KR101139475B1 - Method of recycling crosslinked waste pipes of high density polyethylene - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대부분 소각되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계(high density polyethylene, HDPE) 파이프의 가교결합을 초임계 메탄올을 이용하여 탈가교화(decrosslinking) 함으로써 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 파이프로 재생시키는 방법에 관한 것으로, 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 370 내지 390℃의 반응온도 및 5 내지 30 ㎫의 반응압력 조건 하에서 5 내지 10분간 초임계 메탄올을 반응용매로 사용하는 탈가교화 반응에 의해 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 재생시키는 것을 특징으로 한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of regenerating crosslinked waste-crosslinked high density polyethylene (HDPE) pipe, which is mostly incinerated, into a reformable high density polyethylene pipe by decrosslinking with supercritical methanol. The waste crosslinked high density polyethylene pipe is a high density polyethylene resin that can be reshaped by decrosslinking reaction using supercritical methanol for 5 to 10 minutes under a reaction temperature of 370 to 390 ° C. and a reaction pressure of 5 to 30 MPa. It is characterized by regeneration.
폐 가교 고밀도 폴리에틸렌, 가교 파이프, 재활용, 초임계 반응, 탈가교화 Waste Crosslinked High Density Polyethylene, Crosslinked Pipe, Recycled, Supercritical Reaction, Decrosslinking
Description
본 발명은 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 가교결합을 초임계 메탄올을 이용하여 탈가교화 함으로써 재성형이 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 재생시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of regenerating crosslinked waste-crosslinked high density polyethylene pipes using a supercritical methanol to a high density polyethylene resin that can be reshaped by decrosslinking.
최근 저탄소 녹색성장의 시대에서 자원순환형 사회를 구현하기 위해 폐플라스틱, 특히 우레탄 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등 폐 열경화성 수지인 폐 가교 고분자의 재활용을 위한 기술개발이 중요한 사회적 문제로 대두되고 있다. 그러나 이러한 폐 가교 고분자의 재활용에 대해서는 미국, 일본 등의 선진국에서만 일부 연구개발 및 상용화가 진행되고 있을 뿐, 국내에서는 대부분 소각 또는 매립되고 있는 실정이다. In the recent era of low carbon green growth, waste plastics, especially urethane resins, phenolic resins, urea resins, epoxy resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, etc. Technology development is emerging as an important social problem. However, for the recycling of the waste crosslinked polymer, only some R & D and commercialization are in progress in developed countries such as the United States and Japan, and incineration or landfilling is mostly carried out in Korea.
일반적으로 가교 고분자는 소형 선박 소재, 자동차 및 우주 항공기용 구조재, 스포츠용품 소재 등 실생활과 밀접한 관련이 있는 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 이들은 분자 내 가교 구조화(crosslinked network)된 고분자 사슬의 불용성(insoluble) 및 불융성(infusible) 특성으로 인해 아직까지 적절한 처리나 재생방법이 제대로 개발되어 있지 않아 단순 파쇄 및 분쇄되어 폐기될 뿐, 효과적인 재활용이 이루어지지 않고 있으며, 이는 환경적으로 많은 문제점들을 야기하고 있다. In general, crosslinked polymers are widely used in various fields that are closely related to real life, such as small marine materials, structural materials for automobiles and aerospace, and sporting goods. However, due to the insoluble and infusible properties of the intramolecular crosslinked network, they are simply crushed, crushed and discarded due to the lack of proper treatment or regeneration methods. There is no recycling, which causes many environmental problems.
이러한 관점에서 대부분 소각되는 폐 가교 고분자 수지를 재활용하기 위해서는 열경화성 수지의 가교 구조를 탈가교화시키고, 탈가교화된 반응 생성물을 유/무기화시키는 복합적인 시스템이 요구된다. 이처럼 폐 가교 고분자 수지의 재활용은 폐기물 자원의 재활용과 자원 효율화라는 측면에서 매우 절실한 상황이지만, 국내에서는 연구개발이 기초적인 단계에 머물러 있고 일본, 미국 등 선진국에서만 일부 개발이 보고된 바 있다.In order to recycle the waste crosslinked polymer resin, which is mostly incinerated, a complex system for decrosslinking the crosslinked structure of the thermosetting resin and organic / inorganicizing the decrosslinked reaction product is required. As such, the recycling of waste cross-linked polymer resins is very urgent in terms of recycling waste resources and resource efficiency. However, some developments have been reported only in advanced countries such as Japan and the United States.
