[논문]폐비닐 재활용을 위한 재생원료 분석 및 배합비율에 따른 특성 평가

안낙균; 이찬기; 김정환; 박필환; 김승환; 윤진호

doi:10.7844/kirr.2021.30.1.53

폐비닐 재활용을 위한 재생원료 분석 및 배합비율에 따른 특성 평가
Analysis of Recycled Raw Materials and Evaluation of Characteristics by Mixing Ratio for Recycling of Waste Vinyl 원문보기

Resources recycling = 자원리싸이클링, v.30 no.1, 2021년, pp.53 - 59

안낙균 (고등기술연구원 융합소재연구센터) , 이찬기 (고등기술연구원 융합소재연구센터) , 김정환 ((주)대한실업) , 박필환 ((주)대한실업) , 김승환 ((주)대한실업) , 윤진호 (고등기술연구원 융합소재연구센터)

초록
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생활계에서 발생되는 폐비닐은 토사, 금속, 유리 등의 이물질로 인해 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)로 사용되었지만 최근 환경문제로 인해 고형연료의 사용량이 감소하고 있어 재활용이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 폐비닐 재활용을 위해 우선 생활계 폐비닐로 생산된 복합 재생원료와 영농폐비닐로 생산된 PE 단일 재생원료에 대해 분석을 진행하였다. 원료 분석 결과, 폐비닐은 주로 폴리에틸렌으로 이루어져 있고 복합 재생원료는 약 2%의 회분이 잔존하고 있으며 PE 단일 재생원료의 경우는 회분이 없는 것을 확인하였다. 또한 두 재생원료의 배합비율에 따른 인장강도를 측정한 결과 열처리 온도 200 ℃, 압착 압력 30 MPa, 배합비율 3:7 (복합:PE 단일) 조건에서 인장강도가 최대 약 16 MPa임을 확인하였다. 굽힘강도는 열처리 온도 200 ℃, 압착 압력 30 MPa, 배합비율 3:7 (복합:PE 단일) 조건에서 최대 약 39 MPa임을 확인하였다. 따라서 재생원료들의 배합비율에 따른 강도 특성 변화를 확인함으로써 폐비닐의 재활용 가능성을 제시하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Waste vinyl generated from household waste has been used as a solid refuse fuel (SRF) due to the presence of impurities such as soil, metal, and glass; however, the amount of SRF used has been decreasing owing to recent environmental problems, thereby necessitating the need for recycling. In this study, the mixed recycled raw material produced from household waste vinyl and polyethylene (PE) single recycled raw material produced from agricultural waste vinyl were examined. Raw material analysis revealed that waste vinyl was mainly composed of polyethylene, and approximately 2% of ash remained in the mixed recycled raw material, whereas no ash was found in the PE single recycled raw material. In addition, the analysis of tensile strength according to the mixing ratio of the two recycled raw materials revealed that the highest tensile strength was approximately 16 MPa under the heat treatment temperature of 200 ℃, compression pressure of 30 MPa, and a mixing ratio of 3:7 (mixed:PE single). In addition, the highest bending strength was approximately 39 MPa under the heat treatment temperature of 200 ℃, compression pressure of 30 MPa, and a mixing ratio of 3:7 (mixed:PE single). Therefore, the possibility of recycling waste vinyl was suggested by investigating the change in strength characteristics according to the mixing ratio of the recycled raw materials.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Waste vinyl pretreatment and recycled raw material manufacturing process.
그림 Fig. 2. Pictures of recovered recycled raw materials.
그림 Fig. 3. FT-IR analysis results of waste vinyl recycled materials.
그림 Fig. 4. TG-DTA analysis results of each waste vinyl recycled raw material.
그림 Fig. 5. Tensile strength change by the heat treatment temperature.
그림 Fig. 6. Tensile strength change by the compression pressure.
그림 Fig. 7. Flexural strength change by the composite ratio of recycled raw materials.

