KR100736745B1 - 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법 - Google Patents

폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법 및 그 제품에 관한 것으로, 상세하게는 유리 섬유의 총 생산량 중에서 통상적으로 약 10%의 scrap인 유리섬유 폐기물이 국내에서 만 매년 약 1.5만 톤/년 발생되고 있어, 이를 폐기하기 위하여 매립이나 소각 시에 유리섬유의 코팅에 따른 토양오염이나 다이옥신의 유발로 인한 심각한 오염을 발생시키는 폐유리섬유를 재활용을 통하여 건축용 인조기와 어셈블리 및 sandwich 패널, 건축용 패널로 재활용하는 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 구성은 폐유리섬유와 binder 수지를 이용한 wet out 공정을 통하여 무배향 유리섬유 매트로 제조하고, 임의의 형상의 금형을 통하여 폐유리섬유를 재활용할 수 있는 건축용 패널 제조하는 방법과 폐 유리섬유를 재활용할 수 있는 건축용 패널 제조하는 방법에 관한 것이다.
본원 발명은 국내의 원사제조과정 및 직조과정 중에서 발생되는 폐유리섬유가 전량 매립하던 것을 건축용 자재로 재활용을 통하여 매립으로 인한 토양오염문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 건축용 자재로 재활용함으로 인한 부가가치 상승의 효과를 얻을 수 있다.
유리섬유, 불포화폴리에스터, 유로폼, 샌드위치패널

Description

폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법{Method of Manufacturing unusable glass fiber to construction panel}
도 1은 본 발명에 따른 폐유리섬유를 이용한 패널 제조공정의 흐름도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 폐유리섬유의 커팅 단계
20 : 폴리에스터 수지의 배합 단계
30 : 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계
40 : 유리섬유 매트의 압축성형 단계
본 발명은 폐유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법 및 그 제품에 관한 것으로, 상세하게는 유리 섬유의 총 생산량 중에서 통상적으로 약 10%의 scrap인 유리섬유 폐기물이 국내에서 만 매년 약 1.5만 톤/년 발생되고 있어, 이를 폐기하기 위하여 매립이나 소각 시에 유리섬유의 코팅에 따른 토양오염이나 다이옥신의 유발로 인한 심각한 오염을 발생시키는 폐유리섬유를 재활용을 통하여 건축용 인조기와 어셈블리 및 sandwich 패널, 건축용 패널로 재활용하는 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 구성은 폐유리섬유와 binder 수지를 이용한 wet out 공정을 통하여 무배향 유리섬유 매트로 제조하고, 임의의 형상의 금형을 통하여 폐유리섬유를 재활용할 수 있는 건축용 패널 제조하는 방법과 폐 유리섬유를 재활용할 수 있는 건축용 패널 제조하는 방법에 관한 것이다.
국내기술로는 유리섬유 폐기물을 이용하여 여러 시도들을 진행한 바는 있었으나 현재 생산이 진행되지 않고 있다. 최근에 폐유리섬유를 이용하여 유리섬유 코팅 binder를 산 용액을 이용한 에칭공정을 거쳐 재활용을 통한 발전소 등의 고온단열재용 고온단열 매트나 블랭킷을 제조하기 위한 기술을 개발하고자 하였으나 현재 생산되지 않고 있는 실정이고 설사 이들이 생산된다고 하더라도 국내에서 발생되는 부싱노즐로부터 발생되는 폐유리섬유, roving 폐유리섬유, 제직유리섬유 edge scrap등을 전체적으로 재활용하기에는 역부족이다.
한편, 미국, 일본, 프랑스 등에서는 각종 폐유리섬유를 이용하여 동일한 에칭공정을 거쳐 솜 형태로 만들어 고온단열재로 사용하기 위한 연구개발 및 생산이 이루어지고 있다.
전 세계 5위의 유리섬유생산국으로서 12-17 만 톤/년의 생산량 중에서 약 10%의 scrap인 유리섬유 폐기물이 매년 약 1.5만 톤/년 발생되고 있으며, 유리섬유 직조회사들로부터 발생되는 변사로 폐기되는 양이 약 800톤/년 발생되어 매년 2.3만 톤 이상의 폐유리섬유가 발생, 폐기되고 있는 실정이다. 매립이나 소각 시에 유리섬유의 코팅에 따른 토양오염이나 다이옥신의 유발로 인한 오염이 심각한 상태에 있다.
