KR20190036785A - 친환경 소재를 이용한 부력체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 친환경 소재를 이용한 부력체에 관한 것이며, 상, 하수 슬러지, 점토, 화력발전소 소각재, 제철소 분진, 도석로 조성된 배합물을 소성하여 제조된 다공질 소결체의 표면을 합성수지 필름으로 피복하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 친환경 소재를 이용한 부력체는 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식에 사용되는 부표 및 해상구조물을 부유시키는 부체 등에 적합하고 내구성 및 강도가 우수하여 해양환경 오염의 문제점 등이 발생하지 않는 특징이 있다.
본 발명의 친환경 소재를 이용한 부력체는 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식에 사용되는 부표 및 해상구조물을 부유시키는 부체 등에 적합하고 내구성 및 강도가 우수하여 해양환경 오염의 문제점 등이 발생하지 않는 특징이 있다.
Description
본 발명은 초경량 PLANE을 이용한 부력체의 제조방법에 관한 것이며 구체적으로는 친환경 소재를 이용하여 물에 띄우는 다공성의 부력체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 부력체(浮力體)는 부력을 받아서 물 표면에 떠 있는 물체로써 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식과 선박의 안전한 항해를 돕기 위하여 항로를 지시하거나 암초 또는 침몰선 등 항해상의 위험물의 존재를 경고하기 위하여 설치되는 부표로 이용되며, 해상구조물을 부유시키는데 이용되는 등 부력체는 그 사용 목적에 따라 다양한 형태로 이용되고 있다.
종래의 부력체는 부력이 크고 가격이 저렴한 스티로폼 재질이 널리 사용되고 있으나, 스티로폼 재질의 부표는 오랫동안 사용할 경우 잘 부서지고, 썩지 않아 수거와 처리가 어려울 뿐만 아니라, 부서진 알갱이를 먹이로 오인해 이를 섭취한 물고기나 새 등의 폐사로 이어지는 등 해양환경 오염을 가중시키는 주범으로 지목되는 등의 문제점이 있어 해양환경 오염에 의한 피해를 방지하면서 강도 및 사용수명에 따른 고품질의 친환경 재질로 이루어진 부력체의 개발이 요구되고 있다
상기한 부력체(浮力體)의 재질과 관련한 선행기술로 예를 들면,
국내 공개특허공보 공개번호 10-2006- 0053790호에 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체 또는 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체와 폴리에틸렌 수지의 혼합물을 기재로 하고,상기 기재 100 중량부에 대하여 분해온도 150 ∼ 210 ℃인 아조계 발포제 3 ∼ 6 중량부;흐름성 개선제 2 ∼ 20 중량부:유기과산화물 가교제 0.5 ∼ 1.2 중량부; 및가교조제 0.05 ∼ 1.0 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부표용 발포체 조성물을 개시하고 있으며, 국내등록특허 등록번호제10-0532917호에 입도가 0.5 ~ 10mm인 팽창성광물 버미큘라이트 55 ~ 65wt%와 펄라이트 35 ~ 50wt%으로 이루어진 전체 중량에 대해 이질풀, 스피어민트, 감송유의 추출액 중 어느 1종 이상을 선택하여 이루어진 5 ~ 10wt%를 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수질정화재 기능을 갖는 부표를 개시하고 있다. 또한, 국내등록특허 등록번호제10-1673317호에 침적형 PVC수지 페이스트 조성물 및 이를 이용한 부표의 제조하는 기술이 개시되어 있으며, 구체체적으로는 부서지기 쉬운 스티로폼 부표를 폴리염화비닐(PVC; Polyvinylchloride)수지를 페이스트 조성물에 침적시켜 부표 외부에 PVC수지가 피복되어 외부 충격으로부터 부표의 파손을 방지하는 인장강도, 충격강도 및 내후성이 우수한 부표가 개시되어 있다.
본 발명은 친환경 재료를 사용하여 해양환경 오염의 문제점을 해결하고, 강도 및 사용수명에 따른 고품질의 부력체(浮力體)를 제조에 발명의 목적이 있다.
