Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(2)

폐CFRP 재활용을 이용한 고부가가치 섬유강화세라믹복합소재 제조 연구

김세영_한국에너지기술연구원 책임연구원

1. 서론

열경화성 및 열가소성 수지 모재를 활용한 CFRP는 산업, 스포츠 및 운송 분야에서 금속 소재의 대체재로 광범위하게 사용되고 있다. 현재 국내에도 일본의 토레이社, 효성, 태광산업 및 한국카본 등의 기업에서 활발하게 탄소섬유 생산을 하고 있으며, 그 시장과 수요는 (2020년 현재 약 100,000톤) 폭발적으로 증가하고 있다. 그러나, 현재 세계적인 환경 법규는 자연 분해가 불가능한 CFRP에 대한 규제가 엄격해지고 있고, EU의 경우 자동차에 사용되는 소재 85% 이상의 재활용이 의무화되어 있다. 현재 폐기되는 CFRP는 대부분 사막 또는 공항에 매립되어 처리되고 있으며, 2015년 현재 약 8%만이 재생되고 있다 [그림 1]. 이는 탄소섬유 생산에 투입되는 에너지 290MJ/kg와 CO2 22.5kg/kg 발생을 볼 때 매우 비경제적이며, 환경 친화적이지 못한 방법으로 평가된다. 이에 따라 다음과 같은 이유로 폐CFRP는 매립을 통한 폐기보다 재생 공정을 거쳐 재활용하는 기술을 확보하는 것이 필수적이다.

① 재생 불가능한 자원의 낭비와 폐기물 처리에(342원/kg) 따른 환경문제
② EU 및 선진국의 재활용 의무화 법률문제
③ 탄소섬유 제조 시 투입되는 과다한 비용과 에너지문제
④ 생산량을 초과하는 탄소섬유 수요에 따른 가격 상승문제

그림 1. Discarded CFRP products and recycling process

  CFRP의 재활용 공정은 기계적, 열분해, 유동상 이용 산화 및 화학적 리사이클링법이 있으며, 현재 가장 널리 보급되고 상업화가 이루어진 공정은 열분해법(pyrolysis)이다. 이는 폐CFRP를 400∼700℃의 온도로 가열하여 고분자 모재를 제거하고 탄소섬유를 회수하는 방법으로 [그림 2]에 나타내었으며, [그림 3]과 같이 고분자 모재는 산화 분위기에서 열분해 되어 제거되나 탄소섬유 역시 CO 및 CO2로 분해되어 표면 손상 발생한다. 이를 방지하기 위해 산화 분위기를 제어한 불활성 분위기의 열분해 공정을 거치게 될 경우에는 오히려 고분자 모재가 모두 분해되지 않고 섬유 표면에 일부 남게 되어 섬유 재활용에 문제를 야기하는 단점이 있다.

그림 2. CFRP recyling process with pyrolysis (On behalf of Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety of the Federal Republic of Germany)

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