KR101985931B1 - 환경 친화적 공정으로 기능성 인조잔디용 충진제 칩을 얻는 제조방법 - Google Patents

환경 친화적 공정으로 기능성 인조잔디용 충진제 칩을 얻는 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환경친화적 공정으로 제공되는 기능성 인조잔디 충진제 칩을 얻기 위한 기술로 폐기되는 폐고무를 분쇄하여 1.5 mm ~ 4.5 mm 입자크기의 폐고무 칩(Chip)으로 제공되는 제1단계 공정과 상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩 표면에 칼라 색상을 제공하기 위한 제2단계 공정과 폐고무 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 에트린자이트(Ettringite)가 공급되는 제3단계 공정과 폐고무 칩에 포함된 유해성 유기물질을 광분해시켜 제거하기 위해 광촉매가 공급되어 혼합되는 제4단계 공정을 통하여 유해성 문제가 제기되지 않는 인조잔디 충진제 칩을 얻은 후 상기 공정을 거친 폐 고무칩을 100 중량부로 기준으로 할 때 무기충진제 50~125 중량부와 동,식물성유나 합성유지 중 선택되는 오일이 무기충진제 100 중량부를 기준으로 할 때 5~20 중량부 비율로 추가되고 혼합되어 인조잔디 탄성용 충진재 원료조성물을 얻는 인조잔디 충진제의 칩 제조방법 관련 기술로서 최종적으로 현장 시공된 인조잔디 표면에 오염원이 될 수 있는 중금속 및 유해물질을 제거시켜 환경학적 피해의 근원을 제거하며, 고분자로 구성되는 충진제 칩이 물성향상을 갖도록 기능성을 향상시킬 수 있는 기능성 인조잔디 충진제 칩 제조방법 관련 기술이다.

Description

환경 친화적 공정으로 기능성 인조잔디용 충진제 칩을 얻는 제조방법 {Manufacturing method of artificial turf filler chip providing environmental friendly function}
본 발명은 환경 친화적 공정으로 제공하는 기능성 인조잔디 충진제 칩 관련 발명으로서, 더욱 구체적으로는 인조잔디에 오염이 될 수 있는 중금속 및 유해물질로부터 환경적 피해를 줄이며, 고분자로 구성되는 충진제의 물성 향상을 통해 기능성을 제공할 수 있는 인조잔디 충진제의 칩(Chip) 제조방법 관련 기술이다.
본원기술은 인조잔디 충진제용 고분자 원료의 공급단계; 안료 공급단계; 에트린자이트 및 광촉매의 환경친화적 기능원료 공급단계; 교반단계; 압출단계; 수냉단계; 여과단계; 건조단계; 선별단계를 포함하여 적용되므로, 최종적으로 현장 시공된 인조잔디 표면에 오염원이 될 수 있는 중금속 및 유해물질을 제거시켜 환경학적 피해의 근원을 제거하며, 고분자로 구성되는 충진제 칩이 물성향상을 갖도록 기능성을 향상시킬 수 있도록 환경 친화적공정으로 제공하는 기능성 인조잔디 충진제 칩 제조방법 관련 기술이다.
인조잔디는 1965년에 최초로 발명이 되었으며, 최초의 인조잔디구장은 녹색으로 된 실내,외 플라스틱 카펫형태로 제공되는 인조잔디는 격렬한 운동 등의 사용에도 잘 견디고, 폭우 중 또는 폭우 후에도 곧바로 사용이 가능하다는 이유로 스포츠 경기장 등에서 많이 사용되며, 가정집의 정원용 등 여러 가지의 용도로 널리 사용되고 있는 실정이다.
현재 대다수의 프로 스포츠구장은 여전히 천연잔디를 사용하고 있는바, NFL(National Football League)의 경기장 3분의 2가 천연잔디(20개)로 조성되어 있으며, 11개 경기장은 인조잔디로 조성되어 있으나 야구장의 경우 30개의 야구장 중 4개의 경기장이 인조잔디로 조성되어 있는 실정이다.
1980년대에 몇 몇 북미유럽의 축구클럽들이 인조잔디로 전환을 시도하였으나 인조잔디의 단단한 지면과 경기 흐름을 끊는 볼 바운딩 등으로 인하여 선수들과 관중들의 불만을 제기하여 다시 천연잔디로 회기한 기록이 있고, FIFA(the Federation International de Football Association)는 인조잔디장 사용을 허용하고 있으나 국제 축구팀들은 인조잔디에서 경기하는 것을 꺼리고 있는 실정이다.
오늘날의 인조잔디는 과거 플라스틱형 매트에서 진보된 것이지만, 인조잔디란 폴리에틸렌섬유에 실리콘을 입힌 매트에 불과한 것이고 폴리에틸렌층, 고무칩(주로 자동차 타이어를 재활용)과 모래는 충격흡수를 목적으로 충전재로 사용되며, 이 충전재는 정기적으로 보충해주고 있다.
또한 전국 초·중·고교의 인조잔디 운동장에서 중금속 등 유해물질이 대량으로 검출되고 있다고 보도된바 있으나 사실상 관리는 전무한 실정이고 인조잔디 운동장의 경우 관리할 구체적인 매뉴얼도 없는 데다 7~8년이라는 내구연한(개·보수가 필요한 기간)도 제대로 지켜지지 않고 있다.
