KR20240044313A - 재생 고분자의 회수 방법 - Google Patents

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KR20240044313A
KR20240044313A KR1020230093111A KR20230093111A KR20240044313A KR 20240044313 A KR20240044313 A KR 20240044313A KR 1020230093111 A KR1020230093111 A KR 1020230093111A KR 20230093111 A KR20230093111 A KR 20230093111A KR 20240044313 A KR20240044313 A KR 20240044313A
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박종서
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김도담
강주형
김준식
유진숙
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Abstract

본 발명은, 첨가제를 함유하는 회수 고분자를 함침조에서 함침 용매와 접촉시켜 팽윤 고분자 및 용출액을 포함하는 슬러리를 수득하는 단계, 상기 슬러리를 고액 분리기에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리하는 단계 및 상기 고상 혼합물로부터 재생 고분자를 수득하고, 상기 액상 혼합물로부터 첨가제를 회수하는 단계를 포함하고, 상기 함침 용매는 2 이상의 용매의 혼합 용매인 재생 고분자의 제조 방법을 제공한다.

Description

재생 고분자의 회수 방법 {METHOD FOR RECOVERING RECOVERED POLYMERS}
본 발명은 고분자의 재활용을 위한 고분자 및 첨가제의 회수 방법에 관한것이다.
최근 다양한 용도와 목적에 요구되는 물성을 갖는 수지 재료가 개발됨에 따라 수지 또는 플라스틱 등의 고분자 재료의 이용이 증가하고 있다. 일반적으로 수지 또는 플라스틱은 원유 채취로부터 제조에 이르기까지 많은 에너지가 사용되며 그 과정에서 다량의 탄소가 배출된다. 나아가, 최종 제품의 폐기에 따라 제품에 포함된 수지 또는 플라스틱도 함께 폐기되는 경우 환경 오염 및 이의 처리를 위한 사회적 비용이 소모된다. 이에, 에너지 사용량 감소, 탄소 발생량 저감, 및 환경 오염 방지의 차원에서 폐기되는 수지의 재활용은 필수적이다. 이와 같이 최종 소비자가 사용 후 버려진 사용 후 버려진 수지를 재활용하여 만들어진 플라스틱을 PCR(Post-Consumer Recycled, 포스트 컨슈머 리사이클) 수지라고 하며, 원하는 순도와 물성을 갖는 PCR 수지를 얻고자 하는 시도와 노력이 계속하여 이루어지고 있다.
한편, 폴리염화비닐 수지(poly vinylchloride, PVC)는 경질 또는 연질 특성을 가지며, 성형 가공성이 뛰어나고, 가격 경쟁력이 우수하여 범용적인 효용성으로 여러 응용 분야에 적용되고 있다. 하지만, 폴리염화비닐 수지는 단독으로 사용되지 못하고, 폴리염화비닐 수지에 유연성을 부여하고, 가공성 등의 물성을 향상시키는 등 다양한 물성 구현을 위하여 가소제와 혼합되어 사용되고 있다.
그런데, 종전 가소제로서 사용되던 프탈레이트계 가소제는 환경 및 인체에 유해하여 국내외 규제가 심하므로, 이러한 프탈레이트계 가소제가 사용된 기존 폴리염화비닐 수지 등 고분자를 재활용하기 위하여 상기 프탈레이트계 가소제를 제거하지 못하면 상품화하기 곤란한 문제가 있었다. 따라서, 최근에는 프탈레이트계 가소제가 사용된 고분자를 재활용하기 위하여 회수 고분자 내에 잔존하는 프탈레이트계 가소제를 효과적으로 제거하려는 시도가 이루어지고 있다.
그 일환으로, 회수 고분자 내 가소제 등 첨가제를 회수하기 위하여 종래에는 용매를 사용하여 회수 고분자를 용해시킨 후 반용매를 사용하여 재결정시키는 방식, 소위 용해 재결정 방식이 주를 이루었다. 그러나 이 경우 용해 및 재결정을 위하여 사용되는 용매 및 반용매 등의 사용양이 과하게 컸고, 그렇게 재생된 재생 고분자의 물성 역시 조악하였다. 나아가 수반되는 용매의 양이 많으므로 그에 비례하여 설비나 장치에 과대한 비용이 요구되었다.
