KR101000658B1 - 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 제조하고, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩과 유리섬유, 커플링제, 쇄연장제, 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제, 및 충격보강제를 포함하는 재활용 PET 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
폴리에틸렌테레프탈레이트, 플레이크, 칩, 유리섬유

Description

재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재 및 이의 제조방법{Recycling polyethyleneterephthalate composite and manufacturing method of thereof}
본 발명은 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, 'PET'로 칭한다) 칩; 유리섬유; 커플링제; 쇄 연장제; 탈크(Talc) 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제; 및 충격보강제를 포함하는 재활용 PET 복합소재에 관한 것이다. 또한, 폐 PET병을 PET 플레이크로 만드는 제 1 단계; 상기 PET 플레이크를 압출기를 통하여 재활용 PET 칩(chip)으로 만드는 제 2 단계; 및 상기 재활용 PET 칩, 유리섬유, 커플링제, 쇄 연장제, 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제, 및 충격보강제를 강성화 컴파운딩시키는 제 3 단계;를 포함하는 재활용 PET 복합소재의 제조방법을 제공함으로써, 폐 PET병을 재활용하고자 한다.
국민의 생활수준 향상과 더불어 음료 소비량이 급속도로 증가함에 따라, 음료보관 용기로 주로 이용되던 유리병의 사용량이 지속적으로 감소하며, 무게가 가볍고 이동 및 보관이 용이한 PET병으로의 대체가 확산되고 있다.
이러한 PET병의 생산량은 급속하게 증가하고 있는 추세로, 2003년에는 25억개 정도의 수량과, 10만톤 정도의 중량이 생산되었으나, 이에 대한 재활용 방안은 극히 한정적이다. 폐기 처분된 폐 PET병은 일괄적으로 수거된 후, 음료수 병으로 재생산되거나 섬유나 포장재 용도로의 재활용을 통해 전체적인 PET병의 재활용성을 높이고 있다. 그러나, 부가가치가 높고 경제성 및 실용성이 안정적으로 확보될 수 있는 보다 현실적이고 구체적인 재활용 방안의 도출이 시급한 실정이다.
이러한 폐 PET병의 재활용 방안의 일환으로 1990년대 중반 이후부터 일부 해외 완성차업계에서는 자동차 부품 용도로의 재료 개발을 통해 폐 PET병의 재활용을 시도하고 있으며, 구체적인 상업화 확대적용을 위해 현재까지도 지속적인 개발투자를 진행하고 있다. 한편, 국내에서도 폐 자동차 재활용과 관련된 EU법규 등의 강화에 따라 친환경 자동차 설계에 대한 인식이 지속적으로 고조되고 있으며, 이에 대한 끊임없는 자구노력이 이루어지고 있다.
최근 국내 PET병 적용 시장확대에 따라 폐 PET병의 발생량도 지속적으로 증가하고 있는 추세이며, 폐 PET병은 국내에서 연간 14만톤 정도 발생하여 이 중에서 약 9만톤 정도가 수거되어 재활용되고 있고, 폐 PET병의 재활용 시장 현황은 중국 및 미주 지역 수요 70%, 국내 수요 30% 정도이다.
기존 폐 PET병의 재활용 폐 PET병을 재활용하는 방법을 소개하면, 수거된 폐 PET병은 압축기를 통해 압축 PET로 회수되고, 회수된 폐 PET병은 먼저 물을 이용하여 세척을 한 후, 세척이 끝난 폐 PET병은 선별장으로 들어간다. 선별장에서는 폐 PET병 외에 플라스틱, 금속, 기타 혼입 이물질 들을 제거한다. 그리고 폐 PET병 색상에 따라 녹색(Green)과 투명(Clear; 흰색)으로 구분하여 선별한다. 선별이 끝난 폐 PET병은 분쇄기에 투입된다. 분쇄기는 지름이 10mm 내외인 메쉬(mesh)를 사용하여, 분쇄된 폐 PET병의 입자크기가 균일하도록 해야 한다. 분쇄가 끝나면, 다시 물을 이용하여 반복적인 2차 세척공정을 거친다. 세척이 끝난 폐 PET 분쇄물은 약 80 ~ 100℃에서 지속적으로 열풍건조를 시킨다. 건조가 끝나고, 폐 PET병 분쇄물에 남아있는 알미늄을 제거하면 최종적으로 재활용 PET 플레이크 제품이 된다. 이러한 재활용 PET는 플레이크의 약 80 ~ 90% 정도가 섬유류 용도로 사용되고 있고, 시트류, 건축자재 및 비식음료 용기 용도로도 일부 사용되고 있다.
