KR20120080753A

KR20120080753A - 라텍스 소재의 폐고무 재생 방법

Info

Publication number: KR20120080753A
Application number: KR1020110002152A
Authority: KR
Inventors: 김종수; 채성태; 김태빈
Original assignee: 김종수; 김태빈; 채성태
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2012-07-18
Also published as: KR101240692B1

Abstract

본 발명은 라텍스 소재의 폐고무를 분쇄하고, 이를 소련촉진제와 혼합하여 이축압출기로 탈황하는 것을 특징으로 하는 폐고무 재생 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 재생 오일을 사용하지 않고 고무의 중량 대비 거의 무시할 수 있을 정도인 0.06 내지 0.1%의 소련촉진제를 사용하므로, 기존의 고무 재생 방법에서 재생 오일을 사용함에 따라 요구되는 숙성시간을 생략할 수 있을 뿐만 아니라 단시간에 재생할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있고, 악취 등으로 인한 환경문제 또한 획기적으로 개선할 수 있다.
또한, 라텍스 소재의 폐고무를 재활용하여 품질이 우수한 재활용 고무제품을 제조할 수 있다.

Description

라텍스 소재의 폐고무 재생 방법{Method for reclaiming used-up rubber of latex}

본 발명은 라텍스 소재의 폐고무 재생 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 라텍스 소재의 폐고무를 분쇄하고, 이를 소련촉진제와 혼합하여 이축압출기로 탈황하는 것을 특징으로 하는 폐고무 재생 방법에 관한 것이다.

고무는 현대인의 생활에 있어서 필수적인 물질로 자리 잡고 있어, 각종 분야에서 고무를 사용한 제품들을 개발하고 제품화하고 있는데, 이러한 고무제품들은 고무의 독특한 탄력, 신축성, 절연성 및 액체 또는 기체가 통과되지 않는 성질로 인해, 상당히 유용하게 사용되고 있다.

하지만 사용 후 처리하는데 있어서 환경적인 문제를 수반하고, 고무제품의 원료를 전량 수입에 의존하기 있는 실정이기 때문에, 사용 후 폐기되는 고무제품을 재활용하기 위한 노력이 필요하다.

현재까지 주로 사용되는 고무 폐기물의 처리방법으로는 소각하여 열에너지를 회수하는 방법, 연료유를 추출하여 활용하는 방법, 화학적으로 단량체 단위로 분해하여 활용하는 방법, 고무원료를 재활용하는 방법 등이 있다.

이 중에서 고무원료를 재활용하는 방법이 환경적인 문제 및 경제적인 측면에서 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다.

고무원료를 재활용하는 방법은 탈황 처리 방법을 기본으로 사용하는데, 주로 화학적인 방법으로 탈황 처리를 수행하고 있다.

기존의 탈황 처리 방법으로는 재생할 고무를 분쇄하여 재생 오일을 넣고 고온 고압으로 수증기를 이용하여 탈황하는 방법이 있는데, 고무와 다량의 재생 오일(약 5 ~ 15%)을 혼합한 후 재생 오일이 고무에 스며들 때까지 최소 24시간 숙성하여야 하기 때문에 많은 시간이 요구될 뿐만 아니라, 탈황 시 재생 오일이 가열되어 발생하는 가스(gas)로 인해 심한 악취 등이 발생하여 작업환경에 치명적인 영향을 미치게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로 대한민국 등록특허 제10-0901561호에 폐고무를 분쇄하여 미세분말화된 폐고무를 제조하고, 이축압출기에 의한 열과 전단력만을 이용하여 탈황 처리하는 단계를 포함하여 이루어진 폐고무의 탈황 처리방법이 개시되어 있는데, 이에 따르면 비록 재생 오일을 사용하지 않고 단시간에 폐고무를 탈황 처리할 수도 있지만, 탈황 처리하여 재생한 고무를 그대로 사용하기에는 물성이 만족스럽지 못하고, 물성을 만족시키기 위해서는 여전히 재생 오일을 사용해야 하거나 신재 고무원료와 함께 사용해야 하는 등의 문제점이 있다. 또한, 그 대상이 주로 자동차용 폐 타이어로 EPDM, SBR 등으로 이루어진 고무제품이기 때문에 물성이 전혀 다른 천연고무 라텍스 소재의 고무제품을 재활용하기 위해서는 많은 부분이 개선될 필요가 있다.

