KR100440453B1

KR100440453B1 - 상압 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치

Info

Publication number: KR100440453B1
Application number: KR10-2002-0001552A
Authority: KR
Inventors: 양철남; 심연근; 백종문; 이기훈; 이근호
Original assignee: 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2004-07-14
Also published as: KR20030060645A

Abstract

본 발명은 폐타이어 등과 같이 재활용 가능한 제품이 분말 형태로 만들어진 것을 상압 플라즈마를 이용하여 표면 개질시켜 재활용하는 플라즈마 분사(plasma spray)를 이용한 분말 재활용장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 장치는 캐리어가스를 주입하기 위한 가스주입수단; 상기 캐리어 가스에 분말을 실어 나르기 위한 가스 및 분말 주입관; 다수의 플라즈마 발생관이 부착되어 있고, 상기 가스 및 분말 주입관을 통해 주입된 분말을 상기 플라즈마 발생관이 분사하는 플라즈마 플레임에 의해 분말을 표면 처리하는 반응관; 상기 반응관에서 플라즈마 처리된 분말을 캐리어 가스와 함께 실어 나르기 위한 가스 및 분말 배출관; 및 상기 가스 및 분말 배출관을 통해 유입된 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 분말은 다시 상기 가스 및 분말 주입관으로 전달하는 분리수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따르면, 분말의 유동부와 플라즈마 분사 부분을 달리함으로써 일반적인 DBD 플라즈마에서 플라즈마가 발생되는 유전체 사이의 좁은 영역이 아닌 넓은 영역의 반응관 내에서 분말을 처리할 수 있다.

Description

상압 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치{Apparatus for recycling powder of waste materials using atmospheric pressure plasma spray}

본 발명은 폐타이어나 웨더스트립(Weather strip) 등과 같이 재활용 가능한 제품이 분말 형태로 만들어진 것을 상압 플라즈마를 이용하여 표면 개질시켜 재활용하는 플라즈마 분사(plasma spray)를 이용한 분말 재활용장치에 관한 것이다.

최근 들어, 환경문제에 대한 관심이 증가하면서 폐타이어, 폐고무 등과 같은 폐자원을 재활용하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있으나 이러한 폐자원을 처리하기 위해 현재 가장 널리 사용되는 방식은 소각열 이용이나 분말이용 방식 등이다. 이 중에서 폐자원을 재활용할 수 있도록 자원화하는 방식은 분말화하는 방식인데, 분말화 방식으로는 주로 상온 분쇄방식이나, 질소냉동 분쇄방식 등이 이용된다.

한편, 이와 같이 폐타이어나 폐고무 등을 분말화하여 재활용하고자 할 경우에, 파쇄된 고무분말은 경화를 위해 사용되었던 황이 표면에서 강한 C-S, S-S 결합을 하고 있으므로 재활용을 위해 성형하면, 고무의 탄성과 인장강도를 유지하는데 필수적인 분말 입자간의 가교결합(Cross linking)이 잘 되지 않으므로 인장강도가 낮아져 재활용이 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 가교결합이 용이하도록 분말들에 대해표면처리할 필요가 있는데, 이와 같이 분말을 재처리하는 종래의 방식(일본국 특개평 07-328427호)은 도 1에 도시된 바와 같이, 절연관(3)과 절연관(3)에 형성된 플라즈마 반응영역(2), 사이클론(8a)과 백필터(8b)로 된 포집기(8), 재료 저장영역(7) 등으로 구성되어 상압 플라즈마에 의해 분말의 재처리를 수행하였다.

도 1을 참조하면, 전기 절연성을 갖는 절연관(3)의 일단부의 가스유입구(4a)로부터 반응가스를 유입하고, 절연관(3)의 타단부의 가스배출구(4b)로 가스를 배출한다. 이때 재료저장영역(7)에 있던 분말(5)은 반응가스와 함께 피처리 재료 공급구(6)를 통해 플라즈마 반응영역(2) 내로 투입되고, 플라즈마 반응영역(2)에서 플라즈마 처리된 후 포집기(8)에서 가스와 분말이 분리된 후 가스는 배출되고 분말은 다시 재료 저장영역(7)에 저장된다. 그리고 플라즈마 반응영역(2)에는 고주파전극(1a)과 접지전극(1b)으로 된 전극쌍(1)이 구비되어 있고, 두 전극 사이에 고주파전원(11)이 인가되면 글로우 방전에 의해 플라즈마가 생성되어 분말의 표면을 개질하게 된다.

