KR20030048499A - 계면활성제를 이용한 발포 폴리스티렌 재활용 효율을 증대한 감용액 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발포 폴리스티렌을 용해하지 않으면서 감용(減容)화하고, 감용 후 겔상의 폴리스티렌에 함유된 감용액의 양을 최소화함으로써 발포 폴리스티렌의 재활용에 있어서 저비용으로 효과적이며 경제적으로 우수한 감용액을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 발포 폴리스티렌의 분자량, 입체 규칙성, 발포효율 등에 따라 달라지는 용해도에 적합하도록 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제와 용해하지 않는 2군의 용제에 비이온 및 음이온 계면활성제를 적절한 비율로 사용 혼합하여 폴리스티렌을 용해 하지 않고 부피만을 감소시키고, 발포 폴리스티렌의 감용 시 감용액의 양을 최소화하는 감용액을 제공하는데 그 특징이 있다.
Description
플라스틱 성형체중에서 발포 폴리스티렌 폐기물은 큰 부피로 재활용 시 과다한 물류비용으로 경제적 채산성 문제를 안고 있으며, 감용 또는 연소, 매립 등의 일반적인 처리 방법이 행해지고 있다. 감용(또는 감용 탈포)처리로서는 열처리법, 열수축법 또는 파쇄법, 용액에 의한 감용법 등이 있다.
열에 의한 감용 후, 고화 시키는 방법은 고온으로 인한 장치의 내구성 및 열에 의한 물성 저하, 이물질 제거 구현 불가능, 고비용, 유해 가스 등의 문제점을 안고 있으며, 파쇄법으로는, 성형폐재를 칼로 파쇄 하기 때문에, 마찰열로 인하여 칼의 열화가 심해지는 문제점이 있다. 용액을 이용하여 용해하거나 감용 하는 방식으로 특개평5-263065호 공보에서, 리모넨을 이용한 용해방식이 소개되었으나, 용액의 고단가 및 낮은 인화성, 자극성 물질이라는 문제점을 안고 있으며, 특개평3-115334호 공보에서도, 합성수지를 용제에 용해 시키고, 얻어진 용해액을 가열하고, 농축하여, 합성수지 성분과 용제를 분리하는 방법이 기재되어 있다. 그렇지만 이 방법 또한 진공펌프를 이용한 고진공의 감압에 의해 용해액 중에 용제를 증발시켜 분리 제거 하는 공정에서 막대한 열에너지를 필요로 하고, 또한 처리에 장시간이 소요된다는 문제점을 안고 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 감안하여 연구 노력한 결과, 열감용에 의한 물성·기계적 강도 저하의 문제 및 용액을 이용한 감용 시의 막대한열에너지 손실, 용해액상의 용액제거 시 Fouling현상, 지속적인 사용으로 인한 감용 성능저하 등의 문제를 해결하고자 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제 50~99중량%와 용해하지 않는 2군의 용제 1~50중량%의 혼합액에 비이온 및 음이온 계면활성제를 0.1~30중량% 사용 혼합하여 다양한 밀도를 가지는 발포 폴리스티렌에 적용 시 용해하지 않고 부피만을 감소시켜, 감용 시 발포 폴리스티렌과 감용에 필요한 감용액의 비를 최소화하고, 감용 후 감용액 속에 용해된 폴리스티렌 양을 최소화하여, 이로부터 감용액의 제거 시 에너지의 소비를 최소화 시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따라 제조된 감용제에 의한, 폴리스티렌의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 따라 제조된 감용제에 의한, 폴리스티렌 감용 시 겔상의 폴리스티렌이 함유하는 감용액의 함량을 나타낸 그래프이다.
<그래프의 부호 설명>
X축의 1 : 실시예 1에 의해 제조된 감용액
2 : 실시예 2에 의해 제조된 감용액
3 : 실시예 3에 의해 제조된 감용액
4 : 실시예 4에 의해 제조된 감용액
5 : 비교예 1에 의해 제조된 감용액
6 : 비교예 2에 의해 제조된 감용액
7 : 비교예3에 의해 제조된 감용액
본 발명은 발포 폴리스티렌의 분자량, 입체 규칙성, 발포효율 등에 따라 달라지는 용해도에 적합하도록 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제와 용해하지 않는 2군의 용제를 혼합한 후 폴리스티렌과 용제 혼합물간의 표면에너지를 조절해 주는 계면활성제를 적절한 비율로 사용 혼합하여 용해되지 않고 부피만을 감소시키는 감용액을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이때, 투입되는 계면활성제의 농도 조절에 의해 다양한 용도별 폴리스티렌에 적용할 수 있는 효율적인 감용액을 개발한다. 계면활성제는 서로 특성이 다른 1군의 용제와 2군의 용제간의 상용성을 양호하게 하여 저장 특성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.
