[논문]흡음재 폐기물의 재활용 방안

홍영호

doi:10.5762/kais.2013.14.6.3089

흡음재 폐기물의 재활용 방안
Recycling of Sound Insulation Headliner Waste Material 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.6, 2013년, pp.3089 - 3095

초록
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흡음재로 널리 사용되는 헤드라이너는 발포성 폴리우레탄(PU foam)과 유리섬유(Glass Fiber,GF) 로 구성된 복합재료로, 제품의 생산 공정을 거치는 동안 부산물 형태의 폐기물이 발생한다. 헤드라이너 폐기물에 대한 효과적인 재활용을 위해 헤드라이너 구성성분에 대한 분리공정이 중요한 문제점이다. 헤드라이너에 대한 열분석결과에 의하면 중량의 감량 비율은 $400^{\circ}C$까지의 온도범위에서는 발포성 폴리우레탄 > 비발포성 폴리우레탄 > 부직포 > 1st layer > 유리섬유의 순으로 감량이 증가하는 결과를 보이고 있다. HDPE, LLDPE, PP 그리고 Master Batch 에 첨가제 형태로 폐 스크랩 첨가하여 sheet를 제작한 후 DSC 특성을 분석한 결과 PP를 제외한 다른 물질들에서는 결정화에 따른 발열전이가 나타나지 않는 것을 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The headliner was made of polyurethane(PU) and glass fiber(GF) composite materials are widely used as a sound insulation material. A large amount of waste materials occurs as a by-product in the headliner manufacturing process. In order to efficiently reuse the headliner waste materials, separation process of the components are very necessary. According to the results of thermal analysis, weight loss showed increase in the order polyurethane foam> non-foaming polyurethane> non-woven fabric> 1st layer> glass fiber in the range of up to $400^{\circ}C$. Analysis of the DSC characteristics, HDPE, LLDPE, PP, and Master Batch by adding additives the wasted scrap. As a result, except for the PP, there was no exothermic transition due to the crystallization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

헤드라이너 폐 스크랩은 다층 구조를 지닌 복합재료이므로 재활용을 위하여 적절한 형태의 분쇄공정이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 분쇄에 따른 특성을 확인하여 향후 재활용 공정에서 분쇄 공정을 선택하기 위한 연구를 실시하였다.
본 연구의 대상인 다층으로 구성된 복합성 재료의 재활용 공정에서 가장 중요한 문제는 각 구성성분의 분리성이라고 할 수 있다. 따라서 현재 제조된 제품의 각성분별 분리성에 대한 진단을 통하여 분리특성에 대한 평가와 각 구성성분간의 상용성과 같은 화학적인 문제에 대한 접근을 통하여 재활용에 관한 기초적인 연구를 실시하였다.
이를 고려하여 이번 연구에서는 폐 스크랩을 기존의 소각 처리가 아닌 자원으로 재활용을 위한 기초 연구로 진행되었다.
유기성 수지를 바탕물질로 하여 재활용 하는 공정에서 기초적으로 모재(Matrix)성분과 첨가물간의 상용성 및 용융특성 그리고 시편제작에서의 혼합특성과 같은 몇 가지 기초 물성분석이 요구되어 진다. 이를 위해 본 연구에서는 시편 제조시 혼합특성 및 용융특성에 대한 검토를 우선적으로 진행 하였다.
폐 스크랩의 재활용을 위한 전처리는 경제적인 측면에서 본다면 전처리 공정을 최소화 하는 것이 가장 좋은 방법으로 현재 스크랩의 기초 물성을 크게 벗어나지 않는 범위에 전처리를 진행 하고자 한다.
헤드라이너 폐 스크랩의 주성분이 유기성 물질이므로 이것을 제품 제조공정에서 첨가물로 활용하기 위한 방안에 대한 연구를 위해 폐 스크랩을 제품의 제작에서 첨가제 또는 신재와 혼합하여 제품의 제조에 활용 하는 방안에 대하여 검토를 진행 하였다.