그런데 이와 같은 종래의 분말 재처리장치는 전극이 반응관에 형성되어 있으므로 플라즈마가 약하고, 실제 에어나 아르곤 가스를 이용한 플라즈마 방전을 이용할 경우에 가능한 좁은 간격에서 플라즈마 방전을 일으켜야 하기 때문에 전극 구조가 구현하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 종래의 분말 재처리기술은 두 유전체 사이에서 플라즈마 방전을 일으킬 수 있는 전극 간격의 한계가 있고, 이에 따라 처리할 수 있는 시편의 형상에도 큰 제한이 있다. 또한, 전극을 대형화할 경우에 전극간의 갭 차이에 의해 가까운 쪽에서만 방전이 발생하여 방전상태가 균일하지 않을 수 있고, 처리하고자 하는 시편이 두 유전체 사이에 걸린 고전압에 의해 악영향을 받을 수도 있다. 특히, 시편이 전도성 물체인 경우 고전압에 의한 아크 등으로 처리하지 못하는 경우도 있고, 갭이 좁을 경우 반응관내에서 분말의 유동이 막힐 위험이 크다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 반응관에 전극을 설치하지 않고 반응관의 측벽에 플라즈마를 발생하는 다수의 플라즈마 발생관을 설치한 후 플라즈마 발생관에서 분사되는 플라즈마에 의해 반응관내를 통과하는 분말을 처리하도록 된 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 분말 처리장치의 구성을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 분말 처리장치를 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생관의 상세도,

도 4는 본 발명에 따라 플라즈마 발생관을 반응관에 설치한 일실시예,

도 5는 본 발명에 따라 플라즈마 발생관을 반응관에 설치한 다른 실시예.

☞도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명☜

202: 가스통 204: 가스밸브

206: 가스 및 분말 주입관 208: 가스 및 분말 배출관

210: 반응관 220-1~220-n: 플라즈마 발생관

230: 싸이클론 232: 가스배출구

234: 분말 밸브 236: 분말투입관

221: 분사관 222: 워킹전극

223: 그라운드전극 224: 고전압전원

225: 플라즈마 플레임

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 캐리어가스를 주입하기 위한 가스주입수단; 상기 캐리어 가스에 분말을 실어 나르기 위한 가스 및 분말 주입관; 다수의 플라즈마 발생관이 부착되어 있고, 상기 가스 및 분말 주입관을 통해 주입된 분말을 상기 플라즈마 발생관이 분사하는 플라즈마 플레임에 의해 분말을 표면 처리하는 반응관; 상기 반응관에서 플라즈마 처리된 분말을 캐리어 가스와 함께 실어 나르기 위한 가스 및 분말 배출관; 및 상기 가스 및 분말 배출관을 통해 유입된 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 분말은 다시 상기가스 및 분말 주입관으로 전달하는 분리수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따르면, 연속적으로 순환처리되는 싸이클론 시스템에 상압 플라즈마 기술을 적용하여 고무분말의 표면에 있는 황결합을 효과적으로 절단시켜서 우수한 특성을 갖는 성형고무를 만들어내는 분말 처리기술을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명은 분말의 유동부와 플라즈마 분사 부분을 달리함으로써 일반적인 DBD 플라즈마에서 플라즈마가 발생되는 유전체 사이의 좁은 영역이 아닌 넓은 영역의 반응관 내에서 분말을 처리할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치를 도시한 개략도로서, 본 발명의 장치는 캐리어가스 공급부(202)와, 가스 및 분말 주입관(206), 다수의 플라즈마 발생관(220-1~220-3)이 설치된 반응관(210), 가스 및 분말 배출관(208), 싸이클론(230), 분말투입관(236)으로 구성된다.

