KR100628880B1

KR100628880B1 - 폐기물을 이용한 성형용 복합 조성물

Info

Publication number: KR100628880B1
Application number: KR20040070269A
Authority: KR
Inventors: 김종한
Original assignee: 김종한
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-09-26
Also published as: KR20060021504A

Abstract

본 발명은 제강 공정에서 부산물로 배출되는 전로 슬래그의 분무(atomizing) 처리물인 풍쇄 슬래그(atom ball) 및 화력발전소 등에서 부산물로 배출되는 플라이 애쉬로부터 분리된 세라믹 볼(ceramic ball)을 열가소성 수지 또는 폐수지와 배합시킨 성형용 복합 조성물에 관한 것으로, 풍쇄슬래그 20∼60 중량%, 세라믹 볼 5∼45 중량% 및 열가소성 바인더 수지 20∼60 중량%를 포함한다. 본 발명의 복합 조성물은 각종 산업 공정 및 환경에서 배출되는 부산물 및 폐수지를 이용하면서도 기계적 물성이 우수하며, 그 제조 또는 성형 과정에서 장치의 기계적 손상을 최소화할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 다양한 색상 등으로 제품화할 수 있기때문에 성형물에 고급스러운 분위기를 부여할 수 있다.

풍쇄슬래그, 세라믹 볼, 수지, 복합 조성물, 성형

Description

폐기물을 이용한 성형용 복합 조성물{Molding Composition Using Waste Materials}

도 1은 본 발명에서 사용가능한 풍쇄 슬러그의 형상을 도시하는 사진이고,

도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명에서 사용가능한 다양한 색상을 갖는 세라믹 볼의 형상을 도시하는 사진이고,

도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에서 사용가능한 PE 분쇄물(도 3a), PS 분쇄물(도 3b), PE 칩(도 3c) 및 PP 칩(도 3d)의 입자 형상을 도시하는 사진이고,

도 4는 본 발명의 복합 조성물로부터 성형물을 형성하기 위한 일련의 공정의 일 태양을 개략적으로 도시하는 공정도이고, 그리고

도 5는 본 발명의 복합 조성물로부터 성형물을 형성하기 위한 일련의 공정의 다른 태양을 개략적으로 도시하는 공정도이다.

*도면 부호에 대한 설명*

1, 11: 1차 배합 단계 2,12: 2차 배합 단계

3, 13: 가스 제거 단계 4, 14: 성형 단계

본 발명은 성형용 복합 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 제강 공정에서 부산물로 배출되는 전로 슬래그의 분무(atomizing) 처리물인 풍쇄 슬래그(atom ball) 및 화력발전소 등에서 부산물로 배출되는 플라이 애쉬로부터 분리된 세라믹 볼(ceramic ball)을 열가소성 수지(또는 폐수지)와 배합하여 제조된 성형용 복합 조성물에 관한 것이다.

환경 보존의 필요성이 점차 증가하는 추세에 따라, 각종 산업공정 또는 분야에서 배출되는 부산물 및/또는 폐수지를 재활용하기 위한 다양한 방안들이 모색되어 왔다. 일반적으로, 제철공정은 철광석을 고로에서에서 환원하고 전로에서 정련을 행하는데, 이러한 2가지 공정으로부터 부산물로 생성되는 것이 고로 슬래그 및 전로 슬래그이다. 종래에는 고로 슬래그를 대부분 시멘트 원료, 도로용 골재(표층재, 기층재, 지반 개량재, 아스팔트용 골재 등)로 이용하였으나, 전로 슬래그는 고로 슬래그와는 달리 팽창 자괴성으로 인하여 충분히 활용되지 않았다.

또한, 플라이 애쉬는 연소가스 중에 함유된 재를 총칭하는 개념으로서 화력발전소 등에서 완전 연소되지 않은 배가스 내에 많이 함유되어 있다. 플라이 애쉬의 구성성분으로는 이산화규소, 산화알루미늄, 산화칼슘, 탄소 등이 있으며, 특히 이산화규성의 함량이 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다. 상기 플라이 애쉬의 활용 방안으로서 시멘트의 증량제, 토양 개량제 등이 있으나, 많은 량이 매립 폐기되고 있으며, 그 활용 방안 역시 고부가가치를 창출하는 것으로 볼 수 없다.

한편, 생활 환경을 비롯한 다양한 분야에서 플라스틱이 사용되고 있으며, 많은 량의 폐수지가 배출되고 있고, 이를 재활용하지 않으면 환경 오염은 필연적이 다.

따라서, 상기 언급한 부산물 및/또는 폐수지를 건축용 또는 골재용 자재 분야에서 재활용하고자 하는 시도가 지속적으로 연구되어 왔다.

예를 들면, 국내특허번호 제45615호는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 플라이 애쉬, 고로 슬래그 및 첨가제로 이루어진 P.A.S(polymer-ash-slag) 콘크리트 조성물을 개시하고 있다. 상기 특허에 따르면, 개시된 P.A.S 콘크리트 조성물이 종래의 시멘트계 콘크리트에 비하여 다양한 장점이 있는 것으로 기술하고 있다.

