KR20210096363A - 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각기 상이한 성질을 가지고 있는 각종 폐플라스틱을 선별없이 혼합하여 표면이 매끄럽고 기계적 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 성형물을 압출성형할 수 있도록 한 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법에 관한 것으로, 성질이 다를 각종 폐플라스틱과, 무기질 입자를 혼합하고 이를 압출기에 투입하여 용융시키면서 압출하여 폐플라스틱 성형물을 제조하는 것에 있어서, 열가소성수지 및 열경화성수지로 구성되는 각종 폐플라스틱은 80∼85 중량%이고, 사문석·납석·감란석·불석·마이카(운모)·흑연· 돌로마이트로 구성되는 무기질그룹으로부터 선택된 2종 이상으로 된 무기질 충진제는 5∼10 중량%이며, 여기에 결합제인 마이크로왁스 3∼5 중량% 및 나머지 잔량으로서 에어로실, 아연화, 산화티탄, 벤톤으로 구성되는 기타 결합제를 포함하여 상기 각 조성물들이 100%(중량)이 되게 혼합시킨 상태에서 900∼1000rpm으로 고속회전으로 10여분 동안 교반한 다음, 교반된 혼합물을 압출기에 투입하여 180∼280℃의 온도범위에서 용융시키면서 압출하여 피성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 발명이다.

Description

경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법{Method for manufacturing waste plastic recycled molding with excellent hardness and strength}

본 발명은 각기 상이한 성질을 가지고 있는 각종 폐플라스틱을 선별없이 혼합하여 표면이 매끄럽고 기계적 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 성형물을 압출성형할 수 있도록 한 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법에 관한 것이다.

산업기술이 날로 발전함과 더불어 플라스틱이 사용된 제품이 많아지고 있으며, 이에 따라 사용수명이 다한 플라스틱제품에 의해 발생되고 있는 폐플라스틱을 재활용하기 위한 여러 방안들이 제안되고 있다.

그런데, 플라스틱은 그 성분 및 성질이 같은 것끼리는 융합이 잘이루어지지만 성분이 다르면 융합이 않되는 성질을 가지고 있다.

또한 폐플라스틱을 재활용하기 위해서는 같은 원료의 성분 및 색상에 따라 종류별로 분리수거하고 또 깨끗하게 세척한 후에 처리해야만 재활용이 가능하였다.

따라서 각종 폐합성수지를 종류별로 분리하지 않고 재활용할 수 있는 기술로서 국내 등록특허공보에 특허 제 227305호로 게재되어 있다.

위 특허는 각종 성분 폐합성수지를 종류별로 선별하지 않고 또한 각 성분들의 혼합비에 관계없이 혼합이 이루어질 수 있도록 하는 방법이 제안되고 있지만, 위 특허의 청구범위에 기재된 발명의 내용에서 보듯이 성분이 다른 폐합성수지액들이 100-200 메쉬로 미분쇄된 활석에 의하여 결합시키는 구성임을 알 수 있다.

그러나 위 특허는 무기질의 활석입자에 용융된 수지액이 사방에서 달라붙게 하여 작용으로 성질이 다른 수지용액을 결합시키는 매개체 역활만을 하고 있기 때문에 압출성형된 성형물의 표면이 거칠고 강도면에서도 미흡하다는 것이 단점으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 나타나는 제반 사항을 감안하여 제안한 것으로, 용융점 및 성질이 각기 다른 여러 종류의 열가소성 및 열경화성 폐플라스틱들을 선별공정이나 세척공정없이 혼합 및 용융시켜서 압출성형하는 공정으로 표면이 매끄럽고 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물을 제조할 수 있도록 하는데 목적을 두고 발명한 것이다.

