KR102444776B1 - 카본 블랙의 산화 방법 및 이를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법 - Google Patents

카본 블랙의 산화 방법 및 이를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 산화 개질 후 잔류 오존에 의해 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 카본 블랙의 산화 방법 및 이를 단일의 연속적인 공정 내에 포함하는 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

카본 블랙의 산화 방법 및 이를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법{METHOD FOR OXIDIZING CARBON BLACK AND PREPARING CARBON BLACK USING THE SAME}
본 발명은 표면 산화 개질 후 잔류 오존에 의해 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 카본 블랙의 산화 방법 및 이를 단일의 연속적인 공정 내에 포함하는 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것이다.
카본 블랙이란 각종 탄화수소 또는 탄소를 포함하는 화합물을 불완전 연소시켜 수득한 아주 미세한 구형 입자의 집합체를 의미한다. 카본 블랙은 반응로 속에서 일차 입자(Primary Particle)를 형성하고, 이러한 일차 입자들은 서로 융착되어 포도송이 형태의 응집체를 형성한다.
카본 블랙은 본래 소수성으로 다양한 용도에서 다른 친수성 물질과 혼합하여 사용될 필요가 있는 경우, 친수성으로 개질되어 사용될 필요가 있다. 예를 들어, 친수성으로 개질된 카본 블랙은 잉크, 페인트 등의 용도에 적용시 수성 용액 중 분산성이 제고될 수 있다.
카본 블랙을 친수성으로 개질하기 위해 표면에 작용기를 도입하는 방법이 있다. 이러한 방법으로는 대표적으로 습식 산화 처리 방법과 건식 산화 처리 방법이 있다. 예를 들어, 습식 산화 처리 방법은 카본 블랙을 질산 용액으로 산화하여 표면에 관능기를 도입하는 방법이며, 건식 산화 처리 방법은 카본 블랙을 활성화된 오존 가스와 반응시켜 표면에 관능기를 도입하는 방법이다.
이 때, 산화 처리가 종료된 후 카본 블랙에 잔류하는 질산 용액 또는 오존 가스는 카본 블랙의 표면 산화도를 변화시키는 요인으로 작용할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 카본 블랙의 친수성 개질을 위한 건식 산화 처리 종료 후 카본 블랙에 잔류하는 오존 가스에 의해 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 카본 블랙의 산화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 카본 블랙의 산화 방법을 기존 카본 블랙의 제조 공정에 적용하여 별도의 공정 분리없이 단일의 연속적인 제조 공정을 통해 산화 처리 종료 후 뿐만 아니라 제조된 카본 블랙을 보관하는 중에도 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 카본 블랙의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 오존 생성기에서 산소로부터 오존을 생성하여 산소와 오존의 혼합 기체를 수득하는 단계, (b) 투입구와 배출구를 각각 구비한 산화 반응기 내로 상기 혼합 기체를 투입시켜 상기 산화 반응기 내의 카본 블랙을 산화 처리하는 단계, (c) 상기 산화 반응기 내의 혼합 기체를 상기 배출구를 통해 배출시키는 단계 및 (d) 산화 처리된 카본 블랙에 잔류하는 오존을 퍼지하는 단계를 포함하는 카본 블랙의 산화 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연소 반응기에서 생성된 카본 블랙을 산화 반응기로 이동시킨 후 상술한 방법으로 산화 처리하는 카본 블랙의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 카본 블랙의 친수성 개질을 위한 건식 산화 처리 종료 후 카본 블랙에 잔류하는 오존 가스에 의해 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있어 제조된 카본 블랙의 타겟 pH를 정확히 맞출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 카본 블랙에 잔류하는 오존 가스를 제거하는 공정을 수행함으로써 산화 처리 종료 후 뿐만 아니라 제조된 카본 블랙을 보관하는 중에도 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 별도의 공정을 분리할 필요가 없이 단일의 연속적인 제조 공정을 통해 산화 처리된 카본 블랙의 표면 산화도 변화를 방지할 수 있다는 점에서 공정 난이도 및 공정 비용적인 측면에서 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 수 있다.
