KR101143145B1 - 알루미나가 코팅된 흑연, 그 제조방법 및 저열전도성 내화물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계, 용제에 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연을 첨가하고 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응을 통해 흑연 표면에 알루미나를 코팅하는 단계, 및 용제를 제거하여 알루미나가 코팅된 흑연을 얻는 단계를 포함하여 이루어진 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 흑연입자 표면에 알루미나가 코팅되어 저열전도성 및 내산화성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 흑연의 열전도도를 감소시켜 에너지 절약효과와 함께 내산화성 증진에 의한 내화물 수명 연장이 가능하고, 이에 따른 제철 및 제강 조업공정의 안정화가 가능하며, 동시에 흑연 표면이 친수성으로 개질되어 내화물 생산공정 및 품질을 개선할 수 있다.

흑연, 내화물, 표면개질

Description

알루미나가 코팅된 흑연, 그 제조방법 및 저열전도성 내화물{ALUMINA COATED GRAPHITE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND REFRACTORY WITH LOW THERMAL CONDUCTIVITY}

본 발명은 알루미나가 코팅된 흑연, 그 제조방법 및 저열전도성 내화물에 관한 것이다.

흑연은 높은 열전도도, 낮은 탄성계수, 낮은 열팽창계수와 2700℃까지 온도에 따라 증가하는 비교적 만족할 만한 강도를 가지고 있다.　 또한 낮은 밀도와 가공의 용이함 등으로 고온구조용 재료로 많은 장점을 지니고 있으며, 용강에 대한 내식성이 우수하여 제철 및 제강산업의 내화재료로 이용되는 가장 중요한 물질 중의 하나이다.　

그러나 상기와 같은 흑연은 약 500℃ 이상의 고온에서 산소와 반응하여 표면이 마모되고 고온에서 상당한 증발속도를 가지며, 고온기체의 흐름에서 마모 현상이 심하기 때문에 흑연 함유 내화물 수명을 제한하는 원인이 된다.　 또한 판상의 흑연과 산화물 분체와의 균일한 혼합이 어렵고 소수성 표면을 갖기 때문에 제조공정에 수계를 이용할 수 없는 등이 흑연의 응용을 제한하는 가장 큰 문제점으로 지 적되어 왔다.

한편, 에너지 다소비 산업인 제철, 제강산업의 특성상 에너지 절약을 실현하기 위해서는 저열전도성 내화물의 개발이 요구되고 있으며, 이에 대한 연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다.　흑연계 내화물의 열전도성을 저감하기 위해서는 무엇보다도 흑연의 높은 열전도율을 낮추는 것이 요청된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 표면에 알루미나가 코팅되어 내산화성을 향상시킬 수 있고 내화물 수명 연장이 가능하고 제철 및 제강 조업공정의 안정화가 가능한 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 흑연의 저열전도성을 향상시켜 열전도도를 감소시킴으로써 에너지 절약효과를 제공할 수 있는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 흑연 표면이 친수성으로 개질되어 내화물 생산공정 및 품질을 개선할 수 있고, 내화물 제조공정에 수계를 이용한 혼합 및 성형공정이 적용 가능하고, 부정형 내화물에 응용 가능한 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계; 용제에 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연을 첨가하고 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응을 통해 흑연 표면에 알루미나를 코팅하는 단계; 및 용제를 제거하여 알루미나가 코팅된 흑연을 얻는 단계;를 포함하여 이루어진 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계는 알루미늄알콕사이드를 용제에 녹인 용액 100 중량부에 흑연분말 6 내지 70 중량부를 첨가하여 골고루 혼합함으로써 슬러리를 제조한 후 필터링하여 흑연 표면에 알루미늄알콕사이드를 코팅하는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 용제는 에탄올인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응은 물을 용제에 녹인 용액 100 중량부에 상기 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연분말 7 내지 80 중량부를 첨가하여 혼합함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄알콕사이드를 용제에 녹인 용액의 알루미늄알콕사이드 농도는 0.03mol/L 내지 0.9mol/L의 범위내인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 물을 용제에 녹인 용액의 물의 농도는 0.03mol/L 내지 0.5mol/L 의 범위내인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄알콕사이드의 리간드로서 2차 알콕사이드가 포함되어 사용되는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄알콕사이드는 알루미늄 트리 세컨더리 부톡사이드(Al tri-secondary butoxide)인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 제조방법으로부터 제조된 알루미나가 코팅된 흑연으로서, 열전도도가 1 ~ 10 (Kcal/mhr℃) 범위내인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연을 제공한다.

또한, 상기 알루미나가 코팅된 흑연을 포함하여 이루어지는 저열전도성 내화물을 제공한다.

상기의 구성적 특징을 갖는 본 발명은, 흑연 표면에 알루미나가 코팅되어 저열전도성 및 내산화성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 흑연의 열전도도를 감소시켜 에너지 절약효과와 함께 내산화성 증진에 의한 내화물 수명 연장이 가능하고, 이에 따른 제철 및 제강 조업공정의 안정화가 가능하다는 효과가 있다.　또한, 본 발명은 흑연 표면이 친수성으로 개질되어 내화물 생산공정 및 품질을 개선할 수 있고, 내화물 제조공정에 수계를 이용한 혼합 및 성형공정이 적용가능하고, 부정형 내화물에 응용 가능하다는 효과가 있다.

