KR101788697B1 - 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기성 자원인 섬유 스크랩과 또 다른 폐기성 자원인 폐전선의 피복재를 활용하여 고급 자원화함으로써, 환경오염 문제를 해소하고 폐기성 자원을 활용하여 저비용으로 고급 자원화한 복합 재생수지 조성물과 이를 가능하게 하는 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 폐전선으로부터 수득한 전선피복재의 파쇄물로부터 얻어지는 연질 PVC수지와, 상기 연질 PVC 수지 중량의 1~20%의 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 폐기성 섬유의 스테이플상 섬유 스크랩을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물이 제공된다.

Description

섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물 및 그 제조방법{Recycled resin compound using fiber scrap and manufacturing process thereof}

본 발명은 재생 수지조성물과 그 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 폐기성 자원인 섬유 스크랩과 또 다른 폐기성 자원인 폐전선의 피복재를 활용하여 고급 자원화함으로써, 환경오염 문제를 해소하고 폐기성 자원을 활용하여 저비용으로 고급 자원화한 복합 재생수지 조성물과 이를 가능하게 하는 제조방법에 관한 것이다.

PVC(폴리염화비닐, polyvinyl chloride)는 염화비닐을 수용성 현탁액이나 유탁액에서 과산화물 촉매를 사용하여 중합하여 얻어지는 범용의 열가소성 수지의 하나이다.

가소제를 거의 넣지 않은 경질 PVC는 건축 자재나 레코드판, 용기 등의 성형품으로 많이 사용되며, 가소제를 많이 넣은 연질 PVC는 전선의 피복용이나 구두, 농업용 필름, 스트레치 필름, 가방 등에 주로 사용된다.

2011년 세계 PVC 수요업체의 업종별 사용 현황을 살펴보면, 이러한 경질 PVC와 연질 PVC의 비율은 각각 65%와 26%이다. 경질 PVC 중에서도 파이프와 피팅 분야의 사용이 가장 많아, 전체 수요의 약 37%에 달하는 2,072만 톤을 사용하고 있다.

2011~2012년까지 연평균 업종별 수요성장을 살펴보면 역시 파이프와 피팅의 성장률이 8%로서 가장 높고, 다음으로는 전선용(전체 수요의 9%)이 5.2%로 높다.

이러한 시장의 수요조사 결과를 볼 때, 시장수요 성장률이 파이프와 피팅용 다음으로 높은 전선용으로 사용되고 나오는 부산물의 양이 매우 많을 뿐만 아니라, 향후에도 계속 증가할 것으로 예측되고 있다.

그런데 이 PVC는 약품에 비교적 안정하고 습기에 강하며 불에 잘 타지 않는 장점이 있는 반면, 연소할 때에 부식성과 신경이나 감각을 자극하는 성질이 있고 염화수소 가스가 발생하므로 폐기 처리할 때 문제가 되어, PVC 폐기물의 친환경적인 처리방안에 대한 대책이 절실히 필요하다.

또한, 국제적인 자원전쟁 및 환경규제가 심화되는 환경 속에서 자원 빈국인 우리나라에서는 기존에 사용된 자원의 재사용 및 고급자원화 가술확보가 필요한 상황이다.

그럼에도 불구하고, 현재 가장 널리 사용되는 범용 수지의 하나인 PVC의 재활용 분야에 있어서는 대부분이 부산물을 단순 선별 후 납품하는 초기 단계에 머물고 있는 실정이다.

한편, PVC 부산물을 재생하여 소재화하는 기술로는 전선피복재중 PVC 부산물에 EVA(polyvinyl acetate) 계통의 폴리올레핀계 수지를 첨가하여 재활용하는 기술과, 전선 피복재 부산물을 분쇄 후에 가소제 처리를 통해 타소재등과 혼합하여 건축자재로 사용하는 기술 등이 개발되어 있다.

그러나, 이들 기술은 단순히 PVC 부산물을 선별하거나 가공하여 재활용하는 방안을 제시하고 있을 뿐, 폐기성 자원을 활용하여 또다른 폐기성 자원을 재활용하거나 이를 고급 자원화하는 단계에는 이르지 못하고 있는 실정이다.

