최근 기술 발전과 순환 경제 개념의 점진적인 발전에도 불구하고, 폐타이어 열분해 제품 시장은 여전히 ​​초기 단계에 머물러 있습니다. 본 논문에서는 카본 블랙이 무엇인지 소개하고, 순수 카본 블랙의 응용 분야를 자세히 살펴보고, 환경에 유해한 원료인 순수 카본 블랙을 재활용 카본 블랙으로 대체할 수 있는 잠재력을 추정해 봅니다.

이 글의 마지막 부분에서는 신규 카본 블랙 대체율을 20%로 보수적으로 가정하여 재생 카본 블랙의 연간 시장 규모를 추정해 보았습니다. 참고: 수치상으로 볼 때 재생 카본 블랙 생산은 수익성이 높고 기회가 풍부한 사업입니다.

카본 블랙: 소개 및 정의

전통적으로 카본 블랙(CB)은 자동차 타이어의 보강제 및 충전재로 사용되어 왔습니다. CB의 고유한 소재 특성에 대한 이해가 깊어짐에 따라 현재는 자동차 타이어, 컨베이어 벨트, 잉크, 플라스틱 파이프, 고무 매트, 신발 밑창 등 훨씬 더 다양한 제품에 폭넓게 사용되고 있습니다. 순수 카본 블랙(Virgin CB)은 미량의 불순물만 함유하고 있으며 탄소 함량이 거의 100%에 가깝습니다.

버진 카본 블랙(vCB)은 FCC 타르, 콜타르, 에틸렌 크래킹 타르와 같은 중질 석유 제품의 불완전 연소로 생성되는 미세한 흑색 분말 형태의 소재입니다. 카본 블랙은 활성탄보다는 낮지만, 표면적 대 부피 비율이 높은 준결정질 탄소의 한 형태입니다. 카본 블랙은 주로 고무 제품, 특히 타이어의 보강 충전재로 사용됩니다. 스티렌-부타디엔의 순수 가황 고무는 인장 강도가 2MPa 이하이고 내마모성이 매우 낮지만, 중량 기준으로 50%의 카본 블랙을 첨가하면 인장 강도와 내마모성이 향상됩니다.

탄소 숯(CC) 또는 원료 회수 탄소 블랙(raw rCB)은 열분해 공정의 직접적인 생성물 중 하나입니다. 이 물질은 가치가 낮고 시멘트 소성로의 에너지 생산과 같은 용도가 제한적입니다. 따라서 탄소 숯은 시장 요구 사항과 최종 용도에 맞춰 정제하여 고부가가치 기술 제품으로 활용될 필요가 있습니다.

ASTM International은 전 세계적으로 12,800개 이상의 ASTM 표준을 통해 제품 및 재료에 대한 주요 정의를 제시하는 표준화 기구로, 최근 재생 카본 블랙(rCB)과 관련된 최초의 표준을 발표했습니다.

그만큼ASTM D36 위원회(재활용 탄소 블랙(rCB) 관련)2017년에 설립된 이 기관은 재조합 탄소 나노입자(rCB) 산업의 제품 품질 및 안전성 향상을 지원합니다. 여러 소위원회가 용어, 지침, 관행 및 시험 방법에 대한 표준을 개발하는 역할을 담당하고 있습니다.

새로운 ASTM 표준(D8178)은 rCB와 탄소 숯(CC)의 가치를 명확하게 구분하기 위한 공통 용어의 필요성을 충족합니다. 또한, 제안된 응용 분야에서 rCB의 성능에 대한 의사소통을 용이하게 합니다. D8178은 숯, 탄소 블랙(ASTM 표준 D3053에 정의됨), 원료 회수 탄소 블랙 및 회수 탄소 블랙(rCB) 간의 차이점의 중요성을 명시합니다.

가장 중요한 것은 "재생 카본 블랙"(rCB)이라는 제품명은 원료 카본 블랙에서 금속과 섬유가 제거되고 분쇄된 경우에만 사용해야 한다는 점입니다. 그렇지 않으면 rCB는 고무에서 일반적으로 반보강성 특성을 갖게 됩니다.

원료 재활용 탄소 블랙(rCB, CC)을 최종 제품 요구 사항에 따라 정제하고 부가가치를 높이는 여러 공정이 있습니다. 이러한 공정은 크기 선별 및 이물질(금속 및 섬유) 분리에 국한될 수도 있고, 화학 물질이나 기타 공정을 사용하여 재료 내 특정 성분을 제거하는 것일 수도 있습니다. 타이어 열분해를 통해 얻은 정제 탄소 숯은 재활용 탄소 블랙(rCB)으로 표기되며, 다양한 공정을 거쳐 부품 제조에 사용될 수 있고, 화학 산업에서 안료, 잉크 및 페인트의 충전제, 기타 재료에 사용하기 위해 추가 정제될 수도 있습니다.

