KR100241706B1 - 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지금까지 재활용이 어려운 냉장고 단열재용 폐폴리우레탄과 폐타이어의 고무분말 그리고 재생 폴리에틸렌을 이용하여 완충성이 우수한 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.

냉장고 등에서 단열재로 사용되었던 폴리우레탄폼을 사전 분쇄나 분리 없이 폐타이어 고무분말과 역시 재생 플라스틱인 폴리에틸렌 등과 함께 특별한 절차로 150℃ 부근에서 110㎏/㎠의 압력으로 혼합하여 융합시킨 후 그 조성물을 프레스형 몰드로 완충성이 뛰어나고 견고한 구조물성형용 조성물을 제조한 결과 우수한 물성치를 나타냈다. 폐폴리우레탄과 폐타이어 분말 그리고 타 물질들간에 상용성을 높이고 완전한 혼합을 가하기 위하여 폐타이어 분말 및 재생 폴리에틸렌을 먼저 가하여 충분히 혼합 후, 폐폴리우레탄 입자 및 파라핀 오일 등을 첨가하는 것이 제조 효율 및 물성치에 있어서 가장 좋은 결과를 보였다. 중량비로 폐폴리우레탄은 20%, 폐타이어 분말은 15% 사용하는 것이 가장 적합한 수치를 나타내었다.

본 조성물은 도로 방호벽 뿐만 아니라 도로턱, 보도 블록, 주차장 카 스토퍼(car stopper), 배수로, 거푸집(pannel), 목장용 펜스, 포도밭 지주, 대형 화단 등의 토건용으로 다양하게 사용될 수 있어 자원의 절약과 재활용에 매우 적합하다.

본 발명에서 개발된 폐폴리우레탄과 폐타이어 고무분말 그리고 재생 폴리에틸렌등을 이용한 조성물은 재활용을 촉진하여 자원을 절약하고 도로 방호벽 등으로 사용할 경우, 교통사고로 인한 피해를 감소시킬 수 있어 환경친화적 조성물이다.

Description

폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물 및 그 제조방법

본 발명은 폐폴리우레탄, 폐타이어, 폐폴리에틸렌등과 같은 화학합성 폐기물을 용융시켜 만든 토건용 자재 조성물 및 그 제조방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는 폴리우레탄은 단열 또는 보온제로 널리 사용되고 있고, 타이어는 수명이 다되어도 특별히 재사용되지 못하고 있으며, 폴리에틸렌은 농업용자재 등으로 널리 사용되고 있으나 재활용에 제약을 받고 있다. 본 발명은 이들 폐기물을 가공 및 용융시켜 콘크리트 대용의 토건용 자재 또는 구조물 성형용조성물로 개발하였다.

폴리우레탄은 우수한 화학적, 물리적 성상으로 인하여 현대생활과 밀접하게 냉장고나 건축물의 단열 및 보온재로 널리 사용되고 있다. 실제로 국내의 가정용 냉장고에 년간 2만4천톤 이상이 사용되고 있으나 일정기간이 지나면 냉장고와 함께 폐기되어 심각한 환경오염을 유발하게 된다. 특히 폴리우레탄은 원료의 합성시 분자 구조상 자연스런 가교결합을 통한 3차원의 망상구조를 형성하여 열경화성수지가 되어 재용해하는 성질을 갖지 못하기 때문에 재활용이나 재생이 매우 어려운 실정이다. 매립하는 경우에 있어서, 쉽게 분해되지 않고 체적이 25배 이상 발포되어 있으므로 매립지난을 가중시킨다. 또한 소각시에도 분자내의 질소나 방향족 화합물 그리고 염소화합물의 발포제 등을 함유하고 있어 매우 유해한 성분이 발생하여 환경오염을 유발하기 쉽다.

타이어는 자동차 보급이 보편화됨에 따라 폐타이어의 발생량도 국내에서 년간 약 2,000만 개의 폐타이어가 발생될 것으로 예측되어지고 있다. 폐타이어 한 개당 평균 중량이 7.5㎏으로 계산하면 년간 약 15만톤 이상의 폐타이어가 발생되고 있으나 마땅한 처리방법이 없어서 진지공사나 불법소각 등으로 사용되고 있다.

