KR100966547B1

KR100966547B1 - 백탄 탄소체를 이용한 목질계 탄소 복합체 신소재 제조방법

Info

Publication number: KR100966547B1
Application number: KR1020080016613A
Authority: KR
Inventors: 김건표; 옥철호; 김성필
Original assignee: 김건표; 옥철호; 김성필
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2010-06-29
Also published as: KR20090091386A

Abstract

본 발명은 숯을 이용하여 강도가 매우 높은 백탄 탄소체를 이용한 목질계 탄소 복합제 신소재 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 숯 종류에서 탄소함유율이 90%~95%로 높은 백탄(charcoal) 탄소체 분말가루를 성형하여 소결처리 한 후 숯 기공 안에 진공상태에서 SiC처리하여 탄소원자를 결합시켜 내마멸성과 내열성을 매우 높여 기계부품과 건축자재 및 주방용품, 공예품, 생활용품, 탄소필터를 개발하는 것이다.

본 발명은 백탄(charcoal)탄소체 분말가루의 제품성형과 성분 배합과정으로써 기존 목재에서 발생한 목타르(혹은 석탄계 및 석유계피지 포함)는 액상이나 액체 목타르(wood tar)를 고체화시켜 미세한 분말로 만든 후 백탄(charcoal)과 타르분말을 적당한 비율로 혼합한 후 성형한다. 이는 백탄(charcoal) 탄소체의 탄소원자를 결합력을 높이기 위한 결착제로 사용함으로써 성형한 백탄(charcoal)의 결합력을 높여 깨여지는 것을 방지하고, 소결과정에서 탄소원자간의 고리를 형성시켜 줌으로써 고강도, 고경도의 연결 고리를 생성하는 것이다.

백탄 분쇄과정, 목타르 결착재 분쇄과정, 혼합과정, 1차 소결과정, 흑연화과정, 1차가공과정, 플라즈마 처리과정, 2차 소결과정

Description

백탄 탄소체를 이용한 목질계 탄소 복합체 신소재 제조방법{The lignum orgin carbon complex new material formation manufacturing method which uses the fine charcoal carbon body}

종래의 선출원 되어 공개된 특2003-0058981호는 백탄을 이용한 기술들은 단지 압착시켜 소결하는 과정과 다른 합성접착제를 이용하여 하는 제품을 만들고 있다.

이것은 단지 백탄 분말에 접착제를 첨가하여 결합시키는 방법이라고 볼 수 있다.

그리고 초기 바인더 자체가 주로 화학물질로 이루어져 있으며, 주로 표면 코팅층을 형성시키는 방법으로 제품을 개발하였다.

이러한 백탄 제품은 분말상태로 제조하여 화학접착제 물질과 혼합하여 얻어지는 것으로 백탄 순수기능을 저하시키는 방법이라고 본다.

또한 제품 전체의 강도 및 내마멸성 저하로 열이나 충격 취성에 매우 약하고 다양한 기능성 제품에는 취약하다고 볼 수 있다.

그리고 원형의 숯 가공에서 제품모양으로 가공 후 소결시켜 만든 제품은 흑연화가 되지 않으면 후가공이 어려우며, 자체 체적의 변화가 많아 제품의 균일한 강도와 결합성이 떨어져 다양한 제품으로 사용하기는 적당하지 않는 문제가 있다.

종래는 숯에 관한 기능이나 장점을 이용하여 다양한 제품으로 개발되고 사용되고 있고 있으며, 특히 공기청정기능, 세균을 없애는 살균기능, 전자파 차단기능 등의 다양한 기능을 가지는 제품으로 개발하여 사용하고 있지만 숯 가공에서 주로 화학 혼합물을 많이 사용하고 있는 실정이다.

또한 숯의 기본성질인 다공성을 이용하지 않고 강하게 만들거나 단지 표면코팅처리 기술로만 발전되고 있는 것이 현 실정이다.

