KR102304060B1 - 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템 - Google Patents

폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PU, PLA, PE, ABS 등의 용융된 플라스틱 수지재료에 폐지로부터 생산된 나노 셀룰로오스재료를 혼합하여 강도를 향상시키되, 고온 상태에서의 교반 및 고전단 분산을 통해 고품질의 소재를 제조할 수 있는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템에 관한 것이다.

Description

폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템{Production system for reinforced plastic composites using waste paper}
본 발명은 강화플라스틱 복합소재 제조시스템에 관한 것으로, 자세하게는 PU, PLA, PE, ABS 등의 용융된 플라스틱 수지재료에 폐지로부터 생산된 나노 셀룰로오스재료를 혼합하여 강도를 향상시키되, 고온 상태에서의 교반 및 고전단 분산을 통해 고품질의 소재를 제조할 수 있는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템에 관한 것이다.
나노기술(NT: nanotechnology)이란, 나노 크기 입자의 재료가 가진 특유의 특성을 이용하여 원하는 특성을 얻는 기술로, 최근 나노기술의 활발한 연구과 함께 친환경적인 고분자에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 종래의 화석 연료를 바탕으로 하는 고분자의 환경적인 문제점 해결을 위한 대체재인 친환경 고분자로, 이러한 천연 고분자 중에서도 셀룰로오스는 지구상에 있는 유기물 가운데 가장 많은 양을 차지하고 있다.
이러한 셀룰로오스는 천연의 물질로부터 공급이 용이하여 비용을 낮출 수 있는 장점과 더불어 재생산이 가능하며 이용 시 자연에 대한 부하를 비교적 적게 주는 재료로 폐기시에도 자연적으로 분해가 되는 장점이 있다.
현재 이러한 셀룰로오스를 이용하여 플라스틱 수지의 물성 향상을 위한 많은 연구가 진행되고 있으나, 셀룰로오스 나노섬유(CeNF)는 기본적으로 수산기를 갖기 때문에 친수성이므로 플라스틱 수지에 섞어서 복합화하는 경우, 매우 미세한 입자의 CeNF가 수지 중에 균일하게 분산되지 어려울 뿐 아니라 CeNF 끼리 수소결합에 의해 응집하여 덩어리가 되는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0081792호 (2014.07.01)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 용융된 플라스틱 수지재료에 폐지로부터 생산된 나노 셀룰로오스재료를 혼합하되, 고온 상태에서의 교반 및 고전단 믹싱 챔버를 순환시켜 균질하면서도 고품질의 강화플라스틱 소재를 제조할 수 있는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 상측으로 합성수지재료와, 폐지를 통해 제조된 나노 셀룰로오스 원료가 투입되며 하측으로 좁아지며 제1배출밸브를 구비한 제1배출부와, 상측으로 덮개가 형성된 통 형상의 용융조; 상기 용융조 내부를 휘젓는 교반날개와, 교반축을 통해 상기 교반날개를 회전시키는 교반모터를 구비하여 수용된 합성수지재료 및 나노 셀룰로오스 원료를 혼합시키는 교반부; 상기 제1배출밸브 후단에 형성되는 제2배출밸브를 구비한 제2배출부와, 상기 제1배출밸브 및 제2배출밸브 사이에서 분기되는 분기관과, 상기 분기관을 통해 유입되는 혼합물을 고정날개를 구비한 스테이터와 회전날개를 구비한 로터 사이를 통과시키며 분산시키는 고전단분산부와, 상기 고전단분산부를 통해 배출되는 혼합물을 상기 용융조 상부로 공급하는 순환밸브를 구비한 순환관을 구비하는 순환부; 상기 용융조 내부를 가열하는 메인가열수단과, 상기 분기관 및 순환관을 가열하는 보조가열수단을 포함하여, 내측의 합성수지재료를 용융시키는 가열부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 진공펌프와, 상기 용융조 상부에 형성되어 내부의 공기를 흡입하는 감압관을 구비하는 감압부; 콤프레서와, 상기 용융조 상부에 형성되어 내부에 압축공기를 공급하는 가압관을 구비하는 가압부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고전단분산부는, 상기 분기관이 중심축 방향으로 연결되고 외측으로 순환관이 연결되는 원통형의 분산챔버와, 상기 분산챔버 내측으로 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개가 2열 이상 형성되는 스테이터와, 상기 스테이터에 대향하여 고정날개와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개를 구비한 로터와, 상기 로터를 회전시키는 분산모터로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 교반부는, 상기 덮개를 관통하는 제1교반축 및 상기 제1교반축 하단에 장착된 제1교반날개와, 상기 제1교반축을 둘러싸 회전하는 제2교반축 및 상기 제2교반축 외측에 장착된 제2교반날개와, 상기 교반모터의 회전력을 상기 제1교반축 및 제2교반축의 회전속도나 회전방향을 다르게 하여 전달하는 기어부를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명은 용융된 합성수지에 나노 셀룰로오스를 분산시켜 강화플라스틱 소재를 형성함에 있어 교반과 함께 고전단 분산을 이용하여 수지재료내 셀룰로오스 원료의 분산 효율을 크게 향상시켜 균질한 강화플라스틱 복합소재를 취득할 수 있다.
