방수재로의 폐타이어 분말의 재활용 연구

이태형, 이명훈, 주영욱, 한춘, 최중소

광운대학교 화학공학과

A study on recycling of GRT powder for waterproof materials

Tae Hyung Lee, Myoung hun Lee, Yuong Uk Ju, Choon Han, Joong So Choi

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

서론

1992년 리우 환경회의를 계기로 환경문제는 본격적으로 세계적인 관심사로 등장하게 되었다. 앞으로의 생산활동은 “단순히 만든다, 사용한다”의 문제에서 “처리한다, 재활용한다”라는 점까지 확대하여 제품 개발을 하여야 한다. 이러한 맥락에서 GR(Green Round)라는 테투리안에서 폐기물처리에 대한 대책이 시급히 마련되어야 하는 실정이다.1)

특히 최근 자동차 산업의 발달로 인하여 폐타이어 발생량이 급격하게 늘어나는 사회문제는 해결이 매우시급한 실정이라 할 수 있다. 폐타이어 처리방법에는 매립, 소각과 재활용으로 구분 돼는 데 매립에 의한 처리방법은 매립지 부족, 환경오염 및 지역주민의 기피 등으로 문제가 있을 뿐만 아니라 토양의 균열과 침해의 원인이 된다. 이에 따라 소각처리를 함으로써 에너지 활용법이 유망시되고 있으나 시설비의 부담문제 등 여러 가지 문제를 안고 있는 점을 간과할 수 없을 것이다.1.2)

이러한 이유로 본 연구에서 분말가공한 폐타이어를 이용하여 새로운 개념의 Self-Sealing (자체보수성) 방수재 sheet를 개발하고자 한다. Fig. 1은 Self-Sealing 방수재의 원리를 나타낸 그림이다. Self-Sealing 방수재 sheet는 매립지 지하, 건축물 지하 기초바닥, 벽체, 상부구조물의 방수에 쓰이며, 본 연구 제품의 규격은  현재 개발되어 있는 Self-Sealing 방수재 sheet인 벤토나이트를 이용한 제품의 KSM 3736 규격을 참고 하고자 한다.

Fig. 1 A fundamentals self-sealing waterproof

실험

(1) 실험재료

페타이어 고무분말(Ground Rubber Tire, GRT)은 한국자원재생공사의 제품으로 자동차폐타이어를 분쇄하여 0.4mm의 크기로 분류한 고무분말을 사용하였다. 본 연구에서 사용한 GRT는 한국자원재생공사의 자체분석에 의하여 원소분석 및 조성이  Table 1과 같다.

시편의 제작 시, polyurethane계 및 SEBS계의 두 종류의 binder를 사용하였다. 먼저 polyurethane(PANDEX TP-2332)은 강남공업사의 제품을 사용하였고, 조성은 diphenylmethane-4, 4`-diisocyanate, polybutadiene계로 구성되어 있다.  SEBS (styrene-ethylene-butylene-styrene)는 Shell사의 제품을 사용하였고, 블록공중합성체로 구성되어 있다. 흡수성고분자는 poly(acrylic acid) sodium salt (Aldrich)를 사용하였다.

Table 1. Composition of rubber chips used in this study.

Elemental composition [%]		Formulation [%]
C	85.9	SBR	60.5
H	8.0	Carbon black	31.7
N	0.4	Extender oil	2.2
S	1.0	Zinc oxide	1.1
O	2.3	Steric acid	0.88
Ash	2.4	Antioxidant	2.09
		Sulfur	0.97
		Accelerator	0.58
Total	100	Total	100

(2) 시편 제조

폐타이어 분말 60g을 기준으로 binder와 흡수성고분자를 interal mixer(batch type)로 10분동안 mixing 시킨후 mold에 채운 뒤 유압식 프레스기를 사용하여 393.15K으로 가열, 1000kgf/cm2의 압력하에서 10분간 경화 시켜 sheet형태로 제조하였고 시편은 KSM 6518 가황 고무 물리시험방법에 따라 절단하였다(아령 3호). 각각의 시편의 조성은 Table 2에 나타낸 것과 같다.

Table 2. Compositions of compounds.

Code of compounds	PA10		PA13		PA15		PAA10		PAA13		PAA15		PAS10		PAS13		PAS15
	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g	wt%	g
Poly(acrylic acid) sodium salt	1	1	1	1	1	1	3	2	3	2	3	2	1	1	1	1	1	1
polyurethane	14	10	18	13	20	15	14	10	17	13	19	15	14	10	17	13	19	15
SEBS	-	-	-	-	-	-	-	-	-		-	-	3	2	3	2	3	2
GRT	85	60	81	60	79	60	84	60	19	60	78	60	82	60	79	60	77	60

(3) 시험방법

KSM 6518 가황 고무 물리시험방법에 의해 절단한 아령3호 형태의 시편으로 KSM 3736 수 팽창성 벤토나이트 방수 시트를 기준으로 하여 인장강도(N/cm2), 신장률(%)을 측정하였다. 인장강도와 신장률을 측정하기 위해 universal testing machine (Hounsfield H50ks)을 100Kgf load cell에 의하여  200mm/min의 인장속도로 측정하였다. 또한 KSM 3736 규격을 참고로 하여 부피 팽창률(%)을 측정하였다.

