KR100537855B1 - 폐ｇｍｔ를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 충격 흡수재로 사용되는 백빔(Back beam) 소재인 GMT(Glass Mat Thermoplastics)를 재가공하고, 여기에 여러 가지 첨가제를 첨가한 후 컴파운딩시켜 새로운 물성의 재생수지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 수거한 폐GMT를 온도조절이 가능한 고압수로 오염물을 세척한 후 건조기에서 일정시간 동안 건조하는 단계와, 상기 단계에서 건조시킨 GMT를 가공기에서 분쇄한 후 이렇게 분쇄한 GMT 베이스 원료에 GMT와 상용성이 있는 고분자를 첨가하여 믹서에서 혼합하는 단계와, 상기 단계에서 혼합한 수지를 압출기에 투입하여 용융 혼련시키고 압출 후 절단하여 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

폐ＧＭＴ를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법{The method of used GMT recycling process}

본 발명은 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 충격 흡수재로 사용되는 백빔(Back beam) 소재인 GMT(Glass Mat Thermoplastics)를 재가공하고, 여기에 여러 가지 첨가제를 첨가한 후 컴파운딩시켜 새로운 물성의 수지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 GMT 수지는 주로 자동차 범퍼 소재(PP/EPDM)의 충격을 흡수 완화하기 위한 목적의 백빔용 소재로 사용된다.

이러한 GMT 수지의 백빔은 폴리프로필렌 시트(PP Sheet) 위에 유리섬유를 함침시키고, 다시 그 위에 폴리프로필렌 시트를 함침시키는 방법으로 수지 시트를 제조한 후 진공 성형하는 과정을 통해 만들어진다.

이렇게 만들어진 GMT 소재의 백빔은 물성이 매우 높아 자동차 충돌시 에너지를 흡수하여 피해를 최소화 할 수 있는 역할을 한다.

통상 백빔의 소재에는 GMT 이외에 철과 같은 금속을 사용하기도 하는데, 금속의 경우 물성측면에서 GMT 보다 낮고 가공상 다소 어려움이 있으나 재활용할 수 있는 장점이 있다.

반면에 GMT는 폴리프로필렌 시트와 유리섬유가 여러 겹으로 함침되어 있어 강성이 좋고 물성이 우수한 장점이 있지만 재가공이 어려워 재활용이 않되는 문제가 있다.

따라서, GMT는 지하에 매립시키거나 연소하는 방법으로 처리됨으로써 토양 및 환경을 오염시키는 원인이 되기도 한다.

이와 같은 GMT를 재활용하는 기존 방법으로는 저온에서 가공하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 투자비가 많이 들고 설비 공간성의 한계로 경제성면에서 그다지 효과가 없는 단점이 있다.

따라서, 경제성 등을 고려한다면 상온에서 가공해야 하지만 GMT의 높은 물성으로 인해 재가공시 커터 혹은 스크류가 마찰열을 견디지 못해 연속적인 작업이 이루어지지 못하는 문제점으로 상업화되지 못했다.

또한, 가공되었다 하더라도 컴파운딩 기술이 확립되지 못하여 용도에 맞는 요구 물성에 대응되지 못하였다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, GMT의 재활용을 위해서는 우선적으로 GMT의 오염을 세척하는 공정과 가공기 성능 및 가공기술의 접목이 필요하고, 물성을 유지할 수 있는 수지 처방기술이 중요한 요소이다.

GMT의 오염물질은 주로 기름때, 먼지, 흙 등 자동차 주행시 오염될 수 있는 모든 물질이 부착된 것으로 고압수로 세척할 수 있다.

재생수지 조성물은 GMT가 갖고 있는 물성을 최대한 유지하면서 유리섬유로 인한 외관의 거칠음을 최소화하는 것과 사출성형 부품(자동차, 전기전자 부품)으로 사용가능하도록 하는 것이 핵심기술이다.

본 발명은 이러한 환경에 문제가 되는 GMT를 주요 재료로 컴파운딩하여 재사용할 수 있고 물성적으로도 거의 요구에 맞는 제조방법 및 수지 처방기술을 제공한다.

