KR100433669B1 - 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐타이어나 웨더스트립(Weather strip) 등과 같이 재활용 가능한 제품이 분말 형태로 만들어진 것을 상압 플라즈마 처리장치를 이용하여 표면 개질시켜 재활용하는 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 장치는, 분말이 입력되는 분말 주입관과 가스가 주입되는 가스 주입관이 연결되어 분말이 가스에 의해 인입되도록 통로가 형성되는 인입수단;과, 인입수단으로부터 인입된 가스를 내부의 전극에 인가된 전원에 의해 상압 유전체 방전시켜 플라즈마를 발생시키고 발생된 플라즈마에 의해 분말의 표면을 개질하는 방전관; 및 방전관에서 일차 개질된 분말과 가스를 입력받아 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 분말은 다시 인입수단으로 제공하는 싸이클론으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 연속적으로 순환처리되는 싸이클론 시스템에 상압 플라즈마 기술을 적용하여 고무분말의 표면에 있는 황결합을 효과적으로 절단시켜서 우수한 특성을 갖는 성형고무를 만들어내는 분말 처리기술을 제공한다.
Description
본 발명은 폐타이어나 웨더스트립(Weather strip) 등과 같이 재활용 가능한 제품이 분말 형태로 만들어진 것을 상압 플라즈마 처리장치를 이용하여 표면 개질시켜 재활용하는 장치에 관한 것이다.
최근들어, 환경문제에 대한 관심이 증가하면서 폐타이어, 폐고무 등과 같은 폐자원을 재활용하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있으나 이러한 폐자원을 처리하기 위해 현재 가장 널리 사용되는 방식은 소각열 이용이나 분말이용 방식 등이다. 이 중에서 폐자원을 재활용할 수 있도록 자원화하는 방식은 분말화하는 방식인데, 분말화 방식으로는 주로 상온 분쇄방식이나, 질소냉동 분쇄방식 등이 이용된다.
그런데 이와 같이 폐타이어나 폐고무 등을 분말화하여 재활용하고자 할 경우에, 파쇄된 고무분말은 경화를 위해 사용되었던 황이 표면에서 강한 C-S, S-S 결합을 하고 있으므로 재활용을 위해 성형하면, 고무의 탄성과 인장강도를 유지하는데 필수적인 분말 입자간의 가교결합(Cross linking)이 잘 되지 않으므로 인장강도가 낮아져 재활용이 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 가교결합이 용이하도록 분말들에 대해 표면처리할 필요가 있는데, 이와 같이 분말을 재처리하는 종래의 방식은 챔버 내를 진공으로 만들어 분말을 물레방아처럼 돌리면서 골고루 처리하게 하는 방식이다. 즉, 분말을 장입한 채 일정시간 진공을 형성시킨 후, 방전가스를 투입시키면서 진공에서 플라즈마 방전을 형성시킨다. 그리고 플라즈마 처리가 끝나면 상압으로 벤트(Vent)시킨 후 분말을 꺼내고, 다시 분말을 장입시켜 진공을 형성시키는 일련의 과정들을 반복한다.