일반적으로 PET 수지는 엔지니어링 플라스틱 중 기계적 강도, 내열성, 내약품성, 전기적 특성, 정밀 성형성 및 내마모성 등에서 가장 균형을 이룬 수지로서 유리섬유, 무기 충전제, 난연제, 충격보강제 및 각종 첨가제를 첨가하거나 다른 수지와 혼합하여 자동차 부품, 전기；전자 부품, 일반 산업용 재료 및 기타의 고기능성을 요구하는 분야에 널리 사용되고 있다.
특히, 자동차 전장 모터 하우징 및 엔진 부위의 점화코일 하우징 등의 경우 주변 환경이 고온이기 때문에 내열 특성이 요구된다. 또한, 부품 구조가 복잡하고 조립 시 타 부품과의 결합 성능이 요구되기 때문에 사출 성형 가공성뿐만 아니라 치수 안정성이 요구된다.
위와 같은 방법으로 재활용 PET 플레이크 제품을 활용하여 유리섬유 보강을 통해 강성화 컴파운딩 공정을 수행할 경우, 아래와 같은 문제점이 발생할 수 있다.
(1) 재활용 PET 플레이크 제조과정 특성상 분칩, 불순물 및 수분율이 증가할 수 있다. (2) 재활용 PET 플레이크의 형상이 불균일하여 압출 공정 시 주원료인 재활용 PET 플레이크와 함께 투입되는 유리섬유의 투입비율이 일정하지 않아, 압출기 내에 유리섬유가 과량 투입되는 막힘(Jam) 현상이 발생할 수 있다. 이로 인해 스크류 파손 등이 발생하여 공정 관리 비용이 증가할 수 있으며, 회분 관리가 어려운 문제점이 있다. (3) 재활용 PET 플레이크의 형상 특성으로 인해 원료 배합 시나 압출기 투입 시 층분리가 발생하고, 첨가제의 분산 등이 어려워 최종 컴파운드품의 품질 관리에 어려움이 발생한다.
이에 대한민국 특허 공개공보 제2004-0041020 호에서는 단층 또는 다층의 열가소성 PET 필름 제조시, 순수한 PET 중합체 34%, 탄산칼슘 PET 마스터 배치 6%, 그리고 공정 중 발생한 필름트리밍 60%와 병재생물 40%로 구성된 분쇄물을 60%를 적용하여 가격 절감을 이루고자 하였으나, 고내열성이 요구되는 자동차 부품용 사출품에는 적용이 불가능한 단점이 있다.
또한, 대한민국 특허 공개공보 제2004-0026406호에서는 폐 PET 플레이크를 활용하여 고상중합을 통해 고분자량의 PET 수지를 제조하는 방법 및 장치에 관한 특허로서, 고상중합 반응기내에 폐 PET 플레이크를 크기별로 적재한 후에 크기별로 각기 반응온도 다르게 적용(플레이크의 크기가 작을수록 반응온도를 낮게 함.)하여 고상중합 후에 입자크기에 따른 플레이크의 분자량편차를 최소화함으로써 분자량 품질이 균일한 재생 펠렛을 얻는 기술을 제시하고 있으나, 사출용으로 적합한 유리섬유 등 강화에 대한 언급은 없어 자동차 부품용 사출품에는 적용이 불가능한 단점 이 있다.
