신사업 소개
36 … NICE, 제40권 제1호, 2022
폴리우레탄 폼 스크랩 재활용 화학 원료화 사업
김유석 대표이사
정우화인 주식회사 jwfc95@hanmail.net
사업 배경
오늘날 폴리우레탄은 스펀지로 알려진 가구, 매 트리스, 자동차 시트, 신발 등의 제조에 사용되는 연 질 폼과 냉장고 단열재, 건축 및 선박 단열재 등으로 사용되는 경질 폼으로 널리 사용되고 있는 유용한 소재로써, 국내 생산량이 연간 2백만톤에 달하고 있 으며, 전세계 생산량은 연간 2천만톤을 상회하고 있 다. 그림 1에는 대표적인 폴리우레탄 폼 재료의 응용 사례를 나타내었다.
사용이 끝난 폴리우레탄 폐기물들은 우리나라의
경우 연간 4만톤에 달하고 있으나, 대부분 소각되고 있다. 폴리우레탄의 경우 연소가 이루어지면 그림 2 에 소개된 바와 같이 독성과 부식성이 우려되는 시 안화수소와 일산화탄소 및 산화질소 등이 발생되어 각별한 주의를 필요로 한다.
정우화인은 계면활성제, 건축용 샌드위치 판넬 접착제, 건축용 경질 폴리우레탄 폼 원료 및 단열재 보드 등을 개발하고 생산하는 기업으로 성장하였다.
그리고 환경부가 지원하는 글로벌탑 환경기술 개발 사업의 유용자원재활용 사업단에서 2011년부터 수
그림 1. 대표적인 폴리우레탄 폼의 응용 사례 사진.
신사업 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 40, No. 1, 2022 … 37 행된 폴리우레탄 폐기물의 화학적 재활용 기술 개발
에 참여하였다. 폴리우레탄 폼 및 접착제 원료와 제 품의 제조와 관련한 축적된 기술을 바탕으로 연 3천 톤 규모의 경질 및 연질의 폴리우레탄 폼 스크랩을 화학적으로 처리하여 원료화하는 공정을 개발하고, 그 결과를 성공적으로 사업화할 수 있었다. 10년에 걸친 기술 개발 과정에서 환경부가 선정한 우수 기 술 개발 과제로 2018년과 2021년도에 두 차례 선정되 기도 하였다.
폴리우레탄 스크랩의 화학적 재활용
폴리우레탄 폼은 밀도가 낮으면서 (20~300 Kg/
m3) 용도에 따라 요구되는 기계적 성질들을 충족할 수 있도록 망상 구조를 가진 열경화성 수지로 제조 된다. 따라서 사용이 끝난 폴리우레탄 폼 스크랩의 경우 단순 용융이 곤란하여 물리적인 재활용이 제 한적이다. 분말화하여 일부를 신재 원료에 혼합 사 용하는 것이 가능하지만, 이물질이 아주 적은 경우 에 가능하다. 따라서 폴리우레탄 폼의 재활용은 화 학적인 공정을 통하여 아래 반응식과 같은 해중합 으로 액상화하고, 이물질을 여과한 다음 화학적인 개질 공정을 통하여 폴리우레탄 폼 제조에 사용할 수 있는 원료로 제조하는 공정들을 선호하고 있다.
(1) (2)
폴리우레탄 폼 스크랩이 사용이 끝난 폐냉장고 단열재인 경우 우리나라의 전자제품 재활용 센터에 서 분리·배출되고 있어 우선적으로 재활용 기술의 사업화가 이루어질 수 있는 유리한 여건이조성되었 다. 그림 3에는 정우화인에서 단계적으로 구축해온 폴리우레탄 폼 스크랩의 화학적 처리 공정을 나타내 었다. 폴리우레탄 폼 스크랩들이 포함하고 있는 이 물질은 매우 다양하고 화학적 재활용을 어렵게 만드 는 요인으로 작용한다. 따라서 화학적인 처리 공정 에 앞서 전처리 공정을 통하여 비중을 이용한 이물 질의 분리 선별이 바랍직하였다. 아울러 폴리우레탄 폼 제조 시에 사용한 아민 촉매 등으로 인한 악취를 제거하는 것이 요구되었다. 한편 스크랩의 종류가 다양함에서 오는 불균일성을 해소하는 균일화를 위 한 부가 공정 개발도 이루어졌다.
