KR20180034993A - 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유와 상기 탄소섬유에 함침된 수지로 구성되는 탄소섬유 복합재료 폐기물을 500~1,200℃의 과열증기와 접촉시켜 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리시켜 주는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 분리되는 탄소섬유의 물성이 산화반응에 의해 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 탄소섬유 분리 공정 중에 유독기체 성분이나 용제(Solvent)가 포함된 폐수가 발생되지 않기 때문에 이들의 처리 설비가 불필요하여 설비가 간소화되고 탄소섬유의 분리비용이 절감된다.
본 발명은 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 분리되는 탄소섬유의 물성이 산화반응에 의해 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 탄소섬유 분리 공정 중에 유독기체 성분이나 용제(Solvent)가 포함된 폐수가 발생되지 않기 때문에 이들의 처리 설비가 불필요하여 설비가 간소화되고 탄소섬유의 분리비용이 절감된다.
Description
본 발명은 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 탄소섬유의 물성저하 없이 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리할 수 있으며, 탄소섬유 분리공정 중 유독기체 성분이나 폐수등이 다량 발생되지 않아 간소한 설비 및 저렴한 비용으로 탄소섬유를 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 분리하는 방법에 관한 것이다.
탄소섬유 복합재료는 강화섬유인 탄소섬유와 메트릭스 수지인 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 구성되며, 상기 메트릭스 수지는 상기 탄소섬유 사이에 함침된 구조를 갖는 일종의 탄소섬유 강화 플라스틱으로써 자동차 부품 등과 같은 다양한 산업 제품용 소재로 널리 사용된다.
탄소섬유 복합재료를 사용하여 원하는 성형품을 제조하는 성형공정에서는 투입된 탄소섬유 복합재료의 10~50% 정도가 폐기물(Waste)로 처리되고 있는 실정이다.
탄소섬유 복합재료 폐기물에서 포함된 탄소섬유는 자연분해가 되지 않는 소재이기 때문에, 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하여 분리된 탄소섬유를 시트 몰딩 컴프레션(Sheet Molding Compression)용 소재 등으로 재활용하는 것은 비용절감이나 환경보호 측면에서 매우 중요하다.
탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 종래 방법으로는 열분해 방법과 용제(Solvent)를 이용하는 화학적 리사이클 방법이 주로 사용되고 있다.
상기 열분해 방법은 탄소섬유 복합재료 폐기물을 종류에 따라 공기분위기에서 400℃ 이상으로 열처리하여 탄소섬유 복합재료 폐기물내 메트릭스 수지를 소각시켜 탄소섬유를 분리하는 방식이기때문에 열처리 공정 중 탄소섬유 자체의 산화반응이 불가피하게 발생되어 탄소섬유의 강도 및 전기전도도 등의 물성이 저하되는 문제가 발생됨과 동시에 메트릭스 수지의 소각으로 인한 유독가스 성분이 많이 발생되어 이를 분해, 흡착하는 설비가 추가로 필요한 문제 등이 발생되었다.
열처리공정 중 탄소섬유의 물성이 산화반응으로 인해 저하되는 것을 방지하기 위해서 상기 열분해 방법을 질소 분위기하에서 실시하는 경우에는 질소가스에 의해 작업자가 중독될 수 있기 때문에 공정 관리가 매우 번거롭게 되고 설비도 복잡해 지는 문제가 발생 되었다.
종래의 용제를 이용하는 화학적 라사이클 방식은 용제를 사용하여 탄소섬유 복합재료 폐기물내 메트릭스 수지와 탄소섬유를 분리, 회수하는 방식이기 때문에 상기 열분해 방식과 비교시 탄소섬유의 물성이 산화로 인해 저하되는 문제는 어느정도 해결되지만 용제 사용으로 인한 폐수가 많이 발생되어 폐수처리에 많은 비용과 설비가 소요되는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0060295호에서는 블레이드가 설치된 분쇄용기 내에 폐 탄소섬유 강화 플라스틱과 유체(솔벤트)를 함께 투입한 후 교반 및 필터링하여 폐 탄소섬유 강화 플라스틱으로부터 탄소섬유를 분리하는 방법을 게재하고 있으나, 유체(솔벤트) 사용으로 인해 폐수가 많이 발생되는 문제 등이 발생 되었다.
