가. 분말화기술
국내에서는 분말제조공장으로 상온 분쇄법으로 한국자원재생공사가 10,000톤/년 규모로 시화공장에서 운영하고 있고, 20,000톤/년 처리시설을 (주)크리오텍이 LNG 이용 냉동 분말화 방법으로 사업화 중이며, 이밖에 부성종합산업사, 대종화학 등이 있는데 미세분말화(100 mesh 이하)까지는 개발이 이루어지지 않는 실정이다. 그림 1에는 폐타이어를 수거하여 분말화한 후 이를 제품으로 제조하는 공정도이다. 일반적으로 절단공정을 거쳐 분말의 크기별로 분류를 위하여 반복적인 방법을 행한다. 그리고 일정한 크기별로 분류된 것을 포집하여 사용 용도별로 구분한다.
국외의 분말화 기술에는 상온 파쇄방식과 냉동 파쇄방식이 알려져 있고, 최근 공냉식 파쇄법이 개발되었다. 분말화공정의 세계적인 추세는 고무분말 제품의 활성화를 위하여 미세분말(100 mesh이하) 공정으로 가고 있는 실정이다. 현재 미세분말 기술개발로 Baker Rubber사가 Wet Grinding Mill Method로 100 mesh까지 분말화 할 수 있는 기술을 개발하고 있는 중이며, 우즈베키스탄에서 실험실적으로 100 mesh까지 가능하게 되었고, 독일에서는 Continental Tire사에서 냉동 분말법을 개발하였다.
폐타이어를 이용하여 고무분말을 제조하는 기술에는 일반적으로 알려진 바와 같이 기계식 상온파쇄방식과 냉동파쇄방식이 있으며, 최근에는 러시아에서 개발되어 상용화를 시도하고 있는 Tmx1-25P 프로세스의 공냉식 파쇄방식이 있다.
상온수파쇄 방식도 역시 미세분말을 제조하는 방식이나 고무분말 제조시에 매개체(media)를 물로 하는 것이 공랭식 또는 냉동파쇄식과 다르다. 또한 공랭식 파쇄기술은 냉동파쇄방식과 유사한 방식이나 냉각물질을 액체 질소가 아닌 찬 공기를 이용하는 것이 다르다
○ 기계식상온파쇄방식 (Ambient process)
기계식상온방식은 오랫동안 사용되어온 공정으로 재생고무 제조시 많이 이용되어 왔으며, 이 공정에 의해 생산된 고무분말의 입도는 2~6 mm 정도이나 최근 기술개발에 의해 0.2 mm 정도의 고무분말 제조도 가능하게 되었다. 주요공정으로서는 파쇄 및 분쇄공정의 2단계 공정으로 이루어지며 파쇄기, 분쇄기, 진동체선별기, 자력선별기, 섬유분리기 등의 설비로 구성된다.
○ 냉동파쇄방식 (Cryogenic process)
냉동파쇄법은 비교적 최근에 상용화된 기술이며, 액체질소를 냉매로 하여 고무분말을 제조하는 공정으로 생산되는 고무분말의 입도는 0.15~0.8 mm 정도이다. 이 처리기술은 폐타이어 이외에도 다물질 복합체를 파쇄/분쇄하는데 많이 이용된다. 이 기술의 주요특징은 액체질소 사용으로 처리물질을 Tg 이하로 온도를 낮추기 때문에 파쇄가 쉽고 파쇄시 발열이 적어 고무분말의 물성저하의 우려가 없으며, 또한 화학물질을 첨가할 필요가 없어 냄새 및 가스등이 발생하지 않는다.
기계적인 분쇄는 회수율이 낮고 소음이 크며 미분말화에 어려움이 있다. 그러나 냉각에 의한 분쇄는 섬유 및 금속류와 고무류를 효과적으로 분리할 수 있으며 분쇄된 고무의 순도가 높고 상온에서 얻기 어려운 50 mesh 이하의 고운 입자를 얻을 수 있다. 또 열이나 산화에 의한 변형이 거의 없고 유동성이 좋으며 분쇄 효율이 좋아서 많은 량의 타이어를 처리 가능하다. 그래서 냉각에 의한 분쇄가 주로 이용되며 일본, 독일, 미국이 이 방법을 사용하고 있다. 분쇄가 중요한 이유는 다른 폐타이어 재활용 방법의 중요한 전단계이며 생산된 분말은 또 다른 상품(재생 타이어, 밧줄, 블록 등)의 원료로 재활용되기 때문이다. 그러나 고가의 액체질소를 사용하므로 국내에서는 채산성 문제가 해결해야 할 문제이며 그 대체물로 LNG가스를 사용하여 2004년도에 사업화를 앞두고 있다.
