KR102222054B1

KR102222054B1 - 친환경 방향성 epdm 고무분말 제조방법 및 그로부터 생산된 epdm 고무분말

Info

Publication number: KR102222054B1
Application number: KR1020200151015A
Authority: KR
Inventors: 신영봉; 신현근
Original assignee: 신영봉; 신현근
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-03-03

Abstract

본 발명은 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법에 관한 것으로, EPDM 고무 제조를 위한 원재료를 혼련기에 투입하여 배합한 후 냉각시키는 원재료준비단계; 상기 배합된 원재료에 유기가황제 및 가황촉진제를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 천연 방향제와 지효성 강화제를 추가로 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱하여 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 함침시키는 혼련작업단계; 상기 믹싱된 원재료를 압출기를 통해 성형하는 압출단계; 상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 50 ~ 100㎏/㎠의 가압 하에 160 ~ 220℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 가황작업을 실시하는 자동연속가황단계; 상기 가황된 재료를 평균입도 1 ~ 5㎜의 크기로 분쇄하는 분쇄단계의 순으로 이루어진다.
본 발명의 제조방법으로 생산되는 친환경 기능성 EPDM 고무분말은 원재료를 배합하고 냉각시키는 과정을 거친 후 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil), 커피찌꺼기 분말과 같은 천연 방향제 및 중탄산소다(NaHCO3_, 베이킹소다)를 기반으로 하는 지효성 강화제를 추가로 투입하여 혼련작업을 실시함으로써 좋은 향기를 오랫동안 지속할 수 있고 환경에 친화적이며, 또한 유황을 사용하지 않고 유기가황제 및 가황촉진제만을 사용하여 압출된 성형물을 롤 프레스(roll press)에 의한 가압 하에 밀폐된 상태로 연속가황을 실시하고 분쇄함으로써 EPDM 고무분말에서 발산되는 자극적이고 불쾌한 냄새를 억제함과 동시에 중금속, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 유해물질이 전혀 발생되지 않으며, 그리고 가압 자동연속가황작업으로 인한 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법 및 그로부터 생산된 EPDM 고무분말{Manufacturing method of eco-friendly fragrant EPDM rubber powder and EPDM rubber powder produced thereby}

본 발명은 실내운동연습장, 실외운동장, 자전거 도로, 보행자 전용도로, 산책로 및 어린이 놀이공원 등에 주로 사용되는 EPDM 고무분말에서 발산되는 자극적이고 불쾌한 냄새를 억제함과 동시에 중금속, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 유해물질이 전혀 발생되지 않으며, 이에 더해 인체에 유쾌한 향기를 장기간 발산되도록 함으로써 EPDM 고무에 대한 친화력을 높여 새로운 가치창출이 가능한 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법 및 그로부터 생산된 EPDM 고무분말에 관한 것이다.

실내외 운동장, 어린이 놀이시설, 자전거 도로, 공원의 산책로, 각종 체육시설 등 생활공간 주변에 시공되는 바닥재는 안전사고를 미연에 방지할 수 있도록 충격 흡수율이 좋아야 하고 미끄럽지 않아야 하는 등 안전성이 우선이다. 위와 같은 바닥에 시공되는 탄성 포장재의 구비조건은 최적의 보행감과 충격흡수성은 물론, 내구성과 내후성, 보수 유지의 용이성, 환경에 친화적인 재료 등의 특성이 요구되고 있다.

이러한 탄성 포장재는 소비자의 요구에 부응하기 위하여 인조잔디나 트랙 등의 각종 체육시설을 설비하는 바닥에 사전 시공하거나 바닥재 표면에 시공함으로써 탄성과 유연성을 향상시키는 효과가 있으며, 이를 통해 각종 체육시설에서 과격한 운동을 하여도 부상을 방지하면서 운동효율도 월등히 향상시키는 효과를 나타낸다. 또한 아이들이 노는 각종 놀이터에도 같은 방법으로 탄성 칩을 시공하게 되면 아이들이 쉽게 다치는 것을 방지하게 된다.

최근에는 바닥재의 미관을 고려하여 여러 색상 및 문양을 넣을 수 있는 고무계열의 탄성재료를 바인더와 혼합하여 기층의 상부에 포설시키고 마감 시공하여 인체에 가해지는 충격을 완화시키게 되는데, 통상 폴리우레탄 칩(Polyurethane Chip)이나 EPDM 칩(Ethylene Propylene Diene Monomer Chip)에 폐타이어 칩이나 재생고무 칩 등으로 이루어진 복합재료를 이용하여 표면을 전체적으로 탄성 포장재로 시공하는 경우가 증가하고 있다.

