KR101036402B1 - 열팽창 흑연의 제조장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 강산이나 강산화제에 의한 흑연의 팽창공정 대신에 비교적 낮은 산 농도에서 산세척이나 여과, 건조 등의 공정을 생략한 공해발생이 적은 단순한 공정으로서 흑연을 연속적으로 팽창시키는 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 인상흑연 또는 키쉬흑연을 사용한 열팽창 흑연의 제조장치에 있어서, 고전탄소 85%이상이고, 입도가 100mesh이하인 상기 흑연과 15∼25%의 농도인 과염소산 수용액을 중량비 0.4∼0.6 : 1로 혼합한 흑연 슬러리를 공급하는 흑연 슬러리 공급부; 상기 흑연 슬러리 공급부로부터 공급되는 흑연 슬러리에 직류전류를 인가하여 상기 혼합물이 200℃가 될 때까지 가열하는 반응부; 상기 반응부에서 상기 흑연과 과염소산 수용액이 반응하여 팽창된 흑연을 배출하는 팽창 흑연 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 자연산 인상흑연 및 제선, 제강공정에서 발생하는 키쉬흑연을 대상으로 하여 이를 공업적으로 대량 생산 할 수 있는 효과가 얻어진다.

팽창 흑연, 인상흑연, 키쉬 흑연, 과염소산, 흑연 전극, 스크류 피더

Description

열팽창 흑연의 제조장치 및 그 제조 방법{Apparatus and method for manufacture of thermal expanded graphite}

본 발명은 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 강산이나 강산화제에 의한 흑연의 팽창공정 대신에 비교적 낮은 산 농도에서 산세척이나 여과, 건조 등의 공정을 생략한 공해발생이 적은 단순한 공정으로서 흑연을 연속적으로 팽창시키는 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

산업의 발전과 병행하여 환경오염 역시 비례하여 증가하고 있으며 이를 방지하기 위한 노력을 경주하고 있으나 자연재해나 안전사고 등은 불가피하게 발생되고 있다. 특히 해상에서의 유류 등의 유출은 그 오염범위가 넓고 오염정도가 매우 심각하여 자연생태계를 파괴하는 경지에까지도 이르고 있는 실정이며, 각종 유류제품 등에 의해 물이나 토양이 오염되는 정도가 매우 심각한 수준에 이르고 있다.

이러한 유류 오염 사고등에 의한 환경오염문제를 해결하기 위하여 다양한 화학제품이나 제거방법 등이 사용되고 있으나, 대부분 그 효과가 미약하거나 유류 처리제의 가격이 고가인 것이 문제점으로 대두되고 있다.

최근에 유류의 효과적인 흡수재로 팽창흑연을 사용하는 방법이 제기되고 있으며, 팽창흑연은 각종 유류에 대하여 그 흡수량이 약 25∼50배에 달하고 있는 것으로 알려져 있다.

그러나 이러한 팽창흑연의 제조방법은 오래 전부터 잘 알려져 왔다(문헌 1∼3). 최근에도 그 제조방법의 개량에 대하여 많은 기술이 개발되고 있는 실정이다(문헌 4, 5). 본 발명자도 열팽창 흑연을 제조하기 위한 제조방법에 대하여 특허를 출원하여 특허받은 바 있다(문헌 6).

그러나 상기한 문헌 1∼3의 방법은 인상흑연의 입도가 비교적 큰 입자에 적용이 용이하고, 팽창 개입제로 강산을 사용하여 고온(90℃이상)에서 반응시키고 이를 다시 세척, 건조하여 고온(500℃이상)에서 열 팽창시켜야 하는 문제점이 있다.

또한, 문헌 4, 5의 방법도 SO₃가스, 농황산 및 강산화제 등을 사용하는 방법으로서 이차적인 세척 및 건조 등의 번잡한 공정을 거쳐야 하는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명자는 상기한 문제점들을 해결하기 위해 강산의 수용액과 흑연을 혼합하여 열을 가하는 방법으로 열팽창 흑연을 제조하는 방법을 개발하였으나, 실험실적인 제조 방법을 제시하였을 뿐 양산을 위한 제조 장치나 제조 방법을 제시하지 못하였다.

