KR20040006597A - 초음파를 이용한 폐고무 재생방법, 재생장치 및 이에 의해제조된 개질 밸러스트 매트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐타이어와 같은 폐고무 분말에 대하여 초음파 처리를 행하여 철도 방진용 밸러스트 매트와 같은 고무제품을 제조하는 제조방법, 제조장치 및 이에 의해 제조된 밸러스트 매트에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 따르면, 폐고무를 수백 내지 수십㎛ 정도의 입도 크기를 가지도록 분쇄하여 분말화하는 단계와, 폐고무의 분말을 압출기(2)에 의해 압출하는 단계와, 압출되면서 활성화된 폐고무에 대하여 초음파 진동자(3)에 의해 초음파 처리를 행하는 단계를 포함하여 이루어지는 초음파를 이용한 폐고무 재생방법이 제공된다.

또, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 폐고무 분말을 공급할 수 있는 개구부(1)가 형성된 나선형 압출기(2)와, 상기 압출기(2)의 말단부분에 장착되어 초음파 진동을 야기시키는 초음파 진동자(3)와, 초음파 처리된 고무가 배출되는 출구 다이(4)를 포함하여 이루어지는 초음파를 이용한 폐고무 재생장치가 제공된다.

또, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 초음파를 이용한 폐고무 재생방법에 의하여 재생된 고무로 제조된 것을 특징으로 하는 개질 밸러스트 매트가 제공된다.

Description

초음파를 이용한 폐고무 재생방법, 재생장치 및 이에 의해 제조된 개질 밸러스트 매트{Method and apparatus for regenerating waste rubber using ultrasonic treatment and modified ballast-mat produced by said method and apparatus}

본 발명은 폐타이어와 같은 폐고무 분말에 대하여 초음파 처리를 행하여 철도 방진용 밸러스트 매트와 같은 고무제품을 제조하는 제조방법, 제조장치 및 이에의해 제조된 밸러스트 매트에 관한 것이다.

최근 자동차산업의 발달로 인하여 폐고무의 발생량이 급격하게 늘어남으로서 이에 따른 폐고무의 처리문제가 사회적으로 대두되고 있다. 종래, 폐고무를 처리하기 위하여 소각 혹은 매립에 의한 처리방법이 활용되고 있으나, 이로 인한 환경문제가 심각해진다는 문제점이 있었다.

따라서 재활용하는 방법이 환경문제 해결에 있어서 가장 최상의 방법이라 할 수 있으나 경제성 문제와 기술개발의 부진으로 인한 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이에 대한 대안으로, 폐고무를 재활용하기 위하여 여러 각도에서 연구가 진행되고 있는 바, 유기 용매에 의한 화학처리법과 코로나 또는 플라즈마의 조사를 통한 폐타이어의 표면 개질 등이 제시되었다.

그러나, 상기한 방법으로 개질된 폐고무를 다른 시료와 혼합 가공하여 사용하는 경우, 그 혼합도가 매우 저하되어 재생된 고무의 물성 저하 및 표면 불량의 문제점이 여전히 남아 있었다. 이와 더불어, 경제성의 문제 및 기술 개발의 부진으로 어려움을 겪고 있는 실정이다.

본 발명은 상기된 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은, 환경문제를 야기시키는 자동차의 폐타이어와 같은 폐고무를 분말화시킨 다음 초음파(Ultrasonic) 처리를 행하고 이에 의해 가교된 고무 분말입자를 탈황시킴으로써, 폐고무로부터 재생된 고무 원료가 향상된 신재료(virgin material)와의 혼합성을 가질 수 있는 동시에 그 물리적 물성과 외관이 신재료와거의 동일하게 개선될 수 있는 초음파를 이용한 폐고무 재생방법 및 재생장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기된 바와 같이 초음파를 이용한 폐고무 재생방법 및 재생장치에 의해 재생된 폐고무를 이용하여 제조된 철도 방진용의 개질 밸러스트 매트를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 폐고무 재생장치의 개략적인 측단면도,

