폐타이어 분말을 이용한 구조재 개발

임광희, 정찬홍

대구대학교 화학공학과

Development of structure materials by using waste tire powder

Kwang-Hee Lim, Chan Hong Chung

Dept. of Chemical Engineering, Taegu University

1. 서론

본 연구에서는 폐타이어를 입자로 잘게 분쇄하고 이들 입자에 필요시 다른 첨가제를 투입한 후에 바인더를 사용하여, 대기 및 토양 환경보전에 이바지하고 제조원가가 저렴하고, 중량이 가벼우며, 충격흡수가 용이하여 안전성이 뛰어난 폐타이어 가로등주 또는 pipe 복합소재 같은 구조재 제조를 위한 최적 공정조건을 도출하고자 하였다.  이를 위하여 여러 가지의 입도분포를 가지는 폐타이어분말에 대하여 폴리우레탄과 에폭시수지를 바인더로 하여, 다른 연구자가 수행한 어느 주어진 성형온도조건에서 적정 바인더의 중량비를 구하고 그 적정중량비를 가지고 여러 다른 성형온도에 적용하여 인장강도, 100% 인장응력 및 압축강도 등을 측정하여 추정된 적정 성형온도를 도출하는 방법 대신에, 각각의 성형온도에 있어서의 여러 가지 바인더의 중량비에 대한 각각의 인장강도, 100% 인장응력 및 압축강도 등을 각각 측정하여 적정성형온도 및 적정중량비를 구하였다.

2. 실험

가. 폐타이어 분말 및 바인더

폐타이어 분말 3 종류를 폐타이어 분말 전문업체인 부성에서 구입하여 입도 분석(그림 1)을 수행하고 그 중에서 비교적 작은 25-40 mesh 크기의 폐타이어 입자가 중량비로 75% 이상을 점유하는 sample C를 제외한 sample A 및 B를 채택하여 폐타이어 입도 분포가 시편 물성에 미치는 영향에 대한 분석실험에 사용하였다.

폐타이어 분말을 압축성형 시에 경화와 더불어 결합시키는 바인더로는 일액형의 폴리우레탄(PANDEX TPI-1331, 강남화성) 및 이액형의 에폭시 수지(HE#200, 현대 에폭시 chemicals)를 각각 사용하였다.

나. 시편 제조

KSM 6518 가황 고무 물리시험방법에 따른 아령형 3호의 시편성형을 위해 제작한 금형을 12ton 프레스(#3851 Model C, Carver사)의 두 개의 heating & cooling plate위에 장착하였다.  폴리이미드 필름 및 도포하는 실리카를 이형제로서 금형의 천장과 바닥에 도포하고, 폐타이어 20g에 여러 가지 질량의 각각의 바인더을 넣고 기계적으로 충분히 혼합한 혼합물을 금형의 cavity안에 주입한 후에 8 ton의 압력 하에 10분 동안 주어진 온도에서 시편을 압축성형하였다.  압축성형 시의 Carver사의 프레스기의 TIC에 설정 온도는 두 개의 heating & cooling plate위에 장착된 시편성형을 위한 금형 표면의 실제 온도와의 차이를 보정하여 설정하였다.

다. 물성검사 시험방법

모든 물성검사는 선정된 두 가지의 폐타이어 분말(sample A 및 B)에 대하여 수행되었고 또한 바인더의 경우도 선정된 두 가지(폴리우레탄 및 에폭시수지)의 수지를 사용하여 각각의 중량비에 대하여 3회 이상 수행되어 평균값을 구하였다.  Texture Analyzer(TA-HD 500, Stable Micro System)를 사용하여 인장강도 및 100% 인장응력 및 압축강도를 시험하여 각각의 바인더마다의 최적 성형온도 및 최적 바인더 투입량 즉 최적 공정조건을 도출하였는데, 인장속도를 300mm/min로 설정하여 인장강도 및 100% 인장응력을 계측하였다.  또한 동 계측기기를 이용하여 시편에 수직으로 probe의 지름이 5mm인 바늘이 2-3mm 까지 들어갈 때의 압축강도를 측정하여 경도시험을 대신하였다.

3. 결과 및 고찰

폐타이어를 입자로 잘게 분쇄한 폐타이어 분말을 이용하여 성형함으로서 최적 공정조건의 도출을 위하여 여러 가지의 물성 실험을 수행하였다.  성형 온도 및 바인더의 양이 폐타이어 분말과의 혼합물에 미치는 물성 변화의 실험 결과는 다음과 같다.  그림 2-1(성형설정온도: 120℃(금형 표면온도: 105℃)), 2(140℃(금형 표면온도: 120℃)), 3(165℃(금형 표면온도: 135℃)) 및 4(185℃(금형 표면온도: 165℃))에서는 sample A에 대한 각각의 경화온도에서 폴리우레탄의 중량비에 대한 시편의 인장강도의 추이를 보여주고 있다.  특히 성형설정온도가 185℃(금형 표면온도: 165℃) 경우에는 그림 2-4와 같이 인장강도는 6kg중/cm2에서 50kg중/cm2까지 바인더의 중량비에 비례하여 증가하였다.  이는 높은 성형온도의 조건에서 바인더가 과경화되어 인장강도가 적어져서 육안으로 식별할 정도로 시편의 상태가 푸석푸석하였음에 기인하고 바인더의 첨가량이 20phr을 초과 시에는 과경화로 인한 인장강도의 저해가 적었다.  그림 2-1,2,3 및 4에서 최대 인장강도를 가지는 적정의 바인더 중량비는 23phr로서 나타났고 그 중량비에서 성형온도에 따른 인장강도는 그림 3에서와 같이 성형온도가 140℃(금형 표면온도: 120℃)에서 64kg중/cm2 정도의 최대 인장강도를 나타내었다.

