GRT/virgin HDPE와 GRT/waste HDPE 복합소재 특성 연구

김상준, 김준석, 김일곤, 김승록*, 임순호**, 한춘

광운대학교, Thermo Haake*, 한국과학기술연구원**

A Study on both GRT/virgin HDPE and GRT/waste HDPE

Composite Characteristic

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

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

1.서 론

환경부백서에 따르면 1995년도 기준, 우리나라에서 자동차로부터 배출되는 폐타이어등 고무류는 연간 2만6천3백여톤에 이르는 것으로 보고되고 있다. 우리나라에서 발생하는 폐타이어의 수량은 1998년도 기준으로 약 2,073만개이며, 2000년도에는 약 2,500만개가 될 것으로 예상된다. 5대 범용수지 폐플라스틱 발생량 역시 1990년 이후 해마다 10%이상씩 증가하여 1999년에는 약 283만톤의 폐플라스틱이 발생하였다. 이중 PP와 HDPE는 각각 81.5, 77.9만톤으로 가장 많았으며 다음으로 LDPE, PVC, PS순으로 조사되었다.

현재 국내 폐플라스틱 회수율은 생산량의 10%에 불과하며 이는 플라스틱 재질 선별 기술의 부족 및 효과적인 재활용 분야 관련 기술의 낙후로 대부분 에너지원으로만 이용되는 등 폐플라스틱의 재활용이 극히 제한되어 있기 때문이다. 그러나 최근에 들어서 초기 플라스틱 물품의 제조 시에 표기한 번호를 기준으로 한 분류 시스템의 도입 및 적외선 감지 등을 통한 재질 분류등 리사이클용 폐플라스틱의 분리기술들을 이용하여 더욱 용이한 분리수거에 관한 연구들이 진행 중이며 이와 함께 폐타이어와 폐고무류의 보관을 위한 야적장 및 고무분말 처리장의 증설로 관련 자원의 보다 유효한 활용과 환경 보전을 위한 새로운 차원의 재활용 기술 개발을 위한 기반이 구축되고 있다.

따라서 본 연구는 위에서와 같이 사회적으로 크게 문제시되고 있는 반 환경친화적인 폐기물에 대한 문제를 효과적으로 해결코자 폐타이어와 폐플라스틱을 이용하여 실생활에 적합한 재활용품을 만드는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위해, 우선 폐타이어와 폐플라스틱의 특성들을 파악코자 virgin polymer HDPE와 waste HDPE를 DSC와 TGA를 이용하여 각각의 물리적인 특성을 비교해 보았으며 SiO2, CaO, CaCO3, glass fiber, 진운모, 견운모등의 무기질 첨가제를 이용하여 GRT/waste HDPE 복합소재의 특성에 관해 연구 하였다

2. 실 험

가. 시료 규격.

GRT는 철심이 제거된 40mesh 이하 truck tire 고무분말을 구입하여 사용하였고 이에 대한 공업분석 및 원소분석을 Table 1, 2에 나타내었다.

플라스틱은 현 국내에서 가장 많이 배출되는 폐플라스틱중 한가지인 폐비닐

HDPE(한국자원재생공사)와 virgin HDPE((주)대한유화, grade:M850)을 이용하였으며 첨가제인 SiO2, CaCO3, SiO, CaO와 glass fiber는 각각 (주)덕산약품공업과 Junsei chemical에서 구입하여 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.

GRT(particle size: -40mesh)와 vrigin HDPE, waste HDPE, 첨가제 SiO2, CaCO3, SiO, CaO와 glass fiber등을 혼합하여 고점도 고분자 용융시에 적합한 내용적 250cc blender-mixer로 복합소재를 제조하였다. 실험조건은 mixer에서 GRT와 virgin HDPE, waste HDPE, 첨가제등을 180□, 40rpm에서 5분간 혼합시켰다. 혼합된 복합소재는 hot press로 얇게 펴준 뒤 절단하였으며 가공온도 220□, 내용적 5cc인 minimax-molder내에서 ASTM D638-1규정에 따라 인장강도, 신장율 시편과 가로 74mm, 세로 12.5mm, 두께 3mm인 굴곡강도 시편을 제작하여 물리적 특성을 규명하였다.

