KR100985186B1 - 난연성 수산화마그네슘 제조방법 - Google Patents

Abstract

상압의 조건에서 마그네슘염과 알칼리 용액을 반응시켜 균일성과 고분산성을 갖는 판상형 수산화마그네슘을 제조하는 것이 가능하도록, 반응기에 15∼30% 마그네슘염 용액의 총 투입량 100중량% 중에서 20∼60중량%를 넣고 30∼60℃를 유지한 상태에서 40∼60% 알칼리 용액을 마그네슘염 용액의 총 투입량에 대하여 15∼50중량%를 0.5∼2시간에 걸쳐 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음 온도를 30∼80℃를 유지한 상태에서 1∼3시간 교반하여 겔화를 진행하는 겔화단계와, 겔화가 완료되면 온도를 100∼120℃로 상승시킨 후 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 1차결정화단계와, 1차 결정화가 완료되면 다시 15∼30% 마그네슘염 용액의 나머지 40∼80중량%를 천천히 투입하고 온도를 90∼120℃를 유지하면서 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 2차결정화단계와, 2차 결정화가 완료되면 증류수로 세척하여 120∼180℃에서 1∼3시간 건조를 행하는 세척건조단계를 포함하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법을 제공한다.

수산화마그네슘, 난연제, 판상형, 입자, 입경, 분산성, 균일성, 알칼리, 마그네슘염

Description

난연성 수산화마그네슘 제조방법 {Process for Incombustible Magnesium Hydroxide}

본 발명은 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상압 조건에서 수산화마그네슘 미립자를 균일성 및 고분산성을 필요로 하는 난연재료로 적합하도록 판상형의 일정한 형태로 제조하는 것이 가능한 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 관한 것이다.

수산화마그네슘(magnesium hydroxide)은 화학식이 Mg(OH)₂이고, 마그네슘의 수산화물로, 금속마그네슘의 원료, 함유폐수용 흡착제, 배연탈황제, 배수중화제, 중유보일러 부식방지제 등의 공업용과 제사제(설사약), 제산제 및 동물용 약제 등 의약용으로 널리 사용되고 있다.

그리고 난연제로 할로겐화합물, 삼산화안티몬, 인화합물 등이 많이 사용되는데, 이들 난연제는 화재시에 대량의 연기와 유기가스를 발생시키기 때문에, 최근에는 그 사용이 감소되는 추세이다.

최근에는 수산화마그네슘이 연소시에 발연량이 적어 연기에 의한 질식사를 방지할 수 있고, 무독의 환경친화적 물질이며, 연소시 수증기(물)를 방출하여 난연 특성(소화 및 발화 억제 특성)을 나타내는 점이 확인되면서, 새로운 난연제로 각광을 받고 있다.

수산화마그네슘을 제조하는 종래의 이온간수, 해수 또는 마그네시아를 사용하고 알칼리원으로 석회 또는 가성소다 등을 사용하는 방법, 산화마그네슘의 수화반응에 의한 방법, 마그네슘염과 암모니아를 반응시켜 수산화마그네슘 결정을 정석시키는 방법 등이 있다. 이들 제조방법은 수산화마그네슘 입자의 형상이 특정되어 차이가 나므로, 난연제로서 필요한 균일성과 고분산성을 위해 판상형과 균일한 입도 분포를 갖는 수산화마그네슘을 얻기가 어려웠다.

따라서 판상형과 균일한 입도 분포를 갖는 수산화마그네슘을 얻기 위하여 고온 고압하에서 제조하는 방법이 다양하게 제안되어 활용되고 있다.

그런데, 종래의 고온 고압 조건에서 반응하는 방식은 제조설비가 고가이며, 반응기 설비의 크기에 한계가 있어 대량 생산이 어렵고, 에너지의 소모량이 많으며, 산업 안전의 위험성이 존재한다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상압의 조건에서 마그네슘염과 알칼리 용액을 반응시켜 균일성과 고분산성을 갖는 판상형 수산화마그네슘을 제조하는 것이 가능한 난연성 수산화마그네슘 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 제안하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법은 반응기에 15∼30% 마그네슘염 용액을 총 투입량 100중량% 중에서 20∼60중량%를 넣고 30∼60℃를 유지한 상태에서 40∼60% 알칼리 용액을 마그네슘염 용액의 총 투입량에 대하여 15∼50중량%를 0.5∼2시간에 걸쳐 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음 온도를 30∼80℃를 유지한 상태에서 1∼3시간 교반하여 겔화를 진행하는 겔화단계와, 겔화가 완료되면 온도를 100∼120℃로 상승시킨 후 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 1차결정화단계와, 1차 결정화가 완료되면 다시 15∼30% 마그네슘염 용액의 나머지 40∼80중량%를 천천히 투입하고 온도를 90∼120℃를 유지하면서 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 2차결정화단계와, 2차 결정화가 완료되면 증류수로 세척하여 120∼180℃에서 1∼3시간 건조를 행하는 세척건조단계를 포함하여 이루어진다.

