[논문]재생 폴리에틸렌/폐타이어 분말 복합체의 기계적 특성 및 유변학적 특성에 관한 연구

계형산; 신경철; 방대석

재생 폴리에틸렌/폐타이어 분말 복합체의 기계적 특성 및 유변학적 특성에 관한 연구
A Study on the Mechanical and Rheological Properties of the Recycled Polyethylene Composites with Ground Waste Tire Powder 원문보기

엘라스토머 = Elastomer, v.41 no.2, 2006년, pp.97 - 107

계형산 (목원대학교 응용화학공학과) , 신경철 (충주대학교 고분자공학과) , 방대석 (금오공과대학교 고분자공학전공)

초록
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폐타이어와 폐수지 처리 문제를 해결하기 위한 방법으로 재생 폴리에틸렌 수지와 신재HDPE를 폐타이어 분말(GWTP)과 치합형 동방향 회전 이축 압출기(Fuly Intermeshing Co-rotating Twin Screw Extruder)를 이용하여 각 조성별로 용융 훈련하여 재생 PE/폐타이어 복합체를 제조하였다. 본 연구에서는 플라스틱 수지 (재생 PE, HDPE)와 폐타이어 분말의 혼합비를 $0\sim50$wt.%로 하였으며, ASTM에 의거하여 인장강도, 파단신율, 충격강도 등의 물성 변화를 확인하였다. 폐타이어 분말 함량이 증가할수록 인장강도가 감소하고 파단신율이 증가하였다. 한편 충격강도는 폐타이어 분말 함량이 30 wt.%일 때 최대이고, 함량이 증가할수록 충격 강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 형태학적 고찰에서는 폐타이어 분말의 함량의 증가함에 따라 파단면이 거칠어지는 형상을 관찰하였다. 모세관점도계(Capillary Rheometer)를 이용하여 재생 PE/폐타이어 분말 복합체의 전단속도의 변화에 따른 용융전단점도의 변화와 연화점 (Ts) 등의 유변학적 성질을 분석한 결과, 폐타이어 분말 함량 증가에 따라 외부 응력에 대한 흐름 저항성을 증가시켜 용융점도가 상승하는 결과를 보였으며 측정된 전단율에서 전단 점도는 Power-law 거동을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recycled polyethylene composites with various ratio of ground waste tire powder were manufactured by using a fully intermeshing co-rotating twin screw extruder for the reuse of waste tire scrap. In this investigation, the ground waste tire powders (GWTP) were blended with virgin HDPE and recycled polyethylene in the weight ratio of 0 to 50 wt.%. Mechanical properties such as tensile strength, elongation at break and impact strength were measured by using ASTM standard. The experimental results for the various composite showed that the tensile strength of composites decreased with increasing GWTP ratio, while elongation at break increased with the amounts of GWTP. On the other hand, the impact strength for the three kinds of composites showed maximum at the 30 wt.% of GWTP and then decreased. Morphology of the fracture surface tends to be rough with increasing waste tire powder content. Rheological properties were investigated by measuring the shear viscosity against shear rates and softening temperatures. They showed that melt viscosity of rubber composites in this study subsequently increased with increasing GWTP content as a result of increase of flow resistance against external stress and followed a Power-law behavior.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5 그러나 폐타이어의 분말을 이용한 재활용에 있어서의 문제점은 경제성과 품질 문제 등이고, 이러한 문제점이 수요 창출의 제한요소로 작용하고 있어 보다 경제적이며 효과적인 폐타이어 고무분말 기술개발이 요구되고 있다.6 폐타이어 분말을 이용한 연구는 폐석분-폐타이어 분말 충전 혼성 복합재료의 제조, 폐타이어재활용을 위한 GWTP/HDPE 복합체, 폐타이어 분말과 PE/PS 수지를 이용한 복합재료, GWTP/PE 복합체 연구, 냉동 분쇄 폐타이어 분말의 충전 제로 의사용 및 폴리올레핀과의 블렌드 연구 등으로 이는 폐타이어 분말을 이용하여 기계적 강도가 우수한 복합체에 관한 연구이다. 그러나 폐플라스틱과 폐타이어 분말을 이용한 복합재료에 관한 연구는 거의 전무한 실정이다.
그러나 한국 환경재생공사에서의 폐비닐 및 폐플라스틱 수거 및 처리는 단순한 수거 및 분쇄에 이르고 있어 새로운 재활용기술에 대한 연구가 시급한 실정이다. 따라서 본 연구는 폐타이어와 폐플라스틱 (재생 PE)을 이용한 재활용품 제조 개발을 위한 연구로서 폐비닐로부터 생산된 한국재생 PE, 폐전선관을 재활용하여 생산된 일본재생 PE, 그리고 비교 목적으로 사용된 신재 H2PE와 폐타이어 분말을 무게비와 또한 입자의 크기에 따라 각각 블렌드하여 인장강도, 파단신율, 충격강도 등의 기계적 물성과 유변학적 특성을 비교하여 제품화가 가능한 최적의 물성을 얻고자 하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 폐타이어 분말을 이용해 폐 PE를 재활용하는 연구로서 폐타이어 분말의 함량에 따른 물성 변화를 관찰하였다.

