KR101618736B1 - Isotropic graphite article and and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 등방흑연 성형체의 제조 방법은 구상 천연 흑연을 준비하는 단계, 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계, 상기 흑연-피치 혼합 분말을 미가공 성형체로 성형하는 단계, 상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계, 및 상기 미가공 성형체를 흑연화하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing an isotropic graphite molded body according to the present invention comprises the steps of preparing spherical natural graphite, preparing graphite-pitch mixed powder by mixing the spherical natural graphite and binder pitch, forming the graphite- , Carbonizing the green compact, and graphitizing the green compact.
Description
본 발명은 등방흑연 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an isotropic graphite compact and a manufacturing method thereof.
본 발명은 높은 밀도의 등방성(isotropic) 구조 및 특성을 가지며 낮은 열팽창계수(CTE)가지는 흑연 성형체를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고도의 이방성 구조를 가지는 천연흑연 (natrual graphite)를 원료로 하여 형성된 등방흑연 성형체를 제조하는 내용이다.The present invention relates to a method for producing a graphite compact having a high density of isotropic structure and properties and a low coefficient of thermal expansion (CTE). The present invention relates to the production of an isotropic graphite molded body formed from natrual graphite having a high anisotropic structure as a raw material.
기존의 등방 흑연은 낮은 CTE를 가지기 위하여 미세구조가 등방성을 가지는 등방코크스를 원료로 사용하여 적정한 바인더 피치와 함께 혼련 공정을 거친 후 CIP(냉간정수압성형) 공정을 거쳐서 성형체를 제조한다. 그 후, 탄화공정 및 함침 피치의 재함침 공정 후 다시 탄화 및 흑연화공정을 거치는 복잡한 공정을 적용하여 생산되고 있다. In order to have a low CTE, conventional isotropic graphite is subjected to a kneading process using an isotropic coke having an isotropic microstructure as a raw material and an appropriate binder pitch, followed by a CIP (cold isostatic pressing) process to produce a molded article. Thereafter, it is produced by applying a complicated process which carries out carbonization and graphitization again after carbonization process and impregnation pitch reinfusion process.
이러한 복잡한 공정은 코크스-바인더 피치 혼련분말을 성형할 경우, CIP 공정만으로는 입자와 입자간의 공극을 충분히 감소시킬 수 없기 때문에, 별도의 피치 함침 공정이 적용되는 것이다. 또한 원료로 사용된 등방흑연의 경우, 원료코크스의 특징으로 인해 이방구조를 가지는 원료 대비 흑연의 결정의 성장이 제한적이다. In such a complicated process, when a coke-binder pitch kneading powder is formed, a separate pitch impregnation process is applied because the gap between particles and particles can not be sufficiently reduced by the CIP process alone. Also, in the case of isotropic graphite used as a raw material, the growth of graphite crystals is limited compared to raw materials having anisotropic structure due to the characteristics of raw coke.
상업적 흑연 생산 방법으로는 등방비가 1.0에 가까운 등방흑연 성형체의 제조가 가능하였으나 30℃ 내지 100℃의 온도 범위에 걸쳐 2.0 ppm/℃ 미만의 CTE를 지니는 고도의 흑연화도를 가지는 흑연 물품을 생산할 수 없었다. 현재까지 양 방향에서 150 x 103 W/m 이상의 열충격저항 파라미터를 지니는 고도로 등방성인 흑연 물품이 시판되지 않았다. 열충격내성 또는 높은 온도의 치수 안정성이 요망되는 적용에서 유용하거나, 낮은 열팽창 코팅을 위한 기질로서 유용하기 위해, 약 1.5 미만의 등방성비, 30℃ 내지 100℃의 온도 범위에 걸쳐 2.0ppm/℃ 미만의 CTE를 지니고, 양 방향에서 약 150 x 103 W/m을 초과하는 열충격저항 파라미터를 지니는 흑연을 생산하기 위한 방법이 요망된다. Commercial graphite production methods were capable of producing isotropic graphite compacts having an isotropic ratio close to 1.0, but could not produce graphitic articles having a high degree of graphitization with a CTE of less than 2.0 ppm / ° C over a temperature range of 30 to 100 ° C . To date, highly isotropic graphite articles having thermal shock resistance parameters of more than 150 x 10 < 3 > W / m in both directions have not been marketed. To be useful in applications where thermal shock resistance or high temperature dimensional stability is desired, or useful as a substrate for low thermal expansion coatings, an isotropic ratio of less than about 1.5, a temperature of less than 2.0 ppm / A method for producing graphite having a CTE and having thermal shock resistance parameters in both directions in excess of about 150 x 10 3 W / m is desired.