또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙의 산화 방법 및 제조 방법이 수행되는 카본 블랙 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치(100)는 제1 반응기(110), 분쇄기(120), 제2 반응기(130), 펠리타이저(140), 건조기(150) 및 이송 배관(160)을 포함한다.
제1 반응기(110)는 연료탄화수소 및 산소함유가스의 반응에 의한 열분해로 미분쇄된 카본 블랙을 형성한다.
여기서, 연료탄화수소를 제1 반응기(110)의 내부로 공급하기 위해, 카본 블랙 제조 장치(100)는 제1 연료 저장탱크(102), 제1 펌프(106) 및 제1 예열기(114)를 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 연료 저장탱크(102)의 내부에 저장된 연료탄화수소는 제1 펌프(106)에 의해 펌핑되어 제1 예열기(114)로 공급되고, 제1 예열기(114)의 내부로 공급된 연료탄화수소는 산소함유가스와 함께 예열하여 제1 반응기(110)의 내부로 공급된다.
또한, 산소함유가스를 제1 반응기(110)의 내부로 공급하기 위해, 카본 블랙 제조 장치(100)는 제2 연료 저장탱크(104), 제2 펌프(108), 제2 예열기(112), 가스 반응기(116), 제3 예열기(118) 및 에어 블로워(125)를 더 포함할 수 있다. 이때, 제2 연료 저장탱크(104)의 내부에는 원료유가 저장되고, 원료유는 제2 펌프(108)에 의해 펌핑되어 제2 예열기(112)로 공급되어 예열된 후 가스 반응기(116)의 내부로 공급된다. 이러한 가스 반응기(116)의 내부를 통과한 원료유는 제3 예열기(118)로 공급되며, 이때 제3 예열기(118)의 내부로 에어 블로워(125)를 통하여 주입되는 산소와의 반응으로 산소함유가스를 생성하게 된다. 이후, 산소함유가스는 제1 예열기(114)의 내부로 공급되어, 연료탄화수소와 함께 예열된 후 제1 반응기(110)의 내부의 공급된다.
분쇄기(120)는 제1 반응기(110)에 의해 형성한 카본 블랙을 분쇄하는 역할을 한다. 이러한 분쇄기(120)에 의해 카본 블랙은 100nm 이하의 미세한 크기로 분쇄될 수 있다.
제2 반응기(130)는 분쇄기(120)에 의해 분쇄된 카본 블랙을 물과 반응시켜 카본 블랙 혼합물을 형성하기 위한 목적으로 장착된다. 이를 위해, 제2 반응기(130)는 외부로부터 물을 공급받기 위한 물 공급 배관(미도시)이 설치되어 있을 수 있다. 이때, 물은 카본 블랙 혼합물 100 중량부에 대하여, 50 ~ 300 중량부로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
펠리타이저(140)는 제2 반응기(130)에 의해 형성된 카본 블랙 혼합물을 펠릿화하여 펠렛화된 카본 블랙을 형성한다.
건조기(150)는 펠리타이저(140)에 의해 형성된 펠렛화된 카본 블랙을 건조한다. 이때, 건조는 펠렛화된 카본 블랙의 수분을 제거하기 위해 적어도 100℃ 이상에서 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 150 ~ 300℃에서 실시하는 것이 좋다.
이송 배관(160)은 제1 반응기(110), 분쇄기(120), 제2 반응기(130), 펠리타이저(140) 및 건조기(150) 상호 간을 연결한다. 구체적으로 설명하면, 이송 배관(160)은 제1 예열기(114)의 출측과 제1 반응기(110)의 입측을 연결하는 제1 이송 배관(161), 제1 반응기(110)의 출측과 분쇄기(120)의 입측을 연결하는 제2 이송 배관(162), 분쇄기(120)의 출측과 제1 반응기(130)의 입측을 연결하는 제3 이송 배관(163), 제2 반응기(130)의 출측과 펠리타이저(140)의 입측을 연결하는 제4 이송 배관(164), 펠리타이저(140)의 출측과 건조기(150)의 입측을 연결하는 제5 이송 배관(165)을 포함할 수 있다.