AI 본문요약
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문제 정의

조건을 파악하였다. 그리고 두 재생원료를 배합했을 때 나타나는 기계적 특성을 확인하여 플라스틱 원료에 대한 재활용 가능성을 알아보고자 하였다.
C.도 농촌 비닐하우스 등에서 발생하는 폐비닐을 골재로13)사용하는 것에 대한 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 복합 재생원료와 PE 단일 재생원료에 대한 기본적인 분석을 통해 두 재생원료를 배합하기 위한 적합한 조건을 파악하였다. 그리고 두 재생원료를 배합했을 때 나타나는 기계적 특성을 확인하여 플라스틱 원료에 대한 재활용 가능성을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 폐비닐 재생원료에 대한 원료 분석과 배합 비율에 따른 기계적 특성평가를 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
가열 및 교반이 끝난 혼합재생원료는 규격에 맞춰 제작된 금형 틀에 넣고 일정 압력을 가하여 압착 성형하였다. 이때 사용된 금형 틀은 약 150 ℃로 예열하여 가열된 재생원료가 급냉 되는 것을 예방하고자 하였다. 그 이유는 가열된 재생원료가 금형 틀과 맞닿으면서 급냉 될 경우 급냉된 부분과 급냉 되지 않은 부분이 제대로 결합되지 않고 결함이 생겨 강도가감소될 수 있기 때문이다.

제안 방법

강도 측정을 위한 재생원료들 배합은 일정한 배합 비율에 따라 도가니에 혼합하여 넣고 일정한 온도에서 1시간 동안 가열하면서 10분 간격으로 두 재생원료가 혼합되도록 물리적으로 교반하였다. 가열 및 교반이 끝난 혼합재생원료는 규격에 맞춰 제작된 금형 틀에 넣고 일정 압력을 가하여 압착 성형하였다.
등은 재활용 선별장에서 회수한 폐비닐을 250 ℃로 가열하여 재생원료로 생산한 후 기존의 플라스틱 원료인 HDPE, PP, PVC과 혼합하여 최적의 탈염온¹⁵⁾.도와 폐비닐 재생용품의 필요 인장강도를 제시하였다
진행하였다. 또한 실험에서 사용된 재생원료들의 열적 특성을 분석하기 위하여 TG-DTA (DTG-60M, SHIMADZU)를 이용하였으며 승온 속도 10 ℃/min, 최대 온도 800 ℃, 일반분위기의 조건에서 분석을 진행하였다.
또한 재생원료들의 열에 대한 중량 변화와 가열 혼합을 진행하기 위한 온도는 TG-DTA 결과를 확인하고 설정하였다(Fig. 4). 복합 재생원료의 경우 약 100℃에서 10%의 중량감소가 나타나는 것을 확인할 수 있으며 재생원료 냉각& 컷팅 과정에서 함유된 수분일 것으로 판단된다.
복합 재생원료들의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 PE 단일 재생원료와의 혼합을 실시하였고 일정한 비율로 혼합된 샘플은 인장강도와 굽힘강도 시편으로 제작하였다. 우선 재생원료들의 TG-DTA 분석결과를 바탕으로 샘플 열처리 온도를 조절하여 실험을 진행하였다(Fig.
복합 폐비닐 재생원료와 PE 단일 재생원료의 성분을 비교 분석하기 위하여 FT-IR (Nicolet iS50, Thermo)을사용하였고 OMNIC을 이용하여 peak 매칭을 진행하였다. 또한 실험에서 사용된 재생원료들의 열적 특성을 분석하기 위하여 TG-DTA (DTG-60M, SHIMADZU)를 이용하였으며 승온 속도 10 ℃/min, 최대 온도 800 ℃, 일반분위기의 조건에서 분석을 진행하였다.
제작하였다. 우선 재생원료들의 TG-DTA 분석결과를 바탕으로 샘플 열처리 온도를 조절하여 실험을 진행하였다(Fig. 5). Fig.
인장강도 시험에 사용된 시편은 ASTM D638 4호 규격에 맞춰 제작하였으며 굽힘강도의 시편은 50 × 10 × 4 mm 크기로 제작하였고 3점 굽힘 시험법으로 진행하였다. 인장시험 속도는 0.5 mm/min, 그립 간 거리는 60 mm였으며, 굽힘시험 속도는 2 mm/min, 지지대간 거리는 40 mm로 설정하여 측정을 진행하였다.
재생원료가 함유하고 있는 성분들을 확인하기 위하여 FT-IR 분석을 실시하였다(Fig. 3). FT-IR 분석 결과 복합재생원료와 PE 단일 재생원료의 공통적으로 나타나는 peak가 확인되었으며 PE 단일 재생원료는 대부분의 PE peak와 매칭률이 97% 이상 나타난 반면 복합 재생원료는 PE peak과 매칭률이 93%로 비교적 낮고 이물질에 의해 여러 peak들이 나타난 것으로 판단된다.
재생원료들의 강도분석은 인장강도와 굽힘강도를 측정하였으며 인장강도 측정은 인장시험기(DTU-900MHN, DAEKYUNG TECH&TESTERS)를 사용하였고 굽힘 강도 측정은 만능재료시험기(MTS Sintech 30/G, USA)를사용하였다. 인장강도 시험에 사용된 시편은 ASTM D638 4호 규격에 맞춰 제작하였으며 굽힘강도의 시편은 50 × 10 × 4 mm 크기로 제작하였고 3점 굽힘 시험법으로 진행하였다.
재생원료의 열처리 온도를 200 ℃로 고정한 후 강도 시편 제작 시 압축 압력을 20 MPa에서 30 MPa로 증가 시켜 두 결과를 비교하였다(Fig. 6). 압축 압력을 증가하였을 때에도 PE 단일 재생원료의 배합비율이 증가할수록 인장강도가 증가하는 경향을 나타내었고 평균 1.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 재생원료는 2가지로 첫 번째는 생활계 폐비닐을 원료로 하여 1차 파쇄(100~200 mm), 비중선별, 2차 파쇄(50~100 mm), 풍력 선별의 전처리 공정과 용융, 냉각&컷팅의 공정을 통해 제조된 복합 재생원료이며 약 5~10 mm 크기의 동전 모양이다. 두 번째는 영농 폐비닐을 원료로 하여 파쇄(100~200 mm), 세척의 전처리공정과 용융, 건조 공정에 의해 제조된 PE 단일 재생원료이며 약 3~5 mm 크기의 원기둥 모양이다.

