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제목 PCR 성능 및 가공성을 최적화해주는 안정제 사용
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/11/02 16:54

PCR 성능 및 가공성을 최적화해주는 안정제 사용

 

PCR(생활 폐플라스틱 재생원료)를 사용해 성형품 및 압출품을 생산할 때는 고객사의 요구사항을 충족시키기 위해서 적절한 안정화가 필수적이다.

신생원료의 가격 하락과 같은 상쇄 요인에도 불구하고 패키징, 파이프, 가구 등과 같은 응용제품 생산 분야에서 PCR(생활 폐플라스틱 재생원료)에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이런 현상은 지속가능한 제품 및 포장에 대한 소비자의 요구에 부응하기 위한 주요 브랜드들의 노력에 기인한다. 또한, 순환성을 지원하기 위해 플라스틱 재사용을 장려하기 위해 등장한 새로운 규제들도 들 수 있을 것이다.

예를 들어, 2022년 영국은 재활용 플라스틱 사용을 장려하기 위한 플라스틱 포장세를 도입할 예정이다. 또한 유럽연합(EU) 이사회는 2019년 특정 일회용 플라스틱 제품에 대해 향후 사용제한을 도입하는 지침을 채택했다. 이 지침에는 2025년까지 최소 25%, 2030년까지 30%의 재활용 원료를 플라스틱 병용기에 사용하도록 한다는 목표가 포함되어 있다.

PCR에 대한 수요 및 사용이 계속 증가함에 따라 폴리머의 분해 문제에 대해 새로운 초점이 맞추어 지고 있다. PCR의 용융흐름, 색상, 오염 등의 특성은 플라스틱 생산자가 운영하는 업스트림 공장이든 재활용업체 및 가공업체에 의한 다운스트림 공정이든 재생원료의 적절한 안정화와 직접 관련이 있다.

그러나 PCR 제품을 새로 안정화시켜야하는 중요성은 아직까지는 재활용업체 교육 개선, 재활용 시설 현대화 등 재활용산업이 직면한 보다 큰 과제들에 가려 충분히 주목을 받고 있지 못하다. 예를 들어 미국에서는 재활용업계가 재활용 원료의 선별 및 품질 개선을 위한 새로운 기술에 투자를 해왔고 또한 지속적으로 투자하고 있다. 이러한 노력은 PCR들 안정화하는 데 도움이 될 것이다.

이 같은 인프라 개선작업도 없어서는 안 되지만, PCR 원료의 안정화 또한 플라스틱산업이 브랜드 기업들의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 고품질 PCR 원료를 생산하기 위해서 매우 중요하다. 효과적인 재생원료 안정화를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 그리고 재생원료의 물성과 가공성 향상은 다음과 같은 목표 달성에 도움이 될 수 있다.

 

• 원료의 물리적 특성 개선과 최종 응용제품의 사용 수명 연장

• 생산성 유지를 위한 원료의 가공성 향상

• 해당 응용제품에 사용할 수 있는 PCR 원료 함량 비율 증가

• PCR 원료를 사용하는 응용제품의 범위 확장

 

PCR 원료 안정화가 주는 이점

폴리머는 재활용 과정에서 열이나 전단 또는 응력이 가해질 때마다 본래의 분자 구조에 변화가 일어날 수 있다. 이러한 변화는 충격강도 및 인장강도 같은 물리적 특성에 영향을 미친다. 또한 효율적인 처리량 및 금형 완전 충전의 핵심요소인 용융 흐름에도 영향을 준다. 뿐만 아니라 재활용으로 인해 원료의 색상에 변화가 일어나 PCR 원료를 사용할 수 있는 응용제품에 제한이 생길 수 있다. 광택이나 투명성 같은 기타 시각적 속성 또한 저하될 수 있다.

화학 안정제는 이러한 바람직하지 않은 효과를 방지하거나 최소화할 수 있다. 용융흐름을 최적화시켜 가공성을 더 개선할 수 있고, 응용제품의 우수한 성능을 가능케 하는 물리적 특성을 보존해주며, 균열 및 불량으로 이어질 수 있는 산화 분해를 방지하거나 최소화할 수 있다.