제안 방법

이때 인장시편은 ASTM D 638S., 충격시편은 ASTM D 256에 의거하여 제작하였고, 시편 제작 시 사출 압력은 750 psi, 사출시간은 2〜3초, 실린더 온도는 210 ℃, cycle time은 3분으로 하여 각 조성별로 10개 이상의 시편을 제작하였다.
Capillaiy Rheometer를 이용하여 전단율의 변화에 따른 용융점도의 변화와 연화점 (Softening Temperature, Ts)과 온도 변화에 따른 점도를 측정하였다. 측정된 Ts값은 Table 2에 나타내었다.
%까지 변화시키면서 블렌드 하였다. 먼저 각 조성에 따라 일정량을 tumble mix한 후 이 축 압출기의 투입구로 투입하여 기계적으로 블렌드 하였다. 이때 사용된 압출기는 BAU-TECH 사의 BT-19로서, 스크류 직경은 19 mm, L/D는 42인치 합형 동방향 회전 (Intermeshing Co-rotating) 이축 압출기이다.
모세관 점도계 (Capillary Rheometer, Gottfbrt사, Rheo-Tester 1000)를 이용하여 전단속도의 변화에 따른 용융점도와 Ts (연화점)의 온도에 따른 점도 변화를 측정하였다. 이때 측정 조건은 Capillary Die의 L/D는 40으로 내부직경은 1.
주사전자현미경(SEM)을 사용하여 복합 재료의 파단면을 관찰하기 위해 충격 시험 후 파괴된 시편의 단면을 gold sputtering시킨 후 모폴로지를 관찰하였다.
충격시험은 Notch Maker (기배무역, KPM-080)를 이용하여 시편에 notch를 낸 후 Izod 충격시험기(대경 테크, DH-6021)를 이용하였으며, ASTM D 256에 의거하여 한 조성에 대하여 10개 시편의 기계적 물성을 측정하였고, 인장강도와 마찬가지로 최대치와 최소치를 제외한 8개 측정치의 평균을 취하였다.
% 일 때 폐타이어 분말이 들어있지 않은 PE 보다 약 2배의 충격강도를 보였다. 형태학적 결과로는 폐타이어 분말의 함량의 증가로 인하여 파단면이 거칠어지는 형상을 관찰하였다.

