KR20230112932A

KR20230112932A - 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법

Info

Publication number: KR20230112932A
Application number: KR1020220009142A
Authority: KR
Inventors: 김두기; 남기준; 신정인; 허성익
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-07-28
Also published as: WO2023140430A1; KR102591749B1; KR102591749B9

Abstract

본 발명은 고분자 수지 폐기물의 재활용을 위한 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 상이한 가교도를 갖는 다양한 종류의 재활용 대상 고분자 수지를 포함하는 폐기물을 균일하게 낮은 가교도를 갖는 재활용 고분자 수지로 탈가교할 수 있고 탈가교시 고온에 의한 첨가제의 분해로 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법에 관한 것이다.

Description

탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법{Decrosslinking apparatus and decrosslinking method using the same}

자원보호, 환경오염 방지 차원에서 최근 혼합 폐플라스틱의 재활용을 위한 기술개발이 중요한 사회적 문제로 대두되고 있다. 일반 가정에서 사용되고 있는 폐 포장 필름류 등에 대해서는 「생산자 책임 재활용 제도」의 시행으로 재활용 효율성이 점차 향상되고 있다.

그러나, 폴리에틸렌계 수지 등의 폴리올레핀계 수지는 저렴한 가격에 비하여 우수한 물성을 가짐에 따라 범용 플라스틱 중에서 가장 많이 사용되고 있지만, 가교되는 경우 가교된 고분자 사슬의 불용성(insoluble) 및 불융성(infusible)으로 인해 아직까지 적절한 처리나 재생방법이 제대로 개발되어 있지 않다.

따라서, 현재 가교 폴리올레핀계 수지는 대부분 소각되거나 매립될 뿐, 효과적인 재활용이 이루어지지 않고 있으며, 이는 환경적으로 많은 문제점들을 야기하고 있다.

이러한 폐 가교 폴리올레핀계 수지를 재활용하기 위해서는 탈가교 반응을 통해 가교 폴리올레핀계 수지의 가교 구조를 부분적으로 또는 전체적으로 제거함으로써 탈가교화시키고, 탈가교된 반응 생성물을 유/무기화시키는 복합적인 시스템을 필요로 한다.

한편, 폐 가교 폴리올레핀계 수지는 사용했던 작업 조건 및 환경에 따라 상이한 가교도 및 상태를 보유할 수 있고, 예를 들어, 정상 압출 후 완전 가교되어 80% 이상의 가교도를 보유하는 폐 수지, 미반응 가교제를 포함하는 베이스 수지 원료로서 납품취소 등의 사유로 사용전에 폐기되는 수지, 컴파운드용 압출기의 압출조건으로서 온도, 압력 등을 목적한 수준으로 올리기 위한 예비압출시 사용되어 가교도가 0 내지 60%로 분포되는 예압분 폐 수지 등이 있다.

이렇게 다양한 가교도 및 상태를 보유하는 재활용 대상 고분자 수지의 혼합물을 동일한 조건에서 탈가교시키는 경우 제조되는 재활용 수지의 가교도 분포가 넓게 형성되어 재활용이 곤란하고, 상대적으로 높은 가교도를 보유한 완전 가교 폐 수지의 탈가교를 위한 고온에서 첨가제의 분해로 인해 악취가 발생하는 문제가 있다.

따라서, 상이한 가교도를 갖는 다양한 종류의 재활용 대상 고분자 수지를 포함하는 폐기물을 균일하게 낮은 가교도를 갖는 재활용 고분자 수지로 탈가교할 수 있고 탈가교시 고온에 의한 첨가제의 분해로 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상이한 가교도를 갖는 다양한 종류의 재활용 대상 고분자 수지를 포함하는 폐기물을 균일하게 낮은 가교도를 갖는 재활용 고분자 수지로 탈가교할 수 있는 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 탈가교시 고온에 의한 첨가제의 분해로 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

폐 수지의 탈가교를 통해 재활용 수지를 제조하기 위한 탈가교 장치로서, 가교도가 상이한 2종 이상의 폐 수지 혼합물을 포함하는 혼합 스크랩을 공급하는 혼합부, 상기 혼합 스크랩을 압출하는 1차 압출기, 및 상기 1차 압출기에 직렬로 연결되어 상기 1차 압출기에서 토출된 압출물을 다시 압출하는 2차 압출기를 포함하고, 상기 2차 압출기가 연결되지 않은 1차 압출기 내부의 압력에 비해 상기 2차 압출기가 연결된 1차 압출기 내부의 압력이 증가하는, 탈가교 장치를 제공한다.

