중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 친 환경적이면서도 경제적 재활용의 장점을 가지고 있다. 그러나 효율적으로 로빙층과 매트층을 분리하는 기술과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 층간의 차이를 인식하는 방법은 아직 개발이 이루지지 않고 있다. 본 연구에서는 유리의 구성비가 다른 두 층의 화학적 성질의 차를 이용하여 광학적으로 층간 인식이 가능한 방법을 모색하였다. FRP에 대해 수지를 녹이는 진한 황산, 또는 유리를 녹이는 염기성 용액(KOH의 메탄올과 아이소프로판올 용액), 유리의 $SiO_2$와 반응하는 플루오르산(HF) 용액 등을 활용하여 두 층간의 차별화가 일어났다. 더 효율적으로는 HF 용액으로 처리한 후 수용성 물감으로 착색시킴으로써 광학적인 분별이 가능하였다. 층간 분별과 자동화된 층분리로 폐 FRP의 분리 공정이 단순화, 자동화를 달성하게 되었다.
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 친 환경적이면서도 경제적 재활용의 장점을 가지고 있다. 그러나 효율적으로 로빙층과 매트층을 분리하는 기술과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 층간의 차이를 인식하는 방법은 아직 개발이 이루지지 않고 있다. 본 연구에서는 유리의 구성비가 다른 두 층의 화학적 성질의 차를 이용하여 광학적으로 층간 인식이 가능한 방법을 모색하였다. FRP에 대해 수지를 녹이는 진한 황산, 또는 유리를 녹이는 염기성 용액(KOH의 메탄올과 아이소프로판올 용액), 유리의 $SiO_2$와 반응하는 플루오르산(HF) 용액 등을 활용하여 두 층간의 차별화가 일어났다. 더 효율적으로는 HF 용액으로 처리한 후 수용성 물감으로 착색시킴으로써 광학적인 분별이 가능하였다. 층간 분별과 자동화된 층분리로 폐 FRP의 분리 공정이 단순화, 자동화를 달성하게 되었다.
As one of the methods for recycling the FRP from the waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the eco-friendly and economical recycling process. Similar characteristics, however, between the roving and the mat even with different ratio of the resin and the g...
As one of the methods for recycling the FRP from the waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the eco-friendly and economical recycling process. 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 boiling concentrated sulfuric acid, methanol and isopropanol solution saturated with KOH, or hydrogen fluoride (HF) solution. Furthermore efficiently coloring water-soluble dye following the HF treatment makes the roving layer more distinguishable photophysically. The layer differentiation and the automatic layer distraction move up the date of simple and automatic separation process for the waste FRP.
As one of the methods for recycling the FRP from the waste ships, separation of roving layer from the mat has some merits in a sense of the eco-friendly and economical recycling process. 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 boiling concentrated sulfuric acid, methanol and isopropanol solution saturated with KOH, or hydrogen fluoride (HF) solution. Furthermore efficiently coloring water-soluble dye following the HF treatment makes the roving layer more distinguishable photophysically. The layer differentiation and the automatic layer distraction move up the date of simple and automatic separation process for the waste FRP.
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문제 정의
본 연구진은 환경적인 문제나 에너지 소비적인 면을 고려하고 재활용 가능성을 고려하여 FRP를 분리하고자 하였다(윤구영 등[2007], 김용섭 등[2010]). FRP의 형태적인 특성을 이용하여 층간을 분리하여 유리섬유가 70% 이상인 로빙층과 수지가 대부분인 매트층을 얻는 방법에 대해 연구하였다. 또한 폐 FRP를 활용하여 콘크리트 섬유강화제를 경제적으로 제조할 수 있는 장치를 개발하였으며 이 장치를 사용하여 만들어진 재활용 섬유강화제는 현재 수입 사용되는 고가의 섬유강화제와 유사한 수준의 우수한 기계적 및 화학적 물성을 갖는 것을 확인하였다(김상현[2002], 박종원 등[2009]).
HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 섬유의 밀도를 비교하여 로빈층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 로빈층을 인식하게하기 위해 염료를 사용하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 섬유를 착색하였다.
