함된 소량의 수분이 분래제로 작용하여 망목구조를 형성하고 있는 발포우레탄 폼의 결합을 분해시켜 결합강도가 저하되는 데, 이때 전단력이 작용하게 되면 발포우레탄 폼이 미세한 입자로 된다.
이때, 온도를 더욱 올리게 되면 우레탄 결합의 분해가 좀더 빠르게 진행되고 망목구조가 붕괴되어 저분자량체가 된다.
여기까지 분해가 진행되면 점도가 매우 낮은 가소체 혹은 액상체가 된다.
이 미분체, 가소체, 액상체는 많은 수산기, 아민기를 갖고 있기 때문에 반응성이 높고, 개질제나 상용화제 대체로서 사용할 수가 있다.
이러한 고온과 저온에서의 우레탄 폼의 열적거동을 응용하고자, 자동차 인스트루먼트 패널로부터 분리해낸 재생 PC/ABS계(소량의 발포우레탄 폼 함유)와 신재 PC/ABS계를 다양한 조성으로 고온 대략 260℃ 및 저온 대략 220℃에서 이축 압출기로 용융블렌드 하였다.
상기 고온에서 높은 전단응력을 받은 발포우레탄 폼은 단계적으로 미분화, 가스화, 액상화가 진행되어 용융된 PC/ABS계 내부에 미세하고 고르게 분산된다. 실제로 고온과 저온에서의 발포우레탄 폼의 입자 모폴로지를 비교하기 위하여 각 블렌드몰의 파단면을 SEM으로 관찰하면 도 4a에서 보는 바와 같이 고온 용융블렌드물은 PC/ABS 매트릭 내에 2∼3㎛으로 미세화된 발포우레탄 폼 입자를 균일하게 분산되어 있다.
반면에 저온 용융블렌드물에서는 도 4b에 도시된 바와 같이 우레탄 폼이 약 30㎛의 크기로 도메인을 이루고 있어 상대적으로 분산상태가 균일하지 않다.
이러한 고온과 저온에서의 우레탄 폼 입자의 크기와 분산정도가 물성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 각각에 있어서의 인장강도, 신율, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 충격강도, 열반형온도 등의 물성을 측정하여 상호 비교하였다.
다음 도 5에서 보는 바와 같이 신재 PC/ABS는 연성파괴(ductile fracture) 거동을 보이는 반면 재생 PC/ABS는 취성파과(brittle fracture) 거동을 보이고 있으며 재생 PC/ABS는 인장강도, 신율, 강인성 등의 물성이 신재 PC/ABS에 비해 낮다는 것을 알 수가 있다.
이것은 재생 PC/ABS에는 재생공정 중 열분해로 인해 생성된 저분자량체가 상대적으로 많이 포함되어 있고, 소량의 발포우레탄 폼이 함유되어 계면접착력을 약화시키기 때문이다.
고분자의 응력-변형 거동에 수평균분자량은 중요한 변수로 작용하는 데, 분자량분포가 넓지 않은 경우에는 인장강도와 수평균자량은 다음 관계가 있다.
여기에서 δ는 인장강도, δ0 는 한계인장강도, Μe 는 사슬 사이의 분자량을 의미하며 이 식으로 위와 같은 결과를 뒷받침할 수가 있다.
도 6에서 보는 바와 같이 신재와 재생재의 조성, 즉 분자량의 차이에 따라서는 인장특성에 현격한 차이가 있는 것으로 나타났다. 윗 식을 일반적인 기계적 물성으로 확대 적용하면 재생 PC/ABS양이 많을수록 열분해에 의해 생성된 저분자량의 PC/ABS가 증가되어 물성이 감소한다.
다음 고분자 블렌드는 구성성분에 따라 분자간에 작용하는 힘이 다르고, 구성성분상의 크기, 분포 등은 가공조건에 따라 변화될 수 있으며, 블렌드의 기계적 물성은 이들의 영향을 받는다.
다음 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이 신재의 함량이 증가할수록 인장특성이 증가하고 있고, 고온 압출물이 저온 압출물 보다 모든 조성에서 거의 비슷하거나 다소 높은 값을 나타낸 다.