그런데 이러한 종래의 방법은 플라즈마 처리를 위해 진공을 형성시켜야 하므로 고가의 진공장비를 필요로 하고, 분말의 균일한 처리를 위한 장치 구성이 어려운 문제점이 있다. 더욱이, 진공에서 진행되다 보니 분말을 연속적으로 처리하는 것이 불가능하여 대량으로 처리할 경우에 공정 로스가 많다. 또한, 장시간 처리할 경우 온도상승으로 인해 냉각을 위한 부대장비가 소요되고, 고무분말의 경우 온도가 일정 이상 상승하면 고무의 성질을 잃어 버리게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 상압에서 방전시키므로 분말을 연속적으로 회전시킬 수 있을 뿐만아니라 분말이 뭉치지 않도록 싸이클론을 이용할 수 있으며, 포집된 분말이 균일하게 회전될 수 있도록 아래쪽에 국부적으로 저압 영역이 형성되는 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치를 도시한 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 A부분의 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 동작 절차를 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 표면처리 이전의 고무분말 인장강도를 도시한 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따라 플라즈마 처리된 고무분말의 인장강도를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
104,144: 밸브 106: 가스 주입관
108: 노즐 110: 제1통로
120: 방전관 132: 제2통로
140: 싸이클론 112: 분말 주입관
142: 가스 배출관
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 분말이 입력되는 분말 주입관과 가스가 주입되는 가스 주입관이 연결되어 상기 분말이 가스에 의해 인입되도록 통로가 형성되는 인입수단;과, 상기 인입수단으로부터 인입된 가스를 내부의 전극에 인가된 전원에 의해 상압 유전체 방전시켜 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마에 의해 상기 분말의 표면을 개질하는 방전관; 및 상기 방전관에서 일차 개질된 분말과 가스를 입력받아 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 상기 분말은 다시 상기 인입수단으로 제공하는 싸이클론으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따르면, 연속적으로 순환처리되는 싸이클론 시스템에 상압 플라즈마 기술을 적용하여 고무분말의 표면에 있는 황결합을 효과적으로 절단시켜서 우수한 특성을 갖는 성형고무를 만들어내는 분말 처리기술을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명에 따라 플라즈마 처리할 경우에 고무분말 표면에 있는 분자구조를 플라즈마에 의해 활성 라디칼로 만들어줌으로써 고무분말을 성형할 경우 분말간의 반응할 수 있는 활성화된 자리(active site)를 만들어줌으로써 쉽게 가교결합할 수 있게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치를 도시한 구성도로서, 본 발명의 장치는 가스통(102), 가스 주입관(104), 노즐(108), 가스와 분말이 통과하는 제1 통로(110), 방전관(120), 가스와 분말이 배출되는 제2 통로(132), 싸이클론(140), 가스배출관(142), 분말 주입관(112)으로 구성되고, 싸이클론의 하단에는 분말의 배출을 제어하기 위한 밸브(144)가 설치되어 있고, 가스 주입관(104)에는 가스 입력을 제어하기 위한 밸브(104)가 설치되어 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 장치 구성을 살펴보면, 가스통(102)은 밸브(104)를 거쳐 가스 주입관(106)과 연결되며, 가스 주입관(106)은 위쪽으로부터 내려온 분말 주입관(112)과 연결되어 가스의 흐름에 분말이 실려 제1 통로(110)를 거쳐 방전관(120)으로 입력되도록 되어 있다. 이 때, 가스 주입관(106)과 분말 주입관(112)이 만나는 부분(A)은 도 2에 확대 도시된 바와 같이, 가스 흐름을 제어하는 노즐(108)이 형성되어 있어 분말 주입관(112)측에 저압영역(B)이 형성되도록 되어 있다. 이와 같이 형성된 저압영역(B)에 의해 분말은 보다 용이하게 가스에실려 방전관(120)으로 주입될 수 있다. 즉, 반응가스 혹은 캐리어가스가 노즐(108)을 통과하면서 상대적으로 유속이 빠르게 되면 주변에 진공이 형성되는데, 이 진공의 힘에 의해 싸이클론(140)에서 분말이 아래로 내려오게 함으로써 반응가스에 의해 분말이 다시 방전관(120) 내로 들어가기 쉽게 된다.
방전관(120)은 전체적으로 원통 형상으로 이루어져 있고, 가장 바깥쪽에 원통형의 워킹전극(122)이 형성되어 있으며, 워킹전극(122) 내측에 유전체로 된 분사관(124)이 있고, 그 중앙에 봉형 접지전극(126)이 형성되어 있다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 워킹전극(122)과 접지전극(126) 사이에 소정 주파수의 교류전압이 인가되어 있어, 분사관(124) 안으로 가스가 주입되면 방전을 일으켜 분말의표면을 개질하게 된다. 또한, 분사관(124)은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2등의 산화물이나 테프론, 폴리카보네이트 등의 폴리머 중 어느 하나를 재료로 하여 만들어지고, 방전관 내로 소정 각도로 투입시켜 분말이 나선형태로 유동함으로써 방전관 내의 분말의 유동이 균일하게 할 수도 있다. 즉, 방전관에 분말을 투입하기 위한 투입구를 방전관 측면에 형성하되 소정 각도로 기울기를 갖게 하고, 방전관으로부터 분말을 배출하기 위한 배출구를 방전관 측면에 형성하되 소정의 기울기를 갖게 함으로써 원심력에 의해 분말이 소용돌이치게(swirl) 되어 직각방향으로 투입하는 것보다 분말의 유동이 원활하고 분말의 막힘현상을 줄일 수 있다.
