KR20220019492A - 재활용 탄소복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재생 플라스틱에 밀링(milling) 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber)와 건식 배합하여 종래의 재생 플라스틱보다 우수한 내구성 및 강도를 가지고, 폐플라스틱의 이용률이 높은 펠렛형 재활용 탄소복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 사용이 끝난 플라스틱 재료들을 수지 재료로서 재활용한 재활용 탄소복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
플라스틱의 소비량이 매년 증가함에 따라 우리 생활 주변에서는 매일 엄청난 양의 플라스틱 폐기물이 양산된다. 컨슈머포스트(2016.10.31)에 따르면, 1950 ~ 2015년 사이 전세계적으로 생산된 플라스틱 양이 약 86억톤에 달하지만, 플라스틱의 재활용 비율은 약 9%에 그치는 것으로 보고되었다.
최근 환경 보호 등의 의식이 높아짐에 따라 재활용, 재사용 등의 움직임이 강해지고 있는데, 특히, 대형 가전제품, 자동차 등의 제품군 중에서 폐플라스틱의 재활용이 활발하게 이루어지고 있다.
상기 폐플라스틱을 재활용하는 경우 제품의 단가가 저렴해지고 환경 부담금 등 처리 비용을 절감할 수 있으나, 플라스틱 원재료로 생산된 플라스틱 제품에 비해 내구성이나 충격 강도 등의 품질이 떨어지는 문제가 있어 이에 대한 연구가 시급한 실정이다.
일예로, 일본 공개특허 제2004-042461 호에서는, 폐플라스틱을 재이용하였으나, 이와 같은 방법으로 재활용된 재생 플라스틱은 내구성 및 충격 강도가 좋지 않은 문제가 있어 이에 대한 개선이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스크랩(scrap) 형태의 폐플라스틱에 밀링(milling) 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber)를 첨가하여 우수한 내구성 및 강도를 가지며, 이용률이 높은 재활용 탄소복합체를 제조하고자 한다.
본 발명의 재활용 탄소복합체는 밀링 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber); 및 재생 플라스틱;을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 탄소섬유 폐기물 및 상용 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유, 피치(Pitch)계 탄소섬유 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유 중에서 선택된 하나 이상으로부터 유래되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재생 플라스틱은 폴리프로필렌(Polyproplyene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 내충격성 폴리스티렌(High impact polystyrene), 폴리아미드 6(Polyamide 6) 및 폴리아미드 66(Polyamide 66) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 폐플라스틱을 재생시킨 플라스틱일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재활용 탄소복합체는 인장 강도가 45 ~ 60MPa인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재활용 탄소복합체는 굴곡 강도가 68 ~ 80MPa인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재활용 탄소복합체는 펠렛형(pellet type)인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 재생 플라스틱을 준비하는 단계; 상기 재생 플라스틱 및 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 건식 배합하여 건식 배합물을 제조하는 단계; 상기 건식 배합물을 용융 압출하여 사출물을 제조하는 단계; 및 상기 사출물을 냉각하여 재활용 탄소복합체를 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재활용 탄소복합체는 상기 재생 플라스틱 및 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 1 : 0.10 ~ 1: 0.70의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 재활용 탄소복합체를 가공하여 펠렛(pellet)으로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 종래의 폐플라스틱을 재활용한 재생 플라스틱보다 내구성 및 강도가 우수하고, 폐플라스틱의 이용률이 높은 재활용 탄소복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체 펠렛(pellet)의 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체로부터 제조된 재생 플라스틱 제품의 이미지이다.
도 3은 비교예 1에서 제조된 ABS 수지 및 실시예 1에서 제조된 재활용 탄소복합체의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체 제조방법의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체 제조공정 중 배합 공정의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체를 용융 압출(사출)하는 공정의 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체로부터 제조된 재생 플라스틱 제품의 이미지이다.