일본 공개특허 제2000-044723호 공보
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 회수 고분자에 함유된 첨가제를 높은 제거 효율로 제거함과 동시에, 운전성이 개선된 재생 고분자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 첨가제를 함유하는 회수 고분자를 함침조에서 함침 용매와 접촉시켜 팽윤 고분자 및 용출액을 포함하는 슬러리를 수득하는 단계, 상기 슬러리를 고액 분리기에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리하는 단계 및 상기 고상 혼합물로부터 재생 고분자를 수득하고, 상기 액상 혼합물로부터 첨가제를 회수하는 단계를 포함하고, 상기 함침 용매는 2 이상의 용매의 혼합 용매인 재생 고분자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 재생 고분자의 제조 방법에 의하면, 종래 용해 재결정 방식과 달리, 회수 고분자를 용매에 고분자를 용해시키지 않고, 함침 용매를 고분자 내로 함침시켜 가소제 등 첨가제를 확산시켜 고분자로부터 제거하는 것이 가능하다. 이를 통하여 사용되는 용매의 양을 줄이고, 요구되는 장치를 간소화할 수 있어서 경제성이 개선된다.
특히, 팽윤된 고분자를 포함하는 슬러리를 필터 방식이 아닌 고액 분리 방식으로 분리함으로써, 필터의 유지 보수가 불필요하고 이로서 연속적인 재생 수지의 제조가 가능하다.
더 나아가, 고액 분리에 적합하면서 고분자 내 첨가제 제거 효율이 향상된 용매 시스템을 채용함으로써, 고분자 내부에 존재하는 첨가제까지 효율적으로 제거가 가능하여 고순도의 재생 고분자를 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 고분자의 제조 방법의 공정 흐름도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도 1을 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 재생 고분자의 제조 방법은, 첨가제를 함유하는 회수 고분자를 함침조(100)에서 함침 용매와 접촉시켜 팽윤 고분자 및 용출액을 포함하는 슬러리를 수득하는 단계, 상기 슬러리를 고액 분리기(200)에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리하는 단계, 및 상기 고상 혼합물로부터 재생 고분자를 수득하고, 상기 액상 혼합물로부터 첨가제를 회수하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 함침 용매는 2 이상의 용매가 혼합된 혼합 용매일 수 있다.
먼저, 상기 회수 고분자(recovered polymer)는 본 발명의 재생 고분자의 제조 방법이 적용되기 전 단계의 고분자를 의미하며, 전처리를 거친 미분(powder) 상태의 고분자일 수 있다. 즉, 상기 회수 고분자는 폐수지를 전처리하여 얻어지는 고분자일 수 있다. 상기 폐수지는 경질 혹은 연질에 관계없이 수지나 그 조성물을 사용하여 성형된 다양한 제품 또는 용도로부터 회수될 수 있다. 또한, 상기 회수 고분자는 단일 종류의 고분자일 수 있으며, 다른 수지와 블렌딩된 수지 조성물일 수도 있다.
한편, 상기 전처리는 폐수지를 본 발명의 재생 고분자의 제조 방법이 적용될 수 있기에 적합한 상태로 처리하는 일체의 과정을 의미한다. 예를 들어 상기 전처리는 상기 폐수지를 먼저 물 등의 용제로 세척함으로써 먼지 등 비교적 큰 이물을 제거하고, 건조한 후 분쇄함으로써 미분(powder) 상태로 처리하는 과정일 수 있다.
구체적으로 상기 회수 고분자는 평균 입경(D50)은 100 ㎛ 이상일 수 있고, 10 mm 이하 또는 1 mm 이하일 수 있다. 상기 회수 고분자의 평균 입경이 작을수록 함침 용매의 함침 속도가 증가하여 첨가제 제거 속도가 증가하지만, 평균 입경이 작은 회수 고분자를 제조하기 위하여 가공 시간이 증가하는 단점이 있다.
상기 회수 고분자는 회수 고분자 공급 라인(1)을 통하여 함침조로 공급될 수 있고, 상기 함침 용매는 후술하는 건조기(300) 및 정제부(400)에서 회수되어 함침 용매 순환 라인(5, 6)를 통하여 함침조(100)로 재순환될 수 있다. 또한, 공정 중 손실된 함침 용매를 보충하기 위하여 새로운(fresh) 함침 용매가 함침조(100)로 별도로 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 회수 고분자 또는 재생 고분자의 고분자는 폴리염화비닐 수지 또는 폴리올레핀 수지일 수 있다.
