KR101032117B1 - 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법 및 그 방법으로 얻어지는 친환경 탄성포장재용 폴리우레탄 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열경화성의 폐 폴리우레탄을 재생하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열경화성 폐 폴리우레탄을 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열로 구분하여 단계적으로 용융과정을 거치면서 재생하는 방법과 그 방법으로 얻어지는 탄성포장재용 폴리우레탄 칩에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법은, 고온, 고압으로 유지되는 회전식 교반기에, 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물과 디메틸아세트아미드(DMAC)를 투입하여 용융시키는 1차 용융단계; 상기 1차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 투입하여 용융시키는 2차 용융단계; 용융물을 성형하는 성형단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 성형단계는 판상 시트로 성형하면서 이루어질 수 있으며, 이 경우 성형단계 이후에 성형품을 분쇄하여 칩으로 생산하는 분쇄단계;를 더 포함하면 탄성포장재용 칩으로 생산할 수 있다.

Description

열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법 및 그 방법으로 얻어지는 친환경 탄성포장재용 폴리우레탄 칩{Method for recycling polyurethane and polyurethane chip obtained therefrom}
본 발명은 열경화성의 폐 폴리우레탄을 재생하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열경화성 폐 폴리우레탄을 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열로 구분하여 단계적으로 용융과정을 거치면서 재생하는 방법과 그 방법으로 얻어지는 친환경 탄성포장재용 폴리우레탄 칩에 관한 것이다.
폴리우레탄은 경량, 고강도, 고탄력을 비롯하여 내수, 내식, 내충격, 내알칼리, 내산, 절연성 등의 장점이 있어 건축재료를 비롯하여 넓은 분야에 많이 사용되고 있다. 따라서 많은 량의 폐 폴리우레탄 또한 해마다 증가하고 있는 추세이다.
폴리우레탄은 분자구조가 가교결합을 통한 3차원 그물구조를 형성하는 열경화성 수지이기 때문에 열 또는 에너지를 가하여도 용융되지 않아 재활용에 어려움이 있다. 폐 폴리우레탄은 보통 소각법, 매립법, 재활용법에 의해 처리되는데, 소각법은 소각과정에서 각종 유해 물질의 발생하여 대기오염을 초래하고 매립법은 토질오염이라는 2차적인 환경오염을 가져오므로 친환경적인 재활용법에 의한 처리가 바람직하다.
폐 폴리우레탄을 재활용하기 위한 방법으로 다양한 방법들이 개발된 바 있으며, 그러한 예로 특허출원 제10-2001-31076호와 등록특허 제10-0538783호가 있다.
특허출원 제10-2001-31076호는 폐 폴리우레탄 96.5%, 안료 0.3%, 용해제인 DMF(디메틸프로메이드) 1.2%, 가소제인 DPGDB(부칠벤젠프라이레이트) 1%, BBP(부칠벤젠프라이레이트) 1%를 혼합하여 히팅 장치가 내장된 교반기에 투입한 후 약 80-150℃의 조건하에서 약 20분간을 가열 용융시켜 겔(GEL)상태가 되도록 한 다음 용융물을 성형 로울러에 의해 롤-시트 타입이나 칩 타입으로 생산하는 방법이다. 이 방법은 통상적인 압출공정에 비하여 파쇄와 분쇄과정을 줄일 수 있고 생산량을 약 10∼30%정도 향상시킬 수 있는 이점을 가진다. 하지만, 첨가되는 용해제와 가소제 등이 상당히 고가이기 때문에 재생에 따르는 생산원가의 상승을 가져오는 문제와, 재생 과정에서 폴리우레탄의 강도와 탄성 조절이 용이하게 이루어지지 않는 문제, 열경화성 폐 폴리우레탄과 같이 재생이 되지 않는 폐 폴리우레탄이 많아 전체적인 재생의 효율이 저하되는 문제 등 여러 문제가 있다.
등록특허 제10-0538783호는 폐 폴리우레탄을 수거하여 열가소성과 열경화성으로 분리, 선별한 후 먼저 열가소성 소재를 용융시킨 다음 열경화성 소재를 용융시키면서 재생하는 방법이다. 이 방법은 용해제와 가소제 등을 첨가하지 않고서도 서로 다른 성질의 열가소성과 열경화성 폐 폴리우레탄을 용융시켜 재생할 수 있는 방법이 되나, 유가 상승에 따라 원료구입 경쟁이 심화하면서 열가소성 폐 폴리우레탄의 가격이 상승하여 경제성을 상실하게 되었고, 또한 열가소성 폐 폴리우레탄의 입수에 어려움 등으로 점차 적용성이 떨어졌다.
