KR20150128200A - 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법 - Google Patents

비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 가열을 통한 재활용 방식이나 분쇄하여 매립하는 방식을 대체하여, 폐플라스틱, 특히 비결정지 수지의 폐재를 인체나 환경에 무해하면서도 유효하게 재활용할 수 있는 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 액상기름과 유기용제가 혼합된 재생처리액으로 플라스틱 제품을 재활용할 수 있어, 기존의 매립 처리 방식이나 열 처리에 의한 재활용 방식보다 간편하고 에너지 효율이 높으며, 친환경적이고 재활용 가능한 플라스틱 제품이 보다 광범위하여 범용적이라는 효과가 있다.

Description

비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법{LIQUID FOR RECYCLING AMORPHOUS RESIN, AND RECYCLING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라스틱(폐플라스틱), 특히 비결정질 수지를 재활용하기 위한 화학적(chemical) 재생처리 기술에 관한 것이다.
석유 제품의 한 분야를 차지하는 플라스틱(plastic) 산업은 석유 화학공업의 대규모 생산체제 속에서 핵심적인 위치를 차지하고 있으며 한국 경제의 고도 성장을 이끌어온 주요 산업 중 하나이고, 현재에도 세계적으로 높은 특성 및 생산성 향상을 위한 기술 개발이 진행중에 있는 기술분야이다.
그러나, 플라스틱 제품의 생산 증가는 폐플라스틱의 폐기량 증가를 야기시키며 이는 결국 폐기에 따른 비용 증가와 환경 오염을 유발시키게 된다. 더욱이, 높은 품질과 경제성을 갖춘 물건을 제조하기 위하여 플라스틱 제품에 다양한 부자재를 부가하는 것이 빈번해지고 있어, 플라스틱의 재활용을 더욱 어렵게 하고 있다. 이러한 주요 부자재에는 안정제, 광안정제, 산화방지제, 가소제, 가공보조제, 조핵제, 충전제, 난연제, 대전방지제, 발포제, 경화제, 가교제, 착색제, 항균제, 도전 재료, 표면 경화제 등이 있으며 이외에도 수천 가지에 육박하고 있다.
상술한 바와 같이 플라스틱 제품의 생산은 증가 되면서도, 부자재의 함유로 인해 재활용이 곤란해지고 있는 실정이므로, 플라스틱(폐플라스틱)의 재활용을 위한 기술 개발이 세계 전역에 걸쳐 요구되고 있다.
또한, 폐플라스틱으로 인한 지구 규모의 오염이 급속히 진행되면서 미국, 일본, 한국 등에서도 "생산자책임재활용제도(EPR)" 등을 도입하고 있으며, 특히 미국에서는 사용하는 플라스틱 제품 혹은 부속품의 재활용이 가능하지 않은 경우에는 해당 공장의 입지 허가를 내어주지 않는 등 규제를 강화하고 있다.
폐기물의 재활용 방법에는 가열 등의 에너지를 소비하는 형태인 에너지 재활용법(energy recylce)과 재생처리를 위한 별도의 물(物)을 이용하는 형태인 물질 재활용법(material recycle)이 있으며, 물질 재활용법은 기계적 재활용법(mechanical recycle), 물리적 재활용법(radical recycle) 및 화학적 재활용법(chemical recycle)로 구분된다.
플라스틱의 재활용 처리 방법에는 먼저 폐플라스틱을 가열하는 열적 재활용(Thermal recycle) 방법을 꼽을 수 있다. 탄소 2개를 함유하는 폴리에틸렌 수지 등이나, 탄소 3개를 함유하는 폴리프로필렌 수지 등을 열량이 낮은 목재칩 등과 혼합하여 폐기물 고형연료(Refuse derived fuel, RDF)를 제조하는 방법 등을 예시할 수 있으나, 이 방식은 비닐 봉투와 같은 염화비닐계 성분들이 재활용 공정에 혼입되는 것을 방지하기 위한 분별 공정에 소요되는 인적, 물적 비용이 상당하다는 문제가 있으며, 연소 가능한 플라스틱 제품에만 국한되어 적용 가능하다는 한계가 있다. 또한, 연소시 다이옥신 화합물이 대량으로 발생될 우려가 있는 염화비닐리덴 가정용/공업용 포장랩 등이 대량으로 소비되고 있는 현 상황에서, 이에 대한 처리 방안이 없는 단점이 있다. 이러한 열적 재활용 방법의 한계로 인해 현재는 대부분의 플라스틱 제품을 분쇄하여 매립하는 것이 대부분인 것이 현실이다.
이외에 시멘트의 혼합물 또는 용광로의 환원제의 일부로 재활용하는 방안이 제시된 바 있으나, 이는 일부 대규모 기업에서만 제한적으로 사용하고 있고, 대부분의 관련 기업에서는 폐플라스틱을 매장하거나 바젤 협약을 위반하여 불법으로 고형연료를 제조하여 유통시키고 있다.
