세계적으로 폐타이어를 포함한 가황고무제품의 재활용 문제가 심각하게 대두되고 있다. 특히 자동차 수요량이 증대됨에 따라 발생하는 폐타이어는 매립이나 소각 시 가교결합 된 황 성분에 의해 2차 환경오염을 일으킨다. 또한 재생고무로 이용 시 가교 결합된 황에 의해 원료 고무와의 결합을 방해하여 적절한 물성을 가지지 못한다. 따라서 폐타이어 고무분말 재활용을 위해서 탈황 처리와 관련된 기술개발이 활발하게 이루어져 왔다. 탈황 처리 공정을 거쳐 재생된 폐타이어는 원료 고무와 혼합된 후 가황공정을 통하여 용도에 맞는 제품으로 제조 할 수 있다. 본 연구에서는 화학적 탈황법을 이용해 폐타이어를 탈황하여 탈황 정도를 분석하였다. 2-butanol 용액을 이용하여 온도, 탈황처리시간 등의 변수에 따른 탈황 효과를 살펴보았다. 고무시료를 유기용매에 팽윤한 후 100, 150, $200^{\circ}C$에서 1~5hr 동안 탈황처리 하였다. 그 후 평행팽윤법을 이용해서 수평균분자량과 가교밀도를 계산하여 정량적으로 탈황도를 분석하였다. 또한 Hot press를 이용하여 인장시편을 제조한 후 기계적 물성도 평가하였다.
세계적으로 폐타이어를 포함한 가황고무제품의 재활용 문제가 심각하게 대두되고 있다. 특히 자동차 수요량이 증대됨에 따라 발생하는 폐타이어는 매립이나 소각 시 가교결합 된 황 성분에 의해 2차 환경오염을 일으킨다. 또한 재생고무로 이용 시 가교 결합된 황에 의해 원료 고무와의 결합을 방해하여 적절한 물성을 가지지 못한다. 따라서 폐타이어 고무분말 재활용을 위해서 탈황 처리와 관련된 기술개발이 활발하게 이루어져 왔다. 탈황 처리 공정을 거쳐 재생된 폐타이어는 원료 고무와 혼합된 후 가황공정을 통하여 용도에 맞는 제품으로 제조 할 수 있다. 본 연구에서는 화학적 탈황법을 이용해 폐타이어를 탈황하여 탈황 정도를 분석하였다. 2-butanol 용액을 이용하여 온도, 탈황처리시간 등의 변수에 따른 탈황 효과를 살펴보았다. 고무시료를 유기용매에 팽윤한 후 100, 150, $200^{\circ}C$에서 1~5hr 동안 탈황처리 하였다. 그 후 평행팽윤법을 이용해서 수평균분자량과 가교밀도를 계산하여 정량적으로 탈황도를 분석하였다. 또한 Hot press를 이용하여 인장시편을 제조한 후 기계적 물성도 평가하였다.
Recycling of vulcanized rubber products is a serious problem in the world. A quantity of generated waste tires becomes much more and more because of increasing demands on automobiles, resulted in the cause of serious secondary pollution by sulfur component that is crosslinked to incineration or land...
Recycling of vulcanized rubber products is a serious problem in the world. A quantity of generated waste tires becomes much more and more because of increasing demands on automobiles, resulted in the cause of serious secondary pollution by sulfur component that is crosslinked to incineration or landfill. In addition, crosslinked surfur is used to interfere with the binding of the raw material rubber. In this study, we analyzed the degree of devulcanization by the chemical devulcanization. Devulcanization ratio of the samples were systematically analysed by variables such as time and temperature. In addition, the effect of swelling method as a pre-treatment process was also measured. A rubber specimen was deepened in a organic 2-buthanol solutions during various times of 1 ~ 5 hrs at 100, 150, $200^{\circ}C$ respectively, then to calculate the crosslink density and the number average molecular weight by using a parallel expansion process, which showed devulcanization degree of analyzed samples quantitatively. Also, the mechanical properties were measured with the samples prepared by using a hot press.
Recycling of vulcanized rubber products is a serious problem in the world. A quantity of generated waste tires becomes much more and more because of increasing demands on automobiles, resulted in the cause of serious secondary pollution by sulfur component that is crosslinked to incineration or landfill. In addition, crosslinked surfur is used to interfere with the binding of the raw material rubber. In this study, we analyzed the degree of devulcanization by the chemical devulcanization. Devulcanization ratio of the samples were systematically analysed by variables such as time and temperature. In addition, the effect of swelling method as a pre-treatment process was also measured. A rubber specimen was deepened in a organic 2-buthanol solutions during various times of 1 ~ 5 hrs at 100, 150, $200^{\circ}C$ respectively, then to calculate the crosslink density and the number average molecular weight by using a parallel expansion process, which showed devulcanization degree of analyzed samples quantitatively. Also, the mechanical properties were measured with the samples prepared by using a hot press.
