KR101645347B1 - 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 핏치를 소정 직경의 분무홀을 통하여 핏치 입자로 분무하기 위한 분무 노즐을 가진 핏치 반응조, 상기 핏치 반응조의 외측에 설치되어 상기 핏치 반응조를 가열하여 상기 핏치를 용융시켜 주기 위한 가열기, 상기 가열기와 연결되어 상기 가열기의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기, 상기 핏치 반응조의 하부에 설치되어 상기 분무 노즐을 통해 분무된 핏치 입자가 통과되는 메쉬 스크린(mesh screen), 상기 핏치 반응조 및 상기 메시 스크린과 연결되고 일정한 크기의 전압레벨의 직류 전류를 상기 핏치 반응조와 상기 메시 스크린에 인가하는 고전압 발생기, 및 상기 메쉬 스크린의 하부에 설치되고, 상기 메쉬 스크린을 통과한 핏치 입자를 회수하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하기 위한 용매조를 포함한다.

Description

이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법{DEVICE FOR producing anisotropic micro carbon spheres, AND THE Method}
본 발명은 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융 전기 분무에 의하여 광학적 이방성 특성을 지닌 수 내지 수십 마이크론 크기의 구형 형태의 탄소체 입자를 연속적으로 간단하면서도 저렴하게 제조할 수 있는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
광학 이방성 구형 탄소재료(Optically anisotropic spherical carbon material)는 일반적으로 메조카본 마이크로비드(MCMB: meso carbon micro bead)로 통칭되는 흑연화가 가능한 탄소체 분자들이 일정한 규칙으로 적층되어 이루어진 구형 입상 물질로 독특한 구조에 기인한 특성으로 인하여 리튬이차전지용 음극재 등에 적용되고 있다.
종래에는, 이러한 MCMB 형태의 입자를 제조하기 위해서는 석유계 또는 석탄계 등방성 핏치를 가열, 핏치 내 분자간의 중합/축합 등에 의해 분자체가 일정한 규칙성을 지니며 적층된 이방성 탄소 구체(mesogen)을 발생시킨 후, 유기 용매 등을 이용한 추출, 또는 디켄팅(decanting), 또는 고속 고온 원심 분리하여 MCMB를 수득하는 공정을 사용하는 것이 일반적이다.
그러나, 이러한 종래의 공정을 사용하는 경우 제조 수율이 높지 않고 분리 및 추출 등의 공정이 복잡하며 비용이 많이 소요되어 제조되는 제품의 가격 경쟁력이 감소하는 문제가 있었다.
본 발명은 용융 전기 분무에 의하여 광학적 이방성 특성을 지닌 수 내지 수십 마이크론 크기의 구형 형태의 탄소체 입자를 연속적으로 간단하면서도 저렴하게 제조할 수 있는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 핏치를 소정 직경의 분무홀을 통하여 핏치 입자로 분무하기 위한 분무 노즐을 가진 핏치 반응조,
상기 핏치 반응조의 외측에 설치되어 상기 핏치 반응조를 가열하여 상기 핏치를 용융시켜 주기 위한 가열기,
상기 가열기와 연결되어 상기 가열기의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기,
상기 핏치 반응조의 하부에 설치되고 상기 핏치 반응조에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물,
상기 핏치 반응조 및 상기 전극 구조물과 연결되고 일정한 크기의 전압레벨의 직류 전류를 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가하는 고전압 발생기, 및
상기 핏치 반응조의 분무 노즐을 통해 분무된 핏치 입자를 회수하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하기 위한 용매조를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치가 제공될 수 있다.
상기 가열기와 상기 가열기의 온도조절기 사이에 배치되어, 상기 핏치 반응조에 인가되는 고전압이 상기 가열기의 온도조절기로 전달되지 않게 차폐하는 고전압 트랜스포머를 포함할 수 있다.
상기 전극 구조물은 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)으로 이루어지거나 상기 용매조의 일부에 형성될 수 있다.
상기 용매조는 상기 전극 구조물의 상부 또는 하부에 설치될 수 있다.
상기 핏치 반응조의 내부에는 핏치를 교반하기 위한 교반기가 설치될 수 있다.
상기 분무 노즐의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가질 수 있다.
상기 용매조에는 상기 용매조에 초음파 진동을 발생하기 위한 초음파 발진기 및, 상기 초음파 발진기를 조절하기 위한 조절기가 설치될 수 있다.
