KR20060110399A

KR20060110399A - 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060110399A
Application number: KR20050032486A
Authority: KR
Inventors: 김진국; 최겸우
Original assignee: 경상대학교산학협력단; 제이에스테크 주식회사
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-25
Also published as: KR100663945B1

Abstract

본 발명은 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 폴리우레탄의 재활용 기술 중 폐폴리우레탄을 물리적 방법으로 분말화할 때 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어진 분쇄 공정 및 분급 공정의 결합을 통해 폐폴리우레탄폼의 미세 분말을 제조함으로써, 기존의 입도가 큰 폐폴리우레탄 분말의 사용에 따른 물성의 저하와 셀(cell) 모양의 형성이 안 되는 문제점을 해결할 수 있고 폐폴리우레탄의 재활용 범위를 확대할 수 있다.

폐폴리우레탄, 분말, 분쇄, 분급

Description

폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법 {Fine powder of waste polyurethane foam and method for manufacturing thereof}

도 1은 본 발명의 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조의 전체 공정도이다.

도 2는 본 발명의 미분쇄 공정과 분급 공정의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 경질 폴리우레탄폼의 분쇄 진행 과정에서 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 분쇄물의 형태(모폴로지, morphology)의 변화이다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 경질 폐폴리우레탄 미세 분말의 함유량에 따른 셀(cell) 상태를 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 오픈 셀(open cell)형상이다.

도 5는 본 발명의 경질 폐폴리우레탄폼의 2차 조분쇄 공정 후의 입도 분포도이다.

도 6은 본 발명의 경질 폐폴리우레탄폼의 제트 밀(jet mill) 분쇄기에 의한 미분쇄 공정 후의 입도 분포도이다.

본 발명은 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 폴리우레탄의 재활용 기술 중 폐폴리우레탄을 물리적 방법으로 분말화함 에 있어서 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어진 분쇄 공정 및 분급 공정의 결합을 통해 제조되는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법에 관한 것이다.

폴리우레탄은 이소시아네이트 그룹과 히드록시 화합물의 중합체로 인장강도와 탄성이 좋고, 내마모성, 내유성 및 내용제성이 탁월하여 발포체, 탄성체, 도료, 접착제, 섬유와 합성피혁은 물론 실링제 등에도 사용되고 있고 그 응용분야는 신발, 건자재, 자동차용품, 주형품 및 가구에 이르기까지 다양하다. 따라서 폴리우레탄은 사용하는 원료의 종류와 비율의 조절을 통하여 여러 가지 특성을 지닌 제품으로 다양하게 생산되고 있으며 그 소비량도 해마다 증가하고 있다. 그러나 이와 같은 증가추세와 함께 폐기물의 발생량도 많이 증가하여 환경 문제가 대두되고 있다.

지금까지 개발된 폐기물의 처리방법은 매립에 의한 방법, 소각법, 재활용법이 있는데, 매립법이나 소각법은 환경오염과 경제적인 비용이 문제가 된다. 따라서 재활용법이 중요시 되어 연구가 집중되고 있다.

그리고 이제까지 개발된 재활용법에는 분말 가공법, 열이용법, 재생고분자의 제조 등이 보고되어 있다. 이 중 열이용법은 열에너지를 자원으로 이용하거나 열분해를 하여 발생되는 부수적인 원료를 얻는 방법인데, 이는 초기 시설비가 매우 비싼 단점이 있다. 분말 가공법은 폐기물을 수거한 다음 분쇄하여 가공공정을 거쳐서 충전제 또는 원료로 재활용하는 방법이다. 재생고분자 제조는 가교되어 있는 제품을 탈가교 공정을 거쳐 재생수지로서 이용하는 방법이다. 그러나 이와 같은 다양한 노력에도 불구하고 재활용에는 경제성과 기술성 등에서 많은 문제점을 가지고 있어 재활용 기술 개발에 어려움이 있는 실정이다.

