KR20100009671A - 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 폐부품의 재활용 기술 개발시 랩 스케일(Lab-scale) 과정에서 컨티뉴어스 블렌딩 공정을 도입하여 제조한 재활용 샘플을 이용하여 실제 양산모사 평가를 가능하게 함으로써 재료비 및 인건비를 절감하고 재활용 소재의 개발기간을 단축하는 재활용 샘플 제조공정에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 고분자 폐부품에서 스틸과 이물질을 제거하고 10~15㎜로 분쇄한 다음, 자력 선별기를 이용하여 융착된 스틸을 제거하고 비중 차이를 이용하여 융착된 구리를 분리 제거하는 재질선별/분쇄단계와;

상기 재질선별/분쇄단계의 분쇄물을 마찰회전 혼합 세척기에 넣고, 물 100중량부를 기준으로 미생물 세척액 5~10중량부를 혼합하여 상기 세척기에 투입한 다음, 40~60℃에서 100~300rpm으로 10~15분 동안 세척하는 세척단계;

를 포함하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정에 있어서,

상기 세척단계에서 제조된 재료를 인터널 믹서에 투입한 다음, 인터널 믹서의 내부를 가열한 후, 드라이브 유닛을 작동시켜 로터에 연결된 두 개의 로터 블레이드를 서로 반대 방향으로 회전시켜 혼련하는 인터널 믹싱 단계와;

상기 인터널 믹싱 단계에서 혼련된 재료를 컨티뉴어스 블렌더의 호퍼에 투입한 다음, 스크류를 회전시켜 연속식으로 혼합하여 다이로 배출하는 컨티뉴어스 블렌딩 단계와;

상기 다이로 배출된 재료를 워터 배스에 투입하여 냉각하는 냉각단계와;

냉각된 재료를 펠레타이저를 이용하여 펠릿 형태로 커팅하는 커팅단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 제공한다.

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Description

고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정{Manufacturing method recycling sample of macromolecule useless parts}

본 발명은 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 폐부품의 재활용 기술 개발시 랩 스케일(Lab-scale) 과정에서 컨티뉴어스 블렌딩 공정을 도입하여 제조한 재활용 샘플을 이용하여 실제 양산모사 평가를 가능하게 함으로써 재료비 및 인건비를 절감하고 재활용 소재의 개발기간을 단축하는 재활용 샘플 제조공정에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 폐부품의 재활용 기술을 개발시 재활용 샘플을 제조하는 랩 단계(Lab-scale), 파일럿 단계(Pilot-scale), 양산 단계 등의 개발 과정을 거쳐서 재활용 소재를 개발하게 된다.

도 1은 종래 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 나타낸 개략적인 흐름도이다.

종래에는 고분자 폐부품의 재활용을 위하여, 자동차 해체단계에서 발생하는 고분자 폐부품을 차체에서 분리한 후 분리된 고분자 폐부품에 삽입된 볼트 및 너트 등의 스틸과 고무 및 종이 등의 이물질을 드라이버, 송곳, 망치, 전동공구 등을 이용하여 제거하였다.

스틸 및 이물질을 제거한 고분자 폐부품의 재활용 샘플을 제조하기 위하여, 도 1의 첫 번째 도면에 도시된 바와 같이, 랩 스케일 과정에서 저속분쇄기를 이용하여 컴파운딩 공정에 투입할 수 있게 약 10~15㎜ 사이즈로 분쇄한 다음, 고분자 폐부품에 융착 등의 방법으로 삽입되어 있는 스틸 및 구리를 자력 선별기를 이용하여 제거한 후 물질의 비중 차이를 이용하여 물질을 분리하는 비중액 선별법을 이용하여 구리를 제거하였다.

그리고, 상기와 같이 재질선별 및 분쇄공정을 거친 고분자 폐부품의 분쇄물을 마찰회전 혼합세척기 등을 이용하여, 도 1의 두 번째 도면에 도시된 바와 같이, 종이, 토사 및 광유계 오염 물질 등을 세척/제거하는 공정을 거친다.

