KR101791389B1 - 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법 - Google Patents

무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기물이 충전(充塡)된 친환경 인조잔디 충진재에 관한 것으로서,
바이오매스를 분쇄하여 6~12mesh 사이분의 크기를 갖는 것을 선별한 분쇄분에, 100mesh 통과분의 크기를 갖는 무기물을 선별한 바이오매스 분쇄분에 충전시키되, 화학적 바인더를 사용하지 않고 물리적인 힘을 가하여 바이오매스와 무기물을 결합시킨, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING THE ENVIRONMENTAL FRIENDLY FILLING MATERIALS FOR ARTIFICIAL TURF}
본 발명은 무기물이 충전(充塡)된 친환경 인조잔디 충진재에 관한 것으로서,
바이오매스를 분쇄하여 6~12mesh 사이분의 크기를 갖는 것을 선별한 분쇄분에, 100mesh 통과분의 크기를 갖는 무기물을 선별한 바이오매스 분쇄분에 충전시키되, 화학적 바인더를 사용하지 않고 물리적인 힘을 가하여 바이오매스와 무기물을 결합시킨, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것이다.
천연잔디를 대체하기 위해 개발된 인조잔디는 축구장을 포함한 다양한 운동구장, 근린공원, 종합운동장, 옥상 등 매우 다양한 공간에 적용되고 있다. 이러한 인조잔디는 천연잔디에 비하여 유지관리가 용이하며 설치 및 시공에서도 간편할 뿐만 아니라 날씨와 계절의 환경적 영향이 적고, 여러 가지 부분에서 상대적으로 경제성이 우수하기 때문에 기존에 햇빛이 잘 들지 않는 인공지 뿐만 아니라 다양한 종목의 스포츠용 공식 경기장 등으로 그 활용이 확대되고 있으며, 전 세계적으로 인조잔디의 사용이 증가되고 있다. 특히, 호주 등의 경우와 같이 2008년 가뭄 이후 정부의 야외 물 사용을 제한하면서 천연잔디의 관리가 더욱 어려워짐에 따라 인조잔디 수요는 더욱 늘어나 2013년 기준 347만불의 규모를 나타내고 있는 실정이다(출처 : IBIS World Australia // Kotra 호주 인조잔디 시장 동향(2015)).
이러한 인조잔디는 합성수지로 만들어진 풀 형태 부분과 이러한 인조 풀을 잡아주고 고정해주며 일정 정도의 배수와 완충성을 제공하기 위한 충진재로 구성되어 있다. 이러한 인조잔디 충진재는 인조잔디의 내구성을 증대시키며 인조 풀 섬유의 고정과 탄성을 부여하기 위하여 사용되고 있으며 인조잔디 적용 확대에 따라 그 사용량이 점차 증가하고 있다.
인조잔디 시스템의 주요한 구성인자인 충진재는 대체로 폐고무를 주재료로 제조된 고무칩을 적용하여 왔으나 인조잔디에 적용 후 사용 중에 고무냄새를 포함하여 다양한 유해성 물질들이 발산될 수 있는 문제로 현재 그 적용이 제한되고 있는 상황이다. 폐고무칩에 비해 가격이 비싸지만 상대적으로 인체에 대한 유해성이 적은 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌(SEBS) 또는 EPDM 고무를 이용하여 만든 충진재가 현재 널리 사용되고 있는데, 이러한 합성 고분자 수지기반 충진재의 경우에도 반복활용으로 인해 부스러진 미세분진이 발생될 수 있고, 하절기 직사광선에 의한 복사열의 발산이 잘 이루어지지 않아 인조잔디의 표면온도가 급격히 상승할 수 있는 문제를 가지고 있다.
실제 직사광선 등의 복사열에 의하여 여름철에 인조잔디의 지면 온도가 약 69℃ 이상으로 상승한다는 보고가 있다(출처 : 이기준 기자, 여름철 지표온도, 인조잔디가 최악, 금강일보, 08.19(2015)). 태양 복사에너지에 의한 하절기 인조잔디 표면온도 증가는 특히, 폐고무칩이나 고분자합성수지를 기반으로 제조된 충진재의 활용성을 크게 악화시킬 수 있다. 실제 인조잔디 사용자의 신발과 인조잔디와의 마찰열 발생 등으로 충진재가 운동화 바닥에 녹아서 달라붙거나, 미끄러져 넘어지는 경우 사용자에게 화상을 발생시키거나, 높은 온도에서 합성수지 충진재의 열화가 발생하여 충진재로부터 유해가스 또는 미세분진을 발생하는 등의 문제를 일으킬 수 있고, 이때 용출되는 중금속 성분은 인조잔디 사용자에게 위해요소로 작용할 수 있다(출처 : 황의현, 권용수, 정태헌, 정상무, 인조잔디용 친환경 충진제 개발에 관한 연구, 한국도시환경학회지 13(2): 141-146(2013)).
이를 개선하기 위한 기술로서, 등록특허공보 제10-1381158호에 커피슬러지와 콜크분말을 이용한 탄성고무칩 제조방법과 이에 의해 제조된 탄성고무칩이 기재되어 있다.
상기 기술은, 고무칩의 고무냄새를 소취하기 위하여 커피슬러지와 탄성을 위해 콜크분말을 적용하여 충진재를 제조하는 내용이 기재되어 있는데, 충진재 제조를 위해 폴리부타디엔 고무 등의 합성수지를 필연적으로 적용함에 따라 환경적인 문제를 완전히 극복하지 못한 문제가 여전히 존재한다.
다른 관련된 기술로서, 등록특허공보 제10-1610679호에는 인조잔디용 친환경 충진재와 그 제조방법이 기재되어 있다.
상기 기술은, 유해물질이 포함되어 있지 않은 친환경 소재를 이용하여 무기물 분말과 혼합한 후 물과 접착제를 혼합, 표면에 옻코팅을 실시한 후 열처리를 실시하는 내용이 기재되어 있는데, 접착제로 사용하는 닥풀 및 밀 씨앗가루는 장기간의 사용 시 수분저항성이 약하여 물에 풀리는 현상이 발생 및 풀리면서 유기물이 부유하는 현상이 발생되기 때문에 실제 사용이 어려운 단점이 있다.
상기 기술들과 같은 유해성 물질을 사용하지 않기 위한 방법으로 다양한 천연소재 및 바이오매스 기반 소재들의 적용이 증가되고 있다.
특히, 다양한 바이오매스 기반 소재 중 코코피트, 피트모스, 왕겨 등의 소재의 적용이 시도되었으나, 코코피트는 수분흡수성이 크고 지속적인 사용이 이루어질 경우 쉽게 입자의 크기가 분해되어 실제 인조잔디 충진재로서의 역할이 크게 감소되는 단점을 가진다.
피트모스는 가격이 비싸기 때문에 실제 활용이 어려우며 수분흡수율이 높고 뭉치는 현상이 크게 발생하며 사용이 지속될 경우 부서지는 특성 때문에 바람에 유실되는 등 실제 장기간 사용이 어려운 단점이 있다.
