KR102318089B1

KR102318089B1 - 친환경 팽창흑연의 제조방법

Info

Publication number: KR102318089B1
Application number: KR1020210037256A
Authority: KR
Inventors: 김석겸
Original assignee: 김석겸
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-10-26

Abstract

본 발명은 친환경 팽창흑연의 제조방법에 관한 것으로, 평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 50 ~ 75w% 황산(H₂SO₄) 150 ~ 400중량부의 비율로 배합된 원료를 용기에 넣고 교반하는 제1단계; 상기 교반이 완료된 원료에 과망간산칼륨(KMnO₄) 10 ~ 30중량부를 소분하여 첨가하면서 교반하는 제2단계; 상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 20 ~ 60분간 침전시킨 후 상등액 폐수를 배출하는 제3단계; 상기 침전시킨 원료에 20 ~ 40w% 과산화수소(H₂O₂) 2 내지 8중량부를 넣고 교반하는 제4단계; 상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척한 후 탈수 및 건조시키는 제5단계; 를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 제조방법으로 생산되는 친환경 팽창흑연은 75w% 이하의 저농도 황산을 사용하고 환경에 친화적인 과망간산칼륨과 과산화수소를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 별도의 열처리공정을 거치지 않고도 탁월한 발포성과 균일한 팽창률을 가짐으로써 난연성이 우수하며, 또한 제조공정 중에 배출된 폐수는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화함으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

친환경 팽창흑연의 제조방법{Manufacturing method of environmental friendly expandable graphite}

본 발명은 친환경 팽창흑연의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저농도의 황산을 사용하고 환경에 유해한 중크롬산 대신에 과망간산칼륨과 과산화수소를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 균일하고 우수한 팽창률을 가지며, 또한 별도의 중화공정을 거침으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있는 친환경 팽창흑연의 제조방법에 관한 것이다.

팽창흑연은 1841년 독일사람 Schaufautl이 천연흑연을 진한 황산과 질산의 혼합액에 담갔다가 꺼내어서 건조를 시킨 결과 흑연이 부풀어 오르는 것을 발견하였으며, 이와 같은 현상은 흑연이 생선의 비늘과 같은 인상구조를 가지고 있어 흑연 층층사이에 존재하고 있는 공간에 황산을 투입하면 비늘과 같은 형태의 흑연이 아코디언(accordion)의 주름살과 같이 부풀어 오르면서 흑연전체가 팽창하게 되는 원리이다.

이러한 팽창흑연은 팽창된 흑연(Expanded Graphite)과 팽창가능 흑연(Expandable Graphite)으로 구분되는데, 팽창된 흑연은 이미 팽창이 완료된 상태의 흑연으로 난연 시트, 오염물질의 흡착제, 각종 전자재료 등으로 사용되고 있으나, 팽창가능 흑연은 폴리우레탄폼(Polyurethane Foam) 등의 난연 첨가제로 사용될 경우에 자체적으로 지니고 있는 생선의 비늘과 같은 특수한 탄소의 결정구조에 의해 화재가 발생할 때 180 ~ 220℃의 일정한 온도에 도달하면 자기가 지니고 있는 원래의 부피에서 수십 내지 수백 배로 부피가 부풀면서 산소가 불꽃에 접근할 수 없는 차단막의 단연층(Char)을 형성함으로써 물리적으로 소화작용을 할 수 있게 된다.

본 발명이 목적으로 하는 팽창흑연은 팽창가능 흑연(Expandable graphite)으로서, 이는 1000℃에 가까운 온도로 급가열하여 산이 기화되어 가스가 발생되고 그 가스의 팽창압에 의해 흑연 층간이 수십 내지 수백 배로 팽창된 흑연(Expanded Graphite)과 구분되는 의미로 사용된다.

현재 우리나라에서 대형화재가 발생할 때 사망자들의 80% 정도가 화재 시 발생하는 유독가스와 연기에 의한 질식사망이 주요 원인으로 알려지고 있다. 이로 인하여 건축자재의 내·외장재, 인테리어의 난연성능에 대한 중요성이 날로 높아지고 있으며, 난연제 중에서 첨가형 난연제로 친환경적이면서 소화소연성능이 우수한 인계(Phosphorus) 난연제와 팽창흑연(Expandable Graphite)이 많은 주목을 받고 있다.