상기 마찰회전 혼합세척기는 혼합 세척하고자 하는 물질들에 기계적 회전력을 부여함에 따른 물질 상호간의 마찰력을 유도하여 물질의 오염 부위에 대한 세척 효율을 극대화하는 장치로서, 그 세척 챔버 내에 투입되는 고분자 폐부품의 분쇄물은 물과 함께 투입되며 세척 효율의 극대화를 위해 물 100중량부를 기준으로 수용성 미생물 세척액 5~10중량부를 혼합하여 추가 투입한다.

이때, 마찰 회전력의 극대화를 통한 고분자 폐부품의 분쇄물 간에 세척 효율을 향상시키기 위해 분쇄물과 물의 투입 함량은 세척 챔버 전체 부피의 70%를 초과하지 않아야 하며, 세척시의 온도는 40~60℃가 바람직하다. 이 온도 범위를 벗어날 경우, 수용성 미생물 세척액 내에 존재하는 미생물의 활성에 악영향을 미쳐 미생물에 의한 세척 효율이 급격하게 저하된다.

상기 마찰회전 혼합 세척기의 회전속도는 세척 효율의 극대화를 위해 100~300prm으로 하는 것이 바람직하며, 이를 이용한 세척 시간은 10~15분 정도가 수지 물성에 악영향을 미치지 않는 수준으로 바람직하다.

이렇게 세척공정까지 거친 고분자 폐부품은 70~90℃의 온도 및 760㎜Hg의 압력 조건 하에서 12~24시간 동안 건조시킨 다음, 강성화를 위한 컴파운딩 공정을 실시한다.

이를 위해 10~15㎜ 사이즈로 분쇄되어 세척공정을 거친 고분자 폐부품(폐수지)을 압출기에 투입한다. 이때 압출기의 성형 온도는 고분자의 종류에 따라 180℃부터 280℃까지 다양하다. 예를 들면, 폴리프로필렌(PP)의 가공온도는 190℃, 폴리아미드 66(Polyamide66)의 가공온도는 250℃, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 가공온도는 255℃이다.

상기의 가공온도는 무기물 등의 첨가제가 강화되어 있지 않은 순수한 베이스 수지의 가공온도이며, 무기물 등이 첨가될 경우 무기물의 종류 및 함량에 따라 가공온도가 변할 수 있다. 또한 압출기 운전조건, 날씨, 습도 등에 따라서 같은 종류의 수지라도 가공온도가 변할 수 있다.

상기와 같은 컴파운딩 공정을 거쳐 상기 압출기의 다이로 배출되는 재활용 수지(재생된 고분자 폐부품)는 커팅기를 통해 절단되어 최종적으로 펠릿 형태로 회수되는데, 이때 재활용 수지의 재질이 너무 강하면 절단하기 어려우므로 물속에서 절단하는 핫 워터 커팅방식을 이용하는 것이 유리하며 경우에 따라 스트랜드(Strand) 커팅방식도 이용 가능하다.

고분자 폐부품을 재활용하기 위한 기술 개발을 위해서는 물성산포 제어 및 재현성 확보를 위하여 최소 70~200배취(batch)의 재료배합을 통한 반복 실험이 이루어진 후 최종 레시피(recipe)가 결정되어야 한다.

그러나, 상기과 같은 종래 방법을 적용할 경우 배취당 원료 투입량이 약 25~30㎏ 정도가 되며, 한 종류의 고분자 폐부품의 재활용 샘플을 제조하기 위해 약 2톤 이상의 원료가 사용되어야 하는 문제가 있다.