또한 코코피트, 피트모스는 국내에서 생산이 되지 않으며 모두 전량 수입에 의존하고 있어 해외 의존도가 높은 단점이 있다.
다만, 왕겨의 인조잔디 충진재로의 활용을 위하여 등록특허공보 제10-1077734호에서는 인조 잔디 충전재를 기재하고 있다. 이 기술에서는 왕겨에 황토를 부착하는 충진재를 소개하고 있으나 황토의 부착을 위하여 바인더를 적용하여야 했고 이로 충진재의 가격이 상승하고 표면에 존재하는 바인더와 황토 등에 의해 실제 적용시 왕겨 등이 서로 뭉치는 현상이 발생됨에 따라 배수기능이 저하되는 단점을 가지게 된다.
한편, 다양한 용도로 활용되는 목재의 경우 주로 제재후 가구재, 건축자재 등으로 활용되거나 또는 목재칩으로 제조되어 펄프용 원료나 MDF용 목재섬유 원료로 활용된다.
이렇게 원목을 가공하여 목재로서 활용하기 위해서는 목질부와는 특성이 상이한 수피부분을 박피과정을 통해 제거하는데 이러한 수피는 목질부와는 달리 회분함량이 높고 추출물이 상대적으로 많이 존재함에 따라 활용이 제한적이며 리그닌 함량이 높고 기능성 추출물로 인해 잘 부패되지 않는 특성을 가지고 있다.
실제 벌목된 원목에서 약 10~20% 정도가 박피과정 중 제거되어 버려지고 있고 일부 조경용 멀칭재료로 사용되고 있으나 대부분 특별한 용도없이 폐기되고 있다
이러한 수피의 특징은 수종에 따라 다르게 나타나지만 참나무류의 활엽수 수피의 경우에는 내피에 코르크층이 존재하여 완충성이 우수한 특성이 있고 침엽수 수피의 경우 피톤치드 등을 포함하는 다양한 기능성 추출물이 존재하는 특성이 있다. 수목을 외부로부터 보호하는 역할을 하는 수피는 목질부에 비해 상대적으로 벌크한 특성을 가지며 수분에도 강한 특성을 가짐에 따라 적절하게 개질되는 경우 완충성과 내수성을 가지며 경제성이 우수한 친환경 완충소재로서 인조잔디 충진재의 주요 원료로 활용될 수 있다.
또한, 매년 상당량이 발생하는 침엽수 낙엽의 경우에도 활엽수 낙엽과 달리 구조적 강성과 완충성을 가지며 피톤치드와 같은 천연 제초성분들이 다량 존재하는 특징을 가지고 있기 때문에 친환경 충진재의 원료로서의 활용성이 높다.
본 발명에서는 이러한 수피 또는 침엽수 낙엽과 같은 폐기성 바이오매스의 기능성을 활용한 친환경 충진재를 소개하고자 한다.
기존의 유기성 충진재의 경우 빗물 등에 부유하여 유실이 쉽게 발생하는 단점이 있는데 이러한 단점을 해결하기 위하여 무기물을 혼입하는 기술이 적용된 바 있다. 그러나, 이러한 충진재의 기능을 강화하기 위해 무기물을 적용하는 경우 현재까지는 합성수지 등의 바인더를 활용하거나 플라스틱, 고무수지와 함께 배합하여 사출하는 방식이 적용되어 왔다.
이러한 방법들은 유해성 물질이 발생될 수 있는 합성수지를 사용하기 때문에 최종제품의 친환경성이 떨어지는 단점이 있고 천연바인더를 적용하는 경우에도 실제 인조잔디에 적용시 빗물 등에 의해 쉽게 해리되어 충진재의 유실과 뭉침 등의 적용상 문제점을 발생시킬 수 있다. 또한, 바인더의 적용시 전체 충진재에 대한 균일한 적용이 어렵기 때문에 최종 충진재 제품에서 품질의 변이가 크게 발생할 여지가 크고 제품의 경제성이 크게 악화되는 단점을 가지고 있다.
본 발명에서 소개되는 기술의 경우에는 수피 등의 바이오매스 표면의 다양한 미세공극이 존재하는 구조적 특성을 활용하여 물리적인 방법으로 무기물이 바이오매스 표면 공극을 매워서 채우는 충전(充塡)을 실시함에 따라 추가적인 바인더의 적용이 없는 친환경적 공정을 통한 친환경적 소재로만 구성된 장점이 있을 뿐만 아니라 추가적인 공정에너지, 공정의 환경처리공정 등이 필요 없고 상대적으로 경제성이 우수한 방식으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
등록특허공보 제10-1381158호(2014.04.04. 공고) 등록특허공보 제10-1610679호(2016.04.08. 공고) 등록특허공보 제10-1077734호(2016.05.09. 공고)
본 발명의 목적은, 본 발명은 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것으로서, 바이오매스를 분쇄하여 6~12mesh 사이분의 크기를 갖는 것을 선별한 분쇄분에, 100mesh 통과분의 크기를 갖는 무기물을 선별한 바이오매스 분쇄분에 충전시키되, 화학적 바인더를 사용하지 않고 물리적인 힘을 가하여 바이오매스와 무기물을 결합시킨, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법은, 바인더의 사용 없이 원통형 용기의 회전을 이용한 물리적인 힘으로만 바이오매스 분쇄분의 공극에 무기물 분쇄분을 물리적으로 끼워 넣어 충전 결합시켜 인조잔디 충진재를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 바이오매스를 절단 및 분쇄한 후 6~12mesh 크기의 것을 선별하여 바이오매스 분쇄분을 획득하는 단계;
(b) 황토 계열의 무기물, 질석 분말 계열의 무기물, 경석 계열의 무기물, 사암 계열의 무기물, 화강암 계열의 무기물, 탄산칼슘(CaCO3), 활석(talc), 운모(mica), 클레이(clay), 실리카(SiO2), 황산바륨(BaSO4), 탄산마그네슘(MgCO3), 산화규소, 산화알루미늄, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화제2철 또는 산화티탄 중에서 선택된 하나 이상을 분쇄한 후 100mesh 통과분 크기의 무기물 분쇄분을 선별하여 획득하는 무기물 분쇄분을 획득하는 단계;
(c) 내벽에 중심방향으로 베플판이 다수 개 돌출되고 보조재인 금속구가 내부에 포함하는 원통형 용기에 바이오매스 분쇄분과 무기물 분쇄분을 1:1~2의 무게 비율로 충전하여 원통형 용기의 회전을 이용한 물리적인 힘만을 이용하여 바이오매스 분쇄분에 무기물 분쇄분을 충전하는 충전 단계; 및
(d) 충전된 충진재에서 인조잔디 충진재로 사용할 충진재를 선별하는 단계;로 이루어지고,
상기 친환경 인조잔디 충진재는, 60W의 파워를 갖는 할로겐 램프로 20분 동안 열을 인가한 후 적외선 표면 온도 측정기로 측정하였을 때, 40℃ 이하의 표면 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 (d) 단계는, 상기 무기물 분쇄분이 바이오매스 분쇄분에 충전된 이후, 진동이 인가되는 스크린 장치를 통해 인조잔디 충진재로 사용할 충진재를 선별하는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 바이오매스 분쇄분은, 침엽수 임목의 수피 부산물, 활엽수 임목의 수피 부산물, 칩 부산물, 코르크, 목분, 톱밥, 목질 바이오매스 또는 비목질 바이오매스 중에서 선택된 하나 이상을 분쇄하여 획득된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 의하면, 물리적인 힘을 인가하여 바이오매스에 무기물을 충전시키는 과정으로 제조되기 때문에, 별도의 화학적 바인더를 사용하지 않아도 되고, 이에 따라 화학약품에 따른 유해성분이 발생되지 않고, 쉽게 다량 생산이 가능한 이점이 있다.