그러나 시중에 유통되어 각종 체육시설이나 놀이터에 시공되는 탄성 칩은 시공 후에도 특유의 악취를 동반하게 되어 체육시설을 이용하고자 하는 사람들의 운동 욕구를 떨어뜨리게 되는 문제가 있어, 이러한 탄성 포장재의 사용 확대에 따라 최근에는 단순한 완충성 제공 외에 환경에 친화적인 다양한 기능을 제공하는 기능성 탄성 포장재가 절실하게 필요한 실정이다.

위와 같이, 종래 탄성 포장재는 바닥에 충분한 탄성이 부여되도록 하여 보행자의 보행감이 좋도록 하고 충격을 완화시켜 주어 안전사고의 발생을 예방하는 효과가 있으나, 자원의 재활용 차원에서 폐타이어 칩이나 재생고무 칩 등의 재생자재나 EPDM 칩으로부터 인체에 해로운 중금속, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등이 방출되어 인체에 유해하며, 특히 기온이 높으면 그 방출량이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 폴리우레탄 칩, SBR 칩, 폐타이어 칩, 재생고무 칩 등과 같은 이질적인 복합재료들을 접착하여 이루어지는 탄성 포장재는 상호 접착성이 낮아 바닥에 포장되어 사용하는 도중에 외부의 충격에 쉽게 부서지거나 파손되어 사용이 곤란한 문제점이 있으며, 또 시간이 지나면 내후성 부족으로 접착력이 약해지고 칩들이 가루로 분리되어 흩어지는 현상으로 인하여 적정 탄성을 유지하기 어렵고 안전성 및 유해성 품질기준에도 부적합한 한계가 있다.

현재 많이 사용되는 EPDM 고무칩은 색상 안정성도 우수하고 물리화학적인 충격에 강한 내구성을 갖고 있으나, EPDM도 천연고무와 달리 석유화학산업으로부터 인공적으로 합성된 재질로서, 화학적 가황고무의 특성상 시공 후 장기간 동안 코를 자극하는 유황과 화학물질 냄새가 발생하기 때문에 사용자는 물론 주변을 지나다니는 사람들에게 불쾌감을 주는 등 심각한 문제점이 제기되는 원인이 되고 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 종래 탄성 포장재의 양태를 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-0802290호에서는 폐고무칩 100 중량부에 대해서 토르말린 1 - 20 중량부, 안료 1 - 20 중량부, 및 아크릴 수지, 우레탄 수지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 수지 1 - 30 중량부를 투입하여 교반하여 코팅되는 것을 특징으로 하며, 폐고무를 파쇄하여 제조되는 폐고무칩을 이용함으로써 자원의 재활용 효과가 높을 뿐 아니라 칩 형태로 재생시킴으로써 사용자의 선택에 따라 다양한 분야에 사용할 수 있게 되는데, 이는 토르말린을 포함하고 있어 오래된 폐고무에서 발생할 수 있는 다양한 오염물질 또는 냄새 등을 정화하고 토르말린에서 다량의 음이온이 발생함에 따라 피로 회복이나 자율신경 안정 등 인체에 다양한 유익한 효과가 있다고 한다.

또한, 동 등록특허 제10-1009279호는 탄산칼슘 40-46중량부에 EPDM 37-42중량부, 프로세스오일 5-8중량부, 제올라이트 0.5-1중량부, 황 0.5-0.9중량부 및 편백나무오일 또는 아로마오일 0.2-1중량부를 혼합하는 원료 혼합단계; 상기 원료 혼합단계에서 혼합된 원료를 판상체로 성형하는 성형단계; 상기 판상체를 프레스로 가압하고 스팀을 가하면서 가황하는 가황단계; 및 상기 가황된 판상체를 파쇄하여 EPDM 고무칩을 얻는 파쇄단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 EPDM 고무칩 제조방법을 개시하고 있으나, 이는 원료 혼합단계에서 황과 편백나무오일 또는 아로마오일을 혼합함에 의한 열분해 등으로 인하여 냄새 제거 및 향기 발생의 효과를 장시간 유지하기 어려운 단점이 있는 것으로 파악된다.

또한, 동 공개특허 제10-2016-0023173호에서는 고무 조성물에 향료를 첨가함으로써 종래 고무제품과 동일한 물성을 나타내면서도 제조된 고무제품에서 고무의 불쾌한 냄새 대신 향기가 지속적으로 배출되는 특징이 있으며, 특히 고무 조성물 제조 시에 고온의 배합과정이 아닌 롤러 혼련과정에서 촉진제와 함께 첨가함으로써 향기 잔존기간이 길어지는 장점이 있는 향기나는 고무조성물 및 그 제조방법이 기재되어 있으나, 이는 단순히 카본 마스터배치(CMB)를 제조한 후 상기 배합한 CMB를 24시간 방치 후 향료, 가류제 및 촉진제를 넣고 혼련하여 제조한 최종마스터배치(FMB)로 제조된 시트로써 향의 잔존기간을 연장하는 효과를 충분히 달성하기 어려운 것으로 예측된다.