미국 특허 2009-7007196 (Graphtech社)의 경우, 상기의 문제점을 해결하기 위해서 이방성 코크스를 원료로 적용하는 기술을 소개하고 있다. 하지만 상기의 기술에서도 고밀도의 성형체를 얻기위해서는 함침피치를 적용한 재함침공정의 적용이 필수 적이다. 이러한 재함침 공정의 적용을 통해서는 제조공정 코스트 절감에는 한계가 있다.U.S. Patent No. 2009-7007196 (Graphtech) discloses a technique for applying an anisotropic coke as a raw material to solve the above problems. However, in the above-described technique, it is essential to apply a re-impregnation process using impregnation pitch in order to obtain a high-density molded article. Through the application of this re-impregnation process, there is a limit to the manufacturing process cost reduction.
따라서 낮은 CTE값을 가지며, 고밀도의 성형체 제조를 위한 비교적 간단한 공정의 개발이 필요로 하다.Therefore, it is necessary to develop a relatively simple process for producing a high-density molded body having a low CTE value.
따라서 본 발명은 기존 등방흑연 제조 기술에서 등방 혹은 침상코크스를 기반으로 바인더 피치 및 함침피치를 다량 사용하여 성형체를 제조하게 됨에 따라, 제한적인 흑연화도에 의한 높은 열팽창계수(CTE)값을 가지며 복잡한 제조공정을 거쳐야 하는 단점을 해결하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a method of producing a molded article by using a large amount of binder pitch and impregnation pitch based on isotropic or needle-shaped coke in the conventional isotropic graphite manufacturing technology, and thus has a high CTE value due to limited graphitization degree, And solve the disadvantages of the process.
상기한 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 구현예에 따르면, 구상 천연 흑연을 준비하는 단계, 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계, 상기 흑연-피치 혼합 분말을 미가공 성형체로 성형하는 단계, 상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계, 및 상기 미가공 성형체를 흑연화하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a graphite-pitch mixture powder, comprising the steps of: preparing spherical natural graphite; mixing the spherical natural graphite and a binder pitch to prepare a graphite- A step of carbonizing the green compact, and a step of graphitizing the green compact. The present invention also provides a method of manufacturing an isotropic graphite compact.
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 바인더 피치를 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 15 중량%로 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the graphite-pitch mixed powder may include adding the binder pitch in an amount of 5 to 15% by weight based on the total weight of the spherical natural graphite.
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 바인더 피치를 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the graphite-pitch mixed powder may include adding the binder pitch in an amount of 5 to 10 wt% based on the total weight of the spherical natural graphite.
상기 흑연화 단계는 2400℃ 이상 2800℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함할 수 있다.The graphitization step may include a heat treatment step performed at a temperature of 2400 DEG C or higher and 2800 DEG C or lower.
상기 흑연화 단계는 상기 온도 범위 내에서 2℃/min 이하의 속도로 승온하는 과정을 포함할 수 있다.The graphitization step may include a step of raising the temperature within the above temperature range at a rate of 2 DEG C / min or less.
상기 흑연화 단계는 승온된 최대 온도를 4시간 내지 6시간동안 유지시킬 수 있다.The graphitization step can maintain the elevated maximum temperature for 4 to 6 hours.
상기 흑연화 단계는 2500℃ 이상 2700℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함할 수 있다.The graphitization step may include a heat treatment step performed at a temperature of 2500 DEG C or more and 2700 DEG C or less.
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치의 혼합물을 14 내지 18 ㎛의 입도로 해쇄하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the graphite-pitch mixed powder may include crushing the mixture of the spherical natural graphite and the binder pitch to a particle size of 14 to 18 탆.
상기 성형 단계는 상기 흑연-피치 혼합 분말을 몰딩(molding)시키는 단계를 포함할 수 있다.The forming step may include molding the graphite-pitch mixed powder.
상기 몰딩은 150MPa 이상의 압력 조건에서 진행될 수 있다.The molding may be carried out under a pressure condition of 150 MPa or more.
상기 성형 단계는 냉간 정수압 성형법(Cold Isostatic Press, CIP)에 따른 것일 수 있다.The forming step may be performed according to a cold isostatic press (CIP).
상기 탄화 단계는 900℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함할 수 있다.The carbonization step may include a heat treatment step performed at a temperature of 900 ° C to 1300 ° C.
상기 탄화 단계에서의 열처리는 질소(N2) 분위기 하에서 진행될 수 있다. The heat treatment in the carbonization step may be performed in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.
상기 탄화 단계에서의 열처리는 상기 온도 범위 내에서 2℃/min로 승온하는 과정을 포함할 수 있다.The heat treatment in the carbonization step may include a step of raising the temperature to 2 [deg.] C / min within the temperature range.
상기 탄화 단계에서의 열처리는 4시간 내지 6시간 동안 진행될 수 있다.The heat treatment in the carbonization step may be carried out for 4 to 6 hours.