CC를 rCB로 후처리하는 과정은 복잡하며 자본 집약적인 기술을 필요로 합니다. 이 물질을 더욱 정제하면 탄소 숯의 특성이 크게 향상되고, 불순물이 상당 부분 제거되어, 순수 흑탄소의 특성을 상당 부분 재현할 수 있는 고부가가치 상품으로 전환됩니다. 적용 분야 및 성능 요구 사항에 따라 rCB는 다양한 제조 공정에서 vCB를 10%에서 100%까지 대체할 수 있습니다.

재생 카본 블랙(rCB)의 궁극적인 활용 분야는 타이어 제조 산업입니다. 전 세계 카본 블랙 소비량의 대부분을 타이어 산업이 차지하고 있기 때문입니다. 그러나 타이어 업계는 규제, 이미지, 공급 문제 등으로 인해 기존의 휘발성 카본 블랙(vCB) 함량을 rCB로 대체하거나 대량 생산에 rCB를 도입하는 데 더디게 움직이고 있습니다. 하지만 타이어 제조업체들 사이에서 rCB 도입에 대한 분명한 추세도 나타나고 있습니다. 미슐랭은 스웨덴의 타이어 열분해 회사에 상당한 지분을 인수했으며, 남미에 rCB 생산 공장을 건설할 계획입니다.

카본 블랙의 용도 개요

순수 카본 블랙은 수십 년 동안 타이어의 보강재로 사용되어 왔으며, 고무 산업 전체의 핵심 소재가 되었습니다. 카본 블랙은 고유한 특성 덕분에 타이어 및 기타 고무 산업의 대부분에 사용되며, 안료, 자외선(UV) 안정화제, 전도성 물질 등으로 활용 범위가 확대되어 다양한 일상용품 및 특수 고성능 제품에 사용되고 있습니다. 국제 카본 블랙 협회(ICBA)는 카본 블랙의 용도를 다음과 같이 분류했습니다.

• 타이어 및 산업용 고무 제품: 카본 블랙은 고무에 충전재 또는 강화제로 첨가됩니다. 다양한 종류의 타이어에서 카본 블랙은 특정 성능 요구 사항에 따라 다양한 유형으로 이너 라이너, 카커스, 사이드월 및 트레드에 사용됩니다. 또한 카본 블랙은 벨트, 호스, 개스킷, 다이어프램, 진동 방지 장치, 부싱, 에어 스프링, 섀시 범퍼, 다양한 종류의 패드, 부츠, 와이퍼 블레이드, 컨베이어 휠 및 그로밋과 같은 많은 성형 및 압출 산업용 고무 제품에 사용됩니다.
• 플라스틱: 카본 블랙은 현재 쓰레기 봉투, 산업용 백, 사진 인화지, 농업용 멀칭 필름, 스트레치 랩, 자동차, 전기/전자 제품, 가전 제품 및 블로우 성형 용기와 같은 제품의 전도성 포장재, 필름, 섬유, 성형품, 파이프 및 반도체 케이블 화합물에 널리 사용되고 있습니다.
• 정전기 방전(ESD) 화합물: 카본 블랙은 전자 제품 포장, 안전 장치 및 자동차 부품과 같은 제품에서 절연체 특성을 전도성 특성으로 변환하도록 세심하게 설계되었습니다.
• 고성능 코팅: 카본 블랙은 자동차(프라이머, 베이스코트 및 클리어코트), 해양, 항공우주, 장식용, 목재 및 산업용 코팅을 포함한 다양한 코팅 응용 분야에 착색, 전도성 및 자외선 차단 기능을 제공합니다.
• 토너 및 인쇄 잉크: 카본 블랙은 배합을 향상시키고 특정 색상 요구 사항을 충족하는 데 폭넓은 유연성을 제공합니다.

카본 블랙은 다양한 용도로 사용되지만, 용도에 따라 요구되는 카본 블랙의 품질과 특성이 다릅니다.

카본 블랙의 품질은 공정 및 장비에 따라 달라집니다. 따라서 장비를 구매할 때는 원하는 카본 블랙 품질과 해당 용도에 대한 수요를 고려해야 합니다.

시장 잠재력 및 주요 rCB 수요 동인

rCB는 다양한 산업 분야에서 vCB를 부분적 또는 전체적으로 대체할 수 있는 소재이므로, rCB의 시장 잠재력은 현재 vCB 시장 규모에 따라 결정됩니다. 여러 업계 전문가와 저희의 추정에 따르면, 지난 5년간 전 세계 vCB 소비량은 지속적으로 증가하여 연간 1,100만~1,300만 톤에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 연간 약 160억 유로 규모의 시장을 의미합니다.

vCB는 충전제 및 보강제로서의 특성 때문에 고무 및 플라스틱 분야에 가장 일반적으로 사용됩니다. 특히 고무를 보강하는 능력이 뛰어나 타이어 제조 산업에서 널리 사용됩니다. 다른 고무 및 플라스틱 제품에서는 충전제로 사용되는데, 주로 희석제로 사용되어 생산량을 줄여 비용을 절감하는 데 기여합니다. 이러한 용도가 전 세계 CB 소비량의 95% 이상을 차지합니다. 약 4%는 뛰어난 착색 특성 덕분에 잉크 안료로 사용되며, 나머지는 다른 용도로 사용됩니다.

