1. 서 론
2015년을 기준으로 우리나라 가구의 약 59.9%가 공동주택인 아파트에 거주하고 있으며 매년 거주 비율의 증가하는 추세를 보이고 있다.1) 아파트는 벽과 바닥을 상하세대와 인접세대 간에 공유하고 있기 때문에 이들 구조를 통한 소음에 쉽게 노출되는 문제점을 안고 있다. ‘층간소음 이웃사이센터’의 층간소음 상담신청 처리현황에 따르면 접수된 층간소음의 주요 원인은 ‘아이들 뛰는 소리’가 전체 접수 건수의 과반수 이상(72.1%)을 차지하는 것으로 나타났다.2) 이와 같은 층간소음 발생을 방지하기 위하여 아파트 등 공동주택에 거주하며 어린이가 있는 가정에서는 유아용 놀이 매트를 대부분 구입하여 사용하고 있다. 이들 놀이 매트는 층간소음을 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 아이들이 뛰거나 넘어지더라도 안전을 확보할 수 있도록 어느 정도 두께감이 있게 제작되며, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴레에틸렌(PE), 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 등 플라스틱 계열의 소재를 사용하고 있다. 이러한 플라스틱 재질은 열에 약하기 때문에 난방이나 스팀청소기 작동 등 사용 환경에 따라 프탈레이트 가소제 등 내분비계 장애를 일으킬 수 있는 환경호르몬을 방출할 가능성이 있으며, 매트의 캐릭터 전사에 쓰인 페인트 등에서 중금속이 검출될 수 있는 우려를 낳고 있다. 이들 유해 화학물질은 흡수 즉시 질병을 초래하지는 않지만, 체내에 축적되어 내분비계 장애나 중추신경계 이상 등을 유발하여 어린이의 생식 및 성장에 영향을 줄 수 있어 국가적인 차원에서 관리되고 있다.
디지털시대인 지금도 기록매체로 종이의 사용량은 증가하고 있으며, 한국제지연합회의 2016년 인쇄용지 소비량 자료로부터 산출하면 2016년 우리나라 1인당 종이 소비량은 약 192.4 kg으로 이중 인쇄용지 사용량은 약 37.2 kg에 달했다. 2016년 우리나라 폐지 회수율은 84.6%로 약 8,340톤이 회수되어 재활용된 것으로 집계되었으며,3) 이렇게 폐지 재활용률이 80% 이상인 국가는 우리나라를 비롯하여 2개국에 불과하며, 특히 제지산업 규모가 세계 10위권 이내 국가 중에서는 우리나라가 유일한 것으로 알려져 있다.4)
폐지의 회수율이 세계 최고인 우리나라의 일반 사무실에서 자료의 복사 또는 인쇄 후 용도를 다하여 버려지는 복사(인쇄)용지는 자료 유출을 방지하기 위해 문서 세단기로 절단되어 폐기되고 있다. 본 연구에서는 가늘고 길게 세절된 이들 복사용지 폐지의 형상을 그대로 살려 전가공 처리 없이 바로 재활용할 수 있는 방법을 검토하였다. 끊임없이 가소제 등 유해물질 방출 문제가 제기되고 있는 플라스틱 제품의 유아용 놀이 매트를 대체하기 위해 사무실의 세절 폐지를 활용하여 우레탄계 접착제를 사용한 탄성 매트 제조와 이들 매트의 특성을 조사하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
탄성매트 제조를 위해 실험에 사용한 폐지는 사무실에서 인쇄 또는 복사용으로 사용 후 문서 세단기에 의해 세절되어 폐기되는 지류(이하 세절 폐지라 칭함)로 크기는 폭이 2.5-3.0 mm, 길이가 12-30 mm 정도로 가늘고 긴 형상을 가진 폐지이다.
세절 폐지에 혼합하여 탄성매트 제조에 사용한 결합제는 우레탄계 접착제로 C사에서 제조, 판매하는 건축 산업용 우레탄 바인더(C사 제조)를 사용하였다. 이 결합제의 성상은 Table 1과 같으며, 주로 어린이 놀이터 등에 포설하여 시공하는 고무 탄성포장재의 바인더로 사용하는 접착제이다.
Table 1.
Characteristics of urethane adhesive used as a binder for waste paper
| Color | Viscosity (cPs) | Non-volatile content (%) | Curing type |
|---|---|---|---|
| Light yellow | 2,500 | 93 | One part |
제조한 탄성 매트의 탄력성을 비교, 평가하기 위하여 현재 국내에서 제조, 판매되고 있는 재질이 서로 다른 4종의 놀이방 매트 제품을 구입하여 사용하였다. 각 제품의 재질은 L사의 에틸렌 초산비닐계(ethylene-vinyl acetate, EVA)와 폴리우레탄계(polyurethane, PU), S사의 폴리에틸렌계(polyethylene, PE), P사의 폴리염화비닐계(polyvinyl chloride, PVC)이다.