특히 상기 폴리우레탄의 재활용에 관한 기술 중 분말 가공법에서 경질 폐폴리우레탄을 분쇄하여 분말화할 경우 미세 분말화(50 ㎛ 미만)하는 방법은 아직까지 알려진 바 없고, 따라서 일반적으로 입도 100 ㎛ 이상의 큰 분말로 분쇄하여 이를 재사용하고 있는데, 이 경우 입도가 큰 분말의 혼합에 따른 인장강도, 신율, 반발탄성 등의 물성이 크게 저하되는 문제점과 셀(cell) 모양의 형성이 안되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 폴리우레탄의 재활용에 관한 여러 기술 중 폐폴리우레탄을 물리적으로 분말화하는 방법에 있어서 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어진 분쇄 공정 및 분급 공정을 결합시켜 폐폴리우레탄폼을 미세 분말화함으로써, 기존의 입도가 큰 분말의 사용에 따른 물성의 저하와 셀(cell) 모양의 형성이 안되는 문제점을 해결하려는 것이며 폐폴리우레탄의 재활용 범위를 확대하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 폐폴리우레탄폼을 분말화하는 분쇄 공정 및 분말을 분급하는 분급 공정의 결합을 통해, 상세하게는 폐폴리우레탄폼을 분말화함에 있어서 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어진 분쇄 공정 및 분급 공정의 결합을 통해 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 및 그 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 크게 분쇄 공정 및 분급 공정의 결합으로 구성되어 있고 상기 분쇄 공정은 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어져 있다. 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법에 대한 전체 공정도를 도 1에 나타내었다.

우선 수거된 폐폴리우레탄폼을 100 mm로 절단하고, 1차 조분쇄기에서 평균 2 ~ 4 mm 크기로 분쇄한다. 그리고 상기 1차 조분쇄폼을 2차 조분쇄기에서 평균 150 ~ 160 ㎛ 크기로 조분쇄하여 회수한다. 이때 1차 조분쇄기는 5 mm의 스크린이 설치된 커트 밀(cut mill) 분쇄기를 사용함이 바람직하고, 2차 조분쇄기는 0.8 mm의 스크린이 설치된 핀 밀(pin mill) 분쇄기를 사용함이 바람직하다.

다음으로, 상기 회수된 조분쇄폼을 공급기에 투입하고, 상기 공급기에 투입된 조분쇄폼을 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 미분쇄한다.

그런데 상기 2차 조분쇄기에서 분쇄된 조분쇄폼을 다음 공정인 상기 공급기에 투입하는 공정으로 넘어가기 전에 볼 밀(ball mill)에서 분쇄 공정을 거친 후, 상기 공급기에 투입하고 제트 밀(jet mill)을 사용하는 미분쇄 공정으로 넘어가면 더욱더 작은 분말을 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 분쇄된 미분쇄폼을 분급기에 투입하는데, 분급기를 통해 원하는 입도의 통과한 분말폼(pass폼)은 최종 포장하고, 통과되지 않은 입도가 큰 분말폼(non pass폼)은 다시 위로 분리하여 상기 공급기에 재투입하고 재분쇄 과정과 재분급 과정을 거쳐 미세 분말을 얻을 수 있다. 이 때 분급기에서 컷팅 포인트(cutting point)를 조절하여 원하는 입도의 분말폼을 분급하여 얻어낼 수 있다.

본 발명에 있어서 미분쇄기는 가장 중요한 부분이라 할 수 있는데 미분쇄기에서 고려되어야 할 조건은 다음과 같다.

공급기의 공급량 조정이 용이(감속기 사용 및 투입조정용 Damper 사용)해야 하고, 분쇄된 제품의 회수가 편리(분쇄 중에도 제품회수 및 용기 교환이 가능)해야 하며, 압력 및 공급량 조절에 의한 입자조정으로 10 ㎛까지 분쇄가 가능해야 하고, 분쇄품의 투입·분쇄·회수의 연속 작업이 가능해야 한다. 그리고 수분제거 및 필터(filter)를 거친 고압력을 이용한 원재료 투입 및 고압력을 이용한 분쇄물의 상호 충돌에 의해 분쇄가 이루어지므로 기계 마모 등으로 인한 이물질의 혼입이 방지되어야 하고, 공급부·분쇄부·배출부 등 실제로 분쇄가 행하여지는 부분은 마모성이 강한 세라믹으로 제작되어 분쇄시 발생되는 이물질을 최대한 억제하여야 한다. 또한 조건 설정 후에는 무인 운전이 가능해야 하고, 기계 내부 청소 및 정비가 용이해야 하며, 분쇄시 분진의 발생이 방지 되어야 한다.

