KR101667780B1 - 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페놀수지 혼합물에 바인더 및 페놀폼 부산물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계, 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물을 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계 및 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 활성화하는 활성화단계로 이루어진다.
상기의 과정을 통해 제조되는 탄화체는 석탄계 피치 대신 액상형 페놀수지를 사용하여 가공성이 우수하며, 페놀폼 부산물이 사용되어 제조비용이 저렴하고 제조공정이 간소화 될 뿐만 아니라, 밀도의 조절이 가능하고, 넓은 비표면적으로 인해 우수한 흡착성능을 나타내며, 다양한 형태로 가공이 가능하다.

Description

페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF CARBON MATERIAL BY USING WASTE OF PHENOLIC FOAM}

본 발명은 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄계 피치 대신 액상형 페놀수지를 사용하여 가공성이 우수하며, 페놀폼 부산물이 사용되어 제조비용이 저렴하고 제조공정이 간소화 될 뿐만 아니라, 밀도의 조절이 가능하고, 넓은 비표면적으로 인해 우수한 흡착성능을 나타내며, 다양한 형태로 가공이 가능한 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법에 관한 것이다.

탄소재료는 여러 산업분야에서 다양하게 적용되고 있는데, 탄소재료 중 탄소폼은 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 및 내화학제 등으로 활용분야가 확대되고 있다. 특히, 섭씨 500 내지 800℃의 열처리공정인 1차 탄화 과정을 거쳐 제작된 탄소폼은 2차 탄화 활성화 공정 조건의 조절을 통해 적용분야에 맞는 물성을 부여할 수 있기 때문에 활용도가 매우 크다.

상기와 같은 특징으로 인해 종래에는 탄화체의 제조와 관련해 다양한 방법이 이용되고 있으나, 종래의 이용되고 있는 탄화체의 제조방법은 대부분 석탄계의 피치를 단독으로 사용하거나, 피치와 활성탄을 혼합하고 상기 혼합물에 여러 가지 페이스시트를 결합제로 사용하는 방법들이 주로 이용되었있으나, 상기의 제조방법은 과정이 복잡하고 제조비용도 비싼 문제점이 있었다.

또한, 종래의 탄화체 제조방법은 감압반응을 하거나, 블로잉이나 압력 배출 과정을 별도로 실시해야 하기 때문에 제조공정이 더욱 복잡해지고, 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 극복하기 위해 핏치 대신 고분자 수지를 탄소전구체로 이용하는 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있는 실정이지만 탄소전구체로 사용되는 고분자 수지는 대부분 탄화율이 50% 미만으로 효율성이 떨어지는 단점이 있었다.

또한, 경제성이 떨어지는 단점을 극복하기위해 탄화율이 높은 폴리아릴아세틸렌 수지등 탄화율 측면에서는 탄소전구체로 사용하기에 이상적인 재료들이 대안으로 제시되고 있으나, 이들 또한 범용적으로 사용하기에는 원재료 가격이 비싸고, 합성과정이 복잡하며 재료의 상온 안정성 및 가공성이 낮은 단점이 있어 고부가가치를 나타내는 제품에만 제한적으로 적용되고 있는 실정이다.

상기의 문제점을 극복하기 위해, 한국공개특허 제10-2003-0009378호에는 탄소성 전구물질로부터 유도된 열-전도성 폼 물질, 보다 상세하게는 높은 열 전도성 및 열 교환 특성들을 가진 열 전도성, 피치(Pitch)-유도된 탄화체 제작 방법이 공지되어 있다.