그리고 동 등록특허 제10-2127078호에서는 1) EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), 부타디엔, 경질 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘 및 중탄산소다(NaHCO3)을 포함하고, 2) 상기 조성물에 배합유, 유황, 석유수지, 가황촉진제, 스테아린산, PE 왁스, 산화아연 및 노화방지제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하며, 3) 상기 조성물 100 중량부에 대하여 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 10 내지 40 중량부, 부타디엔 2 내지 20 중량부, 경질 탄산칼슘 2 내지 50 중량부, 중질 탄산칼슘 30 내지 45 중량부, 탄산수소나트륨 0.5 내지 2 중량부, 배합유 3 내지 5 중량부, 유황 0.5 내지 1 중량부, 석유수지 0.5 내지 1 중량부, 가황촉진제 0.5 내지 1.5 중량부, 스테아린산 0.5 내지 1.5 중량부, PE 왁스 0.5 내지 1.5 중량부, 산화아연 0.5 내지 1.5 중량부 및 노화방지제 0.3 내지 1 중량부인 탄성칩 제조용 조성물로서, 탄성칩의 악취를 제거하여 각종 체육시설이나 육상트랙의 바닥에 탄성칩을 시공한 후에도 불쾌한 냄새가 나타나는 것을 제거하는 효과가 있다고 하나, 이는 EPDM, 부타디엔, 경질 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘 및 탄산수소나트륨(NaHCO₃), 그리고 유황을 필수적으로 포함하고 있어 유해성 품질 등 주변 환경에 적합한 기능을 발휘하기 어려운 것으로 평가된다.

대한민국 등록특허공보 제10-0802290호(공고일자 2008년02월11일) 대한민국 등록특허공보 제10-1009279호(공고일자 2011년01월18일) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0023173호(공개일자 2016년03월03일) 대한민국 등록특허공보 제10-2127078호(공고일자 2020년06월26일)

본 발명의 목적은 EPDM 고무 제조를 위한 원재료를 배합하고 냉각시키는 과정을 거친 후 인체에 유쾌한 향기를 발산하는 천연 방향제와 지효성 강화제를 추가로 투입하여 혼련작업을 실시함으로써 향기를 오랫동안 지속할 수 있으며, 또한 유황을 사용하지 않고 유기가황제 및 가황촉진제만을 사용하여 압출된 성형물을 롤 프레스(roll press)에 의한 가압 하에 밀폐된 상태로 연속가황을 실시하고 분쇄함으로써 EPDM 고무분말에서 발산되는 자극적이고 불쾌한 냄새를 억제함과 동시에 중금속, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 유해물질이 전혀 발생되지 않으며, 그리고 가압 자동연속가황작업으로 인한 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법은, EPDM 고무 제조를 위한 원재료를 혼련기에 투입하여 배합한 후 냉각시키는 원재료준비단계; 상기 배합된 원재료에 유기가황제 및 가황촉진제를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 천연 방향제와 지효성 강화제를 추가로 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱하여 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 함침시키는 혼련작업단계; 상기 믹싱된 원재료를 압출기를 통해 성형하는 압출단계; 상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 50 ~ 100㎏/㎠의 가압 하에 160 ~ 220℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 가황작업을 실시하는 자동연속가황단계; 상기 가황된 재료를 평균입도 1 ~ 5㎜의 크기로 분쇄하는 분쇄단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 원재료준비단계에서의 원재료는 EPDM 100중량부를 기준으로 ZnO 5 ~ 10phr, 스테아린산(Stearic Acid) 1 ~ 3phr, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 2 ~ 4phr, 폴리에틸렌 왁스 2 ~ 4phr, 착색제 5 ~ 8phr, 수분함량 1 ~ 10%인 보강제 30 ~ 70phr, 충진제 200 ~ 400phr, 프로세스 오일 100 ~ 120phr의 비율로 포함하며, 상기 혼련작업단계는 원재료 100중량부에 대하여 유기가황제 1 ~ 4phr, 가황촉진제 2 ~ 5phr를 투입하고 1차 믹싱하며, 여기에 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil) 및 커피찌꺼기 분말 중에서 선택되는 1종 이상의 방향제 1 ~ 3phr, 중탄산소다(NaHCO3_, 베이킹소다) 및 상기 중탄산소다를 산과 반응시켜 중화한 베이킹파우더(Baking powder) 중에서 선택되는 1종 이상의 지효성 강화제 3 ~ 6phr를 투입하여 2차 믹싱하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 상기 압출단계는 5 ~ 15㎜ 두께의 판상으로 성형하고 자동연속가황단계로 이송시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법으로 생산되는 친환경 기능성 EPDM 고무분말은 원재료를 배합하고 냉각시키는 과정을 거친 후 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil), 커피찌꺼기 분말과 같은 천연 방향제 및 중탄산소다(NaHCO3_, 베이킹소다)를 기반으로 하는 지효성 강화제를 추가로 투입하여 혼련작업을 실시함으로써 좋은 향기를 오랫동안 지속할 수 있고 환경에 친화적이며, 또한 유황을 사용하지 않고 유기가황제 및 가황촉진제만을 사용하여 압출된 성형물을 롤 프레스(roll press)에 의한 가압 하에 밀폐된 상태로 연속가황을 실시하고 분쇄함으로써 EPDM 고무분말에서 발산되는 자극적이고 불쾌한 냄새를 억제함과 동시에 중금속, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 유해물질이 전혀 발생되지 않으며, 그리고 가압 자동연속가황작업으로 인한 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 제조공정도이다.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 EPDM 고무분말을 시험 시공한 상태를 나타내는 실물사진이다.