또한, 폐쇄된 환경에서 60W의 할로겐 램프를 입사하였을 때, 기존의 충진재가 표면 온도 70℃를 나타내는 것과 달리, 36℃의 표면 온도가 측정된 것으로 미루어보면, 여름철에 태양광을 흡열하여도 시중의 다른 인조잔디 충진재에 비해 낮은 표면 온도를 갖을 것으로 기대된다.
또한, 물에 부유되지 않기 때문에, 우천시 등에 의해 물에 노출되어도 인조잔디 또는 이의 충진재가 흩어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 바이오매스로서 침엽수 수피 및 낙엽을 사용하는 경우에는, 피톤치드가 발생되어 인조잔디 충진재로 적용하였을 때, 잡초 등이 생육할 수 없도록 하는 이점이 있다. 이에 따라 인조잔디를 관리하는데 소요되는 인력과 시간, 그리고 비용이 절감될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법을 흐름도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법를 제조하는데 사용되는 원통형 용기(드럼)을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명은 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것으로서,
바이오매스를 분쇄하여 6~12mesh 사이분의 크기를 갖는 것을 선별한 분쇄분에, 100mesh 통과분의 크기를 갖는 무기물을 선별한 바이오매스 분쇄분에 충전시키되, 화학적 바인더를 사용하지 않고 물리적인 힘을 가하여 바이오매스와 무기물을 결합시킨, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법에 관한 것이다.
즉, 종래에는 합성수지나 화학처리된 바인더를 활용하는 방식, 또는 플라스틱 및 고무수지를 함께 배합하여 사출하는 방식으로 바이오매스와 무기물을 결합시키고 있었는데, 이는 유해성 물질이 발생될 수 있고, 최종적으로 제품의 친환경성이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나 상기의 방식이 아니면 종래에는 바이오매스와 무기물을 결합시킬 수 없었기 때문에 위 문제점이 있음에도 상기 방식이 적용되는 실정이었다.
그러나, 본 출원인은 바이오매스와 무기물의 입자크기를 조절하는 한편, 조절된 입자크기에 의해 물리적인 힘이 인가되는 것만으로도 바이오매스와 무기물이 결합될 수 있도록 하는 방식을 제안하고, 또한 상기 방식에 의해 제조된 인조잔디 충진재를 제시한다.
이러한 인조잔디 충진재는 바이오매스와 무기물만을 이용하여 물리적인 힘에 의해 결합됨으로써, 무기물이 바이오매스에 충전되도록 한다.
이와 같은 인조잔디 충진재를 제조하는 과정은 아래의 실시예 1과 같다.
실시예 1. 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법
본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법은 첨부된 도면의 도 1을 참조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법을 흐름도로 나타낸 것이다.
1. 바이오매스 준비단계
바이오매스 준비단계는 바이오매스를 준비하는 단계로서,
본 발명에 따른 바이오매스는, 침엽수 및 활엽수 임목의 수피 부산물, 칩 부산물, 코르크, 목분, 톱밥, 목질 바이오매스, 비목질 바이오매스 등 다양한 원료일 수 있는데, 본 명세서에서는 수피를 예로 든다.
다양한 바이오매스 기반 소재 중 코코피트, 피트모스, 왕겨 등의 소재의 적용이 시도되었으나, 코코피트는 지속적인 사용이 이루어질 경우 수분에 의한 입자가 팽창하는 특성을 가지게 되어 우천시 빗물의 흡수가 크고 입자의 크기가 쉽게 분해되어 실제 인조잔디 충진재에서 요구하는 크기를 만족시키기가 어렵다. 또한 코코피트의 제조 특성 상 산성을 띄고 있기 때문에 빗물에 녹아나가면서 토양을 산성화 시켜 토양 오염을 유발할 수 있는 단점이 있다. 피트모스는 가격이 비싸기 때문에 실제 활용이 어려우며 수분흡수성이 크고 사용이 지속될 경우 부서지는 특성 때문에 바람에 유실되는 등 실제 장기간 사용이 어렵다. 그리고 코코피트, 피트모스 모두 전량 수입에 의존하고 있어 해외 의존도가 높은 단점이 있다.
다양한 부산물 중 수피는 내구성이 우수하며 다른 유기소재와는 다르게 부식성, 내구성이 강한 장점이 있다. 특히 국내에서는 리기다 소나무가 부산물로 주로 발생하고 있으며(출처 : 산림바이오매스 효율적 생산 수집을 위한 실용장비 개발, 국림산립과학원(2012)), 침엽수 특성 상 왁스 및 피톤치드 등의 기능성 물질 함량이 높아 항균, 제초, 부패방지 등의 특성을 가지고 있다. 또한 활엽수 수피 중 참나무류의 수피는 내부에 코르크 층이 존재함에 따라 수분 등에 대한 저항성이 크고 완충성이 우수한 특성을 가지게 된다.
특히, 침엽수 수피 및 낙엽에는 피톤치드의 함량이 높은 것으로 알려져 있는데, 이는 침엽수 수피 및 낙엽이 분쇄되거나 마모될 때 은은한 향을 풍기도록 한다. 이러한 피톤치드(phytoncide)는 식물이 다른 미생물로부터 자기 몸을 방어하기 위하여 여러 가지 살균물질을 발산하는 물질을 통칭하며, 공기 중으로 세균이나 곰팡이를 죽이고, 해충, 잡초 등을 방지하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 칩엽수 수피 및 낙엽을 통해 인조잔디 충진재를 제조하는 경우에는 인조잔디에 잡초, 해충 등이 발생되는 것을 막을 수 있는 효과도 기대할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 수피 및 낙엽의 기능성을 이용하고자 인조잔디 충진재의 주요 원료로 사용하였다.
2. 전처리단계
전처리단계는, 바이오매스 준비단계에서 준비된 바이오매스를 물리적으로 전처리하여 소정의 크기로 절단 및 분쇄하는 단계이다.
수피를 인조잔디용 충진재로 활용을 위해서는 일정한 크기 및 형태로의 수피 전처리가 필수적이다. 물리적 전처리는 분쇄의 장치 및 기작 등에 의하여 매우 많은 방법들이 존재하며, 목적에 따라 선택하여 최적화하는 기술이 필수적이다.