국내특허번호 제426706호는 분말상 또는 단섬유상으로 가공된 폐폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 플라이 애쉬,원형 또는 타원형의 박편상인 폐우유팩 가공물 및 질석 분말을 혼합하고 압축 성형하여 제조된 P.A.S. 콘크리트 성형체의 제조 방법을 개시하고 있다.

상술한 종래 기술에서는 전체적으로 실리카를 함유하는 무기계 성분 및 유기계 폐수지 성분을 혼련하여 제조한 복합물을 개시하고 있으나, 최종 제품의 품질 및 생산성, 그리고 제품화된 이후의 환경 오염(용출, 산화 등)은 고려함이 없이 단순한 폐기물의 재활용 정도의 의미가 있을 뿐이다.

즉, 무기질 소재로서 플라이 애쉬 및 고로 슬래그를 사용하는 바, 플라이 애쉬의 경우에는 기본적으로 미연소된 탄분을 함유하기 때문에 제품의 색상을 마음대로 선택할 수 없을 뿐만 아니라 진한 회색 또는 검정색으로 국한되고, 구성 성분들을 혼련하는 과정에서 재료의 분리 현상이 나타나는 경향을 갖고 있으므로 제품 품 질이 문제시될 수 있다. 특히, 상기 종래 기술은 고로 슬래그를 사용하고 있는 바, 고로 슬래그를 함유하는 제품이 해수에 노출되면, 슬래그 내에 함유된 산화칼슘(CaO) 성분이 해수 및 소금에 의하여 Ca(HO)₂와 같은 알카리 화합물로 변화하여 해수를 오염시킬 뿐만 아니라, 어류 및 해초류의 서식에 큰 장애 요인이 된다.

반면, 토양에 방치될 경우에는 대기 온도에 의한 냉각 가열에 의하여 열 팽창 및 수축 현상이 야기되고, 이에 따라 내부에 틈이 생기거나 수화작용 등의 내부 팽창으로 균열되고, 균열 후 중화작용으로 미세 분말화된다. 또한, 슬래그의 금속 이온과 결합해 있던 수산화기(OH^-)가 CaO 또는 MgO와 결합하여 기존의 구조를 파괴하여 진흙과 같은 미세입자를 형성하는 화학적 중화도 발생한다. 이외에도, 공기중으로 비산된 슬래그 또는 슬래그가 함유된 제품을 방치하는 경우에도 용융 상태의 슬래그 제품 내에 Ca²⁺, Fe²⁺ 및 O²⁺와 같은 이온으로 해리되어 있는 상태에서 서냉되면서 Fe₂O₃ 및 CaO와 같은 분자로 응집되고, 격자를 구성하는 분자가 응집하여 결합된 다결정체가 고로 슬래그 내에 분산되면서 단독으로 석출되어 CaCO₃, CaO, Ca(OH)₂, MgO, Fe₂O₃ 또는 이들의 복합체의 미세분말이 생성되는 등, 중화작용의 영향을 강하게 받는다. 그 결과, 대기오염에 의하여 인체에 암을 유발하는 원인이 될 수 있다.

또한, 고로 슬래그를 합성수지와 용융 및 혼련하는 과정에서 스크류 실린더와 같은 장치가 사용되는데, 고로 슬래그의 유리 가루 같이 거칠고 모난 부분이 스 크류, 실린더, 금형 및 몰드와 같은 고가의 기계류를 심하게 마모시켜 제품의 원가를 현저히 증가시키고 있다. 따라서, 이론상으로는 고로 슬래그, 합성수지 및 플라이 애쉬를 배합하여 사용할 수 있으나, 실제 상용화되기에는 많은 문제점이 존재한다.

한편, 전로 슬래그는 전술한 바와 같이 자기 붕괴 성질을 갖고 있어 이를 방치할 경우에는 풍화작용에 의하여 산화칼슘 등의 알칼리성 미분말이 비산되어 대기 오염을 야기할 수 있다. 특히, 상당량의 금속 성분을 함유하고 있고, 이를 그대로 이용할 경우에는 환경 오염을 야기한다. 이와 관련하여, 전로 슬래그에 함유된 금속 성분에 의한 문제점을 해결함과 동시에 이를 건축용 자재로 이용하기 위한 기술로서, 국내특허번호 제292388호는 입경이 1 ㎜ 이하인 미분의 제강 슬래그 입자 및 상기 제강 슬래그의 결합제로서 상기 미분 상태의 제강 슬래그 입자를 피복하는 폐비닐을 가열 혼합하고 성형하여, 폐비닐이 상기 슬래그의 표면 상에 코팅되어 팽창에 의한 자기 붕괴 현상 및 금속 유출을 방지할 수 있음을 개시하고 있다, 그러나, 후술하는 바와 같이, 전로 슬래그 역시 슬래그 입자 자체가 갖는 모난 표면 등으로 인하여 기계 마모와 같은 문제점을 해결하는데는 한계가 있으며, 여전히 금속을 함유하고 있어 근본적인 해결로 볼 수 없다.