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제안 방법
2-butanol 용액을 이용한 폐타이어 고무분말의 화학적 탈황을 시간과 온도, 탈황 전 처리 유무에 따라 살펴보았다. 먼저 전 처리 과정을 거친 폐타이어 고무분말의 탈황처리 시간과 온도에 따른 탈황도는 Fig.
Universal Test Machine(UTM, Instron Co. Ltd)을 사용하여 다음의 조건으로 인장강도, 연신율 값을 측정하였다. Load cell : 50kN, Crosshead speed : 50 mm/min, Specimen : KS규격 아령 3호(T : 3 mm L : 100 mm W : 25 mm, Gauge length : 20mm)
또한 이 가교밀도를 통해 탈황도를 계산하였고, FT-IR측정을 이용하여 탈황조건에 따른 투과율을 측정하였다. 그리고 Hot press를 이용하여 인장시험 시편을 제조하였다. 또한 탈황 전 처리 과정(팽윤) 유무에 따른 탈황도의 변화를 알아보기 위해서 팽윤과정을 거치지 않고 같은 방법으로 탈황실험을 진행하였다.
탈황된 고무분말을 시클로헥산에 24 hr 동안 팽윤 후 표면의 용액을 제거하고 무게를 측정하고 24 hr 동안 건조시킨 후 무게를 측정하여 그 무게차이를 Flory-Rehner 관계식9,10)에 대입하여 수평균 분자량과 가교밀도를 구하였다. 또한 이 가교밀도를 통해 탈황도를 계산하였고, FT-IR측정을 이용하여 탈황조건에 따른 투과율을 측정하였다. 그리고 Hot press를 이용하여 인장시험 시편을 제조하였다.
그리고 Hot press를 이용하여 인장시험 시편을 제조하였다. 또한 탈황 전 처리 과정(팽윤) 유무에 따른 탈황도의 변화를 알아보기 위해서 팽윤과정을 거치지 않고 같은 방법으로 탈황실험을 진행하였다. 아래에는 Flory-Rehner 식을 나타내었다.
따라서 이와 같은 문제점을 해결 할 목적으로 새로운 화학적 탈황 방법들이 제안되고 있고, 이 방법들은 주 사슬은 거의 손상시키지 않고 가교 결합만 절단, 제거시킴으로써 재생고무로서의 가능성과 활용성을 높일 수 있다. 본 실험에서는 화학적 탈황 방법 중 지방족 알코올 유기 용매를 이용한 폐타이어 고무분말 탈황 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 폐타이어 고무분말의 재활용을 위한 화학적 탈황법 중 2-butanol 용액을 이용하여 1~5hr의 시간 조건과 100, 150, 200℃의 온도조건, 탈황 전 처리 과정의 유무에 대한 탈황도 변화 및 인장 강도와 연신율의 변화를 측정하였다. 얻어진 결론은 다음과 같다.
이때 반응 시간과 온도에 따른 탈황도를 보기 위해 반응 시간은 각각 1, 2, 3 및 5 hr로 탈황을 진행하였다. 이 때 온도 조건은 100, 150, 200℃로 진행하였다. 탈황 반응 후 용액을 흡습지로 제거하고 평행 팽윤 실험을 통해 수평균 분자량과 가교밀도를 계산하여 탈황도를 계산하였다.
팽윤시킨 고무분말 표면의 용액을 흡습지로 제거한 후 2-butanol 용액 하에서 열을 가해 탈황 반응을 진행시켰다. 이때 반응 시간과 온도에 따른 탈황도를 보기 위해 반응 시간은 각각 1, 2, 3 및 5 hr로 탈황을 진행하였다. 이 때 온도 조건은 100, 150, 200℃로 진행하였다.
이 때 온도 조건은 100, 150, 200℃로 진행하였다. 탈황 반응 후 용액을 흡습지로 제거하고 평행 팽윤 실험을 통해 수평균 분자량과 가교밀도를 계산하여 탈황도를 계산하였다. 평행 팽윤 실험은 시클로헥산 용액을 이용해 진행하였다.