상기 핏치 반응조에는 상기 핏치 반응조 내의 분무 단계에 용융된 핏치의 온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 비접촉식 온도측정센서 또는 고전압의 직류 전압의 영향을 받지 않는 온도측정센서가 함께 구비될 수 있다.
상기 핏치 반응조에는 상기 핏치 반응조 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 설비가 구비될 수 있다.
상기 분무 노즐과 상기 전극 구조물 사이의 거리는 2 ~ 50cm만큼 이격될 수 있다.
상기 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 핏치 반응조의 내에 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 이방성 핏치를 공급하는 핏치 공급 단계,
가열기에 의하여 상기 핏치 반응조를 가열하여 상기 핏치 반응조 내의 핏치를 핏치 연화점보다 0~100℃만큼 높은 온도로 유지하여 핏치를 용융시키는 핏치 용융 단계,
상기 핏치 용융 단계의 용융 핏치를 상기 핏치 반응조의 분무 노즐의 분무홀을 통하여 핏치 입자 상태로 용매조로 분무하는 핏치 분무 단계,
상기 핏치 분무 단계와 함께 실행되고 상기 핏치 반응조와 상기 핏치 반응조에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물을 일정한 거리 이격시킨 상태에서 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물 사이에 일정한 전압 레벨의 전압을 인가하는 전압 인가 단계, 및
상기 핏치 분무 단계에서 분무된 핏치 입자를 상기 용매조에서 회수하는 핏치 입자 회수 단계를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 전극 구조물은 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)으로 이루어지거나 상기 용매조의 일부에 형성될 수 있다.
상기 용매조는 상기 전극 구조물의 상부 또는 하부에 설치될 수 있다.
상기 핏치 입자 회수 단계에서 회수된 핏치 입자를 진공 건조 및 설정된 온도에서 질소분위기에서 탄화하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하는 제조 단계를 포함할 수 있다.
상기 핏치 용융 단계는 상기 핏치 반응조 내의 핏치를 교반하기 위한 핏치 교반 단계를 포함할 수 있다.
상기 핏치 용융 단계는 상기 핏치 반응조 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 단계를 포함할 수 있다.
상기 핏치 분무 단계에서 상기 분무 노즐의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가질 수 있다.
상기 전압 인가 단계는 고전압 트랜스포머에 의하여 상기 핏치 반응조에 인가되는 전압이 상기 가열기의 온도조절기로 전달되지 않게 차폐하는 차폐 단계를 포함할 수 있다.
상기 전압 인가 단계에서 상기 분무 노즐과 상기 전극 구조물 사이의 거리는 2 ~ 50cm만큼 이격될 수 있다.
상기 전압 인가 단계에서 상기 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공될 수 있다.
상기 핏치 입자 회수 단계는 상기 용매조에 회수된 핏치 입자들이 서로 분리된 상태에 있도록 초음파 발진기에 의하여 상기 용매조에 초음파 진동을 발생하는 진동 발생 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 용융 전기 분무 방식을 사용하여 복잡하고 생산성이 낮은 기존의 용매 추출/분리 공정을 거치지 않고 핏치를 직접 용융시킨 상태에서 이방성 구형 마이크로 탄소체 혹은 등방성-이방성 이종 구조를 지닌 구형 마이크로 탄소체 입자를 연속적이고 간단하면서도 저렴하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 일부 확대도로서, (a)는 제조된 이방성 마이크로 구형 탄소체의 구조를 도시하며, (b)는 제조된 등방성 핏치가 코팅된 이방성 마이크로 구형 탄소체의 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 이방성 핏치를 전기 분무 장치를 통해 구형 형태의 이방성 탄소체로 성형 및 회수하여 이방성 탄소 구체를 연속적으로 제조하고, 공정 조건에 따라 성형되는 탄소 구체의 크기, 모양을 조절할 수 있으며, 원료 이방상 핏치 내 함께 존재하는 등방성 핏치의 함량에 따라 이방성 탄소 구체 표면에 등방성 핏치가 코팅된 코어-쉘 구조 형태로 조절될 수 있다.
