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폐 섬유의 재이용
(SEN'I GAKKAISHI Vol.65, No.5(2009)
木村照夫(키무라 테루오)/京都공예대학 대학원 교수
1. 첫머리
순환형 사외, 즉 지속가능한 사회형성 필요성으로 각종 제조과정에도 환경을 배려한 활동이 행해지고 있다. 즉 지구온난화를 어떻게 방지할 것인가, 폐기물을 어떻게 줄일 것인가, 대기오염, 수질오염을 어떻게 저감할 것인가, 또 한정된 자원 에너지를 어떻게 유효히 사용할 것인가 등을 고려한 제조과정이 필요 불가피하게 되었다.
예를 들면, 최근 지구 온난화 방지를 위한 수단 중 하나로 제조업자의 의식고양과 함께 소비자에 대한 계몽활동으로 제품의 라이프사이클에 있어서의 온난화가스에 특화, 온난화 가스를 CO2 배출량으로 환산해 제품에 표시하는 carbon foot print(CFP) 제도가 영국으로부터 발생해 일본에서도 시행 단계에 들어갔다. 섬유제품에 대해서도 섬유소재, 제품의 제조, 사용, 폐기에 이르는 라이프사이클에 있어서 어떻게 환경부하를 저감할 수 있는가가 중요해, CFP 도입에 관한 검토가 시작되고 있다.
환경보호의 관점으로부터는 폐기물을 배출하지 않는 것(Reduce)이 최우선으로, 배출된 된 폐기물에 대해서는 가능한 한 재사용하는(Reuse) 것이 중요하다. 재사용하지 않는 것에 대해서는 용도를 변경해소도 유효 이용하는(Recycle) 시스템구축이 요망된다.
우리 주변에 있는 폐 용기 포장재, 건설폐자재, 사용이 끝난 가전제품, 폐 자동차, 식기 폐기물 등에는 개별 리사이클을 의무화 하는 법률도 순차적으로 제정되고 있다. 그러나 우리 주변에 대량으로 사용하고 있는 섬유제품에 대해서는 현재 리사이클 법은 제정되어 있지 않다. 법률이 될 수 없는 큰 이유는 섬유제품의 리사이클이 곤란하기 때문이다. 즉 법률에서 리사이클을 의무화해도 현실은 적절한 리사이클 수단이 없기 때문이다.
CFP 도입상황에 있어서도 CO2 배출량이 명확한 리사이클 수단의 확립이 급선무이다. 여기서는 섬유 리사이클 문제점과 필자의 대책에 대해 기술함으로서 독자로부터 섬유리사이클에 관한 각종 아이디어가 나오기를 기대해 본다.
2. 폐 섬유의 현상
폐 섬유는 출처에 따라 산업폐기물과 일반폐기물로 분류된다. 전자는 섬유 제조로부터 섬유제품 제조에 이르기까지의 각 공정에서 발생하는 공장 내 폐 섬유로, 오염이 적고 소재도 비교적 명확하다. 이들은 통상 “폐 섬유”라 부르고 있다.
한편 후자는 소비자로부터 배출되는 것으로 일반적으로는 사용을 마친 폐 섬유로 오염이 있고 섬유소재도 불명확한 경우가 많다. 이들은 통상 “넝마”라고 부르며, 폐 섬유의 약 80%를 점하고 있다.
일본의 최근 섬유 총 소비량은 약 240만 톤으로 이 중 210만 톤 가까이가 폐기되고 있다. 폐기된 섬유 일부는 회수되어 헌 옷이나 걸레 원료로 재사용되고 있으나, 제조공정에서 재이용되고 있는 설 섬유를 포함해도 유효 이용되고 있는 것은 총 배출량의 12% 정도에 불과하다. 향후에도 기존의 재이용용도 만으로는 리사이클 율 향상은 바랄 수 없어 폐 섬유의 유효이용은 용도개발이 시급한 상황이다.