또한, 특히 교반과 고전단 분산에 따라 원료내에 포함되는 미세기포를 가압과 감압을 반복함으로 완전히 제어하여 양질의 플라스틱 재료를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융조의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 측단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 정단면도,
도 5는 발 발명의 실시예에 따른 교반부의 구조를 나타낸 측단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 개념도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 폐지를 이용한 나노 셀룰로오스를 PU, PLA, PE, ABS 등의 용융된 플라스틱 수지재료에 분산시켜 이를 통해 제조되는 플라스틱 제품의 강도를 향상시킬 수 있는 강화플라스틱 복합소재를 제조하기 위한 시스템이다.
본 발명에서 다뤄지는 주요 재료인 나노 셀룰로오스 원료는 기본적으로 약품 및 물과 혼합하여 분쇄된 폐지로부터 잉크와 고토 및 셀룰로오스를 분리한 후, 이를 건조시켜 획득하는 것으로 이에 관하여는 본 출원인의 등록특허 제10-1929928호, 제10-1863331호, 제10-1925903호 등의 기술을 통해 제조할 수 있으며, 발명의 취지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 본 발명에서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 본 발명에 따른 시스템은 용융조(1)와, 고전단분산부(2)와, 교반부(3)와, 가열부(4)와, 감압부(5)와, 가압부(6)와, 제어부(7)의 주요구성을 구비한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융조의 구조를 나타낸 단면도로서, 상기 용융조(1)는 합성수지재료를 용융시켜 셀룰로오스 원료와 혼합하기 위한 통형상의 구조체이며, 상측이 개방된 원통 형상을 하되, 내부에서 나노 셀룰로오스 원료가 고르게 분산된 합성수지재의 원활한 배출을 위해 하측으로 좁아지며 제1배출밸브(111)를 구비한 제1배출부(11)가 형성된다.
또한, 용융조(1)의 상측 개방부를 통해 합성수지재료와, 폐지를 통해 제조된 나노 셀룰로오스 원료가 투입된 이후 이들을 용융 교반함에 있어 후술되는 바와 같이 주기적인 가압 및 감압환경이 이루어질 수 있도록 상측으로 덮개(14)가 형성되어 교반 중 내부가 밀폐될 수 있도록 구성된다.
상기 교반부(3)는 상기 용융조(1)에 수용된 합성수지재 및 나노 셀룰로오스 원료를 혼합하기 위한 구성으로, 상기 덮개(14)의 중앙을 수직으로 관통하는 교반축(32)과, 상기 교반축(32) 하단에 형성되어 회전을 통해 용융조(1) 내부를 휘젓는 교반날개(31)와, 상기 덮개(14) 상측에서 상기 교반축(32)을 회전시키는 교반모터(33)를 구비한다.
상기 순환부(13)는 용융조(1) 내부에서 합성수지재료 및 나노 셀룰로오스 원료의 혼합물을 고전단분산부(2)를 통과하도록 순환시켜 점성이 있는 용융 합성수지재료 중 미세한 분말형태의 나노 셀룰로오스 원료를 분산시키는 구성으로, 상기 제1배출밸브(111) 후단에 형성되는 제2배출밸브(121)를 구비한 제2배출부(12)가 형성된 상태에서 상기 제1배출밸브(111) 및 제2배출밸브(121) 사이를 분기시키는 분기관(131)을 통해 혼합물의 순환이 이루어질 수 있도록 한다.
