KR20200033508A

KR20200033508A - 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법과 회수된 재생 폴리스틸렌

Info

Publication number: KR20200033508A
Application number: KR1020180112852A
Authority: KR
Inventors: 장태선; 최명재; 박정현; 박지훈; 허일정
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-30
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: KR102149904B1

Abstract

본 발명은 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법과 회수된 재생 폴리스틸렌에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 특정 성분의 용매 처리와 층 분리를 통해 간단하고 경제적인 공정으로 폴리스틸렌을 회수는 방법과 이렇게 하여 제조되는 준난연성과 차별화된 물성을 가지는 재생 폴리스틸렌에 관한 것이다.

Description

난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법과 회수된 재생 폴리스틸렌{A method for recovering polystyrene from waste expandable polystyrene with flame retardant by conventional chemical process and the recovered polystyrene}

폴리스틸렌은 물성 자체가 가지는 물리 화학적 및 전기적 특성으로 인해 성형하기가 용이하고 단열성이 크므로 건물 내장재 또는 포장재로 사용되기도 하며, 발포제를 첨가하여 제조되는 발포소재로서 가볍고 전기적 특성이 우수하여, 사출 성형 등의 방법으로 다양한 제품에 널리 응용되고 있다.

이러한 폴리스틸렌은 다양한 장치나 장치, 생활용품 등의 소재로서 널리 활용되고 있는 목재 또는 금속의 대체물로서 이용되기도 하지만, 발포 처리에 의해 제조된 발포 폴리스틸렌(expandable polystyrene, EPS)은 단열재, 완충재, 보온재, 식품용기, 포장용 소재 등으로서 매우 다양하게 대량으로 사용되고 있는 실정이다.

이와 같이, 발포 폴리스틸렌은 단열성능과 충격 안정성이 좋고 부피가 크지만 가벼운 특성 등으로 인하여 여러 방법과 형태로 건축 단열재료, 포장재료 또는 양식자의 부표 등의 제품에 다양하게 사용되고 있다. 발포 폴리스틸렌은 증기열을 가하면 쉽게 발포하며, 수차례 발포작업을 거쳐 원재로 대비 약 100배 정도까지 발포할 수 있으며, 건축용 단열재료로는 40배 정도의 발포가 적당한 수준으로 보고되고 있다.

그런데, 이러한 발포 폴리스틸렌의 경우 발포제의 사용에 따라 상당한 부피 증가가 되어 활용도가 높아짐에 따라 시장의 용도가 많아졌지만, 화학제품이나 열에 민감하여 연소되기 쉽고 검은 연기와 함께 심각한 사고로 이어질 수 있는 단점이 있다. 이에 따라, 헥사브로모시클로도데칸(HBCD)와 같은 브롬 및 할로겐계 화합물 등 또는 인 또는 탄소계 무기물을 첨가하여 연소성을 낮추는 목적으로 난연성을 추가한 발포 폴리스틸렌 제품이 시장제품으로 판매되고 있다. (한국특허공개 제10-2015-0096648호)

특히, 건축 및 포장재 시장에서도 가성비 측면에서 대체품을 확보하기가 어렵기 때문에 열에 강하고 화재 취약성을 향상시키기 위하여 난연 물질로 표면을 코팅하거나 무기계 난연 물질 등을 사용하거나 양면에 알루미늄을 부착하는 스티로폴 판넬 구조로 제품화하기도 한다.

발포 폴리스틸렌에 적용되는 난연성을 증가시키는 물질로서는 예컨대 인계 난연제 및 유기물 난연제와 다양한 무기물계 난연 코팅 제품 등이 시판되고 있으며, 무기물계 난연제 및 EPS와의 바인더 성능을 부여하기 위한 고분자 수지로 구성된 난연액을 구입하여 EPS 표면을 코팅하여 난연성을 부여하고 있다.

이러한 난연화 공정에서 사용되고 있는 친환경 난연제로 활성탄 및 활성탄 함유 무기물을 코팅 처리하는 제품들은 표면이 검은 색으로 변하고 부분적인 감용이 수반되어 사용 이후에는 불규칙한 덩어리 형태의 폐기물로 수집되고 있다.

특히, 분말상 활성탄을 EPS 마스터 배치에 혼합 가공하여 제조하는 공정에서의 스크랩 및 사용 후 폐기된 난연 EPS 제품 등은 부피를 줄이는 감용처리를 시행하여 잉고트(Ingot)로 보관하고 있는 실정이다.