3. 폐 섬유의 리사이클 방법
리사이클 방법으로서는 폐 섬유를 다시 섬유 또는 별도의 제품소재로 사용하는 material recycle, 연료로 사용하는 material recycle 및 화학적 처리에 의해 본래의 원료로 되돌려 다시 섬유화 하는 chemical recycle법이 고려되고 있다. 모든 폐 섬유가 코스트적, 환경부하적인 관점을 해결한 상태에서 chemical recycle(섬유로부터 섬유로의 리사이클)할 수 있는 것이 이상적이나, 현실적으로는 폴리에스터 섬유 등 극히 일부 합성섬유가 chemical recycle 되고 있을 뿐으로, 천연섬유에 관해서는 필자가 알고 있는 한 chemical recycle의 실용화 예는 전혀 없다.
최근 화제가 되고 있는 것은 면으로부터 바이오에탄올을 추출하는 기술이 주목을 받고 있어, 폐기물의 대부분을 바이오에탄올로 이용가능하다는 발표도 관심을 받고 있으나, 일반폐기물로부터 면제품의 부분이나 염색된 면에의 대응, 회수시스템 등 많은 과제를 내포하고 있다.
폐 섬유를 효율적으로 material recycle하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족할 필요가 있다.
즉 ①소성․소재가 명확할 것, ②오염이 없을 것, ③단일소재로 되어 있을 것, ④형상이 일정할 것, ⑤양적으로 안정 공급될 것, 등이다. 그러나 실제는, ①각종 소재의 섬유가 혼재되어 있고, 또 소재가 불명의 경우가 많다. ②설 형상이 끈 형상, 포상, 띠, 연속, 불연속 등 부정형이다. ③서로 다른 형상의 재료를 성형기에 보내기가 불안정하다. ④이물과 열화된 재료가 존재한다. ⑤오염이 있다. ⑥발생량, 회수량이 안정적이지 않다, 등의 문제가 있다.
섬유공장에서 발생하는 설 섬유에 관해서는 비교적 리사이클이 쉬운 조건을 만족하나, 넝마에 관해서는 발생단계에서는 모두 조건을 만족하지 않는다. 따라서 다음과 같은 사항이 요구되고 있다.
①에 관해서는 소재 표시 시스템. 제품설계에 있어서의 단일소재화. 분해가 용이한 구조. ②에 관해서는 파쇄, 분쇄함으로서 형상의 일정화. ③에 관해서는 성형기에의 공급시스템 개발. ④에 관해서는 이물제거기술의 개발. 열화한 섬유소재를 기반으로 재형성하는 경우에는 성능개선을 위한 첨가제 개발. ⑤에 관해서는 간이 세정기술. 또 폐기 시에 오염이 증가하지 않도록 하는 회수시스템. ⑥에 관해서는 폐 섬유의 데이터베이스화. 폐 섬유 소재와 량을 데이터베이스화하면 동종의 폐 섬유를 필요량만큼 다방면으로부터 수집이 가능하게 된다.
4. 폐 섬유 material recycle
폐 섬유를 소재로 신규재료/제품을 만들어 내기에는 폐 섬유의 특징에 맞는 이용방법을 고려할 필요가 있음은 물론 리사이클 제품에 어떻게 부가가치(경제성)를 부여할 것인가가 매우 중요하다. 폐 섬유를 소재로 해서 시장에 유통되는 제품과 동등의 것이 된다 해도 대부분 생산코스트 등의 경제성에는 불리해, 현재의 국민의식으로서는 리사이클 제품을 유통한다는 것은 거의 불가능하다고 생각된다.
일본에서는 유감스럽지만 폐 섬유로부터 획기적인 리사이클 제품이 되었다 하는 정보는 없으나, 우리 생활로부터 섬유제품이 사라질 수는 없다는 것으로, 바꿔 말하면 섬유소비는 점차 증가해 현재의 기술과 시스템에서는 폐 섬유의 증가는 지속될 것이다. 따라서 폐 섬유의 유효이용법에 대해 적극적인 사고가 필요하게 된다. 이하에는 독자로부터 새로운 아이디어가 나올 것을 기대, 필자의 폐 섬유를 소재로 하는 제품화 예를 기술하려 한다.
4.1 플라스틱 성형소재로서의 합성 폐 섬유의 리사이클
폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌 등의 합성섬유는 열을 받으면 녹고 식히면 굳어지는 특성(열가소성)을 갖고 있다. 따라서 합성 폐 섬유를 플라스틱 제품의 성형소재로 이용할 수 있다.
