2. 제출문

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “자동차용 weather seal 폐기물 미세분말화 기술 개발에 관한 연

구” (총 연구기간 : 2002년 6월 1일～ 2004년 5월 31일)의 최종보고서로 제출합니

다.

2004 년 7 월 31일

주관연구기관명 : 한국기계엔지니어링

연구책임자 : 이 창 응

연 구 원 : 김 경 봉

〃 : 허 성 화

〃 : 서 혜 진

〃 : 변 창 용

위탁기관명 : 경상대학교

위탁연구책임자 : 김 진 국

연 구 원 : 이 성 효

3. 요약문

요 약 문

Ⅰ. 제 목

자동차용 weather seal 폐기물 미세분말화 기술 개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

우리 나라 자동차산업은 국제 경쟁력을 갖추고 있어서 국내 수출 주종 산업

으로 중요한 부분을 차지하고 있다. 특히 자동차 제조수가 많아지는 이유로 자

동차 고무관련 업체의 폐기물 발생량이 증가 추세에 있어 환경에 대한 관심도

가 세계적으로 문제시되어 자동차업계에서는 “Total Recycling System" 발효

로 자동차 전 부품에 리싸이클링 제도를 의무화하는 추세이다. 이로인해 폐 자

동차에서 발생되는 폐타이어 다음으로 많은 비중을 차지하는 폐 weather seal

의 재활용 문제가 크게 대두되고 있다.

폐고무 부품의 재 이용에는 열에 녹지 않기 때문에 분쇄하여 재 이용하는

가공이용 방법이 사용되고 있으나 폐고무의 질긴 면 때문에 미세분말화(200㎛

이하) 공정이 쉽지 않다. 따라서 새로운 기술개발에 따른 미세분말화가 요구되

고 있으며 특히 자동차용 창틀고무 및 트렁크 고무에 재 이용하기 위해서는 외

관의 중요성 때문에 미세분말화 기술개발이 현재 필요하다. 특히, 폐기물처리

부담금은 환경적인 문제뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하므로 재 이용

이 가능하게 하는 미세 분쇄기술의 개발이 시급하다. 더욱이, 본 연구사업에서

개발하고자 하는 미세분말화 장치는 자동차 폐기물인 weather seal 고무를 처

리할 목적으로 1차적으로 분리시스템을 채택하여 이물질을 분리처리하고, 2차

적으로 미세분말화 시스템을 채택, 3차적으로 미세분말에 활성화성기를 도입하

기 위해 초음파처리 장치를 장착하여 미세분말을 활성화시켜 미세분말을 재이

용하므로서 폐기물자원화로서 환경적문제를 획기적으로 해결하고자 한다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

폐 weather seal를 재활용하기 위해 압출식 분쇄기 내에서 미세분말을 제조

하여 기존 weather seal 배합에 무게비로 5내지 10 phr 혼합하여 기존

weather seal제품과 기계적물성 및 표면물성을 비교하였다. 또한 초음파처리

장치를 이용하여 미세분말에 활성화기를 도입함으로서 기계적물성과 표면물

성을 향상시키고자 했다. 압출식 분쇄기 내에서 폐고무의 분쇄메커니즘을 규

명함으로서 여러분야에 적용되고있는 분쇄기의 국내기술 경쟁력을 높였다.

Ⅳ. 연구개발결과

본 과제수행으로 제작된 압출식분쇄기로서 제조된 미세 폐 weather seal 분

말을 기존 weather seal 배합에 5내지 10 phr을 혼합한 결과 기계적물성은

기존의 weather seal과 비슷하거나 더 우수한 결과값을 보였고, 표면물성 또

한 큰 차이점을 볼 수 없었다. 이는 폐 weather seal을 분쇄와 동시에 분말에

활성화기를 생성시키기 때문에 기존 weather seal 배합내에서 반응성 충진제

(filler)로 작용하기 때문이다. 따라서 폐 weather seal 분말을 기존배합물에 10

phr 정도 사용하더라도 큰 문제점없이 재활용이 가능했다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

미세분말화가 가능한 압출식분쇄기는 무기물 및 유기물의 분쇄가 가능하기

때문에 다양한 분쇄영역에 사용이 가능하다. 또한 압출기에 장착된 개질장치

(ultrasonic)는 고분자 압출 후 고분자 표면을 개질하는데 우수한 장치이다.

폐 weather seal을 미세분말하여 개질된 분말은 기존 weather seal 배합에 기

계적물성과 표면물성에 큰 변화가 없는 범위 내에서 일정량의 폐 weather

seal을 재활용할 수 있다.

4. Summary

S U M M A R Y

The recycling of waste EPDM can be divided into three categories; its use as

heat by incineration, as the original sharp and as grinding of waste EPDM to

increasing mechanical properties. In main approach one of them for rubber

recycling is reclamation or devulcanization. It has been taken long time to

develop several kinds of recycling waste EPDM including microwave, bioreactor,

milling and other devulcanization technique. The application of waste EPDM

powder treatment is mostly closed to utilize commerce. Therefore we studied

how to make a highly valuable problems by using powder rubber in this research

work. For the above mention to easy technique and to good properties are size

reduction and surface treatment of rubber powder.

It is difficulty for the scrape of weather-strip to recycle because a cross-linked

polymer is hard to melt and to process. Generally, methods of the obtaining

powder from the weather-strip are cryogenic grinding and ambient grinding. The

cryogenic ground rubber has a smaller particle size and lower surface area

compared with an ambient ground rubber. But the cryogenic grinding is more

expensive process than the ambient grinding. We applied an ultrasonic reactor to

rubber powder using a continuous system. The effect of ultrasonic on polymers

has been widely studied. The ultrasonic waves of certain levels in the presence or

pressure and heat rapidly break up the threedimenstional network in

cross-linking rubbers. The mechanism of degradable of cross-linked elastomers

is still in debate. However, it is believed that most of the physical effects caused

by ultrasonic are usually attributed to cavitation, the rapid growth and

contraction, of microbubbles as high intensity sound wave propagates in the

rubber.

Commercial polyblends consist of at least two polymeric components. They

allow the combination of favorable properties of known polymers as well as the

development of new quality characteristics. In general, the development of a new

polyblend is far more cost-effective than that of a new polymer. During the

processing of polyblends and depending on material combination, the mostly

single-phase starting materials form different microstructures inside the solid.

5. Contents

C O N T E N T S

Chart 1. Introduction 1

Ⅰ. Objectives 1

Ⅱ. History of rubber recycling 2

1. Digest Method 2

2. Banbury Process 3

3. Reclaimator Process 3

4. High Rotation Process 3

5. Heater or Pan Process 3

Ⅲ. The meaning of Recycle Rubber 4

Ⅳ. Generation of waste-rubber 4

Ⅴ. Chemical structure of EPDM 6

Ⅵ. EPDM cross-linking 7

Ⅶ. Theory of crushing 8

1. Concept of crushing 8

2. Crushing materials 10

3. Paticle size and distribution of powder 11

4. Relationship of crushing and materials 14

Ⅷ. Recycling method of waste rubber 15

1. Chemical treatment Method 16

2. Mechanical Method 16

3. Mechano-Chemical Method 17

4. Chemical Method 17

5. Microwave Method 18

6. Ultrasonic Method 19

Chart 2. Research trend 22

Ⅰ. Trend of International and domestic technique 22

1. International 22

2. Domestic 22

Ⅱ. Difference between International and domestic technique 22

Chart 3. Results 24

Ⅰ. Theory 24

1. weather seal 24

A. Theory 24

B. Function of Weather seal 25

C. Materials for Weather seal 25

D. Kind of Weather seal 26

E. Production of Weather seal 29

F. Specialty of Weather seal 32

G. A technical trend of Weather seal 33

Ⅱ. Recycling method of Waste rubber 37

1. Shear flow reactive control technique 40

2. Technology of Plasma surface treatment 40

3. The others 40

Ⅲ. Characterization 42

1. Waste rubber powder analysis 42

A. Morphology 42

B. Specific Gravity 42

C. Particle size analysis 42

D. True Density 43

2. Preparation of specimen and measuring the mechanical property 44

3. Preparation of Weather seal 45

A. Collecting flow chart of the waste Weather seal 47

B. Crushing system 48

4. Crushing of Waste EPDM 82

5. Characterization of rubber powder 82

A. Mechanism of powdering and Ultrasonic treatment 82

6. Experimental method 87

A. Materials 87

B. Preparation of specimen 87

C. Measurement of property 88

D. Cross-linking density 88

7. Results and Discussion 89

A. Property of powder 89

B. Mechanical property 92

C. Cross-linking density 93

D. Thermal Property 94

E. Morphology 95

8. Processing of Weather seal containing waste EPDM powder 97

A. Utilization of powder 97

B. Weather seal shaping 98

9. Conclusions 101

Chart 4. Achievement and Contributions 102

Chart 5. Applications 103

Chart 6. References 106

Appendixes

목 차

제1장 서론 1

1절. 연구개발 목적 및 필요성 1

2절. 고무의 recycling 역사 2

1. Digest Method 2

2. Banbury Process 3

3. Reclaimator Process 3

4. High Rotation Process 3

5. Heater or Pan Process 3

3절. Recycle Rubber의 의미 4

4절. 폐 EPDM 고무 발생 4

5절. EPDM 화학적 구조식 6

6절. EPDM 가교형태 7

7절. 일반분쇄 이론 8

1. 분쇄의 개념 8

2. 분쇄원료 10

3. 분체의 입도 11

4. 분쇄와 분쇄원료의 상관관계 14

8절. EPDM을 포함한 폐고무 recycle 방법 15

1. 폐고무 분말의 화학적 처리 16

2. Mechanical Method 16

3. Mechano-Chemical Method 17

4. Chemical Method 17

5. Microwave Method 18

6. Ultrasonic Method 19

제2장 국내외 기술개발 현황 22

1절. 국내외 관령기술의 현황 22

1. 국외 22

2. 국내 22

2절. 국내외 유사과제와의 기술내용의 차별성 22

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 24

1절. 이론 24

1. 웨더씰(weather seal) 24

가. 이론 24

나. 웨더씰의 기능 25

다. 웨더씰의 재료 25

라. 웨더씰의 종류 26

마. 웨더씰의 생산 29

바. 웨더씰의 주요기능 32

사. 웨더씰의 기술동향 33

2절. 폐고무 재활용 방법 37

1. Plasma 표면 처리 기술 40

2. 기타 recycle 가능 기술 40

3절. 실험적 접근방법 42

1. 폐 EPDM 분말분석 42

가. Morphology 42

나. 비중측정 42

다. 입도분석 42

라. 진밀도 43

2. 가황시편제조 및 기계적 물성 측정 44

3. 미세 EPDM분말 이용 양산 weather seal 제조 45

가. 폐 weather seal 수거 계통도 47

나. 분말화 system 48

4. 폐 EPDM의 분쇄 82

5. 고무분말 특성규명 실험 82

가. 분쇄 메커니즘규명 및 ultrasonic 메커니즘 82

6. 실험방법 87

가. 재료 87

나. 시편제조 87

다. 물성측정 88

라. 가교도 실험 88

7. 결과 및 고찰 89

가. 분말의 특성 89

나. 기계적물성 92

다. 가교도 93

라. 열적특성 94

마. 형태학적특성 95

8. 재생 EPDM 분말을 함유한 weather seal 성형가공 기술 97

가. 분말이용 97

나. Weather seal 성형 98

9. 결론 101

제4장 연구개발 목표달성도 및 대외기여도 102

제5장 연구개발결과의 활용계획 103

제6장 참고문헌 106

부록

- 1 -

제 1 장. 서론

1절. 연구개발 목적 및 필요성

우리 나라 자동차산업은 국제 경쟁력을 갖추고 있어서 국내 수출 주종 산업으로 중요

한 부분을 차지하고 있다. 특히 자동차 제조수가 많아지는 이유로 자동차 고무관련 업

체의 폐기물 발생량이 증가 추세에 있어 환경에 대한 관심도가 세계적으로 문제시되어

자동차업계에서는 “Total Recycling System" 발효로 자동차 전 부품에 리싸이클링 제도

를 의무화하는 추세이다.

