KR20120030833A - 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기된 가교 폴리에틸렌 제품을 재생할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 폐 가교 폴리에틸렌에 이물질을 제거하고 분쇄하는 분쇄과정과, 상기 용융실린더에 상기 분쇄된 가교 폴리에틸렌을 호퍼로 투입하여 330~370℃로 가열하여 용융시키면서 가스는 진공펌프를 가동시켜 가스배출구로 배출하는 용융과정과, 상기 용융과정을 거친 용융물이 외기와 접하지 않은 상태로 냉각실린더로 투입되어 100~120℃로 냉각되어 배출되는 냉각과정을 포함하여 구성되는 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 장치 및 방법을 제공하여, 폐 가교 폴리에틸렌을 탈가교하여 재생폴리에틸렌으로 생산하여 자원재생이 가능하도록 하는 것이다.

Description

폐 가교 폴리에틸렌의 재생 방법 및 장치{Recycling method and apparatus of Crosslinked polyethylene}

본 발명은 폐기된 가교 폴리에틸렌 제품을 재생할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

폴리에틸렌은 에틸렌의 중합으로 생기는 사슬 모양의 고분자 화합물로서, 압출성형(壓出成形), 중공성형(中空成型) 등의 방법으로 각종 용기, 포장용 필름, 섬유, 파이프, 패킹등으로 생산된다.

이러한 폴리에틸렌은 다른 열가소성 수지처럼 온도가 올라감에 따라 연화되기 시작하여 결국은 녹게 된다. 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 경우 100?105℃에서 녹게 되는데 90℃ 근처에서 이미 연화되기 시작하므로, 90℃이상 온도가 상승되는 고압 케이블에 사용시 상기 LDPE는 연화되기 시작함으로써 그 기능을 상실하게 되며, 또한 온돌 파이프의 경우에도 가교되지 않은 폴리에틸렌은 고온의 온도에 의하여 열산화되어 그 기능을 상실함으로써 장기간 사용할 수 없게 된다.

이에 따라 폴리에틸렌을 유기 과산화수소(organic peroxides) 혹은 방사능을 사용하여 가교하여 용융온도를 개선한 가교 폴리에틸렌(Crosslinked polyethylene, 이하 XLPE라 함)을 고온조건에서 사용되는 전선의 피복용, 난방배관 등에 사용하고 있는데, 이러한 XLPE는 일단 가교가 진행되면 다시 녹지 않기 때문에 재사용을 하지 못하고 있다.

이에 따라, 전선이나 난방배관의 생산 도중 발생되는 스크랩이나. 전선 혹은 난방배관의 폐기물들은 폐기물 전문 위탁 처리업체에 맡겨져 전량 소각 또는 매립에 의한 방법으로 처리되어 왔다.

그러나, 이와 같이 매립처리시에는 토양의 수분 차단 등으로 생태계를 파괴시킬 수 있으며, 매립지 부족 및 매립 비용상승 등의 문제점을 갖고 있었다. 또한 소각시에 발생되는 가스 등으로 대기 오염을 유발시킬 수 있고 소각에 따른 부대비용 발생문제가 있으므로 재생하여 다시 사용할 수 있는 방법의 모색이 절실한 실정이다.