현재 국내에서는 전국 1,600여곳의 수준으로 초·중·고교에 인조잔디 운동장이 설치되 있으며 교육부와 시·도교육청, 문화체육관광부(국민체육진흥기금), 지방자치단체 등이 2004년부터 본격적으로 인조잔디를 설치하기 시작했으며, 한 학교당 3억~5억원 정도의 예산이 들어거서 학생들을 모래가 날리는 흙바닥이 아닌 인조잔디 운동장에서 뛰어놀게 하겠다는 목적으로 추진되고 있는바, 인조잔디 운동장은 흙바닥에 콘크리트를 깔고 그 위에 인조잔디를 까는 식으로 조성됨에 따라 천연잔디처럼 탄력 및 푹신함을 주기 위해 인조잔디 위에 고무 알갱이의 충진제를 적층시켜 사용하게 된다.
그러나 고무 알갱이 충진제가 발암물질인 다환방향족 탄화수소(PAHs)나 또는 중금속인 납 성분이 많이 포함되는 경우 잔디 위에서 뛰는 학생들에게 그대로 노출되어 건강학적으로 많은 피해를 가져 올 우려를 배제할 수 없고 또한 바닥에 깔린 인조잔디를 비롯한 충진재는 햇빛과 마주치거나 노출될 수 있기 때문에 햇빛에 의한 자외선 분해에 의해 인조잔디를 구성하고 있는 대부분의 구성물의 물성이 저하되는 이유로 충진제가 인조잔디 밑 부분에 충진되어 외부로부터의 충격을 흡수해줘야 하지만 시간이 지나면서 부스러져 제대로 된 충진재 기능을 상실하는 경우도 많아짐에 따라 짧아지는 내구년수에 따라 교체비용이 다량 소요되는 문제점의 발생에 따라 인조잔디의 유해성을 감소시키면서 장기간 충진제의 물성을 유지하며 내구성을 늘려 줄 연구 및 대책들이 필요한 실정이다.
따라서 운동장에 시공될 인조잔디 및 충진제로부터 배출되는 유해성 물질에 대한 피해를 줄이고, 쾌적한 운동장 환경을 조성하며, 국민의 건강과 만족도를 높이면서 인조잔디의 수명연장을 통해 예산절감을 실현시킬 수 있는 환경 친화형이면서 기능성을 제공하는 인조잔디 충진제 칩 제조기술이 필요하다.
종래 기술에서 인조잔디 충진제 제조방법 관련 기술을 살펴보면, 한국공개특허 등록번호 10-1851681 B1에서는 재활용 고무를 활용한 친환경 칼라 고무칩 제조방법을 제시하고 있는 바, 상기 기술은 고무를 설정된 평균입도의 고무입자로 분쇄하는 단계와; 분쇄된 고무입자를 입도별로 분리하는 단계와; 입도별로 분리된 고무입자를 열경화성수지 및 안료와 혼합하여 교반하는 단계와; 교반된 고무입자, 열경화성수지 및 안료를 가열하여 고무입자에 착색하는 단계와; 착색된 고무입자에 UV안정제, 경화촉진제를 혼합 및 교반하여 표면 코팅하는 단계와; UV안정제, 경화촉진제가 표면 코팅된 고무입자를 가열 함침하는 단계와; 가열 함침된 고무입자를 냉각 건조하는 단계와; 냉각 건조된 고무입자에 대하여 광촉매를 도포하는 단계를 포함하는 복잡한 공정의 적용기술이나, 본원에서는 인조잔디 충진제용 고분자 원료 공급단계; 안료 공급단계; 에트린자이트 및 광촉매의 환경 기능성 원료 공급단계; 교반단계; 압출단계; 수냉단계; 여과단계; 건조단계; 선별단계를 포함하는 인조잔디 충진제 제조방법을 제안하고자 한다.
한국등록번호 10-1791389 B1에서는 무기물이 충전된 친환경 인조잔디 충진제의 제조방법 관련 기술로 (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 충진제의 제조방법 관련 기술이나 본원은 유해 중금속 및 유해물질로부터 환경학적 피해를 줄이며, 고분자로 구성되는 충진제의 물성 향상이 기능성을 제공할 수 있는 환경 친화형 기능성을 제공하는 인조잔디 충진제의 칩 제조방법을 제안하는 기술로 상기 인용발명에 비해 진보성이 뛰어나다 할 수 있다.
한국 등록번호 10-1776948 B1에서는 EPDM, 충진제, 중금속 중화제 및 가류제를 서로 혼합하는 재료 혼합 단계; 혼합된 재료를 칩 형태로 성형하는 재료 성형 단계; 성형된 제품을 워터 펌프를 이용하여 회수하고, 잔존하는 물기를 제거하는 단계; 칩 형태로 성형된 충진재를 압력을 가하지 않은 상태에서 열풍에 의해서만 가류를 진행하는 1차 가류 단계; 및 1차 가류 완료후, 2차 가류를 진행하는 2차 가류 단계;를 포함하는 인조잔디용 충진재 제조방법을 제시하고 있는 바, 상기 기술은 충진제의 물성 향상 및 유해물질에 대한 피해를 줄이기 위한 기술구성이 존재하지 않음에 따라 본원과의 기술사상이 다르다 할 수 있다.
한국 등록번호 10-1773146 B1에서는 목분 매트릭스 기반 친환경 인조잔디용 충진재, 이의 제조방법, 상기 충진재 제조용 조성물 및 상기 충진재를 포함하는 인조잔디 관련 기술로 인조잔디 충진제의 탄성체로 목분을 주성분으로 하면서 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS), 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SBS), 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체(SEPS), 수소화 스티렌-이소프렌-부타디엔 공중합체(SEEPS), 및 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체(SIS)으로부터 선택되는 하나 이상의 스티렌계 중합체를 포함하는 탄성 중합체와 오일 및 탄산칼슘, 운모의 부산물로 구성되어 있는 반면, 본원은 탄성의 성질을 가지고 있는 고분자를 주성분으로 하고, 중금속을 흡착시킬 수 있는 에트린자이트 및 환경유해 유기물질을 광분해시킬 수 있는 광촉매가 부성분으로 구성되고 있음에 따라 본원 기술구성과 전혀 다르다 할 수 있다.