그러나, 고무제품의 리싸이클링은 플라스틱․유리․금속재료와는 달리 열에 의하여

녹지 않기 때문에 분말화하여 재 이용하는 방법이 있으나 수거와 분쇄하는 한계성 때문

에 재활용 산업이 경제적 수요에 부응하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 환경적으로는

자동차 폐고무부품의 처리 및 더 나아가 재이용, 사회경제적으로는 우리나라 주요 수출

품인 자동차 수출 무역제제에 대한 대비에 중요성을 가지고 있다.

폐고무 부품의 재 이용에는 열에 녹지 않기 때문에 분쇄하여 재 이용하는 가공이용

방법1이 사용되고 있으나 폐고무의 질긴 면 때문에 미세분말화(200㎛이하) 공정이 쉽지

않다. 따라서 새로운 기술개발에 따른 미세분말화가 요구되고 있으며 특히 자동차용 창

틀고무 및 트렁크 고무에 재 이용하기 위해서는 외관의 중요성 때문에 미세분말화 기술

개발이 현재 필요하다. 특히, 폐기물처리 부담금은 환경적인 문제뿐만 아니라 경제적인

측면에서도 중요하므로 재 이용이 가능하게 하는 미세 분쇄기술의 개발이 시급하다.

더욱이, 본 연구사업에서 개발하고자 하는 미세분말화 장치는 자동차 폐기물인 weather

seal 고무를 처리할 목적으로 1차적으로 분리시스템을 채택하여 이물질을 분리처리하

고, 2차적으로 미세분말화 시스템을 채택하여 미세분말을 재이용하므로서 폐기물자원화

로서 환경적문제를 획기적으로 해결하고자 한다.

이를 위해 고무의 분쇄 시 발생하는 열을 제어하는 냉각 system 기술, high shear를

위한 스크류 디자인과 ultrasonic 에너지를 이용하는 기술을 접목하는 것이 본 과제의

핵심이다. 이러한 미세분쇄 과정에서 발생하는 열과 냉각을 조화시켜 high shear

system으로서 미세분말을 달성할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

- 2 -

2절. 고무의 Recycle 역사

고무의 Recycle은 지금으로부터 약 150여년 전부터 시작되어 온 것으로 알려져 있으

며 그 시작은 탈황 즉, 가교된 황가황 결합을 절단하여 가소성 있는(흐름성을가진) 고분

자물로 재생해 보자는 의도에서 였던 것으로 보여진다.2-4

초기에 사용했던 방법을 살펴보면 표 1과 같이 정리할 수 있다.

표 1. 가황고무의 Recycle에 이용한 초기 방법

구분 세부 내용 개발 시기 개발자 특허/자료

Digest

Method

Acid Process 1881 N.C.Michell U.S. 249970

Alkali Process 1889 A.H.Marks U.S. 635141

Neutral Process 1913

Mechanical

Method

Banbury Process 1940

Reclaimator Process 1947

High Rotation Process

Open

Steam

Method

Superheater Steam

Process1940 R.R.Gross U.S. 1963943

Saturation Steam

Process

Heater or Pan Process 1858 H.L.Hall U.S. 19122

이 중 미국을 위시한 세계 각국에서 가장 많이 사용했던 탈황 방법5을 정리해 보면

다음과 같다.

1. Digest Method6

Digester법은 미국을 포함한 구미에서 가장 선호하는 탈황 방법 중의 하나로 폐고무

- 3 -

분말, Reclaiming Agent, 물을 넣은 다음 증기를 불어 넣어 탈황시키는 방법으로 초기

에는 Acid Process와 Alkali Process를 이용하여 탈황이 이뤄졌지만 SBR 사용량이 점

점 증가하면서 Neutral Process가 각광을 받게 되었다. Digester법은 그 구분상 건식법

과 습식법으로 구분하기도 한다.

2. Banbury Process

Banbury Mixer를 이용한 폐고무의 Recycle Process는 Banbury에 투입되는 폐고무

분말이 미세할수록 효율적이며 Ram이 누르는 압력과 Rotor와 Chamber와의 큰 전단력

에 의해 탈황되는 메커니즘으로 일반적으로 가공온도는 232～288℃ 정도이고 작업시간

은 5～12분 정도이다. 최종 제품의 품질 특성은 어떠한 종류의 폐고무를 사용했느냐에

따라 달라지는데 섬유상 물질이 없는 폐고무를 사용하였다면 양호한 품질의 재생고무를

얻을 수 있는 반면, 폐고무 파우더 내에 섬유상 물질이 남아 있었다면 품질이 떨어지는

재생고무를 얻을 수 밖에 없다.

3. Reclaimator Process

연속탈황을 이용한 폐고무의 Recycle Process로1947에 미국의 U.S. Rubber

Reclaming사에서 개발하였다. 폐고무 분말에서 섬유를 완전히 제거한 30 meshes (500

㎛)의 분말고무를 재료로 하여 Reclaimator라는 탈황기를 이용하여 탈황하는 방법으로

이 기술의 핵심은 Reclaimator 내의 Screw에 있는데 L/D가 플라스틱용과 같이 길고

Screw의 축 반경이 출구쪽으로 갈 수록 커지는 형태의 기계이다.

4. High Rotation Process

Mechanical법의 일종으로 폐고무 분말과 Reclaiming Agent를 특수하게 설계된 날개

와 벽에 충돌시켜 입자 상호 간의 충돌 및 재료의 유동화에 따라 나타나는 발열을 이용

하여 폐고무를 Recycle하는 방법이다.

5. Heater or Pan Process6

섬유상 물질을 기계적으로 선별한 다음 미분의 고무 분말을 탈황제(reclaiming agent)

와 혼합하여 Pan에 넣어 가열하는 방법으로 탈황이 완료되면 Digester Process와 같이

탈황된 제품을 꺼내어 조각을 내고 Milling하여 마무리 한다.

- 4 -

3절. Recycle rubber의 의미

Recycle Rubber7 혹은 Devulcanized Recycle이란 의미는 분말화된 폐고무를 부분적

혹은 충분하게 탈황시켜 이들을 다시 가황하거나 분말의 표면을 개질하여 다른 고분자

조성물의 첨가제로 사용하여 제품화하는 넓은 의미로 해석하는 것이 어떨까 한다. 그렇

다고 해서 이들이 원료고무와 여러 배합제가 컴파운딩된 초기의 컴파운드물과 같을 것

이란 단정은 어려울 것 같다. 왜냐하면 Recycle된 고무에는 혼합물 중에 부분적으로

가교되어 있는 사슬이 있거나 초기 사슬구조 혹은 가황되었을 당시의 사슬구조와는 상

이한 구조가 있어 Recycle전에 보였던 미가황고무와는 다른 특성을 보이기 때문이다.

또한 Recycle Rubber는 초기 첨가된 고분자나 첨가물이외에 알려지지 않은 그리고 분

석되지 않은 다양한 종류의 물질이 포함되어 있다.

4절. 폐 EPDM 고무 발생

고무를 포함한 유기탄성체는 세계 플라스틱 소비량의 약 15～20%를 차지하고 있으며

이 중 약 30~35%는 천연고무이고 나머지 60～65%는 합성고무로서 합성고무가 차지하

는 비율이 점점 증가하는 추세이나 급격한 비율 변화는 없는 실정이다.

폐가황고무의 발생원은 크게 자동차 분야, 기계/산업 분야, 건축 분야 등으로 나눌 수

있으며 이 중 폐고무 발생량이 가장 많은 부분은 자동차 분야로 특히, 자동차용 타이어

는 표 2에서 보는 바와 같이 전체 폐고무 발생량의 60% 정도를 차지할 것으로 예상된

다.

표 2. 세계 고무 소비량(비율)

용도 비율(%)타이어 59

자동차 부품 10비자동차 부품 9플라스틱 개질제 6

분쇄물 4건축자재 3전선피복용 2접착제 1기타 6

- 5 -

이를 다시 타이어 및 비타이어 부분의 고무 종류에 따른 고무 종류별 소비량 기준으로

살펴보면 표 3, 4와 같다.

표 3. 타이어에 사용되는 고무 종류별 소비율

고무 종류 비율(%)

NR, SBR, BR 70

EPDM 20

CR 3

NBR 3

The Others 4

천연고무를 비롯한 타이어 트레드부에 사용되는 SBR, BR의 소비량이 전체 고무 사용

량의 70%를 점하고 있으며 EPDM은 약 20% 정도이다.

표 4. 폐타이어에 사용되는 고무 종류별 소비율

고무 종류 비율(%)

NR, SBR, BR 16

EPDM 62

CR 10

NBR 9

The Others 3

타이어 이외의 고무제품에는 EPDM 고무가 가장 많이 사용되며 전체 고무 소비량의

약 62%를 점유하고 있다.

국내 가황고무의 재이용율은 약 5% 정도로 이의 대부분은 폐타이어 재활용이며 폐고

무의 상당량을 차지하고 있는 폐EPDM 고무의 경우는 폐타이어와 함께 혼합되어 재이

용되거나 소각 및 매립되고 있는 실정이다.

이와 같이 폐타이어를 비롯한 EPDM의 재활용이 어려운 것은 재활용을 위해 필요한

폐고무 업체들의 영세성 및 체계적인 수거와 기술 개발이 부족하기 때문으로 폐고무의

재활용을 적극 권장하기 위해서는 국가적인 시책 마련이 필요하다 하겠다.

