선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구는 밀폐식 혼합기를 이용하여 폐타이어와 신재플라스틱 및 폐플라스틱을 결합한 복합소재의 기본 물성 특성을 규명하고 더불어 첨가제를 이용한 물성 향상 효과에 대하여 고찰하고자 하였다.
- 본 연구는 폐타이어와 폐플라스틱을 이용한 환경문제 해결과 실용적이고 경제성 있는 재활용품 개발을 목적으로 수행된 기초연구로서, 밀폐식 혼합기를 이용한 폐타이어 함량별 및 플라스틱 재질별 복합소재의 물성 특성과 유기, 무기첨가제를 사용하여 폐타이어 폐HEWE 복합소재의 물성 향상에 미치는 영향을 알아보았다. 본 연구 결과를 기초로 일축 및 이축압출기를 이용한 폐타이어/폐H2PE 복합소재 개발에 관한 연구를 진행 중에 있으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 폐타이어/플라스틱 복합소재의 특성연구. 폐타이어/플라스틱 복합소재의 특성을 알아보기 위하여 폐타이어 함량별 복합소재의 물성 변화 폐타이어/신재 HDPE와 폐타이어/폐 HDPE 복합소재의 특성비교 및 폐타이어/플라스틱 복합소재에 대한 유기첨가제 효과에 대하여 알아보았다.
제안 방법
- 5 mm, 두께 3 nun인 굴곡강도 측정용 시편을 제작하였다. 각 실험 조건마다 5개의 시편을 제작한 후 UTM을 이용하여 인장강도, 신장율, 굴곡강도를 측정하여 측정치 중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편의 평균값으로 나타내었다. 인장강도는 시편을 제작하여 상온 (23±2℃)에서 1000N 로드 셀을 장착한 후 크로스 헤드 속도를 10 mm/min으로 인장시키면서 측정하였고, 신장율은 인장강도 측정방법과 동일하며, 굴곡강도는 UTM을 이용하여 일정 크기로 제작된 시편을 상온에서 분당 5 mm 속도로 하중을 가하여 측정하여 복합소재의 기계적 특성을 파악하였다.
- 0℃을 나타냈다 이는 추후 폐HDPE의 점도가 신재 HDPE와 비슷하다면 폐타이어/폐HDPE 복합소재의 가공온도를 폐타이어/신재 HDPE 복합소재의 가공온도보다 낮출 수 있게 됨에 따라 고무의 열분해 현상을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 TGA (Ther- mogravimetric Analyzer)를 이용하여 시간과 온도에 따른 시료의 무게 변화 실험을 실시하였다. 실험조건으로는 승온 속도 10℃/min로 상온에서 700℃까지 가열시켜 열분해곡선을 얻었으며 두 시료의 열분해는 442℃에서 본격적으로 시작하였고 490℃ 부근에서 종결하여 99.
- 신재 HDPE와 폐HDPE 복합소재의 기계적인 물성치 특성 비교 폐타이어 함량 0~60 wt%까지 15 wt%씩 증가시킨 폐타이어/신재 HDPE 복합소재 시편과 폐타이어 함량이 0, 30, 50 wt%인 폐타이어/폐HDPE 복합소재 시편을 이용하여 기계적 물성 특성을 비교하였다.
- 폐타이어/폐HDPE 복합소재 특성 변화. 위의 실험 결과, 폐HDPE가 신재 HDPE에 비하여 물성이 크게 떨어지지 않을 뿐 아니라 폐기물 재활용 및 경제적인 면을 고려하여 신재HWPE를 사용하는 대신 폐HDPE를 사용하였으며 첨가제로 유기첨가제(폐PP, SBR), 무기첨가제 (CaCO3, SiO2, 유리섬유, CaO)를 혼합하여 폐타이어/폐 HDPE 복합소재에 미치는 영향에 관해 실험하였다.
- 앞의 실험을 통하여 첨가제 종류 및 이들의 첨가 여부에 따라 인장력 등 다양한 물성 특성 조절이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이를 확인하기 위해 복합소재 인장강도를 향상시키기 위한 첨가제 PP, PS와 신장율을 향상시키기 위한 첨가제 EVA, SEBS 등을 복합•사용하여 복합소재에 미치는 영향을 알아보았다. Figure 7은 복합첨가제를 첨가했을 때 복합소재의 인장 강도 및 신장율 변화 결과이다.