이를 위한 본 발명의 기술적 수단은, 성질이 다른 각종 폐플라스틱과, 무기질 입자를 혼합하고 이를 압출기에 투입하여 용융시키면서 압출하여 폐플라스틱 성형물을 제조하는 것에 있어서, 열가소성수지 및 열경화성수지로 구성되는 각종 폐플라스틱은 80∼85 중량%이고, 사문석(serpentine)·납석(pyrophylite)·감란석(olivines)·불석(alumino)·마이카(mica: 운모)·흑연(graphite)·복사이트(bauxite)·돌로마이트(dolomite) ·몬모릴로나이트(montmorllonite)로 구성되는 무기질그룹으로부터 선택된 2종 이상으로 된 무기질 충진제는 5∼10 중량%이며, 여기에 결합제인 마이크로왁스(microwax)를 3∼5 중량% 포함하여 혼합시킨 상태에서 900∼1000rpm으로 고속회전으로 10여분 동안 교반한 다음, 교반된 혼합물을 압출기에 투입하여 180∼280℃의 온도범위에서 용융시키면서 압출하여 피성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 결합제는 마이크로왁스(microwax) 3∼5 중량%에다 에어로실(aerosil), 아연화(zno), 산화티탄(TiO 2), 벤톤(bentonite) 각 성분들을 총 10 중량%의 범위내에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 것이며, 또한 상기 폐플라스틱, 결합제 및 충진제를 혼합시킨 상태로 압출기에 투입할 때 상기 혼합물의 전체 중량에 대하여 대전방지제를 02∼03 중량% 추가하여 압출기에 투입하여 피성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 산업폐기물로 폐기처리되는 각종 폐플라스틱을 수거하여 선별작업 및 세척작업을 수행하지 않고 작게 분쇄하여 원료로 사용하므로서 각종 폐플라스틱의 재활용에 이바지할 수 있으며, 또한 기계적인 경도 및 강도가 우수한 제품을 제조할 수 있게 하는 방법을 제공하는 유용한 발명이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 이하에서 설명하기로 한다.

본 발명은 폐기처리되는 폐플라스틱을 주원료로 하며, 무기질로 구성되는 충진제를 보조원료로 하고, 여기에 겹합제인 마이크로왁스(microwax)를 소량 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하고 있으며, 또한 상기 결합제로서는 마이크로왁스 3∼5 중량%에다 에어로실(aerosil), 아연화(ZnO), 산화티탄(TiO 2 ), 및 벤톤(bentonite) 등의 성분들을 총 10 중량% 범위에서 혼합하거나 또는 극소량의 대전방지제를 추가하여 혼합하여 폐플라스틱 재활용 성형물을 압출성형하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 폐플라스틱은 폴리염화비닐(PVC), 폴리스틸렌(PS), ABS수지, 폴리아세탈(POM), 폴리에틸렌(PE), 폴리아미드(PA), 나일론(NAL), 나일론섬유, 폴리프로필렌(PP), 아크릴, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에텔렌테레프탈레이트(PETP), 초산셀롤로오스(CA), 에틸셀롤로오스(EC), 폴리초산비닐(PVAC) 등 열가소성 폐플라스틱과;

멜라민수지(MF), 페놀수지(PF), 우레아수지(PUR), 에폭시수지(EP), 폴리디아릴프탈레이트(PVAE) 등 열경화성 폐플라스틱이 사용되며, 이들 각 폐플라스틱은 수명이 다하여 폐기처리되는 순수 플라스틱 제품은 물론이고 금속, 지류, 목재 등 플라스틱이 아닌 재료와 함께 혼용되어 제조된 모든 제품으로부터 얻어지는 폐플라스틱을 전부 포함한다.

또한 상기 폐플라스틱은 각 제품의 폐기처리시 얻어지는 상태 그대로를 취하여 일정 크기 즉, 크기는 5∼15mm, 두께는 1∼3mm 정도로 작게 분쇄하여 사용한다.

상기 폐플라스틱의 사용량은 피성형물의 전체 중량에 대하여 80∼85 중량% 범위로 혼합하는 것이며, 폐플라스틱이 85 중량% 이상일 경우에는 피성형물에 뒤틀림 현상 등의 변형이 생기게 되어 안정성에 문제가 발생될 수 있으며, 폐플라스틱이 80 중량% 이하일 경우에는 피성형물의 경도 및 강도와 같은 기계적인 성질이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.

또한 폐플라스틱과 함께 마이크로왁스와 흑연(graphite)을 첨가하여 피성형물의 표면광택을 유지하고 내산성, 내식성 및 기계적 강도를 보완했다.

