KR20230147219A - 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물 - Google Patents

친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 폐플라스틱 선별잔재물을 고온, 고압의 아임계 열수처리 및 분말화하여 아스팔트 콘크리트 개질을 위한 첨가제로서 사용함으로써, 폐플라스틱을 리사이클하여 자원화하고, 공정 간 이산화탄소 등 배출가스 및 악취 발생을 최소화하며, 공정 단가가 저렴하여 경제성이 뛰어난, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 첨가된 개질아스팔트 혼합물에 관한 것이다.

Description

친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물{Manufacturing method of eco-friendly additive compostion for an asphalt mixture and An improved asphalt mixture comprising thereof}
본 발명은 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물에 관한 것이다.
아스팔트 콘크리트(아스콘)은 도로포장의 주재료로서, 오늘날 아스팔트의 물성을 개선하기 위한 첨가제 또는 개질제로서, 다양한 고분자를 사용하고 있으며, 현재 국내에서 사용되고 있는 개질 아스팔트는 SMA(Stone Mastic Asphalt), SBSPMA(Styrene Butadiene Styrene Polymer Modified Asphalt), CRM(Crumb Rubber Modifier), PBS(Phoenix Bituminous Stabilizer) 등이 있고, 아스팔트 콘크리트 도로포장의 문제점들을 개선하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다.
또한, 오늘날 환경에 대한 전지구적인 관심 증가에 따라, 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 배출 감소가 국제적인 관심의 대상이 되고 있다. 이산화탄소(CO2) 배출 감소는 지구 온난화 방지는 물론 탄소배출권이라는 상업적 가치를 창출할 수 있으므로, 많은 관심을 끌고 있다. 아스팔트 콘크리트(아스팔트 혼합물, 아스콘) 포장기술 분야에서도 이러한 분위기에 맞추어 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있는 탄소 중립형 친환경 처리 기술을 도입하고자 하는 노력이 계속되고 있는 실정이다.
한편, 오늘날 생활 수준 향상과 더불어 늘어난 플라스틱의 사용에 의해, 매년 버려지는 폐플라스틱이 늘어나고 있고, 이러한 폐플라스틱은 재활용율이 낮으며, 분해도 쉽지 않기 때문에, 이에 대한 효율적 처리가 문제되는 상황이다. 특히, 국내에서 폐플라스틱의 재활용율은 주요 선진국 대비 현저히 떨어지는 실정이며, 자원의 유효화 관점에서 볼 때, 또 다른 플라스틱 또는 석유계 자원으로 리사이클 되는 것이 바람직하나, 대부분 매립 또는 소각 처분되고 있는 실정이다.
이에, 폐플라스틱을 국가 기반 산업 구축에 필요한 건설재료로 재활용하는 방안에 대한 연구가 이어져 왔으며, 특히, 폐플라스틱을 아스팔트 콘크리트에 적용하고자 하는 노력도 계속 진행되어 오고 있다. 관련하여 종래 기술인 한국등록특허 제10-0519667호에서는 혼합 폐플라스틱을 골재, 채움재, 및 아스팔트와 혼합한 아스팔트 콘크리트 혼합물을 개시하고 있으나, 해당 기술에 의하면 혼합 폐플라스틱을 세척, 분쇄하여 사용하기 때문에 전처리 비용이 많이 드는 문제가 있으며, 한국등록특허 제10-1006235호에서는 열분해하고 남은 잔사를 아스콘의 골재대용으로 이용하는 기술이 개시되어 있으나, 이는 아스팔트 첨가제는 아니며, 1200 내지 1600 ℃ 용융슬래그 제조공정에 따른 비용이 과다하게 발생하는 문제가 있다. 또한, 한국등록특허 제10-2045466호에서는 폐플라스틱을 플레이크(flake)화하여 아스콘을 제조하는 기술이 개시되나, 해당 플레이크 제조과정이 복잡할 뿐 더러, 플레이크 골재 혼합물과 아스팔트 혼합 시 300 ℃까지 승온시킨 후 200 내지 500 rpm의 속도로 1시간 이상 교반하는 과정이 추가로 발생하여 공정 비용이 과다한 문제가 있었다.