이론/모형

인장강도 시험에 사용된 시편은 ASTM D638 4호 규격에 맞춰 제작하였으며 굽힘강도의 시편은 50 × 10 × 4 mm 크기로 제작하였고 3점 굽힘 시험법으로 진행하였다. 인장시험 속도는 0.

성능/효과

(1) 복합 재생원료와 PE 단일 재생원료 모두 폴리에틸렌이 주성분이며 복합 재생원료에는 비연소성 물질과 폴리에틸렌 외 고분자 합성수지가 함유되어 있어 PE 단일 재생원료보다 기계적 특성이 낮은 것을 확인하였다.
(2) 복합 재생원료와 PE 단일 재생원료의 열처리 온도는 열분해가 일어나지 않는 300 ℃이하에서 진행되어야 하며 압축 성형 시 압축 압력이 높아질수록 인장강도가 증가하는 경향을 확인하였다.
(3) 복합 재생원료와 PE 단일 재생원료의 배합비율에 따른 인장강도와 굽힙강도는 PE 단일 재생원료의 비율이 높을수록 증가하는 경향을 확인하였다.
나타나고 400 ℃ 이상에서 급격한 중량 감소가 나타나는 것을 확인하였다. 600 ℃ 이상에서는 완전 연소되어남은 회분이 존재하지 않았고 복합 재생원료에 비해 이물질(고분자 합성수지 외에 비연소 물질)이 적게 함유되어있어 비교적 고품질의 PE 재생원료임을 확인하였다.
300 ℃에서 점차 중량이 감소하기 시작하여 370 ℃ 이후 급격하게 중량 감소가 나타나는 것을 확인하였다. DTA 결과에 발열반응이 나타나는 것으로 보아 연소가 시작되었고 이후 열분해가 진행되어 최종적으로 약 2%의 회분이 남는 것으로 판단된다.
3). FT-IR 분석 결과 복합재생원료와 PE 단일 재생원료의 공통적으로 나타나는 peak가 확인되었으며 PE 단일 재생원료는 대부분의 PE peak와 매칭률이 97% 이상 나타난 반면 복합 재생원료는 PE peak과 매칭률이 93%로 비교적 낮고 이물질에 의해 여러 peak들이 나타난 것으로 판단된다.
PE 단일 재생원료의 경우 함유된 수분은 나타나지 않았으며 복합 재생원료와 유사하게 300 ℃에서 중량 감소가 나타나고 400 ℃ 이상에서 급격한 중량 감소가 나타나는 것을 확인하였다. 600 ℃ 이상에서는 완전 연소되어남은 회분이 존재하지 않았고 복합 재생원료에 비해 이물질(고분자 합성수지 외에 비연소 물질)이 적게 함유되어있어 비교적 고품질의 PE 재생원료임을 확인하였다.
7에 나타내었다. 굽힘강도도 인장강도와 마찬가지로 PE 단일 재생원료의 배합비율이 높을수록 점차 증가하는 경향을 나타내었으며 배합비율이 3:7일 때 약 39 MPa의 최대 강도를 나타내었고 배합비율이 3:7과 0:10에서는 크게 차이나지 않는 것을 확인하였다.
나타나는 것을 확인하였다. 따라서 인장강도와 굽힘 강도를 측정하기 위하여 시편을 제작할 경우 가공하기 쉽고 열분해가 일어나지 않는 150~200 ℃ 부근이 가장 적합할 것으로 판단하였다.
98 MPa 이상)은 배합비율 5:5일 때 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 국가기술품질원에서 제시한 논뚜렁 보호구 인장강도의 경우 11.75 MPa 이상으로 본 연구 결과의 재생원료를 활용하여 충분히 재활용 가능할 것으로 사료된다.