그러나 상기의 선행기술은 석탄계 부산물인 콜타르피치에서 유도된 탄소 폼에 관한 것으로, 콜타르피치에서 유도된 탄소폼의 경우 가열을 통해 피치에 함유된 휘발성 가스 등을 타르형태로 포집해야 하는 등 공정 비용이 매우 높은 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 석탄계 피치 대신 액상형 페놀수지를 사용하여 가공성이 우수하며, 페놀폼 부산물이 사용되어 제조비용이 저렴하고 제조공정이 간소화 될 뿐만 아니라, 밀도의 조절이 가능하고, 넓은 비표면적으로 인해 우수한 흡착성능을 나타내며, 다양한 형태로 가공이 가능한 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 페놀수지 혼합물에 바인더 및 페놀폼 부산물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계, 상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물을 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계 및 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 활성화하는 활성화단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼합물제조단계는 페놀수지 혼합물 100 중량부에 바인더 2 내지 40 중량부 및 페놀폼 부산물 분말 40 내지 160 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 페놀수지는 중량평균 분자량이 100 내지 6000으로 이루어지며, 액상형인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 페놀수지는 700℃의 온도와 질소분위기에서 탄화율이 30%이상인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 바인더는 폴리아크릴아마이드, 메틸올화 요소수지, 메틸올화 멜라닌수지, 카르복시메틸셀룰로오스 및 폴리비닐알코올로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 페놀폼 부산물 분말은 페놀폼 생산공정에서 발생되는 부산물 및 폐기처분되는 페놀폼을 분쇄하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 불활성가스를 주입하면서 500 내지 1000℃ 온도로 가열하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 활성화단계는 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 탄화로에 투입하고, 500 내지 1000℃의 온도로 가열하면서 수증기와 불활성가스를 동시 또는 각각 주입하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명에 따른 페놀수지와 폐기 페놀폼을 이용한 탄화체의 제조방법은 석탄계 피치 대신 액상형 페놀수지를 사용하여 가공성이 우수하며, 페놀폼 부산물이 사용되어 제조비용이 저렴하고 제조공정이 간소화 될 뿐만 아니라, 밀도의 조절이 가능하고, 넓은 비표면적으로 인해 우수한 흡착성능을 나타내며, 다양한 형태로 가공이 가능한 탄화체를 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법에 사용되는 페놀폼 부산물의 표면을 전자주사현미경으로 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3을 통해 제조된 탄화체의 비표면적을 측정하여 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 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법은 페놀수지 혼합물에 바인더 및 페놀폼 부산물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계(S101), 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 성형하는 성형단계(S103), 상기 성형단계(S103)를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계(S105) 및 상기 탄화단계(S105)를 통해 탄화된 탄화물을 활성화하는 활성화단계(S107)로 이루어진다.

상기 혼합물제조단계(S101)는 페놀수지 혼합물에 바인더 및 페놀폼 부산물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 페놀수지 혼합물 100 중량부에 바인더 2 내지 40 중량부 및 페놀폼 부산물 분말 40 내지 160 중량부를 혼합하여 이루어지는데, 상기 페놀수지는 페놀로 이루어지거나, 페놀에 우레아를 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 페놀수지는 액상으로 페놀과 포름알데히드의 축합중합으로 제조되며, 중량평균분자량이 100 내지 6000을 나타내고, 700℃의 온도와 질소분위기에서 탄화율이 30%이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 페놀수지의 제조는 페놀화합물과 알데히드화합물, 우레아혼합물 및 염기성촉매 등이 사용되는데, 상기 페놀화합물에는 페놀과 페놀 동족체 또는 이들 화합물의 혼합물 중 하나 이상이 포함되며, 페놀화합물과 반응하는 알데히드화합물에는 포름알데히드, 아세트알데히드 및 기타 알데히드와 이들 화합물의 혼합물이 포함된다.

또한, 알데히드를 생성하는 물질들도 사용할 수 있는데, 예를 들면, 파라포름알데히드, 트리옥산 같이 포름알데히드로 분해하는 화합물과 이들 화합물의 혼합물도 사용할 수 있다. 페놀화합물과 포름알데히드화합물의 반응을 유도하기 위해 염기성 촉매가 사용되는데 염기성 촉매는 주로 1 내지 2가의 염기성 물질, 예를 들면 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼슘 이나 암모니아, 트리에틸아민과 같은 아민류, 탄산나트륨 및 탄산수소나트륨 등과 같은 염기성 탄산류 등이 첨가되어 염기성을 만들어 주는 물질이 1종이상 포함된다. 페놀 이외의 페놀계 화합물과 포름알데히드 또는 복합체형 이외의 알데히드와의 반응은 페놀과 포름알데히드와의 반응보다 느리기 때문에 본 발명에서는 페놀과 포름알데히드를 반응시킨 페놀수지를 사용하는 것이 가장 바람직한데, 상기 페놀과 반응하는 포름알데히드의 화학적 몰 비율은 1:1.2 내지 4 정도가 바람직하며, 1:1.5 내지 2.2가 더욱 바람직하다.