상기의 점을 고려하여, 국내특허공개번호 제2002-33008호는 전로 슬래그를 분무 처리하여 전로 슬래그 내에 함유된 지금(즉, 철)을 회수하고, 잔류하는 구상체(볼) 형태의 슬래그 성분을 골재 또는 미장재로 사용하는 기술을 개시하고 있다. 상기 기술은 후술하는 바와 같이, 본 발명의 복합 조성물의 일 구성성분에 해당하 는 풍쇄 슬래그에 관한 것이다. 그러나, 상기 선행기술은 전로 슬래그 자체만의 활용에 국한되고, 다른 부산물 및 폐기물, 특히 폐수지의 활용에 대하여는 개시하고 있지 않다. 특히, 폐수지의 재활용 요구가 급증하는 추세에 부응할 수 없는 한계를 갖고 있다. 특히, 이러한 풍쇄 슬러그만을 콘크리트 등의 용도로 활용할 경우에는 시멘트, 자갈 등과의 결합에 문제점이 존재한다.

따라서, 본 발명자는 상술한 선행기술의 한계를 극복하고, 다양한 부산물 및 폐수지를 동시에 재활용하면서 기존의 시멘트계 콘크리트 등에 비하여 동등 이상의 물성을 발휘할 수 있는 방안을 안출하기 위하여 지속적인 연구를 수행한 결과, 전로 슬래그를 분무 처리하여 얻어진 풍쇄 슬러그, 플라이 애쉬로부터 분리된 세라믹 볼 및 각종 열가소성 수지(또는 폐수지)를 적절하게 배합시킨 복합 조성물을 개발하였고, 상기 복합 조성물이 건축 분야 등의 용도에 적합한 기계적 물성을 갖는 성형물로 제조될 수 있음은 물론, 그 과정에서 발생될 수 있는 장치의 마모 등의 문제점을 동시에 해결할 수 있음을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 각종 산업 공정 및 환경에서 배출되는 부산물 및 폐수지를 이용하여 제조되고, 기계적 물성이 우수한 성형용 복합조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부산물 및 폐수지를 이용함과 동시에 그 제조 과정에서 장치의 기계적 손상을 최소화할 수 있는 성형용 복합조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 복합 조성물을 이용하여 성형물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 면에 따르면, 풍쇄슬래그 20∼60 중량%, 세라믹 볼 5∼45 중량% 및 열가소성 바인더 수지 20∼60 중량%를 포함하는 성형용 복합 조성물이 제공된다.

본 발명의 제2 면에 따르면, 복합 조성물의 중량 기준으로, 세라믹 볼 5∼45 중량% 및 입자 형태의 열가소성 바인더 수지 20∼60 중량%를 1차 배합하는 단계; 상기 1차 배합물에 풍쇄슬래그 20∼60 중량%를 투입하여 2차 배합하는 단계; 상기 2차 배합물 내에 존재하는 가스를 제거하는 단계; 및 상기 가스가 제거된 배합물을 성형하는 단계를 포함하는, 복합 조성물의 성형물을 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 성형용 복합 조성물을 구성하는 일 성분인 풍쇄 슬러그(atom ball)는 전로의 제강과정에서 생성되는 전로 슬래그를 분무 처리함으로써 전로 슬래그 내에 함유된 지금을 분리 및 회수하고 잔류하는 성분을 구상화한 것이다. 전술한 바와 같이, 이러한 풍쇄 슬래그의 예시적인 제조방법은 국내특허공개번호 제2002-33008호에 기술되어 있으며, 그 개시 내용은 본 발명에서 참고 자료로서 포함된다.