이하에서는 본 발명에 의한 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법에 대하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법은, EPDM 고무 제조를 위한 원재료를 혼련기에 투입하여 배합한 후 냉각시키는 원재료준비단계; 상기 배합된 원재료에 유기가황제 및 가황촉진제를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 천연 방향제와 지효성 강화제를 추가로 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱하여 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 함침시키는 혼련작업단계; 상기 믹싱된 원재료를 압출기를 통해 성형하는 압출단계; 상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 50 ~ 100㎏/㎠의 가압 하에 160 ~ 220℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 가황작업을 실시하는 자동연속가황단계; 상기 가황된 재료를 평균입도 1 ~ 5㎜의 크기로 분쇄하는 분쇄단계의 순(順)으로 이루어진다.

먼저, 원재료준비단계는 EPDM 고무 제조를 위한 원재료를 혼련기에 투입하여 배합한 후 냉각시키는 과정으로서, 상기 원재료는 EPDM 100중량부를 기준으로 ZnO 5 ~ 10phr, 스테아린산(Stearic Acid) 1 ~ 3phr, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 2 ~ 4phr, 폴리에틸렌 왁스 2 ~ 4phr, 착색제 5 ~ 8phr, 수분함량 1 ~ 10%인 보강제 30 ~ 70phr, 충진제 200 ~ 400phr, 프로세스 오일 100 ~ 120phr의 비율로 포함하며, 1차로 EPDM을 투입하지 않고 1 ~ 2분간 배합한 후 2차로 EPDM을 투입하여 챔버온도 100 ~ 150℃ 및 압력 5 ~ 10㎏/㎠ 하에서 4 ~ 5분간 혼련하여 배합하는 것이 바람직하다.

상기 EPDM(Ethylene-Propylene Diene Monomer)은 에틸렌과 프로필렌을 혼성 중합시켜 얻은 비결정성 고분자 물질로서, 수용 가능한 온도의 범위는 -51℃에서 140℃까지로 그 범위가 넓고 온도 내구성으로 인해 대부분의 작업에 적합하며, 현실적으로 EPDM만큼 저온 호환성이 뛰어난 소재를 찾기 어려운 상황이다.

여기에 포함되는 활성조제로서 ZnO는 비중이 5.55 ~ 5.65이고 백색 내지 담황색의 분말로서 입자크기는 0.3 ~ 0.4㎛으로 조절되며, EPDM 총중량에 대하여 5 ~ 10phr(Parts per Hundred Resin) 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 대해 스테아린산(Stearic Acid)은 상기 활성조제의 분산성을 증대시켜 초기가황을 촉진하기 위한 것이며, 추가적으로 계면활성제로는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 윤활제로는 폴리에틸렌 왁스를 소량 첨가함으로써 내스크래치성, 내마모성 증대로 인하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

또 착색제로는 환경에 유해하지 않다면 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 백색안료로서 산화티탄, 리토폰 등, 적색안료로서 산화철, 카드뮴적, 은주, 크림즌 안티몬 등, 황색안료로서 카드뮴황, 크롬황, 아연크롬황, 티탄황 등, 녹색안료로서 산화크롬 등, 청색안료로서 둔청, 감청, 갈색안료 등을 단독 또는 혼합하여 5 ~ 8phr 이내 사용하는 것이 분산성에 적합할 뿐만 아니라 고무의 물성을 저해하지 않는 것으로 조사되었다.

