KR20210154432A - 에어백 기포지 재활용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘이 도포된 폐 에어백 기포지의 재활용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학용제로 비이온 계면활성제, 음이온 계면활성제 및 알칼리를 이용하여 에어백 기포지에 도포된 실리콘 고무를 박리시켜 생산된 나일론 66 원단을 용융 압출을 통해 펠렛화 함으로써, 에어백 기포지로부터 나일론 66 펠렛을 제조하는 재활용 방법에 관한 것이다. 본 발명의 재활용 방법에 의하면 폐 에어백 기포지로부터 신재와 동등한 수준의 기계적 물성을 갖는 나일론 66 펠렛을 제조할 수 있고, 그동안 소각이나 매립으로 처리되던 폐 에어백 기포지의 재활용을 통해 환경 오염에 대한 대처 및 나일론 66 소재의 수입대체 효과를 얻을 수 있다.

Description

에어백 기포지 재활용 {Air bag fabric recycling}

본 발명은 자동차에 장착되는 에어백 기포지의 재활용 기술에 관한 것이며, 상세하게는 나일론 66 원단에 실리콘이 도포된 형태의 에어백 기포지로부터 실리콘층을 박리시키기 위한 화학물질의 조성 및 공정에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 에어백은 차량 충돌 시 충격으로부터 승객을 보호하기 위해 설치되는 부품으로, 차량 사고 시 부풀어 올라 승객에게 미치는 충격을 감소시킨다.

에어백은 고온, 고압의 조건에서 팽창해야 하기 때문에 기포지는 고가의 엔지니어링 플라스틱 나일론 66 소재로 직조한 원단이 사용되며, 에어백 전개 시 공기를 가두기 위한 수단으로 원단의 한쪽 면에 실리콘을 얇게 도포하게 된다. 도 1은 에어백 기포지의 단면을 전자주사현미경으로 촬영한 사진으로, 실리콘 고무가 원단 표면에만 얇게 도포된 것이 아닌 원단을 이루는 나일론 섬유 깊숙이 침투한 모습을 볼 수 있다. 이렇게 도포된 실리콘 고무층의 무게는 전체 원단 무게 대비 10~20%를 나타내게 된다.

자동차 산업의 발전과 더불어 승객의 안전에 대한 사회적 기준도 꾸준히 발전과 진화를 거듭하고 있다. 이러한 차량 안전기준의 강화 추세에 맞추어 다양한 종류의 에어백이 개발되고 차량에 장착되는 에어백의 개수도 꾸준히 증가하고 있어, 에어백 기포지에 사용된 나일론 66 소재의 재활용 기술 확보에 대한 필요성이 증대되고 있다.

그러나, 앞에서 설명한 에어백 기포지의 구조적인 특징으로 인해, 실리콘이 도포된 형태의 에어백 기포지는 나일론 66 원단으로부터 실리콘을 제거하는 공정이 선행된 후 기존 폐플라스틱 재활용 공정에 투입되는 단계를 거쳐야 한다.

에어백 원단으로부터 실리콘 고무를 효과적으로 제거하기 위하여, 종래에도 특허(출원번호 : 10-2010-0065902)에서 폐에어백 기포지의 재활용에 대한 기술이 제안되었다. 화학용액을 사용하여 나일론 66 원단에 도포된 실리콘을 제거한 후, 수거된 나일론 66 원단을 가공하여 기존 나일론 66 소재와 동등수준의 물성을 나타내는 재활용 나일론 66 펠렛을 제조하였다.

그러나, 특허(출원번호 : 10-2010-0065902)에 공개된 기술에서 사용한 붕불산과 1,2-프로판디올 등의 화학용제는 외산 제품으로 국내에서 수급이 까다롭고 가격도 고가여서, 실제 산업현장에 적용하기에는 경제성이 부족하였다.

특히, 다량의 실리콘 고무가 용해된 화학용제의 재활용률도 현저히 떨어지는 상황이라, 앞에서 제시한 경제성 부족과 더불어 용제 폐기와 같은 환경적인 부분에서도 기술적 한계를 드러내게 된다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 노력한 결과, 실리콘 고무가 도포된 폐 에어백 기포지를 상대적으로 수급이 용이한 비이온/음이온 계면활성제와 알칼리로 제조한 수용액에 침지시키면 기포지 표면에 도포된 실리콘 고무층을 쉽게 박리시킬 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

또한, 수용액 제조에 사용된 비이온/음이온 계면활성제, 알칼리의 농도 및 에어백 기포지의 침지 공정 조건이 실리콘 고무의 박리 특성에 많은 영향을 미치고 있음을 알게 되었다.

