KR100349829B1

KR100349829B1 - 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세분말의 제조방법

Info

Publication number: KR100349829B1
Application number: KR1019990006391A
Authority: KR
Inventors: 김규진; 이호상
Original assignee: 동부제강주식회사
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2002-08-22
Also published as: KR20000056780A

Abstract

본 발명은 분무배소법에 의한 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 분말의 제조 방법은 염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)을 특정비로 혼합한 혼합수용액을 고온의 배소로내에서 질소 또는 아르곤 가스의 비활성 분위기하에서 분무배소시켜서 제조된다.

본 발명에 따르면 단순하고 간단한 제조공정으로 전기, 자기적 특성이 우수한 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말을 제조할 수 있다.

Description

토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING MAGNETITE POWDER}

본 발명은 분무배소법에 의한 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)을 특정비로 혼합한 혼합수용액을 고온의 배소로내에서 비활성 분위기하에서 분무배소시켜 평균입경이 0.2∼0.5㎛인 토너 및 흑색안료용 마그네타이트(Fe₃O₄) 자성 미세 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.마그네타이트계 자성분말은 전자사진공정의 원리에 의해 작동되는 복사기, 레이저빔 프린터, 팩시밀리 등의 현상제로 사용되는 자성토너에 사용되며, 또한 자체 고유의 흑색색상을 이용한 안료용 및 화장품 등에 사용되고 있다.

마그네타이트 분말에 대한 상업적 제조 방법에는 습식법과 고상법이 있다.

습식법은 철을 염산 또는 황산에 녹인 용액을 이용하여 알칼리 용액을 첨가하여 수산화 제1철(Fe(OH)₂)로 석출·침전시킨 다음 70∼100℃의 온도에서 산화성 가스를 통기하여 산화시켜 마그네타이트를 제조하는 방법이다. 고상법은 소량의 금속을 함유한 헤마타이트(α-Fe₂O₃)를 고온의 가열로에서 수소 등의 환원가스에 의해 환원 열처리하여 마그네타이트상을 만든 다음 이를 분쇄에 의해 미세화하여 제조하는 방법이다.

전자의 방법, 즉 습식법은 스피넬(spinel) 단상의 결정구조, 균일한 형상 및 양호한 자기적 특성 등을 지닌 마그네타이트 분말을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 제조공정이 복잡하고 특히 폐용액처리 설비가 필요 등 제조비용이 높다는 단점이 있다.

반면 후자의 방법인 고상법은 종전부터 산화철 제조에 사용된 방법이다. 이는 철강업에서 강판을 염산으로 산세할 때 생기는 염화철 폐액을 공기중에서 고온 분무배소하여 제조된 적색 산화철(헤마타이트)을 활용하는 방법이다. 따라서 고상법은 습식법에 비해 침전, 분리의 공정을 생략할 수 있고 산세폐액을 재활용할 수 있어 비용절감 측면에서도 큰 잇점을 갖고 있지만, 현재까지 공기중에서 염화철을 분무배소하면 주상이 헤마타이트상이 되므로 마그네타이트상으로 구조를 바꾸기 위해서는 고온 환원처리 및 분쇄처리가 불가피하다는 단점을 지니고 있어서 대부분의 선진업체에서는 습식법을 채택하고 있는 실정이다.

마그네타이트를 제조하는 다른 방법으로 일본 특개평 7-315846호에 염화 제1철과 염화 제2철의 혼합결정시료를 수증기와 비활성가스의 존재하에서 분무배소하여 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법으로는 출발 원료로 혼합결정시료를 얻기 위한 건조 공정이나 수증기 분압을 조절하는 등의 공정이 필요하여 대량 생산하는데 어려움이 있으며, 또 얻어진 마그네타이트의 입자크기가 크고 입자크기 범위가 넓어 토너용으로 사용하는 데는 어려움이 있다.이상의 종래기술에서는 염화철을 이용하여 열분해법에 의한 마그네타이트를 유효하게 제조할 수 있는 방법의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제조공정이 단순하고, 제조시간이 짧으면서 전기, 자기적 특성이 우수한 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말을 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말의 제조 공정의 개략도이다.