선행문헌1: 대한민국 등록특허 제10-1006235호
본 발명은 위와 같은 문제점을 착안하여, 폐플라스틱 선별잔재물을 고온, 고압의 아임계 열수처리 및 분말화하여 아스팔트 콘크리트 개질을 위한 첨가제로서 사용함으로써, 폐플라스틱을 리사이클하여 자원화하고, 공정 간 이산화탄소 등 배출가스 및 악취 발생을 최소화하며, 공정 단가가 저렴하여 경제성이 뛰어난, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 첨가된 개질아스팔트 혼합물을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서는 혼합폐플라스틱을 아임계 열수반응조에 투입하는 단계; b) 상기 열수반응조에서 200 내지 250℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건으로, 0.5 내지 1 시간 동안 아임계 열수반응시켜, 혼합폐플라스틱을 감용화하여 분말 형태로 제조하는 단계; 및 c) 상기 제조된 분말의 입도를 120 ㎛ 이하가 되도록 후처리하고, 상기 분말에서 플라스틱 함유량이 70% 이상이 되도록 선별작업을 수행하는 단계; 를 포함하는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 a 단계의 생활계 혼합폐플라스틱은 선별된 잔재물인, 친환경 아스팔트 첨가제 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 b 단계에서 수행되는 아임계 열수반응을 통해 5 내지 15%로 감용화가 이루어지는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 c 단계의 후처리는 칼날분쇄기 및 스크린 처리 중 선택되는 1종 이상의 수단을 통해 수행되는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 c 단계의 선별작업은 풍력비중선별기를 이용하여 수행되는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법을 제공한다.
본 명세서에서는 아스팔트(AP-5) 79 내지 90 중량부, 상기 제조방법에 따른 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 9 내지 20 중량부 및 분산제 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물로서, 상기 혼합물의 점도는 2,500 내지 3,000 cps 범위 내이고, 인장강도는 1.0 내지 1.5 kgf/cm2 범위 내인, 개질 아스팔트 혼합물을 제공한다.
또한, 본 명세서에서, 상기 개질 아스팔트 혼합물은 공용성 등급기준(PG) 70-22 이상의 품질성능을 특징으로 하는, 개질 아스팔트 혼합물을 제공한다.
본 발명에 따른 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물에 따르면, 혼합폐플라스틱에 대한 별도의 전처리 과정 등이 요구되지 않고, 밀폐 고압 반응조 내에서 반응이 수행되어 이산화탄소 등 배출가스가 거의 없으며, 악취 및 미세먼지 발생이 최소화된다.
또한, 폐자원인 폐플라스틱을 재활용하여 단가를 절감함으로써, 보다 경쟁력 있는 아스팔트 제품을 생산할 수 있어 고부가가치를 창출할 수 있으며, 폐플라스틱의 매립, 또는 소각에 따른 환경오염을 방지할 수 있고, 제조된 아스팔트 제품의 물성 역시 PG70-22 등급의 품질 기준치를 만족시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아임계 열수반응기(3,000L)를 실제로 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 수행되는 아임계 열수반응에 따라 친환경 아스팔트 첨가제 조성물에 제조되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 수행되는 아임계 열수반응 시 물의 상태도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 수행되는 아임계 열수반응 시 적용 온도(적색 점선)를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 수행되는 아임계 열수반응에 의해 PVC의 분해(scissoring)가 이루어지는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법
본 발명의 일실시예에 따른 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법은, a) 혼합폐플라스틱을 아임계 열수반응조에 투입하는 단계; b) 상기 열수반응조에서 200 내지 250 ℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건으로, 0.5 내지 1 시간 동안 아임계 열수반응시켜, 혼합폐플라스틱을 감용화하여 분말 형태로 제조하는 단계; 및 c) 상기 제조된 분말의 입도를 120 ㎛ 이하가 되도록 후처리하고, 상기 분말에서 플라스틱 함유량이 70% 이상이 되도록 선별작업을 수행하는 단계; 를 포함할 수 있다.
먼저, 혼합폐플라스틱을 아임계 열수반응조에 투입한다(단계 a).
혼합폐플라스틱은 생활현장에서 발생되는 생활폐기물 또는 산업현장에서 발생되는 산업폐기물 등에 섞여 있는 플라스틱 폐기물을 의미하는 것일 수 있다.