따라서, 본 발명은 실리콘 고무가 도포된 에어백 기포지의 실리콘 고무를 효과적으로 박리시키는 기술을 개발함으로써, 기존에 개발된 기술보다 경제적이고 친환경적인 에어백 기포지 재활용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 폐 에어백 기포지를 일정한 크기로 절단하고 비이온/음이온 계면활성제와 알칼리가 용해된 수용액에 침지시켜 팽윤시키는 단계 ;

상기 에어백 기포지를 세척하면서 팽윤된 실리콘 고무층을 나일론 66 원단으로부터 박리시키는 단계 ;

상기 원단을 건조한 후 용융 압출을 통해 나일론 66 펠렛화하는 단계 ;

를 포함하는 폐 에어백 기포지 재활용 방법을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 에어백 기포지 재활용 방법에 의하면, 나일론 66 원단으로부터 실리콘 고무를 효과적으로 제거함으로써 신재와 동등한 수준의 고순도 나일론 66 펠렛을 제조할 수 있다.

본 발명을 통해 제조한 에어백 기포지 재활용 펠렛은 자동차 부품용 소재로 재사용될 수 있으며, 전자부품 소재나 로프, 의류와 같은 생활용품이나 케이블 타이 등 산업자재 등으로 재사용될 수 있다.

도 1은 에어백 기포지의 단면 사진이고
도 2는 에어백 기포지 재활용 공정의 도식도이고,
도 3은 실시예 3, 비교예 1, 비교예 3으로 제조한 나일론 원단의 표면 사진이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어백 기포지 재활용 기술 개발에 대해 자세히 설명하기로 한다.

본 발명은 도 2에서 도식적으로 나타냈듯이 실리콘 고무가 표면에 도포된 에어백 기포지를 비이온/음이온 계면활성제와 알칼리가 용해되어 있는 수용액에 침지시켜 실리콘 고무층을 나일론 66 직물로부터 분리시키고, 이후 세척 공정과 용융 압출공정을 거쳐 나일론 66 펠렛을 제조하는, 에어백 기포지의 재활용 기술에 관한 것이다.

상기 비이온/음이온 계면활성제와 알카리를 이용한 화학용제로 실리콘 고무층을 박리시키는 단계에 대해 설명하고자 한다. 에어백 기포지는 나일론 66 원단에 실리콘 고무를 한쪽 표면에 도포시켜 제조하며, 이렇게 도포된 실리콘 고무의 무게는 나일론 66 원단 대비 10%~20%를 나타낸다.

일반적으로 실리콘 고무는 강염기 조건에서 표면의 일부가 분해되면서 팽윤되는 특성을 지니고 있으며, 본 발명에서는 수용액의 염기성 부여를 위해 알칼리를 첨가하였고 그 농도는 3~30 중량-%가 바람직하다. 알칼리의 농도가 너무 낮으면 실리콘 고무의 팽윤이 충분히 일어나지 못해 실리콘 고무층의 박리공정이 진행되지 못하며, 반대로 농도가 너무 높으면 실리콘 고무의 과도한 팽윤과 분해로 인해 실리콘층이 너무 얇아져 효과적인 박리공정이 진행되지 못하게 발생한다.