이에 따라 상기 XLPE 제품 재생과 관련된 연구가 다수 진행중이며, 그 예로는 대한민국 등록특허 0139884호에서 폐가교 폴리에틸렌을 분쇄하여 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene; 이하 HDPE라 함)과 혼합한 후 용융압출한 기술이 공개되었으나, 여기에서는 용융온도가 150℃ 혹은 230℃로서 실제 XLPE는 이 온도에서는 가교가 완전히 제거되지 않기 때문에 분쇄된 입자형태로 제품에 남아있게 되어 생산된 제품의 표면이 매끄럽지 못하고 울퉁불퉁하며 외관이 나빠지는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 등록특허 10-0924041호에서는 분쇄된 XLPE를 250~270℃에서 예열하여 프레스 성형하는 재생기술이 공개되어 있으나, 이 역시 XLPE가 완전하게 녹지 못하는 온도이므로 성형된 제품의 표면이 울퉁불퉁한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐 XLPE를 탈가교화시킴으로서 가교되지 않은 상태의 폴리에틸렌과 같은 상태로 환원시켜, 폐XLPE를 재사용할 수 있도록 하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 내부에 스크류가 설치되고 호퍼와 배출구 및 진공펌프가 설치된 가스배출구가 형성되어 330~370℃로 가열되는 용융실린더, 투입구와 배출구가 형성되고 내부에 스크류가 설치되어 상기 용융실린더의 배출구로 배출되는 330~370℃의 용융물이 투입구로 투입된 후 100~120℃로 냉각되어 배출되는 냉각실린더, 상기한 용융실린더의 배출구와 냉각실린더의 투입구 사이에 설치되어 용융물이 외기와 접하지 않도록 밀폐하는 진공챔버로 구성되는 가교폴리에틸렌의 재생 장치에 있다.

상기에서 진공챔버에는 진공펌프가 더 설치될 수 있다.

아울러, 상기 용융실린더는 실린더는 가스 또는 전기히터에 의하여 가열된다.

한편, 본 발명의 다른 특징은, 상기한 장치를 이용하고, 가교폴리에틸렌에 이물질을 제거하고 분쇄하는 분쇄과정과, 상기 용융실린더에 상기 분쇄된 가교 폴리에틸렌을 호퍼로 투입하여 330~370℃로 가열하여 용융시키면서 가스는 진공펌프를 가동시켜 가스배출구로 배출하는 용융과정과, 상기 용융과정을 거친 330~370℃ 용융물이 외기와 접하지 않은 상태로 냉각실린더로 투입되어 100~120℃로 냉각되어 배출되는 냉각과정을 포함하여 구성되는 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 방법에 있다.

한편, 상기한 분쇄물을 용융실린더에 투입하는 과정에서 탄산칼슘을 총 중량대비 1~10중량% 첨가하여 분쇄된 가교폴리에틸렌이 용융실린더내에서 더 잘 용융되도록 해준다.

그리고, 상기 진공펌프의 진공압력은 5~10kg/㎠이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 가교폴리에틸렌이 탈가교되어 낮은 온도에서도 용융이 가능하므로, 한번사용한 폐전선 및 폐난방배관등을 다른 성형품으로 재가공이 가능하게되고, 용융온도 및 냉각온도에 따라 가교폴리에틸렌을 파라핀 혹은 안료의 왁스대용으로 사용할 수 있게 되어 자원재생의 효과가 있다.

또한, 이와 같은 자원재생으로 인하여 종래의 가교폴리에틸렌 처리를 위한 소각 매립 등으로부터 발생되는 환경오염문제를 해소할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 가교폴리에틸렌의 재생 장치를 나타내는 단면도
도 2는 본 발명에 따른 가교 폴리에틸렌 재생 방법에서 용융온도가 낮을 경우 냉각실린더로 배출되는 재생 폴리에틸렌 와이어를 나타내는 사진
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 생산된 재생 폴리에틸렌 와이어를 절단한 칩을 나타내는 도면

이하 본 발명의 실시예를 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가교폴리에틸렌의 재생 장치를 나타내는 단면도로서, 본 발명의 재생 장치는 크게, 용융실린더(100), 진공챔버(200), 냉각실린더(300)가 순차적으로 연결 설치되어 구성된다.

상기에서 용융실린더(100)는 내부에 스크류(110)가 설치되고 호퍼(120)와 배출구(130) 및 가스배출구(140)가 상부에 설치되고 상기한 가스배출구(140)에는 진공펌프(150)가 설치되어, 호퍼(120)로 투입된 폐 가교 폴리에틸렌 분쇄물이 330~370℃로 가열되어 용융되어 배출구(130)로 배출되도록 하며, 용융과정에서 발생되는 가스는 진공펌프(150)에 의하여 가스배출구(140)로 배출되도록 한다.