물리적 처리 기작은 분쇄, 분열, 타격, cutting, sawing 충격, 마찰 등이 존재하며 초기 처리 및 2차 처리, 원료의 크기 등에 의하여 다르게 적용해야 효과적이다. 이때, 핀밀(pin mill), 볼밀, 전단밀, 콜로이드밀, 조쇄기, 전단 조쇄기, 충격파쇄기, 롤밀, 해쇄기, 리파이너, 분체층타격식 분쇄기, 고속 회전식 분쇄기, 제트 분쇄기, 균질화기 또는 PFI 밀(mill) 등이 형태적 크기의 조절이 가능한 장치의 적용이 가능하다.
즉, 상술된 바와 같이 본 발명에서는 침엽수 수피를 이용하여 인조잔디 충진재를 제조하였으며, 수피의 물리적 전처리에 의한 외관 특성 변화 평가를 실시하였다
침엽수 수피 부산물은 형태 및 크기가 매우 다양하다. 즉, 채집되는 형태, 위치 등의 따라서 발생되는 형태가 매우 다양하기 때문에 충진재로 활용을 위해서는 형태적 특성의 변화를 위한 전처리가 필수적이다. 형태적 특성을 변화시키기 위하여 해머밀 방식의 분쇄화 장치를 이용하여 전처리를 실시하였으며, 분쇄화를 실시한 후 변화하는 형태적 특성을 [표 1]에서 나타내었다.
구체적으로, 물리적 처리 방법에 의한 외관 특성을 평가하기 위하여 분쇄 조절 장치의 종류에 의한 외관 특성 평가를 실시하였는데,
평가를 위하여 Hammer(pin) 형과 cutting 형 분쇄 크기 조절 장치를 이용하여 전처리를 한 후 6~12mesh를 이용하여 분급한 후 외관을 평가하였다.
외관 특성 평가 결과 분쇄화 장치에서 전처리 된 수피가 모가난 부분이 상대적으로 적어 실제 인조잔디 충진재로의 활용이 용이할 것으로 판단하였다.
즉, [표 1]과 같이 단순 커팅시킨 수피 부산물의 경우, 날카로운 표면이 많이 발생된 반면, 분쇄화 장치를 이용하여 전처리를 수행한 경우, 비교적 부드러운 표면을 나타내었다.
또한, 분쇄시 다양한 입자 크기의 원료를 유사한 크기의 원료로 전처리가 가능함을 확인할 수 있다. 침엽수 수피 원료의 회분량을 측정한 결과 약 1.56%의 무기물 함량을 갖고 있는 것을 확인하였다.
Figure 112017051815844-pat00001
3. 바이오매스 분쇄분 선별단계
바이오매스 분쇄분 선별단계는, 전처리를 통해 소정의 크기로 절단 및 분쇄된 바이오매스 중, 6~12mesh에 해당되는 분쇄분을 선별하는 단계이다.
이때, 6mesh를 통과하지 않는 큰 크기의 원료는 인조잔디 내부 사이에 충전이 용이하지 못한 단점이 있다.
즉, 실제 충진제의 적용을 위해서는 분쇄 후 바이오매스의 크기가 6~12mesh 정도의 크기가 가장 효과적이다.
6mesh를 통과하지 않는 큰 크기의 원료는 인조잔디 내부 사이에 충전이 용이하지 못한 단점이 있다. 12mesh 이하 미세한 크기를 사용할 경우 이후 기능성 부여를 위한 무기물 충전시 무기물의 충전이 용이하지 못하게 되며, 충진재로서도 충분한 벌크를 제공하지 못하여 완충성을 부여하지 못하게 된다.
또한, 현 KS M 3888-1:2013의 인조잔디 충진재의 입자 크기 기준이 1.4mm ~ 3.35mm 의 크기가 94% 이상이 되어야 한다고 명기되어 있다. 기준을 만족시키기 위해서는 12mesh 이하는 1.68mm의 크기보다 작기 때문에 실제 사용이 어렵다.
4. 무기물 준비단계
무기물 준비단계는, 바이오매스 분쇄분의 공극에 충전될 무기물을 준비하는 단계로서, 이는 위의 바이오매스 준비 이전 또는 상기 바이오매스 준비 이후 중 어느 때 수행되어도 무방하다.
무기물은 대표적으로 황토, 질석 분말이 활용되고 추가적으로 경석, 응탄암, 사암, 화강암 계열의 무기물과 경석, 응탄암, 사암, 화강암 계열의 무기물과 탄산칼슘(CaCO3), 활석(talc), 운모(mica), 클레이(clay), 실리카(SiO2), 황산바륨(BaSO4), 탄산마그네슘(MgCO3), 산화규소, 산화알루미늄, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화제2철, 산화티탄 등의 다양한 무기물의 사용이 가능하다.
이때, 적용되는 무기물의 비중에 따라 부유 특성의 조절이 가능할 수 있으며 화강암의 비중은 2.7g/cm3 으로 사암 2.0g/cm3, 응탄암 1.5g/cm3, 경석 0.9g/cm3, 일반 흙 1.3g/cm3, 모래 1.7g/cm3 보다 높아 가장 바람직하지만, 상기 기재된 이외의 무기물도 사용이 가능하다
이러한 바이오매스와 무기물은, 화학 처리되어 접착과 충전을 목적으로 하는 바인더를 사용하지 않고, 물리적인 힘을 인가받아 무기물이 바이오매스에 충전되도록 하는 것으로서, 이에 따라 바인더를 사용하는 경우보다 친환경적이고, 유해물질을 발생시키지 않는 이점이 있다.
5. 충전용 무기물 분쇄분 선별단계
충전용 무기물 분쇄분 선별단계는, 무기물 준비에서 준비된 무기물을 100mesh 크기의 망에서 걸러내어, 100mesh 망을 통과하는 통과분의 크기를 갖는 무기물 분쇄분을 선별하는 단계이다. 이러한 무기물 분쇄분을 이하에서는 충전용 무기물 분쇄분로 지칭한다.
수피의 공극의 크기는 약 50um 이내의 크기로 분포된다.
따라서, 수피에 충전시키기 위해서는 무기물(황토)이 상기 수피의 공극의 크기보다 작아야 하기 때문에 무기물 분급기술의 활용은 필수적이다.
본 발명에서는 황토의 품질을 균일하게 하고 충전을 용이하게 하기 위하여 100mesh를 이용하여 분급을 실시한 후 충전에 사용하였다. 100mesh로 분급된 황토의 크기 분포를 나노입도분석기(Nano Particle Size Analyzer)를 이용하여 평가하였다. 분석 결과 50 μm 이내의 황토 입자 크기가 약 85% 이상이 포함되는 것을 확인할 수 있었다. ([표 2 참조]).
Figure 112017051815844-pat00002
Figure 112017051815844-pat00003
100mesh 이상 100mesh 이하
Figure 112017051815844-pat00004
상술된 본 출원인의 예상을 확인하기 위하여 [표 3]과 같은 정밀 특성을 평가하였다.
즉, 수피에 황토의 충전 특성을 육안으로 확인하기 위하여 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 충전특성 평가를 실시하였다.
또한, 수피가 충전 된 후 황토가 분포하고 있는 표면을 확인하기 위하여 SE 모드를 이용하여 육안특성을 확인하였으며, 황토가 수피에 충전된 후 분포하고 있는 특성을 평가하기 위하여 표면의 물질의 차이에 의한 물질의 차이에 의한 화상을 관찰할 수 있는 BSE 모드를 이용하여 비교 평가를 실시하였다.