본원은 가정은 물로 다중 이용 공공시설에서 인테리어 장식, 체육시설 운동장 등 생활 및 산업용도에 다양하게 확장되고 있는 인조잔디의 충진제에서 중금속이나 발암물질 검출 보도 등으로 인조잔디나 충진제 관련 유해성 문제가 제기되지 않는 인조잔디 충진제 칩을 제공하기 위한 과제인식을 갖고 시작된 발명이다.
본원은 타이어나 산업재 고무로 부터 얻어지는 고무 칩에 존재하고 있는 발암성 물질인 다환방향족 탄화수소(PAHs)나 중금속인 납의 유해성분이 잔디 위에서 뛰는 학생들에게 그대로 노출되지 않고 상기 고무칩이 인조잔디 충진제로 사용될 때 햇빛에 의한 자외선 분해에 의해 인조잔디를 구성하고 있는 구성물질의 물성 저하가 없는 양질의 인조잔디용 충진제 칩의 제조방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본원에서 개시되는 기술사상은 환경친화적 공정으로 제공되는 기능성 인조잔디 충진제 칩을 얻기 위한 수단으로 인조잔디 충진용 원료가 탄성을 제공하는 고분자와 무기충진제 및 오일(Oil)로 구성되는 혼합원료가 공급되되, 상기 고분자는 폐기되는 폐고무를 분쇄하여 폐고무 칩(Chip)으로 제공되는 제1단계 공정과 상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩 표면에 칼라 색상을 제공하기 위해 폐고무 칩에 안료가 공급되는 제2단계 공정과 상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 폐고무 칩(Chip)에 에트린자이트(Ettringite)가 공급되는 제3단계 공정과 상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩에 포함된 유해성 유기물질을 광분해시켜 제거하기 위해 광촉매가 공급되어 혼합되는 제4단계 공정을 포함하여 인조잔디의 충진제에서 중금속이나 발암물질 검출우려를 배제하고 내구성을 높인 인조잔디 충진제 칩을 얻은 후 상기 공정을 거친 폐 고무칩을 100 중량부로 기준으로 할 때 무기충진제 50~125 중량부와 동,식물성유나 합성유지 중 선택되는 오일이 무기충진제 100 중량부를 기준으로 할 때 5~20 중량부 비율로 추가되고 혼합되어 인조잔디 탄성용 충진재 원료조성물을 얻는 제5단계 공정과 상기 제5단계를 거친 원료혼합물을 150~190℃의 온도영역에서 교반하고 150~200℃의 온도영역에서 압출시켜 1.5 ~4.5 mm 크기의 인조잔디용 충진제 칩으로 컷팅시키는 제6단계 공정을 거친 후 통상의 수냉, 여과, 건조, 선별 단계 중 필요공정이 추가되어 탄성을 제공하는 인조잔디 충진제용 칩(chip) 원료를 얻고자 하는 기술사상의 발명이다.
이하, 본원의 각 단계 공정의 기술사상을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 인조잔디 충진용 원료 공급단계는 탄성물성을 제공하는 고분자는 가장 흔한 적용으로 폐기되는 폐고무를 분쇄하여 1.5 mm ~ 4.5 mm 입자크기의 폐고무 칩(Chip)을 사용하는 것 이외에 인조잔디의 탄성을 제공하기 위한 원료로 에스비알(SBR, Stylene Budadiene Rubber), 에스이비에(SEBS, Stylene-Ethylene/Bythlene-Stylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 에이비에스(ABS, Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 피브이비(PVB, Polyvinyl butyral) 중 선택되어지는 1종 이상의 고분자가 선택되어 탄성 고무칩 형태로 분쇄되어 사용될 수 있다.
상기 무기충진제는 고가의 탄성 고무칩 내부에 저가의 무기물을 포함시켜 가격 경쟁력을 제공할 수 있는 인조잔디의 탄성 충진제를 제공하기 위한 수단으로 사용되는 것으로, 고분자를 100 중량부를 기준으로 할 때 50~125 중량부 비율로 구성되어 사용될 수 있는바, 본원에서 사용되는 무기충진제는 50 ㎛ 크기 이하의 맥반석, 황토석, 감람석(Olivine), 고령토(Kaolin), 메타카올린(metakaolin), 규산염 광물(Silica Mineral), 규조토(Diatomite), 규회석(Wollastonite), 납석(Pyrophyllite), 돌로마이트(Dolomite), 리튬광물(Lithium Minerals), 마그네사이트(Magnesite), 보크사이트(Bauxite), 벤토나이트(Bentonite), 부석(Pumice), 붕산염광물(Borate), 사문석(Serpentine), 산성백토(Acid clay), 산화철(Iron Oxide), 석류석(Garnet), 탄산광물(Carbonate Minerals), 애타풀자이트(Attapulgite), 제올라이트(Zeolite), 세피오라이트(Sepiolite), 연옥(Nephrite), 인회석(Apatite), 일라이트-운모(Illite-Mica), 장석(Feldspar), 진주암(Perlite), 질석(Vermiculite), 중정석(Barite), 활석(Talc), 규조토(diatomaceous earth), 흑연(Graphite), 헥토라이트(Hectorite), 점토광물(Clay Minerals), 지르코늄 광물(Zirconium Minerals), 투어마린(Tourmaine; 전기석), 흄실리카(Fume silica), 에어로겔(Aerogel), 플라이에쉬(Fly ash), 고로슬래그 중에서 선택되는 1종 이상의 원료분말로 사용될 수 있다.