또한 감용 된 폴리스티렌 겔이 함유하는 감용액의 양을 최소화함으로써 발포 폴리스티렌의 재활용에 있어서 효율적이며 경제적으로 우수한 감용액을 제조하는방법에 그 특징이 있다.
이러한 특징을 정량화하기 위해서는 다음과 같은 용해도 및 함용도 두개의 변수 정의가 필요하다.
< 식 1 >
상기 S는 감용액 속에 용해된 폴리스티렌의 양을 백분율로 나타낸 것으로 용해도라고 한다. 여기서 L은 감용 후 감용액 속에 용해된 폴리스티렌의 무게이고, P는 감용 전의 발포 폴리스티렌의 무게이다.
< 식 2 >
상기 R은 감용 시 폴리스티렌과 감용에 필요한 감용액의 비를 나타낸 것 즉, 감용 된 겔상의 폴리스티렌이 함유하고 있는 감용액 비교량을 나타낸 것으로 함용도라고 한다. 여기서 F는 감용액 및 여기에 포함된 폴리스티렌인 겔의 무게이고, P는 감용 전의 발포 폴리스티렌의 무게이다.
이와 같은 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 발포 폴리스티렌을 용해 시키지 않으면서 내부의 공기층만을 제거하여 부피만을 줄여 재활용함으로써 용액재활용 시 문제가 되는 상기 식1의 용해도를 낮추고, 함유된 감용액의 양을 줄임으로서 식2로 설명되어지는 함용도를 낮추기위해 계면활성제를 사용하여 분자량, 입체 규칙성, 발포효율 등에 따라 달라지는 용해도에 적합하도록 1군과 2군의 용제를 완벽하게 혼합하여 상용성이 우수한 감용액을 제조함으로써 발포 폴리스티렌 재활용에 적용할 수 있었다. 상기 발포 폴리스티렌을 재활용하기 위한 감용액 제조 시 사용되는 비이온 계면활성제로는 알킬 및 알킬아릴폴리옥시에틸렌에테르, 알킬아릴포름알데히드 축합 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리옥시프로필렌을 친유기로 하는 블록고분자, 글리세린에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 솔비탄 에스테르의 폴리 옥시에틸렌에테르, 솔비톨 에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르 솔비탄에스테르, 프로필렌글리콜에스테르, 슈가에스테르 등의 계면활성제가 적용가능하며 그 중에서 폴리에틸렌글리콜류, 노닐 페놀류가 가장 바람직한 것으로 나타났다.
음이온 계면활성제로는 카르복시산염, 슬폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염 등이 적용가능하며 상기 비이온 및 음이온 계면활성제를 하나 혹은 그 이상 선택적으로 혼합 사용하여 1군과 2군 용제의 적절한 조성변화를 가능하게 하여 용해도를 조절 하였다.
또한 상기 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제로는 디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트, 디이소 부틸레이트류 등의 diester류를 사용하였고 발포 폴리스티렌을 용해하지 않는 2군의 용제로는 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 부칠디글리콜, 메칠디글리콜 등의 글리콜류를 사용하였다.
이하 본 발명을 다음 실시예를 기재하여 더욱 상세히 설명하는바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 >
디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트 등을 1군의 용제로 하고 각각 42.0g, 118.0g, 40.0g을 삼각 플라스크에 넣고 상온에서 30분간 격렬히 교반 시킨다. 그리고 2군의 용제 중에서 에틸렌 글리콜을 37.0g 넣고 격렬히 교반 시킨다. 이때 혼합이 되지않아 탁한 용액이 만들어지게 되는데, 이를 완벽하게 혼합하기 위하여 비이온 계면활성제인 폴리에틸렌글리콜을 뷰렛에 약 50ml 가량 채우고 적정을 해준다. 용액이 완전히 투명해질 때까지 적정을 하고 적정이 끝나면 상온에서 약 2시간 가량 격렬히 교반 시켜 발포 폴리스티렌 재활용을 위한 감용액을 제조하였다.