즉, 일반적으로 전로 슬래그 내에 함유된 지금을 회수하기 위하여는 이를 분쇄한 후에 자석이 설치된 마그네틱 콘베이어를 이용하나, 상기 경우에는 전술한 바 와 같이 지금 회수 후에 잔류하는 성분이 모래와 같이 모난 형상을 갖게 되며, 분쇄, 및 분리-회수 과정에서 비산 먼지가 발생된다. 더욱이, 잔류 성분은 전로 슬래그가 갖는 기존 입자 구조를 갖고 있기 때문에 풍화 작용에 의하여 추가적인 비산 분말을 생성한다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 분무법(amomizing)이 이용되며, 이에 따라 지금 분리 후에 잔류하는 성분의 결정 구조가 변화한다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 분무 과정에서 용융상태로 균일하게 분포되어 있는 이온(Ca²⁺, O^2- 및 Fe²⁺ )이 응고하면서 CaOFe₂O₃ ,SiO₂ Fe₂O₃ ,MgOFe₂O₃의 형태의 스피넬(spinel) 구조의 복합 산화물로서 존재하게 된다. 이러한 복합 산화물은 2가 산화물 및 3가 산화물의 복합체로서 일반식 X^ⅡO-Y^Ⅲ ₂O₃ 또는 (Me)²O^2- ₄로 나타낼 수 있다. 이러한 스피넬 구조를 갖는 대표적인 물질로는 첨정석인 MgAl₂O₄가 있으며, 대략적으로 모오스 경도가 5.5∼8로서, 유리 같은 광택을 가지고 있고 굴절율이 높다. 이들 중 색이 없고 투명한 종류는 보석으로 사용될 정도로 견고하며 내풍화성이 강한 특성을 갖게 된다. 즉, 통상 화학 반응은 이온의 이동 또는 전자의 이동을 수반하는데 이러한 스피넬형의 복합 산화물이 표면을 이루게 되면 이온의 이동을 억제하여 안정된 화합물 상태가 되고, 화학적ㆍ물리적 자극에 대하여 강한 저항 특성을 갖게된다. 이와 관련하여, 도 1은 본 발명에서 사용가능한 풍쇄 슬러그의 형상을 도시한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 풍쇄 슬래그는 전로 슬래그 입자와는 달리 분무 처리되어 구상체의 형태를 갖게되고, 이에 따라 추후 복합 조성물의 제조 장치의 마모 현상을 현저히 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 풍화로 인한 환경 오염 문제를 발생시키지 않고, 구상체 형태를 갖고 있어 추후 세라믹 볼, 수지 또는 폐수지 등의 원료와 분리됨이 없이 균일하게 혼련될 수 있는 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 풍쇄 슬래그는 복합 조성물의 중량을 기준으로 약 20∼60 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 35∼55 중량%의 범위로 사용한다. 만약, 풍쇄 슬래그의 함량이 지나치게 낮은 경우에는 최종 성형물이 지나치게 유연하게 되는 문제점이 있는 반면, 지나치게 높은 경우에는 내충격성이 저하되는 문제점이 발생되므로, 적절한 범위로 조절해야 한다.

이러한 풍쇄 슬래그의 입자 크기는 사용되는 장치 내에서의 배합 특성을 고려하여 결정되는데, 본 발명에서는 전형적으로 약 0.3∼1.0 ㎜, 바람직하게는 약 0.3∼0.7 ㎜의 범위이다.

본 발명에 따르면, 복합 조성물을 구성하는 성분으로서 플라이 애쉬로부터 분리된 세라믹 볼이 사용된다.

통상적으로, 화력 발전소, 도시 쓰레기 소각장 등에서 연료로 사용하는 무연탄 및 유연탄의 연소시 발생하는 소각 부산물을 애쉬(ash)라고 하며, 이는 바닥 재(bottom ash) 및 플라이 애쉬(fly ash)로 구분된다. 즉, 전자의 경우에는 후자에 비하여 오염물질별로 다르기는 하나 비교적 낮은 금속 성분의 함량을 갖는다. 예를 들면, 전형적인 도시 쓰레기 소각재에 함유된 금속성분의 함량은 하기 표 1과 같다.

오염물질	fly ash(㎎/㎏)	bottom ash(㎎/㎏)
Pb(납)	6931	4068
Cu(구리)	1667	7162
Cd(카드뮴)	327	4672
As(비소)	191	83
Cr(크롬)	239	226
Hg(수은)	40 이하	3.5 이하

상기 표에서 알 수 있듯이, 플라이 애쉬는 상당한 량의 오염물질, 중금속 성분을 함유하고 있기 때문에, 이를 그대로 재활용할 경우에는 2차 오염을 유발시킨다. 또한, 플라이 애쉬를 사용할 경우에는 산화 또는 수축 팽창으로 인한 균열에 의하여 발생될 수 있는 문제점을 억제하기 위하여 산화칼슘의 함량을 줄여서, 해수 등에 의하여 알칼리 화합물로 변성되는 현상을 억제할 필요가 있다. 특히, 플라이 애쉬는 상기 표 1과 같이 중금속 성분이 상당히 포함되어 있기 때문에 밀도가 높아 다른 성분들과의 균일한 배합이 곤란하다.

상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 플라이 애쉬를 그대로 사용하지 않고, 이로부터 분리된, 비교적 가벼운 구상의 세라믹 볼을 원료로 사용함으로써 용출 등에 의한 2차 오염을 방지함과 동시에 다른 성분과의 혼화성을 향상시킨다. 플라이 애쉬로부터 세라믹 볼을 분리하는 방법은 당업계에서 알려져 있는 바, 예를 들면, 플라이 애쉬를 물에 투입하면, 침전되는 부분 및 부유하는 부분으로 구분되며, 이때 부유하는 부분이 세라믹 볼에 해당된다. 하기 표 2에서 세라믹 볼 및 세라믹 볼이 분리되고 잔류하는 플라이 애쉬 및 세라믹 볼의 예시적인 조성을 나타내었다(중량%).