화학적 안정제는 수지 제조과정에서 첨가할 수 있고, 이를 통해 신생원료를 여러 차례 재활용할 수 있게 된다. 또한, 겔화와 검은 반점을 발생시키는 불순물을 제거하기 위해 수지를 녹이고 깨끗이 하는 과정을 거치는 재활용 업체의 PCR 원료 여과과정에서도 안정제를 추가할 수 있다. 모든 단계에서 수지에 일정한 수준의 안정제를 유지하는 것이야 말로 최적화된 재활용의 열쇠다.

 

HDPE PCR 플레이크

일부 재활용업체는 PCR 원료의 품질을 향상시키거나 고객의 요청을 충족시키기 위해 안정제 기술을 사용하고 있지만, 다른 많은 업체는 고객들이 안정화 처리된 PCR 콘텐츠를 요구하지 않거나, 그렇지 않아도 마진이 크지 않은 재생원료 시장에서 제품의 생산 비용 상승을 피하기 위해 안정제를 사용하지 않고 있다.

그러나 재활용업계 내에서는 안정제 사용을 지지하는 의견이 더 강세를 보이고 있다. 미국 플라스틱 재활용업체협회(APR)가 플라스틱 순환경제로 가기 위해 제시한 재생원료 공급 확대, 품질 향상, 수요 확대, 의사소통 가치 등 4가지 중요한 목표 달성에도 화학 안정제는 도움이 된다. 안정제의 사용은 열화될 수 있는 재생원료의 품질을 높여줌으로써 PCR 원료의 사용 가능성을 확대해주고, 보다 가치 높은 용도로 재생원료의 함량을 높일 수 있도록 해준다.

 

안정제의 작용

폴리머 생산자가 수지를 만들 때는 물리적 및 시각적 특성에 있어 일관성을 제공하기 위해 수지의 구조를 강력하게 제어한다. 또한 이렇게 조성된 수지 특성들이 최종 제품으로 변모하는 과정에서 거치게 되는 혹독한 가공조건의 영향을 받지 않도록 해주는 기본 수준의 안정제 혼합물이 함께 들어가는 경우도 흔하다. 모든 단계에서 수지에 일정한 수준의 안정제를 유지하는 것이 최적화된 재활용의 열쇠다. 이러한 안정제 혼합물은 일반적으로 몇 가지 성분으로 이루어져 있다.

 

• 폴리머 생산 과정에서 사용된 잔류 촉매를 중화시켜주는 제산제

           - 이러한 잔류 촉매는 성형품의 색상 및 물리적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

• 가공한 성형품에서 작용하게 되는 1차 항산화제

           - 이런 항산화제는 분해 연쇄 반응을 확산시키는 산소 유리기(oxygen-centered free radicals)를 포집함으로써 자가 산화를 방지해준다.

• 용융 단계에서 작동하는 2차 항산화제

           - 이는 용융 과정에서 생성되는 히드로과산화물(hydroperoxide)을 파괴해준다. 이렇게 하지 않으면 히드로과산화물이 1차 항산화제를 파괴한다. 또한 2차 항산화제는 또한 1차 항산화제가 쓰일 때 생성되는, 색상에 변화를 일으키는 부산물인 퀴논(quinone) 형성을 지연시키는 데도 도움이 된다.

신생원료 생산과정에 들어간 기본 안정제 패키지는 1회 사용만을 위한 것이다. 때문에 폴리머의 첫 번째 사용 단계에서 고갈되는 경우가 많다. 폴리머에 첨가된 안정제 수준이 부족하면 재활용 공정에서 혹독한 조건이 원료를 더욱 심하게 열화시켜 본래의 특성을 손상시킬 수 있다.

 

생산성 유지

PCR 사용을 반대하는 의견의 근거 중 하나는 고속으로 진행해야 하는 사출성형이나 블로우성형 또는 압출 가공에 영향을 미칠 수 있다. PCR 원료는 용융 흐름이 좋지 않아 스루풋을 늦출 수 있다. 이 문제도 안정제를 첨가함으로써 해결할 수 있다.

