KR20220146744A - 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치 - Google Patents

이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치 Download PDF

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김선준
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이환규
홍준표
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Abstract

이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치는, 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 공급하는 원료 공급유닛; 및 원료 공급유닛으로부터 원료를 공급받으며, 실린더와 실린더의 내부에 설치되며 동방향으로 회전되는 이축 스크류를 구비하되, 이축 스크류의 회전에 의해 원료를 이축 스크류를 따라 연속적으로 이송시키면서 탈가교화 반응온도 및 반응압력 분위기 하에서 원료를 탈가교화하여 재생시키는 이축 압출기를 포함한다.

Description

이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치{RECYCLING APPARATUS FOR A CROSS-LINKED POLYETHYLENE RESIN USING TWIN SCREW EXTRUDER}
본 발명은 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이축 압출기를 이용하여 가교 폴리에틸렌 수지를 연속적으로 탈가교화하여 재생할 수 있는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치에 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, 패킹 등으로 생산된다.
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 파이프에 사용되는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 경우에도 가교되지 않은 폴리에틸렌은 고온의 온도에 의하여 열산화되어 그 기능을 상실함으로써 장기간 사용할 수 없게 된다.
이에 따라 절연 및 내화학성이 뛰어나지만 열에 약한 결점을 보완하기 위해 선형(Linear)의 폴리에틸렌의 구조를 망상(Network)으로 연결해주는 라디칼 (Radical)반응 등을 통해 가교시켜 열에 안정적이고 내화학성을 우수하게 하여 전선 및 온돌 파이프 등에 사용하고 있는데, 이러한 가교 폴리에틸렌은 일단 가교가 진행되면 다시 녹지 않기 때문에 재활용하지 못한다.
가교된 폴리에틸렌은 전선이나 온돌 파이프가 대표적이며, 전선이나 온돌 파이프의 생산 도중 발생되는 스크랩이나. 전선 혹은 온돌 파이프의 폐기물들은 폐기물 전문 위탁 처리업체에 맡겨져 대부분 소각되고 있으며, 일부 분쇄하여 충진제로 사용되고 있는 실정이다.
그러나 소각시에 발생되는 가스 등으로 대기 오염을 유발시킬 수 있고 소각에 따른 부대비용 발생문제가 있으므로 재생하여 다시 사용할 수 있는 방법의 모색이 절실한 실정이다.
한편, 특허문헌 1, 2, 3과 같이 가교된 저밀도 폴리에틸렌 전선 중에서 일부만이 초임계 일축 압출기를 이용하여 폴리에틸렌 수지로 재생이 가능하지만, 상기한 방식으로 재생된 저밀도 폴리에틸렌 수지는 물성이 열악하고 생산성이 비효율적이다.
가교된 고밀도 폴리에틸렌계 온수용 온돌파이프는 원재료의 연속식 재생기술이 없어 대부분 소각되고 있는 실정이다. 따라서, 가교 고밀도 폴리에틸렌을 연속적으로 재생할 수 있으며 아울러 재생 고밀도 폴리에틸렌 수지의 물성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 가교 고밀도 폴리에틸렌의 재활용 및 사업화 측면에서 절실히 요구된다.
[특허문헌1] 대한민국 등록특허 제10-0139884호(1998.3.6. 공고) [특허문헌1] 대한민국 등록특허 제10-1703108호(2017.2.7. 공고) [특허문헌1] 대한민국 등록특허 제10-1627720호(2016.6.8. 공고)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 가교 폴리에틸렌을 연속적으로 탈가교화하여 재생할 수 있으며 재생된 폴리에틸렌의 물성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 공급하는 원료 공급유닛; 및 상기 원료 공급유닛으로부터 상기 원료를 공급받으며, 실린더와 상기 실린더의 내부에 설치되며 동방향으로 회전되는 이축 스크류를 구비하되, 상기 이축 스크류의 회전에 의해 상기 원료를 상기 이축 스크류를 따라 연속적으로 이송시키면서 탈가교화 반응온도 및 반응압력 분위기 하에서 상기 원료를 탈가교화하여 재생시키는 이축 압출기를 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치가 제공될 수 있다.