< 실시예 2 >
디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트 등을 1군의 용제로 하고 각각 40.0g, 120.0g, 40.0g을 삼각 플라스크에 넣고 상온에서 30분간 격렬히 교반 시킨다. 그리고 2군의 용제 중에 에틸렌 글리콜을 20.0g 넣고 격렬히 교반 시킨다. 이외에 모든 실험 조건을 상기 실시예 1과 같이하여 발포 폴리스티렌 재활용을 위한 감용액 제조하였다.
< 실시예 3 >
디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트 등을 1군의 용제로 하고 각각 40.0g, 116.0g, 44.0g을 삼각 플라스크에 넣고 상온에서 30분간 격렬히 교반 시킨다. 그리고 2군의 용제 중에 에틸렌 글리콜을 10.0g 넣고 격렬히 교반 시킨다. 이외에 모든 실험 조건을 상기 실시예 1과 같이하여 발포 폴리스티렌재활용을 위한 감용액 제조하였다.
< 실시예 4 >
혼합하는 모든 화합물간의 상용성을 증가 시키기 위하여 디알킬 설포썩시네이트 계열의 음이온 계면활성제를 사용한 것 이외에는 모든 실험조건을 상기 실시예 1과 같이하여 발포 폴리스티렌 재활용을 위한 감용액 제조하였다.
< 비교예 1 >
혼합하는 모든 화합물간의 상용성을 증가 시키기 위하여 첨가되는 비이온 계면활성제인 폴리에틸렌글리콜을 적정하지 않는 것 이외에는 모든 실험 조건을 상기 실시예 1과 같이 하여 발포 폴리스티렌 감용액을 제조하였다.
< 비교예 2 >
디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트 등을 1군의 용제로 하고 각각 40.0g, 116.0g, 44.0g을 삼각 플라스크에 넣고 상온에서 30분간 격렬히 교반 시킨다. 그리고 2군의 용제 중에 에틸렌 글리콜을 10.0g 넣고 격렬히 교반 시켜 발포 폴리스티렌 재활용을 위한 감용액 제조하였다.
< 비교예 3 >
디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트 등을 1군의 용제로 하고 각각 42.0g, 118.0g, 40.0g을 삼각 플라스크에 넣고 상온에서 30분간 격렬히 교반 시킨다. 그리고 2군의 용제 중에 에틸렌 글리콜을 6.0g 넣고 격렬히 교반시켜 발포 폴리스티렌 재활용을 위한 감용액을 제조하였다.
상기 실시예 1, 2, 3, 4와 비교예 1, 2, 3에서 제조된 발포 폴리스티렌 감용액을 1000ml 비이커에 200ml씩 담고 각각의 종류별 발포 폴리스티렌 15g을 감용 시킨다.(각 폴리스티렌의 종류별 밀도 : 0.054, 0.041, 0.024, 0.013g/㎤) 감용된 발포 폴리스티렌의 무게를 측정하고 상기 식2를 이용하여 함용도를 구한다. 그리고 1000ml 비이커에 메탄올 600ml 채우고 발포 폴리스티렌을 감용 시켰던 감용액 100ml를 첨가하여 백색 침전을 생성시킨다. 백색 침전물인 폴리스티렌을 거름종이에 여과하여 채취한 후 80℃ Oven에서 24시간 건조 시켜 메탄올을 제거하고 남은 백색 분말의 폴리스티렌을 전자저울을 사용하여 무게를 측정하고 식1을 이용하여 감용액에 따른 폴리스티렌 용해도를 얻는다.
