(Rubber Rail-pad)
본 실험에서는 철도궤도 침목으로서의 특성상 외부로 노출되어 있으므로 탄성과 내오존성, 내유성등을 고려하여 기본 고무재질을 EPDM과 천연고무로 하여야 하는 것이 바람직하다고 생각한다.
폐타이어 분말을 혼합하였을 시 그림 4에서 나타낸바와 같이 신(virgin) 고무보다는 폐타이어 분말 함유한 고무 컴파운드가 응력이완거동 때문으로 보인다. 이러한 경향은 주로 하중에 대하여 내부의 계면 마찰과 자유마찰(free volume)에 의한 탄성거동에 기인하는 것으로 보인다.
철도침목에서는 동특성이 중요한 인자이므로 동특성시험기(Dynamic servo, Saginoniya)를 이용하여 최대하중을 200 kgf 으로 하고 변위량을 1~4 mm로 하였다.
그림 4에는 static stiffness를 나타낸 것인데 이 실험은 일정 온도를 기준으로 재료의 경도를 측정하여 hystericis curve를 알 수 있다. 이 실험에서는 폐타이어 분말이 많이 충전될수록 stiffness 값이 낮아짐을 알 수 있다. 그러므로 충전량에 따른 경도 값이 차이가 남으로 해서 기존의 갖고 있던 동특성이 변함을 알 수 있었다.
그림 5에서는 고무철도침목의 모형을 CATIA를 이용하여 설계를 한 것이다. 기존의 일반침목은 일자형으로 되어 있으나 본 연구에서는 궤도의 응력이 가해지는 부분에 고무패드를 구성하고 연결부분을 금속으로 설계하였다.(특허등록 제 9363호)
일반적으로 고무의 낮은 Tg(-65 ℃)와 금속과 접착제(Chemlock 220)의 높은 Tm(258 ℃)에 의한, 기후변화에 대한 안정성과 보관 및 관리의 수월성을 생각해 볼 때, 기존의 나무 침목에 비해 많은 원가절감 및 관리비 절감을 가져올 수 있을 것으로 예상한다.
본 실험에서는 5 phr 고무를 이용한 철도 침목 샘플이 기계적 물성이 좋은 결과가 나타났다. 폐타이어의 적절한 사용처가 없었던 재활용 고무가 요즘 보도블럭이나 바닥재 등으로 그 활용 범위를 넓혀 가고 있다. 이러한 추세에 고무 철도침목이 활력을 불어넣어 생활에 더 많이 활용될 수 있는 계기가 될 수 있을 것이다.
소음방지판
우리나라의 특성상 좁은 입지 조건하에 수많은 고층건물이 존재하며 이곳에서 인간의 가장 기본적인 욕구가 충족되는 가운데, 주거 공간의 행복추구권은 인간다운 삶을 영위하는 가장 기초적이고 필수적인 항목이라 할 수 있다. 특히 공동주택에 있어서 바닥충격음은 생활수준의 향상과 주거의식의 향상으로 거주성능의 양부를 결정하는 중요한 요인이 되었다.
하지만 통계상 공동주택의 민원 중 1순위가 실내소음, 특히 바닥충격음과 관련된 사항이었으며 최근 이 문제의 심각성이 고려되어 건설교통부는 주택건설 기준 등에 관해 규정 제 14조 3항등을 개정하여 ‘공동주택 바닥충격음 차음성능 기준(안)’을 마련 내년 중 시행할 예정이어서, 실내소음차폐에 대한 방안이 시급히 논의되어야 할 입장이다. 그림 6에서 나타냈듯이 도시화의 진행으로 인구가 도시로 집중됨으로써 심화된 주택난을 해결하고 토지의 효율적인 이용을 위해 시작된 공동주택은 최근 들어 재료의 개발과 더불어 고층화쪾고밀도화 되었으며, 구조계획의 합리화와 원가절감을 위해서 슬래브 두께는 얇아지고 경량화 되어가고 있다.
건설교통부는 아파트 층간 소음을 막기 위한 구체적인 건축기준이 없어 소음으로 인한 위층과 아래층 주민들의 분쟁이 끊이지 않고 있으며 이를 보완하기 위한 공동주택 건설기준을 개정하기로 계획하고 있다. 따라서 2004년부터 아파트를 새로 지을 때 층간 소음이 일정 수준을 넘지 않는 설계를 의무화 하고 있다.