일례로, 단열재 스티로폼 등을 석유와 전기를 이용하여 용융시켜 잉곳(ingot)으로 제조하여 불법 고형 연료로 유통하는 것이 공공연하게 이루어지고 있으며, 스티로폼 수지는 연소시키는데 다량의 산소가 요구되는 물질이므로 연소시 그을음이 발생하여 그 결과, NOx를 비롯한 미세 먼지가 다량 배출되어 환경 및 인체에 유해한 문제가 있다.
이렇듯 폐플라스틱, 특히 재활용이 용이하지 않은 비결정질 수지를 환경이나 인체에 유해하지 않으면서도, 재생이 용이한 형태의 처리 기술이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 가열을 통한 재활용 방식이나 분쇄하여 매립하는 방식을 대체하여, 폐플라스틱, 특히 비결정지 수지의 폐재를 인체나 환경에 무해하면서도 유효하게 재활용할 수 있는 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법을 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 비결정질 수지를 용해하여 재생시키기 위한 재생처리액에 있어서, 상기 재생처리액은 액상기름과, 상기 액상기름의 전체 부피를 기준으로 1~70 vol%의 유기용제가 혼합되며, 상기 액상기름은 백등유(白燈油)를 주체로 하는 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액을 제공한다.
상기 재생처리액은 상기 액상기름과 유기용제가 7~8 : 3~2의 부피비로 혼합될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 7:3의 부피비로 혼합될 수 있고, 상기 액상기름은 상기 백등유를 주체로 하되, 경질유(輕質油) 및 윤활유로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배합될 수 있다.
상기 유기용제는 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 알콜계, 에테르계, 아세탈계, 케톤계, 알데히드계 및 에테르계로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 유기용제는 상기 비결정질 수지에 따라 상기 군 중에서 선택되며, ⅰ)폴리스티렌(polystyrene) 수지의 경우 톨루엔(toluene) 또는 에틸아세테이트(ethylacetate)가, ⅱ)경질염화비닐(rigid polyvinyl chloride) 수지의 경우 사이클로헥사논(cyclohexanone)이, ⅲ)연질염화비닐(soft polyvinyl chloride) 수지의 경우 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)이, ⅳ)ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지의 경우 메틸에틸케톤(methylethylketone, MEK)이 선택될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 비결정질 수지를 용해하여 재생시키는 재생처리 방법에 있어서, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 재생처리액을 준비하는 준비단계(S10); 상기 재생처리액에 상기 비결정질 수지를 침지 및 용해시켜 상기 비결정질 수지를 겔화 및 침전시키는 겔화단계(S20); 침전된 수지겔을 상기 재생처리액으로부터 꺼내어 별도로 마련된 액상기름에 침지시켜 유기용제를 추출 및 제거하는 탈용제단계(S30); 탈용제된 수지겔을 상기 액상기름으로부터 꺼내어 상기 액상기름을 추출 및 제거하는 탈유단계(S40); 및 탈유된 수지겔을 이용하여 재활용을 위한 처리를 수행하는 후처리단계(S50);를 포함하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법을 제공한다.
이때 상기 탈유단계(S40)는, ⅰ)상기 탈용제된 수지겔을 상기 액상기름으로부터 꺼내어 별도의 용기에 옮겨 12~24시간 동안 정치(靜置)시키거나, ⅱ)메탄올, 헥산 및 옥탄올로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 탈유용매에 침지시키는 것일 수 있다.
또한 상기 후처리단계(S50)는, 상기 탈유된 수지겔을 원심 분리 후, 30~40℃의 온도로 송풍시켜 고형화하는 건조단계(S51)를 포함할 수 있고, 상기 탈유된 수지겔을 유기용제에 용해시켜 수지 접착제를 제조하는 접착제 제조단계(S52)를 포함할 수 있으며, 이때 바람직하게는 상기 접착제 제조단계(S52) 이후에, ⅰ)제조된 수지 접착제에 충전재를 배합한 후 성형하여 자연 건조시켜 투수성 성형체를 제조하거나, ⅱ)제조된 수지 접착제에 충전재를 배합한 후 성형하여 가열 및 가압 건조시켜 비투수성 성형체를 제조하거나, ⅲ)제조된 수지 접착제에 아스팔트를 배합하여 도로 시설물의 시공 및 보수용 아스팔트 접착제를 제조하는 재활용단계(S53)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법은, 액상기름과 유기용제가 혼합된 재생처리액으로 플라스틱 제품을 재활용할 수 있어, 기존의 매립 처리 방식이나 열 처리에 의한 재활용 방식보다 간편하고 에너지 효율이 높으며, 친환경적이고 재활용 가능한 플라스틱 제품이 보다 광범위하여 범용적이라는 효과가 있다.
또한 최종적인 재활용 제품의 기계적 특성이나 내후성이 우수하여 종래의 재활용품에 비해 품질이 뛰어나, 플라스틱을 기반으로 하는 고분자 화학공학 산업에 획기적인 기여가 가능하다.