도 2는 초음파의 영향에 의한 결합상태를 확인하기 위한 FT-IR 분석 그래프,

도 3은 초음파 처리에 의한 가교 고무의 체인변화를 나타내는 개념도,

도 4는 주파수 변화에 따른 저장율의 변화를 나타내는 그래프,

도 5a는 초음파 처리가 이루어지지 않은 재생고무의 표면을 주사 전자현미경에 의해 관찰한 도면,

도 5b는 초음파 처리가 이루어진 재생고무의 표면을 주사 전자현미경에 의해 관찰한 도면이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따라서, 폐고무를 수백 내지 수십㎛ 정도의 입도 크기를 가지도록 분쇄하여 분말화하는 단계와, 폐고무의 분말을 압출기에 의해 압출하는 단계와, 압출되면서 활성화된 폐고무에 대하여 초음파 진동자에 의해 초음파 처리를 행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 폐고무 재생방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따라서, 폐고무 분말을 공급할 수 있는 개구부가 형성된 나선형 압출기와, 상기 압출기의 말단부분에 장착되어 초음파 진동을 야기시키는 초음파 진동자와, 초음파 처리된 고무가 배출되는 출구 다이를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 폐고무 재생장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 상기 초음파를 이용한 폐고무 재생방법에 의하여 재생된 고무로 제조된 것을 특징으로 하는 개질 밸러스트 매트가 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되어진 개질 방법으로서, 초음파 진동을 이용하는 방법은전자파나 방사선을 이용하는 방법에 비해 폐고무 입자에 직접적으로 진동을 주는 것이므로 물리적인 변화가 다양한 처리방법이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 폐고무 재생방법은, 폐타이어와 같은 폐고무를 수백 내지 수십㎛ 정도의 입도 크기를 가지도록 분쇄하여 분말화하는 단계와, 폐고무의 분말을 압출기(2)에 의해 압출하는 단계와, 압출되면서 활성화된 폐고무에 대하여 초음파 진동자(3)에 의해 초음파 처리를 행하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 폐고무 재생장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 폐고무 분말을 공급할 수 있는 개구부(1)가 형성된 나선형 압출기(2)와, 상기 압출기(2)의 말단부분에 장착되어 초음파 진동을 야기시키는 초음파 진동자(3)와, 초음파 처리된 고무가 배출되는 출구 다이(4)를 포함하여 이루어진다.

상기 압출기(2)는 도시하지 않은 모터 및 가열장치에 의해 회전속도 및 온도가 조절될 수 있도록 구성된다.

상기 초음파 진동자(3)는, 초음파 진동부(5)와 상기 압출기(2)의 출구 다이(4) 사이의 간격을 0.5 내지 2mm로 조절할 수 있으며, 출력 강도를 조절할 수 있도록 구성된다.

상기 재생장치를 이용하면, 폐고무의 연속적인 처리가 가능하기 때문에 처리 속도가 상당히 빠르고, 상기 압출기(2)를 통과한 폐고무는 전단력(shear stress)과 열을 받아 입자끼리의 활성화가 어느 정도는 이루어져 있는 상태에서 출구 다이(4)에 장착된 초음파 진동자의 영향을 받아 각 입자의 팽창이 이루어진다. 이 방법은 연속적인 공정으로서 대량의 폐고무 처리에 유용하다.

이를 확인하기 위하여 습식방법(soxhlet)을 이용하여 FTIR peak를 분석한 결과 초음파에 의해 처리된 폐고무 분말에서는, 초음파 미처리 분말에 비하여 황가교 결합에 관계되는 C=S, C-S(1116㎝^-1, 785㎝^-1)의 변화가 관찰되었다.(도 2 참조) 이것은 초음파의 에너지가 메인 체인(C-C bond)의 영향보다는 황가교 결합에 영향을 끼치기 때문이다.(도 3 참조)

일반적으로 고분자 물질에 초음파 처리를 행하면 고분자 내부에 공동을 야기시킨다. 이 현상에 의해 발열반응이 생기게 되는데, 이는 주파수, 강도, 전처리 온도 등의 인자에 의존한다. 초음파의 진폭이 작기 때문에 파의 에너지가 열에너지로 변화되어 고분자의 온도가 올라가게 된다.

도 3은 초음파의 영향으로 인한 변화를 도식화 한 것인데 초음파의 영향으로 파손이 일어난 부분이 즉시 메인 체인과 순간적으로 결합을 한 것을 나타난 것이다.

이것을 확인하기 위하여, 도 4에 ARES(Advanced Rheometric Expansion System)를 이용하여 체인의 변화에 대한 효과를 나타낸 그래프가 제시되어 있다. 즉, 사이클 형태가 초음파 효과에 의해서 증가함에 따라서 주파수에 대한 값이 증가한 것을 확인할 수 있었다.