- 6 -

그렇지만 NR, SBR, BR 다음으로 많이 사용되고 있는 EPDM 고무는 자동차의 창틀

고무 (Weather Seal), 플라스틱의 보강제로 주로 사용되며 이 중 창틀고무는 국내의 몇

몇 업체에서 제조할 뿐만 아니라 폐차시 차량으로부터 수거도 용이하여 이에 대한

Recycle기술이 개발될 경우 그에 따른 자원 재활용은 타이어를 제외한 다른 폐고무에

비하여 보다 빠르게 적용될 수 있을 것이란 측면에서 폐EPDM고무의 재활용 기술 개발

요청이 크게 대두되었다.

5절. EPDM 화학적 구조식

EPDM은 Ethylene과 Propylene 그리고 Non-conjugated Diolefin을 공중합한 대표적

인 합성고무의 하나로 고유의 특성인 내오존성과 내후성 뿐만 아니라 이중결합을 가진

분자를 측쇄에 도입하여 황가황이 가능하도록 하여 EPM보다 우수한 탄성을 갖도록 설

계된 합성고무이다.8, 9 이들의 화학적 구조식을 살펴보면 다음 그림과 같다.

측쇄에 도입된 제3성분으로는 위의 그림에서 보여준 ENB(Ethylidene Norbornene) 이

외에도 DCPD(Dicyclo Pentadiene), 1,4-HD(1,4-Hexadiene)등이 사용되기도 하나 대부분

은 ENB Type을 적용하고 있는 실정이다.

CH2 CH2 CH CH2CH3

CH CH3

m n q

그림 1. EPDM 구조식(ENB Type)

EPDM 고무의 주요 구성성분은 EPDM고무와 카본블랙을 비롯한 유기/무기계 충전제

그리고 가소제로서 그 각각의 함량은 적용 용도 및 사용 환경에 따라 달리 적용되고 있

다. 자동차용 Weather Seal의 경우도 Door Side인지 Hood용인지 아니면 Fixed Glass

용 인지에 따라 다르기 때문에 정확한 조성을 밝히기 어렵지만 그 구성성분은 대략 유

사하다고 보아도 무방할 것이다(이중 Fixed Glass 용의 경우는 많은 차종에서 TPE 혹

은 PVC로 대체되어 현재는 EPDM 고무는 사용하지 않는다고 보아야 함).

- 7 -

6절. EPDM 가교 형태

그림 2는 가교고무의 구조를 보여주는 그림인데 NR과 같은 불포화도가 높은 고무 뿐

만 아니라 EPDM과 같이 불포화도가 낮은 고무에서 나타날 수 있는 가교 형태이다.

그림 2. 가황고무의 가교구조

불포화 고무(불포화도의 높고 낮음은 앞서 설명하였듯이 관계 없음)와 유황(가황제)과

의 반응이 진행되면-혹은 촉진제나 활성제가 가해지는 경우도 포함- 그 결과로 다음 그

림 3과 같이 추정되는 황가교체가 형성되는데

그림 3. 황을 사용한 가황고무의 가교구조

1) 유황을 사용한 가교 중에는 탄소-탄소의 가교는 존재하지 않는다(사슬중의 탄소-탄

소 결합 제외).

2) 황가교로는 -C-S-C-, -C-S2-C-, -C-Sx-C-가 있고 Sx 중의 x의 수는 고무의 종

- 8 -

류, 반응조건(온도, 시간과 촉진제, 가공조제 존재 등)에 따라 달라질 수 있다.

3) 반응 초기에는 -C-Sx-C- 가교 형태가 많으나 반응 후기로 갈록 x의 수가 감소하

는 가교 형태로 변한다.

4) 황량에 비하여 촉진제의 비율이 상대적으로 많으면(혹은 Sulfur Donor 사용 시)

-C-Sx-C- 결합보다는 -C-S-C- 결합이 형성되기 쉽다.

등의 가교구조 특징을 가지고 있다. 따라서 폐EPDM 고무를 가능한 한 물성저하를 줄

이면서 Recycle하기 위해서는 -C-S-나 -S-S- 결합을 절단해야 할 것이다.

7절. 일반 분쇄이론

1. 분쇄의 개념6

분쇄기라 불리는 장치는, 조분쇄의 경우에는 조분쇄기(crusher), 미분쇄의 경우에는 미

분쇄기(grinder)라고 한다.

이상적인 분쇄기는 분쇄용량이 크고, 분쇄생성물의 단위량 당 도력소모가 작아야 하

며, 원하는 단일 입도 또는 입도 분포를 가지는 생성물을 얻을 수 있는 장치이어야 한

다.

일반적으로 모든 분쇄공정의 성능을 연구하는 통상적인 방법은 이상적인 장치조작을 표

준으로 삼고 실제 장치의 특성을 이상적 장치의 특성과 비교하여 두 장치의 차이를 분

석한다. 그러나 이러한 연구방법을 분쇄장치에 응용할 때는 두장치의 차이가 매우 커서,

그러한 차이를 이론적으로도 완전히 설명할 수가 없다.

현재도 이상적인 분쇄와 실제 분쇄공정의 차이를 설명할 수 있는 이론은 발전되어 있

지 못하기 때문에 이 분야의 연구가 상당히 시급하지만, 반 경험적 자료가 많이 쓰이고

있고, 따라서 분쇄용량이나 분쇄입도, 소용동력의 추산은 경험적인 연구에 의하여 부분

적으로 가능하다.

만일 어떤 큰 고체 덩어리에 충격을 가해서 분쇄를 하면 크고 작은 몇 개의 입자로

파괴가 될 것이다. 충격에너지가 클수록 큰 입자의 수는 적어지고 작은 입자는 많이 생

기지만, 작은 입자의 입도가 훨씬 작아지지는 않는다. 이러한 현상으로 미루어 보면 작

은 입자의 입도는 분쇄되는 물질의 내부구조와 긴밀한 관계가 있고 큰 입자의 입도는

분쇄가 일어나는 공정과 긴밀한 관계가 있음을 알수 있다. 이러한 분쇄효과는 Heywood

의 석탄분쇄실험으로 설명될 수 있다.

- 9 -

그림 4. 분쇄 입도분포의 변화

그림 4 는 그 실험결과인데 분쇄생성물의 입도분포는 시험용 분쇄기의 회전수 함수로

나타난다.

분쇄생성물의 입도분포는 시험용 분쇄기의 회전수의 함수로 나타난다.

회전수가 0일때, 즉 분쇄원료의 입도분포는 입도가 굵은 범위에서 단일 분포형태를

가졌으나, 분쇄 정도가 진행되면 단일분포형태의 최빈수(mode)는 값이 줄어들고, 어느

다른 특정입도에서 최빈수를 가지는 분포함수가 생긴다. 분쇄가 계속되면 처음의 최빈

수 부분은 없어지고 두 번째의 최빈수 값만 가지는 입도분포곡선을 얻게 된다.

이 두번째 최빈수와 그 입도분포곡선을 분쇄물질의 특성이기 때문에 지속성 모드라

부르고, 최초의 입도분포를 과도기 모드(transitory mode)라고 한다. 입도의 감소를 일으

키는데 필요한 에너지량은 분쇄물의 내부구조와 관련이 있다. 분쇄공정은 분쇄원료에

이미 있던 구조상의 간격이 열린 다음 새로운 표면을 형성하는 2단계로 구성되어 있다

고 설명할 수 있다. 실제로 분쇄가 안된 석탄덩어리에는 많은 틈새가 있어서 처음에는

이 틈새를 따라서 분쇄가 일어나기 때문에 큰덩어리는 작은덩어리보다 더 쉽게 부서진

다.

분쇄물의 표면은 구형이 아니고 매우 불규칙한 표면이기 때문에 돌출표면에 먼저 분

쇄력이 작용해서 국부적으로 그 부분에 높은 응력이 생기고 온도가 올라간다. 분쇄물의

일부분이 파괴도면 힘이 작용하는 위치는 달라진다. 따라서 파괴가 어떻게 일어나는지

는 확실히 잘 모르지만, Piret의 연구에 의하면 분쇄물에 가해지는 압축력 때문에 분쇄

물 내부에 흠이 생기고, 에너지 농도가 어떤 한계치를 넘으면 생겼던 흠이 초음속 이사

의 속도로 순식간에 커지고 가지를 치면서 뻗어나가고 분쇄물 입자가 파괴된다고 한다.

분쇄물에 힘이 작용하는 속도는 최대한 부하를 얻는 시기와 파쇄가 일어나는 시기사

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이의 시간지연을 일으키므로 분쇄과저에 중요하다. 약간 작은 힘을 분쇄물에 오랫동안

가하면 파쇄가 일어나는데, 이러한 현상은 연소성 기체혼합물의 점화시간 지연 현상과

비슷하다. 즉, 연소기체의 주입과 점화사이의 시간 간격이 연소기체의 온도에 영향을 받

는 것과 같다. 따라서 분쇄공정에 부하가 가해지는 속도가 크면 클수록 분쇄에너지는

덜 효과적이고, 분쇄생성물의 총 표면적은 후자가 전자보다 3～4배 높다. 이 현상 이외

에도 Piret은 분쇄조작과 화학반응 사이에 매우 긴밀한 유사성이 있다고 주장한다.

화학반응에서 활성화에너지와 반응시간이 중요하듯이, 분쇄가 시작되려면 어떤 임계

에너지 수준을 초과해야 분쇄가 일어나고 분쇄시간도 중요한 영향을 준다.

2. 분쇄원료

분쇄의 목적은 큰 입자를 작게 만드는 것이다. 또 그렇게 함으로써 분쇄물 단위질량

당 표면적을 크게 할 수 있고, 입도, 모양, 개수도 늘릴 수가 있다. 따라서 분쇄공정의

에너지 효율도 분쇄로 인하여 새로 생기는 표면적의 증가량을 측정하여 결정한다.

이와 같은 이유들 때문에 단일입자에서나 분체집단에서의 입자의 기하학적 특성치가

분쇄생성물을 평가하는데 중요한 기준이 된다.

이상적인 분쇄기에서는 분쇄생성물이 크기가 균일한 구형입자라고 가정할 수 있으나,

실제의 분쇄장치에서는 분쇄원료의 크기에 관계없이 균일한 입도의 분쇄생성물이 생산

되지 않는다. 따라서 보통의 분쇄기에서는 생성물 중의 최대입도는 제어될 수있으나, 최

저입도범위는 제어되지 않는다. 또, 어떤 미분쇄기에서는 미분말의 발생을 최소로 유지

하도록 설계하지만, 발생을 전혀 막지는 못한다.

분쇄원료의 입도나 형상, 다른 물리화학적 특성조차도 모두 균일하다면 생성물의 각

입자의 모양은 균일할 것이다. 그렇지 않은 경우에 분쇄생성물의 입도는 균일하지 않고

여러 가지 입도로 나누어져서 넓은 입도분포를 가진다.