- 각 실험 조건마다 5개의 시편을 제작한 후 UTM을 이용하여 인장강도, 신장율, 굴곡강도를 측정하여 측정치 중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편의 평균값으로 나타내었다. 인장강도는 시편을 제작하여 상온 (23±2℃)에서 1000N 로드 셀을 장착한 후 크로스 헤드 속도를 10 mm/min으로 인장시키면서 측정하였고, 신장율은 인장강도 측정방법과 동일하며, 굴곡강도는 UTM을 이용하여 일정 크기로 제작된 시편을 상온에서 분당 5 mm 속도로 하중을 가하여 측정하여 복합소재의 기계적 특성을 파악하였다. 시편으로는 인장강도 및 신장율 측정 시편의 경우, 가로 63.
- 폐타이어/신재 플라스틱 복합소재의 물성 변화. 폐타이어 함량별 플라스틱 복합소재의 물성(인장강도 신장율, 굴곡 강도) 특성을 고찰하기 위하여 플라스틱으로 HDPE, LLDPE, LDPE, PP, PS를 사용하였다. 폐타이어/플라스틱 복합소재의 인장 강도 측정 결과, Figure 1에서와 같이 폐타이어 함량이 증가함에 따른 플라스틱과 폐타이어와의 계면증가로 인해 인장강도 세기가 점차 감소하는 것으로 나타났다.
- 폐타이어/폐HDPE 복합소재에 대한 유기첨가제 효과. 폐타이어(50 wt%)/폐HDPE 복합소재에 첨가제로 폐PP, SBR를 혼합하여 복합소재의 물성 특성을 알아보았으며, 이중 인장강도와 굴곡 강도 측정 결과를 Figure 8에 나타내었다. 그림에서와 같이 폐PP 10 wt% 첨가 시 폐타이어(50 wt%)/폐HDPE 복합소재 인장강도는 약 19%의 향상율을 보였으며 폐PP 10 wt% 첨가 시 20 wt% 첨가한 복합소재보다 우수한 인장강도를 기록하였다.
- 폐타이어/HDPE 복합소재에 대한 유기첨가제 효과. 폐타이어/HDPE 복합소재에 첨가제를 혼합하였을 경우 각 성분들 간의 계면접착력 등 물성 향상 여부를 알아보기 위하여 비교적 가격이 저렴하고 물성이 우수한 유기첨가제인 PP, PS, EVA, SEBS를 단일 및 복합첨가하여 복합소재에 미치는 영향에 대해 실험하였으며 사용된 첨가제는 복합소재 전체 함량 대비 5~20 wt% 범위 내에서 혼합•첨가하였다.
- 폐타이어/신재 HDPE와 폐타이어/폐HDPE 복합소재의 특성 비교. 폐타이어/플라스틱 복합소재의 물성 실험 결과, 폐타이어/플라스틱 복합소재에 사용할 플라스틱으로 HDPE가 가장 적합한 것으로 판단되어 HDPE 중 신재 HDPE와 폐HDPE를 이용한 복합소재의 특성을 비교하였다 신재 HDPE와 폐HDPE의 열적 특성을 고찰하기 위하여 시차열 분석법 (DSC)을 이용, 승온 속도를 10℃/min으로 상온에서 200℃까지 가열시켜 용융온도(7m)를 측정하였다.
- 폐타이어/폐HDPE 복합소재에 대한 무기첨가제 효과. 폐타이어/폐HDPE 복합소재에 대한 충진 효과와 굴곡 강도 세기 향상을 위해 CaCO3, SiO2, 유리섬유, CaO 등을 복합소재 전체함량 대비 5~20 wt% 첨가시켜 복합 소재에 미치는 효과에 대하여 실험을 실시하여 Figure 9와 같은 결과를 얻었다. 폐타이어 (50 wt%)/폐HDPE 복합소재에 CaCO3, SiO2, 유리 섬유, CaO는 첨가량 20 wt%보다 10 wt%에서 인장강도 세기가 높음을 인지하였고, 특히 본 실험에 사용된 무기첨가제 중 CaO는 복합소재에 10 wt% 첨가할 때 가장 높은 수치를 기록하였다.
- 폐타이어와 PE (HDPE, LLDPE, LDPE), PP, PS 등을 밀폐식 혼합기에서 0~60 wt% 까지 플라스틱 대비 폐타이어 함량을 15 wt%씩 증가시켜 180℃, 40 rpm에서 5분간 혼합하여 가장 우수한 기계적 물성 특성을 갖는 폐타이어/플라스틱 복합소재를 제조하였다. 폐타이어/플라스틱 복합소재에 유기첨가제 접착성 플라스틱 (polyglue, adpoly), EVA, SBR 등과 무기첨가제 CaCO3, SiO2 등을 복합소재 전체함량 대비 5, 10, 20 wt% 첨가하였다. 혼합된 복합소재는 표준시편 제작기 내에 서 220℃로 약 3분간 혼합한 후 ASTM D638-1 규정에 따라 인장강도, 신장율 측정용 시편과 가로 74 mm, 세로 12.