도2는 본 발명에 따라 염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)의 혼합비 변화에 따라 제조된 마그네타이트 미세 분말의 X선회절 패턴을 나타낸 것이다.※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명1 : 원료공급원 2 : 노즐3 : 배소로 4 : 분위기 가스 도입원5 : 사이클론 6 : 스크러버

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말의 제조 방법은 염화 제1철과 염화 제2철을 70:30 내지 30:70의 몰비로 하여 물과 혼합한 혼합수용액을 600∼900℃의 배소로내에서 질소(N₂) 또는 알곤(Ar)가스의 비활성 분위기하에서 분무배소시켜 평균입경이 0.2∼0.5㎛인 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 미세 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 토너 및 흑색안료용 마그네타이트 자성 분말의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 것이다. 본 발명은 먼저 원료공급원(1)에서 염화 제1철과 염화 제2철을 일정 몰비로 물에 녹여 제조한 염화철 혼합수용액을 노즐(2)을 통해 반응관(3)의 내부에서 분사하고 분사된 미세액적은 반응관 하부에서 올라오는 분위기 가스(4)와 반응하여 철산화물을 생성한다. 생성된 철산화물은 사이클론(5)에서 포집되며, 발생한 염화수소 가스는 스크러버(6)에서 물에 흡수되어 저장탱크에 저장된다.

본 발명은 우선 마그네타이트의 원료로 염화 제1철과 염화 제2철을 물에 녹여 염화철 혼합수용액을 제조한다.

이때 혼합 수용액내의 염화 제1철과 염화 제2철의 구성비가 90/10 ∼ 10/90 mol%인 것이 바람직하며, 가장 바람직한 범위는 70/30 ∼ 30/70 mol%이다. 용액내 철성분 중 염화 제1철의 양이 10 mol%이하가 되면 분무배소시에 웨스타이트 (FeO)상의 생성비율이 급증한다. 반면에 90 mol%이상이 되면 감마 산화철(γ-Fe₂O₃)의 생성비율이 급증한다. 도2는 이러한 염화 제1철과 염화 제2철의 혼합비의 변화에 따른 마그네타이트의 분말상의 구조를 X선 회절 패턴으로 나타낸 것이다.

상기 염화철 혼합수용액은 비활성 분위기하에서 배소로내에 분사되어 배소된다. 한편, 배소로내의 온도는 철산화물을 빠르게 형성하기 위한 열량을 제공하여 주기 때문에 배소온도의 설정은 매우 중요하다. 실험에 의한 결과 적정 배소온도는 600∼900℃ 범위이며, 가장 바람직한 범위는 650∼850℃이다. 배소온도가 600℃보다 낮을 경우에는, 배소시에 미반응의 염화철(FeCl₂)이 다량 존재하게 되고, 반면에 900℃을 넘으면 배소반응시에 헤마타이트(α-Fe₂O₃)상이 급증하게 된다.이때의 배소 분위기는 산소와의 반응을 피하기 위해 질소(N₂) 또는 알곤(Ar) 가스를 사용하여 비활성으로 만들어 주는 것이 바람직하다. 비활성 분위기가 되지 않은 경우 감마 산화철(γ-Fe₂O₃)의 생성이 급증하여 마그네타이트 생성수율이 크게 감소한다.

배소로내의 수용액의 분사량은 배소로의 체적, 반응속도, 수용액의 점도 등에 의해 영향을 받지만 본 실험에서 사용한 배소로(Tube 입경: 125mmψ, 길이: 1500mm)의 분사량은 10 ∼ 50 cc/min의 범위가 적당하다. 용액 분사량이 10 cc/min 이하에서는 생산량과 관계가 있고, 50 cc/min이상에서는 본 실험용 배소로의 설비 한계치에 달한다.