따라서 본 연구진에 의해 개발된 폐 FRP를 활용한 섬유강화제 제조기술은 고가의 섬유강화제에 대한 수입대체효과를 통한 경제적 중요성 뿐 아니라 환경문제의 해결과 동시에 고부가가치 폐기물을 재자원화라는 산업적 중요성을 동시에 확보하는 기술이라 할 수 있다. 본 연구는 일련의 과정 중 공정의 단순화와 자동화를 꾀하는 과정에서 두 층을 보다 정확하고도 신속하게 인식할 수 있는 광학적 방법의 실용화를 위한 목적을 가지고 있다.
본 연구에서는 폐 선박의 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상 분리를 추진하는 과정에서 발생하는 기계적 정확성과 효율성 및 자동화 시스템 구현을 위한 일환으로 매트층과 로빙층의 구별화에 대한 광과학적 메카니즘의 실행을 연구하였다. 특히 유리섬유와 수지의 화학적 차이점을 응용 하여 광과학적으로 층간분리를 실행 할 수 있는 FRP 섬유 추출공정을 개발하였다.
본 연구의 결과는 재활용 섬유강화제를 고강도 콘크리트 제품에 활용하기 위한 실용화 기술로서 기존의 고강도 콘크리트에 비해 우수한 성능을 갖는 폐 FRP 재활용섬유 강화 콘크리트(RecycledFiber Reinforced Concrete, 이하 RFRC)의 실용화가 궁극적 목표이다. 일반 섬유 강화 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete, 이하 RFC)는 성능의 우수성으로써 고강도 섬유의 사용에 따른 비용증가로 인한 경제성의 문제가 기술 발전의 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
유지성분을 얻어내는 방법도 유리 성분의 분리와 에너지 효율의 문제를 가지며, 용매를 이용한 수지의 재활용 문제는 유기용매로 인한 새로운 환경문제를 야기하므로 적절하지 못하고, 초임계 상태의 물을 이용하는 경우는 고압과 고온(380 ℃)를 유지해야하는 단점이 있다. 본 연구진은 환경적인 문제나 에너지 소비적인 면을 고려하고 재활용 가능성을 고려하여 FRP를 분리하고자 하였다(윤구영 등[2007], 김용섭 등[2010]). FRP의 형태적인 특성을 이용하여 층간을 분리하여 유리섬유가 70% 이상인 로빙층과 수지가 대부분인 매트층을 얻는 방법에 대해 연구하였다.
제안 방법
폐 FRP에서 얻은 로빈층(roving cloth)을 1줄과 3줄의 단위로 재단하였다. 1줄의 FRP 섬유를 만드는 과정에서 작은 조각으로 떨어지는 수지 덩어리가 발생하며, 이로 인해 수지가 입혀지지 않은 FRP 섬유, 즉 유리 섬유 가닥이 그대로 알칼리 용액에 노출되는 경우 강도가 저하될 것을 고려하여 3줄 단위의 FRP 섬유도 제작하였다. 3줄의 FRP 섬유는 유리 섬유의 꼬임이 그대로 살아남을 확률이 높아 인장 강도의 변화가 그리 크지 않을 것으로 기대하였다.
각 샘플은 예정된 시간에 염기성 용액에서 꺼내어 증류수로 세척하여 공기 중에서 24시간 이상 건조시킨 후, 두 장의 아크릴판(두께 1 mm, 2.5 cm×2.5 cm)에 고정시켜 만능재료시험기(SGAC-LPC)로 인장강도를 측정하였다.
기존의 주축칼날(로빙층분리용)의 위치 선정시 작업자의 시각적 판단에만 의지함으로서 절단 공정의 비효율성(정확성 및 공정효율 등)의 발생이 자주 일어나고 있어 로빈층의 염색과 비전장치를 통한 면포추출장치를 제작하였다.
또한, 폐 FRP에서 얻은 1줄과 3줄의 FRP 섬유를 수지로 한 번 더 입혀 내알칼리성의 향상 정도를 실험하였다.
HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 섬유의 밀도를 비교하여 로빈층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 로빈층을 인식하게하기 위해 염료를 사용하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 섬유를 착색하였다. 수용성 녹색 염료의 용액을 HF로 처리한 면에 붓으로 두 번 도포한 결과 Fig.
3의 알칼리 용액을 준비한다. 알칼리 용액에 FRP 섬유(10 cm)를 1일, 3일, 7일, 14일, 30일, 60일 동안 담근 후 인장강도의 변화를 살폈다. 어떤 용액으로도 처리하지 않은 FRP 섬유와 증류수에 담근 후 1일, 3일, 7일, 14일, 28일, 60일이 경과한 후의 인장강도도 측정하였다.
알칼리 용액에 FRP 섬유(10 cm)를 1일, 3일, 7일, 14일, 30일, 60일 동안 담근 후 인장강도의 변화를 살폈다. 어떤 용액으로도 처리하지 않은 FRP 섬유와 증류수에 담근 후 1일, 3일, 7일, 14일, 28일, 60일이 경과한 후의 인장강도도 측정하였다. 각 샘플은 예정된 시간에 염기성 용액에서 꺼내어 증류수로 세척하여 공기 중에서 24시간 이상 건조시킨 후, 두 장의 아크릴판(두께 1 mm, 2.
증류수와 염기성용액에 담근 시편을 1일, 3일, 7일, 14일, 28일, 60일 경과 할 때마다 각각 10개씩 꺼내어 24시간동안 자연건조 시킨 후 아크릴판(25×25 mm)으로 양쪽을 고정하여 인장강도실험을 한다.
본 연구에서는 폐 선박의 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상 분리를 추진하는 과정에서 발생하는 기계적 정확성과 효율성 및 자동화 시스템 구현을 위한 일환으로 매트층과 로빙층의 구별화에 대한 광과학적 메카니즘의 실행을 연구하였다. 특히 유리섬유와 수지의 화학적 차이점을 응용 하여 광과학적으로 층간분리를 실행 할 수 있는 FRP 섬유 추출공정을 개발하였다. 또 새로운 방법으로 인하여 보다 우수한(RFRC 성능) F섬유를 생산할 수 있게 되었으며 이는 폐FRP재활용의 활용성을 크게하여 경제성 또한 높여 줄 것이다.
폐 FRP에서 얻은 로빈층(roving cloth)을 1줄과 3줄의 단위로 재단하였다. 1줄의 FRP 섬유를 만드는 과정에서 작은 조각으로 떨어지는 수지 덩어리가 발생하며, 이로 인해 수지가 입혀지지 않은 FRP 섬유, 즉 유리 섬유 가닥이 그대로 알칼리 용액에 노출되는 경우 강도가 저하될 것을 고려하여 3줄 단위의 FRP 섬유도 제작하였다.
폐FRP에서 추출되는 섬유강화제(F섬유)의 특성과 표면 수지함 유량과의 관계를 분석하기위하여 원형 상태로 추출된 유리섬유와 추가로 수지코팅이 이루어진 유리섬유(Fig. 2는 수지코팅후 개별벅으로 분리된 유리섬유)를 시편 제작하였다.
대상 데이터
NaOH(12.8 mM)와 KOH(27.6 mM) 용액을 제조하여 pH 13.3의 알칼리 용액을 준비한다. 알칼리 용액에 FRP 섬유(10 cm)를 1일, 3일, 7일, 14일, 30일, 60일 동안 담근 후 인장강도의 변화를 살폈다.
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.
보통 선박에 사용하는 수지는 섬유 강화플라스틱용 액상 불포화 폴리에스테르 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.
실험을 위하여 면포추출과정을 통하여 얻은 로빈층과 로빈층을 한줄로 절단한 유리섬유를 실험규격; 1줄 FRP 섬유(3×100×0.5mm), 3줄 FRP 섬유(16.5×100×0.5 mm) 형태로 준비한다(Fig. 3).