- 폐타이어/신재 HDPE와 폐타이어/폐HDPE 복합소재의 특성 비교. 폐타이어/플라스틱 복합소재의 물성 실험 결과, 폐타이어/플라스틱 복합소재에 사용할 플라스틱으로 HDPE가 가장 적합한 것으로 판단되어 HDPE 중 신재 HDPE와 폐HDPE를 이용한 복합소재의 특성을 비교하였다 신재 HDPE와 폐HDPE의 열적 특성을 고찰하기 위하여 시차열 분석법 (DSC)을 이용, 승온 속도를 10℃/min으로 상온에서 200℃까지 가열시켜 용융온도(7m)를 측정하였다. 측정 결과 폐 HDPE는 열이력으로 인하여 열분해가 일어나 분자량이 감소하여 신재 HDPE 보다 %이 낮게 측정되었으며, 폐 HDPE의 %은 130.
- 실험방법. 폐타이어와 PE (HDPE, LLDPE, LDPE), PP, PS 등을 밀폐식 혼합기에서 0~60 wt% 까지 플라스틱 대비 폐타이어 함량을 15 wt%씩 증가시켜 180℃, 40 rpm에서 5분간 혼합하여 가장 우수한 기계적 물성 특성을 갖는 폐타이어/플라스틱 복합소재를 제조하였다. 폐타이어/플라스틱 복합소재에 유기첨가제 접착성 플라스틱 (polyglue, adpoly), EVA, SBR 등과 무기첨가제 CaCO3, SiO2 등을 복합소재 전체함량 대비 5, 10, 20 wt% 첨가하였다.
- 폐타이어/플라스틱 복합소재에 유기첨가제 접착성 플라스틱 (polyglue, adpoly), EVA, SBR 등과 무기첨가제 CaCO3, SiO2 등을 복합소재 전체함량 대비 5, 10, 20 wt% 첨가하였다. 혼합된 복합소재는 표준시편 제작기 내에 서 220℃로 약 3분간 혼합한 후 ASTM D638-1 규정에 따라 인장강도, 신장율 측정용 시편과 가로 74 mm, 세로 12.5 mm, 두께 3 nun인 굴곡강도 측정용 시편을 제작하였다. 각 실험 조건마다 5개의 시편을 제작한 후 UTM을 이용하여 인장강도, 신장율, 굴곡강도를 측정하여 측정치 중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편의 평균값으로 나타내었다.
대상 데이터
- 또한 무기첨가제로 CaCO3. SiO2 ((주) 덕산약품공업) 등을 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 폐타이어와 폐플라스틱은 한국자원 재생공사 시화공장에서 구입한 것으로, 폐타이어 (GRT : ground rubber fke)는 철심이 제거된 트럭 타이어로서 20-50 mesh 입도를 가지는 고무분말이며 이에 대한 공업분석 및 원소분석을 Table 1, 2에 나타내었다. 또한 폐 플라스틱은 자원 재생공사에서 폐비닐 HDPE 를 수거하여 펠렛화시킨 것을 구입하여 사용하였다.
- 시료 및 분석. 본 실험에 사용한 폐타이어와 폐플라스틱은 한국자원 재생공사 시화공장에서 구입한 것으로, 폐타이어 (GRT : ground rubber fke)는 철심이 제거된 트럭 타이어로서 20-50 mesh 입도를 가지는 고무분말이며 이에 대한 공업분석 및 원소분석을 Table 1, 2에 나타내었다. 또한 폐 플라스틱은 자원 재생공사에서 폐비닐 HDPE 를 수거하여 펠렛화시킨 것을 구입하여 사용하였다.
- 인장강도는 시편을 제작하여 상온 (23±2℃)에서 1000N 로드 셀을 장착한 후 크로스 헤드 속도를 10 mm/min으로 인장시키면서 측정하였고, 신장율은 인장강도 측정방법과 동일하며, 굴곡강도는 UTM을 이용하여 일정 크기로 제작된 시편을 상온에서 분당 5 mm 속도로 하중을 가하여 측정하여 복합소재의 기계적 특성을 파악하였다. 시편으로는 인장강도 및 신장율 측정 시편의 경우, 가로 63.5 mm, 세로 9.53 mm, 두께 3 mm의 아령형 시편을 사용하였고 굴곡강도 측정용 시편으로는 가로 74 mm, 세로 12.5 mm, 두께 3 mm의 직사각형 시편을 사용하였다.