본 발명은 플라즈마에 의해 표면처리가 일어나는 반응관(210)에 종래와 같이 전극이 설치되지 않고 플라즈마를 별도의 플라즈마 발생관(220-1~220-n)에서 발생시킨 후 플라즈마 발생관의 분사관(도 3의 221)을 통해 반응관 안으로 플라즈마 플레임(plasma flame)를 분사하는 구조로 된 것이다. 이와 같이 외부에서 반응관(210)으로 플라즈마를 분사하여 반응관(210) 내를 통과하는 분말을 처리함으로써 반응영역을 넓게 할 수 있고, 따라서 분말의 크기를 좀더 다양하게 할 수 있다.

도 2를 참조하면, 캐리어가스 공급부(202)는 가스밸브(204)를 통해 캐리어 가스를 가스 및 분말 주입관(206)으로 주입한다. 가스 및 분말 주입관(206)은 분말 투입관(236)을 통해 위에서 내려오는 분말을 캐리어 가스에 실어 반응관(210)으로 주입시키고, 반응관(210)은 캐리어 가스와 함께 분말을 가스 및 분말 배출관(208)측으로 통과시키면서 플라즈마 발생관(220-1~220-3)에서 분사되는 플라즈마 플레임(plasma flame)에 의해 분말을 표면 처리한다. 이를 위해 반응관(210)에는 다수의 플라즈마 발생관(220-1~220-3)이 소정의 기울기를 가지고 부착되어 플라즈마를 발생시켜 반응관(210) 내로 분사하고 있다.

이와 같이 반응관(210) 내로 플라즈마를 분사하는 플라즈마 발생관(220-1~220-3)의 구조는 도 3의 (가) 및 (나)에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생관의 중심에 봉형의 접지전극(223)이 있고, 소정의 공간을 두고 반지름이 r인 유전체로 된 분사관(221)이 있으며, 이 분사관(221)의 외주면에 워킹전극(222)이 설치된 구조로 되어 있다. 이와 같은 구조에서 접지전극(223)과 분사관(221) 사이의 공간으로 반응가스가 유입되면서 워킹전극(222)과 접지전극(223) 사이에 고전압(224)이 인가되면 플라즈마가 생성되고, 유입되는 반응가스의 유압에 의해 플라즈마 플레임(225)이 분사관(221)의 일단을 통해 반응관(210)으로 분사된다. 이 때, 플라즈마 분사관(221)은 소정의 각도로 위를 향해 기울어져 반응관(210)에 설치되므로 플라즈마 플레임(225)이 반응관(210)의 상측을 향해 분사되어 반응관(210)에서의 분말의 흐름을 양호하게 보존하는 작용을 한다.

즉, 캐리어 가스를 따라 분말이 반응관(210) 내를 균일하게 지날 때, 플라즈마 발생관(220-1~220-3) 내에서는 워킹전극(222)과 접지전극(223)에 사이 인가된 고전압(224)에 의해 반응가스가 이온과 전자로 분리된 플라즈마 플레임(225)이 반응관의 측면에서 분사된다. 이때 반응관(210) 내를 균일하게 지나가는 분말은 측면에서 분사되는 플라즈마 영역을 통과하면서 자유 라디컬(Free Radical) 및 원자나 이온등에 의해 영향을 받게 된다. 여기서, 분말이 받게 되는 영향은 반응가스 및 캐리어 가스의 성질에 따라 각기 다른 특성을 나타내게 된다. 예컨대, 헬륨/아르곤(He/Ar) 가스의 경우 주로 안정된 라디칼을 형성하여 표면개질을 하게 되며, 산소를 첨가할 경우 주로 표면에 극성기를 도입하여 친수성을 향상시키거나 젖음성을 좋게 하여 접착성을 향상시킨다. 그리고 플루오르 계열의 반응가스를 사용할 경우에는 주로 소수성을 갖게 할 때 사용되며, 메탈 오가닉을 이용하여 분말에 코팅처리도 가능하다. 이와 같이 반응가스를 달리함으로써 다른 종류의 플라즈마 이온이나 라디칼을 형성하여 각기 다른 기능의 표면개질을 할 수 있다.