따라서 본 발명에서는 전혀 혼합물질(화학물질)을 사용하지 않고 기존의 목재에서 나온 목타르만을 이용하여 혼합성분 비율과 소결온도의 변화 및 진공상태에서의 SiC처리를 이용하여 숯의 성질은 변화를 주지 않고 기능을 향상시킬 수 있도록 개발한 것이다.

백탄(charcoal) 탄소체 가루분말은 분쇄공정으로 만들어지지만 목타르는 정제시킨 후 고형화시켜 분말가루로 만들어 혼합비율을 맞춘다.

이 과정에서 백탄(charcoal) 탄소체 가루분말와 목타르 가루자체가 일정비율로 혼합한다.

1차 소결처리는 탄소의 흑연화 과정으로 기계가공을 용이하게 하기 위한 소결처리이며, 2차 소결은 SiC처리 후 결합도를 높이기 위한 과정이다.

특히 진공상태에서 플라즈마를 이용한 이온처리는 다공질물질인 숯 내부의 기공 안에 Si를 침투시켜 완전한 결합체를 형성하기 위한 방법으로 일반금속가루의 혼합처리에 비해 매우 높은 결합력을 가지게 된다. 따라서 고기능의 제품을 생산할 수 있다.

백탄(charcoal) 탄소체의 고유성질을 그대로 살릴 수 있는 혼합성형방법이며, 다른 화학 결합제나 첨가제가 필요 없는 성형제조방법이다.

또한 SiC처리를 통해 그라파이트와 상응하는 경도와 강도를 가지면서 고기능 제품의 생산에 용이한 소재를 성형제조가 가능한 것이다.

본 발명은 탄소함유율이 높은 백탄(charcoal) 탄소체 분말가루를 화학결합제를 이용하지 않고 목재의 목타르를 첨가하여 성형하고 소결처리 한 후 백탄(charcoal) 탄소체 제품 기공 안에 진공상태에서 SiC(실리콘 카바이드)처리하여 탄소원자와 결합시켜 내마멸성, 내열성이 매우 높은 건축자재 및 기계부품, 주방용품, 공예품, 생활용품, 탄소필터 등으로 제조하는 목질계 탄소 복합체 신소재 및 그 성형 제조방법에 관한 것으로 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

1. 백탄 분쇄과정(S1)

고열에서 만들어진 탄소함유율 90~95%인 백탄(charcoal) 탄소체 분말을 분쇄기에 투입하여 미세분말가루로 분쇄한다.

2. 목타르 결착재 분쇄과정(S2)

기존의 백탄(charcoal) 탄소체를 만들 때 나온 액상생성물을 가만히 방치해두면 상·하 두 층으로 갈라지며, 여기서 하층은 흑갈색 끈끈한 액체인 목타르(wood tar)와, 상층은 목초산으로 구분되면, 이중 하층 목타르(wood tar)를 수분만 제거하면 고체형태로 남는데 이것을 미세분말 처리하는 분쇄과정으로 목타르 결착재를 분쇄기에 투입하여 미세분말가루로 분쇄하여 결착제로 사용한다.

3. 혼합과정(S3)

상기의 과정에서 미세분말가루 화 된 백탄(charcoal) 탄소체의 미세분말가루와 목타르 결착재를 혼련기에 60 질량%~90 질량%와 10 질량%~40 질량% 비율로 투입하여 혼합한다.

상기와 같이 백탄(charcoal) 탄소체와 목타르 결착재를 혼합하는 것은 화학물질의 혼합제를 사용할 경우 결합력이 떨어지므로 목타르 결착재를 사용한다.

4. 1차 소결과정(S4)

상기 백탄(charcoal) 탄소체와 목타르 결착재의 혼합제를 가열로에 투입한 다음 가열로 온도를 1400℃이상의 고온에서 2시간~5시간 정도 1차 소결한다.