- 실험장치. 실험은 고점도 고분자 용융 시에 적합한 밀폐식 혼힙기 (Jeong Seong Machinery Co.)를 이용하였다. Mixer 형태는 배치 타입이며, 내용적 250 cc, 내부 온도 상온~400℃까지 온도 상승이 가능하며 스쿠류는 고혼련 용융이 요구되는 실험에 이용되는 V형 스쿠류로서 내경 30mm, 회전 속도 최고 100rpm까지 가능하였다.
- 플라스틱은 현 국내 폐플라스틱 중 가장 많이 배출되는 범용플라스틱을 중심으로 PP ((주)대한유화, grade : 4017), HDPE ((주)대한유화, grade:M850), LLDPE ((주)서울포리케미, grade : LH-3250), LDPE ((주)서울포리케미, grade : LD-61), PS ((주)한남화학, grade : GP-125) 등을 사용하였고 유기첨가제로 polyglue (SK Corp., grade : LEI00A), adpoly ((주)호남석유화학, grade:EM530), 에틸렌 비닐아세테이트 (EVA) ((주)호남석유화학, grade:EV- 600), 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS) (Shell사), PP ((주)대한유화, grade:4017), PS ((주)한남화학, grade:GP-125) 등을 사용하였다. 또한 무기첨가제로 CaCO3.
이론/모형
- ASTM 규격 인장강도, 굴곡강도 등 기계적인 물성치를 측정하기 위한 시편을 만들기 위한 장치인 표준 시편 제작기 (mini-max molder, Bau Tech. Co., model B1915)는 금형의 내용적이 5cc, 최고 온도는 450℃까지 상승 가능하다 또한 물성 시험을 위해서 강도시험의 모든 항목, 즉 인장, 압축, 굽힘, 전단 시험 등을 수행할 수 있는 장치인 UTM (Universal Testing Machine, Hounsfield, H50 KS)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 밀폐식 혼합기를 이용한 폐타이어 함량별, 플라스틱 재질별 복합소재의 물성 특성 실험 결과, 폐타이어 함량이 증가함에 따라 플라스틱과 폐타이어와의 계면 간접착력 저하로 복합소재의 인장 강도와 굴곡 강도는 점차 감소되었으며 신장율은 플라스틱 재질별로 차이가 있었다. 또한 플라스틱 중 HDPE가 폐타이어와의 복합소재 물성 면에서 적합한 것으로 나타났다.
- 폐플라스틱 총 발생량은 1990년 이후 해마다 10% 이상씩 증가하여 2001년에는 약 5063천톤에 이르고 있다.2 폐플라스틱 재활용율은 15% 정도로 유럽 등 선진국의 32%에 비해 현저히 낮은 수준에 있다.3 폐플라스틱 재활용 방법은 크게 3가지로 단순한 물질적 재생방법과 열이용 방법 그리고 화학적 분해를 통하여 원료유를 얻거나 단량체로 환원하는 재활용 방법이 있다.
- 2) PP가 20 wt% 첨가되었을 때 폐타이어(60 wt%) /HDPE 복합소재 인장강도는 PP를 투여하지 않은 복합소재의 인장강도보다 약 1.5배 높게 측정되었고, PP 10 wt% 혼합 시에도 높은 인장강도 값을 나타내어 다른 첨가제와 비교할 때 미량으로도 인장강도를 쉽게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 3) 폐타이어 함량 60 wt%인 폐타이어/HDPE 복합소재에 첨가제 EVA 20 wt% 투여시 신장율이 약 1.6배 증가됨을 인지하였으며 EVA와 SEBS 각각 10 wt% 투여 시 약 2.5배의 신장율 증가를 확인하였다. 이는 신장율을 증가시키기 위한 첨가제로 SEBS가 EVA보다 적합함을 나타내는 것으로 생각된다.
- 4) 폐타이어(50 wt%)/폐HDPE 복합소재에 유리섬유를 10 wt% 첨가할 경우에 약 63%의 굴곡강도 향상율을 보여 굴곡 강도 향상에 가장 효과가 있는 것으로 나타났으며 이외 사용된 첨가제인 CaCQ, SiC>2, CaO 또한 복합소재에 첨가함으로써 굴곡 강도 향상에 도움이 됨을 확인하였다.
- 폐타이어/플라스틱 복합소재의 인장 강도 측정 결과, Figure 1에서와 같이 폐타이어 함량이 증가함에 따른 플라스틱과 폐타이어와의 계면증가로 인해 인장강도 세기가 점차 감소하는 것으로 나타났다. PE 중 HDPE를 이용한 복합소재의 인장 강도가 폐타이어 함량에 관계없이 가장 높게 나타났다. 이는 혼합성형하는 플라스틱 자체의 결정화도가 복합소재의 인장 강도에 영향을 미치고 있음을 시사하고 있다.
