KR100771068B1 - 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법 - Google Patents

Abstract

엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 제조 방법은 (a) 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입하는 단계와, (b) 상기 엘라스토머를 50도내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반하는 단계와, (c) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반하는 단계와, (d) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가하는 단계와, (e) 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조하는 단계, 및 (f) 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법에 따라 제조된 고무칩은 중금속 검출 시험에서도 유해한 중금속 성분이 전혀 검출이 되지 않아 친환경적이고 합리적인 가격으로 대량 생산이 가능하다. 또한 열가소성을 가지게 되어 재사용도 가능하여 종래의 재생 EPDM을 사용한 고무칩의 경우에는 열경화성 수지가 되어 재사용이 불가능한 단점을 해결한다.

엘라스토머, 친환경, 중금속, 프로세스 오일, 합성 고무

Description

엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법{Rubber chip and pavement material manufacturing method using elastomer}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법의 주요 공정을 나타낸 흐름도이다.

본 발명은 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법에 관한 것으로 더 상세하게는 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 사용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법에 관한 것이다.

보행에 푹신함을 부여하는 바닥재로 탄성 포장재가 사용되고 있다. 이러한 탄성 포장재의 일예로 고무칩을 우레탄 바인더와 혼합하여 콘크리트 또는 아스팔트,아스콘층에 포장하고 있으며, 이러한 탄성 포장재는 충격 흡수가 뛰어나고 피로를 줄여줄 수 있으며 부상 위험이 적어 보경로나 조깅트랙, 산책로, APT 놀이터, 체육시설용 바닥재에 많이 사용되고 있다.

한편, 잔디구장의 수요를 대체할만한 최상의 재료는 현재의 인조잔디라 할 수 있는데 기존의 카페트형 인조잔디의 문제점인 화상 및 경기성 문제를 해결하고 천연 잔디와 유사한 형태와 경기성을 제공하기 위하여 고무칩과 규사(모래) 충진 방식의 인조잔디가 개발되어 사용되고 있다.

이러한 탄성 포장재 또는 인조 잔디 충진용 고무칩에는 EPDM(Ethylene-Propylene Rubber)의 분쇄물, 즉, 재생 EPDM이 많이 사용된다. EPDM은 에틸렌프로필렌고무 (ethylene propylene rubber)란 에틸렌과 프로필렌을 혼성 중합시켜 얻은 비결정성(非結晶性) 고분자물질로서 에틸렌(Ethylene)-프로필렌(Propylene)의 2원 공중합체 또는 에틸렌(Ethylene)-프로필렌(Propylene)-디엔(Diene)의 3원 공중합체인 경우가 많다. EPDM은 화학적으로 안정하며, 가황한 것은 물리적 성질이 천연고무와 SBR의 중간성질을 보여 많이 사용되고 있다.

하지만, 종래의 EPDM을 이용한 고무칩 및 탄성 포장재는 EPDM을 사용하기 위해서는 가황후 경화 시키기 위하여 다량의 첨가제가 투입되는데 이러한 첨가물들은 제조 공정시 고무성질이 발현되기 위해 첨가되는 첨가물에는 중금속과 다이옥신을 비롯한 6대 유해 물질이 포함되는 경우가 많고 연소시에 많은 유해물질이 발생할 뿐만 아니라 경화성이어서 자원의 재활용 측면에서도 바람직하지 않다. 또한, 탄성 포장재 또는 인조 잔디 충진용 고무칩에 사용할 EPDM 분쇄물은 수요에 비하여 공급이 부족하다는 문제가 있다.

그럼에도 불구하고 원활한 공급을 위해서는 재활용품이 아닌 신제품을 이용하여 생산하여야 할 것이나 신제품을 사용한 탄성 포장재 또는 인조잔디 충진용 고무칩은 가격이 지나치게 비싸기 때문에 실제 제조 및 판매를 하기에는 무리가 있다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 친환경적이고 다량 생산이 가능한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법은,

(a) 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입하는 단계;

(b) 상기 엘라스토머를 50도내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반하는 단계;

(c) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반하는 단계;

(d) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가하는 단계;

(e) 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조하는 단계; 및

(f) 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 탄성 포장재 제조 방법은,
(a) 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입하는 단계;
(b) 상기 엘라스토머를 50도내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반하는 단계;
(c) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반하는 단계;
(d) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가하는 단계;
(e) 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조하는 단계;
(f) 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄함으로써 고무칩을 완성하는 단계; 및

(g) 상기 고무칩 100 중량부에 대하여 아크릴 점착제 10 내지 30 중량부를 추가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법의 주요 공정을 흐름도로써 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법에서는 먼저, 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입한다(단계 S100).