또한 본 발명을 적용할 수 있는 하나의 예로서, 앞으로 고층 건축물의 확대 건설이 진행됨에 따라 건설자재의 증대가 요구되는데 따른 유로폼의 패널로 사용되는 코팅용 합판의 경우 목재를 사용하는 유한으로써 자원의 고갈 자원으로 향후 반드시 대체 되어야 할 재료중의 하나로 지목되고 있다. 현재 국내만 해도 건설현장마다 300만장이상의 유로폼이 설치 가동 중에 있다. 이들 코팅 합판형 목재로 제작된 유로폼은 패널의 파손이 심하여 3회 이상의 연속 사용이 불가능해서 주기적인 패널의 교체작업이 불가피한 실정이기 때문에 교체에 따른 유로폼 frame의 수량이 막대하게 증가하고 있다.
이런 상기의 문제점을 해결하고 동시에 폐자원인 유리섬유를 재활용함으로써 부가가치의 증대와 함께 공해요인을 줄일 수 있는 일거양득의 기회를 갖기 위하여 효과적으로 생산될 수 있는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로; 본 발명의 목적은 생산과정에서 발생하는 폐유리섬유를 매립이나 소각 시에 유리섬유의 코팅에 따른 토양오염이나 다이옥신의 유발로 인한 오염을 방지하기위하여 건설자재로 재활용하는 방 법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구체적으로,
폐 유리섬유를 사용하여 건축용 패널을 생산하는 방법에 있어서,
열경화성 폴리에스터 수지와 분산이 잘 이루어지도록 수거된 폐유리섬유를 커팅기로 일정한 크기로 절단하는 폐유리섬유의 커팅단계(10)와,
폐유리섬유를 wetting(젖음) 시키기 위하여 열경화성수지와 무기 충진제와 경화제, 이형제를 배합하는 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)와,
표면을 Cr-코팅한 Two-roll mixer에서 절단하여 이송된 폐유리섬유와 binder용으로 조제된 폴리에스터를 wetting을 위해 롤에서 압착하는 압착공정을 포함하는 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)와,
롤로 압착시켜 일정한 두께로 이송된 반경화형 sheet를 일정한 판상의 규격대로 절단된 상태로 임의의 형상의 캐비티(공간)가 형성된 금형으로 옮겨 성형하는 유리섬유 매트의 압축성형 단계(40)로 구성된 것을 특징으로 하며,
상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에서 배합되어질 수지의 양은 젖음성(wetting)이 용이하도록 점도가 13poise 이내인 열경화성 폴리에스터의 1중량 대비 무기 충진제와 5 내지 15cm의 크기로 절단된 폐유리섬유 2 내지 19 중량비를 포함하며, 무기 충진제와 폐유리섬유 총 100 중량 대비 1 내지 15 중량비가 무기 충진제인 것을 특징으로 하고,
상기 무기 충진제는 중탄(탄산칼슘)인 것을 특징으로 하며,
상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에 첨부되는 경화제는 상온경화제와 고온경화제로 구성되어 있으며, 배합 비율은 상온경화제와 고온경화제는 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 각각 0.1 내지 3 중량비가 첨가되는 것이며, 바람직한 설정온도는 섭씨 75도 내지 85도에서 경화되도록 하는 것을 특징으로 하며,
상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에 첨부되는 이형제는 수지의 성형시 금형으로부터의 이형효과를 증가시키기 위한 것으로, 이형제를 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 0.1 내지 10 중량비를 배합하며,
상기 이형제는 Zn-stearate와 Ca-stearate를 선택적으로 하나 또는 Zn-stearate 중량 대비 Ca-stearat 중량이 0.5 내지 3 일정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하고,
상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에서 교반기의 교반 속도는 80 내지 300rpm으로 총 교반시간을 1시간 정도를 교반하는 것을 특징으로 하며,
상기 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)의 압착공정은 2차에 걸쳐서 이루어지며, 롤 간격은 응용예상제품 두께의 120%(압축성형기의 캐비티 두께의 120%)로 압착하는 것으로, 1차 및 2차로 SHEET로 제작하기위한 2차 two-roll을 이용하여 압착하기 용이한 두께로 압착하는 것을 특징으로 하고,
상기 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)의 다른 실시 예로는 스프레이로 열경화성 수지가 뿌려질 수 있으며, 선택적으로 롤 압착하는 방법과 순차적으로 실시가 가능한 것을 특징으로 하며,
상기 유리섬유 매트의 압축성형 단계(40)의 성형조건으로 성형압력은 200～500㎏f/㎠으로 하고 온도는 경화제의 조제에 따라 80-140℃에서 300-400초간 성형하여 탈형시켜 완성된 임의의 형상의 폐유리섬유 재활용 제품을 제조하는 것을 특징으로 하고,
상기 재활용 제품은 철재 대체용 맨홀 뚜껑, 판형상의 sheet, 유로폼 판넬, 인조기와인 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법에 관한 것이다.