- 또한 폐타이어 첨가에 따른 초기 인장 강도와 폐타이어 함량 60 wt%에서의 인장 강도 감소율을 살펴보면, HDPE, LDPE 각각 49%, 56%로 나타났으며 LLDPE는 42%를 보여 PE 중폐타이어의 영향을 가장 적게 받는 것으로 확인되었다. PP는 본 실험에 사용되어진 플라스틱 중 폐타이어 함량 0~60 wt%의 모든 범위에서 가장 우수한 인장 강도를 나타냈다. 그러나 PP 자체의 깨지기 쉬운 특성상 폐타이어 함량 0 wt%와 60 wM%에서 PE와 인장 강도 감소율을 비교해보면 PP는 61%, HDPE는 49%, LLDPE는 43%, LDPE는 56% 감소하여 PP가 PE보다 인장강도 감소율이 큼을 알 수 있었고 폐타이어 함량 30 wt%이후 감소율이 다소 완만해짐을 확인하였다.
- 한편, 합성고무 중 가장 일반적으로 사용되는 범용고무인 SBR은 고무 특성 때문에 첨가량 5, 10 wt%에서 초기 복합소재 인장강도보다 물성이 감소됨을 확인하였다. 굴곡 강도를 측정한 결과, 폐PP와 SBR을 이용한 복합소재의 굴곡 강도 향상 효과는 폐PP 20 wt% 혼합 시만 약간의 향상을 가져왔을 뿐 나머지 경우에서는 첨가제가 혼합되어 있지 않은 복합소재 굴곡 강도보다 낮게 나타났다. 따라서 굴곡 강도를 향상시키기 위한 첨가제로 폐PP와 SBR의 사용은 부적합한 것으로 사료된다.
- Figure 7은 복합첨가제를 첨가했을 때 복합소재의 인장 강도 및 신장율 변화 결과이다. 그 결과, 폐타이어(60 wt%)/HDPE 복합소재 전체 무게비로 PP와 SEBS를 각각 10 wt% 투여한 복합소재와 PP만을 20 wt% 첨가한 복합소재 물성 비교 시 폐타이어/HDPE/PP/SEBS 복합소재 인장강도는 PP 20 wt%을 첨가했을 때의 인장 강도 (Figure 4 참조)세기가 36.2% 감소한 반면 신장율은 17.9%로 144.2% 향상됨을 확인하였다. 이는 첨가제를 사용함에 따라 복합소재의 인장 강도 및 신장율의 물성조절이 가능하다는 것을 나타낸다.
- PP는 본 실험에 사용되어진 플라스틱 중 폐타이어 함량 0~60 wt%의 모든 범위에서 가장 우수한 인장 강도를 나타냈다. 그러나 PP 자체의 깨지기 쉬운 특성상 폐타이어 함량 0 wt%와 60 wM%에서 PE와 인장 강도 감소율을 비교해보면 PP는 61%, HDPE는 49%, LLDPE는 43%, LDPE는 56% 감소하여 PP가 PE보다 인장강도 감소율이 큼을 알 수 있었고 폐타이어 함량 30 wt%이후 감소율이 다소 완만해짐을 확인하였다.
- 또한 유리섬유는 복합소재에 10 wt% 첨가 시 첨가제가 투여되지 않은 복합소재보다 낮은 인장강도 세기를 나타내었다. 그러나 무기첨가제가 혼합된 복합소재의 신장율 (Figure 10)과 굴곡강도 (Figure 11) 변화에 따르면 유리섬유는 신장율과 굴곡 강도는 첨가제가 혼합되지 않은 때보다 63%의 우수한 굴곡 강도 향상율을 보였으며, 유리섬유 10 wt%를 혼합한 복합소재가 가장 우수한 굴곡 강도를 나타내었다. CaCO3, SiO2 역시 첨가함에 따라 인장강도 세기는 감소하나 굴곡강도 세기가 증가함을 확인하였다.
- 폐타이어(50 wt%)/폐HDPE 복합소재에 첨가제로 폐PP, SBR를 혼합하여 복합소재의 물성 특성을 알아보았으며, 이중 인장강도와 굴곡 강도 측정 결과를 Figure 8에 나타내었다. 그림에서와 같이 폐PP 10 wt% 첨가 시 폐타이어(50 wt%)/폐HDPE 복합소재 인장강도는 약 19%의 향상율을 보였으며 폐PP 10 wt% 첨가 시 20 wt% 첨가한 복합소재보다 우수한 인장강도를 기록하였다. 이는 과다한 폐PP 사용은 폐타이어와 폐HDPE 상간접 착력을 저하시킬 수 있으며, PP가 첨가됨에 따라 폐 HDPE 자체의 물성이 저하되는 현상 때문인 것으로 사료된다.