상기 실리콘 고무가 팽윤된 후 비이온/음이온 계면활성제에 의해 나일론 66 직물로부터 실리콘 고무가 박리되는 단계가 수행된다. 알코올계 성분의 비이온 계면활성제와 지방산 계열의 음이온 계면활성제는 에어백 원단에 사용된 실리콘 고무 및 나일론 66과 우수한 계면활성 특성과 작업 용이성을 지닌 용제이다. 알칼리에 의해 팽윤과 일부 분해가 시작된 실리콘 고무는 나일론 66 직물과의 계면 결합력도 현저히 떨어지게 되고, 결과적으로는 계면에 틈새가 생기게 된다. 이렇게 발생한 실리콘 고무와 나일론 66 직물 사이의 틈새에서 상기 계면활성제의 침투와 확산 작용이 진행되고, 결과적으로 두 기재간의 계면 장력을 현저히 떨어뜨리게 된다. 나일론 66 원단과의 계면 장력이 떨어진 실리콘 고무층은 약한 외부 응력에 의해서도 쉽게 나일론 66 원단으로부터 제거가 될 수 있으며, 필요에 따라서는 세탁공정 중에 발생하는 마찰력도 실리콘 고무의 박리공정에 도움이 될 수 있다. 발명에 사용된 수용액의 비이온 계면활성제의 농도는 1~15 중량-%, 음이온 계면활성제의 농도는 1~15 중량-%가 바람직하다. 계면활성제의 농도가 너무 낮으면 실리콘 고무층과 나일론 66 직물과의 계면장력을 낮추지 못해 실리콘 고무층의 박리가 원활히 수행되지 못하며, 반대로 농도가 너무 높으면 계면활성제가 실리콘과 나일론 직물과의 계면에 존재하지 못하고 독립된 거대 분자가 되면서 실리콘 층의 박리에 어떠한 기여도 하지 못하게 된다.

수용액 침지 공정은 회전봉(stirring bar)이 설치되어 있는 스텐레스 재질의 용기에서 비이온/음이온 계면활성제와 수산화칼륨 수용액을 만든 후 수행하는 것이 바람직하다. 만들어진 수용액에 에어백 기포지를 침지시킨 후 회전봉을 50~70 RPM의 속도로 2시간 동안 회전시키며 나일론 66 원단과 실리콘 고무층 사이로 상기 제조한 수용액이 충분히 침투하고 원단끼리 적당한 마찰을 일으킬 수 있는 환경을 만들어 준다.

계면활성제와 알칼리 수용액에서의 침지/혼련 공정을 마친 에어백 원단은 세탁조로 옮겨져 세척 공정을 수행한다. 원단에 묻어 있는 용제 성분을 물로 세척하는 공정으로, 세척을 위해 세척조 내부에 가해지는 회전력과 원단끼리의 마찰력에 의해 실리콘 고무층의 박리공정이 수행되게 된다.

실리콘 고무층이 분리된 나일론 66 원단은 건조 후 용융 압출공정을 통해 펠렛화된 나일론 66으로 제조된다. 나일론 66 원단의 건조는 60~100도 열풍건조기에서 6~12시간 수행을 한다. 열풍 건조기의 온도가 낮거나 건조시간이 적으면 수분을 제거하지 못해 용융 압출 시 잔류한 수분으로 의해 나일론 66 분자량을 떨어뜨리며, 반대로 건조온도가 너무 높거나 건조 시간이 너무 길면 나일론 66의 열분해로 인해 원단의 표면에 갈변 현상이 발생할 수 있다. 건조를 마친 나일론 66 원단은 일축 또는 이축 압출기에 투입하여 용융압출을 통해 나일론 66 펠렛으로 제조할 수 있으며, 바람직하게는 일축압출기를 사용한다. 압출기의 배럴 온도는 260~310도가 바람직하며, 압출기의 스크류 회전 속도는 일축압출기일 경우 50~150RPM, 이축압출기의 경우 200~400RPM이 바람직하다. 압출기의 온도가 260도 이하일때는 나일론 66의 충분한 용융이 발생하지 못해 용융 압출공정이 원활하게 수행되지 못하게 되며, 반대로 압출기의 온도가 310도를 넘을 때는 과도한 열로 인해 나일론 66의 열분해가 진행되어 소재의 모든 물성을 하락시킨다. 또한, 압출기의 회전속도가 너무 낮으면 압출기에 과도한 토크가 발생하여 압출작업이 원활히 수행되기 어려우며, 반대로 회전속도가 너무 높으면 소재에 가해진 과도한 응력에 의해 열분해가 발생하여 소재의 모든 물성을 하락시킨다.