그 결과, 수피의 황토 충전 유무에 의한 육안 특성 평가를 실시한 결과 충전이 되어있지 않은 수피는 비교적 깨끗한 표면을 확인하였으나 충전된 수피는 다양한 미세입자가 박혀있거나 충전되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 50um 이내의 입자를 갖는 무기물(황토)을 선별하는 것이 바람직한 것이다.
그리고 수피의 황토 충전에 의한 분포특성을 확인하기 위하여 세포의 내강 및 부위에 의한 실제 충전이 되어 있는 SE 모드를 이용한 충전특성 평가 결과 수피의 표면에 충전 유무에 의하여 수피의 표면에 다양한 미세 입자가 박혀 있고 충전되어 있는 것을 확인할 수 있었다. BSE 모드를 이용하여 황토가 수피에 충전이 수피의 공극, 비어있는 내부공간 및 표면에 일부 박힘으로 써 충전이 되는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 112017051815844-pat00005

(충전) (비충전)
충전 유무에 의한 외관 특성 평가
Figure 112017051815844-pat00006

(SE 모드) (BSE 모드)
무기물 충전 후 수피 내 무기물 분포 특성 평가
정리하면, 본 발명은 상기와 같이 별도의 화학적 바인더를 사용하지 않고, 충전하는 것이다. 따라서, 충전용 무기물 분쇄분은 반드시 적정 크기의 입자를 가져야 하는데, 이때 100mesh를 통과하지 않은 무기물의 적용시에는 바이오매스 표면 공극에 비해 크기가 커서 충전이 강하게 이루어지지 않는 단점이 있다. 따라서, 바이오매스의 물리적 충전을 위해서는 100mesh 통과분의 무기물을 적용하는 것이 중요하다.
즉, 100mesh 크기의 망을 통과하는 100mesh 이하의 크기를 갖는 충전용 무기물 분쇄분을 이용한다.
다만, 100mesh 통과분의 크기를 갖는 것이 가장 바람직하지만, 임계적인 의의에 있어서는 80mesh 통과분의 크기를 갖는 것도 이용이 가능하다.
6. 물리적 충전단계
물리적 충전단계는, 선별된 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분에 물리적인 힘을 인가하여 상기 바이오매스 분쇄분에 형성된 공극에 충전용 무기물 분쇄분이 충전될 수 있도록 하는 단계이다.
이때, 물리적 충진단계에서 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분은 1 : 1 내지 2의 비율로 한다. 즉, 바이오매스 분쇄분 1 : 충전용 무기물 분쇄분 1 내지 2의 비율이다.
또한, 본 발명에 따른 물리적인 힘을 인가하는 것은, 원통형 용기에서 회전과 회전의 원심력을 이용한 충전방식을 채용한다.
이러한 물리적 충전과정을 통해 추가적으로 바이오매스의 날카로운 단부를 마모시키는 효과를 볼 수 있는데, 이는 일반적으로 날카로운 단부를 갖는 바이오매스가 분쇄되면서 더욱 날카로워지게 되며, 이는 사용자가 몸으로 뒹굴게 되는 인조잔디 충진재로 사용되기에 다소 어려운 부분이 있어서, 물리적인 힘이 인가되면서 날카로운 단부가 마모되어 모서리 부분의 삐죽한 부분이 사라져서 부드러운 형태로 분쇄된다. 따라서, 실제 사용시 부상의 위험성을 현저히 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
원통형 용기형태로 충전할 수 있는 방법은 매우 다양하다. 용기 자체가 3 dimension 형태로 용기가 회전되어 충전을 하는 방법, 원통이 축을 기준으로 회전하는 방법 등으로 크게 나눌 수 있다. 본 발명에서는 원통이 축을 기준으로 회전하는 방법을 채용한다.
충전 방법은 용기의 형태, 크기, 지름, 기울어짐 정도(각도), 소재, 내부 베플판의 존재 여부와 베플판의 존재 시 개수, 크기, 형태, 기울어짐 정도 등에 의하여 달라질 수 있다.
원통형 용기 내부 회전축에 추가적인 임펠러의 장착 시 임펠러의 기울어짐 정도, 장착 위치, 지름, 형태, 개수 등에 의하여 달라질 수 있으며 이때 용기의 형태, 크기, 지름, 기울어짐 정도(각) 소재, 내부 베플판의 존재 여부 및 존재 시 개수, 크기, 형태, 기울어짐 정도 등에 의하여 다양한 방법이 존재하게 된다.
이러한 방법으로 바이오매스에 무기물의 충전량 증대를 위해서는, 강한 힘과 높은 타격 빈도 및 다양한 위치에서의 타격에 의하여 바이오매스 소재와 무기물이 서로 부딪치면서 물리적 충전을 유도하는 공정의 적용이 중요하다.
충전량 증대방안을 고려하여 원통형을 가로로 배치하여 회전시켜 충전을 시킬 경우 아래의 [표 4]의 그림에서 보는 바와 같이 Fw의 힘에 비하여 Fgw의 힘이 강할 때, 원심력보다 내부로 향하는 힘이 강해져서 낙하가 일어나게 되기 때문에 원통의 rpm을 조절하여 낙하를 원활하게 하여야 하며, 원심력이 강할 경우 낙하가 일어나지 않아 교반이 어려워지기 때문에 rpm을 적절히 조절하여 이루어져야 한다.
원통형에서 최대 에너지는 원통의 직경 및 물체의 무게에 의하여 비례하게 되며, 가장 높은 높이에서 낙하 시 가장 많은 에너지를 부여할 수 있다. 하지만, 실제 제조에서는 적용되는 바이오매스와 무기물의 무게가 무겁지 않기 때문에 큰 힘이 작용하기가 어려우며, 동일 회전수에서 강한 힘을 주기 위해서는 원통의 크기가 커야하는 단점이 발생하게 된다. 그리고 바이오매스와 무기물의 타격 빈도 수를 높이기 위해서는 회전량이 증가해야 하는데, 회전속도가 빨라질 경우 낙차가 이루어지지 않는 단점이 발생하게 된다.
이 단점을 해결하기 위하여 내부에 쇠구슬 등의 비중과 경도가 높은 보조재를 포함시켜 충전할 경우 충전량을 증대시킬 수 있다. 쇠구슬의 경우 바이오매스 및 무기물에 비하여 상대적으로 밀도와 비중이 높아 동일한 높이에서 낙하 시 높은 힘을 가지게 된다. 또한 쇠구슬의 무게로 인하여 낙하 시 반발력에 의하여 다시 불규칙적으로 튀어오르고 낙하하게 되면서 타격의 빈도수를 높임과 동시에 다양한 각도에서 바이오매스와 무기물을 타격하여 충전량을 증대시키는 효과가 있다.
Figure 112017051815844-pat00007
제조예 1. 원통형 용기를 이용하여 물리적인 힘을 인가하는 방식을 통해 제조된 충진제
이는 첨부된 도면의 도 2를 참조한다.
