자동차 산업의 발달과 함께 환경오염 문제가 심각해지면서 연간 300,000톤 이상 발생하는 폐타이어의 재활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 폐타이어 재활용을 목적으로 40, 80, 140 mesh 크기의 폐타이어 분말을 선별한 후, 입도 분석을 통하여 크기를 확인하고 그 형상을 SEM을 통해 관찰하였다. 또한 각각의 폐타이어 분말을 Virgin PP와 혼합하고 Intermeshing Corotating Twin Screw Extruder를 이용하여 TPV를 제조하고 특성 분석을 하였다. 이 중 효과가 좋은 140 mesh의 폐타이어 분말과 Virgin PP, Waste PP, PP-g-MA 세 가지 종류의 매트릭스를 다양한 비율로 혼합하여 TPV를 제조한 후 UTM을 통한 인장강도, 연신율과 Izod impact로 충격강도 등을 측정하였고 TGA로 열안정성을 확인하였다. 또한 SEM을 통하여 폐타이어 분말의 분산정도 및 파단면을 확인하였다.
자동차 산업의 발달과 함께 환경오염 문제가 심각해지면서 연간 300,000톤 이상 발생하는 폐타이어의 재활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 폐타이어 재활용을 목적으로 40, 80, 140 mesh 크기의 폐타이어 분말을 선별한 후, 입도 분석을 통하여 크기를 확인하고 그 형상을 SEM을 통해 관찰하였다. 또한 각각의 폐타이어 분말을 Virgin PP와 혼합하고 Intermeshing Corotating Twin Screw Extruder를 이용하여 TPV를 제조하고 특성 분석을 하였다. 이 중 효과가 좋은 140 mesh의 폐타이어 분말과 Virgin PP, Waste PP, PP-g-MA 세 가지 종류의 매트릭스를 다양한 비율로 혼합하여 TPV를 제조한 후 UTM을 통한 인장강도, 연신율과 Izod impact로 충격강도 등을 측정하였고 TGA로 열안정성을 확인하였다. 또한 SEM을 통하여 폐타이어 분말의 분산정도 및 파단면을 확인하였다.
300,000 tons of waste tires are annually being produced with development of the automotive industry in Korea. Landfill and incineration treatment system are causing the economic problem through secondary environmental pollution and waste. Therefore, as one of the ways to take advantage of this, Ther...
300,000 tons of waste tires are annually being produced with development of the automotive industry in Korea. Landfill and incineration treatment system are causing the economic problem through secondary environmental pollution and waste. Therefore, as one of the ways to take advantage of this, Thermo-Plastic Vulcanized (TPV) composite was prepared by the ground waste tire and plastic powders. The waste tire powder was gained by mechanical fracturing through crushers. The waste tire powder was ground by a shear crushing method and a 2-stage disk mill method instead of cutting crushing one. The waste tire powder of 50 mesh was mixed with Polypropylene(PP) in various proportions. TPVs were prepared by an extrusion, and tensile and impact tests were performed. In addition, the same experiments were repeated in 40, 80, 140 mesh conditions in order to observe size effect of waste tire powders.
300,000 tons of waste tires are annually being produced with development of the automotive industry in Korea. Landfill and incineration treatment system are causing the economic problem through secondary environmental pollution and waste. Therefore, as one of the ways to take advantage of this, Thermo-Plastic Vulcanized (TPV) composite was prepared by the ground waste tire and plastic powders. The waste tire powder was gained by mechanical fracturing through crushers. The waste tire powder was ground by a shear crushing method and a 2-stage disk mill method instead of cutting crushing one. The waste tire powder of 50 mesh was mixed with Polypropylene(PP) in various proportions. TPVs were prepared by an extrusion, and tensile and impact tests were performed. In addition, the same experiments were repeated in 40, 80, 140 mesh conditions in order to observe size effect of waste tire powders.
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문제 정의
이러한 TPV제품을 폐타이어고무와 폐플라스틱을 이용해 제조할 수 있다면, 폐자원을 활용해 환경오염을 줄일 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 폐타이어 고무분말의 크기와 함량 등의 조건으로 복합체를 제조해 물성변화를 알아보았다.
제안 방법
Scanning electron microscope(JSM-6380)을 통해 파단면을 관찰하여 WGRT의 분산 정도와 파괴양상을 관찰하였다.
WGRT와 PP Matrix로 제조한 복합체를 압출, 사출을 통해 시험시편을 제조하고 인장강도, 연신율, 충격강도를 측정하여 그 결과를 고찰하였다. Fig.