참고로, 흑연은 탄소원자의 6원자 고리가 평면적으로 무한히 연결된 평면형 거대분자(폴리센)가 층을 이루어 포개어진 광물로서, 그 성질은 전기의 양도체이고 또한 폴리센의 층상구조로 인해 유연하고 활성이 있으며, 쪼개지기는 쉽지만 거대분자여서 반응성이 낮은 특징이 있다.

그러나 흑연은 폴리센 구조의 탄소 평면 사이가 반데르발스힘(Van der waals force)으로 연결되어 있을 뿐이어서 탄소원자 사이의 간격인 14.2㎚에 비하여 35.5㎚로 넓기 때문에 층 사이의 틈새에 다른 원자를 삽입하여 층간화합물을 만들 수 있다. 즉, 흑연 결정의 망상평면을 유지한 채로 평면 사이의 틈새에 많은 원자나 분자 또는 이온을 삽입하여 층간화합물(Lamellar compound)을 만들게 된다.

이러한 팽창흑연(Expandable Graphite)은 산화흑연(Graphite Oxide)이라고도 하며, 산, 알칼리 및 염 등의 화학물질을 천연 인상흑연에 화학적으로 탄소원자에 결합시킨 것으로서 GIC(Graphite Intercalation on Compounds/흑연 층간화합물)가 특정 온도로 가열될 때 GIC는 빠르게 분해되어 많은 양의 가스를 생성하고 가스는 흑연을 팽창시키게 된다.

상기 팽창흑연을 생산할 때 통상 크롬산(중크롬산나트륨)은 천연 플레이크 흑연을 산화시키는 산화제로 사용하며, 이는 천연 인상흑연의 탄소 구조체 사이의 상호 작용력을 약화시키기 위함인데, 이렇게 약화된 층간 결합에 산성재료를 침투시키고 이를 건조 후 팽창흑연을 얻을 수 있다.

흑연은 상기와 같은 산처리 후에도 외관상의 변화는 없고 잔류 황산염은 흑연이 적절한 온도에 도달 시에만 신속하게 팽창하는 특성을 지니게 되며, 통상적인 팽창개시온도는 180 ~ 220℃이고 팽창흑연 제조를 통해 인상흑연이 활성화되지는 않기 때문에 양호한 안정성을 갖는다.

위와 같이, 팽창흑연은 흑연을 진한 황산 또는 질산과 염소산칼륨의 혼합액 중에서 장시간 반응시켜 얻어지는 반응 생성물로서, 탄소망 평면(graphene) 사이에 산소 등이 침입하고 결합하여 형성된 층상구조를 가지는 층상흑연(layered graphite)이며, 건조된 상태에서 상기 산화흑연의 평면간 거리는 약 0.6nm 이상이고 탄소망 평면 사이에 황산 또는 질산과 같은 휘발성 물질을 삽입되고 이들이 기화될 때의 압력으로 탄소망 평면들 사이의 간격이 팽창될 수 있는 것이다.

이러한 현상은 흑연의 층 구조 내에 삽입된 화합물이 팽창개시온도까지 가열되면 기체상태의 물질을 형성하면서 분해되어 탄소망 평면들 사이의 간격이 확대되어 밀도가 낮아지게 되므로, 이러한 특성을 이용하여 각종 난연제 또는 난연성 첨가제 등으로 이용될 수 있다.

상기와 같은 팽창흑연을 제조하기 위한 양태를 살펴보면, 대한민국 특허공보 제1994-0006238호(한국동력자원연구소)에서는 인상흑연 또는 키슈(Kish) 흑연에 황산, 질산, 과염소산을 가하여 산처리 하고, 여과, 세척, 건조한 후 열처리하는 것에 있어서, 건조 후 흑연표면에 글리콜계 화합물, 에킬렌계 화합물, 올레인산, 식물성 기름 중에서 선택한 1종을 가하여 표면처리하고, 이어서 500-900℃에서 10-60초간 열처리함을 특징으로 하는 팽창흑연의 제조방법이 기재되어 있다.