상기 폴리염화비닐 수지는 염화비닐 단량체의 단독중합체, 또는 염화비닐 단량체를 50 % 이상 함유하고 공중합 가능한 다른 단량체와 중합된 공중합체일 수 있다. 상기 공중합 가능한 다른 단량체는 아크릴산, 에타트릴산, 알파-시아노아크릴산, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 옥틸아크릴레이트, 시아노에틸아크릴레이트, 비닐아세테이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 아크릴로 니트릴, 메타크릴로니트릴, 메칠아크릴아마이드, N-메틸오아크릴아마이드, N-부톡시메타크릴아마이드, 에틸비닐에테르, 클로로에틸비닐에테르, 알파-메틸스티렌, 비닐톨루엔, 클로로스티렌, 비닐나프탈렌, 비닐리덴클로라이드, 비닐브로마이드, 비닐클로로아세테이트, 비닐아세테이트, 비닐피리딘 및 메틸비닐케톤으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.
상기 폴리올레핀 수지는 에틸렌과 알파 올레핀의 공중합체일 수 있다. 이때, 상기 알파 올레핀은 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-에이코센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보덴, 페닐노보덴, 비닐노보덴, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠 및 3-클로로메틸스티렌을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리올레핀은 에틸렌과 1-부텐의 공중합체, 에틸렌과 1-헥센의 공중합체, 또는 에틸렌과 1-옥텐의 공중합체일 수 있다.
한편, 상기 고분자의 중합시 또는 중합 후 성형시 등 제품 제조 과정에서 수지에 대한 원하는 물성을 부여하기 위하여 가소제, 필러, 난연제, 안정제, 충진제, 발포제, 점도 저하제, 착색제, 및 열안정제 등의 첨가제가 사용될 수 있고, 사용된 첨가제는 첨가제에 따라 제조된 고분자 내에 잔존한다. 따라서, 수지를 재활용하기 위하여 제품으로부터 회수한 폐수지 내에도 상기 첨가제가 포함되어 있을 수 있다.
상기 폐수지로부터 회수된 회수 고분자로부터 재생 고분자를 제조함에 있어서, 상기 첨가제를 적절히 제거하여야 하는 이유는 다음과 같다.
첫째, 첨가제가 과량으로 잔존하는 경우, 양호한 물성 등을 갖는 재생 고분자의 제조가 어려울 수 있다. 상기 첨가제의 영향으로 재생 고분자의 변형 또는 표면 특성 저하 등과 같은 물성 저하 또는 변색 등 색상 특성이 저하될 수 있다.
둘째, 첨가제에 따라서는 최근 환경 유해성 및 인체 유해성으로 인하여 사용이 규제되는 첨가제가 있다. 즉 제품 제조시에는 없던 규제 등으로 인하여 회수 고분자로부터 규제 대상인 첨가제를 반드시 원하는 수준 이하로 제거하여야 재생 고분자의 제조가 가능한 경우가 빈번해지고 있다.
위와 같은 이유로 상기 첨가제를 함유하는 회수 고분자로부터 제거될 필요가 있는 첨가제는 주로 가소제일 수 있다. 구체적으로 상기 가소제는 프탈레이트계 가소제일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 프탈레이트계 가소제는 디옥틸 프탈레이트, 디-(2-에틸 헥실)프탈레이트(di-(2-ethyl hexyl)phthalate, DEHP), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate, DBP), 벤질부틸프탈레이트(Benzyl butyl phthalate, BBP), 디-이소노닐프탈레이트(di-isononyl phthalate, DINP) 및 디-이소데실프탈레이트(di-isodecyl phthalate, DIDP) 중의 1 종 이상일 수 있다.
한편, 폐수지의 전처리에 의하여는 회수 고분자 내 함유된 첨가제의 제거가 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 재생 고분자의 제조 방법에 의하면, 상기 첨가제를 함유하는 회수 고분자를 함침조에서 함침 용매와 접촉시켜 팽윤 고분자(swelled polymer) 및 용출액을 포함하는 슬러리를 수득할 수 있다.