이에, 본 발명자들은 라텍스 소재의 폐고무를 보다 효과적으로 재활용하기 위한 방법을 개발하기 위하여, 예의 연구 노력한 결과, 폐고무를 잘게 분쇄한 다음, 소련촉진제를 소량 첨가하여 혼합하고, 특정 온도구배에 따라 이축압출기를 사용하여 탈황하게 되면, 재생 오일을 사용하지 않고도 본래 천연고무 라텍스의 성질을 대부분 유지할 수 있는 고품질의 재활용 고무제품을 효율적으로 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 주된 목적은 천연고무 라텍스 소재의 폐고무를 재생 오일을 사용하지 않고 단시간에 높은 효율로 고품질의 재활용 고무로 재생하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 a) 천연고무 라텍스가 50 내지75% 이상 포함된 폐고무제품을 50 내지 2메쉬(mesh)로 분쇄하여 고무분쇄물을 제조하는 단계; b) 상기 고무분쇄물에 징크 펜타클로로 티오페놀산(zinc pentachloro thiophenolate), 비스(2-벤즈아미도페닐) 다이설파이드(bis(2-benzamidophenyl) disulfide), 징크-2-벤즈아미도 티오페놀산(zinc-2-benzamidothiophenolate) 및 펜타클로로티오페놀(pentachlorothiophenol)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소련촉진제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; c) 150 내지 200℃의 제1구간, 180 내지 250℃의 제2구간, 150 내지 200℃의 제3구간 및 2 내지 4개의 응력전단구간을 포함하여 구성되며 길이와 직경의 비율(L/D)이 22 내지 46인 이축압출기에 상기 혼합물을 투입하여, 제1구간에서 1분 내지 1분30초간, 제2구간에서 2 내지 3분간 및 제3구간에서 1분 내지 1분30초간 순차적으로 탈황반응이 수행되도록 하는 단계; 및 d) 상기 c)단계에서 생성된 탈황고무를 냉각시키는 단계를 포함하는 연속 압출 방식에 의한 폐고무 재생방법을 제공한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 폐고무 재생방법으로 제조되는 재생고무로, 천연고무함량이 75 내지 97중량%이며, 오일 및 유기물의 함량이 3 내지 25중량%인 재생고무를 제공한다.

본 발명은 라텍스 소재의 폐고무를 이축압출하여 탈황하는데 있어서, 징크 펜타클로로 티오페놀산(zinc pentachloro thiophenolate), 비스(2-벤즈아미도페닐) 다이설파이드(bis(2-benzamidophenyl) disulfide), 징크-2-벤즈아미도 티오페놀산(zinc-2-benzamidothiophenolate) 및 펜타클로로티오페놀(pentachlorothiophenol) 중에서 선택된 소련촉진제를 미량 사용하고, 가장 큰 단계로 구분하였을 때 150 내지 200℃, 180 내지 250℃ 및 150 내지 200℃의 온도구배를 사용하며, 2 ~ 4회 응력전단이 이루어지도록 이축압출기를 이용하여 탈황하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 라텍스 소재의 폐고무제품의 재활용에 적합한 방법이므로, 천연고무 라텍스가 50% 이상 포함된 폐고무제품을 사용하는 것이 바람직하며, 가정용 고무장갑, 풍선, 콘돔, 의료용 고무장갑, 산업용 고무장갑, 장화, 의료용 호스, 고무밴드 등이 이에 해당된다.

이축압출기 내부에서 열전달 및 유동이 원활해 질 수 있도록 폐고무제품을 분쇄기 등을 이용하여 50 내지 2메쉬(mesh) 정도로 분쇄하여 이축압출기에 투입하는 것이 바람직하다. 투입 이후 이축압출기의 스크루에 의해 다시 한번 분쇄되기 때문에, 50메쉬 미만으로 잘게 분쇄할 필요가 없고, 분쇄물의 입경이 2메쉬를 초과하게 되면 스크루로 인해 분쇄되더라도 열전달 및 유동이 원활하게 이루어지기 힘들다.