또한, 동 공개특허 제10-2013-0108904호(유종삼)는 천연흑연 분말, 삽입제, 산화제를 믹싱 후 혼합물을 형성하여 이를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 pH 4-7에서 와싱하는 수세단계; 상기 수세된 혼합물을 50-70℃에서 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합물을 반응조에 투입 후 열처리하는 단계; 를 포함하여 이루어지되, 상기 반응조는 질소가 유입되는 유입구가 형성되고, 산소가 유출되는 유출구가 형성되도록 질소만이 채워진 하우징; 상기 하우징의 온도를 조절하는 온도조절콘트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 팽창흑연의 제조방법을 개시하고 있다.

또한, 동 공개특허 제10-2015-0123500호(채정란)를 보면, 인상흑연의 삽입제로 중량 100∼500wt％의 황산(H₂SO₄)에 산화제로 삽입제 중량의 5∼25wt％의 과산화수소(H₂O₂)및 산화촉매제와 인상흑연 분말을 혼합한 페이스트(Paste)상의 혼합물에 중화제를 혼합하고 탈수, 건조하여 제조되는 팽창흑연 제조방법에 있어, 상기 산화촉매제는 황산제일철(FeSO₄) 또는 염화제이철(FeCl₃)인 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 동 등록특허 제10-2028911호(한국화학연구원)에는 흑연을 산과 혼합하는 산처리단계; 상기 산처리단계 후 황화옥소산(sulfur oxoacid) 및 금속 할라이드를 포함하는 팽창제를 투입하는 팽창제 투입단계; 및 마이크로웨이브를 인가하는 팽창단계;를 포함하며, 상기 황화옥소산은 퍼옥시모노설페이트 애시드, 퍼옥시디설퍼릭애시드 및 이들의 염에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이고 상기 흑연의 팽창률은 50 내지 300배인 팽창흑연 제조방법이 기재되어 있다.

한편, 본 발명에서는 저농도의 황산을 사용하고 환경에 친화적인 과망간산칼륨과 과산화수소를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 고온의 열처리공정을 거치지 않고도 균일하고 우수한 팽창률을 갖는 팽창흑연을 얻을 수 있으며, 또한 배출된 폐수를 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화함으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있는 친환경 팽창흑연의 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

대한민국 특허공보 제1994-0006238호(공고일자 1994년07월13일) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0108904호(공개일자 2013년10월07일) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0123500호(공개일자 2015년11월04일) 대한민국 등록특허공보 제10-2028911호(공고일자 2019년10월07일)

본 발명의 목적은 저농도의 황산을 사용하고 환경에 친화적인 과망간산칼륨과 과산화수소를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 고온의 열처리공정을 거치지 않고도 탁월한 발포성과 균일한 팽창률로 인해 난연성이 우수한 팽창흑연을 얻을 수 있으며, 또한 배출된 폐수를 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화함으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있는 친환경 팽창흑연의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 친환경 팽창흑연의 제조방법은, 평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 50 ~ 75w% 황산(H₂SO₄) 150 ~ 400중량부의 비율로 배합된 원료를 용기에 넣고 교반하는 제1단계; 상기 교반이 완료된 원료에 과망간산칼륨(KMnO₄) 10 ~ 30중량부를 소분하여 첨가하면서 교반하는 제2단계; 상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 20 ~ 60분간 침전시킨 후 상등액 폐수를 배출하는 제3단계; 상기 침전시킨 원료에 20 ~ 40w% 과산화수소(H₂O₂) 2 내지 8중량부를 넣고 교반하는 제4단계; 상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척한 후 탈수 및 건조시키는 제5단계; 를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제3단계 및 제5단계에서 원료를 세척하는 공정은 각각 2 내지 3회 반복하여 실시하되, 상기 제3단계에서 배출된 상등액 폐수는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화하여 배출하며, 상기 제5단계에서의 탈수 및 건조는 원심탈수기를 통과하여 탈수시킨 원료를 60 ~ 150℃의 온도에서 2 ~ 10시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 하고 있다.