그리고 미국 특허 번호 5,503,790호에서는 열성형(thermoforming) 및 쉬트 제조에 적합한 폐 PET 재활용 방법에 관한 것으로서, 재활용 리그라인드(regrind) PET 수지와 신재 PET 수지를 블렌드하여 활용하고자 하였으나, 신재를 활용하여 원가 및 환경적인 측면의 이점이 덜하며, 자동차 부품용으로 적합한 고내열성이 요구되는 사출품에는 적용이 불가능한 단점이 있다.
이에 환경업계, 플라스틱 산업계, 자동차 산업계 등에서는 폐 PET병의 재활용 분야를 확장시키기 위한 새로운 또는 개선된 재활용 방법 등에 대한 요구가 증대되고 있다.
이에 본 발명자들은 폐 PET병을 효과적으로 재활용하고, 이를 자동차 부품용 소재로 사용하기 위하여 끊임없이 노력 연구한 결과, 폐 PET병을 칩(chip)형태로 제조한 후, 이를 유리섬유, 커플링제 등의 첨가제와 특정비율로 혼합시켜서 제조한 복합소재가 고내열성을 갖게 되어 사출 성형 가공성 및 치수 안정성이 우수하다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 폐 PET병을 이용한 재활용 PET 복합소재 및 이의 제공방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 재활용 PET 복합소재에 관한 것으로서, 재활용 PET 복합소재는 재활용 PET 칩; 유리섬유; 커플링제; 쇄 연장제; 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제; 및 충격보강제를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 재활용 PET 복합소재의 제조방법에 관한 것으로서, 폐 PET병을 PET 플레이크로 만드는 단계; 상기 PET 플레이크를 압출기를 통하여 재활용 PET 칩으로 만드는 단계; 및 상기 재활용 PET 칩, 유리섬유, 커플링제, 쇄 연장제, 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제, 및 충격보강제를 강성화 컴파운딩시키는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 재활용 PET 복합소재는 고내열성, 사출 성형 가공성 및 치수 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 자동차 부품용 소재로서 요구되는 기계적 물성을 만족시킨다. 또한, 본 발명을 통하여 폐 PET병을 이용하여 고부가 가치를 창출함으로써, 효율적으로 폐 PET병을 재활용할 수 있는 부가적인 효과가 있다.
이하에서는 앞서 소개한 본 발명을 더 자세하게 설명하겠다.
본 발명은 재활용 PET 복합소재에 관한 것으로서, 재활용 PET 복합소재는 재활용 PET 칩; 유리섬유; 커플링제; 쇄 연장제; 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제; 및 충격보강제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는데, 이를 조성비로 설명을 하면,
재활용 PET 복합소재는 재활용 PET 칩 27 ~ 83 중량%; 유리섬유 15 ~ 55 중량%; 커플링제 0.1 ~ 2 중량%; 쇄 연장제 0.5 ~ 2 중량%; 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제 0.4 ~ 5 중량%; 및 충격보강제 1 ~ 10 중량%;를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 재활용 PET 복합소재의 조성물질 각각을 더욱 자세하게 설명을 하겠다.
[재활용 PET 칩]
본 발명의 조성물질 중의 하나인 상기 재활용 PET 칩은 용융온도 255 ~ 265 ℃, 평균고유점도 0.45 ~ 1.0 dl/g, 바람직하게는 0.6 ~ 0.8 dl/g 및 수분율 0.15 ~ 0.25%인 것을 특징으로 한다. 상기 재활용 PET 칩의 고유점도 0.45 dl/g 미만이면 기계적 물성이 저하되는 문제가 생길 수 있고, 1.0 dl/g 초과시에는 수지 조성물의 유동성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내의 것을 사용하는 것이 좋으며, 또한 상기 재활용 PET 칩의 수분율이 0.15% ~ 0.25%인 것을 사용하는 것이 압출 가공성 및 컴파운드의 물적향상에 유리한 바, 상기 범위 내의 수분율을 갖는 것을 사용하는 것이 좋다.
