KR100519092B1

KR100519092B1 - 폐플라스틱/폐타이어 복합소재 및 이를 이용한 성형물

Info

Publication number: KR100519092B1
Application number: KR10-2002-0031131A
Authority: KR
Inventors: 한춘; 김준석; 김상준; 안기철
Original assignee: 한춘
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2005-10-05
Also published as: KR20030093546A

Abstract

본 발명은 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하고, 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 유기첨가제인 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지 5 내지 20중량부를 첨가하여 130 내지 180℃의 온도에서 혼합 및 용융시켜 얻어진 것을 특징으로 하는 폐플라스틱/폐타이어 복합소재 및 이를 이용한 성형물에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 복합소재 및 그 성형물은 폐플라스틱과 폐타이어를 이용하기 때문에 비용면에서 경제적이고, 폐기물 재활용에도 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 탄성, 인장강도, 굴곡강도, 충격흡수 등의 우수한 물성을 가지고 있어 배수로, 하수관 및 정화조 등과 같은 건축·토목 자재로 이용될 수 있으며, 도로중앙분리대와 같은 용도로도 개발이 가능하다.

Description

폐플라스틱/폐타이어 복합소재 및 이를 이용한 성형물{Waste plastic/ground rubber tire composite and forms using the same}

본 발명은 폐플라스틱(Waste Plastic)/폐타이어(Ground Rubber Tire; GRT)복합소재 및 이를 이용하여 얻어진 성형물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하여 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물을 얻고, 여기에 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 유기첨가제인 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지를 5 내지 20중량부 첨가, 혼합 및 용융시켜서 얻어진 복합소재 및 이를 사출 또는 압출·성형하여 얻은 판상 및 관상 등의 모양을 갖는 성형물에 관한 것이다.

폐기물로써 폐플라스틱이나 폐타이어는 그 자체가 인체에 흡입되거나 토양을 오염시키는 등의 직접적인 악성폐기물은 아니고 회수가 상대적으로 용이하기 때문에 재활용 방법에 따라서 폐기물이 아닌 유용한 자원으로의 경제적 가치가 충분히 높아 관련 분야에서 다양한 연구가 진행되어 오고 있으며, 특히 선진국에서는 이러한 폐자원의 기하급수적인 증가에 따라 수거를 유도할 수 있는 환경친화적인 재활용을 통한 지속적인 수요창출에 노력을 기울이고 있다.

폐타이어의 처리방법으로 과거에는 주로 매립하는 방법이 이용되었으나, 이는 폐타이어의 큰 부피로 국토의 매립용적을 많이 차지할 뿐만 아니라 난분해성으로 완전 분해까지는 오랜 세월이 소요되고, 자체 유독가스 배출로 화재 위험성 및 토양을 오염시키는 등의 문제가 있어 현재는 폐타이어를 가공이용 및 열이용으로 재활용하고 있다. 그러나, 이 중 현재 폐타이어 재활용률의 65.2%를 상회하는 열이용 방법은 폐타이어 소각 시 SO_x, NO_x, HCl 등의 대기 환경 오염원들을 발생시켜 지속적인 활용방안으로는 적당하지 않다. 따라서 지속적인 폐타이어 분말 수요를 유도할 뿐만 아니라 가공 및 운반 시 그 편리성이 보장되는 폐타이어 분말 가공방법을 통한 기술개발이 가장 효율적인 방법으로 인식되어 지속적인 연구가 수행되고 있으며, 이에 따라 고속도로 아스팔트 포장에 이용되거나 보도블럭, 고무벽돌 등을 제조하는 등 건설자재로 사용되고 있다.