여기서, 상기 1차 압출기는 이축 스크류가 적용된 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)이고, 상기 스크류 구조는 순차적으로 피딩부, 믹싱부 및 토출부의 3개의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

또한, 상기 2차 압출기가 연결되지 않은 1차 압출기의 토출부 내부 압력을 기준으로 상기 2차 압출기가 연결된 1차 압출기의 토출부 내부 압력이 8 내지 20% 증가하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

그리고, 상기 1차 압출기는 상기 1차 압출기의 전체 영역을 기준으로 상기 피딩부 영역이 차지하는 공간이 20 내지 30%, 상기 믹싱부 영역이 차지하는 공간이 40 내지 60%, 상기 토출부 영역이 차지하는 공간이 10 내지 20%로 할당되는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

나아가, 상기 피딩부 영역에서의 압출 온도는 200 내지 250℃로 조절되고, 상기 믹싱부 영역에서의 압출 온도는 200 내지 350℃로 조절되며, 상기 토출부 영역에서의 압출 온도는 150 내지 300℃로 조절되는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

한편, 상기 2차 압출기는 상기 1차 압출기의 토출부로부터 토출된 압출물이 이동하는 통로의 중앙에 압출물의 흐름을 방해하여 상기 1차 압출기의 내부 압력을 증가시키는 블록부 및 상기 블록부 둘레에서 나선형의 스크류 형태로 형성되어 상기 압출물이 이동하는 통로를 제공하는 통로부가 형성되는 필터스크류 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

여기서, 상기 통로부에는 압출물로부터의 배출 가스를 배기하기 위한 하나 이상의 배기홀이 형성되고, 상기 배기홀을 통해 배출된 가스를 여과하여 탈취하는 벤트부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

그리고, 상기 혼합 스크랩은 가교도가 80% 이상인 폐 가교 수지 및 미반응 가교제를 포함하는 비가교 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

여기서, 상기 탈가교 장치를 통해 제조되는 재활용 수지는 가교도가 7%를 초과하는 수지의 함량이 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치를 제공한다.

한편, 상기 탈가교 장치를 이용하여 아래 a) 내지 c) 단계를 순차적으로 수행하는 탈가교 방법을 제공한다.

a) 가교도 상이한 2종 이상의 폐 수지를 포함하는 혼합 스크랩을 물리적으로 혼합하는 단계, b) 1차 압출기에 혼합 스크랩을 공급하여 압출하는 단계, 및 c) 상기 1차 압출기에 직렬로 연결된 2차 압출기에 단계 b)에서 압출된 압출물을 공급하여 압출하는 단계.

본 발명에 따른 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법은 직렬로 연결된 2개의 압출기를 통해 1차 압출기의 구간별 내압 조절로 균일하게 낮은 가교도를 갖는 재활용 고분자 수지를 제조할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 탈가교 장치 및 이를 이용한 탈가교 방법은 직렬로 연결된 2개의 압출기 중 2차 압출기에서의 가스 배출 및 여과를 통해 탈가교시 고온에 의한 첨가제 분해로 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 탈가교 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에서 2차 압출기의 횡단면 및 종단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 모터 부하 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 단위 회전당 압출량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 구간별 압력변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 탈가교 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탈가교 장치는 재활용 대상으로서 폐 수지 혼합물인 혼합 스크랩을 공급하는 혼합부(100), 상기 혼합 스크랩을 압출하는 1차 압출기(200), 상기 1차 압출기(200)에서 토출된 압출물을 다시 압출하는 2차 압출기(300), 및 상기 1차 압출기(200) 및 상기 2차 압출기(300)에서 압출시 배출된 가스를 압출기로부터 배출하여 여과하는 벤트부(400)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 혼합부(100)는 상기 혼합 스크랩에 포함되는 상이한 가교도 및 상태를 보유한 2종 이상의 폐 수지를 물리적으로 균일하게 혼합하기 위한 교반을 수행하면서 상기 혼합 스크랩을 상기 1차 압출기(200)로 제공할 수 있다.