이를 통하여, 회수 고분자를 용매에 고분자를 용해시키지 않고, 함침 용매를 고분자 내로 함침시키고 가소제 등 첨가제를 확산시킴으로써 고분자로부터 제거할 수 있다.
구체적으로, 회수 고분자는 함침 용매와 접촉함으로써 함침 용매는 고분자 내부로 침투(impregnate)하고, 고분자는 그 형태를 유지한 상태에서 팽윤(스웰링; swelling)될 수 있다. 고분자에 함유되어 있던 첨가제는 침투된 함침 용매에 의하여 확산되어 회수 고분자 외부로 용출될 수 있다. 따라서, 상기 슬러리는 팽윤 고분자 및 용출 용매에 용출된 첨가제를 함유하는 용출액을 포함하게 된다. 한편, 전술한 바와 같이 상기 슬러리는 회수 고분자가 용매에 용해된 고분자 용액 상태가 아닌 것일 수 있다.
이는 고분자의 형태를 유지한 상태에서 첨가제를 선택적으로 용출시킨다는 점에서 용해성 용매를 사용하여 고분자 자체를 용해시킨 후 이를 재결정하는 종래의 방식과는 차이가 있다.
상기 함침조(100)에서의 회수 고분자와 함침 용매의 접촉은 1분 내지 60분, 구체적으로는 2분 내지 30분 동안 수행될 수 있고, 상기 함침 용매의 온도는 상온일 수 있다.
한편, 상기 함침조(100) 내에서 회수 고분자와 함침 용매의 접촉은 교반 조건 하에서 이루어질 수 있으며, 동일한 함침 용매의 종류 및 온도 조건에서 교반을 수행하지 아니한 경우 대비 상기 회수 고분자 내로의 함침 용매의 침투가 용이하고 충분히 이루어질 수 있다.
이어, 상기 팽윤 고분자 및 용출액을 포함하는 슬러리는 고액 분리기(200)에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리될 수 있다.
상기 고상 혼합물에는 팽윤 고분자 외에도 CaCO3와 같은 필러를 비롯하여 제조되는 재생 고분자에 포함되어도 무방한 성분이 포함될 수 있다. 한편, 상기 액상 혼합물에는 함침 용매 및 함침 용매로 확산되어 베어나온 첨가제를 포함하는 용출액이 포함될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 재생 고분자의 제조 방법은 회수 고분자와 함침 용매의 피드가 상기 함침조에 연속으로 공급되고, 첨가제가 제거된 재생 고분자 및 용매가 연속적으로 회수되는 연속 공정일 수 있다. 이 경우 상기 팽윤 고분자 및 용출액을 분리함에 있어서 필터 등을 이용한 여과 방식으로 분리하는 경우 일정 운전 시간이 경과하면 팽윤 고분자의 침적에 따른 필터의 막힘 현상이 발생하고, 따라서 필터를 교체하거나 보수하여야 하는 등 연속 공정이 제약을 받게 된다. 이러한 여과 방식에 의한 분리는 원심 필터 또는 진공 필터 등에 의한 분리를 예로 들 수 있다.
한편, 본 발명의 고액 분리기를 통한 분리는 여과 방식이 아닌 상기 고상 혼합물과 상기 액상 혼합물의 밀도 차이에 의한 침강(sedimentation) 방식에 의한 분리로서, 전술한 필터 등의 막힘 현상으로 인한 운전 제약 없이 상기 연속 공정을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 후술하는 바와 같이 특유한 용매를 함침 용매로 사용함으로써 고액 분리의 신뢰성 역시 제고될 수 있다는 장점이 있다. 나아가, 회수 고분자 및 재활용하는 것이 유리한 필러 등과 같은 성분의 유실을 최소화할 수 있다.
상기 침강 방식에 의한 고액 분리기(200)는 예를 들어 디켄터일 수 있고, 구체적으로는 원심 분리 디켄터일 수 있다. 상기 원심 분리 디켄터에 슬러리를 투입하고 고속으로 회전시키면 팽윤 고분자와 용출액의 밀도 차이에 의하여 팽윤 고분자는 원심력에 의하여 외벽 쪽으로 침강하여 침강층을 만들고, 용출액은 상기 침강층 상에 별도의 층으로 존재함으로서 분리 작용이 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 함침 용매의 설계는 다음과 같은 이유에서 중요한 측면이 있다.