상기에서 마그네슘염으로는 황산마그네슘(MgSO₄), 염화마그네슘(MgCl₂), 질화마그네슘(MgNO₃), 초산마그네슘(Mg(CH₃COO)₂) 등이 사용 가능하다.

상기 알칼리 용액으로는 수산화나트륨(NaOH), 암모니아(NH₄OH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등이 사용 가능하다.

상기에서 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:1.8∼3.0으로 유지하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1:2∼2.3로 유지하는 것이 좋다. 상기에서 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비가 작으면 반응성이 부족하며, 몰비를 더 크게 하더라도 반응성에 변화가 없어 실용적이지 않다.

그리고 본 발명의 난연성 수산화마그네슘 제조방법은 2차결정화단계에서 15∼30% 마그네슘염 용액의 총 투입량 100중량% 중에서 20∼60중량%를 투입하며, 2차 결정화가 완료되면 다시 15∼30% 마그네슘염 용액의 나머지 20∼60중량%를 천천히 투입하고 온도를 90∼120℃를 유지하면서 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 3차결정화단계를 진행하고 상기 세척건조단계로 진행하는 것도 가능하다.

상기 2차결정화단계 및 3차결정화단계에서 마그네슘염 용액을 투입하는 투입속도는 3∼20g/분의 범위에서 유지하는 것이 바람직하다. 상기에서 투입속도가 너무 늦으면 생산성이 나쁘고, 투입속도가 너무 빠르면 입자가 불규칙하게 형성되며 입경이 작은 미립자가 과다하게 생성된다.

상기와 같은 과정을 거쳐 수산화마그네슘을 제조하는 경우 1차 평균 입경이 0.3∼1㎛이고, 2차 평균 입경이 1.1∼2.0㎛인 약간 원형의 판상형 미립자가 얻어진다.

본 발명의 난연성 수산화마그네슘 제조방법은 각 단계에서 반응물의 pH 8∼ 14를 유지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 pH 12∼14를 유지하는 것이 좋다. 상기에서 pH값이 알칼리에 가까울수록 결정화가 촉진되며, 중성에 가까우면 생산성이 낮고, 너무 강알칼리로 되면 겔화단계 또는 1차결정화단계에서 입자의 응집이 과다하게 이루어지고 2차결정화단계 또는 3차결정화단계에서 입자의 성장이 충분하게 이루어지지 않는다.

그리고 본 발명의 난연성 수산화마그네슘 제조방법은 각 단계를 상압하(상압의 조건)에서 수행한다.

본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 의하면, 상압의 조건에서 판상형 수산화마그네슘 입자를 얻는 것이 가능하므로, 합성수지에 수산화마그네슘을 난연제로 첨가할 때에 고농도로 충진하는 경우에도 고분산성을 가지며, 합성수지 조성물의 특성을 저하시키지 않는다.

또 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 의하면, 겔화단계와 1차결정화단계를 거친 다음 2차결정화단계 및 3차결정화단계를 거쳐 입자의 성장을 진행하므로, 1차 평균 입경이 0.3∼1㎛이고 2차 평균 입경이 1.1∼2.0㎛인 일정한 입도 분포를 갖는 균일성의 고품질 수산화마그네슘을 얻는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 의하면, 상압 조건에서 균일성과 고분산성을 갖는 난연제로 적합한 수산화마그네슘을 제조하는 것이 가능하므로, 생산비가 절감되고, 대량생산이 가능하며, 제조과정에서의 안전사고 위험성이 감소한다.

다음으로 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 이는 본 발명을 예시적으로 나타내는 것이며, 본 발명의 범위를 이에 한정하는 것이 아님은 명백하다.