산화 분해 과정에서 폴리머 사슬은 정상적인 가공 시와는 다른 부정적인 방식의 변화를 겪는다. HDPE 및 LLDPE 같은 폴리머는 가교결합(cross-link)을 통해 용융점도가 상승해 젤과 같은 인공물질을 형성시키는 경향이 있다. PP와 같은 폴리머는 산화 분해과정이 폴리머 사슬의 절단을 초래해 PP 사슬이 쪼개져 용융물의 점도 감소를 낳는다.

용융 흐름의 이 같은 변화는 일관된 용융수지 가공에 문제를 일으킨다. 하지만 안정제를 넣어줌으로써 폴리머 사슬의 변화를 경감시키고 보다 일관된 용융 흐름을 유지할 수 있다. 안정제 패키지는 수지의 현 단계 사용(신재)에서 필요한 역할을 하면서도, 후속 단계 사용(재생재)에도 도움을 줄 수 있다.

한 가지 좋은 예는 분류, 분쇄, 세척, 건조 등을 거쳐 부분 용융 펠렛으로 압출가공하는 생활 폐기물 HDPE 병용기를 들 수 있다. 부분 용융 HDPE 원료의 유동성을 높이기 위해 윤활 특성이 있는 스테아린산 칼슘이나 스테아린산 아연 같은 금속 스테아린산을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 이 첨가제는 산(acid)을 깨끗이 청소해주는 추가적 이점을 지니고 있어, 폴리머에 첨가된 안정제 시스템을 보호하는 동시에 장비의 부식을 방지하는 데도 도움이 된다.

 

재활용성 유지

안정제 사용에 대한 한 가지 우려는 안정제가 수지의 재활용성에 미칠 수 있는 잠재적 오염 효과다. 예상할 수 있는 바처럼, 다수의 관계자가 재활용 스트림의 오염을 피하기 위해 신중함을 유지하고 있으며, 업계 내에서 안정제에 관한 실질적 지침을 제공하기 위해 지속적인 노력이 이루어지고 있다.

하지만 기본적으로 첨가제는 재생원료 사용자에게 점점 더 가치 높은 도구로 자리잡아 가고 있다. 수지의 최초 생산과정에서 적정 수준을 사용해도, 이후 원료의 재활용을 가능하도록 해주는 안정제가 많다. 이 같은 역할을 하는 첨가제는 안정제, 핵제, 윤활제, 내충격성 개질제 등이 포함된다.

 

응용제품의 확대

PCR 원료를 안정제로 처리했을 때 중요한 이점은, 생산 가능한 응용제품 범위를 확대할 수 있다는 것이다. PCR 원료는 효과적인 안정화를 거치면 고부가가치 애플리케이션에 사용할 수 있다. 예를 들어, 미국의 도로교통협회(AASHTO)는 사회기반시설에 사용되는 재활용 원료를 함유한 HDPE 콜게이트 파이프에서 발생할 수 있는 불량 사례를 해결하기 위해 새로운 사양서를 채택했다. 새로운 사양서에는 산화 유도 시간의 최소 길이에 대한 요건이 포함되어 있다. 이는 수지에 존재하는 안정화제 수준의 척도 역할을 한다.

협회는 재활용 원료를 사용한 파이프의 화학적 불량을 방지하기 위해 폴리머의 안정화가 필요하며, 그렇지 않은 재활용 HDPE의 사용에는 법적 책임이 있음을 분명히 한 것이다. 안정제를 사용함으로써 HDPE 재활용업체는 이 같은 엄격한 요건을 충족할 수 있으며, 재활용 하수관 수명을 늘려주어 재활용 HDPE 원료 사용이 촉진된다.

또 다른 예로는, 재활용 폴리올레핀을 사용한 대표적 성공 사례인 목분 플라스틱 복합소재를 들 수 있다. 

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