또한, 종래 공정을 이용할 경우 배취당 작업 시간이 3시간 이상 소요되기 때문에 재료비 및 인건비가 상승하는 단점이 있으며, 이와 더불어 재활용 소재개발을 완료하기까지 상당한 시간을 소요하게 되는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 기존에 고분자 폐부품의 재활용 샘플을 제조하기 위하여 재질선별/분쇄공정 및 세척공정, 강성화 컴파운딩 공정 순으로 실시하던 제조공정을, 컴파운딩 공정을 대신하여 세척공정 후 인터널 믹싱 공정과 컨티뉴어스 블렌딩 공정 순으로 실시하여, 시험당 재활용 샘플의 소요량을 25~30㎏/회에서 250~500g/회까지 절감하고 시험당 작업시간을 3시간/회에서 20분/회까지 단축하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고분자 폐부품에서 스틸과 이물질을 제거하고 10~15㎜로 분쇄한 다음, 자력 선별기를 이용하여 융착된 스틸을 제거하고 비중 차이를 이용하여 융착된 구리를 분리 제거하는 재질선별/분쇄단계와;

상기 재질선별/분쇄단계의 분쇄물을 마찰회전 혼합 세척기에 넣고, 물 100중량부를 기준으로 미생물 세척액 5~10중량부를 혼합하여 상기 세척기에 투입한 다음, 40~60℃에서 100~300rpm으로 10~15분 동안 세척하는 세척단계;

를 포함하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정에 있어서,

상기 세척단계에서 제조된 재료를 인터널 믹서에 투입한 다음, 인터널 믹서의 내부를 가열한 후, 드라이브 유닛을 작동시켜 로터에 연결된 두 개의 로터 블레이드를 서로 반대 방향으로 회전시켜 혼련하는 인터널 믹싱 단계와;

상기 인터널 믹싱 단계에서 혼련된 재료를 컨티뉴어스 블렌더의 호퍼에 투입한 다음, 스크류를 회전시켜 연속식으로 혼합하여 다이로 배출하는 컨티뉴어스 블렌딩 단계와;

상기 다이로 배출된 재료를 워터 배스에 투입하여 냉각하는 냉각단계와;

냉각된 재료를 펠레타이저를 이용하여 펠릿 형태로 커팅하는 커팅단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 제공한다.

바람직하게, 상기 인터널 믹서 또는 상기 컨티뉴어스 블렌더는 고분자의 종류에 따라 내부 온도를 180~280℃로 가열하는 것을 특징으로 하며,

더욱 바람직하게, 상기 로터는 30 ~ 100rpm으로 5 ~ 15분 동안 회전하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 스크류는 80 ~ 500rpm으로 5 ~ 30초 동안 회전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 재활용 샘플 제조공정은 랩 단계에서 컴파운딩 공정을 인터널 믹싱 공정과 컨티뉴어스 블렌딩 공정으로 변경하여 실시함으로써 컨티뉴어스 블렌더의 스크류 전단력을 이용하여 양산 단계 가공조건을 사전에 검증할 수 있으며, 이를 통해 양산 단계에서 발생할 수 있는 문제점을 예방할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 시험당 샘플 소요량을 25~30㎏/회에서 250~500g/회로 절감할 수 있으며 이와 더불어 재료비가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 시험당 작업시간이 3시간/회에서 20분/회로 축소되어 인건비가 절감되고 고분자 폐부품의 재활용을 위한 개발기간이 단축되는 효과도 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정은 재질선별/분쇄공정 및 세척공정은 종래와 동일하게 실시되며, 기존에 고분자 폐부품의 분쇄물을 세척한 다음 고온에서 가압하여 압출하는 컴파운딩 공정을, 배합재료를 단순하게 믹싱하는 인터널 믹싱(internal mixing) 공정과 컨티뉴어스 블렌딩(continuous blending) 공정으로 변경하여 재활용 샘플을 제조한다.

이에 따라 본 발명에서는 종래와 중복되는 재질선별/분쇄공정 및 세척공정은 생략하고 인터널 믹싱 공정과 컨티뉴어스 블렌딩 공정에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 인터널 믹싱 공정에서 이용하는 인터널 믹서를 도시한 개략적인 구성도이며, 도 4는 인터널 믹서를 나타낸 부분도이다.

자동차 해체단계에서 발생하는 고분자 폐부품을 차체에서 분리한 후 스틸과 구리 및 이물질 등을 제거하여 재질선별/분쇄 및 세척공정을 거친 고분자 폐부품은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 인터널 믹서를 이용하여 배취(batch)식 반복 믹싱 실험을 거쳐 최적 레시피(recipe)를 결정한다.

