KR101652961B1

KR101652961B1 - 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법

Info

Publication number: KR101652961B1
Application number: KR1020160001595A
Authority: KR
Inventors: 박상현; 김대운
Original assignee: 한국스미더스 오아시스 주식회사
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2016-08-31
Also published as: KR20160086282A

Abstract

본 발명은 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페놀수지에 무기산화물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계, 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물에 발포제를 혼합하는 발포단계, 상기 발포단계를 통해 발포된 혼합물에 경화제를 혼합하는 경화단계, 상기 경화단계를 통해 경화된 혼합물을 금형에 투입하여 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계 및 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 냉각하는 냉각단계로 이루어진다.
상기의 과정을 통해 제조되는 탄화물질은 표면적이 넓고, 탄소뿐만 아니라 황성분과 무기물이 함유되어 있어 중금속에 대한 우수한 흡착능력을 나타낸다.

Description

페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF CARBONIZED MATERIAL FROM PHENOLIC FOAM}

본 발명은 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 황산분자가 포함된 페놀 수지와 무기산화물을 이용하여 제조된 발포체를 저 산소조건에서 탄화하여 중금속에 대해 우수한 흡착성능을 나타내는 탄화물질을 제공하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법에 관한 것이다.

고강도와 경량을 나타내는 탄소 재료는 여러 산업분야에서 다양하게 적용되고 있는데, 탄소 폼은 물질자체가 탄소성분으로 되어있는 특성과 더불어 기공구조가 열린구조(Open cell)의 비율에 따라 열전도성이 매우 높거나 낮게 이루어질 수 있고, 밀도가 낮기 때문에 단열재, 흡음재, 흡열재, 흡착제, 각종 차폐제, 내화제, 내화학제등 활용분야가 확대되고 있다. 특히, 섭씨 500도~800도의 열처리공정인 1차 탄화 과정을 거쳐 제작된 탄소 폼들은 2차 탄화 활성화 공정 조건의 조절을 통해 적용분야에 맞는 물성을 부여할 수 있기 때문에 활용도가 크다.

상기와 같은 특징으로 인해 종래에는 탄소 폼의 제조와 관련된 다양한 방법이 사용되고 있으나, 종래의 탄소 폼 제조방법은 대부분 석탄계의 피치를 단독으로 사용하거나, 피치와 활성탄을 혼합하고 여기에 여러가지 페이스시트를 결합제로 사용하는 등의 방법들이 있으나 그 과정이 복잡하고 제조비용도 비싸며 특히 제조과정에서 많은 유독가스가 발생하여 이로 인한 생산비용의 증가가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 종래에 탄소 폼 제조방법은 탄소폼을 생산하기 위해 감압반응을 하거나, 블로잉이나 압력 배출 과정을 별도로 실시해야 하기 때문에 공정이 더욱 복잡해지고, 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다

또한, 기존에는 폐수나 지하수에 함유되어 있는 중금속 이온을 제거하기 위해 수산화물이나 황화물 등 화학 제품을 이용한 침전법, PAC와 같은 무기응집제를 이용하는 침전법, PAA와 같은 고분자응집제를 이용한 침전법, 이온 교환 수지나 활성탄을 이용한 흡착법, 멤브레인을 이용한 필터법 및 금속물질을 전극으로 이용한 전기 흡착법을 이용한 방법들이 활용되고 있는데, 기존과 같이 화학제품을 이용하거나 고분자 응집제를 이용하는 경우에는 많은 양의 슬러지가 발생하며, 기존 활성탄의 경우에는 중금속 흡착능이 아주 미미하여 응집되어 부유된 중금속 정도만 걸러낼 수 있는 문제점이 있었다.

한국특허공개 제10-2003-0009378호(2003.01.29).

본 발명의 목적은 중금속에 대해 우수한 흡착력을 나타내는 탄화물질을 제공하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저가의 황산분자가 포함된 페놀 수지를 원료로 사용하여 제조비용이 낮고, 다양한 밀도 및 형태로 제조가 가능한 탄화물질을 제공하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 페놀수지에 무기산화물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계, 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물에 발포제를 혼합하는 발포단계, 상기 발포단계를 통해 발포된 혼합물에 경화제를 혼합하는 경화단계, 상기 경화단계를 통해 경화된 혼합물을 금형에 투입하여 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계 및 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 냉각하는 냉각단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼합물제조단계는 페놀수지 100 중량부에 무기산화물 1 내지 50 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 페놀수지는 페놀 100 중량부 및 황산분자를 포함하는 물질 1 내지 30 중량부로 이루어지며, 중량평균 분자량이 180 내지 4000인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 발포단계는 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물 100 중량부에 발포제 0.1 내지 10 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 경화단계는 상기 발포단계를 통해 제조된 발포된 혼합물 100 중량부에 경화제 5 내지 20 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 경화제는 황산, 방향족술폰산 및 알킬술폰산으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 가열하면서 불활성가스를 주입시켜 탄화하는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 5 내지 50℃/min의 승온조건에서 500 내지 1100℃의 온도로 가열하고, 산소의 질량농도가 0.01 내지 15%인 조건에서 불활성가스를 주입하여 탄화하는 것으로 한다.