일반적으로 폴리스틸렌을 비롯한 플라스틱은 자연의 환경 조건에 안정적인 화학적 특성을 가지고 있고 물에 불용성이므로, 공기 중의 산소에 의해 침범되지 않고, 더구나 지상에 서식하고 있는 미생물 등에 의해 다른 물질로 변환되지도 않으며, 자연 상태에서는 오랜 기간 분해되지도 않아서 이를 처리하는 것이 환경적으로 매우 중요한 이슈가 되고 있다.

따라서 대량으로 폐기되어 배출되는 난연성 발포 폴리스틸렌 등의 플라스틱류는 폐기 처리상에서 큰 문제를 야기하게 된다.

종래의 폴리스틸렌 폐자원의 처리 방법으로서는 예를 들면 물리적으로 작게 분쇄하는 방법과 소각하는 방법 등이 있으나, 어느 방법이든지 새로운 2차적인 환경오염의 원인이 되고 있어서 심각한 사회적 비용이 수반되고 있다.

그러므로 발포 폴리스틸렌은 상기와 같이 넓은 응용범위로 인하여 그만큼 처분되어야 하는 폐기물의 발생하는 비율도 당연히 증가되고 있다. 이렇게 발포 폴리스틸렌의 폐자원 처리 비율이 높아진 것은, 특히 매일 다량으로 필요하게 되는 식료품에 사용된 포장 재료나 각종 생활용품 등에 적용된 제품 등과 같이 일상에서 많은 형태로 사용된 후 폐기 되기 때문이다.

이와 같이, 사용하고 난 후의 폐자원으로 남겨지는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌의 경우 그 부피의 문제나 화학적 성질의 문제로 인해 폐자원 활용을 위한 다양한 해결책이 제기되고 있다.

그 예로서, 한국등록특허 제10-1237744호에서는 스티렌모노머 회수장치 및 회수방법에 대해 제안하고 있으며, 한국특허공개 제2010-0134489호에서는 복합용매로서 MADE (Mixed Aliphatic Dimethyl Esters)를 사용하여 화학적 열분해를 통해 폐자원으로부터 폴리스틸렌을 분리하는 방법을 제안하고 있다.

또한, 일본특허공개 제2002-348040호에서는 스티로폴 재활용 시스템 장치를 제안하면서 용매를 이용하여 폐 발포 폴리스틸렌을 회수하는 방법을 제안하고 있으며, 일본특허공개 제2001-131334호에서는 난연제를 함유하는 폐 EPS수지를 리모넨 등의 유기 용제에 용해시키고 용해액에 저급 알콕사이드, 산화마그네슘 및/또는 산화알루미늄을 함유하는 흡착제, 활성탄에서 선택되는 적어도 1종을 첨가함으로써 상기 난연제를 흡착 제거한 후, 스티롤 수지를 분리 회수하는 것을 특징으로 하는 스티롤수지 폐재의 재활용 방법에 관하여 제안하고 있다.

그러나 이러한 종래의 회수방법으로 폴리스틸렌을 회수하는 경우 대개 특정 용매처리로 회수하는 것이지만, 특정 용매의 비용이 과다하게 소요되거나 용매회수율이 낮아 비경제적이고 산업적으로 널리 활용되는 데는 한계가 있다.

한국등록특허 제10-1237744호 한국특허공개 제2010-0134489호 일본특허공개 제2002-348040호 일본특허공개 제2001-131334호

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 난연성분이 함유된 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 종래에 비해 간단하고 경제적인 방법으로 폴리스틸렌을 회수하여 유용하게 사용하도록 하는 것을 해결과제로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 용매처리 및 상분리 방법을 이용하여 간단하게 폴리스틸렌을 분리하는 폴리스틸렌의 회수방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 분리되어 회수되고, 특정 조건으로 난연성분이 함유되어 개선된 물성을 가지는 고품질의 재생 폴리스틸렌을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같이 회수된 재생 폴리스틸렌에 별도의 난연성을 부여하지 않으면서도 상당한 수준의 난연성이 있는 상태의 재생 자원으로 재활용 가능하도록 회수하여, 난연성 요구가 높지 않은 수요 시장에서 유용한 물성의 준난연성과 밀도나 장력 등의 물성에서 차별화된 물성을 가지는 재생 폴리스틸렌을 제공하는데 있다.

위와 같은 과제 해결을 위하여, 본 발명은 난연성의 폐 발포 폴리스틸렌을 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 혼합 용매에 넣고 용해시키는 용해단계; 상기 용해단계에서 금속염을 가하여 비수용성 유기용매층과 수용성 용매층의 층분리를 통해 상분리를 유도하는 단계; 비수용성 유기용매층을 분리하여 폴리스틸렌을 회수하는 단계를 포함하는, 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 회수된 것이고, 유기계, 무기계 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 난연성분을 0.01-5중량% 함유하되, 상기 난연성분이 폴리스틸렌의 표면에 코팅된 형태로 균일하게 분포하며, 인화점이 365-370℃인 것을 특징으로 하는 재생 폴리스틸렌을 제공한다.