- 5배 높게 측정되었다. 또한 PP 함량 10 wt%에서도 높은 수치를 나타내 다른 첨가제와 비교할 때 적은 양으로도 인장 강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. SEBS는 유연성, 강도, 탄성이 가장 가황고무에 가까운 성질을 가지고 있어 7 약간의 강도 향상 효과를 얻었지만, PS와 EVA를 이용한 복합소재 인장강도 향상 효과는 미미한 것으로 사료된다.
- 반면, EVA는 복합소재에 첨가량이 증가함에 따라 신장율이 향상되나 첨가제 함량 15 wt% 이후 증가율이 다소 감소됨을 확인하였다. 또한 SEBS는 본 실험에 사용된 첨가제 중 가장 우수한 신장율 향상 효과를 나타내었다. Figure 6은 굴곡 강도 변화를 나타낸 것으로 첨가제 함량 20 wt%에서 PP와 PS는 각각 80%, 54%의 향상을 가져와 굴곡 강도를 향상시키기 위한 첨가제로 적합하다고 할 수 있겠으나 PS가 첨가된 복합소재 경우, PS의 취약성으로 인하여 복합소재에 하중을 가했을 때 쉽게 깨지는 경향이 나타날 수 있어 소량 첨가 시 물성 향상에 도움을 줄 것으로 생각된다.
- 이는 신장율을 증가시키기 위한 첨가제로 SEBS가 EVA보다 적합함을 나타낸 결과이다. 또한 굴곡 강도 변화 결과 SEBS가 PP (10 wt%)와 PS (10 wt%)에 10 wt%씩 추가로 첨가할 때 PR PS만 10 wt% 첨가할 때 (Figure 8) 보다 약간 낮은 값을 기록하여 복합첨가의 효과는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.
- 8% 이상의 시료가 분해되었다. 또한 신재 HDPE와 폐HDPE 두 시료가 분해되는 무게 변화량은 유사함을 알 수 있었다.
- 인장 강도와 굴곡 강도의 경우는 폐타이어/폐HDPE 복합소재와 폐타이어/신재 HDPE 복합소재와의 물성 차이가 거의 나타나지 않았으며 신장율의 경우 신재 HDPE를 사용한 복합소재가 폐 HWPE를 사용한 복합소재보다 좋은 결과를 가져왔다. 또한 폐 HEmPE가 첨가된 복합소재는 신재 HEmPE가 함유된 복합소재보다 폐타이어 함량이 증가됨에 따라 신장율 증가율이 상대적으로 작음을 확인하였다.
- 따라서 굴곡 강도를 향상시키기 위한 첨가제로 폐PP와 SBR의 사용은 부적합한 것으로 사료된다. 또한 폐PP와 SBR 첨가함에 따른 폐타이어(50 wt%)/폐 HDPE 복합소재의 신장율 측정 결과, SBR 첨가량 5 wt%에서 복합소재의 신장율은 첨가제가 투여되지 않은 복합소재보다 약간 낮고 첨가량 10 wt%에서는 다소 향상되나 향상 정도는 미미하여, 폐PP와 SBR 모두 폐타이어/폐HDPE 복합소재 신장율을 향상시키기 위한 첨가제로는 적당하지 않은 것으로 생각된다.
- 이는 혼합성형하는 플라스틱 자체의 결정화도가 복합소재의 인장 강도에 영향을 미치고 있음을 시사하고 있다. 또한 폐타이어 첨가에 따른 초기 인장 강도와 폐타이어 함량 60 wt%에서의 인장 강도 감소율을 살펴보면, HDPE, LDPE 각각 49%, 56%로 나타났으며 LLDPE는 42%를 보여 PE 중폐타이어의 영향을 가장 적게 받는 것으로 확인되었다. PP는 본 실험에 사용되어진 플라스틱 중 폐타이어 함량 0~60 wt%의 모든 범위에서 가장 우수한 인장 강도를 나타냈다.
- 이는 첨가제를 사용함에 따라 복합소재의 인장 강도 및 신장율의 물성조절이 가능하다는 것을 나타낸다. 또한 폐타이어가 60 wt% 포함된 폐타이어/신재 HDPE 복합소재에 첨가제 EVA를 20 wt% 단독으로 첨가하였을 때 (Figure 5 참조)보다 EVA와 SEBS 각각 10 wt% 첨가 시 약 2.5배의 신장율이 증가됨을 확인하였다. 이는 신장율을 증가시키기 위한 첨가제로 SEBS가 EVA보다 적합함을 나타낸 결과이다.