기존 압출기를 이용한 컴파운딩 공정은 25~30㎏/회의 원재료가 소요되는데 반해, 본 발명의 인터널 믹서는 랩 단계의 실험 장비로서 배취(회)당 50~300g의 원재료를 사용하여 혼합하는 것이 가능하다.

상기 인터널 믹서는 도 3에 도시된 바와 같이, 동력을 공급하기 위한 드라이브 유닛(10)과, 상기 드라이브 유닛(10)에 종속되는 슬레이브 유닛(12)과, 공급된 동력을 로터(16)로 전달하는 기어박스(14)와, 상기 기어박스(14)에 장착되어 회전되는 로터(16)와, 상기 로터(16)를 고정하는 플레이트(22)를 포함하여 구성된다.

이러한 인터널 믹서를 작동하기 위하여 먼저 상기 드라이브 유닛(10)에 슬레이브 유닛(12)을 결합시키고, 상기 로터(16)를 기어박스(14)에 완전히 삽입하여 장착한 다음 플레이트(22)를 부착한다. 그리고, 재활용되는 고분자(재료)의 종류에 따라 인터널 믹서의 내부 온도를 180~280℃까지 히팅한 다음, 재료 투입구(20)를 통해 혼련할 재료(재질선별/분쇄 및 세척공정을 마친 고분자 폐부품)를 투입한다.

그 다음 상기 로터(16)에 연결된 두 개의 로터 블레이드(18)를 서로 반대 방향으로 회전시켜 혼련(mixing)을 실시하고, 배합재료를 단순하게 믹싱하는 혼련 과정이 완료되면 플레이트(22)를 열고 칼이나 끌 등을 이용하여 제조된 재활용 샘플을 회수한다.

상기 인터널 믹싱은 고분자의 종류에 따라 가공온도, 로터의 회전속도, 혼련 시간 등을 설정하여 실시하게 된다. 여기서 가공온도는 고분자 폐부품의 종류에 따라 180~280℃가 적용되며 로터의 회전속도는 30~100rpm이며 혼련 시간은 5 ~ 15분이 된다.

인터널 믹서를 이용한 혼련 작업시, 각 수지별 가공온도의 ±10℃ 범위내에 서 작업이 이루어져야 한다. 만약 가공온도범위 이상에서 작업할 경우 수지가 열화 및 탄화되어 급격한 분자량 저하가 발생할 수 있고, 가공온도범위 이하에서 작업할 경우 수지의 흐름성이 좋지 않기 때문에 제대로 혼련되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

로터의 회전속도 및 혼련시간의 경우에는 정해진 속도 및 시간은 규정되어 있지 않지만, 고속 및 장시간 혼련할 경우 수지가 열화될 가능성이 높고, 저속 및 단시간 혼련할 경우 수지가 제대로 혼련되지 않을 가능성이 높다. 따라서, 일반적인 고분자 물질의 경우에는 상기와 같은 로터의 회전속도 및 혼련시간을 적용하는 것이 바람직하다.

이렇게 인터널 믹서에서 제조된 재활용 재료를 이용한 배취식 반복 배합실험을 통해 최종 레시피가 결정되면 컨티뉴어스 블렌딩 공정을 실시한다.

도 5는 본 발명에 따른 컨티뉴어스 블렌더를 도시한 부분도로서, 컨티뉴어스 블렌딩 공정에서 이용하는 컨티뉴어스 블렌더의 작동순서를 살펴보면, 먼저 인터널 믹싱된 재료를 컨티뉴어스 블렌더의 호퍼에 투입한다. 상기 호퍼에 투입된 소재는 스크류의 회전으로 연속식으로 혼합되어 다이(die)를 통해 배출되며, 이때 가공온도는 고분자 재료의 종류에 따라 180~280℃가 된다.

