KR102143931B1 - 고분자 조성물의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 고분자 조성물 및 플라스틱 성형품 - Google Patents

고분자 조성물의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 고분자 조성물 및 플라스틱 성형품 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계; 상기 건조 슬러지를 분급하여 슬러지 입자를 획득하는 단계; 및 상기 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고분자 조성물의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 고분자 조성물 및 플라스틱 성형품{METHOD FOR MANUFACTURING POLYMER COMPOSITION, POLYMER COMPOSITION AND MOLDED PLASTIC USING THE SAME}
본 발명은 고분자 조성물의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 고분자 조성물 및 플라스틱 성형품에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지를 재활용하여 획득한 슬러지 입자 및 이를 함유하는 고분자 조성물, 플라스틱 성형품에 관한 것이다.
일반적으로 지류의 주원료인 펄프를 제조하기 위해서는 우드칩을 고온, 고압의 압력솥 같은 증해기에서 증해 약품인 수산화나트륨 또는 황화나트륨을 첨가하고, 스팀에 의해 우드칩을 이루고 있던 주된 셀룰로오스 섬유와 섬유를 결속해온 리그닌을 분리하고 표백공정을 거쳐 순수 펄프를 제조하는 과정을 거친다. 제조된 펄프는 충전제와 약품, 염료 등을 원료로 정선공정, 초지공정, 코팅공정을 거침으로써 다양한 제지로 제조된다.
국내 지류 생산량은 2017년 기준 연간 약 1,190만 톤 규모로서, 우리나라는 중국, 미국, 일본, 독일에 이은 세계 제 5위의 지류생산 국가이며, 펄프는 연간 약 57만 톤을 생산하여 세계 26위의 규모를 나타낸다(한국제지연합회, 2016). 2017년 기준 국내 제지산업이 전체 제조업에서 차지하는 비중은 0.7%로 비교적 낮음에도 불구하고 펄프 또는 제지 생산 공정에서 다량 발생되는 이산화탄소, 폐수 및 슬러지가 환경에 미치는 부정적인 영향은 지대하며, 염색 산업 다음으로 환경위해성이 큰 산업분야로서 향후 지속적인 지류의 소비증가에 따른 생산량의 증가와 더불어 이러한 오염물질의 발생량 또한 지속적인 증가세가 유지될 것으로 예상되며, 이에 따른 심각한 환경문제를 야기 시킬 수 있음을 짐작케 한다.
한편, 펄프·제지 제조 공정에서 발생하는 슬러지는 대부분 폐기물 처리업체에 처리비를 부담하여 해양매립이나 육상매립또는 회화(灰化) 처리하고 있으나, 최근 해양투기가 금지되어 모두 육상매립이나 소각해야 한다. 또한 자원순환기본법에 따라 2018년 부터는 폐기물 톤당 과징금을 부담함으로서 처리비와 과징금 으로 인해 경제적 부담이 더욱 더 가중화되고 있는 실정이다.
종래의 펄프, 제지슬러지는 모르타르, 벽돌, 바닥재 등 일부 건축재 원료로 활용될 수 있지만 국내 경우 재활용이 매우 제한적이다. 이에 따라 펄프, 제지슬러지를 감량화하여 배출량을 줄이는 시도가 있지만 배출량 감량에 비해 경제적 관점에서 효과가 높지 않아 현실적으로 적용이 어렵고 제지업체별로 슬러지 성분이 달라 적용하는데 어려움이 있었다. 일본 제지업체에서는 농업용도로 토양개량제로 개발한 사례가 있다(코토부키제지-후쿠오카현 리사이클센더와 공동연구, 2015년). 하지만 국내 펄프, 제지슬러지의 경우 업체마다 사용하는 약품과 응집제 종류가 상이하여 슬러지의 성분이 다르고 Fe 성분이 많아 농업용으로 적용이 어렵다.