소음의 측정은 음원실에서 tapping machine을 사용하여 음을 발생시킨 후 아래층인 수음실에서 마이크로폰을 통해 FFT(fast fourier transform)으로 측정을 하게 된다. 주택의 발생소음은 중량충격음과 경량충격음을 나누어서 분석하게 된다. 일반적으로 온돌 문화인 한국과 일본에서는 중량충경음의 비중이 크다고 볼 수 있다. 고층건물에서는 전체 하중을 줄이기 위한 방안으로서 소음방지판을 선호하고 있다. 그러므로 소음방지판의 중요성이 크다고 볼 수 있다.
소음은 두 가지의 음으로 구분되는데 차음과 흡음이 있는데 차음은 식 (1)과 같이 나타난다.
즉, 음의 진동으로 인한 반사후의 통과음(τ)을 나타낸 것이다. 그러므로 재료의 조밀도와 두께, 경도 등에 대한 차이가 나게 된다.
그림 7에서는 흡음에 대한 개년도로서 차음과 대조되며 재료에 음이 들어가서 회절 및 난반사로서 음이 소실되는 이론이다.
식(2)에서 α는 흡음율을 나타내고 Ii는 재료에 대한 입사음과 Ir은 반사음을 나타낸 것이다.
본 실험실에서는 폐타이어 분말과 신(virgin)고무배합물을 혼합하여 조성한 물질을 활용한 고기능성 사용목적에 고무철도침목에 대한 실험실적 연구가 있었다. 미세 폐타이어 분말을 사용하여 폐타이어 분말 함량을 많이 하여 경제성 있는 소음방지판 개발을 하였다.(특허출원제 10-2003-19445)
현재 2004년부터 아파트에 설치 의무화되어(중량충격음: 50 dB, 경량충격음: 58 dB) 삼성물산을 비롯한 여러 기업들이 연구개발 중이며 유일고무(주)가 수년전부터 EVA 발포체를 사용하였으나 2003년 현재 가격 경쟁문제가 대두됨에 따라 연구개발 활동을 삼성물산 및 여러 기업체에서 하고 있다.
본 실험실에서 프론티어 사업으로서 폐기물 자원화 사업단 지원하에 그림 8과 같이 소음방지판 시작품을 제작하여 한국방재연구소에서 기능 시험을 하였다. 그 결과 그림 9와 같이 기준판과 소음방지판을 시공 하였을 경우를 비교한 결과 중량충격음 63 Hz 에서는 7 dB 정도의 차이가 보였고 500 Hz에서는 12 dB의 차이가 나타났다. 경량충격음의 125 Hz에서는 9 dB의 차이가 났으며 2,000 Hz에서는 22.3 dB의 차이가 발생하였다. 그러므로 폐타이어로 소음진동판을 제작하였을 경우에는 음의 전달이 작아짐을 알 수 있는데 낮은 주파수보다는 높은 주파수에 차이가 많이 남을 알 수가 있었다. 그러므로 폐타이어의 표면에서 음을 우선 차단하여 어느 정도 반사한 다음 그림 7(c)와 같이 음의 난반사가 발생한 것으로 생각된다.
기타 응용제품
폐타이어 재활용의 범위는 사용용도와 제품의 개발에 따라 변화가 많지만 본 연구에서는 미세분쇄기를 이용하여 폐타이어를 분쇄를 하였으므로 분쇄에 따른 사용용도를 알아보았다. 표 1에서는 폐고무 분말의 크기에 따른 용도를 나타낸 것인데 입자크기가 비교적 큰 4~10 mesh는 고무아스팔트와 같은 외부에 노출되고 응력이 주로 많이 받는 곳에 사용된다.
폐타이어로 자전거 도로를 만들 경우에는 투수성(1 × 10-3cm/sec) 이상)을 가지고 있어 물이 고이지 않는다. 또한 탄성을 가지고 있어 보행감이 우수하며 ,장시간 보행을 해도 피로감이 없고 안전사고 예방을 할 수 있고 다양한 색상 및 문양 연출이 가능 하다. 그리고 내구성이 뛰어나며, 설치비용이 저렴하며 자전거 바퀴와 마찰력이 높아 안전사고를 예방 할 수 있다는 장점들이 있다.