한편, 폐플라스틱은 그 양이 해마다 증가하고 있으나 혼합 폐플라스틱 분리 및 다른 물질과의 혼합 사용에 한계가 있고, 가공기술의 낙후로 현재까지는 재활용률이 낮은 상태이다. 플라스틱의 경우 폴리프로필렌(PP)와 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이 전체 폐플라스틱 발생량의 54.8%를 차지하고 있어 이들을 이용한 재활용 기술개발이 우선적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다. 현재 사용되고 있는 폐플라스틱 재활용방법으로는 단순재생(혼합재생), 열이용방법 및 화학적 분해(유화처리)로 크게 3가지로 나뉘는데, 이 중 열 이용방법은 소각시 환경오염 배출원을 발생시키고, 화학적 분해를 통한 재생방법은 인건비 상승, 선별기의 비싼 가격과 그 효율의 불확실성으로 처리전망이 불투명하다. 따라서 이들 방법 중 가장 바람직한 방법은 혼합 재생방법으로 현재 플라스틱과 분말화된 폐타이어를 이용한 복합소재를 개발하여 새로운 용도로의 재활용이 국내뿐만 아니라 미국, 호주 등 여러 국가에서 시도되고 있으나, 아직 미미한 실정이며 이에 관한 국외 및 국내의 연구동향은 다음과 같다.

미국에서는 피. 라자린감(P. Rajalingam)과 더블유. 이. 베이커(W. E. Baker)가 폐타이어와 혼합되는 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE) 및 고밀도폴리에틸렌(HDPE)의 특성을 고찰하고 복합소재에 스티렌 블록 공중합체, EVA(ethylene-co-vinyl acetate), EAA(ethylene-co-acrylic acid)등의 커플링제(coupling agent)를 첨가 시 복합소재의 충격 에너지(impact energy)를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 이. 엘. 보드리구에즈(E. L. Bodriguez)는 극저온의 폐타이어(CGR)와 폴리에스테르 복합소재에 대하여 여러 종류의 실란 커플링제(silane coupling agent) 및 모래를 첨가함으로써 복합소재의 강도가 향상됨을 확인하였다.

또한, 호주에서는 정부 지원과제(GIRD; Generic Industry Research & Development - Project No. 150657)로서 산업체, 대학 (RMIT, Polymer Technology Centre) 및 연구소 (CSIRO Division of Building, Construction & Eng.) 합동으로 이러한 폐기물 혼합 소재 개발에 박차를 가하고 있으며 캐나다에서도 폐타이어를 폴리올레핀계 성형물의 충진제로 이용하려는 연구가 진행중이다

국내에서도 폐타이어와 플라스틱을 이용한 연구가 지속적으로 진행되어왔으며, 한국 등록특허 제0149845호 및 한국 등록특허 제0180216호에는 폐타이어 분말과 플라스틱 수지를 혼합하고, 유동성의 증진을 위해 에틸-비닐 아세테이트 중합체, 혼합물에 상용성 증진을 위하여 에틸렌-프로필렌-디엔 중합체 및 압출 성형하기 전에 고온 가교용 가교제로 큐멘히드로페록사이드(Cumene hydroperoxide) 또는 디큐밀 페록사이드(Dicumyl Peroxide; DCP)를 첨가하여 제조된 복합재료 조성물, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형물을 개시하고 있으나, 이는 압출성형을 통한 관류의 제조보다는 사출성형을 통한 보도블록이나 바닥재와 같은 건축자재로의 활용에 초점을 맞추고 있고 이와 같은 방법으로 제조된 성형물의 인장강도, 충격강도 등의 물성은 관류와 같은 건축자재 대체용으로 실용화하기에는 어려운 문제점이 있다.

전술한 바와 같이 국내외적으로 폐플라스틱/폐타이어 복합소재 개발에 관한 연구가 진행되고 있으나 이들은 아직 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 급속하게 증가하는 폐타이어와 폐플라스틱의 효율적인 재활용을 위하여 폐플라스틱/폐타이어 복합소재의 용도개발이 절실한 상태이며, 이를 위하여 폐플라스틱과 폐타이어를 혼합하는 방법의 개발에 대한 요구가 있다.