이방성 핏치는 일반적으로 석유계 또는 석탄계 타르 및 저연화점 핏치를 열로 가열(300~500℃)하여, 타르 및 핏치를 구성하는 물질 중 저비점 및 저분자량 성분을 제거하고 탄화수소(hydrocarbon) 물질의 고분자화(polymerization), 축합(condensation) 등을 통한 다환 방향족(poly aromatic) 화합물로의 성장을 유도해 임계 조건 이상에서 발생한 광학적 이방성 탄소 구체(mesogen)의 성장 및 상호 합체를 통해 제조하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도로서, (a)는 제조된 이방성 마이크로 구형 탄소체의 구조를 도시하며, (b)는 제조된 등방성 핏치가 코팅된 이방성 마이크로 구형 탄소체의 구조를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치는,
석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 핏치를 소정 직경의 분무홀을 통하여 핏치 입자로 분무하기 위한 분무 노즐(7-1)을 가진 핏치 반응조(7),
상기 핏치 반응조의 외측에 설치되어 상기 핏치 반응조(7)를 가열하여 상기 핏치를 용융시켜 주기 위한 가열기(6),
상기 가열기(6)와 연결되어 상기 가열기(6)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(2),
상기 핏치 반응조(7)의 하부에 설치되고 상기 핏치 반응조(7)에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물,
상기 핏치 반응조(7) 및 상기 전극 구조물과 연결되고 일정한 크기의 전압레벨의 직류 전류를 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물에 인가하는 고전압 발생기(9), 및
상기 핏치 반응조(7)의 분무 노즐(7-1)을 통해 분무된 핏치 입자를 회수하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하기 위한 용매조(11)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가열기(6)와 상기 가열기(6)의 온도조절기(2) 사이에 배치되어, 상기 핏치 반응조(7)에 인가되는 고전압이 상기 가열기(6)의 온도조절기(2)로 전달되지 않게 차폐하는 고전압 트랜스포머(3)를 포함할 수 있다.
상기 전극 구조물은 상기 분무 노즐(7-1)을 통해 분무된 핏치 입자가 통과되고 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)(10)으로 이루어지거나, 상기 용매조(11)의 일부에 형성될 수 있다.
상기 용매조(11)는 상기 전극 구조물의 상부에 설치되거나 상기 전극 구조물의 하부에 설치될 수 있다.
상기 용매조(11)가 상기 전극 구조물의 상부에 설치되는 경우, 상기 전극 구조물과 상기 핏치 반응조(7) 사이에 위치한 용매조(11)로 인하여 고전압 발생기(9)의 전기장의 형성에 방해가 되지 않도록 설치되어야 한다.
상기 핏치 반응조(7)의 내부에는 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치에서 유래하여 제조된 이방성 핏치가 공급될 수 있다.
또한, 상기 핏치 반응조(7)의 내부에는 핏치를 교반하기 위한 교반기가 설치될 수 있다.
상기 분무 노즐(7-1)은 분무홀을 통하여 핏치 입자를 상기 핏치 반응조(7)의 하부로 분무할 수 있도록 상기 핏치 반응조(7) 하부에 설치될 수 있다
상기 분무 노즐의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가질 수 있다.
상기 분무 노즐과 상기 메쉬 스크린(10) 사이의 거리는 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물(메쉬 스크린(10) 또는 용매조(11)) 사이에 필요한 고전압 발생을 위하여 2 ~ 50cm만큼 이격되는 것이 바람직하다.
상기 가열기(6)의 온도조절기(2)는 교류 전원부(1)에 연결될 수 있다.
상기 고전압 발생기(9)에 의하여 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물(메시 스크린(10) 또는 용매조(11))에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공될 수 있다.
상기 용매조(11)에는 분무 노즐(7-1)에 의하여 분무된 핏치 입자를 냉각하기 위한 냉각수가 저장될 수 있다.
상기 용매조(11)에는 회수된 핏치 입자들이 서로 분리된 상태에 있도록 상기 용매조(11)에 초음파 진동을 발생하기 위한 초음파 발진기(12) 및, 상기 초음파 발진기(12)의 초음파 진동을 조절하기 위한 조절기(12-1)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 핏치 반응조(7)에는 상기 핏치 반응조(7) 내의 분무 단계에 용융된 핏치의 온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 비접촉식 온도측정센서(4-1) 또는 고전압의 직류 전압의 영향을 받지 않는 온도측정센서가 함께 구비될 수 있다.
상기 핏치 반응조(7)에는 핏치가 용융되어 있는 동안 산화되어 점도가 높아지는 것을 방지하면서 적절한 압력을 유지시켜 토출되는 핏치의 양을 조절할 수 있도록 상기 핏치 반응조(7) 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 설비(8)가 구비될 수 있다.