한국재생공사에서 주로 양산하고 있는 30`~40 mesh는 플라스틱/고무제품에 충전제나 카펫깔개 등에 사용되어진다. 그리고 본 연구에서 분쇄한 40~60 mesh는 좀더 기능이 다양화 되어지고 있는 것을 알 수 있는데 기능성 소재로서의 역할인 브레이크 패드류와 마찰재로서 가능하다.
폐타이어는 자동차 산업에서 발생하며 자동차사에서 회수가 용이하고 또한 생산자책임재활용제도(extended producer responsibility)가 시행되어 회수 및 재활용까지의 범위가 확대됨에 따라 자동차사에서 1차적인 재활용시스템의 도입이 가능하리라 생각된다.
자동차는 타이어, 밸트, 웨드스트립 및 호스 등의 수많은 재료로 구성되어 있으므로 각기 다른 재료와의 분리 분류가 필수적인데 충전제로 사용할 경우 계면간의 접착이 중요한 인자가 됨으로 상용성이 중요하다고 판단된다.
최근 들어 유럽 각국에서는 total recycling 개념의 도입으로 일정비율의 재활용 재료를 사용을 의무화하고 있다. 그러므로 사용용도의 다양화로 재활용율을 높여야 하는데 사용범위로서는 폐타이어 입도가 60~80 mesh 정도에서는 타이어 제조시 충전제로 가능할 것으로 판단된다.
향후 재료의 개발로 인한 신소재 응용분야로서는 TPV(thermo -plastic vulcanize)이 있는데 폐타이어의 상용화기술이 개발되어 진다면 상당히 많은 응용 분야가 될 것이다.
현재 여러 가지 조성의 TPV의 제품개발 연구가 선진국을 중심으로 활발하게 진행 중에 있다. 국내의 자동차 고무부품의 경우 기존의 열경화성 고무제품 일부를 TPV 제품으로 대체하고 있고, 향후 자동차 산업의 환경규제에 대응하기 위한 방안으로 재활용이 용이하면서 성능이 우수한 TPV 재료의 채택이 지속적으로 검토되고 있다.
국내의 경우 SK, LG화학, 호남석유화학, 동일고무벨트 등에서 개발을 하고 있으며 현재는 자체소비에 사용되거나 소량 생산해 판매하고 있는 실정이다. 폐자원을 이용하는 차원에서 재료의 효율성을 높이기 위한 연구가 진행됨에 따라 폐타이어의 수요와 용도가 다양해질 것으로 예상된다. 현재까지는 EPDM(ethylene propylene rubber)과 olefin의 연구가 진행되어 왔지만 폐타이어를 동적가교(dynamic vulcanization)로서 연구가 지속되어진다면 고기능성, 고부가가치의 제품이 가능하리라 생각한다.
결 론
폐타이어의 효율적인 재활용을 위하여 본장에서는 철도차량에 사용되는 바라스트메트(ballast-mat)에 초음파로 개질한 폐타이어의 분말을 사용하여 제품을 제조하여 물성을 조사하였다. 초음파처리 바라스트메트는 기존 사용 중인 바라스트메트 보다 가황특징이 향상되어 20분정도 가류단축이 된 것을 볼 수 있었다.
그러므로 폐타이어 분말의 표면개질이 경제적인 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 고무철도침목에서는 기존 침목재료인 콘크리트 및 목재의 단점을 보완하고자 하였다.
폐타이어 함유가 10 phr인 경우 동역학물성의 상당한 차이가 나는데 이것은 진동흡수가 적게 발생함을 알 수 있다. 이것은 폐타이어 함유의 한계성이 뚜렷이 나타나는 것이므로 5 phr 일때가 이 실험에서는 적정량이라고 판단된다.
그리고 소음방지판에 대하여 실제로 제품을 제작하여 한국방재연구소에서 기능 시험을 하였다. 실험 결과 낮은 주파수보다는 높은 주파수에 차이가 많이 남을 알 수가 있었다. 그러므로 폐타이어의 표면에서 음을 우선 차단하여 어느 정도 반사한 다음 음의 난반사가 발생한 것으로 생각된다.
따라서 본 연구에서는 폐타이어의 초음파를 처리한 다음 제품에 응용한 결과를 나타낸 것이며 물성 및 경제적인 측면에서 효과가 있는 것으로 판단된다.
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