또한 열 중량 변화 외에 고분자 물질에서 DTA 분석 시 필수적으로 나타나는 유리전이온도는 유리 상태(glassy state)에서 고무와 같은(rubbery state) 상태로 변화하는 온도를 말하며 두 원료 모두 유리전이 온도가 약 150 ℃에서 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 인장강도와 굽힘 강도를 측정하기 위하여 시편을 제작할 경우 가공하기 쉽고 열분해가 일어나지 않는 150~200 ℃ 부근이 가장 적합할 것으로 판단하였다.
4배의 인장 강도가 향상된 것을 확인하였다. 압축 압력 30 MPa 조건에서 배합비율이 3:7일 때 약 16 MPa로 인장강도가 가장 높게 나타났으며 배합비율이 0:10일 때에는 인장강도의 차이가 거의 없어 압축 압력에 영향을 크게 받지 않는 것으로 판단된다.15)
6). 압축 압력을 증가하였을 때에도 PE 단일 재생원료의 배합비율이 증가할수록 인장강도가 증가하는 경향을 나타내었고 평균 1.4배의 인장 강도가 향상된 것을 확인하였다. 압축 압력 30 MPa 조건에서 배합비율이 3:7일 때 약 16 MPa로 인장강도가 가장 높게 나타났으며 배합비율이 0:10일 때에는 인장강도의 차이가 거의 없어 압축 압력에 영향을 크게 받지 않는 것으로 판단된다.
4 MPa로 나타났다. 열처리 온도가 200 ℃일 때 재생원료의 배합비율에 관계없이 모두 더 높은 인장강도 값을 나타내었으며 평균 2배 정도의 강도가 향상되는 것을 확인하였다.
열처리 온도가 320 ℃일 때 최소 4.6 MPa에서 최대 7.3 MPa의 값을 나타내었으며 그 값의 차이가 크지 않음을 확인하였다. 300 ℃ 이상에서 열처리를 진행할 경우15)고분자 간의 결합력을 저하시켜 인장강도가 감소 하는 것으로 알려져 있기 때문에 폐비닐 재생원료의 강도 증가를 위해서는 열분해가 나타나지 않는 300 ℃ 이하에서 진행되어야 하며 재생원료의 혼합과 가공을 위해서는 적당한 온도 조절이 필요할 것으로 사료된다.
열처리 온도에 관계없이 PE 단일 재생원료의 배합 비율이 증가할수록 인장강도가 증가하는 경향을 나타냈으며 PE 단일 재생원료의 배합비율이 0:10일 때 인장강도가 약 15.4 MPa로 나타났다. 열처리 온도가 200 ℃일 때 재생원료의 배합비율에 관계없이 모두 더 높은 인장강도 값을 나타내었으며 평균 2배 정도의 강도가 향상되는 것을 확인하였다.
위의 인장강도 시험과 굽힘강도 시험을 비교하였을 때 복합 재생원료를 100%로 사용할 경우 PE 단일 재생원료를 100%일 때 보다 기계적 특성이 비교적 낮게 나타났으며 이러한 이유는 복합 재생원료에는 PE 외에 이물질이 함유되어 있기 때문일 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구 결과는 폐비닐을 재활용하기 위한 기초 데이터로 활용이 가능할 것으로 판단되며 향후에는 복합 재생원료를 플라스틱 원료들과 비교를 통한 재활용 가능성에 대한 연구와 복합 재생원료에 함유된 Cl를 제거하는 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (15)