대상 데이터

재생한 PE이다. KRPE와 JRPE의 물성비교를 위해 신재 HDPE를 사용하였고 각각의 특성은 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 충격보강제(Impact Modifier)로 폐타이어분말 (이하 GWTP)을 사용하였는데 분쇄된 입자의 크기에 따라 두 종류를 사용하였고 Table 1에 자세히 나타내었다.
건조된 펠렛은 기계적 물성을 측정하기 위해 미니 사출기 (BAU-TECH사)를 이용하여 인장시편과충격시편으로 제작되었다. 이때 인장시편은 ASTM D 638S.
본 연구에 사용된 PE수지는 모두 3 종류로서 한국재생 PE (이하 KRPE)는 농업용 폐필름에서 재생된 PE로써 LLDPE, LDPE, HDPE 등이 섞여 있는 형태의 PE이고, 일본재생 PE (이하 JRPE)는 전선피복을 재생한 PE이다. KRPE와 JRPE의 물성비교를 위해 신재 HDPE를 사용하였고 각각의 특성은 Table 1에 나타내었다.
KRPE와 JRPE의 물성비교를 위해 신재 HDPE를 사용하였고 각각의 특성은 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 충격보강제(Impact Modifier)로 폐타이어분말 (이하 GWTP)을 사용하였는데 분쇄된 입자의 크기에 따라 두 종류를 사용하였고 Table 1에 자세히 나타내었다.
먼저 각 조성에 따라 일정량을 tumble mix한 후 이 축 압출기의 투입구로 투입하여 기계적으로 블렌드 하였다. 이때 사용된 압출기는 BAU-TECH 사의 BT-19로서, 스크류 직경은 19 mm, L/D는 42인치 합형 동방향 회전 (Intermeshing Co-rotating) 이축 압출기이다. 각 성분별 블렌드에 사용된 스크류 조합은 Figure 1에 나타낸 바와 같다.
인장 시편은 TestorrHric사의 Tensile Tester (MICRO 350 Model)를 사용하였고, cross-head speed는 12.5 mm/min로 하였으며, ASTM D 638에 의거하여 10 개의 시편을 측정하여 최대치와 최소치를 제외한 8개 측정치의 평균을 취하였다.