분쇄된 입자들이 분쇄공정 내에서 마모로 인하여 형상이 둥글게 되지 않는다고 가정

하면, 이론적으로는 분쇄생성물 입자의 모양은 평면과 예리한 모서리로 구성된 다면체

(polyhedron)을 닮게 된다. 이 다면체의 면수는 4～7개 정도가 되고 각 면의 크기에 따

라서 운모와 같은 판상입자나 바늘 같은 모양의 입자가 존재한다. 반면에 입자의 각 면

의 크기가 비슷하다면 구형입자라는 표현을 쓸 수가 있다.

앞에서 언급한 이론적인 분쇄생성물은 어떤 정해진 물질의 단위결정체(unit crystal)와

비교할 수 있다. 단위결정체란 그 물질이 독립된 결정으로써 존재할 수 있는 최소 단위

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의 결정체로서 그 크기는 1nm정도이다. 즉 분쇄생성물 중에서 최저입도를 가지는 입자

를 그 물질의 단위결정체와 비교한다면 106정도로 매우 큰 차이가 있다.

따라서 보통의 공업적 분쇄방법으로는 단위결정체만큼 작게 분쇄할 수 가없다. 신소

재라고 부르는 fine ceramic의 원료를 제조하는데 있어서는 특수한 분쇄방법이 쓰이거나

기타의 신소재 제조방법으로는 액상 또는 기상반응에 의한 반응 조립법 또는 증기응축

법(vapor deposition)등이 쓰인다. 이러한 방법들은 분쇄공정의 반대개념인 성형 또는 입

자거대화 조작에 해당한다.

3. 분체의 입도

분쇄공정에서 주어진 분쇄물의 입도분포가 어떻게 변하며 그 변화를 어떻게 표시하는

가를 설명하겠다.

모든 종류의 분쇄물에 대하여 단일한 입도 분포곡선 또는 분포함수가 동시에 적용되

지는 않는다. 특히 조립자의 경우에 그러하다. 그러나 미세입자에 대하여는 입도 Dp와

누적분포율 φ의 그래프의 기울기가 입도 Dp의 지수함수로 나타낼 수 있음이 경험적으

로 알려졌다. 즉

−dφdDp

= BD k p (1)

이다. 단, B와 k는 상수이다. 음(-)부호는 φ가 증가하면 Dp가 감소하는 현상을 표현한

다. 위의 방정식은 체분석 결과를 외삽함으로써, 실제로 체가름을 할 수 없는 미세분말

의 입도를 추정하는데 쓰일 수 있다.

φ2 − φ1 =B

k + 1(Dk + 1p1 − D

k + 1 p2 ) (2)

단, Dp1과 Dp2는 φ1과 φ2에 해당하는 입도이다. 상수 k 는 시료분체의 극히 미세한 입

도의 상대적 중요성에 따라서 달라지는 값인데, 대부분의 분쇄물에서 의 k는 약

-0.5~0.1의 범위이다. k가 클수록Dp1과Dp2 사이에 들어가는 분쇄물에서 극히 미세한 입

자는 별로 중요하지 않음을 뜻한다.

만일 분쇄생성물이 지나치게 분쇄되면 미세입자가 훨씬 많아질 것이며, 이때 k는 작

은 값을 가진다. 상수 B는 전체 분쇄물 중에서 Dp1과 Dp2사이에 해당하는 분율의 측도

이다.

상수 B와 k는 체분석의 빈도분포로부터 다음과 같이 결정된다. 체분석에 사용 한 각 체

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의 구멍크기의 비는 서로 인접하여 포개어진 체구멍 크기의 일정한 비(실제로 표준체는 √

2의 비율로 제작되어 있다)와 같다고 가정한다.

만일 Dpn과 Dp(n − 1)이고, n째와 (n− 1)째의 체의 체구멍 크기이면 n째 체의 질량분율

은 φn − φn − 1이고, 식(2)를 n째 체에 적용하면 다음과 같다.

φn − φn − 1 = ∆φn =−B

k +1(Dk + 1pn − D

k + 1 p(n − 1) ) (3)

만일 Dp(n − 1)과Dpn의 일정한 비 r이 1보다 크다고 하면 다음과 같다.

Dp(n − 1 ) = rDpn (4)

식 (3)에 (4)를 대입하여 Dp(n − 1)을 소거하면

∆φn =B (r k + 1 − 1 )

k + 1 Dk + 1pn = B D

k + 1 pn (5)

단, B =B (r k + 1 − 1 )

k + 1 (6)

빈도분포의 체분석치로 ∆φn과 Dpn 사이에 필요한 관계식을 얻을 수 있는데, 식(5)를

대수화 하여 다시 풀면 다음과 같다.

log ∆φn = (k + 1) log D pn + log B' (7)전대수모눈종이에 ∆φn과 Dpn 점들을 표시하여 얻는 직선으로부터 상수 B와 k를 읽을

수 있다. 즉, 직선의 기울기는 k+1이고, k+1을 이용하여 log B 를 식(7)로 부터 계산하

여 얻는다. 흔히 log B 는 절편이라고 생각하기 쉬우나, 대수모눈종이에서는 횡축에 0이

없으므로 log B 는 편리한 값 ∆φn과 Dpn 에서 계산 된다. 그리고 B에서 식(6)을 이용하

여 B를 계산한다.

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그림 5. log ∆φn'과 log Dpn의 그래프

식(1)을 이용하면 부쇄 생성물의 비표면적이나 입자 개수를 계산할 수 있다. 식(1)에

서 dφ를 소거하고 Sw를 구하기 위하여 적분하면 비표면적 Sw는 다음 과 같다.

Sw =−6Bψρp DP1

DP2

Dk − 1p dDp =6Bψρp

(Dkp1 −D

kp2 ) (8)

식(8)은 k = 0이면 부정형이 되므로, 이때는

Sw =−6BψρP

lnDP2DP2

(9)

이다. 식(1)에서 dφ를 소거하고 적분하면 분체 혼합물의 단위질량당 개수 Nw 를 얻는다.

Nw =−Baρp DP1

DP2 dDpD3 − kp

=B

(2 − k)aρP(

1D2− kP2

−1

D2 − k

P1

) (10)

이러한 계산은 분쇄로 인하여 분쇄 물질의 표면적 증가량이나 분쇄물입자의 개수증가

를 추산하는 이론적 근거를 제시하는 것이므로, 실제의 분쇄공정에서 일어나는 현상과

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차이가 있을 수 있다.

4. 분쇄와 분쇄원료의 상관관계

분쇄물은 딱딱하거나 연한 물성을 가지고 있으므로 그와 같은 물성에 알맞은 분쇄원

리로 제작된 분쇄기가 선택되어야 한다. 이 절에서는 분쇄조작과 특히 관계가 깊은 몇

가지 물성을 열거하였다. 물질의 경도는 분쇄기 선정에 중요하 다. Mohs경도가 4이하

인 물질은 연한물질이라 하고, 5이상인 물질은 딱딱한 물질이라고 구분하는 것이 보통

인데, 이경도는 아래에 설명하는 물질의 강도(strength)에 크게 관계가 있다. 분쇄의 메

카니즘이 압축, 마모, 충격, 절단 등에 의해서 영향을 받는 동시에 물질의 굴절(bending)

비틀림(torsion) 등에도 영향을 받는다.

압축강도 (compressive strength)가 100 kg/cm² 이하인 물질은 석탄, 코크스, 석고, 점

토, 사탕, 황 등이며 500 kg/cm²인 것은 카보런덤, 현무암, 석영, 화강암, 인광석, 유리등

이고 그 중간 압축강도에 속하는 물질들로는 시멘트 클링커, 샤모트(shamotte), 방연광,

장석, 형석 등이다.

분쇄물이 함유하는 수분함량도 역시 분쇄에 중요한 영향을 미친다. 일반적으로 분쇄

물의 강도는 수분함량의 증가에 반비례하여 감소한다. 예를 등면 점토는 수분함량이

2～9% 일 때 압축강도가 20～60 kg/cm² 이고 수분함량이 22～26% 일 때는 압축강도가

2～3 kg/cm² 으로 저하된다. 그러나 수분이 압축강도에만 영향을 주는 것이 아니라 분

쇄물의 점결성에도 영향을 주고 유통성에도 영향을 주기 때문에 수분 함량에 따라서 분

쇄 방법, 즉 습식 분쇄(wet grinding) 또는 건식 분쇄(dry grinding) 방법이 선택된다.

분쇄물의 분쇄성을 표시하는 데에는 위의 물성으로 설명할 수 없기 때문에 위의 물성

을 총괄하여 분쇄능(grinding)이라는 용어로 표시한다. 이 분쇄능은 시험방법에 따라서

달라지기 때문에 물질마다 시험방법을 규격으로 제정하여 상용에 편의를 도모하고 있

다.

예를 들면 석탄의 경우에, ASTM 에는 광부 국법( U.S. Bureau of Mines Method)과

Hardgrove 법 등 이 규격화되어 있다. Hardgrove 법은 일정량 의 분쇄원료를 정해진

볼밀에 넣고 일정조건하에서 일정한 시간동안 분쇄하여 얻는 분쇄생성물이 어떤 표준체

에서 얼마(%) 통과하는가로 표시한다.

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8절. EPDM을 포함한 폐고무 recycle 방법

폐 EPDM 고무를 Recycle하기 위한 방법에는 어떠한 것들이 있으며 그것들의 특징은

무엇인지에 대하여 우선 간단히 살펴보기로 하자.

표 5는 폐고무의 Recycle 전반에 대하여 분류한 것으로 참고하기 바라며 표 1에서 소

개한 Recycle이 엄밀하게 말하면 Reclaim10-13 이었던데 비하여 이 표에서 분류한 방법

은 폐고무의 처리에 대한 기술 사항을 총 망라한 것으로 간주해도 무방할 것이다.

표에서 보듯이 폐고무 처리는 크게 3가지로 구분할 수 있는데 폐고무를 재료화 하여

이용할려는 방법과 열분해하여 회수할려는 방법 그리고 열원으로 이용하는 방법으로 나

눌 수 있다. 열분해하는 방법은 유용한 자원이 회수된다는 점에서 주목받을 수 있는

Recycle 방법이지만 비경제적이고 거대 설비로 인하여 현재는 연구가 거의 진행되지 않

고 있는 추세이다. 그러나 고온고압에서 만들어지는 초임계수를 이용한 폐고무의

Cracking에 의한 자원 회수는 현재 세계 각국에서 연구되기 시작한 방법으로 주목해 볼

필요는 있을 것 같다. 폐고무를 열원으로 이용하는 방법은 1970년대 Oil Shock 때 적

용되기 시작한 폐고무 처리 방법 중의 하나로 폐고무 처리를 쉽게 할 수 있다는 장점이

있는 반면, SOx 등의 생성에 따른 환경 오염, 재자원화 측면에서 환영 받지 못하는 방

법이다. 그러나 1995년 일본 자동차협회에서 발간한 일본의 폐타이어 Recycle 현황을

보면 열원으로 이용하는 방법이 50%를 상화하고 있어 다른 Recycle 방법이 서둘러 개

발되어야 할 것으로 보인다.