대한민국 공개특허 제2017-0067620호는 슬러지 재활용 시스템 및 이를 이용한 슬러지 재활용 방법에 관한 것으로서, 슬러지 저장부, 고화제 저장부, 예비혼합부, 혼합양생부, 및 공기공급부를 포함하는 슬러지 재활용 시스템에 있어서, 상기 혼합양생부의 상부에 길이방향으로 상호 평행하게 형성된 한 쌍의 레일을 따라 주행하는 하대차; 상기 하대차의 상부에 폭방향으로 상호 평행하게 형성된 한 쌍의 레일을 따라 주행하는 상대차; 상기 상대차의 상부에 설치되고, 하부에 후드가 형성된 구동모터; 상기 구동모터 하부에 연결된 구동축, 및 상기 구동축의 하부 측면에 구비되어 회전하는 패들; 상기 공기공급부와 연결되어 상기 혼합양생부의 하면 및 측면에 형성된 복수의 통공; 및 상기 혼합양생부의 상단에 설치된 가스 배출구;를 포함하는 복수의 혼합양생부가 상호 병렬적으로 설치된, 슬러지 재활용 시스템에 관한 내용을 개시하고 있다.
그러나, 이렇게 처리되는 슬러지 중에는 각종 무기 입자가 포함되어 있어 고가의 원료가 손실되고 있으며, 환경적인 측면에서도 바람직하지 않은 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2017-0067620호 (2017.06.16.) 대한민국 등록특허 제1836927호 (2018.03.05.)
본 발명은 슬러지 입자를 재활용할 수 있어 친환경적이고 경제적인 고분자 조성물의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 친환경적이고, 다양한 용도에 활용이 가능한 고분자 조성물 및 이를 이용한 플라스틱 성형품을 제공하고자 한다.
본 발명은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계; 상기 건조 슬러지를 분급하여 슬러지 입자를 획득하는 단계; 및 상기 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계;를 포함하는 고분자 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 고분자 조성물의 제조방법으로 제조된 고분자 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 고분자 조성물을 포함하는 플라스틱 성형품을 제공한다.
본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조 방법은, 슬러지 입자를 재활용함으로써 친환경적이고, 경제적인 이점이 있으며 다양한 용도로 활용할 수 있는 고분자 조성물을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고분자 조성물 및 이를 이용한 플라스틱 성형품은 친환경적이고, 다양한 용도에 활용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시형태에 따른 고분자 조성물의 제조방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시형태에 따른 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조한 건조 슬러지의 주사전자현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시형태에 따른 건조 슬러지를 입자 사이즈별로 분급한 슬러지 입자의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시형태에 따른 고분자 조성물의 제조 방법으로 제조된 압출 펠릿과 사출 시편 이미지이다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 직접 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 개재되는 경우도 포함한다.
본 발명에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<고분자 조성물의 제조방법>
본 발명의 한 양태는 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계; 상기 건조 슬러지를 분급하여 슬러지 입자를 획득하는 단계; 및 상기 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계;를 포함하는 고분자 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
건조 슬러지를 제조하는 단계
본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, "펄프 슬러지"는 펄프 생산 공정의 부산물을 일컬으며, "제지 슬러지"는 펄프를 가공하여 인쇄용지, 백상지 등의 제지를 제조하는 과정 중에 발생되는 부산물을 일컫는다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합물은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지를 모두 포함하는 것으로서, 펄프 제조 공정 중 발생되는 펄프 슬러지와 제지 공정 중 발생되는 제지 슬러지를 각각 혼합함으로서 얻을 수도 있고, 펄프를 제조하고 이를 이용하여 제지를 제조하는 공정에서 혼합되어 발생되는 혼합물일 수도 있다.
바람직하게는, 펄프를 제조하고 이를 이용하여 제지를 제조하는 공정, 요컨대 일관화 공장 시스템에서 발생되는 혼합물인 것이 경제적인 면이나 공정 시간의 감축 면에서 효율적이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 펄프 슬러지 대 상기 제지 슬러지의 중량비는 7:3 내지 9:1, 바람직하게는 7.5:2.5 내지 8.5:1.5, 더욱 바람직하게는 7.7:2.3 내지 8.3:1.7, 가장 바람직하게는 8:2 내지 8.3:1.7 일 수 있다.
상기 펄프 슬러지 대 상기 제지 슬러지의 중량 비율이 상기 범위를 만족하는 경우 섬유소 함량이 높은 슬러지 입자를 획득할 수 있어 고분자 조성물에 적용할 경우 강화제 효과로 인하여 기계적 물성이 높아지는 이점이 있어 바람직하다.