상기 오일은 탄성을 제공하기 위한 고분자와 무기충진제가 혼합할 때 두가지의 조성물의 고체와 고체 사이에 스며들어 두 면이 직접 접촉을 방지하고, 마찰을 감소시켜 탄성을 제공하기 위한 고분자와 무기충진제의 분말이 균일한 혼합을 위해 윤활작용을 도모하기 위해 사용되는 것으로, 이를 위해 적당한 점도를 가지고, 온도에 의한 물성 변화가 적고, 안정한 기름의 막을 형성하는 성질이 있어야 하며, 외부로부터 갑자기 큰 힘이 가해지도라도 기름막이 파괴되지 않아야 하고, 인화성이 없이, 열과 산(Acid)에 안정적이며, 부식성이 없는 오일을 선택하는 것이 바람직하되, 탄성을 제공하는 고분자와 무기세라믹의 종류에 따라 식물성유 내지는 동물성유 내지는 합성유지를 선택적으로 사용할 수 있는바, 오일은 무기충진제를 100 중량부를 기준으로 할 때 5~20 중량부 비율로 사용되는 것이 바람직하다.
상기 안료 공급단계는 예를 들어 폐타이어를 분쇄하여 얻는 칩은 검은색이므로 이에 아름다운 색상을 제공하여 시각적 편안한 감정을 제공하기 위한 목적을 두고 있으며, 이에 필요한 상기 안료는 유기안료, 무기안료, 단청안료 중 어떠한 것을 사용하여도 특별한 제한이 없으며, 착색력과 은폐력 및 색조, 선명도, 견뢰도에 문제를 발생시키지 아니하고, 인조잔디의 탄성용 충진제 칩에 적절한 칼라를 제공하여 시각적 불쾌감이나 부담을 느끼지 않고, 사람들의 시각적 취향에 맞으면 어떠한 안료를 선택하여 사용하여도 무관하다.
상기 유기안료인 경우는 녹색의 시아닌그린(Cyanin green), 장단(長丹)의 퍼머넌트 오렌지(Permanent orange), 황(黃)의 퍼머넌트 옐로우((Permanent yellow), 주홍(朱紅)의 톨루이딘 레드(Toluidine red), 먹의 퍼머넌트 블랙(Permanent black)을 들 수 있으며, 무기안료인 경우 대표적으로 지당(백색)의 이산화티타늄(Titanium dioxide R 760), 황토의 아이런옥사이드 옐로(Iron oxide yellow), 호분(胡粉)의 패분(貝粉), 양록(洋綠)의 에머랄드 그린(Emerald green), 장단(長丹)의 리드 레드(Lead red), 석간주(石澗朱)의 아이런 옥사이드 레드(Iron oxide red), 황연(黃鉛)의 크롬 옐로우(Chrome yellow), 하엽(荷葉)의 크로뮴 옥사이드 그린(Chromium oxide green), 양청(洋靑)의 코발트 블루(Cobalt blue 7117), 군청(群靑)의 울트라마린(Ultramarine)을 들 수 있으며, 단청안료인 경우는 황색계통의 석웅황(石雄黃), 동황(銅黃), 황단(黃丹)과 적색계통의 당주홍(唐朱紅), 연지(?脂), 석간주(石澗朱), 번주홍(燔朱紅)과 녹색계통의 하엽(荷葉), 석록(石綠), 삼록(三綠), 뇌록(磊綠)과 청색계통의 청화(靑化), 청화묵, 이청(二靑), 삼청(三靑)과 백색계통의 진분(眞紛), 정분(丁紛)을 들 수 있으며, 상기 인조잔디의 탄성용 충진제 칩의 조성물에 시각적 아름다운 색깔을 제공하기 위하여 유기안료, 무기안료 및 단청안료 중에 선택된 1종 이상의 안료가 선택되어지고, 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물을 100 중량부로 기준으로 할 때 1.5 내지는 4.5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 에트린자이트(Ettringite) 공급단계는 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물 내부에 함유된 중금속이나 실외에 시공된 인조잔디 상부 표면에 황사현상과 미세먼지와 같은 대기오염으로 인한 중금속들이 에트린자이트인 칼슘-알루미늄-황산계(Hydrous calcium aluminium sulfate, Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)의 무기물과 접촉할 때 중금속들과 화학적 결합력이 우수하여 산성비와 같은 산성의 조건에서 중금속 용출에 의한 피해를 줄임과 동시에 침상구조를 가지고 있는 에트린자이트가 포함되는 충진제 칩의 기술구성을 도모하면서 외부의 충격으로부터 높은 휨강도를 제공하고 우수한 결합력을 제공하여 외부의 악조건으로부터 높은 내구성을 유지하도록 기능성을 부여하는데 목적을 두고 있는바 에트린자이트는 시중에 손쉽게 구입하기 어려움에 따라 제조하여 공급하는 것이 유리하다.
에트린자이트를 제조하기 위하여 가열 용기에 6몰에 해당되는 수산화칼슘[Ca(OH)2] 내지는 산화칼슘(CaO)을 공급한 후 물을 공급하여 슬러리(Slurry)화 하고, 다른 용기에 1몰에 해당되는 황산알루미늄(Aluminium sulfate)을 용해한 다음 이를 슬러리화된 수산화칼슘 내지는 산화칼슘에 용해된 황산알루미늄 용액에 공급하고, 다음 50~70℃의 수욕 조건에서 30분 이상 가열하면 침상구조의 에트린자이트가 만들어진다.
상기 에트린자이트의 공급단계에서 에트린자이트의 공급량은 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물에 포함된 중금속의 농도에 따라 다르게 적용할 수 있는바, 바람직하게는 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물 100 중량부로 기준으로 할 때 0.75 내지는 2.0 중량% 공급하는 것이 최상의 물성을 제공하는데 유리하다.