우리 주변에 있는 플라스틱 제품과 부품, 예를 들면 가전제품 케이스, 세면기, 컵 등 대부분은 사출성형이라고 하는 방법으로 성형하고 있다. 이 방법은 열 가소성 수지를 성형기에 투입해 가열함으로서 수지를 용해하고 그 용융한 수지를 성형하고 싶은 제품 형상의 특을 갖는 금형에 흘려 넣어 냉각 고화시켜 얻어진다. 따라서 합성폐 섬유를 성형기에 투입하면 플라스틱 제품의 성형이 가능하다.
그림 1은 성형품의 일예로 폴리에스터 폐 섬유를 이용해 사출 성형한 헤어브러시이다. 이처럼 제품 성형성은 쉬우나 virgin 수지가격이 저렴하다는 것과 구태여 폐 섬유를 소재로 이용할만한 메리트는 없어 실용화에 이르지 않는 것이 현실이다. 그런데 최근에 와서는 중국에 있어서의 급격한 경제발전과 함께 불자부족으로부터 일본의 폐 섬유 대부분이 중국으로 흘러들어가고, 중국에서 폐 섬유를 소재로 하는 플라스틱 제품 제조가 활발히 이루어지고 있다.
그림 2는 일본으로부터 도입한 폐 섬유가 선적해 있는 중국 리사이클 공장 모습이다. 단 성형소재에 이용하고 있는 것은 단일소재로 되어 있는 폐 섬유로, 대부분의 섬유제품에서 볼 수 있는 이종소재가 혼합한 폐 섬유(예를 들면, 심부와 초부가 다른 소재로 되어 있는 심초구조 섬유와 이종혼섬소재를 혼합한 방적사 등)은 그 처리가 곤란하다. 따라서 이러한 복합소재로 되어 있는 폐 섬유에 대해서는 소재분리기술의 조급한 확립이 시급하다.
이러한 상황에 있어서 팔자는 이종소재가 혼재되어 있는 것을 이용, 분리하지 않고 material recycle하는 방법을 제안한다. 이 리사리클 방법의 하나로 수지계 복합재료소재로서의 이용을 생각할 수 있다.
즉 통상의 복합재료의 성형에 있어서는 강화재의 분산과 강화 섬유간 metrics 수지의 함침성이 중요시되어, 예를 들면 예비성형으로 강화섬유 주변에 metrics 수지를 코팅하는 방법이 많이 이용되고 있다. 그림 3에서와 같은 심초 폐 섬유는 확실히 심부를 강화섬유로, 초부를 metrics 소재로 하는 예비성형체로 생각될 수 있다.
저융점섬유, 즉 초부를 용융 고화시키는 방법은 다양하게 생각할 수 있으나, 필자는 폴리에스터/폴리에틸렌 심초 폐 섬유를 그림 4와 같이 직접 사출성형기에 투입, 폴리에스터 섬유강화 폴리에틸렌을 성형하였다.
즉 성형온도를 제어함으로서 폴리에틸렌 용융고화하고, 폴리에스터 섬유는 섬유상을 유지한 플라스틱 제품이 성형가능하다는 것을 알았다. 얻어진 성형품은 폴리에스터 단체의 2배 정도의 강도가 얻어진다는 것도 알았다. 또한 유연성이 있는 폴리에스터 섬유를 강화재로 이용한다는 것과, 성형품의 내충격 재료로의 이용도 기대되고 있다.
4.2 복합재료 강화재로서의 천연 폐 섬유의 리사이클
폐 섬유에는 면, 마, 실크, 울 등의 천연섬유도 많이 있다. 면에 관해서는 앞서 언급한 대로 최근에는 바이오에탄올 원료로서의 이용기술이 개발되어 주목을 받고 있으나, 대량 폐 섬유에 대한 취급시스템 구축에는 각종 과제가 남아 있다. 여기서는 천연 폐 섬유를 플라스틱 제품의 강화재로 이용한 필자의 시도를 개설한다.
그동안에는 플라스틱을 강화하기 위해 유리섬유나 탄소섬유를 많이 이용해 원하는 특성을 얻어 있으나, 이들 섬유는 자연계에서 분해가 어려운 재료로 사용 후 처리방법이 문제가 되고 있다. 최근에는 해결책 중 하나로 생분해성을 갖고 소각 시에 발열량도 적은 천연섬유 이용이 주목을 받아 각종 천연섬유를 이용한 복합재료 개발이 활발히 이루어지고 있다.