특히, 장기 내구성이 뛰어나 고온고압 온수온돌용으로 사용되는 가교도 90% 이상의 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프는 가교 망상구조로 인해 열을 가해도 용융되지 않아 재성형이 불가능하다. 따라서 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프는 대부분 소각 처리하는데, 이는 심각한 환경 문제를 야기한다. In particular, the waste crosslinked high density polyethylene-based pipes having a long-term durability of 90% or more of the crosslinking degree used for high-temperature, high-pressure hot water ondol are not melted even when heated due to the crosslinked network structure, and thus cannot be remolded. Thus, waste crosslinked high density polyethylene based pipes are mostly incinerated, which causes serious environmental problems.
폐 가교 고분자 수지의 재활용과 관련하여, 대한민국 특허 제10-0733941호에는 상용화제와 기능성 수지를 이용하여 알루미늄이 증착된 다층 폐 포장 필름을 재생하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 특허 제10-0728087호에는 과산화물 가교제를 이용하여 반응압출(reactive extrusion)에 의해 폐 고밀도 폴리에틸렌을 재활용하는 방법이 개시되어 있다. 또한 유럽 특허 제0897783A2호에는 이축 압출기를 이 용하여 고온에서 전단응력을 크게 함으로써 폐 저밀도 폴리에틸렌계 발포체를 일부 탈가교화시키는 방법이 개시되어 있다.Regarding the recycling of the waste crosslinked polymer resin, Korean Patent No. 10-0733941 discloses a method of regenerating a multilayer waste packaging film in which aluminum is deposited using a compatibilizer and a functional resin, and Korean Patent No. 10-0728087 Disclosed is a method for recycling waste high density polyethylene by reactive extrusion using a peroxide crosslinking agent. EP 0897783A2 also discloses a method for partially decrosslinking waste low density polyethylene foams by increasing shear stress at high temperatures using a twin screw extruder.
그 외에도, 일본 공개특허 공보 제2005-281429호, 제2004-161983호, 제2003-96233호, 제2001-253968호 및 제2001-98107호에는 초임계수를 이용하여 가교 폴리올레핀의 가교결합을 선택적으로 제거하는 방법이 일부 시도되고 있으나, 물의 임계온도와 임계압력이 너무 높기 때문에 고가의 반응기가 필요하여 경제적인 측면에서 상용화에 걸림돌이 되고 있다. In addition, Japanese Laid-Open Patent Publication Nos. 2005-281429, 2004-161983, 2003-96233, 2001-253968 and 2001-98107 use supercritical water to selectively crosslink the crosslinked polyolefin. Although some attempts have been made, the critical temperature and critical pressure of the water are so high that an expensive reactor is required, making it economically difficult to commercialize.
이에 본 발명자들은 대부분 소각되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 효과적으로 재활용할 수 있는 경제적인 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 환경친화적인 반응용매로서 초임계 메탄올을 이용하여 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 탈가교화하여 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 재생시키는 방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have diligently researched to develop an economical method for effectively recycling the waste crosslinked high density polyethylene pipe, which is mostly incinerated, and as a result, the supercross methanol is used as a reaction solvent to remove the waste crosslinked high density polyethylene pipe. The present invention has been completed by developing a method of regenerating a high-density polyethylene resin that can be reformed and remolded.
따라서 본 발명의 목적은 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 재활용할 수 있도록 이를 환경친화적이고 경제적인 방법으로 탈가교화하여 재성형이 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 재생하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of re-crosslinking a crosslinked high-density polyethylene-based pipe to be recycled to a high-density polyethylene-based resin that can be re-molded in an environmentally friendly and economical manner to recycle the waste crosslinked high-density polyethylene-based pipe.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 370 내지 390℃의 반응온도 및 5 내지 30 ㎫의 반응압력 조건 하에서 5 내지 10분간 초임계 메탄올을 반응용매로 사용하는 탈가교화 반응에 의해 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환시키는 단계를 포함하는, 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 재생하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a cross-linking reaction of the waste crosslinked high density polyethylene pipe using supercritical methanol for 5 to 10 minutes under a reaction temperature of 370 to 390 ° C. and a reaction pressure of 5 to 30 MPa. Provided is a method for regenerating waste crosslinked high density polyethylene based pipes, the method comprising the step of converting to a reformable high density polyethylene based resin.