상기 구상 천연 흑연은 탭 밀도(Tap density)가 0.87 g/cm3, 라만 피크 강도비(IG/ID)가 20, BET 비표면적이 5.5 m2/g, 그리고 입도가 16.7 ㎛일 수 있다.The spherical natural graphite may have a tap density of 0.87 g / cm 3 , a Raman peak intensity ratio (I G / I D ) of 20, a BET specific surface area of 5.5 m 2 / g, and a particle size of 16.7 탆 .
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 방법들에 의해 제조된 등방흑연 성형체를 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided an isotropic graphite molded body produced by the above-described methods.
상기 등방흑연 성형체는 밀도가 1.7g/cc 이상일 수 있다.The isotropic graphite compact may have a density of 1.7 g / cc or more.
상기 등방흑연 성형체는 수평 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하일 수 있다.The isotropic graphite compact may have a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm / DEG C or less.
상기 등방흑연 성형체는 수직 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하일 수 있다.The isotropic graphite compact may have a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm / DEG C or less.
본 발명에 따르면, 비교적 낮은 온도에서도 고밀도와 낮은 열충격성을 가지는 등방흑연 성형체를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to produce an isotropic graphite compact having high density and low thermal shock even at a relatively low temperature.
도 1은 본 발명에 따른 등방흑연 성형체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 등방흑연 성형체의 제조에 사용되는 구상 천연흑연의 외관을 나타내는 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 등방흑연 성형체의 제조에 사용되는 구상 천연흑연의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 등방흑연 성형체의 크기를 보여주는 사진이다.1 is a flow chart for explaining a method for producing an isotropic graphite molded body according to the present invention.
Fig. 2 is a microscope photograph showing the appearance of spherical natural graphite used for producing the isotropic graphite molded article of the present invention.
3 is a photomicrograph showing a cross section of spherical natural graphite used for producing the isotropic graphite compact of the present invention.
4 is a photograph showing the size of the isotropic graphite molded body manufactured according to the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 등방흑연 성형체 및 그 제조 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, the isotropic graphite formed body and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 등방흑연 성형체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 등방흑연 성형체의 제조에 사용되는 구상 천연흑연의 외관을 나타내는 현미경 사진이며, 도 3은 본 발명의 등방흑연 성형체의 제조에 사용되는 구상 천연흑연의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of producing an isotropic graphite molded body according to the present invention, FIG. 2 is a photograph of a microscope showing the appearance of spherical natural graphite used for producing the isotropic graphite molded body of the present invention, Is a micrograph showing a cross section of spherical natural graphite used in the production of an isotropic graphite compact of the invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 등방흑연 성형체의 제조 방법은 구상 천연 흑연을 준비하는 단계(S100), 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계 (S102), 상기 흑연-피치 혼합 분말을 미가공 성형체로 성형하는 단계(S104), 상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계(S106), 및 상기 미가공 성형체를 흑연화하는 단계(S108)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the method for producing an isotropic graphite molded body according to the present invention comprises the steps of preparing spherical natural graphite (S100), mixing the spherical natural graphite and binder pitch to prepare a graphite- S102), forming the graphite-pitch mixed powder into a green compact (S104), carbonizing the green compact (S106), and graphitizing the green compact (S108).
구상 천연 흑연을 준비하는 단계(S100)는 천연 흑연을 강한 회전력으로 가공하여 분쇄하여 구상의 입자 형태인 천연 흑연을 제조하는 단계를 포함한다. The step (S100) of preparing the spherical natural graphite includes a step of producing natural graphite in the form of spherical particles by crushing the natural graphite with a strong rotational force.
이렇게 형성한 천연 흑연은 도 2에서와 같은 구상 입자 형태를 가지며, 이의 단면은 도 3에 나타낸 바와 같다.The natural graphite thus formed has a spherical particle shape as shown in Fig. 2, and its cross section is as shown in Fig.
상기 구상 천연 흑연은 탭 밀도(Tap density)가 0.87 g/cm3, 라만 피크 강도비(IG/ID)가 20, BET 비표면적이 5.5 m2/g, 그리고 입도가 16.7 ㎛일 수 있다.The spherical natural graphite may have a tap density of 0.87 g / cm 3 , a Raman peak intensity ratio (I G / I D ) of 20, a BET specific surface area of 5.5 m 2 / g, and a particle size of 16.7 탆 .
이어서 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계를 거친다(S102). Next, the spherical natural graphite and the binder pitch are mixed to prepare a graphite-pitch mixed powder (S102).