첫째, 팽윤 고분자와 용출액을 고액 분리하기 위하여는 함침 용매가 회수 고분자 입자의 내부까지 높은 침투 속도로 침투할 수 있어야 한다. 즉, 입자 밀도가 높거나 공극률이 낮은 회수 고분자에 대하여도 입자 내부까지 빠르게 침투가 가능한 함침 용매가 바람직하다.
둘째, 회수 고분자를 용해시키지 않으면서 회수 고분자에 함유된 첨가제에 대하여 선택적인 확산이 가능하게 하는 함침 용매이어야 한다.
셋째, 팽윤 고분자와 용출액의 밀도 차이에 의한 고액 분리를 위하여는 상기 함침 용매가 팽윤 고분자 내에 적절한 양으로 침투하여야 한다. 함침 용매가 과량으로 침투되는 경우, 팽윤 고분자와 용출액의 밀도 차이가 낮아 밀도 차이에 의한 고액 분리가 어려워질 수 있다.
위와 같은 견지에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 함침 용매는 하기 일반식 1의 스웰링 지수가 0.2 내지 0.5인 용매일 수 있다.
[일반식 1]
스웰링 지수(SP) = (팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량) / (팽윤 고분자의 전체 질량).
상기 일반식 1에서, 상기 팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량은 다음의 방법으로 측정된다.
10 ml 용기에 평균 입경(D50) 150 ㎛인 PVC 시료 0.2g을 투입한 후, 함침 용매 5g을 투입하였다. 상온에서 30분 동안 정치 후 3000 RPM의 회전 속도로 1분간 원심 분리하여 액상과 고상을 분리하였다. 분리된 액상의 질량을 측정한 후 투입된 함침 용매의 질량(5g)에서 제한 질량을 팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량으로 하였다.
한편, 상기 일반식 1에서, 상기 팽윤 고분자의 전체 질량은 상기 함침 용매의 질량과 PVC 시료의 양(0.2g)의 합으로 계산하였다.
구체적으로, 상기 함침 용매의 스웰링 지수가 0.2 미만인 경우에, 함침 용매의 회수 고분자 입자 내부로 침투 속도가 저하되어 내부까지 균일한 침투가 어려워지고, 따라서 가소제 제거 효율을 감소될 수 있다. 아울러, 고액 분리기 내 슬러리의 체류 시간이 증가되므로 재생 고분자의 생산량을 감소될 수 있다.
한편, 상기 함침 용매의 스웰링 지수가 0.5 초과인 경우에, 함침 용매가 팽윤 고분자 내에 과량으로 침투하게 되어 팽윤 고분자 및 용출액의 밀도 차이가 낮아지고 따라서 고액 분리기를 사용하는 경우 분리 성능이 저하될 수 있다. 나아가 팽윤 고분자 내 용매를 제거하는 후속 공정에서 용매의 충분한 제거가 어려워질 수 있다.
상기 일반식 1의 스웰링 지수가 0.2 내지 0.5인 함침 용매는 단일 용매 또는 혼합 용매일 수 있다.
함침 용매가 단일 용매인 경우, 상기 함침 용매는 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸 설폭사이드(DMSO), 톨루엔, 벤젠, 사이클로헥산, 물, 에탄올일 수 있다.
그러나, 상기 단일 용매는 상대적으로 입수가 어렵거나(즉, 고가이거나) 또는 후속 공정에서 이루어지는 팽윤 고분자 내 용매를 제거하거나 용출액으로부터 첨가제와 함침 용매를 분리하는 공정이 어려운 경우가 있을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 함침 용매를 혼합하되, 혼합 용매의 전체의 스웰링 지수를 제어함으로써 전술한 함침 용매로서의 요건을 만족시킬 수 있다.
따라서, 상기 함침 용매는 제1 함침 용매 및 제2 함침 용매의 혼합 용매일 수 있다.