이하 본 발명에 따른 도면의 간단한 설명에서 도 1은 본 발명에 따른 폐유리섬유를 이용한 판넬 제조공정의 흐름도를 나타내는 것으로, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1의 흐름도의 개괄적인 설명은, 폐유리섬유를 수거하여 샤링기를 변형한 커팅기로 chopped strand로 5-10㎝, 길게는 15㎝까지 절단하여 이들 cutted glass fiber를 컨베어벨트로 이송시켜 혼련을 위한 two-roll로 투입시킨다. 이때 이 롤로 열경화성 폴리에스터 열경화성 수지를 투입시켜 유리섬유와 wetting 시킨 후 이들 믹싱용 two-roll을 2단계 더 실시하여 폭이 600㎜, 두께를 20㎜ sheet로 제조하도록 한다. 이때 투입되는 polyester의 함량은 15-20%로 최적화 시킨다.
미리 형성된 금형의 크기에 맞도록 길이를 다시 커팅기로 절단 후 금형이 장착된 프레스에서 200～500㎏f/㎠의 압력으로 80-140℃에서 300-400초간 압력을 가하 여 건축용 sheet를 제조하는 것이다.
이하 각 단계별로 상세히 설명하고자한다.
폐유리섬유의 커팅단계(10)는 유리섬유를 생산하는 공장들에서 일정한 모양으로 형성되지 아니한 불량품으로 구분된 것으로 통계적으로 약 생산량의 10%에 해당되는 분량이 불량으로 구분되어 폐기되는 것을 수거하는 과정이 필요한 것이다.
수거된 폐유리섬유는 발생과정에서 다양한 형태이기 때문에 샤링기를 변형한 커팅기로 연속 커팅작업이 이루어지도록 유리섬유를 투입하여 일정한 크기(길이)로 자동으로 절단된다. 이들 유리섬유의 크게는 15㎝, 작게는 5-10㎝로 절단하여 후에 폴리에스터 수지와의 wetting과정과 sheet로의 제조공정에서 분산이 잘 이루어지도록 하기 위함이다.
폴리에스터 수지의 배합 단계(20)는 폐유리섬유를 wetting(젖음) 시키기 위하여 열경화성수지와 무기 충진제와 경화제를 배합하는 공정인 것으로, 배합되어질 수지의 양은 열경화성 폴리에스터의 1중량 대비 무기 충진제와 폐유리섬유 2 내지 19 중량비를 포함하며, 무기 충진제와 폐유리섬유 총 100 중량 중 1 내지 15 중량비가 무기 충진제인 것이며, 무기 충진제는 중탄(탄산칼슘)인 것이 보다 바람직하다.
적은양의 수지로 상대적으로 많은 양의 유리섬유를 흡착시키기 위하여 열경화성 폴리에스터의 점도는 젖음성(wetting)이 용이하도록 13poise 이내의 것을 사용하고, 경화제는 중온(80-140℃) 경화제를 사용하는 것으로 상온경화제(BPO계열)와 고온경화제(TBPB(tert-butyl peroxy benzoate) 계열)를 일정배합비로 배합하여 경화온도를 필요에 따라 80-140℃로 맞추어 설정하여 사용한다.
상온경화제와 고온경화제는 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 각각 0.1 내지 3 중량비가 첨가되는 것으로, 열경화성 폴리에스터와 경화제, 충진제가 투입되어 기계식 교반기로 배합하며 믹싱을 하게 되는 것이다.
