[논문]폐(廢)LCD에서 회수(回收)된 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)의 인장강도(引張强度)와 연신율(延伸率)에 미치는 PE(Polyethylene)와 유리섬유(纖維)(Glass Fiber) 첨가효과(添加效果)

이성규; 조성수; 이수영; 박재량; 홍명환; 홍현선

doi:10.7844/kirr.2013.22.3.50

초록
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폐 디스플레이에서 발생하는 플라스틱을 재활용하여 실용적이고 경제성 있는 재생복합소재의 개발에 기여할 목적으로 ABS/PE(50/50과 20/80), ABS/GF (90/10) 복합 소재의 조성이 연신율에 미치는 효과를 연구하였다. PE 함량을 50%에서 80%로 증가시킨 폐플라스틱 재생복합소재의 인장시험 결과 전반적으로 연신율이 2.4%에서 13%로 증가하는 것이 관찰되었으나 유리섬유 첨가 시 인장강도와 연신율 모두 현저하게 감소하였다. 이러한 사실에 비추어 볼 때 PE의 함량에 따라 인장강도 등 다양한 기계적 특성의 조절이 가능함을 알 수 있었고 무엇보다도 플라스틱 사출성형에 투입되는 재생복합소재의 특성 중 아주 중요한 연신율을 향상시키는데 PE의 효과가 현저함을 알 수 있었다. 이는 ABS 자체의 우세한 비정질성이 결정성을 띈 PE의 첨가로 인해서 광범위하게 결정화된 결과 폐플라스틱 입자들 사이의 전단 응력이 감소하기 때문인 것으로 간주된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recycled plastic composites of ABS/PE (50/50 and 20/80) and ABS/GF (90/10) were fabricated from plastic components of waste LCDs and effects of PE composition on elongation of ABS/PE composites were investigated. Increased PE contents improved elongation of the composite from 2.4% to 13%, which was ...

Recycled plastic composites of ABS/PE (50/50 and 20/80) and ABS/GF (90/10) were fabricated from plastic components of waste LCDs and effects of PE composition on elongation of ABS/PE composites were investigated. Increased PE contents improved elongation of the composite from 2.4% to 13%, which was attributed to increased crystalline behavior of the ABS/PE composite afforded by ductile PE fraction: SEM fractographs showed some sign of plastic deformation of PE matrix before ductile fracture of the composites.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 때 소각 비용도 2004년 기준 20만원/톤에 이르고 이에 수반되는 환경오염도 심각한 상황이다^10,13). 그러므로 본 연구에서는 폐폴리에틸렌과 매년 누적되는 폐LCD로부터 발생하는 ABS소재의 재활용률을 증대시키기 위하여 실용적이고 경제성 있는 재생복합소재 및 응용 제품의 개발에 기여할 목적으로 ABS와 PE를 혼합한 복합소재를 ASTM D638규격의 시험편으로 제조하여 인장강도와 연신율을 측정하고 PE의 함량이 연신율의 변화에 미치는 효과에 대하여 기술하였다.
본 연구는 폐 LCD에 함유되어 있는 플라스틱을 재활용하여 실용적이고 경제성 있는 재생복합소재 및 응용 제품의 개발에 기여할 목적으로 환경부의 지원을 받아 고등기술연구원이 수행하여 ABS에 PE를 혼합한 폐플라스틱 소재의 기계적 특성 측정 및 첨가제의 효과를 알아보았다.