또한 본 발명은 상기 방법에 따라 재생된 재생 고밀도 폴리에틸렌계 수지를 제공한다.The present invention also provides a regenerated high density polyethylene resin regenerated according to the above method.
아울러 본 발명은 상기 재생 고밀도 폴리에틸렌계 수지를 이용하여 제조된 성형품을 제공한다. In addition, the present invention provides a molded article manufactured using the recycled high density polyethylene resin.
본 발명에 따른 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 재생방법은 반응용매로 초임계 메탄올을 이용하기 때문에 초임계수보다 낮은 반응압력에서 탈가교화 반 응을 수행할 수 있어 상용화 비용이 저렴한 환경친화적이고 경제적인 방법이다. 따라서 본 발명에 따르면 대부분 소각되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌 파이프의 양을 현저히 감소시킬 수 있어 이의 소각으로 인한 2차 환경오염을 방지할 수 있고, 이로부터 재생된 재생 고밀도 폴리에틸렌은 신재 고밀도 폴리에틸렌에 상응하는 우수한 기계적 물성을 가지고 있어 다양한 성형품으로 유용하게 재활용될 수 있다. Recycling method of waste crosslinked high density polyethylene pipe according to the present invention is an environmentally-friendly and economical method with low commercialization cost because it can perform decrosslinking reaction at lower reaction pressure than supercritical water because supercritical methanol is used as a reaction solvent. to be. Therefore, according to the present invention, it is possible to significantly reduce the amount of waste crosslinked high density polyethylene pipe which is mostly incinerated, thereby preventing secondary environmental pollution due to its incineration, and the recycled high density polyethylene recycled therefrom is superior to new high density polyethylene. Due to its mechanical properties, it can be usefully recycled into various molded products.
본 발명은 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 370 내지 390℃의 반응온도 및 5 내지 30 ㎫의 반응압력 조건 하에서 5 내지 10분간 초임계 메탄올을 반응용매로 사용하는 탈가교화 반응에 의해 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환시키는 단계를 포함하는, 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 재생방법을 제공한다.The present invention provides a high-density polyethylene recyclable by decrosslinking the waste crosslinked high density polyethylene pipe using supercritical methanol for 5 to 10 minutes under a reaction temperature of 370 to 390 ° C. and a reaction pressure of 5 to 30 MPa. It provides a method for regenerating waste cross-linked high density polyethylene pipe, comprising the step of converting to a resin.
본 발명에 따른 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 재생방법의 특징은 폐 가교 고분자 수지의 재활용(recycling)에 환경친화적인 초임계유체 공정을 적용한 것으로, 임계온도 및 임계압력이 초임계수에 비해 상대적으로 온화하여 설비화가 용이한 초임계 메탄올을 반응용매로 이용하는 탈가교화 반응에 의해 가교 고분자 수지인 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 재성형 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환시키는 것을 특징으로 한다.The recycling method of the waste crosslinked high density polyethylene pipe according to the present invention is characterized by applying an environmentally friendly supercritical fluid process to recycling the waste crosslinked polymer resin, wherein the critical temperature and the critical pressure are relatively mild compared to the supercritical water. And converting the waste crosslinked high density polyethylene pipe, which is a crosslinked polymer resin, into a high density polyethylene resin that can be reshaped by a decrosslinking reaction using supercritical methanol, which is easy to equip, as a reaction solvent.