- 1) 밀폐식 혼합기를 이용한 폐타이어 함량별, 플라스틱 재질별 복합소재의 물성 특성 실험 결과, 폐타이어 함량이 증가함에 따라 플라스틱과 폐타이어와의 계면 간접착력 저하로 복합소재의 인장 강도와 굴곡 강도는 점차 감소되었으며 신장율은 플라스틱 재질별로 차이가 있었다. 또한 플라스틱 중 HDPE가 폐타이어와의 복합소재 물성 면에서 적합한 것으로 나타났다.
- 5% 순으로 측정되었다. 또한, 폐타이어 함량 증가에 따라 HDPE, LLDPE 복합소재 신장율이 감소하였으며 LDPE와 PP의 신장율도 급격하게 감소됨을 확인할 수 있었는데 이중 PP는 취약한 성질로 인하여 신장율이 감소한 것으로 사료된다. 또한 Figure 3 에서와 같이 폐타이어 함량이 증가함에 따라 폐타이어/신재 플라스틱 복합소재의 굴곡 강도는 차츰 고무의 연성인성질이 증가하여 점차 그 강도가 감소하였다.
- 폐타이어 함량 60 wt%에서 굴곡 강도는 PS가 2.50 kgf/mn?로 실험에 사용된 폐타이어/플라스틱 복합소재 중 가장 우수한 굴곡 강도 특성이 나타났으며, 다음으로 PP, HDPE, LLDPE, LDPE 순으로 나타났다. 이 중 HDPE 복합소재는 PE 중 가장 우수한 굴곡 강도 특성을 보였으며 PS는 폐타이어 함량 60 wt%에서 가장 우수한 휨성질을 보이나 부서지기 쉬운 성질 때문에 제한적인 용도로 사용되어질 것으로 사료된다.
- 그림에서 보는 바와 같이 첨가제 PP, PS가 첨가됨에 따라 복합소재의 폐타이어/신재 HDPE 복합소재의 신장율이 감소됨을 확인하였다 이는 PP, PS가 취약한 성질을 가지고 있기 때문인 것으로 판단된다. 반면, EVA는 복합소재에 첨가량이 증가함에 따라 신장율이 향상되나 첨가제 함량 15 wt% 이후 증가율이 다소 감소됨을 확인하였다. 또한 SEBS는 본 실험에 사용된 첨가제 중 가장 우수한 신장율 향상 효과를 나타내었다.
- 또한 폐타이어/플라스틱 복합소재의 신장율 측정 결과를 Figure 2에 도시하였다. 신장율은 폐타이어 함량 60wt%일 때 LLDPE 29.7%, LDPE 26.2%, HDPE 23.1% PP, PS 각각 14.6%, 7.5% 순으로 측정되었다. 또한, 폐타이어 함량 증가에 따라 HDPE, LLDPE 복합소재 신장율이 감소하였으며 LDPE와 PP의 신장율도 급격하게 감소됨을 확인할 수 있었는데 이중 PP는 취약한 성질로 인하여 신장율이 감소한 것으로 사료된다.
- 실험 결과, PP가 인장강도와 굴곡 강도 모두 폐타이어 함량에 관계없이 높게 나타났으며 PP는 자체의 깨지기 쉬운 성질로 인하여 폐타이어 함량 증가에 따라 급격하게 감소하는 단점이 있으며, HTWE는 PE 계열 중 가장 좋은 물성을 나타내었고 폐타이어 함량에 따른 물성 변화가 적고 HDPE 자체는 낮은 신장율을 나타내나 폐타이어가 점차 증가함에 따라 신장율도 증가하는 경향을 보여 플라스틱 중 HDPE가 폐타이어와의 혼합에 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 또한 TGA (Ther- mogravimetric Analyzer)를 이용하여 시간과 온도에 따른 시료의 무게 변화 실험을 실시하였다. 실험조건으로는 승온 속도 10℃/min로 상온에서 700℃까지 가열시켜 열분해곡선을 얻었으며 두 시료의 열분해는 442℃에서 본격적으로 시작하였고 490℃ 부근에서 종결하여 99.8% 이상의 시료가 분해되었다. 또한 신재 HDPE와 폐HDPE 두 시료가 분해되는 무게 변화량은 유사함을 알 수 있었다.
- 앞의 실험을 통하여 첨가제 종류 및 이들의 첨가 여부에 따라 인장력 등 다양한 물성 특성 조절이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이를 확인하기 위해 복합소재 인장강도를 향상시키기 위한 첨가제 PP, PS와 신장율을 향상시키기 위한 첨가제 EVA, SEBS 등을 복합•사용하여 복합소재에 미치는 영향을 알아보았다.