상기 핏치 반응조(7)에는 상기 핏치 반응조(7) 내부의 온도를 측정하여 표시하기 위한 온도지시계(4)가 설치될 수 있다.
상기 핏치 반응조(7)에는 상기 핏치 반응조(7) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력계(5)가 설치될 수 있다.
상기 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치에 의하여 도 2(a)에 도시된 바와 같은 이방성 마이크로 구형 탄소체, 및 도 2(b)에 도시된 바와 같은 등방성 핏치가 코팅된 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조할 수 있다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법은, 핏치 반응조(7)의 내에 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 이방성 핏치를 공급하는 핏치 공급 단계(S10),
가열기(6)에 의하여 상기 핏치 반응조(7)를 가열하여 상기 핏치 반응조(7) 내의 핏치를 핏치 연화점보다 0~100℃만큼 높은 온도로 유지하여 핏치를 용융시키는 핏치 용융 단계(S20),
상기 핏치 용융 단계의 용융 핏치를 상기 핏치 반응조(7)의 분무 노즐(7-1)의 분무홀을 통하여 핏치 입자 상태로 용매조(11)로 분무하는 핏치 분무 단계(S30),
상기 핏치 분무 단계(S30)와 함께 실행되고 상기 핏치 반응조(7)와 상기 핏치 반응조(7)에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물을 일정한 거리 이격시킨 상태에서 고전압 발생기(9)에 의하여 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물 사이에 일정한 전압 레벨의 직류 전류를 인가하는 전압 인가 단계(S40), 및
상기 핏치 분무 단계(S30)에서 분무된 핏치 입자를 상기 용매조(11)에서 회수하는 핏치 입자 회수 단계(S50)를 포함할 수 있다.
상기 핏치 입자 회수 단계(S50)에서 회수된 핏치 입자를 건조온도(예컨대, 80℃)에서 진공 건조 및 설정된 온도(예컨대, 1000℃)에서 질소분위기에서 탄화하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하는 제조 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 구조물은 상기 분무 노즐(7-1)을 통해 분무된 핏치 입자가 통과되고 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)(10)으로 이루어지거나, 상기 용매조(11)의 일부에 형성될 수 있다.
상기 용매조(11)는 상기 전극 구조물의 상부에 설치되거나 상기 전극 구조물의 하부에 설치될 수 있다.
상기 용매조(11)가 상기 전극 구조물의 상부에 설치되는 경우, 상기 전극 구조물과 상기 핏치 반응조(7) 사이에 위치한 용매조(11)로 인하여 고전압 발생기(9)의 전기장의 형성에 방해가 되지 않도록 설치되어야 한다.
또한, 상기 핏치 용융 단계(S20)는 상기 핏치 반응조(7) 내의 핏치를 교반하기 위한 핏치 교반 단계(S21)를 포함할 수 있다.
상기 핏치 용융 단계(S20)는 상기 핏치 반응조(7) 내에 핏치가 용융되어 있는 동안 산화되어 점도가 높아지는 것을 방지하면서 적절한 압력을 유지시켜 토출되는 핏치의 양을 조절할 수 있도록 상기 핏치 반응조(7) 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 단계(S22)를 포함할 수 있다.
상기 핏치 용융 단계(S20)는 비접촉식 온도측정센서(4-1) 또는 고전압의 직류 전압의 영향을 받지 않는 온도측정센서에 의하여 상기 핏치 용융 단계에서 용융된 핏치의 온도를 실시간으로 측정하는 온도 측정 단계(S23)를 포함할 수 있다.
상기 핏치 분무 단계(S30)에서 상기 분무 노즐(7-1)의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가질 수 있다.
상기 전압 인가 단계(S40)는 고전압 트랜스포머(5)에 의하여 상기 핏치 반응조(7)에 인가되는 전압이 상기 가열기(6)의 온도조절기(2)로 전달되지 않게 차폐하는 차폐 단계(S41)를 포함할 수 있다.
상기 전압 인가 단계(S40)에서 상기 분무 노즐(7-1)과 상기 메쉬 스크린(10) 사이의 거리는 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물(메시 스크린(10) 또는 용매조(11)) 사이에 필요한 전압 발생을 위하여 2 ~ 50cm만큼 이격되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전압 인가 단계(S40)에서 상기 고전압 발생기(9)에 의하여 상기 핏치 반응조(7)와 상기 전극 구조물(메시 스크린(10) 또는 용매조(11))에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공될 수 있다.