나. 분말개질기술
폐타이어분말의 적절한 표면처리를 알아보기 위하여 기본적인 물성을 측정하였다. 일반적으로 미처리분말은 가황전의 폐타이어 분말간에 응집력을 가질 수 없었기 때문에 시편 형상을 만들 수 없어 분쇄전 가황물의 물성을 참조하였다. 폐타이어분말을 기준으로 황 3 phr 기타조제 2 phr을 혼합한 다음 유압식 프레스기(carver laboratory press)로 150 ℃에서 15분간 경화하여 판상상태로 제조하였으며 시편절단기를 사용하여 아령형 3호 시편을 제조하였다. KSM 6518의 가황고무 물리 시험법에 의해 인장시험은 인장시험기(UTM)의 조건을 500 mm/min의 인장속도와 10 kN의 Load cell을 사용하여 인장강도(tensile strength)와 파단신율(elongation at break)을 구하였다.
각 표면처리의 조건들을 표 1에 나타내었다. 각 조건들이 최적의 조건들은 아니나 폐타이어분말의 비교물성을 내기 위한 것이다.
표 2의 인장강도는 미처리분말에 비해 표면 처리된 분말이 대체적으로 증가하는 경향을 보여주고 있다. 이는 표면처리로 인한 분말 표면의 친수성기 활성화에 의해 황 결합이 증가하기 때문으로 판단된다. 신율은 de-link로 처리된 것이 가장 높은 신율값을 보여주고 있는데 폐타이어 주쇄의 이완에 따른 결과로 보인다. 초음파로 처리한 시편은 초음파의 강한 진동으로 인해 폐타이어의 분쇄가 어느 정도 일어나 비표면적이 커졌고 순간적인 고열이 발생하여 기존 폐고무 분말에 잔류하던 미량의 촉진제가 가교도를 증가시키면서 인장강도의 증가와 신장률 감소 경향을 보인 것으로 생각한다.
다. 맺음말
폐타이어분말의 재활용을 위해 분말의 제조가 가장 중요하다. 폐타이어의 재활용성을 높이기 위하여 미세분말화 기술과 분말개질 기술이 중요한데 분쇄기술에서는 비용이 적게 들어가는 상온 분쇄방법을 개선하여 미세분말화 시키는 방향으로 가는 것이 바람직하다. 또한 분말의 사용도를 높이기 위해 여러 가지 표면개질 방법을 검토하여 보았다. 대부분의 경우 표면에 반응을 활성화시키기 위해 에너지를 주입하여 각 입자끼리의 결합력을 향상시키는 방법이다. 폐타이어 분말입자에 표면만을 처리할 경우 대기중에서 표면의 반응 기능기들의 소멸이 우려되고 보관할시 문제가 될 수 있으며 재활용에 있어서 경제성과 물성 만족성의 두가지 모두를 만족하는 방식의 선택이 최상적인 방법이라 볼 수 있다. 실험결과 초음파처리 방식은 압출기에 장착 시 연속적인 공정으로 가능하며 표면뿐만 아니라 폐타이어 분말 내부의 미반응 물질의 활성을 야기 시킬 수 있으므로 상당히 경제적인 방법중 하나로 생각한다.
폐타이어 분말을 이용한 제품
○ 서 론
폐타이어의 재활용을 위하여 분말가공으로서 바라스트메트(ballast-mat)와 철도침목 그리고 소음방지판에 대하여 실제로 제품을 제작하여 물성을 비교하여 보았고 대체 가능성을 살펴보았다. 우리나라에 제일 먼저 소개된 제품은 골프장용 고무블럭이며 고무보도블럭과 시각장애자 고무블럭등이 출시되었다.
바라스트메트는 철도궤도(고가다리, 다리, 터널 등)에 사용되고 있으므로 열차주행시의 진동, 소음의 저감과 바라스트의 균열화 방지에 따른 수명의 장기화, 콘크리트 상판 파손방지, 궤도 보수비용의 경감 등이다. 특히, 고가다리 밑의 진동쪾소음저감에 효과적이다. 일본에서는 폐타이어분말을 이용하여 (주)요코하마고무,(주)브리스톤 사에서 제조하여 고속철도인 신간선 궤도에 사용하고 있으나 폐타이어분말을 사용하고 있으며 프랑스 TGV와 독일 ICE의 궤도에 soft한 고무를 원료로 제조한 바라스트메트 이용하고 있다.