특히, 제2 반응기(130)의 출측과 펠리타이저(140)의 입측을 연결하는 이송 배관인 제4 이송 배관(164)은 산화 반응기를 포함한다.
이러한 제4 이송 배관(164)에서는 펠렛화된 카본 블랙의 표면에 대한 오존 산화 반응이 수행된다.
한편, 카본블랙 제조 장치(100)는 버킷 엘리베이터(170), 분급기(175), 자기 분리기(180) 및 저장 탱크(190)를 더 포함할 수 있다. 버킷 엘리베이터(170)는 건조된 펠렛화된 카본블랙을 수직 상승시켜 이송하는 역할을 한다. 분급기(175)는 버켓 엘리베이터(170)를 통해 수직 상승시킨 펠렛화된 카본블랙을 분급하는 역할을 하며, 자기 분리기(180)는 분급된 펠렛화된 카본블랙을 분리하는 역할을 한다.
저장 탱크(190)는 자기 분리기(180)에 의해 분리된 펠렛화된 카본블랙을 열처리하여 백 필러(190)를 형성하기 위한 목적으로 장착된다. 이때, 저장 탱크(190) 내에서 열처리되어 형성되는 백 필러(190)는 품질 검사를 마친 후, 운송 수단에 적재되어 출하될 수 있다.
이하에서는 전술한 제4 이송 배관(164)에 구비된 산화 반응기에서 수행되는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙의 산화 방법 및 제조 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 오존 생성기에서 산소로부터 오존을 생성하여 산소와 오존의 혼합 기체를 수득하는 단계, (b) 투입구와 배출구를 각각 구비한 산화 반응기 내로 상기 혼합 기체를 투입시켜 상기 산화 반응기 내의 카본 블랙을 산화 처리하는 단계, (c) 상기 산화 반응기 내의 혼합 기체를 상기 배출구를 통해 배출시키는 단계 및 (d) 산화 처리된 카본 블랙에 잔류하는 오존을 퍼지하는 단계를 포함하는 카본 블랙의 산화 방법이 제공된다.
여기서, 단계 (a)는 카본 블랙의 산화제로서 사용되는 오존을 생성하는 단계이다.
산소 공급기가 오존 생성기로 산소를 공급하면, 오존 생성기에서 산소로부터 오존을 생성하고, 생성된 오존은 산소와 혼합된 혼합 기체 상태로 산화 반응기로 공급된다.
오존 생성기에서는, 예를 들어, 공기 또는 산소를 주원료로 하여 고전압의 아크 방전과 같은 플라즈마 방전을 통해 오존을 발생시킬 수 있다. 산소는 공기를 압축기로 압축한 뒤 산소만 따로 분리하여 이용하게 된다.
오존을 발생시키는 다른 예로, 코로나 방전과 같은 무성 방전에 의할 수도 있다. 플라즈마 방전에 의하는 경우, 예를 들어, 전극 사이에 유리나 세라믹 같은 유전체를 끼우고 공기나 산소를 불어넣고, 전극에 고전압(6kv 내지 15kv)을 가하면 방전 공간에서 다음 반응에 의하여 오존이 발생된다.
O2　 + e-　--> O + O + e-
O2 + e-　--> O2 *　+ e-
O + O2　 + M --> O3　 + M (M은 카본 블랙이다.)
O2 * 　+ O2　--> O3 　+ O
오존 생성기에서 오존을 생성하게 되면 오존과 산소가 혼합된 상태의 혼합 기체로 얻게 되며, 혼합 기체 중 산소는 캐리어 가스로서 오존과 함께 반응기로 투입된다.