그리고 방전관(120)에서 표면이 개질된 분말은 가스와 함께 제2 통로(132)를 거쳐 싸이클론(140)으로 주입되고, 싸이클론(140)은 가벼운 반응가스와 상대적으로 무거운 분말을 분리시켜 반응가스는 가스 배출관(142)을 통해 외부로 배출하고, 분말은 분말 주입관(112)으로 배출한다. 이와 같이 싸이클론(140)에서 배출된 분말은 노즐(108) 부위를 지나 다시 가스와 함께 방전관(120)으로 주입된다.
이러한 일련의 과정을 반복적으로 일정 시간 행함으로써 일정량의 분말을 플라즈마 처리할 수 있다.
이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 동작을 도 3의 순서도를 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 처리할 고무분말을 싸이클론(140)에 넣고, 가스밸브(104)를 열어 가스를 가스 주입관(104)을 통해 흐르게 함과 아울러 분말밸브(144)를 열어 분말이 분말 주입관(144)을 통해 내려가게 한다(S1~S3).
이와 같이 반응가스가 유입되면서 위로부터 내려오는 분말은 유체의 흐름에 의해 통로(110)를 거쳐 방전관(120) 내로 균일하게 지나가게 된다(S4). 이 때, 방전관(120)에서는 위킹전극(122)과 접지전극(126)에 인가된 고전압에 의해 반응가스가 이온과 전자로 분리된 플라즈마 상태로 존재하게 된다. 따라서, 방전관 내를 균일하게 지나가는 분말은 플라즈마 영역내를 통과하면서 프리 라디컬 및 원자이온 등에 의해 영향을 받게 된다(S5). 여기서, 플라즈마가 분말에 미치는 영향은 반응가스(즉, 캐리어가스)의 성질에 따라 각기 다른 특성을 나타내게 된다. 예컨대, 헬륨이나 아르곤 가스의 경우에는 주로 안정된 라디컬을 형성하여 표면개질을 하게 되며, 산소를 첨가할 경우에는 주로 표면에 극성기를 도입하여 친수성을 향상시키거나 젖음성을 좋게 하여 접착성을 증가시킨다. 또한, 플루오르 계열의 반응가스를 사용할 경우에는 주로 소수성을 갖게 할 때 사용된다. 고무분말의 경우 표면에 가교되어 있는 C-S, S-S 결합(bond)이 끊어지거나 표면의 공유 결합된 C-H 결합이 활성화되어 점점 반응성이 증가한다. 이렇게 플라즈마 처리에 의해 활성화된 분말을 성형하면, 분말 상호간의 결합력이 증가하여 인장강도를 향상시킬 수 있다.
위와 같이 사용되는 반응가스 혹은 캐리어가스에 따라 각기 다른 표면특성을 분말에 부여하기 위해 분말을 일정시간 균일하게 회전시킬 필요가 있다. 이는 처리분말을 플라즈마 방전관 내에 얼마나 오랫동안 머무르게 하느냐에 달려 있다.
따라서 방전관의 플라즈마 영역을 통과한 분말은 통로(132)를 거쳐 가스와 함께 싸이클론(140)으로 들어가게 되며, 이곳에서 가스와 분말이 분리된다(S6,S7). 싸이클론(140)의 아래에 가라앉은 분말은 분말 주입관(112)을 통해 아래로 내려와 다시 반응가스 혹은 캐리어 가스에 의해 플라즈마 방전관(120) 내로 다시 들어간다. 이어 분말은 방전관(120) 내의 플라즈마 상태를 통과하면서 플라즈마 내의 활성화된 라디칼이나 이온, 원자등에 의한 표면반응에 의해 표면이 균일하게 개질된다. 이러한 일련의 과정은 적절한 횟수까지 반복한 후 처리완료되면 처리된 분말을 배출한다(S8,S9).