이하에서는 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명은 본 발명의 구체적 일례에 대한 것이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법 수순도로서, 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계(S10), 용제에 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연을 첨가하고 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응을 통해 흑연 표면에 알루미나를 코팅하는 단계(S20), 및 용제를 제거하여 알루미나가 코팅된 흑연을 얻는 단계(S30)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 가수분해법을 이용하여 알루미나로 표면 개질된 흑연이 저열전도도 및 내산화성이 우수함을 확인하고 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.

상기 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계(S10)는 알루미늄알콕사이드를 용제에 녹인 용액 100 중량부에 흑연분말 6 내지 70 중량부를 첨가하여 골고루 혼합함으로써 슬러리를 제조한 후 필터링하여 흑연 표면에 알루미늄알콕사이드를 코팅하는 것이 바람직하다. 상기 용제는 알코올이 바람직하며, 특히 에탄올이 좋다.

본 발명에서 사용되는 알루미늄 알콕사이드는 통상의 알루미늄 알콕사이드를 사용할 수 있다.　 특히, 상기 알루미늄 알콕사이드는 균일한 코팅층의 형성과 내산화성의 증진효과를 얻기 위하여 리간드로서 2차 알콕사이드가 포함되어 사용되는 것이 바람직하며, 특히 알루미늄 트리 세컨드리 부톡사이드(Al tri-secondary Butoxide)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 알콕사이드는 제한되지 않으나 탄소수 1~12의 범위내의 알콕사이드인 것이 좋다.

상기 알루미늄 알콕사이드는 에탄올 용매에 희석하여 사용하는데 0.03mol/L 내지 0.9mol/L의 농도로 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1mol/L 내지 0.7mol/L의 농도가 좋다. 상기 알루미늄 알콕사이드가 0.03mol/L 농도 미만일 경우에는 흑연에 코팅되는 알루미나의 양이 너무 적어 코팅 효과가 거의 없다는 문제점이 있으며, 0.9mmol/L 농도를 초과할 경우에는 알루미나가 흑연 표면에 불균질하게 코팅되어 코팅공정의 조절이 어려우며, 경제성 또한 나쁘다는 문제점이 있다.

상기와 같이 에탄올에 녹여 희석한 알루미늄알콕사이드 용액에 흑연 분말을 첨가하여 혼합 슬러리를 제조한다. 본 발명에서 사용되는 상기 흑연은 통상의 천연 흑연, 인조 흑연, 또는 시판되고 있는 제품을 사용할 수도 있음은 물론이며, 상기 흑연은 적당한 크기로 분쇄시켜 사용할 수 있다.

상기 흑연은 알루미늄 알콕사이드 용액 100 중량부에 대하여 6 내지 70 중량 부로 포함되는데, 그 함량이 6 중량부 미만일 경우에는 제조 및 생산 효율성이 떨어진다는 문제점이 있으며, 70 중량부를 초과할 경우에는 슬러리의 혼합성이 저하되고 또한 흑연 표면에 알루미나의 코팅 양이 적어진다는 문제점이 있다.

상기와 같이 혼합된 혼합 슬러리를 필터링하여 잔여 용액을 제거하면 알루미늄알콕사이드가 표면에 코팅된 흑연 분말이 얻어진다. 이 때, 잔여 용액을 제거하는 방법은 필터링 이외에도 원심분리 등 여러가지 방법이 있을 수 있으며, 소기의 목적만 달성될 수 있다면 특별히 그 방법을 제한하지 않는다.

다음, 용제에 얻어진 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연을 첨가하고 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응을 통해 흑연 표면에 알루미나를 코팅한다(S20). 용제로는 알코올이 바람직하며 특히 에탄올이 좋다.

상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응은 물을 에탄올에 녹인 용액 100 중량부에 상기 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연분말 7 내지 80 중량부를 첨가하여 혼합함으로써 이루어지는데, 그 함량이 7 중량부 미만일 경우에는 제조 및 생산 효율성이 떨어진다는 문제점이 있으며, 80 중량부를 초과할 경우에는 슬러리의 혼합성이 저하되고 또한 흑연 표면에 알루미나의 코팅 양이 너무 적어진다는 문제점이 있다.

상기 흑연 분말에 코팅된 알루미늄알콕사이드를 가수분해시키기 위하여 사용되는 물은 에탄올 용매에 희석하여 사용하는데 0.03 mol/L 내지 0.5 mol/L의 농도로 사용한다. 그 함량이 0.03 mol/L 미만일 경우에는 가수분해 반응이 일어나지 않 거나 그 반응 속도가 너무 느려 제조 및 생산 효율성이 떨어진다는 문제점이 있으며, 0.5 mol/L를 초과할 경우에는 가수분해 반응이 너무 빨리 진행되어 코팅성이 나빠지며 결과적으로 흑연 표면에 알루미나를 균일하게 코팅시킬 수가 없다는 문제점이 발생한다.