본 발명에서 사용되는 보강충진제 분말은 보강제와 충진제로 구분하여 첨가하는 것이 제품의 특성을 효율적으로 보장할 수 있는바, 보강제는 EPDM 고무의 기계적, 화학적, 전기적 특성을 향상시키기 위한 것으로 EPDM 100중량부를 기준으로 30 ~ 70phr 범위로 사용되며, 이로써는 카본블랙, 실리카계 보강제인 화이트카본(white carbon), Zeosil-155 등을 들 수 있는데, 상기 보강제는 반드시 수분함량 1 ~ 10% 이내로 조절하여 사용함에 따라 추후 혼련작업단계에서의 2차 믹싱에 의한 지효성 강화제의 반응이 원활하게 이루어져 EPDM 고무재질 속에 미세하고 균일한 기공조직을 원활하게 형성할 수 있게 된다.

상기 보강제로써 예를 들면, 카본블랙은 천연가스, 석유계 또는 석탄타르계 중질유 등의 함탄소물질을 불완전 연소 또는 열분해 시켜서 만든 미분말의 흑색물질로서, 입자경이 작을수록 비표면적이 높아 원료고무와의 접촉면적이 넓어 보강성을 높이는데, 물리적 결합(반데르발스 결합)에 의한 응집체가 발달되고 표면에 활성이 강한 라디칼이 붙어있어 반응성이 촉진되어 보강성을 높이게 된다.

한편, 충진제는 CaCO₃, 클레이, 탈크 중에서 선택되는 1종 이상의 필러(filler)를 배합함에 따른 고무의 품질특성을 유지하고 원료비의 절감을 도모하기 위한 것으로, 본 발명에서는 EPDM 100중량부를 기준으로 200 ~ 400phr 범위로 포함될 수 있다.

상기와 같은 보강충진제 분말은 입자의 크기와 그 분포, 입자의 형상, 가공도, 표면결정의 구조, 비중, 용적, 수분함량, 흡유량, 비열, 열전도율 등과 같은 물리적 성질과 입자 표면의 활성기, 산/염기도, 내화학성 등을 감안하여 적합한 양으로 선택하여야 하는데, 본 발명에서 사용되는 보강제는 0.01 ~ 0.2㎛, 충진제는 0.2 ~ 50㎛ 정도의 평균 입자크기를 갖는 것이 바람직하다.

그리고 프로세스 오일은 배합되는 재료의 유연성 부여, 압출 및 성형작업을 용이하게 하고 가황고무의 경도를 떨어뜨리는 역할을 하기 위해 EPDM 100중량부를 기준으로 100 ~ 120phr의 비율로 포함되는데, 본 발명에서는 석유계 연화제 중 파라핀계가 가장 좋은 것으로 조사되었다.

그밖에도 EPDM 고무분말이 적용되는 용도에 따라 노화방지제, 난연제, 자외선 차단제 등과 같은 첨가제를 포함할 수 있는바, 이에 관한 자세한 설명은 생략한다.

다음으로, 혼련작업단계는 상기 배합된 원재료에 유기가황제 및 가황촉진제를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 천연 방향제와 지효성 강화제를 추가로 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱하여 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 신속하게 함침시키는 과정이다.

구체적으로, 상기 혼련작업단계는 원재료 100중량부에 대하여 유기가황제 1 ~ 4phr, 가황촉진제 2 ~ 5phr를 투입하고 1차 믹싱하며, 여기에 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil) 및 커피찌꺼기 분말 중에서 선택되는 1종 이상의 방향제 1 ~ 3phr, 및 중탄산소다(NaHCO3_, 베이킹소다) 또는 상기 중탄산소다를 산과 반응시켜 중화한 베이킹파우더(Baking powder) 중에서 선택되는 1종 이상의 지효성 강화제 3 ~ 6phr를 투입하여 2차 믹싱하는 것이 바람직하다.

상기 유기가황제는 고무의 폴리머 사슬을 결합시켜 가교형상을 만들어 가황시키는 약품으로, 유황 성분에 의한 자극적이고 불쾌한 냄새를 발생시키지 않으며, 본 발명에서는 환경에 무해한 것이라면 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 4,4'-dithio dimorpholine(DTDM), Tetraethyl-thiuram disulfide(TETD), Tetrabutyl-thiuram disulfide(TBTD) 중에서 단독 또는 병행 사용할 수 있다.