폴리에틸렌은 특용작물 농업의 하우징 또는 멀칭용으로 널리 사용되고 있으나 일정기간이 경과하고 나면 폐기되어 재사용에 어려움이 있다.

그러나 이러한 폐폴리우레탄, 폐타이어, 폐폴리에틸렌을 각각 독자적으로 재활용하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있으나 물성의 한계로 인하여 저급품으로 재활용되기도 한다. 특히 이들 폐기물을 고가의 성형물로 재활용하고자 하는 시도는 거의 알려지지 않고 있는 설정이다.

각종 구조물성형 및 토건용 자재들은 시멘트 콘크리트로 만들어 고속도로나 일반도로의 중앙분리대나 도로턱과 도로 방호벽등으로 사용되고 있으나 차량과 접촉사고시 완충성이 부족하여 대형 참사를 유발하는 경우가 빈번하였다. 일반도로에는 중앙에 도로 방호벽이 설치되지 않은 곳이 많아서 과속으로 인한 충돌사고의 위험이 있다. 본 발명에서는 폐냉장고나 자동차 등에서 대량 발생되고 있으나 처리가 어려운 폐폴리우레탄과 폐타이어 및 폐폴리에틸렌을 융합시켜 만든 조성물로서 성형성이 우수하고, 인장강력이나 압축강도가 뛰어나고 완충성이 있으므로 도로, 공사장, 운동장, 훈련장등 사람의 안전을 위한 시설물로서 간단히 설치할 수 있는 경제성과 안전성이 있는 구조물성형용 또는 토건용 조성물 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

제1도는 폐폴리우레탄의 표면상태도(SEM 사진).

제2도는 폐폴리우레탄, 폐타이어 분말, 폐폴리에틸렌을 용융시킨 본 발명의 조성물의 표면상태도(SEM 사진).

제3도는 본 발명의 조성물로 만든 성형물의 단면 상태도(사진).

[·시편의 제조]

폐폴리우레탄은 폐장고 파쇄공정에서 발생된 전선이나 알루미늄 조각 등이 소량 함유된 폐폴리우레탄 알갱이를 일정한 크기로 선별한다.

폐타이어는 파쇄하여 금속성분을 제거하고 분말을 제조하여 일정한 크기의 입도의 분말을 사용하였다.

폐폴리에틸렌은 멀칭용 폴리에틸렌 필름을 수거하여 세척 및 건조한 후 일정한 크기로 펠릿화하여 사용하였다.

부형제(filler)는 화력발전소의 굴뚝에서 수거한 플라이에쉬(fly ash)를 사용하였다.

첨가제로서 파라핀유(paraffin oil)을 소량 사용하였다.

[·폐기물의 융합반응]

교반기가 부착된 혼합조의 온도를 140℃에서 160℃로, 회전속도를 30rpm으로 유지하면서 폐타이어 고무분말과 폐폴리에틸렌을 투입하여 110㎏/㎠의 압력을 가하여 충분히 혼합시키고 난 뒤 폐폴리우레탄을 약간의 파라핀오일과 함께 첨가한 후 교반하였다. 분쇄가 아닌 파쇄된 상태의 폐폴리우레탄 입자는 밀도가 매우 낮으므로 수회에 걸쳐 투입하여 교반을 완료시켜 용융물을 얻었다.

[·조성물을 이용한 몰드 성형]

프레스(press)형 몰드에서 원하는 규격의 성형물은 200℃에서 8톤의 압력을 가하여 성형한다. 본 조성물로 기존 도로의 방호벽과 재질의 성능을 비교하기 위하여 가로 195mm, 세로 195mm, 두께 3mm의 평판과 같은 가로 및 세로에 두께 30mm의 입방향으로 두 가지를 제조하였다.

[실시예]

본 발명에 사용된 폐폴리우레탄은 냉장고를 파쇄하는 공장의 자동 햄머밀형 스레더(shredder)에서 파쇄된 것으로 미세 분말에서 30mm 크기의 분포로서 평균크기는 15mm의 불균질한 입자들이며, 구리선이나 알루미늄의 조각들 또는 발포성폴리스틸렌(EPS)수지 같은 불순물이 중량비로 약 15% 이상이 함유되어 있는 것을 사용하였다.

