[논문]환경성을 고려한 폐 복합재료(CFRP)의 재활용기법에 대한 연구

이철규; 김용기; 피라다; 김정석; 주창식

환경성을 고려한 폐 복합재료(CFRP)의 재활용기법에 대한 연구
The study on the environmentally friendly recycling method of CFRP 원문보기

이철규 (한국철도기술연구원, 철도환경연구실) , 김용기 (한국철도기술연구원, 철도환경연구실) , 피라다 (아주대학교, 친환경제품설계실) , 김정석 (한국철도기술연구원, 철도구조연구실) , 주창식 (부경대학교, 화학공학화)

Various efforts of reducing the green house gas in the whole industrial fields including railway industry have been implemented. Tilting train is the key example because it can run more faster on the existing rail than others due to its composite body. The system has an advantage of light weight but also a task to solve, recycling of composite material. To recycle the CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), there are two typical methods; chemical and thermal method. In this study, more environmentally friendly recycling method was recommended through the environmental function through comparing both recycling methods.

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문제 정의

LCA기법은 제품생산에 요구되는 원료채취에서 폐기단계까지를 모두 고려한 방법으로 기존의 사용단계에서만 발생되는 환경성만이 아닌 잠재적인 환경성을 모두 고려하여 정량화할 수 있는 기법이다. 본 연구에서는 시스템경계를 탄소섬유재이용 기법에만 한정하여 보다 친환경적인 방법을 선택할 수 있도록 하고자 하였다. 따라서, 산 및 열분해방법에서 요구 및 발생되는 에너지, 부산물 및 폐기물 정보를 그림 3과 같이 수집하여 분석하였다.
현재까지 개발되고 있는 탄소섬유 회수기술은 대표적으로 산 및 유기용매을 이용한 화학적인 방법, 수지를 열분해하는 열적인 방법 및 초임계방법 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 탄소섬유 회수기법별 효율성과 동시에 회수기법별 환경성을 비교함으로서 보다 친환경적인 탄소섬유회수기술을 선택할 수 있도록 하였다.
연구에서는 틸팅열차의 차체에 적용된 CFRP에 대한 탄소섬유 및 회수에 관한 분리기술 개발하고 보다 친환경적인 분리기술을 선택하는 데 기여할 수 있도록 환경성을 추정하여 비교하였다. NAGAI el.

제안 방법

그림 1과 같은 방법들 중에서 틸팅열차시스템의 운영에 따른 빈번한 유지보수 시 보다 경제적인 방법을 개발하기위하여 틸팅차량에 적용된 탄소섬유를 회수하여 재이용할 수 있도록 열 및 화학적으로 재활용하는 방법은 검토하지 않고 탄소섬유를 회수하여 재이용할 수 있는 실험을 진행하였다. 틸팅열차에 적용된 CFRP는 분자량이 430으로 범용 epoxy 수지를 적용하여 제조된 것으로 epoxy 수지는 분자량이 84인 amine 계열의 경화제를 사용 하였다.
본 연구에서는 시스템경계를 탄소섬유재이용 기법에만 한정하여 보다 친환경적인 방법을 선택할 수 있도록 하고자 하였다. 따라서, 산 및 열분해방법에서 요구 및 발생되는 에너지, 부산물 및 폐기물 정보를 그림 3과 같이 수집하여 분석하였다.
틸팅열차에 적용된 CFRP는 분자량이 430으로 범용 epoxy 수지를 적용하여 제조된 것으로 epoxy 수지는 분자량이 84인 amine 계열의 경화제를 사용 하였다. 이러한 조성을 가지는 CFRP 중에서 탄소섬유를 회수하기위하여 HNO₃, DGMM(diethlene glycol monomethyl ether)을 이용한 산 및 유기용매방법과 소성로를 이용한 열적분해 및 초임계유체를 이용한 방법을 적용하였다. 각 회수기법별 실험결과를 표 1 및 그림2에 정리하였다.

대상 데이터

그림 1과 같은 방법들 중에서 틸팅열차시스템의 운영에 따른 빈번한 유지보수 시 보다 경제적인 방법을 개발하기위하여 틸팅차량에 적용된 탄소섬유를 회수하여 재이용할 수 있도록 열 및 화학적으로 재활용하는 방법은 검토하지 않고 탄소섬유를 회수하여 재이용할 수 있는 실험을 진행하였다. 틸팅열차에 적용된 CFRP는 분자량이 430으로 범용 epoxy 수지를 적용하여 제조된 것으로 epoxy 수지는 분자량이 84인 amine 계열의 경화제를 사용 하였다. 이러한 조성을 가지는 CFRP 중에서 탄소섬유를 회수하기위하여 HNO₃, DGMM(diethlene glycol monomethyl ether)을 이용한 산 및 유기용매방법과 소성로를 이용한 열적분해 및 초임계유체를 이용한 방법을 적용하였다.

데이터처리

탄소섬유 회수기술별 환경성비교를 위하여 환경성평가 프로그램인 SimaPro ver. 7.0을 활용하여 환경영향범주별 기여도를 간략하게 분석하였다. 입력데이타에서 알 수 있듯이 열분해 방법은 epoxy 수지를 연소시키는데 필요한 전력량이 상대적으로 많이 소요(약 7배)됨으로 인하여 온실가스 발생량 및 산성화 기여도가 화학적방법에 비하여 높은 것으로 분석되었다.

이론/모형

표 1의 결과에서와 같이 산 및 열분해방법이 탄소섬유를 회수하는 데 효과적인 것을 알 수 있었으며 이 중 보다 친환경적인 방법을 선택하기위하여 ISO 14040 시리즈에 따라 전과정환경성평가(LCA, Life Cycle Assessment)기법을 적용하였다. LCA기법은 제품생산에 요구되는 원료채취에서 폐기단계까지를 모두 고려한 방법으로 기존의 사용단계에서만 발생되는 환경성만이 아닌 잠재적인 환경성을 모두 고려하여 정량화할 수 있는 기법이다.

성능/효과

0을 활용하여 환경영향범주별 기여도를 간략하게 분석하였다. 입력데이타에서 알 수 있듯이 열분해 방법은 epoxy 수지를 연소시키는데 필요한 전력량이 상대적으로 많이 소요(약 7배)됨으로 인하여 온실가스 발생량 및 산성화 기여도가 화학적방법에 비하여 높은 것으로 분석되었다.

후속연구

따라서, 본 연구에서 상용화하고자하는 탄소섬유회수기술의 의미는 크다고 할 수 있다. 향후 상용화를 목표로 pilot scale 실험 등을 통하여 실험조건 등을 최적화할 계획이지만 현재까지의 실험실 실험결과를 반영하여 전체적인 환경성을 추정해 본 결과 산을 이용한 회수방법이 전체 틸팅열차시스템의 환경부하 저감에 기여할 수 있는 가능성이 더 높은 것으로 예상된다.

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