상기 이축 스크류는, 상기 원료를 이송하면서 상기 원료를 가압하고 용융하는 공급부; 상기 공급부를 지나 이송된 상기 원료를 용융하고 혼련하는 용융부; 상기 용융부를 지나 이송된 상기 원료에 반응용매인 초임계 유체를 주입하여 초임계 조건을 유지하며, 상기 원료를 탈가교화시키는 반응부; 및 탈가교화되어 재생된 폴리에틸렌 수지를 가공하여 배출하는 배출부를 포함할 수 있다.
상기 용융부는, 다수의 니딩블록(kneading block)들이 조합되어 구성되고, 상호 이격된 복수의 제1 블록군; 및 상기 제1 블록군들 중 어느 하나의 후단에 연속되게 배치된 역방향 나선부를 포함하며, 상기 제1 블록군은, 상기 원료의 이송방향을 따라 연속되게 배치된 적어도 하나의 정방향 니딩블록; 및 상기 원료의 이송방향을 따라 상기 정방향 니딩블록에 연속되게 배치된 중립 니딩블록을 포함할 수 있다.
상기 원료의 이송방향을 따라 3개의 상기 제1 블록군이 상호 이격되게 배치되며, 첫번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제3 나선부가 배치되고, 두번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제4 나선부와 제5 나선부가 배치되고, 세번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제6 나선부와 제7 나선부가 배치되며, 상기 제4 나선부의 피치는 상기 제5 나선부의 피치보다 크게 형성되고, 상기 6 나선부의 피치는 상기 제7 나선부의 피치보다 크게 형성되며, 상기 제4 나선부의 선단에는 상기 역방향 나선부가 배치될 수 있다.
상기 반응부는, 다수의 니딩블록(kneading block)들과 투스블록(tooth block)들이 조합되어 구성된 제2 블록군; 상기 제2 블록군으로부터 이격되게 배치되며, 상기 다수의 니딩블록들이 조합되어 구성된 제3 블록군; 및 상기 제2 블록군의 후단에 연속되게 배치된 제8 나선부를 포함하며, 상기 제2 블록군은 상기 원료의 이송방향을 따라 정방향 니딩블록과 상기 투스블록이 교대로 배치되고, 상기 제3 블록군은, 정방향 니딩블록; 상기 원료의 이송방향을 따라 상기 정방향 니딩블록에 연속되게 배치된 중립 니딩블록; 및 상기 원료의 이송방향을 따라 상기 중립 니딩블록에 연속되게 배치된 역방향 니딩블록을 포함할 수 있다.
상기 배출부는 상기 원료의 이송방향을 따라 연속되게 형성된 제9 나선부와 제10 나선부를 포함하되, 상기 제9 나선부의 피치는 상기 제10 나선부의 피치보다 크게 형성될 수 있다.
상기 반응용매는 초임계 상태의 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 이축 압출기는, 280~400℃의 반응온도 및 0.1~20MPa 반응압력에서 상기 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공할 수 있다.
상기 반응부는 내화학성이 우수한 스테인리스 스틸316(SUS316)로 제작되고, 상기 공급부와 상기 용융부 및 상기 배출부는 내마모성이 우수한 니켈 크롬 몰리브덴강(SNCM21)으로 제작될 수 있다.
상기 이축 스크류의 전체 길이 대 직경 비율(L/D)이 32:1 ~ 48:1 일 수 있다.
상기 원료는 가교 폴리에틸렌 전선과, 가교 폴리에틸렌 발포체와, 가교 폴리에틸렌 온돌 파이프를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 탈가교화 분위기 하에서 동방향으로 회전되는 이축 스크류를 이용하여 온수용 온돌파이프 및 가교 폴리에틸렌계 제품들을 연속적으로 이송하면서 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공함으로써, 재생된 폴리에틸렌을 제조할 수 있으며, 물성 조절 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 나타내는 단면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 나타내는 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치(100)는 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 공급하는 원료 공급유닛(110)과, 원료 공급유닛(110)으로부터 공급받은 원료를 재생시키는 이축 압출기(130)와, 이축 압출기(130)를 구성하는 실린더(140) 내의 온도를 조절하는 온도조절기(미도시)와, 이축 압출기(130)에서 배출된 재생된 폴리에틸렌 수지를 냉각시키는 냉각유닛(170)을 포함한다.