이때, 상기용융실린더(100)는 가스를 이용하여 용융물을 용융하는 것으로 도시하지는 않았으나 실린더의 외측에 실린더를 감싼 연소실이 형성된다. 이외에도 실린더의 외주에 전기히터를 설치하거나 실린더의 외주에 홈을 형성하여 열매체유관을 해당 홈에 권취함으로서 원하는 실린더 온도를 확보할 수도 있다.

그리고, 상기 냉각실린더(300)는 투입구(310)와 배출구(320)가 형성되고 내부에 스크류(330)가 설치되어 330~370℃의 투입구(310)로 투입되는 용융물을 배출구(320)로 100~120℃로 냉각시켜 배출한다.

상기에서 냉각실린더(300)의 외주에는 히터와 냉각수 파이프를 설치하거나 히터와 냉각팬(fan)을 함께 설치하여, 냉각실린더(300)를 일정한 온도로 유지하는데, 통상의 경우에는 냉각수를 흘려주거나 냉각팬을 구동하여 냉기를 공급함으로서 원하는 온도를 얻을 수 있으나, 냉각실린더(300)내에 용융물을 최종적으로 배출하고 냉각실린더(300)를 구동하지 않고자 하는 경우에는 냉각실린더(300)에 계속해서 냉각수 혹은 냉기를 공급하면 냉각실린더(300) 온도가 너무 내려가서 용융물이 냉각실린더(300)내에서 굳어지게 되므로, 최종 용융물이 모두 배출될 때까지 냉각실린더의 외주에 설치된 온도센서가 지속적으로 온도를 검출하여 냉각실린더가 설정온도(100℃) 이하로 떨어지게 되면 히터를 구동시켜서 용융물이 실린더 내에서 굳어서 배출되지 않는 일이 발생하지 않도록 하고, 냉각실린더가 설정온도(120℃)이상이 되면 냉각수 혹은 냉기를 공급하여 냉각실린더를 냉각시킨다.

그리고, 상기한 냉각수파이프 혹은 히터용 코일은 하나의 파이프 혹은 코일을 냉각실린더 전체에 설치할 수도 있으나, 몇개로 나누어서 설치함으로서 효율저하를 방지한다.

이때, 상기한 냉각실린더(300)의 투입구(310)는 호퍼형으로 형성되어 용융실린더(100)의 배출구(130)와 연결되도록 하여 용융실린더(100)의 배출구(130)로 배출되는 용융물이 바로 냉각실린더(300)의 투입구(310)로 투입되도록 냉각실린더(300)의 높이를 조절하여 설치한다.

또한, 상기 냉각실린더(300)의 배출구(320)는 압출다이를 부착하여 냉각실린더를 통과하면서 냉각된 재생 폴리에틸렌이 와이어 형상으로 배출되도록 하며, 냉각실린더(300)의 외주에는 냉각수가 흐르는 관로를 형성하여 용융물이 냉각되도록 한다.

한편, 상기한 진공챔버(200)는 상기한 용융실린더(100)의 배출구(130)와 냉각실린더(200)의 투입구(210)를 외부와 차단하도록 밀폐하며, 진공펌프(210)가 설치된 가스배출구(220)가 더 형성된다.

한편, 상기한 가스배출구(140)(220)들은 관로를 통하여 가스포집탱크(400)로 연결되고 상기 가스포집탱크(400)에서는 냉각수 순환장치(410)에 의하여 순환되는 냉각수에 의하여 가스가 액화되어 포집된다.

상기한 바와 같은 장치를 이용한 폐 가교 폴리에틸렌 재생 방법은, 우선 전선이나 난방배관 등에서 금속성분을 포함한 이물질을 제거한 후 분쇄한다.

이러한 분쇄과정에서 폐 가교 폴리에틸렌의 입도는 작을수록 좋으며, 예로서는 입경 5mm이하로 분쇄하여 사용하며, 이는 용융실린더를 통과하는 과정에서 폐가교 폴리에틸렌이 완전히 용융될 수 있도록 하는 치수로서 이 치수는 용융실린더의 길이 직경 등에 따라 가변될 수 있다.

