KR100638447B1

KR100638447B1 - 폐타이어 분말과 흑연 미분말을 이용한 탄소성형체의제조방법

Info

Publication number: KR100638447B1
Application number: KR1020040108662A
Authority: KR
Inventors: 한상무
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-10-24
Also published as: KR20060070044A

Abstract

본 발명은 폐타이어 분말 탄화체를 조골재로, 흑연 미분말을 미골재로 이용하여 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 a) 폐타이어 분말과 흑연 미분말을 1:2 내지 1:4(중량비)로 혼합하여 탄소 골재 혼합물을 얻는 단계; b) 상기 혼합물을 280℃ 이상의 연화점을 가지고 내부 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리 핏치분말에 1 내지 20중량%의 비율로 혼합하는 단계; 및 c) 상기 c) 단계의 혼합물을 100 내지 2000kg/cm2 압력 하에서 가압성형하고 소성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 탄소성형체는 치밀하면서도 고온에서 높은 내산화성을 가져 야금도가니 등으로 이용될 수 있다.

폐타이어 분말, 탄소성형체, 흑연 미분말, 핏치분말

Description

폐타이어 분말과 흑연 미분말을 이용한 탄소성형체의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING CARBONACEOUS MATERIAL BY USING WASTED CORDRESS TIRE POWDER AND FINE GRAPHITE POWDER}

본 발명은 단순 매립, 연료, 구조물 등으로 단순 이용되고 있는 폐타이어와, 전지용 전극재 등의 생산과정에서 발생되는 0.01mm 이하의 미세한 흑연 분말을 이용하여 내화학성, 내침식성과 특히 내산화성이 우수하여 고온에서 야금도가니 등으로 사용될 수 있는 탄소성형체를 제조하는 방법을 제공한다.

현재 폐타이어는 매립 또는 소각하여 제거하거나, 또는 토목 재료로 재활용되거나 석탄을 건류하여 코크스를 제조하는 코크스로에 투입하여 처리되고 있다. 이러한 방법은 일본 특허 공개 소 62-152040호, 일본 특허 공개 평 1-95188 호, 일본 특허 공개 평 1-95189 호, 일본 특허 공개 평 1-95190 호, 일본 특허 공개 평 1-131293 호, 일본 특허 공개 평 1-131294 호, 일본 특허 공개 평 1-234494 호 등에 개시되어 있다.

또한, 폐타이어를 분쇄한 후 코크스로에 단독으로 장입하여 건류가스를 얻는 방법으로는 일본 특허 공개 평 1-131296 호에 개시되어 있으며, 일본 특허 공개 평 1-131295 호에서는 코크스 제조용 원료로 이용하는 방법이 개시되어 있으며, 그리고 일본 특허 공개 평 9-111245 호에서는 석탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 이러한 폐타이어 처리 방법 중 토목 재료로 활용하는 방법이나 코크스 제조시 이용하는 방법은 생산성 저하의 문제가 있어 널리 사용되지 못하고, 주로 매립 또는 소각의 방법, 즉 재활용되지 못한 채 단순 폐기되고 있는 실정이다.

또한 전지 등의 전극재 생산과정에서 발생되는 0.01mm 이하의 미세한 흑연 분말은 적합한 용도를 찾지 못하여 그 처리에 어려움을 겪고 있다. 그러나 이 흑연 분말은 높은 결정화도를 가지고 있어 특히 내산화성이 우수하므로 이와 같은 장점을 살리는 용도 개척이 필요하다.

따라서, 본 발명은 단순이용에 그치고 있는 폐타이어 및 처리가 곤란한 흑연 미분말을 이용하여 특히 내산화성이 우수한 탄소성형체를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은

a) 폐타이어 분말 탄화체 와 흑연 미분말을 1:2 내지 1:4(중량비)로 혼합하여 탄소 골재 혼합물을 얻는 단계;

b) 상기 혼합물을 280℃ 이상의 연화점을 가지고 내부 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리 핏치분말에 1 내지 20중량%의 비율로 혼합하는 단계; 및

c) 상기 b) 단계 의 혼합물을 100 내지 2000kg/cm2 압력 하에서 가압성형하고 소성하는 단계

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 폐타이어 분말 탄화체 는 폐타이어 분말이 탄화되고 분쇄되어 제조된 것을 의미 한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 산업상의 이용이 어려운 폐타이어와 흑연 미분말을 이용하여 고온에서 사용할 수 있는 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 종래 탄소 성형체는 메조페이스 입자를 사용하거나(일본 특허 공고 소 63-4016호), 고연화점 핏치와 열경화성 수지를 이용하는 방법(국내 특허 공개 제 99-53883)으로 제조되었으나 수율이 낮고 공정이 복잡하며 원료 가격이 비싼 문제점이 있었다. 이에 비하여 본 발명에서 이용하는 폐타이어와 흑연 미분말은 재활용 자원임으로 인하여 훨씬 경제적이며 공정 단순화로 특히 내산화성이 우수한 탄소성형체를 제조할 수 있다.