이는 순수 흑연 탄소체를 얻기 위함이고, 최대한 불순물을 제거하기 위함으로 두 가지 분말가루를 일정비율로 성형하고 스팀을 이용하여 일차 성형 형태를 만 들고 다시 1400℃이상 고온도로 2시간~5시간 소결시켜 백탄(charcoal) 탄소체를 흑연화 하여 치수변동을 줄이고 가공성을 용이하게 한다.

5. 흑연화 과정(S5)

상기와 같이 1차 소결함으로 상기 백탄(charcoal) 탄소체와 목타르 결착재를 혼합한 혼합체가 백탄에서 흑연화 과정을 거치게 된다.

이와 같이 백탄을 흑연화 함은 소재의 가공성을 용이하기 위함이다.

6. 1차 가공과정(S6)

상기의 과정을 거쳐 흑연화 된 소재를 선반이나 NC선반이나 밀링을 통해 기계가공 함으로 여러가지 형태의 제품이 완성된다.

상기 1차 가공과정을 거쳐 상기의 소재로 생산하고자하는 제품을 최종 치수로 만들어진다.

7. 플라즈마 처리과정(S7)

상기와 같이 가공을 완성한 부품을 진공장치 내에서 진공상태에서 플라즈마를 이용하여 SiC(실리콘 카바이드)화 처리한다.

이 과정에서는 진공장치 내에서 플라즈마를 이용한 Si(규소)를 증발(evaporate)시키는 과정에 성형제품 전체와 입자 기공 내부까지 Si(규소)를 침투시켜 SiC(실리콘 카바이드)화하여 결합시킨다.

8. 2차소결과정(S8)

상기 플라즈마 처리한 부품을 1200℃이상 2시간 내지 5시간 사이에서 2차 소결처리한다.

이와 같이 2차소결 처리함으로 내마모성이 좋고 단단한 물질로 변화된다.

상기와 같이 2차소결이 완료되면 제품화로 완성된다.

상기의 공정에 따른 플라즈마를 이용한 가동방법으로는 물리적방법(PVD)이나 화학적방법(CVD) 어느 것을 이용하여도 되며 이것은 백탄(charcoal) 탄소체의 조직의 특징 중 입자가 많은 기공을 가지고 있기 때문이며, 또한 Si(규소)가 아닌 다른 금속(인성 큰 금속을)도 증발시켜 백탄(charcoal) 탄소체 기공에 채워 넣을 수 있다.

이것은 백탄(charcoal)의 경우 검탄에 비해 탄소성분이 90%이상이고, 백탄 제조과정에서 나온 목타르(wood tar) 분말을 제품성형 과정에서 배합하면 고온도로 소결하면 탄소 원자간의 탄소 고리를 생성시켜 줌으로써 그라파이트에 상응하는 강도와 내마멸성을 가지게 된다.

좀 더 상세하게는 설명하면 기존의 숯을 이용한 제품에 비해 소결시키는 과정에서 목타르(wood tar) 분말가루를 결착재로 사용하는 것과 진공장치를 이용하여 산화나 질화반응을 일으키지 않고 백탄(charcoal) 탄소체의 결합을 용이하게 하면서 백탄(charcoal)의 특징을 가지는 것으로 목타르(wood tar) 배합성분 자체가 목재자체에서 생성된 것으로 환경오염이나 인체에 전혀 해가 없는 물질이며, 또한 플라즈마를 이용하여 Si(규소)를 제품 전체에 깊숙이 침투시켜 SiC 처리한다면 기존의 백탄제품에 비해 고기능의 다양한 제품 및 기계부품을 만들 수 있는 배합처리 과정인 것이다.

상기와 같은 처리과정을 거친 부품소재는 도 3과 같은 종류로 구분된다.

실시예 2

1. 목재가공과정(100)

목재를 먼저 필요한 제품 크기보다 더 크게 가공한다.