2.2 실험방법
2.2.1 탄성 매트의 제조
세절 폐지와 혼합하는 우레탄 바인더의 첨가량은 제조하는 탄성매트의 목표 밀도를 각각 0.5 g/cm3, 0.6 g/cm3, 0.7 g/cm3가 되도록 설정하여 첨가하였다. 여기서 목표 밀도는 예비 실험을 통하여 매트가 형성될 수 있는 최소와 최대의 우레탄 바인더 첨가량 범위를 조사하여 결정하였다. 즉, 밀도 0.5 g/cm3 이하가 되도록 우레탄 바인더를 첨가하면 매트가 형성되지 않고, 0.7 g/cm3 이상이 되면 우레탄 바인더의 과도한 첨가로 인하여 바인더의 발포현상이 발생되는 등 정상적인 매트 형성이 이루어지지 않았다.
세절 폐지에 목표 밀도에 해당하는 일정량의 우레탄 바인더를 첨가하고 제빵용 혼합기(Hobart mixer)를 사용하여 세절 폐지에 바인더가 균일하게 흡수, 피복되도록 5분 동안 혼합하였다(Fig. 1). 혼합한 매트 재료를 300(가로) mm × 300(세로) mm × 15(두께) mm 크기의 틀에 넣어 균일한 두께가 되도록 성형한 후 상온에 48시간 이상 방치하며 경화시켜 탄성 매트를 제조하였다(Fig. 2).
2.2.2 제조한 탄성 매트의 역학적 성질 조사
제조한 탄성 매트로부터 KS F 3888[학교 체육 시설-운동장 부대시설(탄성포장재)]5)에 따라 아령형 인장시험편을 제조 조건 별로 6개를 채취한 후 만능강도시험기(H50KS, Hounsfield, England)를 사용하여 인장강도와 신장률을 측정하였다.
제조 매트의 탄력성을 평가하기 위하여 일본도로협회의 탄력성 시험방법6)에 따라 골프 볼과 스틸 볼을 이용하여 높이 1 m에서 자유낙하 방식으로 골프 볼 계수(Golf Ball, GB 계수)와 스틸 볼 계수(Seel Ball, SB 계수)를 구하였다. 이들 계수는 낙하높이(1 m) 대비 반발높이를 백분율로 산출하여 나타낸다. 자유낙하 시험은 탄성 매트 1매 당 무작위로 총 10개 지점에서 실시하였으며, 낙하 후 반발하는 모습을 영상으로 녹화한 후 반발 높이를 측정하였다(Fig. 3). 탄력성 비교를 위하여 구입한 4종의 놀이방 매트에 대해서도 동일한 방법으로 탄력성을 측정하였다.
2.2.3 제조한 탄성 매트의 물리적 성질 조사
제조한 매트의 주재료가 수분의 침투가 비교적 잘 되는 지류인 점을 고려하여 매트의 수분에 대한 성질을 평가하기 위하여 흡수 후 두께 및 폭 팽윤율과 흡수율을 각각 조사하였다. 각각의 매트로부터 크기 50(가로) mm × 50(세로) mm × 15(두께) mm의 시험편을 채취한 후 KS F 3104(파티클 보드)의 시험 방법7)에 준하여 상온의 수도수에 24시간 침지처리한 후 침지처리 전후의 치수를 이용하여 두께 및 폭 팽윤율을 측정하였다. 또한, 침지처리 전후의 중량변화를 이용하여 수분 흡수율을 구하였으며, 이들 물리적 성질 조사는 각각의 매트 제조 조건 별로 6반복 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 제조 매트의 인장강도와 신장률
목표 밀도를 각각 0.5 g/cm3, 0.6 g/cm3, 0.7 g/cm3로 설정하고 혼합할 우레탄 바인더의 첨가량을 산출하여 매트를 제조한 후 실제 밀도를 조사한 결과, 각각 0.49/cm3, 0.62/cm3, 0.69/cm3의 밀도를 보여 목표 밀도에 근사한 값을 갖는 매트가 제조된 것이 확인되었다. 따라서 매트의 역학적 성질을 비교하는데 있어서 목표 밀도와 실제 밀도 간의 차이를 반영하지 않고 산출된 측정값을 그대로 이용하여 평가하였다. Fig. 2는 세절 폐지를 원료로 목표 밀도를 달리하여 제조한 탄성 매트의 일부를 나타낸 것이다.