폐타이어 분말은 실제 폐타이어 재생공장에서 1차 파쇄한 후 금속 성분을 제거하여 다시 상온에서 분쇄시켜 약 40 mesh의 입도를 갖는 것을 사용하였다.

폐폴리에틸렌은 농촌의 멀칭용으로 사용된 필름을 한국자원재생공사에서 수거하여 물로 세척하여 재생한 펠렛(pellet)형으로 약 60%의 HDPE와 약 40%의 LDPE가 혼합된 것을 사용하였다.

필러로 소량 첨가되는 플라이에쉬(fly ash)는 화력발전소의 굴뚝 상부에서 수거한 것을 사용하였다. 또한 소량으로 첨가되는 파리핀오일은 신품을 사용하였다.

본 발명에 사용된 폐기물들은 파쇄시 이물질을 완전히 분리한 후 투입하면 물성과 제작 효율은 다소 증가하지만, 이들의 분리작업에는 정밀작업과 인력이 많이 요구되므로 성형물의 형상과 용도를 감안하여 파쇄된 폐폴리우레탄을 그대로 사용하여도 물성에 큰 차이가 없다는 것이 본 발명품의 특징이다.

본 발명에 사용되는 폐폴리우레탄의 입도는 40mm 이상으로 크지 않으면 조성물을 만드는데 영향을 주지 않으며, 조성물의 물성에도 큰 영향을 미치지 않고 좋은 모폴로지를 형성하는 것으로 나타났다. 제1도는 원래의 폐폴리우레탄의 조직을 전자현미경으로 확대한 사진이며, 제2도는 본 발명품의 재질로 만든 시료의 표면을 전자 현미경으로 확대하여 촬영한 사진으로 열경화성으로 널리 알려진 폴리우레탄이 용융하여 타 물질들과 잘 혼합된 모습을 나타낸다. 지금까지 알려진 바로는 폴리우레탄이 용융하지도 않을 뿐만아니라 타 플라스틱과 혼합이 힘들어 거의 재활용이 어려웠다. 그리고 제3도는 본 조성물의 시편의 단면도로서 금속 불순물이 포함되어 있음에도 불구하고 주성분들인 폐폴리우레탄폼, 폐타이어 분말 그리고 재생폴리에틸렌 등이 잘 혼합되어 견고한 구조를 형성하고 있는 것을 나타내고 있다.

특히 불순물인 금속 조각들이 오히려 바인더 역할까지 하고 있는 것을 나타내고 있다.

[비교예]

현재 국내에는 도로 방호벽이나 안전보호시설 그리고 기타 용도의 구축물은 물성에 대한 기준치가 없으므로 경험적인 판단에 의존하고 있는 실정이다. 본 발명품을 도로에 설치되어 있는 콘크리트 도로 방호벽으로 대체하기 위하여 조성물로 성형한 구축물의 압축강도를 측정한 결과를 표 2에 나타냈다. 표 2에서 보는 바와 같이 239 ㎏/㎠에서도 시료는 손상되지 않았으며 콘크리트에 비해 훨씬 완충력을 갖고 있어 도로 방호벽에 사용이 가능한 것으로 판단된다.

본 발명품의 용도는 콘크리트 대체용에만 한정되는 것은 아니다. 예로써 도로 방호벽으로 쓰이는 콘크리트의 물성치와 비교 실험하였다. 일반적으로 콘크리트의 물성치를 측정할 경우, 보통 원통형의 두께 50mm 콘크리트로 여러 가지 물리적 특성을 실험하고 있다. 본 발명품을 콘크리트의 물성치와 비교하기 위하여 기존의 콘크리트 물성실험에 사용되는 크기와 유사하게 가로 50mm × 세로 50mm × 두께 3mm의 패널을 만들어 압축강도, 파열강도, 인장강도 등을 측정한 결과, 콘크리트의 경우 모두 1,000㎏/㎠ 이하에서 파열 또는 파괴되나, 본 발명품은 측정기의 최고 물리력 범위인 1,000㎏/㎠에서도 파열이나 파괴되지 않은 결과를 얻게 되었다.