상기 핏치 입자 회수 단계(S50)는 상기 용매조(11)에 회수된 핏치 입자들이 서로 분리된 상태에 있도록 초음파 발진기(12)에 의하여 상기 용매조(11)에 초음파 진동을 발생하는 진동 발생 단계를 포함할 수 있다.
상기 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법에 의하여 도 2(a)에 도시된 바와 같은 이방성 마이크로 구형 탄소체, 및 도 2(b)에 도시된 바와 같은 등방성 핏치가 코팅된 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조할 수 있다.
(실시예)
(1) 용매 추출법을 사용한 이방성 마이크로 구형 탄소체 제조 실험의 예
제철소 제선 공정에서 부생된 콜타르 (퀴놀린 불용분 2.8%, ASTM D2318로 측정)를 단증류 장치로 증류하여 제조한 연화점이 섭씨 35도인 소프트 핏치 (퀴놀린 불용분 3.5%, ASTM D2318로 측정) 300g과 지방족 화합물인 등유 300g을 첨가하고 섭씨 60도로 가열하며 기계식 교반기(mechanical stirrer)로 30분간 교반을 실시하였다.
이 후, 원심분리장치용 용기에 옮겨 고속 원심분리장치에서 4,000 xG의 원심력 조건으로 5분 동안 원심 분리를 실시한 후, 첨가 용매 및 침강 부분을 제외한 부분을 채취하여 용해도 분석법(ASTM D2318)으로 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 0.5%로 측정되었다. 확보한 정제 핏치 200g을 케틀(kettle) 형태의 500ml 반응기 초자에 장입하고 400℃ 온도로 5시간 가열하였다.
이와 같이, 열처리된 핏치를 반응기에서 취하여 150℃로 가열 중인 용기에 담아 용융 상태를 유지하면서 서서히 유기 용매(예: 테트라하이드로퓨란 등) 2000mL를 첨가 하고 및 기계식 교반기(mechanical stirrer)를 이용하여 4시간 동안 충분히 교반하였다.
이 후, 핏치와 유기 용매 혼합 용액을 공극이 5 마이크로 미터인 금속 재질의 메쉬 필터(mesh filter)에 가압 통과시켜 필터 망 상부로 용매 불용성인 이방성 탄소 구체를 회수하였다. 회수된 이방성 탄소구체는 200℃에서 건조 및 1000℃ 불활성 가스 분위기에서 탄화하여 최종적으로 광학적 이방성 확인이 가능한 직경이 약 5~10㎛인 구형 탄소체를 제조하였다.
(1) 전기 분무 장치를 사용한 이방성 마이크로 구형 탄소체 제조 실험의 예
[메조페이스 핏치 제조]
제철소 제선 공정에서 부생된 콜타르(퀴놀린 불용분 2.8%, ASTM D2318로 측정)를 단증류 장치로 증류하여 제조한 연화점이 섭씨 35도인 소프트 핏치 (퀴놀린 불용분 3.5%, ASTM D2318로 측정) 300g과 지방족 화합물인 등유 300g을 첨가하고 섭씨 60도로 가열하며 기계식 교반기(mechanical stirrer)로 30분간 교반을 실시하였다.
이 후, 원심분리장치용 용기에 옮겨 고속 원심분리장치에서 4,000 xG의 원심력 조건으로 5분 동안 원심 분리를 실시한 후, 첨가 용매 및 침강 부분을 제외한 부분을 채취하여 용해도 분석법(ASTM D2318)으로 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 0.5%로 측정되었다. 확보한 정제 핏치 200g을 본 발명에서 제작한 장치 중 반응조에 공급하였다. 반응조의 온도를 400℃로 높인 후 6시간을 유지하였다. 열처리 중 생성되는 이방성 탄소 구체는 서로 합체하여 최종적으로 전체 이방성을 지닌 용융 상태의 메조페이스 핏치를 얻었다.
[핏치의 전기분무를 통한 이방성 마이크로 구형 탄소체 제조]
제조 핏치를 상기와 같은 도 1의 장치를 구성하여 380℃에서 분무 노즐(7-1)과 메시 스크린(10)의 거리를 12cm로 유지하고, 핏치 반응조(7)와 메시 스크린(10)에 50kV의 직류 전압을 인가하여 분무 노즐(7-1)을 통하여 용융 핏치를 분무하였다.
