KR20100103953A - 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있는 가류 고무재료를 대체할 수 있는 가류 고무 폐기물의 재생분말을 이용한 열가소성 탄성재료에 관한 것으로, 상세하게는 가류 고무 폐기물을 고온 전단 분쇄방식으로 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 가류 고무 폐기물 재생분말에 신생 가류 고무재료의 물성치와 유사한 성질을 가지도록 적절하게 열가소성 원료와 첨가제를 혼합한 가류 고무 폐기물의 재생분말을 이용한 열가소성 탄성재료에 관한 것이다.

가류 고무, 폐기물, 첨가제, 재생분말, 열가소성

Description

가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료{Thermoplastic Elastomer Material by the utilization of Reclaimed Vulcanized Rubber Powder}

본 발명은 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있는 가류 고무재료를 대체할 수 있는 가류 고무 폐기물의 재생분말을 이용한 열가소성 탄성재료에 관한 것이다.

일반적으로 석유화학 재료 중 다양한 범위에서 사용되고 있는 탄성재료로는 고무재료가 가장 대표적이라 할 수 있다. 이러한 고무재료의 가장 큰 사용상 문제점은 복잡한 가공공정과 비교적 장시간의 성형시간이 절대적으로 요구와 대량생산을 기대할 수 있는 연속공정이 어렵다는 점이다.

이러한 상기 단점에 의하여 최근에는 가공공정은 단순하면서도 짧은 성형시간과 연속공정이 가능한 열가소성 탄성재료(TPE; ThermoPlastic Elastomer)가 각광을 받으며 사용량이 80년대 이후 매년 10% 정도의 꾸준한 증가 추세를 보이고 있다.

상기 열가소성 탄성재료는 탄성을 갖는 고무성분(Soft segment)과 열가소성 변형을 방지하기 위한 분자 구속성분(Hard Segment)으로 구성되는데, 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리스타이렌계 등이 주종을 이루며, 이중 폴리올레핀계와 폴리스타이렌계가 가장 범용적으로 사용되고 있다.

상기 폴리올레핀계는 고무성분으로는 에틸렌 - 프로필렌 고무(EPM; Ethylene Propylene Copolymer 또는 EPDM; Ethylene Propylene Diene Terpolymer)가 사용된 것이며, 분자구속성분으로는 폴리프로필렌(PP; Polypropylene) 또는 폴리에틸렌(PE; Polyethylene)을 사용한 것이다.

상기 폴리스타이렌계는 고무성분으로는 부타디엔(Butadiene), 분자구속성분으로는 스타이렌(Styrene)이 사용된 것으로써 SBS (Styrene Butadiene Styrene Copolymer), SEBS (Styrene Ethylene Butadiene Styrene Block Co- polymer) 등이 주종을 이루고 있다.

다만 상기와 같은 여러 가지 열가소성 탄성재료는 일반 열가소성 플라스틱의 가공공정을 그대로 적용할 수 있어 경제적 생산성을 가진다는 장점이 있으나, 재료 자체의 단가가 고가라는 문제가 있으며, 기존 가류 고무재료에 비하여 내열성, 내크립성, 압축영구비뚤어짐성 등이 약하다는 단점을 안고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하게 위하여 발명된 것으로, 고온 전단 분쇄방식으로 가류 고무 폐기물을 미세 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 주성분으로 하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료를 제공하는데 목적이 있다.

즉, 본 발명은 본 출원인에 의해 선등록된 특허 제 10-0530609호(발명의 명칭: 가황 고무재료의 고온 미세 분말화 장치 및 가황 재생 고무재료의 사용 방법)의 고온 미세 분말화 장치를 이용하여 열경화성 가류 고무 폐기물을 분쇄하고, 분쇄된 분말과 열가소성 원료와 첨가제를 일정 비율로 혼합함으로써 주로 폐기되는 가류 고무 폐기물을 열가소성 탄성재료로 재활용하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하고자 본 발명은,

열경화성의 가류 고무 폐기물을 고온 전단 분쇄방식으로 미세하게 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 형성하고,

상기 가류 고무 폐기물의 재생 분말에 열가소성 원료와, 첨가제를 첨가하여 열가소성 탄성재료로 재활용한다.