표 5. 폐타이어 Recycle 현황(1995년 일본)

구분 중량(MT) 비율(%)

Material 117 12

Protector 231 25

Thermal 496 53

Chemical/Raw 29 3

The Others 70 7

표 5에서 보여준 폐고무 Recycle의 방법 중 폐EPDM 고무의 Recycle에 적용하는데

경제적, 효율적 측면에서 가능한 중요 방법들에 대하여 간략하게 정리하여 보면 다음과

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같다.

1. 폐고무 분말의 화학적 처리

폐고무 분말의 화학적 처리 방법에는 다양한 방법이 소개되고 있는데 그 중 몇 가지

를 소개하면 표 6과 같다.

표 6. 폐고무 분말의 화학적 처리 예제

방법 생성물 목적

Mechano-

Chemical Reaction

스타이렌 변성 불포화

폴리에스테르수지 함유 고무 분말반응성 충전제

Polymer Treatment 변성 페놀수지, 폴리노르보넨 배합고무 물성 개질

Devulcanization 재생고무 분말 고무 배합용

Graft/IPN폴리스타이렌 그라프트 고무 분말,

비닐그라프트 고무 분말

폴리스타이렌 물성 개질,

친수성 고무 분말

Chlorination 염소화 고무 분말 NBR용 충전제

Sulfonation 설폰화 고무 분말 양이온 활성제

폐고무 분말의 화학적 처리는 분말 고무 입자 표면을 화학적으로 처리하는 특성 때문

에 상용성 향상, 물성 개질, 성능 개선과 같은 기능을 부여할 수 있는 반면에 처리 비용

과 처리 공정이 어렵다는 단점이 있다.

폐고무 분말은 현재에도 다양한 용도의 제품에 적용되고 있는 실정으로 만일 미세분

말화가 된다면 특별한 화학적 처리 없이도 고무나 플라스틱의 증량제, 내충격성, 개질제,

탄성재료, 기계적 복합재료 등에 물성 저하 없이 사용 가능할 것으로 보인다.

2. Mechanical Method

파쇄용 롤을 이용하여 대기 중에서 롤을 반복하여 통과하게 함으로써 기계적 응력으

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로 입자를 가소화하는 방법이다. 이 때 롤간의 간격은 얇게 조정되어 있어야만 목적하

는 효과를 얻을 수 있다. 사용한 폐고무 분말의 입도가 미세하면 미세할 수록, 롤을 통

과하는 횟수가 많으면 많을 수록 폐고무 분말의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.

표 7은 고무 복합체의 불균질성 크기와 주요 영향을 나탄낸 표인데 표에서 보듯이 폐

고무 분말을 수지와 블렌드하거나 충전제 개념으로 사용할 경우 분말 입자의 크기가 최

소 150 ㎛ 이하는 되어야만 할 것으로 판단된다.

표 7. 고무 복합체의 불균질성 크기와 주요 영향

구 분 불균질 크기 주요 영향

고무/고무 ～ 수 nm 분자 사슬 운동성, 고무 탄성

고무/저분자물질 수 nm ～ 10 nm 분자 사슬 운동성, 점탄성

고무/수지블렌드 수 nm ～ 수십 ㎛ 분자 사슬 응집 상태, 계면

고무/충전제 수 nm ～ 100 ㎛ 계면상태, 방향성

고무/단섬유 수십 ㎛ ～ 수 cm 계면상태, 큰 방향성

고무/장섬유 수 cm ～ 수 m 계면상태, 큰 방향성

3. Mechano-Chemical Method

Reclaiming Agent를 이용하여 대기중, 상온 혹은 상온 근처의 온도에서 폐고무 분말

에 기계적 응력을 작용시켜 가소화시킨다. 또한 기계적 응력과 화학적 처리가 동시에

폐고무분말에 가해지기 때문에 Crum상의 폐고무를 얻을 수 있는 방법이기도 하다. 일

반적으로 저온에서 촉진 재생을 할 경우, Reclaiming Agent이외에 Reclaiming Oil이나

Process Oil을 사용하는 것이 바람직한데 Tall Oil, Fine Tar, Solvent Naphtha 등을 사

용한다.

4. Chemical Method

이것은 낮은 에너지-낮은 응력으로 폐고무 분말을 Recycle 하는 방법이다. 미리 분

쇄한 폐고무 분말에 가소제와 Reclaiming Agent를 소량 혼합하여 혼합기 중에서 상온

또는 약간의 열을 가하여 단시간에 처리하는 방법으로 동력과 에너지 손실이 다른 처리

방법에 비하여 절감된다는 장점이 있다.

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5. Microwave Method

마이크로파(Microwave)라고 하면 무선통신 등에 사용하는 전자파에 비하여 파장이

훨신 짧은 전자파를 말하는 것이며 주파수 범위가 1～30GHz 정도를 말하는 것이 보통

이나, 최근에는 밀리미터파(milimeter wave)를 포함해서 300MHz～300GHz의 주파수 범

위를 갖는 전자파를 말하며 고무산업에서는 가황 설비 중의 하나로 이미 사용 중이다.

마이크로파에 의한 탈황은 고무 가황물 중의 Sulfur-Sulfur, Sulfur-Carbon 결합만을

선택적으로 절단할 목적으로 연구, 실용화되고 있는데 폐고무를 직접 Micro Oven 속을

통과시키면 260～300℃의 온도까지 승온되면서 탈황이 일어나는 방법이다. EPDM, IIR

고무에 대하여 효과적인 것으로 보고되었는데 마이크로파로 탈황된 폐고무를 정상적인

EPDM 컴파운드에 10～15 part를 혼합하여도 물성 저하가 없는 것으로 보고되기도 하

였다.

그림 6. 주파수 스펙트럼

Goodyear의 Marsh 등은 EPDM 호스와 Trim을 포함한 다양한 종류의 폐가황고무를

이용하여 Carbon-Carbon 결합의 손상은 없으면서 Carbon-Sulfur, Sulfur-Sulfur 결합만

을 절단할 수 있는 마이크로파의 주파수와 에너지 세기를 측정하였다. 폐가황고무를

탈황한 다음 재가황시켜 정상적인 가황물과의 물성 차이를 연구하였는데, 그 결과 거의

차이가 없는 것으로 보고하기도 하였다.

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마이크로파를 이용하여 폐EPDM 고무를 Recycle하면 Pan Method(140~160℃의 증기

중에서 4～8시간 동안 가열 처리하는 방법)에 비하여 몇가지 장점을 가지고 있는데

1) 고온 처리가 가능하기 때문에 오염물질인 Reclaiming Agent가 불필요하다.

2) 고무 내부까지도 발열에 의해 탈황 가능하기 때문에 고무 품질이 보다 양호하다.

3) 열원이 마이크로파이기 때문에 설비가 단순하고 부피가 작다.

4) 마이크로파로 탈황하는 경우는 약 5분의 시간이 소요되어 경제적이다.

5) 정상적인 컴파운드에 첨가할 경우 물성 저하없이 사용할 수 있어 동일 물성에서

단가를 낮출 수 있다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 작업이 Batch Process로 이뤄진다는 점과 극성 고

무에만 적용 가능하다는 단점이 있다(Contineous Process로 작업 가능하나 효율성 측면

에서 Batch Process에 비하여 열세임). 아울러 Weather Seal의 경우 재료와 제품 특성

상 카본블랙과 무기 충전제가 다량 배합되어 있는데, 이 경우고무의 전도성이 증가하여

마이크로파를 표면으로 반사시킴으로 내부까지 마이크로파가 흡수되기 어려운 점도 있

다. 따라서 폐EPDM 고무의 표면 탈황에는 적합할 수 있으나 폐 EPDM 고무 분말의

입자 내부 탈황에 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.

6. Ultrasonic Method

최근 가황고무 탈황 방법 중의 하나로 강력한 초음파를 이용한 방법들이 소개되고 있

는데 특정 크기의 압력과 열을 가진 초음파를 가황고무에 조사하면 3차원의 가교 구조

를 파괴할 수 있다고 한다.14-16

강력한 세기의 초음파를 고분자에 조사했더니 고분자 사슬의 절단에 의해 점도가 낮

아지고 그로 인하여 압출시 Die의 압력과 Swell이 감소하였다는 보고로부터 시작하여

최근에는 액체에 강한 세기의 초음파를 작용시켰더니 아주 짧은 순간동안 압력은 수천

bar까지 올라갔고 온도도 약 5,500℃까지 상승하였다는 보고도 있었다.

Okuda는 천연고무를 이용하여 50MHz의 초음파를 20분 정도 작용시켰더니 탈황이 되

었으며 이를 재가황하여 정상적인 가황물과 물성을 비교해 본 결과 거의 유사하다는 결

론을 내리기도 하였다.

초음파를 이용한 탈황 방법과 장치에 대하여는 이미 특허로 출원된 경우가 많이 있는

데 초음파를 이용하여 탈황하는 장치의 대표적인 것에는 다음 그림과 같은 것이 있다.

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그림 7. Cross-head Die형 탈황 설비

주 1) Die Chamber 내에 Ultrasonic Horn이 설치된 Cross-head Die

주 2) Die는 Die 출구 주위의 Jacket을 통하여 흐르는 냉각수에 의해 냉각

주 3) Horn과 Die의 간격 조절 가능

그림 8. Coaxial형 탈황 설비

주 1) Ultrasonic Horn은 압출기와 동일 축에 설치되어 있음.

주 2) Die와 Horn부에 고무의 Heat Build-up을 감소시키기 위하여 냉각수 흐르도록 장

- 21 -

치.

주 3) Horn과 Die의 간격 조절 가능

이러한 기술은 여전히 생산성, 재생 고무의 성능이 충분하지 않다는 문제를 안고 있다.

- 22 -

제 2 장. 국내외 기술개발 현황

1절. 국내외 관련기술의 현황

1. 국외

분말화 기술은 독일, 일본에서 기술을 선도하고 있고, 연구개발 방향은 초미세분말 제

조를 추구하고 있다. 스미토모 사 등 대규모의 기계회사에서 진행되고 있다는 점이 공

통적이며 실용화는 덜 되었지만 러시아에서는 분말화기술은 매우 발전한 단계이다. 러

시아의 NikolSkii 팀은 shear induled high temperature grinding system으로 미세분말

화에 상당한 연구 성과를 거두고 있고 그러한 연구성과는 발생 열을 억제해야한다는 종

래의 기술을 뒤 업고 미세분말화하는 새로운 기술을 제시하여 이 기술의 응용이 기대된

다.