본 발명의 과제는 간소한 설비 및 저렴한 비용으로 탄소섬유의 물성 저하 없이 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 탄소섬유 복합재료 폐기물을 500~1,200℃의 과열증기와 접촉시켜 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리한다.
바람직하기로는, 탄소섬유 복합재료 폐기물에 상기 과열증기를 0.1~2.0바(bar)의 분사압력으로 분사, 접촉시켜 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리한다.
본 발명은 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 분리되는 탄소섬유의 물성이 산화반응에 의해 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 탄소섬유 분리 공정 중에 유독기체 성분이나 용제(Solvent)가 포함된 폐수가 발생되지 않기 때문에 이들의 처리 설비가 불필요하여 설비가 간소화되고 탄소섬유의 분리비용이 절감된다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소섬유와 상기 탄소섬유에 함침된 수지로 구성되는 탄소섬유 복합재료 폐기물을 500~1,200℃의 과열증기와 접촉시켜 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 것을 특징으로 한다.
탄소섬유 복합재료는 강화섬유인 탄소섬유와 메트릭스 수지인 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 구성되며, 상기 메트릭스 수지는 상기 탄소섬유 사이에 함침된 구조를 갖는 일종의 탄소섬유 강화 플라스틱이다.
과열증기는 100℃로 증발된 수증기를 대기압에서 500~1,200℃까지 초고온으로 가열한 무색 투명한 수증기(H2O)로서, 무산소 분위기를 조성하여 산소에 의한 탄소섬유의 산화반응을 막을 수 있고, 밀도가 통상적인 기체의 밀도 보다 아주 높아서 젖음성(Wetting property)도 우수하여 열전달성이 높은 특징을 갖는다.
과열증기는 열처리 대상물, 다시 말해 탄소섬유 복합재료 폐기물과 접촉하는 순간에는 대기압(상압)이기 때문에 초임계 유체의 특성은 구비하지 못하지만 우수한 복사전열, 대류전열 및 응축전열들이 복합되어 뛰어난 전열특성을 나타낸다.
탄소섬유 복합재료는 폐기물을 구성하는 상기 수지(메트릭스 수지)는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로서 300~600℃에서 열분해가 일어난다.
탄소섬유 복합재료는 폐기물을 구성하는 상기 수지(메트릭스 수지)로는 에폭시수지, 페놀수지, 불포화 폴리에스터수지, 비닐에스터수지, 폴리프로필렌수지, 열가소성 폴리우레탄수지, 폴리젖산수지, 폴리아미드수지, 폴리에테르설폰수지, 폴리에테르에테르케톤수지 또는 폴리페닐렌설파이드수지 등이 사용될 수 있다.
탄소섬유 복합재료 폐기물에 상기의 과열증기를 접촉시키는 방법 중 일례로는 탄소섬유 복합재료 폐기물에 과열증기를 0.1~2.0바(bar)의 분사압력으로 접촉시켜 주는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 과열증기가 상압(대기압) 상태이기 때문에 밀폐되지 않은 용기 또는 공간에서 실시될 수 있어서 설비가 간소화되는 장점이 있다.
본 발명은 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 분리되는 탄소섬유의 물성이 산화반응에 의해 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 탄소섬유 분리 공정 중에 유독기체 성분이나 용제(Solvent)가 포함된 폐수가 발생되지 않기 때문에 이들의 처리 설비가 불필요하여 설비가 간소화되고 탄소섬유의 분리비용이 절감된다.
이하, 실시예 및 비교실시예들을 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴본다.