또한, 상기 혼합 스크랩에 포함되는 상이한 가교도 및 상태를 보유한 2종 이상의 폐 수지는, 예를 들어, 정상 압출 후 완전 가교되어 80% 이상의 가교도를 보유하는 폐 수지, 미반응 가교제를 포함하는 베이스 수지 원료로서 납품취소 등의 사유로 사용하지 않고 폐기되는 수지, 컴파운드용 압출기의 압출조건으로서 온도, 압력 등을 목적한 수준으로 올리기 위한 예비압출시 사용되어 가교도가 0 내지 60%로 분포되는 예압분 폐 수지 등을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 혼합 스크랩에 포함된 2종 이상의 폐 수지들이 폴리올레핀계 수지인 경우, 완전 가교되어 80% 이상의 가교도를 보유하는 폐 수지는 용융지수(MI)가 0.5 이하, 인장강도는 1 내지 3 kgf/㎟, 신장율은 150 내지 600%일 수 있고, 미반응 가교제를 포함하는 비가교 폐 수지는 용융지수(MI)가 1.0 내지 5.0, 인장강도는 1.0 내지 3.0 kgf/㎟, 신장율은 150 내지 600%일 수 있으며, 예압분 폐 수지는 용융지수(MI)가 0.1 내지 5.0, 인장강도는 1 내지 3 kgf/㎟, 신장율은 150 내지 600%일 수 있다.

상기 1차 압출기(200)는 이축 스크류가 적용된 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)일 수 있고, 이러한 스크류 구조는 순차적으로 피딩부, 믹싱부 및 토출부의 총 3개의 영역으로 구분될 수 있다. 여기서, 상기 피딩부의 압출 온도는 200 내지 250℃로 조절됨으로써 혼합 스크랩 중 비가교 폐 수지에 포함된 미반응 가교제의 가교반응 또는 분해반응이 완료되도록 하는 영역이다.

또한, 상기 믹싱부는 압출 온도가 200 내지 350℃로 조절됨으로써 가교수지의 가교부분을 제거하는 탈가교 반응이 본격적으로 수행되는 영역이고, 상기 토출부는 압출 온도가 150 내지 300℃로 조절되면서 압출물을 상기 2차 압출기로 전달하는 영역이다.

특히, 상기 1차 압출기는 이의 전체 영역을 기준으로 상기 피딩부 영역이 차지하는 공간이 20 내지 30%, 상기 믹싱부 영역이 차지하는 공간이 40 내지 60%, 상기 토출부 영역이 차지하는 공간이 10 내지 20%로 할당될 수 있다.

도 2는 도 1에서 2차 압출기의 횡단면 및 종단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 1차 압출기에 직렬로 연결되는 상기 2차 압출기는 1차 압출기의 토출부로부터 토출된 압출물이 이동하는 통로의 중앙에 압출물의 흐름을 방해하여 상기 1차 압출기 내부, 특히 토출부의 압력을 인위적으로 증가시키는 블록부(310), 상기 블록부 (310) 둘레에서 나선형의 스크류 형태로 형성되어 압출물이 이동하는 통로를 제공하는 통로부(320)가 형성되는 필터스크류 압출기일 수 있다.

이로써, 상기 1차 압출기 내부, 특히 토출부 내부의 압력 증가로 상기 1차 압출기 내부에서 압출물의 더욱 균질한 혼합 및 반응이 수행될 수 있고, 상기 2차 압출기 내부에서는 1차 압출기에서 부족했던 탈가교 반응을 추가로 수행함으로써, 결과적으로 제조되는 재활용 수지에 있어서 상기 재활용 수지의 총 중량을 기준으로 가교도가 7%를 초과하는 수지의 함량이 5 중량% 이하로 조절될 수 있다.

