KR102577506B1 - 우수한 기계적 물성을 갖는 컴파운드 및 이의 제조방법 - Google Patents

우수한 기계적 물성을 갖는 컴파운드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 표면처리된 폐석고를 포함하는 기계적 물성이 우수한 컴파운드에 관한 것으로서, 폴리에틸렌에 화학공정에서 부산물로 발생되는 폐석고를 배합함으로써 친환경성과 열안정성을 개선함과 동시에 기계적 물성을 크게 높일 수 있다.

Description

우수한 기계적 물성을 갖는 컴파운드 및 이의 제조방법{Compound Having Good Mechanical Property and Manufacturing Method of Thereof}
본 발명은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 표면처리된 폐석고를 포함하는 컴파운드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면처리된 폐석고를 포함함으로써, 열안정성을 개선하면서 우수한 기계적 물성을 갖는 컴파운드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 합성 기술이 발달하면서 고분자 수지를 활용한 기능성 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 폴리에틸렌(HDPE, LDPE, LLDPE 등)은 주로 중량평균분자량이 5만 ~ 17만 g/mol 정도인 플라스틱으로, 대부분의 플라스틱과 유사하게 컴파운딩 공정을 통해 착색 및 필러(유리 필러, 탄소 필러, CNT, 기타 무기물 등)를 이용한 기능성 부여가 가능하다. 이렇게 컴파운딩 생산되어 펠렛(pellet) 형태로 만들어진 플라스틱은 사출 또는 압출 성형의 방법으로 제품화 되어 생활용품, 자동차 부품, 전기전자 부품으로 사용할 수 있다.
하지만, 상기 폴리에틸렌은 비교적 낮은 온도에서 착화하기 쉬운 이연성(易燃性) 물질이면서, 기계적 물성도 낮아 활용에 제한이 있다. 상술한 폴리에틸렌 소재를 다양한 용도에 적용하기 위해서 기계적 물성 또는 난연성 또는 열안정성을 향상시키는 다양한 첨가제가 개발 및 연구되고 있는 추세이다.
대부분은 비활성원소인 할로겐 또는 인 등을 함유한 난연제를 활용하고 있으며, 그 중에서도 다양한 브롬화된 방향족 화합물이 열가소성 수지에 대한 난연제로 사용되어 오고 있다. 그런데 종래 난연제와 같은 첨가제들은 매우 우수한 기능을 제공하기는 하나, 전반적인 물성에 심각한 저하를 일으키는 문제가 있었다.
따라서 기능성 소재로서 환경 구제를 회피하기 위하여 친환경적이면서도 기계적 물성을 충분히 향상할 수 있는 새로운 소재에 대한 필요성이 절실한 실정하다.
특허문헌 1. 대한민국 공개특허공보 제10-1987-0006142호
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 친환경적이며 물성이 우수하고, 동시에 열안정성도 개선한 컴파운드를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 컴파운드를 대량으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 폐석고를 포함하는 컴파운드를 제공한다.
상기 폐석고는 상기 폐석고는 인산제조과정 중 부산물로 발생되는 인산부산석고일 수 있다.
상기 조성물은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 60 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 40 중량% 포함되는 것일 수 있다.
상기 조성물은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 10 중량% 포함되는 것일 수 있다.
상기 폐석고는 상기 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하여 제조된 표면처리된 폐석고인 것일 수 있다.
상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
본 발명은 다른 목적을 달성하기 위하여, (a) 폐석고와 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)을 혼합한 배합물을 용융 및 혼련하여 컴파운드를 수득하는 단계;를 포함하는 컴파운드의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법은 (a) 단계 이후에, (b) 상기 컴파운드를 압출성형하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 (a) 단계에서 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 60 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 40 중량%를 혼합하는 것일 수 있다.
상기 (a) 단계에서 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 10 중량%를 혼합하는 것일 수 있다.
상기 폐석고는 인산제조과정 중 부산물로 발생되는 인산부산석고일 수 있다.
상기 (a) 단계 이전에 (a-1) 폐석고가 분산된 용액에 개질제를 혼합하여 폐석고를 표면처리하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 (a-1) 단계에서 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하는 것일 수 있다.
상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 컴파운드로 제조되는 필름을 제공한다.