본 실시예에서 가교 폴리에틸렌 수지인 원료는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등 가교시킨 폴리에틸렌 수지로 제조된 온돌파이프, 전선, 발포체 등을 포함한다. 구체적으로, 원료는 가교 폴리에틸렌 전선(선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌), 가교 폴리에틸렌 발포체, 가교 폴리에틸렌 온돌 파이프(고밀도 폴리에틸렌) 등을 포함한다.
본 발명은 이축 압출기(130)를 이용하여 원료인 가교 폴리에틸렌 수지를 용융, 혼련, 탈가교화 반응 및 가공공정을 수행하여 펠렛 또는 와이어형태의 재생된 폴리에틸렌 수지를 연속적으로 제조할 수 있어, 재생된 폴리에틸렌의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 이축 압출기(130) 내의 열과, 이축 압출기(130)를 구성하는 실린더(140)와 이축 스크류(150) 및 용융된 원료의 마찰 등의 물리적인 힘을 이용하여 원료를 탈가교화하여 폴리에틸렌 수지를 재생하며, 본 발명은 재생된 폴리에틸렌 수지의 가교도 및 분자량 등을 제어할 수 있어 재생된 폴리에틸렌의 물성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 원료 공급유닛(110)은 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 이축 압출기(130)에 공급하는 역할을 한다.
원료 공급유닛(110)은 원료를 4mm이하로 분쇄한 후 이를 이축 압출기(130)에 공급하여, 이축 압출기(130) 내에서 원료의 분쇄, 용융, 혼련 등을 용이하게 할 수 있다.
본 실시예에 따른 이축 압출기(130)는 원료 공급유닛(110)으로부터 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 공급받아 원료를 연속적으로 이송하면서 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공하여 재생된 폴리에틸렌을 생산하는 역할을 한다.
이축 압출기(130)는 실린더(140)와, 실린더(140)의 내부에 설치되며 동방향으로 회전되는 이축 스크류(150)와, 이축 스크류(150)에 연결되어 이축 스크류(150)를 동방향으로 회전시키는 구동모터(160)를 포함한다.
특히 이축 압출기(130)는 이축 스크류(150)의 회전에 의해 원료를 실린더(140) 내에서 이축 스크류(150)를 따라 연속적으로 이송시키면서 탈가교화 반응온도 및 반응압력 분위기 하에서 초임계 유체인 반응용매로 탈가교화하여 재활용 가능한 폴리에틸렌 수지로 재생시킨다.
여기서 반응용매인 초임계 유체는 일반적인 액체나 기체 상태의 물질이 임계점이라 불리는 고온, 고압의 한계를 넘으면서 기체와 액체를 구별할 수 없는 임계 상태의 조건이다. 초임계 유체는 밀도가 낮고 용해력이 높으며, 확산성이 뛰어나다.
본 실시예에서는 초임계 조건을 유지하기 위해 반응용매로는 에탄올, 증류수, 메탄올 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이축 압출기(130)는 스크류식 연속식 압출기로서, 스크류식 압출기는 배럴(barrel,131)과 스크류 엘리먼트(screw element)가 세그먼트(segment)로 구성되므로, 사용자는 모듈라(modular)방식으로 임의대로 복수의 스크류 엘리먼트를 조합할 수 있다.
이축 압출기(130)는 실린더(140)의 내부에 이축 스크류(150)가 설치되어 원료를 탈가교화하기 위한 반응압력 분위기가 형성되도록 하고, 실린더(140)의 외주면에 온도조절기를 설치하여 원료를 탈가교화하기 위한 반응온도 분위기가 형성되도록 한다. 구체적으로 본 실시예에 따른 이축 압출기(130)는 280~400℃의 반응온도 및 0.1~20MPa 반응압력의 분위기하에서 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공을 수행한다.
이축 압출기(130)는 분쇄된 가교 폴리에틸렌의 주입량과 이축 스크류(150)의 회전속도에 따라 가교 폴리에틸렌의 체류시간을 조절 가능하며, 반응온도와 반응압력과 원료의 공급량과 이축 스크류(150)의 회전속도에 따라 분자량 및 물성 조절이 가능하다.