구체적으로, 2차 압출기가 연결되지 않은 상기 1차 압출기의 토출부 내부 압력을 기준으로 상기 2차 압출기가 연결된 상기 1차 압출기의 토출부 내부 압력이 8 내지 20% 증가할 수 있다. 여기서, 상기 2차 압출기가 연결된 상기 1차 압출기의 토출부 내부 압력의 증가율이 8% 미만인 경우 상기 1차 압출기 내부 압력이 불충분해 최종적으로 제조되는 재활용 수지의 가교도 분포가 넓게 형성될 수 있는 반면, 20% 초과인 경우 1차 압출기 내부 압력이 불필요하게 과도하여 압출기가 손상되거나 재활용 수지의 물성이 저하될 수 있다.

상기 2차 압출기(300)에서 압출물이 이동하는 통로부(320)에는 고온의 압출물에서 첨가제의 분해 등에 의해 발생하는 배출 가스를 배기하기 위한 하나 이상의 배기홀(미도시)이 형성될 수 있고, 상기 배기홀을 통해 배출된 가스는 벤트부(400)로 이송되고 상기 벤트부(400)는 배출 가스를 여과하여 탈취하는 기능을 수행함으로써 공정상 악취를 제거할 수 있다.

도 3은 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 모터 부하 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4는 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 단위 회전당 압출량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 5는 2차 압출기 적용 여부에 따른 1차 압출기 내부 스크류 구간별 압력변화를 나타내는 그래프이다.

실제로, 1차 압출기에 직렬로 연결되는 2차 압출기가 적용된 경우 2차 압출기가 적용되지 않은 경우에 비해 1차 압출기 내부의 모터 부하 및 압력이 증가함으로써 압출량은 감소된 것으로 확인되었다. 도 3 및 4에서 RPM 1은 150, RPM 2는 200, RPM 3은 250이다.

본 발명은 앞서 기술한 탈가교 장치를 이용한 탈가교 방법에 관한 것으로 아래 단계 a) 내지 c)를 순차적으로 포함할 수 있다.

a) 가교도 또는 상태가 상이한 2종 이상의 폐 수지를 포함하는 혼합 스크랩을 물리적으로 혼합하는 단계,

b) 1차 압출기에 혼합 스크랩을 공급하여 압출하는 단계, 및

c) 상기 1차 압출기에 직렬로 연결된 2차 압출기에 단계 b)에서 압출된 압출물을 공급하여 압출하는 단계.

상기 c) 단계는 2차 압출기에 구비된 벤트부를 통해 압출물로부터 배출되는 가스를 수집하여 여과하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

[실시예]

1. 공정 조건

가교도 80% 이상의 폐 폴리에틸렌 수지(XLPE) 단독 및 가교도 80% 이상의 폐 폴리에틸렌 수지와 미반응 가교제 함유 비가교 폴리에틸렌 수지를 중량비 5:5로 포함하는 혼합 스크랩 각각으로부터 본 발명에 따른 탈가교 장치, 즉 1차 압출기 및 2차 압출기가 직렬로 연결되고 2차 압출기에 배출 가스의 정화를 위한 벤트부가 구비된 탈가교 장치를 통해 재활용 수지를 제조하는 실시예 및 2차 압출기가 연결되지 않은 1차 압출기만이 구비된 탈가교 장치를 통해 재활용 수지를 제조하는 비교예를 수행했다.

2. 재활용 수지 평가

실시예 및 비교예 각각의 공정 조건이 적용된 탈가교 공정을 통해 제조한 재활용 수지를 시편으로 압출하여 외관 상태를 촉감 및 육안으로 평가했고, 압출 시편 10개 각각의 인장강도 및 신율을 측정하여 평가했으며, 탈가교 공정에서 악취 여부를 관능 평가했다. 평가 결과는 아래 표 1에 기재된 바와 같다.

구분		외관	냄새	인장강도(kgf/㎟)	신율(%)
비교예	XLPE	양호	강함	1.2	250
비교예	혼합 스크랩	불량	강함	0.7~1.1	50~200
실시예	XLPE	양호	약함	1.3	200
실시예	혼합 스크랩	양호	약함	1.2	180~220

상기 표 1에 정리된 바와 같이, 실시예의 공정 조건으로 탈가교 공정을 수행하여 재활용 수지를 제조하는 경우 재활용 수지로부터 형성된 시편의 외관이 양호하고, 인장강도 및 신율의 분포가 균일한 것으로 확인되어 재활용 수지의 가교도가 균일한 것으로 확인되었으며, 탈가교 공정시 악취가 충분히 제거되었다.

