KR100937353B1 - 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소성하고자 하는 탄소체를 분말형태로 하여 다른 무기질 재료 분말과 혼합하고, 혼합된 분말을 성형하고 소성함으로써 소성과정중에 위 무기질 재료들이 탄소체 입자들의 표면에 피막을 형성하도록 하여 탄소체를 산화분위기에서 열처리함에도 불구하고 탄소체가 산화되지 않은 상태로 소성되도록 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법을 제공한다.

이로써, 고가의 환원분위기 환경을 유지할 필요가 없으며, 따라서 공정이 간이 신속해질 수 있고, 아울러, 통상 고온의 소성온도를 요하는 탄소체를 보다 저온에서 소성할 수 있는 작용효과를 가질 수 있다.

탄소체, 산화분위기, 엽장석, 붕사, 붕산, 인산칼리, 유리상, 열팽창계수, 내열성, 소성온도

Description

산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법{Carbon body composition capable of being fired in air condition and the firing method of the same}

본 발명은 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소성하고자 하는 탄소체를 분말형태로 하여 다른 무기질 재료 분말과 혼합하여 탄소체 조성물을 제조하고, 혼합된 분말을 성형하고 소성함으로써 소성과정중에 위 무기질 재료들이 탄소체 입자들의 표면에 피막을 형성하도록 하여 탄소체를 산화분위기에서 열처리함에도 불구하고 탄소체가 산화되지 않은 상태로 소성되도록 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물 및 그 소성방법을 제공한다.

이로써, 고가의 환원분위기 환경을 유지할 필요가 없으며, 따라서 공정이 간이 신속해질 수 있고, 아울러, 통상 고온의 소성온도를 요하는 탄소체를 보다 저온에서 소성할 수 있는 작용효과를 가질 수 있다.

탄소를 주성분으로 하는 탄소체는 이를 소성(열처리)하여 가공하였을 때, 용도의 다양성으로 인해 여러 사양의 제품으로 응용이 가능하고, 숯, 활성탄, 흑연, 석탄 등 결정 구조적, 형태적으로도 다양하게 존재하며, 이들은 모두 인간의 일상생활과 밀접한 관련이 있다.

또한, 상기 흑연 등은 내열성이 매우 높아 주로 고온의 작업환경에서도 그 성질이 쉽게 변화되지 않는 특성이 있어, 발열체 또는 단결정 성장용 도가니, 탄소 주형 등 산업적 분야에서도 이미 폭넓게 사용되고 있다.

위와 같은 흑연 등을 포함하는 탄소체는 주로 진공중이나 환원분위기에서 열처리하여야 하며, 이를 공기중에서 열처리하는 경우, 탄소체의 탄소성분이 산소와 결합하여 이산화탄소를 발생하기 때문에, 탄소 고유의 성질을 유지할 수 없는 단점이 있다.

또한, 탄소체를 공기중에서 (또는 산화분위기에서) 일정온도로 가열한 경우에는 이런 탄소체에 다시 피치(Pitch) 등을 함침 등의 방법에 의해 주입한 후 2500℃~3000℃의 고온에서 흑연화하는 과정을 거쳐야 탄소체 고유의 성질을 회복할 수 있게 된다.

따라서, 위와 같은 2단계 공정 또는 환원분위기 상태에서 진행되는 고온공정에 따르는 경우에는 설비비용이 과중해지는 결과 탄소체로 제조되는 최종제품의 단가가 올라가는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 탄소체를 소성하여 기물을 제조하는데 있어 환원분위기 조성을 위한 별도의 장치나 시스템을 구비하지 아니하여도 소기의 탄소량을 함유하는 탄소체의 소성이 가능하도록 함으로써 소성 공정을 단순화 하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기존의 탄소체를 소성할 때 요구되었던 고온 환경을 배제하여 보다 낮은 온도에서 소성을 하는 경우에도 탄소체로 제조되는 최종 기물의 형상이 유지되도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 탄소체 조성물에 인산칼리를 도입함으로써 광택성을 보다 향상시키도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄소체 60 ~ 90 중량%와, 엽장석 및, 붕사 또는 붕산을 출발물질로 하여 제조된 프릿트 10 내지 40 중량%가 결합되어 구성되는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물을 제공한다.

상기 탄소체는 탄소성분이 탄소체의 적어도 60 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 엽장석과, 붕사 또는 붕산은 3 : 7 내지 7 : 3의 중량비를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 프릿트의 출발물질에는 인산칼리가 더 포함되는 것이 바람직하 다.