산화 반응기에 단계 (a)에서 생성된 혼합 기체를 투입하기 전에 미리 카본 블랙을 투입하며, 이 때 카본 블랙과 혼합 기체 중 오존의 균일한 반응을 위해 산화 반응기 내부 공간의 전체 부피의 1/2 이하의 부피를 차지하도록 카본 블랙을 공급하는 것이 바람직하다.
단계 (b)는 산화 반응기 내 카본 블랙과 산화 반응기 내로 투입되는 혼합 기체 중 오존을 반응시켜 카본 블랙의 표면을 산화하는 단계이다.
산화 반응기 내로 혼합 기체의 투입시 기체의 흐름 속도로 인해 카본 블랙이 날리는 것을 방지하기 위해 혼합 기체의 투입 속도는 조절할 수 있다.
또한, 혼합 기체의 농도 및 시간당 투입 부피는 산화 반응기 내의 카본 블랙의 벌크 밀도에 따라 조절할 수 있다.
구체적으로, 혼합 기체는 15 g/m3 내지 200 g/m3 의 농도로 투입될 수 있고, 산화 반응기의 크기에 따라서 투입 속도를 조절할 있다. 예를 들어, 산화 반응기 2.5L 기준으로 0.5 L/분 내지 5 L/분 속도로 상기 반응기에 투입될 수 있다. 다른 예에 있어서, 혼합 기체는 산화 반응기 70L 기준으로 5 L/분 내지 50 L/분 속도로 산화 반응기로 투입될 수 있다. 상술한 수치 범위 내의 유입 속도로 혼합 기체를 투입함으로써 카본 블랙의 산화 효율을 높일 수 있다.
본원에서 카본 블랙의 산화를 위해 사용되는 산화 반응기는 투입구와 배출구를 구비하고, 투입구로는 혼합 기체가 투입되며, 카본 블랙의 산화 처리 종료 후 배출구를 통해 혼합 기체를 배출시킨다. 예를 들어, 산화 반응기가 원통형 배럴로 구현된 경우, 투입구와 배출구는 배럴의 양 측에 마련될 수 있다.
혼합 기체가 산화 반응기 내로 투입되면, 산화 반응기 내에 미리 배치 타입으로 주입된 카본 블랙과 접촉하게 된다.
혼합 기체 중 오존은 카본 블랙과 반응하여 카본 블랙이 친수성이 되도록 표면을 개질한 후 산소로 환원되어 배출구를 통해 배출된다.
이 때, 카본 블랙의 표면 개질은 카본 블랙의 표면에 전자의 이동을 방해할 수 있는 극성 작용기를 도입하는 단계이다.
극성 작용기의 종류로는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 아미노기, 할로겐기, 설폰기, 포스포닉기, 포스포릭기, 싸이올기, 알콕시기, 아마이드기, 알데하이드기, 케톤기, 카복실기, 에스터기, 하이드록시기, 산 무수물기, 아실 할라이드기, 시아노기 및 아졸기 등이 해당될 수 있다.
다만, 본원에서 단계 (b)의 산화 처리는 오존을 이용한 산화 처리로서, 단계 (b)를 통해 카본 블랙의 표면에 도입 가능한 극성 작용기는 산소를 포함하는 작용기일 수 있다.
여기서, 단계 (b)의 산화 처리 전 카본 블랙의 pH는 약 9.0 내지 10.0일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 원료가 되는 카본 블랙의 제조 공정에 따라 카본 블랙의 pH가 상기 범위 외로 조절될 수 있다. 다만, 일반적으로 산화 처리 전 카본 블랙의 pH는 중성(7.0)보다 염기성에 가까운 pH를 가질 수 있다.
카본 블랙은 단계 (b)의 산화 처리를 거침으로써 중성(7.0)보다 산성에 가까운 pH를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5 이하, 보다 바람직하게는 3 이하의 pH를 가질 수 있다.
이어서, 카본 블랙에 대한 산화 처리가 종료된 후 산화 반응기 내에 남아있는 혼합 기체를 산화 반응기에 마련된 배출구를 통해 제거한다(단계 (c)).