상기 펄프 슬러지는 철 이온, 칼슘 이온, 마그네슘 이온 및 알루미늄 이온으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하고 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄프 슬러지는 철 이온을 함유하고 있는 것일 수 있다.
상기 제지 슬러지는 칼슘 이온을 포함하고 있는 것일 수 있다. 일반적으로 제지 슬러지는 제지 과정에서 리그닌과 셀룰로오스를 분리하고 걸러진 여액을 재사용하기 위하여 생석회(lime; CaO)를 사용하게 되는데, 이때 칼슘과 같은 알칼리계 화합물이 풍부한 제지슬러지가 생성될 수 있다. 상기 펄프 슬러지 및 상기 제지 슬러지의 혼합물은 수분 함량이 30 중량% 이하가 되도록 건조되는 것일 수 있으며, 상기 펄프 슬러지 및 상기 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 방법은 직접 또는 간접가열방식에 의하여 건조함으로써 제조할 수 있으나 이에 한정되지는 않으며 당업계에서 통상적으로 수행되는 방법을 통하여 수행될 수 있다.
예컨대, 상기 펄프 슬러지 및 상기 제지 슬러지의 혼합물을 열풍에 접촉시켜 건조하는 직접가열방식을 이용하여 건조할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
구체적으로, 상기 건조 슬러지는 상기 펄프 슬러지 및 제지 슬러지를 벨트 프레스 또는 필터 프레스를 이용하여 수분 함유량이 50 내지 70 중량%가 되도록 탈수한 후, 120 내지 150℃의 온도로 스팀드라이에서 건조함으로서 제조할 수 있다.
슬러지를 압착한 상태로만 처리할 경우 수분을 50 중량% 이하로 처리하는 것이 매우 어렵다. 본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하기 때문에, 많은 수분을 함유함에 따라 부패, 냄새 등에 취약하고 장기간 보관할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.
건조 슬러지를 분급하는 단계
본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은 상기 건조 슬러지를 분급하여 슬러지 입자를 획득하는 단계를 포함한다.
일반적인 압착 슬러지의 경우 고압으로 압착함에 따라 덩어리 형태의 케이크 형상을 갖게 되지만, 건조 슬러지의 경우 다양한 형상의 분말로 이루어지기 때문에 본 발명에서는 상기 건조 슬러지를 입자 크기 별로 분급하여 재활용 가능하다. 구체적으로, 본 발명에서는 상기 건조 슬러리를 입자 크기 별로 분급함에 따라 섬유소 함량이 높은 슬러지 입자와, 섬유소 함량보다 무기물 함량이 높은 슬러지 입자로 분류 가능하다.
상기 분급은 상기 건조 슬러지를 기계적인 분리 방법, 예컨대 공기 분급화 등을 이용한 비중 차이 또는 체거름 분리법에 의하여 입자 크기 별로 분류되도록 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 분급은 Ultrasonic sieving 또는 Vibrator sieving 장비를 이용하여 메쉬별로 분급되도록 수행되는 것일 수 있다.
구체적으로 상기 건조 슬러지는 입자 크기가 500㎛ 초과, 355㎛ 초과 내지 500㎛ 이하, 150㎛ 초과 내지 355㎛ 이하, 150㎛ 이하, 더욱 구체적으로 500㎛ 초과, 425㎛ 내지 500㎛ 미만, 250㎛ 내지 355㎛ 이하, 150㎛ 이하인 것으로 분급될 수 있으며, 섬유소 함량이 높은 슬러지 입자와 섬유소 함량이 낮은 슬러지 입자를 용도에 따라 획득할 수 있다.
본 발명에 있어서, "섬유소 함량이 높은 슬러지 입자"란, 건조 슬러지 전체의 평균 섬유소 함량보다 섬유소 함량이 높은 슬러지 입자를 의미한다. 예컨대, 상기 섬유소 함량이 높은 슬러지 입자는 상기 건조 슬러지 전체의 평균 섬유소 함량보다 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 더욱 바람직하게는 30% 이상, 특히 바람직하게는 40% 이상, 가장 바람직하게는 50% 이상 섬유소 함량이 높을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 섬유소 함량이 높은 부분의 섬유소 함량은 20 중량% 이상일 수 있다.