상기 제1 함침 용매는 이소프로필알코올, 톨루엔, 사이클로헥사놀, 벤젠, 사이클로헥산, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜타놀, 헥산, 디메틸에테르 중 1종 이상일 수 있다. 상기 제1 함침 용매는 상대적으로 회수 고분자로의 침투 속도가 낮은 용매로서, 고액 분리시 팽윤 고분자와 용출액의 밀도 차이를 높일 수 있는 기능을 할 수 있다. 또한, 함침 용매의 과함침을 방지하여 후속하는 건조기(300)에서 수행되는 용매 제거 공정을 통하여 팽윤 고분자로부터 분리가 용이한 용매일 수 있다. 이러한 관점에서, 상기 제1 함침 용매의 상기 일반식 1에 의한 스웰링 지수는 0.01 내지 0.2일 수 있다.
상기 제2 함침 용매는 아세톤, 디메틸 포름아미드, 클로로포름, 에틸아세테이트, 니트로벤젠, 디클로로메탄, 메틸에틸케톤, 디메틸포름아미드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸아세트아미드, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논 중 1종 이상일 수 있다. 상기 제2 함침 용매는 상대적으로 회수 고분자로의 침투 속도가 높은 용매로서, 회수 고분자 입자의 내부까지 균일하게 침투하여 상기 회수 고분자를 팽윤시킴과 동시에, 회수 고분자 입자의 내부에 존재하는 가소제를 상기 제1 함침 용매가 풍부한 고분자 입자 영역까지 확산시킬 수 있는 용매로서 기능한다. 이러한 관점에서 상기 제2 함침 용매의 스웰링 지수는 0.5 내지 0.99일 수 있다.
나아가, 회수 고분자 내 첨가제의 제거 효율 및 고액 분리기에 의한 팽윤 고분자와 용출액의 분리 효율을 고려할 때, 상기 혼합 용매 내 상기 제1 및 제2 함침 용매의 질량비는 1: 0.1 내지 1:10, 구체적으로는 1: 0.5 내지 1:3, 1: 0.5 내지 1:2 또는 1:1 내지 1:2 일 수 있다.
상기 제1 및 제2 함침 용매의 질량비는 1: 0.1 이상인 경우 혼합 용매의 회수 고분자 내부로의 용이하고 균일한 침투가 가능하고, 이를 통하여 첨가제의 제거 효율이 향상될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 함침 용매의 질량비는 1:10 이하인 경우, 고액 분리가 가능하도록 상기 팽윤 고분자와 용출액의 적절한 밀도 차이 유지가 가능할 뿐만 아니라, 후속하는 용매 제거 공정에서 팽윤 고분자 내 함침 용매의 제거가 용이할 수 있다. 특히, 제1 및 제2 함침 용매의 질량비가 1:1 내지 1:2의 범위일 때 첨가제의 제거 효율에 있어서 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 재생 고분자의 제조 방법에 따르면, 상기 고액 분리기에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리한 이후, 상기 고상 혼합물로부터 재생 고분자를 수득하고, 상기 액상 혼합물로부터 첨가제를 회수하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 회수 고분자를 용해시키지 않고, 함침 용매를 고분자 내로 함침시켜서 가소제 등 첨가제를 확산시켜서 고분자로부터 제거하기 때문에, 별도의 고분자 석출 과정을 수행하지 않아도 무방하다.
구체적으로 상기 고상 혼합물은 건조기 공급 라인(3)을 따라 건조기(300)로 도입될 수 있다. 상기 건조기(300)에서 고체 상의 함침 고분자 내 잔류하고 있는 함침 용매가 제거될 수 있다. 제거된 함침 용매는 함침조(100)으로 재순환될 수 있고, 함침 용매가 제거된 고분자로부터 재생 고분자를 수득할 수 있다. 상기 건조기(300)은 예를 들어, 패들 건조기, 프로팅 베드 건조기(floating bed dryer), 진공 건조기, 탈휘발 압출기일 수 있다.