또한, 가황촉진제로는 테트라메틸-티우람 디설파이드(Tetramethyl-thiuram disulfide, TMTD)가 사용되는데, 이는 초촉진제로서 가황온도를 낮추고 가황시간을 단축시킬 뿐만 아니라 가황제품의 물리적 특성을 향상시키며, 특히 고무제품 시공 후 표면 황변현상을 방지하는데 효과적이다. 이는 다른 촉진제와 병용하여 활성의 역할을 증대시킬 수도 있다.

그리고 상기 혼련작업단계에서 포함되는 방향제는 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil) 및 커피찌꺼기 분말 중에서 선택되는 1종 이상의 방향제로서, 혼련작업단계 및 추후 실시되는 자동연속가황단계에서 분해되지 않는 것이 중요하다는 사실에 착안하여 선택하였다.

상기 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil)는 뜨거운 스팀을 식물의 잎, 줄기, 씨앗, 꽃잎 등을 통과시켜 정유를 함유한 액체를 얻게 되는데, 이를 그대로 방치하면 위에 떠오르는 소량의 정유와 물이 분리되어 순수 오일이 추출된다.

상기 식물성 정유(essential oil)는 바닐라, 라벤더, 박하, 캐모마일, 유칼립투스, 로즈마리, 로즈마리, 바질, 타임, 티트리, 페파민트, 미나리나 쑥, 생강 등과 같은 허브식물이나 약용식물 등 다양한 종류의 오일이 선택될 수 있다.

참고로, 정유의 추출방법은 압착법, 수증기증류법, 용제추출법, 냉침법, 온침법, 초임계가스추출법 등이 있으나, 본 발명에서는 향료의 추출온도가 높은 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil)를 사용함으로써 열분해에 의한 고유한 성분의 소실을 방지할 수 있으며, 또한 커피찌꺼기 분말은 수증기증류법에 의한 추출액으로 가공하거나 분말 그대로 활용할 수 있음은 물론이다.

한편, 고무재료에 배합하여 가열하면 분해되어 가스를 발생시켜 기공을 만들어주는 약품, 즉 무기발포제로써 탄산암모늄(NH₄)₂CO₃)은 분해온도 30 ~ 60℃, 가스발생량 70ml/g, 발생가스는 CO₂, NH₃, H₂O이며, 아질산소다(NaNO₂)와 염화암모늄(NH₄Cl 약산성 용액이 된다)은 NH₄NO₂를 발생하는 것으로 고무공의 팽창제로 사용된다. 또 유기발포제로는 디니트로소-펜타메틸렌-테트라민을 들 수 있는데, 이는 분해온도 175 ~ 185℃, 가스발생량 240 ~ 260ml/g이라고 알려져 있다.

이러한 발포제(팽창제)를 사용한 EPDM 고무는 그 제조과정 중에 발포제를 첨가하기 때문에 제품 내 공극이 많아져 제품의 비중이 향상되는 장점은 있으나, 그 시공 중에 고무칩 공극에서 접착제를 흡수하여 접착력이 다소 떨어져 바인더를 많이 사용해야 하는 단점이 있으며, 화학적으로 알칼리성이 강하여 환경을 해할 우려가 있을 뿐만 아니라 과다팽창으로 인하여 고무재질 속에 미세 기공조직을 규칙적으로 형성하기 어렵기 때문에 방향제 성분을 효율적으로 함유하기 어려운 실정이다. 따라서 이러한 발포제는 고무재질 자체의 물리적 성질을 악화시켜 내후성이 부족하게 된다.

이에 따라 본 발명에서 사용되는 중탄산소다(NaHCO_3, 베이킹소다)는 탄산수소나트륨, 중탄산나트륨, 중조 등으로 불리어지며, 백색의 단사정계 결정으로 가열하면 이산화탄소와 물을 발생하고 탄산나트륨 무수물로 변하는 성질을 지니고 있는데, 이는 분해온도 60 ~ 150℃, 가스발생량 260ml/g, 발생가스는 CO₂, H₂O이다. 상기 중탄산소다(NaHCO_3, 베이킹소다)는 중화제(pH 조절제)로 광범위하게 사용되고 있는 무해 무취한 물질로서, 본 발명에서는 이를 지효성 강화제로 사용함으로써 고무재질 속에 작고 균일한 기공조직을 형성함에 따라 방향제 성분을 장기간 함유할 수 있음을 확인하였다.

또한, 베이킹파우더(Baking powder)는 중탄산소다(베이킹소다)를 산, 녹말을 섞어서 제조한 유기산 또는 유기산의 염의 혼합물인데, 대개 베이킹소다와 인산암모늄 또는 타르타르산수소칼륨의 혼합물 등으로 중화시켜 얻어지며, 베이킹소다와 베이킹파우더의 팽창 정도는 3 : 1 정도로 알려져 있어 이들을 단독 또는 혼용하여 사용할 수도 있다.