한편, 상기 혼합폐플라스틱은 특별히 제한되지 아니하나, 일례로, 폼류(PS) 11 wt%, 종이류 10 wt%, 천류 6 wt%, 코팅비닐류(PE) 5 wt%, 비닐류 40 wt%, 고무류 5 wt%, 하드플라스틱류(PP) 10 wt%, 유리 및 세라믹류 3 wt%, 목재류 6 wt%, 잔사 4 wt%를 포함하는 재활용 센터 배출물일 수 있다.
한편, 상기 아임계 열수반응조는 밀폐형 고압 반응조일 수 있으며, 일례로, 제 1 반응로, 전처리부 및 분리부 등의 구성을 포함하는 것일 수 있으나, 특별히 제한되지 아니한다(도 1 참조).
다음으로, 상기 열수반응조에서 200 내지 250 ℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건으로, 0.5 내지 1 시간 동안 아임계 열수반응시켜, 혼합폐플라스틱을 감용화하여 분말 형태로 제조한다(단계 b).
구체적으로 상기 단계에서 이루어지는 아임계 열수반응(Subcritical water or Hydrothermal treatment)은 밀폐 고압 반응조 내에서 수행되는 것일 수 있으며, 고온, 고압에서 이온의 고활발성과 낮은 유전율로 강한 용매 특성을 나타내므로, 유기물의 분자결합을 효과적으로 파괴하면서, 고체 내에서 상변화 없이 형상이 분쇄되어 분말 형태로 제조되는 기술에 해당한다.
한편, 본 발명에서 수행되는 아임계 열수반응은 200 내지 250 ℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건으로 0.5 내지 1 시간 동안 수행되는 것일 수 있고, 상기 아임계 열수반응을 통해 혼합폐플라스틱이 5 내지 15%로 감용화, 일례로 10%로 감용화될 수 있다(도 2 내지 도 4 참조). 한편, 상기 아임계 열수반응은 도 3의 “가수분해” 영역에서 반응이 수행되는 것일 수 있으며, 도 4의 “적색 점선” 부분의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 아임계 열수반응을 통해, 혼합폐플라스틱 수지의 분자결합이 파괴됨으로써, 저분자 상태로 상태 변화가 일어나고, 최종적으로 분말 형태로 제조된다(도 5 참조).
다음으로, 상기 제조된 분말의 입도를 120 ㎛ 이하가 되도록 후처리하고, 상기 분말에서 플라스틱 함유량이 70% 이상이 되도록 선별작업을 수행할 수 있다(단계 c).
구체적으로, 상기 c 단계의 후처리는 칼날분쇄기 및 스크린 처리 중 선택되는 1종 이상의 수단을 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 제조되는 분말의 입도가 120 ㎛ 이하 및 비표면적 약 3,000 cm2/g이 되도록 하는 경우, 아스팔트 용해성 측면에서 유리할 수 있다. 한편, 아스팔트 첨가제 용도로 사용되기 위해서는, 아스팔트에의 용해성이 중요한데, 분말 입도가 상기 범위를 초과하는 경우, 아스팔트에 대한 용해성이 낮아, 아스팔트 물성 개선 효과를 얻기 어려울 수 있다.
한편, 상기 단계에서는, 분말에서 플라스틱 함유량이 70%, 상세하게는 75% 이상이 되도록 선별작업이 수행될 수 있으며, 상기 선별작업은 풍력비중선별기 등을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
개질 아스팔트 혼합물
본 발명의 일실시예에 따른 개질 아스팔트 혼합물은 아스팔트(AP-5) 79 내지 90 중량부, 상술한 방법에 따라 제조된 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 9 내지 20 중량부 및 분산제 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 것일 수 있다. 일례로, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물은 9 중량부 이상, 최대 20 중량부까지 포함할 수 있다.
한편, 상기 혼합물의 점도는 2,500 내지 3,000 cps 범위 내이고, 인장강도는 1.0 내지 1.5 kgf/cm2 범위 내일 수 있으며, 공용성 등급기준(PG) 70-22 이상의 품질성능을 가지는 것일 수 있다.
상기 분산제는 상술한 첨가제 조성물을 아스팔트 내에 효과적으로 분산하기 위해 포함되는 것일 수 있다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예 1
천안 재활용센터에서 배출된 아래 표 1의 조성을 가진 혼합폐플라스틱 100kg을 준비한 다음, 천안에 위치한 ㈜그린환경의 3,000L 급 아임계 열수 처리 장치에 투입하여, 200 내지 250 ℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건을 유지한 상태로, 1 시간 동안 아임계 열수반응 처리를 수행하여, 분말 형태로 제조하였다.