본 발명에 따르면, 폐자원으로 처리에 과다한 비용이 소요되는 폐 발포 폴리스틸렌을 간단하게 분리하여 회수하고 물성이 우수한 재생 폴리스틸렌으로 제조하여 재활용함으로서 기존에 비해 매우 경제적으로 폐 발포 폴리스틸렌을 회수할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 기존의 발포 ?리스틸렌의 어떤 회수 공정에 비해서도 매우 우수한 회수율을 얻을 수 있으므로 이런 점에서도 매우 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따라 폐자원으로부터 제조된 재생 폴리스틸렌은 그 물성적 측면에서 기존의 폴리스틸렌에 비해 우수하고, 저비용으로 회수된 재생품임에도 불구하고 난연성과 물성이 기존의 폴리스틸렌에 비하여 우수하므로, 포장재료 등에의 시장 용도로 적합하여 포장 소재용이나, 준난연성 소재용의 난연성 폴리스틸렌으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

그 뿐만 아니라, 본 발명의 폐자원 활용기술에 의하면, 폐 발포 폴리스틸렌의 회수에 사용된 용매를 용이하게 재활용하여 다시 사용할 수 있으므로 자원 낭비를 줄이고 용매로 인한 2차적 오염도 줄일 수 있으므로 친환경적으로 적용이 가능한 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리스틸렌의 회수공정에서 수용성 용매로 물을 기반으로 할 때, 난연성 폐 EPS의 재생에 사용 가능한 비수용성 유기용매를 도면상으로 예시한 것이다. 도 1의 빨간색은 수용성 용매로 물이 사용되었을 때, 사용 가능한 유기용매를 표시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 재생 폴리스틸렌의 회수 과정에서 용매에 의한 층 분리 상태를 보여주는 사진이다.

이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 사용 후 폐기처분하거나 일부에서 고비용으로 재활용하고 있는 폐 발포 폴리스틸렌(EPS)을 경제적인 방법으로 재활용할 수 있도록 하는 폴리스틸렌의 회수방법과 저급 난연 EPS제품으로 가공하여 광범위하게 활용이 가능한 재생 폴리스틸렌에 관한 것이다.

본 발명에서 발포 폴리스틸렌(EPS)이라 함은 폴리스틸렌의 발포 과정에서 난연제로 표면코팅을 하여 난연성을 부여한 난연 스티로폼으로 불리는 것이다.

본 발명에서 사용되는 폐 발포 폴리스틸렌은 각종 산업분야에서 사용되는 난연성 성형물을 포함하는 것으로서, 단열재, 보온재, 식품용기, 완충용 소재, 부유용 성형물, 포장재 등에 사용된 모든 발포 폴리스틸렌을 사용한 이후에 버려지는 폐기 자원을 포함한다.

본 발명에서 폐 발포 폴리스틸렌에 함유된 난연성분으로서는 유기계 난연제나 무기계 난연성분 또는 이들의 혼합물을 모두 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 폐자원으로 수집된 페 발포 폴리스틸렌을 이용하여 본 발명에 적용하기 위해서는 통상적으로는 발포 ?리스틸렌에 부착된 금속소재, 다른 이질의 플라스틱소재, 섬유소재, 목재, 끈이나 줄 등 이물질을 모두 제거하고, 물리적으로 단순하게 파쇄하여 폴리스틸렌의 회수를 위해 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 이물질이 제거된 난연성의 폐 발포 폴리스틸렌을 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 혼합 용매에 넣고 용해시키는 용해단계를 거친다.