KR 10-2013-0104081 A KR 10-1296272 B1

본 발명은 상기와 같은 종래의 PVC 부산물의 재활용에 있어서의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 뛰어난 물성을 가진 유리섬유 또는 탄소섬유 등의 섬유 스크랩을 활용하여 기존에 단순 선별 사용되어온 PVC 부산물의 물성을 고성능화함으로써 고부가 자원화한 복합 재생수지 조성물을 제공함과 아울러, 이러한 재생수지 조성물을 제조하기 위한 효율적인 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물은,

폐전선으로부터 수득한 전선피복재의 파쇄물로부터 얻어지는 연질 PVC수지와, 상기 연질 PVC 수지 중량의 1~20%의 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 폐기성 섬유의 스테이플상 섬유 스크랩을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물을 제조하는 방법은,

폐전선으로부터 금속재 전선과 전선피복재를 분리하여 전선피복재만을 선별하는 공정과;

상기 분리·선별된 전선피복재를 파쇄하여 연질 PVC수지로 이루어진 전선 패복재 파쇄물을 얻는 공정과;

폐기되는 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 섬유를 스테이플상으로 절단하여 스테이플상 섬유 스크랩을 얻는 공정과;

상기 PVC수지의 파쇄물과 스테이플상 섬유 스크랩 및 첨가제를 혼합하여 용융 성형하여 복합화하는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물은 종래의 단순 재생수지 조성물에 비해 우수한 물성을 나타내기 때문에, 신재에 대한 대체 효과가 높을 뿐만아니라, 제조방법이 간단하다.

한편, 본 발명에 따르면 유리섬유 또는 카본섬유와 같은 섬유 스크랩과 PVC라는 2가지 이상의 폐기성 자원을 고급자원으로 재활용할 수 있게 되어, 유해성 폐기물을 저감시켜 환경 보전에 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 저급 폐기성 자원을 고급자원화할 수 있기 때문에 경제적인 측면에서 자원의 폐기 비용과 천연자원의 수입 등을 절감하며, 산업용 원재료 확보가 용이하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 공정 순서도;
도 2는 실시예에서 제조된 시트상 성형물의 사진.

이하 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도면과 실시예를 통해 설명한다.

본 발명은 폐기성 자원의 단순한 재생이 아닌 2종 이상의 폐기성 자원의 복합화를 통해 성능을 향상시킴으로써 고급 자원화하는 것에 관한 것이다.

이를 위한 기본적인 구성으로서의 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 재생 수지조성물은, 폐전선으로부터 수득한 전선피복재의 파쇄물로부터 얻어지는 연질 PVC수지와, 상기 연질 PVC 수지 중량의 1~20%의 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 폐기성 섬유의 스테이플상 섬유 스크랩을 포함하여 구성된다.

또한, 이와 같은 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 재생수지를 제조하는 방법은, 도 1에서 보는 것과 같이, 폐전선으로부터 금속재 전선과 전선피복재를 분리하여 전선피복재만을 선별하는 공정(S1)과; 상기 분리·선별된 전선피복재를 파쇄하여 연질 PVC수지로 이루어진 전선 패복재 파쇄물을 얻는 공정(S2)과; 폐기되는 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 섬유를 스테이플상으로 절단하여 스테이플상 섬유 스크랩을 얻는 공정(S3)과; 상기 PVC수지의 파쇄물과 스테이플상 섬유 스크랩 및 첨가제를 혼합하여 용융 성형하여 복합화하는 공정(S4)을 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 재생수지 조성물을 제조하는 방법을 각 공정별로 설명하면, 먼저 수집된 폐전선으로부터 금속재 전선과 전선피복재를 분리하여 전선피복재만을 선별하여 분리한다(S1).

다음으로, 상기 분리 선별된 전선피복재는 파쇄하여 연질 PVC수지의 파쇄물을 얻어(S2), 후속의 공정에서 스테이플상 섬유 스크랩과 복합화하는 데에 사용한다.

이때 상기 파쇄물의 크기는 대체로 1~20㎜가 바람직하며, 2~10㎜ 정도가 더욱 바람직하다.

전공정에서 금속재질의 전선과 전선피복재를 분리하여 전선피복재만을 선별하여 파쇄에 사용하지만, 파쇄물에는 대략 1중량% 정도의 금속재 전선의 미립자와 수지 등의 유기물질이 미립화된 분진 등이 포함되어 있으므로, 파쇄물을 얻은 이후에 이를 제거하여야 한다.

제거하는 방법으로는, 스크린을 이용한 선별과 블로잉(blowing)을 이용한 선별, 수세 등을 이용할 수 있으며, 고가의 금속재(주로 동재)의 회수와 불순물의 제거를 통한 품질 향상을 위해서는 이러한 불순물을 반드시 제거할 필요가 있다.