평행 팽윤 실험은 시클로헥산 용액을 이용해 진행하였다. 탈황된 고무분말을 시클로헥산에 24 hr 동안 팽윤 후 표면의 용액을 제거하고 무게를 측정하고 24 hr 동안 건조시킨 후 무게를 측정하여 그 무게차이를 Flory-Rehner 관계식9,10)에 대입하여 수평균 분자량과 가교밀도를 구하였다. 또한 이 가교밀도를 통해 탈황도를 계산하였고, FT-IR측정을 이용하여 탈황조건에 따른 투과율을 측정하였다.
대상 데이터
제공된 폐타이어 분말은 상온에서 기계식 분쇄방법을 이용하여 분쇄날의 간격을 조절하여 고무분말의 입자크기를 제어한다. 시클로헥산(Cyclohexane)은 탈황 전 팽윤을 위해 사용되었으며, 2-butanol은 고무분말을 화학적으로 탈황시키기 위한 용액으로 사용되었다.
폐타이어 고무분말(Waste Ground Rubber Tire Powder, WGRT)은 폐타이어 재생 전문기업인 ㈜다성에서 분쇄한 40mesh(381㎛) 고무분말을 사용하였다. 제공된 폐타이어 분말은 상온에서 기계식 분쇄방법을 이용하여 분쇄날의 간격을 조절하여 고무분말의 입자크기를 제어한다.
성능/효과
(a)에서 1540 cm−1의 영역에서는 시간이 증가함에 따라 최소 92.94%에서 최대 94.48%로 투과율이 증가하였다.
1에서 볼수 있다. 1 hr에서 온도에 따른 탈황도를 비교해보면, 대략 12, 26, 47%로 적용된 온도가 증가할수록 높아지는 경향을 나타내었으며, 200℃에서는 단시간에 빠르게 증가하여 가장 높은 탈황도가 나타나는 것을 볼 수 있다. 하지만 200℃의 경우, 그 후로 5 hr까지 탈황시간이 늘어나도 거의 탈황도의 증가가 없는 것을 알 수 있다.
1) 탈황 처리 시간과 온도에 따른 탈황도의 변화는 높은 온도에서 단시간에 탈황도가 증가하는 것을 볼 수 있었으나, 처리 시간이 길어지면 특정 탈황도에 수렴하는 경향성을 보였다. 이에 따른 기계적 물성도 탈황 처리 시간이 길어질수록 증가하는 경향을 보였다.
2) 평윤과정 없이 탈황을 할 경우 150℃에서 적절한 탈황이 이루어지며, 그 이상의 온도에서는 주사슬의 파괴로 인하여 물성저하의 요인이 된다.
3) 평윤을 통한 전 처리 과정은 단순히 결합이 쉽게 끊어지도록 한 것으로서 탈황도에는 큰 영향을 주지 않고 단순히 탈황 속도에만 영향을 주어 폐타이어 고무분말의 탈황시간을 단축시키는 공정에 효과적일 것으로 판단된다.
이러한 결과는 수평균분자량을 이용한 탈황도 측정결과와 같이 탈황의 시간이 증가함에 따라 S-S 결합이 끊어지는 것과 일치한다. 그리고 탈황온도가 증가할수록 단시간에 S-S 결합이 파괴된 결과를 통해 빠른 탈황효과를 얻을 수 있음을 확인 할 수 있었다. 하지만, 온도가 증가함에 따라 전체적인 투과율이 높아지는 현상을 나타났고 이것은 C-C 결합 및 주사슬의 파괴로 인하여 물성저하의 요인으로 작용할 수도 있음을 확인 할 수 있었다.
5 및 6의 인장 강도와 연신율 그래프를 보면, 탈황 처리 시간이 증가할수록 인장강도 및 연신율 모두 높아지는 경향성을 보이고 있다. 또한 온도에 따른 탈황 시편의 기계적 물성을 살펴보면, 높은 온도에서 높은 기계적 물성을 보이다가 4 hr ~ 5 hr에서는 200℃보다 150℃에서 더 높은 값을 보인다. 탈황도와 인장강도, 연신율 값을 보면 5 hr, 200℃ 조건의 시편은 탈황도 53%, 인장 강도 1.