이에 본 발명에서는 폐플라스틱과 폐타이어를 혼합한 우수한 복합소재의 개발 및 그 성형물을 얻기 위한 연구를 수행한 결과, 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말을 10 내지 50중량%로 혼합하고, 여기에 유기첨가제인 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지를 첨가, 혼합 및 용융시켜 인장강도, 굴곡강도 등의 물성이 우수한 폐플라스틱/폐타이어 복합소재를 얻을 수 있었고, 이를 기초로 하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 소각되거나 매립되어 환경오염의 원인이 되는 폐타이어와 폐플라스틱의 재활용률을 높이고, 지금까지 얻을 수 없었던 물성이 우수한 폐플라스틱/폐타이어 복합소재를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 복합소재를 이용하여 제조된 성형물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐플라스틱/폐타이어 복합소재는 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하고, 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 유기첨가제인 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지 5 내지 20중량부를 첨가하여 130 내지 180℃의 온도에서 혼합 및 용융시켜 얻어진다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 성형물은 상기 방법에 따라 제조된 폐플라스틱/폐타이어 복합소재를 사출 또는 압출하여 얻어진다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하고, 여기에 유기첨가제인 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1 : 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지를 첨가하여 130 내지 180℃에서 혼합 및 용융시켜 제조된 폐플라스틱/폐타이어 복합소재 및 이를 사출 또는 압출성형하여 얻어진 성형물에 관한 것이다.

본 발명의 폐플라스틱은 폐비닐을 용융시켜 펠렛(pellet)화한 것으로, 폐플라스틱의 대부분을 차지하는 고밀도폴리에틸렌, 선형저밀도폴리에틸렌 또는 저밀도폴리에틸렌이고, 바람직하게는 고밀도폴리에틸렌이다.

본 발명의 폐타이어는 제조회사에 따라 그 성분상에 차이가 있으나, 주성분으로 25 내지 45%의 천연고무, 40 내지 45%의 스틸렌 부타디엔 고무, 10 내지 15%의 부타디엔 고무, 10 내지 13%의 가교제 성분 등의 용매가용분, 유황, 산화아연, 카본블랙으로 구성되고, -40mesh로 분쇄시킨 것을 사용하였다.

본 발명에 따른 폐플라스틱/폐타이어 조성물은 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말을 10 내지 50중량%로 혼합하여 플라스틱 성형물을 대체하기 위한 것으로 상기 폐타이어의 첨가량이 10중량% 미만이면 폐타이어 재활용의 효과가 없으며, 50중량%를 초과하면 고무 물성에 가깝게 된다.

또한, 본 발명에서는 상기 조성물의 물성을 향상시키기 위하여 시중에서 시판되고 있는 유기첨가제인 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지를 사용하였다. 상기 폴리프로필렌의 물성은 용융지수 8.5g/10min, 연화점 152℃, 인장강도 350㎏f/㎠이고, 상기 폴리올레핀에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지의 물성은 용융지수 4.5g/10min, 연화점 95℃, 인장강도 230㎏f/㎠이다. 상기 유기첨가제인 폴리프로필렌의 첨가량은 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 5 내지 20중량부, 바람직하게는 5 내지 15중량부이고, 상기 폴리프로필렌의 첨가량이 5중량부미만이면 물성 향상이 거의 나타나지 않고, 20중량부를 초과하면 폐타이어와의 상용성이 저하되어 성형물의 물성이 저하되는 문제점이 있다. 한편, 상기 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지의 첨가량은 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 5 내지 20중량부, 바람직하게는 10 내지 20중량부이고, 5중량부미만이면 점착성 수지로서의 역할이 미미하며, 20중량부를 초과하면 물성향상의 면은 미미하나 비교적 고가이므로 폐기물을 재활용하는 목적에 부합되지 않아 경제성에 문제점이 있다. 상기 폴리프로필렌은 폴리에틸렌과 플라스틱 중 상용성이 가장 우수하며 특히, 인장 균열 저항(stress crack resistance) 및 기계적 특성이 우수하여 인장강도 및 압축강도를 향상시키는 역할을 하며, 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지는 극성(반응성)기가 도입된 키 폴리머(seed polymer)가 플라스틱과의 상용화를 촉진시켜 폐플라스틱/폐타이어 혼합물 제조시 점착력을 증가시켜 계면강화의 역할을 하고, 두 물질간의 혼련을 용이하게 하여 강도의 증진을 가져오게 된다.