본 발명에서 상기 섬유소 함량이 높은 부분은, 상기 건조 슬러지를 분급하여 얻어진 입자를 회화로에서 500 내지 950℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 소성처리하여, 남은 회분의 함량은 무기물 함량으로 하고, 섬유소 함량은 무기물 함량을 제외한 함량으로 함으로써 확인할 수 있다.
본 발명에서, "입자 크기"란, 상기 슬러지 입자의 내부를 통하여 표면상의 두 지점을 연결하는 선 중에서 가장 긴 선의 길이 값을 의미할 수 있고, 당업계에서 사용하는 측정방법을 사용할 수 있다. 예컨대, 입도분석기(Malvern mastersizer), 옵티컬 프로파일러(optical profiler), 주사전자현미경(SEM) 등을 이용하여 측정할 수 있다.
상기 무기물은 예컨대, 황산제이철, 수산화칼슘, 알루미늄옥사이드 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 조성물의 제조방법은 상기 건조 슬러지를 분쇄하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 건조 슬러지를 분급하는 단계 이전에 상기 건조 슬러지를 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 건조 슬러지의 입자 크기가 상대적으로 큰 경우, 상기 건조 슬러지를 예비 분쇄할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 다만, 이 경우 섬유소 함량이 높은 건조 슬러지의 회수율을 높일 수 있는 이점이 있어 바람직하다.
더욱 구체적으로, 상기 건조 슬러지는 섬유소를 함유하고 있는 입자 크기가 다소 큰 입자를 포함하고 있을 수 있으며, 이를 분급하는 경우 섬유소 부분을 회수하는 것이 다소 어려울 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조 방법은, 상기 건조 슬러지를 분쇄하고 분급하는 것이 바람직하다.
상기 예비 분쇄는 예컨대, 상기 건조 슬러지의 입자 사이즈가 150㎛ 내지 700㎛, 바람직하게는 250㎛ 내지 500㎛가 되도록 수행될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 상기 입자 사이즈가 상기 범위를 만족하도록 예비 분쇄하는 경우 고분자 조성물, 플라스틱 등에 적용이 용이하기 때문에 바람직하다.
상기 분쇄는 밀링(milling)에 의해 이루어질 수 있고, 구체적으로 상기 밀링은 기계적 밀링일 수 있다. 더욱 구체적으로, 롤밀(roll-mill), 볼밀(ball-mill), 제트 밀(jet-mill), 유성밀(planetary-mill), 핀/해머 밀(Pin/Hammer-mill), 크러쉬 밀(crush mill), ACM 밀(ACM; Air classifier Mill) 및 어트리션밀(attrition-mill)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상에 의해 이루어질 수 있으나,이에 한정되지는 않는다. 구체적으로, 상기 분쇄는 핀밀을 이용하여 수행될 수 있으며, 예비 분쇄와 상기 분급을 동시에 수행할 수 있는 ACM 밀을 사용할 수도 있으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 분급은 필요에 따라 2회 이상 수행될 수도 있으나 이에 한정되지는 않는다.
펄프 공장 및 제지 공장에서 발생하는 슬러지를 압축 처리만 할 경우 수분 함량이 높고, 필요한 부분만을 회수하는 것이 매우 어려웠다. 또한, 종래의 펄프 슬러지, 제지 슬러지의 경우 모르타르, 벽돌, 바닥재 등 일부 건축재 원료로 활용될 수 있지만, 그 용도가 제한되고, 재활용 될 수 있는 양이 매우 적어 재활용이 매우 제한적이었다. 그러나, 본 발명에서는 건조 슬러지를 상기와 같이 분급, 바람직하게는 분쇄 및 분급하여 입자 사이즈 별로 섬유소 함량이 적거나, 높은 슬러지 입자를 수득함으로써 재활용 용도에 따라 알맞은 부분만을 분류할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 건조 슬러지는 분급 과정을 통하여 입자 사이즈별로 유기물, 무기물 조성이 다른 형태의 슬러지 입자의 획득이 가능하다. 이에 따라, 입자 사이즈별로 다양한 용도에 사용이 가능하며, 특히 기존 플라스틱에 첨가제로 사용이 가능함에 따라 종래에는 폐기되었던 폐자원인 펄프, 제지 슬러지를 재자원화하여 활용함으로서, 환경성과 경제성을 증대시킬 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조 방법은 건조 슬러지를 분급, 바람직하게는 예비 분쇄하고 입자 크기별로 분급하여 획득된 슬러지 입자를 이용하며, 상기 슬러지 입자는 입자 크기별에 따라 각 슬러지 입자를 이루고 있는 구성 성분의 조성이 상이하여, 일반적으로 매립되어 손실되는 슬러지를 다양한 용도로 재활용할 수 있다는 점에서 매우 친환경적이다. 또한, 폐수의 응집 과정에서 사용되는 유·무기 응집제를 함유하고 있기 때문에 각종 공정에서 사용되는 충전제를 대체할 수 있는 이점이 있다.
슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계
본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하여 고분자 조성물을 얻는 단계를 포함한다.
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리프로필렌 공중합체, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 나일론, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 사이클릭 올레핀 중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 및 트리아세틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 고분자 수지는 미생물을 이용하여 제조되는 고분자일 수도 있으며, 이들은 주로 생분해성 특징을 지니고 있다.
대표적인 고분자로 PHA(Polyhydroxyalkanoate)계 고분자를 들 수 있으며, 또한 바이오매스에서 제조되는 슈가를 이용하여 발효과정을 거쳐 제조된 단량체를 중합하여 제조되는 고분자로 바이오 플라스틱의 대표격으로 PLA(Polylacticacid) 고분자를 들 수 있다.
또한, 바이오 매스 기반 단량체와 석유 기반 단량체를 서로 중합하여 제조되는 고분자로 PTT(Poly(trimethylene terephthalate)), PBS(Polybutylene succinate), PBAT(Poly hydroxyalkanoate), PHB(Poly-β-hydroxybutyrate), PHV(Poly-β-hydrolyvalerate) 등과 석유 기반 생분해성 고분자로서 PCL(Polycaprolactone)이 대표적인 고분자이다.
그리고, 바이오 기반의 Bio-PET, Bio-PE, Bio-PP, Bio-PC 등의 고분자 수지일 수 있으나 이에 한정되지는 않으며, 통상적으로 알려진 생분해성 고분자를 적용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고분자 수지의 중량평균 분자량, 중합도 등을 한정하지는 않는다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 수지는 재생 고분자 수지일 수 있다. 예컨대, 상기 고분자 수지는 재생 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 상기 폴리프로필렌 수지는 랜덤 폴리프로필렌 수지, 호모 폴리프로필렌 수지, 블록 폴리프로필렌 수지일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 고분자 수지는 펠렛 형태일 수도 있으나 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 슬러지 입자는 상기 고분자 조성물 전체 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부, 바람직하게는 15 내지 45 중량부, 더욱 바람직하게는 15 내지 40 중량부로 포함될 수 있으며, 이 경우 경제적인 면에서 바람직하면서도 유동지수, 인장강도, 굴곡강도, 충격강도 등이 우수한 플라스틱의 제조가 가능한 고분자 조성물을 얻을 수 있는 이점이 있어 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 고분자 조성물은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위에서 상용화제, 난연제, 산화 방지제, 활제, 이형제, 핵제, 대전방지제, 안정제 및 착색제로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 고분자 조성물은 상용화제를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상용성이 더욱 우수한 고분자 조성물을 얻을 수 있어 바람직하다.
상기 첨가제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것일 수 있으며, 본 발명에서는 본 발명의 목적을 저해하지 않는다면 이를 한정하지는 않는다.
상기 첨가제는 상기 고분자 조성물 전체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 8 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 중량부로 포함될 수 있으며, 이 경우 본 발명의 목적을 저해하지 않으면서 첨가제가 목적하는 효과가 증대되므로 바람직하다.