이 때, 상기 분무 노즐(7-1)의 분무홀의 직경은 0.4mm이었다. 냉각수가 담긴 초음파 용매조(11)에 수득된 핏치 입자를 회수한 후 80℃ 진공 건조 및 1000℃ 질소분위기에서 탄화하여 얻어진 입자는 광학적 이방성을 지닌 마이크로 구형 탄소체 형태로 평균 직경은 약 10㎛ 이었다.
(2) 전기 분무 장치를 사용한 이종 구조(등방성+이방성) 마이크로 구형 탄소체 제조 실험의 예
[메조페이스 핏치 제조]
제철소 제선 공정에서 부생된 콜타르 (퀴놀린 불용분 2.8%, ASTM D2318로 측정)를 단증류 장치로 증류하여 제조한 연화점이 섭씨 35도인 소프트 핏치 (퀴놀린 불용분 3.5%, ASTM D2318로 측정) 300g과 지방족 화합물인 등유 300g을 첨가하고 섭씨 60도로 가열하며 기계식 교반기(mechanical stirrer)로 30분간 교반을 실시하였다.
이 후, 원심분리장치용 용기에 옮겨 고속 원심분리장치에서 4,000 xG의 원심력 조건으로 5분 동안 원심 분리를 실시한 후, 첨가 용매 및 침강 부분을 제외한 부분을 채취하여 용해도 분석법(ASTM D2318)으로 시료 중 퀴놀린 불용분을 환산 및 정량한 결과, 0.5%로 측정되었다. 확보한 정제 핏치 200g을 본 발명에서 제작한 장치 중 핏치 반응조(7)에 공급하였다. 핏치 반응조의 온도를 400℃로 높인 후 4시간을 유지하였다. 열처리 중 생성되는 이방성 탄소 구체는 부분적으로 서로 합체하여 최종적으로 등방성 핏치 매트릭스 안에 이방성 구체를 포함한 용융 상태의 부분 등방성 메조페이스 핏치를 얻었다.
[핏치의 전기분무를 통한 이방성 마이크로 구형 탄소체 제조]
제조 핏치를 상기와 같은 도 1의 장치를 구성하여 385℃에서 분무 노즐(7-1)과 메시 스크린(10)의 거리를 10cm로 유지하고, 핏치 반응조(7)와 메시 스크린(10)에 45kV의 직류 전압을 인가하여 분무 노즐(7-1)을 통하여 용융 핏치를 분무하였다.
이 때, 상기 분무 노즐(7-1)의 분무홀의 직경은 0.4mm이었다. 냉각수가 담긴 초음파 용매조(11)에 수득된 핏치 입자를 회수한 후 80℃ 진공 건조 및 1000℃ 질소분위기에서 탄화하여 얻어진 입자는 표면은 약 1㎛ 의 등방성 핏치 유래 탄화층이 코팅된 광학적 이방성을 지닌 마이크로 구형 탄소체 형태로 평균 직경은 약 12㎛ 이었다.
1: 교류전원, 2. 온도조절기
3: 고전압 트랜스포머, 4: 온도지시계
4-1 적외선 비접촉식 온도계, 5: 압력계
6: 가열기, 7: 핏치 반응조
7-1: 분무 노즐, 8: 불활성 기체 공급 설비
9: 고전압 발생기, 10: 메쉬 스크린
11: 용매조, 12: 초음파 발진기 및 조절기
13: 이방성 마이크로 구형 탄소체

Claims (22)

  1. 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 핏치를 소정 직경의 분무홀을 통하여 핏치 입자로 분무하기 위한 분무 노즐을 가진 핏치 반응조,
    상기 핏치 반응조의 외측에 설치되어 상기 핏치 반응조를 가열하여 상기 핏치를 용융시켜 주기 위한 가열기,
    상기 가열기와 연결되어 상기 가열기의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기,
    상기 핏치 반응조의 하부에 설치되고 상기 핏치 반응조에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물,
    상기 핏치 반응조 및 상기 전극 구조물과 연결되고 일정한 크기의 전압레벨의 직류 전류를 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가하는 고전압 발생기, 및
    상기 핏치 반응조의 분무 노즐을 통해 분무된 핏치 입자를 회수하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하기 위한 용매조
    를 포함하고,
    상기 용매조는 상기 전극 구조물의 하부에 설치되고,
    상기 분무 노즐의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가지고,
    상기 용매조에는 상기 용매조에 초음파 진동을 발생하기 위한 초음파 발진기 및, 상기 초음파 발진기를 조절하기 위한 조절기가 설치되고,
    상기 용매조에는 상기 분무 노즐에 의하여 분무된 핏치 입자를 냉각하기 위한 냉각수가 저장되고,
    상기 초음파 발진기는 상기 용매조의 하부에 설치되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열기와 상기 가열기의 온도조절기 사이에 배치되어, 상기 핏치 반응조에 인가되는 고전압이 상기 가열기의 온도조절기로 전달되지 않게 차폐하는 고전압 트랜스포머를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 구조물은 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)으로 이루어지거나 상기 용매조의 일부에 형성되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 핏치 반응조의 내부에는 핏치를 교반하기 위한 교반기가 설치되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 핏치 반응조에는 상기 핏치 반응조 내의 분무 단계에 용융된 핏치의 온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 비접촉식 온도측정센서 또는 고전압의 직류 전압의 영향을 받지 않는 온도측정센서가 함께 구비되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 핏치 반응조에는 상기 핏치 반응조 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 설비가 구비되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분무 노즐과 상기 전극 구조물 사이의 거리는 2 ~ 50cm만큼 이격되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 장치.
