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문제 정의
- 본 연구에 사용되었던 각 스크랩의 함량별 물성 분석비교 결과를 post-consumer PVC 스크랩의 물질재활용에 적용하여 보았다. PVC 스크랩을 적용한 기존의 제품은 다양한 분야에 적용된 바 있지만, 본 연구에서는 기존의 제품으로의 적용 보다는 새로운 분야의 제품에 적용하고자 하였다. CC 스크랩은 세 가지 스크랩 중 충격강도가 가장 높았고, PC 스크랩은 인장강도가 높은 특징을 보였다.
- 본 연구는 post-consumer PVC 스크랩을 재활용하기 위한 기초 물성 연구로써 용도가 달리 사용되었던 세 가지 PVC 스크랩의 기본 물성 및 스크랩 함량의 변화에 따른 기계적 물성의 변화를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 발생하는 폐 PVC 소재의 물질재활용을 위한 기초 연구로써 발생되는 폐 PVC 스크랩의 기계적 물성과 신재 PVC 소재와 혼련하되 스크랩의 함량에 따른 복합재의 물성 변화를 관찰하고자 하였으며, 스크랩 함량에 따른 적절한 재활용 제품으로 적용하고자 하였다.
제안 방법
- 시편 제조 공정은 Table 3의 배합비에 따라 각각 준비된 배합물을 (1) Henschel 믹서에서 2100 rpm, 120o C로 혼련하였다. (2) 혼련된 배합물은 mixing roll에서 6분간 190o C로 2차 혼련하면서 roll mill로 가압하여 시트를 제작하였다. (3) 제작된 시트 4장을 적층한 후, 195o C에서 3분간 mold press로 가압하여 3 mm 두께의 평판을 제작하였으며 제작된 시험편은 Fig.
- 본 연구에 사용되었던 각 스크랩의 함량별 물성 분석비교 결과를 post-consumer PVC 스크랩의 물질재활용에 적용하여 보았다. PVC 스크랩을 적용한 기존의 제품은 다양한 분야에 적용된 바 있지만, 본 연구에서는 기존의 제품으로의 적용 보다는 새로운 분야의 제품에 적용하고자 하였다.
- 본 연구에 사용된 PVC 스크랩의 용도별 물성을 신재 PVC 수지로 만들어진 시험편과 상호 비교 하였다. 비교 물성인 인장강도, IZOD 충격강도 및 Vicat 연화 온도(Vicat Softening Temperature, 이하 VST라 함) 시험 방법은 KS M 3401(수도용 경질 폴리염화비닐관)에 따라 시험하였다.
- 본 연구에서는 다양하게 사용되는 PVC 제품을 경질과 연질로 나누고 경질은 상·하수도관 등의 관류, 창틀 등의 창호재, 그 외 기타 경질 용도의 제품 및 의복용 경질 시트로 구분하였고, 연질은 바닥재 등의 시트류와 농업용 필름류 등으로 분류하였다.
- 본 연구의 대상 스크랩의 적용 용도 결정 및 필요한 물성 향상을 위하여 Table 3에 제시한 배합비를 사용하였다. 신재 PVC 100 phr을 기준으로 세 종류의 스크랩의 함량을 각각 10, 30, 50 phr로 증가시키면서 배합한 후, 2.2 시험편 제작의 조건으로 각각의 시트와 평판을 제작하였다. 제작된 시험편의 인장강도, VST 및 IZOD 충격 강도를 비교 측정하되 시험방법은 KS M3401(수도용 경질 폴리염화비닐관)에 따랐으며, 그 결과를 아래의 Tables 5 ~ 7과 Fig.
- 비교 물성인 인장강도, IZOD 충격강도 및 Vicat 연화 온도(Vicat Softening Temperature, 이하 VST라 함) 시험 방법은 KS M 3401(수도용 경질 폴리염화비닐관)에 따라 시험하였다. 인장 시험은 Testometric사의 Tensile Tester (MICRO 350 Model)를 사용하였고, Cross-head speed는 12.5 mm/min로 하였고, 충격시험은 Notch Maker (기배무역, KPM-080 Model)을 이용하여 시편에 Notch를 낸 후 IZOD 충격시험기(대경 테크, DTI-602 Model)를 이용하였다.