이러한 상기 재활용 PET 칩은 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 27 ~ 83 중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 재활용 PET 칩의 함량이 27 중량% 미만이면 사출성형 시 고화속도가 빨라져서 성형품의 표면 품질이 떨어지며, 83 중량% 초과시 고화속도가 너무 늦어져서 생산성이 떨어지고, 후변형이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 재활용 PET 칩을 얻는 방법에 대하여 설명을 하면, 폐 PET 병 수거→선별→파쇄→세척→탈수→건조를 통하여 재활용 PET 플레이크를 얻고, 이를 1차 압출 공정을 통하여 칩 형태의 재활용 PET를 얻을 수 있다. 상기 재활용 PET 플레이크를 개략도는 도 1에 나타내었다.
[유리섬유]
본 발명의 함유성분 중 하나인 상기 유리섬유는 본 발명의 복합소재의 기계적 강도와 내열성 향상을 위해 직경 8 ㎛ ~ 20 ㎛, 길이 2 ㎜ ~ 10 ㎜인 것을 사용하는 것이 좋다. 이러한 유리섬유는 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 15 ~ 55 중량%를 사용하는 것이 좋은데, 여기서, 유리섬유의 함량이 15% 미만일 경우 기계적 강성과 내열특성이 저하되며, 55 중량%를 초과하는 경우는 압출 가공이 어렵고 사출 시 성형성이 매우 저하될 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
[커플링제]
본 발명의 함유성분인 상기 커플링제는 재활용 PET 칩과 유리섬유와의 결합력을 개선시키기 역할을 하는데, 본 발명에서는 커플링제로서 말레산무수물이 그라프트된 올레핀계 중합체 수지 또는 말레산무수물이 그라프트된 올레핀계 공중합체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 중합체(monopolymer) 수지, 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 공중합체(copolymer) 수지 및 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌-아크릴릭 에스테르 공중합체 수지 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있다. 그리고 가장 바람직하게는 열안정성이 우수한 말레산무수물이 그라프트된 폴리프로필렌 수지를 사용하는 것이 좋다. 이러한 상기 커플링제는 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 0.1 ~ 2 중량% 사용할 수 있는데, 이때, 커플링제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 결합제로서의 역할이 부족하여 인장신율이 감소되며, 2 중량%를 초과할 경우 굴곡탄성률 및 열변형 온도가 감소하는 문제가 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
[쇄 연장제]
본 발명의 함유성분 중 하나인 상기 쇄 연장제는 본 발명 복합소재의 안정적인 물성 구현을 위하여 재활용 PET 칩의 분자량 조절 및 카르복실기 말단기를 감소시키는 역할을 수행하는데, 재활용 PET 칩은 재생 가공 공정 상에서 수분 및 열이력을 거치기 때문에 분자량 저하 및 카르복실 말단기가 증가할 수 있기 때문이다. 상기 쇄 연장제는 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 작용기를 갖는 아크릴릭 에스테르 수지를 사용할 수 있다. 이러한, 쇄 연장제는 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 0.5 ~ 2 중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 쇄 연장제의 함유량이 0.5 중량% 미만이면 그 사용량이 너무 부족하여 인장강도가 감소되며, 그 함량이 2.0 중량%를 초과할 경우 압출 가공시 용융점도가 증가되고, 유리섬유가 스트랜드 표면으로 몰림현상이 발생하여 압출 가공이 어려운 문제가 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
Figure 112008073972820-pat00001
상기 화학식 1 있어서, m은 2 ~ 30,000의 정수로서 평균중합도를 나타낸다.
[핵제]
본 발명의 함유성분인 상기 핵제는 본 발명 복합소재의 결정화 속도 및 결정화도를 향상시킴으로써, 성형 싸이클시간을 단축시키고, 기계적 강성을 향상시키기는 역할을 수행한다. 이러한 상기 핵제는 핵제 성능을 극대화하기 위해 무기핵제인 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단종 및 2 종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 탈크는 평균입도(D50) 1.5 ~ 4.5 ㎛를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 유기핵제는 하기 화학식 2로 표시되는 이오노머를 사용할 수 있다. 상기 핵제는 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 0.4 ~ 5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.6 ~ 4 중량%를 사용할 수 있는데, 여기서, 상기 핵제의 함량이 0.4 중량% 미만이면 핵제로서의 역할이 부족하여 인장강도가 감소되며, 5 중량%를 초과할 경우 인장신율이 감소되는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
Figure 112008073972820-pat00002
상기 화학식 2에 있어서, m, n은 2 ~ 30,000의 정수로서 평균 중합도를 나타낸다.