그리고, 재생처리된 수지겔을 이용하여 건조 및 고형화하여 유통하거나, 접착제, 성형체 또는 아스팔트 시공/보수용 접착제 등을 제조할 수 있어 적용 분야가 넓고 실용적이다.
도 1은 본 발명의 재생처리 방법의 각 단계를 나타낸 흐름도(flowchart)이다.
도 2는 본 발명에 따른 재생처리액에 스티로폼을 격자메탈로 밀어 넣어 용해시키는 모습을 나타내는 사진이다.
도 3은 내지 도 7b는 본 발명의 실시예 7에 따라 제조되는 다양한 성형체의 사진이다.
도 8a 내지 도 9는 본 발명의 실시예 8에 따라 제조되는 아스팔트 접착제 및 이를 이용하여 시공 및 보수하는 모습을 나타내는 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
본 발명은 먼저, 바람직한 일 실시예에 따라 액상기름과 유기용제가 혼합된 형태의 비결정질 수지를 용해하여 재생시키기 위한 재생처리액을 제공한다. 종래의 열처리를 통한 재활용 방법에 비하여 별도의 가열을 요구하지 않아 에너지 측면에서 경제적이며 작업성이 용이하고, 또한 가열에 따라 유해한 배기가스 등이 방출되지 않아 친환경적이며, 열적 재활용 방식에 적합하지 않아 매립 처리할 수 밖에 없었던 다양한 비결정질 수지에도 적용 가능하여 보다 광범위한 재활용 방법이다.
본 발명의 재생처리 대상이 되는 "비결정질 수지"에는 열가소성 수지에 속하는 염화비닐 수지, 폴리스티렌 수지 등과 더불어, 특히 이른바 스티로폼(styrofoam)으로 불리는 발포 폴리스티렌 수지가 포함되고, 열경화성 수지에 속하는 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, PET(polyethylene terephthalate) 수지, PC(polycarbonate) 수지, 아크릴 수지 등이 포함된다.
본 발명의 재생처리액에는 경질유(輕質油), 중질유(重質油) 및 중질유(中質油)로 이루어진 군 중에서 선택되는 액상기름을 포함되며, 경질유로는 등유, 나프타 등이 있고, 중질유(重質油)로는 백등유, 중유, 윤활유, 절연유, 공작유, 유동파라핀 등이 있으며, 중질유(中質油)로는 디젤엔진용 등유 등이 있고, 이들은 API 비중값을 기준으로 구분된다.
액상기름에는 등유(kerosene)가 포함되는 것이 바람직하며, 인화점을 조절하기 위해 각종 첨가제를 추가할 수 있으며, 예컨대 온도가 낮은 한랭지에서나 겨울철에는 등유에 경질유(輕質油)를 혼합하여 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 인화점을 높여 화재의 위험을 줄이기 위해 중질유, 바람직하게는 윤활유를 혼합하여 사용하는 것도 좋다.
더욱 바람직하게는 백등유(白燈油)를 주체로 하는 액상기름이 포함된다. 백등유(white kerosene)는 주로 가정용으로 사용되는 등유의 일종으로, 정제도가 높은 것으로서 유황분이 0.04% 이하로 낮고 거의 투명한 성질을 갖는 액상기름이다. 본 발명의 액상기름의 주체로 사용되는 백등유는 비교적 구하기에 용이하고, 가격이 저렴하여 경제적이며, 정제도가 높고 유황 함량이 낮아 비결정질 수지의 용해 능력이 뛰어나다.
한편, 본 발명의 재생처리액은 액상기름에 유기용제가 혼합된 형태인 것이 바람직하며, 유기용제는 비결정성 수지의 용해에 기여하는 물질이다. 액상기름은 비결정성 수지의 용해에 기여하지는 않으나, 수지의 용해량 증가에 따른 점성 증가로 용제의 분자 이동이 저하되어 용해 능력이 떨어지는 것을 완충시켜 이를 방지하는 역할을 수행하며, 용해열에 의한 재생처리액 온도 상승을 억제하는 역할을 수행하여 연속적으로 비결정성 수지를 용해시켜도 20~35℃의 온도 범위 내에서 제어가능하여 작업성이 뛰어나고 안정적이다.
액상기름과 유기용제의 혼합비율은, 액상기름 전체 부피를 기준으로 혼합되는 유기용제의 부피비가 1~70 vol%가 되도록 혼합하는 것이 바람직하며, 1 vol% 미만의 유기용제가 혼합되면 비결정성 수지의 용해와 겔화를 충분히 수행할 수 없으며, 70 vol%를 초과하여 혼합되면 오히려 비결정성 수지가 처리 중에 접착제처럼 달라붙게 되어 후속 처리를 곤란하게 하는 문제가 있다.
