첨가제를 이용한 GRT/HDPE 복합소재 특성연구

김상준, 김일곤, 조진욱, 김준석, 김승록*, 임순호**, 한 춘

광운대학교, Thermo Haake*, 한국과학기술연구원**

A Study on GRT/HDPE Composite Characteristic

by Using Additive

S.J. Kim, I.G. Kim, J.W. Cho, J.S. Kim, S.R. Kim*, S.H. Lim**, C. Han

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Thermo Haake*, KIST*

1.서 론

폐타이어와 폐플라스틱은 국내외적으로 환경문제에 있어 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다. 우리나라에서 자동차로부터 배출되는 폐타이어등 고무류는 연간 2만6천3백여톤에 이르는 것으로 보고되고 있으며 우리나라에서 발생하는 폐타이어의 수량은 1998년도 기준으로 약 2,073만개, 2000년도에는 약 2,500만개가 될것으로 예상된다. 5대 범용수지 폐플라스틱 발생량 역시 1990년 이후 해마다 10%이상씩 증가하여 1999년에는 약 283만톤의 폐플라스틱이 발생하였으며 이중 PP, HDPE 각각 81.5, 77.9만톤으로 가장 많았고 다음으로 LDPE, PVC, PS순으로 조사되었다.

위와 같은 폐자원의 심각성을 고려한 선진 외국의 경우에 있어 미국은 냉각분쇄된 GRT(Ground Rubber Tires)를 이용한 불포화 폴리에스트 수지와의 혼합 성형물등에 대한 개발을 추진하고 있으며 캐나다에서는 GRT를 폴리오레핀 블렌드들의 충진제 (Filler)로 이용하려는 연구들이 진행중이다. 특히 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 경제적인 고물성 혼합 소재 개발에 박차를 가하고 있다. 따라서 우리 나라에서도 폐고무류의 열분해를 통한 에너지화 및 고무 아스팔트와 철로의 침목 대체 재료등 단순한 1차적인 재활용 단계를 초월하여 폐고무류와 폐플라스틱과의 혼합 (Blending) 성형 비율 조절, 첨가제 및 물리적 방법 (GRT의 Mechanical devulcanization등) 을 이용한 제품 개발의 용도에 부합하는 물성의 유도, 값비싼 첨가제를 배제한 고점착성 Matrix 플라스틱 및 블렌드의 발견등을 통해 배수관, 정화조, 방음제 및 건축 자재용 고성능 복합재료등 고부가가치의 미세 성형 재료를 개발함으로써 폐자원에 대한 효과적이고 환경친화적 재활용이 요구된다.

본 연구에서는 GRT(60wt%)/HDPE 복합소재 계면간 접착력을 향상시키기 위한 첨가제 virgin PP, PS, 점착성 plasstic adpoly, SEBSS(Styrene Ethylene Butylene Styrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 사용함으로써 복합소재에 미치는 영향 및 기계적 물성치 향상 여부에 관해 연구하였다.

2. 실 험

가. 시료 규격.

GRT는 truck tire로서 -40mesh 고무분말을 구입하여 체로 거른뒤 -20mesh∼+50mesh 입자를 선별하여 사용하였으며, 이들의 공업분석 및 원소분석을 Table 1, 2에 나타내었다. 또한,  플라스틱은 (주)대한유화에서 판매되는 상용 HDPE를 사용하였으며 GRT/virgin HDPE 계면간 결합력 증대 및 복합소재의 기계적 물성치 향상을 위한 첨가제로 shell사의 SEBS(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), adpoly((주)호남석유화학, grade:EM-530)등과 같은 블록공중합체와 비교적 저렴하면서 우수한 물성을 갖는 virgin PP((주)대한유화, grade:4017), PS((주)한남화학주식회사, GP-125)를 사용하였다.

Table 1. Proximate analysis of waste tire.

Component	Contents (wt %)
Moisture	1.00
Volatile	69.78
Ash	4.89
Fixed-C	24.33

Table 2. Elemental analysis of waste tire.

Component	Contents (wt%)
Nitrogen	1.17
Carbon	81.64
Hydrogen	8.12
Sulfur	1.84
Oxygen	7.23

나. 실험 방법.

실험에 사용된 GRT(size=-20mesh∼+50mesh)와 virgin HDPE는 첨가제 SEBS, EVA, adpoly, polyglue, PP, PS와 함께 고점도 고분자 용융시에 적합한 내용적 250cc blender-mixer를 이용하여 가공하였다. 실험조건은 0∼60wt%까지 플라스틱 대비 GRT 함량을 15wt%씩 증가시켰으며 첨가제는 GRT와 virgin polastic 총중량에 대한 함량비로서 10∼20wt%까지 5wt%씩 증가시켜  180℃, 40rpm에서 5분간 혼합시켰다. 혼합된 복합소재는 가공온도 220℃, 내용적 5cc인 minimax-molder에서 2차용융되어 ASTM 638-1규정에 따라 tensile strength, strain at yield시편과 가로 74mm, 세로 12.5mm, 두께 3mm인 flexural strength시편을 제작하여  첨가제 첨부여부에 따른 복합소재의 물리적 특성에 관해 고찰하였다.

3. 결과 및 고찰

가. 첨가제 함량에 따른 GRT(60wt%)/HDPE 복합소재 tensile strength(MPa),

strain at yield 변화 특성.

Fig. 1. Effect of the additive Concentra

tion on the tensile strength of

GRT(60wt%)/HDPE composite.