본 발명의 목적은 GMT를 컴파운딩하여 사출성형할 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 GMT의 가공기술과 가공된 GMT와 연관되는 모든 고분자와의 합금물 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 위의 GMT 재활용을 통해 토양 오염방지 및 환경보호에 기여할 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 재생수지 제조방법은 수거한 폐GMT를 온도조절이 가능한 고압수로 오염물을 세척한 후 건조기에서 일정시간 동안 건조하는 단계와, 상기 단계에서 건조시킨 GMT를 가공기에서 분쇄한 후 이렇게 분쇄한 GMT 베이스 원료에 GMT와 상용성이 있는 고분자를 첨가하여 믹서에서 혼합하는 단계와, 상기 단계에서 혼합한 수지를 압출기에 투입하여 용융 혼련시키고 압출 후 절단하여 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합단계에서 GMT 베이스 원료에 첨가하는 고분자는 올레핀계 수지 또는 TPE 중의 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합단계에서는 물성 밸런스를 맞추기 위해 분자량이 다른 폴리올레핀을 첨가할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압출기에서 혼련하는 단계는 GMT 베이스 원료의 폴리프로필렌과 유리섬유 간의 접착력 강화를 위해 1차 혼련 후 2차로 유리섬유를 더 투입하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합단계와 압출단계는 물성 및 외관 개량과 수지의 열안정성 유지를 위해 분산제, 산화방지제, 유리섬유, 난연제, 열안정제, 항균제, 세라믹 중에서 적어도 2개 이상을 첨가하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차에서 수거한 GMT를 세척한 후, 가공된 GMT 베이스 원료에 여러가지 첨가제를 첨가하여 물성을 개량하고, 사출성형을 통해 용도에 적합한 새로운 수지를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에서 제공하는 GMT 컴파운딩 공정은 도 1에서 보여주고 있다.

여기서, GMT에 첨가할 수 있는 수지는 상용성이 있는 올레핀계 수지나 물성 밸런스를 맞추기 위한 목적으로 분자량이 다른 폴리올레핀계 수지 등을 첨가할 수 있으며, TPE 등도 첨가할 수 있다.

GMT의 물성 및 외관 개량을 위한 첨가제로는 분산제, 산화방지제, 열안정제, 무기충전제, 유리섬유, 난연제 등이 있다.

이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

GMT의 수거는 폐차된 자동차나 사고차량, 또는 A/S 차원에서 수거할 수 있다.

이러한 상태의 GMT는 오염이 되어 있기 때문에 볼트나 너트 등의 체결부품을 제거한 후, 세척공정을 통해 오염물을 세척한다.

세척시에는 온도조절이 가능한 고압수를 분사하는 방법을 사용하고, 이때 묻어나온 오염물은 메시를 통해 거르고 물은 재사용한다.

오염이 제거된 GMT는 건조기를 통해 건조하고, 이렇게 건조된 GMT를 자동적으로 가공기를 통해 가공한다.

즉, 적당한 크기로 분쇄한다.

가공된 GMT 베이스 원료와 소정의 수지 및 첨가제를 믹서에서 혼합하고, 압출기를 통해 압출한 후, 절단하여 필렛으로 만들어 포장한다.

상기 혼합단계에서의 수지 조성은 GMT와 상용성이 있는 고분자를 첨가한다.

이러한 GMT는 폴리프로필렌을 기재로 하여 43중량%의 장유리섬유(Long glass fiber)가 함침되어 있는 조성으로 되어 있다.

상기 압출기를 통해 GMT를 100% 압출한 대표물성은 충격강도 3.8kgf.cm/cm(1/4" notched), 굴곡탄성율 65,270kg/㎠, 열변형온도 161℃이다.

상기 GMT의 매트릭스(모체가 되는 고분자)는 저분자량의 폴리프로필렌이므로, 유동성, 내열도, 굴곡탄성율은 높으나 충격강도 특성이 저하될 수 있으며, 이때의 물성 밸런스를 맞추기 위해 분자량이 다른 폴리올레핀계 등을 첨가한다.

위와 같이 물성 밸런스를 맞춘 GMT의 대표물성은 충격강도 4.3kgf.cm/cm(1/4" notched), 굴곡탄성율 43,100kg/㎠, 열변형온도 159℃이다.