구분 중량(g) %
폼류(PS) 53.4 11%
종이류 49.5 10%
천류 30.6 6%
코팅비닐류(PE) 22.8 5%
비닐류 195.0 40%
고무류 22.4 5%
하드플라스틱류(PP) 48.0 10%
유리, 세라믹류 14.7 3%
목재류 34.7 6%
잔사 18.2 4%
합 계 489.3 100%
다음으로, 상기 얻어진 분말 입도를 120 ㎛ 이하가 되도록 칼날분쇄기를 이용하여 후처리한 다음, 분말에서 플라스틱 함유량이 70% 이상이 되도록 풍력비중선별기(대한 E&C 社)를 이용하여 선별작업을 수행하였다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2
상기 제조예에 따라 제조된 친환경 아스팔트 첨가제 조성물(분말)을 아래 표 2의 조성에 따라, 혼합하여 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 1 비교예 2 실시예1
AP-5 아스팔트 100 wt% 95 wt% 90 wt%
실시예1에 따른 분말 0 5 wt% 10 wt%
[실험: 개질 아스팔트 물성 분석]
상기 실시예 1 및 비교예들에 의해 제조된 개질 아스팔트 혼합물을 이용하여, 구체적인 물성치를 측정하였다.
비교예 1 비교예 2 실시예1
135℃ 점도(cps) 880 1000 2,670
인장강도(kgf/㎠) 0.4330 0.9355 1.14
신율(%) 3,000 2,769 550
저온크랙 발생온도(℃) 5 10 10
G*/Sin(d), 76℃, kPa 1.3 1.64 1.77
m-value at -12℃ 0.32 0.33 0.34
상당품질 PG64-22 PG64-22 PG70-22
상기 표 3의 결과를 참고하면, 본 발명의 실시예와 같이 제조된 친환경 아스팔트 첨가제를 포함한 개질 아스팔트 혼합물의 경우, 점도, 인장강도, 저온크랙 발생온도 등 물성 치 측면에서 향상된 효과가 있는 것을 확인할 수 있으며, 특히 고온 특성이 향상되어, 공용성 등급기준(PG) 70-22 이상의 품질 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (8)

  1. a) 혼합폐플라스틱을 아임계 열수반응조에 투입하는 단계;
    b) 상기 열수반응조에서 200 내지 250℃ 온도 조건 및 2.0 내지 2.5 MPa 압력 조건으로, 0.5 내지 1 시간 동안 아임계 열수반응시켜, 혼합폐플라스틱을 감용화하여 분말 형태로 제조하는 단계; 및
    c) 상기 제조된 분말의 입도를 120 ㎛ 이하가 되도록 후처리하고, 상기 분말에서 플라스틱 함유량이 70% 이상이 되도록 선별작업을 수행하는 단계; 를 포함하는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 a 단계의 생활계 혼합폐플라스틱은 선별된 잔재물인, 친환경 아스팔트 첨가제 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 b 단계에서 수행되는 아임계 열수반응을 통해 5 내지 15%로 감용화가 이루어지는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 c 단계의 후처리는 칼날분쇄기 및 스크린 처리 중 선택되는 1종 이상의 수단을 통해 수행되는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 c 단계의 선별작업은 풍력비중선별기를 이용하여 수행되는, 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법.
  6. 제 1 항에 따라 제조되는 친환경 아스팔트 첨가제 조성물.
  7. 아스팔트(AP-5) 79 내지 90 중량부, 제 6 항에 따른 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 9 내지 20 중량부 및 분산제 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물로서,
    상기 혼합물의 점도는 2,500 내지 3,000 cps 범위 내이고, 인장강도는 1.0 내지 1.5 kgf/cm2 범위 내인, 개질 아스팔트 혼합물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 개질 아스팔트 혼합물은 공용성 등급기준(PG) 70-22 이상의 품질성능을 특징으로 하는, 개질 아스팔트 혼합물.
KR1020220044958A 2022-04-12 2022-04-12 친환경 아스팔트 첨가제 조성물 제조방법 및 상기 조성물이 포함된 개질아스팔트 혼합물 KR20230147219A (ko)

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