제조 매트의 인장강도와 신장률을 조사하여 Fig. 4에 나타냈다. 매트의 원료로 사용한 세절 폐지와 우레탄 바인더 간의 결합력을 평가할 수 있는 인장강도의 경우, 매트의 밀도가 증가할수록 인장강도도 증가하는 경향을 보였다. 매트의 밀도 증가는 폐지와 혼합하는 우레탄 바인더의 첨가량 증가를 의미하는 것으로 우레탄 바인더의 혼합량과 제조하는 매트의 인장강도는 비례 관계임을 알 수 있으며, 지류와 우레탄계 접착제간의 물리적인 결합 특성은 우수한 것으로 판단되었다.
현재 국내의 놀이방 매트 품질을 규정하고 있는 KS 규격은 아직 제정되어 있지 않으며, 폴리염화비닐 수지를 주원료로 하여 제조한 비닐 장판을 규정하고 있는 KS M 3802(PVC계 바닥재) 규정을 적용하고 있다. 이 규정의 비닐장판 성능에서 너비 방향과 길이 방향의 인장강도를 각각 1.96 N/mm2과 2.36 N/mm2로 규정하고 있다.8) 세절 폐지로 제조한 매트의 인장강도는 목표 밀도 별로 각각 평균 2.03 N/mm2, 2.64 N/mm2, 3.01 N/mm2를 보여 목표 밀도 0.5 g/cm3의 매트를 제외하고 기준의 최고치인 비닐장판 길이방향 인장강도보다 높은 강도 값을 나타내 폴리염화비닐 수지 제품보다 우수한 성질을 나타내는 것으로 확인되었다.
탄성 바닥재에서 요구하는 신장률은 바닥재가 지면의 기재에 접착되어 있을 경우, 기재에 발생하는 갈라짐 등 변형에 대응하는 정도를 판단하는 물성이다. 놀이방 매트에 대한 신장률 기준은 규정되어 있지 않으나 산책로나 어린이 놀이터 등에 시공하는 탄성포장재 규격(KS F 3888-2)에서는 제품의 종류 별로 최저 40% 이상(트랙용 2종)에서 최고 270% 이상(다목적용 8종 연질)으로 규정되어 있다. 세절 폐지로 제조한 탄성 매트의 경우 Fig. 4에서 알 수 있듯이 10% 이하의 낮은 신장률를 나타냈다. 그러나 전술한 바와 같이 실내에 사용하며, 바닥에 접착하지 않는 놀이방 매트용으로 개발할 경우에는 신장률이 크게 문제되지는 않을 것으로 판단된다.
3.2 제조 매트의 탄력성
세절 폐지로 제조한 탄성 매트와 함께 현재 시판되고 있는 4종의 놀이방 매트의 탄력성을 평가하기 위해 골프 볼과 스틸 볼을 높이 1 m에서 자유 낙하시켰을 때 반발하는 높이로부터 각각 스틸 볼 계수(SB 계수)와 골프 볼 계수(GB 계수)를 구하여 Fig. 5에 나타냈다. SB 계수는 반발 탄성, GB 계수는 충격흡수성을 각각 나타내는 것으로 알려져 있으며, SB 계수, GB 계수 모두 값이 작을수록 신체에 대한 부담이 적은 것으로 평가되고 있다.9) 먼저 세절 폐지로 제조한 매트의 목표 밀도 간 탄력성을 비교하면 SB 계수는 평균 22.8-23.8%, GB 계수는 25.2-25.7%를 나타내 목표 밀도 간에 탄력성의 차이는 거의 나타나지 않았으며, SB 계수가 GB 계수에 비하여 약간 작은 값을 보여 제조 매트는 매트에 가해지는 충격 흡수성보다는 반발 탄성이 양호한 것으로 판단된다.
현재 시중에 판매되고 있는 4종의 놀이방 매트의 탄력성을 재질 별로 비교하면, PE(폴리에틸렌)계 매트에서 SB 계수, GB 계수 모두 가장 높은 값을 보여 매트의 반발 탄성이나 충격흡수성이 가장 열등한 것으로 나타났다. 이어서 PU(폴리우레탄)계, EVA(에틸렌초산비닐)계, PVC(폴리염화비닐)계 매트 순으로 낮은 계수 값을 보였다. 이들 결과로부터 판매되고 있는 놀이방 매트 중에서 PVC 계가 신체에 대한 부담이 가장 적은 것으로 나타났다.