결과 및 토론

본 연구에서는  KSM 3736 수 팽창성 벤토나이트 방수 시트의 규격에 맞추어 실험을 진행하였다. Table 3은 조성별로 만든 Table 2시편을 인장강도, 신장률, 부피 팽창률을 측정하여 KSM 3736 규격에 비교하여 data를 비교해 나타낸 것이다.

Table 3. Comparison of matter property.

* P○○10, 13, 15 : polyurethane 10, 13, 15g ; A : absorption polymer 1g

AA : absorption polymer 2g ; S : SEBS 2g

GROUP NAME		PA			PAA			PAS
	KSM 3736	PA10	PA13	PA15	PAA10	PAA13	PAA15	PAS10	PAS13	PAS15
인장강도 (N/cm`)	2452이상	2653	2857	3401	2617	2651	2868	2132	2613	2757
신장률 (%)	450이상	422.2	473.8	479.3	409.7	427.9	459.6	391.8	414.1	453
부피팽창률 (%)	650이상	506.6	379	235.5	759.5	576.5	352.5	260.5	234	149.5

Table 3에서 보는 바와 같이 시편의 각 조건에서의 인장강도, 신장률, 부피 팽창률은 polyurethane, SEBS, poly(acrylic acid) sodium salt 등의 조성에 따라 영향을 받는 것을 알 수 있다. 인장강도와 신장률은 group PA, PAA, PAS순으로 높게 나타냈으며, KSM 3736의 규격을 만족시키는 조성은 PA group의 조성이라고 볼 수 있다.

Fig. 2는 polyurethane binder의 함량조정에 따라 부피 팽창률을 나타낸 것으로서 조성이 적을수록 부피 팽창률이 증가함을 알 수 있고, Fig. 3은 polyurethane binder와 polyurethane에 SEBS를 첨가한 혼합 binder와의 조성별 부피 팽창률을 나타낸 것이다.

Fig. 2. Absorption capacities according to time         for PA materials.

Fig. 3. Absorption capacities according to                time  for PAS materials.

Fig. 3에서 보는 바와 같이 SEBS와 혼합한 polyurethane을 binder로 사용하는 경우 polyurethane만 사용한 Fig. 2보다 부피 팽창률이 떨어지는 것을 알 수 있다. Fig. 2에서의 최적 부피 팽창률이 KSM 3736 수 팽창성 벤토나이트 방수 시트 규격에 미달함을 감안해서 흡수성고분자의 조성을 변화 시켜 실험하였다.

Fig. 4. Absorption capacities according for PAA, PA materials.

위의 Fig. 4의 결과와 같이  흡수성고분자의 조성이 클수록 부피 팽창률이 높아짐을 알 수 있다. 한편 흡수성고분자가 혼합된 방수재의 방수능력을 나타내는 팽윤평형에 대한 표현식은 Spring과 Dashpot로 구성된 Voigt Model3)에 적용시켜 표현할 수 있다.

응력[eqn: sigma _0]가 시간[eqn: t_0]에 적용될 때, 시간[eqn: t]에 대해서 주어진 Young's Modulus [eqn: E]를 가지고 있는 곡선응답 [eqn: epsilon](Absorption Capacity)은 다음 (1)식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: epsilon (t)~=~ sigma _0 /E~[1-exp{(t_0 -t)/ tau _0 }]]                (1)

여기서 [eqn: tau _0]는 평형에 도달하기까지의 지연시간을 나타내며 Steady State에서의 평형에 영향을 미친다.

흡수속도에 대한 표현식은 (1)식에 기초하여 다음(2)식

[eqn: d epsilon/dt ~=~( sigma _0 /E tau _0 )exp[{(t_0 -t)/ tau _0 }]]                (2)

을 사용하였으며, (1)~(2)식을 사용하여 방수능력을 나타내주는 팽윤평형에서의 [eqn: sigma _0 /E],[eqn: tau _0]들을 추산한다. 추산된 파라미터를 이용하여 제조된 시편의 방수능력을 나타내주는 팽윤평형을 설명 할 수 있었다.

참고문헌

1. Kim, J. K.: “Fabrication of Rubber Block by using Recycled Waste

Tires”, J. of Korean Inst. of Resources Recycing, 4, 70(1995)

2. Kim, J. K., and Jeong, D. S.: “A Study on Polyurethane Waterproof

Material Containing Rubber Particles”, J. of the Korea Inst. of Rubber

Industry, 29, 207(1994)

3. Aklonis, J. J. and Macknight, W. J.: “Introduction to Polymer Visco-elasti      -city., Wiley-Interscience”, New York, 147(1983)

4. Zapp, R. L.: Rubber Chem. Technol, 46, 251(1973)

5. KSM 6518 가황고무의 물리시험방법

6. KSM 3736 수 팽창성 벤토나이트 방수 시트