액상기름과 유기용제의 혼합비율은 바람직하게는 7~8 : 3~2의 부피비인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 7:3의 부피비로 혼합되는 것이 좋다. 이러한 혼합비율에 대한 수치범위 안팎으로는 상술한 바와 같은 효과의 변화가 존재하며, 이에 대한 실험적인 증명은 후술한다.
액상기름에 일정량 배합되는 유기용제는 처리되는 비결정성수지의 종류에 따라 조건에 맞게 선택될 수 있으며 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 알콜계, 에테르계, 아세탈계, 케톤계, 알데히드계, 에스테르계 등의 용제 중 적절히 선택될 수 있다.
더욱 상세하게는 ⅰ)용해시키기 위한 비결정질 수지의 분자식과 비슷한 것, ⅱ)후처리 공정을 통한 최종적인 재활용을 위하여, 시중에서 통용되고 있는 도료나 접착제 등에 함유 성분을 분석하여 관련성이 큰 것, ⅲ)인화점이 높아 화재의 위험이 적은 것, ⅳ)가격이 저렴하여 경제적인 것, ⅴ)백등유와 혼합되지 쉬운 것 등의 조건을 감안하여 적절한 유기용제를 선택할 수 있다.
상술한 조건을 감안하였을 때 ⅰ)폴리스티렌(polystyrene) 수지의 경우 톨루엔(toluene) 또는 에틸아세테이트(ethylacetate)가, ⅱ)경질염화비닐(rigid polyvinyl chloride) 수지의 경우 사이클로헥사논(cyclohexanone)이, ⅲ)연질염화비닐(soft polyvinyl chloride) 수지의 경우 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)이, ⅳ)ABS(arcylonitrile butadiene styrene) 수지의 경우 메틸에틸케톤(methylethylketone, MEK)이 유기용제로 사용되는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었으며, 실험 결과는 후술한다.
다음으로, 본 발명은 다른 실시예에 따라 상술한 바와 같은 재생처리액을 이용하여 비결정질 수지를 용해 및 재생시키는 재생처리 방법을 제공한다. 각 단계를 시계열적인 순서대로 나타낸 흐름도(flowchart)가 도 1에 도시되어 있다.
먼저 상술한 바와 같은 재생처리액을 준비하는 준비단계(S10)를 수행한다. 이때 피처리물인 비결정질 수지의 종류에 따라 적합한 유기용제를 선택하고, 이를 액상기름에 절절한 비율로 혼합하여 필요한 재생처리액을 준비한다. 처리하려는 비결정질 수지의 양에 따라 소정량의 재생처리액을 제조 및 준비한다.
이후, 준비된 재생처리액에 피처리물인 비결정질 수지를 침지하여 용해시킨다. 이때 도 2에 도시된 사진과 같이 일정한 형상의 격자메탈로 용해시키기 위한 비결정질 수지를 재생처리액에 밀어넣을 수 있다. 비결정질 수지가 재생처리액에 연속적으로 투입됨에 따라 재생처리액에 용해된 수지의 농도는 점차 포화되어, 용해시 졸화(solation)되었던 것이 점차 겔화(gelation)되어 재생처리액 상에 침전된다.
이후, 침전된 수지겔을 재생처리액으로부터 꺼내어 별도로 마련된 액상기름에 침지시켜 수지겔 내부에 존재하는 잔여 유기용제를 추출 및 제거하는 탈용제단계(S30)를 수행하고, 탈용제된 수지겔을 액상기름으로부터 꺼내어 탈용제를 위해 공급된 액상기름을 추출 및 제거하는 탈유단계(S40)를 수행한다.
탈유단계(S40)에 대하여 더욱 상세히 설명하면, ⅰ)탈용제된 수지겔을 액상기름으로부터 꺼내어 별도의 용기에 옮겨 12~24시간 동안 정치(靜置)시키거나, ⅱ)메탄올, 헥산 및 옥탄올로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 탈유용매에 침지시키는 과정을 수행하게 된다. 헥산 또는 메탄올에 옥탄올을 추가하여 인화점을 높게 조절하여 사용하거나, 처음부터 3 종류를 모두 혼합하여 사용할 수 있다.
겔화단계(S20)부터 탈유단계(S40)에 이르기까지, 비결정질수지의 용해에 기여하지 않는 액상기름은 모두 회수하여 재활용할 수 있으며, 바람직하게는 회수된 액상기름을 최초 준비단계(S10)에서 재생처리액을 제조하는데 재활용할 수 있다.
최종적으로 탈유된 수지겔은 재활용을 위하여 후처리단계(S50)를 거치게 된다. 탈유된 수지겔은 열용융기계 등을 이용하여 펠렛화 내지 고형화하여 원료물질로 유통시킬 수 있고, 원심 분리기를 통해 평판화시킨 후 30~40℃의 온도로 송풍시켜 고형화를 통해 장기간 보존하거나 유통시킨다.