상기 필름은 쓰레기봉투, 쇼핑백, 식품포장용 필름, 공업용 포장필름, 농업용 필름, 일회용 식탁보 및 롤백으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서는 폴리에틸렌에 화학공정에서 부산물로 발생되는 폐석고를 배합함으로써 친환경성을 부여함과 동시에 기계적 물성과 열안정성을 크게 높일 수 있다.
또한, 산업 부산물인 폐석고를 재활용하여 폐기로 인한 환경오염을 방지할 수 있으면서 생산 단가를 절감할 수 있다.
도 1은 비교예 1 및 실시예 1 내지 6으로부터 제조된 컴파운드의 인장강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예 1 및 실시예 1 내지 6으로부터 제조된 컴파운드의 연신율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 1 및 실시예 1 내지 5로부터 제조된 컴파운드의 SEM 사진이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5로부터 제조된 컴파운드를 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry)로 분석한 결과 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
매년 331만톤/년 생산되는 산업부산물인 폐석고는 환경문제, 활용부지선정 등 제약이 많아, 재활용이 어려워, 대책마련이 시급하였다. 이를 해결하기 위하여 본 발명자들은 폐석고에 대한 다양한 노력을 기울인 바, 폐석고를 폴리에틸렌과 배합함으로써 기계적 물성 및 열 안정성 및 마찰 특성을 향상시키고, 열안정성을 개선한 것을 확인함에 따라 본 발명을 완성하게 되었다.
폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 플라스틱의 일종으로 일상 생활에서 가장 널리 사용되고 있는 소재이다. 폴리에틸렌은 산소의 이동을 막는데 매우 뛰어나기 때문에 식품 포장재, 우유팩과 종이컵 등의 내부코팅재, 음식용기, 비닐봉투, 인공 인대 및 힘줄과 같은 의료공학 뿐만 아니라 강철의 대용품이나 인공관절 또는 방탄복 등의 소재로도 사용되고 있다. 한편, 폴리에틸렌은 상술한 장점들에도 불구하고 응력균열에 취약하고, 인장강도가 낮으며, 가연성이 높아 화재 위험성이 높다는 큰 단점들이 존재하여 상용화에 많은 제약이 있다.
폐석고는 크게 인산부산석고와 탈황석고가 있다. 인산부산석고는 인광석과 황산을 반응시켜 인산을 추출할 때 부산물로 발생되는 것이고, 탈황석고는 주로 발전소에서 배기가스 탈황 후 황성분과 석회석과의 반응에 의하여 생성된 석고이다. 이 중에서도 우리나라는 석고산업 발전에 따른 인산부산석고의 발생량이 연간 100만톤을 넘어서고 있으며, 전남 여수지방에서는 야적되어 있는 석고의 양이 약 4천만 톤에 이르고 있다. 폐석고의 처분을 위해 콘크리트와 함께 잔골재로 활용하는 방법이 개발되었으나, 블리이딩에 따른 레이탄스 현상으로 폐석고 가루가 공기 중에 부유하여 대기오염을 초래하는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 폴리에틸렌에 소정의 비율의 폐석고를 배합함으로써, 폐석고에 대한 새로운 방안을 제안함과 동시에 폴리에틸렌에 열안정성을 개선하면서 기계적 물성을 향상시키고 생산단가는 낮은 컴파운드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 폐석고를 포함하는 기계적 물성이 우수한 컴파운드에 관한 것이다.
상기 폐석고는 인산제조과정에서 발생한 부산물인 인산부산석고를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 조성물은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 60 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 40 중량% 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 폐석고 5 내지 10 중량% 포함되는 것일 수 있다. 상기 조성물에서 폐석고 함량이 5 중량% 미만인 경우에는 난연 효과를 기대하기 어렵고, 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 물성이 오히려 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 조성물에서 폐석고 함량이 40 중량%를 초과하는 경우에는 연신율과 같은 기계적 강도가 저하되며, 폐석고 함량이 10 중량%를 초과하는 경우에는 컴파운드를 다목적 필름으로 사용할 수는 있으나 폐석고가 응집되어 균일한 조성을 형성할 수 없고, 보이드 발생으로 외관이나 기능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 조성물은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 내지 95 중량% 및 폐석고 5 내지 10 중량% 포함되는 것이 가장 바람직한데, 상기 범위를 만족하는 경우 열안정성 뿐만 아니라 인장강도, 연신율과 같은 우수한 기계적 물성을 나타내며, 폴리에틸렌과 폐석고의 혼합이 균일하게 이루어져 보이드와 같은 균열이 발생하지 않는다.