폐타이어 분말은 폐타이어에서 철제 강선 등 불필요한 부분을 제거하고 고무부와 펠트부 등 유기물질만으로 이루어진 부분을 선별하여 적당한 크기, 예를 들어 3mm 이하로 분쇄하여 준비한다. 본 발명에서는 폐타이어 분말이 아니라 폐타이어 분말을 탄화하여 얻어지는 탄화체를 이용하므로 폐타이어 분말의 크기는 중요하지 않으므로 탄화공정의 효율성을 감안하여 파쇄 크기를 결정할 수 있다. 이 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 불활성 분위기 중에서 탄화하고 0.1mm 이하의 크기로 분쇄하여 폐타이어 분말 탄화체 를 제조한다.

폐타이어의 탄화 온도와 시간은 폐타이어의 유기물 중에 포함되어 있는 수소, 질소, 황 등을 충분히 제거할 수 있는 조건으로 충분하며 고온일수록 그리고 탄화시간이 길수록 유리하지만 공정 비용을 고려하여 결정할 수 있다.

본 발명의 방법에서 사용되는 흑연 미분말로는 전극재 등의 생산과정에서 부산물로 얻어지는 0.01mm 이하 크기의 흑연 분체를 그대로 이용할 수 있다. 이 분말들은 그 순도가 높고 형태 또한 정제되어 있으나 크기가 매우 미세하여 원래 용도에는 부적합하지만 본 발명의 탄소성형체 원료로서는 적합하다.

상기한 폐타이어 분말 탄화체 와 흑연 미분말을 중량비 1:2 내지 1:4로 혼합하여 탄소골재 혼합물을 제조한다. 여기서 폐타이어 분말 탄화체 와 흑연 미분말의 비율이 1:2 미만일 경우에는 흑연 비율이 지나치게 낮아져 본 발명이 목적하는 내산화성을 획득하기 어려우며 1:4를 넘을 경우에는 폐타이어 분말 탄화체 사용량이 적어지게 되어 폐타이어 자원 재활용의 의미가 없다.

결합제로 이용되는 산화처리 핏치분말은 다음과 같이 제조된다. 석유계 또는 석탄계 핏치 가운데 연화점이 280℃ 이상인 핏치를 0.1mm 이하로 분쇄하고 산소 또는 공기 분위기 중에서 열처리하여 산소 함유량이 5 내지 20중량%가 되도록 한다. 여기서 원료 핏치가 석유계이거나 석탄계인 점은 중요하지 않으나 연화점은 280℃ 이상으로 높은 것이 바람직하다. 그렇지 못할 경우에는 후속되는 산화처리 과정에서 핏치가 서로 융착하여 덩어리지는 현상이 나타나 충분한 산화처리가 이루어지기 어렵기 때문이다. 또한 분쇄크기는 0.1mm 이하인 것이 바람직한데 그 크기가 0.1mm를 초과하면 산화처리 도중 산소가 핏치 중으로 충분히 확산하여 들어가기 어렵기 때문이다.

핏치 분말의 산화처리에 대한 분위기, 온도, 시간 등은 제조된 산화처리 핏치 중의 산소함유량이 5 내지 20중량%이고 그 크기가 0.1mm 이하가 되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 여기서 산소 함유량이 5중량% 미만일 경우에는 후속되는 소성공정에서 휘발분이 지나치게 많이 발생하여 성형체가 팽창될 우려가 있으며 20중량%를 넘으면 고화가 지나치게 일어나 성형체 제조에 필요한 소결성 상실 및 그에 따른 강도 저하가 일어난다.

핏치 분말의 산화처리 방법에는 로터리 킬른이나 텀블링 베드와 같이 핏치 분말에 대하여 산화처리되는 동안 계속적으로 운동성을 부여함으로써 핏치 입자간 결합을 방지할 수 있는 방법이 바람직하다. 산화처리 분위기로는 산소분위기 또는 공기분위기 모두 적용할 수 있다. 공기 분위기는 비용이 저렴한 반면 산소 분위기는 신속한 산화처리가 장점이다.

이 산화처리 공정은 200 내지 270℃의 산화온도에서 30분 내지 24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 산화온도가 200℃ 미만일 경우에도 산화처리는 가능하지만 공정 시간이 대단히 길어져 비경제적이며 270℃를 넘는 경우에는 핏치가 용융하여 서로 부착되어 덩어리를 만들어 충분한 산화처리를 방해하기 쉽게 된다. 산화시간은 산화온도에 반비례하며 200℃ 내지 270℃ 온도 범위에서는 30분 내지 24시간이 바람직하다.

