KR100542111B1 - 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 관한 것으로서, 폐고무 및 폐타이어를 분말화하고, 분말화된 폐고무의 분말을 비롯한 폐타이어 분말에 환형 진동자를 이용해 초음파 처리를 하여 폐고무 및 폐타이어를 재활용하여 고무제품으로 재사용하는 기술에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 폐고무 입자가 유입되는 호퍼와, 상기 호퍼에 의해 유입된 폐고무 입자를 압출시키는 압출기와, 상기 압출기의 일단에 형성되어 초음파를 발생하는 초음파 진동부와, 상기 초음파 진동부를 조절하는 제어기와, 처리된 입자를 배출하는 배출구를 포함하여 이루어진 초음파를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 있어서, 상기 초음파 진동부는 볼트 체결공, 폐고무 분말 통과공 및 고정핀 체결공이 형성되어 있으며, 볼트 체결에 의해 소정간격을 유지하며 서로 마주보게 배치되는 한 쌍의 플랜지와, 상기 각 플랜지 사이의 내면에 일정간격을 두고 각 플랜지의 폐고무 분말 통과공과 연통되게 장착되는 한 쌍의 지지단과, 중앙부에는 진동자가 배치되는 홀을 구비하고, 상기 각 지지단의 걸림단 사이에 일체형으로 배치되는 진동부와, 소정 각도의 절곡부를 갖는 형상으로 상기 볼트에 삽입 장착되어 상기 지지단 및 진동자의 홀을 통해 배치되는 진동자와, 상기 고정핀 체결공을 통해 각 플랜지를 연결하고 압축기 다이에 고정시키는 고정핀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치를 제공한다.

폐고무, 폐타이어, 분말, 재활용, 초음파, 환형 진동자

Description

초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치{A apparatus of surface-modifying for waste-rubber using ultrasonic cyclic horn type}

도 1은 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치를 개략적으로 도시한 사시도

도 2는 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치의 구조를 도시한 부분단면도

도 3은 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치로서, 환형 진동자의 구조를 도시한 사시도

도 4는 도 3의 환형 진동자 구조를 도시한 단면도

도 5, 도 6은 폐타이어의 표면을 전자주사현미경(SEM, Scanning Electron microscope)을 이용하여 도시한 사진

도 7은 재가황시 고무의 조직 구조를 도시한 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 압출기 11 : 호퍼

12 : 배출구 20 : 초음파 진동부

21 : 플랜지 22a : 지지단

22b : 지지단 홀 23 : 걸림단

24a : 진동부 24b : 홀

25 : 볼트 26 : 진동자

27 : 고정핀 28 : 폐고무 분말 통과공

29 : 고정핀 체결공 30 : 제어기

본 발명은 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐고무 및 폐타이어를 분말화하고, 분말화된 폐고무의 분말을 비롯한 폐타이어 분말에 환형 진동자를 이용하여 초음파 처리함으로써, 폐고무 및 폐타이어를 재활용하여 고무제품으로 재사용할 수 있는 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 산업의 급진적인 발전에 따라 그 부산물로 급증하고 있는 폐고무 및 폐타이어의 처리는 자원의 효율적인 재활용이라는 측면과 환경 보존적인 측면에서 조속히 해결되어야 할 문제로 대두되고 있다.

그러나, 경제적인 문제와 기술개발의 부진으로 인한 문제로 대부분 소각과 매립에 의존하고 있는 바, 이에 따른 환경적인 문제가 심각해지고 있고, 재활용에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

이에 대한 대안으로, 폐고무 및 폐타이어를 재활용하기 위하여 여러 각도에서 연구가 진행되고 있는 바, 그 중 유기 용매에 의한 화학처리법과 코로나 또는 플라즈마의 조사를 통한 폐타이어의 표면 개질 등이 제시되었다.

그러나, 상기와 같은 방법으로 개질된 폐고무를 다른 시료와 혼합하여 가공하는 경우 그 혼합도가 매우 저하되어, 재생된 고무의 물성이 저하되는 점 및 표면 불량의 문제점을 여전히 발생시켰다.

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 초음파를 이용하여 폐타이어를 개질 방법이 제시되었는데, 이는 1970년대 Prelofsky로부터 시작되어 Isayev가 1990년도에 개발하였다.

울트라소닉(Ultrasonic) 즉, 초음파 진동을 이용하여 폐타이어를 개질시키는 기술은 방사선을 이용한 기술에 비해 C-C 기에 영향 없이 S-S 결합만 끊어주는 것으로 고분자 본래의 물성을 잃지 않게 한다.