도 3은 비교예 1에서 제조된 ABS 수지 및 실시예 1에서 제조된 재활용 탄소복합체의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체 제조방법의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체 제조공정 중 배합 공정의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 재활용 탄소복합체를 용융 압출(사출)하는 공정의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 재활용 탄소복합체의 제조방법을 통해 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 4를 참고하여 설명하면, 재활용 탄소복합체의 제조방법은 재생 플라스틱을 준비하는 1단계; 상기 재생 플라스틱 및 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 건식 배합하여 건식 배합물을 제조하는 2단계; 상기 건식배합물을 용융 압출하여 사출물을 제조하는 3단계; 및 상기 사출물을 냉각하여 재활용 탄소복합체를 제조하는 4단계;를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 1단계의 준비는 재활용 목적에 따라 폐플라스틱을 선별한 재생 플라스틱을 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐플라스틱은 스크랩(scrap) 형태일 수 있다.
또한, 상기 재생 플라스틱은 폴리프로필렌(Polyproplyene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 내충격성 폴리스티렌(High impact polystyrene), 폴리아미드 6(Polyamide 6) 및 폴리아미드 66(Polyamide 66) 중에서 선택된 1종 이상을 포함는 폐플라스틱을 재생시킨 플라스틱일 수 있으나, 이에 특별히 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 2단계의 배합은 도 5와 같이 건식으로 수행될 수 있으며, 상기 재생 플라스틱 및 밀링(milling)처리된 탄소섬유의 중량비는 상기 재생 플라스틱의 용도에 따라 조절될 수 있는 것이나, 바람직하게는 1 : 0.10 ~ 1 : 0.70의 중량비로 포함하고, 더욱 바람직하게는 1 : 0.15 ~ 1 : 0.65의 중량비로 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 : 0.20 ~ 1 : 0.60의 중량비로 포함할 수 있다. 만일 상기 탄소 섬유가 0.10 중량비 미만으로 포함될 경우 인장강도 및 굴곡강도가 저하되는 문제가 있을 수 있고, 0.70 중량비를 초과하여 포함될 경우 인장강도 및 굴곡강도의 증가가 미비한 문제가 있을 수 있고, 폐플라스틱의 이용률이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 열변형 온도가 과도하게 높아짐에 따라 가공성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유 폐기물, 상용 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유, 피치(Pitch)계 탄소섬유 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유 중에서 선택된 하나 이상으로부터 유래되는 것일 수 있고, 바람직하게는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유 및 상용 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 평균 입경이 5 ~ 10μm일 수 있고, 바람직하게는 5 ~ 8μm일 수 있다. 만일 5μm 미만일 경우 밀링(milling) 처리시 공정이 복잡해지거나 많은 비용이 발생하는 문제가 있을 수 있으며, 10μm를 초과하는 경우 재생 플라스틱과의 배합이 균일하게 이루어지지 않아 재활용 탄소중합체의 인장강도 및 굴곡강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 평균 길이가 5 ~ 500μm일 수 있고, 바람직하게는 20 ~ 500μm일 수 있다. 만일 평균 길이가 500μm를 초과하는 경우, 재생 플라스틱과의 배합이 균일하게 이루어지지 않아 재활용 탄소중합체의 인장강도 및 굴곡강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 3단계의 용융 압출은 상기 재생 플라스틱의 사출 온도에 맞춰 수행될 수 있으며, 제1열 실린더, 제2열 실린더, 제3열 실린더 및 제4열 실린더를 통해 수행될 수 있다. 이의 바람직한 일예로, 상기 재생 플라스틱이 ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene 수지)일 경우, 제1열 실린더는 220 ~ 250℃로 설정하고, 바람직하게는 225 ~ 245℃로 설정하며, 제2열 실린더의 온도를 215 ~ 245℃로 설정하고, 바람직하게는 220 ~ 240℃로 설정하며, 제3열 실린더의 온도를 210 ~ 240℃로 설정하고, 바람직하게는 215 ~ 235℃로 설정하며, 제4열 실린더의 온도를 210 ~ 230℃로 설정하고, 바람직하게는 215 ~ 225℃로 마스터 배치를 설정한 후 사출을 진행할 수 있다. 상기 사출은 도 6과 같이 수행될 수 있다.
또한, 상기 사출은 80 ~ 200MPa의 압력 하에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 100 ~ 150MPa의 압력 하에서 수행될 수 있다.