본 발명에서 폐자원으로 활용하는 난연성 발포 폴리스틸렌에는 일부 난연성이 부여되지 않은 폐 발포 폴리스틸렌이 포함될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 이러한 폐 발포 폴리스틸렌은 상기와 같은 혼합용매에 넣어 폴리스틸렌을 용해시키게 되는데, 이때 사용되는 유기용매는 탄화수소의 용해성이 높고 분리 회수가 용이하며 비교적 가격이 저렴하고 증기압이 낮은 물성을 가지는 보편적인 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 다만, 이러한 유기용매는 회수과정에서 수용성 용매와의 상 분리가 용이하게 이루어지도록 하기 위해 비수용성인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 사용 및 공급이 용이한 수용성 용매인 물을 기반으로 폐 EPS의 재생에 사용 가능한 비수용성 유기용매는 하기 도 1에 표시한 바와 같이 예시될 수 있다. 도 1에서 빨간색으로 표시된 성분은 수용성 용매로 물이 사용되었을 때, 사용 가능한 유기용매를 나타낸 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 바람직한 비수용성 유기용매로서는 예컨대, 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 크실렌 중에서 선택된 하나 이상이 포함된 용매가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 톨루엔과 한 종의 유기용매 단독 또는 그 이상의 혼합 유기용매를 혼합하여 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 톨루엔을 단독사용하거나, 톨루엔과 에틸벤젠 및 크실렌을 혼합하여 사용하는 경우이다. 여기서 톨루엔과 에틸벤젠 및 크실렌을 혼합하는 경우 통상적으로는 그 혼합비율을 특정하지 않으며 대개 톨루엔을 과량 혼합하는 것이 바람직하고, 예컨대, 에틸벤젠 : 톨루엔 : 크실렌이 1-10 : 90 : 1-10의 용적 비율로 혼합된 것을 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 폐자원으로 활용되는 난연성의 폐 발포 폴리스틸렌에는 난연성분이 혼합되어 있는바, 이러한 난연성분의 예로서는 팽창흑연, 활성탄 등이 함유된 난연액이 사용될 수 있다. 이러한 난연성분을 사용하는 경우 난연액에는 폴리스틸렌에 난연성분이 부착 유지되도록 하기 위해 일반적으로는 수용성 바인더 물질이 사용되며, 그 바인더로서는 예컨대 수용성 아크릴 수지, 수용성 셀룰로오스, 글리세린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 피롤리돈, 수용성 폴리 비닐부티랄 등이 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 발포 폴리스틸렌을 제조하는 과정에서 사용된 난연액의 구성성분인 팽창흑연과 바인더로 사용된 수용성 아크릴수지 등이 포함되어 있는 난연성분을 폐자원으로부터 분리하여 제거하는 것이 필요하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 난연성분이 함유된 폐 발포 폴리스틸렌에 대하여 폴리스틸렌의 용해와 더불어서 비수용성 유기용매에 용해되지 않는 난연 성분을 별도의 수용성 용매로 용해시키기 위하여 수용성 용매를 사용한다.

그러므로 본 발명에서는 상기 유기용매로 폴리스틸렌을 용해시키는 한편, 이와 더불어서 수용성 용매를 혼합하여 난연성분이 수용성 용매에 의해 용해되어 분리될 수 있도록 처리하는 것을 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 수용성 바인더의 용해에 사용될 수 있는 대표적인 용매로는 물이 사용될 수 있으며, 그 외에도 수산화기를 갖는 알코올류도 사용될 수 있다. 바람직하게는 에탄올 등이 사용될 수 있다. 다만, 알코올류의 사용을 위해서는 수용성 및 비수용성 층분리를 위한 적합한 용매의 선정이 필요하다. 이러한 알코올류의 예로서는 탄소수 2-4의 저급 알코올류 등을 들 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 혼합비율은 1 : 0.5-1.5의 부피비율, 더욱 바람직하게는 1 : 0.7-1.2의 부피비율로 혼합하여 사용할 수 있는 바. 만일 비수용성 유기용매의 사용량이 너무 과다하면 난연성분의 제거가 잘 이루어지지 않아서 난연 특성과 투습계수가 향상되지만 충격완화 특성이나 보온성이 저하되는 등 재생 폴리스틸렌의 물성이 현저하게 저하되는 문제가 있고, 비수용성 유기용매의 사용량이 너무 적으면, 폴리스틸렌의 회수율이 너무 적어서 경제성이 없고 역시 물성도 저하되는 문제가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 혼합용매의 전체 사용량은 폐 발포 폴리스틸렌의 100g에 대해 1.5-3리터의 비율로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 난연성 폐 발포 폴리스틸렌의 경우 이물질이 제거되기는 하였으나 여전히 미세한 이물질은 잔류하는 경우가 많으므로, 상기와 같은 비수용성 유기용매와 수용성 용매를 혼합하여 사용한다고 하더라도 용이하게 용해효과를 얻기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 폐 발포 폴리스틸렌에 함유되어 있는 각종 이물질을 별도 전처리 및 세척하는 과정 없이, 직접 용해시킴으로 인해 용이하게 제거할 수 있는 방법을 개발하는 것이 중요한 과제가 될 수 있다.

본 발명에서는 이러한 미지의 이물질로 인해 비수용성 유기용매층과 수용성 용매층의 분리과정에서 제3의 층이 형성되면서 상분리가 느리게 일어날 수 있다는 사실을 발견하여 이러한 문제를 해결하기 위한 별도의 수단을 마련하는 것이 필요함을 알게 되었다.