한국공개특허공보2001-0088574호(2001.09.28)에는 본 출원인에 의하여 출원된 “오존/초음파를 이용한 폐고무 표면 개질 방법 및 장치”가 공개되어 있는데, 이는 상부에 형성된 호퍼와 상기 호퍼의 하부에 연결되어 있으며, 호퍼로 유입되는 폐고무입자 및 오존가스와 상기 폐고무입자 및 오존가스를 압출시키는 압출기와, 상기 압출기의 일단 끝부분의 상부 일측에 형성되어 있으며 상기 오존가스를 배출하는 오존가스배출구와, 상기 오존가스배출구의 일측에 형성된 진공펌프와, 상기 진공펌프에 의해 연결되어 오존가스를 배출시키는 후드와, 상기 압출기의 끝부분에 형성되어 초음파를 발생하는 초음파진동부와, 상기 초음파진동부를 조절하는 조절 기와, 처리된 입자를 배출하는 배출구로 이루어져 있는 구조로서, 오존 장치와 초음파 장치를 동시에 이용하여 폐고무 표면을 개질할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 구조의 폐고무 표면 개질장치에 의하면 분자내의 공극이 활성화되어 공간적인 팽창이 이루어져 종래 폐타이어 처리상 문제점이었던 황가교의 결합력을 감소시킬 수 있었고, 폐타이어 입자 표면에 초음파 처리를 함으로써 가교밀도의 향상으로 인한 물성을 향상시킬 수 있는 바, 이는 폐고무 분말의 접착성 및 물성을 향상 시킬 수 있어 리싸이클 자원을 재활용할 수 있게 하였다.

그러나, 종래 발명에 따른 초음파를 이용한 폐타이어의 개질장치에서 사용된 초음파는 폐고무 입자의 직선방향으로만 즉, 한쪽면으로만 처리를 함으로써 그 처리효과가 낮았고, 폐타이어 개질시 소량만이 생산되었던 바, 이는 산업적으로 이용하는데 있어서 문제시 되어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 발명한 것으로서, 폐고무 및 폐타이어를 분말화하고, 분말화된 폐고무의 분말을 비롯한 폐타이어 분말에 환형 진동자를 이용하여 초음파 처리함으로써, 폐고무 입자의 전체표면을 개질할 수 있어 폐고무 및 폐타이어를 고무제품으로 재사용하는 재활용 효율을 높일 수 있는 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 폐고무 입자가 유입되는 호퍼(11)와, 상기 호퍼(11)에 의해 유입된 폐고무 입자를 압출시키는 압출기(10)와, 상기 압출기(10) 일단에 형성되어 초음파를 발생하는 초음파 진동부(20)와, 상기 초음파 진동부(20)를 조절하는 제어기(30)와, 처리된 입자를 배출하는 배출구(12)를 포함하여 이루어진 초음파를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 있어서,

상기 초음파 진동부(20)는 볼트(25) 체결공(도시하지 않음), 폐고무 분말 통과공(28) 및 고정핀 체결공(29)이 형성되어 있으며, 볼트(25) 체결에 의해 소정간격을 유지하며 서로 마주보게 배치되는 한 쌍의 플랜지(21)와,

상기 각 플랜지(21) 사이의 내면에 일정간격을 두고 각 플랜지(21)의 폐고무 분말 통과공(28)과 연통되게 장착되는 한 쌍의 지지단(22a)과,

중앙부에는 진동자(26)가 배치되는 홀(24b)을 구비하고, 상기 각 지지단(22a)의 걸림단(23) 사이에 일체형으로 배치되는 진동부(24a)와,

소정 각도의 절곡부를 갖는 형상으로 상기 볼트(25)에 삽입 장착되어 상기 지지단 내부의 홀(22b) 및 진동부의 홀(24b)을 통해 배치되는 진동자(26)와,

상기 고정핀 체결공(29)을 통해 각 플랜지(21)를 연결하고 압출기 다이(도시하지 않음)에 고정시키는 고정핀(27)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

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도 1은 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치의 구조를 도시한 부분단면도이다.

또한, 도 3은 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치로서, 환형 진동자의 구조를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 환형 진동자 구조를 도시한 단면도이다.

잘 알려진 바와 같이, 울트라소닉 즉, 초음파 진동을 이용하여 폐고무를 개질시키는 기술은 방사선에 비해 C-C 기에 영향 없이 S-S 결합만 끊어주는 것으로 고분자 본래의 물성을 잃지 않게 한다.