다음으로, 4단계의 냉각은 40 ~ 80℃ 하에서, 바람직하게는 50 ~ 60℃ 하에서 냉각수에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 5단계로서 상기 재활용 탄소복합체를 가공하여 펠렛(pellet)으로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 재활용 탄소복합체 펠렛(pellet)은 도 1과 같은 형태일 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 재활용 탄소복합체는 밀링(milling) 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber) 및 재생 플라스틱을 포함할 수 있다.
또한, 상기 재활용 탄소복합체는 인장 강도가 45 ~ 60MPa일 수 있고, 바람직하게는 50 ~ 60MPa일 수 있다.
또한, 상기 재활용 탄소복합체는 굴곡 강도가 68 ~ 80MPa일 수 있고, 바람직하게는 72 ~ 80MPa일 수 있다.
또한, 상기 재활용 탄소복합체는 하기 관계식 1에 의해 측정된 이용률이 88 ~ 100%일 수 있고, 바람직하게는 94 ~ 98%일 수 있다. 만일 상기 이용률이 88% 미만일 경우 상기 재활용 탄소복합체를 통해 제조된 사출 제품 중에서 재생 플라스틱의 함유량이 낮아 재활용률이 좋지 않은 것일 수 있다.
[관계식 1]
또한, 상기 재활용 탄소복합체는 열변형 온도가 85.0 ~ 101.0℃일 수 있고, 바람직하게는 91.0 ~ 100.0℃일 수 있다. 만일 상기 열변형 온도가 91.0℃ 미만일 경우 고온 사용 시 강도가 약해지는 문제가 있을 수 있고, 101.0℃를 초과할 경우 탄소복합체의 가공성이 현저히 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 재활용 탄소복합체는 도 2와 같은 재생 플라스틱 제품의 제조에 사용될 수 있으며, 자동차 내장재 및 외장재, 가전제품, 하우징, IT 기기, 완구류 및 사무기기 등을 제조하는데 이용될 수 있고, 구체적으로는 콘솔박스, 천판부 내장재, 범퍼, 언더커버, 냉장고, 청소기, 세탁기, 선풍기, TV, 모니터, 주방용 제품 등에 이용될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1: 재활용 탄소복합체의 제조
ABS 플라스틱을 주로 하는 재생 플라스틱(폐플라스틱) 및 밀링 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber)를 1 : 0.43의 중량비로 건식 혼합하여 배합물을 제조하였다. 이때, 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 평균 입경이 8μm이고, 평균 길이가 200μm인 것을 사용하였다.
그리고, 상기 배합물을 100MPa의 압력 하에서 용융 압출 시켜 사출물을 제조하였다.
이때, 상기 용융 압출은 제1열 실린더의 온도를 235℃로 하고, 제2열 실린더의 온도를 230℃로 하며, 제3열 실린더의 온도를 225℃로 하고, 제4열 실린더의 온도를 220℃로 하고 사출하여 수행하였다.
그리고, 상기 사출물을 60℃ 하에서 냉각수의 방법으로 냉각시켜 재활용 탄소복합체를 제조하였다.
실시예 2 ~ 실시예 4: 재활용 탄소복합체 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 재활용 탄소복합체를 제조하되, 재생 플라스틱 및 밀링(milling)처리된 탄소섬유의 중량비를 하기 표 1과 같이 하여 실시예 2 ~ 실시예 4를 실시하였다.
비교예 1: ABS 수지 제조
ABS 플라스틱을 70MPa의 압력 하에서 용융 압출 시켜 사출물을 제조하였다. 이때, 상기 용융 압출은 제1열 실린더의 온도를 235℃로 하고, 제2열 실린더의 온도를 230℃로 하며, 제3열 실린더의 온도를 225℃로 하고, 제4열 실린더의 온도를 220℃로 하고 사출하여 수행하였다.
그리고, 상기 사출물을 25℃ 하에서 냉각수의 방법으로 냉각시켜 ABS 수지를 제조하였다.
한편, 상기 ABS 수지는 도 3의 왼쪽 이미지와 같은 형태로 제조될 수 있다.
비교예 2 ~ 비교예 4: 재활용 탄소복합체 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 재활용 탄소복합체를 제조하되, 재생 플라스틱 및 밀링(milling) 처리된 탄소섬유의 중량비를 하기 표 2와 같이 하여 비교예 2 ~ 비교예 4를 실시하였다.