한편 본 발명에서 분쇄만으로 효율적인 미세 분말을 얻기 힘들기 때문에 분급 공정과 조화가 잘 이루어져야 한다. 도 2는 분쇄와 분급 공정의 개략도이다. 분급기에서 평균입도가 커서 통과하지 않은 분말폼(non pass폼)은 다시 미분쇄 공정으로 들어가고, 통과한 분말폼(pass폼)은 포장되는 것이다. 이때 분급기의 효율에 따라 전체 시스템의 효율성이 나타나므로 분급 공정이 중요하다.

분급기의 선정기준과 분급기의 결정은 다음의 사항들에 의한다.

건식 분급 방식으로 한다. 분급점이 많아 질 가능성이 있을 것에서 조절이 용이한 것 (컷팅 포인트(cutting point) 조절이 용이한 것, 입도조절이 용이한 것). 앞으로 대량 처리의 가능성에 따른 대용량화(scale up)가 용이하고 우수한 것. 분급 영역(zone)에 걸리는 힘이 강하고 (분급이 잘 되어짐) 균일한 분리력을 가지며 응집자에 대해서 강한 분산력을 가질 것. 분급효율을 올리기 위해 특히 회수율을 올리기 위해 분급 영역(zone)에 있어서는 반복적인 분급기구를 가질 것. 분급한 미분중에 필요 없는 조분의 혼입이 되지 않는 것. 안정 공급과 배출이 가능한 것. 특히 이 원료는 비중이 가볍기 때문에 공급에 관해서는 충분히 배려 할 것. 분쇄기와의 연계가 용이하고 폐회로 시스템화가 가능한 것 등이다.

따라서 상기 선정 사항과 하기 표 1의 분급장치의 분류에 의해서 최적의 분급장치를 선정한다

유체력분급장치	분급방식	컷팅 포인트(cutting point)의 범위
	중력식	200 ~ 2000 ㎛
	관성식	10 ~ 250 ㎛
	원심력식	자유 와류형	1 ~ 20 ㎛
		반자유 와류형	1 ~ 20 ㎛
		강제 와류형	0.5 ~ 100 ㎛

이상의 선정기준에 의하면, 폴리우레탄폼의 미세 분말화에 대한 본 발명에서 적합한 최적의 분급장치는 원심력식 중에서 강제 와류형이다.

여기서 강제 와류형 분급기의 원리를 살펴보면 다음과 같다.

원료는 상부에서 회전하는 로토(roto)에 공급이 되어 분산되고 분급 영역(zone)으로 들어간다. 그리고 분급에 필요한 공기는 분급기 하류에 설치된 송풍장치(blower)로 흡입되어 가이드벤 외주부에서 들어간다. 분급 공기의 속도는 중심부로 가는 성분을 선회류를 형성하여 로터 부레이드를 따라 분급에 필요한 속도까지 가속된다.

가이드벤과 로터 부레이드 사이(분급zone)에 공급된 입자는 이 기류와 함께 선회 운동을 시작하고 그때 입자에 걸린 원심력과 항력의 평형(balance)에 의해서 분급이 된다. 이 결과 이러한 평형(balance)에 따라서, 정하는 분리 입자의 입경보다 작은 입자는 로터 내부에 들어가서 폐기 다크트를 경유해서 포집 배출된다.

한편 큰 입자는 분급 영역(zone)에서 반복적인 분급작용을 받으면서 중력에 따라 침강하고 조분은 배출구에서 배출된다. 그리고 분리입자의 제어는 통상 로터부레이드의 회전속도 즉 입자가 받을 원심력에 따라서 제어한다. 또한 최소 입경의 분급점이 로터 크기에 영향을 받지 않는 장점이 있기 때문에 대용량화(scale up)가 용이하다.

일반적으로 경질 폴리우레탄폼의 셀(cell)은 크로스 셀(close cell) 모양을 가지고 있다. 그런데 경질 폴리우레탄폼의 분쇄 진행 과정에서 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 분쇄 후의 분말 형태(모폴로지, morphology)의 변화를 보여주는 도 3을 살펴보면, 크로스 셀(close cell) 모양은 분쇄에 의하여 파괴됨을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 의해 제조된 경질 폐폴리우레탄폼의 미세 분말(평균입도 30 ㎛)을 5 중량%, 10 중량%, 20 중량%로 함량을 변화시키며 새로운 재료(virgin material)인 연질 폴리우레탄폼에 혼합하여 만든 폴리우레탄폼 혼합체의 셀(cell) 상태를 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 도 4에 의하면, 경질 폴리우레탄 분말이 5 중량% 함유되어 있을 때 셀(cell) 모양을 가지고 있음을 알 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

먼저 경질 폴리우레탄폼을 미분쇄하기 위해 폐기된 판넬에서 폴리우레탄폼을 수거하고 100 mm 크기로 절단하였다.