이상과 같이 산화처리된 핏치 분말에 폐타이어 분말 탄화체 와 흑연 미분말로 이루어진 탄소골재 혼합물을 1 내지 20 중량% 혼합하고 이 혼합물을 일축성형기 등으로 100 내지 2000kg/cm2 압력하에서 가압성형하여 성형체를 제조한다. 여기서 탄소골재 혼합물이 1 중량% 미만일 경우에는 자원 재활용의 산업적 의미가 적으며, 20중량%를 초과할 경우에는 후속되는 소성공정에서 소결성이 저하되어 강도가 떨어진다. 성형압력이 100kg/cm2 미만일 경우에는 성형체 강도가 낮아 부서지기 쉬우며 2000kg/cm2를 초과하면 성형체 내부의 잔류응력으로 인하여 변형 또는 균열발생의 문제가 생긴다.

상기 성형체를 질소 또는 아르곤 등의 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃로 30분 내지 1시간 동안 소성한다. 소성 온도는 산화핏치 분말의 자기소결성이 충분히 발휘될 수 있도록 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하며 이 경우 소성 시간은 1시간이 바람직하다. 소성 온도가 800℃보다 높을 경우, 예를 들어 1000℃일 경우에는 30분으로도 충분한 소성이 이루어질 수 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 이 실시예는 단지 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 제시되는 것이며 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예1)

폐타이어 분말을 600℃에서 1시간동안 탄화하고 0.1mm 이하로 분쇄하여 폐타이어 분말 탄화체를 제조하고 0.01mm 이하 크기의 흑연 미분말과 1:3의 중량비로 혼합하여 탄소골재 혼합물을 제조하였다. 그리고 연화점 310℃의 석탄계 핏치를 0.1mm 이하로 분쇄하고 공기분위기 중에서 250℃에서 1시간 동안 산화처리하였다. 원소분석법으로 확인된 산화처리 핏치 분말 중의 산소함유량은 5.3중량%였다. 일부 융합된 핏치분말은 막자 사발에서 다시 0.1mm 이하로 분쇄하였다.

산화처리 핏치분말 90중량%에 상기 탄소골재 혼합물을 10중량%로 혼합하고 일축성형기를 이용하여 1000kg/cm2 압력으로 높이 10mm, 두께 10mm, 길이 50mm의 직육면체 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 질소 분위기 중에서 1000℃로 1시간 동안 소성하였다.

(실시예2)

상기 실시예1에서 산화처리 핏치 분말 95중량%에 탄소골재 혼합물을 5중량%로 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

(실시예3)

상기 실시예 1에서 산화처리 핏치 분말 99중량%에 탄소골재 혼합물을 1중량%로 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

상기 실시예 1 내지 3의 방법에 따라 제조된 소성체의 밀도와 압축강도를 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(실시예4)

상기 실시예 1에서 산화처리 핏치 분말 80중량%에 탄소골재 혼합물을 20중량%로 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 1 내지 3과 성형성과 성형후 외관이 유사한 탄소성형체가 얻어졌다.

(비교예1)

상기 실시예 1에서 산화처리 핏치 분말 70중량%에 탄소골재 혼합물을 30중량%로 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 얻은 탄소성형체는 그 표면에 부분적으로 균열이 발생되었다.

항목	실시예 1	실시예 2	실시예 3
밀도(g/cc)	1.27	1.33	1.40
압축강도(kg/cm2)	699	715	752

상기 표 1의 결과를 보면 폐타이어 분말 탄화체와 흑연 미분말을 이용하여 본 발명의 방법에 따라 제조된 탄소성형체는 성형성과 밀도 및 압축강도가 우수함을 알 수 있다.

본 발명은 매립, 소각 등 단순처리되고 있는 폐타이어와 입자크기가 미세하여 처리가 곤란한 흑연 미분말을 이용하여 야금도가니 등으로 이용될 수 있는 탄소성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공함으로 인하여 고부가가치 이용기술을 제공한다. 본 발명의 방법에 의해 폐타이어의 이용성이 높아지고 흑연 미분말의 유효한 용도가 개척되었다.

Claims

a) 폐타이어 분말 탄화체 와 흑연 미분말을 1:2 내지 1:4(중량비)로 혼합하여 탄소 골재 혼합물을 얻는 단계;

b) 상기 혼합물을 280℃ 이상의 연화점을 가지고 내부 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리 핏치분말에 1 내지 20중량%의 비율로 혼합하는 단계; 및

c) 상기 b) 단계의 혼합물 을 100 내지 2000kg/cm2 압력 하에서 가압성형하고 소성하는 단계

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 산화처리 핏치분말은 핏치를 공기분위기 또는 산소분위기에서 200 내지 270℃로 30분 내지 24시간 동안 산화처리하여 제조된 것임을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 소성 공정은 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하는 것임을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 폐타이어 분말 탄화체는 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 불활성분위기에서 탄화하여 0.1mm 이하로 분쇄되어 제조된 것임을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 산화처리 핏치분말의 입도는 0.1mm 이하인 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.
제1항에 있어서, 흑연 미분말의 입도는 0.01mm 이하인 것을 특징으로 하는 탄소성형체의 제조방법.