다음의 실시예 및 비교예는 모두 상압의 조건에서 전 과정을 수행하였다.

[실시예 1]

3ℓ 반응기에 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 985g을 넣고 50℃를 유지한 상태에서 50% 수산화나트륨(NaOH) 용액 579g을 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음 온도를 70℃로 유지한 상태에서 2시간 동안 교반하여 겔화를 진행하였다. 투입된 용액에 있어서, 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:2.1로 반응을 진행하였다. 이때 반응물의 pH는 10∼14를 유지하였다. 겔화가 완료된 다음 온도를 110℃까지 상승시킨 후 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 1차 결정화가 완료된 다음 다시 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 985g을 1시간에 걸쳐 천천히 투입하고 온도를 105℃를 유지하면서 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 2차 결정화가 완료된 다음 증류수로 깨끗이 세척하여 150℃에서 2시간 건조를 행하여 1차 평균 입경이 0.3∼1㎛이고 2차 평균 입경이 1.3㎛이며 약간 구형의 판상형 입자인 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 입자의 실시예 1을 얻었다.

도 1에는 상기 실시예 1을 촬영한 전자현미경 사진(배율 40,000배)을 나타낸다.

[실시예 2]

3ℓ 반응기에 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 657g을 넣고 50℃를 유지한 상태에서 50% 수산화나트륨(NaOH) 용액 579g을 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음 온도를 70℃로 유지한 상태에서 2시간 동안 교반하여 겔화를 진행하였다. 투입된 용액에 있어서, 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:2.1로 반응을 진행하였다. 이때 반응물의 pH는 10∼14를 유지하였다. 겔화가 완료된 다음 온도를 110℃까지 상승시킨 후 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 1차 결정화가 완료된 다음 다시 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 657g을 1시간에 걸쳐 천천히 투입하고 온도를 105℃를 유지하면서 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 2차 결정화가 완료된 다음 다시 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 657g을 1시간에 걸쳐 천천히 투입하고 온도를 105℃를 유지하면서 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 3차 결정화가 완료된 다음 증류수로 깨끗이 세척하여 150℃에서 2시간 건조를 행하여 1차 평균 입경이 0.3∼1㎛이고 2차 평균 입경이 1.5㎛이며 약간 구형의 판상형 입자인 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 입자의 실시예 2를 얻었다.

도 2에는 상기 실시예 2를 배율 20,000배로 촬영한 전자현미경 사진을 나타내고, 도 3에는 배율 40,000배로 촬영한 전자현미경 사진을 나타낸다.

[실시예 3]

3ℓ 반응기에 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 657g을 넣고 50℃를 유지한 상태에서 50% 수산화나트륨(NaOH) 용액 579g을 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다 음 온도를 70℃로 유지한 상태에서 2시간 동안 교반하여 겔화를 진행하였다. 투입된 용액에 있어서, 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:2.1로 반응을 진행하였다. 이때 반응물의 pH는 10∼14를 유지하였다. 겔화가 완료된 다음 온도를 110℃까지 상승시킨 후 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 1차 결정화가 완료된 다음 다시 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 1314g을 5시간에 걸쳐 천천히 투입하고 온도를 105℃를 유지하면서 5시간 동안 결정화를 진행하였다. 2차 결정화가 완료된 다음 증류수로 깨끗이 세척하여 150℃에서 2시간 건조를 행하여 1차 평균 입경이 0.5∼1㎛이고 2차 평균 입경이 1.7㎛이며 판상형인 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 입자의 실시예 3을 얻었다.

도 4에는 상기 실시예 3을 배율 20,000배로 촬영한 전자현미경 사진을 나타낸다.

[비교예]

3ℓ 반응기에 21% 황산마그네슘(MgSO₄) 용액 1970g을 넣고 50℃를 유지한 상태에서 50% 수산화나트륨(NaOH) 용액 579g을 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음 온도를 70℃로 유지한 상태에서 2시간 동안 교반하여 겔화를 진행하였다. 투입된 용액에 있어서, 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:2.1로 반응을 진행하였다. 이 때 반응물의 pH는 10∼14를 유지하였으며, 수산화마그네슘(Mg(OH)₂) 고형물(solid)은 약 7.8%였다. 겔화가 완료된 다음 온도를 105℃까지 상승시킨 후 7시간 동안 결정화를 진행하였다. 결정화가 완료된 다음 증류수로 깨끗이 세척하여 150℃에서 2시간 건조를 행하였다.