천연섬유의 강도, 탄성율은 유리섬유나 탄소섬유에 미치지 않음에도 범용 플라스틱재료에 비해 큰 값을 갖고 있어 적절한 용도를 찾으면 유리섬유나 탄소섬유 대체 재료로서의 이용은 충분히 가능할 것으로 보인다. 또한 폐기섬유를 사용할 수 있다면 재자재로부터 환경 조화형 재료의 창출을 실현할 수 있다.
예를 들어 리사이클 제품의 성형수단으로서는, 천연 폐 섬유를 전술한 합성 폐 섬유와 동시에 사출성형기에 투입함으로서 천연섬유 보강 복합재료를 성형할 수 있다. 방적공정에서 발생한 면의 잔사와 부직포 제조공정에서 발생한 끝단 절단부, 또는 넥타이 제조공정에서 발생한 견직물의 제단 설 등을 이용해 얻어진 성형품의 기계적 특성은 플라스틱 단독에 비해 수배 이상의 특성향상을 얻을 수 있다는 것이 확인되어 있다.
한편 합성 폐 섬유 대신 생분해성 섬유소재를 이용함으로서 생분해성을 갖는 제품을 얻는 것도 가능하다. 이상의 사례는 폐 섬유를 직접 성형기에 투입하고 있으나, 범용성의 관점에서는 폐 섬유의 펠릿화가 요구되어,, 폐 섬유 종류와 펠릿 특성을 데이터베이스화함으로서 광범위한 플라스틱 제품에의 전개를 기대할 수 있다.
4.3 목재 대체 재료로서의 넝마 리사이클
지금까지는 소재가 명확한 폐 섬유를 중심으로 그 material recycle 방법에 대해 기술하였으나, 여기서는 폐 섬유로서 양적으로 압도적으로 많은 일반폐기물(넝마)의 리사이클 예에 대해 개설한다.
넝마에는 각종 섬유가 혼재되어 있어 소재별로 분별한다는 것은 현재로서는 불가능하다. 여기서 분별하지 않고 그대로 목재 대체 재료로 리사이클 하는 필자 등이 제안한 방법에 대해 개설한다. 목재 대체로 사용하기에는 못을 박거나 톱으로의 절단이 가능한, 어느 정도의 강도를 가질 필요가 있다.
여기서 필자 등은 폐 섬유를 솜처럼 만들고 여기에 바인더가 되는 폴리프로필렌섬유를 혼화, 가열압축성형하는 방법을 제안하였다. 얻어진 판재는 통상의 목재인 상기 특성을 만족하기 때문에 짐짝용 재료나 건재 등에의 응용을 기대할 수 있다.
인조목재의 새로운 응용전개에는 부가가치를 부여할 필요가 있으나, 성형시에 있어서의 섬유소재의 조합과 부위에 따른 밀도의 변화, 표면특성 등을 고려함으로서 통상의 목재에서는 얻을 수 없는 각종 특성을 갖는 합판재의 성형도 가능하다. 그림 5는 넝마를 소재로 얻어진 인조목재를 이용해 제작한 보트를 보인 것이다.
5. 끝으로
본고에서는 폐 섬유 리사이클 현상에 대해 그 일면을 소개하였으나, 지속가능한 사회형성에는 폐 섬유를 방출하지 않는 것이 최우선이다. 이를 위해서는 소비자는 사모아서 사용하는 습관에서 탈피, 애착이 있고 특징을 갖는 섬유제품을 구입하는 “현명한 소비자”가 되어야 할 것이다. 그렇다 해도 실행하기에는 어려운 폐 섬유의 재이용 수단에 대해서는 본고에서 기술한 수단에 그치지 않고 유연한 발상으로 향후에도 꾸준한 개척과 노력이 필요하다. 또 경제적인 면에서는 다소 무리가 있다 해도 환경조화형 제품을 구입한다고 하는 국민의식의 개혁, 환경제품에 대한 정부의 처우개선, 유효한 회수를 위한 사회 시스템 및 경제적으로도 충분한 리사이클 기술개발 연계가 폐 섬유 리사이클에 있어서 필요불가결한 조치라 할 것이다.
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