폐선박에서 박리한 평평한 FRP 로빈층(roving cloth)으로부터 1줄 FRP 섬유(3×100×0.5 mm)와 3줄 FRP 섬유(16.5×100×0.5mm) 시편을 만들어 실온(20 ℃)에서 증류수 용액(pH 7.0)과 알칼리 용액(pH 13.3)에 각각 36개씩 담근다.
데이터처리
각각 10개의 샘플을 사용하여 평균값을 얻은 후 평균값을 얻고 그 평균값의 ±10%의 오차 한계에 들어오는 데이터만을 가지고 다시 평균값을 얻었다.
성능/효과
HF로 처리하지 않은 FRP에 대해 수용성 염료를 그대로 사용한 경우는 염료의 착색이 이루어지지 않고 HF로 처리한 이후에만 착색이 잘 되는 것으로 보아, HF가 FRP 단면의 섬유에 대한 친수성을 보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빈층을 구별할 수 있을 것이다(이승희 등[2010]).
① FRP 섬유의 인장강도 감소 실험 결과에서 보듯이 시료의 면에 수지가 얼마나 부착되어 있느냐에 따라 강도의 감소율이 상당히 차이가 있으므로 섬유보강제의 생산 시 수지의 잔존량이 남을 수 있도록 분리하는 것이 바람직 할 것으로 보인다.
② 수지코팅 FRP섬유는 코팅하지 않은 FRP 섬유보다 인장강도 감소율이 약 20%정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 단순 파쇄공정을 통한 FRP섬유의 추출은 표면 수지층의 파단으로 유리섬유의 섬유강화제로서의 성능을 크게 약화시키는 결과를 초래한다.
③ 본 실험의 결과는 폐FRP의 로빈층은 파쇄공정 보다는 절단(층간분리)을 통한 방법이 향후 재활용 재료인 FRP섬유의 섬유강 화제로서의 활용 가능성의 핵심요소라는 것을 보여주고 있다.
로빈층의 유리섬유는 5분 이상의 시간 동안 HF 용액으로 처리하고 수용성 염료로 도포하면 매트층과 구별될 수 있으며 이 결과를 광학적 센서와 함께 자동화 공정에 이용할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 이 방법은 매우 간단한 공정이면서도 섬유가 주를 이루는 로빈층과 수지가 주를 이루는 매트층을 분리할 때 환경오염을 덜 발생시킬 것으로 예상된다.
면포염색장치를 활용하여 기존의 추출기에서 발생했던 면포층의 분리의 어려움이 크게 개선되었다. 면포층을 확인하고 파쇄물의 적층구조를 살펴 정해진 프로그램을 선택하고 입력하는 과정에서 보다 진보된 비전시스템을 활용할 수 있게 되었다.
수지코팅섬유의 실험 결과 14일 이후에 20% 정도의 강도 감소율을 보이고 있고, 재령 60일 이후 약 30%의 강도 감소율을 나타내었으며, 강도 감소율이 증가하지 않고 수렴하였다.
결과적으로 수지를 녹이기 위해 사용할 수 있는 방법은 많지 않으며, 유기용매 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 저급 황산의 경우 검게 변하는 성질로 인해 작업환경 및 외관상 추천할 만하지 않다.
후속연구
특히 유리섬유와 수지의 화학적 차이점을 응용 하여 광과학적으로 층간분리를 실행 할 수 있는 FRP 섬유 추출공정을 개발하였다. 또 새로운 방법으로 인하여 보다 우수한(RFRC 성능) F섬유를 생산할 수 있게 되었으며 이는 폐FRP재활용의 활용성을 크게하여 경제성 또한 높여 줄 것이다. 본 개발 장치의 특허는 출원(리더스큐엠[2009])되었으며 그기대효과는 다음과 같다,
현재 국내에서 사용하는 섬유강화제는 국내산과 일부 수입산을 함께 사용하고 있어 재활용 섬유재의 개발은 수입대체의 효과를 나타낼 수 있다. 또한 RFRC의 적용을 통한 철근콘크리트 부재의 구조적 성능의 개선은 철근량의 감소를 통해 국가 건설산업의 경쟁력 강화에도 기여할 것으로 기대된다.