이 때, 산화 반응기의 배출구로부터 배출되는 혼합 기체는 캐리어 가스로서 혼합 기체에 포함된 산소와 카본 블랙과 반응 후에 오존으로부터 생성된 산소를 주로 포함한다. 또한, 카본 블랙과 반응하지 않은 잔류 오존 역시 배출구를 통해 산화 반응기로부터 배출될 수 있다.
또한, 본원에 따르면, 단계 (c) 후 산화 처리된 카본 블랙에 잔류하는 오존을 퍼지하는 단계 (d)가 추가적으로 수행될 수 있다.
단계 (d)는 카본 블랙에 대한 산화 처리 종료 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 제거하는 단계 (c)와 구별되는 단계로서, 단계 (c)와 독립적으로 수행되는 기체 퍼지 단계이다.
구체적으로, 단계 (d)는 산화 반응기 내 기체 분위기를 형성하는 혼합 기체를 제거하는 것이 아니라 카본 블랙에 잔류하는 산화성 기체로서 오존을 제거하는 단계이다.
카본 블랙의 경우, 일반적으로 일차 입자들이 서로 융착된 포도송이 형태의 응집체로 존재하는데, 카본 블랙에 대한 산화 처리 후 산화 반응기로부터 혼합 기체를 배출하여도 카본 블랙카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에는 미량의 오존이 잔류할 수 있다.
카본 블랙카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존은 미량일지라도 카본 블랙의 표면 산화도를 변화시키는 요인으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 산화 처리 후 뿐만 아니라 산화 처리된 카본 블랙의 저장하는 동안 잔류 오존은 카본 블랙에 대한 추가적인 산화 반응이 가능하도록 한다.
또한, 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존에 의해 카본 블랙의 산화도가 더 큰 것으로 측정될 가능성이 있다. 예를 들어, 산화 처리된 카본 블랙의 실제 pH는 3.0임에도 불구하고, 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존에 의해 카본 블랙의 pH가 3.0보다 작은 것으로 측정될 수 있다.
이에 따라, 본원에서는 카본 블랙에 잔류하는 오존을 퍼지하는 단계 (d)를 추가적으로 수행함으로써 표면 산화 처리된 카본 블랙의 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화하거나 카본 블랙의 산화도가 잔류 오존에 의해 더 크게 측정되는 것을 방지 또는 완화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 단계 (d)는 산화 반응기 내로 비활성 퍼지 기체를 투입함으로써 수행될 수 있다.
이 때, 비활성 퍼지 기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 네온으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 즉, 비활성 퍼지 기체는 산화 처리된 카본 블랙의 표면 특성에 영향을 주지 않는 범위에서 다양한 조합의 기체로서 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단계 (d)는 산화 반응기 내의 압력을 감압하면서 카본 블랙카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존이 배출구를 통해 산화 반응기 외부로 배출될 수 있도록 촉진할 수 있다.
추가적으로, 단계 (d)는 산화 반응기 내로 비활성 퍼지 기체를 투입함과 동시에 산화 반응기를 소정의 속도로 회전시킴으로써 카본 블랙카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.
이 때, 산화 반응기는 3 내지 7 rpm의 속도로 회전될 수 있다. 산화 반응기의 회전 속도가 3 rpm 미만, 즉 과도하게 느릴 경우, 산화 반응기의 회전에 의해 카본 블랙의 벌크 밀도를 향상시키는 효과가 미비하여 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존의 제거 효과가 부족할 우려가 있다.