한편, 상기 액상 혼합물은 정제부 공급 라인(4)을 따라 정제부(400)으로 공급될 수 있다. 상기 정제부(400)는 1기 또는 2기 이상의 증류탑을 포함하는 장치로서, 상기 정제부(400)에 의하여 액상 혼합물에 포함된 가소제와 함침 용매의 분리가 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 정제부(400)이 1기의 증류탑을 포함하는 경우에, 증류에 의하여 상기 증류탑의 상부로는 함침 용매가 회수되고, 상기 증류탑의 하부로는 가소제가 회수될 수 있다. 상기 회수된 함침 용매는 함침조(100)으로 재순환될 수 있고, 회수된 가소제는 원래의 용도에 따라 수지 제조에 있어서 첨가제로서 재활용될 수 있다. 한편, 재생 고분자 내 첨가제의 함량을 보다 낮추어 고순도의 재생 고분자를 수득하고자 하는 경우에는, 상기 고상 혼합물에 대하여 바로 용매 제거 공정을 수행하기 보다는 상기 고상 혼합물을 다시 함침조로 공급하여 상기 함침 용매와 접촉시키고 고액 분리하는 일련의 수회 반복하여 실시할 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
프탈레이트계 가소제 15.5 중량%를 함유하는 PVC 회수 고분자 샘플(D50: 150 ㎛) 3g을 준비하였다. 함침 용매로서 이소프로필알코올(IPA)과 아세톤이 1:1의 중량비로 혼합된 용매 9g을 준비하였다. 함침조에 상기 함침 용매와 PVC 회수 고분자 샘플을 투입한 후, 상온에서 30분 동안 보관함으로써 PVC 회수 고분자 샘플에 함침 용매를 함침시켰다. 이렇게 하여 함침 용매가 함침된 팽윤 고분자 및 함침 용매에 상기 가소제가 용출된 용출액을 포함하는 슬러리를 수득하였다.
상기 슬러리를 디켄터 원심분리기로 원심 분리하여 고상 혼합물과 액상 혼합물을 분리하였다. 이후 분리된 고상 혼합물을 패들식 건조기에 투입하여 건조하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 2
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 1:1의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 3
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 1:2의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 4
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 1:3의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 5
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 1:4의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 6
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 2:1의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 7
함침 용매로서 메틸에틸케톤(MEK) 및 이소프로필알코올(IPA)이 2.5:1의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실시예 8
함침 용매로서 테트라하이드로퓨란(THF) 및 메탄올이 1:1의 중량비로 혼합된 용매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
비교예 1
함침 용매로서 아세톤 단일 용매 9g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
비교예 2
함침 용매로서 이소프로필알코올(IPA) 단일 용매 9g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
비교예 3
함침 용매로서 톨루엔 단일 용매 9g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 가소제가 제거된 PVC 재생 고분자를 수득하였다.
실험예 1
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에서 사용된 각각의 함침 용매에 대하여 아래와 같은 방법으로 스웰링 지수(SP)를 측정하였다.
10 ml 용기에 평균 입경(D50) 150 ㎛인 PVC 시료 0.2g을 투입한 후, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에서 사용된 함침 용매를 5g을 투입하였다. 상온에서 30분 동안 정치 후 3000 RPM의 회전 속도로 1분간 원심 분리하여 액상과 고상을 분리하였다. 분리된 액상의 질량을 측정한 후 투입된 함침 용매의 질량(5g)에서 제한 질량을 팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량으로 하였다.
한편, 상기 일반식 1에서, 상기 팽윤 고분자의 전체 질량은 상기 함침 용매의 질량과 PVC 시료의 양(0.2g)의 합으로 계산하였다.
이렇게 얻어진 팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량 및 팽윤 고분자의 전체 질량을 바탕으로, 아래 화학식 1에 의하여 스웰링 지수(SP)를 계산하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실험예 2
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 PVC 재생 고분자를 대상으로 고분자 내 가소제의 함량(중량%)을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 구체적으로, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 PVC 재생 고분자의 시료 50mg을 계량하고, 이를 가스 크로마토그래프 불꽃 이온화 검출 분석(GC-FID)을 수행하여 시료 내 가소제의 함량을 계산하였다. 여기서, 가스 크로마토그래프 불꽃 이온화 검출 분석(GC-FID) 장치는 Agilent 사의 7890A GC system을 사용하였다.