Fig. 2. Effect of the additive concentra

tion on the strain at yield of          GRT(60wt%)/HDPE composite.

GRT/폐플라스틱 복합소재 혼합시 가장 문제가 되고 있는 각 성분들간의 계면 접착력을 향상 시키기 위해 비교적 저렴하고 물성이 우수한 virgin PP, PS와 점착성 플라스틱 adpoly, SEBS(Styrene Ethylene Butylene Styrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 선택하여 이들이 GRT/HDPE에 미치는 영향에 관해 고찰해 보았다. 본 연구에 들어가기 앞서 GRT/ virgin plastics HDPE, LLDPE, LDPE, PP, PS의 기계적 물성치를 측정하였으며 그 결과 경제적, 기계적 성질등 여러 가지 측면에서 HDPE(High density polyethylene)가 가장 우수한 GRT(Ground rubber tires)복합소재로 선정되었다. 실험결과 각 첨가제의 종류 및 성질에 따라 GRT(60wt%)/HDPE 복합소재에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. ㅆensile strength 경우 PE보다 우수한 굴곡강도를 가지고 있는 PP가 첨가되었을 때 GRT함량 20wt%에서 12.718MPa를 기록하여 PP가 투여되지 않았을때보다 굴곡 강도가 약 31.6%증가 하였다. 그러나 우수한 굴곡강도를 가지는 virgin polymer가 복합소재에 첨가된다고 해서 GRT/HDPE 복합소재의 굴곡강도를 향상시켜 주는 것은 아니다. PS 경우 자체내 brittle한 성질 때문에 PS함량 20wt% 에서도 10.036MPa를 기록하여 초기보다 3.8%만이 향상되었을 뿐이다. 이는 GRT/HDPE 복합소재와 계면간 접착력이 좋지 않은 것으로 판단 되어진다. 또한 복합소재 굴곡강도 향상을 위한 PP의 사용은 제품개발시 점착성 플라스틱 adpoly의 1/3가격이므로 매우 경제적이다. PP, PS의 신장율은 첨가량이 증가할수록 복합소재의 신장율이 감소하는 경향을 인지 할 수 있었다. 이는 PP, PS의 brittle한 성질이 복합소재의 접착력을 저하시키는 것으로 사료된다. SEBS는 첨가량 10wt%에서 초기 시편간 눈금거리 보다 약 209%가 증가하여 매우 우수한 신장율을 보였으며 첨가량 15wt%이후에는 이러한 증가폭이 다소 완만해짐을 확인할 수 있었다. adpoly 또한 첨가량 20wt%에서 초기치보다 약 147%가 증가하여 우수한 신장율을 나타냈다.

나. 첨가제 함량에 따른 GRT(60wt%)/HDPE 복합소재 flexural strength

변화 특성.

첨가제 함량 20wt%에서 PP, PS는 각각 0.3381, 0.2881kgf/mm2을 기록하여 본 실험에 사용되어진 첨가제중 가장 우수한 굴곡강도를 보였다. 그러나 PS가 첨가된 복합소재 경우 시편에 하중을 가했을 때 쉽게 깨지므로 제품개발시 이점에 대한 보완책을 고려해야할 것이다.

Fig. 3. Effect of the additive concentra

tion on the flexural strength of         GRT(60wt%)/HDPE composite.

SEBS는 GRT함량이 증가할수록 인장강도와 신장율은 증가하나 굴곡강도는 점차감소하는 경향을 인지 할 수 있었다. 또한 GRT/HDPE/SEBS 복합소재 시편은 GRT/HDPE/PS 복합소재 시편보다 낮은 굴곡강도를 보이나 하중이 가해졌을 때 보다 유연한 특성을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

GRT(60wt%)/HDPE복합소재의 기계적인 물성치를 향상시키기 위해 PP,PS, SEBS, EVA, SEBS첨가제를 사용하였으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다. 첫째, tensile strength에 있어 본실험에 사용되어진 첨가제중 경제적인 측면이나 물리적인 측면에서 PP가 첨가제 함량 20wt%에서 12.718MPa을 기록함으로서 가장 우수한 물성치를 기록하였다. 이는 재활용품의 개발에 있어 고가의 우수한 coupling agent를 사용하는데 어려운 현실을 감안할 때 충분히 인장강도 향상용 첨가제로서 아무런 문제가 없을거라 생각된다. 둘째, 신장율은 SEBS가 첨가제함량   10∼20wt%의 고른 분포에서 우수한 물성이 나타났으며 특히 함량 20wt%에서는 초기치보다 약 371.36%가 증가하여 가장 우수한 신장율을 보였다. 또한 SEBS를 제외한 다른 첨가제들은 거의 선형적으로 증감하는 것을 확인하였다. 셋째, 굴곡강도는 첨가제 함량 20wt%에서 PP, PS각각 0.3381, 0.2881kgf/mm2을기록하였다. 이는 일반적으로 virgin PS가 PP보다 우수한 굴곡강도를 보이는 거와는 달리 첨가제로서 PP가 보다 우수한 GRT/HDPE 복합소재 상용성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

참고 문헌

1. T. Liu and W. E. Baker, Polym. Eng. Sci. 31, 753(1991).

2. J. Podolan and J. Varga, Czech. Cs. 191, 406 (1981)

3. E. L. Rodriguez, Polym. eng. Sci. 28, 1455(1998)

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5. W. E. Baker and A. M. Catani, Polym. Eng. Sci. 24, 1348(1984)