그리고 상기 절단한 폴리우레탄폼을 5 mm의 스크린이 설치된 커트 밀(cut mill) 1차 조분쇄기에서 평균 2 ~ 4 mm 크기로 분쇄하였고, 이어서 0.8 mm의 스크린이 설치된 핀 밀(pin mill) 2차 조분쇄기에서 평균 150 ~ 160 ㎛ 크기로 분쇄하여 회수하였다. 도 5는 2차 조분쇄 공정 후 조분쇄폼의 입도 분포도를 나타낸 것인데, 평균입도 150 ㎛ 정도의 분말 분포 곡선을 나타내었다.

상기 2차 분쇄 후 회수한 조분쇄폼을 공급기에 투입하고, 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 분쇄하여 미분쇄폼을 얻을 수 있었는데, 이때 제트 밀(jet mill)에서 푸쉬(push)압력이 0.62 MPa 이었고, 분쇄압력은 0.62 MPa이었다. 그리고 상기 미분쇄폼의 입도 분포도를 도 6에 나타내었는데, 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 분쇄된 미분쇄폼은 평균 30 ㎛, 최고 128 ㎛의 입도를 보였으며, 20 ~ 45 ㎛의 입도를 가진 분말이 약 70 % 함유되었다.

다음으로, 상기 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 분쇄한 미분쇄폼을 컷팅 포인트(cutting point)가 35 ~ 45 ㎛로 설정된 분급기에 투입하여 분급기를 통과한 분말폼(pass폼)은 포장하고, 분급기를 통과하지 못한 큰 입자의 분말폼(non pass폼)은 다시 상기 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 재분쇄를 하고 상기 분급기에 재투입하여 분급기를 통과한 분말폼(pass폼)을 얻을 수 있었다. 이때 분급기를 통과한 분말폼(pass폼)의 입도는 3 ~ 45 ㎛이고, 평균입도는 23 ㎛ 이었다.

(Bulk밀도(부피밀도) 측정결과)

	1차 조분쇄 경질폼	2차 조분쇄 경질폼	미분쇄 경질폼
측정법	주입법	주입법	주입법
셀(cell)용량	100㏄	100㏄	100㏄
시료중량	2.25g	3.35g	17.08g
Bulk밀도	0.03g/㏄	0.03g/㏄	0.17g/㏄
Tap밀도	0.04g/㏄	0.06g/㏄	0.37g/㏄
※ 사용기기 : MT-1000

(진밀도 측정결과)

진밀도(Pd)를 액체치환법으로 측정하여 보았다. 이때 용매로 n-buthanol를 사용하였고 이때 사용한 기기는 AUTO TRUE DENSER MAT-7000 이었다. 1차 조분쇄폼, 2차 조분쇄폼 및 제트 밀(jet mill)에서 분쇄된 미분쇄폼의 진밀도는 하기 수학식 1로부터 계산하여 각각 하기 표 3, 4, 5에 나타내었다. 하기 수학식 1에서 Wa는 cell중량, Wb는 (cell+시료)중량, Wc는 (cell+시료+매체)중량, Wd는 매액중량, Ld는 용매비중이고 Pd는 시료의 진밀도이다.

Medium name Wait Time Vac. Time Vac. Press Medium Temp	n-Butanol 10 min 10 min 1 Torr 33.65℃
측정값(data)	Wa = 20.4626g Wb = 20.6305g Wc = 59.2619g Wd = 59.2699g Ld = 0.7994g/cc
1차 조분쇄폼의 진밀도 값	Pd = 0.8393g/cc

Medium name Wait Time Vac. Time Vac. Press Medium Temp	n-Butanol 10 min 10 min 1 Torr 27.05 ℃
측정값(data)	Wa = 20.4621g Wb = 20.6474g Wc = 59.5937g Wd = 59.5137g Ld = 1.4153g/cc
2차 조분쇄폼의 진밀도 값	Pd = 1.4153g/cc

Medium name Wait Time Vac. Time Vac. Press Medium Temp	n-Butanol 10 min 10 min 1 Torr 31.69℃
측정값(data)	Wa = 20.4647g Wb = 20.1518g Wc = 59.6088g Wd = 59.3505g Ld = 1.2833g/cc
미분쇄폼의 진밀도 값	Pd = 1.2833g/cc

상기 표 3, 4, 5의 결과를 살펴보면 분쇄폼의 진밀도는 분쇄할수록 증가함을 알 수 있다.

