KR102529675B1 - 카본블랙 제조 장치 - Google Patents

카본블랙 제조 장치 Download PDF

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    • C09C1/44—Carbon
    • C09C1/48—Carbon black
    • C09C1/485—Preparation involving the use of a plasma or of an electric arc
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Abstract

본 발명은 카본블랙에 대한 균일한 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리가 가능한 반응기를 구비함으로써 원료 카본블랙의 제조와 함께 카본블랙에 대한 표면 처리를 연속적으로 수행하는 것이 가능한 카본블랙 제조 장치에 관한 것이다.

Description

카본블랙 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING CARBON BLACK}
본 발명은 카본블랙에 대한 표면 개질 처리가 가능한 반응기를 구비함으로써 원료 카본블랙의 제조와 함께 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 연속적으로 수행하는 것이 가능한 카본블랙 제조 장치에 관한 것이다.
카본블랙이란 각종 탄화수소 또는 탄소를 포함하는 화합물을 불완전 연소시켜 수득한 아주 미세한 구형 입자의 집합체를 의미한다. 카본블랙은 반응로 속에서 일차 입자(Primary Particle)를 형성하고, 이러한 일차 입자들은 서로 융착되어 포도송이 형태의 응집체를 형성한다.
카본블랙은 전기적 특성에 따라 이차전지의 전도성 소재로서 주로 사용되는 전도성 카본블랙과 디스플레이 장치로의 적용을 위해 전도성이 저하 또는 억제된 고저항성 카본블랙으로 분류될 수 있다. 이에 따라, 카본블랙은 용도 또는 요구되는 물성에 따라 적절히 개질되어 사용된다.
일반적으로, 카본블랙에 대한 개질 처리는 원료 탄화수소로부터 카본블랙을 제조한 후 제조된 카본블랙을 별도의 반응기로 옮겨 후속 공정으로서 개질 처리하는 방법이 알려져 있다.
이 경우, 반응기의 용량에 맞춰 제조된 카본블랙의 일정량을 반복하여 옮겨야 하기 때문에 대량 생산이 불가하며, 공정 시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, 별도의 반응기로 카본블랙을 옮기는 추가 공정이 필요하며, 이는 최종 개질 처리된 카본블랙의 균일도(uniformity)를 떨어뜨리거나 수율 저하 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 카본블랙에 대한 균일한 표면 개질 처리가 가능한 반응기를 구비하는 카본블랙 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 카본블랙의 제조와 함께 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 연속적으로 수행하는 것이 가능한 카본블랙 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 미분쇄 카본블랙을 형성하는 연소 반응기, 상기 연소 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기, 상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 혼합기, 상기 카본블랙 혼합물을 펠렛화하여 펠렛화된 카본블랙을 형성하는 펠리타이저, 상기 펠렛화된 카본블랙을 건조하는 건조기 및 상기 연소 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 혼합기, 상기 혼합기와 상기 펠리타이저 및 상기 펠리타이저와 상기 건조기를 각각 연결하는 복수의 이송 배관을 포함하는 카본블랙 제조 장치가 제공된다.
여기서, 상기 이송 배관 중 적어도 하나는 회전 가능하도록 구비된 이송식 반응기이며, 상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 플라즈마를 조사하는 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 미분쇄 카본블랙을 형성하는 연소 반응기, 상기 연소 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기, 상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 혼합기, 상기 카본블랙 혼합물을 저장하는 저장 탱크 및 상기 연소 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 혼합기 및 상기 혼합기와 상기 저장 탱크를 각각 연결하는 복수의 이송 배관을 포함하는 카본블랙 제조 장치가 제공된다.
여기서, 상기 이송 배관 중 적어도 하나는 회전 가능하도록 구비된 이송식 반응기이며, 상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 플라즈마를 조사하는 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 카본블랙 제조 공정 중 수행하는 것이 가능함으로써 공정 안정성 및 효율성을 제고하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 A 영역에 적용된 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본블랙 제조 장치 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 일 발명의 실시예에 따른 카본블랙 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙 제조 장치(100)는 연소 반응기(116), 이물질 제거기(110), 분쇄기(120), 혼합기(130), 펠리타이저(140), 건조기(150) 및 이송 배관(160)을 포함한다. 상기 실시예에 따른 카본블랙 제조 장치는 펠리타이저(140)가 구비됨에 따라 펠렛 형태의 카본블랙을 제조하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 카본블랙 제조 장치(100)는 파우더 형태의 카본블랙을 제조할 수 있다. 이 경우, 펠리타이저(140)가 구비될 필요가 없으며, 펠리타이저(140) 위치에는 분쇄기 또는 별도의 저장 탱크가 위치할 수 있다.
연소 반응기(116)에 원료유, 연료유 및 연소 촉진 가스가 투입된 후 열처리를 통해 카본블랙이 생성될 수 있다.