스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머는 고체 성상을 가지고 있고 기본적으로는 고무와 같은 탄성을 가지고 있고 열가소성 고무로 재성형이 가능하지만 그 자체 만으로는 열을 가하면 탄화가 될 뿐만 아니라 가소성을 가지지 않는다.

스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체의 분자구조는 폴리스티렌 말단 블록과 고무의 중간 블록을 상호 비상용으로 2상 구조를 형성한다. 이중 폴리스티렌상은 물리적 가교점을 형성하고 가황고무의 가교점 역할을 한다. 고무 중간상은 제품에서 소프트(Soft)하고 고무 탄성체로서의 성능을 제공한다. 그렇지만 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머는 액상에서 중합반응을 거쳐 고체로 생성되는 PVC 수지와는 달리 끓이는 중합 반응을 거쳐 고체로 생성됨에 따라 그 자체로는 용융하여 사출이 가능한 열가소성 수지로 되지는 않는다는데 주목하여야 할 것이다.

다음으로, 상기 엘라스토머를 50도 내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반한다(단계 S102). 이와 같은 예열 교반 작업은 이후 공정에서 용이한 반응을 위하여 필요한 것으로 그 온도가 50도 미만이면 이후 공정에서의 혼합 및 반응이 부족하게 될 수 있고 100도를 초과하면 프로세스 오일과 엘라스토머가 반응하지 않거나 엘라스토머가 분해되는 현상이 발생할 수 있다.

다음으로, 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반한다(단계 S104).

파라핀, 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일은 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머과 혼합되면 상기 엘라스토머에 탄성 고무 성질이 살아나면서 가소성을 주게 된다. 상기 프로세스 오일의 성상으로는 비중(15/4℃)은 0.852 ~ 0.877 범위, 인화점은 160 ~ 280℃, 동점도(40℃ cSt)는 8.0 ~ 137.0, 유동점은 -45.0 ~ -7.5 ℃, 아닐린점은 90.0 ~ 127.0 ℃ 범위내의 것이면 충분하다. 프로세스 오일을 엘라스토머 100 중량부에 대하여 100 중량부 미만으로 투입하면 엘라스토머의 구석구석 스며들지 않는 부분이 발생하고 500 중량부를 초과하면 이후 공정을 거치면 탄성 고무적 성질이 떨어진다.

다음으로, 선택적으로 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가한다(단계 S106). 필러 부재는 제조하고자 하는 고무칩에 따라 선택적으로 투입할 수 있고 예컨대 탄산칼슘은 단가를 줄이면서 돌가루와 같은 색상과 성상을 만드는데 사용되는 필러로서 사용될 수 있다. 필러 부재는 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 200 중량부를 초과하면 전체의 결합성이 저하되어 쉽게 부스러질 수 있다. 보다 바람직하게는 안료, GPPS(General Purpose Polystyrene), 왁스(wax)등과 같은 활제를 적당량, 바람직하게는 엘라스토머 100 중량부에 대하여 5 중량부 이내로 첨가하면서 필러와 함께 혼합하는 과정을 추가하여 포장재에 맞는 색상과 질감을 주는 것이 가능하다.

이제, 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조한다(단계 S108). 마지막으로, 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄(단계 S110)함으로써 고무칩의 제조가 완료된다.

종래의 EPDM을 사용한 고무칩과 상기 방법에 따라 제조된 고무칩과 대하여 서울시 영등포구 영등포동 8가 88-2 소재 한국화학시험연구원에서 인장강도와 신장율 및 경도등과 함께 주요 중금속 검출 여부를 비교 측정하였다. 종래의 EPDM을 사용한 고무칩에 대한 측정 결과는 아래 표 1과 같다.