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본 발명의 제조방법으로 생산되는 친환경 팽창흑연은 75w% 이하의 저농도 황산을 사용하고 환경에 친화적인 과망간산칼륨과 과산화수소를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 고온의 열처리공정을 거치지 않고도 탁월한 발포성과 균일한 팽창률을 가짐으로써 난연성이 우수하며, 또한 제조공정 중에 배출된 폐수는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화함으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 친환경 팽창흑연의 제조방법에 대하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 의한 친환경 팽창흑연의 제조방법은, 평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 50 ~ 75w% 황산(H₂SO₄) 150 ~ 400중량부의 비율로 배합된 원료를 용기에 넣고 교반하는 제1단계; 상기 교반이 완료된 원료에 과망간산칼륨(KMnO₄) 10 ~ 30중량부를 소분하여 첨가하면서 교반하는 제2단계; 상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 20 ~ 60분간 침전시킨 후 상등액 폐수를 배출하는 제3단계; 상기 침전시킨 원료에 20 ~ 40w% 과산화수소(H₂O₂) 2 내지 8중량부를 넣고 교반하는 제4단계; 상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척한 후 탈수 및 건조시키는 제5단계의 순으로 이루어진다.

일반적으로, 천연 인상흑연은 흑연 내에서 탄소(C) 원자가 공유결합에 의해 단단히 결합되어 있으나, 층면간의 결합은 반데르발스힘(Van der waals force)으로 약하게 이루어져 있기 때문에 산, 알카리, 할로겐, 염화물 등의 층간화합물(Lamellar compound)을 삽입(Intercalation)시키면 이들 물질은 쉽게 흑연 층간에 들어가 흑연의 2차원적인 망면격자를 파괴시키지 않고 층간을 넓이면서 흑연 특유의 화합물을 형성시키는 작용이 있으므로, 팽창흑연 제조 시 사용되는 삽입제 및 산화제의 선택이 팽창률에 큰 영향을 미치게 되지만 환경오염에 대한 세심한 주의가 요구된다.

이러한 황산과 같은 삽입제를 흑연과 같이 전해처리 또는 산화제 존재 하에 삽입시키면 층간화합물이 형성되고 이것을 다시 환원시키면 물리적 특성이 현저하게 달라져 가압성형이 가능하게 되며, 이 화합물을 다시 열처리하면 흑연 분자의 C-축 방향으로 수십 내지 수백 배 팽창되는 것이다. 그러나 화학적 삽입제로 사용되는 황산은 흑연에 삽입 후 건조 시 아황산가스(SO₂)가 발생된다.

본 발명은 팽창흑연 자체의 열 발포성에 따른 우수한 팽창률과 균일한 공극을 갖는 고품질의 팽창흑연을 생산함과 동시에, 팽창흑연 제조 시 문제되는 2차 환경오염물질을 줄인 친환경 팽창흑연의 제조방법을 제시한다.

이를 위해, 본 발명의 제1단계는 평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 50 ~ 75w% 황산(H₂SO₄) 150 ~ 400중량부의 비율로 배합된 원료를 용기에 넣고 교반하는 공정으로서, 본 발명에서는 90w% 이상의 고농도 황산을 사용하는 것이 아니라 50 ~ 75w%의 황산용액을 과량으로 배합하여 약 5 ~ 20분간 교반시킴으로써 층간화합물(Lamellar compound)을 형성함에 있어 환경 유해성을 최소화 하였다.

상기 흑연 입자는 층상구조를 가지는 팽창흑연의 평면에 삽입제인 황산과 같은 휘발성 물질이 삽입(Intercalation)되고 이들이 기화될 때의 압력이 종래 고농도 황산을 사용하는 경우보다 낮아져서 팽창흑연의 탄소망 평면 사이의 거리가 조밀하고 균일하게 형성된다. 이때, 흑연 입자는 입도분포에 따라 팽창률이 달라질 수 있으므로 평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 분말을 적절하게 선택하여 조합함으로써 팽창흑연의 팽창률을 조절하는 것이 가능하다.

제2단계는 상기 교반이 완료된 원료에 과망간산칼륨(KMnO₄) 10 ~ 30중량부를 소분하여 첨가하면서 교반하는 공정으로서, 상기 산화제로 사용되는 과망간산칼륨은 황산과의 반응 시 반응시간이 짧아 OH이온이 O₂이온으로 급속하게 전이되어 산화력이 떨어지는 문제를 교반하는 과정에서의 시간을 대략 20 ~ 40분 정도로 늘리면서 추후 과산화수소(H₂O₂)를 단계적으로 적용한 산화공정을 통해 해결하였다.