초임계유체(supercritical fluid)는 일반적인 액체나 기체 상태의 물질이 임계점(supercritical point)이라 불리는 일정한 고온?고압의 한계를 넘으면서 기체 와 액체를 구별할 수 없는 ‘임계상태’에 이른 물질을 일컫는다. 초임계유체 분자의 밀도는 액체에 가깝지만 점성도는 낮아 기체에 가깝고, 확산이 빨라 열전도성이 물만큼이나 높다. 이에 따라 초임계유체를 용매로 사용하면 녹아 있는 분자, 즉 용질 주변의 용매 농도가 극히 높아진다. 이런 특징으로 인해 초임계유체는 혼합물에서 특정 성분을 추출?분리하는 공정에 주로 사용된다. Supercritical fluid refers to a substance in which a liquid or gaseous substance has reached a "critical state" in which gas and liquid are indistinguishable beyond the limits of a certain high temperature and high pressure called a supercritical point. The density of supercritical fluid molecules is close to liquid, but the viscosity is low, close to gas, and the diffusion is fast, so the thermal conductivity is as high as water. Accordingly, the use of supercritical fluid as a solvent results in extremely high concentrations of dissolved molecules, i.e., solvents around the solute. Because of this feature, supercritical fluids are often used in the process of extracting and separating certain components from a mixture.
본 발명에서는 기체의 낮은 표면 장력, 저점도, 높은 확산속도와 액체의 뛰어난 용해력 등의 장점을 모두 갖는 초임계유체로서 임계점 이상의 고온?고압 상태에서 고분자 사슬을 절단할 수 있는 초임계 메탄올을 반응용매로 선택하였다. 초임계 메탄올은 분자량이 32.04 g/㏖인 초임계유체로서, 512.6℃의 임계온도 및 8.09 ㎫의 임계압력을 가져 647.3℃의 임계온도 및 7.38 ㎫의 임계압력을 갖는 초임계수보다 상대적으로 임계점이 낮아 상용화 시 설비구축 비용이 저렴하기 때문에 탈가교화 반응에 의해 가교 고분자 수지인 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환시키는데 효과적으로 사용될 수 있다.In the present invention, a supercritical fluid having all of the advantages of low surface tension, low viscosity, high diffusion rate and excellent dissolving ability of a liquid, and supercritical methanol which can cut a polymer chain in a high temperature and high pressure state above a critical point. Was selected. Supercritical methanol is a supercritical fluid with a molecular weight of 32.04 g / mol and has a lower critical point than a supercritical water having a critical temperature of 512.6 ° C and a critical pressure of 8.09 MPa and a critical temperature of 647.3 ° C and a critical pressure of 7.38 MPa. Since the equipment construction cost is low at the time of commercialization, it can be effectively used to convert waste crosslinked high density polyethylene pipe, which is a crosslinked polymer resin, into a high density polyethylene resin by a decrosslinking reaction.
이하에서는 본 발명에 따른 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 재생방법을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter will be described in detail the regeneration method of the waste cross-linked high density polyethylene pipe according to the present invention.
본 발명에서는 도 1에 나타낸 바와 같은 고압용 회분식 반응기와 초임계 메탄올을 반응용매로 이용하는 초임계유체 공정에 의해 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 재활용할 수 있는 방법을 구현하였다. In the present invention, a method for recycling waste cross-linked high density polyethylene pipes by a supercritical fluid process using a high pressure batch reactor and a supercritical methanol as a reaction solvent is illustrated.
본 발명에 따른 재생방법에는 가교화된 고분자 사슬의 불용성 및 불융성으로 인해 재활용되지 못하고 단순히 소각에 의해 폐기되는 모든 폐 가교 고밀도 폴리에 틸렌계 파이프가 적용될 수 있다. 바람직하게는, 유기과산화물 가교방식 또는 전자선 가교방식의 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프이거나 이들의 혼합물일 수 있으며, 85 내지 95%의 겔분율을 갖는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프가 유리하게 적용될 수 있다. In the regeneration method according to the present invention, all the waste crosslinked high density polyethylene pipes which are not recycled due to insolubility and incompatibility of the crosslinked polymer chain and simply discarded by incineration may be applied. Preferably, it may be a waste crosslinked high density polyethylene pipe of organic peroxide crosslinking method or electron beam crosslinking method or a mixture thereof, and a waste crosslinked high density polyethylene pipe having a gel fraction of 85 to 95% may be advantageously applied.