폴리우레탄 폼 스크랩의 화학 원료화와 자원 순환 시스템
폴리우레탄 폼 스크랩을 화학적으로 재활용하여
그림 2. 폴리우레탄 폼의 열분해 메카니즘 (S.T. McKenna & T.R. Hull, Fire Science Reviews, 5, 3(2016).
신사업 소개
38 … NICE, 제40권 제1호, 2022
그림 3. 폴리우레탄 스크랩의 화학적 재활 공정도.
그림 4. 폴리우레탄 스크랩 재활용 원료화 재생 폴리올 적용 단열재 제조 공정.
신사업 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 40, No. 1, 2022 … 39 다시 폴리우레탄 폼 제조에 사용할 수 있는 원료화
된 제품은 산업 현장의 수요처에서 사용할 수 있어 야 실질적으로 자원 순환 시스템이 완성될 수 있다.
정우화인은 폴리우레탄 경질 폼 단열재 공정에 우선 적으로 적용하는 실증 연구를 수행하여 충남 논산 의 정우산업에서 생산하는 건축용 폴리우레탄 경질
폼 보드에 적용이 가능하도록 하였다. 최근에는 충 남 당진의 정우화인 공장에서 생산하는 건축용 폴리 우레탄 경질 폼 보드에도 적용이 가능하도록 하였 다. 그림 4에는 원료화된 재활용 제품인 재생 폴리올 (Recycled Polyol)의 적용 공정을 도식적으로 나타내 었다. 이러한 실용화는 원료화된 폴리우레탄 폼 스
(a) (b)
그림 5. 폴리우레탄 폼 스크랩 재활용 원료화 폴리올(RP-A, RP-B) 함량에 따른 경질 폴리우레탄 물성 변화: (a)열전도도(K-factor); (b)난 연성(Limited Oxygene Index: LOI)(S.R. Shin et al, J. Appl. Polym. Sci, 136 (35), 47916(2019).
그림 6. 폴리우레탄 폼 스크랩 재활용 원료화 폴리올 분율(wt%)에 따른 경질 폴리우레탄 폼의 주사전자현미경 사진: (a) 0; (b) 20; (c) 40;
(d) 60.
신사업 소개
40 … NICE, 제40권 제1호, 2022
크랩 재활용 제품을 신재원료(Virgin Polyol)와 혼합 사용할 때 경제성에서 약 20% 이상 유리한 것은 물 론 단열 성능과 난연 성능이 우수하고 기계적 강도 의 향상이 관찰되는 장점에 기초하고 있다. 그림 5에 는 단열 성능의 척도인 열전도도가 향상되는 효과를 보이고 난연성이 개선되는 데이터들을 예시하였다.
재활용 공정을 통하여 재생 폴리올로 원료화된 제품 들을 적용하는 경우 단열 성능인 열전도도(K-factor) 의 감소가 관찰되는 것은 그림 6에 나타낸 바와 같이 폼의 셀이 작고 균일해지는 특성을 보이기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 그리고 난연성이 향상되는 것은 재생 폴리올의 방향족 조성물이 증가하기 때문 인 것으로 해석하고 있다.
맺음말
경량화, 충격 흡수 완충 능력, 단열성 등의 다양한 장점에 힘입어 개발된 폴리우레탄 폼 제품들이 사용 이 끝난 후 지구 환경을 보전하는 데 장애물이 되지 않도록 하기 위해서는 재활용 기술 개발을 통한 자
원 순환 시스템이 구축되어야 한다. 최근 기업들의 관심을 모으고 있는 ESG 경영에서 특히 재활용을 통 한 지속 가능성을 확보하는 것이 더욱 강조되고 있 다. 이러한 경영 환경에서 정우화인의 폴리우레탄 폼 스크랩 재활용 원료화는 신사업으로 향후의 성장 동력이 될 것으로 기대되고 있다. 특히 에너지 절약 에서 중요한 역할을 하는 폴리우레탄 경질 폼 단열 재의 단열 성능과 난연성을 개선하고 경제성도 유리 해지는 제품 개발로 자리매김이 될 수 있도록 지속 적인 노력을 경주하고, 기술 수출로 발전시킬 예정 이다.
다양한 형태로 발생하는 폴리우레탄 폼 스크랩의 성공적인 재활용은 스크랩 배출이 이루어지는 기업 의 협조와 재생 원료를 사용할 수 있는 제품 생산 기 업의 협조가 절대적으로 필요하다. 따라서 스크랩 발생 기업-재활용 원료 수요처-정우화인이 함께하 는 자원 순환 시스템을 공동으로 구축하는 데 관심 을 가진 국내외 파트너와의 협력을 환영하고 있다.