사용된 용매 혼합비 스웰링 지수(SP) 잔존 가소제 함량
(중량%)
실시예 1 아세톤+IPA 1:1 0.25 2.9
실시예 2 MEK+IPA 1:1 0.26 3.0
실시예 3 MEK+IPA 1:2 0.2 3.4
실시예 4 MEK+IPA 1:3 0.19 4.2
실시예 5 MEK+IPA 1:4 0.17 4.7
실시예 6 MEK+IPA 2:1 0.4 4.8
실시예 7 MEK+IPA 2.5:1 0.45 5.6
실시예 8 THF+메탄올 1:1 0.14 4.5
비교예 1 아세톤 - 0.55 7.5
비교예 2 IPA - 0.08 8.0
비교예 3 톨루엔 - 0.24 5.8
상기 표 1로부터, 제1 함침 용매로서 아세톤 또는 메틸에틸케톤이 사용되고, 제2 함침 용매로서 이소프로필알코올이 사용된 실시예 1 내지 8의 경우에, 단일 용매가 사용된 비교예보다 제조된 재생 PVC 수지 내 잔존 가소제의 함량이 저감됨을 확인할 수 있다. 이로부터, 스웰링 지수가 제어된 혼합 용매를 사용한 경우에 동량의 용매를 사용하더라도 단일 용매가 사용된 경우 대비 수지 내 가소제 효율이 우수하였다. 예컨대, 비교예 3의 경우 톨루엔 단일 용매가 스웰링 지수는 우수하지만 가소제 추출 성능이 떨어졌다.
나아가, 혼합 용매를 사용한 경우라도, 혼합비가 지나치게 크거나 작은 경우에는 혼합 용매의 스웰링 지수의 제어가 곤란하였고, 따라서 재생 PVC 수지 내 잔존 가소제의 함량이 다소 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
100: 함침조
200: 고액 분리기
300: 건조기
400: 정제부

Claims (11)

  1. 첨가제를 함유하는 회수 고분자를 함침조에서 함침 용매와 접촉시켜 팽윤 고분자 및 용출액을 포함하는 슬러리를 수득하는 단계;
    상기 슬러리를 고액 분리기에서 상기 팽윤 고분자를 포함하는 고상 혼합물과 상기 용출액을 포함하는 액상 혼합물로 분리하는 단계; 및
    상기 고상 혼합물로부터 재생 고분자를 수득하고, 상기 액상 혼합물로부터 첨가제를 회수하는 단계를 포함하고,
    상기 함침 용매는 2 이상의 용매의 혼합 용매인 재생 고분자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는 디옥틸 프탈레이트, 디-(2-에틸 헥실)프탈레이트, 디부틸프탈레이트, 벤질부틸프탈레이트, 디-이소노닐프탈레이트 및 디-이소데실프탈레이트 중의 1 종 이상인 재생 고분자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리염화비닐 수지 또는 폴리올레핀 수지인 재생 고분자의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 함침 용매는 하기 일반식 1의 스웰링 지수가 0.2 내지 0.5인 재생 고분자의 제조 방법:
    [일반식 1]
    스웰링 지수(SP) = (팽윤 고분자 내 함침 용매의 질량) / (팽윤 고분자의 전체 질량).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 함침 용매는 제1 함침 용매 및 제2 함침 용매의 혼합 용매이고,
    상기 제1 함침 용매의 상기 스웰링 지수는 0.01 내지 0.2이고,
    상기 제2 함침 용매의 상기 스웰링 지수는 0.5 내지 0.99인 재생 고분자의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 함침 용매는 제1 함침 용매 및 제2 함침 용매의 혼합 용매이고,
    상기 제1 함침 용매는 이소프로필알코올, 톨루엔, 사이클로헥사놀, 벤젠, 사이클로헥산, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜타놀 중 1종 이상이고,
    상기 제2 함침 용매는 아세톤, 디메틸 설폭사이드, 클로로포름, 에틸아세테이트, 니트로벤젠, 디클로로메탄, 메틸에틸케톤, 디메틸포름아미드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸아세트아미드, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논 중 1종 이상인 재생 고분자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 함침 용매의 질량비는 1:0.1 내지 1:10인 재생 고분자의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 함침 용매의 질량비는 1:0.5 내지 1:3인 재생 고분자의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 함침 용매는 제1 함침 용매 및 제2 함침 용매의 혼합 용매이고,
    상기 제1 함침 용매는 이소프로필알코올이고,
    상기 제2 함침 용매는 아세톤 또는 메틸에틸케톤인 재생 고분자의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    고액 분리기는 디켄터 원심 분리기인 재생 고분자의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 액상 혼합물을 증류탑에 공급하여 혼합 용매와 첨가제를 분리하고, 상기 분리된 혼합 용매는 상기 함침조로 순환시키는 재생 고분자의 제조 방법.
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