그러므로 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 용해단계에서 금속염을 가하여 유기용매층과 수용액층의 층분리를 통해 상분리를 유도하는 단계를 거치는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같이 폐 발포 폴리스틸렌에 함유된 미지의 이물질을 용이하게 제거하기 위해서 수용성 용매층으로 분리되는 수용상의 비중 변화를 위해 소량의 금속염을 추가하여 비수용성 유기용매층과 수용성 용매층 사이의 상분리를 빠르게 유도하도록 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 상 분리를 유도, 촉진하기 위한 금속염으로서는 예컨대 NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂ 등이 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는 NaCl이 용이하고 경제적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 금속염의 경우 전체 혼합용매 100중량부에 대해 0.1-5중량부로 혼합하여 사용할 수 있다. 만일 금속염이 사용량이 과다하면 회수되는 폴리스틸렌의 물성에 악영향을 줄 염려가 있으며, 금속염을 사용하지 않는 경우에는 상분리에 시간이 과다하게 소요되거나 상분리가 잘 이루어지지 않는 등의 문제로 인해 폴리스틸렌의 회수율이 현저하게 저하되는 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 혼합용매와 금속염이 혼합된 조건에서 상온 내지 40℃에서 30-80 rpm으로 교반하면서 20-60분 용해시키면 상분리가 쉽게 일어날 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같이 상분리가 일어나게 되면, 상층에는 비수용성 유기용매층이 형성되고 하부에는 수용성 용매층이 형성되어 뚜렷한 상분리 일어나며, 이러한 상분리는 금속염의 사용으로 인해 신속하고 더욱 분명하게 분리 가능한 형태로 이루어질 수 있는 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상분리가 일어난 비수용성 유기용매층에는 폴리스틸렌 성분이 용해되어 고분자 형태로 분리되고, 수용성 용매층에는 난연성분인 팽창흑연이나 수용성 아크릴 수지 등이 용해되어 분리된 형태로 존재하게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 유기 용매 대비 수용성 용매의 비율을 높게 하면, 수용성 용매 내에 포함되어 있는 총 탄소의 양이 증가하고, 반대로 수용성 용매와 비수용성 유기용매의 비율을 낮게 하면, 총 탄소의 양이 감소한다. 따라서 수용성 용매와 비수용성 유기용매의 비율을 달리하여 폐 EPS내의 난연제 물질의 양을 조절이 가능하며, 사용처에 맞게 폐 EPS를 재생 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 비수용성 유기용매층을 분리하여 폴리스틸렌을 회수하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상분리된 비수용성 유기용매층과 수용성 용매층의 분리는 예컨대 분별깔대기를 이용하여 분리할 수 있다.

본 발명의 일 구현예로서, 상기와 같이 분리된 비수용성 유기용매층에서 폴리스틸렌 성분을 회수하고 유기용매를 재사용할 목적으로 분리하기 위해서는 예컨대 30-50°C, 70-150 mbar의 조건에서 감압증류기를 사용하여 사용된 유기용매를 제거하고 비수용성 유기용매층에 용해되어 있는 발포 폴리스틸렌을 겔 형태의 고분자를 회수할 수 있다.

본 발명의 회수 방법에 의하면, 난연성의 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 매우 높은 회수율로 겔 형태의 고분자를 회수할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이렇게 회수된 겔 형태의 고분자는 건조한 다음 다시 압출기를 통해 압출하여 최종 재생 폴리스틸렌으로 재생될 수 있다.

본 발명의 바람직한 회수방법에 의하면, 이렇게 얻어진 재생 폴리스틸렌은 재생 과정을 거치는 동안 난연성분이 특정 조건으로 존재하도록 재생이 이루어지므로 일반 폴리스틸렌과 비교하여 준난연성 특성이 향상되고, 기계적 특성은 유사한 형태의 차별화된 재생 폴리스틸렌으로 제조 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 회수된 재생 폴리스틸렌은 예컨대 유동상 케이크 형태로 얻어질 수 있는데, 이러한 재생 폴리스틸렌의 경우 밀도, 열전도율, 압축강도, 연소성, 투습계수 등의 물리적 특성은 재생제품이 아닌 신제품과 유사하지만 난연성 폐 발포 폴리스틸렌 제품에서 회수한 crude 제품이므로 신생 제품의 난연성 폴리스틸렌 제품과도 물성이 다르고, 난연성이 부여되지 않는 발포 폴리스틸렌의 물성과도 다른 특성을 가지는 준난연성의 재생 폴리스틸렌으로 제조될 수 있다.

특히, 본 발명에 따라 제조된 재생 폴리스틸렌의 경우 난연성이 부여되지 않은 일반적인 신생 발포 폴리스틸렌 제품에 비해 우수한 난연성을 가지며, 다른 물성에서도 보다 강한 강도 등으로 인해 신생 제품에 비해 오히려 고기능성의 폴리스틸렌으로 사용될 수 있는 것이다.