상온경화제는 섭씨 25도에서 경화되는 경화제이며, 고온경화제는 섭씨 140도에서 경화되는 것으로 작업환경의 필요에 따라 일정비율로 배합하여 경화온도를 조절하여 사용하게 되는 것으로, 바람직한 작업온도는 섭씨 75도 내지 85도에서 경화되도록 하는 것이 작업하기에 적합한온도이다.
너무 높은 온도는 경화시키기 위하여 높은 열은 가해 주어야 하나 높은 열은 폴리에스터의 성질을 변화할 수 있는 것이며, 낮은 온도는 경화의 진행이 불완전하여 좋은 품질을 얻기 어렵기 때문이다.
열경화성 폴리에스터와 경화제가 기계식 교반기로 배합하며 믹싱을 진행하면서, 수지의 성형시 금형으로부터의 이형효과를 증가시키기 위하여 이형제를 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 0.1 내지 10 중량비를 배합하여 교반기에 투입 후 최종적으로 교반한다.
상기 이형제는 Zn-stearate와 Ca-stearate를 선택적으로 하나 또는 Zn-stearate 중량 대비 Ca-stearat 중량이 0.5 내지 3 일정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 것이다.
교반기의 교반 속도는 80 내지 300rpm으로 총교반시간을 1시간 정도를 교반 하여 유리섬유 wetting용 수지로 사용한다.
유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)는 표면을 Cr-코팅한 Two-roll mixer에서 절단하여 이송된 폐유리섬유와 binder용으로 조제된 폴리에스터를 wetting을 위해 롤에서 압착하는 공정으로 압착공정은 2차에 걸쳐서 이루어지며, 롤 간격은 응용예상제품 두께의 120%(압축성형기의 캐비티 두께의 120%)로 압착하는 것으로, 1차 및 2차로 SHEET로 제작하기위한 2차 two-roll을 이용하여 압축성형하기 용이한 두께로 압착하는 것이다.
압착을 행하는 이유는 롤 압착을 하는 것이 보다 효율적으로 폐유리섬유의 표면 및 틈 사이에 열경화성 폴리에스터 수지가 보다 원활하게 접착할 수 있기 때문이며, 폐섬유유리 위에 열경화성 폴리에스터 수지가 일정한양이 지속적으로 부어지며 압착이 행하여지게 되는 것이다.
다른 실시 예로는 스프레이로 열경화성 수지가 뿌려질 수 있으며, 선택적으로 롤 압착하는 방법과 순차적으로 실시가 가능하다.
상기 롤 압축기에서 나오는 sheet상의 CSM(chopped strand mat)를 보다 정확한 성형을 위하여 필요한 크기로 공간이 형성된 금형으로 옮겨져 다음 단계인 압축 성형공정이 진행되게 된다.
유리섬유 매트의 압축성형 단계(40)는 롤로 압착시켜 일정한 두께로 이송된 반경화형 sheet를 일정한 판상의 규격대로 절단된 상태로 임의의 형상의 캐비티(공간)가 형성된 금형으로 옮겨 성형한다. 이때 성형조건으로 성형압력은 200㎏f/㎠으로 하고 온도는 경화제의 조제에 따라 80-140℃에서 300초간 성형하여 자동으로 탈 형시켜 완성된 임의의 형상의 sheet를 제조하는 공정이다.
이렇게 압축 성형된 판형상의 sheet는 유로폼 프레임의 크기에 따라 금속제 프레임에 조립하여 유로폼 프레임이 완성되는 것이다.
또한 금형의 형상을 기와의 형상으로 형성하면 폐 유리섬유로 인조기와를 완성할 수 있는 것이며, 맨홀 뚜껑의 형상의 금형을 사용하면 압축성형을 통해 철재 대체용 맨홀 뚜껑을 제작할 수 있는 것으로 금형의 형상에 따라 폐 유리섬유로 다양한 제품을 생산할 수 있는 것이다.