상기 혼련작업단계에서는 원재료 100중량부에 대하여 유기가황제 1 ~ 4phr, 가황촉진제 2 ~ 5phr를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱을 실시하며, 여기에 방향제 1 ~ 3phr, 지효성 강화제 3 ~ 6phr를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱함에 따라 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 함침시키게 된다.

상기 1차 믹싱은 추후 가황작업이 효율적으로 이루어져 EPDM 고무의 탄성을 향상시키기 위해 고온 고압의 조건에서 실시하며, 상기 2차 믹싱은 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 혼련작업을 실시함으로써 열분해에 의한 유효성분의 유출과 손실을 방지하면서 EPDM 고무의 미세하고 균일한 기공 내에 방향제의 함침을 신속하게 도모하여 향기 지속성을 오랫동안 유지할 수 있다.

만약, 상기 방향제와 지효성 강화제를 투입한 후 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 150℃ 또는 1분을 초과하여 혼련작업을 실시하면 수용성인 방향제 및 지효성 강화제가 열분해로 일부 소실되어 방향제의 함침율과 향기 지속성이 저하되며, 그리고 100℃ 또는 30초를 미달하여 혼련작업을 실시하면 지효성 강화제의 반응성 부족으로 인하여 EPDM 고무재질 속에 방향제 성분을 충분히 함침할 수 없음은 물론이다.

상기 혼련작업단계로 통과한 원재료는 압출단계를 거치는바, 상기 압출단계는 5 ~ 15㎜ 두께의 판상으로 성형하고 자동연속가황단계로 이송시키는 과정으로서, 이 단계를 거치기 전에 상기 믹싱된 원재료를 24시간 이상 숙성시키는 과정을 추가적으로 실시함으로써 EPDM 고무의 화학적 가교가 증대되어 고무의 탄성을 향상시킬 수도 있다.

다음으로, 자동연속가황단계는 상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 50 ~ 100㎏/㎠의 가압 하에 160 ~ 220℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 가황작업을 실시하는 과정인데, 고압의 롤 프레스(roll press)에 의한 가압을 통해 고무재질 속에 형성되는 기공의 균일성과 치밀성을 확보할 수 있으며, 자동연속작업으로 인해 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

그리고 가황기의 내부를 외부와 밀폐시키는 것은 자동연속가황단계를 수행하는 과정에서 내부의 열에 의해 방향제의 성분들이 외부로 증발되어 소실되지 못하게 억제하기 위한 것이고, 가황처리온도를 160 ~ 220℃로 설정하는 것 또한 가황처리에 필요한 최소한의 온도(가능하면 낮은 온도로 맞추기 위한 것임)를 유지하면서 30초 ~ 1분 이내로 신속하게 가황처리가 이루어질 수 있도록 함으로써 열에 의한 방향제 성분의 소실을 방지할 수 있기 때문이다.

마지막으로, 분쇄단계는 상기 가황된 재료를 평균입도 1 ~ 5㎜의 크기로 분쇄하는 과정을 거쳐 친환경 방향성 EPDM 고무분말이 완성되는데, 이를 친환경 바인더와 혼합하여 실내외 바닥재 표면에 시공한 탄성 포장재는 유기용제 및 유해가스 흡착과 더불어 기존 고무 칩 등으로부터 발산되는 유황화합물, 휘발성 유기화합물(VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등의 냄새와 유해성을 원천적으로 방지할 수 있으며, 상기와 같이 제조되는 EPDM 고무분말은 열전도율이 낮아 겨울철 눈이 빨리 녹고 여름철 복사열 발생을 효과적으로 차단할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 쉽게 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실시예]

(원재료 준비단계)

EPDM 100중량부를 기준으로 ZnO 7phr, 스테아린산(Stearic Acid) 2.5phr, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 3phr, 폴리에틸렌 왁스 3phr, 안료 7phr, 화이트카본(수분함량 5%) 0.5phr, Zeosil-155(수분함량 5%) 50phr, CaCO₃250phr, 클레이 50phr, 프로세스 오일 110phr을 1차로 EPDM을 투입하지 않고 1 ~ 2분간 배합한 후 2차로 EPDM을 투입하여 챔버온도 120℃ 및 압력 7㎏/㎠ 하에서 4 ~ 5분간 혼련하여 배합하고 20℃ 이하로 냉각하였다.