대상 데이터
- PVC 스크랩의 물성 비교를 위하여 일반적인 PVC 파이프 기준 배합인 PVC 수지 100 중량부(이하 phr이라 함) 기준으로 안정제, 충격 보강제 등을 Table 3에 제시한 배합비에 따라 시료를 제조한 후 실험에 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 PVC 스크랩 물성 비교를 위한 신재 PVC 수지로는 한화케미컬의 P-1000 수지를 사용하였다. 본 연구에 사용된 각 시료의 특성을 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 다양하게 사용되는 PVC 제품을 경질과 연질로 나누고 경질은 상·하수도관 등의 관류, 창틀 등의 창호재, 그 외 기타 경질 용도의 제품 및 의복용 경질 시트로 구분하였고, 연질은 바닥재 등의 시트류와 농업용 필름류 등으로 분류하였다. 본 연구에서는 경질 스크랩 중 수거가 용이하고 물성이 잘 알려져 있는 파이프류와 창호재, 문틀 및 의복용 경질 시트로 범위를 한정하였다. 경질 스크랩 중 관류, 창틀 등의 창호재 외의 기타 경질 용도 제품 스크랩 5 kg 분쇄품을 수작업으로 분류하여 중량을 측정한 결과, 여러 종류의 경질 PVC 수지가 섞여 있었고 이를 Table 1에 나타내었다.
- 연구에 사용된 PVC 스크랩은 의복용 인서트(insert)로 사용되던 경질시트 스크랩(Cloth insert scrap, 이하 CC라 함), 상·하수관 등의 관류 스크랩(Pipe scrap, 이하 PC라 함)과 기타 경질 스크랩(Rigid scrap, 이하 RC라 함) 등 3종류를 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에 사용된 PVC 스크랩의 용도별 물성을 신재 PVC 수지로 만들어진 시험편과 상호 비교 하였다. 비교 물성인 인장강도, IZOD 충격강도 및 Vicat 연화 온도(Vicat Softening Temperature, 이하 VST라 함) 시험 방법은 KS M 3401(수도용 경질 폴리염화비닐관)에 따라 시험하였다. 인장 시험은 Testometric사의 Tensile Tester (MICRO 350 Model)를 사용하였고, Cross-head speed는 12.
- 2 시험편 제작의 조건으로 각각의 시트와 평판을 제작하였다. 제작된 시험편의 인장강도, VST 및 IZOD 충격 강도를 비교 측정하되 시험방법은 KS M3401(수도용 경질 폴리염화비닐관)에 따랐으며, 그 결과를 아래의 Tables 5 ~ 7과 Fig. 3 ~ 5에 나타내었다.
성능/효과
- 4 % 정도인 것으로 나타났다.5) 국내의 PVC 생산량은 142만 톤이고 자체 사용량은 파이프/바닥재/프로파일 55만 톤을 포함하여 약 80만 톤, 수출은 55만 톤 정도로 발표되고 있고, 그 중 발생량은 주된 세 가지 용도에서 매년 약 12만 여 톤이 발생하고 있으며, 이중 약 8만 6천여 톤이 재활용되는 것으로 발표되고 있다.2)
- PVC 스크랩을 적용한 기존의 제품은 다양한 분야에 적용된 바 있지만, 본 연구에서는 기존의 제품으로의 적용 보다는 새로운 분야의 제품에 적용하고자 하였다. CC 스크랩은 세 가지 스크랩 중 충격강도가 가장 높았고, PC 스크랩은 인장강도가 높은 특징을 보였다. 따라서 CC 스크랩은 이음관의 충격 흡수층에, PC 스크랩은 시추코어 박스의 생산에, 그리고 RC 또는 PC 스크랩은 수로용 캡의 생산에 적용하여 보았으며 이를 Fig.