	SiO₂	CaO	Al₂O₃	Fe₂O₃	Na₂O	K₂O	ZnO	MgO	기타
잔류 플라이 애쉬	36.93	17.86	11.3	1.72	3.67	2.92	1.57	8.79	15.24
세라믹 볼	61.03	0.6	21.03	0.91	1.15	1.10	1.60	3.05	9.53

상기 표에서 잔류 플라이 애쉬의 비중은 전형적으로는 약 1.34 정도인 바, 본 발명의 복합 조성물 중 다른 구성 성분과 배합하기에는 부적당하다. 반면, 세라믹 볼의 형태는 구형이고, 그 내부에 공극이 형성되어 있어 물에 부유할 수 있는 것이다. 이때, 입자의 크기는 약 0.2∼1.0 ㎜ 범위이다. 또한, 세라믹 볼의 비중은 후술하는 바인더 수지와 유사한 약 0.85∼1.05 정도, 전형적으로는 약 0.97 정도인 바, 수지 성분과의 혼련에 적합하다. 이외에도, 세라믹 볼의 모오스 경도는 약 3.8∼5.1의 범위로서 배합시 혼련, 스크류 실린더의 마모, 성형물의 표면 평탄도 등에 있어서 만족스러운 결과를 나타낸다.

한편, 일반적인 플라이 애쉬는 진한 회색을 띠는데, 플라이 애쉬를 그대로 사용할 경우에는 복합 조성물을 성형하여 얻어진 제품의 색상이 단조롭게 된다. 반면, 도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 볼은 비교적 연한 색을 나타내므로 경우에 따라서는 안료를 사용하여 다양한 색상 표현이 가능하다. 따라서, 재활용 제품의 이미지를 벗어나 고급스러운 분위기를 연출할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 세라믹 볼은 복합 조성물의 중량을 기준으로 약 5∼45 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 7∼20 중량%이다.

본 발명에 따르면, 풍쇄 슬래그 및 세라믹 볼과 함께 열가소성 수지계 성분이 바인더 성분으로 사용된다. 일반적으로, 폐수지는 분리수거의 정착화에 따라 제질 별, 또는 색상 별로 분리 수거된 다음, 분쇄물 형태 또는 칩(chip) 형태로 입수 가능하며, 분쇄된 수지 또는 칩 형태의 수지의 크기는 약 3∼8 ㎜가 바람직하다. 이와 관련하여, 도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에서 사용가능한 PE 분쇄물(도 3a), PS 분쇄물(도 3b), PE 칩(도 3c) 및 PP 칩(도 3d)의 입자 형상을 도시한다.

일반적으로 합성수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지로 구분가능한데, 본 발명에서는 열가소성 수지를 사용한다. 이러한 열가소성 수지의 전형적인 예로서 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 등이 있다. 본 발명에서는 열가소성 수지 재질이면 족하고, 사용 가능한 수지계 성분에 대한 제한은 없다. 그러나, 상기 예시된 수지는 범용 수지로서 재활용 가능한 전체 폐수지의 80% 이상을 차지하고 있는 점을 고려하면, 폴리에티렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것이 대부분이다.

다만, 폐수지를 사용할 경우에는 색상별 분리수거는 가능하나 재질 별로 분리수거하기는 실질적으로 곤란하다. 따라서, 본 발명의 복합 조성물을 제조하는 공정에 있어서, 배합 온도와 같은 조건을 특정 수지 재질에 적합하도록 한정됨이 없이, 융통성있게 조절할 필요가 있다. 즉, 사용되는 수지계 성분의 특성을 고려하여 사용되는 원료의 배합 온도, 성형 후 냉각온도 등을 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 바인더 수지는 복합 조성물의 중량을 기준으로 약 20∼60 중량%이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 30∼50 중량%이다.

도 4는 본 발명의 복합 조성물로부터 성형물을 형성하기 위한 일련의 공정의 일 태양을 개략적으로 도시하는 공정도이고, 도 5는 본 발명의 복합 조성물로부터 성형물을 형성하기 위한 일련의 공정의 다른 태양을 개략적으로 도시하는 공정도이다.

상기 태양의 공정을 개략적으로 설명하면, 세라믹 볼 및 수지계 성분을 1차 배합시킨 후에 별도로 풍쇄 슬래그를 투입하여 2차 배합시킨다. 그 다음, 롤링을 거침으로써 배합 과정에서 발생된 가스 등을 배출시킨 후에 성형(특히, 사출성형)시킨다. 이와 같이, 2 단계에 걸쳐 배합하는 이유는 재료 별 비중이 상이하기 때문이다. 즉, 세라믹 볼과 수지계 성분의 비중은 유사하나 풍쇄 슬래그는 다른 성분들과 비중에 있어서 다소 상이하기 때문에 균일한 배합을 달성하기 위한 것이다.

보다 구체적으로, 세라믹 볼 및 수지를 미리 정해진 비로 배합기 내로 공급하여 1차 배합하는 단계(3)가 수행되는데, 이때 배합기는 용융 스크류 실린더를 포함하는 형태이다. 상기 스크류 실린더 내에서의 배합 온도는 투입된 원료의 개별적인 성상 및 세라믹 볼과 수지의 비에 따라 상이하나, 전형적으로 약 200∼250℃, 바람직하게는 약 200∼230℃ 범위이다. 특히, 지나치게 높은 온도에서는 수지성분이 기화될 수 있기 때문에 적절한 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 스크류의 회전속도를 약 70∼100 rpm으로 조절하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 80∼90 rpm이다.