또한, 단계 (d)는 산화 반응기 내의 온도를 승온시키면서 수행될 수 있다. 이 때, 산화 반응기 내의 온도는 300℃으로 승온될 수 있으며, 산화 반응기의 승온에 의해 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존이 열분해식으로 제거될 수 있다.본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 단계 (d)는 산화 처리된 카본 블랙을 다른 공정 단위로 이송하는 스크류 피더 내에서 수행될 수 있다. 여기서, 다른 공정 단위란 카본 블랙을 펠렛화하는 펠리타이저 또는 카본 블랙을 건조하는 건조기일 수 있다. 스크류 피더란 원통형의 이송 배관 내에 설치된 스크류에 의해 이송 배관의 일 측의 호퍼 내로 들어온 카본 블랙을 타 측으로 이송하는 장치를 의미한다. 여기서, 스크류 피더는 1축 또는 2축 스크류가 설치된 피더로서, 싱글 또는 더블 스크류의 회전에 의해 이송되는 카본 블랙의 벌크 밀도가 증가할 수 있으며, 이에 따라 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존이 물리적으로 제거될 수 있다.
또한, 단계 (d)는 스크류 피더 내의 온도를 승온시키면서 수행될 수 있다. 이 때, 스크류 피더 내의 온도는 300℃으로 승온될 수 있으며, 산화 반응기의 승온에 의해 카본 블랙 응집체 내의 기공 또는 응집체 사이의 공간 내의 기공 등에 잔류하는 오존이 열분해식으로 제거될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 산화 처리된 카본 블랙을 추출하여 별도의 반응기로 옮겨 잔류 오존을 제거할 필요없이 산화 처리 공정 단위와 후속 공정 단위를 연결하는 이송 수단으로서 스크류 피더 내에서 카본 블랙 내 잔류 오존을 제거할 수 있다는 점에서 공정의 연속성을 확보하는 것이 가능하다.
상술한 카본 블랙 내 잔류 오존을 제거하는 공정을 거침에 따라, 단계 (b) 후 측정된 카본 블랙의 pH 대비 상기 단계 (d) 후 측정된 카본 블랙의 pH의 변화는 0.2 미만이거나 pH 변화율이 5% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연소 반응기에서 생성된 카본 블랙을 산화 반응기로 이동시킨 후 상술한 방법으로 산화 처리하는 카본 블랙의 제조 방법이 제공된다.
본원에서 카본 블랙은 연소 반응기에 원료유, 연료유 및 연소 촉진 가스가 투입된 후 열처리를 통해 생성될 수 있다.
연료유는 카본 블랙을 생성하는 반응 조건에 상응할 수 있는 고온에 도달하기 위해 태워지는 연료로서, 경유, 등유, 벙커C유, 석유계 FCC, EBO, 크레오소트, 소프트 피치, 석탄계 콜타르, 나프탈렌, 카르복실산, FCC 등의 액체 연료, 천연가스, 석탄가스와 같은 기체 연료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
원료유는 카본 블랙의 시드(seed)를 생성하는 물질로서, 휘발유, 경유, 등유, 벙커C유, 석유계 FCC, EBO, 크레오소트, 소프트 피치, 석탄계 콜타르, 나프탈렌, 카르복실산, FCC 등의 액체 원료, 천연 가스, 석탄 가스와 같은 기체 원료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
연소 촉진 가스는, 예를 들어, 공기 또는 산소일 수 있다.
이를 통해 제조된 카본 블랙은 연소 반응기로부터 산화 반응기로 이송되어 산화 반응기 내에서 전술한 단계 (a) 내지 단계 (d)를 통해 산화 처리될 수 있다.
이와 같이, 카본 블랙의 친수성 개질을 위한 건식 산화 처리 종료 후 카본 블랙에 잔류하는 오존 가스에 의해 카본 블랙의 표면 산화도가 변하는 것을 방지 또는 완화할 수 있는 방법을 기존 연속식 카본 블랙의 제조 공정에 적용함으로써 별도의 공정 분리 없이도 카본 블랙의 표면 산화도를 일정하게 유지하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
카본 블랙의 제조 방법
실시예 1
연소 반응기 및 상기 연소 반응기에 연결된 산화 반응기를 구비한 장치를 준비한 후, 연소 반응기에서 N234 등급의 카본 블랙 50 kg을 생성하였다. 원료유로서 크레오소트, 연료유로서 석유계 FCC 및 공기를 사용하였으며, 원료유 투입 속도는 2,800 kg/hr, 연료유 투입 속도는 250 kg/hr, 공기 투입 속도는 4,560 Nm3/hr로 설정하였다.
