KR100910455B1 - 탄소 성형체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 및 우주항공산업에서 철강산업의 내화물에 이르기까지 고온 부위의 내열재료로 널리 사용되는 탄소 성형체에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 탄소재료, 탄소재료 100중량부에 대하여 10중량부 이하의 결합재 및 1-25중량부의 염기성계 Mg 금속염을 함유하여 이루어진 탄소 성형체가 제공된다.

본 발명은 염기성계 Mg 금속염을 탄소 성형체내에 함유시킴으로써 결합재의 중합반응을 촉진시켜 성형체의 초기 강도를 유지하고, 탄화수율을 향상시킬 뿐만 아니라 탄소 성형체의 산화방지 효과를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

탄소, 성형체, 산화방지효과, 마그네슘 금속염, 결합재, 탄소재료

Description

탄소 성형체{Carbon Formed Body}

본 발명은 반도체 및 우주항공산업에서 철강산업의 내화물에 이르기까지 고온 부위의 내열재료로 널리 사용되는 탄소 성형체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화저항성이 우수한 탄소 성형체에 관한 것이다.

탄소재료(탄소 성형체)는 다른 세라믹 재료나 금속재료에 비해, 우수한 전기적, 열적, 기계적 성질을 지니고 있는 재료로서, 반도체 및 우주항공산업에서 철강산업의 내화물에 이르기까지 고온 부위의 내열재료로써 폭넓게 사용되고 있다.

그러나, 이러한 우수한 특성에 비해 산소가 존재하는 분위기에서는 산화반응에 대한 저항성이 열등하기 때문에 탄소재료의 내산화성을 개선하는데 연구가 집중되고 있다.

최근, 탄소재료의 내산화성을 개선시키기 위한 방법으로서, 금속 유기화합물이나 금속염등을 액체상태로 하여 탄소 성형체의 표면에 코팅하는 방법(일본 공개특허공보 평10-226573호)이 제안되었다

그러나, 이 방법은 원료가 매우 고가라는 단점과 더불어 표면에 코팅되어 있는 코팅층이 쉽게 손상될 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 탄소함유 내화물에 있어서 내산화성을 개선시키기 위하여 Al, Mg, Si 등의 금속 미분말을 산화방지제로 사용하는 방법이 알려져 있다.

상기 방법에서는 내화물에 함유되어 있는 탄소보다 산소친화력이 우수한 금속 미분말이 탄소보다 먼저 산소와 반응하여 산화물을 생성함으로서 탄소의 산화를 방지하는 것이다.

그러나, 상기 방법은 산화방지제로 사용되는 금속 분말이 고가이므로 제조원가를 고려하여 제한적으로 사용하고 있는 실정이다.

또한, 카본 함유 내화벽돌의 배면 산화를 방지하기 위한 내화조성물이 알려져 있는데, 이 내화조성물은 부정형 내화물 조성물로서 용강과의 직접 접촉부에 사용이 불가능할 뿐만 아니라 카본원이 비정질이므로 부피가 크고 최밀충진이 곤란하여 성형체로서의 제조가 불가능한 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기한 종래방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 행하게 된 것으로서, 본 발명은 염기성계 Mg 금속염을 탄소 성형체내에 함유시킴으로써 결합재의 중합반응을 촉진시켜 성형체의 초기 강도를 유지하고, 탄화수율을 향상시킬 뿐만 아니라 탄소 성형체의 산화방지효과를 현저히 향상시키고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 탄소재료; 탄소재료 100중량부에 대하여 10중량부 이하의 결합재; 및 1-25중량부의 염기성계 Mg 금속염을 함유하여 이루어진 탄소 성형체에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 결합재와 함께 산화 방지제를 탄소 성형체의 원료로 이용하여 결합재에 산화방지제를 사전에 용해시켜 성형체내에서 산화방지제의 균일 혼합 효과를 극대화함과 동시에 성형체내에서 산화방지제가 결합재의 중합 촉매 역할을 하여 성형체의 초기 강도유지 및 탄화수율의 향상과 산화 방지 효과의 극대화를 도모하고자 하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 탄소재료는 골재역할을 하는 것으로서, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 천연 흑연 또는 인조 흑연질 재료가 바람직하다.

본 발명의 탄소 성형체에 있어서 결합재는 성형시 이들 흑연 분말을 결합시키는 역할을 하다.

상기 결합재로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 고상 또는 액상의 결합재 어느 것이든지 사용할 수 있는데, 그 대표적인 예로서는, 페놀, 퓨란, 에폭시계 수지 등을 들수 있다.

상기 결함재의 함량은 탄소재료 100중량부에 대하여 10중량부 이하가 바람직한데, 그 이유는 탄소재료 100중량부에 대하여 10중량부를 초과하여 결합재를 첨가하는 경우에는 성형시 결합재가 몰드 외부로 누출되고, 균일한 혼합에 오히려 지장을 주기 때문이다.

본 발명에 있어서 염기성계 Mg 금속염은 산화방지제로서 첨가된다.