상기 바인더 피치는 퀴놀린 불용분 (quinoline-insoluble) 함량이 5% 미만이고 연화점이 약 250℃인 것을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 바인더 피치에 대하여 1000℃까지의 N2 분위기에서 진행한 탄화수율은 약 67% 수준일 수 있다. The binder pitch may have a quinoline-insoluble content of less than 5% and a softening point of about 250 ° C, but is not limited thereto. The carbonization yield in the N 2 atmosphere up to 1000 ° C with respect to the binder pitch may be about 67%.
상기 흑연-피치 혼합 분말의 제조 단계(S102)는 상기 바인더 피치와 상기 구상 천연 흑연을 혼합하여, 상기 바인더 피치를 상기 구상 천연 흑연의 표면에 코팅시키는 단계를 포함한다. The step (S102) of preparing the graphite-pitch mixed powder includes mixing the binder pitch and the spherical natural graphite, and coating the binder pitch on the surface of the spherical natural graphite.
이 때 상기 바인더 피치는 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 15 중량%로 첨가할 수 있다. 상기 바인더 피치를 15 중량%를 초과하여 첨가하는 경우 상기 바인더 피치의 코팅층이 두꺼워짐에 따라 공정 중에 형성되는 탄소 및 인조 흑연 성분들이 증가되고, 이로 인해 압축률이 감소되어 고밀도 형성에 불리해지는 단점이 있다. 상기 바인더 피치를 5 중량% 미만으로 첨가하는 경우 원하는 수준의 피치 코팅 효과를 확보할 수 없다. 상기 바인더 피치는 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 첨가하는 것이 더 바람직하다. At this time, the binder pitch may be added in an amount of 5 to 15% by weight based on the total weight of the spherical natural graphite. When the binder pitch is added in excess of 15 wt%, carbon and artificial graphite components formed during the process increase as the coating layer of the binder pitch becomes thicker, resulting in a decrease in the compression ratio, which is disadvantageous for high density formation . When the binder pitch is less than 5 wt%, it is impossible to obtain a desired level of pitch coating effect. The binder pitch is more preferably 5 to 10 wt% based on the total weight of the spherical natural graphite.
상기 흑연-피치 혼합 분말의 제조 단계(S102)는 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치의 혼합물을 해쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 해쇄는 핀 밀(pin-mill) 및/또는 제트 밀(jet-mill)을 사용하여 상기 혼합물을 약 14 내지 18 ㎛의 입도로 해쇄시킬 수 있다. 상기 범위로 해쇄시키는 경우 제조되는 등방흑연 성형체가 원하는 수준의 밀도를 확보할 수 있다. 상기 흑연-피치 혼합 분말은 약 16㎛ 수준의 입도를 가지는 것이 가장 바람직하다.The step of producing the graphite-pitch mixed powder (S102) may include a step of crushing the mixture of the spherical natural graphite and the binder pitch. The crushing can be performed using a pin-mill and / or a jet-mill to crush the mixture to a particle size of about 14 to 18 μm. When the isotropic graphite compact is shredded to the above-mentioned range, the isotropic graphite compact which is produced can secure a desired level of density. It is most preferable that the graphite-pitch mixed powder has a particle size of about 16 mu m.
상기 흑연-피치 분말이 제조되면 이를 미가공 성형체로 성형하는 단계(S104)를 거친다.When the graphite-pitch powder is produced, it is molded (S104) into a green compact.
상기 성형 단계는 상기 흑연-피치 혼합 분말을 몰딩(molding)시키는 단계를포함할 수 있다. 상기 흑연-피치 분말을 성형 몰드에 충진한 후, 압착(press) 공정을 통해 성형체를 형성할 수 있게 된다. 이 때 상기 몰딩은 150MPa 이상의 압력 조건에서 진행되는 것이 바람직하다. 상기 몰딩이 150MPa 미만에서 진행되는 경우 등방흑연 성형체가 원하는 수준의 밀도를 확보하기 어렵다. The forming step may include molding the graphite-pitch mixed powder. After the graphite-pitch powder is filled in a molding mold, a molded body can be formed through a press process. At this time, the molding preferably proceeds under a pressure of 150 MPa or more. When the molding progresses at less than 150 MPa, it is difficult to ensure a desired level of density of the isotropic graphite molded body.
상기 성형 단계는 냉간 정수압 성형법(Cold Isostatic Press, CIP)에 따라 진행될 수 있다. The molding step may be performed according to a cold isostatic press (CIP).
상기 성형 단계가 완료되면 이어서 상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계(S106)를 거친다. After the molding step is completed, the step of carbonizing the green compact (S106) is performed.