[충격보강재]
본 발명에서는 일반적으로 PET의 충격보강을 위해 사용되는 코아-쉘(core-shell) 타입의 아크릴계 충격보강제 대신 열안정성 및 재활용 PET 칩과 유리섬유와의 접착성이 우수한 에틸렌 공중합체를 충격보강재로서 적용하여 우수한 기계적 물성 및 충격성을 향상 및 사출 성형품의 비중 감소 효과를 증대시켰다.
본 발명에 있어서, 상기 충격보강제는 하기 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 에틸렌 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에틸렌-알킬렌아크릴레이트 공중합체 및 에틸렌-알킬아크릴레이트-글리시딜메타크릴레이트 공중합체 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상을 혼합 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 에틸렌-부틸렌아크릴레이트 공중합체는 에틸렌 60 ~ 80 중량% 및 부틸렌아크릴레이트 20 ~ 40 중량%를 함유하고 있으며, 상기 에틸렌-알킬아크릴레이트-글리시딜메타트릴레이트 공중합체는 에틸렌 60 ~ 80 중량%, 알킬아크릴레이트 15 ~ 30 중량% 및 글리시딜메타크릴레이트 5 ~ 12 중량%를 함유하고 있는 것을 사용할 수 있다.
이러한 상기 충격보강제는 본 발명의 복합소재 전체 중량에 대하여 1 ~ 10 중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 충격보강제의 함량이 1 중량% 미만이면 충격보강제로서의 역할이 부족하여 충격강도 및 비중감소 효과가 감소되며, 그 함량이 10 중량%를 초과할 경우 기계적 물성 및 열변형 온도가 저하되는 문제가 발생하므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
Figure 112008073972820-pat00003
상기 화학식 3에 있어서, R1은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기이고,　m, n은 각각은 2 ~ 30,000의 정수로서, 평균중합도를 나타낸다.
Figure 112008073972820-pat00004
상기 화학식 4에 있어서, R1은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기이고, R2는 글리시딜이고,　x, y 및 z는 각각은 2 ~ 30,000의 정수로서, 평균중합도를 나타낸다.
본 발명의 재활용 PET 복합소재는
재활용 PET 칩; 유리섬유; 커플링제; 쇄 연장제; 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제; 및 충격보강제 외에 열안정제, 산화방지제, 윤활제, 안료, 광안정제, 내가수분해제 및 블랙 마스터 배치 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 첨가제의 종류는 당업계에서 일반적으로 사용하는 것을 사용할 수 있고, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.
이하에서는 앞서 설명한 재활용 PET 복합소재의 제조방법에 대하여 자세하게 설명을 하겠다.
[재활용 PET 복합소재의 제조방법]
본 발명의 재활용 PET 복합소재의 제조방법은
폐 PET병을 PET 플레이크로 만드는 제 1 단계; 상기 PET 플레이크를 압출기를 통하여 재활용 PET 칩으로 만드는 제 2 단계; 및 상기 재활용 PET 칩, 유리섬유, 커플링제, 쇄 연장제, 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제, 및 충격보강제를 강성화 컴파운딩시키는 제 3 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 하며, 본 발명의 복합소재 제조방법 및 제조된 복합소재의 활용을 도 2와 도 3에 개략하여 나타내었다. 이하에서 각 단계별로 더욱 자세하게 설명을 하겠다.