한편, 스테이플상 섬유 스크랩을 얻는 공정(S3)에서는 폐기되는 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 섬유를 PVC 수지와 혼합하기 좋은 스테이플상으로 절단한다.

절단하는 길이는 원하는 물성에 따라 달라질 수 있지만, 대체로 1~10㎜의 범위가 바람직하다. 길이가 너무 짧으면 물성 향상 효과가 떨어지며, 분진의 발생으로 인해 작업환경이 나빠지며, 길이가 너무 길면 혼합이 균일하게 이루어지기 어려우므로 바람직하지 않다.

마지막으로, 상기 각 공정들을 통해 얻은 PVC 수지 파쇄물과 섬유 스크랩 및 첨가제를 혼합하여 복합화하게 된다(S4).

복합화하는 공정은, 이들 재료들을 압출기 또는 사출기의 스크루에 함께 투입하여 PVC 수지를 용융하면서 균일하게 혼합하여 복합화하여 복합 재생수지 조성물을 얻는다.

이때, 압출기 또는 사출기를 통하여 최종 제품형태로 바로 성형할 수도 있으며, 압출기를 통해 펠릿형태로 만든 다음, 재차 압출 또는 사출을 통해 최종 제품으로 성형할 수도 있다.

품질의 안정성과 생산 효율성 등의 측면에서는 재생수지 펠릿을 제조하여, 이후의 성형에 제공하는 것이 바람직하지만, PVC수지는 전선피복재로 제조되고 재생되면서 수차례 고온의 열에 노출되기 때문에, 직접 최종 제품형태로 사출 또는 압출하는 것이 PVC 수지의 열적 특성을 유지하게 하는 측면에서는 유리할 수 있다.

또한, 압출 또는 사출시의 배럴 내부의 온도는 80~200℃의 범위가 바람직하며, 수지의 열 이력과 첨가제의 종류 등을 고려하여 적절하게 관리할 필요가 있다. 온도가 상기 범위보다 낮으면 유동성이 충분하지 않아 균일한 혼합과 복합화가 어려우며, 온도가 너무 높으면 PVC 수지의 열분해가 일어나 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.

상기 첨가제로는 가소제와 사슬연장제, 가수분해 방지제 및 가교제 등을 들 수 있으며, 원하는 물성과 성능을 고려하여 선택적으로 첨가 여부 및 첨가량을 결정할 수 있다.

상기 가소제는 PVC에 사용하여 제품의 유연성과 작업성을 높여주는 물질로서, 가소제의 첨가에 의하여 용융온도 및 용융점도가 저하되어 가공성과 제품의 물성을 개선할 수 있다.

상기 가소제로는 DOP(Dioctyl phthalate), DINP(Diisononyl phthalate), DIDP(Diisodecyl phthalate) 등을 첨가할 수 있다.

사슬연장제(체인익스텐더 Chain Extender)와 가수분해 방지제 등의 첨가제를 넣어 고유점도 값과 여러 기본 물성치들을 유지하거나 증가시킬 수 있다.

상기 사슬연장제는 점도가 낮은 고분자 물질에 첨가하여 고분자 사슬을 연장시켜 물성을 높일 수 있는 것으로, 디아민계의 사슬연장제, 다가알콜아민계 사슬연장제, 다가알콜계 사슬연장제 등이 있으며, 구체적으로는 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, m-페닐렌디아민, 트리에탄올아민, N,N-디에탄올아민 유도체 등을 들 수 있으며, 이들중 다가 알콜아민계가 적합하다.

가수분해 방지제는 촉매 활성을 방지시키는 화합물로 크게 에폭시기, 옥사졸린기, 카르보디 이미드기 등의 치환기를 갖는 화합물을 들 수 있다.

상기 카르보디이미드계 화합물은 일관능기와 다관능기를 가진 것이 있으며, 일관능기 카르보디이미드 호합물로는 디시클로헥실카로보디이미드, 디메틸카로보디이미드, 디옥틸카르보디이미드, 디옥틸카르보디이드, 디페닐카르보디이미드 등을 들 수 있으며, 다관능기 카르보디이미드 화합물로는 1,5-페닐렌카르보디이미드, 1,4-페닐렌디이소시아네이트, 2,4-톨릴렌카르보디이미드, 헥사메틸렌카르보디이미드, 테트라메틸크실렌카르보디이미드 등을 들 수 있다.