특히 본 발명품을 도로 방호벽으로 사용하고자 할 경우, 최근 일부 시내 도로에 설치되고 있는 신품 플라스틱 도로 보호벽과 비교할 경우, 신품 플라스틱 도로 방호벽은 원료로 신제 LLDPE를 사용하므로써 폐기물을 활용하지 못할 뿐만 아니라 그 구조는 속이 비어 있고 겉만 플라스틱으로 구성되어 있는 중공성형 제품이므로 안전도 면에서도 본 발명품이 더 우수하다고 판단된다. 신품 플라스틱 도로 방호벽은 중량을 유지하기 위하여 내부 구조가 물을 채우게 설계되어 있으므로 혹한기에는 동파는 물론 내충격성이 약화될 우려가 있다. 또한 설치시 반드시 현장 조립하게 되어 있지만, 본 발명품은 현장 조립은 물론 일반 콘크리트와 마찬가지로 혼합용 차량을 이용시 현장 타설이 가능하고 동결 등의 부작용이 없다. 또한 제품 자체가 폐기물을 재활용하여 만들어졌기 때문에 사용중에 파손되더라도 재사용이 가능하므로 환경친화적인 발명이다.

또한 본 발명의 조성물은 도로 방호벽 뿐만 아니라 도로턱, 보도 블록, 주차장 카스토퍼(car stopper), 배수로, 거푸집(pannel), 목장용 펜스, 포도밭 지주, 대형 화단등의 장식용, 토건용, 안전보호시설등으로 다양하게 될 수 있어 자원의 절약과 재활용에 매우 적합하다.

본 발명은 대량으로 발생되고 있는 폐기물로서 재활용되기 어려운 폐폴리우레탄폼이나 폐타이어를 자원으로 재활용을 증대시킬 수 있다. 또한 폐고무나 폐폴리우레탄, 폐플라스틱류가 갖고 있는 기본적인 물성으로 인하여 기존의 콘크리트 토건용 조성물에 비해 충격흡수력이 탁월하여 도로 방호벽 등으로 사용할 때 대형사고를 줄일 수 있어 교통안전에 도움을 줄 수 있다. 원료비가 저렴하고, 경우에 따라서는 처리비를 받으면서 제조할 수 있어 제품화될 경우, 제조 및 보급이 확대 될 수 있다. 제조설비가 간단하여 보급이 용이하며, 기술수출 뿐만아니라 막대한 건축자재의 절약을 꾀할 수 있다. 값비싼 신품 플라스틱 제품에 비해 원료비가 절감되며, 혹한기 동결문제를 방지할 수 있다. 자원의 절약과 재활용을 통한 환경보호 그리고 교통사고, 안전사고등으로 인한 피해를 감소시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 폐기물을 이용한 자재 조성물에 있어서 폐폴리우레탄, 폐타이어, 폐폴리에틸렌으로 구성됨을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물.
2. 제1항에 있어서, 폐폴리우레탄 입자 17∼23중량부, 폐타이어 분말 11∼19중량부, 폐폴리에틸렌 50∼62중량부로 구성됨을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물.
3. 폐폴리우레탄, 폐타이어, 폐폴리에틸렌을 120∼160℃ 온도에서 100∼120㎏/㎠ 압력으로 융합시키는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 폐폴리우레탄은 파쇄 또는 분말화하여 사용하고, 폐타이어는 분말화하여 사용하고, 폴리에틸렌은 펠릿형태로 사용하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 폐폴리우레탄은 이물질을 분리하여 분말화하고, 폐타이어 고무분말의 입자는 30∼50mesh로 하고, 1∼10중량부의 파라핀 오일 및 1∼10중량부의 플라이 애쉬(fly ash)를 첨가하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 이용한 구조물성형용 조성물의 제조방법.
6. 폐폴리우레탄, 폐타이어, 폐폴리에틸렌을 융합시켜 얻은 조성물을 도로 방호벽, 도로턱, 보도블럭, 카 스토퍼(car stopper), 배수로, 거푸집, 목장용 펜스, 포도밭 지주, 대형 화단의 자재로 사용하는 방법.

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