KR100903636B1 - 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 제조 방법은 탄화되고 분쇄되어 제조된 폐타이어 분말과, 280℃ 이상의 연화점을 갖고 내부의 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리한 핏치 분말을 1 내지 10 : 90 내지 99 중량%의 비율로 혼합하고, 상기 혼합물을 100 내지 2000kg/cm2 압력으로 가압성형하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 소성하는 공정을 포함한다.
이상과 같이, 본 발명은 단순처리되고 있는 폐타이어를 고무부 및 펠트부만을 과립화하고 탄화하여 산화처리한 핏치에 혼합하여 소성함으로써 야금도가니 등으로 이용할 수 있는 탄소 성형체를 제조할 수 있다.
폐타이어,핏치,산화처리,탄소성형체
Description
[산업상 이용 분야]
본 발명은 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐타이어의 이용 가치를 높이고, 내화학성, 내침식성이 우수한 탄소 성형체를 제조할 수 있는 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
현재 발생되고 있는 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 실정이었다.
본 발명은 단순폐기되고 있는 폐타이어를 활용하여 폐타이어의 이용가치를 높이고, 야금 도가니 등 내화학성, 내침식성 등의 물성이 우수한 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄화되고 분쇄되어 제조된 폐타이어 분말과, 280℃ 이상의 연화점을 갖고 내부의 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리한 핏치 분말을 1 내지 10 : 90 내지 99 중량%의 비율로 혼합하고; 상기 혼합물을 100 내지 2000kg/cm2 압력으로 가압성형하여 성형체를 제조하고; 상기 성형체를 소성하는 공정을 포함하는 탄소 성형체의 제조 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 일반적으로 단순 폐기되는 폐타이어를 이용하여 내화학성 및 내침식성이 우수하여, 야금 도가니 등 이런 물성이 요구되는 분야에 적합한 탄소 성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 종래 탄소 성형체는 메조페이스 입자를 사용하거나(일본 특허 공고 소 63-4016 호), 고연화점 핏치와 열경화성 수지를 이용하는(국내 특허 공개 제 99-53883 호) 방법등으로 제조되었으나, 수율이 낮고, 공정이 복잡하며, 원료 가격이 높은 문제점이 있었다. 이에 대하여, 본 발명은 폐타이어를 원료 물질로 사용하므로 경제적이며, 단순한 공정으로 물성이 우수한 탄소 성형체를 제조할 수 있다.
본 발명의 제조 방법은 우선 탄화 폐타이어 분말과 산화처리된 핏치 분말을 준비한다.
상기 탄화 폐타이어 분말은 먼저 폐타이어에 포함된 철제 강선을 제거하고 타이어 중의 고무부 및 펠트부 만을 선별하여 적당한 크기 예를 들어 0.1mm 이하로 분쇄하여 폐타이어 분말을 제조한다. 이렇게 제조된 폐타이어 분말에는 탄소 이외의 수소, 질소 및 수분 등이 포함되어 있으므로 탄소 성형체를 제조하기 위해 먼저 탄화 처리를 해야 한다. 탄화 처리 공정은 상기 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상의 시간 동안 불활성 분위기 중에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 탄화 처리 공정이 600℃ 미만에서 실시하는 경우에는 탄화가 완료되기 어려워 바람직하지 않다. 또한 탄화 처리 공정을 30분 미만으로 실시하는 경우에는 탄화가 완료되기 어려워 바람직하지 않다. 상기 탄화 처리 공정은 600℃ 및 30분을 초과하여 실시하는 경우에는 문제점이 발생되지 않으며, 다만 경제성을 고려하여 너 무 높은 온도 및 장시간을 실시할 필요는 없으므로 최대 온도 및 최대 시간은 적절하게 고려할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 충분히 이해될 수 있다.
상기 산화처리된 핏치 분말에서 핏치로는 석탄계 콜타르 핏치나 석유계 중질유 핏치 중 어느 것이라도 사용이 가능하다. 그러나 그 연화점은 280℃ 이상인 것이 바람직하다. 연화점이 280℃ 보다 낮을 경우에는 후속되는 산화 처리 과정에서 핏치 분말이 서로 융착하여 충분히 산화되지 못하므로 바람직하지 않다. 또한 핏치 분쇄는 통상적인 분쇄기를 이용할 수 있으며 분쇄크기는 평균 입도가 0mm보다 크고 0.1mm 이하가 되도록 실시하는 것이 바람직하다. 핏치 분말 크기가 0.1mm를 초과하면 산화처리 과정에서 산소가 핏치 분말 속으로 충분히 확산하여 들어가기 어렵워 바람직하지 않다
상기 핏치 분말을 산소 분위기 또는 공기 분위기 중에서 열처리하여 그 내부의 산소 함유량이 5 내지 20 중량%가 되도록 산화처리를 한다. 산화처리에 대한 분위기, 온도, 시간 조건 등은 결과되는 핏치 분말 중의 산소함유량을 5 내지 20중량%가 되도록 하는 한편, 분말의 융착, 이물질의 포함 등을 피할 수 있는 조건이면되면 특별한 제약은 없다. 산소함유량이 5 중량% 미만일 경우에는 후속되는 소성공정에서 휘발분이 지나치게 많이 발생하여 성형체가 팽창될 우려가 있으며 20 중량%를 초과하는 경우에는 지나친 고화로 말미암아 성형체 제조에 필요한 소결성 상실 및 이에 따른 강도저하가 일어난다.