여기서, 상기 인산칼리는 프릿트의 출발물질 전체 중량 대비 10 중량% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소체의 소성온도는 550 내지 1200℃의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소체는 소성 후에 시유과정을 거쳐 1회 이상 더 소성되는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄소체 60 ~ 90 중량%와, 엽장석 및, 붕사 또는 붕산을 출발물질로 하여 제조된 프릿트 10 내지 40 중량%를 혼합하여 탄소체 조성물을 제조하는 단계; 상기 탄소체 조성물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 탄소체 조성물 성형체를 산화분위기에서 소성하는 단계;를 포함하여 구성되는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물의 소성방법을 제공한다.

상기 프릿트의 출발물질에 인산칼리를 프릿트의 출발물질 전체 중량 대비 15 중량% 이하를 더 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소체 조성물의 소성방법은, 소성된 탄소체 조성물 성형체에 시유하는 단계; 및 상기 시유된 탄소체 조성물 소성체를 다시 소성하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 본 발명은 탄소체를 소성하여 기물을 제조하는데 있어 환 원분위기 조성을 위한 별도의 장치나 시스템을 구비하지 아니하여도 소기의 탄소량을 함유하는 탄소체의 소성이 가능하도록 함으로써 소성 공정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 탄소체를 소성할 때 요구되었던 고온 환경을 배제하여 보다 낮은 온도에서 소성을 하는 경우에도 탄소체로 제조되는 최종 기물의 형상이 그대로 유지되도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 탄소체 조성물에 인산칼리를 도입함으로써 광택성에 따른 질감향상의 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서의 탄소체는 탄소를 적어도 60 중량% 이상 함유하는, 즉 탄소 이외의 불순물을 40 중량% 이하로 함유하고 있는 물질로 정의한다.

본 발명에서는 탄소체를 소성하는 데 있어 프릿트를 첨가하였는 바, 여기서 프릿트는 탄소의 형상을 유지하고 최종 제품의 물성을 향상시키기 위한 무기 바인더 역할을 한다.

더 자세하게는 본 발명에 의해 사용된 프릿트는 도자기의 성분재료로 사용되는 엽장석(petalite)과, 붕사(borax) 또는 붕산(boric acid)을 기본 조성으로 한다.

여기서 엽장석은 내열성이 높고, 열팽창계수 및 수축성이 적어 열충격저항성이 높으며, 또한 경량재질의 것이어서 내열도자기, 고기구이판 등 내열성이 필요한 제품에 사용되고 있다.

상기 엽장석은 LiAlSi₄O₁₀의 화학식을 가지고 있어, 타 성분들과 혼합하여 가열하는 경우에는 유리조성제(glass former)로 작용할 수 있다.

다만, 엽장석만을 탄소체에 혼합하여 소성하는 경우에는 탄소체의 산화를 방지할 수 없으며, 이는 엽장석이 점토성분에 가까운 조성이므로 다공성재질이어서 기공을 통하여 산화반응이 진행되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 프릿트 성분으로서, 탄소체의 산화반응을 억제하며, 상기 엽장석 이외에 유리를 조성가능하게 하고, 유리생성온도를 낮추어 탄소체의 소성온도를 낮추며, 넓은 범위에서 유리상으로서 안정성을 보이는 붕사(borax) 또는 붕산(boric acid)을 더 첨가하였다.

붕사 또는 붕산은 나트륨(Na) 또는 칼륨(K) 성분에 비해 유리조성시 유리구조를 보다 더 원활하게 형성하도록 하는 작용을 한다.

여기서, 상기 엽장석과 붕사 또는 붕산에 더하여 약 800℃ 이하의 온도영역에서는 점토를 더 첨가할 수 있으며, 점토를 첨가하는 경우에는 점토성분에 의한 소성온도 저하 및 유리질성분의 작용에 의한 매끄러운 표면재질을 갖는 기물형성이 가능하다.

본 발명에서는 1차적으로 탄소체에 엽장석과, 붕사 또는 붕산으로 이루어진 프릿트를 혼합하여 소성하였으며, 소성온도는 약 550℃에서 출발하여 약 1200℃까지 조절하였고, 공기분위기에서 소성을 진행하여 탄소체의 최종적인 산화여부를 판 단하였다.

일반적으로 탄소체를 소성하는 경우에는 250℃ 이상의 온도에서부터는 산화가 시작되며, 완전연소시에는 이산화탄소를, 불완전연소시에는 일산화탄소를 발생시키는데, 탄소가 산소와 결합하여 탄소체로부터 제거되면 탄소 고유의 색깔인 흑색이 희석된다.

그러나, 본 발명에 의한 탄소체는 소성온도를 약 1200℃ 까지 조절하였음에도 불구하고, 탄소체의 고유의 색깔을 잃지 않았으며, 탄소체는 프릿트에 의해 자화되어 그 형상을 유지하였다.

이는 소성온도 중 저온영역에서는 기공이 많은 엽장석의 기공중에 붕사 또는 붕산이 용융되어 채워지면서, 또한 고온영역에서는 엽장석과, 붕사 또는 붕산이 유리화되어, 탄소의 산화를 방지하는 피막으로 작용하였기 때문인 것으로 보인다.

