폐타이어와 폐플라스틱을 이용한 pipe 복합소재 개발

김상준, 김일곤, 한 춘, 최중소, 김승록*, 임순호**

광운대학교, HAKKE*, 한국과학기술연구원**

Development of Pipe Composite by using Waste Tire and Plastics

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

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University, HAKKE*, KIST**

1.서 론

폐타이어나 폐플라스틱은 그 자체가 인체에 흡입되거나 토양을 오염시키는 등의 직접적인 악성 폐기물이 아니고 회수가 상대적으로 용이하기 때문에 재활용 방법에 따라서 폐기물이 아닌 유용한 자원으로서 경제적 가치가 충분히 높아질 수 있는 것으로 사료되어 관련 분야에 많은 연구가 진행되어져 왔다. 선진 외국에서는 이러한 폐자원의 기하급수적인 증가에 따라 수거를 유도할 수 있는 환경  친화적인 재활용을 통한 지속적인 수요창출에 노력을 기울이고 있다.

환경부백서에 따른면 우리나라에서 발생하는 폐타이어의 수량은 1998년도 기준으로 약 2,073만개이며, 2000년도에는 약 2,500만개가 될것으로 예상된다. 폐플라스틱의 경우에는 현재 국내 발생량은 연간 100만톤 이상이나 회수율은 생산량의 10%에 불과하며 이는 플라스틱 재질 선별 기술의 부족 및 효과적인 재활용분야 관련 기술의 낙후로 대부분의 혼합 폐플라스틱은 에너지원으로만 이용되는등 폐플라틱의 재활용이 극히 제한되어 있기 때문이다.

본 연구에서는 과거의 반환경친화적인 에너지화 및 단순한 1차적인 재활용 단계를 초월한 pipe개발을 위해 기초적인 물성실험을 실시하였다.

GRT(Ground Rubber Tire)는 함량비에 따라 HDPE, LLDPE, LDPE, PP, PS, 고점착성 플라스틱(ADPOLY, POLYGLUE)을 혼합시킨뒤 복합소재의 개면 접착력및 물리적 특성을 규명하기 위해 tensile strength, strain at yield, flexural strength, flexural modulus등을 측정하였으며 pipe 소재로서의 특성을 파악하고자 하였다.

2. 실 험

가. 시료 규격.

GRT는 부산타이어 제품(truck tire, mesh=-40mesh)을 사용하였으며, 플라스틱PP(grade:4017, MFI=8.5 g/10min), HDPE(grade: M850, MFI=4.5g/10min), LLDP

-E(grade:LH-3250, MFI=5.0g/10min), LDPE(grade:LD-61, MFI=5.5g/10min), POL

-YGLUE(grade:LE100A, MFI=4.5g/10min), ADPOLY(grade:EM-530, MFI=3.0g/

10min), PS(grade:GP-125, MFI=8.0g/10min)을 구입 사용하였다.

나. 실험 방법.

GRT(size=-20∼+50mesh)/PE(HDPE, LLDPE, LDPE), 점착성 플라스틱(POLYUG

-LUE, ADPOLY), PP, PS는 internal mixer에서 0∼60wt%까지 플라스틱 대비 GRT 함량을 15wt%씩증가 시켜 180℃, 40rpm에서 5분간 혼합시켰다. 혼합되어진 복합소재는 hotpress로 얇게 펴준뒤 절단 작업을 통하여 mini-max molder에 주입되어 지며 ASTM D 638-01(tensile strength, strain at yield) 규격에 따라 tensile Dogbone과 가로 74 mm, 세로 12.5 mm,  두께 3 mm인 flexural시편을 제작하였다.

최종 DATA 산출 방법은 동일한 조건에서 5개의 시편을 제작하였으며 UTM(Uni

-versal testing machine)을 통한 기계적 물성치중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편 평균값으로 나타내었다. 개괄적인 실험 순서도 및 제작된 시편은 아래 Fig. 1., Fig. 2.와 같다.

Fig. 1. Experimental procedures.

a) tensile test dogbone     b) Flex. test bar

Fig. 2. UTM(Universal tensile machine) test bar.

3. 결과 및 고찰

가. GRT 함량비에 따른 tensile strength(Mpa), strain at yield(%) 변화 특성.