상기 탄화 단계는 상기 미가공 성형체를 N2 분위기에서 900 내지 1300℃ 이하에서 5시간 열처리를 통하여 코크스의 탄소화 공정을 진행할 수 있다. 900℃이하에서 탄소화 시킬 경우, 탄소질 내에 탄화반응이 충분히 거치지 않은 성분들로 인해 흑연화 공정 중 승화성분이 많이 발생하게 되어 흑연화 설비에 악영향을 끼친다. 한편 1300℃ 이상의 열처리에서는 별도의 발열체의 사용이 필요하게 되어 탄화공정의 제약을 가져오게 된다. 상기 탄화 단계의 승온 속도는 2℃/min로 할 수 있다. In the carbonization step, the green compact may be subjected to a carbonization process of coke through heat treatment in an N 2 atmosphere at 900 to 1300 ° C or less for 5 hours. When carbonized at a temperature of 900 ° C or less, sublimation components are generated during the graphitization process due to components which are not sufficiently carbonized in the carbonaceous material, which adversely affects the graphitization equipment. On the other hand, in the heat treatment of 1300 ° C or more, it is necessary to use a separate heating element, which results in restriction of the carbonization process. The rate of temperature rise in the carbonization step can be set at 2 DEG C / min.
상기 탄화 단계가 완료되면 흑연화 단계(S108)를 거친다. When the carbonization step is completed, a graphitization step (S108) is performed.
상기 흑연화 단계는 2400℃ 이상 2800℃ 이하의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 범위 내인 경우 충분한 흑연화 효과를 달성할 수 있다. 상기 범위 중에서도 2500℃ 이상 2700℃ 이하의 온도에서 진행되는 것이 더 바람직하며, 그 중에서도 예컨대 2600℃일 수 있다.The graphitization step may be performed at a temperature of 2400 DEG C or higher and 2800 DEG C or lower. Within the above range, a sufficient graphitizing effect can be achieved. It is more preferable that the temperature is in the range of 2500 ° C to 2700 ° C, and may be, for example, 2600 ° C.
상기 흑연화 단계는 상기 온도 범위 내에서 2℃/min 이하의 속도로 승온할 수 있다. 승온 속도가 2℃/min를 넘을 경우, 성형체의 균열이 진행될 수 있으므로 최대 승온속도가 2℃/min이하로 제한되는 것이 바람직하다. 상기 흑연화 단계는 승온된 최대 온도를 4시간 내지 6시간동안 유지시킬 수 있으며, 예컨대 최대 승온 상태를 약 5시간 가량 유지시킬 수 있다. The graphitization step may raise the temperature at a rate of 2 DEG C / min or less within the above temperature range. When the rate of temperature rise exceeds 2 DEG C / min, cracking of the formed body may proceed, so that the maximum rate of temperature rise is preferably limited to 2 DEG C / min or less. The graphitization step can maintain the elevated maximum temperature for 4 to 6 hours, for example, maintain the maximum elevated temperature for about 5 hours.
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 방법에 따라 제조된 등방흑연 성형체를 제공할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, an isotropic graphite molded body manufactured according to the above method can be provided.
상기 등방흑연 성형체는 밀도가 1.7g/cc 이상일 수 있다. The isotropic graphite compact may have a density of 1.7 g / cc or more.
상기 등방흑연 성형체는 수평 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하이고, 수직 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하일 수 있다. The isotropic graphite compact may have a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm / ° C or less and a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm / ° C or less.
본 발명에 따른 등방흑연 성형체는 높은 결정화도 및 높은 압축률을가지는 천연흑연의 구상조립분말을 원료로 사용하고, 각 구상 흑연 입자의 표면을 바인더 피치로 코팅시킨 후, CIP 공정 및 탄화/흑연화 공정을 적용하여 제조되는 것이다. 이 때 압축률이 높은 흑연 입자 내부 기공은 CIP 공정을 통해 감소되게 되고, 이에 따라 높은 성형밀도의 등방흑연 성형체를 제조할 수 있게 된다. The isotropic graphite compact according to the present invention is produced by using spherical granulated powder of natural graphite having high crystallinity and high compressibility as raw materials and coating the surface of each spherical graphite particle with binder pitch and then performing CIP process and carbonization / . At this time, the pores in the graphite particles having a high compression ratio are reduced through the CIP process, so that an isotropic graphite compact having a high molding density can be produced.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더 자세히 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명을 더 구체적으로 설명하기 위한 일 예시이고, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example 1 One
(1) 구상 천연 흑연 및 바인더 피치의 준비(1) Preparation of spherical natural graphite and binder pitch
탭 밀도(Tap density)가 0.87 g/cm3, 라만 피크 강도비(IG/ID)가 20, BET 비표면적이 5.5 m2/g, 그리고 입도가 16.7 ㎛인 구상 천연 흑연을 준비하였다.A natural graphite having a tap density of 0.87 g / cm 3 , a Raman peak intensity ratio (I G / I D ) of 20, a BET specific surface area of 5.5 m 2 / g, and a particle size of 16.7 μm was prepared.