(문헌 1) 일본국 공개특허공보 특개6-183714호(1994. 07. 05.)

(문헌 2) 일본국 공개특허공보 특개6-016406호(1994. 01. 25.)

(문헌 3) 일본국 공개특허공보 특개5-178605호(1993. 07. 20.)

(문헌 4) 대한민국 공개특허공보 특2002-0077780호(2002. 10. 14.)

(문헌 5) 일본국 공개특허공보 특개2007-045676호(2007. 02. 22.)

(문헌 6) 대한민국 등록특허공보 10-0839330호(2008. 06. 17.)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 종래의 강산이나 강산화제를 사용하지 않으면서 낮은 산 농도에서 산세척과정 후 여과, 건조 등의 공정을 거치지 않고 공해발생이 없는 단순한 공정으로 흑연을 팽창시켜 양산할 수 있는 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 100mesh 이하의 입도를 가지는 인상 흑연 입자에 적용하여 양산할 수 있는 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연속공정에 의해 팽창 흑연을 제조할 수 있는 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치는 인상흑연 또는 키쉬흑연을 사용한 열팽창 흑연의 제조장치에 있어서, 고전탄소 85%이상이고, 입도가 100mesh이하인 상기 흑연과 15∼25%의 농도인 과염소산 수용액을 중량비 0.4∼0.6 : 1로 혼합한 흑연 슬러리를 공급하는 흑연 슬러리 공급부; 상기 흑 연 슬러리 공급부로부터 공급되는 흑연 슬러리에 직류전류를 인가하여 상기 혼합물이 200℃가 될 때까지 가열하는 반응부; 상기 반응부에서 상기 흑연과 과염소산 수용액이 반응하여 팽창된 흑연을 배출하는 팽창 흑연 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치에 있어서, 상기 흑연 슬러리 공급부는 상기 흑연 슬러리가 투입되는 호퍼와 상기 호퍼를 통해 공급되는 상기 흑연 슬러리를 상기 반응부로 밀어 넣는 스크류 피터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치에 있어서, 상기 반응부는 원통형의 반응공간을 갖고, 상기 반응공간의 외곽은 링 형상의 내열 합금으로 이루어진 금속전극과 상기 금속전극을 감싸는 링 형상의 흑연전극으로 이루어진 제1의 전극이 설치되며, 상기 반응공간의 중심에는 흑연으로 이루어진 제2의 전극이 설치되어 상기 반응공간으로 이동되는 상기 흑연 슬러리에 상기 제1 및 제2의 전극을 통해 직류전류를 인가시키는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2의 전극에 인가되는 전류는 상기 흑연 슬러리가 상기 반응부에 공급되기 시작할 때 80∼100A로 인가하고, 이후에는 25∼35A로 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 방법은 인상흑연 또는 키쉬흑연을 사용하여 제조하는 열팽창 흑연의 제조 방법에 있어서, 고전탄소 85%이상이고, 입도가 100mesh이하인 상기 흑연과 15∼25%의 농도를 갖는 과염소산 수용액을 중량비 0.4∼0.6 : 1로 혼합하는 흑연 슬러리 제조단계; 상기 흑연 슬러리에 25∼35A의 직류전류를 인가하여 상기 흑연 슬러리를 200℃까지 가열하는 흑연 슬러리 가열단계; 상기 흑연 슬러리 가열단계에서 가열에 의해 반응되어 팽창된 흑연을 배출하는 팽창 흑연 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 방법에 있어서, 상기 흑연 슬러리 가열단계는 상기 흑연 슬러리에 직류전류를 인가하는 초기에는 80∼100A의 직류전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 방법에 있어서, 상기 흑연 슬러리 가열단계는 링 형상의 내열 합금 전극과 상기 내열 합금 전극에 전기적으로 접촉되어 감싸는 흑연전극으로 이루어져 내부에 반을공간을 갖는 제1의 전극과 상기 반응공간의 중심에는 흑연봉인 제2의 전극이 설치되어 상기 반응공간으로 상기 흑연 슬러기가 이동되는 과정중에 상기 제1 및 제2의 전극에 직류전류가 인가되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 방법에 있어서, 상기 팽창은 상기 흑연의 층간구조에서 전기적인 아크가 발생하여 순간적으로 폭발하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 자연산 인상 흑연 및 제선·제강공정에서 발생하는 키쉬 흑연을 대상으로 하여 이를 공업적으로 대량 생산 할 수 있는 효과가 얻어진다.

