혼합폐플라스틱의 재활용을 위한 물성향상에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

서희동, 이근영, 조철희, 김정호

수원대학교 화학공학과

A Study on the Improvement of Properties for Recycling Mixed Waste Plastics

Dong Hee Seo, Keun Young Lee, Cheol Hee Cho, Jeong Ho Kim

Department of Chemical Engineering, The University of Suwon

서론

폐플라스틱의 발생은 산업체 폐플라스틱과 일반생활계 폐플라스틱으로 나눌수 있다. 산업계 폐플라스틱은 생산공정에서 발생하는 스크랩 등으로 비교적 깨끗한 상태를 유지하고 있을 뿐만 아니라 단일재질로 구성지어있는 경우가 많고 또한 혼합되어 있다 하더라도 조성이 일정한 경우가 많기 때문에 제대로 회수만 되어진다면 재생에 큰 어려움은 없다고 볼 수 있다. 이에 반하여 일반 생활계에서 발생되는 폐플라스틱은 서로 다른 재질의 것들이 구분되어지지 않고 혼합되어 있고 이물질 등으로 오염이 되어있으며 회수되는 혼합폐플라스틱의 발생비율은 약 50대50으로 거의 비슷한 정도로 발생하고 있는 것으로 보여진다. 따라서 폐플라스틱의 재활용은 특히 혼합폐플라스틱의 문제가 되는데 수거 상태에 따라 종류별 분리비용이 너무 높아지는 경우와 분리 불가능한 부분으로 남는 혼합폐플라스틱 및 제품자체와 2종류 이상으로 되어있거나 분리가 안 되는 경우 등은 혼합된 채로 재생하여야 하게 된다. 현재로서는 혼합폐플라스틱의 재생과 성분간 비상용성에 의한 품질문제가 가장 크고 이를 해결하기 위한 상용화시스템 개발연구가 중요하다고 할 수 있다. 혼합폐플라스틱의 조성은 LDPE, HDPE, PP, PS, PET, ABS 등이 주성분으로 알려져 있으며 이중 PET는 분리수거가 잘되고 있는 실정이어서 본 연구에서는 PET를 제외한 5성분계의 혼합폐플라스틱을 가지고 Compatibilizer를 이용한 상용화시스템을 실험하였다. 여기에 폐기 처리되는 적니, 활성탄을 가지고 폐플라스틱과 혼합하여 복합재료로 제조함으로써 효과적인 재활용을 목적으로 연구를 진행하였다.

실험

1. 재료

혼합폐플라스틱으로는  LDPE, HDPE, PP, PS, PET, ABS를 이용했으며 혼합비는 지역별 계절별로 다소 차이가 있지만 통계적 자료를 바탕으로  LDPE, HDPE, PP, PS, ABS(25/25/25/20/5)로 하였다. 상용화제로는 EPR, SEBS또는 SBS를 사용하였다. 또한 한국종합화학의 적니, 한일그린텍의 폐활성탄을 입수하여 Filler로 사용하여 실험하였다.

2. 실험방법

적니, 활성탄을 혼합폐플라스틱에 Filler로서 첨가하기전에 충분히 건조시켜 수분을 건조시켰다. 이렇게 건조된 적니, 활성탄은 분쇄기를 이용하여 미세한 입자로 분쇄하였다. 이것을 혼합폐플라스틱과 상용화제를 정해진 조성비로 섞어준 후 직경30mm이고 L/D비가 25인 표준형 스크류를 가진 단축압출기를 이용하여 용융혼합하였다. 여기서 펠렛을 압축프레스에서 판모양으로 압축성형한 후 이판에서 인장시험 및 내충격시험 시편을 만들어서 Lloyd사의 LR-10K UTM을 이용하여 인장강도, 인장탄성율, 신율 등을 측정하였고 진성정밀의 JS-303 내충격강도 등을 실험하였다.

결과 및 토론

1 .혼합폐플라스틱의 상용화제

혼합폐플라스틱에서 EPR, SEBS또는 SBS를 각각 10%혼합했을 경우 EPR첨가시 인장강도 보다는 내충격강도에 효과적인 것으로 나타났고 SBS는 내충격강도보다는 인장강도에 더효과적인 것으로 나타났다. EPR과 SBS를 같이 혼합폐플라스틱에 혼합했을 경우에는 EPR과 SBS를 5%씩 혼합했을 경우가 매우 적절한 물성이 나타난 것이 관찰되었다.