제안 방법

HDPE, LLPDE, PP에 폐 스크랩을 질량비로 10% 정도 첨가하여 200℃에서 가압 용융 하였을 때 혼합 정도에 따른 특성을 확인 하였다. 이를 위하여 HOT PRESS를 사용하여 시편을 제작하여 그 결과는 Fig.
TGA(TA Instruments TGA 2050)를 이용하여 시료를 가열할 때, 온도 변화에 따른 시료의 무게변화를 측정하여 열분해등과 같은 특성분석을 통하여 열적거동분석을 실시하였다.
각 구성성분에 대한 물리적인 특성파악을 위하여 다층 구조를 지닌 헤드라이너의 구성성분별 분리 특성을 검토하기 위하여 각 구성성분별 분쇄전후의 열적 거동을 확인 하였다. Fig.
기초적인 전처리로 분쇄를 통한 분급 효율을 향상시키기 위해 볼밀을 이용한 분쇄 와 회전식 커팅기를 이용한 커팅을 이용하여 분쇄효율을 비교하였다. 볼밀을 사용하여 분쇄 하는 경우 스크랩에 부착되어 있는 필름 층은 분리되나, 전체적인 분쇄 효율은 극히 저조하다고 할 수 있다.
이러한 조성비를 지닌 헤드라이너 스크랩에 대한 상용성 및 용해 특성에 대한 분석을 실시하여 조성별 분리특성을 활용한 재활용 방안에 대한 검토를 진행 하였다. 연구 수행시 폐스크랩을 수지에 블렌딩한 조건은 3%, 7%, 9%, 10%, 14%, 17%, 24% 로 폐스크랩의 첨가율이 증가할수록 혼합특성이 저하되는데, 본 연구에서는 폐스크랩을 재가공하지 않고 단지 분쇄 처리하여 수지에 블렌딩하여 재활용 하는 방법에 관한 기초 연구이므로 본 연구 목적에 부합하기 위해 비교적 혼합특성이 저하되기 시작하는 조건인 첨가율 10%를 기준으로 하여 재활용 특성을 분석 하였다.
유기성 물질에 첨가제 형태로 폐 스크랩 분쇄물을 재활용하기 위하여 다양한 형태의 레진에 폐 스크랩 분쇄물을 혼합하여 물성을 분석 하였다. 각 수지별로 스크랩의 혼합비율에 따른 Maximum Stress 를 분석한 결과에 의하면 PP가 가장 높은 값을 보이고 있으며, Master Batch가 가장 낮은 값을 보이고 있다.
유기성 물질에 폐 스크랩을 첨가제 형태로 재활용하기 위한 방안에 대한 일환으로 제조된 시편에 대한 특성 분석을 위하여 유기성 Matrix에 폐스크랩이 첨가된 시편에 대해 DSC 특성 분석을 실시하였다.
이러한 조성비를 지닌 헤드라이너 스크랩에 대한 상용성 및 용해 특성에 대한 분석을 실시하여 조성별 분리특성을 활용한 재활용 방안에 대한 검토를 진행 하였다. 연구 수행시 폐스크랩을 수지에 블렌딩한 조건은 3%, 7%, 9%, 10%, 14%, 17%, 24% 로 폐스크랩의 첨가율이 증가할수록 혼합특성이 저하되는데, 본 연구에서는 폐스크랩을 재가공하지 않고 단지 분쇄 처리하여 수지에 블렌딩하여 재활용 하는 방법에 관한 기초 연구이므로 본 연구 목적에 부합하기 위해 비교적 혼합특성이 저하되기 시작하는 조건인 첨가율 10%를 기준으로 하여 재활용 특성을 분석 하였다.
헤드라이너 폐 스크랩을 유기물과 혼합하여 재활용하기 위하여 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 그리고 폴리프로필렌(PP)과 블렌딩 하여 폐 스크랩의 혼합에 따른 평가를 위하여 만능재료시험기(UTM, Instron 4466)를 이용하여 strength, modulus, 그리고 toughness 등의 물성분석을 실시하였다.
헤드라이너 폐 스크랩을 유기물과 혼합하여 재활용하기 위한 기초 연구로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 그리고 폴리프로필렌(PP)와 블렌딩하여 폐스크랩의 혼합 비율에 따른 혼합 정도에 대한 실험을 실시하였다.
헤드라이너의 주 구성 성분인 발포성 폴리우레탄의 분쇄전과 분쇄후의 특성 분석을 위하여 헤드라이너에서 폴리우레탄 성분을 분리하여 1차 절단 한 후에 폴리우레탄 (PU) 성분을 분리하여 2차 분쇄 하여 TGA 분석을 실시하여 그 결과를 Fig. 2 에 나타내었다. 분쇄한 발포성 폴리 우레탄 분쇄물은 체분석을 통하여 평균 입도 크기가 0.
흡음재의 재활용을 위하여 기초물성 분석을 열적 특성과 구성 성분에 대한 분석을 중심으로 하여 TGA 분석과 DSC 분석을 실시하였다. 재활용 특성이 구성성분의 열적인 특성에 많이 좌우된다고 할 수 있으므로 열적 특성에 관한 분석을 주로 실시하였다.
흡음재의 제조 공정에서 발생하는 폐스크랩을 재활용하기 위한 연구로 폐스크랩에 대한 기초 물성분석을 실시하고, 폐스크랩을 분쇄하여 PP, HDPE, LLDPE, 등과 혼합하여 재활용 가능성에 대한 검토를 위해 물성 분석을 실시하여 다음과 같은 몇 가지 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