또한 고분자 물질에 광촉매의 기능성 원료 공급단계는 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물에서 배출되는 환경 유해성 유기물질을 광분해에 의해 제거하기 위한 목적을 갖는 것으로, 이를 위해 이산화티타늄(TiO2) 내지는 산화아연(ZnO)이 포함되는 것이 바람직한바, 상기 광촉매는 본원에 의한 인조잔디 충진제 칩을 이용하여 햇빛이 직접 조사되는 야외용으로 재활용될 때 광분해의 효율을 높이기 위하여 이산화티타늄이나 산화아연의 입자크기가 가능한 작은 것이 유리하나, 입자의 크기가 매우 작을 경우 가격이 고가임에 따라 가격 경쟁력이 크게 떨어진다는 단점이 있으며, 입자의 크기가 매우 클 경우에는 저렴한 가격으로 구입할 수 있다는 장점을 가지나 광분해의 효과가 크게 떨어져 본원의 기술사상에 어긋남에 따라 상기 광촉매는 0.25 내지는 5.0 ㎛의 입자를 가지는 것이 바람직하고, 인조잔디의 탄성용 충진제를 이루는 고분자 분쇄물 100 중량부로 기준으로 할 때 0.5 내지는 1.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 고분자 물질과 무기충진제와 오일의 혼합 및 교반단계는 다음 공정의 압출단계 공정에서, 인조잔디에 포함될 고분자 물질에 포함된 안료와 에트린자이트 및 광촉매의 환경 기능성 원료들이 탄성용 고분자 및 무기충진제 내부에 균일하게 분포되어 물성이 우수한 인조잔디의 충진제 칩을 제공하는데 목적을 두고 있으며, 이를 위하여 150~190℃의 온도범위로 가열하면서 교반하는 것이 바람직하다.
상기 압출단계는 교반단계에서 균일하게 혼합된 인조잔디 충진제 조성물을 일정한 크기의 칩(Chip)을 만들어 주기 위한 목적을 두고 있으며, 상기 압출단계는 인조잔디 충진제를 포함하고 있는 고분자의 종류와 생산방법에 따라 다양한 압출기를 이용할 수 있는바, 압출기는 비스크류 타입(Non-screw type)의 Elastic melt 압출기, Hydro-dynamic 압출기, 램식 연속압출기, 롤식 압출기, 기어식 압출기 내지는 스크류 타입(Screw type)의 단축 압출기, 2축 압출기, 3~4축 압출기 중 선택된 압출기를 이용하여 압출되면서 1.5 mm 내지는 4.5 mm 크기로 컷팅되어 인조잔디 충진제 칩을 만들어 내도록 구성하는 것이 바람직하며, 압출 공정 중 원할한 인조잔디의 칩을 제공하기 위해서 150~200℃의 가온상태를 유지하면서 압출시키는 것이 바람직하다.
상기 수냉단계는 압출단계에 의해 일정한 크기로 제공되는 가온상태의 인조잔디 충진제를 물에 의해 냉각시키기 위한 목적으로서, 압출기에서 배출되는 가온상태의 인조잔디 충진제 칩이 물에 의해 냉각이 된다는 조건이면 어떠한 방법이라도 특별한 제한이 없다.
상기 여과단계는 수냉단계를 위해 일정한 욕조에서 냉각된 인조잔디 충진제 칩를 걸러주는데 목적을 두고 있으며, 수냉을 위해 물속에 존재하는 인조잔디 충진체 칩을 어떠한 방법이라도 물로부터 분리가 될 수 있는 조건이라면 특별한 제한이 없다.
상기 건조단계는 여과단계에 의해 인조잔디 충진제 칩에 포함된 물을 제거하는데 목적을 두고 있으며, 어떠한 방법이라도 인조잔디 충진제 칩에 포함된 물을 제거할 수 있다면 특별한 제한이 없다.
상기 선별단계는 건조단계에 의해 수득한 인조잔디 충진제 칩을 출고하기 위한 목적을 두고 있으며, 출고할 량에 따라 달리할 수 있고, 소비자가 요구하는 량에 따라 조절할 수 있으면, 특별한 제한이 없다.
상기에서 살펴본 바와 같이 가정 및 공공에서 인테리어 장식, 체육시설 운동장 등 일상생활 및 각종 산업용도로 다양하게 활용되고 있는 인조잔디는 설치 및 관리비용, 이용 횟수의 제한을 가지나 천연잔디에 비해 농약으로 인한 수질 오염 발생이 없고, 유지관리의 편리함 및 저렴하다는 이유로 이에 대한 시장이 더욱 확대되고 있는 추세이나 인조잔디를 포함한 충진제 칩에 존재하고 있는 유해 성분들로부터 발암물질인 다환방향족 탄화수소(PAHs)나 중금속인 납의 유해성분이 잔디 위에서 뛰는 학생들에게 그대로 노출되어 건강학적으로 많은 피해를 줄 우려를 배제할 수 없고, 또한 시공된 인조잔디 및 충진제가 햇빛과 직접 마주치기 때문에 햇빛에 의한 자외선 분해에 의해 인조잔디를 구성하고 있는 대부분의 구성물이 물성 저하에 따라 내구년수가 짧아지는 문제로 인하여 짧은 기간 내에 자주 교체해야 한다는 문제점이 있어 왔으나, 본원 기술 공정을 통하여 시공된 인조잔디 표면에 오염이 될 수 있는 중금속 및 유해물질로부터 환경학적 피해를 줄이며, 고분자로 구성되고 있는 충진제 칩의 물성 향상을 통해 내구성을 향상시켜 장기간 제공할 수 있어 쾌적한 운동장 환경을 조성하고 국민의 건강과 만족도를 크게 높임은 물론 인조잔디를 비롯한 충진제 칩의 우수한 물성을 장기적으로 제공할 수 있어 잦은 교체에 의한 예산절감 효과가 매우 크다 할 것이다.