성능/효과

% 에 이르기까지는 충격강도가 차츰 증가하였고 30 wt.%에서 최대치를 나타났으나 그 후 충격보강재의 함량이 증가함에 따라 오히려 충격강도가 떨어지는 경향을 보였다 또한 입자의 크기가 큰 폐타이어 분말의 경우에도 입자가 작은 분말의 경우보다 충격강도는 낮지만 유사한 경향을 보였다. 한편다른 블렌드에서도 앞서 설명한 KRPE/GWTP 블렌드와 비슷한 경향을 나타내고 있으며 공히 30 wt.
즉, JRPE/GWTP 블렌드에서도 GWTP의 증가에 따라 초기 전단 응력에서 높은 전단 점도 거동을 보이고 전단 응력이 높아짐에 따라, 다시 말해서 전단 속도가 높아짐에 따라 폐타이어 분말이 블렌드의 전단 점도를 상승하게 하는 결과를 얻는다.14 두 가지 종류의 블렌드에서 나타나는 결과의 공통점은 폐타이어 분말의 첨가량이 증가함에 따라 측정 전단 속도 전 범위에서 용융점도는 증가한다. 이는 GWTP가 일종의 충전제 역할을 하고 재생 플라스틱과의 물리적 결합으로 인하여 외부 응력의저항성을 증가시켜 용융점도를 상승시키는 결과를초래하기 때문이라 볼 수 있다.
Table 2의 결과를 보면 폐비닐로부터 재생된 PE 인 KRPE는 연화점이 73.6 ℃였는데, 폐타이어분말함량이 높아질수록 연화점이 낮아지는 현상을 보이고 있고, 이는 폐타이어분말이 첨가되면서 고무의 성질이 나타나서 블렌드물의 연화점이 낮아지는 것으로 사료된다.
동일한 입자경에서 HDPE/GWTP-1 (입자경 0.4mm) 블렌드에서 폐타이어 무게 %의 비율을 증가시킴으로서 파단면의 모폴로지를 관찰한 결과 WTP의 함량 증가에 따라 거친. 절단면을 보이게되고 절단면이 GWTV와 PE의 계면에서 일어나는것으로 보인다.
5 의 연구 결과와 일치한다. 따라서 재생 PE/GWTP 블렌드에서 폐타이어 분말의 함량이 증가할수록 인장강도가 감소하고 파단신율은 증가함이 관찰되었다.
블렌드의 유변학적 성질을 살펴본 결과, 온도 변화에 따른 용융점도 변화에서 폐타이어 분말의 함량이 증가할수록 용융점도가 높아짐을 관찰할 수있었고 전단율에 따른 용융점도의 변화를 살펴보면 폐타이어 분말의 함량이 증가할수록 충진제와 같은 역할로 인하여 용융점도가 증가하며 전단속도의 증가에 따라 용융점도가 낮아짐이 관찰되었고, 측정된 전단율에서 용융점도는 Power-law 거동을 보였다.
세 종류의 PE 모두 폐타이어 분말 함량이 증가할수록 인장강도가 감소하고 파단신율은 증가됨이 관찰되었다. 충격강도에서는 폐타이어 분말 함량이 30 wt.
각각 비교한 결과이다. 이 결과에 의하면 JRPE와 신재 HDPE의 블렌드는 유사한 경향을 보이고 있는데 이는 폐타이어 분말의 함량이 증가되면 블렌드 내에서 차지하는 고무 분말의 분율이 커짐에 따라 두 상간에 상용성이 나빠져서 두 성분상의 상분리가 일어나고 많은 공동을 갖게 된다. 또한 이러한 구조는 크랙의 성장을 저지하는 능력을 잃게 되므로 결과적으로 인장 강도의 감소가 일어나게 된다.
이와 같은 현상은 Figure 17에서 동일하게 나타난다. 즉, JRPE/GWTP 블렌드에서도 GWTP의 증가에 따라 초기 전단 응력에서 높은 전단 점도 거동을 보이고 전단 응력이 높아짐에 따라, 다시 말해서 전단 속도가 높아짐에 따라 폐타이어 분말이 블렌드의 전단 점도를 상승하게 하는 결과를 얻는다.14 두 가지 종류의 블렌드에서 나타나는 결과의 공통점은 폐타이어 분말의 첨가량이 증가함에 따라 측정 전단 속도 전 범위에서 용융점도는 증가한다.
%씩 증가시키면서 폐타이어 분말의 증가에 따른 인장강도와 파단신율을 측정하였고, 또한 폐타이어 분말 입자 크기의 변화가 인장강도 및 파단신율에 미치는 영향을 Figure 2-Figure 7에 도시하였다. 폐비닐로부터 재생된 KRPE에 GWTP를 함량별로 또한 입자 크기별로 블렌드한 경우의 인장강도를 살펴보면, GWTP가 들어있지 않은 KRPE 자체의 인장강도는 22 MPa 정도이고, 폐타이어분말 함량이 증가할수록 또한 입자크기가 커질수록 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 그러나 폐타이어 분말입자 크기가 작은 블렌드인 경우에는 다소 높은 인장강도를 나타내고 있다.

후속연구

8%로 폐타이어는 열 이용분야에 편중되어 있어 물질회수 재활용사업의 활성화를 통하여 재활용 방법의 다양화를 모색할 필요가 있다. 이를 위해서는 정책적인 지원을 바탕으로 기술개발과 시장화를 적극적으로 유도해야 할 것이며, 향후 고밀도 파쇄, 냉동 파쇄등을 통해서 타이어 원료로 재이용하거나, 혹은 보다 부가가치가 높은 재활용 제품으로 개발하는 것이 절실하다 할 것이다.* 따라서 폐자원의 재활용이라는 측면에서 폐타이어를 가공하여 재사용 하는 것이 환경오염을 최소화하면서 또한 부존자원이 부족한 국내에서는 매우 효과적인 방법이라 할수 있겠다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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