즉 설정된 시간 상기 교반부(3)를 통해 교반된 혼합물은 상기 제1배출밸브(111)가 개방됨에 따라 제1배출부(11)를 통해 배출된다. 이때 상기 제2배출밸브(121)를 개방시 혼합물은 용융조(1) 외부로 배출되나, 제2배출밸브(121)가 잠긴 상태에서는 상기 분기관(131)을 통해 이송되며 고전단분산부(2)로 공급된다.
상기 고전단분산부(2)는 상기 분기관(131)을 통해 유입되는 혼합물을 고정날개(25)를 구비한 스테이터(24)와 회전날개(27)를 구비한 로터(26) 사이를 통과시키면서 상기 회전날개(27)의 회전을 통해 분산시킨다.
이후 상기 고전단분산부(2)의 배출측에 연결된 순환관(132)을 통해 분산된 혼합물이 상기 용융조(1) 상부로 재공급되며, 상기 순환관(132)에 순환밸브(133)를 구비하여 이를 통해 상기 제2배출밸브(121)가 열려 혼합물이 외부로 배출되는 상태에서 순환부(13) 측으로 혼합물이 이동하지 않도록 제어하게 된다.
상기 가열부(4)는 기본적으로 전열 방식으로 합성수지재를 가열하여 용융시켜 상기 교반부(3)를 통한 교반 및 고전단분산부(2)를 통한 분산 중 용융상태를 유지하기 위한 것으로, 상기 용융조(1) 벽면을 따라 설치되어 내부를 가열하여 합성수지재를 녹이는 메인가열수단(41)과, 상기 분기관(131) 및 순환관(132)을 감는 형태로 설치되어 내부를 통과하는 혼합물을 가열하며 용융상태가 유지되도록 하는 보조가열수단(42)으로 이루어지게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 측단면도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 정단면도로서, 상기 고전단분산부(2)는 상기 분기관(131)으로 유입되는 혼합물을 고속으로 회전하는 모터에 의해 분산시키는 구성으로 원심펌프 형상의 믹서 구조를 갖는다.
구체적으로 상기 분기관(131)이 중심축 방향으로 연결되며 중앙으로 혼합액이 유입되도록 하되 내부 공간을 통과한 혼합액이 외측의 순환관(132)으로 배출되도록 연결되는 원통형의 분산챔버(21)가 구비되며, 원심펌프의 구조와 다소 유사하다.
상기 분산챔버(21) 내측으로 구체적으로 상기 분기관(131)이 연결되는 측의 내벽에는 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개(25)가 2열 이상 형성되는 스테이터(24)가 구성되며, 상기 스테이터(24)에 대향하여 고정날개(25)와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개(27)를 구비한 로터(26) 및 상기 로터(26)를 고속으로 회전시키는 모터(28)가 구성된다.
첨부된 도 4와 같이 상기 고정날개(25) 및 회전날개(27)는 접촉하지 않되 미량의 유체만 통과할 수 있도록 간극을 유지하도록 형성되어, 상기 분기관(131)을 통해 분산챔버(21) 중앙으로 유입된 유체가 분산챔버(21) 외측의 순환관(132)으로 연속적으로 흐름에 있어 5000 rpm 이상의 고속으로 회전하는 로터(26)의 전단력에 의한 분산 작용이 이루어진다. 이때 첨부된 도면과 같이 상기 고정날개(25) 및 회전날개(27) 사이에 상호 경사각을 주어 고속 회전에 따른 부하 저감이 이루어지면서도 효과적인 분산이 이루어지도록 구성하게 된다.
상기 감압부(5) 및 가압부(6)는 상기 용융조(1)를 덮개(14)로 덮어 내부가 밀폐된 상태에서 내부를 각각 감압, 가압하여 용융된 합성수지재, 즉 혼합물 중 기포성분을 제거하기 위한 구성이다. 앞서 언급한 바와 같이 상기 용융조(1) 내부에서 생성되는 혼합물은 강화 플라스틱 소재로서 이를 다양한 방식으로 성형하여 제품을 제조함에 있어 내부에 미세한 기포가 혼합될 경우 제품 강도가 크게 저해될 수밖에 없다.