본 발명은 친환경적인 부력체(浮力體) 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 하며, 보다 구체적으로는 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식에 사용되는 부표 및 해상구조물을 부유시키는 부표로 적합한 친환경적인 부력체(浮力體) 및 제조방법의 제공을 목적한다.
본 발명의 목적 달성을 위한 해결수단으로 본 발명의 초경량 PLANE의 특징은 기공율이 10 70%이며, 기공 크기는 0.01 10mm 형태의 내부 기공을 갖는 초경량 PLANE을 이용한 부력체의 제조방법은
a) 상, 하수 슬러지 100중량부에 대하여 점토 70 ~ 80중량부, 화력발전소 플라이 애쉬 35 ~ 40중량부, 제철소 플라이 애쉬 12 ~ 15중량부, 도석 25~ 30중량부를 혼합한 후 50-100 매쉬로 분쇄한 후 중앙에 통공을 갖는 형상으로 성형하여 건조하는 제1단계,
b) 상기 제1단계의 중앙에 통공을 갖는 성형물을 1150 ~ 1200℃에서 4 ~ 5시간 소성하여 다공성의 소결체를 얻는 제2단계 및
c) 상기 제2단계 성형물의 중앙 통공에 에어셀 필름을 삽입하는 단계,
d) 상기 제3단계의 다공성 소결체의 표면을 합성수지 재질의 표면보호용 필름으로 피복하는 제3단계를 포함하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 제1단계에서 선택하는 상, 하수 슬러지는 상수처리장 및 하수처리장에서 상, 하수를 처리할 때 배출되는 함수율이 높은 슬러지로써 일반적으로 농축, 탈수 및 건조시켜 폐기하거나 건축 분야 등에서 경량 골재, 경량 건축재 등의 제조에 부자재로 사용되고 있다.
상기 상수슬러지는 SiO2 35 ∼ 50%, Al2O3 20 ∼ 30%, 유기물 및 수분으로 이루어져 있으며, 하수슬러지는 하수오니라고도 하며 약 50%의 유기물을 함유하고 있다.
본 발명에서 선택하는 상기 상, 하수 슬러지는 본 발명의 부력체를 이루는 조성성분을 배합할 때 점결성분으로 작용할 뿐 아니라, 소성할 때 유기물의 연소에 의한 발포작용과 상, 하수 슬러지에 함유된 알루미늄화합물 및 인화합물의 상호작용에 의한 발포작용을 나타내므로 본 발명에 따른 부력체가 다공성 경량체를 형성하는데 중요한 역할을 한다.
또 상기 점토는 알루미노규산염화합물로써 SiO2 50 ∼ 70% 및 알루미나 Al2O3 36 ∼ 15%, 기타 Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O3 등으로 이루어진 가소성이 있는 성분으로 성형물을 일정형태로 유지하는데 유용한 성분이며, 본 발명에 따른 점토함량은 상, 하수 슬러지 100중량부에 대하여 70 ~ 80중량부로 조성되는 것이 바람직하고, 점토의 함량이 80중량부를 초과하면 부력체의 비중이 높아지기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 도석(pottery stone)은 석영, 장석 견운모, 고령토 등을 주성분으로 하고 있으며 도석 분쇄물은 가소성도 있고 소성하면 비교적 저온에서 자기화하는 성질이 있어 도자기 원료로 사용되고 있다.
본 발명에서는 상기 도석의 배합에 의해 소결성을 향상시켜 경도, 즉 부력체의 표면강도를 높여 접촉에 의해 부서지는 성질을 방지하면서 자기화에 의한 표면 윤활성이 향상되어 부력체의 표면에 보호필름의 피복작업을 원활하게 하는 역할을 한다.