탈유된 수지겔 혹은 상술한 바와 같이 건조 내지 고형화된 수지겔을 이용하여 각종 유기용제에 용해시킴으로써 접착제를 제조할 수 있다. 상술한 바와 같이 준비단계(S10)에서 사용되는 비결정질 수지에 맞는 유기용제를 적절히 선택하여 접착제 제조 과정에 투입함으로써, 단일 플라스틱 접착제를 제조할 수 있으며, 폴리스티렌 수지, 염화비닐계 수지, ABS 수지를 모두 용해시킬 수 있는 사이클로헥사논을 이용하면 2종 또는 3종의 수지가 조합된 형태의 혼합형 플라스틱 접착제도 제조할 수 있다.
또한, 접착제를 제조한 후, 제조된 접착제에 다양한 충전재를 배합하여 추가적인 재활용품을 제조할 수 있다. 바람직한 실시예로서, 성형체 제조를 위한 각종 충전재를 배합한 후 자연 건조시켜 투수성 성형체를 제조하거나, 가열/가압 건조시켜 비투수성 성형체를 제조할 수 있고, 충전재로 아스팔트를 배합하여 도로 시설물의 시공이나 하자가 발생된 도로를 보수할 수 있는 아스팔트 접착제를 제조할 수 있다.
이하 본 발명의 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액 및 이를 이용한 재생처리 방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
<폴리스티렌 수지 용해실험>
발포 폴리스티렌 수지(통칭 스티로폼)에 적합한 유기용제를 선택하기 위하여 스티로폼을 3 종류의 유기용제가 각각 백등유에 혼합된 재생처리액에 용해시켰다. 백등유 140cc에 하기와 같은 3 종의 유기용제를 각각 60cc 혼합한 재생처리액에 스티로폼을 투입하여 용해상태를 확인하였다.
(1) 에틸아세테이트(ethylacetate)
스티로폼을 투입하자 거품을 내면서 급격하게 용해 반응이 일어난다.
(2) 에틸벤젠(ethyl benzene)
역시, 스티로폼을 투입하자 거품을 내면서 급격하게 용해 반응이 일어난다.
(3) 톨루엔(toluene)
역시, 스티로폼을 투입하자 거품을 내면서 급격하게 용해 반응이 일어난다.
상술한 바와 같이 3 종의 유기용제 모두 스티로폼에 높은 용해성을 갖는 것을 확인하였으나, 구하기에 용이하고 저렴하여 경제적인 톨루엔이 가장 적합하다.
<염화비닐 수지 용해실험>
경질염화비닐 파이프를 절단하여 준비한 샘플을 실시예 1와 같이 3 종의 유기용제가 각각 백등유에 실시예 1과 동등한 비율로 혼합된 재생처리액에 투입하여 용해상태를 확인하였다.
(1) 톨루엔
거의 대부분 용해되지 않는다.
(2) 메틸에틸케톤
액 중의 염화비닐이 팽창하여 부풀어오르는 것을 확인할 수 있으나, 마찬가지로 용해되지 않는다.
(3) 사이클로헥사논
팽창하면서 용해된다.
상술한 바와 같이 경질 염화비닐 수지의 경우 사이클로헥사논 만이 높은 용해성을 갖는 것을 확인하였다. 또한 상기 3 종의 유기용제가 혼합된 재생처리액에 연질염화비닐 시트를 투입하였으나 전혀 용해되지 않는 것을 확인하였고, 이에 유기용제로 테트라하이드로퓨란이 vol30% 혼합된 재생처리액에 투입하였을 때 연질염화비닐 시트가 용해되는 것을 확인하였다.
<ABS 수지 용해실험>
아크릴, 부타디엔, 스티렌의 공중합체 수지인 ABS 수지의 용해실험을 위해 하기의 3 종의 유기용제를 이용하여 실시예 1 및 2와 같은 용해실험을 수행하였다.
(1) 톨루엔
거의 대부분 용해되지 않는다.
(2) 아세톤
ABS 수지가 팽창하여 균일이 생기면서 서서히 침전되며, 잘 용해되지 않는다.
(3) 메틸에틸케톤
ABS 수지 표면에서 작은 흰 연기가 발생되면서 용해된다.
상술한 바와 같이 ABS 수지의 경우 메틸에틸케톤 만이 높은 용해성을 갖는 것을 확인하였다.
<재생처리액의 용해 성능시험>
백등유에 톨루엔이 혼합된 재생처리액을 하기의 표 1와 같은 부피비로 혼합하여 제조한 재생처리액 1L 당 스티로폼이 용해되는 양을 측정하는 실험을 수행하였다. 20℃ 조건에서 백등유의 비중은 7.95, 톨루엔은 8.65로 측정되었으며, 스티로폼이 포화 상태까지 용해되도록 실험을 수행하였고, 재생처리액의 온도는 20℃로 조절하였다.