이것은 재생 PC/ABS에 소량 함유된 발포우레탄 폼 입자의 크기가 인장특성에 큰 영향을 미치지않는 다는 것을 의미한다.
한편 재생 PC/ABS 100％만으로도 자동차 라디에터 그릴로 사용 가능한 충분한 목표물성을 지니게 된다.
또한 도 8 및 도 9는 굴곡특성을 보여주는 것으로, 신재의 함량에 따라 굴곡강도가 증가하였고, 굴곡탄성율은 거의 변함이 없었다.
또한 고온 및 저온 압출물의 굴곡탄성율은 거의 나타나지 않았다.
이로부터 굴곡특성에 영향을 미치는 지배적인 인자는 도메인의 크기보다는 매트릭스 특성이라는 것을 알 수가 있다.
또한 굴곡탄성율은 분자량보다는 분자구조 자체의 특성에 좀더의존한다고 유추할 수 있다.
다음 도 10은 고온 및 저온에서 압출된 블렌드물의 충격시험결과를 나타낸 것으로, 충격시험은 고속 파괴시험으로서 시편이 파괴되는 데 필요한 에너지를 측정하는 것이다. 실험방법에 따라 다소 차이가 있기는 하지만 충격에 의하여 시편이 파괴되려면 균열을 개시시키는 데 필요한 에너지와 균열을 성장시키는 데 필요한 에너지가 필요하다. 따라서 전자가 파괴에너지의 약 70％이상을 차지하는 경우가 대부분이며, 미리 노치(notch)를 부가하여 실험하는 경우에는 시편의 형상에 크게 영향을 받지않고 재현성있는 결과를 얻을 수가 있다.
따라서, 본 실험에서는 노치가 부가된 시편에 대해 Izod 방법으로 충격강도를 측정하였다.
인장 및 굴곡특성에서와 마찬가지로 재생재의 함량에 따라 충격강도는 감소하고 있다.
이것은 재생 PC/ABS에는 열분해에 의해 저분자량체가 상대적으로 많이 존재하고 있기 때문이다. 다른 물성과는 달리 충격강도는 고온 및 저온 압출물이 현격한 차이를 보였는 데 고온 압출물은 저온 압출물보다 최고 66％ 까지 충격강도가 높은 것으로 나타났다.
일반적으로 비상용성 블렌드의 충격강도 도메인의 크기가 작을수록 증가하는 데 본 계에서도 이와 같은 경향을 확인하였다.
즉, 도 3에서 보는 바와 같이 고온에서 압출함으로서 발포우레탄 폼입자가 보다 미세하고 균일하게 분산되고, 이러한 우레탄 폼 입자의 미세화가 충격강도의 상승효과를 일으킨 것으로 설명할 수가 있다.
한편 재생재가 80％이상 함유된 저온 압출물의 경우에는 라디에터 그릴의 목표물성에 미치지 못하는 것으로 나타났다.
그러나 고온 압출물은 100％ 재생일 경우에도 그 기준치를 만족시키고 있다. 이러한 차이는 도 2 및 도 3에서 알 수 있듯이 우레탄 폼이 고온에서 미분화, 가소화, 액상화가 진행되어 용융된 PC/ABS 내부에 미세하고 고르게 분산되었기 때문이다.
열변형 온도또는 연화점은 고분자가 형태를 유지하며 사용될 수 있는 최대 한계온도를 의미하는 것으로 실제적이고 중요한 고분자의 물성이다.
상기 열변형온도는 무정형고분자에서는 Tg 근처이고 결정성고분자인 경우에는 Tm 근처가 된다.
상기와 같은 열변형온도의 측정결과가 도 11에서 보는 바와 같이 신재 PC/ABS의 함량이 증가할수록 다수 높아지는 경향을 보이고 있고, 신재 PC/ABS가 재생 PC/ABS 보다 약 10℃ 정도 높게 나타났다. 고온 압출물의 차이는 거의 없었다.
따라서, 자동차의 인스트루먼트 패널로부터 재생한 소량의 발포우레탄 폼이 함유된 PC/ABS를 신재 PC/ABS와 여러조성으로 고온 대략 260℃ 및 저온 대략 220℃에서 용융블렌드 하여 라디에터 그릴에로의 적용 가능성을 검토하였다.