본 발명은 화학적 반응 후 생성되는 부산석고 즉 폐석고를 이용한 고기능성 컴파운드 소재를 개발하기 위한 것으로, 무기재료인 폐석고를 활용함으로써 석유자원의 절약을 유도할 수 있다. 본 발명에서는 폐석고의 충전율이 40 중량%까지 가능하며, 이는 컴파운드에서 석유 자원의 부피를 20% 절감하게 하는 것이다. 석유 자원량이 고갈되어가고 있고, 최근 미세 플라스틱 이슈도 존재하는 만큼, 무기재료인 폐석고로 5~40 중량%까지 고분자 재료를 대체하는 것은 큰 장점이라 할 것이다.
게다가 본 발명의 컴파운드는 종래 컴파운드로 제조되는 비닐의 외관이나 기능을 해치지 않으면서, 높은 가공온도에서 분해나 휘발되지 않는 높은 안정성을 가지며, 시간에 따라 변색되지 않을 뿐만 아니라, 생체에 대한 독성이 없다. 게다가 폐석고는 컴파운드에 첨가되는 다양한 첨가제들과 반응하지 않으며, 산과 염기에도 분해되지 않는 우수한 화학적 안정성을 갖는다.
상기 폐석고는 상기 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하여 제조된 표면처리된 폐석고일 수 있는데, 미처리된 폐석고보다 표면처리된 폐석고를 사용할 경우, 폴리에틸렌과의 혼화성이 좋아져 폐석고의 함량을 10 중량% 이상 높이더라도 보이드 발생을 방지할 수 있다.
상기 표면처리된 폐석고는 바람직하게 폐석고를 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하여 제조된 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 6 중량부 첨가하여 제조된 것일 수 있다. 이때 반응시간은 상기 말산 처리 후, 1 내지 5 시간 동안 반응시킨 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는 3 시간 동안 반응시킨 것일 수 있다. 즉 본 발명에서 요구되는 기계적 강도의 향상 효과가 충분히 발현될 수 있도록 하기 위해서는 상기 폐석고 100 중량을 기준으로 개질제 6 중량부를 첨가하고, 500 내지 600 rpm에서 3 시간 반응시켜 제조된 표면처리된 폐석고인 것이 가장 유리하다.
상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 말산(Malic acid)일 수 있다.
본 발명의 컴파운드는 폴리에틸렌과 폐석고를 혼합한 배합물을 용융 및 혼련한 후 압출하여 펠렛 형태로 수득할 수 있다.
본 발명의 컴파운드는 할로겐계 또는 비할로겐계의 난연제를 첨가하지 않고도 열안정성을 개선한 것일 수 있다.
본 발명의 컴파운드는 가소제 등과 같은 공지의 첨가물이 더 첨가될 수 있다.
본 발명의 컴파운드는 압출 또는 사출성형 방법으로 다양한 플라스틱 제품의 제조에 활용할 수 있다. 예를 들어 봉투, 필름, 시트, 용기, 팩 등의 제품 제조에 사용할 수 있다.
상술한 본 발명의 컴파운드는 폐기되는 천연소재를 활용하므로 원료의 수급이 용이하고 비용이 저렴하다. 또한, 열안정성을 개선함과 동시에 강도 및 내구성을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 (a) 폐석고와 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)을 혼합한 배합물을 용융 및 혼련하여 컴파운드를 수득하는 단계;를 포함하는 컴파운드의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 컴파운드의 제조방법에 따르면, 상기 용융혼련 과정을 통해 각각의 성분들이 균일하게 혼합되므므로 공정을 단순화할 수 있다는 장점이 있다.
상기 컴파운드에 포함되어 있는 각 성분들을 용융혼련하는 컴파운딩 공정시 통상적으로 이 분야에서 사용할 수 있는 공지의 혼합성이 양호한 압출기가 제한없이 사용될 수 있으며, 예컨대 단축압출기, 동방향회전 이축 압출기, 이방향 회전 이축 압출기 등이 사용될 수 있다. 상기 압출기를 통해 압출된 용융혼련물은 고화 및 펠렛화 공정을 거쳐 컴파운드로 제조될 수 있다.