도 2는 본 발명에 따른 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법를 제조하는데 사용되는 원통형 용기(드림)을 개략적으로 나타낸 것이다.
이러한 제조예 1에 따른 방식에 의하면, 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분을 원통형 용기에 투입한 뒤, 원통형 용기을 회전시켜 중력과 원심력에 의해 바이오매스 분쇄분과 무기물의 자연스러운 강한 물리적 접촉이 발생하여 바이오매스의 공극에 충전용 무기물 분쇄분이 충전되도록 하는 것이다.
이때, 상기 원통형 용기는 직경이 클수록 충전량이 증가한다.
또한, 상기 원통형 용기의 회전 횟수는 5~10회로 설정한다. 이는 실험예를 통해 후술되겠지만 10회 이상 회전되어도 충전량이 크게 증가하지 않는 것으로 확인된바, 신속한 다량 제조를 위해서 5~10회가 바람직하다고 사료된다. 다만 적용되는 원료의 특성에 따라 최적 회전 횟수는 다소 달라질 수 있다.
또 실시 조건에 따라서는, 금속구 등의 보조재를 더 투입시켜 금속구가 원심력에 의해 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분에 충격을 주도록 하여 바이오매스 분쇄분의 공극에 충전용 무기물 분쇄분이 충전되도록 할 수도 있다.
또 다른 실시 조건에 따라서는, 도 2의 내면에 일정 길이로 일정 간격마다 돌출된 다수 개의 금속봉을 사용할 수도 있고, 상기 금속구와 금속봉을 모두 사용할 수도 있다.
상기와 같은 보조재를 사용하는 경우, 보조재의 무게는 증가될수록 바이오매스와 무기물의 충전량을 증가시키는 것으로 확인되었다. 이는 [표 5]를 참조한다.
대상 원통 직경
(cm)		 회전
횟수		 쇠구슬 충전율
(%)		 충전량
(%)
무게
(g)		 개수 직경
(mm)
1
100
10
 - - - 856 15.3
2 0.5 10 5.0 981 17.3
3 66.9 10 25.4 1,350 23.2
위 평가는, 실시예 1의 제조방법을 비롯한 것으로서, 쇠구슬(보조재)의 무게에 의한 충전특성 평가를 위하여 0.5g의 쇠구슬과 66.9g의 쇠구슬을 이용하여 실험을 실시하였다.
충전 특성 평가 결과 동일한 개수의 보조재에서 무게가 무거운 보조재 일수록 충전 특성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 무게가 무거울수록 강한 타격이 가능하기 때문에 충전량이 가벼운 보조재를 이용하는 것에 비하여 충전량이 증가하는 것으로 나타났다.
대상 원통 직경
(cm)		 회전
횟수		 쇠구슬 충전율
(%)		 충전량
(%)
무게
(g)		 개수 직경
(mm)
4 50 10 0.5 10 5.0 431 8.5
5 100 981 17.3
[표 6]은 [표 5]의 평가와 동일한 조건에서 쇠구슬을 포함시켜 무기물 충전 실험을 실시하였다. 동일한 쇠구슬(보조재)의 무게 및 개수에서 원통의 직경을 다르게 하여 무기물의 충전 특성 평가를 실시하였다. 원통은 50cm, 100cm 의 크기를 사용하였다.
충전특성 평가 결과, 원통형 용기의 직경이 증가할수록 충전량이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 쇠구슬(보조재)가 더 포함된다고 하여 원통형 용기의 직경의 증가에 따른 충전량 증가에 영향을 미치지 않는 것을 의미한다.
한편, 다른 설계 조건에 따라서는, 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분을 충전할 때, 이산화티탄을 첨가하도록 할 수 있다. 이러한 이산화티탄(TiO)의 경우에는 태양광의 UV에 의한 광촉매 기능성이 발현되기 때문에 오염방지 효과,공기정화 효과, 수질정화 효과, 살균 효과, 냄새 제거 효과 등을 기대할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 인조잔디 충진재의 상하부로 유입되는 이물질이나 해로운 물질(해충, 쓰레기, 체액 등)으로부터 상기 효과를 기대할 수도 있고,
만약, VOC 등이 발생되는 고무칩 및 고분자수지 칩 충진재의 보수를 위한 충진재로서 활용되거나, 또는 상기 기존의 고무칩과의 혼합적용을 위한 충진재로서 활용될 때 활용이 적절할 것으로 기대된다.
이러한 이산화티탄(TiO)의 경우, 바이오매스 분쇄분과 충전용 무기물 분쇄분의 함량 대비 이산화티탄의 함량이 증가할수록 이산화티탄의 충진량도 증가하는 것으로 확인하였다. 따라서, 적용될 인조잔디에 따라 다양하게 적용가능 할 것으로 판단된다.
이를 확인하기 위하여 [표 7]과 같은 평가를 수행하였다.
아래 평가는 충전용 무기물 분쇄분 100중량부를 기준으로 하여, 각각 0, 2, 3, 5, 10 및 30중량부 만큼의 이산화티탄을 첨가하여 수행한다.
이산화티탄의 평가는 EDAX를 이용하여 실시하였다.
평가 결과 이산화티탄의 혼합량이 증가하면서 실제 충진재에서 이산화티탄의 충진량도 함께 증가하는 것으로 확인되었다.
이를 기반으로 미루어보았을 때, 이산화티탄을 혼합하여 충진할 경우 실제 광촉매 효과를 충분히 발현할 수 있을 것으로 판단하였다.
본 발명의 특성상 접착제, 코팅제 등에 의한 도막의 형성 없이 이상화티탄이 외부로 노출되어 있기 때문에 실제 기능성을 발현하는데 용이할 것으로 기대된다.
충전시 배합비
이산화티탄
(중량부)		 충전용 무기물 분쇄분
(중량부)		 이산화티탄 충전량
(%)
- 100 1.2
0 100 2.0
2 100 2.5
5 100 6.8
10 100 8.9
30 100 13.6
8. 충진재 선별단계
충진재 선별단계는, 물리적 충전을 통해 충전용 무기물 분쇄분이 충전된 바이오매스 분쇄분을 스크린 망이 구비된 스크린 장치에 진동을 인가하여 인조잔디용 충진재로 사용할 충진재를 선별하는 단계이다.
이때 진동의 인가에 따라 충전되지 않은 충전용 무기물 분쇄분은 하부방향으로 낙하되는데, 이는 회수하여 원료로 재활용하도록 한다.
9. 충진재 획득단계
충진재 획득단계는, 충진재 선별에서 선별된 충진재를 획득하는 단계이다.
이하에서는, 본 출원인이 상기와 같이 제조된 인조잔디 충진재를 통해 몇가지 실험을 수행하였다.
실험예 1. 충전 rpm 평가
(실험방법)
실시예 1에서 이용된 동일한 수피와 황토를 사용하여 원통에 원료를 투입한 후 회전시켜 충전을 실시하였다. 회전 속도가 빨라질 경우 수피와 황토가 낙하하지 못하며, 너무 속도가 낮을 경우 충전이 어렵기 때문에 약 50 rpm(Revolution Per Minute)으로 조절 한 후 충전을 실시하였다.