일반적인 컨티뉴어스 블렌더는 스크류의 L/D(length/diameter) ratio가 25:1이며, 스크류의 분당 회전속도는 0~1,100rpm이다. 그러나, 인터널 믹서의 로터 속도와 마찬가지로 컨티뉴어스 블렌더의 스크류 속도를 급격히 고속 및 저속으로 회전시킬 경우, 고분자 수지가 변형 또는 열화될 수 있기 때문에 상기 스크류의 분당 회전속도는 80~500rpm 사이, 가공시간은 5~30초 사이에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 다이를 통해 배출된 재료는 통상 워터 배스(water bath)에서 냉각되고, 펠레타이저(pelletizer)에서 커팅되어 펠릿 형태로 최종 회수된다.

이러한 컨티뉴어스 블렌딩 공정에서는 컨티뉴어스 블렌더에 구비된 스크류의 전단력을 이용하여 실제 양산모사 평가를 실시하게 되는데, 이때 배취당 250~500g의 샘플을 사용하여 기존에 25~30㎏/회의 재료가 사용되는 양산 단계에서의 공정과 같은 조건에서 가공조건을 검증할 수 있다.

즉, 컨티뉴어스 블렌딩 공정에서 스크류의 전단력을 이용하여 고분자 재료에 대한 연속식 탈황공정을 수행하며, 무기물 강화/충진에 의한 실제 효과를 검증하고, 실비내 고분자 재료가 체류하는 시간 등과 같은 실제 가공조건을 검증할 수 있다.

따라서, 기존에 양산 단계에서 발생되던 문제점을 랩 단계에서 평가할 수 있으므로 양산 단계를 실시하기 전에 발생 가능한 문제를 사전에 차단하는 것이 가능하여 이로 인한 재료 손실 및 시간, 인력 등의 낭비를 절감 및 방지할 수 있다.

이와 같은 인터널 믹싱 공정과 컨티뉴어스 블렌딩 공정을 통해 제품화를 위한 양산 가공조건을 확립할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상 을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 나타낸 개략적인 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정을 도시한 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 인터널 믹싱 공정에서 이용하는 인터널 믹서를 도시한 개략적인 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 인터널 믹서를 나타낸 부분도,

도 5는 본 발명에 따른 컨티뉴어스 블렌더를 도시한 부분도,

도 6은 본 발명에 따른 재활용 샘플 제조공정으로 인한 효과를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 드라이브 유닛 12 : 슬레이브 유닛

14 : 기어박스 16 : 로터

18 : 로터 블레이드 20 : 재료 투입구

22 : 플레이트

Claims (4)

1. 고분자 폐부품에서 스틸과 이물질을 제거하고 10~15㎜로 분쇄한 다음, 자력 선별기를 이용하여 융착된 스틸을 제거하고 비중 차이를 이용하여 융착된 구리를 분리 제거하는 재질선별/분쇄단계와;

   상기 재질선별/분쇄단계의 분쇄물을 마찰회전 혼합 세척기에 넣고, 물 100중량부를 기준으로 미생물 세척액 5~10중량부를 혼합하여 상기 세척기에 투입한 다음, 40~60℃에서 100~300rpm으로 10~15분 동안 세척하는 세척단계;

   를 포함하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정에 있어서,

   상기 세척단계에서 제조된 재료를 인터널 믹서에 투입한 다음, 인터널 믹서의 내부를 가열한 후, 드라이브 유닛을 작동시켜 로터에 연결된 두 개의 로터 블레이드를 서로 반대 방향으로 회전시켜 혼련하는 인터널 믹싱 단계와;

   상기 인터널 믹싱 단계에서 혼련된 재료를 컨티뉴어스 블렌더의 호퍼에 투입한 다음, 스크류를 회전시켜 연속식으로 혼합하여 다이로 배출하는 컨티뉴어스 블렌딩 단계와;

   상기 다이로 배출된 재료를 워터 배스에 투입하여 냉각하는 냉각단계와;

   냉각된 재료를 펠레타이저를 이용하여 펠릿 형태로 커팅하는 커팅단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 인터널 믹서 또는 상기 컨티뉴어스 블렌더는 고분자의 종류에 따라 내부 온도를 180~280℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 로터는 30 ~ 100rpm으로 5 ~ 15분 동안 회전하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 스크류는 80 ~ 500rpm으로 5 ~ 30초 동안 회전하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐부품의 재활용 샘플 제조공정.

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