그리고, 상기한 바와 같이 분쇄된 폐 가교폴리에틸렌을 용융실린더의 호퍼로 투입하여 330~370℃로 가열하여 용융시켜 배출구로 배출하는데, 이 과정에서 발생되는 가스는 진공펌프를 가동시켜 가스배출구로 배출된 후 가스 포집 탱크에서 액화되어 포집되며, 상기 진공펌프의 진공압력은 7.5kg/㎠이다.

만약, 이 과정에서 외기가 용융 실린더 내로 주입되면 가교폴리에틸렌은 탈가교가 되지 않게된다.

이와 같이 상기 용융과정을 거쳐 용융실린더의 배출구로 배출되는 용융물은 진공챔버에 의하여 외기와 접하지 않은 상태로 냉각실린더의 투입구로 바로 투입되어 100~120℃로 냉각되어 배출된다.

이와 같이 냉각실린더를 통해서 냉각되는 재생폴리에틸렌은 와이어 형태로 배출되는데, 상기 용융실린더의 온도가 설정온도보다 낮게 되면 폐 가교 폴리에틸렌이 완벽하게 용융되지 못하므로, 도 2에 나타내는 바와 같이 표면이 울퉁불퉁하게 된다.

그리고, 상기한 바와 같이 배출구로 배출된 재생 폴리에틸렌 와이어는 절단장치로 절단되어 도 3에 나타내는 칩 형태로 형성되며, 도 3에서 절단된 칩은 표면이 매끄럽고 덩어리가 없어서 폐 가교 폴리에틸렌이 완전하게 용융된 후 냉각되었음을 알 수 있다.

한편, 상기에서 분쇄물을 용융실린더에 투입하는 과정에서 탄산칼슘을 총 중량대비 5중량% 더 첨가하는데, 이와 같이 탄산칼슘을 첨가하면 분쇄된 폐 가교 폴리에틸렌이 용융실린더 내에서 더 잘 용융된다.

상기에서 재생 폴리에틸렌이 와이어 형태로 성형되도록 하기 위해서는 용융실린더를 최대 360℃로 유지하여야 하며, 용융실린더가 그 이상의 온도가 될 경우에는 용융된 폴리에틸렌의 점성이 없어지므로 와이어 형태로 성형하지는 못하고 안료의왁스 혹은 파라핀의 용도로 사용하여야 한다.

또한, 칩형태로 절단된 재생 폴리에틸렌은 그 자체로 재가공되거나, 신규한 폴리에틸렌과 혼합되어 재가공될 수 있다.

Claims (3)

1. 내부에 스크류가 설치되고 호퍼와 배출구 및 진공펌프가 설치된 가스배출구가 형성되어 호퍼로 투입된 폐 가교 폴리에틸렌이 330~370℃로 가열되는 용융실린더,
   투입구와 배출구가 형성되고 내부에 스크류가 설치되어 상기 용융실린더의 배출구로 배출되는 330~370℃의 용융물이 투입구로 투입된 후 100~120℃로 냉각되어 배출되는 냉각실린더,
   상기한 용융실린더의 배출구와 냉각실린더의 투입구 사이에 설치되어 용융물이 외기와 접하지 않도록 밀폐하는 진공챔버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 장치.
2. 청구항 1의 장치를 이용하고,
   폐 가교 폴리에틸렌에 이물질을 제거하고 분쇄하는 분쇄과정과,
   상기 용융실린더에 상기 분쇄과정에서 분쇄된 가교 폴리에틸렌을 투입하여 330~370℃로 가열하여 용융시키면서 가스는 진공펌프를 가동시켜 가스배출구로 배출하는 용융과정과,
   상기 용융과정을 거친 용융물이 외기와 접하지 않은 상태로 냉각실린더로 투입되어 100~120℃로 냉각되어 배출되는 냉각과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 분쇄물을 용융실린더에 투입하는 과정에서 탄산칼슘을 총 중량대비 1~10중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 폐 가교 폴리에틸렌의 재생 방법.

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