한편, 위와 같이 사용하는 반응가스 혹은 캐리어 가스에 따라 분말에 각기 다른 표면특성을 부여하기 위해서는 각 분말들이 일정시간 동안 균일하게 반응영역을 거칠 필요가 있으므로 이러한 과정을 반복시킬 필요가 있다. 즉, 플라즈마 영역을 통과한 분말은 싸이클론(230)으로 들어 가게 되며, 이곳에서 가스와 분말이 분리된 후 아래에 가라앉은 분말은 다시 점차적으로 아래로 내려와 캐리어 가스에 의해 반응관(210) 내로 들어가게 된다.

다시 도 2를 참조하면, 반응관(210)에서 플라즈마 처리된 분말은 반응가스 및 캐리어 가스와 함께 가스 및 분말 배출관(208)을 통해 싸이클론(230)으로 유입되어 반응가스와 캐리어 가스는 가스배출구(232)를 통해 외부로 배출되고, 분말은 싸이클론(230)의 아래로 쌓인 후 분말밸브(234)가 열리면 다시 분말 투입관(236)을 거쳐 가스 및 분말 주입관(206)으로 흐르게 된다. 즉, 싸이클론(230)에서 가스와 분말이 분리되어 가스는 가스배출구(232)를 통해 위로 날아가고, 상대적으로 무거운 분말만 아래로 가라앉게 된다. 아래로 내려온 분말은 캐리어 가스와 함께 반응관(210)내로 들어가게 되며, 이 때 반응관 측면에서 플라즈마 분사(plasma spray)에 의해 반응관(210) 내로 분사되는 플라즈마 이온이나 라디칼이 분말의 표면에 영향을 미치게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생관의 상세도로서, (가)는 측단면도이고, (나)는 (가)에서 A-A 방향으로 절단한 평단면도이다. 도 2에 의하면, 캐리어 가스에 의해 분말이 반응관 입구로 들어와서 반응관(210)을 거쳐 다시 출구로 나가게 된다. 이때 반응관 측면에 설치된 플라즈마 발생관(220-1~220-3)에서 플라즈마 이온 및 라디칼이 반응관(210) 내를 통과하는 분말에 영향을 미친다.

플라즈마 발생관(220-1~220-3)은 앞서 설명한 바와 같이, 유전체를 사이에 두고 고전압이 걸리는 워킹전극(222)과 접지전극(223)으로 구성되는데, 유전체의 종류 및 두께, 전극구조에 따라 분사되는 플라즈마 플레임(225)의 조건이 달라질 수 있다. 특히, 반응가스의 종류에 따라 발생되는 이온과 라디칼을 달리할 수 있으므로 표면개질이나 코팅 등 용도에 따라 적당한 반응가스를 선택할 수 있다. 유전체를 사이에 두고 인가된 고전압에 의해 발생된 플라즈마 플레임은 반응가스의 유속에 의해 플라즈마 플레임(225)의 길이를 약 10~20mm(전극구조에 따라 다름)까지 가변할 수 있다. 여기서, 분사관(221)은 SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂등의 산화물이나 테프론, 폴리카보네이트 등의 폴리머 중 어느 하나를 재료로 하여 만들어지고, 반응관(210) 내로 소정 각도로 플라즈마 플레임을 분사시켜 분말을 처리한다.

한편, 반응관(210)의 측면에서 분사되는 플라즈마 플레임(225)에 의해 분말의 유동이 원할하도록 반응관(210)에 부착되는 플라즈마 발생관(220-1~220-n)의 배열 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 나선형구조로 되거나 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 환형 구조로 되어 있다.