  12. 핏치 반응조의 내에 석탄계 혹은 석유계 타르 또는 저연화점 핏치로부터 제조된 이방성 핏치를 공급하는 핏치 공급 단계,
    가열기에 의하여 상기 핏치 반응조를 가열하여 상기 핏치 반응조 내의 핏치를 핏치 연화점보다 0~100℃만큼 높은 온도로 유지하여 핏치를 용융시키는 핏치 용융 단계,
    상기 핏치 용융 단계의 용융 핏치를 상기 핏치 반응조의 분무 노즐의 분무홀을 통하여 핏치 입자 상태로 용매조로 분무하는 핏치 분무 단계,
    상기 핏치 분무 단계와 함께 실행되고 상기 핏치 반응조와 상기 핏치 반응조에 인가되는 극성과 반대의 반대의 전기장을 구현할 수 있는 전기 전도도를 갖는 전극 구조물을 일정한 거리 이격시킨 상태에서 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물 사이에 일정한 전압 레벨의 전압을 인가하는 전압 인가 단계, 및
    상기 핏치 분무 단계에서 분무된 핏치 입자를 상기 용매조에서 회수하는 핏치 입자 회수 단계
    를 포함하고,
    상기 용매조는 상기 전극 구조물의 하부에 설치되고,
    상기 핏치 분무 단계에서 상기 분무 노즐의 분무홀은 용융된 피치를 핏치 입자로 분무할 수 있도록 0.1~3mm의 직경을 가지고,
    상기 핏치 입자 회수 단계는 상기 용매조에 회수된 핏치 입자들이 서로 분리된 상태에 있도록 초음파 발진기에 의하여 상기 용매조에 초음파 진동을 발생하는 진동 발생 단계를 포함하고,
    상기 용매조에는 상기 분무 노즐에 의하여 분무된 핏치 입자를 냉각하기 위한 냉각수가 저장되고,
    상기 초음파 발진기는 상기 용매조의 하부에 설치되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 구조물은 2차원적 전기장 분포가 균일하게 구현될 수 있는 메쉬 스크린(mesh screen)으로 이루어지거나 상기 용매조의 일부에 형성되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 핏치 입자 회수 단계에서 회수된 핏치 입자를 진공 건조 및 설정된 온도에서 질소분위기에서 탄화하여 이방성 마이크로 구형 탄소체를 제조하는 제조 단계를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 핏치 용융 단계는 상기 핏치 반응조 내의 핏치를 교반하기 위한 핏치 교반 단계를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 핏치 용융 단계는 상기 핏치 반응조 내에 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체 공급 단계를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 제12항, 제13항, 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 인가 단계는 고전압 트랜스포머에 의하여 상기 핏치 반응조에 인가되는 전압이 상기 가열기의 온도조절기로 전달되지 않게 차폐하는 차폐 단계를 포함하는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전압 인가 단계에서 상기 분무 노즐과 상기 전극 구조물 사이의 거리는 2 ~ 50cm만큼 이격되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전압 인가 단계에서 상기 고전압 발생기에 의하여 상기 핏치 반응조와 상기 전극 구조물에 인가되는 전압은 5 내지 100kV의 직류 전압이 제공되는 이방성 마이크로 구형 탄소체의 제조 방법.
  22. 삭제
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