상기 바인더는 2 내지 40 중량부가 함유되며, 상기 페놀폼 부산물 분말과 상기 페놀수지혼합물을 결속시키는 역할을 하는데, 상기 바인더의 함량이 2 중량부 미만이면 페놀폼 부산물 분말과 상기 페놀수지혼합물을 결속시키는 효과가 미미하며, 상기 바인더의 함량이 40 중량부를 초과하게 되면 상대적으로 상기 페놀폼 부산물 분말과 상기 페놀수지혼합물의 함량이 줄어들어 본 발명을 통해 제조되는 탄화체의 물성이 저하될 수 있다.

이때, 상기 바인더는 폴리아크릴아마이드, 메틸올화 요소수지, 메틸올화 멜라닌수지, 카르복시메틸셀룰로오스 및 폴리비닐알코올로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 페놀폼 부산물 분말은 40 내지 160 중량부가 혼합되며, 페놀폼 생산공정에서 발생되는 부산물 및 폐기처분되는 페놀폼을 분쇄하여 이루어지는데, 더욱 상세하게는 꽃꽂이용, 단열재용, 수경재배용 성형배지 및 보온 보냉재와 같은 페놀폼 제품의 생산과정에서 발생하는 부산물이나, 상기와 같은 제품을 사용한 후에 폐기되는 것을 분쇄기를 이용하여 1 내지 10 밀리미터의 크기로 분쇄하여 사용한다.

상기와 같은 과정을 통해 제조되는 페놀폼 부산물 분말이 혼합되면 페놀폼을 재활용함과 동시에 상기 페놀수지의 사용량이 줄어들어 제조비용을 절감할 수 있다.

상기 성형단계(S103)는 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 성형하는 단계로, 상기 혼합물제조단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 금형 내에 투입하여 성형하거나, 연속생산방식 등을 이용하여 성형하는 과정으로 이루어지며, 성형과정에서는 온도조절을 통해 성형물의 밀도를 조절할 수 있다.

상기 탄화단계(S105)는 상기 성형단계(S103)를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 단계로, 상기 성형단계(S103)를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 불활성가스를 주입하면서 500 내지 1000℃ 온도로 가열하여 이루어지는데, 이때, 상기 불활성가스는 감압 후에 주입되는 것이 바람직하며, 가열시 승온조건은 2 내지 30℃/min를 유지하는 것이 바람직하고, 이때, 상기 불활성가스는 질소 또는 아르곤으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 활성화단계(S107)는 상기 탄화단계(S105)를 통해 탄화된 탄화물을 활성화하는 단계로, 상기 탄화단계(S105)를 통해 탄화된 탄화물을 탄화로에 주입하고 500 내지 1000℃의 온도로 가열한 상태에서 수증기와 불활성가스를 동시에 주입하여 이루어지며, 질소나 아르곤과 같은 불활성가스를 탄화로 1L 대비 10 내지 600ml/min의 양으로 주입하면서 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 수증기는 스팀발생기를 통해 질소와 함께 탄화로에 주입하는 것이 바람직한데, 스팀발생기를 통해 제조된 스팀은 50 내지 80℃인 것이 바람직하며, 이 과정에서 투입된 수분은 탄화체의 탄소와 반응하여 가스상의 물질로 빠져나가게 되고, 그 결과 미세기공이 형성된 탄화체가 제조되며, 이러한 탄화체는 표면적이 증가한다.

또한, 상기 활성화단계(S107)에서는 필요에 따라 이산화탄소와 같은 산화성가스를 주입하여 활성화과정을 진행할 수도 있으며, 상기의 과정으로 이루어지는 활성화단계(S107)를 거치면, 미세기공의 수가 증가하여 표면적이 증가되어 흡착성능이 개선된 탄화체가 제공된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 탄화체의 물성을 실시예를 들어 설명한다.