2. 1차 소결과정(110)

상기 목재가공에서 필요한 제품크기보다 크게 가공한 목재를 가열로에 투입한 다음 가열로 온도를 1400℃이상의 고온에서 2시간~5시간 정도 1차 소결한다.

3. 흑연화 과정(120)

상기와 같이 1차 소결함으로 상기 목재가 흑연화 과정을 거치게 된다.

이와 같이 목재가 흑연화 함은 치수변동을 없애고 소재의 가공성을 주어 가공이 용이하게 하기 위함이다.

4. 1차 가공과정(130)

상기의 과정을 거쳐 흑연화 된 소재를 선반이나 NC선반이나 밀링을 통해 기계가공 함으로 여러가지 형태의 부품이 완성된다.

5. 플라즈마 처리과정(140)

상기와 같이 가공을 완성한 부품을 진공장치 내에서 진공상태에서 플라즈마를 이용하여 SiC(실리콘 카바이드)로 처리한다.

이 과정에서는 진공장치 내에서 플라즈마를 이용한 Si(규소)를 증발(evaporate)시키는 과정에 성형제품 전체와 입자 기공 내부까지 Si(규소)를 침투 시켜 SiC(실리콘 카바이드)화하여 결합시킨다.

6. 2차소결과정(150)

상기 플라즈마 처리한 부품을 1200℃이상 2시간 내지 5시간 사이에서 2차 소결처리 한다.

상기와 같이 2차소결이 완료되면 제품화로 완성된다.

상기와 같은 처리과정을 거친 부품소재는 도 4와 같은 종류로 구분된다.

실시예 3

1. 목타르 분쇄과정(200)

고체화 된 목타르(wood tar)를 분쇄기에 투입하여 분말로 가공한다.

2. 성형가공과정(210)

상기의 목타르 분말을 프레스 금형성형 틀에 채워 넣고 온도를 100℃~200℃로 조절한 스팀을 이용하여 결합시킨 후 제품 형태로 만든다.

3. 1차 소결과정(220)

상기 성형가공과정에서 목타르 분말을 금형성형 틀에 채워 제품 형태로 만든 소재를 1400℃이상 고온도로 1차 소결시켜 제품을 만든다.

4. 흑연화 과정(230)

상기와 같이 1차 소결함으로 상기 목타르 분말이 흑연화 과정을 거치게 된다.

이와 같이 목타르 분말을 흑연화 함은 흑연화시킨 탄소입자는 치수변동을 줄이고 가공성을 높여 기계가공을 용이하게 한다.

5. 1차 가공과정(240)

6. 플라즈마 처리과정(250)

7. 2차소결과정(260)

상기와 같이 2차소결이 완료되면 제품화로 완성된다.

상기 처리과정을 거친 부품소재는 도 5와 같은 종류로 구분된다.

상기와 같이 된 본 발명은 기타 응용분야로서 미분말 가루(마이크로입자, 나 노입자 등)로 가공된 완전한 탄소결합체 재료로 처리한다면, 그 분말 자체가 고온(2,500℃∼3,000℃)에 견디므로 다른 특수금속 및 기타 첨가제를 첨가하여 다양한 소재를 만들 수 있으며, 또한 나노 분말로 만든 제품이라도 표면에는 입자기공이 있으므로 다양한 금속으로 기공을 매워 제품의 표면성질을 변화시킬 수 있다.

그리고 플라즈마 이용하여 다른 금속의 증기화 이온처리 기술로 기본 숯 표면 색깔인 검정색을 좀 더 다양한 색으로 표면변화가 가능한 것이다.