(우레탄 혼합체의 물성 측정 결과)

본 발명에 의해 제조된 경질 폐폴리우레탄폼의 미세 분말을 5 중량%, 10 중량%, 20 중량%로 함량을 변화시키며 새로운 재료(virgin material)인 연질 폴리우레탄폼에 혼합하여 만든 폴리우레탄폼 혼합체의 물성을 측정하여 하기 표 6에 나타내었다.

	경질 폐폴리우레탄 미세 분말의 함유량
	0 중량%	5 중량%	10 중량%	20 중량%
코어(core)밀도(kg/m³)	46.1	50.9	52.3	50.1
신율(%)	86.4	50.3	49.7	29.0
인장강도(kg/cm²)	1.072	0.664	0.651	0.382
인열강도(kg/cm²)	0.611	0.372	0.338	0.288
치수 안정성(%)	-5.832	-6.132	-7.149	-9.139

상기 표 6에 의하면 본 발명에 의해 제조된 경질 폐폴리우레탄폼의 미세 분말의 함유량이 증가하더라도 코어(core)밀도는 거의 변화가 없었고, 신율, 인장강도, 인열강도, 치수 안정성에 있어서는 물성 저하가 크지 않음을 알 수 있다.

이상에서 보듯이, 본 발명은 폐폴리우레탄의 재활용에 관한 여러 기술 중 폐폴리우레탄을 물리적 방법으로 분말화할 때 1차·2차 조분쇄 공정과 미분쇄 공정으로 이루어진 분쇄 공정 및 분급 공정의 결합을 통해 폐폴리우레탄폼의 미세 분말을 제조함으로써, 기존의 입도가 큰 폐폴리우레탄 분말의 사용에 따른 물성의 저하와 셀(cell) 모양의 형성이 안되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 폐폴리우레탄의 재활용 범위를 확대할 수 있고, 자원의 재활용과 환경오염의 측면에서 친환경적인 효과가 있다.

Claims

폐폴리우레탄폼을 분말로 만드는 분쇄공정과 분쇄된 분말을 분급하는 분급공정의 결합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
a) 폐폴리우레탄폼을 100 mm로 절단하고, 1차 조분쇄기에서 평균 2 ~ 4 mm 크기로 분쇄한 후 2차 조분쇄기에서 평균 150 ~ 160 ㎛ 크기로 분쇄하여 회수하는 조분쇄 공정;

b) 상기 회수된 조분쇄폼을 공급기에 투입하고 제트 밀(jet mill) 분쇄기에서 분쇄하는 미분쇄 공정; 및

c) 상기 b) 공정을 거친 미분쇄폼을 분급기에 투입하여 분급기를 통과한 분말폼(pass폼)은 최종 포장하고, 통과되지 않은 입도가 큰 분말폼(non pass폼)은 다시 상기 b) 공정의 상기 공급기에 재투입하는 분급 공정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 a) 공정 다음에, 상기 2차 조분쇄기에서 분쇄하여 회수한 조분쇄폼을 볼 밀(ball mill)에서 분쇄하고 회수하는 공정; 을 추가로 포함 하여 이루어진 것을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 a) 공정의 상기 1차 조분쇄기는 5 mm의 스크린이 설치된 커트 밀(cut mill) 분쇄기임을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 a) 공정의 상기 2차 조분쇄기는 0.8 mm의 스크린이 설치된 핀 밀(pin mill) 분쇄기임을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 c) 공정의 상기 분급기는 원심력식 중에서 강제 와류형 분급기임을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 c) 공정의 상기 분급기는 컷팅 포인트(cutting point)가 10 ~ 45 ㎛로 설정된 분급기임을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼 의 미세 분말 제조방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 c) 공정의 상기 분급기를 통과한 분말폼(pass폼)의 입도는 1 ~ 45 ㎛임을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말 제조방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 폐폴리우레탄폼의 미세 분말.