또한, 낮은 산 농도에서 산세척과정 후 여과, 건조 등의 공정을 거치지 않고 팽창 흑연을 양산할 수 있는 효과가 얻어진다.

또한, 공해발생이 없는 단순한 공정으로 팽창 흑연을 양산할 수 있는 효과가 얻어진다.

또한, 연속공정에 의해 팽창 흑연을 양산할 수 있는 효과가 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명의 구성을 도면에 따라 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치의 개념도이고, 도 2는 도 1의 반응부에 대한 단면도이다.

도 1에 있어서, 도면부호 10은 이하에서 설명되는 흑연 슬러리를 공급하는 흑연 슬러리 공급부이고, 도면부호 20은 흑연 슬러리 공급부(10)에서 공급된 흑연 슬러리에 직류 전류를 흘려주어 흑연 슬러리에 열을 발생시키는 반응부이며, 도면부호 30은 반응부(20)에 반응이 완료(열 팽창)된 열 팽창 흑연이 배출되는 배출구이다.

흑연 슬러리 공급부(10)는 흑연 슬러리가 투입되는 호퍼(11)와 호퍼(11)를 통해 내려오는 흑연 슬러리를 반응부(20)로 밀어 넣는 스크류 피더(13)로 되어 있다.

스크류 피더(13)는 원통형의 몸체에 나사 모양의 스크류가 형성되어 있으며, 도시되지 않은 회전 구동수단에 의해 회전된다. 스크류 피더(13)가 회전 구동수단에 의해 회전될 때 호퍼(11)를 통해 내려오는 흑연 슬러리는 반응부(20)로 밀려 들어가게 된다.

호퍼(11)는 절연체인 FRP나 세라믹으로 제조되고, 스크류 피더(13)도 절연체인 세라믹으로 제조된다.

반응부(20)는 원통형의 반응공간(29)을 갖고 있다. 이 반응공간(29)은 링 형상의 흑연링 전극(25)의 내부 공간이다.

흑연링 전극(25)의 외곽은 내열 합금링 전극(23)이 감싸고 있으며, 내열 합금링 전극(23)의 외곽은 절연체인 세라믹 실린더(21)로 감싸여 있다. 흑연링 전극(25)과 내열 합금링 전극(23)은 기계적·전기적으로 접촉되어 있기 때문에 동일한 음(-)전극을 이룬다.

또한, 원통형의 반응공간(29)의 중심에는 양(+)전극이 되는 흑연봉 전극(27)이 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 흑연봉 전극(27)에는 직류의 +전압이 공급되고, 흑연링 전극(25)과 내열 합금링 전극(23)에는 직류의 -전압이 공급된다. 물론, 이들의 전기적 극성을 반대로 연결하여도 된다.

반응부(20)의 반응공간(29)에는 스크류 피더(13)에 의해 공급되는 흑연 슬러리로 채워지게 되고, 흑연봉 전극(27)과 흑연링 전극(25)사이 즉, 반응공간(29)에 채워진 흑연 슬러리에는 직류전압이 공급되어 전류가 흐르게 되고, 이 전류에 의해 흑연 슬러리는 발열하게 된다.

이때 흘려주는 전류는 초기에는 80∼100A의 전류(시동전류)를 흘려주고, 바람직하게는 90A의 전류를 흘려준다. 시동전류의 공급은 슬러리의 온도가 100∼150℃가 될 때까지, 바람직하게는 130℃ 정도가 될 때까지 흘려주며, 이후에는 25∼35A의 전류(작동전류)를 흘려주고, 바람직하게는 30A의 전류를 흘려준다. 초기에 큰 전류를 흘려주는 것은 반응부(20)의 온도가 상온 상태이기 때문에 급격한 가열이 필요하기 때문이다.