제 1 단계에 있어서, 상기 PET 플레이크는 회수된 상기 폐 PET병을 먼저 물을 이용하여 세척한 후, 세척된 폐 PET병을 선별장에서 폐 PET병 외에 플라스틱, 금속, 기타 혼입 이물질을 제거한다. 그리고 폐 PET병 색상에 따라 녹색(Green)과 투명(Clear; 흰색(White))으로 구분하여 선별한다. 선별이 끝난 폐 PET병은 분쇄기에 투입한다. 분쇄기는 지름이 10 mm 내외인 메쉬(mesh)를 사용하여, 분쇄된 폐 PET병의 입자크기가 균일하도록 해야 한다. 분쇄가 끝나면, 다시 물을 이용하여 반복적인 2차 세척공정을 거친 후, 세척이 끝난 폐 PET 분쇄물은 약 80 ~ 100℃에서 지속적으로 열풍건조를 시킨다. 건조가 끝나고, 폐 PET병 분쇄물에 남아있는 알미늄을 제거하면 최종적으로 PET 플레이크을 얻을 수 있다.
상기와 같이, 수거→선별→파쇄→세척→탈수→건조→PET 플레이크 제품을 만드는 공정까지는 종래기술과 동일하다.
제 2 단계는 제 1 단계에서 얻은 PET 플레이크를 압출 공정을 통해 상기 재활용 PET 칩을 제조함으로써, 제 3 단계의 강성화 컴파운딩 공정을 기본으로 하여 자동차용 부품으로 재활용이 가능한 수준의 물성을 보유한 복합소재를 제공할 수 있게 한다.
재활용 PET 칩 제조 공정을 거치지 않고, PET 플레이크를 이용하여 바로 유리섬유 강화 강성화 컴파운딩 공정을 진행할 경우 아래와 같은 문제점이 발생할 수 있다.
(1) PET 플레이크 제조과정 특성상 분칩, 불순물 및 수분율이 증가할 수 있다. (2) PET 플레이크의 형상이 불균일하여 압출 공정 시 주원료인 PET 플레이크와 함께 투입되는 유리섬유의 투입비율이 일정하지 않아, 압출기 내에 유리섬유가 과량 투입되는 막힘(Jam) 현상이 발생할 수 있고, 이로 인해 스크류 파손 등이 발생하여 공정 관리 비용이 증가할 수 있으며, 회분 관리가 어려운 문제점이 있다. (3) PET 플레이크의 형상 특성으로 인해 원료 배합 시나 압출기 투입 시 층분리가 발생하고, 첨가제의 분산 등이 어려워 최종 컴파운드품의 품질 관리에 어려움이 발생한다. 따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 PET 플레이크를 압출하여 재활용 PET 칩으로 제조하는 공정은 반드시 필요하며, 이에 본 발명의 특징이 있다. 제 2 단계에 있어서, PET 플레이크의 압출공정의 최적 가공조건은 아래 와 같다. PET 플레이크를 헨셀믹서로 균일하게 혼합하여 분산시킨 다음, L/D=40, Φ=70(mm)의 이축압출기의 1차 투입구에 투입하여 압출기 배럴 온도는 220℃ ~ 255℃로 정하였으며, 스크류 회전속도는 250 ~ 300 rpm으로 압출 가공을 통해 재활용 PET 칩을 제조하였다. 이때, 상기와 같은 온도 범위를 벗어나는 경우 특히 255℃를 초과할 경우에는 PET 칩의 열분해가 발생하여 기계적 물성을 비롯한 제반 물성에 나쁜 영향을 미칠 수 있고, 220℃ 미만이면 재활용 PET 칩의 용융점도가 낮아 전단력에 의한 마찰열 발생으로 수지 조성물의 분해가 발생할 수 있으며, 유리섬유 등의 무기물 분산이 잘 이뤄지지 않을 수 있다. 각 블록의 온도는 실제 시간 당 300kg 수준을 생산할 수 있는 양산 압출기를 이용할 경우의 가공 조건으로, 압출기 배럴 1번 블록에서 8번 블록까지의 가공온도와 최종적으로 재료가 배출되는 다이(Die)부의 가공온도는 아래 표 1과 같다.
Figure 112008073972820-pat00005
상기 제 2 단계에서 제조된 재활용 PET 칩의 수분율은 1.0%(재활용 PET 플레이크)에서 0.2%로 낮아져 PET 신재와 동등한 수분흡수율을 나타낸다.