상기 (a) 단계에서 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 60 내지 90 중량% 및 폐석고 10 내지 40 중량%를 혼합하는 것일 수 있다. 상기 (a) 단계에서 폐석고 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 난연 효과를 기대하기 어렵고, 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 물성이 오히려 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 조성물에서 폐석고 함량이 30 중량%를 초과하는 경우에는 폐석고가 응집되어 균일한 조성물을 형성할 수 없고, 보이드 발생으로 연신율과 같은 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 중량% 및 폐석고 10 중량% 포함되는 것이 가장 바람직한데, 상기 범위를 만족하는 경우 열안정성 뿐만 아니라 인장강도, 연신율과 같은 우수한 기계적 물성을 나타내며, 폴리에틸렌과 폐석고의 혼합이 균일하게 이루어져 보이드와 같은 균열이 발생하지 않는다.
상기 폐석고는 인산부산석고일 수 있다.
상기 (a) 단계 이전에 (a-1) 폐석고가 분산된 용액에 개질제를 혼합하여 폐석고를 표면처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (a-1) 단계에서, 폐석고가 분산된 용액은 폐석고와 용매가 1 : 0.1 내지 10의 부피비로 혼합된 것일 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5 내지 5의 부피비로 혼합된 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 : 0.5 내지 2일 수 있으며, 가장 바람직하게는 1 : 1 일 수 있다. 즉 본 발명에서 요구되는 기계적 강도의 향상 효과가 충분히 발현될 수 있도록 하기 위해서는 폐석고와 용매의 부피비가 1 : 0.5 내지 5로 포함되는 유리하다.
상기 (a-1) 단계에서 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가한 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 6 중량부 첨가한 것일 수 있다.
상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 말산일 수 있다.
즉 본 발명에서 요구되는 기계적 강도의 향상 효과가 충분히 발현될 수 있도록 하기 위해서는 폐석고 100 중량부를 기준으로 말산(Malic acid) 5 내지 10 중량부 첨가되는 것이 유리하고, 종래 폴리에틸렌보다 인장강도, 연신율이 높고, 보이드 발생을 저하하기 위해서는 폐석고 100 중량부를 기준으로 말산(Malic acid) 6 중량부 처리되는 것이 가장 유리하다.
상기 (a-1) 단계후, (a-2) 상기 (a-1) 로부터 제조된 표면처리된 폐석고를 정제하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 정제과정은 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 필터를 통한 여과공정일 수 있다.
상기 제조방법은 (a) 단계 이후에, (b) 상기 컴파운드를 압출성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 컴파운드는 열안정성이 우수하면서도 기계적 물성이 뛰어나 강도 및 신율이 우수한 물품, 예컨대 열안정성을 갖는 필름, 일회용 제품, 식품포장재, 건축자재 등으로 제조되어 다양한 분야에서 폭넓게 상용화될 수 있다.
본 발명은 기계적 물성이 우수한 상기 컴파운드로 제조되는 필름에 관한 것이다.
상기 컴파운드로 제조되는 필름은 열안정성을 가지며, ASTM D885에 따른 인장강도가 폴리에틸렌 대비 1~2% 더 우수하고, 연신율(%)은 580 내지 610%로 물성이 매우 우수하다.
상기 필름은 쓰레기봉투, 쇼핑백, 식품포장용 필름, 공업용 포장필름, 농업용 필름, 일회용 식탁보 및 롤백 등 열안정성이 요구되는 모든 제품에 적용될 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1-6 및 비교예 1. 기계적 물성이 우수한 컴파운드의 제조.
남해화학(주)로부터 인산제조과정에서 부산물로 발생되는 폐석고(Gypsum, 인산부산석고)를 얻어 사용하였다. 상기 폐석고(Gypsum)와 증류수를 1:1의 부피비로 혼합하였다. 상기 혼합물을 실온에서 500 내지 600 rpm으로 3 시간동안 교반한 후, 필터지(Filter paper, 5 ㎛ pore size)로 여과하고, 150 ℃에서 24 시간동안 건조시켜 세척된 폐석고를 준비하였다. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 LG 화학에서 생산된 상업용의 pellet 형태의 폴리에틸렌(Luthene-H ME2500)을 구입하여 사용하였다
상기 폐석고와 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)을 하기 표 1과 같이 혼합하여 기계적 물성이 우수한 컴파운드 조성물을 제조하였다. 상기 조성물은 이축 압출기(L/D: 36/1, 직경: 25Φ, 창성 P&R사 제품)에 투입하고 용융 혼련하는 컴파운딩 공정을 수행하였다. 상기 컴파운딩 공정을 통해 상기 각 성분들이 균일하게 혼합되면서 동시에 중력분의 가소화가 진행되었다. 이때, 컴파운드 조건은 하기와 같다.