(혼련작업단계 및 압출단계)

상기 배합된 원재료에 DTDM 2phr 및 TMTD 3hr를 투입하고 140℃의 온도 및 7㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil) 2phr, 중탄산소다(NaHCO₃) 4.5phr를 추가로 투입하고 120℃의 온도 및 7㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱한 원재료를 폭 650㎜, 두께 12㎜의 판상으로 성형하였다.

(자동연속가황단계 및 분쇄단계)

상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 70㎏/㎠의 가압 하에 180℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 자동연속 가황작업을 실시한 다음, 상기 가황된 재료를 평균입도 3㎜의 크기로 분쇄하여 EPDM 고무분말을 제조하였다.

[실험예]

상기 실시예에 따라 제조된 EPDM 고무분말에 대한 환경 유해성 여부를 확인하기 위해 대구광역시 달성군 유가읍 테크노순환로12길 36 소재의 한국건설생활환경시험연구원(KCL)에 의뢰한 시험성적서의 결과는 아래 표 1, 2와 같다{시험방법 : SPS-KSSFIA1-1994:2017}.

상기 표 1, 2의 시험결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 친환경 방향성 EPDM 고무분말은 인체에 유해한 중금속 용출이 전혀 없고 가소제를 사용하지 않아 유해성 품질기준을 충분히 만족할 수 있는바, 구체적으로는 EPDM 고무분말에서 발산되는 자극적이고 불쾌한 냄새를 억제함과 동시에 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 등과 같은 환경호르몬이 전혀 발생되지 않으며, 이에 더해 인체에 유쾌한 향기를 장기간 발산되도록 함으로써 EPDM 고무에 대한 친화력을 높여 새로운 가치창출이 가능하므로, 이를 이용하여 실내외 바닥재 표면에 시공한 친환경 탄성 포장재를 구현할 수 있다.

따라서 본 발명에 따라 제조된 친환경 방향성 EPDM 고무분말은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실내외 탄성 포장재는 물론 충격을 흡수하기 위한 현장포설형 상하부층 소재로서 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims

EPDM 100중량부를 기준으로 ZnO 5 ~ 10phr, 스테아린산(Stearic Acid) 1 ~ 3phr, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 2 ~ 4phr, 폴리에틸렌 왁스 2 ~ 4phr, 착색제 5 ~ 8phr, 수분함량 1 ~ 10%인 카본블랙 또는 실리카계 보강제 30 ~ 70phr, CaCO₃, 클레이, 탈크 중에서 선택되는 1종 이상의 충진제 200 ~ 400phr, 프로세스 오일 100 ~ 120phr의 비율로 포함하는 원재료를 혼련기에 투입하여 배합한 후 냉각시키는 원재료준비단계;
상기 배합된 원재료 100중량부에 대하여 유기가황제 1 ~ 4phr, 가황촉진제 2 ~ 5phr를 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 2 ~ 4분 동안 1차 믹싱한 다음, 여기에 수증기증류법에 의해 추출된 식물성 정유(essential oil) 및 커피찌꺼기 분말 중에서 선택되는 1종 이상의 방향제 1 ~ 3phr, 중탄산소다(NaHCO_3, 베이킹소다) 및 상기 중탄산소다를 산과 반응시켜 중화한 베이킹파우더(Baking powder) 중에서 선택되는 1종 이상의 지효성 강화제 3 ~ 6phr를 추가로 투입하고 100 ~ 150℃의 온도 및 5 ~ 10㎏/㎠의 압력 하에서 밀폐된 상태로 30초 ~ 1분 동안 2차 믹싱하여 지효성 강화제에 의한 화학적 팽창에 의해 혼련과정에서 CO₂가스를 발생시켜 고무재질 속에 미세한 기공조직을 형성하여 방향제 성분을 함침시키는 혼련작업단계;
상기 믹싱된 원재료를 압출기를 통해 성형하는 압출단계;
상기 압출된 성형물을 가황기 내에서 롤 프레스(roll press)에 의한 50 ~ 100㎏/㎠의 가압 하에 160 ~ 220℃의 온도에서 30초 ~ 1분 동안 밀폐된 상태로 가황작업을 실시하는 자동연속가황단계;
상기 가황된 재료를 평균입도 1 ~ 5㎜의 크기로 분쇄하는 분쇄단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 압출단계는 5 ~ 15㎜ 두께의 판상으로 성형하고 자동연속가황단계로 이송시키는 것을 특징으로 하는 친환경 방향성 EPDM 고무분말 제조방법.
제1항 및 제4항 중 어느 한 항의 제조방법으로 생산되는 친환경 방향성 EPDM 고무분말.
제5항에 의한 친환경 방향성 EPDM 고무분말을 이용하여 실내외 바닥재 표면에 시공한 친환경 방향성 탄성 포장재.