판형상으로 제조할 경우 제조된 sheet의 물리적 유지 특성은 굴곡탄성율 값은 40,000㎏f/㎠↑, 굴곡강도는 450㎏f/㎠↑, 그리고 Izod 충격강도 값은 50㎏f㎝/㎠↑, 치수안정성은 0.1%↓로 하고 UL-94의 V0급 난연성을 보유하고 있으며, 금속제 프레임에 조립하여 유로폼 프레임으로 사용될 경우 반복 사용 횟수는 50회 이상을 사용하였을 때 표면의 견고함을 유지할 수 있는 강도를 유지할 수 있는 것으로 통상적으로 3회를 사용할 수 있는 목재 판(sheet) 보다 상대적으로 긴 사용수 명을 가질 수 있는 것으로 폐 유리섬유를 사용하여 높은 경제적 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이상으로, 본 발명에 따른 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법 및 그 제품을 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 여기에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 사항과 균등한 범위의 모든 기술적 사상에 대하여 미친다고 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본원 발명은 국내의 원사제조과정 및 직조과정 중에서 발생되는 폐유리섬유가 전량 매립하던 것을 건축용 자재로 재활용을 통하여 매립으로 인한 토양오염문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 건축용 자재로 재활용함으로 인한 부가가치 상승의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 폐 유리섬유를 사용하여 건축용 판넬을 생산하는 방법에 있어서,
    열경화성 폴리에스터 수지와 분산이 잘 이루어지도록 수거된 폐유리섬유를 커팅기로 절단하는 폐유리섬유의 커팅단계(10)와,
    폐유리섬유를 wetting(젖음) 시키기 위하여 열경화성수지와 무기 충진제와 경화제, 이형제를 배합하는 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)와,
    표면을 Cr-코팅한 Two-roll mixer에서 절단하여 이송된 폐유리섬유와 binder용으로 조제된 폴리에스터를 wetting을 위해 롤에서 압착하는 압착공정을 포함하는 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)와,
    롤로 압착시켜 이송된 반경화형 sheet를 판상의 규격대로 절단된 상태로 캐비티(공간)가 형성된 금형으로 옮겨 성형하는 유리섬유 매트의 압축성형 단계(40)로 구성되며,
    상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에 첨부되는 경화제는 상온경화제와 고온경화제로 구성되어 있으며, 배합 비율은 상온경화제와 고온경화제는 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 각각 0.1 내지 3 중량비가 첨가되는 것이며, 바람직한 설정온도는 섭씨 75도 내지 85도에서 경화되도록 하는 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에서 배합되어질 수지의 양은 젖음성(wetting)이 용이하도록 점도가 5poise~13poise 이내인 열경화성 폴리에스터의 1중량 대비 무기 충진제와 5 내지 15cm의 크기로 절단된 폐유리섬유 2 내지 19 중량비를 포함하며, 무기 충진제와 폐유리섬유 총 100 중량 대비 1 내지 15 중량비가 무기 충진제인 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 무기 충진제는 중탄(탄산칼슘)인 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에 첨부되는 이형제는 수지의 성형시 금형으로부터의 이형효과를 증가시키기 위한 것으로, 이형제를 열경화성 폴리에스터와 무기 충진제와 폐유리섬유의 총량 100 중량 대비 0.1 내지 10 중량비를 배합하며,
    상기 이형제는 Zn-stearate와 Ca-stearate를 선택적으로 하나 또는 Zn-stearate 중량 대비 Ca-stearate 중량이 0.5 내지 3 일정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 폴리에스터 수지의 배합 단계(20)에서 교반기의 교반 속도는 80 내지 300rpm으로 총 교반시간을 40분~1시간 30분 사이의 시간으로 교반하는 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)의 압착공정은 2차에 걸쳐서 이루어지며, 롤 간격은 응용예상제품 두께의 120%(압축성형기의 캐비티 두께의 120%)로 압착하는 것으로, 1차 및 2차로 SHEET로 제작하기위한 2차 two-roll을 이용하여 압착하기 용이한 두께로 압착하는 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 유리섬유와 폴리에스터 수지의 wetting 단계(30)의 다른 실시 예로는 스프레이로 열경화성 수지가 뿌려질 수 있으며, 선택적으로 롤 압착하는 방법과 순차적으로 실시가 가능한 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  9. 제 1항, 제2항, 제3항, 제5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리섬유 매트의 압축성형 단계(40)의 성형조건으로 성형압력은 200～500㎏f/㎠으로 하고 온도는 경화제의 조제에 따라 80-140℃에서 300-400초간 성형하여 탈형시켜 완성된 폐유리섬유 재활용 제품을 제조하는 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 재활용 제품은 철재 대체용 맨홀 뚜껑, 판형상의 sheet, 유로폼 판넬, 인조기와인 것을 특징으로 하는 폐 유리섬유의 재활용을 통한 건축용 패널 제조 방법.
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