본 발명의 폐 에어백 기포지 재활용 방법에 의하면, 에어백 기포지에 도포된 실리콘 고무층을 효과적이고 경제적인 방법으로 제거할 수 있으며, 실리콘 고무가 제거된 나일론 66 원단을 이용하여 펠렛화된 나일론 66을 제조할 수 있다. 이러한 공정을 통해, 적절한 재활용 방법이 없던 폐 에어백 기포지의 재활용을 가능하게 하였고, 폐자원을 이용한 고부가가치 소재의 재활용이라는 효과를 거둘 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

실시예 1~3

표 1을 참조하면, 음이온/비이온 계면활성제와 수산화칼륨의 농도를 변화시켜 각기 다른 농도의 수용액 30ml을 만들고, 가로 6cm 세로 1cm 크기의 에어백 기포지 1.2g을 수용액에 넣은 후 40도 온도조건에서 2시간 동안 침지와 혼련공정을 수행했다. 침지/혼련 공정을 마친 에어백 기포지는 물이 담겨진 세척조에서 3회에 걸쳐 세척공정을 수행 후, 실리콘 고무를 나일론 66 원단으로부터 제거하였다.

세척을 마친 나일론 원단은 열풍건조기에서 6시간 동안 건조를 한 후, 배럴 온도가 280~300도로 설정된 일축압출기에서 용융압출을 거쳐 펠렛화하였다. 펠렛 제조에 사용된 일축압출기는 스크류 지름이 60mm, 스크류 종횡비(L/D)가 26, 스크류의 압축비가 2:1이며, 펠렛 제조시 스크류 속도는 100 RPM으로 수행하였다.

비교예 1~2

표 1에서 참조하면, 비교예도 계면활성제와 수산화칼륨의 농도를 변화시키는 조건에서 실시예와 동일한 조건의 박리공정과 세척 및 펠렛화 공정을 수행하였다.

구분		비이온 계면활성제 (중량-%)	음이온 계면활성제 (중량-%)	수산화칼륨(KOH) (중량-%)
실시예	1	5	5	5
	2	2.5	2.5	10
	3	5	5	10
비교예	1	2.5	2.5	5
	2	5	5	30

실험예 :

수용액 침지 공정과 세척 공정 중에 수반되는 실리콘 박리 결과를 표 2에 나타내었다. 표 2에서 보듯이, 계면활성제와 수산화칼륨의 농도를 변화시켜 제조한 수용액에서 각기 상이한 실리콘 고무 박리 특성을 나타내었다. 실시예 1, 2에서 제조한 샘플은 세척 공정 중에 발생한 강한 마찰력에 의해 실리콘 고무가 나일론 원단으로부터 박리되는 결과를 나타내었고, 실시예 3 샘플은 수용액 침지 공정만으로도 실리콘 고무가 나일론 원단으로부터 완전 박리되는 결과를 나타내었다. 계면활성제와 수산화칼륨의 총량이 적은 비교예 1의 경우, 세척공정을 마친 후에도 일부 샘플의 실리콘 고무는 나일론 원단으로부터 박리가 되지 않아 수작업이 필요하였으며, 수산화칼륨이 과량 첨가된 비교예 2는 세척공정 후 수작업에 의해서도 실리콘 고무를 나일론 원단으로부터 박리시킬 수 없었다. 특히, 비교예 2 샘플의 경우, 실리콘 고무층이 매우 얇아져 있어, 수작업을 통해 실리콘층을 벗겨내는 작업을 할 수 없는 수준이었다. 이는 수용액을 구성하는 계면활성제와 수산화칼륨이 실리콘 고무층을 나일론 원단으로부터 박리시키는데 각각 다른 역할을 수행하고 있어, 최적의 농도가 존재하고 있음을 나타내는 결과라 할 수 있다. 비교예 2에서와 같이, 과량의 수산화칼륨 첨가를 통한 염기성 강화(PH 상승)는 실리콘 고무의 분해를 가속화하여 박리공정에 나쁜 결과를 나타내고 있었다.

구분		박리 정도	비고
실시예	1	양호	세척 공정 중 자연 박리
	2	양호	세척 공정 중 자연 박리
	3	우수	침지 공정 중 자연 박리
비교예	1	열세	세척 공정 후 수작업 박리
	2	불가	박리 불가

또한, 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조된 나일론 66 원단은 전자주사현미경을 통해 표면 모폴로지를 관찰하였고, 상대점도(Relative viscosity)를 측정하였다. 또한, 펠렛화된 나일론 66 소재는 전동사출기를 이용하여 실린더 온도 280도, 금형온도 60도의 조건에서 ASTM 시편을 사출성형하였다. 성형된 시편으로 기계적 물성을 아래의 방법으로 측정하였고, 그 결과는 표2에 나타내었다.