이 때, 탄소체 조성물 중 탄소체는 탄소체 조성물 전체중량대비 60~90 중량%로, 프릿트 (엽장석+붕사 또는 붕산) 조성물은 탄소체 조성물 전체중량대비 10~40 중량%로 하였다.

탄소체 조성물 중 탄소체의 양이 더 많아지면 탄소체의 소성시 산화방지용 피막의 형성에 충분하지 못하고, 또한 프릿트의 양이 더 많아지면 소성온도를 낮추고 산화방지에는 더 유리하나, 유리성분의 과다로 인해 기계적 강도 등 최종물성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

본 발명에서는 이에 더 나아가 프릿트의 조성물로서 엽장석과, 붕사 또는 붕산을 포함하면서 이에 인산칼리(phosphorous potassium)를 더 첨가하였다. 인산칼 리는 저온에서 유리형성을 가능하게 하며, 유리의 광택성을 보다 양호하게 하는 작용을 하나, 많은 양이 첨가되는 경우에는 최종 제품의 강도를 크게 저하시키는 문제점이 있기 때문에 그 양을 조절하는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 바람직하게는 인산칼리를 프릿트 조성물 전체 중량대비 10 중량% 이하로 하여 첨가하였으며, 더 바람직하게는 1 중량% 내지 10 중량%의 범위내에서 첨가하였고, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10 중량% 범위내에서 첨가하였다.

본 발명에서는 프릿트가 탄소체 입자를 둘러싸면서 기지의 역할을 하기 때문에 탄소체와 프릿트 조성물을 혼합하는 과정이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 볼밀 등의 방법에 의하여 탄소체 조성물을 24시간 이상 충분히 혼합하였다.

보다 구체적으로는 탄소체 60 ~ 90 중량%와, 엽장석 및, 붕사 또는 붕산을 출발물질로 하여 제조된 프릿트 10 내지 40 중량%를 혼합하여 탄소체 조성물을 제조하는 단계;상기 탄소체 조성물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 탄소체 조성물 성형체를 산화분위기에서 소성하는 단계;로 구성되어 탄소체를 산화분위기에서 소성하였는데, 이 때 탄소체 입자와 프릿트 조성물 입자가 균일하게 분산된 그린바디를 성형하는 것이 무엇보다 중요하다 할 것이다.

위와 같은 과정을 통해 탄소를 소성한 결과, 소성된 탄소는 산화되지 않고 탄소의 함량을 거의 그대로 유지하였는데, 이는 위에서 설명한 바와 같으므로 반복설명은 생략하도록 한다.

여기서, 상기 소성을 한 이후에는 시유과정을 거쳐 1회 이상 더 소성할 수 있으며, 본 발명에 의하면 시유과정과 소성과정을 반복하면서도 탄소의 산화를 방지함과 동시에 표면의 질감을 매끄럽게 유지할 수 있는 장점이 있다.

이 때, 탄소체 조성물의 입자의 크기는 통상적으로 예측되는 물성의 범위내에서 영향을 미쳤으므로 본 발명을 구현하는데 중요한 요소는 아니었다.

Claims (10)

1. 탄소체 60 ~ 90 중량%와, 엽장석 및, 붕사 또는 붕산을 출발물질로 하여 제조된 프릿트 10 내지 40 중량%가 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 60 ~ 90 중량%의 탄소체는 탄소성분이 상기 60 ~ 90 중량%의 탄소체의 적어도 60 중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 엽장석과, 붕사 또는 붕산은 3 : 7 내지 7 : 3의 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프릿트의 출발물질에는 인산칼리가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 인산칼리는 프릿트의 출발물질 전체 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탄소체 조성물의 소성온도는 550 내지 1200℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탄소체 조성물은 소성 후에 시유과정을 거쳐 1회 이상 더 소성되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물.
8. 탄소체 60 ~ 90 중량%와, 엽장석 및. 붕사 또는 붕산을 출발물질로 하여 제조된 프릿트 10 내지 40 중량%를 혼합하여 탄소체 조성물을 제조하는 단계;

   상기 탄소체 조성물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 및

   상기 탄소체 조성물 성형체를 산화분위기에서 소성하는 단계;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물의 소성방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 프릿트의 출발물질에 인산칼리를 프릿트의 출발물질 전체 중량 대비 1 중량% 내지 10 중량% 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물의 소성방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    상기 탄소체 조성물의 소성방법은,

    소성된 탄소체 조성물 성형체에 시유하는 단계; 및

    상기 시유된 탄소체 조성물 소성체를 다시 소성하는 단계;

    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산화분위기에서 소성가능한 탄소체 조성물의 소성방법.