상기 과망간산칼륨은 진한 보라색의 무기화합물로서 강한 산화작용으로 인해 「2KMnO₄(s) → K₂MnO₄(s) + MnO₂(s) + O₂(g)」와 같이 환원되며, 이러한 산화제는 흑연의 탄소 구조체 사이의 상호 작용력을 약화시키기 위한 것이다.

한편, 종래 무수크롬산은 세척 시 중금속 크롬(Cr) 폐수가 발생하고 과염소산칼륨은 취급 시 염소(Cl) 가스가 발생하여 취급이 어려운데 비해, 과망간산칼륨이나 이산화망간은 철염보다 상대적 고가이지만 삽입제인 황산과 반응 시 반응시간이 짧다는 점에 착안하여 기존의 공정을 개선한 것이다.

제3단계는 상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 20 ~ 60분간 침전시킨 후 상등액 폐수를 배출하는 공정인데, 이와 같은 원료를 세척하는 공정은 2회 내지 3회 반복하여 실시함으로써 품질이 우수한 팽창흑연을 제조할 수 있음은 물론이다.

제4단계는 상기 침전시킨 원료에 20 ~ 40w% 과산화수소(H₂O₂) 2 내지 8중량부를 넣고 교반하는 공정으로서, 이는 상기 제2단계에 이어 실시하는 2차 산화공정에 의해 상기 제3단계에서 침전시킨 원료와 함께 약 5 ~ 20분간 교반시킴으로써 층간화합물(Lamellar compound)이 환원되어 물리적 특성이 현저하게 개선되며, 이로 인하여 생산되는 제품은 발포성이 우수하고 팽창률이 약 260 내지 300배 이내의 균일한 범위로 형성됨에 따라 난연성이 우수한 고품질 팽창흑연을 제조할 수 있게 된다.

상기 과산화수소는 수소와 산소의 화합물로서 물, 에탄올, 에테르에 잘 녹고 수용액에서 수소이온이 일부 해리되어 약한 산성을 띤다. 과산화수소는 강한 산화력을 가지고 있지만 진한 과산화수소는 독성과 강한 자극성이 있으므로, 본 발명에서는 20 ~ 40w% 범위의 농도를 갖는 과산화수소를 사용하는 것이 바람직하다.

이로 인하여 본 발명은 약 400 내지 1000℃의 고온으로 열처리하는 공정을 생략할 수 있게 되어 에너지 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 품질이 탁월한 친환경 팽창흑연을 용이하게 제조할 수 있는 것이다.

마지막으로, 제5단계는 상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척한 후 탈수 및 건조시키는 공정인데, 바람직하게는 이러한 원료를 세척하는 공정은 2 내지 3회 반복하여 실시함으로써 품질이 더욱 우수한 팽창흑연을 제조할 수 있다.

상기 제5단계에서의 탈수 및 건조는 원심탈수기를 통과한 원료를 60 ~ 150℃의 온도에서 2 ~ 10시간 동안 건조시킴으로써 팽창흑연 자체의 밀도와 공극률을 일정한 범위로 유지할 수 있으며, 이러한 건조조건으로 인하여 고온의 열처리 공정을 거치지 않고도 기존의 팽창흑연보다 우수한 발포성과 조밀하고 균일한 팽창률을 구현할 수 있음을 확인하였다.

이상과 같은 팽창흑연 제조단계와는 별도로, 상기 제3단계에서 배출된 상등액 폐수는 화학적 삽입제로 사용되는 황산을 흑연에 삽입시킨 후 건조 시 아황산가스(SO₂)가 발생하기 때문에 이를 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화하여 황산칼슘(CaSO₄)을 생성시킴으로써 산폐기물을 저감시킬 수 있다.

상기 황산칼슘(CaSO₄)은 통상적으로 칼슘염 수용액에 황산 또는 황산염 수용액을 넣으면 앙금으로 얻어지는 물질이며, 보통 이수화물 형태(CaSO₄·2H₂O)로 석고(gypsum)라고 하는 흰색 또는 무색 분말로서 모형, 소상, 고착제 등으로 사용될 수 있다.