이어서 퀴놀린 불용분 (quinoline-insoluble) 함량이 5% 미만이고 연화점이 250℃인 바인더 피치를 준비하였다. 상기 바인더 피치에 대하여 1000℃까지의 N2 분위기에서 진행한 탄화수율은 약 67% 수준이었다. Subsequently, a binder pitch having a quinoline-insoluble content of less than 5% and a softening point of 250 DEG C was prepared. The yield of carbonization in the N 2 atmosphere up to 1000 ° C with respect to the binder pitch was about 67%.
(2) 전처리 공정 (흑연-피치 혼합)(2) Pretreatment process (graphite-pitch mixing)
그 후 상기 구상 천연 흑연와 바인더 피치의 혼합분말을 1kg 교반기에 넣고 THF 1L를 투입한 후, 피치 성분을 용해시켜 흑연 분말과 혼합하였다. 1시간 액상 교반을 유지하면서 70℃로 가열을 해주어 THF를 증류시켰다. 이 과정을 통해서 제조된 피치-흑연 혼합분말 응집체는 핀밀 및 제트밀을 이용하여 해쇄 과정을 거쳐 상기 천연 흑연 분말의 입도인 16㎛ 수준으로 분쇄시켰다.Then, the mixed powder of the spherical natural graphite and the binder pitch was put into a 1 kg stirrer and 1 L of THF was added, and then the pitch component was dissolved and mixed with the graphite powder. THF was distilled by heating at 70 DEG C while maintaining the liquid stirring for 1 hour. The aggregates of pitch-graphite mixed powders prepared through this process were pulverized to a particle size of 16 탆 which is the particle size of the natural graphite powder through a finishing process using a pin mill and a jet mill.
이 때 상기 구상 천연 흑연의 바인더 피치의 혼합비는 흑연:피치=100:5(중량비)로 하였다.At this time, the mixing ratio of the binder pitch of the spherical natural graphite was set to graphite: pitch = 100: 5 (weight ratio).
(3) 성형 공정 ((3) Molding process ( CIPCIP ))
상기에서 제조된 혼합분말을 성형 몰드에 충진한 후, 프레스 공정을 통해서 성형체를 제조하였다. 이때 적용된 몰딩 압력은 150MPa 수준으로 고정하였다. 상기 성형 공정에서는 냉간정수압성형을 적용하였다.The mixed powder thus prepared was filled in a molding mold, and then a molded body was produced through a pressing process. In this case, the applied molding pressure was fixed at 150 MPa. In the molding step, cold isostatic pressing was applied.
(4) (4) 흑연화Graphitization 공정 fair
탄화를 마친 성형체에 대하여 2600℃에서 흑연화를 진행하여 등방흑연 성형체를 제조하였다. 이 때 상기 흑연화는 승온 속도는 2℃/min로 하였으며, 2600℃에서 약 5시간 가량 지속시켰다.
The graphitized green body was subjected to graphitization at 2600 ° C to prepare an isotropic graphite body. At this time, the graphitization was performed at a heating rate of 2 ° C / min and continued at 2600 ° C for about 5 hours.
실시예Example 2 2
상기 구상 천연 흑연의 바인더 피치의 혼합비를 흑연:피치=100:10 (중량비)으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 등방흑연 성형체를 제조하였다.
An isotropic graphite molded body was produced in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of the binder pitch of the spherical natural graphite was changed to graphite: pitch = 100: 10 (weight ratio).
실시예Example 3 3
상기 구상 천연 흑연의 바인더 피치의 혼합비를 흑연:피치=100:15 (중량비)으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 등방흑연 성형체를 제조하였다.
The isotropic graphite molded body was produced in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of the binder pitch of the spherical natural graphite was changed to graphite: pitch = 100: 15 (weight ratio).
실시예Example 4 4
상기 구상 천연 흑연의 바인더 피치의 혼합비를 흑연:피치=100:20 (중량비)으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 등방흑연 성형체를 제조하였다.
The isotropic graphite molded body was produced in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of the binder pitch of the spherical natural graphite was changed to graphite: pitch = 100: 20 (weight ratio).
비교예Comparative Example 1 One
상기 구상 천연 흑연 대신 등방 코크스를 적용하고, 상기 등방 코크스 총 중량에 대하여 상기 바인더 피치를 20 중량%로 첨가하여 혼합 분말의 입도를 5㎛ 수준으로 분쇄하여 사용하였고, 흑연화를 3000℃의 온도에서 진행하였다. 그 외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 흑연 성형체를 제조하였다(등방코크스:피치=100:20(중량비)).