시험 항목	단위	결과치	시험 방법
인장강도	MPa	1.2	KS M 6518 : 2001
신장율	%	82	KS M 6518 : 2001
경도	-	55	KS M 6518 : 2001
인장강도변화율	%	51.0	KS M 6518 : 2001
Pb	mg/kg	17	ISO 6101-2: 1997: ICP)
Cd	mg/kg	검출안됨	ISO 6101-2: 1997: ICP)
Hg	mg/kg	검출안됨	US EPA Method 3052:1996(ICP)
Cr	mg/kg	검출안됨	DIN 53314 1996 준용

표 1을 참조하면 종래의 EPDM을 사용한 고무칩에서는 납(Pb)이 허용기준치인 5mg/kg을 초과하여 검출되었다. 이외에도 EPDM을 사용하는 다른 제품들에 대해서도 측정을 하면 대부분의 경우에서 납(Pb) 뿐만 아니라 수은(Hg) 또는 크롬(Cr)이 검출되는 경우가 많다.

반면에, 상기 방법에 따라 제조된 고무칩에 대한 측정 결과는 아래 표 2와 같다.

시험 항목	단위	결과치	시험 방법
인장강도	MPa	6.0	KS M 6518 : 2001
신장율	%	550	KS M 6518 : 2001
경도	-	50	KS M 6518 : 2001
인장강도변화율	%	15.2	KS M 6518 : 2001
Pb	mg/kg	검출안됨	ISO 6101-2: 1997: ICP)
Cd	mg/kg	검출안됨	ISO 6101-2: 1997: ICP)
Hg	mg/kg	검출안됨	US EPA Method 3052:1996(ICP)
Cr	mg/kg	검출안됨	DIN 53314 1996 준용

표 1을 참조하면 신장율은 종래 고무칩에 비하여 월등히 우수하며 인장 강도와 신장율에서도 통상의 범위에 만족할 수 있는 데이터가 얻어졌으며 납, 카드뮴, 수은, 및 크롬등이 일체 검출되지 않았다. 중금이 검출되지 않은 것은 종래의 재생 EPDM을 이용한 고무칩의 경우에는 그 자체가 재활용 제품이기 때문에 중금속을 포함한 인체에 유해한 물질이 검출되는데 반하여 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 제조 방법에 따르면 그러한 유해물질이 거의 검출되지 않고 허용 기준치에 훨씬 못미치는 매우 친환경적인 재료임을 알 수 있다.

또한, 상기 방법에 따라 제조된 고무칩에 대하여 재검증을 하기 위하여 서울시 금천구 가산동 소재 한국생활환경시험연구원에서 경도와 저온 환경하에서의 경도 및 인장강도, 신장률등을 평가하였다. 평가 결과는 아래 표 3과 같다.

시험 항목		단위	시험 결과
경도 (Hs: Shore A Type)		-	35	KS M 6518:2001
저온시험 -30 ±1℃, 24시간	경도	-	46
인장 강도 (시험편: 아령형3호)		kgf/㎠ {MPa}	62.8{6.2}
신장률		%	750
300% 인장시 인장응력		kgf/㎠ {MPa}	13.8{1.4}
노화시험 100 ±1℃, 70시간	인장강도 변화율	%	11
압축 영구 줄음율 70 + 1℃, 22시간		%	67
내한 압축 영구 줄음율 30 ± 1℃, 22시간		%	72
오존 균열 시험 80 ± 5 pphm, 40±3℃, 20%신장, 72시간		-	균열없음

상기 표 2를 참조하면, 경도와 저온 시험 환경하에서의 경도는 통상의 고무칩에서의 20 ~ 65 범위에 들어가고, 인장 강도도 통상의 고무칩에서의 50 ~ 80 범위에 들어가며 기타 신장률등도 통상의 고무칩에서와 우수하거나 유사한 측정값을 얻을 수 있었다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 고무칩의 중금속 성분 검출의 검증과 함께 유해 성분 검출 여부를 재차 확인하기 위하여 서울특별시 영등포구 영등포 8가 소재 한국화학시험연구원에서 유해성분 검출 시험을 하였다. 시험 결과는 표 4와 같다.