생성된 카본 블랙 50 g을 산화 반응기로 이동시키고, 오존의 농도가 84 g/m3가 되도록 오존 및 산소를 포함하는 혼합 기체를 1L/분의 속도로 투입하여 2 시간 동안 산화 처리하였다.
산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 반응기 내로 질소 및 아르곤 혼합 기체를 0.5 L/분의 속도로 투입하여 1시간 동안 퍼지 처리하였다. 이 때, 산화 반응기 내의 온도는 상온으로 유지하였다.
실시예 2
질소 퍼지시 산화 반응기를 3 rpm의 속도로 회전시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
실시예 3
질소 퍼지시 산화 반응기를 5 rpm의 속도로 회전시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
실시예 4
질소 퍼지시 산화 반응기를 7 rpm의 속도로 회전시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
실시예 5
연소 반응기 및 상기 연소 반응기에 연결된 산화 반응기를 구비한 장치를 준비한 후, 연소 반응기에서 N234 등급의 카본 블랙 50 kg을 생성하였다. 원료유로서 크레오소트, 연료유로서 석유계 FCC 및 공기를 사용하였으며, 원료유 투입 속도는 2,800 kg/hr, 연료유 투입 속도는 250 kg/hr, 공기 투입 속도는 4,560 Nm3/hr로 설정하였다.
생성된 카본 블랙 50 g을 산화 반응기로 이동시키고, 오존의 농도가 84 g/m3가 되도록 오존 및 산소를 포함하는 혼합 기체를 1L/분의 속도로 투입하여 2 시간 동안 산화 처리하였다.
산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 반응기를 3 rpm의 속도로 1시간 동안 회전시켰다. 이 때, 산화 반응기 내의 온도는 300℃로 승온시켜 유지하였다.
실시예 6
산화 반응기 내의 온도를 350℃로 승온시킨 것을 제외하고, 실시예 5와 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
실시예 7
연소 반응기 및 상기 연소 반응기에 연결된 산화 반응기를 구비한 장치를 준비한 후, 연소 반응기에서 N234 등급의 카본 블랙 50 kg을 생성하였다. 원료유로서 크레오소트, 연료유로서 석유계 FCC 및 공기를 사용하였으며, 원료유 투입 속도는 2,800 kg/hr, 연료유 투입 속도는 250 kg/hr, 공기 투입 속도는 4,560 Nm3/hr로 설정하였다.
생성된 카본 블랙 50 g을 산화 반응기로 이동시키고, 오존의 농도가 84 g/m3가 되도록 오존 및 산소를 포함하는 혼합 기체를 1L/분의 속도로 투입하여 2 시간 동안 산화 처리하였다.
산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 처리된 카본 블랙을 동일 교합형 반대 방향 회전 2축 스크류 피더에 10 kg/시간의 속도로 투입하여 이송시켰다. 스크류 피더 내 스크류는 7 rpm의 속도로 운전되었으며, 스크류 피더 내의 온도는 300℃로 승온시켜 유지하였다.
실시예 8
스크류 피더 내의 온도를 350℃로 승온시킨 것을 제외하고, 실시예 7와 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
비교예 1
산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 별도의 후속 처리를 수행하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
비교예 2
산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 상온 조건에서 산화 반응기를 5 rpm으로 1시간 동안 회전시킨 것을 제외하고, 비교예 1과 동일하게 카본 블랙을 제조하였다.
카본 블랙의 표면 산화도 평가
실시예 및 비교예에서 제조한 카본 블랙의 각 단계(산화 처리 후 즉시, 카본 블랙 제조 완료 후 즉시 및 카본 블랙 제조 완료 후 24시간)별 표면 산화도는 ASTM D1512에 따라 측정하였으며, 그 결과는 하기의 표 1에 기재하였다.