또한 본 발명의 재생방법에 따르면 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 종류에 관계없이 모든 종류의 폐기물을 재활용할 수 있으며, 특히 고온고압에서 온수온돌용으로 사용되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 일정한 크기 이하로 분쇄한 후 적용하는 경우 더 효과적이다. 이는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌 수지가 고결정성으로 가교도 및 밀도가 높고 내구성이 우수하여 초임계유체를 이용한 탈가교화 반응 시 반응유체의 확산 속도가 입자 크기에 영향을 받아 전체적인 반응효율을 좌우할 수 있기 때문이다. 따라서 효율적인 탈가교화 반응을 위해서는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 탈가교화 반응에 적용하기 전에 전처리 공정으로 일정한 크기 이하, 바람직하게는 11 ㎜ 이하의 크기를 갖도록 분쇄하여 사용한다. 이때, 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌 파이프의 분쇄는 당해 기술분야의 통상적인 방법에 따라 이루어질 수 있다.In addition, according to the regeneration method of the present invention, regardless of the type of waste crosslinked high density polyethylene pipe, all kinds of wastes can be recycled, and in particular, the waste crosslinked high density polyethylene pipe used for hot water ondol at high temperature and high pressure may have a predetermined size or less. More effective when applied after grinding. This is because the waste-crosslinked high density polyethylene resin has high crystallinity, high crosslinking degree, high density and excellent durability, and the diffusion rate of the reaction fluid may be influenced by the particle size during the decrosslinking reaction using the supercritical fluid, which may influence the overall reaction efficiency. . Therefore, for efficient decrosslinking reaction, the waste-crosslinked high density polyethylene pipe is pulverized to have a predetermined size or less, preferably 11 mm or less, as a pretreatment process before being applied to the decrosslinking reaction. At this time, the grinding of the waste crosslinked high density polyethylene pipe may be performed according to a conventional method in the art.
도 1에 예시된 고압용 회분식 반응기는 스테인리스강, 하스텔로이강, 인코넬강 등을 사용하여 제조될 수 있으나, 메탄올은 초임계 상태에서 부식성이 거의 없기 때문에 단가가 낮은 스테인리스강을 사용하는 것이 경제적으로 유리하다. The high pressure batch reactor illustrated in FIG. 1 may be manufactured using stainless steel, Hastelloy steel, Inconel steel, etc., but since methanol is almost non-corrosive in a supercritical state, it is economical to use stainless steel having a low cost. It is advantageous.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기한 고압용 회분식 반응기에 잘게 분쇄한 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프와 초임계 메탄올을 넣은 후 370 내지 390℃의 반응온도 및 10 내지 15 ㎫의 반응압력 조건 하에서 5 내지 10분간 탈가교화 반응을 수행하여 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환시킨다. In a preferred embodiment of the present invention, after the finely pulverized crosslinked high density polyethylene pipe and supercritical methanol are put into the above-described high pressure batch reactor, the reaction temperature is 370 to 390 ° C. and the reaction pressure is 10 to 15 MPa. The decrosslinking reaction is carried out for 10 minutes to convert the waste crosslinked high density polyethylene pipe into a high density polyethylene resin.
상기에서 반응용매로 사용된 초임계 메탄올은 재생하고자 하는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 100 중량부를 기준으로 100 내지 500 중량부의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 초임계 메탄올의 사용량이 100 중량부 미만일 경우에는 초임계 조건이 조성되지 않아 탈가교화 반응이 이루어지지 않는 반면, 이의 사용량이 500 중량부를 초과하는 경우에는 높은 증기압에 의한 폭발 위험성으로 인해 반응기를 더 두껍게 제조해야 하는 문제점이 발생할 수 있다. The supercritical methanol used as the reaction solvent is preferably used in an amount of 100 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the waste crosslinked high density polyethylene pipe. If the amount of supercritical methanol is less than 100 parts by weight, the supercritical conditions are not established and decrosslinking is not performed. If the amount is more than 500 parts by weight, the reactor is thicker due to the explosion risk due to high vapor pressure. Problems that must be produced can arise.