도 4는 본 발명에 따라 플라즈마 발생관(220-1~220-n)에서 분사되는 플라즈마 플레임의 배열을 나선형 구조로 함으로써 반응관을 통과하는 분말의 유동에 영향을 최소화하고, 원심력에 의해 소용돌이 흐름을 형성해 유동을 원할하게 하는 예시도이다. 이와 같이 나선형 구조로 할 때, 플라즈마 발생관의 수는 많을수록 효과적이다.

도 5는 본 발명에 따라 반응관에 부착되는 플라즈마 발생관의 배열 구조를 환형으로 한 예이다. 도 5를 참조하면, 반응관(210)의 외주면에는 환형으로 플라즈마 발생관(220-1~220-n)들이 설치되어 있고, 각 플라즈마 발생관(220-1~220-n)은 도 3에 도시된 구조와 같이 형성되어 플라즈마 플레임(225)을 반응관(210) 안으로 분사한다.

이상의 실시예에서는 고무분말에 대해 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상은 고무분말에 한정된 것이 아니고, 어떠한 분말이든지 절용될 수 있다. 즉, 본 발명은 저온 상압 플라즈마를 이용하여 반응가스를 달리하여 분말의 표면개질을 균일하게 처리할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있고, 특히 벌크 상태에서는 비표면적이 작아 표면만 개질할 수 있는 한계가 있으나 이를 분말로 가공하여 연속처리함으로써 전체의 성질을 개질할 수 있다. 예컨대, 본 발명을 금속분말에 적용할 경우에 금속분말의 표면을 활성화시킴으로써 낮은 온도에서 소결이 일어날 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 연속적으로 순환처리되는 싸이클론 시스템에 상압 플라즈마 기술을 적용하여 고무분말의 표면에 있는 황결합을 효과적으로 절단시켜서 우수한 특성을 갖는 성형고무를 만들어내는 분말 처리기술을 제공할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면 플라즈마 플레임(plasma flame)의 분사(spray)를 이용하므로 종래에는 2~5 mm 의 좁은 간격내에서 처리하던 것을 플라즈마 플레임의 영향이 미치는 약 10mm 이상으로 처리간격을 넓힐 수 있어서 공간의 한계를 극복할 수 있고, 균일하게 개개의 분말을 처리할 수 있다. 즉, 분말의 유동부와 플라즈마 분사 부분을 달리함으로써 일반적인 DBD 플라즈마에서 플라즈마가 발생되는 유전체 사이의 좁은 영역이 아닌 넓은 영역의 반응관 내에서 분말을 처리할 수 있다.

또한, 본 발명은 두 유전체 사이에 플라즈마 방전을 일으키기 어려운 분말(예컨대, 전도성 분말 등)을 처리할 때 유용하게 사용할 수 있고, 공기(Air)나 아르곤 등과 같이 플라즈마 개시 브레이크 다운 전위가 높은 가스를 반응가스로 사용할 경우 등에 유용하다.

Claims

캐리어가스를 주입하기 위한 가스주입수단;

상기 캐리어 가스에 반응대상 분말을 실어 나르기 위한 가스 및 분말 주입관;

다수의 플라즈마 발생관이 부착되어 있고, 상기 가스 및 분말 주입관을 통해 주입된 분말을 상기 플라즈마 발생관이 분사하는 플라즈마 플레임에 의해 표면 처리하는 반응관;

상기 반응관에서 표면 처리된 분말이 가스에 실려 이동되는 가스 및 분말 배출관; 및

상기 가스 및 분말 배출관을 통해 유입된 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 분말은 다시 상기 가스 및 분말 주입관으로 전달하는 분리수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생관은 관형태의 유전체로 된 분사관과, 분사관의 외주면에 부착되는 도전체로 된 워킹전극, 및 분사관의 중심에 설치되는 봉형태의 접지전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응관은 반응관의 외주면에 다수의 플라즈마 발생관이 소정의 기울기를 갖고 나선형으로 배열 부착된 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응관은 반응관의 외주면에 다수의 플라즈마 발생관이 소정의 기울기를 갖고 환형으로 배열 부착되며, 상기 환형배열이 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리수단은 싸이클론을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사를 이용한 분말 재활용장치.