상기 염기성계 Mg 금속염은 분말상 그대로 혼합공정에서 첨가하거나, 액상 결합재 에 용해시켜서 첨가하거나, 물이나 알코올과 같은 용매에 용해시켜 첨가한다.

상기 염기성계 Mg 금속염의 대표적인 것으로는 황산염[Mg₂(SO₄)], 질산염 [Mg(NO₃ )]등을 들 수 있다.

이들 염기성계 Mg 금속염은 혼합공정 혹은 성형공정에서 결합재의 중합반응을 촉진시켜 점도를 증가시키는 역할을 하게 되며, 중합반응의 촉진에 의해서 형성된 고분자는 탄화수율의 증가를 가져올 뿐만 아니라, 탄화반응시 하기 반응식 (1), (2) 및 (3)의 반응에 의해서 염기성계 Mg 금속염의 형태로 존재하게 되며, 이들 금속은 탄소 성형체 사용시 산화방지제의 역할을 수행하게 된다.

Mg(NO₃) →Mg²⁺ + NO^3- (중합반응시)

Mg²⁺ + O^2- →MgO (탄화반응시)

MgO + C → Mg + CO

본 발명에 따라 혼합되는 염기성계 Mg 금속염의 함량은 탄소재료 100중량부에 대하여 1-25중량부로 한정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 그 함량이 1 중량부미만인 경우에는 산화방지의 효과가 충분히 발휘될 수 없고, 25중량부를 초과하는 경우에는 상기 반응식(3)의 반응에서 탄화반응시 소모되는 탄소의 양이 증가하고 배출되는 CO 가스의 양이 증가하게 되므로, 이때 형성되는 기공에 기인한 소성체 표면의 유효 반응면적이 크게 증가하여 산화방지 효과가 감소하게 될 가능성이 있기 때문이다.

본 발명에 따라 Mg 금속염을 탄소 성형체에 함유시키는 경우에는 결합재의 중합반응을 촉진하여 성형체의 점도를 증가시키고, 건조시간을 단축시키고, 성형체의 강도를 유지하고, 탄화 수율을 향상시킴과 동시에 산화방지제의 혼합을 성형체내에서 고체-액체간의 혼합으로 개선할 수 있어 저렴한 가격으로 탄소 골재와 산화방지제의 혼합을 보다 균일하게 함으로써 탄소재료의 산화방지효과를 극대화시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

탄소재료(탄소 골재)로서 평균입경 75㎛의 인조 흑연분말, 결합재로서 페놀수지 및 산화방지제로서 질산 마그네슘(Mg-nitrate)을 하기 표 1의 조성을 갖도록 혼합하여 직경 15mm의 크기로 일축성형한 후, 180℃에서 열중합, 1000℃ 질소 분위기에서 탄화반응을 하여 산화시험편을 제조하였다.

하기 표 1에서 페놀수지 및 질산 마그네슘(Mg-nitrate)의 함량은 탄소재료인 인조흑연 100중량부에 대한 중량부를 나타낸다.

상기와 같이 제조된 산화시험편을 공기 분위기에서 각각 800℃ 및 1000℃를 유지하고 있는 전기로에 투입하고 1시간 경과한 후 꺼내는 과정을 거쳐 산화반응을 진행시켜 중량감소율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

하기 표 1의 중량감소율은 결합재중의 휘발분의 양을 제외한 흑연의 산화만을 나타 낸 값이다.

		발명예			비교예
		1	2	3	1	2	3
인조흑연분말 (중량부)		100	100	100	100	100	100
결합제 (중량부)		10	5	9	10	15	7
질산마그네슘 (중량부)		5	25	1	0	10	30
중량 감소율(%)	800℃	4	1	5	12	--	15
	1000℃	7	2	9	16	--	27
비고						성형 불가

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 질산마그네슘을 첨가하지 않은 경우(비교예 1)에는 800℃에서의 탄소 성형체의 중량감소가 12%임에 반하여, 본 발명에 따라 질산 마그네슘을 첨가하는 경우(발명예 1-3)에는 5%이하의 중량감소를 나타내고 있음을 알 수 있다.

또한, 질산마그네슘을 첨가하지 않은 경우(비교예 1)에는 1000℃에서의 탄소 성형체의 중량감소가 16%임에 반하여, 본 발명에 따라 질산 마그네슘을 첨가하는 경우(발명예 1-3)에는 9%이하의 중량감소를 나타내고 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 부합되는 탄소 성형체는 내산화성이 크게 증가됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 염기성계 Mg 금속염을 탄소 성형체내에 함유시킴으로써 결합재의 중합반응을 촉진시켜 성형체의 초기 강도를 유지하고, 탄화수율을 향상시킬 뿐만 아니라 탄소 성형체의 산화방지 효과를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 탄소재료; 탄소재료 100중량부에 대하여 5-10중량부의 결합재; 및 1-25중량부의 염기성계 Mg 금속염을 함유하여 이루어진 탄소 성형체
2. 제1항에 있어서, 상기 염기성계 Mg 금속염은 분말 상태로 첨가되거나 용매나 액상 결합재에 용해하여 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄소 성형체