반응압력은 상기 범위 내에서 반응기에 주입되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프와 초임계 메탄올의 양에 따라 조절하고, 반응온도는 반응기 외부에 설치된 전기로를 이용하여 조절한다. 탈가교화 반응이 종결된 후, 반응기 내 반응물의 체류시간을 줄이기 위해 냉각기를 반응기 내부뿐 아니라 플랜지 부분에도 내장하여 급냉 시킴으로써 냉각속도를 15분 이내로 조절하는 것이 바람직하다. 만약 냉각속도가 15분을 초과하게 되면 반응 체류시간의 증가로 고분자의 열화에 의한 물성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.The reaction pressure is adjusted according to the amount of waste crosslinked high density polyethylene pipe and supercritical methanol injected into the reactor within the above range, and the reaction temperature is controlled by using an electric furnace installed outside the reactor. After the decrosslinking reaction is completed, it is preferable to control the cooling rate to within 15 minutes by quenching the cooler in the reactor as well as the flange part in order to reduce the residence time of the reactants in the reactor. If the cooling rate exceeds 15 minutes, there may be a problem in that physical properties due to degradation of the polymer decrease due to an increase in the reaction residence time.
상기 방법을 통해 재생된 고밀도 폴리에틸렌계 수지를 회수한 후 가교도를 분석한 결과, 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프가 본 발명에 따른 초임계 메탄올을 이용한 탈가교화 반응에 의해 0.5% 이하의 겔분율을 갖는 재생 가능한 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 전환됨을 확인하였다.As a result of analyzing the degree of crosslinking after recovering the high density polyethylene resin recycled through the above method, the waste crosslinked high density polyethylene pipe has a gel fraction of 0.5% or less by decrosslinking reaction using supercritical methanol according to the present invention. It was confirmed that the conversion to a high density polyethylene-based resin as possible.
결론적으로, 본 발명에 따른 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 재생방법은 반응용매로 친환경적 용매인 초임계 메탄올을 이용하기 때문에 초임계수 보다 낮은 반응압력에서 탈가교화 반응을 수행할 수 있어 상용화가 경제적이고 환경친화적인 방법이다. 따라서 본 발명에 따르면 대부분 소각되는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 양을 현저히 감소시킬 수 있어 이의 소각으로 인한 2차 환경오염을 방지할 수 있고, 이로부터 재생된 재생 고밀도 폴리에틸렌은 0.5% 이하의 겔분율을 갖고 신재 고밀도 폴리에틸렌에 상응하는 우수한 기계적 물성을 나타내어 다양한 성형품으로 유용하게 재활용될 수 있다. In conclusion, the recycling method of the waste crosslinked high density polyethylene pipe according to the present invention uses supercritical methanol, which is an environmentally friendly solvent, as the reaction solvent, so that the crosslinking reaction can be carried out at a lower reaction pressure than the supercritical water. It's a friendly way. Therefore, according to the present invention, the amount of waste crosslinked high density polyethylene pipe which is mostly incinerated can be significantly reduced, thereby preventing secondary environmental pollution due to its incineration, and the recycled high density polyethylene recycled therefrom has a gel fraction of 0.5% or less. Has excellent mechanical properties corresponding to new high density polyethylene and can be usefully recycled into various molded articles.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention more specifically, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention.
실시예Example 1 One
결정성이 크고 구조가 치밀한 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 특성을 고려하여 고온고압 온수온돌용 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 일정 크기 이하로 분쇄하는 전처리 공정을 수행하였다. 이때, 약 90%의 겔분율을 갖는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 각각 10 내지 11 ㎜, 5 내지 6 ㎜, 및 0.6 내지 1 ㎜의 입자 크기를 갖도록 분쇄하였다. 500 ㎖ 부피의 스테인리스강 회분식 반응기(SUS316)에 각각의 입자 크기를 갖는 분쇄물과, 분쇄물 100 중량부에 대해 초임 계 메탄올 125 중량부를 첨가한 후 15 ㎫의 반응압력 하에서 365℃, 370℃ 및 375℃의 반응온도로 탈가교화 반응을 5분간 수행하였다. 탈가교화 반응이 종결된 후, 냉각기를 이용하여 반응물의 온도를 상온까지 급속히 냉각시켜 재생된 고밀도 폴리에틸렌계 수지를 회수하였다.In consideration of the characteristics of the waste-crosslinked high density polyethylene pipe having high crystallinity and structure, a pretreatment process of grinding waste crosslinked high density polyethylene pipe for high temperature and high pressure hot water ondol under a predetermined size was performed. At this time, the waste crosslinked high density polyethylene-based pipes having a gel fraction of about 90% were ground to have particle sizes of 10 to 11 mm, 5 to 6 mm, and 0.6 to 1 mm, respectively. In a 500 ml stainless steel batch reactor (SUS316), a pulverized product having respective particle size and 125 parts by weight of supercritical methanol were added to 100 parts by weight of the pulverized powder, followed by 365 ° C., 370 ° C. under a reaction pressure of 15 MPa and The decrosslinking reaction was performed at a reaction temperature of 375 ° C. for 5 minutes. After the decrosslinking reaction was terminated, a high density polyethylene resin was recovered by rapidly cooling the temperature of the reactant to room temperature using a cooler.