도 5a에는 초음파 처리가 이루어지지 않은 재생고무의 표면을 주사 전자현미경에 의해 관찰한 도면이 도시되어 있고, 도 5b에는 초음파 처리가 이루어진 재생고무의 표면을 주사 전자현미경에 의해 관찰한 도면이 도시되어 있다.

표면현상을 관찰해 보면, 초음파 처리는 다른 어떤 방법의 표면처리 보다도 고무의 내부에 고진동, 고열을 가할 수 있어 활성화 에너지가 가교사슬의 변화를 야기시킴으로써 분자거동에 상당한 효과를 나타낸 것으로 판단된다.

본 발명에 따른 초음파를 이용한 폐고무 재생방법 및 재생장치를 이용하여 폐타이어를 처리한 후 재생된 고무를 사용하여 밸러스트 매트를 생산하면, 표 1에서 나타낸 바와 같이, 밸러스트 매트의 성형시간을 종래의 40분에서 20분으로 줄일 수 있으며, 이 경우 생산원가를 78%까지 절감시킬 수 있다.

본 발명에 의하여 밸러스트 매트의 성형시간을 20분으로 하여 가공하였을 경우에도 기준물성이 충족되며, 초음파에 의해 처리되지 않은 폐타이어 분말로 40분동안 가공하여 제조한 경우의 물성과 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과, 본 발명에 의하면 20분이라는 짧은 성형시간으로도 밸러스트 매트의 기준물성을 만족시켰음을 알 수 있었다.

개질 밸러스트 매트의 물성평가

성형조건	상온	노화	내수	인열
	인장(kg/㎠)	신장율(%)	인장(kg/㎠)	신장율(%)	인장(kg/㎠)	신장율(%)	인장(kg/㎠)	신장율(%)
온도 :160℃압력:180atm(기존:40분)	43	179	47	160	42	186	22	19
온도 :160℃압력:180atm	20분	43	157	52	147	37	156	21	22
	30분	40	169	38	148	34	155	20	21
	40분	38	163	49	147	33	159	21	21
온도 :170℃압력:180atm	20분	36	166	41	154	32	160	17	21
	30분	38	177	41	150	33	161	20	20
	40분	-	-	-	-	-	-	-	-

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 환경문제를 야기시키는 자동차의 폐타이어와 같은 폐고무를 분말화시킨 다음 초음파 처리를 행함에 의해 폐고무로부터 재생된 고무 원료가 향상된 신재료와의 혼합성을 가질 수 있는 동시에 그 물리적 물성과 외관이 신재료와 거의 동일하게 개선될 수 있는 초음파를 이용한 폐고무 재생방법 및 재생장치가 제공될 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 상기된 바와 같이 초음파를 이용한 폐고무 재생방법 및 재생장치에 의해 재생된 폐고무를 이용하여 제조된 철도 방진용의 개질 밸러스트 매트가 제공될 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 폐고무를 효율적으로 재생하는 것이 가능하게 되기 때문에, 폐고무에 의한 환경오염을 방지할 수 있으며, 원가절감 및 가공시간의 단축에 의한 생산성 향상 등의 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 개질된 폐고무를 다른 시료와 혼합 가공하여 사용하는 경우에도, 재생된 고무의 혼합도, 접착성 및 물성이 향상됨에 의해 자원 재활용및 폐자재의 처리에 따른 환경오염 방지 측면에서 현저한 효과를 거둘 수 있다.

Claims (3)

1. 폐고무를 수백 내지 수십㎛ 정도의 입도 크기를 가지도록 분쇄하여 분말화하는 단계와,

   폐고무의 분말을 압출기(2)에 의해 압출하는 단계와,

   압출되면서 활성화된 폐고무에 대하여 초음파 진동자(3)에 의해 초음파 처리를 행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 폐고무 재생방법.
2. 폐고무 분말을 공급할 수 있는 개구부(1)가 형성된 나선형 압출기(2)와,

   상기 압출기(2)의 말단부분에 장착되어 초음파 진동을 야기시키는 초음파 진동자(3)와,

   초음파 처리된 고무가 배출되는 출구 다이(4)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 폐고무 재생장치.
3. 상기 청구항 1의 초음파를 이용한 폐고무 재생방법에 의하여 재생된 고무로 제조된 것을 특징으로 하는 개질 밸러스트 매트.