100%인장응력의 경우는 그림 2-1(120℃(금형 표면온도: 105℃)), 2-2(140℃(금형 표면온도: 120℃)), 2-3(165℃(금형 표면온도: 135℃)) 및 2-4(185℃(금형 표면온도: 165℃))와 같다.

폐타이어 sample B에 대한 경우는 그림 4-1(성형설정온도:140℃(금형 표면온도: 120℃)), 2(성형온도: 165℃(금형 표면온도: 135℃)) 및 3(성형온도: 185℃(금형 표면온도: 165℃))에서 각각의 경화온도에서 폴리우레탄의 중량비에 대한 시편의 인장강도의 추이를 보여주고 있으며 sample A와 비교할 때에 최대 70-90% 정도의 인장강도의 감소를 보이고 있다.  이는 sample A와 sample B의 입도분포(그림 1)의 특성 또는 노화에 기인한다고 생각된다.  그림 5에서는 성형온도에 따른 인장강도 및 100%인장응력에 대한 분포를 나타내고 있다.  한편 프레스 설정온도가 120℃(금형 표면온도:105℃)), 140℃(금형 표면온도:120℃)), 165℃(금형 표면온도:135℃)) 및 185℃(금형 표면온도:165℃))에서 폐타이어 sample A를 대상으로 폴리우레탄을 바인더로서 사용하여 압축성형 하였을 때의 바인더의 중량비에 대한 압축강도의 분포는 120℃에서는 일반적으로 고르게 분포하였으나 더 높은 온도에서는 바인더의 중량비가 증가할수록 압축강도가 증가하였고 폐타이어 sample B에 대한 압축강도는 sample A의 경우보다 일반적으로 증가하였고 프레스 설정온도가 165℃(금형 표면온도:135℃)일 때에 가장 적었다.

폐타이어 sample A 및 B에 대하여 바인더로서 에폭시 수지를 적용하였을 때 주어진 경화온도에서 바인더  인장강도 및 압축강도를 구하였는데 압축강도에서는 sample A 및 B의 경우 모두 폴리우레탄 바인더의 경우보다 월등하나 인장강도에서는 sample B보다는 우월하나 sample A보다는 취약하였다.  폴리우레탄의 경우와 다르게 에폭시 수지의 경우는 폐타이어 sample B에 대한 경우에 sample A와 비교할 때에 일반적으로 비슷한 바인더의 중량비에 대한 인장강도 및 압축강도의 분포를 보였다.

4. 결론

폐타이어 sample A에 폴리우레탄 23phr을 적용 시의 성형온도에 따른 인장강도 및 100%인장응력에 대한 분포를 나타내었는데 분포도는 bell shape인 포물선을 그리고 성형설정온도가 140℃(금형 표면온도: 120℃) 일 때에 인장강도가 최대값인 약 65kg/cm2에 도달함을 알 수가 있다.  폐타이어 sample B에 대한 경우는 그림 4-1,2 및 3에서 각각의 경화온도에서 폴리우레탄의 중량비에 대한 시편의 인장강도의 추이를 보여주고 있으며 sample A와 비교할 때에 최대 70-90% 정도의 인장강도의 감소를 보이고 있다.  이는 sample A와 sample B의 입도분포의 특성 또는 노화에 기인한다고 생각된다.  최대 인장강도를 가지는 적정의 바인더 중량비는 sample A와 마찬가지로 약 23phr로 나타났고 그 중량비에서 성형온도에 따른 인장강도는 성형온도가 165℃(금형 표면온도: 135℃)에서 약 12kg중/cm2 정도의 최대 인장강도를 나타내었다.

폐타이어 sample A 및 B에 대하여 바인더로서 에폭시 수지를 적용하였을 때 주어진 경화온도에서 바인더  인장강도 및 압축강도를  나타내었는데 압축강도에서는 sample A 및 B의 경우 모두 폴리우레탄 바인더의 경우보다 월등하나 인장강도에서는 sample B보다는 우월하나 sample A보다는 취약하였다.  폴리우레탄의 경우와 다르게 에폭시 수지의 경우는 폐타이어 sample B에 대한 경우에 sample A와 비교할 때에 일반적으로 비슷한 바인더의 중량비에 대한 인장강도 및 압축강도의 분포를 보였다.

참고문헌

1. 한국자원재생공사, 폐기물재활용 통계II-폐타이어 발생 및 재활용 현황(1999)

1. 조하나, 김진국, □폐타이어 재활용에 있어서 가공조건의 영향□, 고무학회지, 31, 2(1996)

2. 김진국 외 2인, □폐타이어 재활용에 있어서 Binder양이 미치는 영향□, 고무학회지, 29. 5(1994)

3. 김상준 외 5인, □폐타이어와 폐플라스틱을 이용한 pipe 복합소재 개발□, 화학공학의 이론과 응용, 6, 2(2000)

4. 박주량외 2인, □폐타이어 재활용을 위한 GRT/HDPE복합체에 대한 연구(II)□, 한국폐기물학회지, 15, 1(1998)

5. 중소기업 기술혁신개발사업 최종보고서(2000), □폐타이어를 이용한 가로등주 개발□