2 에 나타내었다. 분쇄한 발포성 폴리 우레탄 분쇄물은 체분석을 통하여 평균 입도 크기가 0.61mm이하의 것을 실험에 사용하였다.

성능/효과

(1) 열분석결과에 의하면 헤드라이너의 주 구성성분인 폴리우레탄, 부직포 그리고 유리섬유를 비교한 결과 온도에 따른 중량의 감량 비율은 400℃까지의 온도범위에서는 발포성 폴리우레탄> 비발포성 폴리우레탄> 부직포 > 1st layer > 유리섬유의 순으로 감량이 증가하는 결과를 보이고 있다.
(2) HDPE, LLDPE, PP 등에 폐 스크랩을 첨가하여 sheet를 제작한 후에 resin의 종류에 따른 DSC 특성을 분석한 결과 폐스크랩이 혼합된 경우 PP를 제외한 다른 물질들에서는 결정화에 따른 발열 전이가 나타나지 않았다.
(3) HDPE, LLDPE, PP 그리고 Master Batch에 폐 스크랩 분쇄물을 혼합하여 Maximum Stress, modulus, toughness 등을 분석한 결과 PP 계열의 resin에 혼합하는 경우 신재와 물성치가 크게 변화하지 않는 것을 확인 하였다.
TGA 분석결과에 의하면 96℃부근에서 1차 열분해가 시작되어 195℃까지 약 45%의 질량 변화가 보이며, 이후 330℃까지는 약 46%의 질량의 변화를 보이고 있다. 이러한 결과에 의하면 헤드라이너는 200℃부근에서 유기성 물질에 대한 1차 열분해가 종결되며, 330℃ 부근에서 2차 열분해가 종결되어 진다고 할 수 있다.
유기성 물질에 첨가제 형태로 폐 스크랩 분쇄물을 재활용하기 위하여 다양한 형태의 레진에 폐 스크랩 분쇄물을 혼합하여 물성을 분석 하였다. 각 수지별로 스크랩의 혼합비율에 따른 Maximum Stress 를 분석한 결과에 의하면 PP가 가장 높은 값을 보이고 있으며, Master Batch가 가장 낮은 값을 보이고 있다.
10 에 나타내었다. 실험 결과에 의하면 HDPE가 가장 낮은 값을 보이며, PP가 가장 높은 값을 보이고 있다.
헤드라이너의 1st layer의 분쇄전후의 열적 특성을 살펴본 결과에 의하면 400℃ 까지는 분쇄 전 성분의 중량 감소율이 10.0% 이고, 분쇄 후 성분의 중량 감소율이 8.1% 정도로 그리 큰 차이를 보이고 있지 않았다.