2. 국내

국내 분쇄기 전문 제조업체는 약 40여 업체로 추산되며, 나름대로 규모와 매출실적,

그리고 역사를 가지고 있는 중견업체는 7～8개사에 불과하다. 2000년 국내 분쇄기 시장

은 약 160억원으로 추산되는데 국내 3～4개 업체가 일본으로 OEM방식으로 수출하고

있고, 수입은 미미한 수준이다.

국내의 기술은 한국자원재생공사의 폐타이어 분말화가 상업화되어 있으나 30

mesh(600㎛)까지의 수준에 머무르고 있어 선진국 100 mesh(150㎛)의 수준에 도달하기

위해서는 냉동기술이 필요하나 운영비가 많이 들어 상온 분쇄법으로 100 mesh 이하로

분쇄 system이 필요하다. 국내의 일부 대학에서 폐타이어 분쇄에 대한 소규모 plant에

관한 연구가 진행되고 있다. 그러나 자동차 weather seal 폐기물에 대한 개발은 필요에

의하여 자동차 marker에서 연구중이나 가장 핵심적인 미세화 분말장치에 대한 개발이

미비하여 이에 대한 연구개발이 필요하다.

2절. 국내외 유사과제와의 기술내용의 차별성

본 연구에서는 분쇄 기술에 접목시키므로서 미세분말화하는 러시아 NikolSkii 그룹과

- 23 -

는 달리 초음파(ultrasonic)와 high shear 기법을 동시에 처리함으로서 미세분말화의 연

구를 수행했다.

본 과제가 성공적으로 수행될 경우 개발성과를 직접 적용할 수 있는 자동차 weather

seal의 제조업체가 재 이용하여 자동차 부품의 리싸이클에 적용되어 빠른 시일내의 상

용화가 필요하다. 또한, ultrasonic은 효과가 이미 검증된 기술이기 때문에 지금까지 적

용되어 온 상용화에 어려움 없이 적용되리라 판단된다.

본 기술은 high shear, ultrasonic 에너지 또한 열에너지가 동시에 분쇄기 안에서

적용되는 기술이기 때문에 분쇄 cycle이 짧아서 미세분말화에 드는 제조원가비용 감

소, 폐기물 사용에 따른 원료 사용량 감소의 효과를 가지고 있어 재활용 분야에서는 어

느 기술보다도 경제적인 경쟁력을 가질 수 있다.

- 24 -

제 3 장. 연구개발수행 내용 및 결과

1절. 이론

1. 웨더씰(Weather Seal)

가. 이론

웨더씰은 자동차의 차체 및 창유리에 부착되어 차체의 밀봉(sealing) 기능을 하는 부

품을 말한다. 따라서 자동차의 모양 및 차종에 따라 부품의 단면현상, 재료 성능이 결정

된다. 이것은 표 8에 정리하여 나타내었다. 통상 창문 및 옆 창틀 유리를 지탱하는 웨더

씰은 solid 고무가 사용되고 있으며, 차문(Door) 및 트렁크의 개폐부에는 스폰지

(sponge) 고무를 사용하고 있다. 최근 sunloop 장착 차량이 많아짐에 따라 이에 seal 고

무도 다양화된다. 웨더씰의 기본적인 기능은 누수 및 소음에 대한 밀봉성이 좋고, 차체

의 진동 및 유리의 요동을 방지하며, 차체 부위의 완충을 목적으로 한다. 따라서 제품은

차체 치수의 불균일성, 개폐시의 불균일성을 흡수하고, 조립작업성이 용이해야 하고 재

료는 그 성능상 공통된 요구특성이 내후성, 내오존성이 우수해야 함은 물론 panel의 오

염성이 없어야 하며, 용도에 따른 물성 변화 및 고착성이 작아야 한다. 최근사용 요건이

강화됨에 따라 재료도 내구성능이 우수한 재료로 개발이 요구되며 지속적으로 성능 유

지가 될 수 있는 재료개발이 요구된다.

성능향상을 위해 Glass Run에는 nylon pile을 flocking 하거나 표면코팅 처리도 행해

지며, 부품 현상에 따라 corner부를 접착 성형하는 것이 많으므로 재료의 접착성도 고려

해야 한다.

특히, 재활용 문제에 있어서는 고무부품의 경우 크기가 작을 뿐 아니라 금속이나 섬

유, 기타 재질을 병용하여 생산되므로 부품의 회수 및 재활용을 위한 분리, 처리 등의

방법이 쉽지 않다. 이런 고무부품의 문제를 해결하기 위하여 자동차용 고무 부품에 대

한 TPE(Thermoplastic Elastomer)와 수지로의 전환이 자동차 메이커와 부품업체, 재료

관련업체에서 다각적으로 개발 진행중이고, 일부 적용 중에 있다.

일부 선진국에서 재활용이 가능한 TPE를 엔진 후드(hood)용으로 채택하고 있고, 국

내에서도 TPE 적용 웨더씰을 개발하고 있으므로 향후 EPDM도 점차 TPE로 대체될 전

망이다. 그러나 아직은 온도 의존성이 큰 TPE 보다는 EPDM이 주로 사용되고 있다.

자동차용 고무 부품은 열에 의한 노화 및 피로에 의한 열화가 아주 큰 부품으로 자동

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차에 장착되는 부위와 용도에 따라 재료 물성 및 형상, 기능이 상이하여 전체적인 설명

은 힘들고 본고에서는 고무 부품중의 일부인 자동차 weather seal에 대한 범위와 기능,

재료 등에 대하여 개괄적으로 설명하고자 한다.

나. 웨더씰의 기능

웨더씰은 자동차용 창틀 고무라고도 불리어지는 것으로서 자동차의 body와 door등에

장착되어 차체 내․외부의 누수방지, 외부소음 등으로부터 sealing성을 부여하고 body의

진동이나 glass의 요동을 방지하며, body의 완충작용 등을 부여하므로서 자동차의 쾌적

성과 안락성을 부여하는 자동차의 기능성 제품이다.

특히 웨더씰은 자동차의 종류 및 구조에 따라서 부품의 형상과 재료, 기능이 달라지

므로 dynamic 상태에 장착될 경우 설계상의 치수 및 상대 부품에 의한 영향이 완성차

의 기능에 많은 영향을 주기 때문에 제품의 형상, 구조특성이 아주 세밀하게 검토되어

야 한다.

Weather seal은 외부 환경에 노출되어 있거나 main body나 door의 틈새에 장착되기

때문에 상대부의 편차에 의하여 가혹한 조건에 놓이는 경우를 우리는 흔히 접할 수 있

고, 이런 미미한 문제가 자동차의 전체적인 기능 및 내구성을 저하시킬 수 있다는 사실

을 간과하지 말아야 할 점이다.

다. 웨더씰 재료

자동차의 body와 door에 장착되어 차체의 sealing성 및 내구성을 부여하는 웨더씰 부

품의 재료에 대한 요구 성능은 크게 내열성, 내후성, 내오존성 등이 있다. 따라서 내열

성, 내후성, 내오존성, 전기저항성 등이 우수하고 가공성이 양호한 EPDM 고무가 주로

사용되고 있으며 일부 부품에는 PVC등의 재료도 사용된다.

EPDM17은 ethylene, propylene 및 소량의 diene 화합물을 주원료로 제조된 3원 공중

합체로 ethylene, propylene 및 diene이 methylene 결합으로 이루어졌다는 의미로

EPDM이라고 부른다. EPDM의 구조와 물성에 영향을 주는 폴리머 구조 및 인자는 다

음과 같이 요약할 수 있다.

1) 분자량과 분자량 분포

2) Ethylene과 Propylene의 조성비

- 26 -

3) 제3성분의 함량과 조성비

4) Ethylene과 Propylene의 조성 분포

이상의 인자에 의한 물성에 미치는 영향을 분자량은 Mooney 점도로 제3성분은

Iodine Number로 ethylene과 propylene의 조성비는 propylene 함량으로 상관시켜 보았

을 때 가황고무의 물성은 표 8와 같다.

표 8. EPDM고무의 인자별 가황고무 물성과의 관계

물성

항목경도

인장

강도신장률

굴곡

균열Comp. Set

반발

탄성발열 마모

Mooney Viscosity

(ML1+4, 100℃)가

증가

高 大 小 惡 惡 高 小 良

Iodine Number가

높아짐高 - 小 惡 惡 高 小 -

Propylene 함량 증가 小 小 - - 小 低 大 惡

라. 웨더씰의 종류

웨더씰은 적용 부위 및 용도에 따라 Fixed Window Seal, Flange Seal, Primary Seal,

Glass Run Channel, Belt Line Seal 등으로 대별되고 종류 및 기능 구성에 대한 내용을

표 9에 나타내었다.

특히 glass의 guide 역할을 하면서 sliding 성능을 가져야 하는 glass run의 경우

dynamic한 부위에서 기능성이 필요하므로 glass와의 접촉면에 대하여 nylon 혹은

polyester type의 pile을 flocking하거나 polyurethane 계통의 특수 표면 처리제를 도포하

여 내구성능 및 slip성을 가지도록 하고 있다. 이때 미가교 혹은 가교 EPDM 소재는 비

극성이므로 접착에 상당한 어려움이 따르고 이러한 문제를 개선하기 위한 연구 개발이

국외 및 국내 관련 업체에서도 활발하게 진행되고 있다. Pile flocking의 경우 접착제 처

리 및 pile의 대전처리에 의한 flocking 작업이 까다롭고 Pile(≒0.4mm)의 비산에 의한

작업장 오염 및 환경문제가 심각하여 충분한 집진 설비가 필요하며 현재 국내에서는

polyurethane 계통의 코팅 처리로 거의 전환된 상태다.

좀 더 진보된 glass run 기술로는 서론에서 언급된 재활용이 가능한 TPE 소재를 사

용하여 환경 문제에 대처하는 것이 개발 완료되어 국내에서도 일부 차종에 적용되고 있

- 27 -

다.

복합적이고 특수한 기능을 가진 제품으로는 sashless door opening(일반적으로 Hard

Top으로 부른다)이 있으며 Hard Top은 자동차 중에서 Coupe형이나 Convertible형

(Open-Car), 중형 세단 등에 주로 적용되고 있는 제품이다. Hard Top은 sealing 역할을

위하여 소재는 스폰지를 사용하고 있으나 또 하나의 주된 기능인 glass의 sliding guide

역할(Glass Run 역할)을 가져야 하므로 단면 설계 형상 및 표면처리, 스폰지의 기본적

인 물성, 내구성 등이 우수해야 하므로 weather seal 제품의 기술집약 부품으로 볼 수

있다.(Hard Top에 대한 상세 내용은 기술 동향에서 재설명 하고자 한다.)