우리나라는 폐타이어 분말을 이용해 3개 기업((주)협성, (주)화승, 평화특수고무(주))에서 생산하고 있다. 현재 우리나라의 철도침목은 대부분이 나무와 콘크리트로 제작되고 있다. 그리고 나무의 특성상 대부분의 수명이 2`~3년을 넘기지 못하고 있는 것이 실정이다. 또한 이 나무는 원목을 수입하여 만들어지므로 수량에 대한 가격 또한 만만치 않다. 또한 습기에 대한 내성이 없으므로 보관 시 별도의 비용을 요한다. 이처럼 설치부터 그 관리쪾보관에 이르기까지 많은 비용을 필요로 하는 나무 침목의 단점을 보완하여, 고무와 금속을 이용한 철도 침목을 생각하게 되었다. 고무의 낮은 Tg와 금속과 접착제의 높은 Tm에 의한, 기후변화에 대한 안정성과 보관 및 관리의 수월성을 생각해 볼 때, 기존의 나무 침목에 비해 많은 원가절감 및 관리비 절감을 가져올 수 있을 것이다. 또한 가공 및 생산의 용이함을 생각해 본다면 더 많은 비용 절감을 가져올 것이라 예측된다. 그러므로 초음파로 개질된 폐타이어분말을 함유한 고무 컴파운드에 3~10 phr 넣어서 고무침목 시편을 제조한 다음 물성을 알아보았다.
고무는 탄성과 내구성 그리고 구조적 강도가 우수하며 흡음능력이 뛰어난 다공성 재료로 만들어질 수 있다. 고무를 다양한 크기의 화이버 및 둥근 형태로 제작, 혼합하여 성형시키면, 고무의 우수한 탄력성, 낮은음전달 속도와 다양한 공기층을 갖게 하여 아파트의 층간 세대간에 각종 소음을 3중으로 차단시키며, 차음 및 진동 방지층의 형성과 같은 놀라운 효과를 갖고 있다. 이러한 흡음재, 바닥 완충재로서의 폐타이어는 아파트, 주상복합 빌딩, 오피스텔, 호텔, 방송국, 교실, 공장, 기계실, 실내 스포츠 센터, 볼링장, 라켓볼(스쿼시)장 등 층간 경계벽간 차음 및 진동 방지를 필요로 하는 곳에 많이 쓰일 수 있다. 다만 단열등의 기능이 떨어지기 때문에 플라스틱 발포체 또는 부직포등과의 2중으로 사용하면 효과적이다.
○ 폐타이어 분말의 이용
- 폐타이어를 이용한 보도블럭 제조
고무보도블럭의 특징은 표면이 미끄럽지 않고 탄력성이 강해 노약자나 어린이의 다리관절 보호에도 좋다. 기존 시멘트 보도블록에 비해 미끄럼방지, 충격완화, 일정한 탄력성이 뛰어나며, 부드러운 보행감으로 피로감을 줄일 수 있고, 다양한 색상연출이 가능하므로 도시 미관을 밝게 할 수도 있다. 보도, 공원, 자전거도로, 어린이공원, 골프장, 조깅로, 수영장, 정원, 산책로 등에 이용할 수 있다. 외국의 경우 보도블럭, 스포츠센터 트랙, 테니스 코트 등에 이용하고 있다.
- 바라스트메트(Ballast-mat)
바라스트메트는 철도궤도(고가다리, 다리 등)에 사용되고 있다. 사용목적은 열차주행시의 진동, 소음의 저감과 바라스트의 세립화 방지에 따른 수명의 장기화, 콘크리트 상판 파손방지, 궤도 보수비용의 경감 등이다. 특히, 고가다리 밑의 진동쪾소음저감에 효과적이다. 바라스트메트는 폐타이어를 분쇄한 고무분말을 주원료로 하여 수종의 첨가제를 혼합하여 가열 압축 성형하여 판상으로 가공한 것이다.(그림 1)
그림 2에서는 바라스트메트 제조 공정도이다. 이 바라스트메트의 요구되는 물성을 표 1에 나타내었다. 이 공정도에서 사용되는 폐타이어 분말의 입도크기는 16~40 mesh가 사용되며 이 물질이 없어야 요구되는 물성을 맞출 수 있다.
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