본 발명에서 사용되는 충진제는 사문석·납석·감람석·불석·마이카(운모)·흑연·복사이트(bauxite)·돌로마이트(dolomite)·몬모릴로나이트(montmorllonite)로 구성되는 무기질그룹으로부터 선택된 2종 이상을 혼합하는 것이며, 무기질 충진제는 서로 다른 성질을 가진 여러 종류의 폐플라스틱이 용융 및 혼합되는 과정에서 균일하게 분포된 상태하에서 피성형물이 압출성형되게 하므로서 피성형물의 기계적인 성질 즉, 경도 및 강도 등이 우수한 성질을 갖게하는 역활을 담당하는 것으로, 상기 무기질 충진제의 사용량은 피성형물의 전체 중량에 대하여 5∼10% 이내의 범위이며, 또한 상기 무기질 충진제는 300∼350 메쉬로 미분쇄된 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 무기질 충진제가 미분쇄된 것일수록 폐플라스틱 용융액에 고르게 분산된 상태로 혼합될 수 있기 때문이다.

본 발명의 특징은 폐플라스틱 80∼85 중량%와 충진제 5∼10 중량%에다 결합제인 마이크로왁스를 3∼5 중량%를 포함하여 혼합한 것에 있으며, 또한 상기 폐플라스틱과 충진제 및 결합제인 마이크로왁스를 900∼1000rpm으로 고속회전시켜 교반한 다음 180∼280℃의 온도로 가열하여 용융시키면서 피성형물을 압출성형하는 것에 있다.

상기 폐플라스틱은 앞에서 설명한 바와 같이 입자의 크기가 5∼15mm 정도로 작고 두께는 1∼3mm 정도로 얇게 분쇄된 상태로 혼합되는 것이며, 무기질 충진제는 앞에서 설명한 바와 같이 325 메쉬로 미분쇄된 것이고, 결합제인 마이크로왁스는 분말화된 것이 사용된다.

상기 결합제인 마이크로왁스는 액상으로 용융되었을시 접착성이 매우 강하여 어떠한 물질에 일단 접착되면 탈락되지 아니하는 성질을 가지고 있으므로 각종 폐플라스틱과 함께 열을 가하여 액상으로 용융시키게 되면 성질이 다른 2종 이상의 폐플라스틱 용액과 용액을 결합시키는 가교제의 역활을 담당하는 것이다.

또한 상기 마이크로왁스는 폐플라스틱 용액과 미분쇄된 충진제 입자와의 결합력을 높여주는 역활도 담당하게 된다.

그리고 폐플라스틱과 충진제 및 마이크로왁스의 혼합은 믹서기(반버리믹서)가 사용되며, 그 혼합은 900∼1000rpm의 고속회전으로 교반혼합시키는데, 이와 같이 믹서기를 고속회전시키게 되면 크기가 비교적 큰 폐플라스틱 입자들은 더 작게 절단 또는 분쇄되면서 미분상의 충진제 및 분말상으로 된 마이크로왁스와의 혼합이 잘이루어지게 된다.

상기에서 폐플라스틱 입자와 미분상의 충진제 및 결합제인 마이크로왁스를 900∼1000rpm의 고속회전으로 혼합시키는데 필요한 시간은 대략 10여분 정도가 소요된다.

상기와 같이 믹서기에 의해 혼합된 혼합물은 일축 또는 이축 압출기에 투입하여 180∼280℃의 고온의 조건으로 용융시키면서 압출금형을 통해 피성형물을 압출성형하는 것인데, 용융온도를 180℃ 이하로 하게 되면 그 보다 융점이 높은 폐플라스틱은 알갱이 상태로 남아있게 되어 피성형물의 물성에 나쁜 영향을 미치게 되며, 280℃ 이상으로 용융시킬 경우에는 전기에너지가 불필요하게 소모되어 경제성이 떨어진다.

따라서 혼합물은 180∼280℃의 온도범위로 가열하여 용해시키는 것이 바람직 하다. 그 이유는 플라스틱은 성분에 따라 융점이 제각기 다르기 때문인데, 통상 융점이 낮은 폐플라스틱은 180℃에서부터 용해되고 융점이 높은 폐플라스틱은 280℃의 온도에서 완전 용해되므로 각종 폐플라스틱의 성분을 고려하여 180∼280℃의 온도범위에서 모든 폐플라스틱을 완전 용해시킬 수 있는 온도로 가열하여 용해시키는 것이며, 또한 일축 및 이축 압출기는 용해되는 혼합물을 혼합시키면서 압출하게 되므로 이 과정에서 용해된 혼합물은 더욱 고르게 교반 및 혼합되면서 압출금형을 통해 피성형물로 압출성형되는 것이다.