분쇄 방법은 특별히 한정하지는 않으나, 고온 전단 분쇄기, 핀밀 방식의 분쇄기, 냉동식 분쇄기 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 고무분쇄물과 혼합하는 소련촉진제는 고무분쇄물을 탈황하는데 있어서 열전달 및 유동성을 원활하게 하여 탈황과정을 단축시키는 역할을 하는 것으로, 징크 펜타클로로 티오페놀산(zinc pentachloro thiophenolate), 비스(2-벤즈아미도페닐) 다이설파이드(bis(2-benzamidophenyl) disulfide), 징크-2-벤즈아미도 티오페놀산(zinc-2-benzamidothiophenolate) 및 펜타클로로티오페놀(pentachlorothiophenol) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 소련촉진제는 고무분쇄물을 이축압출기에 투입하기 이전에 고무분쇄물과 혼합하는 방식으로 적용할 수 있으며, 고무분쇄물을 100중량%로 하였을 때 0.06 내지 0.1%가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 이는 소련촉진제가 0.06% 미만일 경우 탈황과정 즉, 압출시간의 단축효과가 미비하며, 0.1%를 초과할 경우, 첨가량에 비해 단축효율의 증가율이 낮기 때문이다.

교반기를 사용하여 상기 고무분쇄물과 소련촉진제를 혼합할 수 있으며, 별도로 혼합하여 이축압출기에 투입하거나 이축압출기의 투입구에 교반기를 위치시켜 교반과 동시에 투입되도록 할 수 있다.

이축압출기는 스크루가 2개로 이루어진 압출기로, 원료를 가열 및 유동시켜 연속적으로 압출하는 기계이다. 일반적으로 원료공급기, 원료를 운반하는 스크루, 스크루를 둘러싸는 실린더 형태의 바렐, 출구인 다이로 구성되며, 바렐이 여러 개로 분할되어 각 구간의 온도제어를 할 수 있도록 구성되어 있다.

이축압출기를 사용하는데 있어서, 원료의 투입 속도, 스크루의 형태 및 회전속도, 각 바렐의 온도조건 등의 여러 가지 변수가 작용하므로, 특정 원료를 원하는 물성을 갖는 물질로 압출하기 위해서는 이러한 다양한 변수를 조절하는 것이 중요하다.

본 발명에 따르면, 길이와 직경의 비율(L/D)이 26 내지 46인 이축압출기를 사용하는 것이 좋고, 각 바렐의 온도 및 스크루의 조합으로, 이축압출기 내부에서 고무분쇄물이 150 내지 200℃에서 1분 내지 1분30초간(제1구간), 180 내지 250℃에서 2 내지 3분간(제2구간) 및 150 내지 200℃에서 1분 내지 1분30초간(제3구간) 유지될 수 있도록 하고, 이 과정에 2 내지 4개의 응력전단구간이 형성되도록 하여 탈황 및 정쇄가 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는 길이와 직경의 비율(L/D)이 30 내지 44인 동방향 이축압출기를 사용하는 것이 좋고, 고무분쇄물이 160 내지 180℃에서 30초 내지 45초간(제1-1구간), 170 내지 190℃에서 30초 내지 45초간(제1-2구간), 200 내지 220℃에서 2 내지 3분간(제2구간) 및 150 내지 200℃에서 1분 내지 1분30초간(제3구간) 유지될 수 있도록 하는 것이 좋으며, 응력전단구간을 제1-2구간과 제2구간 사이 및 제2구간과 제3구간 사이 두 곳에 각각 위치시켜 첫 번째 응력전단구간에서 탈황이 이루어지고 두 번째 응력전단구간에서 정쇄가 이루어질 수 있도록 하는 것이 좋다.

도 3은 상기와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 이축압출기의 스크루 형태 및 각 바렐의 온도 구성의 일례를 나타내는 것으로, 고무분쇄물과 소련촉진제의 혼합물을 이축압출기의 투입구를 통해 투입하되 중력에 의해 자연스럽게 투입되도록 하고, 스크루의 회전 속도를 45 내지 50rpm으로 적용하게 되면, 상기와 같은 탈황조건을 만족할 수 있다.

본 발명은 고무의 재생을 위한 것이므로 이축압출기의 스크루를 압출 기능에 중점을 둔 사다리꼴이 아닌 혼련 기능에 중점을 둔 정현형태의 스크루를 사용하는 것이 바람직하다.