- 50 kgf/mn?로 실험에 사용된 폐타이어/플라스틱 복합소재 중 가장 우수한 굴곡 강도 특성이 나타났으며, 다음으로 PP, HDPE, LLDPE, LDPE 순으로 나타났다. 이 중 HDPE 복합소재는 PE 중 가장 우수한 굴곡 강도 특성을 보였으며 PS는 폐타이어 함량 60 wt%에서 가장 우수한 휨성질을 보이나 부서지기 쉬운 성질 때문에 제한적인 용도로 사용되어질 것으로 사료된다.
- 인장 강도와 굴곡 강도의 경우는 폐타이어/폐HDPE 복합소재와 폐타이어/신재 HDPE 복합소재와의 물성 차이가 거의 나타나지 않았으며 신장율의 경우 신재 HDPE를 사용한 복합소재가 폐 HWPE를 사용한 복합소재보다 좋은 결과를 가져왔다. 또한 폐 HEmPE가 첨가된 복합소재는 신재 HEmPE가 함유된 복합소재보다 폐타이어 함량이 증가됨에 따라 신장율 증가율이 상대적으로 작음을 확인하였다.
- 폐타이어/플라스틱 복합소재의 물성 실험 결과, 폐타이어/플라스틱 복합소재에 사용할 플라스틱으로 HDPE가 가장 적합한 것으로 판단되어 HDPE 중 신재 HDPE와 폐HDPE를 이용한 복합소재의 특성을 비교하였다 신재 HDPE와 폐HDPE의 열적 특성을 고찰하기 위하여 시차열 분석법 (DSC)을 이용, 승온 속도를 10℃/min으로 상온에서 200℃까지 가열시켜 용융온도(7m)를 측정하였다. 측정 결과 폐 HDPE는 열이력으로 인하여 열분해가 일어나 분자량이 감소하여 신재 HDPE 보다 %이 낮게 측정되었으며, 폐 HDPE의 %은 130.2℃, 신재 HDPE는 136.0℃을 나타냈다 이는 추후 폐HDPE의 점도가 신재 HDPE와 비슷하다면 폐타이어/폐HDPE 복합소재의 가공온도를 폐타이어/신재 HDPE 복합소재의 가공온도보다 낮출 수 있게 됨에 따라 고무의 열분해 현상을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 TGA (Ther- mogravimetric Analyzer)를 이용하여 시간과 온도에 따른 시료의 무게 변화 실험을 실시하였다.
- 폐타이어/폐HDPE 복합소재에 대한 충진 효과와 굴곡 강도 세기 향상을 위해 CaCO3, SiO2, 유리섬유, CaO 등을 복합소재 전체함량 대비 5~20 wt% 첨가시켜 복합 소재에 미치는 효과에 대하여 실험을 실시하여 Figure 9와 같은 결과를 얻었다. 폐타이어 (50 wt%)/폐HDPE 복합소재에 CaCO3, SiO2, 유리 섬유, CaO는 첨가량 20 wt%보다 10 wt%에서 인장강도 세기가 높음을 인지하였고, 특히 본 실험에 사용된 무기첨가제 중 CaO는 복합소재에 10 wt% 첨가할 때 가장 높은 수치를 기록하였다. 또한 유리섬유는 복합소재에 10 wt% 첨가 시 첨가제가 투여되지 않은 복합소재보다 낮은 인장강도 세기를 나타내었다.
- 이는 과다한 폐PP 사용은 폐타이어와 폐HDPE 상간접 착력을 저하시킬 수 있으며, PP가 첨가됨에 따라 폐 HDPE 자체의 물성이 저하되는 현상 때문인 것으로 사료된다. 한편, 합성고무 중 가장 일반적으로 사용되는 범용고무인 SBR은 고무 특성 때문에 첨가량 5, 10 wt%에서 초기 복합소재 인장강도보다 물성이 감소됨을 확인하였다. 굴곡 강도를 측정한 결과, 폐PP와 SBR을 이용한 복합소재의 굴곡 강도 향상 효과는 폐PP 20 wt% 혼합 시만 약간의 향상을 가져왔을 뿐 나머지 경우에서는 첨가제가 혼합되어 있지 않은 복합소재 굴곡 강도보다 낮게 나타났다.
후속연구
- 따라서 폐 HDPE가 신재 HDPE에 비하여 물성 면에서 크게 뒤지지 않고 폐타이어가 혼합된 복합소재의 물성도 큰 저하를 가져오지 않아 폐HDPE로도 충분히 복합소재 개발이 가능하며 신재 HDPE에 비해 약간 떨어지는 물성은 적절한 기능성 첨가제의 혼합으로 보완하여 신재 HDPE 복합소재의 물성에 뒤떨어지지 않는 폐HDPE 복합소재를 제조할 수 있으리라 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.