그리고 본 발명에서 선택하는 화력발전소의 플라이 애쉬는 미분탄 연소로에서 발생하는 미연소탄소를 함유한 석탁회이며, 본 발명의 부력체 성분으로 배합되어 소성할 때 미연소 탄소분의 연소에 의해 다공성의 소결체를 형성하며, 부력체의 강도을 유지하는 역할을 하며, 또한 상기 제철소 플라이 애쉬는 제강과정에서 발생하는 융점1200℃이하의 철 등이 함유된 금속산화물로써 소성에 의해 부력체의 강도향상에 주요한 역할을 한다.
본 발명에 따른 상기 제2단계는 제1단계의 성형물을 1150 ~ 1200℃에서 소성하여 중앙에 통공을 갖는 다공성의 소결체를 얻는 공정이며, 성형물이 소성에 의해 상, 하수 슬러지에 함유된 유기물과 화력발전소 소각재에 함유된 미분탄소가 연소되면서 CO 내지 CO2등 가스성분의 발생에 의해 다공성의 소결체가 형성되며, 소성온도는 1150 ~ 1200℃에서 4 ~ 5시간 소성하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 상기 제3단계는 제2단계에서 제조된 중앙에 통공을 갖는 다공성 소결체의 중앙 통공에 에어셀 필림을 삽입하는 단계이며, 상기 제4단계는 제3단계에서 제조된 다공성 소결체의 외부표면을 합성수지 재질의 표면보호용 필름으로 피복하여 본 발명에 따른 부력체를 제조하는 단계이며, 상기 다공성 소결체를 부력체로 사용하기 위해서는 소결체에 형성된 기공으로 물의 침투를 차단하여 부력을 유지할 수 있도록 하기 위하여 다공성 소결체의 외부표면을 합성수지 필름으로 피복하는 것으로 이루어진다.
상기 제3단계의 중앙통공에 삽입하는 에어셀(aircell)필름은 그림1과 같이 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 접착수지, EVOH수지(ethylene vinylalcohol copolymer), 접착수지, 선형저밀도 폴리에틸렌( LLDPE), 나이론이 적층된 적층필름으로 형성되어 있다. 상기에서 EVOH수지 또는 폴리염화비닐리덴 수지(PVDC) 또는 Al 필름 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.
상기의 선형저밀도 폴리에틸렌( LLDPE)은 제3의 폴리에틸렌으로 불리며 LDPE 와 HDPE의 중간정도의 물성을 가지나 뛰어난 강인성과 투명성의 Balance가 좋으며, 내열성이 뛰어난 수지이다. EVOH수지는 에틸렌과 아세트산비닐을 높은 압력 아래에서 공중합(혼성중합)하여 비누화시킨다. 과잉알칼리를 중화하여 건조시키면 얻을 수 있으며 내약품성, 표면광택성이 뛰어나고 강성이 매우 크며, 열가소성이므로 압출성형이 가능해서 주로 식품의 포장용기로 쓰여 다층필름, 젤리컵, 케첩병, 주스용 상자 등을 만드는 데 사용된다. 또한 엔지니어링플라스틱, 섬유 등 다른 열성형용 또는 다른 수지의 성질을 개선하는 재료용으로도 많이 쓰인다. 그 밖에 벽지나 온돌용 파이프 등의 건축자재 등으로도 널리 이용된다.
〈그림 1〉Aircell 적층 필름
상기 다공성 소결체의 부력유지를 위해서는 표면보호용 필름으로 LDPE필름 등 통상적인 폴리에텔렌 필름을 사용할 수 있고, 소결체에 형성된 기공으로 물의 침투를 차단하는 것과 동시에 부력체에 대한 충격 등으로 파손되는 것을 방지하여 소결체의 내구성도 향상시키기 위해 메탈로센 폴리에틸렌을 주성분으로 하는 필름을 표면보호용 필름으로 사용하는 것으로 이루어진다.
상기 메탈로센 폴리에틸렌을 주성분으로 하는 필름은 메탈로센 폴리에틸렌 100중량부에 대하여, 폴리올레핀 엘라스토머 5.5 ~ 20중량부 및 부성분으로 메탈로센 폴리에틸렌 100중량부에 대하여, 아민계 광안정제(Hindered Amine Light Stabilizer; HALS) 0.2 ~ 3중량부, UV차단제 0.2 ~ 3중량부, 안료 0.01 ~ 3중량부를 배합한 수지조성물을 통상적인 필름 성형방법에 따라 제조된 두께 1㎜ 정도의 합성수지 필름이 사용되며, 필요에 따라 항균제 및 플루오르 카본계의 가공조제 등을 배합할 수 있다.