제안 방법

ABS, PE 폐플라스틱 원료와 유리섬유를 50 : 50, 20:80의 % 무게비로 혼합하였고 이는 통상적인 밀폐식 혼합기를 이용하여 상온에서 분말상태의 혼합체를 교반하여 이루어졌다. 이렇게 혼합된 복합소재를 Fig.
기계적 특성 시험 결과를 해석하는데 참고할 수 있도록 Table 3에 1 ~ 4 cm²의 불규칙한 크기와 형상으로 파쇄 된 각각의 폐플라스틱 단일소재의 원소분석(Ultimate Analysis)과 공업분석(Proximate Analysis) 결과를 나타내었다. Table 3은 J. Othman et al.¹⁴⁾의 결과를 인용한 것인데 이의 분석 내용과 방법을 상술하면 공업분석은 ASTM D3172 규격에 준하여 고분자 복합체의 네 가지 성분인 수분 (moisture), 휘발성분 (volatile), fixed carbon/char, ash/mineral로 분리하여 각 성분의 무게 백분율을 나타내었고 원소분석은 D5373 (H, C, N), D4239 (S), D3176 (O), D3174 (ash) 규격에 준하여 C, H, O, N, S의 원소 성분을 몰 %로 나타낸 것으로 Flash 2000 Organic (CHNS-O) Elemental Analyzer를 이용하여 실시하였다. 원소분석 결과를 보면 폐플라스틱 단일 소재의 종류와 관계없이 탄소성분이 공통적으로 70%이상 검출되었는데 이는 공업 분석 결과 검출된 96%이상의 휘발 성분의 함량 수치와 결부시킬 수 있겠다.
각 시험 조건별로 소요되는 5개의 시편을 2.1절에 기술한 방법대로 제작하여 인장강도와 연신율을 측정하였고 이렇게 측정된 5개의 값 중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편의 평균값을 취하였다. 이러한 물성시험의 측정은 인장, 압축, 굴곡 (굽힘 응력), 전단시험 등을 수행할 수 있는 UTM (Universal Testing Machine, WL2100)을 이용하여 실시하였다.
연구에서 사용된 폐플라스틱은 1 ~ 4 cm²의 불규칙한 크기와 형상으로 파쇄 된 형태이며 소재 종류별 기초물성을 측정하여 해석하기 위한 보충 자료를 얻을 목적으로 원소의 성분분석 (ultimate analysis)과 공업분석 (proximate analysis)을 실시하였고 그 결과는 Table 3에 나타내었다. 전반적인 실험 방법과 절차는 참고문헌 9에 기술된 내용과 유사하다.
이렇게 얻은 시편들을 Bal-Tec Sputter Coater에 넣고 백금 코팅을 실시하여 파단면 분석에 필요한 SEM 사진을 × 120과 × 250에서 촬영하였다.
ABS, PE 폐플라스틱 원료와 유리섬유를 50 : 50, 20:80의 % 무게비로 혼합하였고 이는 통상적인 밀폐식 혼합기를 이용하여 상온에서 분말상태의 혼합체를 교반하여 이루어졌다. 이렇게 혼합된 복합소재를 Fig. 1의 표준시편 제작기 내에 넣고 220℃로 가열한 다음 약 3분간 혼합 후 15톤의 압력을 약 2.5분 가하여 ASTM D638 규격에 의거한 인장강도와 연신율 측정용 시편을 Fig. 2와 같은 치수로 제작하였다.
이러한 물성시험의 측정은 인장, 압축, 굴곡 (굽힘 응력), 전단시험 등을 수행할 수 있는 UTM (Universal Testing Machine, WL2100)을 이용하여 실시하였다. 인장강도와 연신율은 상온에서 시편에 1000N 로드 셀을 장착한 후 크로스헤드 속도를 10 mm/min 으로 인장시키면서 측정하였다.

대상 데이터

Fig. 2의 인장 시편을 ABS/PE 복합소재 종류별 3개씩 액체 질소에 담근 후 꺼내자마자 수작업으로 파괴하여 2조각으로 한 다음 파단면을 오염시키지 않도록 세심한 주의를 기울이면서 SEM 체임버에 넣을 수 있는 사이즈로 재차 수작업으로 쪼개어 시편을 채취하였다. 이렇게 얻은 시편들을 Bal-Tec Sputter Coater에 넣고 백금 코팅을 실시하여 파단면 분석에 필요한 SEM 사진을 × 120과 × 250에서 촬영하였다.

이론/모형

1절에 기술한 방법대로 제작하여 인장강도와 연신율을 측정하였고 이렇게 측정된 5개의 값 중 최고, 최저치를 제외한 3개 시편의 평균값을 취하였다. 이러한 물성시험의 측정은 인장, 압축, 굴곡 (굽힘 응력), 전단시험 등을 수행할 수 있는 UTM (Universal Testing Machine, WL2100)을 이용하여 실시하였다. 인장강도와 연신율은 상온에서 시편에 1000N 로드 셀을 장착한 후 크로스헤드 속도를 10 mm/min 으로 인장시키면서 측정하였다.