그러나, 본 발명의 보호범위는 하기 실시예만으로 한정되게 해석되어서는 안된다.
실시예
1
탄소섬유 60중량%와 열가소성 폴리우레탄 수지 40중량%로 이루어진 탄소섬유 복합재료 폐기물에 700℃의 과열증기를 2.0바(bar)의 분사압력으로 분사, 접촉시켜 상기 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하였다.
분리된 탄소섬유의 강도 및 전기전도도를 측정해본 결과 상기 분리공정을 거치기 전인 탄소섬유의 강도 및 전기전도도와 동일한 수준을 유지하였다.
다시 말해, 분리된 탄소섬유는 산화반응으로 인한 강도 및 전기전도도의 저하가 거의 없었다.
상기 분리공정 중 폐수나 유독가스 성분은 발생되지 않았다.
실시예
2
탄소섬유 50중량%와 페놀수지 50중량%로 이루어진 탄소섬유 복합재료 폐기물에 1,200℃의 과열증기를 2.0바(bar)의 분사압력으로 분사, 접촉시켜 상기 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하였다.
분리된 탄소섬유의 강도 및 전기전도도를 측정해본 결과 상기 분리공정을 거치기 전인 탄소섬유의 강도 및 전기전도도와 동일한 수준을 유지하였다.
다시 말해, 분리된 탄소섬유는 산화반응으로 인한 강도 및 전기전도도의 저하가 거의 없었다.
상기 분리공정 중 폐수나 유독가스 성분은 발생되지 않았다.
실시예
3
탄소섬유 40중량%와 에폭시수지 60중량%로 이루어진 탄소섬유 복합재료 폐기물에 900℃의 과열증기를 1.1바(bar)의 분사압력으로 분사, 접촉시켜 상기 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하였다.
분리된 탄소섬유의 강도 및 전기전도도를 측정해본 결과 상기 분리공정을 거치기 전인 탄소섬유의 강도 및 전기전도도와 동일한 수준을 유지하였다.
다시 말해, 분리된 탄소섬유는 산화반응으로 인한 강도 및 전기전도도의 저하가 거의 없었다.
상기 분리공정 중 폐수나 유독가스 성분은 발생되지 않았다.
비교실시예
1
탄소섬유 60중량%와 열가소성 폴리우레탄 수지 40중량%로 이루어진 탄소섬유 복합재료 폐기물을 1,000℃의 열풍으로 열처리하여 상기 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하였다.
분리된 탄소섬유의 강도 및 전기전도도를 측정해본 결과, 상기 열처리 전인 탄소섬유의 강도 및 전기전도도의 85% 수준에 불과하였다. 중량역시 탄소섬유 중량 역시 16w% 감소하였다.
다시 말해, 탄소섬유는 상기 열처리 공정 중의 산화반응으로 인해 강도 및 전기전도도가 15% 정도 저하되었다.
또한, 상기 열처리 공정 중 유독가스 성분이 다량 발생하였다.
Claims (4)
- 탄소섬유와 상기 탄소섬유에 함침된 수지로 구성되는 탄소섬유 복합재료 폐기물을 500~1,200℃의 과열증기와 접촉시켜주는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중에서 선택된 1종의 수지인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수지는 에폭시수지, 페놀수지, 불포화 폴리에스터수지, 비닐에스터수지, 폴리프로필렌수지, 열가소성 폴리우레탄수지, 폴리젖산수지, 폴리아미드수지, 폴리에테르설폰수지, 폴리에테르에테르케톤수지 및 폴리페닐렌설파이드수지 중에서 선택된 1종의 수지인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법.
- 제1항에 있어서, 탄소섬유 복합재료 폐기물에 500~1,200℃의 과열증기를 0.1~2.0바(bar)의 분사압력으로 분사시켜 접촉시켜 주는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재료 폐기물로부터 탄소섬유를 분리하는 방법.
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