상기 고분자 조성물은 상기 슬러지 입자, 고분자 수지 및 필요에 따른 첨가제를 혼합한 후에, 압출기 내에서 용융 압출함으로서 펠렛 형태로 제조할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 혼합은 통상적으로 알려진 방법, 예컨대 1축 또는 2축 압출기(트윈 압출기) 등을 통해 혼련하여 수행할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
제조된 펠렛은 사출성형, 압출성형, 진공성형, 캐스팅성형 등의 다양한 성형방법을 통해 다양한 성형품(제품)으로 제조될 수 있으며, 본 발명에서 성형 방법을 제한하지는 않는다. 구체적으로, 상기 성형 방법은 사출성형 등의 같이 당업계에서 통상적으로 수행되는 방법일 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조방법은, 펄프와 제지 공정에서 발생되고 있는 펄프 슬러지와 제지 슬러지의 혼합물을 건조한 후 분쇄, 분급함으로써 얻을 수 있는 슬러지 입자를 이용하기 때문에, 종래에 폐기되는 자원을 재자원화여 활용가능하며, 이로 인하여 경제성과 동시에 친환경성을 만족할 수 있다.
특히, 슬러지 처리 비용을 감소시킬 수 있으며, 슬러지의 폐기물의 발생량을 감소시키고, 자원이 부족한 환경에서 폐기물의 재활용을 한단계 업그레이드한다는 점에서 진정한 의미의 업사이클링(upcycling)의 실현이 가능하다.
<고분자 조성물 및 플라스틱 성형품>
본 발명의 다른 양태는, 전술한 고분자 조성물의 제조방법으로 제조된 고분자 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고분자 조성물은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지를 건조, 분급, 분쇄하여 얻은 슬러지 입자를 함유한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 고분자 조성물은 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계; 상기 건조 슬러지를 분급하여 슬러지 입자를 획득하는 단계; 및 상기 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계;를 포함하는 고분자 조성물의 제조방법으로 제조된다.
상기 고분자 조성물은 함유하고 있는 슬러지 입자의 종류에 따라 비중, 유동지수, 인장강도, 굴곡강도 또는 아이조드 충격강도 등이 우수한 성질을 나타내기 때문에 다양한 용도의 성형품으로의 활용이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 전술한 고분자 조성물을 포함하는 플라스틱 성형품에 관한 것이다.
상기 플라스틱 성형품은, 전술한 바와 같이 고분자 조성물, 구체적으로 펠렛 형태의 고분자 조성물을 사출성형과 같은 성형 방법을 이용하여 얻을 수 있으며, 본 발명에서 상기 성형 방법을 한정하지는 않는다.
상기 플라스틱 성형품은 예컨대, 건축 내/외장재 또는 플라스틱 파렛트, 일 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 이하에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.
슬러지 입자의 제조
펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물(펄프 슬러지:제지 슬러지=8:2)을 필터프레스를 이용하여 수분 60 중량% 이하로 탈수 한 후 130도에서 스팀드라이어를 이용하여 수분 함량이 30 중량% 이하가 되도록 건조하였다. 건조 슬러지를 핀밀을 이용하여 예비 분쇄한 후 Vibrator sieving 장비를 이용하여 분급하여 평균 입자 크기 별 슬러지 입자 A 내지 C(A: ①500㎛ 초과, B: ②355 초과 500㎛ 이하, ③150 초과 355㎛ 이하, 슬러지 C: ④150㎛ 이하)를 획득하였다. 이때, 건조 슬러지의 혼합물의 조성을 알아보기 위하여 950℃에서 회화 후 XRF 분석하여 연소 잔량 성분을 분석하여 하기 표 1에 나타내었으며, 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조한 건조 슬러지의 주사전자현미경 이미지를 도 1에 나타내었고, 슬러지 입자 A 내지 C(① 내지 ④)의 사진을 도 2에 나타내었다.
화학성분 CaO Mg2O3 SiO2 Fe2O3 Al2O3 기타
함량(%) 33 1.5 5.5 45 7.0 8.0
고분자 조성물의 제조
표 2에 따른 고분자 수지, 상용화제로 Maleic anhydride-g-polypropylene(MAPP, PH-200, powder, 분자량: 40,000, 롯데케미칼(주)), 상기에서 제조된 슬러지 입자를 하기 표 2의 구성 및 조성에 따라 혼합하였다. 그 후, 트윈압출기(ø30, L/D 44)로 압출조건 Screw 250rpm, 생산속도 10kg/h, 압출 베이스 온도 210℃로 압출 펠렛을 제조 하였다.