본 발명은 상기한 바와 같이 종래 폐 폴리우레탄의 재활용방법에 대한 문제를 개선하고자 개발된 것으로서, 고가의 첨가제를 적게 사용하고 아울러 열가소성 폐 폴리우레탄을 이용하지 않으면서 열경화성 폐 폴리우레탄을 재생할 수 있는 방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 고온, 고압으로 유지되는 회전식 교반기에, 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물과 디메틸아세트아미드(DMAC)를 투입하여 용융시키는 1차 용융단계; 상기 1차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 투입하여 용융시키는 2차 용융단계; 용융물을 성형하는 성형단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 열경화성 폐 폴리우레탄을 간편하게 재생하여 사용할 수 있으며, 이에 따라 산업 폐기물을 줄이고 환경 보호를 이끌 수 있다.
둘째, 폐 폴리우레탄을 재생하면서 열경화성 재료만을 사용하기 때문에 일정한 품질의 폐 폴리우레탄 재생제품을 제공할 수 있다. 나아가 기능성 첨가제의 적절한 사용으로 경도와 비중, 탄성 및 색상조절을 할 수 있기 때문에 폐 폴리우레탄 재생제품의 품질 향상이 가능해진다.
셋째, 고가의 첨가제의 사용량을 줄이고 아울러 열가소성 폐 폴리우레탄을 사용하지 않으면서도 열경화성 폐 폴리우레탄을 재생할 수 있기 때문에, 경제적으로 열경화성 폐 폴리우레탄을 재생할 수 있다.
본 발명은 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생을 위해 물성이 다른 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열을 구분하여 단계적으로 용융시킨다는데 기술적 특징이 있다. 보통 폴리에테르 계열이 폴리에스테르 계열보다 밀도가 작으면서 탄성이 우수한데, 두 계열을 혼합 재생하여 서로의 장점을 강화하면서 단점을 보완하고 아울러 밀도가 큰 폴리에스테르 계열을 먼저 용융시키고 밀도가 작은 폴리에테르 계열을 나중에 용융시켜 효율적으로 재생할 수 있도록 한 것이다. 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열은 각각 10~90중량% 범위 내에서 적절한 양으로 혼합하면 된다.
구체적으로 본 발명에 따른 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법은, 고온, 고압으로 유지되는 회전식 교반기에, 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물과 디메틸아세트아미드(DMAC)를 투입하여 용융시키는 1차 용융단계; 상기 1차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 투입하여 용융시키는 2차 용융단계; 용융물을 성형하는 성형단계;로 이루어진다.
1차 용융단계는 내부온도가 140~210℃로 유지되는 고온 고압의 회전식 교반기에 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 디메틸아세트아미드(DMAC)와 함께 투입하여 10~15분간 진행하며, 이때 디메틸아세트아미드는 열경화성 폐 폴리우레탄의 용해제가 되는데 1차 용융단계에서 용융시키는 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물의 0.1~1중량% 정도이면 적당하다.
2차 용융단계는 1차 용융이 진행되는 교반기에 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 투입하여 10~15분간 진행한다. 교반기에서 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물의 용융이 이미 진행되기 때문에 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물이 투입되면 서로 용융되면서 교반된다(융합). 2차 용융단계에서 용융시키는 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물이 1차 용융단계에서 용융시키는 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물보다 상대적으로 많은 경우에는 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 적절한 양으로 나누어 투입 용융하도록 한다.
성형단계는 겔상태로 용융된 폐 폴리우레탄을 일정한 모양으로 만드는 과정이 되며, 성형단계는 통상 플라스틱 성형방법으로 수행하면 된다. 즉, 사용 목적이나 용도에 따라 성형로울러 등을 이용하여 일정한 두께를 가지는 판상 시트로 성형하거나, 일정한 모양을 가지는 플라스틱 제품으로 성형하는 것이다. 특히 본 발명에서는 판상 시트로 성형하는 한편 성형 이후에 성형품을 분쇄하여 칩으로 생산하는 분쇄단계를 더 진행할 것을 제안하는데, 이 과정으로 탄성포장재용 폴리우레탄 칩을 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 탄성포장재용 폴리우레탄 칩은 도로포장 등에 바람직하게 이용할 수 있다.
한편, 성형단계에 앞서, 2차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 기능성 첨가제를 투입하여 용융시키는 3차 용융단계를 더 진행할 수 있다. 3차 용융단계는 기능성을 부가하기 위한 과정이 되는데, 3~5분 정도가 적당하다. 3차 용융단계에서 투입하는 기능성 첨가제는 열경화성 폐 폴리우레탄 섬유, 탄산칼슘, 안료, 형광, 야광, 황토, 목분, 숯, 운모석, 게르마늄, 화산재, 맥반석, 천연옥, 사문옥, 고령토, 세라믹, 일라이트 등에서 적절히 선택하도록 한다.