본 발명에 따라 회수하여 제조된 재생 폴리스틸렌은 바람직하게는 인화점이 365-370℃인 것으로 제조될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 회수하여 제조된 재생 폴리스틸렌은 밀도가 10-1000 kg/m³이고 더욱 바람직하게는 400~640 kg/m³이고, 장력(tensile strength)이 40-70 MPa, 더욱 바람직하게는 45~60 kg/cm²인 물성을 가지는 것으로 제조될 수 있으며, 이러한 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌은 밀도가 기존의 신생 제품과 유사하며 장력도 역시 강한 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 공정으로 회수한 재생 폴리스틸렌은 상당 수준의 난연성도 있는 동시에, 상기와 같은 다른 여러 물성을 향상시키는 효과도 얻을 수 있다는 놀라운 결과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 재생 폴리스틸렌의 난연성은 5개의 시험체의 모서리를 5초간 촛불로 가열한 뒤 불꽃이 시험체에 남아있는 잔염시간으로 측정하는 연소성 시험인 KS M3808기준에 따라 수행한 연소성 시험에서 잔염을 남기지 않고 약 1.7-2.5초 이내, 바람직하게는 1.78초 이내에 불꽃이 꺼지는 난연성을 가지는 준난연성 제품으로 제조될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌의 난연성은 기존의 일반적인 난연성 발포 폴리스틸렌이 동일 조건에서 약 1.5초 내에 불꽃이 꺼지는 난연성을 가지는 것에 비해 다소 난연성이 낮기는 하지만 상당 수준의 준난연성을가지는 것으로 제조될 수 있다는 점에서 매우 놀라운 결과를 보여주는 것이다.

특히, 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌은 폐자원으로부터 매우 경제적으로 얻어지고 별도의 난연액을 사용하지 않고서도 폐자원의 회수를 통해 용이하게 재생하여 상당한 수준의 난연성을 가지는 제품으로 얻어진다는 점에서 종래 기술에서 예측하기 어려운 정도의 매우 경제적이고 친환경적인 제품이라고 할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 재생 폴리스틸렌은 유리전이온도가 101-110℃이고, 투습계수 역시 160~180 ng/m²·s·Pa(두께 25 mm당 ng/m²·s·Pa)로서 기존의 재생 제품에 비해 투습성이 현저하게 낮아서 외부 방수 효과가 필요한 사용제품의 스티로폼으로 적용하기 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌은 상기와 같은 물성적 특징으로 인해 외부에 적용하는 각종 소재나 해상 부유물, 외부 충격 완화재, 외부에 적용되는 보온재 등에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.

하기 표 1은 시판되고 있는 일반적인 난연성 폴리스틸렌의 물성치의 대표적인 물성을 나타낸 것이다. 하기 표에 제시된 각호는 난연성 폴리스틸렌의 물성에 따라 분류해 놓은 것으로, 낮은 숫자의 각호가 우수한 특성을 갖는 난연성 폴리스틸렌이다. 그러나 난연성 폴리스틸렌의 특성은 발포 비율 및 난연제의 성분 및 혼합 정도에 따라 시판되는 제품마다 다를 수 있다.

본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌의 물성치는 하기 표 1에 기재된 기존의 알려진 폴리스틸렌과 유사한 물성의 특징을 가지는 것이지만, 난연 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 제조된 재생 폴리스틸렌은 난연성분이 포함되어 있어 우수한 연소 특성을 갖는 재생 폴리스틸렌으로 제조될 수 있다.

종류	녹는점 (^oC)	인화점 (^oC)	진비중 (물 1)	밀도 (kg/m³)	연전도율 (W/mk)	연소성 (연소기간 120초 이내, 연소 길이 60 mm 이하일 것)
폴리스틸렌	240	355~360	1.04~1.13	400	0.033	3초 이상
재생 폴리스틸렌	240	365~370	1.04	551	0.031	1.78

예컨대, 주식회사 동천에서 생산하여 제공한 신생 난연 발포 폴리스틸렌은 평균적으로 약 1.48초 이내의 연소특성을 가지므로 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌은 기존의 신생 난연 발포 폴리스틸렌과 비교할 때, 재생된 제품임에도 불구하고 별도의 난연 처리나 난연성분의 추가 사용 없이 상당한 수준의 난연 특성을 가지는 것임을 확인할 수 있다,

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 제조된 재생 폴리스틸렌의 경우 난연 특성 조절을 위해 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 사용비율에 따라 난연성을 적절하게 조절할 수 있다. 그러나 이는 단순한 용매의 함량을 조절하는 것만으로는 조절되지 않고 본 발명의 물성을 얻을 수 있으며, 본 발명에 따른 일련의 회수 방법을 적용하는 경우에만 비로소 달성될 수 있다.