이축압출기의 L/D 비율과 스크루의 배열은 이축압출기 내에서 머무르는 시간을 결정하는 요소로 L/D 비율이 높을 경우 피치가 넓은 스크루를 사용하고, L/D 비율이 낮을 경우 피치가 좁은 스크루를 사용하는 방식으로 상황에 따라 적절한 스크루를 구성하여 상기와 같은 조건을 만족시킬 수 있다.

상기와 같은 이축압출기의 길이와 직경의 비율, 각 온도구간 및 유지시간 등의 압출조건은 서로 조화되어 이루어져야 하는 것으로, 이들 모든 조건이 만족할 때 비로소 고품질의 고무로 재생할 수 있게 된다.

고무분쇄물이 상기와 같은 탈황과정을 거치게 되면, 형태변형이 용이한 반고체 상태가 된다. 따라서 이축압출기의 출구 부분에 특정 형태의 어댑터를 위치시키면 원하는 형태의 고무를 얻을 수 있다.

압출과정을 거친 고무는 압출 시의 온도로 인해 비교적 높은 온도를 나타내고 외부 압력에 의해 형태가 쉽게 변형될 수 있기 때문에, 작업상의 안전 및 형태의 유지를 고려하여 압출 직후 냉각시키는 것이 바람직하다.

냉각시키는 방법으로는 공냉 및 수냉 방식을 사용할 수 있는데, 수냉 방식을 사용하여 신속하게 냉각시키는 것이 압출된 고무의 형태를 유지하는 측면에서 더욱 바람직하다.

오랜 사용으로 인해 손상된 가정용 고무장갑 또는 제조과정 중 성형불량 등으로 인해 폐기되는 가정용 고무장갑 폐제품을 상기와 같은 폐고무 제조방법에 따라 재생하면, 천연고무함량이 75 내지 97중량%이며, 오일 및 유기물의 함량이 1 내지 5중량%인 재생고무로 재생할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 재생 오일을 사용하지 않고 고무의 중량 대비 거의 무시할 수 있을 정도인 0.06 내지 0.1%의 소련촉진제를 사용하므로, 기존의 고무 재생 방법에서 재생 오일을 사용함에 따라 요구되는 숙성시간을 생략할 수 있을 뿐만 아니라 단시간에 재생할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있고, 악취 등으로 인한 환경문제 또한 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 라텍스 소재의 폐고무를 재활용하여 품질이 우수한 재활용 고무제품을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용한 이축압출기의 측면도로, 압출기의 투입구(호퍼) 상부에 혼합장치가 구비되어 있어, 고무분쇄물과 소련촉진체가 혼합된 후 압출기 내부로 투입될 수 있도록 구성되어 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 사용한 이축압출기의 스크루를 나타낸 도면이다. 스크루의 배열에서 점선 박스로 표시된 부분은 응력전단구간의 구현을 위한 부분이다.
도 4는 본 발명에 따라 재생한 고무의 적외선분광분석(FT-IR, fourier transform infrared spectrometry) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 재생한 고무의 PGC(process gas chromatography) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 재생한 고무의 열무게분석(TGA, thermogravimetric analysis) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 재생한 고무의 무기 첨가제에 대한 함량을 측정하여 나타낸 그래프이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예 1.

본 실시예에서는 재생을 위한 폐고무로 가정용 고무장갑 제조과정에서 발생한 불량품을 사용하였고, 소련촉진제로 징크 펜타클로로 티오페놀산(독일 바이엘(Bayer)사, 상품명 : Renacit 4)을 사용하였다.

이축압출기로는 진우기연사의 Ø 83 extruder M/C 동방향 이축압출기(30L/D, 바렐 수 : 7개)(도 2 참조)를 사용하였다. 이축압출기의 스크루 구성은 도 3과 같이 하였으며, 바렐의 온도를 제1바렐 170℃, 제2바렐 180℃, 제3바렐 210℃, 제4바렐 210℃, 제5바렐 210℃, 제6바렐 180℃, 제7바렐 170℃로 하였고, 스크루를 45 ~ 50rpm으로 회전시켰다.