이에 상기 감압부(5)는 진공펌프(51)와, 상기 용융조(1) 상부. 즉 덮개(14) 측에 형성되어 진공펌프(51)와의 연결을 통해 내부의 공기를 흡입하는 감압관(52)을 구비하고, 상기 가압관(62)은 콤프레서(61)와, 상기 용융조(1) 상부에 형성되어 내부에 콤프레서(61)에서 생산된 압축공기를 공급하는 가압관(62)을 구비하여 혼합물의 교반 중 이를 일정 주기로 교차운용함으로 교반 중인 혼합물 중 기포성분을 제거하게 된다. 이를 위한 전제로 용융조의 덮개(14)를 덮어 밀폐시킬 것과 덮개(14)를 관통하는 교반축(32)과 덮개 사이에 적절한 밀폐구조를 형성해야 함은 자명하다.
도 5는 발 발명의 실시예에 따른 교반부의 구조를 나타낸 측단면도로서, 상기 용융조(1) 내부를 교반함에 있어 더욱 효율적인 교반을 위해 교반날개(31)를 복수로 구비하되 이의 속도나 회전방향을 반대로 할 수 있는 구조를 적용할 수 있다.
이를 위해 상기 교반부(3)는, 상기 덮개(14)를 관통하는 제1교반축(321) 및 상기 제1교반축(321) 하단에 장착된 제1교반날개(311)와, 마찬가지로 상기 덮개(14)를 관통하고 상기 제1교반축(321)을 둘러싸 회전하되 제1교반축(321) 보다 상대적으로 짧은 길이의 제2교반축(322) 및 상기 제2교반축(322) 외측에 장착된 제2교반날개(312)로 구성되어 제1교반날개(311) 및 제2교반날개(312)의 회전속도를 다르게 하거나 회전방향을 달리할 수 있는 구조를 마련한다.
이를 위해 상기 교반모터(33)의 회전력을 상기 제1교반축(321) 및 제2교반축(322)으로 각각 전달하되 제1교반축(321) 및 제2교반축(322)의 회전속도나 회전방향이 다르도록 설정된 기어부(34)가 설치된다. 첨부된 도면에서는 상기 교반모터(33)의 회전축과 상기 제1교반축(321) 및 제2교반축(322) 상단에 각각 기어를 설치하여 이를 치합시키되 교반모터(33)의 회전축과 제1교반축(321)은 직접 맞닿아 반대방향으로 회전하고 교반모터(33)의 회전축과 제2교반축(322)은 별도의 기어를 통해 연결되어 동일한 방향으로 회전함으로 제1교반축(321) 및 제2교반축(322)의 회전방향이 달라지며 이때 맞물리는 기어비를 달리함으로 제1교반축(321) 및 제2교반축(322)의 회전속도도 달리할 수 있게 된다.
이때 상기 교반날개(31)를 구성함에 있어 교반날개(31)의 양끝 부분이 용융조(1) 내벽에 근접하도록 구성하고 이의 높이를 가변하도록 하여 교반된 혼합물을 상기 제1배출부(11) 및 제2배출부(12)를 통해 외부로 배출시 내벽에 잔류하는 혼합물을 최대한 쓸어내며 하강할 수 있도록 구성할 수 있다. 이를 위해 구비되는 승강부(35)는 상기 덮개(14) 상측에서 전동방식으로 길이 조절되는 실린더를 통해 교반모터(33) 및 기어부(34)의 높이를 승강시키게 되어 이에 연결된 교반축(32) 및 교반날개(31)의 높이도 함께 가변될 수 있도록 구성된다.
상기 제어부(7)는 상술한 구성을 통해 합성수지재와 나노 셀룰로오스 원료 혼합을 위한 공정 전반을 제어하는 것으로 구체적으로 제1배출밸브(111)와, 제2배출밸브(121)와, 순환밸브(133)와, 분산모터(28)와, 교반모터(33) 및 승강부(35)와, 메인가열수단(41) 및 보조가열수단(42)과 진공펌프(51) 및 콤프레서(61)를 프로그래밍 된 순서로 제어하게 된다.
즉 상기 용융조(1) 내부에 합성수지재료와, 폐지를 통해 제조된 나노 셀룰로오스 원료를 투입한 상태에서 메인가열수단(41)을 작동시켜 수용된 합성수지재료를 녹이게 된다. 합성수지재료가 완전히 녹게 되면 분산모터(28)를 동작시켜 교반이 이루어지도록 하며 컴프레서(61)를 일정시간 동작시켜 용융조(1) 내부 압력을 상승시킨 후 진공펌프를(51) 통한 감압을 반복시켜 혼합물 내 기포가 제거되도록 한다.