이하 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명하지만, 이는 본원 발명을 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

각각의 염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)을 70/30의 몰비로 순수에 녹여 혼합수용액을 만들었다. 이때 용액중 철함량은 100 g/ℓ가 되도록 관리하였다. 혼합수용액을 700℃의 일정온도로 유지되고 있는 내경 125 mm의 배소로내에 분무배소하였다. 이때 배소로내 분위기는 순 질소가스를 40 ℓ/min의 속도로 불어넣어 주었고, 용액의 분사량은 25 cc/min으로 고정하여, 질소 가스와 반응하여 생성된 철산화물을 얻었다.

[실시예 2]

실시예1에서 염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)을 각각 80/20, 50/50, 30/70, 20/80의 몰비로 순수에 녹여 혼합수용액을 만든 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[실시예 3]

실시예1에서 배소온도를 각각 600, 800, 850℃로 하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[실시예 4]

실시예1에서 용액중 철함량을 각각 50, 150, 200 g/ℓ로 조정한 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[실시예 5]

실시예1에서 배소로내 분위기를 알곤가스로 변경한 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시하였다..

[실시예 6]

염화 제1철(FeCl₂)과 염화 제2철(FeCl₃)의 몰비를 각각 90/10, 10/90의 혼합비로 순수에 녹여 혼합수용액을 만든 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 1]

염화 제1철과 염화 제2철의 몰비를 각각 100/0, 0/100의 혼합비로 순수에 녹여 혼합수용액을 만든 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

실시예1에서 배소온도를 각각 550, 900℃로 하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하였다.

[비교예 3]

실시예1에서 배소분위기를 99%의 질소 + 1 %의 산소가스로 교체한 것 이외에는 동일하게 실시하였다.상기 실시예 및 비교예에 따라 제조한 마그네타이트 분말상의 구조 및 물리적 특성을 표1에 나타내었다.

이상의 실시예 및 비교예에서 알 수 있듯이, 염화철 혼합수용액의 제조시에 염화 제1철의 비율이 90mol%를 넘는 경우 웨스타이트상의 생성비율이 증가하고, 10mol% 미만인 경우에는 감마-산화철의 생성비율이 증가하며(비교예1), 배소온도가 600 내지 900℃를 벗어나는 경우(비교예2) 및 배소분위기가 비활성가스가 아닌 경우(비교예3)에도 헤마타이트상이 급증하여 고수율의 마그네타이트 미세 분말을 제조하기 어렵다.본 발명에 따르면, 염화 제1철과 염화 제2철을 일정비로 혼합한 염화철 혼합수용액을 600∼900℃의 배소로내에서 순수의 비활성가스 분위기하에 분사하여 평균입경이 0.2∼0.5㎛인 마그네타이트 자성 미세 분말을 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명은 염화철 혼합수용액을 분무배소하여 마그네타이트 자성 미세 분말을 제조할 수 있는 방법으로, 본 발명에 따라 제조된 마그네타이트 입자의 포화자화(σs)는 65∼95 emu/g, 보자력(Hc)은 120∼160 Oe의 자기특성을 가지며 마그네타이트상의 함유량이 90% 이상으로 토너 및 흑색안료용으로 가장 적합한 특성을 갖는다. 또한, 습식법에 비해 제조공정이 단순하고, 폐용액 처리 설비가 불필요하고, 고상법에 비해 고온에서 환원처리하여 마그네타이트상으로 구조 변경하지 않아도 되므로 에너지 절감의 효과가 있다.이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 기술되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연하다.

Claims

염화 제1철과 염화 제2철을 70:30 내지 30:70의 몰비로 하여 물과 혼합한 혼합수용액을 600∼900℃의 배소로내에서 질소 또는 알곤 가스의 비활성가스 분위기하에서 분무배소시켜 평균입경이 0.2∼0.5㎛인 미세 분말로 제조함을 특징으로 하는 토너 및 흑색안료용 흑색 마그네타이트 자성 미세 분말을 제조하는 방법.
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