또한, 아황산가스는 불쾌한 자극취가 있는 무색의 불연성 기체로서 물에 잘 용해되며, 기체 밀도는 2.9g/㎤이고 액체 비중은 1.43이다. 이 물질은 수분이 존재할 때는 환원작용을 나타냄에 따라 금속에 대하여 부식성이 강하고 대기오염 및 산성비의 원인이 되며, 현대에 들어 에너지원이 석유로 전환되면서 아황산가스의 대기 중 농도가 증가하였고 이에 따라 대기오염물질 중에서 큰 비중을 차지하고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 쉽게 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실시예/비교예]

평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 삽입제로서 황산(H₂SO₄)을 배합한 원료를 용기에 넣고 10분간 교반한 후, 상기 교반이 완료된 원료에 제1산화제로서 과망간산칼륨(KMnO₄)을 소분하여 첨가하면서 30분간 교반한 다음, 상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 30분간 침전시킨 후 상등액 폐수를 배출하는 공정을 2회 실시하였다.

상기 침전시킨 원료에 제2산화제로서 과산화수소(H₂O₂)를 넣고 10분간 교반한 후, 상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척하는 공정을 2회 실시한 다음, 원심탈수기를 통과하여 수분함량 80 ~ 90％ 이내로 탈수시키고 60 ~ 150℃의 온도에서 2 ~ 10시간 동안 건조시켜 팽창흑연을 제조하였다.

상기 팽창흑연을 제조함에 있어 각 구성성분의 배합을 달리하는 실시예 및 비교예를 아래 [표 1]과 같은 조성으로 각각 5회 이상 실시하였다.

성분(중량부)	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
흑연	100	100	100	100	100
70w% H₂SO₄	150	300	400	100	500
KMnO₄	10	20	30	5	-
30w% H₂O₂	2	5	8	5	10

[실험예]

상기 실시예 및 비교예에 따라 각각 제조된 팽창흑연을 약 800℃의 온도에서 20 ~ 40초간 가열하여 팽창시킨 C축 방향 팽창배율을 측정하고 그 결과의 평균치를 [표 2]에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
팽창률(배율)	260	280	300	220	380

상기 [표 2]에서와 같이, 기존의 고농도 황산 삽입제와 과산화수소 산화제 등을 사용하여 제조된 팽창흑연의 팽창률은 대략 200배 정도인 반면, 실시예 1 내지 3과 같이 제조된 팽창흑연은 0.01g/ml 이하의 저밀도 소재로서 팽창률 260 내지 300배 범위의 균일한 기공을 가지므로 본 발명에서 요구하는 품질특성을 충족하는 것으로 확인되었으며, 다만 비교예 1, 2와 같이 산화제의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나는 경우 팽창률이 저하되거나 과다팽창에 따른 발포성과 기공이 불균일하게 되므로 그로 인한 사용상의 제약이 발생될 수 있음을 확인하였다.

따라서 본 발명의 친환경 팽창흑연의 제조방법으로 생산된 팽창흑연은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능한 것으로, 특히 중량의 낮은 장점이 있어 건축용 난연제 및 난연 첨가제는 물론, 이를 일정한 형태로 가공하여 개스킷재료, 흡음단열재, 전극재료 또는 유류 등의 흡착제나 방화 및 내화재료 등에 적용이 가능한 친환경 소재로서 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims

평균입도 50 내지 200메쉬(mesh)의 흑연 100중량부에 대하여 50 ~ 75w% 황산(H₂SO₄) 150 ~ 400중량부의 비율로 배합된 원료를 용기에 넣고 교반하는 제1단계;
상기 교반이 완료된 원료에 과망간산칼륨(KMnO₄) 10 ~ 30중량부를 소분하여 첨가하면서 교반하는 제2단계;
상기 교반이 완료된 원료에 물을 넣고 20 ~ 60분간 침전시킨 후 상등액 폐수는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 중화하여 배출하는 제3단계;
상기 침전시킨 원료에 20 ~ 40w% 과산화수소(H₂O₂) 2 내지 8중량부를 넣고 교반하는 제4단계;
상기 교반이 완료된 슬러리 상태의 원료를 세척탱크에 넣고 물로 세척한 후 원심탈수기를 통과하여 탈수시킨 원료를 60 ~ 150℃ 의 온도에서 2 ~ 10시간 동안 건조시켜 탈수 및 건조시키는 제5단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 팽창흑연의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제3단계 및 제5단계에서 원료를 세척하는 공정은 각각 2 내지 3회 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 친환경 팽창흑연의 제조방법.
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