본 발명에 따라 폐폴리에틸렌 펠렛 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말(-40mesh)을 10 내지 50중량%로 혼합하고, 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 조성물 100중량부에 대하여 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지 5 내지 20중량부를 첨가하여 혼합한 조성물을 호퍼(압출기 주입구)에 투입하여 사출 또는 압출성형하였다.

상기 호퍼에 투입된 혼합물은 가열된 압출기 내 스크류(screw)를 통하여 교반되고 압출되며, 이때 압출기 내부 온도는 130 내지 180℃가 바람직하다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 압출성형 과정은 폐폴리에틸렌/폐타이어를 이축스크류(twin screw)를 이용하여 1차 혼합·용융하여 펠렛으로 만들고, 이 펠렛에 상기 유기첨가제인 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지를 일축스크류(single screw)를 이용하여 2차 혼합·용융하여 판류, 관류 등의 성형물을 얻었다.

본 발명에 따라 제조된 폐폴리에틸렌/폐타이어 복합소재 및 이를 이용하여 얻어진 성형물은 종래의 폐플라스틱과 폐타이어를 혼합한 복합소재와 비교하여 인장강도, 굴곡강도 등의 물성면에서 우수하였다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폐플라스틱과 폐타이어는 모두 자원재생공사에서 구입한 것으로 폐플라스틱은 폐비닐 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 수거하여 세척 및 건조한 후, 용융하여 펠렛화시킨 것으로 펠렛의 크기가 2 내지 4㎜이었고, 폐타이어는 -40mesh의 분말이었다. 또한, 폴리프로필렌(PP)은 (주)대한유화 규격 4017 제품이며, 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지는 (주)호남석유화학의 애드폴리(Adpoly) EM-550를 사용하였다.

하기 표 1a 및 1b에 나타낸 조성으로 폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하고, 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 유기첨가제인 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 애드폴리(Adpoly) 5 내지 20 중량부를 첨가 및 혼합하여 호퍼에 넣는다. 압출기 내부의 온도는 130 내지 180℃로 압출하여 관상의 성형물을 뽑아내었다.

실시예 2

상기 실시예 1에 따라 얻어진 관상의 성형물을 KS M 3407 규정에 따라 바깥지름 17mm, 두께 2.0mm, 호칭지름 10인 관의 시편으로 제조하였다. 상기 시편을 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 인장강도 및 굴곡강도를 측정하였고, 하기 표 1a-b에 나타내었다.

폐폴리에틸렌/폐타이어 (중량%)	폴리프로필렌( 중량부 )	애드폴리( 중량부 )	인장강도(㎏f/㎠)	굴곡강도(㎏f/㎠)
100/0	·	·	191.9	87.7
90/10	0	·	152.9	71.8
	5	·	157.6	72.2
	10	·	165.7	76.7
	15	·	158.7	77.8
	20	·	142.2	74.6
	·	0	152.9	71.8
	·	5	155.6	72.7
	·	10	158.0	73.7
	·	15	159.0	74.0
	·	20	159.5	71.9
	5	5	183.4	88.0
	10	10	194.9	81.6
80/20	0	·	130.1	52.7
	5	·	131.0	55.3
	10	·	131.1	57.8
	15	·	127.2	61.3
	20	·	116.6	64.7
	·	0	130.1	52.7
	·	5	131.0	53.0
	·	10	132.1	53.8
	·	15	132.2	51.9
	·	20	133.1	50.7
	5	5	133.4	69.4
	10	10	152.5	76.7
70/30	0	·	101.4	39.2
	5	·	102.8	40.4
	10	·	108.1	43.2
	15	·	100.3	44.2
	20	·	91.0	48.9
	·	0	101.4	39.2
	·	5	101.5	40.5
	·	10	102.3	41.8
	·	15	102.8	41.6
	·	20	103.5	40.8
	5	5	116.3	46.2
	10	10	124.1	57.1