각각의 반응 후에 회수된 고밀도 폴리에틸렌계 수지의 가교도를 ASTM D2765에 따라 측정하였다. 간략히 설명하면, 30 내지 60 메쉬의 분쇄된 시료를 120 메쉬의 철망 주머니에 넣고 응축기와 연결된 둥근 플라스크에 담긴 자일렌(xylene)을 이용하여 1기압(0.1 ㎫), 110℃에서 12시간 동안 끓여 추출하였다. 추출 후 철망 주머니에 남은 시료의 양(㎎)을 측정하고, 이를 이용하여 겔분율(%)을 계산하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The crosslinking degree of the high density polyethylene-based resin recovered after each reaction was measured according to ASTM D2765. Briefly, the pulverized sample of 30 to 60 mesh was put into a 120 mesh wire mesh bag and boiled at 1 atmosphere (0.1 MPa) at 110 ° C. for 12 hours using xylene contained in a round flask connected to a condenser. It was. After extraction, the amount of the sample remaining in the wire mesh bag (mg) was measured, and the gel fraction (%) was calculated using this, and the results are shown in Table 1 below.
표 1은 본 발명에 따른 탈가교화 반응 시 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌의 입자 크기에 따른 겔분율을 측정한 결과이다. 표 1에 나타난 바와 같이, 분쇄물의 입자 크기가 10 내지 11 ㎜인 시료에서는 가교 고밀도 폴리에틸렌 수지의 고결정성으로 인해 탈가교화 반응이 잘 이루어지지 않은 반면, 분쇄물의 입자 크기가 6 ㎜ 이하, 특히 0.6 내지 1.0 ㎜인 시료에서는 탈가교화 반응이 잘 이루어져 겔분율이 1% 이하로 감소하였음을 확인하였다. 따라서 효율적인 탈가교화 반응을 위해서는 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 11 ㎜ 이하의 입자 크기를 갖도록 분쇄한 후 탈가교화시키는 것이 바람직하다.Table 1 shows the results of measuring the gel fraction according to the particle size of the waste crosslinked high density polyethylene during the decrosslinking reaction according to the present invention. As shown in Table 1, in the samples having a particle size of 10 to 11 mm of the pulverized product, the decrosslinking reaction was poor due to the high crystallinity of the crosslinked high density polyethylene resin, while the particle size of the pulverized product was 6 mm or less, especially 0.6 to In the sample of 1.0 mm, the decrosslinking reaction was well performed, and it was confirmed that the gel fraction was reduced to 1% or less. Therefore, for efficient decrosslinking reaction, it is preferable to crush the waste crosslinked high density polyethylene pipe to have a particle size of 11 mm or less and then decrosslink it.
실시예Example 2 2
약 90%의 겔분율을 갖는 고온고압 온수온돌용 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 0.6 내지 1.0 ㎜ 정도의 입자 크기로 분쇄한 후, 이 분쇄물과, 분쇄물 100 중량부에 대해 초임계 메탄올 125 중량부를 500 ㎖ 부피의 스테인리스강 회분식 반응기에 첨가하였다. 15 ㎫의 반응압력 하에서 반응기의 반응온도를 320℃, 340℃, 360℃, 365℃, 370℃, 380℃ 및 400℃로 달리하면서 각각 5분간 탈가교화 반응을 수행하였다. 탈가교화 반응이 종결된 후, 냉각기를 이용하여 반응물의 온도를 상온까지 급속히 냉각시켜 재생된 고밀도 폴리에틸렌계 수지를 회수하였다.The waste crosslinked high density polyethylene pipe for high temperature, high pressure hot water ondol having a gel fraction of about 90% was crushed to a particle size of about 0.6 to 1.0 mm, and then 125 weights of supercritical methanol was added to this pulverized product and 100 parts by weight of the pulverized product. Part was added to a 500 ml volume stainless steel batch reactor. The decrosslinking reaction was performed for 5 minutes while varying the reaction temperature of the reactor to 320 ° C, 340 ° C, 360 ° C, 365 ° C, 370 ° C, 380 ° C and 400 ° C under a reaction pressure of 15 MPa. After the decrosslinking reaction was terminated, a high density polyethylene resin was recovered by rapidly cooling the temperature of the reactant to room temperature using a cooler.