도 1: 본 발명의 환경 친화형 기능성을 제공하는 인조잔디 충진제의 칩을 제조하기 위한 공정도
도 2: 본 발명의 인조잔디 충진제의 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 합성한 에트린자이트의 전자현미경 결과
본원의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 실시내용을 실시예로 기재하기에 앞서, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 본원발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
이하, 본 발명을 다음의 실시 예에 의하여 본원의 기술사상이 적용되는 예를 상세하게 설명하고자 하는바, 추후 현장적용에서는 오염원 우려가 있는 고분자 원료물질로, 예를 들어 폐타이어 분쇄 칩에 함유되어 있는 유해성분을 제거하고 칼라색상을 제공하기 위해 안료가 공급되는 제2단계, 폐고무 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 에트린자이트 공급되는 제3단계, 폐고무 칩에 포함된 유해성 유기물질을 광분해시켜 제거하기 위한 광촉매가 혼합되는 제4단계 공정이 선행된 후 무기충진제 및 오일이 추가되어 인조잔디 탄성용 충진재 원료조성물을 얻는 공정으로 적용되는 것이 바람직할 것이나 실험실 공정에서는 고분자 분쇄물과 무기충진제 및 오일이 함께 혼합시켜 상기 2단계 내지 4단계 공정이 함께 적용되었다.
실시 예 1
(주)LG화학의 SBR(Styrene Butadiene Rubber) 10 kg, (주)제오빌더의 4A-제올라이트 12 kg(평균입자의 크기: 5 ㎛), 파라핀 오일 2.4 kg, 녹색의 시아닌그린 유기안료 200 g, 에트린자이트 0.16 kg, 광촉매로 (주)코스모 화학의 이산화티타늄 분말(평균 입자 크기: 1.25 ㎛) 100 g을 측량하여 교반기에 샘플링을 하였다.
교반기의 온도를 180℃를 유지하면서 3시간 동안 교반하여 인조잔디 충진제 칩을 제조하기 위한 조성물을 균일하게 혼합하고, 이의 혼합된 조성물을 175℃를 유지하면서 스크류 타입(Screw type)의 2축 압출기를 이용하여 ∮3 mm × 3 mm 크기로 사출됨과 동시에 물에 냉각되도록 하고, 이를 채(Siev)로 건져낸 다음 100 ℃의 오븐에서 가열, 건조하여 환경 친화형 기능성을 제공하는 인조잔디 충진제를 제조하였다.
상기 인조잔디 충진제 칩에 포함된 중금속의 화학적 결합을 위한 에트린자이트는 합성하여 수득하였으며, 에트린자이트 합성방법은 다음과 같다.
1리터 비이커 2개를 준비하고, 하나의 비이커에 6몰에 해당되는 Ca(OH)2를 측량한 후 약 750 ml의 물을 공급, 교반하여 Ca(OH)2가 포함된 슬러리를 준비하였다.
다른 비이커에는 1몰에 해당되는 황산알루미늄[Al2(SO4)3·18H2O]을 측량하고, 약 750 ml의 물을 공급한 다음 교반하여 완전 용해시켰다.
2리터 비이커에 Ca(OH)2가 포함된 슬러리와 용해된 황산알루미늄 용액을 혼합하고, 65℃의 온도에서 Mechanical stirrer로 2시간 가열하여 침상구조의 에트린자이트를 합성한 다음 이를 100℃의 오븐에서 가열, 건조시켜 본원의 실시 예에 필요한 에트린자이트 분말을 준비하였다.
실시 예 2
미래교역(주)에서 구입한 SEBS(Styrene Ethylene/Butylene Styrene) 10 kg, 대명케미칼의 탄산칼슘(평균입자의 크기: 10 ㎛) 8 kg, 황토의 아이런 옥사이드옐로(Iron oxide yellow) 무기안료 200 g, 식용유(해표) 1.2 kg, 에트린자이트 0.22 kg, 광촉매로 (주)코스모 화학의 이산화티타늄 분말(평균 입자 크기: 1.25 ㎛) 100 g을 측량한 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 3
(주)캘리 어소시에이트에서 구입한 PVB(Polyvinyl butyral) 10 kg, 대명케미칼에서 구입한 흄실리카(Fume silica, 평균입자의 크기: 5.5 ㎛), 녹색계통의 하엽(荷葉) 단청안료 200 g, 광유(Mineral oil) 0.6 kg, 에트린자이트 0.25 kg, 광촉매로 삼전순약의 산화아연(ZnO, 평균 입자 크기: 4.5 ㎛) 100 g을 측량한 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 4
(주)LG화학의 PP(polypropylene) 10 kg, 보명산업의 규사 8호사 3 kg, 청색계통의 청화 단청안료 200 g, 파라핀오일 0.15 kg, 에트린자이트 0.26 kg, 광촉매로 삼전순약의 산화아연(ZnO, 평균 입자 크기: 4.5 ㎛) 100 g을 측량한 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
비교 예 1~2
중금속 고정화제인 에트린자이트와 광촉매인 이산화티타늄을 첨가하지 않은 것을 제외하고, 실시 예 1~2와 동일하게 수행하였다.
비교 예 3~4
중금속 고정화제인 에트린자이트와 광촉매인 산화아연(ZnO)을 첨가하지 않은 것을 제외하고, 실시 예 3~4와 동일하게 수행하였다.