상기와 같은 과정을 통하여 얻어진 수산화마그네슘 입자는 1차 평균 입경이 0.1∼0.5㎛이고, 2차 평균 입경이 1.2㎛이었다.

도 5에는 상기와 같이 얻어진 비교예를 배율 40,000배로 촬영한 전자현미경 사진을 나타낸다.

상기와 같이 얻어진 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 비교하면, 1차 입경 및 2차 입경에 있어서 본 발명에 따른 실시예가 비교예에 비하여 더 크게 성장하였음을 확인할 수 있으며, 비교예에 비하여 판상형이 넓게 형성되었음을 확인할 수 있었다.

그리고 2차결정화단계 이후에 3차결정화단계를 진행하는 경우에 2차 평균 입경이 더 크게 성장하였으며, 2차결정화단계에서 마그네슘염 용액을 초기 100중량%에 비하여 200중량%를 더 오랫동안 투입하면서 결정화를 진행하는 경우에 1차 평균 입경 및 2차 평균 입경이 더 크게 성장하는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 비교예의 경우에는 결정화를 1단계로 행함에 따라 충분한 결정의 성장이 이루어지지 않은 것으로 추정할 수 있다,

본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법에 의하면, 결정화를 2단계 또는 3단계 나누어 진행하거나 1단계에 비하여 2단계에서 더 많은 마그네슘염을 투입하는 것에 의하여 수산화마그네슘 입자의 고른 성장과 효과적인 판상형으로의 성장을 유도하는 것이 가능하다.

상기에서는 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 바람직한 실 시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 실시예 1에 의하여 제조된 수산화마그네슘 입자를 촬영한 전자현미경 사진(배율 40,000배)이다.

도 2는 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 실시예 2에 의하여 제조된 수산화마그네슘 입자를 촬영한 전자현미경 사진(배율 20,000배)이다.

도 3은 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 실시예 2에 의하여 제조된 수산화마그네슘 입자를 촬영한 전자현미경 사진(배율 40,000배)이다.

도 4는 본 발명에 따른 난연성 수산화마그네슘 제조방법의 실시예 3에 의하여 제조된 수산화마그네슘 입자를 촬영한 전자현미경 사진(배율 40,000배)이다.

도 5는 비교를 위하여 본 발명과 다른 수산화마그네슘 제조방법에 의하여 제조된 수산화마그네슘 입자를 촬영한 전자현미경 사진(배율 40,000배)이다.

Claims (7)

1. 반응기에 15∼30% 농도의 마그네슘염 용액을 마그네슘염 용액의 총 투입량 100중량% 중에서 20∼60중량%를 1차로 투입하고 50∼60℃로 유지한 상태에서 40∼60% 농도의 알칼리 용액을 마그네슘염 용액의 총 투입량 100중량%에 대하여 15∼50중량%만큼 천천히 투입하면서 강력히 교반한 다음, 상압 하에서 온도를 70∼80℃를 유지한 상태에서 1∼3시간 교반하여 겔화를 진행하는 겔화단계와,

   겔화가 완료되면 상압하에서 온도를 110∼120℃로 승온시킨 후 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 1차 결정화 단계와,

   1차 결정화가 완료되면 다시 15∼30% 농도의 마그네슘염 용액 100중량% 중의 나머지 40∼80중량%를 천천히 투입하고 상압 하에서 온도를 105∼120℃로 유지하면서 3∼7시간 동안 결정화를 진행하는 2차 결정화 단계와,

   2차 결정화가 완료되면 증류수로 세척하여 120∼180℃에서 1∼3시간 건조를 행하는 세척건조단계를 포함하되

   상기 겔화 및 결정화의 각 단계에서 반응물의 pH를 12∼14로 유지하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 마그네슘염으로는 황산마그네슘(MgSO₄) 또는 염화마그네슘(MgCl₂)을 사용하고, 상기 알칼리 용액으로는 수산화나트륨(NaOH)을 사용하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 겔화단계에서 마그네슘과 알칼리의 반응 몰비는 1:1.8∼3.0의 범위로 하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 2차결정화단계에서 마그네슘염 용액을 투입하는 투입속도는 3∼20g/분의 범위에서 유지하는 난연성 수산화마그네슘 제조방법.
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