그 다음, 상기 1차 배합물에 풍쇄 슬래그를 투입하여 2차 배합하는 단계(2)가 수행된다. 이를 위하여, 1차 배합물에 풍쇄 슬래그를 미리 정해진 비율에 따라 일정한 투입속도 및 투입량으로 용융 스크류 중앙 또는 후단 부분을 통하여 투입한다. 이때, 상기 2차 배합 단계에서의 스크류 실린더 온도는 1차 배합시와 특별한 차이는 없다. 다만, 풍쇄 슬래그의 투입에 따라, 배합기 내의 온도가 급격히 저하될 수 있기 때문에 주의할 필요가 있다.

한편, 상기와 같이 2 단계에 걸쳐 배합된 혼합물은 배합 과정에서 생성되는 많은 가스(수증기 및/또는 기타 가스)를 포함하고 있기 때문에, 성형에 앞서 배출시킨다. 이를 위하여, 개방된 공간에서 자연 배출할 수도 있으나, 공정의 신속성 등을 고려하여 롤링 단계(3)를 제공함으로써 배합물 내에 함유된 가스를 압축을 통하여 배출시킬 수 있다.

상기 롤링 단계를 거친 복합 조성물은 추가적인 배합 과정을 거칠 수 있으나, 바로 성형 단계(4)를 통하여 원하는 형상의 제품으로 제조될 수도 있다. 이때, 성형 방식은 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 사출 성형이 이용된다.

본 발명에 있어서, 이러한 사출 성형의 예시적인 태양은 하기와 같다. 즉, 상기와 같이 배합된 복합 조성물을 일단 저장장치로 이송시킨 후에 온도를 유지하면서(예를 들면, 약 200∼210 ℃) 조성물이 원하는 유입량에 도달하면 금형 내부로 사출시킨다. 이때, 사출의 속도는 저속(바람직하게는 약 3.5 m/min 이하, 보다 바람직하게는 약 3.0∼3.2 m/min)으로 조절한다. 사출시 금형의 온도는 바람직하게는 약 50∼70 ℃, 보다 바람직하게는 54∼56℃로 유지한다. 또한, 금형 내부로 배합된 혼합물을 투입하기 위한 압력은 약 50㎏/㎠ 이하, 바람직하게는 약 45∼47 ㎏ /㎠로 조절한다. 이외에도, 사출 노즐은 Φ40㎜ 이상인 것이 바람직하다. 한편, 금형에 투입된 복합 조성물은 냉각수 순환 방식을 통하여 냉각되는것이 바람직한데, 금형으로 투입시 온도는 바람직하게는 약 10∼15 ℃의 범위이다. 냉각 시간은 복합 조성물의 조성비, 사용된 수지 성분의 성상, 성형되는 제품의 두께 등에 따라 상이할 수 있으며, 이러한 점을 고려하여 적정 공정 조건을 선정하는 것이 생산성을 높이고 불량률을 낮추는데 요구된다. 다만, 냉각수의 온도는 상기와 같이 15℃ 이하로 조절하는 것이 바람직한데, 이는 냉각수의 온도가 적정 범위를 초과할 경우에는 냉각 시간이 지나치게 길어지고 생산성이 저하되기 때문이다.

한편, 본 발명에 따른 복합 조성물은 전술한 풍쇄 슬래그, 세라믹 볼 및 수지 성분이외에 첨가물로서 각종 보강재, 난연제, 안료 등을 단독으로 또는 조합하여 더 포함시킬 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 첨가물은 1차 배합 단계에서 세라믹 볼 및 수지 성분과 함께 배합하는 것이 바람직한데, 그 이유는 첨가물이 충분히 분산되어야 하기 때문이다. 상기 도면에서, 1차 배합단계(11)에서 첨가물을 투입하는 것을 제외하고는, 2차 배합단계(12), 롤링 단계(13) 및 성형단계(14)는 전술한 바와 동일하다.

보강재로서 일반적으로 알려져 있는 글라스 파이버를 사용하는데, 그 크기는 약 3∼8 ㎜ 정도이다. 이때, 보강재의 사용량은 최종 제조될 제품의 기능에 따라 결정되는데, 경우에 따라서는 전체 복합 조성물의 중량 기준으로 10 중량%까지 사용가능하며, 바람직하게는 약 0.5∼3.0 중량%의 범위로 사용된다.

난연제의 경우, 자기소화성, 불연성(KSM3015) 등의 난연 등급에 따라 다르지 만, 불연성인 경우에는 당업계에서 통상적으로 알려져 있는 난연제, 보다 구체적으로는 데카브롬을 사용하고, 이와 함께 난연제의 확산을 위한 확산제로 삼산화안티몬을 사용할 수 있다. 이때, 난연제 및 확산제는 수지 성분의 중량을 기준으로 각각 약 13∼15 중량% 및 약 5∼7 중량%로 사용하하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 13∼14 중량% 및 약 6∼7 중량%로 사용한다.