또한, 상용성 및 충격 특성을 높이기 위해 충격보강제를 첨가하고, 매트릭스와 유리섬유 간의 접착력을 높이기 위하여 폴리프로필렌에 결합보조제(Coupling agent)를 그라프트시켜 첨가한다.

또한, 열로 인해 고분자의 분해를 방지하기 위해 산화방지제를 투입하고, 압출 용융을 좋게 하기 위해 스테아레이트 계통의 분산제를 투입한다.

위와 같은 여러 조건을 선택하여 혼합한 수지는 믹서를 이용하여 충분히 혼합한 후 압출기에 투입한다.

압출기에서 혼련시킨 수지에 2차로 유리섬유를 투입한다.

즉, GMT의 유리섬유는 길어서 충격강도면에서 저하되는 특성이 있기 때문에 이를 개량하기 위하여 유리섬유를 투입한다.

도 2는 GMT의 장유리섬유 상태를 보여준다.

즉, 유리섬유가 수지에서 이탈되어 있고 수지와의 접착력이 저하되면서 크레이지(Craze) 초기발생을 촉진시키기 때문에 충격강도가 저하된다.

도 3은 GMT에 2차로 유리섬유를 투입한 후의 상태를 보여준다.

유리섬유 2차 투입시 이탈된 자리에 폴리프로필렌과 접착력이 강화되면서 충격강도가 높아진다.

압출단계에서의 본 발명의 핵심 기술은 폴리프로필렌 매트릭스와 유리섬유 간에 접착력을 좋게 하는 것이다.

2축 압출기에서의 혼련은 스크류 형상에 영향을 받게 되고, 과다한 혼련은 고분자의 열분해를 촉진시킨다.

열안정제의 투입은 이러한 고분자의 분해시 발생되는 라디칼 연쇄반응을 방지할 수 있다.

또한, 혼련효과를 높이기 위해 분산제를 투입할 수 있다.

분산제는 무기충진물, 안료 등을 융용된 수지에 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다.

압출 후 절단은 압출기의 다이에서 나온 가닥을 절단하는 공정이며, 재질이 너무 강하면 절단하기 어려우므로 물속에서 절단하는 핫 워터 커팅방식을 사용하는 것이 유리하지만, 경우에 따라서는 스트랜드(Strand) 커팅방식도 가능한다.

실시예 1

GMT 베이스 원료와 소정의 수지 및 첨가제를 첨가하고 성형품의 표면개질을 위해 무기충진제 및 물성조절을 위해 유리섬유를 압출기에서 사이드 피딩 압출제조한 후 물성시편을 사출하여 물성을 측정하였다.

이때의 압출온도는 210℃, Ø30, L/D 30이고 사출온도는 210℃의 2onz 사출기를 사용하였다.

본 발명의 실시예 및 비교 실시예에서 현대자동차 규격으로 성형된 시편에 대하여 23℃, 상대습도 50%에서 48시간 방치한 후 ASTM 규격에 따라 물성을 측정하였다.

(1) 충격강도는 1/4인치, 노치드(notched)이며 ASTM D256에 준하여 평가하였다.

(2) 저온충격은 -30℃에서 측정하였다.

(3) 굴곡탄성율은 ASTM D790에 준하여 평가하였다.

(4) 열변형온도는 ASTM D648에 준하여 평가하였다.

(5) M.F.R은 230℃, 2.16kgf 조건이며 ASTM D1238에 준하여 평가하였다.

비교 실시예 2

GMT 100%를 압출한 펠렛의 물성은 아래의 표 1에서 비교 실시예 2-1에 나타내었다.

내열도 및 유동성은 높으나 충격강도 특성이 낮은 것을 알 수 있다.

비교 실시예 2-2에서는 GMT와 블럭코폴리프로필렌(Co-PP)을 혼합 압출한 물성이다.

Co-PP는 물성을 높이기 위해 사용되는데 50%를 투입해도 물성상승의 효과가 없음을 알 수 있다.

실시예 1-1과 1-6에서도 Co-PP와의 단순혼합은 물성상승의 효과가 없음을 알 수 있다.