실린더(140)에는 복수의 압력 및 온도센서(147)가 설치되어 실린더(140) 내에서 초임계 분위기 하에서 탈가교화 반응이 진행되는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 이축 스크류(150)는 복수의 스크류 엘리먼트를 조합한 스크류 조합체로서, 도 3에서 도시한 하나의 스크류 조합체가 실린더(140)의 내부에 나란하게 2개 배치되며(도 1 참조), 구동모터(160)에 의해 동방향으로 회전된다.
본 실시예에서 이축 스크류(150)는 실린더(140) 내부에 공급된 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공하기 위해 다단계 영역을 가진다.
또한, 원료를 완벽히 용융시키고 재생된 폴리에틸렌을 토출시키기 위한 압력을 얻고자 열확산성(Diffusivity) 이나 멱함수 계수(Power-law coefficient), 용융점, 다이헤드 압력, 점도(viscosity), 결정화도 (Crystallinity) 등을 검토한 후 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공하여 재생된 폴리에틸렌을 제조하기 위해 적합한 이축 스크류(150)의 길이(L) 대 직경(D)의 비율(L/D)이 결정된다.
본 실시예에 따른 이축 스크류(150)의 전체 길이(L) 대 직경(D)의 비율(L/D)이 32:1~48:1의 범위를 가질 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 이축 스크류(150)의 전체 길이(L) 대 직경(D) 비율(L/D)을 48:1로 하여, 가교 폴리에틸렌 수지의 재생에 필요한 체류시간을 증가시킴으로써 탈가교화 반응 영역 및 반응시간을 길게할 수 있다. 여기서 이축 스크류(150)의 직경은 이축 스크류(150)의 평균직경을 의미한다.
한편, 이축 스크류의 L/D가 48:1을 초과하는 경우에는 가공 중 이축 스크류의 휨 현상 및 실린더(140) 내 배럴(131)과의 마찰로 인한 이축 스크류의 마모 현상이 발생하고, 또한 원료의 체류시간 및 탈가교 반응시간의 증가로 인하여 탈가교의 과도화로 물성저하가 발생한다. 특히 장비 설계 및 설치 비용과 전기 에너지 비용이 증가된다.
또한 이축 스크류의 L/D가 32:1 미만인 경우에는 원료의 체류시간과 반응시간의 감소로 인해 전단응력 전달 및 탈가교화 정도가 미세하여 탈가교화가 이뤄지지 않아 재생원료로 사용할 수 없다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이축 스크류(150)는 실린더(140) 내부에 투입된 원료를 연속적으로 이송시키면서 용융, 혼련, 탈가교화 반응 및 가공 시 탈가교화 반응에 필요한 반응압력 분위기를 형성하도록 공급부(A)와 융융부와 반응부(C) 및 배출부(D)의 영역으로 구분된다.
한편, 본 실시예에서 이축 스크류(150)는 길이가 길고, 반응 용매 사용과 고온의 고점도 고압 압출 공정을 수행하므로, 영역을 구분하여 니켈 크롬 몰리브덴강(SNCM21)과 스테인리스 스틸316(SUS316)으로 제작하는 것이 바람직하다. 특히 공급부(A)와 용융부(B)와 배출부(D)는 내마모성이 우수한 니켈 크롬 몰리브덴강(SNCM21)으로 제작되고, 용매 주입 및 탈가교화 반응이 일어나는 반응부(C)는 내화학성이 우수한 스테인리스 스틸316(SUS316)로 제작될 수 있다.
공급부(A)는 원료 공급유닛(110)에서 공급된 원료를 이송하면서 원료를 분쇄하고 원료를 가압하고 용융하는 영역이다.
공급부(A)는 원료의 이송방향을 따라 연속되게 형성된 제1 나선부(A1)와 제2 나선부(A2)를 포함한다. 그리고 제1 나선부(A1)의 피치가 제2 나선부(A2)의 피치보다 크게 형성된다.