예를 들어, 발포 폴리스틸렌을 용해하기 위해 본 발명의 범위 내에서 사용된 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 비율은 상기 적용되는 혼합비율 내에서 필요에 따라 조절 할 수 있는데, 본 발명에서는 이러한 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 사용량을 특정 범위로 구성함으로서 본 발명의 목적 달성을 용이하게 이룰 수 있다.

본 발명에 따르면 상기와 같이 물성이 우수한 재생 폴리스틸렌을 제공할 수 있는 것이므로 폐자원의 활용으로 친환경적인 공정을 이용하면서도 사용 용도에 따라서는 기존의 신생 제품보다 오히려 각종 물성이 우수한 고기능성 난연 폴리스틸렌을 제조할 수 있어서 그 활용도가 더욱 넓고 유용한 결과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 난연성 폐 발포 폴리스틸렌을 유기용매와 층 분리가 가능한 용매를 적절하게 사용하여, 회수된 재생 폴리스틸렌이 일부 난연 특성을 가짐으로서, 추가적인 난연 특성의 부여 없이 사용 가능한 점에 매우 경제적인 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 재생 폴리스틸렌은 발포과정 없이 사용 가능한 것이므로 기존에 사용되었던 각종 목적의 제품 및 적용처에 맞는 난연 특성과 물성을 갖는 제품을 제조할 수 있으므로, 비식용 포장소재, 비건축소재, 외장 소재 또는 장식용 소재 등 다양한 제품에 대한 적용 시장을 확대하여 매우 경제적으로 활용할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폐기된 난연 발포 폴리스틸렌(EPS) 100 g을 상온에서 개폐 가능한 반응기에 넣은 후, 비수용성 유기용매로 톨루엔 1,000 ml을 사용하고, 수용성 용매로서 물 1,000 ml로 이루어진 20 ml의 혼합용매를 반응기에 첨가한다. 살짝 저어주면서 여기에 NaCl 300ml를 가하여 계속 교반하면서 2시간 경과 후 유기용매층에는 EPS가 용해되어 있고, 수용액 층에는 EPS를 제조하는 과정에서 사용된 난연액의 구성성분인 팽창흑연과 바인더로 사용된 수용성 아크릴수지 등이 용해되어 층 분리가 일어남을 확인하였다 (도 2 참조).

상기와 같이 상분리가 확인된 후, EPS와 수용성 바인더의 혼합용액을 분별깔때기를 이용하여 상부의 유기용매층과 하부의 용액층을 분리하였다. 분리된 유기용매를 40 °C, 100 mbar의 조건에서 감압증류기를 사용하여 사용된 유기 용매를 제거하고 용해되어 있는 폴리스틸렌(PS)을 회수하였다.

회수된 PS를 50 °C에서 건조하고, 압출기를 통하여 직경 1.5~2 cm의 유동성 케이크형태로 회수하였다.

분석결과, 100 g EPS 중 난연액으로 사용된 팽창흑연 및 수용성 바인더의 양이 약 25.6%를 차지하고 있으며, 유기물에 용해되어 있는 74.4%의 EPS는 감압증류를 통해 약 98% 회수되어 72.9g을 회수하였다.

본 실시예에서 PS 회수율은 유기용매층에서 유기용매를 회수하고 잔류한 무게를 PS 수득량으로 측량하였다. 또한, 수용성 용액에 용해되어 있는 총 유기 탄소의 양을 Teledyne Tekmar장치를 사용하여 분석하였고, 결과를 하기 표 2에 표시하였다.

실시예 2-6

상기 실시예 1과 같이 실시하되, 하기 표 2에서와 같이 수용성 용매 및 비수용성 유기용매의 사용 조건을 달리하여 PS를 회수하였다.

비교예 1-3

상기 실시예와 동일한 방법으로 하기 표 2의 조건으로 PS를 회수하였다.