후속연구

폐스크랩을 분쇄하여 이를 Matrix에 혼합하여 열 용융 형태로 시편을 제조한 결과에 의하면 폐스크랩의 함유량이 10% 정도의 경우에는 기재내에 충분한 혼합이 이루어지지 않는 것으로 볼 수 있다. 이러한 결과에 의하면 향후 고분자 수지에 첨가재로 활용할 경우에는 혼합특성에 대한 특성 분석을 행한 후에 재활용 방안에 대한 검토를 진행 하여야 할 것이다. 이러한 혼합특성은 모재에도 영향을 받아 그림에서 보는바와 같이 HDPE와 Master Batch의 경우에는 혼합특성이 차이를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헤드라이너 생산 공정에서 발생되는 폐기물의 발생량의 저감을 위해 어떤 연구들이 진행되었나?	관련 연구로는 단열재로 사용된 폐 우레탄을 이용한 흡음재의 제작에 관한 연구와 자동차 내장재의 새로운 재질에 관한 연구를 통하여 다양한 형태의 재질로 내장재를 개발하기 위한 연구가 진행되기도 하였다[6,7]. 또한 최근에는 제품의 설계 단계에서 재사용성을 고려한 기술의 개발이 진행되기도 하였으며[8], 자동차에 사용되는 내장재 전반적인 분야에 대한 재활용 기술에 관한 연구가 진행되기도 하였다[9].
	차량용 흡음재로 널리 사용되고 있는 헤드라이너의 주 성분은 무엇인가?	정숙성을 확보하기 위하여 사용되는 흡음재는 소음의 저감 및 연비의 향상을 위하여 흡음 율의 향상과 경량화라는 2가지 요구 조건을 만족할 수 있는 재료로 개발되고 있다. 이러한 여러 가지 특성들이 고려되어 발포성 폴리우레탄(PU form)과 유리섬유를 주성 분으로 하는 복합형태의 유기성 재료로 만들어진 헤드라이너(Headliner)가 차량용 흡음재로 널리 사용되고 있다[1].
	다층으로 구성된 복합성 재료의 재활용 공정에서 가장 중요한 문제는 무엇인가?	본 연구의 대상인 다층으로 구성된 복합성 재료의 재활용 공정에서 가장 중요한 문제는 각 구성성분의 분리성이라고 할 수 있다. 따라서 현재 제조된 제품의 각성분별 분리성에 대한 진단을 통하여 분리특성에 대한 평가와 각 구성성분간의 상용성과 같은 화학적인 문제에 대한 접근을 통하여 재활용에 관한 기초적인 연구를 실시하였다.

참고문헌 (9)

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Y. H. Lee, B. K. Kang, H. J. Yoo, J. S. Kim, Y. J. Jung, D. J. Lee, and H. D. Kim, "Preparation and Properties of EPDM/Thermoplastics Polyurethane Scrap Blends", Clean Technology, Vol. 15(3), pp. 172-179, 2009.
N. B. Powell, "The Development of New Materials in Automotive Interiors", Journal of Textile and Apparel, Technology and Management, Vol. 3(4), pp. 1-19, 2004.
D. V. Parikh, Y. Chen, and L. Sun, "Reducing Automotive Interior Noise with Natural Fiber Nonwoven Floor Covering Systems", Textile Research Journal, Vol. 76(11), pp. 813-820, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1177/0040517506063393

상세보기
A. A. Lashlem, D. A. Wahab, S. A. Abdullah and C. H. C. Haron, "Design Assessment for Reusability of an Automotive Safety Beam", Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol. 5(11), pp. 167-175, 2011.
K. Fukumori, M. Matsushita, "Material Recycling Technology of Crosslinked Rubber Waste", R & D Review of Toyota CRDL, Vol. 38(1), pp. 39-47, 2003.

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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