한편, 비교예의 공정 조건으로 탈가교 공정을 수행하여 재활용 수지를 제조하는 경우 혼합 스크랩으로부터 제조된 재활용 수지로부터 형성된 시편의 외관이 불량하고, 인장강도 및 신율이 분포가 넓은 것으로 확인되어 재활용 수지의 가교도의 분포가 넓어 재활용이 곤란한 것으로 확인되었으으며, 탈가교 공정시 악취가 심한 것으로 확인되었다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100 : 혼합 스크랩
200 : 1차 압출기
300 : 2차 압출기
400 : 벤트부

Claims

폐 수지의 탈가교를 통해 재활용 수지를 제조하기 위한 탈가교 장치로서,
가교도가 상이한 2종 이상의 폐 수지 혼합물을 포함하는 혼합 스크랩을 공급하는 혼합부,
상기 혼합 스크랩을 압출하는 1차 압출기, 및
상기 1차 압출기에 직렬로 연결되어 상기 1차 압출기에서 토출된 압출물을 다시 압출하는 2차 압출기를 포함하고,
상기 2차 압출기가 연결되지 않은 1차 압출기 내부의 압력에 비해 상기 2차 압출기가 연결된 1차 압출기 내부의 압력이 증가하는, 탈가교 장치.
제1항에 있어서,
상기 1차 압출기는 이축 스크류가 적용된 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)이고,
상기 스크류 구조는 순차적으로 피딩부, 믹싱부 및 토출부의 3개의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제2항에 있어서,
상기 2차 압출기가 연결되지 않은 1차 압출기의 토출부 내부 압력을 기준으로 상기 2차 압출기가 연결된 1차 압출기의 토출부 내부 압력이 8 내지 20% 증가하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제2항에 있어서,
상기 1차 압출기는 상기 1차 압출기의 전체 영역을 기준으로 상기 피딩부 영역이 차지하는 공간이 20 내지 30%, 상기 믹싱부 영역이 차지하는 공간이 40 내지 60%, 상기 토출부 영역이 차지하는 공간이 10 내지 20%로 할당되는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제2항에 있어서,
상기 피딩부 영역에서의 압출 온도는 200 내지 250℃로 조절되고, 상기 믹싱부 영역에서의 압출 온도는 200 내지 350℃로 조절되며, 상기 토출부 영역에서의 압출 온도는 150 내지 300℃로 조절되는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 압출기는 상기 1차 압출기의 토출부로부터 토출된 압출물이 이동하는 통로의 중앙에 압출물의 흐름을 방해하여 상기 1차 압출기의 내부 압력을 증가시키는 블록부 및 상기 블록부 둘레에서 나선형의 스크류 형태로 형성되어 상기 압출물이 이동하는 통로를 제공하는 통로부가 형성되는 필터스크류 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제6항에 있어서,
상기 통로부에는 압출물로부터의 배출 가스를 배기하기 위한 하나 이상의 배기홀이 형성되고,
상기 배기홀을 통해 배출된 가스를 여과하여 탈취하는 벤트부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합 스크랩은 가교도가 80% 이상인 폐 가교 수지 및 미반응 가교제를 포함하는 비가교 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제8항에 있어서,
상기 탈가교 장치를 통해 제조되는 재활용 수지는 가교도가 7%를 초과하는 수지의 함량이 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 탈가교 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 탈가교 장치를 이용하여 아래 a) 내지 c) 단계를 순차적으로 수행하는 탈가교 방법으로서,
a) 가교도 상이한 2종 이상의 폐 수지를 포함하는 혼합 스크랩을 물리적으로 혼합하는 단계,
b) 1차 압출기에 혼합 스크랩을 공급하여 압출하는 단계, 및
c) 상기 1차 압출기에 직렬로 연결된 2차 압출기에 단계 b)에서 압출된 압출물을 공급하여 압출하는 단계.