열경화성 폐 폴리우레탄 섬유는 용융된 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열을 서로 연결 보강하여 강도 강화에 기여하는 기능성 첨가제가 되며, 특히 섬유 상태로 투입되어 3~5분 정도 융융과정을 거치기 때문에 완전 용융되지 않고 섬유 상태가 남아있기 때문에 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열의 융합 부분을 서로 연결하여 보강할 수 있게 된다. 열경화성 폐 폴리우레탄 섬유는 재생하는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 1~100중량%가 적당하다.
탄산칼슘은 경도, 탄성, 색상 조절을 위한 기능성 첨가제가 되는데 재생하는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 1~150중량%가 적당하고, 안료, 야광, 형광은 색상 조절을 위한 기능성 첨가제로서 재생하는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 0.5~30중량%로 사용하고, 황토, 목분, 숯, 운모석, 게르마늄, 화산재, 맥반석, 천연옥, 사문옥, 고령토, 세라믹, 일라이트는 친환경성을 부여하기 위한 기능성 첨가제로서 재생하는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 0.5~30중량%가 적당하다. 이들 기능성 첨가제는 분말 상태로 투입하면 된다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예1] 폴리우레탄 칩 제조
(1)수거 및 선별
재생할 열경화성 폐 폴리우레탄을 수거하여 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열로 구분하고, 각각 20㎜ 이하로 분쇄한다.
(2)용융
내부온도가 140~210℃로 유지되는 고온 고압의 회전식 교반기에 먼저 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄을 디메틸아세트아미드와 함께 투입하여 10~15분간 용융시키고, 이어 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄을 투입하여 10~15분간 용융시키며, 마지막으로 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 섬유(20㎜ 이하 길이), 탄산칼슘, 안료를 투입하여 3~5분간 용융시킨다.
이때 열경화성 폐 폴리우레탄은 폴리에스테르 계열과 폴리에테르 계열을 9:1의 중량부로 투입하고, 디메틸아세트아미드는 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄의 1중량%로 투입하였으며, 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 섬유는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 50중량%, 탄산칼슘은 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 75중량%, 안료는 전체 열경화성 폐 폴리우레탄의 1중량%를 투입하였다.
(3)성형 및 분쇄
용융단계에서 겔상태로 용융된 용융물은 5~15㎜ 두께의 판상시트로 성형한 후, 분쇄기로 15㎜ 크기 이하로 분쇄한다. 이로써 재생 폴리우레탄 칩이 완성된다.
[실시예2] 탄성포장재 시편의 물성 비교
상기 [실시예1]에 따라 완성된 재생 폴리우레탄 칩과 종래 일반적으로 사용하는 EPDM 칩을 각각 동일한 우레탄 바인드(칩 중량의 25%)와 혼합하여 15㎜ 두께의 탄성포장재 시편을 제작하고, 이에 대한 물성을 비교 조사하였다. 조사 결과는 하기 [표 1]과 같으며, 보는 바와 같이 본 발명에 따른 재생 폴리우레탄 칩은 탄성포장재 용도로 사용할 때 우수한 물성을 나타내고 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 재생 폴리우레탄 칩은 탄성포장재 용도로 바람직하게 사용할 수 있다.
탄성포장재 시편의 물성
시험항목 재생 폴리우레탄 칩
사용 탄성포장재
EPDM 칩
사용 탄성포장재
시험방법
인장강도(MPA) 0.7 0.5 KS M 6518
신장율(%) 0.6 0.6 KS M 6518
인열강도(MPA) 0.7 0.5 KS M 6518

Claims (4)

  1. 회전식 교반기에, 폴리에스테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물과 디메틸아세트아미드(DMAC)를 투입하여 용융시키는 1차 용융단계;
    상기 1차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 폴리에테르 계열의 열경화성 폐 폴리우레탄 분쇄물을 투입하여 용융시키는 2차 용융단계;
    용융물을 성형하는 성형단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법.
  2. 제1항에서,
    상기 성형단계에 앞서,
    상기 2차 용융단계가 진행되는 회전식 교반기에, 열경화성 폐 폴리우레탄 섬유, 탄산칼슘, 안료, 형광, 야광, 황토, 목분, 숯, 운모석, 게르마늄, 화산재, 맥반석, 천연옥, 사문옥, 고령토, 세라믹, 일라이트 중에서 하나 이상 선택된 기능성 첨가제를 투입하여 3~5분 동안 용융시키는 3차 용융단계;를 더 포함하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 성형단계는, 판상 시트로 성형하면서 이루어지며,
    상기 성형단계 이후에, 성형품을 분쇄하여 칩으로 생산하는 분쇄단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 폐 폴리우레탄의 재생방법.
  4. 제3항에 따라 열경화성 폐 폴리우레탄을 재생하여 얻어지는 친환경 탄성포장재용 폴리우레탄 칩.
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