상기와 같이 공급부(A)를 구성하는 제1 나선부(A1)와 제2 나선부(A2)의 형상에 의해 원료가 제1 나선부(A1)와 제2 나선부(A2)를 따라 이송되면서 점차로 가압 및 용융된다. 또한 공급부(A)의 제2 나선부(A2)의 후단에 원료가 밀집되도록 함으로써 용융부(B)에 주입된 반응용매의 역류를 방지할 수 있다.
한편, 실린더(140)에는 제1 나선부(A1)에 대응되는 위치에 원료 공급유닛(110)으로부터 분쇄된 가교 폴리에틸렌 원료가 공급되는 투입부(141)가 마련된다.
용융부(B)는 공급부(A)를 지나 이송된 원료를 완벽하게 용융하고 혼련하는 영역이다.
용융부(B)는 다수의 니딩블록(kneading block; KB)들이 조합되어 구성되며 상호 이격된 복수의 제1 블록군(B1,B3,B7)과, 제1 블록군(B1,B3,B7)들 중 어느 하나의 후단에 연속되게 배치된 역방향 나선부(B4)를 포함한다.
본 실시예에서는 원료의 이송방향을 따라 3개의 제1 블록군(B1,B3,B7)이 상호 이격되게 배치된다. 제1 블록군(B1,B3,B7)들은 원료에 대한 용융과 혼련성을 향상시킨다. 역방향 나선부(B4)는 원료의 체류시간을 증가시켜 원료의 용융 및 혼련성을 더욱 향상시킨다.
또한 용융부(B)는 원료의 이송방향을 따라 첫번째 제1 블록군(B1)의 후단에 제3 나선부(B2)가 연속되게 배치된다. 그리고 두번째 제1 블록군(B3)의 후단에 역방향 나선부(B4)와 제4 나선부(B5) 및 제5 나선부(B6)가 연속되게 배치된다. 그리고, 세번째 제1 블록군(B3)의 후단에 제6 나선부(B8)와 제7 나선부(B9)가 연속되게 배치된다. 제3 내지 제7 나선부(B2,B5,B6,B8,B9)는 제1 블록군(B1,B3,B7)들에 의한 원료의 용융 및 혼련 후에 원료의 이송을 원활하게 한다.
제1 블록군(B1,B3,B7)은 원료의 용융과 혼련을 향상시키고, 제3 내지 제7 나선부(B2,B5,B6,B8,B9)는 원료를 이송시키는 역할을 한다.
니딩블록은 각각의 독립된 타원형의 디스크가 일정한 각도를 이루며 배열되어 있는 불연속적인 구조를 갖는다. 니딩블록은 원료의 진행방향에 따라 정방향 니딩블록(KB-R), 역방향 니딩블록(KB-L), 중립 니딩블록(KB-N)으로 구분된다.
정방향 니딩블록(KB-R)은 니딩블록의 회전에 의해 원료가 다이(Die)방향, 즉 배출부(D)방향으로 이송되며, 역방향 니딩블록(KB-L)은 니딩블록의 회전에 의해 원료가 이송방향과 반대방향으로 이송된다. 그리고 중립 니딩블록(KB-N)은 원료가 이동하지 않는 것이다.
도시되지는 않았으나, 정방향 니딩블록(KB-R)은 5개의 디스크들이 시계방향으로 상호 45˚ 각도를 이루며 배열되는 5R타입 또는 7개의 디스크들이 시계방향으로 상호 30˚ 각도를 이루며 배열되는 7R 타입이 사용될 수 있다.
그리고 역방향 니딩블록(KB-L)은 5개의 디스크들이 반시계방향으로 상호 45˚각도를 이루며 배열된 5L 타입이 사용될 수 있다.
그리고 중립 니딩블록(KB-N)은 5개의 디스크들이 시계방향으로 상호 90˚각도를 이루며 배열된 5N 타입이 사용될 수 있다.
본 실시예에서 첫번째 제1 블록군(B1)은 공급부(A)의 제2 나선부(A2)의 후단에 연속되게 배치되며, 원료의 이송방향을 따라 2개의 정방향 니딩블록(KB-R)과 1개의 중립 니딩블록(KB-N)이 조합되어 구성된다. 두번째 제1 블록군(B3)은 제3 나선부(B2)의 후단에 연속되게 배치되며, 원료의 이송방향을 따라 2개의 정방향 니딩블록(KB-R)과 1개의 중립 니딩블록(KB-N)이 조합되어 구성된다. 세번째 제1 블록군(B7)은 제4 나선부(B5)의 후단에 연속되게 배치되며, 원료의 이송방향을 따라 2개의 정방향 니딩블록(KB-R)과 1개의 중립 니딩블록(KB-N)이 조합되어 구성된다.