톨루엔 백등유 비중 1L당 스티로폼 용해량
10% 90% 0.805 1.2kg
20% 80% 0.81 2.4kg
30% 70% 0.815 3.8kg
40% 60% 0.82 1.8kg
50% 50% 0.83 1.2kg
상기 표 1에 보이는 바와 같이, 유기용제의 혼합양이 20~30 vol%인 경우에 1L 당 스티로폼의 용해량이 높아, 적은 양의 재생처리액으로도 다량의 폐플라스틱을 재활용할 수 있음을 알 수 있으며, 더욱 바람직하게는 백등유와 유기용제의 부피비가 7:3으로 혼합될 때, 용해량이 최대치를 보이는 것을 확인하였다.
<본 발명에 따른 재생품의 비교 냉열시험>
시중에서 상용되고 있는 스티로폼 수지제품(A)과, 시중에서 유통되고 있는 종래의 열 용융 방식에 의해 제조된 재생품(B)과, 본 발명의 실시예에 따라 재생처리액으로 처리된 후 건조시킨 재생품(C)의 열적 스트레스에 대한 내후성을 평가하기 위하여, 비교 냉열시험을 실시하였다.
각각 직경 100mm, 높이 25mm의 샘플 150g을 230~240℃에서 용융시킨 후, 100℃와 0℃의 항온조에 교차시켜 반복 투입하여 샘플이 깨질 때까지의 횟수를 측정하였고, 실험 결과는 하기의 표 2과 같다.
샘플 종류 깨질 때까지의 횟수
상용화된 새로운 스티로폼(A) 7회
열 용융에 의한 재생폼(B) 1회
본 발명에 의한 재생폼(C) 7회
상기 표 2과 같이, 본 발명에 따른 재생폼(C)의 경우 상용화된 새로운 스티로폼 수지제품(A)의 경우와 동등한 내후성을 지니는 것을 볼 수 있다. 또한, 종래에 일반적으로 행해지고 있는 열 용융방식에 의한 재생폼(B)의 경우는 재생 과정에서 가해지는 열 스트레스가 많아 이미 상당부분 열화되어, 내후성이 상대적으로 부족하다는 것을 알 수 있다.
<본 발명의 재생처리 방법을 이용하여 제작된 접착제 성능실험>
스티로폼 수지, ABS 수지 및 경질염화비닐 수지를 본 발명에 따라 재생처리 하여 수지겔을 준비한 후, 접착제를 제조하여 성능실험을 실시하였다. 접착제 제조를 위한 유기용제로, 스티로폼 수지겔의 경우 에틸아세테이트를, ABS 수지겔의 경우 메틸에틸케톤을, 경질염화비닐 수지겔의 경우 사이클로헥사논을 사용하였으며, 사용되는 유기용제의 함량비는 수지겔과 유기용제가 혼합된 접착제 전체 중량을 기준으로 유기용제의 중량비를 의미하며, 70, 50, 30 wt%로 나누어 실험하였다. 피처리물인 비결정질 수지겔의 용해성, 제조된 접착제에의 충전재 혼합성, 제조된 접착제의 접착강도, 접착제로서의 활용성(작업성)을 측정하여 ◎(특히 우수함), ○(우수함), ▲(보통), △(제한적으로만 사용가능) 4 가지의 지표로 평가하였다.

수지겔의 종류		 용제 접착제

종류
함량비
용해성		 충전재
혼합성
접착강도
활용성

스티로폼 수지겔
에틸아세테이트		 70 ◎ ◎ ○ ○
50 ◎ ◎ ◎ ◎
30 ○ ○ ◎ ○

ABS 수지겔
메틸에틸케톤		 70 ○ ○ ○ ○
50 ○ ○ ○ ▲
30 ○ ○ ▲ ▲

경질염화비닐 수지겔
사이클로헥사논		 70 ▲ ▲ ▲ △
50 ▲ ▲ ▲ △
30 ▲ ▲ ▲ △
본 발명에 따라 제조된 스티로폼 수지겔에 에틸아세테이트를 혼합한 접착제의 경우가 전반적으로 특성이 우수하였고, 특히 제조된 접착제가 실타래와 같이 가늘게 늘어지게 형성되어 각종 충전재와의 혼합성이 매우 뛰어나, 추후 재활용을 위한 적용 범위가 매우 광범위하고 효과적임을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따라 제조된 접착제는 단독 접착제로도 활용 가능하나, 충전재 혼합용으로 사용하기에 더욱 적합하였고, 특히 스티로폼 접착제의 경우 입자가 작은 충전재를 투입할수록 다른 접착재에 비해 효과가 뛰어났다.
ABS 수지겔을 이용한 접착제의 경우에는, ABS 수지 폐재의 색상이 검정색 혹은 회색으로 한정적이므로, 제조되는 접착제도 검정색 계통을 띠게 되어 폐유리 분쇄품의 성형체에 적합한 것을 알 수 있었다.
경질염화비닐 수지겔을 이용한 접착제의 경우에는, 단독 접착제로 활용하기에 활용성 내지 작업성이 다소 떨어져, 단독으로 사용하기보다는 다른 접착제에 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 특히 내후성이 요구되는 경우에 첨가하는 것이 좋다.