Fig. 3.  Tensile strength of GRT/Plastics

composite.

Fig. 4.  Strain at yield of GRT/Plastics

composite.

GRT 함량비를 15wt%씩 증가하여 tensile strength를 측정하여 본 결과 GRT함량이 증가할수록 tensile strength 세기는 점차 감소 되어짐을 확인할수 있었으며 GRT 함량 45wt%이후 tensile strength 수치가 현저히 낮아짐을 확인 하였다.

PE(polyethylene)계열중 tensile strength의 세기를 비교해 볼 때 □HDPE, □LLDPE, □LDPE순으로 나타났으며 GRT 함량 60wt%에서 tensile strength 감소비율을 조사하여 본 결과 HDPE는 48.639%, LDPE는 55.5% 감소율을 보인반면 LLDPE는 42.09%의 감소율을 보여 PE중 LLDPE가 GRT의 영향을 가장 적게 받음을 인지 할 수 있었다.

점착성 플라스틱인 ADPOLY경우 GRT함량 45wt%에서 tensile strength의 감소 율이 3.14%를 보여 본 실험의 GRT/plastics 복합소재중 가장 감소 비율이 적음을 확인 하였다.

또한 Fig. 4.(strain at yield)를 통하여 GRT함량이 증가할수록 HDPE, LLDPE, ADPOLY의 strain at yield(%)수치는 증가 하나 LDPE, POLYGLUE, PP는 GRT 함량이 증가할수록 점차 감소 되어짐을 고찰 할 수 있었다.

PS(polystyrene)의 경우 molder와의 cross-linking으로 인하여 GRT함량 45wt%와 60wt%만이 측정 가능 하였다.

나. GRT 함량비에 따른 Flexural strength(kgf/mm2), Flexural Modulus (kgf/

mm2) 변화 특성.

Fig. 5.  Flexural strength of  GRT/Plastics

composite.

Fig. 6. Flexural modulus of GRT/Plastics

composite.

GRT함량이 증가함에 따라 Flexural Strength와 Flexural Modulus의 물성치가 감소하는 경향을 인지 할 수 있었으며 PP(Polyprophylene), PS(Polystyrene)는 PE(Polyethylene)에 비해 Flexural Strength 감소비율이 큼으로서 PE보다 GRT의 영향을 더 많이 받음을 확인 하였다.

Fig. 5.을 통하여 Flexural strength test 역시 ADPOLY가 실험에 사용되어진 복합소재중 GRT의 영향을 가장 적게 받음을 고찰 하였다.

복합재료의 강도는 □PS, □PP, □HDPE, □LLDPE, □ADPOLY, □POLYGLUE, □LDPE순으로 나타났으며 탄성율은 □PS, □PP, □HDPE, □ADPOLY, □LLDP

-E, □POLYGLUE, □LDPE순으로 조사 되어졌다.

pure PS의 경우 molder와의 cross-linking 인하여 Flexural strength, Flexural modulus test는 측정 불가하였다.

4. 결 론

GRT함량이 증가함에 따라 tensile strength, strain at yield, Flexural strength, Flexural Modulus의 기계적인 물성치 모두 저하됨을 인지할 수 있었다.

또한 본 연구에서 HDPE, LLDPE, LDPE, ADPOLY, POLYGLUE, PP,PS중 GRT의 영향을 가장 적게 받는 수지는 점착성 수지인 ADPOLY로서 GRT 함량 0wt%와 45wt%에서 감소비율을 비교하여본 결과 tensile strength은 96.86%, strain at yield은 128.56%, Flex. strength은 66.46%, Flex. Modulus은 62.20% 기록하여 본 연구에 사용되어진 플라스틱중 GRT와의 상용성이 가장 뛰어난 것으로 판명되었다. 이는 GRT의 성질 (입자크기 및 이에 따른 표면적 그리고 입자표면의 성질에 따른 플라스틱 Matrix와의 인력) 및 농도 그리고 플라스틱 Matrix의 종류 및 Binder등 첨가제의 종류 및 이들의 첨부 여부에 따라서 탄성, 인장력, 충격흡수등 다양한 응용특성을 Compounding으로 조절 가능하다는 것을 암시하며 재활용품으로서 광범위한 복합재료 응용분야 개발이 전개 될 수 있을 것으로 사료된다.

참고 문헌

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