도 4는 본 발명에 따른 표면처리 이전의 고무분말 인장강도를 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따라 플라즈마 처리된 고무분말의 인장강도를 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5의 좌표에서 횡축은 인장길이(strain)(단위: mm)를 나타내고, 종축은 강도(stress)(단위: ㎏/㎠)를 나타낸다.
도 4의 그래프를 보면, 시료에 대한 인장길이가 대략 22.5 mm 내지 25 mm 에서 강도가 대략 35 ㎏/㎠정도로 최대인 것을 알 수 있고, 도 5의 그래프를 보면 인장길이가 대략 22.5 mm 내지 25 mm에서 강도가 대략 60 ㎏/㎠ 정도인 것을 알 수 있다. 따라서, 도 4와 도 5의 그래프를 비교해 보면, 처리하지 않은 시편보다 플라즈마 처리한 시편이 인장강도가 대략 40%~60% 가량 증가함을 알 수 있다. 이는 처리조건에 따라 더 강하게 할 수도 있다.
이상의 실시예에서는 고무분말에 대해 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상은 고무분말에 한정된 것이 아니고, 어떠한 분말이든지 절용될 수 있다. 즉, 본발명은 저온 상압 플라즈마를 이용하여 반응가스를 달리하여 분말의 표면개질을 균일하게 처리할 수 있는 다양한 분야에 적용될 수 있고, 특히 벌크 상태에서는 비표면적이 작아 표면만 개질할 수 있는 한계가 있으나 이를 분말로 가공하여 연속처리함으로써 전체의 성질을 개질할 수 있다. 예컨대, 본 발명을 금속분말에 적용할 경우에 금속분말의 표면을 활성화시킴으로써 낮은 온도에서 소결이 일어날 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 연속적으로 순환처리되는 싸이클론 시스템에 상압 플라즈마 기술을 적용하여 고무분말의 표면에 있는 황결합을 효과적으로 절단시켜서 우수한 특성을 갖는 성형고무를 만들어내는 분말 처리기술을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명에 따라 플라즈마 처리할 경우에 고무분말 표면에 있는 분자구조를 플라즈마에 의해 활성 라디칼로 만들어줌으로써 고무분말을 성형할 경우 분말간의 반응할 수 있는 활성화된 자리(active site)를 만들어줌으로써 쉽게 가교결합(cross linking)할 수 있게 만든다. 더욱이, 본 발명에 따르면 고무분말외에 다양한 종류의 분말들에 대해서도 효과적으로 표면처리할 수 있다.
Claims (7)
- 분말이 입력되는 분말 주입관과 가스가 주입되는 가스 주입관이 연결되어 상기 분말이 가스에 의해 인입되도록 통로가 형성되는 인입수단;과,상기 인입수단으로부터 인입된 가스를 내부의 전극에 인가된 전원에 의해 상압 유전체 방전시켜 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마에 의해 상기 분말의 표면을 개질하는 방전관; 및상기 방전관에서 일차 개질된 분말과 가스를 입력받아 가스와 분말을 분리하여 가스는 외부로 배출하고, 상기 분말은 다시 상기 인입수단으로 제공하는 싸이클론으로 이루어진 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 분말 주입관과 상기 가스 주입관이 만나는 부근에 노즐이 설치되어 상기 분말 주입관 측에 저압영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 방전관은 관형태의 도전체로된 워킹전극과, 워킹전극 내측에 관형태의 유전체로 된 분사관, 분사관내에 형성된 접지전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 분사관은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2등의 산화물이나 테프론, 폴리카보네이트 등의 폴리머 중 어느 하나를 재료로 하여 만들어진 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 분사관은 분말의 투입구와 배출구가 소정 각도로 기울어지게 형성되어 분말이 방전관 내로 소정 각도로 투입되어 방전관 내에서 분말이 나선형태로 유동함으로써 분말의 유동이 균일하게 되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말의 재활용 장치.
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