(실험결과)
rpm 평가 의견
10 충전 불가능 - 속도가 너무 낮은 것으로 판단됨.
20 충전 불가능 - 속도가 너무 낮은 것으로 판단됨.
30 충전 불가능 - 속도가 너무 낮은 것으로 판단됨.
40 충전 가능, 다만 충전수율이 50%가 안됨 - rpm의 증가값 범위를 줄일 필요
41 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
42 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
43 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
44 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
45 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
46 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
47 충전 가능, 다만 충전수율이 낮음.
48 충전 가능, 다만 충전수율 80%
49 충전 가능, 다만 충전수율 90%가 안됨.
50 충전 가능, 충전수율이 100%에 가까움.
51 충전 가능, 다만 충전수율이 50 rpm에 비해 확연히 떨어짐 - 회전속도 증가에 따라 수피와 황토가 원심력에 의해 낙하되지 않음.
52 충전 가능, 다만 충전수율이 50 rpm에 비해 확연히 떨어짐 - 회전속도 증가에 따라 수피와 황토가 원심력에 의해 낙하되지 않음.
60 충전 불가능 - 충전수율이 30% 미만임.
70 충전 불가능 - 충전수율이 20% 미만임.
[표 8]과 같이 최초 rpm을 10rpm으로 설정한 뒤, 10단위로 증가시켰다. 그리고 40rpm부터 충전이 되는 것을 확인한 본 출원인은 rpm의 증가 값을 1로 설정하여 평가해본 결과, 50rpm에서의 충전이 가장 우수하여 충전되지 않은 잔여 수피와 무기물이 전체 투입량의 1%가 안되는 것을 확인하였다.
그리고 1rpm 차이만으로도 충전수율은 상당한 차이가 있었는데, 이는 수피와 무기물의 분쇄분 크기가 작기 때문에 미세한 회전 rpm에 영향이 큰 것으로 확인되었다.
실험예 2. 충전 비율 평가
(실험방법)
원통회전 방식을 이용하여 원통의 직경에 의한 무기물의 충전특성 평가를 실시하였다.
이는 실시예를 기반으로 한 수피 및 황토의 충전 방법으로 선정된 원통 드럼형 방법을 이용하여 실험예 1에 기반한 rpm으로 실험을 실시하였다. 50cm의 직경을 가지는 원통에 일정한 간격으로 베플판을 설치하여 원료의 아래에서 위로 회전이 용이하게 한 후, 동일한 회전속도에서 5번 회전을 시켜 무기물을 충전시켰다. 그 후 충전시킨 충진재를 30mesh를 이용하여 미세분을 제거 한 후 충전특성 평가를 실시하였다.
그리고 충전량은 다음의 수학식으로 산출하였다.
Figure 112017051815844-pat00008
(실험결과)
원통 직경
(cm)		 무게비율
(수피:황토)		 회전횟수
(회)		 충전율
(%)		 충전량
(%)
실험군 1

50

 1:1

5

 125 3.6
실험군 2 1:2 138 3.8
실험군 3 1:3 138 3.8
실험군 4 1:4 139 3.8
실험군 5 1:5 138 3.8
충전 특성 평가 결과 수피와 황토의 무게 비율이 약 1:1~1:2 까지 충전 비율이 증가하다가, 1:2 이후인 1:3의 비율부터는 황토의 무게가 증가하여도 충전량의 증가 나타나지 않는 것을 볼 수 있다.
이는 충전되지 않는 충전용 무기물 분쇄분은 결국 분리하여 원료로 사용되기 때문에, 일정량 이상으로 함유해봐야 공정의 번거로움만 초래하므로, 충전시 수피와 황토의 최적 배합 비율은 1:2가 적당한 것으로 판단하였다.
실험예 3. 충전 특성 평가 - 원통형 용기의 직경
(실험방법)
실험예 2와 동일한 방법으로 수행하되, 원통형 용기의 직경을 50, 60, 70, 80, 90 및 100cm로 설정하여 충전량을 평가하도록 한다.
(실험결과)
원통 직경
(cm)		 회전횟수
(회)		 충전율
(%)		 충전량
(%)
실험군 6 50

5


 163 4.2
실험군 7 60 225 5.9
실험군 8 70 361 7.6
실험군 9 80 498 9.4
실험군 10 90 698 12.8
실험군 11 100 856 15.3
※ 무기물 충전 전 수피의 무기물 함량 1.56% 기준
즉, 상기 [표 10]과 같이 원통의 직경이 증가할수록 충전량이 증가하는 것을 확인하였다. 원통의 직경이 클 경우 낙하에너지 증가 및 교반 시 바이오매스와 무기물의 부딪침의 불규칙성이 증가하면서 충전양이 증가하는 것으로 사료된다.
실험예 4. 충전 특성 평가 - 원통형 용기의 회전 횟수
(실험방법)
실험예 4는, 실험예 2 및 실험예 3과 동일하게 수행하되, 원통형 용기의 직경은 50cm로 통일하도록 한다.
(실험결과)
실험군 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
회전
횟수		 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
충전율
(%)		 12 32 51 98 131 132 133 131 132 133
충전량
(%)		 1 24 71 125 163 163 163 163 163 163
[표 11]과 같이 실험결과에 따르면, 원통형 용기의 회전횟수는 5회까지 충전량이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 5회를 초과하면서부터는 충전율은 유의한 수준이고, 충전량도 동일하게 나타났다. 다만, 충전율의 수치상으로는 회전횟수가 5~10회까지 될 수도 있다.
이는 수피의 공극에 충전될 수 있는 무기물의 최대량이 한정된 만큼, 5회의 회전횟수가 최대 충전이 가능한 한계인 것이며, 인조잔디 충진재를 다량으로 신속하게 제조하는데 있어서, 본 실시예의 경우 5회를 초과하는 횟수만큼 원통형 용기를 회전하는 것은 번거롭고 공정시간을 증가시키는 문제점이 있을 것으로 판단된다. 이러한 최적회전 횟수는 5회~10회 정도가 적절하며 적용하는 원통의 크기 및 회전속도, 적용하는 충진재의 양을 고려하여 최적 회전횟수를 미세조정할 수 있다.
실험예 5. 부유 특성 평가
인조잔디 충진재의 경우, 야외에 노출되는 형태가 대부분이기 때문에 우천시 등에 의해 물에 노출되는 경우가 많다. 따라서, 물에 대해 부유되지 않아야 하는데, 일부 적용되는 친환경 충진재의 경우 우천시 부유하여 유실됨으로써 관리 및 보완이 어려운 단점이 있다.
(실험방법)
무기물의 충진 유무에 의한 부유특성 비교 평가를 위하여 실제 사용되고 있는 원료와 본 발명의 실시예를 기반한 인조잔디 충진재의 비교 평가를 실시하였고, 실험에 사용된 조건을 아래의 [표 12]에 나타내었다.
실험군 원료 충전량(%)
21 기존 바이오매스 칩 -
22 무기물 미충전 수피 1.56
23 무기물 충전 수피
(보조재(쇠구슬) 미사용)		 4.2
24 무기물 충전 수피
(보조재(쇠구슬) 사용)		 15.3
(실험결과)
실험결과는 아래 [표 13]을 참조할 수 있다.