본 실시예에서 사용한 이축압출기는 도 2에 나타난 바와 같이 혼합장치가 구비되어 있어, 고무분쇄물과 소련촉진제를 별도로 혼합하지 않고 호퍼에 투입하였다.

우선, 불량고무장갑을 50 ~ 2메쉬로 분쇄하고, 수세 및 건조시켜 분순물을 제거하였다. 이 고무분쇄물 100㎏과 징크 펜타클로로 티오페놀산 60 ~ 100g을 호퍼에 투입하여, 이 혼합물이 이축압출기에 분당 1 ~ 5㎏씩 투입되도록 하고, 혼합 및 압출이 이루어지도록 하였다.

압출을 통해 생성된 고무는 25℃ 정도의 물에 수침시켜 냉각시켰다.

실험예 1.

상기 실시예 1을 통해 수득한 재생 고무의 화학적인 특성을 분석하기 위하여, 적외선분광분석(FT-IR, fourier transform infrared spectrometry), PGC(process gas chromatography) 및 열무게분석(TGA, thermogravimetric analysis) 방법을 이용하였다.

이의 결과는 표 2 및 도 4 내지 도 7에 나타난 바와 같다.

일반 범용 천연고무 원료의 화학적 특성

구분	백분율	PHR	백분율	PHR
샘플	STR-20		SMR-20
Polymer	96.12	100.0	95.92	100.0
Polymer	NR base		NR base
Oil+유기물	3.01	3.13	3.23	3.37
Ash	0.88	0.92	0.85	0.89
Total	100.0	104.0	100.0	104.3

본 발명에 따른 재생고무의 화학 분석 결과

구분	백분율	PHR
샘플	재생 고무
Polymer	96	100
Polymer	NR base
Oil+유기물	3	3
Ash	1	1
Total	100	104

상기와 같이 본 발명에 따라 재생한 고무의 특성을 태국 및 말레이시아에서 수입되는 천연고무(STR-20 및 SMR-20)와 비교하였을 때, 별다른 차이점을 찾기 힘들 정도로 품질이 우수한 것으로 나타났다.

Claims

a) 천연고무 라텍스가 50% 이상 포함된 폐고무제품을 50 내지 2메쉬(mesh)로 분쇄하여 고무분쇄물을 제조하는 단계;
b) 상기 고무분쇄물에 징크 펜타클로로 티오페놀산(zinc pentachloro thiophenolate), 비스(2-벤즈아미도페닐) 다이설파이드(bis(2-benzamidophenyl) disulfide), 징크-2-벤즈아미도 티오페놀산(zinc-2-benzamidothiophenolate) 및 펜타클로로티오페놀(pentachlorothiophenol)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소련촉진제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
c) 150 내지 200℃의 제1구간, 180 내지 250℃의 제2구간, 150 내지 200℃의 제3구간 및 2 내지 4개의 응력전단구간을 포함하여 구성되며 길이와 직경의 비율(L/D)이 26 내지 46인 이축압출기에 상기 혼합물을 투입하여, 제1구간에서 1분 내지 1분30초간, 제2구간에서 2 내지 3분간 및 제3구간에서 1분 내지 1분30초간 순차적으로 탈황반응이 수행되도록 하는 단계; 및
d) 상기 c)단계에서 생성된 탈황고무를 냉각시키는 단계를 포함하는 연속 압출 방식에 의한 폐고무 재생방법.
제 1항에 있어서, 상기 소련촉진제는 상기 고무분쇄물 100중량%를 기준으로 0.06 내지 0.1중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 폐고무 재생 방법.
제 1항에 있어서, 상기 이축압출기는 160 내지 180℃의 제1-1구간 및 170 내지 190℃의 제1-2구간으로 이루어지는 제1구간; 200 내지 220℃의 제2구간; 170 내지 190℃의 제3구간의 온도범위를 가지고, 상기 응력전단구간이 제1-2구간과 제2구간 및 제2구간과 제3구간에 걸쳐 각각 위치하며, 길이와 직경의 비율(L/D)이 28 내지 32인 동방향 이축압출기인 것을 특징으로 하는 폐고무 재생 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 재생고무로, 천연고무함량이 75 내지 97중량%이며, 오일 및 유기물의 함량이 1 내지 5중량%인 재생고무.