실시예	비수용성 유기용매	수용성 용매	금속염	PS 수득량(g)	회수율 (%)	수용성 용매 내 탄소의 양(ppm)
실시예1	T(1)	W(1)	NaCl(0.02)	72.9	97.9	1,718
실시예2	EB(1)	W(1)	NaCl(0.02)	72.6	97.6	1,653
실시예3	T:EB(0.5:0.5)	W(1)	NaCl(0.02)	73.5	98.8	1,701
실시예4	T(1)	W(2.5)	NaCl(0.02)	72.8	98.0	1,768
실시예5	T(1.5)	W(10.5)	NaCl(0.02)	73.0	98.1	1,883
실시예6	EB:T:X (0.1:0.9:0.1)	W(1)	NaCl(0.02)	73.7	99.1	1.723
비교예1	T(1)	-	-	49.5	66.5	-
비교예2	EB(1)	-	-	48.9	65.1	-
비교예3	T:EB(0.5:0.5)	-	-	49.2	66.3	-
(1) 용매의 표시 T: 톨루엔 B: 벤젠 EB: 에틸벤젠 X: 크실렌 W: 물 (2) 용매의 단위: 1,000 ml

상기 표 2에서, PS 회수율은 비수용성 유기용매층에서 유기용매를 회수하고 잔류한 무게를 PS 수득량으로 측량한 결과이다.

또한, 여기서 EB, T, SM, W의 배합비에 따른 회수량, 회수율(%) 및 수용성 용매 내에 용해되어 있는 총 탄소량 (ppm)을 측정한 결과를 제시하였다.

상기 표에서 보면, 실시에 1-5의 경우 비교예와는 달리 우수한 회수결과를 확인할 수 있다.

또한, 비수용성 유기용매를 혼합 사용하는 경우 상대적으로 회수율이 높은 것으로 확인되었다. 이는 비수용성 유기용매의 혼합에 따른 상승효과인 것으로 보인다. 또한, 신생 난연 발포 폴리스틸렌은 제조에 약 0.2~1%의 난연제가 포함되어 있으며, 회수된 재생 폴리스틸렌에는 약 1,900 ppm정도의 난연 성분이 포함된 것을 확인 할 수 있다. 상기 표와 같이, 별도의 공정 및 추가적인 난연 성분의 투입을 거치지 않고, 난연성분이 포함된 재생 폴리스틸렌을 제조할 수 있으며 이러한 난연 성분의 포함으로 우수한 연소특성을 갖는 것으로 볼 수 있다. 또한, 본 발명에서 제시한 기술에 따라 난연 성분의 양을 조절하여 제품 니즈에 맞는 재생 폴리스틸렌을 제조할 수 있다.

실험예

상기 실시예와 비교예에서 제조된 각각의 재생 PS에 대한 유리전이온도를 하기 표 3에 나타내었다.

일반 폴리스틸렌의 유리전이 온도는 70~100°C로 낮지만, 유리전이온도가 높은 바인더 물질 및 팽창흑연 등을 첨가하여 제조한 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 회수한 준난연성 재생 폴리스틸렌은 일반 폴리스틸렌에 비해 유리전이온도가 높은 상태로 재생하여 제조될 수 있는 것으로 확인되었다.

실시예	유리전이온도 (°C)
실시예1	102.2
실시예2	101.9
실시예3	102.4
실시예4	102.1
실시예5	102.9
실시예6	102.3
비교예1	89.1
비교예2	87.4
비교예3	88.3

Claims

난연성의 폐 발포 폴리스틸렌을 비수용성 유기용매와 수용성 용매의 혼합 용매에 넣고 용해시키는 용해단계;
상기 용해단계에서 금속염을 가하여 비수용성 유기용매층과 수용성 용매층의 층분리를 통해 상분리를 유도하는 단계; 및
비수용성 유기용매층을 분리하여 폴리스틸렌을 회수하는 단계
를 포함하는, 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 비수용성 유기용매는 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 크실렌 중에서 선택된 하나 이상이 포함된 용매인 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 수용성 용매는 물 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 비수용성 유기용매와 수용성 용매는 1 ; 0.5-1.5의 부피비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 금속염은 NaCl인 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 난연성 폐 발포 폴리스틸렌은 팽창흑연과 수용성 바인더를 함유하는 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
청구항 1에 있어서, 비수용성 유기용매층에는 폴리스틸렌이 용해되어 함유되고, 수용성 용매층에는 난연성분이 함유되는 것을 특징으로 하는 난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 폴리스틸렌을 회수하는 방법.
난연성 폐 발포 폴리스틸렌으로부터 회수된 것이고, 유기계, 무기계 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 난연성분을 0.01-5중량% 함유하되, 상기 난연성분이 폴리스틸렌의 표면에 코팅된 형태로 균일하게 분포하며, 인화점이 365-370℃인 것을 특징으로 하는 재생 폴리스틸렌.
청구항 8에 있어서, KS M3808기준에 따라 수행한 연소성 시험에서 잔염을 남기지 않고 1.7-2.5초 이내에 불꽃이 꺼지는 난연성을 가지는 재생 폴리스틸렌.
청구항 8에 있어서, 난연성분은 팽창흑연과 수용성 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 폴리스틸렌.