여기서, 전류의 크기를 변화시키는 것은 공지의 전류원으로 직류전류의 크기를 제어할 수 있다.

200℃이상으로 발열된 100mesh이하 크기의 흑연 슬러리는 약 500배로 열 팽창되어 그 부피가 늘어나게 되고, 결국 열 팽창된 흑연은 반응공간(29)으로부터 팽창 흑연 배출부(30)로 배출된다.

도 1에 있어서 팽창 흑연 배출부(30)에서 열 팽창 흑연을 채취하는 구성이 나타나 있지 않지만, 컨베이어 벨트 등의 채취수단에 의해 이송되어 진다.

이하에서는 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조장치에 의한 열팽창 흑연의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 3은 열팽창 흑연 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서 사용되는 흑연은 정제 흑연이나 키쉬 흑연(고전탄소 85%이상, 100메쉬 입도 이하)과 15∼25%의 과염소산(HClO₄) 수용액, 바람직하게는 20% 과염소산 수용액을 중량비로 흑연 : 과염소산용액 = 0.4∼0.6 : 1, 바람직하게는 0.5 : 1 로 혼합하여 흑연 슬러리를 제조한다(S 10).

다음 단계 S 10에서 제조된 흑연 슬러리를 호퍼(11)에 투입하고, 그 흑연 슬러리는 스크류 피더(13)에 의해 반응공간(29)으로 이송시킨다(S 20).

다음 흑연봉 전극(27)에는 +의 전압이 걸리고, 흑연 슬러리에서 흑연링 전극(25)에는 -의 전압이 걸리게 되어 단계 S 20에서 반응공간(29)으로 이송된 흑연 슬러리에 전류가 흐르게 된다. 단계 S 20에서 반응공간(29)으로 초기에 이송된 흑연 슬러리와 반응부(20)는 온도가 상온의 상태이므로 80∼100A의 직류전류를 인가하고, 바람직하게는 90A의 직류전류를 인가한다(S 30).

이후, 100∼150℃정도로 흑연 슬러리의 온도가 상승하면 25∼35A의 직류전류를 인가하고, 바람직하게는 30A의 전류를 인가하여 흑연 슬러리의 온도가 200℃이상이 될 때까지 가열한다(S 40).

여기서 전류를 인가하는 시간은 스크류 피더(13)가 흑연 슬러리를 반응공간(29)에 밀어 넣는 속도를 높게 또는 낮게 설정함으로써 조절할 수 있으며, 반응부(20)의 길이를 길게 또는 짧게 함으로써 조절할 수 있다. 이와 같은 전류 인가시간은 흑연 슬러리의 온도가 200℃이상이 될 수 있도록 스크류 피더(13)의 회전속도를 설정하거나 반응부(20)의 길이를 정하면 된다.

반응부(20) 내부로 장입된 흑연 슬러리는 흑연의 층간에 과염소산이 삽입되어 있기 때문에 200℃이상이 되면, 층간구조에 전기적인 아크가 발생하여 인상흑연의 층간결합을 이루는 반델발스 결합과 원자간 공유결합 부분이 순간적(0.05초 내외)으로 폭발하게 된다(S 50).

이와 같이 폭발된 흑연은 층상구조가 해체되어 육각형(hexagonal)의 C₃, C₄ 형태의 탄소결합체로 변화하면서 원래부피의 약 500배 이상 팽창된다. 이 팽창된 흑연은 반응공간(29)으로부터 배출되어 팽창 흑연 배출부(30)에 저장된다(S 60).