본 발명에 따른 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법은 중금속에 대해 우수한 흡착력을 나타내는 탄화물질을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

또한, 저가의 황산분자가 포함된 페놀 수지를 원료로 사용하여 제조비용이 낮고, 다양한 밀도 및 형태로 제조가 가능한 탄화물질을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 표면을 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 기공사이즈 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 중금속(납 및 비소)에 대한 제거성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질로 도금폐수를 이용한 흡착실험을 실시한 후에 탄화물질의 표면에 흡착된 중금속을 분석하여 나타낸 그래프이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법은 페놀수지에 무기산화물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계(S101), 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물에 발포제를 혼합하는 발포단계(S103), 상기 발포단계(S103)를 통해 발포된 혼합물에 경화제를 혼합하는 경화단계(S105), 상기 경화단계(S105)를 통해 경화된 혼합물을 금형에 투입하여 성형하는 성형단계(S107), 상기 성형단계(S107)를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계(S109) 및 상기 탄화단계(S109)를 통해 탄화된 탄화물을 냉각하는 냉각단계(S111)로 이루어진다.

상기 혼합물제조단계(S101)는 페놀수지에 무기산화물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 페놀수지 100 중량부에 무기산화물 1 내지 50 중량부를 혼합하여 이루어지는데, 상기 페놀수지는 페놀 혹은 페놀 화합물과 포름알데히드 혹은 포름알데히드 류와의 축합반응에 의해 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 상세하게는 액상형으로 페놀, 알데히드, 염기성촉매 및 황산분자가 포함된 산 등을 반응시켜 합성된다.

특히, 상기 페놀수지는 페놀 100 중량부 및 황산분자를 포함하는 물질 1 내지 30 중량부로 이루어지며, 중량평균 분자량이 180 내지 4000인 것이 바람직한데, 상기 황산분자는 황산류, 술폰산류 및 아황산류로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 무기산화물은 산화칼슘, 산화철, 산화타이타늄 및 규사 등과 같은 광물성 무기물과 산소분자가 결합된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 발포단계(S103)는 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물에 발포제를 혼합하는 단계로, 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물 100 중량부에 발포제 0.1 내지 10 중량부를 혼합하여 이루어진다.

이때, 상기 발포제는 상온에서 액상형태를 나타내며, 비점이 30 내지 100℃이고, 탄소수가 2 내지 8개인 탄화수소 1종 이상으로 이루어지는데, 상기와 같은 성분으로 이루어진 발포제가 함유되면 안정적인 발포가 진행되며, 상기 발포제의 함량을 조절하여 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 밀도를 조절할 수 있다.

상기 경화단계(S105)는 상기 발포단계(S103)를 통해 발포된 혼합물에 경화제를 혼합하는 단계로, 상기 발포단계(S103)를 통해 제조된 발포된 혼합물 100 중량부에 경화제 5 내지 20 중량부를 혼합하여 이루어진다.

상기 경화제의 함량이 5 중량부 미만이면 경화가 제대로 이루어지지 않거나 경화속도가 더디며, 상기 경화제의 함량이 20 중량부를 초과하게 되면 발포된 혼합물이 지나치게 경화되어 가공성이 저하된다.

이때, 상기 경화제는 황산, 방향족술폰산 및 알킬술폰산으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 성형단계(S107)는 상기 경화단계(S105)를 통해 경화된 혼합물을 금형에 투입하여 성형하는 단계로, 상기 성형단계(S107)는 금형을 이용하는 방법 외에도 연속생산방식으로도 이루어질 수 있으며, 상기 경화단계(S105)를 거친 혼합물을 다양한 형태를 나타내는 성형물로 성형할 수 있는데, 성형과정에서 성형온도를 조절하여 성형물의 밀도를 조절할 수 있다.