차트: 카본 블랙 최종 사용 시장

타이어 산업은 여전히 ​​천연 카본 블랙의 최대 소비처로, 최근 몇 년간 총 소비량은 약 9백만 톤에 달합니다. 이 시장은 소수의 대형 업체들이 장악하고 있으며, 이들은 공급업체에 대해 높은 협상력을 갖고 있습니다. 타이어 산업은 전 세계 카본 블랙 소비량의 약 70%를 차지하며, 그중 승용차 타이어가 45%, 트럭 및 버스 타이어가 32%, 기타 타이어(OTR, 오토바이, 항공기 등)가 23%를 차지합니다.

타이어 및 재생 타이어를 제외한 고무 제품은 카본 블랙 소비에서 두 번째로 큰 비중을 차지하며, 전체의 20%에 해당하고 연간 약 200만~250만 톤이 소비됩니다. 이는 고무 벨트, 전선, 산업용 고무 등 카본 블랙을 배합 공정에 사용하는 다양한 산업 분야를 포괄합니다.

플라스틱 및 잉크는 특수 시장으로 분류되며, 연간 100만~120만 톤에 달하는 vCB 소비량의 약 10%를 차지합니다. 이 분야는 다양한 최종 용도와 특정 성능을 구현하기 위해 필요한 다양한 등급 및 맞춤형 카본 블랙(CB) 배합으로 구성되어 있습니다. 이 분야에서 vCB는 주로 안료 또는 기능성 충전재로 사용됩니다.

저희 연구 결과에 따르면 일부 응용 분야(예: 플라스틱 마스터배치, 지붕재, 잉크 등)에서는 최대 100%의 천연 카본 블랙을 재생 카본 블랙(rCB)으로 대체할 수 있지만, 다른 응용 분야에서는 그 비율이 더 낮습니다. 예를 들어, 승용차 타이어 측면에서는 천연 카본 블랙(vCB)의 30~50%를 재생 카본 블랙(rCB)으로 대체할 수 있습니다.

20%의 대체율을 가정하면, 전 세계 재조합 카본 블랙(rCB) 시장의 연간 규모는 약 32억 유로에 달할 것으로 추산됩니다.

이러한 이유로 rCB 생산에 초점을 맞춘 열분해 사업은 수익성이 높은 사업입니다. 사업 성공 여부는 생산 기술 및 생산 품질과 같은 여러 요인에 달려 있지만, 열분해 사업자에게는 엄청난 시장 기회가 열려 있습니다.

저희는 글로벌 카본 블랙(rCB) 시장에서 재생 카본 블랙의 잠재력을 높이 평가하며, 선진국 경제가 지속 가능하고 환경 친화적인 기술로의 정책적 전환을 거듭하고 있는 만큼 이러한 성장은 필연적이라고 확신합니다. 오늘날 시장에 새롭게 진입하는 기업들은 rCB 산업을 형성하고 향후 수십 년 동안 업계를 선도할 수 있는 특별한 기회를 맞이하고 있습니다.

산업의 잠재력을 높이기 위해서는 공동의 노력이 필요하다

하지만 산업계에서 재활용 카본 블랙(rCB)의 활용도를 높이고 rCB 산업 발전을 가속화하기 위해서는 모든 이해관계자의 공동 노력이 필요합니다. rCB 산업은 규제와 연구에 크게 의존합니다. 연구는 열분해 업체들이 더욱 균일하고 안정적인 제품을 생산할 수 있도록 지원하며, 규제는 해당 산업을 순환 경제의 고리 안에 편입시키는 데 기여할 것입니다.

대규모 산업에서 규제 제약이 발생한 주된 이유는 재활용 카본 블랙(rCB)의 표준화 부족 때문이었습니다. 다행히 ASTM은 이 문제에 대한 해결책을 모색하고 있으며, rCB에 대한 구체적인 표준을 개발하고 있습니다. 구조 수준 및 표면적 측정에 기반한 기존의 카본 블랙 특성 분석 방법은 재활용 카본 블랙 제품의 고무 내 성능과 동일한 상관관계를 나타내지 않을 수 있으므로, ASTM은 rCB에 대한 구체적인 시험 방법을 개발하는 데 앞장설 것입니다. rCB는 순환 경제 측면에서 지속 가능한 제품이며, 다양한 용도에서 여러 가지 이점을 제공합니다.