The isotropic coke was used instead of the spherical natural graphite, and the binder pitch was added to the isotope coke at 20 wt% based on the total weight of the isotropic coke, and the particle size of the mixed powder was pulverized to a level of 5 탆. Graphitization was performed at a temperature of 3000 캜 . The other conditions were the same as in Example 1 to prepare a graphite compact (isotropic coke: pitch = 100: 20 (weight ratio)).
상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1에서 적용된 조성 및 흑연화 온도는 하기와 같다. The composition and graphitization temperature applied in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are as follows.
평가 1: Rating 1: XRDXRD 분석 analysis
상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 흑연 성형체에 대하여 XRD 분석을 실시하여, 제조된 성형체의 흑연화 진행 정도를 비교하였다. XRD analysis was carried out on the graphite formed bodies according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, and the degree of progress of graphitization of the formed bodies was compared.
그 결과는 하기 표 2와 같다.The results are shown in Table 2 below.
상기의 표 2를 참고하면, 피치 사용량을 20 중량% 적용한 실시예 2는 2600℃에서 흑연화를 진행하였음에도 불구하고 등방 코크스를 같은 함량으로 적용한 비교예 1과 비교하여 우수한 결정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. Referring to the above Table 2, it was confirmed that Example 2, in which the amount of pitch used was 20% by weight, had excellent crystallinity as compared with Comparative Example 1 in which isotropic coke was applied in the same amount in spite of graphitization at 2600 ° C there was.
한편, 실시예 1 내지 4에서 피치의 함량이 증가될수록 피치의 흑연화에 의해 제조된 흑연의 등방성으로 인해 결정화도가 감소하는 경향이 있음을 확인할 수 있었다.
On the other hand, it was confirmed that as the content of pitch increases in Examples 1 to 4, the crystallinity tends to decrease due to the isotropy of graphite produced by graphitization of pitch.
평가 2: 물성 비교Evaluation 2: Comparison of physical properties
상기 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 흑연 성형체에 대하여 밀도, 수평 휨강도, 수직 휨강도, 강도 이방비, 수평 CTE, 수직 CTE 및 CTE 이방비를 평가하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다.The density, horizontal bending strength, vertical bending strength, strength anisotropy ratio, horizontal CTE, vertical CTE and CTE anisotropy of the graphite moldings according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were evaluated, and the results are shown in Table 3 below.
(g/cc)density
(g / cc)
휨강도
(MPa)level
Flexural strength
(MPa)
휨강도
(MPa)Perpendicular
Flexural strength
(MPa)
이방비
(수직/수평)burglar
Anger
(Vertical / horizontal)
CTE
(ppm/℃)level
CTE
(ppm / DEG C)
CTE
(ppm/℃)Perpendicular
CTE
(ppm / DEG C)
이방비CTE
Anger
상기의 표 3을 참고하면, 실시예 1 내지 4에서 피치의 함량이 증가될수록 흑연 성형체의 밀도가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 피치의 함량이 많을수록, 천연흑연 표면에 코팅층이 두꺼워 짐에 따라서 공정 중에 형성되는 탄소 및 인조흑연 성분들이 증가되고 이로 인해 압축률이 감소되어 고밀도 형성에 불리해진 것에 기인한 것으로 이해된다.Referring to Table 3, it can be seen that as the content of pitch increases in Examples 1 to 4, the density of the graphite compact tends to decrease. It is understood that the larger the content of the pitch is, the thicker the coating layer on the natural graphite surface, the more carbon and artificial graphite components formed in the process are increased and the compression ratio is decreased, resulting in a higher density formation.
또한 실시예 1 내지 4에 따른 성형체는 비교예 1에 따른 성형체와 비교하여 밀도가 우수할 뿐만 아니라, 낮은 CTE 값을 가지므로 열충격성 또한 우수함을 확인할 수 있다.
In addition, it can be confirmed that the molded bodies according to Examples 1 to 4 are superior in density as compared with the molded bodies according to Comparative Example 1, and have a low CTE value, which is also excellent in thermal shock resistance.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the following claims. Those who are engaged in the technology field will understand easily.