<성형체 제조>
본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔에 에틸아세테이트를 50 wt% 혼합하여 제조된 스티로폼 접착제를 이용하여 도 3에 도시된 사진과 같은 성형체를 제조하였다. 제오라이트 폐재가 3% 이하로 포함되고, 길이 내지 입도가 3mm 이하인 제오라이트 조성물 80wt%와, 스티로폼 접착제 20 wt%를 배합하여 성형하였으며, 성형 후 자연 건조시켜 투수성 성형체를 제조하였다.
또한, 본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔에 에틸아세테이트를 70 wt% 혼합하여 제조된 스티로폼 접착제를 이용하여 도 4에 도시된 사진과 같은 성형체를 제조하였다. 상단의 2 개의 성형체는 목분과 스티로폼 접착제의 중량비가 7:3이 되도록 배합하였으며, 하단의 3 개의 성형체는 목분 : 석분 : 스티로폼 접착제의 중량비가 좌측부터 55:15:30, 65:5:30, 60:0:40가 되도록 배합하였다.
목분과 석분 모두 폐기물을 활용하였으며, 성형시 180~200℃의 온도 조건에서 2~3분 동안 가압하였다. 석분을 15 wt%로 혼합하여 제조되는 목재 성형체(도 4 하단 좌측)는 불연재로서의 기능을 갖게 되며, 접착제의 함량이 35 wt%를 넘게 되면(도 4 하단 우측) 서서히 표면에 광택이 생기게 되어, 이른바 표면 플라스틱화로 인해 물을 튕겨내어 비투수성을 지니게 된다.
또한, 상면과 하면이 서로 다른 재질로 구성되는 복합 성형체를 제조하였으며, 도 5a의 3 개의 성형체가 복합 성형체의 상면이고, 도 5b의 3개의 성형체가 복합 성형체의 하면이다.
복합 성형체의 상면은 모두 본 발명에 따라 재생처리된 ABS 수지겔에 메틸에틸케톤을 50 wt% 혼합하여 제조된 ABS 접착제와 폐유리 분말을 3:7의 중량비로 배합하여 성형한 것(도 5a 모두)이고, 하면은 본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔에 에틸아세테이트를 70 wt% 혼합하여 제조된 스티로폼 접착제와 목분을 4:6의 중량비로 배합하여 성형한 것(도 5b 우측 상단)과, 스티로폼 접착제와 불용성 제오라이트를 2:8의 중량비로 배합하여 성형한 것(도 5b 우측 하단)이다.(도 5b 좌측의 성형체는 도 5a에 도시된 상면과 동일 재질로 제작한 단일 성형체이다.)
성형시 180~200℃의 온도 조건에서 2~3분 동안 가압하였으며, 표면에 광택이 생기게 되어, 이른바 표면 플라스틱화로 인해 물을 튕겨내어 비투수성을 확인하였다.
또한, 내벽 측에는 본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔에 에틸아세테이트를 70 wt% 혼합하여 제조된 스티로폼 접착제와 폐목재를 4:6의 중량비로 배합하여 성형하고, 외벽 측에는 위와 같은 스티로폼 접착제와 제오라이트를 35:65의 중량비로 배합하여 성형한 내외장 복합재를 제조하였다.(도 6) 이때 마찬가지로 성형시 가온 및 가압하여 비투수성을 확보하였으며, 이를 통해 내외장재를 동시에 수행할 수 있는 복합 성형체로의 적용 가능성을 확인하였다.
상술한 다양한 실시예를 통해 제조된 도 3 내지 도 6에 도시된 성형체들의 평면 사진과 단면 사진이 도 7a 및 7b에 도시되어 있다.
이상으로 본 발명에 따라 재생처리된 수지겔로 접착제를 제조하고, 이에 다양한 충전재를 배합하여 각종 성형체를 제조하였다. 이로써, 폐플라스틱을 재활용하여 내외장재를 동시에 수행할 수 있는 복합재의 제조가 가능해졌다. 또한, 외벽 측에는 단열 효과가 있는 폐세라믹 또는 제오라이트에 자갈이나 폐유리 등을 적절히 혼합하여 사용할 수 있고, 내벽 측에는 폐재, 간벌재 등을 분쇄한 것에 200mesh 이하의 광물을 중량비 15%로 혼합하여 불연재로도 활용할 수 있다.
즉, 외장재와 내장재의 기능을 동시에 수행할 수 있는 "복합 건축자재 패널"을 제조할 수 있어 건설 단가를 대폭 낮출 수 있는 효과가 있으며, 설치되는 지역의 특색이나 요구를 반영하여 다양한 특성을 갖는 맞춤형 내외장 복합재를 생산할 수 있다.
<아스팔트 접착제 제조>
본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔, 톨루엔, 탄소분말을 40:40:20의 중량비로 혼합하여 아스팔트 접착제를 제조하여 도 8a 및 8b에 도시된 사진과 같이 도로상에 시설물 등을 부착하는 실험을 수행하였다.