따라서, 본 발명은 상기의 주지된 사실을 이용하는 것으로서, 폐고무 및 폐타이어를 수 mm 또는 수십 ㎛ 입도 크기로 분말화하고, 분말화된 폐고무의 분말을 비롯한 폐타이어 분말에 초음파 처리를 하여 폐고무 및 폐타이어를 재활용하여 고무제품으로 재사용하는 장치에 관한 것이다.

도시한 바와 같이, 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치는 압출기(10) 상단에 형성되어 폐고무 입자가 유입되는 호퍼(11)와, 상기 호퍼(11)에 의해 유입된 폐고무 입자를 압출시키는 압출기(10)와, 상기 압출기(10) 일단에 형성되어 초음파를 발생하는 초음파 진동부(20)와, 상기 초음파 진동부(20)를 조절하는 제어기(30)와, 처리된 입자를 배출하는 배출구(12)를 포함하여 이루어져 있다.

이하, 상기 압출기 일단에 장착되는 초음파 진동부의 장착구조를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 사용된 초음파 진동부(20)는 한 쌍의 플랜지(21) 및 지지단(22a)과, 진동자(26)와, 진동부(24a)와, 고정핀(27) 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 한 쌍의 플랜지(21)는 원판 형상으로 측면 중앙에는 볼트 체결할 수 있는 볼트 체결공(도시하지 않음) 및 다수개의 폐고무 분말 통과공(28)이 형성되어 있고, 측면 최외각 원주방향을 따라서는 다수개의 고정핀 체결공(29)이 형성되어 있으며, 볼트(25) 체결에 의해 소정간격을 유지하며 상기 각 플랜지(21)가 서로 마주보게 배치된다.

상기 각 플랜지(21) 사이의 내면에는 일정간격을 두고, 소정 형상의 걸림단(23)을 구비하고 있는 한 쌍의 지지단(22a)이 상기 각 플랜지(21)의 폐고무 분말 통과공(28)과 연통되게 장착되어 있는 바, 상기 볼트(25)는 지지단 내부의 홀(22b)을 통과하며 각각 마주보는 플랜지(21)를 체결하게 된다.

상기 각 지지단(22a)의 걸림단(23) 사이에는 그 간격과 대응되는 두께의 진동부(24a)가 장착되는 바, 상기 진동부(24a)는 그 양단이 상기 각 걸림단(23)에 지지되는 형상으로 걸림단(23)과 일체로 장착된다.

또한, 상기 초음파 진동부(24a)는 중앙부에 진동자(26)의 형상과 대응되는 형상의 홀(24b)이 형성되어 있는 바, 상기 진동자(26)는 이 홀(24b)을 배치되어 진다.

상기 진동자(26)는 소정 각도의 절곡부를 갖는 둥근(환형)형상으로 상기 플랜지(21)를 소정간격으로 유지하며 배치시키는 볼트(25)에 삽입 장착되고, 상기 플랜지(21)의 폐고무 분말 통과공(28)과 연통되게 장착되어 있는 지지단 내부의 홀(22b) 및 진동부(24a) 중앙에 형성되어 있는 홀(24b)을 통해 배치된다.
상기와 같은 구조의 진동자(26)는 초음파를 이용하여 폐타이어 분말 입자의 표면을 개질시 입자의 전체표면을 개질할 수 있고, 그 공정을 연속성 있게 진행할 수 있는 바, 이는 대량 폐고무 처리시에도 유용하게 사용할 수 있게 한다.

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한편, 상기 각 플랜지(21) 일단에 형성되어 있는 고정핀 체결공(29)을 통해 고정핀(27)은 볼트(25)와 함께 각 플랜지(21)를 연결하고, 일측 플랜지(21) 외면으로 돌출된 고정핀(27) 일단을 압출기 다이(도시하지 않음)에 체결함으로써 상기 초음파 진동부(20)를 압출기(10)에 고정시킨다.

따라서, 상기 초음파 진동부(20)의 일측, 즉 상기 플랜지(21)의 일측은 상기 압출기(10) 일단과 연통되게 장착되고, 타측은 배출구(12)와 연통되게 장착된다.

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여기서, 상기 진동부(24a)가 진동하는 부분에 대한 기술은 이미 공지되어 있는 기술이기에 그 설명을 생략하기로 한다.