상기 가류 고무 폐기물의 재생 분말의 입자크기는 1~500㎛가 적당하며, 상기 첨가제는 상용화제와 연화제이다.

상기 가류 고무 폐기물의 재생 분말에 열가소성 원료와 상용화제와 연화제의 혼합비는 가류 고무 폐기물의 재생 분말 50~80중량%에 열가소성 원료 10~20중량%, 상용화제 5~20중량%, 연화제 5~10중량%이다.

상기 열가소성 원료는 보통 두 가지 종류가 있으며, 그 중 하나는 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO)이고, 다른 하나는 열가소성 수지인 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE), 폴리스타이렌(PS), Ethylene Vinyl Acetate(EVA) 등의 열가소성 수지를 대상으로 한다.

상기 열가소성 원료는 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO), 또는 열가소성 수지를 사용하되, 상기 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO)와 열가소성 수지 중 하나를 사용하거나 혼합하여 사용한다.

상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리스타이렌(PS), Ethylene Vinyl Acetate(EVA) 등이 있다.

상기 상용화제는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer) 미가류 신재고무 또는 폴리스타이렌계 열가소성 탄성재료(SBS(Styrene Butadiene Styrene Copolymer), SEBS (Styrene Ethylene Butadiene Styrene Block Copolymer) 등)를 사용한다.

상기 연화제는 파리핀계 배합유이며, P-1, P-2, P-3, P-4, P-6 중 어느 하나를 선택하여 사용한다.

본 발명은 고온 전단 분쇄방식으로 가류 고무 폐기물을 미세 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 미세 분말을 주성분으로 하여 열가소성 탄성재료로 재활용하여 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 고가의 가격대를 형성하는 기존 열가소성 탄성재료를 저가의 가류 고무 폐기물을 주재료로 활용함으로써 탁월한 가격 경쟁력을 가진 원료로서 탁월한 원료 재활용 효과를 얻을 수 있다.

둘째, 기존 열가소성 탄성재료내의 분산상으로 존재하는 고무성분(soft segment)이 미가류 또는 부분가류 상태로 존재하여 취약점으로 발생하는 내열성, 내크립성 및 압축영구비뚤어짐성 등의 문제를 본 발명에서 주성분으로 사용된 가류 고무 성분이 발현하는 고유의 탄성 등에 의한 물성 개선 효과를 기대할 수 있다.

셋째, 막대한 발생량 대비 적절한 재활용 방법이 없어 거의 대부분 2차 오염을 유발하며 소각처리되고 있는 가류 고무 폐기물을 유용한 열가소성 탄성재료로 재생함으로써 전량 수입에 의존하는 유화제품의 수입대체 효과 및 탄소배출 저감 등의 환경부하를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입 각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 내용은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료는 크게 열경화성의 가류 고무 폐기물을 고온 전단 분쇄방식으로 미세하게 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생 분말에 열가소성 원료와 상용화제와 연화제를 일정비율로 혼합하여 혼련공정을 거쳐 생산된다.

상기 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생분말에 첨가되는 열가소성 원료와 상용화제와 연화제의 혼합비율은 아래 [표 1]과 같이 재생분말 50~80중량%에 열가소성 원료 10~20중량%와 상용화제는 5~20중량%와 연화제 5~10중량%를 혼합한다.

[표 1]

구분	혼합비율(중량%)
재생분말	50 ~ 80
열가소성 원료	10 ~ 20
상용화제	5 ~ 20
연화제	5 ~ 10

상기 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생분말은 스크랩 형태로 수거된 가류 고무 폐기물을 공지된 고온 미세 분쇄장치로 미세하게 분쇄하여 입자크기 1~500㎛로 분말화하여 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생분말을 만든다.