Figure 112017051815844-pat00009
실험군 21 실험군 22 실험군 23 실험군 24
[표 13]을 참조하면, 기존 바이오매스 칩(실험군 21)과 무기물 미충전 수피(실험군 22)의 경우, 수피는 부유하는 특성이 있기 때문에 대부분 부유하고 있는 것으로 나탄났다.
그러나, 무기물이 충전된 수피의 경우, 실험군 21이나 실험군 22에 비해 비교적 많이 가라앉는 것으로 나타났고, 특히 보조재(쇠구슬)을 충전시 사용한 경우인 실험군 24가 사용하지 않은 실험군 23에 비해 대부분 가라앉는 것을 확인하였다.
실험예 6. 복사열 온도 특성 평가
또한, 인조잔디 충진재는 햇볕에도 노출되어 있기 때문에, 특히 무더운 여름철에는 태양열을 흡열하여 인조잔디의 표면 온도가 증가할 수 있다. 이 경우, 사용자는 더욱 더위를 느껴 불쾌감을 갖을 수 있고, 심한 경우 마찰에 의해 화상 등의 부상을 입을 수도 있다.
따라서, 인조잔디 충진재는 태양열을 흡열하여도 표면 온도가 과하게 증가하지 않아야 한다.
(실험방법)
실험예 5에 따른 실험방법은, 여름철 실제 태양의 직사광선과 유사한 조건을 갖도록 하기 위하여 폐쇄된 환경의 나무 상자 내부에서 수행되었으며, 이는 외부 온도의 영향을 최소화하기 위함이다. 또한, 60W의 파워를 갖는 할로겐 램프를 이용하여 20분 동안 열을 인가하여 적외선 표면 온도 측정기를 이용하여 측정하는 방식으로 수행된다.
또한, 실험군(실험대상)은 상술된 실시예에 기반한 실시군과, 시중에서 판매되고 있는 인조잔디용 충진재인 대조군으로 한다.
이때, 대조군은 시중에서 일반적으로 사용되고 있는 고무칩 중, 상기 고무칩을 주 원료로 하고 바이오매스가 함유된 것을 사용하였다. 이는 시중에 바이오매스를 주 원료로 하는 충진재는 구입이 어려웠기 때문이다.
따라서, 아래의 결과를 통해 바이오매스가 포함되는 것만으로 표면 온도를 낮출 수는 없는 것을 확인하였다. 반면, 본 발명과 같이 바이오매스+무기물의 조합과 조합(충전)을 위한 공정을 통함으로써, 고무칩 등의 인공수지를 미포함하여 상기 표면 온도를 저하시킬 수 있음을 확인하였다.
(실험결과)
대상 실시군 대조군
표면 온도 36℃ 70℃
즉, 위의 [표 14]에 따른 실험결과를 기반으로, 실시군이 대조군에 비하여 복사에너지에 의한 온도 증가가 획기적으로 낮게 나타나는 것(40℃ 미만, 구체적으로는 36℃)을 확인할 수 있었다.
실험예 7. 인조잔디 충진재 중금속 측정
인조잔디 충진재로의 활용을 위한 품질 기준에 적합한지 확인을 위하여 상기 실험에 사용되었던 유기물인 활엽수 수피, 침엽수 수피와 황토의 Pb, Cd, Cr, Hg 측정을 실시하였다. Pb, Cd, Cr 은 유도결합플라즈마방출분광기(Model : OPTIMA 7300 DV, OPTIMA 3300 DV, Perkin-Elmer (USA))를 이용, Hg는 수은분석기(Model : DMA-80, Milestone)를 이용하여 측정 분석을 실시하였다.
분석 결과 활엽수 수피, 침엽수 수피, 황토 원료 모두 기준치를 넘지 않은 측정 결과를 볼 때 충분히 인조잔디 충진재로의 활용에 있어 어려움이 없을 것으로 판단하였다.
<활엽수 수피>
품질 기준(mg/kg) 측정 결과(ppm)
Pb 90 이하 < 10
Cd 50 이하 < 10
Cr 25 이하(Cr6+) < 10
Hg 25 이하 < 0.1
<침엽수 수피>
품질 기준(mg/kg) 측정 결과(ppm)
Pb 90 이하 < 10
Cd 50 이하 < 10
Cr 25 이하(Cr6+) < 10
Hg 25 이하 < 0.1
<황토>
품질 기준(mg/kg) 측정 결과(ppm)
Pb 90 이하 < 10
Cd 50 이하 < 10
Cr 25 이하(Cr6+) < 10
Hg 25 이하 < 0.1
상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims (8)

  1. 바인더의 사용 없이 원통형 용기의 회전을 이용한 물리적인 힘으로만 바이오매스 분쇄분의 공극에 무기물 분쇄분을 물리적으로 끼워 넣어 충전 결합시켜 인조잔디 충진재를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 바이오매스를 절단 및 분쇄한 후 6~12mesh 크기의 것을 선별하여 바이오매스 분쇄분을 획득하는 단계;
    (b) 황토 계열의 무기물, 질석 분말 계열의 무기물, 경석 계열의 무기물, 사암 계열의 무기물, 화강암 계열의 무기물, 탄산칼슘(CaCO3), 활석(talc), 운모(mica), 클레이(clay), 실리카(SiO2), 황산바륨(BaSO4), 탄산마그네슘(MgCO3), 산화규소, 산화알루미늄, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화제2철 또는 산화티탄 중에서 선택된 하나 이상을 분쇄한 후 100mesh 통과분 크기의 무기물 분쇄분을 선별하여 획득하는 무기물 분쇄분을 획득하는 단계;
    (c) 내벽에 중심방향으로 베플판이 다수 개 돌출되고 보조재인 금속구가 내부에 포함하는 원통형 용기에 바이오매스 분쇄분과 무기물 분쇄분을 1:1~2의 무게 비율로 충전하여 원통형 용기의 회전을 이용한 물리적인 힘만을 이용하여 바이오매스 분쇄분에 무기물 분쇄분을 충전하는 충전 단계; 및
    (d) 충전된 충진재에서 인조잔디 충진재로 사용할 충진재를 선별하는 단계;로 이루어지고,
    상기 인조잔디 충진재는, 60W의 파워를 갖는 할로겐 램프로 20분 동안 열을 인가한 후 적외선 표면 온도 측정기로 측정하였을 때, 40℃ 이하의 표면 온도를 갖는 것을 특징으로 하는, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 무기물 분쇄분이 바이오매스 분쇄분에 충전된 이후, 진동이 인가되는 스크린 장치를 통해 인조잔디 충진재로 사용할 충진재를 선별하는 것을 특징으로 하는, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스 분쇄분은,
    침엽수 임목의 수피 부산물, 활엽수 임목의 수피 부산물, 칩 부산물, 코르크, 목분, 톱밥, 목질 바이오매스 또는 비목질 바이오매스 중에서 선택된 하나 이상을 분쇄하여 획득된 것을 특징으로 하는, 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진재의 제조방법.
  6. 삭제
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  8. 삭제
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