본 발명에 따라 제조된 열 팽창흑연은 물이나 토양이 유류에 오염되었을 경우 이를 효과적으로 제거하기 위한 수단으로 활용이 가능하고, 고 순도의 인상흑연을 원료로 사용하여 팽창시킨 제품은 고온 카스켓이나 고온 밀폐용 재료 또는 전도성 재료로 활용이 가능하며, 여러 가지 종류의 수지나 섬유 등을 혼합하여 특수한 복합재료의 제조에도 사용 가능할 뿐만 아니라, 화재 방재를 위한 공기 차단벽를 설치하는데도 사용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 열팽창 흑연의 제조 장치의 개념도

도 2는 도 1의 반응부에 대한 단면도

도 3은 열팽창 흑연 제조 공정을 나타내는 흐름도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 흑연 슬러리 공급부 11 : 호퍼

13 : 스크류 피더 20 : 반응부

21 : 세라믹 실린더 23 : 내열 합금링 전극(-)

25 : 흑연링 전극(-) 27 : 흑연봉 전극(+)

29 : 반응공간 30 : 팽창 흑연 배출구

Claims (8)

1. 인상흑연 또는 키쉬흑연을 사용한 열팽창 흑연의 제조장치에 있어서,

   고전탄소 85%이상이고, 입도가 100mesh이하인 상기 흑연과 15∼25%의 농도인 과염소산 수용액을 중량비 0.4∼0.6 : 1로 혼합한 흑연 슬러리를 공급하는 흑연 슬러리 공급부;

   상기 흑연 슬러리 공급부로부터 공급되는 흑연 슬러리에 직류전류를 인가하여 상기 혼합물이 200℃가 될 때까지 가열하는 반응부;

   상기 반응부에서 상기 흑연과 과염소산 수용액이 반응하여 팽창된 흑연을 배출하는 팽창 흑연 배출구를 포함하고,

   상기 흑연 슬러리 공급부는 상기 흑연 슬러리가 투입되는 호퍼와 상기 호퍼를 통해 공급되는 상기 흑연 슬러리를 상기 반응부로 밀어 넣는 스크류 피터로 이루어진 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 반응부는 원통형의 반응공간을 갖고, 상기 반응공간의 외곽은 링 형상의 흑연전극과 상기 흑연전극을 감싸는 링 형상의 내열 합금으로 이루어진 금속전극으로 이루어진 제1의 전극이 설치되며, 상기 반응공간의 중심에는 흑연으로 이루 어진 제2의 전극이 설치되어 상기 반응공간으로 이동되는 상기 흑연 슬러리에 상기 제1 및 제2의 전극을 통해 직류전류를 인가시키는 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제1 및 제2의 전극에 인가되는 전류는 상기 흑연 슬러리가 상기 반응부에 공급되기 시작할 때 80∼100A로 인가하고, 이후에는 25∼35A로 인가하는 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조장치.
5. 인상흑연 또는 키쉬흑연을 사용하여 제조하는 열팽창 흑연의 제조 방법에 있어서,

   고전탄소 85%이상이고, 입도가 100mesh이하인 상기 흑연과 15∼25%의 농도를 갖는 과염소산 수용액을 중량비 0.4∼0.6 : 1로 혼합하는 흑연 슬러리 제조단계;

   상기 흑연 슬러리에 25∼35A의 직류전류를 인가하여 상기 흑연 슬러리를 200℃까지 가열하는 흑연 슬러리 가열단계;

   상기 흑연 슬러리 가열단계에서 가열에 의해 반응되어 팽창된 흑연을 배출하는 팽창 흑연 배출단계를 포함하고,

   상기 흑연 슬러리 가열단계는 링 형상의 흑연전극과 상기 흑연전극에 전기적으로 접촉되어 감싸는 내열 합금 전극으로 이루어져 내부에 반응공간을 갖는 제1의 전극과 상기 반응공간의 중심에는 흑연봉인 제2의 전극이 설치되어 상기 반응공간으로 상기 흑연 슬러리가 이동되는 과정중에 상기 제1 및 제2의 전극에 직류전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 흑연 슬러리 가열단계는 상기 흑연 슬러리에 직류전류를 인가하는 초기 에는 80∼100A의 직류전류를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조 방법.
7. 삭제
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 팽창은 상기 흑연의 층간구조에서 전기적인 아크가 발생하여 순간적으로 폭발하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열팽창 흑연의 제조 방법.

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