- 28 -

표 9. 웨더씰의 종류와 기능

종 류 기 능 부 품 명 구 성

Fixed

Window

Seal

-Glass를 고정시키는 역할

-Wind Shield Seal

-Back Glass Seal

-Fixed Quarter

Window Seal

-사출, 압출, 프레스가공

Flange Seal

-먼지와 물 차단

-고정부와 유동부의 Sealing 역할

-접촉부에서 일정 Sealing량 만큼

Flange를 Cover함

-Hood Seal

-Lift Gate

-Sunroof Seal

-Trunk Lid Seal

-스폰지 고무

-장착부는 금속이나

wire를 사용한 insert

압출물도 있음

Primary

Seal

-Body와 Door의 일차적인 Sealing

역할

-먼지, 물, Noise 차단

-Body Side Seal

(Door Opening

Seal)

-Door Side Seal

-Body Side: 장착부는

금속이나 Wire를 사용한

Insert 압출물

-Sponge와 Solid 등의

조합에 의한 2중, 3중

압출물

Secondary

Seal

-Primary Seal을 보조하는 역할로

물과 먼지 등의 통로 역할을

가짐

-Door 하부에서 Sealing하여 Edge

부를 막아줌

-Door Drip

-Roof Line Seal

-Lower Auxiliary

Seal

-Sponge와 Solid 등의

조합에 의한 2중, 3중

압출물

-내구 등의 향상을 위해

표면 처리도 병행

Glass Run-유동 Glass의 Sliding Guide 역할

-Glass와 Door와의 Sealing역할-Glass Run

-연속가교 후 성형 실시

-Glass 접촉부 표면처리

Belt Strip

Seal

-Door와 Glass사이의 Gap Sealing

-유동 Glass의 Guide 역할

-Glass의 이동량을 잡아주고

Inner 측으로 유입되는 먼지

등을 방지

-Inner Belt

-Outer Belt

-다중 압출

-금속 Insert 사용

-Glass 접촉부 Flocking

처리

- 29 -

그림 9. 자동차에 적용되는 EPDM 재료의 사용예

그림 10. 웨더스트립의 주요 단면 형상

마. 웨더씰의 생산

(1) 웨더씰 가공공정

웨더씰의 소재는 EPDM 고무와 PVC, TPE등의 수지로 분류할 수 있고 대부분의 경

우 EPDM 고무가 사용되고 있다. 이때 EPDM은 지지 및 강도, 형상 유지를 위한 solid

고무와 충격에 대한 흡수 및 sealing성이 우수한 스폰지 고무로 나눌 수 있다.

웨더씰에 적용되는 EPDM 소재의 생산공정은 일반적으로 압출, 가교, 냉각의 3단계로

구성되어 있으며 제품별로 분류하여 보면 심금(금속이나 Wire Insert) 형의 Glass Run

류와 Door Opening류, 비심금 형의 Glass Run류와 Door Seal류, Wind Shield Seal류

등으로 분류할 수 있다. 표 10에 웨더씰 종류별 생산 공정을 간략하게 나타내었다.

- 30 -

표 10. 종류별 생산 공정

Weather Seal

종류공 정 비 고

Glass Run

압출기→가교조→세정․냉각→코

팅 Zone(혹은, Flocking)→건조로

→절단→적재→후가공(Joint 및 사

상 등의 후처리 작업)

-심금을 가진 제품의 경우 압출기 앞

에 심금 공급기가 있음

-코팅의 경우 미가교 고무에서 실시할

경우 공정 변경이 있음(가교조 전에

코팅 Zone)

Body Side

Seal

심금공급기→압출기(2중 혹은 3

중)→가교조→세정․냉각→코팅→

절단→적재→후가공(Joint 및 사상

등의 후처리 작업)

-코팅은 일반적으로 동결이나 마모 등

을 방지 하기 위한 표면처리 공정임

- Color 소재를 사용할 경우

Sponge/Solid/Color의 3종 소재 동시

압출

Door Side

Seal

압출기(단일 또는 이중 압출)→가

교조→세정․냉각→코팅→절단→

적재→후가공(Joint 및 사상 등의

후처리 작업)

-코팅은 일반적으로 동결이나 마모 등

을 방지 하기 위한 표면처리 공정임

Molding류

압출기→가교조→세정․냉각→절

단→적재→후가공(Joint 및 사상

등의 후처리 작업)

(2) 웨더씰 가교공정

웨더스트립 가교 시스템의 종류는 크게 HAV, UHF, PCM, LCM으로 분류되고, 제품

의 특성 및 조건에 따라 선택하여 사용되어 진다. 특히 weather seal의 스폰지 고무는

가교와 발포가 가교조 내에서 동시에 진행되므로 가류속도와 발포속도, 온도 등의 조건

을 아주 세밀하게 설정해야 균일하고 안정된 연속 가황물을 얻을 수 있다.

- 31 -

표 11. 연속 가교 설비의 분류

구 분 열 전달 매체 가교온도(℃) 비 고

LCM

(Liquid Curing

Medium)

금속염

(KNO3,

NaNO3,

NaNO2)

240

- Peroxid Cure 가능, 열 전달 양호,

- 오염성, 붕괴저항성, 설비 안정성이

미흡

PCM

(Particle Curing

Medium)

Glass Bead 220 -설비비용 저가, 주변오염 발생

HAV

(Hot air

Vulcanization)

Hot Air 200 -구조 단순, 열 전달 늦다

UHF

(Ultra High

Frequency)

극초단파 250-에너지 효율성 양호

-설비 비용 고가

(가) LCM

압출 성형한 고무제품을 상압하에서 높은 온도의 액체 가열 매체속으로 통과시켜 연

속적으로 가교시키는 방식으로 LCM은 액체 가열 매체의 선정이 아주 중요하다. 매체가

가져야 할 기본적인 구비 조건은

① 고무 제품에 나쁜 영향을 주지 않아야 한다.

② 가교 온도 부근에서 열적으로 안정하고 장기 사용에 견딜 수 있어야 한다.

③ 양호한 열 전달 성능을 가져야 한다.

④ 가교후 제품에서의 세정이 용이하여야 한다.

⑤ 불연성이 있어야 한다.

⑥ 가격이 저렴해야 한다.

(나) PCM

다공질의 세라믹 판에 공기나 질소 가스 등을 불어 넣어, 구상의 glass bead 입자를

유동상태로 하고 구상의 glass bead 입자 속에서 압출 성형한 고무를 이상적으로 상압

연속 가교 시키는 방식이다.

- 32 -

① 상압하에서도 연속적이고 균일한 가교가 되고 고품질의 제품을 얻을 수 있다.

② 피가교물이 유동 입자 중을 통과할 때, 저항은 거의 무시할 정도이므로 변형이 없

다.

③ 피가교물의 압력은 유동입자의 깊이에 비례하고 상압법의 경우 150mm 정도 깊이

에서 0.02～0.03kgf/cm2이 된다. 그리고 유동입자층의 비중이 1.3～1.5정도이므로 제품을

누르는 roll 등의 guide가 필요 없다.

④ 가교온도는 피가교물의 통상적인 가교온도를 충분히 만족한다.

(다) UHF

마이크로파는 광속도(3×108m/sec)에서 전달하는 고속 응답 성능을 가졌기 때문에 연

속 가교 Line에서 압출성형으로부터 가교, 냉각, 절단까지 일관화된 연속 line 구성이 가

능하다.

UHF는 주파수 300～3000 MHz, 파장 1～0.1m의 극초단파(Micro파)이다. 현재 UHF는

HAV나 PCM등의 가류방식과 조합하여 사용함으로써 열효율을 향상시키고 제품의 품질

안정화를 기할 수 있어 많은 호응을 얻고 있다.

(라) HAV

가열 공기 분위기 중에서 연속적으로 제품을 통과시킴으로써 가교시키는 공법으로 열

효율이 낮은 반면 구조가 단순하여 weather seal에서 가장 범용적으로 사용되고 있다.

표 12. 각종 가교 방식의 열 전달 계수

가교 방식매체의 열 전달

계수(KJ/m2․hr․℃)

HAV에 대한 비

HAV

PCM

LCM

71

1484

2771

1

21

39

바. 웨더씰의 주요 기능

웨더씰은 자동차의 내부 및 외부에 장착되는 기능성 부품으로 자동차의 내․외부에

노출되어 수요자의 눈에 드러나는 경우가 많은 부품이다. 따라서 웨더씰은 외관이 우수

- 33 -

하여야 할 뿐 아니라 차종 및 구조에 적절한 단면과 소재 물성을 지녀 고유의 기능을

나타내어야 한다. 그러므로 solid 및 스폰지 재료의 압축영구변형, 재질의 강도 변화량

등이 적어야 하며 body 등에 접촉시 접촉성 및 이행성 오염이 없어야 한다. 부품의 연

소성은 FMV SS 302를 만족하고 자동차 제조사별로 설정된 난연 규제를 충족해야 한

다. Weather Seal에 있어서의 주요 재료 물성 규제 항목은 경도, 인장강도, 신장율, 영구

변형, 난연성, 내열성, 저온성, 내오존성, 상용성 등이다.

주요 재료 물성은 일반적인 사항으로 차종 및 자동차 제조사별로 규격이 상이하고 규

제 수준등이 다르므로 재료물성에 대한 규격치는 생략한다.

사. 웨더씰의 기술 동향

서론에서 언급한 바와 같이 자동차의 고급화 및 세계화에 부응하고 수익성을 향상시

키며 환경 규제에 대응하기 위한 자동차사와 자동차 부품업체의 신기술 및 신소재 개발

이 다각적으로 실시되고 있다. 이에 신기술, 신소재, 기능향상부문에 있어서의 몇 가지

동향을 피력하고자 한다.

(1) 열가소성 소재(TPE) 개발

TPE는 1950년대 처음 소개되었고 기능면에서 고무적인 성능과 유사한 탄성(Soft

Segment)을 가지며 가공면에서 고온시 열가소성 기능(Hard Segment)을 가진 효율적이

고 경제적이며 재활용이 가능한 소재로 각광 받고 있다.18-22 TPE의 장점으로는 배합 및

가교공정이 필요 없어 공정이 단축되며 비용이 절감될 수 있고 취급이 용이하며 성형성

이 우수하므로 제품의 품질 안정화 및 복합화가 가능하다. 따라서 형상이 복잡한 웨더

씰 glass run 제품에 일부 적용되고 있으며 hood seal 등의 스폰지 제품에 대한 TPE

발포 기술개발이 국내에서도 진행되고 있는 실정이다. 특히, TPE의 수발포는 1991년

AES사에 의하여 발포 성형기술이 확립되어 미량의 물을 주입하여 비중 0.3 정도의 발

포품이 가능하고 웨더씰에의 응용으로 재활용성, 저 Cost, 환경적인 측면에서 1995년 자

동차의 hood seal에 최초로 적용된 바 있다.

환경을 고려한 저연비 자동차의 개발과 생산성 향상, 경량화, 재활용을 위한 TPE 소

재의 자동차 웨더씰용에 대한 적용은 계속 확산될 것으로 보인다.