이때 동일한 실험조건에서 5개의 시편을 제작하였으며 Universal Testing Machine(UTM)을 통한 기계적 물성치 중 최고, 최저치를 제외한 3개의 시편 평균값으로 나타내었다. 시편을 분당 10mm로 인장 시켜 인장강도와 신장율에 관한 특성을 확인하였으며 굴곡강도는 분당 5mm로 시편에 하중을 가하여 복합소재의 물리적 특성을 파악하였다.

3. 결과 및 고찰

가. DSC, TAG를 이용한 virgin HDPE와 waste HDPE 특성 비교

DSC는 virgin HDPE와 waste HDPE 각각 5∼7mg의 시료를 취하여 분당 80□의 질소분위기 하에서 실험하였고 가열속도는 분당 10□로 상온 25□ 에서 200□까지 가온 시켰다. waste HDPE는 2, 3차 가열됨에 따라 경화반응을 일으켜 virgin HDPE보다 Tm이 높게 측정될 것으로 생각되었으나 DSC 측정결과 다행히 waste HDPE의 Tm은 130.15□로서 virgin HDPE 135.98□보다 5.83□낮게 나왔다. 이는 추후 waste HDPE의 viscosity가 virgin HDPE와 비슷하다면 GRT/폐플라스틱 복합소재의 processing 가공 온도를 GRT/virgin HDPE 복합소재의 가공 온도보다 낮출 수 있게됨에 따라 고무의 degrade현상을 약간은 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

TGA는 virgin HDPE와 waste HDPE 각각 20∼30mg을 취하였으며 불활성 gas인 질소를 분당 80□로 순화케 하였고 가열속도는 10□/min으로 상온에서 700□까지 가온 시켰다. Fig. 2.를 통하여 각 온도에 따른 virgin HDPE와 waste HDPE시료의 thermogram이 유사하게 나타났다. 이로서 DSC와 TGA를 통하여

virgin HDPE와 waste HDPE 시료의 물리적 성질이 비슷함을 확인하였다.

나. Virgin HDPE와 waste HDPE의 기계적인 특성 비교

Virgin HDPE/GRT복합소재는 GRT 함량이 0∼60wt%까지 15wt%씩 증가된 5경우의 시편을 이용하여 실험하였으며 waste HDPE/GRT 복합소

재는 GRT함량을 0, 30, 50wt%의 3경우의 시편을 이용하여 실험하였다.

fig. 3.를 통하여 인장강도는 waste HDPE가 virgin HDPE보다 GRT 함량 0과 30wt%에서 각각 27.02, 24.83MPa를 기록하여 waste HDPE가 virgin HDPE의 인장강도 물성을 충족할 수 있음을 확인하였다.

신장율은 GRT함량 30wt%에서 virgin HDPE/GRT 복합소재가 18.96%를 보였다. 이는 처음 GRT함량 0wt%와 비교시 38.91%가 증가한 수치이다. 반면, waste HDPE/GRT 복합소재는 9.356%를 기록하여 GRT가 함유되지 않은 순수 waste HDPE와 비교시 단지 10.25%만이 증가한 수치이다. 또한, waste HDPE 가 첨가된 복합소재는 virgin HDPE이 함유된 복합소재 보다 GRT함량이 증가됨에 따라 신장율의 증가율이 상대적으로 작음을 확인하였다.

fig. 5.에서와 같이 굴곡강도는 virgin HDPE와 waste HDPE의 차이가 거의 없음을 확인하였다.

4. 결 론

virgin HDPE와 waste HDPE의 물리적인 특성을 알아보기 위해 DSC와 TGA를 측정하여보았다. 측정결과 두 시료의 Tm은 각각 135.98□, 130.15□로 나타나

virgin HDPE와 waste HDPE의 Tm은 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.

GRT함량이 0∼30wt%에서의 인장강도 측정결과 waste HDPE가 24.83∼27.02

MPa를 나타내 virgin HDPE 측정결과인 17.515∼24.76MPa보다 우수한 물성을 나타냈으며  신장율은 GRT함량 0∼60wt%범위에서 virgin HDPE의 신장율이 보다나은 신장율을 기록하였다. 굴곡강도는 fig. 5에서처럼 GRT함량에 따라 두 굴곡강도의 크기가 거의 일치함을 인지할 수 있었다.

참고 문헌

1. K. Oliphant and W. E. Baker: Polym. eng. and Sci., 33(3), 166-174(1993)

2. □□□·□□□: "□□□□□□□□□劑□ 技術", JETI, 161-163(1997)

3. S. Singh: in Int. Conf. Adv. Additives Modifiers Poly. Blends, Miami,

Florida(1992)