보다 우수한 재활용 섬유를 사용한 섬유강화 콘크리트(RFRC)는 고인성으로 인해 구조물의 내진성능을 개선할 수 있어 내진설계 기술을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고, 내폭열성 고강도 RFRC의 실용화를 통하여 초고층 건축기술 향상에 크게 기여할 수도 있을 것으로 기대된다.
재활용 FRP섬유는 주로 건설재료로서 콘크리트에 혼합하여 사용함으로서 재활용하는 것이다. 본 연구결과로 보다 우수한 FRP 섬유가 생산된다면 폐FRP의 환경문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
일반 섬유 강화 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete, 이하 RFC)는 성능의 우수성으로써 고강도 섬유의 사용에 따른 비용증가로 인한 경제성의 문제가 기술 발전의 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 이에 반해 폐 FRP 재활용섬유 강화 콘크리트는 FRP 폐기물을 파쇄하여 분리해낸 섬유강화제를 사용함으로써 환경보호 뿐 아니라 경제성에서 있어서도 큰 경쟁력을 가지고 있어 실용화 연구를 통한 기술이 확보될 경우 국가경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법은 무엇인가?
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 친 환경적이면서도 경제적 재활용의 장점을 가지고 있다. 그러나 효율적으로 로빙층과 매트층을 분리하는 기술과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 층간의 차이를 인식하는 방법은 아직 개발이 이루지지 않고 있다.
폐 선박으로부터 발생하는 섬유 강화 플라스틱의 특징은?
폐 선박으로부터 발생하는 섬유 강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP)은 주로 유리섬유와 수지로 이루어져 있다. 이것은 복합재료로서 강도가 매우 커서 재활용하기 위해 분쇄하는 경우 많은 에너지를 소비해야 한다. 또한 분쇄 시 발생하는 분진은 환경오염을 야기할 수도 있다. 소각하여 열에너지로 얻는 경우(권영배 등[1992], 황택상 등[2000])는 수지가 소각되고 소각로에 잔존하게 되는 유리섬유 덩어리를 제거해야하는 번거로움이 따른다. FRP로부터 유지성분을 얻어내는 방법 (Amelia et al.
로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 층간의 차이를 인식하는 방법의 개발이 이루어지지 않고 있는 이유는?
중소형 폐 선박으로부터 생성되는 FRP를 재활용하기 위한 방법으로 층상으로 배열된 로빙층과 매트층을 분리하는 것은 친 환경적이면서도 경제적 재활용의 장점을 가지고 있다. 그러나 효율적으로 로빙층과 매트층을 분리하는 기술과 로빙층은 매트층에 비해 얇은 두께로 존재한다는 이유로 인해 로빙층을 매트층과 분리할 때 기계가 자동적으로 층간의 차이를 인식하는 방법은 아직 개발이 이루지지 않고 있다. 본 연구에서는 유리의 구성비가 다른 두 층의 화학적 성질의 차를 이용하여 광학적으로 층간 인식이 가능한 방법을 모색하였다.
황택상, 박진원, 이철호, 2000, "폐 FRP/석물 슬러지 충진 복합재의 제조 및 기계적 물성에 관한 연구", 포리머(Korea), 제 24권, 제 6호, 829.
Amelia T., De Marco I., Caballero B. M., Miguel A. C., 2000, "GC-MS analysis of the liquid products obtained in the pyrolysis of fiber glass polyester sheet moulding compound", J. Anal. Appl. Pyrolysis, Vol. 58-59, 189-203.
Kubota, S., Ito, O., Miyamoto, H., 1998, "Method of recycling cured unsaturated polyester resin waste", U.S. Patent 5,776,989.
Tufts, A. T., Tsai, C.-C., Hupp, S. S., 1995, "Glycolysis of cured unsaturated polyesters for producing a recycle reactant", U.S. Patent 5,420,166.
Tsutomu, S., Shoji, N., Katsuto, O. and Takeshi, S., 2001, "Supercritical fluid in polymer science and technology. I. Decomposition of fiber reinforced plastics using fluid at high Temperature and pressure", Japanese J. Poly. Sci. Tech., Vol 58, No. 10, 557-563.
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