폐폴리에틸렌/폐타이어(중량%)	폴리프로필렌( 중량부 )	애드폴리( 중량부 )	인장강도(㎏f/㎠)	굴곡강도(㎏f/㎠)
60/40	0	·	90.3	31.7
	5	·	93.5	32.4
	10	·	94.1	33.5
	15	·	87.4	35.9
	20	·	80.1	39.9
	·	0	90.3	31.7
	·	5	91.2	32.3
	·	10	93.7	33.1
	·	15	97.2	35.8
	·	20	102.7	37.9
	5	5	97.3	35.8
	10	10	103.5	42.6
50/50	0	·	76.6	24.2
	5	·	74.1	25.3
	10	·	74.8	27.2
	15	·	73.7	27.4
	20	·	71.4	32.2
	·	0	76.6	24.2
	·	5	76.9	24.9
	·	10	77.2	28.8
	·	15	79.8	27.2
	·	20	79.4	27.6
	5	5	78.4	28.5
	10	10	81.7	35.3

상기 표 1a-b로부터 알 수 있는 바와 같이, 유기첨가제인 폴리프로필렌을 첨가하거나 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지인 애드폴리를 첨가한 경우에 첨가하지 않은 경우와 비교하여 인장강도 및 굴곡강도가 향상됨을 확인할 수 있었고, 특히, 폴리프로필렌과 애드폴리를 동시에 사용한 경우에 더욱 우수한 물성을 나타내었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 복합소재 및 그 성형물은 폐플라스틱 보다 가격이 저렴한 폐타이어를 폐플라스틱에 혼합하고, 이에 유기첨가제인 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 수지에 무수말레인산을 혼합한 점착성 수지를 첨가함으로써 종래의 폐플라스틱과 폐타이어를 이용한 성형물 보다 우수한 물성을 갖는 복합소재를 경제적으로 얻을 수 있었고, 이는 배수관, 하수로, 정화조, 도로중앙분리대 등 다양한 사출 및 압출용 제품으로 상용화될 수 있을 것이다.

Claims

폐폴리에틸렌 수지 50 내지 90 중량%에 폐타이어 분말 10 내지 50중량%를 혼합하고, 상기 폐폴리에틸렌/폐타이어 혼합물 100중량부에 대하여 유기첨가제인 폴리프로필렌 5 내지 20중량부와 폴리올레핀계 수지와 무수말레인산을 1: 0.3 내지 0.4로 혼합한 점착성 수지 5 내지 20중량부를 첨가하여 130 내지 180℃의 온도에서 혼합 및 용융시켜 얻어진 것을 특징으로 하는 폐플라스틱/폐타이어 복합소재.
제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌은 용융지수 8.5g/10min, 연화점 152℃, 인장강도 350㎏f/㎠인 것을 특징으로 하는 복합소재.
제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌의 첨가량이 5 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 복합소재.
제1항에 있어서, 상기 점착성 수지의 첨가량이 10 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 복합소재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 복합소재를 사출 또는 압출성형하여 제조된 것을 특징으로 하는 폐플라스틱/폐타이어 성형물.
제5항에 있어서, 상기 폐플라스틱/폐타이어 성형물은 배수로, 하수관, 정화조, 또는 도로중앙분리대인 것을 특징으로 하는 성형물.