이와 함께 제1배출밸브(111) 및 순환밸브(133)를 개방한 상태에서 분산모터(28)를 동작시켜 순환부(13)를 통해 합성수지재료에 나노 셀룰로오스 원료의 분산을 촉진시키며 일정시간 순환 후 상기 순환밸브(133)를 차단, 제2배출밸브(121)를 개방함으로 혼합물이 외부로 배출되도록 한다.
배출되는 혼합물은 다양한 형태로 활용할 수 있으며, 예로 스크루 압축기를 통한 사출성형을 통한 제품제작을 비롯하여 냉각노즐을 통해 통과시키며 3D 프린터의 필라멘트 등으로 활용할 수도 있을 것이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 용융조 11: 제1배출부 111: 제1배출밸브
12: 제2배출부 121: 제2배출밸브
13: 순환부 131: 분기관
132: 순환관 133: 순환밸브
14: 덮개
2: 고전단분산부 21: 분산챔버 24: 스테이터
25: 고정날개 26: 로터
27: 회전날개 28: 분산모터
3: 교반부 31: 교반날개 311: 제1교반날개
312: 제2교반날개 32: 교반축
321: 제1교반축 322: 제2교반축
33: 교반모터 34: 기어부
35: 승강부
4: 가열부 41: 메인가열수단 42: 보조가열수단
5: 감압부 51: 진공펌프 52: 감압관
6: 가압부 61: 콤프레서 62: 가압관
7: 제어부

Claims (5)

  1. 상측으로 합성수지재료와, 폐지를 통해 제조된 나노 셀룰로오스 원료가 투입되며 하측으로 좁아지며 제1배출밸브(111)를 구비한 제1배출부(11)와, 상측으로 덮개(14)가 형성된 통 형상의 용융조(1);
    상기 용융조 내부를 휘젓는 교반날개(31)와, 교반축(32)을 통해 상기 교반날개(31)를 회전시키는 교반모터(33)를 구비하여 수용된 합성수지재료 및 나노 셀룰로오스 원료를 혼합시키는 교반부(3);
    상기 제1배출밸브(111) 후단에 형성되는 제2배출밸브(121)를 구비한 제2배출부(12)와, 상기 제1배출밸브(111) 및 제2배출밸브(121) 사이에서 분기되는 분기관(131)과, 상기 분기관(131)을 통해 유입되는 혼합물을 고정날개(25)를 구비한 스테이터(24)와 회전날개(27)를 구비한 로터(26) 사이를 통과시키며 분산시키는 고전단분산부(2)와, 상기 고전단분산부(2)를 통해 배출되는 혼합물을 상기 용융조(1) 상부로 공급하는 순환밸브(133)를 구비한 순환관(132)을 구비하는 순환부(13);
    상기 용융조(1) 내부를 가열하는 메인가열수단(41)과, 상기 분기관(131) 및 순환관(132)을 가열하는 보조가열수단(42)을 포함하여, 내측의 합성수지재료를 용융시키는 가열부(4); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    진공펌프(51)와, 상기 용융조(1) 상부에 형성되어 내부의 공기를 흡입하는 감압관(52)을 구비하는 감압부(5); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    콤프레서(61)와, 상기 용융조(1) 상부에 형성되어 내부에 압축공기를 공급하는 가압관(62)을 구비하는 가압부(6); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고전단분산부(2)는,
    상기 분기관(131)이 중심축 방향으로 연결되고 외측으로 순환관(132)이 연결되는 원통형의 분산챔버(21)와, 상기 분산챔버(21) 내측으로 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개(25)가 2열 이상 형성되는 스테이터(24)와, 상기 스테이터(24)에 대향하여 고정날개(25)와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개(27)를 구비한 로터(26)와, 상기 로터(26)를 회전시키는 분산모터(28)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 교반부(3)는,
    상기 덮개(14)를 관통하는 제1교반축(321) 및 상기 제1교반축(321) 하단에 장착된 제1교반날개(311)와, 상기 제1교반축(321)을 둘러싸 회전하는 제2교반축(322) 및 상기 제2교반축(322) 외측에 장착된 제2교반날개(312)와, 상기 교반모터(33)의 회전력을 상기 제1교반축(321) 및 제2교반축(322)의 회전속도나 회전방향을 다르게 하여 전달하는 기어부(34)를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐지를 이용한 강화플라스틱 복합소재 제조시스템.
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