- 34 -

표 13. Hood Seal의 성능 비교

항 목 단 위 수발포 TPE Sponge EPDM Sponge

비 중

압출품 중량

내열성

(-30℃～80℃×5Cycle)

저온 취화 온도

변형하중(40% 압축)

압축영구줄음율(%)

70℃×22hrs

100℃×22hrs

g/cm2

g/m

-

℃

Kg/100mm

%

%

0.49

4.8

변화 없음

-40℃ 이하

0.79

20

23

0.65

15.4

변화 없음

-40℃ 이하

0.55

9

37

(2) Sashless Door Opening(Hard Top)

자동차 중에서 sports coupe와 같이 door의 중간 frame 및 door frame이 존재하지 않

아 충격에 대한 강도가 오리지날 세단형(중간 Frame 및 Door Frame이 존재하는 자동

차)에 비하여 떨어지나 그만큼 자동차의 무게를 줄일 수 있고 미관상 수려하며 자동차

운전자의 시야를 넓게 확보할 수 있어 젊은층의 취향에 맞게 설계된 것이 hard top으로

정의 할 수 있다. Hard top은 door glass의 승하강시 roof 및 중간 frame이 없으므로

hard top 자체가 glass의 guide 역할(Glass Run 역할)을 해야 하므로 solid 고무에서의

마모성 및 slip성 등을 스폰지 고무가 발휘하여야 하는 난점이 있다. 또한 door의 닫힘

시 glass가 hard top 부위를 직접 타격하여 닫히는 시스템이므로 door glass의 충격을

흡수(Door Side Seal이나 Body Side Seal의 역할)할 수 있도록 설계되어야 한다.

그림 11. Hard Top 의 전체적인 개략도

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이러한 이중 역할을 가져야 하므로 hard top은 단면 설계에 있어서 고도의 기술을 요

구하고 스폰지 재료 및 단면의 압출, 표면처리기술 등이 집약되어야 하는 과제를 안고

있다.

그림 12. Hard Top의 주요 단면 형상(장착 위치별로 형상이 상이)

현재 국내에서도 개발되어 적용중이나 향후 Convertible 등의 신차 개발을 위해서 hard

top에 대한 기술 발전은 계속되어야 할 것으로 보인다.

(3) 자동차 부품의 Module화

자동차 부품의 module화란 자동차의 30～40%를 차지하고 있는 전장, 의장, sash 등의

설계와 생산을 부품업체에서 담당하므로 완성차 업체는 sub line의 부담을 줄이고 main

line에만 주력하여 생산을 효율화 할 수 있는 시스템으로써 현재 국내에서도 개발 및 연

구가 진행중이고 일부품목에 한정되어 적용하고 있는 실정이다. 국내외 업계 관계자는

미국, 유럽 업체들의 module화를 통한 움직임에 대해 엄청난 시너지 효과가 도출될 것

으로 보고 있다. 단기적으로는 완성차 업체의 조립 및 부품 구매 단가가 절감되고 부품

협력 업체는 재료 부품을 직접 구매하고 2차 협력 업체를 직접 관리하는 치밀한 원가관

리를 할 수 있다. 이와 함께 중 장기적으로는 부품 통합과 시스템 전체의 설계 변경을

요구하여 소재 및 생산공법의 전환과 전체 부품수를 줄일 수 있다. 이런 1차 module화

는 2차, 3차 module화를 야기시켜 결과적으로 자동차 및 부품 개발 원가가 줄어들고 개

발기간도 단축돼 부품업체와 완성차 업체가 동시에 이익을 실현하게 되는 것이다.

국내 부품 업체는 그동안 특정 완성차 제조사만 바라보며 자체개발이 등한시되고 관

련 업체간의 협력을 무시하는 경향이 짙어 국가 경쟁력을 스스로 상실하여 왔다고 해도

과언이 아니다. 유럽이나 미국 업체의 국내 업체에 대한 인수 합병 움직임은 이런 우리

의 문제점을 잘 말해 주고 있는 것이다. 이에 weather seal 부품도 door와의 module화

가 진행 중이므로 module화에 따른 기술 개발이 절실하고 특히 기능성 부품으로

dynamic한 조건에서 사용되는 glass run의 경우 상대 부품에 대한 영향평가 등이 필수

- 36 -

적으로 병행되어야 할 것으로 보인다.

Module의 경우 작동성 등의 제품 문제가 발생할 경우 문제 부위에 대한 정확한 확인

이 어렵고 교환시 Module 부품 전체를 교환해야 할 경우가 있으므로 개발시 내구성능

및 부품의 기능에 대한 정확한 정보를 가지고 접근해야 할 것으로 보인다.

(4) RV-Car 개발

RV-Car(Recreational Vehicle)는 일반적으로 여가용차로 해석하고 있으며 객관적인

정의는 어렵다. 60년대부터 지금까지 국내 경제발전을 위해서 앞만 보고 달려온 우리

기성 세대들은 이제 명예롭게 은퇴하고 인생의 멋을 향유하고자 한다. 소득수준의 향상

과 함께 보람 있는 여가 선용을 위하여 RV-Car의 수요는 점차 증가되고 있는 추세이

다. 이런 수요층을 만족시킬 수 있는 안락성과 쾌적성을 겸비한 weather seal 제품 개발

도 또 하나의 작은 도전이라고 여겨진다.

(5) 성능 평가에 대한 기술력 향상

국내 전반적인 산업은 선진기술을 모방하여 제품 개발 및 상품화에 주력한 세월로 확

대 해석할 수 있다. 자동차 부품 역시 완성차 제조사에서 요구하는 사양에 준하여 부품

의 생산 및 공급에만 급급하였고 주어진 평가만 실시하는 것이 고작이었다. 하지만 자

동차의 고급화와 수출 물량의 증가, 외국 유수의 자동차들이 국내 시장으로 밀려오는

불가항력적인 시점에서 완성차에 대한 성능 평가기술이 외국자동차 제조사 수준 이상으

로 향상되어야 할 것으로 보인다.

눈가리고 아웅하기 식의 부품공급에서 탈피하여 실제 문제점을 확인하고 문제에 대한

정확한 원인 분석을 통하여 성숙한 분위기의 부품개발 및 조달이 이제 필요한 시점이라고

본다.

예를 들면, 웨더씰의 ass'y 부품에 있어서 성능 평가는 glass run과 sealing 역할을

하는 스폰지부품으로 대별되고 glass run의 경우 glass의 승하강, 원활성, 외관

matching성, 수밀성, 변형, wind noise, 그리고 glass의 동적 상태에서 발생되는 이음이나

떨림 현상을 객관적으로 평가할 수 있어야 한다. Sealing 역할을 하는 스폰지부품의 경우

수밀성, door의 닫힘성, 내구에 따른 변형등을 들 수 있다. 이러한 조직적이고 완벽한 성능

평가를 위한 기술력 향상과 기기에 대한 연구가 절실하게 필요하므로 R&D 투자가 더욱 확

대되어야 할 것으로 보인다.

- 37 -

2절. 폐고무 재활용 방법

1. 전단유동장반응제어 기술

폐가황고무의 recycle을 위하여 앞서 소개한 여러가지 방법 이외에 다양한 방법과 설

비들이 종종 보고되거나 사용되고 있는 것 같은데 여기서는 대표적인 몇 가지 방법을

소개했다. 최근의 폐고무 recycle 기술은 미분화된 고무 분말의 표면 활성화를 통한 타

재료와의 상용성 증대 및 전단응력하에서 reclaiming agent를 사용하지 않고 연속적으로

탈황하는 기술에 맞춰져 있는 것으로 판단된다.

폐가황고무의 연속재생기술로서 본 기술은 폐가황고무 분말을 압출기 내에서 타지 않

을 정도의 전단유동, 반응온도등을 적절히 설정하는 것이 Key Point이며 이를 통하여

고무의 유황가교점을 선택적으로 절단하여 고품위인 재생 고무를 얻는 기술이다.

이 설비는 2축 Screw로 이루어지는 연속처리방식으로 열가소성수지를 혼련할 때의

처리시간이 2,3분인 점을 고려하여 폐고무 분말을 연속처리장치에 투입하여 혼련하는

과정에서 고무를 탈황반응처리 할 수 있다.

Recycle 속도는 종래 방법에 비교하여 비약적으로 향상한다고 하는데 Pan법은 분쇄된

고무를 Autoclave에 투입하여 탈황처리한 다음 꺼내는 Batch방식으로, 더우기 처리후에

는 Roll에 의한 Sheeting화 작업이 필요하지만, 이 기술을 이용하여 연속처리로 탈황반

응 처리가 된다면 폐고무 분말 투입, 탈황반응, 압출, 성형의 공정이 연속적으로 이뤄질

수 있어 한층 더 폐고무 처리속도가 향상된다고 한다. 유황가황 EPDM을 대상으로 전

단 유동장반응제어기술로 폐 EPDM 고무를 Recycle할 경우 탈황이 정상적으로 일어나

성형이 정상적으로 되었다면 Recycle 고무는 정상적인 제품과 거의 동등한 분자량을 갖

는 선형 사슬 성분과 약간의 가교점이 잔류하는 느슨한 망상구조 성분으로 이루어졌으

며 그들의 비율은 약1대1이었다. Recycle로 얻은 고무는 정상적인 제품과 같이 동일한

가황제로 가황 성형이 가능했으며 그 가황 특성은 정상적인 제품과 거의 동등하였으며

재가황된 고무의 역학적 특성은 정상적인 제품의 역학적 특성과 거의 동등한 수준이었

다. 아울러 Recycle 고무의 압출 형상, 압출성, 압출발포성 등도 정상적인 제품의 것과

거의 동등하였다.

그림 13은 전단유동장반응제어기술을 이용한 압출설비를 도해한 것이다.

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그림 13. 전단유동장반응제어기술

그림 14. 전단유동장반응제어기술을 이용한 EPDM Graft화

전단유동장반응제어기술을 이용하여 Recycle한 고무와 초음파(Ultrasonic)를 이용하여

Recycle한 고무의 가황특성을 비교해 보면 전단유동장반응제어기술을 이용한 경우가 정

상 컴파운드의 가황특성에 근접해 있는 것으로 판단된다. 그러나 이러한 것은 각각의

컴파운드 상태, 처리 조건 등에서 최적의 조건이었을 때는 상황이 달라질 수 있으므로

어느 방법이 우수하다고 섣불리 결론 내릴 수 없는 것이다.

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그림 15. Ultrasonic을 이용하여 처리한 가황 SBR 분말의 가황특성

그림 16. 전단유동장반응제어기술을 이용하여 처리한 폐EPDM 고무의 가황특성

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2. Plasma 표면 처리 기술

플라즈마라는 말을 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 'Langmuir'

(랑뮈어)로서, 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의