이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명의 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

제어기로 초음파 환형 진동자의 진동주기를 0.5~2mm로 조절하고, 압출기의 회전 속도 및 셋팅온도를 적절히 조절한 다음 호퍼를 통해 폐고무 분말을 투입하고 압출기를 통해서 이를 압출시키면서 초음파 환형 진동자를 작동시켜 폐고무 입자 표면을 초음파 처리하여 개질시켰다.

이때, 상기 압출기의 회전 속도는 30 ~ 100 RPM으로 하고, 셋팅온도는 100 ~ 200℃로 설정하였다.

또한, 상기와 같은 과정으로 처리된 폐고무 분말 입자는 배출구를 통하여 배출되어 진다.

실험예

폐타이어의 가교밀도를 알아보기 위하여 미처리 폐타이어 분말을 재가황시킨 시편과 초음파로 개질 된 폐타이어 분말을 재가황시켜 제조한 시편의 가교밀도를 측정하여 비교하였다.

그 결과, 상기 시편의 가교밀도는 초음파 미처리시에는 5.111 ×10¹⁸ mole/cm³ 이고, 초음파 처리시에는 6.241×10¹⁸mole/cm³로 나타났다.

즉, 이는 첨부한 도 5, 도 6에서 도시한 바와 같이, 초음파에 의한 가교밀도의 영향으로 현저한 차이가 난 것을 확인할 수 있다.

따라서, 첨부한 도 7에서 도시한 바와 같이, 초음파 처리시 페고무 내부의 S-S 결합기가 끊어지면서 끊어진 S가 활성화되어 재가황시 내부의 결합력이 우수해진 것을 볼 수 있다.

따라서, 상기와 같은 구조로 이루어진 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 의하면 분자내의 공극이 활성화되어 공간적인 팽창이 이루어져 종래 페타이어 처리상 문제점이었던 황가교의 결합력을 감소시킬 수 있었고, 폐타이어 입자 표면에 초음파 처리를 함으로써 가교밀도의 향상으로 인한 물성을 향상시 킬 수 있는 바, 이는 폐고무 분말의 접착성 및 물성을 향상 시킬 수 있어 리싸이클 자원을 재활용할 수 있게 하였다.

또한, 초음파 환형 진동자를 사용함으로써, 폐고무 입자의 전체표면을 개질할 수 있어 그 효과를 크게 증대 시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 의하면, 폐고무 및 폐타이어를 분말화하고, 분말화된 폐고무의 분말을 비롯한 폐타이어 분말에 환형 진동자를 이용하여 초음파 처리함으로써, 폐고무 입자의 전체표면을 개질할 수 있어 폐고무 및 폐타이어를 고무제품으로 재사용하는 재활용 효율을 높일 수 있다.

또한, 폐고무를 재사용함으로써 원재료의 수입 감소로 인한 원가절감 효과를 얻을 수 있고, 경쟁력 확보에도 상당한 효과가 가질 수 있는 바, 이는 관련기술의 파급효과를 내고 국내 고무공업에 많을 발전을 줄 수 있을 것으로 생각된다.

Claims (3)

1. 폐고무 입자가 유입되는 호퍼와, 상기 호퍼에 의해 유입된 폐고무입자를 압출시키는 압출기와, 상기 압출기 일단에 형성되어 초음파를 발생하는 초음파 진동부와, 상기 초음파 진동부를 조절하는 제어기와, 처리된 입자를 배출하는 배출구를 포함하여 이루어진 초음파를 이용한 폐고무 표면 개질장치에 있어서,

   상기 초음파 진동부(20)는 볼트(25) 체결공, 폐고무 분말 통과공(28) 및 고정핀 체결공(29)이 형성되어 있으며, 볼트(25) 체결에 의해 소정간격을 유지하며 서로 마주보게 배치되는 한 쌍의 플랜지(21)와,

   상기 각 플랜지(21) 사이의 내면에 일정간격을 두고 각 플랜지(21)의 폐고무 분말 통과공(28)과 연통되게 장착되는 한 쌍의 지지단(22a)과,

   중앙부에는 진동자(26)가 배치되는 홀(24b)을 구비하고, 상기 각 지지단(22a)의 걸림단(23) 사이에 일체형으로 배치되는 진동부(24a)와,

   소정 각도의 절곡부를 갖는 형상으로 상기 볼트(25)에 삽입 장착되어 상기 지지단 내부의 홀(22b) 및 진동부의 홀(24b)을 통해 배치되는 진동자(26)와,

   상기 고정핀 체결공(29)을 통해 각 플랜지(21)를 연결하고 압출기 다이에 고정시키는 고정핀(27)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 환형 진동자를 이용한 폐고무 표면 개질장치.
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