한편, 색상 조절을 위하여 투입되는 안료로는 당업계에서 알려진 유기질 안료, 무기질 안료(예를 들면, 제2 산화철) 등을 사용할 수 있으며, 요구되는 색상 수준에 따라 적절히 배합하면 충분하다(예를 들면, 수지 성분을 기준으로 약 0.05∼1.0 중량%).

본 발명에 따른 전술한 바와 같이 성형된 제품은 큰 하중을 받는 대형 구조물에 적용하기에는 다소 부적합할 수 있으나, 기존의 시멘트계 콘크리트의 2차 제품, 예를 들면, 배수로, 멘홀, 경계석, 중앙 분리대, 하천 블럭, 보도블럭 등의 다양한 용도에 사용할 수 있다. 특히, 부산물 또는 폐기물을 단순히 재활용하는 정도에 의의가 있었던 종래 기술에 비하여, 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 질감 및 색상을 나타낼 수 있으므로 고급스러운 외관을 가능케 한다. 이외에도, 사용되는 원료의 입자 특성 상 보다 평활한 입자의 형상을 갖고 있기 때문에, 고로 슬래그 또는 전로 슬래그를 사용하거나 플라이 애쉬 등을 사용한 경우에 비하여 배합 및 성형과정에서 장치의 마모를 현저히 감소시킬 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만 하기 실시예 에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

분리수거된 폐수지 중 PE, PP 및 PS를 각각 분리한 다음, 색깔별로 다시 분리하였다. 분쇄기를 사용하여 상기 각각의 폐수지를 약 15㎜ 이하로 분쇄하였으며, 이를 세척하여 이물질을 제거하였다. 그다음, 상기 폐수지 분쇄물을 용융 스크류가 장착된 재생기에 투입하고 약 5㎜의 길이로 절단하여 칩을 제조하였다. 상기 수지계 칩을 플라이 애쉬 정제기를 사용하여 플라이 애쉬로부터 분리된 세라믹 볼(입자크기의 범위는 약 0.3∼0.5 ㎜) 및 보강재로서 글라스 파이버(주식회사 금강의 상품명: 금강 화이버 글라스)와 함께 1차 용융 스크류 실린더로 미리 정해진 비율에 따라 공급하였으며, 용융 배합하였다. 이때 용융 스크류 실린더 내부의 온도는 약 220℃로 유지하였으며, 스크류의 회전속도를 약 90 rpm으로 조절하였다.

상기 1차 배합된 원료 혼합물을 2차 용융 스크류 실린더 내에서 풍쇄슬래그(삼원특수기계 주식회사의 제품으로 입자 크기는 약 0.3∼1.0 ㎜ 범위를 가짐)를 미리 정해진 비로 일정하게 투입하면서 2차 배합하였다. 상기 2차 용융 스크류 실린더 내부의 온도는 230℃로 유지하였다. 상기 배합 과정에서 원료에 존재하는 가스를 제거하기 위하여, 롤러를 사용하여 롤링하였다. 상기 롤링된 혼합물을 3차 스크류 실린더(내부 온도: 약 230 ℃) 내에서 추가 배합한 후에 저장장치로 이송하였으며, 상기 배합 원료의 량이 성형에 요구되는 량에 도달함에 따라 사출장치(사출 노즐의 Φ50 ㎜)를 작동하여 금형 내부로 사출시켰다. 이때, 상기 배합된 원료를 금형 내부로 투입하는 압력은 47 ㎏/㎠이었고, 사출 속도는 3.0 m/min이었다. 사 출 후에는 냉각수 순환 방식을 통하여 사출물(두께: 15㎜)을 냉각하였으며, 이때 냉각수의 온도는 약 12 ℃이었고, 냉각시간은 약 4.5 분이었다. 냉각 후 제품을 추가적으로 자연 냉각시켰다.

본 실시예에서 사용된 복합 조성물의 조성비(중량%) 및 사출물의 두께, 비중 및 색상을 하기 표 3에 나타내었으며, 상기 사출물의 강도 테스트 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

실시예 2 내지 6

사용된 폐수지의 재질 또는 조성비를 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 유사한 방식으로 수행하였다. 조성, 물성 및 강도 테스트 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	색상
PE	35.0	45.0	-	-	-	-	무색
PP	-	-	35.0	45.0	-	-	무색
PS	-	-	-	-	35.0	45.0	무색
글라스 파이버	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	백색
세라믹 볼	10.0	15.0	10.0	15.0	10.0	15.0	베이지
풍쇄 슬래그	53.0	38.0	53.0	38.0	53.0	38.0	흑색
사출물의 두께	15㎜	15㎜	15㎜	15㎜	15㎜	15㎜
비중	2.18	1.95	2.17	1.95	2.18	1.98	-
색상	베이지	베이지	베이지	베이지	베이지	베이지	-

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	비고
압축강도^*	241	237	256	256	273	262	KSM 3816
인장강도	143	152	129	134	171	183	KSM 3006
휨 강도	320	340	270	285	386	410	KSM 3015
충격강도	3.4	3.7	2.2	2.6	4.1	4.9	KSM 3015

^*: 단위는 ㎏/㎠임.