제 3 단계는 제 2 단계에서 제조한 재활용 PET 칩, 유리섬유, 커플링제, 쇄 연장제, 탈크 및 유기핵제 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 핵제, 및 충격보강제를 강성화 컴파운딩시키는 단계로서, 상기 물질들의 특성 및 그 함유량은 앞서 설명한 바와 동일하며, 이외에도 열안정제, 산화방지제, 윤활제, 안료, 광안정제, 내가수분해제 및 블랙 마스터 배치 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상의 첨가제를 더 첨가할 수 있다. 제 3 단계의 강성화 컴파운딩은 230 ~ 270℃의 온도조건에서 실시하는 것이 바람직한데, 230℃ 미만의 경우에는 수지의 용융점도가 낮아 전단력에 의한 마찰열 발생으로 수지 조성물의 분해가 발생할 수 있다고, 270℃를 초과할 경우에는 폴리에스테르 수지의 열분해가 발생하여 기계적 물성을 비롯한 제반 물성에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
보다 바람직하게는 상기 강성화 단계에서는 유리섬유를 제외한 나머지 조성물을 균일하게 혼합하여 분산시킨 다음, 이축압출기의 1차 투입구에 투입하고, 동시에 유리섬유를 2차 투입구(사이드 투입)로 투입 후, 압출하여 펠렛화하는 것으로 재활용 PET 복합소재를 제조할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 자세하게 설명을 하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
재활용 PET 칩의 제조
당업계에서 일반적으로 사용되는 기술을 사용하여 순차적으로 폐 PET병을 수거, 선별, 파쇄, 세척, 탈수, 건조시켜서 PET 플레이크를 제조하였다. 상기 PET 플레이크를 헨셀믹서로 균일하게 혼합하여 분산시킨 다음, L/D=40, Φ=70(mm)의 이축압출기의 1차 투입구에 투입하여 재활용 PET 칩을 제조하였다. 이때, 상기 압출기 배럴 온도는 220℃~ 255℃로 정하였으며, 스크류 회전속도는 250 ~ 300 rpm였다.
재활용 PET 복합소재의 제조
실시예 1 ~ 실시예 6
용융온도 260 ~ 264 ℃, 평균고유점도 0.65 dl/g, 수분율 약 0.2% 정도인 재활용 PET칩을 이용하여 하기 표 2의 조성으로 혼합하여 제조하였다.
상기 성분 중 유리섬유를 제외한 나머지 조성물을 헨셀믹서로 균일하게 혼합하여 분산시킨 다음, L/D=40, Φ=70(mm)의 이축압출기의 1차 투입구에 투입하고, 동시에 유리섬유를 2차 투입구(사이드 투입)로 투입하여 압출 온도 230℃ ~ 270℃, 스크류 회전속도 250 ~ 300 rpm으로 압출하여 펠렛화하여 본 발명의 재활용 PET 복합소재를 제조하였다.
비교예 1 ~ 6
실시예 1과 동일한 방법으로 재활용 PET 복합소재를 제조하되, 하기 표 2의 조성을 갖도록 비교예 1 ~ 6을 실시하였다.
비교예 7
실시예 1과 동일한 방법으로 재활용 PET 복합소재를 제조하되, 일반적인 PET 플레이크 47.7 중량%를 사용하여 재활용 PET 복합소재를 제조하였다.
Figure 112008073972820-pat00006
실험예
물성측정실험
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 7 에서 제조한 펠럿화된 재활용 PET 복합소재를 실린더 온도 240℃ ~ 280℃, 금형 온도 80℃로 고정한 후, 시편을 사출 성형하였고, 성형된 시편 각각의 물성을 아래와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었으며, 하기 표 3은 ㈜현대자동차의 자동차 윈도우 모터 하우징용 소재 물성 기준값이다.
