폐 선박의 FRP를 재활용 과정에서 용이한 기계적 조작을 위한 화학적 처리 방법에 관한 연구 A Study on the Chemical Treatments Suitable for the Simple Mechanical Manipulation During the Recycling Process of FRP Waste from Ships원문보기
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 에너지 면에서나 환경적인 면에서 많은 장점을 가지고 있다. 비록 로빙층과 매트층은 그 비율은 다르나 모두 수지와 유리를 포함한다는 유사성과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 충간의 차이를 인식하기는 어렵다. 본 연구에서는 유리의 구성비가 다른 두 층의 화학적 성질의 차를 이용하여 광학적으로 층간 인식이 가능한 방법을 모색하였다. FRP에 대해 (1) FRP의 층 사이에 존재하는 수지를 녹이는 진한 황산, 또는 (2) 유리를 녹이는 염기성 용액(KOH의 메탄올과 아이소프로판올 용액), (3) 유리의 $SiO_2$와 반응하는 플루오르산(HF)용액, (4) HF 용액으로 처리한 후 수용성 염료를 도포한 경우, 각각 두 층간의 차별화가 일어났다. 이 결과를 이용하여 폐 FRP의 분리 공정이 단순화될 수 있을 것이다.
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 에너지 면에서나 환경적인 면에서 많은 장점을 가지고 있다. 비록 로빙층과 매트층은 그 비율은 다르나 모두 수지와 유리를 포함한다는 유사성과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 충간의 차이를 인식하기는 어렵다. 본 연구에서는 유리의 구성비가 다른 두 층의 화학적 성질의 차를 이용하여 광학적으로 층간 인식이 가능한 방법을 모색하였다. FRP에 대해 (1) FRP의 층 사이에 존재하는 수지를 녹이는 진한 황산, 또는 (2) 유리를 녹이는 염기성 용액(KOH의 메탄올과 아이소프로판올 용액), (3) 유리의 $SiO_2$와 반응하는 플루오르산(HF)용액, (4) HF 용액으로 처리한 후 수용성 염료를 도포한 경우, 각각 두 층간의 차별화가 일어났다. 이 결과를 이용하여 폐 FRP의 분리 공정이 단순화될 수 있을 것이다.
As one of the methods for recycling the FRP from the small and medium waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the recycling energy and the environmental effects. Similar characteristics, however, between the roving and the mat even with different ratio of t...
As one of the methods for recycling the FRP from the small and medium waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the recycling energy and the environmental effects. Similar characteristics, however, between the roving and the mat even with different ratio of the resin and the glass and the thickness of the roving, much thinner than the mat, make the mechanically automatic differentiation difficult. In this study spectrochemical differentiation between the two layers has been made using (1) boiling concentrated sulfuric acid which can dissolve the resin in the FRP layer, (2) methanol and isopropanol solution saturated with KOH which can dissolve the glass, or (3) hydrogen fluoride(HF) solution which can reacts with $SiO_2$ fragments of the glass. Furthermore coloring water-soluble dye following the HF treatment makes the roving layer more distinguishable photo-physically.
As one of the methods for recycling the FRP from the small and medium waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the recycling energy and the environmental effects. Similar characteristics, however, between the roving and the mat even with different ratio of the resin and the glass and the thickness of the roving, much thinner than the mat, make the mechanically automatic differentiation difficult. In this study spectrochemical differentiation between the two layers has been made using (1) boiling concentrated sulfuric acid which can dissolve the resin in the FRP layer, (2) methanol and isopropanol solution saturated with KOH which can dissolve the glass, or (3) hydrogen fluoride(HF) solution which can reacts with $SiO_2$ fragments of the glass. Furthermore coloring water-soluble dye following the HF treatment makes the roving layer more distinguishable photo-physically.
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문제 정의
본 연구진은 환경적인 문제나 에너지 소비적인 면을 고려하고 재활용 가능성을 고려하여 FRP를 분리하고자 하였다(김용섭 등 [2006], 윤구영 등[2007]). FRP의 형태적인 특성을 이용하여 층간을 분리하여 유리섬유가 70% 이상인 로빙층과 수지가 대부분인 매트 층을 얻는 방법에 대해 연구하였으며 본 실험은 일련의 과정 중 공정의 단순화와 자동화를 꾀하는 과정에서 두 층을 쉽게 인식할 수 있도록 하기 위한 목적을 가지고 있다.
HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 유리섬유의 밀도를 비교하여 로빙층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 로빙층을 인식하게하기 위해 염료를 사용하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 유리섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 유리섬유를 착색하였다.
본 연구에서는 폐 선박의 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상 분리를 추진하는 과정에서 발생하는 기계적 단순화 및 자동화 시스템 구현을 위한 일환으로 매트층과 로빙층의 구별화에 대한기작 메카니즘을 연구하였다. 특히 유리섬유와 수지의 화학적 차이점을 이용하려 하였다.
유지성분을 얻어내는 방법도 유리 서분의 분리와 에너지 효율의 문제를 가지며, 용매를 이용한 수지의 재활용 문제는 유기 용매로 인한 새로운 환경문제를 야기하므로 적절하지 못하고, 초임계 상태의 물을 이용하는 경우는 고압과 고온(380℃)를 유지해야 하는 단점이 있다. 본 연구진은 환경적인 문제나 에너지 소비적인 면을 고려하고 재활용 가능성을 고려하여 FRP를 분리하고자 하였다(김용섭 등 [2006], 윤구영 등[2007]). FRP의 형태적인 특성을 이용하여 층간을 분리하여 유리섬유가 70% 이상인 로빙층과 수지가 대부분인 매트 층을 얻는 방법에 대해 연구하였으며 본 실험은 일련의 과정 중 공정의 단순화와 자동화를 꾀하는 과정에서 두 층을 쉽게 인식할 수 있도록 하기 위한 목적을 가지고 있다.