실험예 1: 물성 평가
실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 2 ~ 비교예 4에서 제조된 재활용 탄소복합체, 비교예 1에서 제조된 ABS 수지 사출품을 하기와 같은 방법으로 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1 ~ 표 2에 나타냈다.
(1)인장 강도 측정
ASTM D638 방법에 의거하여 측정하였다.
(2)굴곡 강도 측정
3 point 밴딩(banding) 방식으로 ASTM D790 방법에 의거하여 측정하였다.
(3)열변형 온도 측정
ASTM D648에 의하여 0.45 MPa 기압조건 및 1.85 MPa 기압조건 하에서 각각 열변형이 개시되는 온도를 측정하였다.
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | |
| 중량비 (재생 플라스틱:탄소섬유) | 1:0.43 | 1 : 0.11 | 1:0.25 | 1:0.67 |
| 인장강도(MPa) | 51.22 | 46.53 | 48.69 | 55.34 |
| 굴곡강도(MPa) | 75.31 | 72.95 | 74.21 | 77.59 |
| 열변형 온도(℃) | 97.7 | 92.4 | 94.6 | 99.9 |
| 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | |
| 중량비(재생 플라스틱:탄소섬유) | 1 : 0 | 1 : 0.8 | 1 : 1.0 | 1 : 1.5 |
| 인장강도(MPa) | 37.91 | 56.35 | 56.56 | 56.88 |
| 굴곡강도(MPa) | 67.9 | 77.98 | 78.06 | 78.28 |
| 열변형 온도(℃) | 82 | 102.5 | 105.3 | 107.9 |
상기 표 1 ~ 2를 살펴보면, 실시예 1 ~ 실시예 4에서 제조된 재활용 탄소중합체는 우수한 물성을 가지는 것으로 나타났다.
반면에, 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 사용하지 않고 제조된 비교예 1의 ABS 수지는 탄소섬유를 첨가하여 제조된 실시예 1의 재활용 탄소복합체와 비교했을 때, 인장강도 및 굴곡강도가 현저히 낮은 것을 알 수 있었다.
또한, 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 0.70 중량비를 초과하여 제조된 비교예 2 ~ 비교예 4는 탄소섬유를 0.67 중량비로 포함하여 제조된 실시예 4와 비교했을 때, 인장강도 및 굴곡강도의 증가 정도가 미비한 것을 알 수 있었으며, 열변형 온도가 과도하게 높음에 따라 가공성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형이나 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (9)
- 밀링(milling) 처리된 탄소섬유(milled carbon fiber); 및 재생 플라스틱;을 포함하는 재활용 탄소복합체.
- 제1항에 있어서,
상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유 폐기물 및 상용 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유, 피치(Pitch)계 탄소섬유 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유 중에서 선택된 하나 이상으로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체.
- 제1항에 있어서,
상기 재생 플라스틱은 폴리프로필렌(Polyproplyene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 내충격성 폴리스티렌(High impact polystyrene), 폴리아미드 6(Polyamide 6) 및 폴리아미드 66(Polyamide 66) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 폐플라스틱을 재생시킨 플라스틱인 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체.
- 제1항에 있어서,
상기 재활용 탄소복합체는 인장 강도가 45 ~ 60MPa인 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체.
- 제1항에 있어서,
상기 재활용 탄소복합체는 굴곡 강도가 68 ~ 80MPa인 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체.
- 제1항에 있어서,
상기 재활용 탄소복합체는 펠렛형(pellet type)인 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체.
- 재생 플라스틱을 준비하는 단계;
상기 재생 플라스틱 및 밀링(milling) 처리된 탄소섬유를 건식 배합하여 건식 배합물을 제조하는 단계;
상기 건식 배합물을 용융 압출하여 사출물을 제조하는 단계; 및
상기 사출물을 냉각하여 재활용 탄소복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 재활용 탄소복합체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 재활용 탄소복합체는 상기 재생 플라스틱 및 상기 밀링(milling) 처리된 탄소섬유을 1 : 0.10 ~ 1: 0.70의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 재활용 탄소복합체를 가공하여 펠렛(pellet)으로 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용 탄소복합체 제조방법.
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