고무분말 40, 80, 140 mesh size(각 381 µm, 173 µm, 107 µm)를 고분자 Matrix polypropylene와 오븐에 24시간 동안 건조 후, 함량 별로 샘플을 제조하였다 압출기를 통하여 TPV 압출물을 만들고 이를 절단하여 펠렛을 제조하였다.
%로 고정하고 시편을 제조하였다. 또한 폐타이어 고무분말 함량에 따른 물성평가를 위해 각 Matrix별로 폐타이어 함량 10, 30, 50, 70 wt% 에 따른 물성평가를 진행하였다.
본 연구에서는 WGRT를 PP Matrix와 다양한 혼합비 조성으로 하여 TPV 복합체를 제조한 후 인장시험 및 판단시험을 통하여 그 물성평가를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
사용한 Lehigh Technology사의 WGRT의 입도를 확인하기 위해 Malvern Instruments GB/MASTER SIZER 2000으로 입도분석을 진행하였다.
고무분말 40, 80, 140 mesh size(각 381 µm, 173 µm, 107 µm)를 고분자 Matrix polypropylene와 오븐에 24시간 동안 건조 후, 함량 별로 샘플을 제조하였다 압출기를 통하여 TPV 압출물을 만들고 이를 절단하여 펠렛을 제조하였다. 압출이 완료된 TPV 펠렛을 건조 오븐에 24시간 동안 건조 후, 사출 공정을 통하여 인장시편과 충격시편을 제조하여 물성을 평가 하였다.
대상 데이터
Virgin Polypropylene(PP)은 Lotte Chemical 제품의 J150를 사용하였으며 Waste Polypropylene(WPP)은 재일플라스틱의 제품을 사용하였다. PP-g-MA는 Lotte Chemical의 CM-1120H제품을 사용하였다.
폐타이어 고무 분말(Waste Ground Rubber Tire Powder, WGRT)은 Lehigh Technology사에서 분쇄한 40 mesh (평균 입자크기 381µm), 80 mesh(평균 입자크기 173µm), 140 mesh(평균 입자크기 107 µm) 제품을 사용하였다. Virgin Polypropylene(PP)은 Lotte Chemical 제품의 J150를 사용하였으며 Waste Polypropylene(WPP)은 재일플라스틱의 제품을 사용하였다. PP-g-MA는 Lotte Chemical의 CM-1120H제품을 사용하였다.
Universal Test Machine(UTM, Instron5900)을 이용하여 ASTM D638 규격에 따라 인장강도, 연신율 값을 측정하였다. 또한 충격시험기를 이용하여 ASTM D256 규격에 따라 충격강도 값을 측정하였다.
Universal Test Machine(UTM, Instron5900)을 이용하여 ASTM D638 규격에 따라 인장강도, 연신율 값을 측정하였다. 또한 충격시험기를 이용하여 ASTM D256 규격에 따라 충격강도 값을 측정하였다.
성능/효과
1) WGRT Particle Size가 작을수록 Matrix에 대한 분산 정도가 좋아져서 우수한 물성을 얻을 수 있었다. 따라서 폐타이어를 분쇄하여 가능한 한 작은 크기의 분말 형태로 제조한다면 재활용 소재 물성에 직접적으로 좋은 영향을 줄 수 있을 것이라 판단된다.
2) 용도에 따라 적당한 혼합비를 선택하여 복합체를 제조하되, 너무 많은 양의 WGRT를 넣을 경우에는 Matrix의 결합력을 와해시켜서 소재에 균열이 쉽게 생길 수 있음을 확인하였다.
5(a)는 각각 WPP/WGRT, PP/WGRT, PP-gMA/WGRT의 WGRT 함량에 따른 인장강도를 나타낸 그래프이다. 그림에서 알 수 있듯이 모든 복합체에서 WGRT 함량이 증가할수록 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 PP Matrix안에서 WGRT가 결함으로 작용하여 PP 고분자 사슬간의 인력을 방해하고, 외부응력에 대한 응력 집중자로 작용하기 때문이다.