가수분해가 완료되면, 필터링을 통해 용제를 제거하여 알루미나가 코팅된 흑연을 얻는다(S30). 얻어진 알루미나가 코팅된 흑연은 열풍으로 건조시켜 용제를 충분히 제거하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 제조방법으로 제조된 알루미나가 코팅된 흑연은, 열전도도가 1 ~ 10 (Kcal/mhr℃) 범위내로서 저열전도성이 우수하며, 내산화성이 향상된 것이 종래의 흑연과 특히 차별되는 특징이다.

본 발명은 또한, 상기 알루미나가 코팅된 흑연을 포함하여 이루어지는 저열전도성 내화물을 제공한다.

본 발명에서 저열전도성 내화물이란, 본 발명에 따른 저열전도성을 갖는 알루미나가 코팅된 흑연을 사용한 내화물로서, 종래에 흑연을 사용하여 제조된 내화물보다 상대적으로 열전도성이 낮은 내화물을 의미한다. 본 발명에 따른 알루미나가 코팅된 흑연을 기존의 흑연 대신에, 또는 부가적으로 첨가하여 사용하는 것을 제외하고는 기존에 흑연이 첨가된 내화물의 각 조성성분 및 제조방법들이 응용될 수 있으며 제한되지 않는다. 적용 가능한 내화물의 일례로서, 제한되지 않으나 대한민국 공개특허공보 제2002-0049900호, 대한민국 공개특허공보 10-2009-0082203호, 대한민국 등록특허 제744712호 등을 들 수 있다.

이러한 알루미나가 코팅된 흑연을 사용하여 내화물을 제조할 경우, 기존의 흑연을 사용할 때에 비하여 열전도도를 감소시켜 에너지 절약효과와 함께 내산화성 증진에 의한 내화물 수명 연장이 가능하고, 이에 따른 제철 및 제강 조업공정의 안정화가 가능하다는 이점이 있다.　또한, 흑연 표면이 친수성으로 개질되어 내화물 생산공정 및 품질을 개선할 수 있고, 내화물 제조공정에 수계를 이용한 혼합 및 성형공정이 적용가능하고, 부정형 내화물에 응용 가능하다는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

알루미늄 트리 세컨더리 부톡사이드(0.25mol/L)를 에탄올 1000ml에 녹인 용액에 200g의 흑연분말을 첨가하여 교반하면서 1시간 혼합하였다. 이 슬러리를 필터링하여 용액을 제거함으로써 알루미늄 알콕사이드가 코팅된 흑연 분말을 제조하였다. 물(0.20mol/L)을 에탄올에 녹인 용액 1000ml를 교반하면서 상기 알루미늄 알콕 사이드가 코팅된 흑연분말을 첨가하여 30분간 혼합함으로써 흑연 표면의 알루미늄 알콕사이드를 가수분해시켰다. 그 후 필터링하여 잔여 용액를 제거하고 80?의 열풍으로 2시간 건조시켰다. 이와 같이하여 얻어진 알루미나가 코팅된 흑연 분말의 표면을 확대하여 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이, 얻어진 흑연 분말의 표면에는 알루미나가 코팅되어 있음을 알 수 있다.

이상, 상기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일례이므로, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 가할 수 있는 구성의 변형, 치환, 수정, 생략 등은 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루마나가 코팅된 흑연의 제조방법 수순도,

도 2는 본 발명의 실시예에 의해 알루미나가 코팅된 흑연 분말의 표면을 확대하여 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

Claims (10)

1. 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계;

   용제에 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연을 첨가하고 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응을 통해 흑연 표면에 알루미나를 코팅하는 단계; 및

   용제를 제거하여 알루미나가 코팅된 흑연을 얻는 단계;를 포함하여 이루어진 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄알콕사이드를 흑연 표면에 코팅하는 단계는 알루미늄알콕사이드를 용제에 녹인 용액 100 중량부에 흑연분말 6 내지 70 중량부를 첨가하여 골고루 혼합함으로써 슬러리를 제조한 후 필터링하여 흑연 표면에 알루미늄알콕사이드를 코팅하는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 용제는 에탄올인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄알콕사이드의 가수분해 반응은 물을 용제에 녹인 용액 100 중량부에 상기 알루미늄알콕사이드가 코팅된 흑연분말 7 내지 80 중량부를 첨가하여 혼합함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 알루미늄알콕사이드를 용제에 녹인 용액의 알루미늄알콕사이드 농도는 0.03mol/L 내지 0.9mol/L의 범위내인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 물을 용제에 녹인 용액의 물의 농도는 0.03mol/L 내지 0.5mol/L의 범위내인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄알콕사이드의 리간드로서 2차 알콕사이드가 포함되어 사용되는 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄알콕사이드는 알루미늄 트리 세컨더리 부톡사 이드(Al tri-secondary butoxide)인 것을 특징으로 하는 알루미나가 코팅된 흑연의 제조방법.
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