도 1는 본 발명의 실시 예 1의 처리과정을 표시한 블록도

도 2는 본 발명의 실시 예 2의 처리과정을 표시한 블록도

도 3은 본 발명의 실시 예 3의 처리과정을 표시한 블록도

도 4는 본 발명의 실시 예 1의 처리과정을 거친 부품소재도

도 5는 본 발명의 실시 예 2의 처리과정을 거친 부품소재도

도 6은 본 발명의 실시 예 3의 처리과정을 거친 부품소재도

도면의 주요부분에 대한 부호 설명

S1: 백탄 분쇄과정 S2: 목타르 결착재 분쇄과정

S3: 혼합과정 S4: 1차 소결과정

S5: 흑연화과정 S6: 1차가공과정

S7: 플라즈마 처리과정 S8: 2차 소결과정

Claims

목재를 백탄 탄소체로 만드는 성형제조방법에 있어서,

고열에서 만들어진 탄소함유율 90~95%인 백탄(charcoal) 탄소체 분말을 분쇄기에 투입하여 미세분말가루로 분쇄하는 백탄 분쇄과정과;

백탄(charcoal) 탄소체를 만들 때 나온 액상생성물의 중·하층 중 하층 목타르(wood tar)를 수분만 제거하여 고체형태로 남으면 이것을 미세분말 처리하는 목타르 결착재 분쇄과정과;

미세분말가루 화 된 백탄(charcoal) 탄소체의 미세분말가루와 목타르분말 결착재를 혼련기에 60 질량%~90 질량%와 10 질량%~40 질량% 비율로 투입하여 혼합하는 혼합과정과;

백탄(charcoal) 탄소체와 목타르 결착재의 혼합제를 가열로에 투입한 다음 가열로 온도를 1400℃이상의 고온에서 2시간~5시간 정도 1차 소결하는 1차 소결과정과;

상기와 같이 1차 소결함으로 상기 백탄(charcoal) 탄소체와 목타르 결착재를 혼합한 혼합체가 백탄에서 흑연화 과정을 거치게 되는 흑연화 과정과;

상기에서 흑연화 된 소재를 선반이나 NC선반이나 밀링을 통해 기계가공 함으로 여러가지 형태의 부품이 완성되는 1차 가공과정과;

상기와 같이 가공을 완성한 부품을 진공장치 내에서 진공상태에서 플라즈마를 이용한 Si(규소)를 증발(evaporate)시키는 과정에 성형제품 전체와 입자 기공 내부까지 Si(규소)를 침투시켜 SiC(실리콘 카바이드)화하여 결합시키는 플라즈마 처리과정과;

상기 플라즈마 처리한 부품을 1200℃이상 2시간 내지 5시간 사이에서 2차 소결과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백탄 탄소체를 이용한 목질계 탄소 복합체 신소재 제조방법.
삭제
목재를 백탄 탄소체로 만드는 성형제조방법에 있어서,

고체화 된 목타르(wood tar)를 분쇄기에 투입하여 분말로 가공하는 목타르 분쇄과정과;

목타르 분말을 금형성형 틀에 채워 넣고 스팀을 이용하여 결합시킨 후 제품 형태로 만드는 성형가공과정과;

상기 성형가공과정에서 목타르 분말을 금형성형 틀에 채워 제품 형태로 만든 소재를 1400℃이상 고온도로 1차 소결시켜 제품을 만드는 1차 소결과정과;

1차 소결과정을 거침으로 상기 목타르 분말이 흑연화 과정을 거치게 되는 흑연화 과정과;

흑연화 된 소재를 선반이나 NC선반이나 밀링을 통해 기계가공 함으로 여러가지 형태의 부품이 완성시키는 1차 가공과정과;

가공을 완성한 부품을 진공장치 내에서 진공상태에서 플라즈마를 이용한 Si(규소)를 증발(evaporate)시키는 과정에 성형제품 전체와 입자 기공 내부까지 Si(규소)를 침투시켜 SiC(실리콘 카바이드)화하여 결합시키는 플라즈마 처리과정과;

상기 플라즈마 처리한 부품을 1200℃이상 2시간 내지 5시간 사이에서 2차 소결처리 하는 2차소결과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백탄 탄소체를 이용 한 목질계 탄소 복합체 신소재 제조방법.