구분 오존 산화 처리 전 측정된 pH 오존 산화 처리 후 즉시 측정된 pH 오존 산화 처리 24시간 후 측정된 pH
실시예 1 9.2 2.7 2.76
실시예 2 9.2 2.7 2.75
실시예 3 9.2 2.7 2.74
실시예 4 9.2 2.7 2.72
실시예 5 9.2 2.7 2.74
실시예 6 9.2 2.7 2.72
실시예 7 9.2 2.7 2.73
실시예 8 9.2 2.7 2.72
비교예 1 9.2 2.7 2.92
비교예 2 9.2 2.7 2.87
실시예 1의 결과를 참고하면, 산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 반응기 내로 비활성 기체를 퍼지할 경우, 카본 블랙 내 잔류 오존이 제거됨으로써 오존 산화 처리 24시간 후 측정된 pH의 변화율이 작은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 2 내지 실시예 4의 결과를 참고하면, 비활성 기체로 퍼지함과 동시에 산화 반응기를 회전시킬 경우, 산화 반응기 내 카본 블랙의 벌크 밀도가 향상됨에 따라 카본 블랙 내 잔류 오존에 대한 추가적인 물리적 제거가 가능함으로써 카본 블랙의 pH 변화율을 더욱 작게 유지하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 5 내지 실시예 8의 결과를 참고하면, 산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 반응기 또는 스크류 피더 내 스크류의 회전 및 승온을 통해 카본 블랙의 벌크 밀도를 향상시킴과 동시에 카본 블랙 내 잔류 오존에 대한 물리적인 제거와 함께 오존의 열분해를 통해 카본 블랙의 pH 변화율을 더욱 작게 유지하는 것이 가능하다.
한편, 비교예 1 및 비교예 2의 결과를 참고하면, 산화 처리 후 산화 반응기 내의 혼합 기체를 배출한 후 산화 반응기를 회전시키는 것 이외의 별도의 후속 처리를 수행하지 않을 경우, 카본 블랙 내 잔류 오존이 효과적으로 제거되지 않아 카본 블랙의 pH 변화율이 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 오존 생성기에서 산소로부터 오존을 생성하여 산소와 오존의 혼합 기체를 수득하는 단계;
    (b) 투입구와 배출구를 각각 구비한 산화 반응기 내로 상기 혼합 기체를 투입시켜 상기 산화 반응기 내의 카본 블랙을 산화 처리하는 단계;
    (c) 상기 산화 반응기 내의 혼합 기체를 상기 배출구를 통해 배출시키는 단계; 및
    (d) 산화 처리된 카본 블랙에 잔류하는 오존을 제거하는 단계; 를 포함하고,
    상기 단계 (b) 후 측정된 카본 블랙의 pH 대비 상기 단계 (d) 후 측정된 카본 블랙의 pH의 변화율은 5 % 이하인
    카본 블랙의 산화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 산화 반응기 내로 비활성 퍼지 기체를 투입하여 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비활성 퍼지 기체는 질소, 아르곤, 헬륨 및 네온으로부터 선택되는 적어도 하나인,
    카본 블랙의 산화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 산화 반응기 내의 온도를 승온시켜 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 산화 반응기 내의 온도를 300℃ 이상으로 승온시켜 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 산화 반응기를 회전시키면서 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 산화 처리된 카본 블랙을 이송하는 스크류 피더 내에서 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스크류 피더 내의 온도를 300℃ 이상으로 승온시켜 수행되는,
    카본 블랙의 산화 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 산화 반응기는 3 내지 7 rpm의 속도로 회전시키는
    카본 블랙의 산화 방법.
  10. (a) 연소 반응기에서 카본 블랙을 생성하는 단계; 및
    (b) 상기 연소 반응기에서 생성된 카본 블랙을 산화 반응기로 이동시키는 단계; 및
    (c) 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 상기 산화 반응기 내의 카본 블랙을 산화하는 단계;
    를 포함하는,
    카본 블랙의 제조 방법.
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