한편, 3개의 제1 블록군(B1,B3,B7)을 연속되게 배치하는 경우에 원료의 체류시간이 과도하게 길어지고 원료가 전단(shear)을 많이 받아 열분해가 심화될 우려가 있으므로, 본 실시예에서는 3개의 제1 블록군(B1,B3,B7)을 상호 이격되게 마련하여 원료에 대한 용융과 혼련성을 향상시킨다. 또한 본 실시예에서는 원료에 대한 혼련성을 향상시킨 후 이송을 원활하게 하기 위해 제1 블록군(B1,B3,B7)들의 후단에 각각 제3 내지 제7 나선부(B2,B5,B6,B8,B9)를 마련한다.
또한 본 실시예에서는 두번째 제1 블록군(B3)의 후단과 제4 나선부(B5)의 사이에 역방향 나선부(B4)를 마련하므로, 역방향 나선부(B4)에 의해 원료의 체류시간을 증가되므로 두번째 제1 블록군(B3)에서의 원료의 용융 및 혼련성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 제3 나선부(B2)의 피치는 제2 나선부(A2)의 피치와 동일하게 형성될 수 있다. 또한 제4 나선부(B5)의 피치가 제5 나선부(B6)의 피치보다 크게 형성된다. 이때 제5 나선부(B6)의 피치는 제3 나선부(B2)의 피치와 동일하게 형성될 수 있다. 또한 제6 나선부(B8)의 피치가 제7 나선부(B9)의 피치보다 크게 형성된다. 이때 제7 나선부(B9)의 피치는 제5 나선부(B6)의 피치와 동일하게 형성될 수 있다.
상기와 같이 용융부(B)를 구성하는 제3 내지 제7 나선부(B9)는 제1 블록군(B1,B3,B7)들에 의한 원료의 용융 및 혼련 후에 원료의 이송을 원활하게 하며, 특히 제5 나선부(B6)의 피치가 제4 나선부(B5)의 피치보다 작으므로 제5 나선부(B6)에서 원료가 밀집된 후 두번째 제1 블록군(B3)으로 이송되며, 제7 나선부(B9)의 피치가 제6 나선부(B8)의 피치보다 작으므로 제7 나선부(B9)에서 원료가 밀집된 후 후술할 제2 블록군(C1)으로 이송된다.
한편, 실린더(140)에는 제5 나선부(B6)에 대응되는 위치에 반응용매가 공급되는 용매공급부(143)가 마련된다. 세번째 제1 블록군(B7)과 제6 나선부(B8) 및 제7 나선부(B9)에서 반응용매가 용융된 원료와 혼합 및 혼련된다.
그리고 이축 압출기(130) 내의 용융 및 혼련에 의해 이축 압출기(130)의 내부는 고온 및 고압상태를 유지하므로, 본 실시예에서는 반응용매를 공급함에 있어서 고온 및 고압상태에서 일정량의 반응용매를 실린더(140)의 내부에 주입할 수 있도록 정량펌프(미도시)가 사용된다.
반응부(C)는 용융부(B)를 지나 이송된 원료에 반응용매인 초임계 유체를 주입하여 원료를 탈가교화시키는 영역이다.
반응부(C)는 반응용매인 초임계 유체에 의한 초임계 조건 하에서 탈가교화 반응이 유도되며, 반응부(C)에는 280~400℃의 반응온도 및 0.1~20MPa 반응압력의 탈가교환 반응 분위기가 형성된다.
반응부(C)는 다수의 니딩블록(kneading block; KB)들과 투스블록(tooth block; TM)들이 조합되어 구성된 제2 블록군(C1)과, 제2 블록군(C1)으로부터 이격되게 배치되며 다수의 니딩블록들이 조합되어 구성된 제3 블록군(C3)을 포함한다. 또한 반응부(C)는 제2 블록군(C1)의 후단에 제8 나선부(C2)가 연속되게 배치된다.