- PVC 스크랩의 함량에 따른 물성 변화 시험 결과, 세 가지 스크랩 모두 신재 수지에 투입된 스크랩의 함량이 증가함에 따라 충격강도와 인장강도가 감소하는 결과를 나타냈다. CC 스크랩은 스크랩의 함량이 50%까지 증가하더라도 인장강도와 충격강도의 감소폭이 크지 않았으며, VST는 변화의 유의성을 찾을 수 없었다. PC 스크랩 역시 스크랩의 함량이 증가함에 따라 인장강도와 충격강도의 저하가 관찰되었다.
- CC 스크랩은 신재에 투입된 스크랩의 함량이 증가함에 따라 기계적 물성이 저하되는 현상을 보였으나, 스크랩 자체만의 기계적 물성 보다는 높은 결과를 나타내었다. IZOD 충격강도는 스크랩의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으나 감소폭은 낮은 것으로 나타났으며, 인장강도 역시 충격강도와 마찬가지로 스크랩의 함량 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
- CC 스크랩은 신재에 투입된 스크랩의 함량이 증가함에 따라 기계적 물성이 저하되는 현상을 보였으나, 스크랩 자체만의 기계적 물성 보다는 높은 결과를 나타내었다. IZOD 충격강도는 스크랩의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으나 감소폭은 낮은 것으로 나타났으며, 인장강도 역시 충격강도와 마찬가지로 스크랩의 함량 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. Vicat 연화온도 역시 스크랩의 함량 증가에 따라 감소하는 경향으로 나타났다.
- PC 스크랩 역시 스크랩의 함량이 증가함에 따라 인장강도와 충격강도의 저하가 관찰되었다. PC 스크랩의 함량이 증가함에 따라 인장강도의 감소폭은 충격강도의 감소폭보다 낮은 결과가 관찰되었으며 VST는 CC 스크랩과 마찬가지로 유의한 변화를 관찰할 수 없었다. RC 스크랩은 스크랩의 함량 변화에 따라 물성의 변화가 크게 나타났다.
- PVC 스크랩의 VST는 신재 PVC 수지와 비교할 때 의복용으로 사용되었던 CC 스크랩을 제외하고는 변화가 거의 없었다. PVC 스크랩의 인장강도는 신재 수지와 비교할 때 낮은 결과를 나타냈으며 특히 여러 종류의 경질 PVC 스크랩으로 구성되어진 RC 스크랩의 경우 매우 낮은 결과를 나타내었다. 인장강도는 Virgin > CC > PC > RC의 순서로 나타났으며 수거된 스크랩의 품질에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 인장강도는 Virgin > CC > PC > RC의 순서로 나타났으며 수거된 스크랩의 품질에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. PVC 스크랩의 충격강도 역시 신재 수지와 비교할 때 매우 낮은 결과를 나타냈으며, RC 스크랩의 인장강도가 매우 낮은 결과를 나타내었다.
- PVC 스크랩의 함량에 따른 물성 변화 시험 결과, 세 가지 스크랩 모두 신재 수지에 투입된 스크랩의 함량이 증가함에 따라 충격강도와 인장강도가 감소하는 결과를 나타냈다. CC 스크랩은 스크랩의 함량이 50%까지 증가하더라도 인장강도와 충격강도의 감소폭이 크지 않았으며, VST는 변화의 유의성을 찾을 수 없었다.
- 스크랩의 함량 변화에 따른 인장강도, 충격강도 및 VST의 변화를 비교 분석한 결과, 본 연구의 세 가지 스크랩 모두 스크랩의 함량이 증가함에 따라 충격 강도가 저하되는 결과를 얻었다. 그러나, CC 스크랩은 자체의 충격강도가 높아 타 스크랩에 비해 충격강도의 감소폭이 낮은 특징을 보이고, RC 스크랩과 PC 스크랩은 자체 충격강도가 낮아 스크랩의 함량이 증가함에 따라 감소폭이 크게 나타나는 특징을 나타내었다. 인장 강도의 경우도 스크랩의 종류에 상관없이 스크랩의 함량 증가에 따라 인장강도가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 다만 RC 스크랩의 경우 매우 낮은 결과를 나타냈으며 이는 RC 스크랩 구성의 경우 물성이 다른 다양한 경질 PVC 스크랩이 섞여있어 나타난 결과로 판단된다. 기계적 물성 시험 분석 결과에 의하면, CC 스크랩은 균일한 품질의 스크랩으로 RC 스크랩 및 PC 스크랩의 충격강도와 비교 시 충격강도가 매우 우수한 것으로 분석되었으며, 이는 의복용 인서트로 사용하기 위한 MBS계 충격 보강재가 배합되어 있었기 때문인 것으로 판단되었다. PC 스크랩 역시 파이프 및 이음관류에서 수거되어진 스크랩이기는 하지만 압력관, 비압력관, 이음관 등이 섞여 있고, 기존의 재생 수지를 사용하여 제작되었던 파이프류가 섞여 있어 물성이 낮은 결과로 나타난 것으로 판단된다.