인조잔디의 충진제 칩에 포함되거나 황사나 미세먼지에 포함된 중금속들이 운동장에 시공된 인조잔디 표면에 오염될 때 산성비에 중금속이 용출된 용액이 에트린자이트와 어느 수준으로 화학적 결합을 하는지 확인하였다. 먼저 1,000 ppm Pb AAS용 표준물질을 10 ppm 농도로 희석하여 1리터 준비하고, 250 ml 비이커 5개에 각각 200 ml 분취한 다음 비교 예 1 내지 4 및 실시 예 1 내지 4에서 만들어진 인조잔디 충진 칩 20 g을 공급한 다음 1시간 동안 교반하고 이의 상층액을 ICP/AES(Thermo Fisher Scientific iCAP 7400Duo )로 분석, 확인하였다.
본원에 의한 인조잔디 충진 칩에서 배출되는 환경 유해성 유기물질에 대한 광분해의 수준을 확인하기 위하여 동일한 1리터 비이커 5개를 준비한 후 상기 비교 예 1 내지 4 및 실시 예 1 내지 4에서 만들어진 샘플 500 g을 측량하고, 휘발성 유기화합물질인 톨루엔을 정확하게 5 ml씩 각각 스파이킹(Spiking)한 다음 균일하게 혼합하였다.
톨루엔이 포함된 5개의 시료를 실외의 동일한 장소에 방치하여 햇빛이 동일한 조건으로 조사되도록 하고, 가스포집기를 이용하여 비이커 상층부 5 cm에서 톨루엔을 포집하여 가스크로마토그래피(Agilent Technologies 6890N)로 톨루엔을 정량분석하였다.
본 실시예를 통한 중금속 고정화 및 환경 유해성 유기물질에 대한 광분해 결과를 표 1에 나타냈다
구분 Pb(ppm) Toluene(ppm)
실시 예 1 0.11 4.6
실시 예 2 N.D. 4.2
실시 예 3 N.D. 6.8
실시 예 4 N.D. 6.3
비교 예 1 9.2 46
비교 예 2 9.4 45
비교 예 3 9.0 47
비교 예 4 9.2 44
●: 매우 우수, ○: 우수, ◇: 보통, ◆: 불만, ×: 매우 불만
N.D.는 non-detectable을 의미하며, 상기 검출한계는 0.10 ppm임.
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 인조잔디의 충진제 칩에 포함되거나 황사나 미세먼지에 포함된 중금속들이 운동장에 시공된 인조잔디 표면에 오염될 때 산성비에 중금속이 용출된 용액이 에트린자이트와의 고정화의 가능성을 확인한 결과 비교 예 1 내지 4에서 나타낸 바와 같이 중금속 고정화제인 에트린자이트가 함유되지 않을 경우 납의 중금속에 대한 고정화 능력이 전혀 나타나지 않음에 따라 에트린자이트의 중금속 고정화제가 인조잔디의 충진제 칩의 조성물에 포함되지 않을 경우 중금속에 의한 인명 및 환경적 피해가 발생할 우려 및 그 가능성이 매우 크다고 예상할 수 있는 반면, 실시 예 1 내지 4에서와 같이 폐고무 칩 표면에 중금속을 화학적으로 고정화시킬 수 있는 에트린자이트가 포함될 경우 수중에 포함된 납(Pb) 중금속을 화학적으로 쉽게 고정화시킬 수 있음에 따라 종래에 해결할 수 없었던 중금속 문제점을 충분히 해결할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 인조잔디가 설치된 운동장에서 체육활동을 통한 피부접촉이나 호흡기를 통하여 인조잔디 충진제에 포함된 벤젠, 자일렌, 에칠벤젠과 같은 휘발성 유기화합 물질 등에 대한 피해를 방지하고자 함에 있어서, 비교 예 1 내지 4에서는 톨루엔이 44~46 ppm의 농도가 검출되는 결과를 확인할 수 있었으나, 실시 예 1 내지 4에서는 4.2~6.8 ppm 농도의 톨루엔이 검출량을 확인할 수 있음에 따라 인조잔디 충진제 칩 내부에 광촉매가 함유되지 않은 비교 예 1 내지 4인 경우 분해되지 않은 상태의 환경 유해화학물질이 인조잔디 충진제의 구성체 밖으로 배출되는 것으로 예상할 수 있으며, 실시 예 1 내지 4의 경우 햇빛이 조사되는 상황에서 인조잔디 충진 칩 내부에 함유된 광촉매에 의해 환경 유해화학물질이 분해되면서 배출되는 것으로 예상할 수 있으며, 광촉매에 의한 자외선 차단의 효과를 제공하여 고분자로 이루어진 인조잔디 충진제의 수명을 연장시켜 내구년수의 연장에 따라 인조잔디 교체비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 예상한다.
추가적으로 침상구조를 갖고 있는 에트린자이트가 인조잔디의 충진 칩의 조성물에 포함될 경우 인조잔디 위에서 체육활동을 통한 장기적 외압이 가하는 상태에서도 고유의 탄성과 내구성이 장기간 제공될 수 있는 효과도 동시에 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 본원 기술이 적용되어 환경 친화형 공정으로 기능성을 높인 인조잔디 충진제의 칩을 얻기 위한 제조공정도를 나타낸 것으로, 별도의 부호설명이 필요없다 할 것이고, 도 2는 본원의 인조잔디 충진제 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 합성된 에트린자이트의 전자현미경 사진을 나타낸 것으로 별도의 부호설명이 필요없다.