제2 블록군(C1)은 원료에 대한 탈가교화를 향상시키기 위한 것으로, 원료의 이송방향을 따라 정방향 니딩블록(KB-R)과 투스블록(TM)이 교대로 배치된다. 즉, 본 실시예에서 제2 블록군(C1)은 정방향 니딩블록(KB-R), 투스블록(TM), 정방향 니딩블록(KB-R), 투스블록(TM)이 차례로 연속되게 배치된다. 투스블록(TM)은 외주면에 톱니가 형성된 3개의 디스크들이 배열된 3R 타입 등이 사용될 수 있다.
제3 블록군(C3)은 원료에 대한 혼련과 탈가교화를 더욱 향상시키기 위해 제8 나선부(C2)를 사이에 두고 제2 블록군(C1)으로부터 이격되게 배치된다. 제3 블록군(C3)은 원료의 이송방향을 따라 2개의 정방향 니딩블록(KB-R)과 중립 니딩블록(KB-N)과 역방향 니딩블록(KB-L)이 조합되어 구성된다. 제3 블록군(C3)은 역방향 니딩블록(KB-L)을 포함하므로, 탈가교화 반응에 필요한 반응시간을 충분히 확보할 수 있어 탈가교화반응을 더욱 촉진할 수 있다.
한편, 제2 블록군(C1)과 제3 블록군(C3)을 연속되게 배치하는 경우에 원료의 체류시간이 과도하게 길어지고 원료가 전단(shear)을 많이 받아 열분해가 심화될 우려가 있으므로, 제2 블록군(C1)과 제3 블록군(C3) 사이에 제8 나선부(C2)를 마련한다. 제8 나선부(C2)의 피치는 제7 나선부(B9)의 피치와 동일하게 형성될 수 있다.
제8 나선부(C2)는 제2 블록군(C1)을 거쳐 탈가교화된 원료의 이송을 원활하게 하고, 또한 원료를 밀집한 후 제3 블록군(C3)으로 이송한다.
배출부(D)는 반응부(C)에서 탈가교화되어 재생된 폴리에틸렌 수지를 펠렛 또는 와이어 형태로 가공하여 배출하는 영역이다. 또한 배출부(D)는 반응부(C)에서 탈가교화반응 후 재생된 폴리에틸렌 수지가 반응용매와 분리 배출되는 영역이다.
배출부(D)는 원료의 이송방향을 따라 연속되게 형성된 제9 나선부(D1)와 제10 나선부(D2)를 포함한다. 그리고 제9 나선부(D1)의 피치가 제10 나선부(D2)의 피치보다 크게 형성되고, 제9 나선부(D1)의 피치는 제6 나선부(B8)의 피치와 동일하게 형성될 수 있다.
탈가교화되어 재생된 폴리에틸렌 수지는 제9 나선부(D1)와 제10 나선부(D2)를 거치면서 펠렛 또는 와이어형태로 배출되며, 제10 나선부(D2)의 피치가 제9 나선부(D1)의 피치보다 작게 형성되므로 탈가교화 반응 후의 반응용매는 제10 나선부(D2)로 이동되지 않고 용이하게 배출될 수 있다.
한편, 실린더(140)에는 제9 나선부(D1)에 대응되는 위치에 탈가교화 반응 후의 반응용매 및 잔류가스를 배출과 진공유지를 위한 가스배출부(145)가 마련된다. 그리고 실린더(140)에는 배출부(D)에 대응되는 위치에 재생된 폴리에틸렌 수지가 배출되는 토출부(146)가 마련되며, 재생된 폴리에틸렌 수지는 토출부(146)를 통해 배출되면서 펠렛 또는 와이어형태로 배출된다.