시험 항목	단위	결과치	시험방법
Pb	mg/kg	검출안됨	ISO 6101-2 : 1997(ICP)
Cd	mg/kg	검출안됨	BS EN 1122: 2001(Method B,ICP)
Hg	mg/kg	검출안됨	US EPA Method 3052:1996(ICP)
Cr(Vl)	mg/kg	검출안됨	DIN 53314: 1996준용
토털-PBBs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
모노-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Di-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Tri-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Tetra-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Penta-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Hexa-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Hepta-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Octa-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Nona-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Deca-BB	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
토털-PBDEs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
모노-PBDEs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Di-PBDEs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Tri-PBDEs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)
Tetra-PBDEs	mg/kg	검출안됨	US EPA 8270D(GC/MS)

포 4를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 고무칩은 일체의 중금속 및 다이옥신과 관련된 물질을 포함한 일체의 유해성분이 검출되지 않았다.

상술한 바와 같이 상기 방법에 따라 제조된 고무칩은 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 주원료로 만들어져 그 제조 단가도 저렴할 뿐만 아니라 가황 과정이나 중금속 및 다이옥신을 유발할 수 있는 첨가물이 추가되지 않으면서 인장 강도, 신장율, 경도가 우수하다.

또한, 상기 방법에 따라 제조된 고무칩은 중금속 검출 시험에서도 유해한 중금속 성분이 전혀 검출이 되지 않아 친환경적이고 합리적인 가격으로 대량 생산이 가능하다.

또한 상기 방법에 따라 제조된 고무칩은 열가소성을 가지게 되어 재사용도 가능하여 종래의 재생 EPDM을 사용한 고무칩의 경우에는 열경화성 수지가 되어 재사용이 불가능한 단점을 해결한다.

한편, 상기한 장점들은 본 발명에 따라 제조된 중간 공정물에 점착제를 추가하여 만들어질 수 있는 탄성 포장재 제조 방법에서도 동일하게 구유되는 장점일 것이다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법은 첨가물과 점착제의 선택적 사용에 의하여 바이오 세라믹, 항균제, 및 음이온 발생물질등의 제조 방법에 응용하는 것도 가능할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엘라스토머를 이용한 고무칩 및 탄성 포장재 제조 방법에 따라 제조된 고무칩은 중금속 검출 시험에서도 유해한 중금속 성분이 전혀 검출이 되지 않아 친환경적이고 합리적인 가격으로 대량 생산이 가능하다. 또한 열가소성을 가지게 되어 재사용도 가능하여 종래의 재생 EPDM을 사용한 고무칩의 경우에는 열경화성 수지가 되어 재사용이 불가능한 단점을 해결한다.

Claims (2)

1. (a) 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입하는 단계;

   (b) 상기 엘라스토머를 50도내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반하는 단계;

   (c) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반하는 단계;

   (d) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가하는 단계;

   (e) 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조하는 단계; 및

   (f) 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘라스토머를 이용한 고무칩 제조 방법.
2. (a) 스타이렌과 부타티엔을 기본으로 하는 블록 공중합체인 엘라스토머를 혼련기에 투입하는 단계;

   (b) 상기 엘라스토머를 50도내지 100도로 온도가 유지되는 조건에서 1분 내지 10분동안 교반하는 단계;

   (c) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 파라핀과 나프텐 기유를 원료로 하는 프로세스 오일을 100 내지 500 중량부를 투입하고 2분 내지 10분 정도 교반하는 단계;

   (d) 상기 엘라스토머 100 중량부에 대하여 필러 부재를 200 중량부이내로 추가하는 단계;

   (e) 컴파운드 기계를 사용하여 150도 내지 230도 범위내에서 교반된 혼합물을 압출 건조하는 단계;

   (f) 압출 건조된 결과물을 원하는 크기로 분쇄하여 고무칩을 완성하는 단계; 및

   (g) 상기 고무칩 100 중량부에 대하여 아크릴 점착제 10 내지 30 중량부를 추가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘라스토머를 이용한 탄성 포장재 제조 방법.

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