Claims (6)

  1. 환경친화적 공정으로 제공되는 기능성 인조잔디 충진제 칩의 제조방법에 있어서,
    인조잔디 충진용 원료가 탄성을 제공하는 고분자 칩과 무기충진제 및 오일(Oil)로 구성되는 혼합원료가 공급되되, 상기 고분자 칩은 폐기되는 폐고무를 분쇄하여 1.5 mm ~ 4.5 mm 입자크기의 폐고무 칩(Chip)으로 제공되는 제1단계;
    상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩 표면에 색상을 제공하기 위해 폐고무 칩을 100 중량부 기준으로 할 때 1.5 내지는 4.5 중량부 비율로 안료가 공급되는 제2단계;
    상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩에 포함된 중금속을 고정화하기 위해 에트린자이트(Ettringite)를 공급하되, 1몰의 황산알루미늄과 6몰의 수산화칼슘을 50~70℃의 수욕조건에서 30분~60분 범위로 반응시켜 침상구조의 에트린자이트를 얻고 가열, 건조, 분쇄하여 얻은 에트린자이트 분말을 폐고무 칩(Chip) 100 중량부 기준일 때 0.75 ~ 2.0 중량부 비율로 공급되는 제3단계;
    상기 제1단계에서 공급되는 폐고무 칩에 포함된 유해성 유기물질을 광분해시켜 제거하기 위해 0.25~5.0 ㎛ 입도크기의 이산화티타늄(TiO2) 내지는 산화아연(ZnO) 중에서 선택되는 광촉매가 폐고무 칩(Chip)을 100 중량부로 기준으로 할 때 0.5 내지는 1.0 중량부 비율로 공급되어 혼합되는 제4단계;
    상기 공정을 거친 폐 고무칩을 100 중량부로 기준으로 할 때 무기충진제 50~125 중량부와 동,식물성유나 합성유지 중 선택되는 오일이 무기충진제 100 중량부를 기준으로 할 때 5~20 중량부 비율로 추가되고 혼합되어 인조잔디 탄성용 충진재 원료조성물을 얻는 제5단계
    상기 제5단계를 거친 원료혼합물을 150~190℃의 온도영역에서 교반하고 150~200℃의 온도영역에서 압출시켜 1.5 ~4.5 mm 크기로 컷팅시켜 인조잔디 충진재용 칩(chip)을 얻는 제6단계;
    수냉, 여과, 건조, 선별 단계 중 필요공정이 추가되어 탄성을 제공하는 인조잔디 충진재용 칩(chip) 원료를 얻는 것을 특징으로 하는 기능성 인조잔디 충진재용 칩의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안료 공급단계는 녹색의 시아닌그린(Cyanin green), 장단(長丹)의 퍼머넌트 오렌지(Permanent orange), 황(黃)의 퍼머넌트 옐로우((Permanent yellow), 주홍(朱紅)의 톨루이딘 레드(Toluidine red), 먹의 퍼머넌트 블랙(Permanent black), 지당(백색)의 이산화티타늄(Titanium dioxide R 760), 황토의 아이런 옥사이드 옐로(Iron oxide yellow), 호분(胡粉)의 패분(貝粉), 양록(洋綠)의 에머랄드 그린(Emerald green), 장단(長丹)의 리드 레드(Lead red), 석간주(石澗朱)의 아이런 옥사이드 레드(Iron oxide red), 황연(黃鉛)의 크롬 옐로우(Chrome yellow), 하엽(荷葉)의 크로뮴 옥사이드 그린(Chromium oxide green), 양청(洋靑)의 코발트 블루(Cobalt blue 7117), 군청(群靑)의 울트라마린(Ultramarine), 석웅황(石雄黃), 동황(銅黃), 황단(黃丹), 당주홍(唐朱紅), 연지(?脂), 석간주(石澗朱), 번주홍(燔朱紅), 하엽(荷葉), 석록(石綠), 삼록(三綠), 뇌록(磊綠), 청화(靑化), 청화묵, 이청(二靑), 삼청(三靑), 진분(眞紛), 정분(丁紛) 중 1종 이상의 안료가 선택되어지고, 인조잔디 충진 칩(Chip)을 100 중량부로 기준으로 할 때 1.5 내지는 4.5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 기능성 인조잔디 충진제 칩의 제조방법
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자가 폐고무 분쇄물이 사용되는 것 이외에 에스비알(SBR, Stylene Budadiene Rubber), 에스이비에(SEBS, Stylene-Ethylene/Bythlene-Stylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 에이비에스(ABS, Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 피브이비(PVB, Polyvinyl butyral) 중에서 선택된 원료의 분쇄물이 사용되어 적용되는 것을 특징으로 하는 기능성 인조잔디 충진제 칩의 제조방법
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무기충진제는 50 ㎛ 크기 이하의 맥반석, 황토석, 감람석(Olivine), 고령토(Kaolin), 메타카올린(metakaolin), 규산염 광물(Silica Mineral), 규조토(Diatomite), 규회석(Wollastonite), 납석(Pyrophyllite), 돌로마이트(Dolomite), 리튬광물(Lithium Minerals), 마그네사이트(Magnesite), 보크사이트(Bauxite), 벤토나이트(Bentonite), 부석(Pumice), 붕산염광물(Borate), 사문석(Serpentine), 산성백토(Acid clay), 산화철(Iron Oxide), 석류석(Garnet), 탄산광물(Carbonate Minerals), 애타풀자이트(Attapulgite), 제올라이트(Zeolite), 세피오라이트(Sepiolite), 연옥(Nephrite), 인회석(Apatite), 일라이트-운모(Illite-Mica), 장석(Feldspar), 진주암(Perlite), 질석(Vermiculite), 중정석(Barite), 활석(Talc), 규조토(diatomaceous earth), 흑연(Graphite), 헥토라이트(Hectorite), 점토광물(Clay Minerals), 지르코늄 광물(Zirconium Minerals), 투어마린(Tourmaine; 전기석), 흄실리카(Fume silica), 에어로겔(Aerogel), 플라이에쉬(Fly ash), 고로슬래그 중에서 선택되는 1종 이상의 원료가 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 기능성 인조잔디 충진제 칩의 제조방법
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