Table 1. Mechanical Properties of Multicomponent Polymer Blend with a single Compatibilizer : EPR, SEBS, or SBS

MPB*	EPR SEBS SBS (phr) (phr) (phr)	Tensile strength (N/mm2)	Tensile Modulus (N/mm2)	Break strain (%)	Izod impact strength (kgcm/cm)
100	- - -	8.37	660	1.57	1.58
	10 - -	8.32	488	2.40	3.11
	- 10 -	13.46	417	10.4	3.81
	- - 10	9.02	658	1.96	2.11

MPB* : Multicomponent Polymer Blend

LDPE/HDPE/PP/PS/ABS(25/25/25/20/5)

Table 1. Mechanical Properties of Multicomponent Polymer Blend with Dual Compatibilizer of EPR and SEBS, or EPR and SBS

MPB*	EPR SEBS SBS (phr) (phr) (phr)	Tensile strength (N/mm2)	Tensile Modulus (N/mm2)	Break strain (%)	Izod impact strength (kgcm/cm)
100	- - -	8.37	660	1.57	1.58
	5 5 -	12.4	414	6.52	3.39
	5 - 5	8.80	743	2.17	3.10

2. 혼합폐플라스틱 복합재료

1) 적니

혼합폐플라스틱에 적니를 filler로서 혼합된 재료의 인장강도와 인장탄성율을 적니의 함량에 따라 Fig.1에 나타내었다. Fig.1에서 볼수 있듯이 적니의 첨가량이 5%에서 20%로 증가됨에 따라 인장강도와 인장탄성율은 5%에서 증가한후 10%에서 감소하다 다시 20%에서 증가한 결과를 보여주었다. 내충격강도도 Fig.1에 나타내었는데 5% 첨가시 증가를 보였고 이후 차츰 감소를 나타내었다. 따라서 5%의 적니를 첨가할 때 물성이 향상된 적니의 복합재료를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

Fig. 1 Mechanical properties of mixed waste plastics / Red mud

2) 활성탄

혼합폐플라스틱에 활성탄을 5%, 10% 함량으로 첨가하였을 경우 인장강도와 인장탄성율은 다음Fig.2에 나타내었다. 인장강도와 인장탄성율은 5%첨가시 증가한후 소폭 증가하는 것으로 나타났으며 내충격강도는 활성탄 5% 첨가시 증가를 보이다 10%에 감소한 결과를 볼수 있었다. 활성탄도 5%첨가시가 혼합폐플라스틱의 Filler로서 가장 적합한 것으로 나타났다.

Fig. 2 Mechanical properties of mixed waste plastics / Activated carbon

3. 혼합폐플라스틱 복합재료의 상용화제

혼합폐플라스틱에 적니 그리고 활성탄을 Filler로서 5%씩 첨가한 복합재료에 상용화제인 EPR과 SBS를 5%에서 10%까지 혼합하였다. 그 결과 적니, 활성탄 모두에 EPR과 SBS를 5% 첨가했을 경우 인장강도와 인장탄성율은 증가하였고 EPR과 SBS를 10%씩 첨가하였을 경우 점차 감소하였다. 반면에 내충격강도는 EPR과 SBS를 5% 첨가했을때보다 10%로 증가시킬 경우 점차 증가함을 보였다. 인장강도와 인장탄성율, 내충격강도 모두를 볼 때 EPR과 SBS를 10%씩 첨가한 경우 내충격강도는 증가하나 인장강도는 상용화제를 첨가하지 않을 때와 비슷할 정도로 떨어짐을 나타내었고 5%씩 첨가한 경우와 5%, 10%씩 첨가한 경우에는 인장강도와 내충격강도가 상용화제를 첨가하지 않을 경우보다 증가함을 나타내었다. 또한 적니, 활성탄 5%을 첨가한 것이 상용화제의 효과를 증진시켜 물성이 향상됨을 알 수 있었다.

4. 결과

혼합폐플라스틱의 물성향상을 위해 EPR과 SBS를 첨가할 경우 좋은 물성이 나타났고 여기에 슬러지와 적니 그리고 활성탄을 재활용할 목적으로 첨가한 복합재료를 연구한 결과는 다음과 같다.

EPR은 내충격강도가 증가하고 SBS는 인장강도가 증가하는데 도움을 주었고 EPR과 SBS를 같이 사용한 것이 매우 효과적인 것으로 나타났다.

적니, 활성탄을 5% 첨가했을 경우 물성이 도욱 향상되는 것으로 나타났다.

물성뿐만 아니라 경제성까지 고려한다면 EPR과 SBS를 5%첨가한 것에 적니, 활성탄을 5%첨가한 혼합폐플라스틱이 가장 효과적인 것으로 보여졌다.

참고문헌

1. Woodhams, R.T., Thomas, G. and rodge, D.K : Wood Fiber as Reinforcing Fillers for Polyolefins, Poly. Eng. & Sci. Vol 24, No 15, pp 1166-1171 (1984)

2. Jain, S., Jindal, U.C. and Kumar, R : Development and Fract. Mechanism of the

Bamhoo/Polyester Resin Composite, J. Master. Sci.-Lett., Vol 12, pp 558-560 (1993)

3. 김정호, 서영수, 김준형 : 청정기술, 5(2), 25(1999)

4. 배재흠, 김정식 : 한국환경공학회지 20(4), 543 (1998)

5. Shamasuddin, M. : "Metal Recover from Scrap and Waste, Journal of Metals, 24 (Feb. 1998)

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