한편, 상기 결합제인 마이크로왁스는 그 혼합비가 피성형물의 전체 중량에 비하여 3∼5 중량%로 소량이지만 각종 폐플라스틱 용액 및 무기질인 충진제의 미분입자와 고르게 분산 혼합되어 성질이 다른 폐플라스틱 용액과 용액 그리고 충진제의 미분입자들을 강력하게 결합시키는 가교제 역활을 담당하게 되므로서 압출성형된 피성형물은 기계적인 경도 및 강도가 우수한 상태가 되며, 또한 마이크로왁스의 가교성에 의해 피성형물의 표면이 매끄러운 상태가 된다.

상기에서 무기질인 충진제가 5 중량% 미만으로 혼합될 경우에는 성질이 다른 폐플라스틱들 각각의 수축계수를 제어하지 못하게 되어 피성형물의 압출성형시 뒤틀림 등의 변형이 발생될 수 있으며, 10 중량% 이상으로 혼합된 경우에는 피성형물의 압출성형 후 기계적 성질인 경도 및 강도를 저하시키게 될 우려가 있다. 따라서 상기 무기질 충진제는 5∼10 중량%의 범위에서 혼합하는 것이 바람직하다.

다음, 결합제로서 마이크로왁스(microwax) 이외의 결합제인 결합제인 에어로 실(aerosil), 아연화(Zno), 산화티탄(TiO 2 ), 벤톤(bentonite) 등 성분은 마이크로왁스와 함께 혼합물의 전체 중량에 대하여 총 10 중량%의 범위내에서 혼합되는 것이며, 각 성분의 결합제들은 마이크로왁스와 함께 피성형물의 결합력을 증대시키는 작용을 한다.

상기 결합제 성분 중에서 에어로실은 1미크론 정도로 미분화된 분말이 사용되며, 이와 같이 에어로실 입자는 아주 미세하기 때문에 비표면적이 매우 크다. 또한 에어로실 입자는 규소(Si)와 산소(O) 원자가 결합된 구조로 되어 있고 굴절율은 145∼155 범위로서 폐플라스틱와 마이크로왁스가 용해되었을 때 그들의 분산효과를 촉진시키는 작용을 하게 되어 폐플라스틱 용액과 마이크로왁스 용액의 분산작용을 촉진시켜 고르게 혼합시키는 역활을 담당한다. 따라서 결합제인 마이크로왁스의 가교결합력이 증대된다.

상기 결합제 성분 중에서 아연화, 산화티탄, 벤톤 각각은 점결성을 가지고 있으므로 마이크로왁스와 함께 폐플라스틱 용액과의 가교결합력을 증대시키는 작용을 한다. 또한 상기한 결합제 성분들 중에서 아연화 및 산화티탄은 자외선을 차단하는 효과를 가지고 있다.

한편, 상기 충진제 성분으로서 극소량의 대전방지제를 추가하여 피성형물을 압출성형할 수 있으며, 이때 대전방지제의 투입시기는 믹서기에서 혼합된 혼합물을 압출기에 투입할 때 함께 투입되는 것이며, 또한 대전방지제의 투입량은 압출기로 투입되는 혼합물의 전체 중량(100%)에 대하여 02∼03 중량%를 추가적으로 투입하 는 것이다.

상기와 같이 압출기에 투입되는 혼합물에 추가적으로 투입되는 대전방지제는 압출기 내에서 혼합물과 함께 이송 및 용융되는 과정에서 혼합되는 것이며, 이와 같이 혼합물과 함께 압출기에 투입된 대전방지제는 폐플라스틱이 압출기내에서 용융될 때 발생되는 폭발성가스를 소멸시키는 작용을 담당하여 가스에 의해 피성형물의 표면에 기포가 생기는 것을 방지하므로서 압출성형된 피성형물의 표면을 매끄럽게 하는 효과와 함께 피성형물에서 정전기가 발생되지 않게 하는 효과를 나타낸다.