예를들면 재생 PC/ABS함량이 증가할수록 기계적 물성이 감소하였는데 이것은 재생 PC/ABS에는 저분자량체가 많이 포함되어 있고, 혼입된 발포우레탄 폼이 계면접착력을 약화시키기 때문이다. 상기 발포우레탄의 압출온도에 다른 모폴로지를 SEM 사진으로 분석한 결과 고온용융 블렌드물은 3㎛정도 크기의 미세한 발포우레탄 폼 입자가 고르게 분산되어 있는 반면 저온용융 블렌드물에서는 우레탄 폼의 입자크기가 30㎛으로 상대적으로 큰 도메인이 발견되었다.
다음 재생 PC/ABS에 소량 포함된 우레탄 폼이 고온에서 높은 전단응력을 받으면 우레탄 결합의 분해가 빠르게 진행되어 우레탄의 소프트 세그멘트가 단계적으로 미분화, 가소화됨으로서 PC/ABS 매트릭스 내에 보다 미세하고 균일한 입자로 존재하게 된다.
이때, 고온 및 저온용융 블렌드물 사이의 기계적 물성의 차이는 크지않았으나 충격강도는 고온 블렌드물이 저온 블렌드물보다 최고 66％까지 큰 폭으로 향상되었다. 즉, 인장 및 굴곡특성은 도메인 크기보다는 매트릭스 자체의 물성에 크게 의존한다는 것을 알았고, 고온용 용융블렌드물은 미세한 우레탄 입자가 고르게 분산되어 충격에너지를 보다 효과적으로 흡수하였다.
따라서, 자동차의 인스트루먼트 패널로부터 회수된 미량의 우레탄 폼이 함유된 재생 PC/ABS를 신재 PC/ABS와 고온에서 용융블렌드함으로서, 자동차 라디에터 그릴에 적용가능한 충분한 물성을 갖는 재활용소재를 얻을 수가 있다.
이상과 같이 본 발명은 발포우레탄 폼이 혼합된 PC/ABS 재생재료를 고온에서 압출 가공하면 발포우레탄 폼이 고온에서 높은 전단응력을 받아 미세하고 균일하게 분산되어 발포우레탄 폼의 불순물로 인한 물성저하를 최소화 할 수가 있으며 신재를 텀가하지 않고 재생재료 100％를 사용하여 자동차 라디에터 그릴용 재료로 사용 가능하게 함으로서, 사회 문제가되는 환경오염 방지 및 폐기물 처리비용 절감과 재생재료 자체의 부가가치를 높일 수가 있다.
Claims (1)
- 표피층은 폴리염화비닐 시트, 중간층은 발포우레탄 폼, 기재층은 폴리카보네이트/아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 복합재료 층을 분리하는 제1단계와; 상기 제 1단계에서 분리된 재료를 파쇄하는 제2단계와; 상기 제 2단계에 의해 파쇄된 재료를 미세하게 분쇄하기 위한 제 3단계와; 상기 분쇄된 분말을 재료별로 선별하기 위한 제 4단계와; 상기 분리, 분쇄, 선별 회수된 재료를 260℃~270℃의 고온 및 저온에서 압출 가공하여 자동차 라디에터 그릴을 생산하는 제 5단계와; 로 됨을 특징으로 하는 복합수지의 재생가공 방법.
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| KR1019980035857A KR100286925B1 (ko) | 1998-09-01 | 1998-09-01 | 복합수지의 재생가공방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR100286925B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020056162A (ko) * | 2000-12-29 | 2002-07-10 | 이계안 | 우레탄폼이 함유된 ａｂｓ계 수지의 재생방법 |
| KR100663945B1 (ko) | 2005-04-19 | 2007-01-02 | 경상대학교산학협력단 | 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR970025891A (ko) * | 1995-11-23 | 1997-06-24 | 한승준 | 복합 다층 재료의 재질별 분리회수방법 |
| JPH09248826A (ja) * | 1996-03-18 | 1997-09-22 | Ain Eng Kk | 積層熱可塑性樹脂成形品の再生処理方法及び装置 |
-
1998
- 1998-09-01 KR KR1019980035857A patent/KR100286925B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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