- 공급속도 : 25rpm
- 압출속도 : 200rpm
- 압출기 온도(℃) : 80/120/165/165/165/165/165/165/165/160
이어서, 상기 용융혼련 과정이 완료된 후, 그 용융혼련물이 압출, 고화 및 펠렛화 공정을 거쳐 컴파운드로 제조하였다.
구분
(중량%)		 PE CaSO₄
비교예 1 100 0
실시예 1 95 5
실시예 2 90 10
실시예 3 85 15
실시예 4 80 20
실시예 5 70 30
실시예 6 60 40
실시예 7. 표면처리된 폐석고를 포함하는 컴파운드
남해화학(주)로부터 인산제조과정에서 부산물로 발생되는 폐석고(Gypsum, 인산부산석고)를 얻어 사용하였다. 상기 폐석고(Gypsum)와 증류수를 1:1의 부피비로 혼합하였다. 상기 폐석고 100 중량을 기준으로 말산(Malic acid)(대정화금, 99.0% 이상)(개질제) 6 중량부를 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 실온에서 500 내지 600 rpm으로 3 시간동안 교반하였다. 상기 반응액을 필터지(Filter paper, 5 ㎛ pore size)로 여과하고, 150 ℃에서 24 시간동안 건조시켜 표면처리된 폐석고를 준비하였다. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 LG 화학에서 생산된 상업용의 pellet 형태의 폴리에틸렌(Luthene-H ME2500)을 구입하여 사용하였다
상기 표면처리된 폐석고 10 중량%와 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 중량%를 혼합하여 컴파운드 조성물을 제조하였다. 상기 조성물은 이축 압출기(L/D: 36/1, 직경: 25Φ, 창성 P&R사 제품)에 투입하고 용융 혼련하는 컴파운딩 공정을 수행하였다. 상기 컴파운딩 공정을 통해 상기 각 성분들이 균일하게 혼합되면서 동시에 중력분의 가소화가 진행되었다. 이때, 컴파운드 조건은 하기와 같다.
- 공급속도 : 25rpm
- 압출속도 : 200rpm
- 압출기 온도(℃) : 80/120/165/165/165/165/165/165/165/160
이어서, 상기 용융혼련 과정이 완료된 후, 그 용융혼련물이 압출, 고화 및 펠렛화 공정을 거쳐 컴파운드로 제조하였다.
실험예 1. 생분해성 필름의 기계적 물성
비교예 1 및 실시예 1 내지 6으로부터 제조된 컴파운드의 기계적 물성을 확인하였다. 구체적으로 상기 컴파운드를 압출성형하여 두께 20 ㎛의 필름시편을 제작하였다. 제작한 필름시편을 대상으로 인장강도와 파단 신장율을 측정하였다. ASTM D885에 따라 온도 20±2℃ 및 습도 65±2%RH, 시험속도 500 mm/min에서 인장강도(Tensile Strength, %) 및 연신율(Elongation at break, %)을 측정하였다. 또한 각각의 컴파운드의 분산 상태를 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM, S-4800, Hitachi)으로 5kV, 100배율 및 300배율로 촬영하였다.
도 1은 비교예 1 및 실시예 1 내지 6으로부터 제조된 컴파운드의 인장강도를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 2는 비교예 1 및 실시예 1 내지 6으로부터 제조된 컴파운드의 연신율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 1 및 2에 따르면, 폐석고를 필러로 첨가한 폐석고의 함량이 5 중량% 이상인 실시예 1 내지 2의 경우에는 비교예 1보다 인장강도 2~3% 이상, 연신율 20% 내지 50% 이상 증가한다는 것을 확인할 수 있다.
본원발명에 따른 폐석고 필러를 사용하지 않으면, 실시예 1 내지 6의 컴파운드보다 연신율은 30% 이상, 인장강도는 10% 이상 크게 저하되는 문제가 생길뿐만 아니라, 열안정성을 개선할 수 없다는 문제가 있다.