탄소분말의 혼합은 폴리스티렌 수지의 내후성이 취약한 단점을 보완하기 위함이며, 용제로 방향족 탄화수소계 용제인 톨루엔의 선택은 도로의 기초가 아스팔트 합재가 많고 나머지는 콘크리트이기 때문이다. 실험 결과 도로 시설물을 시공하기 위한 아스팔트 접착제로서 기계적 강도가 매우 뛰어나고, 종래의 아스팔트 접착제에 비해 악취가 없어 작업성이 좋고 친환경적인 장점이 있었다.
또한, 본 발명에 따라 재생처리된 스티로폼 수지겔, 톨루엔, 아스팔트를 10:45:45의 중량비로 혼합하고 교반하여 아스팔트 접착제를 제조하여 도 9에 도시된 사진과 같이 도로상에 발생된 하자 등을 보수하는 실험을 수행하였다. 필요에 따라 적절한 입도를 갖는 자갈(채석)을 5~10 wt% 추가 배합하여 수행하였고, 도구를 사용하여 가압하면서 도포한 후, 2~3시간 방치하여 응고시켰다.
도로에 발생된 하자를 메우는 과정에서 작업성이 뛰어났고, 보수 부분의 기계적 강도 및 내후성이 높아 보수 후 오랜 기간 동안 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 비결정질 수지를 용해하여 재생시키기 위한 재생처리액에 있어서,
    상기 재생처리액은 액상기름과, 상기 액상기름의 전체 부피를 기준으로 1~70 vol%의 유기용제가 혼합되며,
    상기 액상기름은 백등유(白燈油)를 주체로 하는 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재생처리액은 상기 액상기름과 유기용제가 7~8 : 3~2의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상기름은 상기 백등유를 주체로 하되, 경질유(輕質油) 및 윤활유로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배합되는 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기용제는 탄화수소계, 방향족 탄화수소계, 알콜계, 에테르계, 아세탈계, 케톤계, 알데히드계 및 에테르계로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유기용제는 상기 비결정질 수지에 따라 상기 군 중에서 선택되며,
    ⅰ)폴리스티렌(polystyrene) 수지의 경우 톨루엔(toluene) 또는 에틸아세테이트(ethylacetate)가, ⅱ)경질염화비닐(rigid polyvinyl chloride) 수지의 경우 사이클로헥사논(cyclohexanone)이, ⅲ)연질염화비닐(soft polyvinyl chloride) 수지의 경우 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)이, ⅳ)ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지의 경우 메틸에틸케톤(methylethylketone, MEK)이 선택되는 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리액.
  6. 비결정질 수지를 용해하여 재생시키는 재생처리 방법에 있어서,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 재생처리액을 준비하는 준비단계(S10);
    상기 재생처리액에 상기 비결정질 수지를 침지 및 용해시켜 상기 비결정질 수지를 겔화 및 침전시키는 겔화단계(S20);
    침전된 수지겔을 상기 재생처리액으로부터 꺼내어 별도로 마련된 액상기름에 침지시켜 유기용제를 추출 및 제거하는 탈용제단계(S30);
    탈용제된 수지겔을 상기 액상기름으로부터 꺼내어 상기 액상기름을 추출 및 제거하는 탈유단계(S40); 및
    탈유된 수지겔을 이용하여 재활용을 위한 처리를 수행하는 후처리단계(S50);
    를 포함하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탈유단계(S40)는,
    ⅰ)상기 탈용제된 수지겔을 상기 액상기름으로부터 꺼내어 별도의 용기에 옮겨 12~24시간 동안 정치(靜置)시키거나, ⅱ)메탄올, 헥산 및 옥탄올로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 탈유용매에 침지시키는 것을 특징으로 하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 후처리단계(S50)는,
    상기 탈유된 수지겔을 원심 분리 후, 30~40℃의 온도로 송풍시켜 고형화하는 건조단계(S51)를 포함하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 후처리단계(S50)는,
    상기 탈유된 수지겔을 유기용제에 용해시켜 수지 접착제를 제조하는 접착제 제조단계(S52)를 포함하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 후처리단계(S50)는 상기 접착제 제조단계(S52) 이후에,
    ⅰ)제조된 수지 접착제에 충전재를 배합한 후 성형하여 자연 건조시켜 투수성 성형체를 제조하거나,
    ⅱ)제조된 수지 접착제에 충전재를 배합한 후 성형하여 가열 및 가압 건조시켜 비투수성 성형체를 제조하거나,
    ⅲ)제조된 수지 접착제에 아스팔트를 배합하여 도로 시설물의 시공 및 보수용 아스팔트 접착제를 제조하는 재활용단계(S53)를 포함하는 비결정질 수지의 재활용을 위한 재생처리 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017108014A1 (en) * 2015-12-22 2017-06-29 Ustav Chemickych Procesu Av Cr, V.V.I. Method for separating composite packaging materials

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