핏치 분말을 산화 처리하는데 이용할 수 있는 방법으로서는 로터리 킬른이나 텀블링 베드와 같이 핏치 분말에 대하여 산화처리 도중 지속적인 운동성을 부여하여 입자간 결합을 방지하는 방법이 바람직하다. 산화 처리 분위기는 공기 분위기 또는 산소 분위기 모두 가능하며, 공기 분위기는 그 비용이 저렴하며 산소 분위기는 공기분위기보다 신속한 산화가 가능한 장점을 가진다.
상기 산화 처리 공정은 200 내지 270℃의 산화 온도에서 30분 내지 24시간의 산화 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 산화 온도가 200℃ 미만인 경우에도 산화처리는 가능하지만 목표하는 산소함유량을 도달하는데 지나치게 시간이 오래 걸리며 270℃를 초과하는 경우에는 핏치가 용융되어 서로 들러붙어 충분한 산화처리를 방해하기 쉽게 된다. 산화시간은 산화온도에 반비례하는데 상기 온도 범위에서는 30분 내지 24시간이면 적당하다.
상기 산화처리된 핏치 분말에 상기 탄화 폐타이어 분말을 99 내지 90 : 1 내지 10 중량%의 비율로 혼합하고, 이 혼합물을 일축성형기를 이용하여 100 내지 2000kg/cm2 압력으로 성형하여 성형체를 제조한다. 상기 탄화 폐타이어 분말을 1 중량% 미만으로 이용하는 것은 산업적으로 의미가 적으며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 후속되는 소성공정에서 소결을 방해하여 강도저하를 일으키기 쉽다. 성형 압력이 100kg/cm2 미만일 경우에는 성형체 강도가 낮아 부서지기 쉬우며 2000kg/cm2를 초과하는 경우에는 성형체 내부의 잔류 응력 차이로 인한 균열발생이 일어난다.
상기 성형체를 질소나 아르곤 등의 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃의 온도에서 30분 내지 1시간 동안 소성한다. 소성온도는 산화 핏치 분말의 자기 소 결성이 충분히 발휘될 수 있도록 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하며, 이 경우 소성시간은 1시간이 적합하다. 소성온도가 이보다 높을 경우, 예를 들어 1000℃일 경우에는 보다 짧은 시간 예를 들어 30분으로도 충분한 소성이 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 이 실시예는 단지 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 내지 3)
폐타이어 분말을 600℃에서 1시간 동안 탄화하고 0.1mm 이하로 분쇄하여 폐타이어 탄화 분쇄 분말을 제조하였다. 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 핏치 분말을 막자 사발에서 다시 0.1mm 이하로 분쇄하였다.
얻어진 산화처리 핏치 분말 99 중량%에 상기 폐타이어 탄화 분쇄 분말을 1 중량% 첨가하여 혼합하였다. 이 혼합물을 1000kg/cm2 압력으로 가압성형하여 높이10mm, 두께 10mm, 길이 50mm의 직육면체 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 질소분위기 중에서 5℃/분의 승온 속도로 1000℃까지 승온하고 1시간동안 소성하였다.
(실시예 2)
얻어진 산화처리 핏치 분말 95 중량%에 상기 폐타이어 탄화 분쇄 분말을 5 중량% 첨가하여 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
얻어진 산화처리 핏치 분말 90 중량%에 상기 폐타이어 탄화 분쇄 분말을 10 중량% 첨가하여 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 3의 방법에 따라 제조된 소성체의 밀도와 압축 강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
| 밀도(g/cc) | 1.45 | 1.41 | 1.35 |
| 압축강도(kg/cm2) | 771 | 725 | 702 |
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 3의 성형체가 상당히 우수한 물성을 갖음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 단순처리되고 있는 폐타이어를 고무부 및 펠트부만을 과립화하고 탄화하여 산화처리한 핏치에 혼합하여 소성함으로써 야금도가니 등으로 이용할 수 있는 탄소 성형체를 제조할 수 있다.
Claims (5)
- 탄화되고 분쇄되어 제조된 폐타이어 분말과, 280℃ 이상의 연화점을 갖고 내부의 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리한 핏치 분말을 1 내지 10 : 90 내지 99 중량%의 비율로 혼합하고;상기 혼합물을 100 내지 2000kg/cm2 압력으로 가압성형하여 성형체를 제조하고;상기 성형체를 소성하는공정을 포함하는 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화처리한 핏치 분말은 핏치를 공기 분위기 또는 산소 분위기 하에서 200 내지 270℃의 온도의 온도로 30분 내지 24시간 동안 열처리하여 제조되는 것인 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소성 공정은 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하는 것인 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 폐타이어 분말은 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 의 시간 동안 불활성 분위기 중에서 탄화되고 입도가 0mm보다 크고 0.1mm 이하가 되도록 분쇄되어 제조된 것인 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 핏치 분말의 평균 입도는 0mm보다 크고 0.1mm 이하인 폐타이어 분말을 이용한 탄소 성형체의 제조 방법.
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