상기 본 발명의 메탈로센 폴리에틸렌을 주성분으로 하는 필름은 통상의 LDPE필름보다 우수한 내충격성과 유연성, 인열강도 및 내후성이 우수하여 본 발명의 부력체 제조를 위한 표면보호용 필름으로 특히 적합하다.
상기 메탈로센 폴리에틸렌은 에틸렌과 1-헥센을 공중합시켜 제조된 밀도 0.92 ~ 0.925g/㎤, 용융지수 0.5 ~ 5g/10min의 특성을 나타내며, 상기 폴리올레핀 엘라스토머는 밀도 0.85 ~ 0.915g/㎤, 용융지수 0.1 ~ 5g/10min의 특성을 나타내는 공지된 합성수지로 LG화학 등에서 널리 시판되고 있다.
상기 본 발명에 따라 제조된 친환경 부력체는 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식에 사용되는 부표 및 수상가옥(수상 건축물,수상펜션)의 부력체, 태양광 발전시스템 부력체, 친환경 수변개발 부력체, 해양 레져 기반시설 조성 부력체등의 해상구조물을 부유시키는 부체에도 적합하며 또 내구성 및 강도가 우수하다.
본 발명의 친환경 소재를 이용한 부력체는 각종 양식장, 어장표식, 그물표식 등 해상용 어로 표식에 사용되는 부표 및 해상구조물을 부유시키는 부체 등에 적합하고 내구성 및 강도가 우수하여 스티로폼 재질의 부표를 대체할 수 있으므로 스티로폼 재질의 부표가 갖는 해양환경 오염의 문제점 등이 발생하지 않는다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하겠으며, 아래 기재에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 에어셀(aircell)필름의 제조
각각 필름의 두께가 1㎜인 LLDPE수지, 접착수지, EVOH수지, 접착수지, 선형저밀도 폴리에틸렌( LLDPE) 및 나이론을 차례로 적층하여 적층필름을 제조하였다.
<실시예 2> 보호필름의 제조
아래 [표 1]에 나타낸 바와 같은 조성비의 수지조성물을 용융, 혼련한 후 펠릿화하여 마스터배치를 제조한 다음, 통상적인 필름 성형방법에 따라 두께 1㎜의 보호필름을 제조하였다.
| 성분 | 조성비(단위 ; 중량부) | |
| 실시예 2 | 구입처 | |
| 메탈로센 폴리에틸렌 | 100 | LG화학 |
| 폴리 올레핀 엘라스토머 | 5 | SK |
| HALS | 1 | BASF |
| UV차단제 | 1 | BASF |
| 안료 | 0.05 | BASF |
<실시예 3> 부력체의 제조
상, 하수 슬러지 100㎏에 점토 75㎏, 화력발전소의 플라이 애쉬 35㎏, 제철소의 플라이 애쉬진 15㎏, 도석 25㎏을 혼합하여 50-100 매쉬로 분쇄한 후 물과 함께 배합하고 혼련한 배합물을 성형틀에서 중앙이 통공된 원기둥 형상으로 성형한 다음 건조시켜 성형체를 얻었다.
상기 성형체를 소성로에 넣고 1150℃에서 5시간 소성한 다음 상온으로 냉각시킨 후 다공성의 소결체를 제조하고, 상기 <실시예 1>에서 제조한 에어셀(aircell)필름을 성형체의 중앙 통공에 삽입시키고, 상기 <실시예 2>에서 제조한 보호필름으로 소결체 외부를 완전히 피복하여 본 발명에 따른 부력체를 제조하였다.