Kim, K. W., Kim, J. I., Lee, S. J., et al. 2002 : Experimental study for determination of optimum waste vinyl contents in asphalt concrete, J. Korean Soc. Agric. Eng., 44(5), pp.88-95
Cho, Y. J., Cho, B. G., 2020 : Status and future prospects for plastics recycling, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 29(4), pp.31-44

원문보기 상세보기
Jayaraman, K., Halliwell, R., 2009 : Harakeke (phormium tenax) fibre-waste plastics blend composites processed by screwless extrusion, Composites: part B, 40, pp.645-649

상세보기
Horodytska, O., Valdes, F. J., Fullana, A., 2018 : Plastic flexible films waste management - a state of art review, Waste management, 77, pp.413-425

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Al-Salem, S. M., Lettieri, P., Baeyens, J., 2009 : Recycling and recovery routes of plastic solid waste (PSW): A review, Waste management, 29, pp.2625-2643

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Bertin, S., Robin, Jean-J., 2002 : Study and characterization of virgin and recycled LDPE/PP blends, Eur. Polym. J., 38, pp.2255-2264

상세보기
Kim, R. K., Kang, M., Lee, J. M. et al., 1999 : A study on the recycling of agricultural films by air washing, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 8(3), pp.3-8
Lee, H. Y., Kang, J. H., Lee, S. W., et al., 2008 : Development of crusher for waste vinyl pretreatment system, J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng., pp.292-295

원문보기 상세보기
Seo, S. B., Cho, I. H., Yun, H. P., et al., 2019 : Economic evaluation of a crush-screen hybrid pretreatment process for waste vinyl, Clean Technol., 25(4), pp.289-295
Shim, S. H., Kim, W. H., Keel, S. I., et al., 2003 : Saving energy in a recycling process for waste mulching vinyl, KOSE, pp.229-234
Kim, K. K., Le, X. F., Jeong, S. H., et al., 2002 : Evaluation of characteristic improvement of waste-polyethylene asphalt concrete, Int. J. Highw. Eng., 4(1), pp.161-170
Kim, Y. C., 2017 : Characteristics of asphalt concrete mixed with polyethylene aggregate, Journal of the korean geoenvironmental society, 18(12). pp.5-11

원문보기 상세보기
Kim, Y. C., 2003 : An experimental study on the waste polyethylene aggregate for construction materials, Journal of the korean geoenvironmental society, 4(4), pp.5-16
Yeom, W. S., An, G. H., Liu, J. H., et al., 2014 : Thermal characteristics of cement concrete mixed with wasted vinyl aggregates, Int. J. Highw. Eng.,16(6), pp.79-86

원문보기 상세보기
Chung, S. H., Na, J. G., Kim, S. G., et al., 2013 : Feedstock recycling technologies using waste vinyls, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 22(4), pp.46-54.

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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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