실시예 1-2에서는 에틸렌프로필렌러버와 폴리프로필렌에 그라프트된 말레산무수물을 투입할 경우 물성의 상승효과를 보여준다.

이는 매트릭스와 유리섬유 사이의 계면접착력을 증대시켜 크레이즈(Craze) 시작효과를 감소시키는 효과를 줄 수 있기 때문이다.

또한, 실시예 1-3과 1-4에서는 단유리섬유를 첨가했을 때 물성의 상승효과를 보여주는데, 특히 굴곡탄성율의 현저한 증가를 보여주고 있다.

이는 단유리섬유가 매트릭스 폴리머인 폴리프로필렌과 유리섬유 간의 빈 공간을 차지함으로써 계면 접착의 상승효과가 있기 때문이다.

실시예 1-5에서는 폴리프로필렌에 그라프트된 말레산무수물 커플링에이전트를 단독으로 사용하였을 때의 물성을 나타낸다.

단독 사용시에도 물성의 상승효과가 있음을 알 수 있다.

실시예 3

GMT에 사출가공 안정성 향상을 위해 힌더드페놀계 산화방지제(열안정제) 0.4중량%를 첨가하여 물성을 측정하였다.

3회 재압출하더라도 물성의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.

아래의 표 2는 산화방지제 투입 후 대표물성의 측정값을 나타낸다.

실시예 4

GMT에 표면 외관 향상을 위해 실리카옥사이드계 무기충진제 3∼10중량%를 투입하여 외관을 육안 관찰하였다.

무기물 첨가시 표면 외관의 향상이 관찰되었다.

상기 실시예는 2축 압출기에서 180∼220℃의 온도범위에서 압출하여 물성시편을 제조하였다.

시편은 ASTM 규격에 따라 제조하였고, 물성측정은 현대자동차(주) 규격에 따라 측정하였다.

유리섬유의 배향은 인장시편의 수지흐름 방향과 반대 방향으로 60배에서 100배로 촬영하였다.

이상에서와 같이 본 발명은 폐GMT 회수 →가공(분쇄) →컴파운딩 →사출 공정을 기본으로 하여 폐GMT를 재활용하는 방법을 제공함으로써, 폐GMT 재활용으로인한 원가절감의 효과를 기대할 수 있고, 자동차 재활용율의 향상으로 자동차의 환경성 향상을 기대할 수 있고, 국내외 폐차 처리법규에 적극적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법의 각 단계를 보여주는 공정도

도 2는 본 발명에 따른 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법에서 혼합 및 압출단계를 거친 GMT의 전자현미경 사진

도 3은 본 발명에 따른 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법에서 혼합 및 압출단계를 거친 GMT에 2차 유리섬유를 투입한 후 GMT의 전자현미경 사진

Claims (5)

1. 수거한 폐GMT를 온도조절이 가능한 고압수로 오염물을 세척한 후 건조기에서 일정시간 동안 건조하는 단계와, 상기 단계에서 건조시킨 GMT를 가공기에서 분쇄한 후 이렇게 분쇄한 GMT 베이스 원료에 GMT와 상용성이 있는 고분자를 첨가하여 믹서에서 혼합하는 단계와, 상기 단계에서 혼합한 수지를 압출기에 투입하여 용융 혼련시키고 압출 후 절단하여 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합단계에서 GMT 베이스 원료에 첨가하는 고분자는 올레핀계 수지 또는 TPE인 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 혼합단계에서는 물성 밸런스를 맞추기 위해 분자량이 다른 폴리올레핀을 첨가할 수 있는 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 압출기에서 혼련하는 단계는 GMT 베이스 원료의 폴리프로필렌과 유리섬유 간의 접착력 강화를 위해 1차 혼련 후 2차로 유리섬유를 더 투입하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법.
5. 제 1, 2, 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합단계와 압출단계는 물성 및 외관 개량과 수지의 열안정성 유지를 위해 분산제, 산화방지제, 유리섬유, 난연제, 열안정제, 항균제, 세라믹 중에서 적어도 2개 이상을 첨가하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐GMT를 재활용하여 재생수지를 제조하는 방법.