성능/효과

결론적으로, 결정질 PE를 적절한 비율 혼합시켜서 폐플라스틱 재생복합소재를 제조 시 연신율 향상에 의한 시너지 효과를 기대한다면 향후 신재 플라스틱에 비해서 크게 뒤떨어지지 않는 기계적 특성을 보유하고 있는 폐플라스틱 재생복합소재를 제조할 수 있는 가능성을 확인하였다.
이는 ABS 자체의 우세한 비정질성이 결정성을 띈 PE의 첨가로 인해서 광범위하게 결정성을 띄게 된 결과 폐플라스틱 입자들 사이의 전단 응력이 감소하기 때문인 것으로 간주된다. 결론적으로, 결정질 PE를 적절한 비율 혼합시켜서 폐플라스틱 재생복합소재를 제조시 어느 정도의 시너지 효과를 기대할 수 있으므로 향후 신재 플라스틱에 비해서 크게 뒤떨어지지 않는 기계적 특성을 보유하고 있는 ABS/PE 폐플라스틱 재생복합소재를 제조할 수 있는 가능성을 확인하였다.
5에 나타내었다. 다른 한편으로 ABS소재의 인장강도를 증가시킬 목적으로 유리섬유 (glass fiber)를 10% 첨가시킨 복합소재의 인장강도는 감소하였고 연신율 또한 ABS신재에 비해서 현저하게 낮았다. 그러므로 파단면 분석은 ABS/PE 복합소재에 대해서만 실시하였고 그 결과를 Fig.
¹⁴⁾의 결과를 인용한 것인데 이의 분석 내용과 방법을 상술하면 공업분석은 ASTM D3172 규격에 준하여 고분자 복합체의 네 가지 성분인 수분 (moisture), 휘발성분 (volatile), fixed carbon/char, ash/mineral로 분리하여 각 성분의 무게 백분율을 나타내었고 원소분석은 D5373 (H, C, N), D4239 (S), D3176 (O), D3174 (ash) 규격에 준하여 C, H, O, N, S의 원소 성분을 몰 %로 나타낸 것으로 Flash 2000 Organic (CHNS-O) Elemental Analyzer를 이용하여 실시하였다. 원소분석 결과를 보면 폐플라스틱 단일 소재의 종류와 관계없이 탄소성분이 공통적으로 70%이상 검출되었는데 이는 공업 분석 결과 검출된 96%이상의 휘발 성분의 함량 수치와 결부시킬 수 있겠다.
첨가제를 넣지 않은 폐플라스틱의 단일 소재별 인장 강도는 ABS의 인장강도가 PE보다 높았으나 ABS/PE 폐플라스틱 복합소재의 인장시험 결과 전반적으로 인장 강도의 감소와 연신율의 증가가 관찰되었다. 이러한 사 실에 비추어 볼 때 PE의 함량에 따라 인장강도 등 다 양한 기계적 특성의 조절이 가능함을 알 수 있고 무엇 보다도 플라스틱 사출성형에 투입되는 재생복합소재의 특성 중 아주 중요한 연신율을 향상시키는데 PE의 효 과가 현저함을 알 수 있었다.
첨가제를 넣지 않은 폐플라스틱의 단일 소재별 인장 강도는 ABS의 인장강도가 PE보다 높았으나 ABS/PE 폐플라스틱 복합소재의 인장시험 결과 전반적으로 인장 강도의 감소와 연신율의 증가가 관찰되었다. 이러한 사 실에 비추어 볼 때 PE의 함량에 따라 인장강도 등 다 양한 기계적 특성의 조절이 가능함을 알 수 있고 무엇 보다도 플라스틱 사출성형에 투입되는 재생복합소재의 특성 중 아주 중요한 연신율을 향상시키는데 PE의 효 과가 현저함을 알 수 있었다.