- PC 스크랩은 신재 PVC 대비 스크랩의 함량이 증가함에 따라 충격 강도와 인장강도가 낮아지는 현상을 나타냈다. 스크랩 함량의 증가에 따라 감소하되 CC 스크랩과 RC 스크랩에 비해 중간정도의 감소폭을 나타내었다. 그러나, 타 스크랩과 달리 PC 스크랩의 경우는 인장강도와 VST에서는 스크랩의 함량에 따른 유의한 연관성을 찾기가 어려웠다.
- 스크랩의 함량 변화에 따른 인장강도, 충격강도 및 VST의 변화를 비교 분석한 결과, 본 연구의 세 가지 스크랩 모두 스크랩의 함량이 증가함에 따라 충격 강도가 저하되는 결과를 얻었다. 그러나, CC 스크랩은 자체의 충격강도가 높아 타 스크랩에 비해 충격강도의 감소폭이 낮은 특징을 보이고, RC 스크랩과 PC 스크랩은 자체 충격강도가 낮아 스크랩의 함량이 증가함에 따라 감소폭이 크게 나타나는 특징을 나타내었다.
- 신재의 IZOD 충격강도가 47.9 kg·cm/cm인 반면 CC 스크랩은 20.1 kg·cm/cm로써 신재의 충격강도 대비 약 41 % 수준이었고, PC 스크랩은 13.3 kg·cm/cm, RC 스크랩은 5.7 kg·cm/cm로 신재 대비 각각 27% 및 12%의 충격 강도를 나타냈다.
- 그러나, CC 스크랩은 자체의 충격강도가 높아 타 스크랩에 비해 충격강도의 감소폭이 낮은 특징을 보이고, RC 스크랩과 PC 스크랩은 자체 충격강도가 낮아 스크랩의 함량이 증가함에 따라 감소폭이 크게 나타나는 특징을 나타내었다. 인장 강도의 경우도 스크랩의 종류에 상관없이 스크랩의 함량 증가에 따라 인장강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 VST는 스크랩 함량의 변화에 따라 유의한 경향성이 없는 것으로 분석되었다.
- 이는 스크랩의 물성이 신재 PVC 수지보다 훨씬 낮게 나타났으며, 여러 종류의 PVC 스크랩이 섞여 있어 나타나는 결과로 판단된다. 인장강도 시험 결과 CC 스크랩과 PC 스크랩의 인장강도는 신재 보다 낮았지만 큰 차이를 나타내지 않았다. 다만 RC 스크랩의 경우 매우 낮은 결과를 나타냈으며 이는 RC 스크랩 구성의 경우 물성이 다른 다양한 경질 PVC 스크랩이 섞여있어 나타난 결과로 판단된다.
- RC 스크랩은 스크랩의 함량 변화에 따라 물성의 변화가 크게 나타났다. 인장강도의 변화폭이 세 가지 스크랩 중 가장 높았으며, 충격강도의 변화폭도 가장 높은 것으로 관찰되었다.
- 그러나, 스크랩 100 phr의 경우보다는 감소폭이 낮은 것으로 나타났다. 특히 CC-2와 CC-3는 충격강도와 Vicat 연화온도는 다소 낮아지고 인장강도는 높은 것으로 나타났으나 오차 범위 이내의 차이로 유의한 변화가 없는 것으로 판단되며, 이는 기존의 의복 인서트 용도로 사용하기 위한 첨가제가 본 실험의 20 phr 증가에 따라 유의한 차이를 나타내지 못한 것으로 판단된다.
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