상기 고온 미세 분쇄장치는 본 출원인에 의하여 선출원되어 등록된 특허 등록 제0530609호의 고무재료의 고온 미세분쇄장치가 제시되어 있다.

상기 고온 미세 분쇄 장치에 대하여 간략하게 좀더 설명하면, 등 간격으로 홈이 형성된 중공형 실린더와, 상기 실린더 내부에 구비되어 외면에는 헬리컬 이가 형성되어 회전하여 투입구로부터 투입된 고무 재료를 압축 분쇄하여 배출구로 이송하는 이송 스크류와, 상기 이송 스크류에 축 결합되어 회전력을 제공하는 회전력 제공수단을 구비하여 구성된다.

상기와 같은 고온 미세 분말화 장치를 이용하여 가류 고무 폐기물을 분쇄하여 분말을 형성한다. 즉, 가류 고무 폐기물을 회수하여 통상의 저속 분쇄기를 이용하여 10 내지 30mm 전후의 입도로 일차 조분쇄(粗粉碎)하고, 상기 일차 조분쇄된 가류 고무를 상기 고온 미세 분말화 장치의 투입구에 투입된 후 스크류에 의한 이송 및 충진에 의하여 70~90℃의 온도에서 100MPa 이상의 고압 환경 하에서 집적된 전단력으로 피분쇄물 내의 내부에너지 축적을 극대화시켜 임계점 도달과 함께 폭발적인 에너지 분산을 통해 미세 분쇄되므로 미세한 분말로 배출된다. 따라서, 미세 분쇄 및 표면 활성에 의한 효율적인 표면 탈류가 동시에 구현되어 화학적 표면활성화 상태의 재생 고무 분말을 얻게 된다.

상기 열가소성 원료로는 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO)가 사용되거나 또는 열가소성 수지가 사용된다.

상기 열가소성 원료는 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO)와 열가소성 수 지 중 하나를 선택하여 사용하거나 서로 혼합하여 사용한다.

상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE), 폴리스타이렌(PS), Ethylene Vinyl Acetate(EVA) 등을 사용한다.

상기 상용화제는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer) 미가류 신재고무 또는 폴리스타이렌계 열가소성 탄성재료를 사용한다.

상기 폴리스타이렌계 열가소성 탄성재료에는 SBS(Styrene Butadiene Styrene Copolymer), SEBS(Styrene Ethylene Butadiene Styrene Block Copolymer) 등이 사용된다.

상기 연화제는 파리핀계 배합유로 P-1, P-2, P-3, P-4, P-6 중 어느 하나를 택일하여 사용한다.

상기와 같이 고온 미세 분말화 장치를 이용한 가류 고무 폐기물의 재생 분말과 열가소성 원료와 상용화제 및 연화제를 적정 비율로 고속 혼련기 또는 리본믹서 등 각종 혼합기를 이용하여 혼합한 후 이축 혼련기(twin-screw compounding machine)를 통하여 충분한 용융 및 혼련이 일어나도록 적정 압출 조건을 설정하는데 이는 적용된 열가소성 원료의 용융온도를 고려하여 조건을 설정하며, 스크류 회전속도 및 재료 투입량은 압출물이 정상적인 스트랜드(strand)를 형성하도록 적절 히 조절하여야 한다. 이를 통하여 압출 성형된 스트랜드는 펠렛 형태로 절단하여 건조 후 포장한다.

이하, 본 발명을 통하여 제공하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료 조성물에 대하여 실시 예를 통하여 재료적 성능을 입증하고자 한다.

[실시예]

재생 가류 고무 분말은 거의 모든 종류의 가류 고무 폐기물을 미세 분쇄하여 활용함이 가능하나, 그 중 고유의 냄새 성분이 거의 없으며 내열성, 내후성 및 내오존성 등이 뛰어난 폐 가류 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer) 고무 표면 활성화 분말 Re-PDM 385B grade((주)폴리원, 한국)을 일례로 선택하여 사용하였다.