7에 150℃ 온도 조건에서의 탈황 전 처리 유무에 따른 탈황도 차이를 나타내었다. 시간에 따른 탈황도를 비교해 보았을 때, 전 처리 과정을 거치고 탈황한 폐타이어 고무분말의 탈황도가 약 26, 45, 47, 55%로 전 처리 과정을 거치지 않은 시편의 탈황도인 30, 31, 34, 52%보다 좀 더 빠르게 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 5 hr에서 두 조건의 탈황도가 각각 55%, 52%로 크게 차이가 나지 않고, 수렴하는 경향을 보이는 것으로 보아 전 처리 과정은 탈황도 자체에는 큰 영향을 주지 않고 탈황 속도에만 영향을 주는 것으로 보인다.
1% 로 5 hr, 150℃ 시편의 기계적 물성이 더 좋다. 최대 인장강도 값과 연신율은 가장 높은 탈황도를 나타낸 5 hr, 200℃ 조건이 아닌 5 hr, 150℃에서 얻어졌는데, 이는 C-C 결합 에너지가 58.6 kcal/mol 로 C-S 결합 에너지 54.5 kcal/mol, S-S 결합에너지 48.0 kcal/mol와 큰 차이가 나지 않으며, 오히려 200℃의 높은 온도에서는 CS, S-S 결합 뿐만 아니라 C-C, 즉 고분자 주 사슬의 파괴가 일어나 시편 제조 시 기계적 물성에 영향을 준 것으로 사료된다. 즉, 가교 결합 뿐만 아니라 주 사슬의 결합이 끊어져 오히려 기계적 물성이 낮게 측정된 것으로 판단된다.
또한 온도에 따른 탈황 시편의 기계적 물성을 살펴보면, 높은 온도에서 높은 기계적 물성을 보이다가 4 hr ~ 5 hr에서는 200℃보다 150℃에서 더 높은 값을 보인다. 탈황도와 인장강도, 연신율 값을 보면 5 hr, 200℃ 조건의 시편은 탈황도 53%, 인장 강도 1.7 Mpa, 연신율 174.1%의 값을 나타냈고, 5 hr, 150℃ 시편은 탈황도 52%, 인장 강도 2.1 Mpa, 연신율 181.3%로 두 조건의 탈황도 차이는 거의 없지만 5 hr, 150℃ 조건의 시편이 높은 기계적 물성을 나타내었다.
그리고 탈황온도가 증가할수록 단시간에 S-S 결합이 파괴된 결과를 통해 빠른 탈황효과를 얻을 수 있음을 확인 할 수 있었다. 하지만, 온도가 증가함에 따라 전체적인 투과율이 높아지는 현상을 나타났고 이것은 C-C 결합 및 주사슬의 파괴로 인하여 물성저하의 요인으로 작용할 수도 있음을 확인 할 수 있었다. C=C 결합을 나타내는 1640 ~ 1820 cm−1 영역이 온도가 증가함에 따라 급격히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 200℃에서는 급격이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폐타이어를 소각했을 때 나타나는 문제점은?
1,2) 폐타이어를 매립 방식으로 처리 할 경우, 고무의 가교결합에 의해 분해가 어려워서 2차 토양오염 문제를 발생시키게 된다. 소각 방식으로 처리 할 경우에는 가교결합에 사용된 황으로 인해서 유독한 황산화물을 배출하게 됨으로서 대기오염 문제를 발생시킨다. 또한 폐자원 낭비라는 경제적인 문제도 유발하게 된다.
폐타이어를 매립하면 생기는 문제는?
현재 국내 폐타이어의 발생량은 자동차 산업의 발전과 더불어서 해마다 증가하고 있으며, 그에 따른 폐타이어의 처리에 관한 중요성이 날로 증대되고 있다.1,2) 폐타이어를 매립 방식으로 처리 할 경우, 고무의 가교결합에 의해 분해가 어려워서 2차 토양오염 문제를 발생시키게 된다. 소각 방식으로 처리 할 경우에는 가교결합에 사용된 황으로 인해서 유독한 황산화물을 배출하게 됨으로서 대기오염 문제를 발생시킨다.
탈황이란 무엇인가?
4-7) 폐타이어 고무분말을 새 고무를 제조하는데 섞어서 사용한다면 재활용 재료로서 좋은 역할을 할 수 있다. 하지만 폐타이어를 재활용 재료로 사용하기 위해서는 사용 전에 원료 고무와의 결합성을 감소시키는 황에 의한 가교결합을 제거해야 하는데, 이러한 과정을 탈황(Devulcanization)이라 하며 주 사슬 사이를 이어주고 있는 황 결합을 제거하거나 끊어주는 것을 의미한다. 폐 고무의 재활용을 위해서는 이 탈황과정이 필수적이다.
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