- 고유점도: ASTM D2857 [페놀/테트라클로로에탄(50:50 중량비)], ㈜현대자동차의
- 비중: ASTM D792 (상온)
- 열변형온도: ASTM D648 (하중: 4.6 kgf/㎠)
- 인장강도 및 신율: ASTM D638 (cross head: 50mm/min)
- 굴곡강도 및 탄성율: ASTM D790 (cross head: 50mm/min)
- 충격강도: ASTM D256 [1/8인치, 노치 아이조드 (상온)]
- 유동지수: ASTM D1238 (265℃, 5.0kg)
Figure 112008073972820-pat00007
Figure 112008073972820-pat00008
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 ~ 6에 따라 제조된 본 발명의 시편의 물성은 비교예 1 ~ 7에 따라 제조된 시편의 물성에 비해 낮은 비중을 유지하면서도 열변형온도, 충격강도, 인장신율 등이 상대적으로 우수하였다. 따라서, 본 발명의 재활용 PET 복합소재가 자동차 부품용으로 재활용이 가능한 수준의 물성을 보유함으로써, 폐 PET병 재활용으로 인한 원가절감과 더불어 자동차 재활용률의 증가로 자동차의 환경성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
도 1은 종래 폐 PET병을 이용하여 PET 플레이크를 제조하는 공정의 개략도이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 재활용 PET 복합소재의 제조방법 및 제조된 복합소재의 활용에 대한 개략도이다.

Claims (9)

  1. 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩;
    유리섬유;
    말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 중합체(monopolymer) 수지, 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 공중합체(copolymer) 수지 및 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌-아크릴릭 에스테르 공중합체 수지 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상;
    하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 작용기를 갖는 아크릴릭 에스테르 수지;
    탈크 및 하기 화학식 2로 표시되는 이오노머 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 핵제; 및
    하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 에틸렌 공중합체;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재:
    [화학식 1]
    Figure 112010075167911-pat00016
    상기 화학식 1 있어서, m은 2 ~ 30,000의 정수이며,
    [화학식 2]
    Figure 112010075167911-pat00017
    상기 화학식 2에 있어서, m, n은 각각 2 ~ 30,000의 정수이고,
    [화학식 3]
    Figure 112010075167911-pat00018
    상기 화학식 3에서, R1은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기이고,　m, n은 각각 2 ~ 30,000의 정수이며;
    [화학식 4]
    Figure 112010075167911-pat00019
    상기 화학식 4에서, R1은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기 이고, R2는 글리시딜이고,　x, y 및 z 는 각각 2 ~ 30,000의 정수이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩 27 ~ 83 중량%; 유리섬유 15 ~ 55 중량%; 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 중합체(monopolymer) 수지, 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 공중합체(copolymer) 수지 및 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌-아크릴릭 에스테르 공중합체 수지 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상 0.1 ~ 2 중량%; 화학식 1로 표시되는 에폭시 작용기를 갖는 아크릴릭 에스테르 수지 0.5 ~ 2 중량%; 탈크 및 화학식 2로 표시되는 이오노머 중에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 핵제 0.4 ~ 5 중량%; 및 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 에틸렌 공중합체 1 ~ 10 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩은 용융온도 255 ~ 265 ℃, 평균고유점도 0.45 ~ 1.0 dl/g 및 수분율 0.15 ~ 0.25%인 것을 특징으로 하는 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 폐 폴리에틸렌테레프탈레이트 병을 플레이크로 만드는 제 1 단계;
    상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 플레이크를 압출기를 통하여 칩으로 만드는 제2단계; 및
    상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩; 유리섬유; 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 중합체(monopolymer) 수지, 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌 공중합체(copolymer) 수지 및 말레산무수물이 그라프트된 C2 ~ C5 알킬렌-아크릴릭 에스테르 공중합체 수지 중에서 선택된 단종 또는 2 종 이상; 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 작용기를 갖는 아크릴릭 에스테르 수지; 탈크 및 하기 화학식 2로 표시되는 이오노머 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 핵제; 및 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 에틸렌 공중합체를 강성화 컴파운딩시키는 제 3 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항의 재활용 폴리에틸렌테레프탈레이트 복합소재를 포함 하는 자동차용 부품.
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