세절 폐지로 제조한 탄성 매트의 탄력성 시험 결과를 이들 시판 놀이방 매트의 결과와 비교하면, 세절 폐지 매트의 탄력성이 시판 놀이방 매트 중에서 가장 낮은 계수를 보인 PVC 계와 거의 동일한 수준을 나타내 세절 폐지로 제조한 탄성 매트가 비교적 우수한 탄력성을 가지고 있음이 인정되었다. 이것은 원료인 세절 폐지의 가늘고 긴 형태적 특징에 의해 결합제와 혼합 후 성형 시에 배향성 없이 무배향으로 불규칙하게 결합되어 세절 폐지 사이에 공간이 많이 형성된 결과, 충격 흡수성이 뛰어나기 때문에 나타난 결과로 판단된다. 따라서 현재 사무실에서 대량 폐기되고 있는 이들 세절 폐지의 효율적인 분리수거 방안이 개발된다면, 플라스틱 제품의 유해성 문제에서 벗어날 수 있을 뿐만 아니라 폐기물의 자원화 측면에서 매우 경제적일 것으로 판단된다.
3.3 제조 매트의 수분 흡수성과 팽윤율
매트형 어린이 놀이용품의 품질을 규정하고 있는 KS M 3802에서는 매트의 수분에 대한 성질은 규정하고 있지 않다. 본 연구에서 제조한 탄성 매트의 경우에 시중의 플라스틱계 매트와는 달리 이들 매트에 비하여 수분에 대한 성질이 약한 지류를 원료로 사용했다는 점을 고려하여 제조한 매트의 수분 흡수성과 수분에 의한 팽윤율을 조사하여 Figs. 6과 7에 각각 나타냈다. 수분 흡수율에서는 밀도가 높아질수록 수분에 대한 저항성이 크게 나타나 수분을 적게 흡수하는 것으로 확인되었다. 이것은 밀도가 높을수록 세절 폐지에 혼합하는 우레탄 바인더의 첨가량이 많아지기 때문에 이들 바인더가 원료 폐지에 많이 흡수되고 균일하게 피복됨에 따라 우레탄 바인더가 수분에 대하여 코팅막 역할을 한 결과라고 판단되어진다.
제조한 매트의 수분 흡수에 따른 두께와 폭 방향 팽윤율을 조사한 결과, 수분 흡수율과 마찬가지로 매트의 밀도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 매트 방향 별 팽윤 현상은 예상했던 바와 같이 두께 방향의 팽윤이 폭 방향에 비하여 매우 크게 나타났다. 이것은 수분 흡수에 따른 원료 폐지의 팽윤과 함께 매트 성형 후 우레탄 바인더의 경화 과정에서 매트 내부에 발생한 변형이 수분에 의해 회복된 결과라고 생각할 수 있다.
이상의 결과와 같이 지류는 합성수지에 비하여 수분에 대한 저항성이 약하기 때문에 폐지류를 활용한 탄성 매트의 실용화를 위해서는 탄성 매트의 내부 재료에는 탄력성이 우수한 세절 폐지 매트를 사용하고 표면은 내수성의 합성수지 시트로 마감하는 방법을 생각할 수 있을 것이다.
4. 결 론
세단기로 절단되어 폐기되는 사무용 폐지의 재활용을 위한 방법으로 유아용 탄성 매트 제조와 함께 제조한 매트의 물성을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 세절 폐지 탄성 매트는 밀도가 증가할수록 인장강도도 증가하며, 이것은 우레탄 바인더 혼합량이 많아지기 때문으로 지류와 우레탄계 접착제 간의 혼화성은 매우 우수한 것으로 판단할 수 있다. 탄성매트의 최고 밀도는 약 0.7 g/cm3로 이 이상으로 밀도를 높이기 위해서 우레탄 바인더의 혼합량을 증가시키면 매트 내부의 과잉의 바인더가 발포되는 문제점이 발생한다. 한편 밀도가 증가하면 인장강도와는 달리 매트의 탄성이 부족하여 신장률은 감소한다. 제조한 매트의 탄력성은 현재 시판되고 있는 합성수지계 매트와 동등하거나 우수하여 매트를 사용하는 어린이들의 신체에 가해지는 부담이 매우 적은 것으로 평가할 수 있다. 합성수지에 비하여 수분에 대한 저항성이 약한 지류를 원료로 사용하였기 때문에 수분 흡수와 이에 따른 치수변화(팽윤)가 발생하는 문제점을 해결하고 외관미를 향상시키기 위해서 표면을 합성수지 시트 등으로 마감처리 하는 등의 방법이 추가적으로 필요할 것으로 판단되었다.