종래기술과의 비교 테스트

국내특허번호 제45615호의 실시예에 따라 성형되고, 플라이 애쉬, 고로 슬래그 및 합성수지를 주성분으로 하는 성형물에 대한 평균 강도를 본 발명의 실시예 1∼6에 따른 성형물의 평균 강도와 대비하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

	특허 제45615호	본 발명	증감(%)	시험방법
압축강도^**	284	254	-10	KSM 3816
인장강도	50	152	+204	KSM 3006
휨강도	179	335	+87	KSM 3015

^**: 단위는 ㎏/㎠임.

상기 표에서 알 수 있듯이, 본 발명의 경우에는 풍쇄 슬래그, 세라믹 볼 및 열가소성 수지의 특정 조합을 통하여 단순히 고로 슬래그, 플라이 애쉬 및 수지로 이루어지는 복합 조성물에 비하여 압축강도에서는 다소 낮은 결과를 나타내나 인장 강도 면에서는 월등히 우수한 결과를 나타낸다. 특히, 휨강도는 성형물의 두께를 결정하는데 중요한 고려사항으로서 증가된 휨강도만큼 성형물의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 제품의 경량화를 달성할 수 있다.

시멘트계 콘크리트 성형물과의 비교 테스트

전술한 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 복합 조성물의 성형물의 비중 및 강 도^*** 테스트 결과의 평균값을 기존의 시멘트계 콘크리트 성형물과 대비한 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

구분	비중	인장강도	압축강도	휨 강도	충격강도
시멘트계 콘크리트	2.4	20	260	21	0.38
본 발명의 복합 조성물	2.07	152	254	335	3.48

^***: 단위는 ㎏/㎠임.

상기 표에 따르면, 본 발명에 따른 복합 조성물의 성형물은 동일한 두께 하에서 시멘트게 콘크리트에 비하여 전체적으로 강도 특성이 현저히 상승되었음을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 동일한 하중이 가해지는 경우, 상승된 강도에 따라 성형물의 두께를 줄일 수 있음을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 복합 조성물은 각종 산업 공정 및 환경에서 배출되는 부산물 및 폐수지를 이용하면서도 기계적 물성이 우수하며, 그 제조 또는 성형 과정에서 장치의 기계적 손상을 최소화할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 다양한 색상 등으로 제품화할 수 있기때문에 성형물에 고급스러운 분위기를 부여할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 복합 조성물의 성형물 역시 물성이 저하되지 않으면서 재활용될 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

풍쇄슬래그 20∼60 중량%, 세라믹 볼 5∼45 중량% 및 열가소성 바인더 수지 20∼60 중량%를 포함하는 성형용 복합 조성물.
제1항에 있어서, 상기 풍쇄 슬래그의 입자 크기는 0.3∼1.0 ㎜인 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 볼은 플라이 애쉬로부터 분리된 것으로, 입자 크기가 0.2∼1.0 ㎜이고, 비중이 0.85∼1.05이며, 그리고 모오스 경도가 3.8∼5.1의 범위인 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제1항에 있어서, 상기 열가소성 바인더 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제4항에 있어서, 상기 열가소성 바인더 수지는 분쇄물 형태 또는 칩(chip) 형태로서, 3∼8 ㎜의 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제1항에 있어서, 첨가물로서 보강재, 난연제, 안료 및 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제6항에 있어서, 상기 보강재는 글라스 파이버로서 그 크기가 3∼8 ㎜이며, 복합 조성물의 중량 기준으로 10 중량%까지 사용되는 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제6항에 있어서, 상기 난연제는 데카브롬이고, 확산제로서 삼산화안티몬을 더 포함하며, 상기 난연제 및 확산제의 사용량은 상기 열가소성 수지를 기준으로 각각 13∼15 중량% 및 5∼7 중량%인 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
제6항에 있어서, 상기 안료는 상기 수지 성분을 기준으로 0.05∼1.0 중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 성형용 복합 조성물.
복합 조성물의 중량 기준으로, 세라믹 볼 5∼45 중량% 및 입자 형태의 열가소성 바인더 수지 20∼60 중량%를 1차 배합하는 단계;

상기 1차 배합물에 풍쇄슬래그 20∼60 중량%를 투입하여 2차 배합하는 단계;

상기 2차 배합물 내에 존재하는 가스를 제거하는 단계; 및

상기 가스가 제거된 배합물을 성형하는 단계;

를 포함하는, 복합 조성물의 성형물을 제조하는 방법
제10항에 있어서, 상기 가스 제거 단계는 롤링에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 1차 및 2차 배합 단계는 스크류 실린더 내에서 수행되며, 각각의 배합 온도가 200∼250 ℃인 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 성형 단계는 사출 성형에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 사출 성형시 금형의 온도는 50∼70 ℃의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.