후속연구

5(a)를 보면 파단면이 비교적 거칠고 일부상 분리도 관찰되고 있는데 이는 ABS와 PE 수지의 상호 불용성에 기인한다. 이상의 제반 관찰된 현상을 종합해 볼 때 ABS는 PE에 비해서 우수한 인장강도를 나타내었지만 낮은 연신율로 인해서 이에 준하는 용도에 사용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐플라스틱의 재활용 방법은 무엇이 있는가?	폐플라스틱의 재활용 방법으로는 크게 재료 재활용, 화학적 재활용 및 열적 재활용의 세 가지가 있다. 이중 재료 재활용은 플라스틱의 재활용 방법 중 가장 바람직한 것이기는 하지만 소량의 폐플라스틱을 수집하여 안정된 재생 원료를 확보하여야하며 종류가 다른 폐플라스틱이 혼합될 경우 물성 저하의 위험이 있으므로 단일 종류의 폐플라스틱으로의 분리가 필요하다3-5).
	재료 재활용은 플라스틱의 단점은 무엇인가?	폐플라스틱의 재활용 방법으로는 크게 재료 재활용, 화학적 재활용 및 열적 재활용의 세 가지가 있다. 이중 재료 재활용은 플라스틱의 재활용 방법 중 가장 바람직한 것이기는 하지만 소량의 폐플라스틱을 수집하여 안정된 재생 원료를 확보하여야하며 종류가 다른 폐플라스틱이 혼합될 경우 물성 저하의 위험이 있으므로 단일 종류의 폐플라스틱으로의 분리가 필요하다3-5). 이외에도 재료 재활용 시 고려하여야 할 중요한 사항으로는 반복되는 열화 (degradation)에 의한 품질저하에 대비하여야 한다는 것과 재활용 제품의 사용처가 있어서 안정한 수요와 시장이 확보되어야 한다는 것이다.
	폴리에틸렌 소각 비용은 얼마인가?	이러한 폐폴리에틸렌은 한국 환경공단에서 재활용 가능으로 분류된 것은 재활용 처리되고 있지만 종말 처리품으로 분류되어 소각되는 비율이 훨씬 더 많은 실정이다. 이 때 소각 비용도 2004년 기준 20만원/톤에 이르고 이에 수반되는 환경오염도 심각한 상황이다10,13). 그러므로 본 연구에서는 폐폴리에틸렌과 매년 누적되는 폐LCD로부터 발생하는 ABS소재의 재활용률을 증대시키기 위하여 실용적이고 경제성 있는 재생복합소재 및 응용 제품의 개발에 기여할 목적으로 ABS와 PE를 혼합한 복합소재를 ASTM D638규격의 시험편으로 제조하여 인장강도와 연신율을 측정하고 PE의 함량이 연신율의 변화에 미치는 효과에 대하여 기술하였다.

참고문헌 (14)

http://ec.europa.eu/environment/integration/research/newsalert/pdf/63na4.pdf
John Cryan, Keith Freegard, Liz Morrish, Nicola Myles, 2010: Demonstration of Flat Panel Display Recycling Technologies, WRAP (Waste & Resources Action Programme), Banbury, UK.
Al-Salem, S.M., Lettieri, P., Baeyens, J., 2009: Recycling and recovery routes of plastic solid waste (PSW): A review, Waste Manage., 29, pp. 2625-2643.

상세보기
Forteln , I., Mich lkov , D., Krulia, Z., 2004: An efficient method of material recycling of municipal plastic waste, Polymer Degradation and Stability, 85, pp. 975-979.

상세보기
Tarantili, P.A., Mitsakaki, A.N., Petoussi, M.A., 2010: Processing and properties of engineering plastics recycled from waste electrical and electronic equipment (WEEE), Polymer Degradation and Stability, 95, pp. 405-410.

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Baek, S.H., Chun, H.S., Park, C.H., Kim, B.G., Kim, H.S., 2008: Development of Electrostatic Separation Technique for Material Separation of ABS & PBT mixed plastic, J. of Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 45(3), pp. 249-256.
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Yarahmadi, N., Jakubowicz, I., Gevert, T., 2001: Effects of repeated extrusion on the properties and durability of rigid PVC scrap, Polymer Degradation and Stability, 73, pp. 93-99.

상세보기
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Chong, M. H., Chung, Y.-C., Chun, B. C., Cho, B. G., 2005: Injection moldable material utilizing shell waste and recycled polyethylene, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 14(3), pp. 55-62.
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Kim, I. K., 2004: The Effect on Mixed Ratio of Recycled Engineering plastic Resin on the Shrinkage in Molded Parts, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 13(3), pp. 43-49.
Kim, J., Lee, S., Kim, G.-h., Cho, S.-S., Hong, H. S., 2010: Effects of Polymer Additives on Mechanical Properties of Recycled Plastic Composites, J. of Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 47(5), pp. 653-659.
Othman, J. et al., 2008: Determination of Physical and Chemical Characteristics of Electronic Plastic Waste (Ep- Waste) Resin Using Proximate and Ultimate Analysis Method, International Conference on Construction and Building Technology ICCBT2008-D-(16), 169-180.

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