상기에서 계산된 함용도와 용해도로서 각각의 발포 폴리스티렌 감용액 성능을 평가해 본 결과를 다음 도1, 도2에 나타내었다. 계면활성제를 사용하여 1군과 2군의 용액 조성 변화를 조절한 발포 폴리스티렌 감용액은 그렇지 않은 경우, 즉 계면활성제의 사용 없이 diester류 및 glycol류 등의 혼합을 통해 제조되었던 발포 폴리스티렌 감용액에 비해 함용도와 용해도 감소 효과를 나타내었다. 그 결과 10%에 가까웠던 용해도를 0%에 가깝게 감소시켜 감용액의 성능저하 및 감용액 재활용 시 증류탑에서의 Fouling 문제를 해결할 수 있었다. 또한 폴리스티렌 단위무게당 함유하는 감용액 함유량을 약 3배가량 감소시킴으로써 발포 폴리스티렌 1g당 감용액 사용량을 1이하로 줄이고, 감용된 폴리스티렌에서 감용액 제거 시 에너지 효율적인 측면에서 우수한 결과를 나타내었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 연구 개발된 발포 폴리스티렌 재활용 감용액은 비이온 및 음이온 계면활성제를 사용으로 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군 용제와 발포 폴리스티렌을 용해하지 않는 2군 용제의 적절한 조성비 혼합을 가능하게 하였다. 따라서 상기와 같은 연구 결과로 폴리스티렌의 분자량, 입체 규칙성, 발포효율 등에 따라 달라지는 용해도를 고려하여 발포 폴리스티렌 재활용 감용액을 제조함에 따라 용해도를 낮춰 감용액의 성능 저하 방지 및 감용액 재활용을 위한 재생(증류)공정에서 발생하는 막대한 열에너지 손실 및 Fouling 현상 방지, 동절기 용액의 분리 및 불투명 현상 방지, 용액의 저장 안정성을 높일 수 있게 하였다. 또한 감용된 폴리스티렌에서 감용액의 함용도를 낮춤으로서 감용액의 절대사용량을 줄여서 감용액 제거 및 재활용 시 높은 경제적 효과가 있다.
Claims (4)
- 분자량, 입체 규칙성, 발포효율 등이 다른 각각의 발포 폴리스티렌에 적용 시 용해하지 않고 부피만을 감소시켜, 감용 시 발포 폴리스티렌과 감용에 필요한 감용액의 비인 함용도가 1이하이며, 감용 후 감용액 속에 용해된 폴리스티렌과 감용 전 폴리스티렌의 무게비인 용해도가 1%이하가 되도록 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제 50~99중량%와 용해하지 않는 2군의 용제 1~50중량%의 혼합액에 비이온 및 음이온 계면활성제를 0.1~30중량% 사용 혼합하여 이루어지는 발포 폴리스티렌의 감용액 .
- 제1항에 있어서 비이온 계면활성제로 사용하는 것은 폴리에틸렌글리콜류, 노닐 페놀류가 바람직하고, 그 밖에 알킬 및 알킬아릴폴리옥시에틸렌에테르, 알킬아릴포름알데히드축합 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리옥시프로필렌을 친유기로 하는 블록폴리머, 글리세린에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 솔비탄 에스테르의 폴리 옥시에틸렌에테르, 솔비톨 에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르, 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르 솔비탄에스테르, 프로필렌글리콜에스테르, 슈가에스테르 등이 있으며, 음이온 계면활성제로는 카르복시산염, 슬폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염을 의미하는데, 이들 중 하나를 선택적으로 사용하거나 혹은 2종류 이상 선택적으로 사용 혼합 시켜 1군과 2군 용제의 적절한 조성변화를 가능하게 하여 제조한 발포 폴리스티렌 재활용 감용액.
- 제1항에 있어서, 발포 폴리스티렌을 용해하는 1군의 용제는 디메틸 아디페이트, 디메틸 글루탈레이트, 디메틸 썩시네이트, 디이소부틸레이트류 등의 diester류의 용제를 의미하는데, 이들 중 하나를 선택적으로 사용하거나 혹은 그 이상 선택적으로 혼합 시켜 제조되어지는 발포 폴리스티렌 재활용 감용액.
- 제1항에 있어서, 발포 폴리스티렌을 용해하는 2군의 용제는 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 부칠디글리콜, 메칠디글리콜 등의 글리콜류의 용제를 의미하는데, 이들 중 하나를 선택적으로 사용하거나 혹은 이들을 2종류 이상 선택적으로 혼합 시켜 제조되어지는 발포 폴리스티렌 재활용 감용액.
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