상대점도 : ASTM D4603

인장강도 : ASTM D638

굴곡강도 : ASTM D790

충격강도 : ASTM D256 [1/4인치, 아이조드(상온)]

도 3에서 보이듯이, 실리콘 고무의 박리가 쉽게 이루어진 실시예 3의 나일론 원단은 매우 매끄러운 표면을 나타내고 있으나, 세척공정 후 수작업에 의해 실리콘 고무를 박리시킨 비교예 1의 샘플 표면은 박리되지 못한 실리콘 고무 파편들이 나일론 원단 표면에 붙어있는 결과를 보이고 있다. 실리콘이 박리되지 않은 비교예 2의 표면은 실리콘 층이 원단 전체를 덮고 있는 형상을 확인할 수 있다.

표 3에서 보듯, 실리콘 고무의 박리가 진행된 실시예 1~3과 비교예 1을 통해 제조한 나일론 직물을 이용하여 상대점도와 시편의 기계적 물성을 측정하였다. 본 발명의 실시예와 비교예에서 사용한 계면활성제와 수산화칼륨의 농도 변화에 따른 나일론의 상대점도의 큰 차이는 발생하지 않았다. 나일론 66은 염기성에 강한 내성을 지니고 있고, 발명에 사용한 음이온/비이온 계면활성제도 나일론 66의 분자량에 영향을 주지 않음을 나타내는 결과이다. 기계적 물성의 경우, 실시예 1~3 시편은 거의 대동소이한 기계적 물성을 나타내고 있으나, 비교예 1, 2 시편은 실리콘 고무가 충분히 제거되지 못해 전반적인 기계적 물성에서 실시예 시편대비 낮은 결과를 나타내고 있다. 특히, 비교예 2의 충격강도는 실시예 시편보다 현저히 낮은 결과를 나타내고 있는데, 이는 박리되지 못하고 남아있던 다량이 실리콘 고무가 시편에 섞여 있으면서 시편 전체의 충격강도를 떨어뜨린 결과이다.

구분		상대점도	인장강도 (kg/㎠)	굴곡강도 (kg/㎠)	충격강도 (kg.cm/cm)
실시예	1	2.89	845	1,230	4.0
	2	2.86	840	1,180	3.9
	3	2.88	850	1,200	4.0
비교예	1	2.90	800	1,080	3.6
	2	-	720	920	2.4

결국, 본 발명의 폐 에어백 기포지로부터 실리콘 고무를 박리시켜 나일론 66 원단을 재활용하는 방법에 의하면, 적절한 계면활성제와 염기성 용제만으로도 경제적이고 효과적으로 실리콘 고무를 제거할 수 있었다. 이는 그동안 매각이나 소각에 의해 처리되던 폐 에어백 기포지로부터 나일론 66 소재를 회수함으로써, 환경오염 문제의 대처 및 나일론 66 소재의 수입대체 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

1. 화학용제로 비이온 계면활성제, 음이온 계면활성제 그리고 알칼리를 사용한 수용액을 만드는 단계;
   상기 제조된 수용액에 폐 에어백 기포지를 침지, 혼련시키면서 기포지에 도포된 실리콘 고무를 팽윤시키는 단계;
   상기 실리콘 고무가 팽윤된 기포지를 세척하고 실리콘 고무를 나일론 66 원단으로부터 박리시키는 단계;
   제조된 나일론 66 원단을 건조 후 용융 압출 공정을 통해 펠렛화된 나일론 66 소재를 제조하는 단계;
   를 포함하는 폐 에어백 기포지의 재활용 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 비이온 계면활성제와 음이온 계면활성제의 농도를 각각 전체 수용액 기준 1~15 중량-%인 것을 특징으로 하는 에어백 기포지의 재활용 방법
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 수산화칼륨의 농도를 체 수용액 기준 3~30 중량-%인 것을 특징으로 하는 에어백 기포지의 재활용 방법
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제조된 나일론 66 원단을 건조하고 스크류 압축비가 2:1인 일축압출기를 사용하여 배럴 온도 280~300도의 조건에서 나일론 66 펠렛을 제조하는 것을 특징으로 하는 에어백 기포지의 재활용 방법

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