Claims (20)
상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계,
상기 흑연-피치 혼합 분말을 미가공 성형체로 성형하는 단계,
상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계, 및
상기 미가공 성형체를 흑연화하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법이고,
상기 방법에 따라 제조된 등방흑연 성형체는, 밀도가 1.7g/cc 이상이고, 수평 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하인 것인,
등방흑연 성형체의 제조 방법
Preparing spherical natural graphite,
Mixing the spherical natural graphite and the binder pitch to prepare a graphite-pitch mixed powder,
Molding the graphite-pitch mixed powder into an unformed body,
Carbonizing the green compact; and
And graphitizing the green compact, the method comprising the steps of:
The isotropic graphite compact produced according to the above method has a density of 1.7 g / cc or more and a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm /
Method of manufacturing isotropic graphite compact
상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치를 혼합하여 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계,
상기 흑연-피치 혼합 분말을 미가공 성형체로 성형하는 단계,
상기 미가공 성형체를 탄화하는 단계, 및
상기 미가공 성형체를 흑연화하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법이고,
상기 방법에 따라 제조된 등방흑연 성형체는, 밀도가 1.7g/cc 이상이고, 수직 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)가 0.8 ppm/℃ 이하인 것인,
등방흑연 성형체의 제조 방법
Preparing spherical natural graphite,
Mixing the spherical natural graphite and the binder pitch to prepare a graphite-pitch mixed powder,
Molding the graphite-pitch mixed powder into an unformed body,
Carbonizing the green compact; and
And graphitizing the green compact, the method comprising the steps of:
The isotropic graphite compact produced according to the above method has a density of 1.7 g / cc or more and a coefficient of thermal expansion (CTE) of 0.8 ppm /
Method of manufacturing isotropic graphite compact
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 바인더 피치를 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 15 중량%로 첨가하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the step of preparing the graphite-pitch mixed powder comprises the step of adding the binder pitch in an amount of 5 to 15% by weight based on the total weight of the spherical natural graphite.
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 바인더 피치를 상기 구상 천연 흑연의 총 중량에 대하여 5 내지 10 중량%로 첨가하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.4. The method of claim 3,
Wherein the step of preparing the graphite-pitch mixed powder comprises the step of adding the binder pitch in an amount of 5 to 10% by weight based on the total weight of the spherical natural graphite.
상기 흑연화 단계는 2400℃ 이상 2800℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the graphitization step comprises a heat treatment step carried out at a temperature of 2400 DEG C or higher and 2800 DEG C or lower.
상기 흑연화 단계는 상기 온도 범위 내에서 2℃/min 이하의 속도로 승온하는 과정을 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 5,
Wherein the graphitization step includes a step of raising the temperature at a rate of 2 DEG C / min or less within the temperature range.
상기 흑연화 단계는 승온된 최대 온도를 4시간 내지 6시간동안 유지시키는 과정을 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 6,
Wherein the graphitization step comprises maintaining the elevated maximum temperature for 4 hours to 6 hours.
상기 흑연화 단계는 2500℃ 이상 2700℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 5,
Wherein the graphitization step comprises a heat treatment step carried out at a temperature of 2500 DEG C or more and 2700 DEG C or less.
상기 흑연-피치 혼합 분말을 제조하는 단계는 상기 구상 천연 흑연과 바인더 피치의 혼합물을 14 내지 18 ㎛의 입도로 해쇄하는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the step of preparing the graphite-pitch mixed powder includes a step of crushing the mixture of the spherical natural graphite and the binder pitch to a particle size of 14 to 18 占 퐉.
상기 성형 단계는 상기 흑연-피치 혼합 분말을 몰딩(molding)시키는 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the forming step comprises molding the graphite-pitch mixed powder.
상기 몰딩은 150MPa 이상의 압력 조건에서 진행되는 등방흑연 성형체의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the molding is performed under a pressure of 150 MPa or more.
상기 성형 단계는 냉간 정수압 성형법(Cold Isostatic Press, CIP)에 따른 것인 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the forming step is performed according to a cold isostatic press (CIP).
상기 탄화 단계는 900℃ 이상 1300℃ 이하의 온도에서 진행되는 열처리 단계를 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the carbonization step comprises a heat treatment step carried out at a temperature of 900 ° C or higher and 1300 ° C or lower.
상기 탄화 단계에서의 열처리는 질소(N2) 분위기 하에서 진행되는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 13,
Wherein the heat treatment in the carbonization step proceeds in an atmosphere of nitrogen (N 2 ).
상기 탄화 단계에서의 열처리는 상기 온도 범위 내에서 2℃/min로 승온하는 과정을 포함하는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 13,
Wherein the heat treatment in the carbonization step includes a step of raising the temperature to 2 占 폚 / min within the temperature range.
상기 탄화 단계에서의 열처리는 4시간 내지 6시간 동안 진행되는 등방흑연 성형체의 제조 방법.The method of claim 13,
Wherein the heat treatment in the carbonization step is performed for 4 hours to 6 hours.
상기 구상 천연 흑연은 탭 밀도(Tap density)가 0.87 g/cm3, 라만 피크 강도비(IG/ID)가 20, BET 비표면적이 5.5 m2/g, 그리고 입도가 16.7 ㎛인 등방흑연 성형체의 제조 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The spherical natural graphite had isotropic graphite with a tap density of 0.87 g / cm 3 , a Raman peak intensity ratio (I G / I D ) of 20, a BET specific surface area of 5.5 m 2 / g and a particle size of 16.7 μm A method of manufacturing a molded article.
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