각각의 반응 후에 회수된 고밀도 폴리에틸렌계 수지의 겔분율(%)을 상기 실시예 1에 기재된 방법에 따라 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The gel fraction (%) of the high density polyethylene-based resin recovered after each reaction was measured according to the method described in Example 1 above, and the results are shown in Table 2 below.
무게비(g:g)XLPE: Methanol
Weight ratio (g: g)
표 2에 나타난 바와 같이, 약 90% 겔 분율을 가진 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프는 반응온도가 증가함에 따라 탈가교화 반응이 활발하게 진행되었는데, 360℃ 이하의 반응온도에서는 겔분율의 변화가 크지 않다가 365℃부터 겔분율이 일부 감소하기 시작하면서 370℃에서는 겔분율이 급격히 감소하였고, 380℃ 이상에서는 겔분율이 0.5% 이하로 감소하였다. As shown in Table 2, in the crosslinked high density polyethylene pipe having a 90% gel fraction, the decrosslinking reaction was actively carried out as the reaction temperature was increased, but the change in the gel fraction was not large at the reaction temperature below 360 ° C. The gel fraction decreased sharply at 365 ° C. and the gel fraction decreased rapidly at 370 ° C., and the gel fraction decreased below 0.5% at 380 ° C. or higher.
실시예Example 3 3
2000 ㎖ 부피의 스테인리스강 회분식 반응기를 사용하고, 하기 표 3에 나타난 바와 같이 반응온도, 반응압력 및 반응시간을 달리하는 것을 제외하고는 초임계 메탄올을 반응용매로 사용하여 상기 실시예 2와 같이 약 90% 겔분율을 가진 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 탈가교화 반응을 수행하였다. As described in Example 2, the supercritical methanol was used as a reaction solvent except for using a 2000 mL volume stainless steel batch reactor and varying the reaction temperature, reaction pressure and reaction time as shown in Table 3 below. Decrosslinking reaction of the waste crosslinked high density polyethylene pipe with 90% gel fraction was carried out.
표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 결과와 마찬가지로 370℃ 이상의 반응온도에서 탈가교화 반응이 진행될 때 반응압력 및 반응시간에 비례하여 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프의 겔분율이 감소함을 알 수 있었다.As shown in Table 3, it was found that the gel fraction of the waste crosslinked high density polyethylene pipe decreased in proportion to the reaction pressure and the reaction time when the decrosslinking reaction proceeded at the reaction temperature of 370 ° C. or higher, as shown in Example 2. .
상기 결과로부터 본 발명에 따라 초임계 메탄올을 반응용매로 이용하여 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 탈가교화시키면 겔분율이 현저히 감소하여 폐 가교 고밀도 폴리에틸렌계 파이프를 고밀도 폴리에틸렌계 수지로 효과적으로 재생할 수 있음을 확인하였다.According to the present invention, when the crosslinked waste crosslinked high density polyethylene pipe using supercritical methanol as a reaction solvent, the gel fraction was remarkably reduced, and it was confirmed that the waste crosslinked high density polyethylene pipe could be effectively recycled to the high density polyethylene resin. It was.
이상으로 본 발명 내용의 특정 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail, and it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
도 1은 본 발명에 따른 탈가교화 반응에 이용될 수 있는 고압용 회분식 반응기의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic diagram of a high pressure batch reactor that can be used in the decrosslinking reaction according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
A: 압력 게이지, B: 질소 유입구A: pressure gauge, B: nitrogen inlet
C: 후렌지, D: 반응기C: Hurenji, D: Reactor
E: 냉각수 유입구, F: 온도 게이지E: coolant inlet, F: temperature gauge
G: 질소 유출구, H: 냉각수 유출구G: nitrogen outlet, H: coolant outlet
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