도 3은 비교예 1 및 실시예 1 내지 5로부터 제조된 컴파운드의 SEM 사진으로, 실시예 1, 2, 3의 컴파운드를 제외한 나머지 컴파운드의 경우 폴리에틸렌과 폐석고가 골고루 섞이지 못하고 void가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 실시예 4 내지 5의 컴파운드는 아무것도 처리되지 않은 비교예 1보다는 연신율과 같은 기계적 물성이 낮거나 유사한 수준이고, 실시예 3의 컴파운드는 보이드의 형성이 낮아 기계적 물성의 저하는 없으나, 일부 표면에 응집이 발생하므로 외관이나 열적안정성이 저하되는 문제가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 실시예 1 내지 6의 컴파운드는 모두 폐석고를 고함량 폴리에틸렌과 혼합하여 제조하였음에도 기계적 물성의 저하가 크지 않으면서, 폐기물의 재사용으로 인한 환경적 가치와 비싼 원료의 감축을 도출할 수 있으므로, 바람직한 소재로 활용될 수 있다. 그러나 기계적 물성과 외관 및 기능을 고려한다면 실시예 1, 2의 컴파운드을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
폐석고를 말산 등의 물질로 표면처리할 경우에는, 화학구조에 비극성부분과 극성부분을 모두 갖고 있으므로, 상기 컴파운드에서 폐석고의 함량을 40 중량%까지 더 많이 포함시킬 수 있다. 폐석고의 함량이 증가하여도 컴파운드의 기계적 물성에 영향을 미치지 않는 것은 물론, 플라스틱과의 높은 상용성으로 표면에 침출되거나 외관이나 기능을 저하시키지 않는다는 큰 장점을 갖는다.
실험예 2. 생분해성 필름의 기계적 물성
비교예 1 및 실시예 1 내지 5로부터 제조된 컴파운드의 제조하고, 이를 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry)에 의하여 유리전이온도를 측정하여 도 4에 나타내었다. 또한 열중량 분석기(TGA)(Model : Q500, TA Instruments, USA)를 사용하여 열안정성을 평가하여 표 1에 나타내었다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1 내지 5로부터 제조된 컴파운드를 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry)로 분석한 결과 그래프로, 이에 따르면 본 발명의 폐석고는 폴리에틸렌의 유리전이온도와 녹는점에 악영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
구분 잔류 중량(wt%)
0 ℃ 100 ℃ 500 ℃
비교예 1 100 100 0
실시예 1 100 100 5.7
실시예 2 100 100 13.1
실시예 3 100 100 38.8
실시예 4 100 100 45.8
실시예 5 100 100 47.5
표 2에 나타난 바와 같이, 폴리에틸렌만으로 제조된 컴파운드(비교예 1)에 비해 폐석고가 5 중량% 이하 첨가된 컴파운드(실시예 1) 및 폐석고가 10 중량% 이상 첨가된 컴파운드(실시예 2)가 열 안정성이 더 우수하다는 것을 확인하였다. 이는 5 중량% 이상의 폐석고를 혼합함으로써 폴리에틸렌의 열안정성을 향상시키고 있다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (16)

  1. 90 내지 95 중량% 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 5 내지 10 중량% 폐석고로 이루어지고,
    상기 폐석고는 인산부산석고(CaSO4)인 것을 특징으로 하는 컴파운드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폐석고는 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하여 제조된 표면처리된 폐석고인 것을 특징으로 하는 컴파운드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 컴파운드.
  7. (a) 폐석고 5 내지 10 중량%와 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 90 내지 95 중량%로 이루어진 배합물을 제조하고, 상기 배합물을 용융 및 혼련하여 컴파운드를 수득하는 단계;를 포함하고,
    상기 폐석고는 인산부산석고(CaSO4)인 것을 특징으로 하는 컴파운드의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제조방법은 (a) 단계 이후에, (b) 상기 컴파운드를 압출성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴파운드의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에 (a-1) 폐석고가 분산된 용액에 개질제를 혼합하여 폐석고를 표면처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴파운드의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (a-1) 단계에서 폐석고 100 중량부를 기준으로 개질제 5 내지 10 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 컴파운드의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 개질제는 말산(Malic acid), 스테아릭산(Stearic acid) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 컴파운드의 제조방법.
  15. 제1항에 따른 컴파운드로 제조되는 필름.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 필름은 쓰레기봉투, 쇼핑백, 식품포장용 필름, 공업용 포장필름, 농업용 필름, 일회용 식탁보 및 롤백으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 필름.
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