한편, 상기 스테이플상으로 절단된 섬유 스크랩은 연질 PVC 수지로 이루어진 전선 피복재 파쇄물 중량의 1~20%의 유리섬유 또는 탄소섬유를 첨가하되, 첨가량은 원하는 제품의 물성에 따라 조정될 수 있다.

섬유 스크랩의 사용량이 높을수록 인장강도와 충격강도 등의 물성이 좋아지지만 성형성이 나빠질 수 있다. 상기 섬유 스크랩의 첨가량이 1중량% 미만일 경우에는 희망하는 물성의 향상을 기대하기 어려우며, 20%를 초과할 경우에는 성형성이 나빠질 뿐만 아니라, 신율이 지나치게 저하되고 인장강도나 충격강도 등의 다른 물성도 오히려 저하될 수 있어 바람직하지 않다.

실시예

수거된 폐전선을 깨끗이 세척하여 이물질을 제거한 후에, 동재의 전선부분과 연질 PVC 수지로 이루어진 전선피복재를 서로 분리하였다.

상기 분리된 전선피복재만을 취하여 파쇄기를 사용하여, 3~5㎜ 길이가 되도록 파쇄하였으며, 수세를 통해 금속재 전선 미립자와 분진을 제거하고 순수한 연질 PVC 파쇄물을 얻었다.

한편, 폐기되는 유리섬유를 수거한 다음, 대략 3㎜ 정도로 절단하여 섬유 스크랩을 준비하였다.

상기 준비된 연질 PVC수지의 파쇄물 200g과 섬유 스크랩 4g 및 가소제로 DOP(Dioctyl phthalate) 20g을 균일하게 혼합한 다음, 성형틀에 투입하고 200℃의 온도에서 압착함으로써 성형하여 재생 수지조성물로 이루어진 시트상의 성형물을 얻었다(도 2).

상기 얻어진 성형물을 시료로 하여, 하기 표 1에서 보는 것과 같이 물성 시험을 실시하였다.

표 1에서 보는 것과 같이, 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 섬유 스크랩을 이용한 재생 수지조성물을 이용한 성형물은 비교예에 나타낸 종래의 단순 재생 수지조성물의 성형물에 비해 인장강신도와 충격강도 및 열변형온도 등의 전반적인 물성에서 현저히 상승된 값을 나타내었다.

비교예

상기 실시예와 마찬가지로 전선 피복재 파쇄물을 얻고, 이를 이용하여 실시예에서와 동일한 조건에서 성형물을 만들었다. 다만, 섬유 스크랩은 첨가하지 않고 전선피복재 파쇄물과 가소제만을 사용하였다,

얻어진 시트상 성형물을 사용하여 실시예에서와 동일한 물성 시험을 실시하고, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.

시험항목	단위	실시예	비교예	시험방법
인장강도	㎏/㎠	210	204	ASTM D638
신율	%	95	137	ASTM D638
충격강도	㎏·㎝/㎠	5.6	4.4	ASTM D256
열변형온도	℃	67	63	ASTM D648

Claims (2)

1. 폐전선으로부터 수득한 전선피복재의 파쇄물로부터 얻어지는 연질 PVC수지와, 상기 연질 PVC 수지 중량의 1~20%의 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 폐기성 섬유의 스테이플상 섬유 스크랩, 가소제, 다가 알콜아민계 사슬연장제, 및 가수분해 방지제를 포함하여 구성되고,
   상기 폐기성 섬유의 스테이플상 섬유 스크랩은 1~10㎜의 길이로 절단된 것을 특징으로 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물.
2. 폐전선으로부터 금속재 전선과 전선피복재를 분리하여 전선피복재만을 선별하는 공정과;
   상기 분리·선별된 전선피복재를 파쇄하여 연질 PVC수지로 이루어진 전선 패복재 파쇄물을 얻는 공정과;
   폐기되는 유리섬유 또는 탄소섬유 중에서 선택되는 어느 한 종 이상의 섬유를 1~10㎜의 길이의 스테이플상으로 절단하여 스테이플상 섬유 스크랩을 얻는 공정과;
   상기 PVC수지의 파쇄물과 스테이플상 섬유 스크랩 및 가소제, 다가 알콜아민계 사슬연장제, 및 가수분해 방지제를 포함한 첨가제를 혼합하여 용융 성형하여 복합화하는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유 스크랩을 이용한 복합 재생수지 조성물의 제조방법.

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