제안 방법
또한 HF 용액에서 처리된 시편을 수용성 염료 용액(4% v/v)으로 처리한 후 남아있는 물기를 제거한 후 단면을 촬영하였다. 화질을 개선하기위해 광원을 후면과 측면으로 옮겨가며 촬영하였고 로빙 층의 유리섬유 변화를 보기위해 100 배로 확대한 것 이외에는 실물을 그대로 촬영하였다.
하였다. 수지의 경우는 소수성이고 유리섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 유리섬유를 착색하였다. 수용성 녹색 염료의 용액을 HF로 처리한 면에 붓으로 두 번 도포한 결과 Fig.
알코올류인 메탄올과 이소프로판올을 1:1로 섞은 용매에 KOH 를 포화시켜 만든 염기성 용매에 FRP를 6일 담근 후 그 표면을 관찰하였다. 유리를 녹이는 것으로 알려진 이 용액에서 FRP의 단면상에 드러난 유리 섬유는 Fig.
5와 같은 결과를 얻었다. 이때 HF 용액에 담갔던 부분에 대해 측면의 광원을 간접조명으로 이용하여 촬영하였다. 비교한 결과 5분 정도는 지나야 HF가 로빙층과 매트층을 차별화시킬 수 있음을 알았다.
메카니즘을 연구하였다. 특히 유리섬유와 수지의 화학적 차이점을 이용하려 하였다.
화질을 개선하기위해 광원을 후면과 측면으로 옮겨가며 촬영하였고 로빙 층의 유리섬유 변화를 보기위해 100 배로 확대한 것 이외에는 실물을 그대로 촬영하였다.
대상 데이터
따라서 에폭시 수지를 녹일 수 있는 고온의 진한 황산을 이용하였고, 유리를 녹일 수 있는 플루오르수소산(HF) 용액을 사용하였다. 광학 센서를 이용할 수 있는 염료도 사용하였다.
진한 황산(98%)과 HF(40%, 반도체용)는 구입한그대로 사용하였다. 광학적 센서를 이용하기 위해 수용성 염료를 사용하였다. 시편을 촬영하기 위해 Sometech의 Video Microscope System SV-55를 사용하였다.
보통 선박에 사용하는 수지는 섬유 강화플라스틱용 액상 불포화폴리에스테르 수지인데 보통 사용되는 유기용매에는 전혀 녹지 않았다. 따라서 에폭시 수지를 녹일 수 있는 고온의 진한 황산을 이용하였고, 유리를 녹일 수 있는 플루오르수소산(HF) 용액을 사용하였다. 광학 센서를 이용할 수 있는 염료도 사용하였다.
로빙층이 두 개 들어있는 FRP(0.7 mm 두께)를 5x5 cm의 시편으로 준비한다. 진한 황산(98%)과 HF(40%, 반도체용)는 구입한그대로 사용하였다.
광학적 센서를 이용하기 위해 수용성 염료를 사용하였다. 시편을 촬영하기 위해 Sometech의 Video Microscope System SV-55를 사용하였다.
7 mm 두께)를 5x5 cm의 시편으로 준비한다. 진한 황산(98%)과 HF(40%, 반도체용)는 구입한그대로 사용하였다. 광학적 센서를 이용하기 위해 수용성 염료를 사용하였다.
성능/효과
HF로 처 리하지 않은 FRP에 대해 수용성 염료를 그대로 사용한 경우는 염료의 착색이 이루어지지 않고 HF로 처리한 이후에만 착색이 잘 되는 것으로 보아, HF가 FRP 단면의 유리섬유에 대한 친수성을 보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빙층을 구별할 수 있을 것이다.
이때 HF 용액에 담갔던 부분에 대해 측면의 광원을 간접조명으로 이용하여 촬영하였다. 비교한 결과 5분 정도는 지나야 HF가 로빙층과 매트층을 차별화시킬 수 있음을 알았다.
약산인 HF 용액으로 처리한 FRP는 1시간 이후 원래의 FRP에 비해 로빙층이 쉽게 구별될 수 있는 정도의 변화를 보였다. Fig.
또는 진한 황산을 사용하는 것이다. 저탄소 실험을 추구하고 환경오염을 배제하고자 하는 본 연구에 유기용매의 사용은 적절하지 않으며, 에폭시 수지인 경우 그 용해도가 매우 떨어지므로 적절한 용매를 찾기도 어렵고 녹인 후의 수지 용액의 처리가 어렵다는 부작용도 가지고 있으므로 수지의 용해는 적절치 않다고 판단된다. 진한 황산을 사용하는 경우 위험하다는 점 외에 저급황산의 경우 검게 변하는 성질로 인해 작업환경 및 외관상 추천할 만하지 않다.
후속연구
더 나아가 FRP의 층간 분리 공정을 자동화하기위한 과정에 HF 용액과 염료를 사용하기 위해서는 HF 용액에 담그는 적절한 시간에 대해 알아볼 필요가 있다. HF 용액에 30초, 1분, 5분, 10분을 처리한 후 염료를 도포하여 확인한 결과 Fig.
보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빙층을 구별할 수 있을 것이다.
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