열가소성 원료 중 하나로는 TPO의 일종인 Santoprene 101-64 grade(Exxonmobil사, 미국)를 사용하였으며, 다른 하나로 열가소성 수지의 일종인 폴리프로필렌 J-150 grade(호남석유화학, 한국)을 사용하였다.

상용화제로는 폴리스타이렌계 TPE의 일종인 SBS(Styrene Butadiene Styrene Copolymer) KTR-101 grade(금호석유화학, 한국)를 사용하였다.

연화제는 파리핀계 배합유로써 P-4 Oil(미창석유, 한국) 제품을 사용하였다.

상기와 같은 다양한 성분으로 이루어질 수 있는 여러 조성물 중 본 발명의 결과물이 나타낼 수 있는 가장 범용적인 물성을 구현하기 위하여 다음의 표 2와 같은 조성으로 혼합 비율을 설정하여 고속 혼합기를 통해 혼합과정을 거친 후 이축 혼련기 내에서 충분한 혼련과정을 통하여 제조된 열가소성 탄성재료의 물성을 평가한 후 기존 TPE 시장제품의 표준 물성과 비교하여 표 3에 나타내었다.

[표 2]

	실시예 혼합비율(중량%)
폐 EPDM 미세 분말	60
TPO	10
PP	10
SBS	10
P-4 Oil	10
Total	100

[표 3]

	기존품	실시예
비중	0.95	1.15
경도 (Shore A)	70	70
인장강도 (Kgf/cm2)	75	69
신장률 (%)	450	340

상기 과정을 통하여 제조된 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 주원료로 하는 열가소성 탄성재료는 분산상으로 존재하는 가류 고무 입자의 계면과 그 입자를 둘러싸며 연속상으로 존재하는 열가소성 원료의 계면이 상용화제에 의하여 안정적인 결합구조를 형성하기 때문에 주성분인 가류 고무 성분에 의하여 가류 고무와 유사한 탄성과 동시에 열 및 기계적 변형에 대한 내구성을 발현할 수 있다.

특히 가류 고무 성분을 EPDM 고무로 선택하였을 경우 우수한 내열 및 내후성 을 얻음과 동시에 유화제품 특유의 냄새문제도 해결할 수 있는 특징이 있다.

또한 분산상으로 존재하는 열가소성 원료 및 연화제의 영향으로 가공성 측면에서 기존 열가소성 탄성재료와 동일한 성형과정으로 제품을 제조할 수 있다. 이는 혼합 분율을 결정함에 있어 일차적으로 목표로 하는 제품 경도를 기준으로 고려되어야 하지만 열가소성 원료의 함량을 증가시킬수록 가공성은 용이해지며 선택하는 열가소성 원료의 용융 흐름성(Melt Flow Index)이 높을 경우 더욱 용이해진다.

Claims (4)

1. 열경화성의 가류 고무 폐기물을 고온 전단 분쇄방식으로 미세하게 분쇄하여 표면이 화학적으로 활성화된 가류 고무 폐기물의 재생 분말 50~80중량%에 열가소성 원료 10~20중량%, 첨가제인 상용화제 5~20중량%, 연화제 5~10중량%을 첨가하는 것을 특징으로 하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열가소성 원료는 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO) 또는 열가소성 수지이며,

   상기 폴리올레핀계 열가소성 탄성재료(TPO) 또는 열가소성 수지 중 어느 하나를 사용하거나 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상용화제는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer) 미가류 신재고무 또는 폴리스타이렌계 열가소성 탄성재료(SBS (Styrene Butadiene Styrene Copolymer), SEBS (Styrene Ethylene Butadiene Styrene Block Co- polymer))임을 특징으로 하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 연화제는 파리핀계 배합유로 P-1, P-2, P-3, P-4, P-6 중 어느 하나를 사용함을 특징으로 하는 가류 고무 폐기물의 재생 분말을 이용한 열가소성 탄성재료.