<시험예 1>
상기< 실시예 1> 에서 제조한 본 발명에 따른 보호필름에 대하여 물성을 평가하고, 그 결과를 아래 [표 2]에 나타내었다.
| 물성 | 실시예1 | 비교예 (일반LDPE필름) |
시험방법 |
| 두께 | 1㎜ | 1㎜ | - |
| 낙하충격강도(g) | 2000 | 300 | ASTM D1709A |
| 파단점 인장강도(㎏/㎠) |
500 | 350 | ASTM D882 |
| 내후성UV-spectrometer (F50,hr) |
1500 | 180 | - |
<시험예 2>
상기< 실시예 2> 에서 제조한 다공성의 소결체에 대하여 물성을 평가하고, 그 결과를 아래 [표 3]에 나타내었다.
| 물성 | 실시예1 | 비교예 (일반 벽돌) |
| 기공율(%) | 1 -90 | 일정하지 않음 |
| 기공크기(mm) | 0.01 - 10 | 일정하지 않음 |
| 단위 용적당 비중(kg/L) | 0.2 - 1 | 5 -8 |
| 충격강도 (Kg/cm2) | 2 - 20 | 0.5 -2 |
본 발명의 다공성의 소결체는 경량의 중공형 세라믹으로 내부 기공율이 1~90%, 기공 크기는 0.01~10mm로 생산 제품에 용도 등에 따라 비중에 달리하여 제작할 수 있다. 또한, 충진 밀도(High Intensity)가 높고 고온에서 완전 소결되므로 압축 강도가 2~20kg/㎠로 매우 강하며, 본 발명의 소결체는 고온 (1,150 ~ 1,200℃)에서 기공을 형성시켜 성형하므로 내화성이 우수하고 고온에서도 변형이 이루어지지 않으며 가스의 발생이 없다는 특징을 가지고 있으며, 소결체의 내부에 다수의 미세한 기공이 형성되어 있어 용적 비중이 0.2~1kg/L로 물에 뜰 수 있을 정도 가벼운 점에 특징이 있다.
Claims (6)
- 상, 하수 슬러지 100중량부에 대하여 점토 70 ~ 80중량부, 화력발전소 플라이 애쉬 35 ~ 40중량부, 제철소 플라이 애쉬 12 ~ 15중량부, 도석 25~ 30중량부를 혼합한 후 50-100 매쉬로 분쇄한 후 중앙이 통공된 성형체를 제조한 후 건조하는 제1 단계,
b) 상기 제1단계의 성형물을 1150 ~ 1200℃에서 4 ~ 5시간 소성하여 다공성의 소결체를 얻는 제2단계 및
c) 상기 제2단계 성형체의 중앙 통공에 에어셀(aircell)필름을 삽입하고 다공성 소결체의 표면을 합성수지 재질의 표면보호용 필름으로 피복하는 제3단계,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체의 제조방법. - 청구항1에 있어서,
합성수지 재질의 표면보호용 필름은 메탈로센 폴리에틸렌 100중량부에 폴리올레핀 엘라스토머 5.5 ~ 20중량부로 조성하여 제조되는 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체의 제조방법. - 청구항2에 있어서,
메탈로센 폴리에틸렌은 에틸렌과 1-헥센을 공중합시켜 제조된 밀도 0.92 ~ 0.925g/㎤, 용융지수 0.5 ~ 5g/10min이고, 폴리올레핀 엘라스토머는 밀도 0.85 ~ 0.915g/㎤, 용융지수 0.1 ~ 5g/10min인 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체의 제조방법. - 청구항1에 있어서,
에어셀(aircell)필름은 LLDPE수지, 접착수지, EVOH수지, 접착수지, 선형저밀도 폴리에틸렌( LLDPE) 및 나이론이 차례로 적층된 필름 적층체인 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체의 제조방법. - 청구항1의 부력체는 양식장, 어장표식, 그물표식 중 어느 하나에 적용되는 부표인 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체.
- 청구항5에 있어서,
부력체가 해상구조물을 부유시키는데 적용되는 것을 특징으로 하는 친환경 소재를 이용한 부력체.
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