그리고 토출부(146)에서 배출된 재생된 폴리에틸렌 수지는 냉각유닛(170)에 의해 냉각된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치 110: 원료 공급유닛
130: 이축 압출기 150: 이축 스크류
A: 공급부 B: 용융부
C: 반응부 D: 배출부
160: 구동모터 170: 냉각유닛

Claims (11)

  1. 가교 폴리에틸렌 수지인 원료를 공급하는 원료 공급유닛; 및
    상기 원료 공급유닛으로부터 상기 원료를 공급받으며, 실린더와 상기 실린더의 내부에 설치되며 동방향으로 회전되는 이축 스크류를 구비하되, 상기 이축 스크류의 회전에 의해 상기 원료를 상기 이축 스크류를 따라 연속적으로 이송시키면서 탈가교화 반응온도 및 반응압력 분위기 하에서 상기 원료를 탈가교화하여 재생시키는 이축 압출기를 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이축 스크류는,
    상기 원료를 이송하면서 상기 원료를 가압하고 용융하는 공급부;
    상기 공급부를 지나 이송된 상기 원료를 용융하고 혼련하는 용융부;
    상기 용융부를 지나 이송된 상기 원료에 반응용매인 초임계 유체를 주입하여 초임계 조건을 유지하며, 상기 원료를 탈가교화시키는 반응부; 및
    탈가교화되어 재생된 폴리에틸렌 수지를 가공하여 배출하는 배출부를 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용융부는,
    다수의 니딩블록(kneading block)들이 조합되어 구성되고, 상호 이격된 복수의 제1 블록군; 및
    상기 제1 블록군들 중 어느 하나의 후단에 연속되게 배치된 역방향 나선부를 포함하며,
    상기 제1 블록군은,
    상기 원료의 이송방향을 따라 연속되게 배치된 적어도 하나의 정방향 니딩블록; 및
    상기 원료의 이송방향을 따라 상기 정방향 니딩블록에 연속되게 배치된 중립 니딩블록을 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원료의 이송방향을 따라 3개의 상기 제1 블록군이 상호 이격되게 배치되며,
    첫번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제3 나선부가 배치되고, 두번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제4 나선부와 제5 나선부가 배치되고, 세번째 상기 제1 블록군의 후단에는 제6 나선부와 제7 나선부가 배치되며,
    상기 제4 나선부의 피치는 상기 제5 나선부의 피치보다 크게 형성되고, 상기 6 나선부의 피치는 상기 제7 나선부의 피치보다 크게 형성되며,
    상기 제4 나선부의 선단에는 상기 역방향 나선부가 배치되는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 반응부는,
    다수의 니딩블록(kneading block)들과 투스블록(tooth block)들이 조합되어 구성된 제2 블록군;
    상기 제2 블록군으로부터 이격되게 배치되며, 상기 다수의 니딩블록들이 조합되어 구성된 제3 블록군; 및
    상기 제2 블록군의 후단에 연속되게 배치된 제8 나선부를 포함하며,
    상기 제2 블록군은 상기 원료의 이송방향을 따라 정방향 니딩블록과 상기 투스블록이 교대로 배치되고,
    상기 제3 블록군은,
    정방향 니딩블록;
    상기 원료의 이송방향을 따라 상기 정방향 니딩블록에 연속되게 배치된 중립 니딩블록; 및
    상기 원료의 이송방향을 따라 상기 중립 니딩블록에 연속되게 배치된 역방향 니딩블록을 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 배출부는 상기 원료의 이송방향을 따라 연속되게 형성된 제9 나선부와 제10 나선부를 포함하되,
    상기 제9 나선부의 피치는 상기 제10 나선부의 피치보다 크게 형성되는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 반응용매는 초임계 상태의 증류수, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물인 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 이축 압출기는,
    280~400℃의 반응온도 및 0.1~20MPa 반응압력에서 상기 원료를 용융, 혼련, 탈가교화 및 가공하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 반응부는 내화학성이 우수한 스테인리스 스틸316(SUS316)로 제작되고,
    상기 공급부와 상기 용융부 및 상기 배출부는 내마모성이 우수한 니켈 크롬 몰리브덴강(SNCM21)으로 제작되는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이축 스크류의 전체 길이 대 직경 비율(L/D)이 32:1 ~ 48:1 인 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 원료는 가교 폴리에틸렌 전선과, 가교 폴리에틸렌 발포체와, 가교 폴리에틸렌 온돌 파이프를 포함하는 이축 압출기를 이용한 가교 폴리에틸렌 수지의 재생장치.
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