<실시예 1>

액상의 페놀수지 100 중량부에 꽃꽂이용 페놀폼 제조과정 중 절단공정에서 발생한 페놀폼 부산물을 분쇄기를 이용하여 5 밀리미터의 입자크기로 분쇄한 페놀폼 부산물 분말 80 중량부 및 폴리아크릴아마이드 6 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 압출기로 압출성형하고, 압출성형된 성형물을 탄화로 크기에 맞도록 절단한 후에 탄화로에 투입하고 탄화로의 온도를 승온조건 2 내지 10℃/min로 500℃까지 승온시키면서 질소를 500cc/min로 주입하여 탄화하고, 탄화가 완료된 탄화로에 질소를 300cc/min로 주입하면서 탄화물을 상온으로 서서히 냉각하여 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체를 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일하게 진행하되, 탄화로의 온도를 700℃까지 승온시켜 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체를 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일하게 진행하되, 탄화로의 온도를 800℃까지 승온시켜 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체를 제조하였다.

<실시예 4>

실시예 3을 통해 제조된 탄화체를 탄화로에 투입하고 승온조건 2 내지 5℃/min로 하여 800℃까지 승온시키면서, 질소 및 스팀을 300ml/min로 주입하여 1시간 동안 활성화하고, 활성화가 완료된 탄화로에 질소를 150ml/min로 주입하면서 탄화물을 상온으로 서서히 냉각하여 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체를 제조하였다.

상기 실시예 1 내지 4을 통해 제조된 탄화체의 밀도는 80 내지 300kg/m³으로 나타났으며 이들의 탄화율, 밀도 및 비표면적, 평균 흡착 기공 크기를 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.

{단, 탄화율의 측정은 탄화공정 전후의 시료무게를 비교하여 측정하였고, 비표면적과 흡착 기공 크기는 비표면적 측정기(Model:Micrometrics ASAP2020)를 이용하여 측정하였다.}

<표 1>

위에 표 1에 나타낸 것처럼 본 발명에 따른 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법으로 제조된 탄화체는 우수한 탄화율, 낮은 평균기공 크기를 나타내며, 비표면적의 조절이 자유로운 효과를 나타낸다.

또한, 제조의 과정에서 타 산업공정에서 발생되는 부산물인 페놀폼 부산물 분말을 일정량 사용함으로서 낮은 제조비용과 함께 대상 사업장의 폐기물 처리비용도 낮출 수 있어 환경 친화적인 효과를 나타낸다.

또한, 피치 대신 페놀수지를 사용하기 때문에 탄화과정에서 유독가스가 발생하지 않고, 가공이 용이한 페놀수지의 사용과 공정의 단순화로 제조비용을 줄일 수 있으며, 제품의 밀도 조절이 가능하고, 파우더형이 아니라 일정한 형상을 갖기 때문에 다양한 형태로 가공이 용이하다.

S101 ; 혼합물제조단계
S103 ; 성형단계
S105 ; 탄화단계
S107 ; 활성화단계

Claims (8)

1. 페놀수지 혼합물에 바인더 및 페놀폼 부산물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계;
   상기 혼합물제조단계를 통해 제조된 혼합물을 성형하는 성형단계;
   상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화하는 탄화단계; 및
   상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 활성화하는 활성화단계;로 이루어지며,
   상기 혼합물제조단계는 페놀수지 혼합물 100 중량부에 바인더 2 내지 40 중량부 및 페놀폼 부산물 분말 40 내지 160 중량부를 혼합하여 이루어지고,
   상기 바인더는 폴리아크릴아마이드 및 카르복시메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지며,
   상기 페놀수지는 700℃의 온도와 질소분위기에서 탄화율이 30 내지 60%이며,
   상기 페놀폼 부산물 분말은 페놀폼 생산공정에서 발생되는 부산물 및 폐기처분되는 페놀폼을 분쇄하여 이루어지고,
   상기 탄화단계는 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 탄화로에 투입하고 불활성가스를 주입하면서 900 내지 1000℃ 온도로 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 페놀수지는 중량평균 분자량이 100 내지 6000으로 이루어지며, 액상형인 것을 특징으로 하는 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 활성화단계는 상기 탄화단계를 통해 탄화된 탄화물을 탄화로에 투입하고, 500 내지 1000℃의 온도로 가열하면서 수증기와 불활성가스를 동시 또는 각각 주입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀폼 부산물을 이용한 탄화체의 제조방법.

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