상기 탄화단계(S109)는 상기 성형단계(S107)를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 단계로, 상기 성형단계(S107)를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 가열하면서 불활성가스를 주입시켜 탄화하는 과정으로 이루어지는데, 더욱 상세하게는 상기 성형단계(S107)를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 5 내지 50℃/min의 승온조건에서 500 내지 1100℃의 온도로 가열하고, 산소의 질량농도가 0.01 내지 15%인 조건에서 불활성가스를 주입하여 탄화하는 과정으로 이루어진다.

이때, 상기 불활성가스는 질소나 아르곤인 것이 바람직하며, 상기의 탄화단계(S109)를 거치면, 미세기공 수의 증가로 인해 비표면적이 증가되어 중금속에 대한 흡착성능이 향상된 탄화물질이 제공된다.

상기 냉각단계(S111)는 상기 탄화단계(S109)를 통해 탄화된 탄화물을 냉각하는 단계로, 상기 탄화단계(S109)를 통해 탄화된 탄화물을 서냉하여 200℃ 이하의 온도로 냉각하는 것이 바람직한데, 상기의 냉각단계(S111)는 산소의 질량농도가 0.01 내지 15%인 조건에서 질소나 아르곤과 같은 불활성 기체를 주입하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

이하에서는, 본 발명에 따른 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 탄화물질의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1>

황산이온이 포함된 페놀수지 100 중량부 및 산화철 10 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 비점이 30 내지 100℃인 탄화수소계 발포제 2 중량부를 혼합하여 발포하고, 발포된 혼합물에 술폰산 10 중량부를 혼합하여 경화한 후에 금형에 투입하여 성형하고, 성형이 완료된 성형물을 탄화로에 투입하고 탄화로의 온도를 승온조건 5 내지 10℃/min에서 900℃까지 승온시키면서 질소 가스를 탄화로 내부로 주입하면서 탄화하고, 탄화가 완료된 후 탄화물을 상온으로 서서히 냉각하여 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질을 제조하였다.

상기 실시예 1을 통해 제조된 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 표면을 촬영하여 아래 도 2에 나타내었으며, 탄화물질의 기공사이즈 분포도는 아래 도 3에 나타내었고, 탄화물질의 중금속(납 및 비소)에 대한 제거성능은 아래 도 4에 나타내었으며, 탄화물질로 도금폐수를 이용한 흡착실험을 실시한 후에 탄화물질의 표면에 흡착된 중금속을 분석하여 아래 도 5에 나타내었다.

아래 도 2 내지 5에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 탄화물질은 표면에 미세기공이 다수 형성되어 있으며, 우수한 중금속 흡착성능을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따른 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법은 중금속에 대해 우수한 흡착력을 나타내며, 저가의 황산분자가 포함된 페놀 수지를 원료로 사용하여 제조비용이 낮고, 다양한 밀도 및 형태로 제조가 가능한 탄화물질을 제공한다.

S101 ; 혼합물제조단계
S103 ; 발포단계
S105 ; 경화단계
S107 ; 성형단계
S109 ; 탄화단계
S111 ; 냉각단계

Claims

페놀수지에 무기산화물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계;
상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물에 발포제를 혼합하는 발포단계;
상기 발포단계를 통해 발포된 혼합물에 경화제를 혼합하는 경화단계;
상기 경화단계를 통해 경화된 혼합물을 금형에 투입하여 성형하는 성형단계;
상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계; 및
상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 냉각하는 냉각단계;로 이루어지며,
상기 페놀수지는 페놀 100 중량부 및 황산분자를 포함하는 물질 1 내지 30 중량부로 이루어지며, 중량평균 분자량이 180 내지 4000인 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 혼합물제조단계는 페놀수지 100 중량부에 무기산화물 1 내지 50 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 발포단계는 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물 100 중량부에 발포제 0.1 내지 10 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 경화단계는 상기 발포단계를 통해 제조된 발포된 혼합물 100 중량부에 경화제 5 내지 20 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
청구항 1 또는 5에 있어서,
상기 경화제는 황산, 방향족술폰산 및 알킬술폰산으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 가열하면서 불활성가스를 주입시켜 탄화하는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.
청구항 1 또는 7에 있어서,
상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 5 내지 50℃/min의 승온조건에서 500 내지 1100℃의 온도로 가열하고, 산소의 질량농도가 0.01 내지 15%인 조건에서 불활성가스를 주입하여 탄화하는 것을 특징으로 하는 페놀수지 발포체를 이용한 탄화물질의 제조방법.