이상과 같은 본 발명으로 폐플라스틱 평판(plate)를 제조하는 실시예는 다음과 같다.

실시예 1 내지 6은 하기 [표 1]에 기재된 총 19종의 폐플라스틱 중에서 선택적으로 혼합되는 것을 실시예로 하고 있으며, 이때의 폐플라스틱 혼합비는 80∼85 중량%의 범위내이고 Kg단위로 하여 혼합하여 실시한 것이며, 또 결합제로서 마이크로왁스는 3∼5 중량% 범위내이며, 그외의 결합제인 에어로실, 아연화, 산화티탄, 벤톤 각각은 마이크로왁스와 함께 10 중량% 범위내에서 Kg단위로 혼합한 것이며, 또 충진제로서 사문석, 납석, 불석, 감람석, 마이카(운모), 흑연, 복사이트, 돌로마이트, 몬ㅁㅎ랄로나이트 등 성분은 적어도 2종 이상의 성분이 5∼10 중량% 범위내에서 Kg단위로 혼합되는 것이고, 대전방지제는 한국의 유진테크사(상호)에서 제조된 YT-AS 2000(상품명)을 02∼03 중량% 범위내에서 Kg단위로 추가하여 압출기에 투입한 것을 실시예로 하고 있으며, 각 실시예에 따른 압출성형온도는 180∼280℃의 범위내에서 실시한 것이다.

[표 1]

상기 [표 1]과 같이 여러 종류의 폐플라스틱과 결합제 및 충진제를 혼합시킨 상태에서 압출기로서 폭 10cm, 두께 15mm 의 평판(plate)을 압출성형하면서 약 15℃의 냉각수로 냉각하였을 때 피성형물의 표면이 균일하고 매끄럽게 압출성형된 것 을 육안으로 확인할 수 있었으며, 이와 같이 압출성형된 피성형물을 기계적인 성질인 경도 및 각종 강도 시험을 통해 측정한 물성치 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.

[표 2]

상기 [표 2]에서 보듯이 본 발명으로 제조된 폐플라스틱 성형물은 기계적 성질인 경도와 강도면에서 우수하고, 내열성, 내후성, 내구성, 내산성, 내식성도 우수하며, 또한 기존의 플라스틱과 같이 압출성형방법으로 제조할 수 있는 것이면 모두 가능하지만 원재료가 폐플라스틱이란 점을 고려하여 위생에는 관련이 없으며 강도가 요구되는 제품으로서, 건물의 바닥재, 벽면마감재, 칸막이, 거푸집, 토류판, 중압관 등의 건축용 자재와 하우스, 축사, 농업용 지지대 또는 하수관이나 공업용수를 수송하는 수송관 등 각종 파이프제품을 압출성형할 수 있다.

Claims (2)

1. 성질이 다른 각종 폐플라스틱과, 무기질 입자를 혼합하고 이를 압출기에 투입하여 용융시키면서 압출하여 폐플라스틱 성형물을 제조하는 것에 있어서,
   열가소성수지 및 열경화성수지로 구성되는 각종 폐플라스틱은 80∼85 중량%이고, 사문석·납석·감란석·불석·마이카(운모)·흑연·돌로마이트로 구성되는 무기질그룹으로부터 선택된 2종 이상으로 된 무기질 충진제는 5∼10중량%이며, 여기에 결합제인 마이크로왁스 3∼5 중량% 및 나머지 잔량으로서 에어로실, 아연화, 산화티탄, 벤톤으로 구성된 기타 결합제를 포함하여 상기 각 조성물들이 100%(중량)이 되게 혼합시킨 상태에서 900∼1000rpm으로 고속회전으로 10여분 동안 교반한 다음, 교반된 혼합물을 압출기에 투입하여 180∼280℃의 온도범위에서 용융시키면서 압출하여 피성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 폐플라스틱, 결합제 및 충진제를 혼합시킨 상태로 압출기에 투입할 때 상기 혼합물의 전체 중량에 대하여 대전방지제를 02∼03 중량% 추가하여 압출기 에 투입하여 피성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 경도 및 강도가 우수한 폐플라스틱 재활용 성형물 제조방법.