제조된 압출 펠렛을 이용하여 사출공정(injection process)을 통하여 사출 시편을 제조하였다. 이때, 사출공정시 시편에 발생할 수 있는 결함을 최소화하기 위해 24시간동안 펠렛을 충분히 건조한 후 사출시편이 잘 성형될 수 있도록 사출기에 보압과 보압시간의 공정변수를 적절히 조절하여 사출공정을 수행하였다.
수지 A 수지 B 수지 C 슬러지 A 슬러지 B 슬러지 C 상용화제
실시예 1 82 - - 15 - - 3
실시예 2 82 - - - 15 - 3
실시예 3 82 - - - - 15 3
실시예 4 67 - - 30 - - 3
실시예 5 67 - - - 30 - 3
실시예 6 67 - - - - 30 3
비교예 1 97 - - - - - 3
비교예 2 97 - - - - 3
비교예 3 - 97 - - - 3
수지 A: 재생 PP(엔피씨케미칼사)
수지 B: Homo-PP(한화토탈사, HJ400)
수지 C: Block-PP(한화토탈사, BI521)
실험예
(1) 비중
제조된 압출 펠릿을 ASTM D792 기준에 의하여 비중을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
(2) 유동지수
제조된 압출 펠릿을 ASTM D1238 기준에 의하여 유동지수를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
(3) 인장강도
제조된 사출 시편을 ASTM D638 기준에 의하여 인장강도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
(4) 굴곡탄성율
제조된 사출 시편을 ASTM D790 기준에 의하여 굴곡탄성율를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
(5) 아이조드 충격강도
제조된 사출 시편을 ASTM D256 기준(notched)에 의하여 아이조드 충격강도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
비중(g/㎠) 유동지수
(g/10min)		 인장강도
(kgf/㎠)		 굴곡탄성율
(kgf/㎠)		 아이조드 충격강도
(kgf.㎝/㎝)
실시예 1 0.97 5.7 310 14,000 8.5
실시예 2 0.96 6.0 320 13,000 9.0
실시예 3 0.98 5.7 305 15,500 8.6
실시예 4 1.10 6.8 330 15,500 9.5
실시예 5 1.07 7.4 380 14,000 12.0
실시예 6 1.12 7.1 315 17,000 9.2
비교예 1 0.95 7.6 270 11,500 8.5
비교예 2 0.91 8.0 360 16,000 3.0
비교예 3 0.91 7.0 280 13,500 12.0
상기 표 3을 보면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 고분자 조성물의 제조 방법을 이용하여 제조된 고분자 조성물, 성형품의 경우 인장강도, 굴곡강도, 아이조드 충격강도와 같은 기계적 성질이 우수한 것을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 펄프 슬러지 및 제지 슬러지의 혼합물을 건조하여 건조 슬러지를 제조하는 단계;
    상기 건조 슬러지를 분급하여, 무기물을 포함하고 입자 크기가 150㎛ 이하, 150㎛ 초과 355㎛ 이하, 355㎛ 초과 500㎛ 이하, 및 500㎛ 초과인 슬러지 입자를 획득하는 단계; 및
    상기 슬러지 입자 및 고분자 수지를 혼합하고 압출하는 단계;
    를 포함하는 고분자 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건조 슬러지를 분쇄하는 단계;를 더 포함하는 것인 고분자 조성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄프 슬러지 대 상기 제지 슬러지의 중량비는 7:3 내지 9:1인 것인 고분자 조성물의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지 입자는 상기 고분자 조성물 전체 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부로 포함되는 것인 고분자 조성물의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 재생 고분자 수지인 것인 고분자 조성물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 조성물은 상용화제, 난연제, 산화 방지제, 활제, 이형제, 핵제, 대전방지제, 안정제 및 착색제로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 첨가제를 더 포함하는 것인 고분자 조성물의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 고분자 조성물의 제조방법으로 제조된 고분자 조성물.
  8. 제7항에 따른 고분자 조성물을 포함하는 플라스틱 성형품.
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