140 mesh의 경우 17 ~ 18kJ/m2정도로 가장 좋은 물성을 나타낸다. 따라서 이를 종합하여 WGRT 입자 크기에 따른 각 물성 값을 비교해 보았을 때, WGRT 분말의 입자 크기가 작아질 수록 인장강도와 연신율, 충격강도가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
3) MA(Maleic anhydride)기가 grafting된 PP-g-MA Matrix에서 높은 연신율을 얻었으며, 따라서 폐플라스틱의 표면에 적당한 코팅처리를 하면 좀 더 개선된 물성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
폐플라스틱의 재활용률은 유럽 등 선진국에 비해 현저히 낮은 수준이다.8) 따라서 폐타이어와 폐플라스틱을 동시에 직접 재활용이 가능할 경우 자원의 낭비와 경제적인 문제 해결에 큰 도움이 될 것이다. 따라서 국내에서는 폐타이어를 재활용하고자 하는 연구9-12)가 활발히 진행되어 왔다.
1) WGRT Particle Size가 작을수록 Matrix에 대한 분산 정도가 좋아져서 우수한 물성을 얻을 수 있었다. 따라서 폐타이어를 분쇄하여 가능한 한 작은 크기의 분말 형태로 제조한다면 재활용 소재 물성에 직접적으로 좋은 영향을 줄 수 있을 것이라 판단된다.
주로 자동차부품에 적용되고 있으며 전기 전자부품 및 건축자재, 기타 일용품에도 적용되고 있다. 이러한 TPV제품을 폐타이어고무와 폐플라스틱을 이용해 제조할 수 있다면, 폐자원을 활용해 환경오염을 줄일 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 폐타이어 고무분말의 크기와 함량 등의 조건으로 복합체를 제조해 물성변화를 알아보았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Thermo-Plastic Vulcanized란?
따라서 국내에서는 폐타이어를 재활용하고자 하는 연구9-12)가 활발히 진행되어 왔다. Thermo-Plastic Vulcanized(TPV) 란 열가소성복합체로 고무와 플라스틱을 혼합하여 적절한 내충격성과 열가소성을 지니는 복합소재이다.13,14) 상온에서 고무의 좋은 탄성, 내충격성을 보유함은 물론, Matrix의 열가소성 특성을 가지고 있어 일반적인 사출 성형, 압출성형 및 중공성형 등에 의한 가공이 용이하다.
폐타이어를 매립이나 소각 방식으로 처리 할 경우 발생하는 문제점은?
현재 국내 폐타이어의 발생량은 자동차 산업이 급속도로 발전함과 동시에 해마다 증가하고 있으며, 그에 따라 처리에 관한 문제가 날로 심각해지고 있다.1,2) 폐타이어를 매립이나 소각 방식으로 처리 할 경우, 2차 환경오염 문제를 발생시키고, 자원의 낭비를 통해 경제적인 문제를 유발하게 된다.3) 이를 방지하는 방안 중 하나로서 폐타이어를 분쇄하여 얻은 폐타이어 고무 분말을 재료의 직접 재활용에 이용하는 방법이 있다.
TPV의 장점은?
Thermo-Plastic Vulcanized(TPV) 란 열가소성복합체로 고무와 플라스틱을 혼합하여 적절한 내충격성과 열가소성을 지니는 복합소재이다.13,14) 상온에서 고무의 좋은 탄성, 내충격성을 보유함은 물론, Matrix의 열가소성 특성을 가지고 있어 일반적인 사출 성형, 압출성형 및 중공성형 등에 의한 가공이 용이하다. 주로 자동차부품에 적용되고 있으며 전기 전자부품 및 건축자재, 기타 일용품에도 적용되고 있다.
참고문헌 (14)
P. T. Williams, S. Besler and D. T. Taylor, 1990 : J. Fuel, 69, 1474
Jung-Su Choi, Cha-Cheol park, 2011 : Mechanical Properties of Polyethylene, Polypropylene, Waste Tire Rubber Powder Composites, Elast. Compos., 46(4), pp318-323
Hyung-San Kye, Kyung-Cheol Shin and Dea-Suk Bang, 2006 : A Study on the Mechanical Properties and Rheological Properties of the Recyeled Polyethylene Composites with Ground Wast Tire Powder, Elastomer, 41(2), pp97-107
Eun-Ji Choi, Ji-Hwan Yoon, Jeang-Gyu Jo, Sang-Eun Shim, Ju-Ho Yun, Il Kim, 2010 : Present and Future of Thermoplastic Elastomers As Environmentally Friendly Organic Materials, Elast. Compos., 45(3), pp170-187
Yong-Sang Lee, Jung-Chae Jeong, Jong-Man Park, 2010 : A Trend of R&D in Enviromental Thermoplastic Elastomer, Elast. Compos., 40(4), pp245-249
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