연료유는 카본블랙을 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 카본블랙의 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.
여기서, 연료유를 연소 반응기(116)의 내부로 공급하기 위해, 카본블랙 제조 장치(100)는 제1 연료 저장 탱크(102), 제1 펌프(106) 및 제1 예열기(114)를 포함할 수 있다.
이 때, 제1 연료 저장 탱크(102)의 내부에 저장된 연료유는 제1 펌프(106)에 의해 펌핑되어 제1 예열기(114)로 공급되고, 제1 예열기(114)의 내부로 공급된 연료유는 연소 촉진 가스와 함께 예열되어 연소 반응기(116)의 내부로 공급된다.
또한, 원료유를 연소 반응기(116)의 내부로 공급하기 위해, 카본블랙 제조 장치(100)는 제2 연료 저장 탱크(104), 제2 펌프(108) 및 제2 예열기(112)를 포함할 수 있다.
이 때, 제2 연료 저장 탱크(104)의 내부에 저장된 원료유는 제2 펌프(108)에 의해 펌핑되어 제2 예열기(112)로 공급되고, 제2 예열기(112)의 내부로 공급된 원료유는 예열되어 연소 반응기(116)의 내부로 공급된다.
연소 반응기(116)에서 생성된 카본블랙은 제3 예열기(118)에 의해 900℃ 이하로 예열된 후 에어 블로워(125)에 의해 이물질 제거기(110)로 이송될 수 있다.
분쇄기(120)는 이물질 제거기(110)에 의해 이물질이 제거된 카본블랙을 분쇄하는 역할을 한다. 분쇄기(120)에 의해 카본블랙은 100nm 이하의 미세한 크기로 분쇄될 수 있다.
혼합기(130)는 분쇄기(120)에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 반응시켜 카본블랙 혼합물을 형성하기 위한 목적으로 장착된다. 이를 위해, 혼합기(130)는 외부로부터 물을 공급받기 위한 물 공급 배관(미도시)이 설치되어 있을 수 있다. 이 때, 물은 카본블랙 혼합물 100 중량부에 대하여, 50 ~ 300 중량부로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
펠리타이저(140)는 혼합기(130)에 의해 형성된 카본블랙 혼합물을 펠릿화하여 펠렛화된 카본블랙을 형성한다.
건조기(150)는 펠리타이저(140)에 의해 형성된 펠렛화된 카본블랙을 건조한다. 이 때, 건조는 펠렛화된 카본블랙의 수분을 제거하기 위해 적어도 100℃ 이상에서 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 150 ~ 300℃에서 실시하는 것이 좋다.
복수의 이송 배관(160)은 이물질 제거기(110)와 분쇄기(120), 분쇄기(120)와 혼합기(130), 혼합기(130)와 펠리타이저(140) 및 펠리타이저(140)와 건조기(150)를 각각 연결한다.
보다 구체적으로, 이송 배관(160)은 제1 예열기(114)의 출구측과 이물질 제거기(110)의 입구측을 연결하는 제1 이송 배관(161), 이물질 제거기(110)의 출구측과 분쇄기(120)의 입구측을 연결하는 제2 이송 배관(162), 분쇄기(120)의 출구측과 연소 반응기(130)의 입구측을 연결하는 제3 이송 배관(163), 혼합기(130)의 출구측과 펠리타이저(140)의 입구측을 연결하는 제4 이송 배관(164), 펠리타이저(140)의 출구측과 건조기(150)의 입구측을 연결하는 제5 이송 배관(165)을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 카본블랙 제조 장치(100)는 파우더 형태의 카본블랙을 제조하도록 마련될 수 있으며, 이 경우 펠리타이저(140) 대신 분쇄기, 별도의 저장 탱크 및/또는 파우더 투입기가 위치할 수 있다.
이에 따라, 제4 이송 배관(164)은 혼합기(130)의 출구측과 분쇄기, 별도의 저장 탱크 및/또는 파우더 투입기의 입구측을 연결할 수 있으며, 제5 이송 배관(165)은 분쇄기, 별도의 저장 탱크 및/또는 파우더 투입기의 출구측과 건조기(150)의 입구측을 연결할 수 있다.
여기서, 펠릿 형태의 카본블랙을 제조하는 장치(100)의 경우, 혼합기(130)의 출구측과 펠리타이저(140)의 입구측을 연결하는 이송 배관인 제4 이송 배관(164)이 카본블랙에 대한 표면 개질 처리가 수행되는 배관일 수 있다.
또한, 파우더 형태의 카본블랙을 제조하는 장치(100)의 경우, 혼합기(130)의 출구측과 분쇄기, 별도의 저장 탱크 및/또는 파우더 투입기의 입구측을 연결하는 이송 배관인 제4 이송 배관(164)이 카본블랙에 대한 표면 개질 처리가 수행되는 배관일 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)은 펠렛화된 카본블랙의 표면 개질 처리가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다.
여기서, 표면 개질 처리란 카본블랙의 표면에 결합된 작용기를 제거하는 표면 세정(surface cleaning) 처리, 카본블랙의 표면에 산소를 포함하는 작용기를 부착시키는 표면 산화(surface oxidation) 처리 또는 카본블랙의 표면에 폴리머 코팅층을 형성하는 폴리머 코팅 처리를 의미한다. 제4 이송 배관(164)은 상술한 표면 세정 처리, 표면 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리로부터 선택된 적어도 하나의 표면 개질 처리가 수행되는 반응기 형태로 마련될 수 있다.
구체적으로, 표면 세정 처리란 카본블랙의 표면에 전자의 이동을 방해할 수 있는 극성 작용기를 제거함으로써 카본블랙의 전도성을 향상시키기 위한 개질 처리이며, 표면 산화 처리란 오존을 매개로 한 카본블랙의 표면 산화 처리로서, 카본블랙의 표면에 대한 오존 산화 처리를 통해 카본블랙의 표면에는 극성 용매에 대한 분산성 및 안정성을 높여주거나 카본블랙의 표면 저항을 향상시키는 극성 관능기가 증가할 수 있다.
또한, 폴리머 코팅 처리는 카본블랙 입자의 표면 에너지 및 특성을 추가적으로 변형시키며, 카본블랙의 표면에 폴리머 코팅층이 형성됨에 따라 접촉 저항율(contact resistance) 및 접촉 용량(contact capacity)가 변경될 수 있다. 이 때, 카본블랙의 표면에 폴리머 코팅층이 형성됨에 따라 변하는 특성 및 정도는 폴리머 코팅층을 구성하는 폴리머의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본원에서 카본블랙의 표면에 코팅되는 폴리머의 종류는 PP (Polypropylene), POM (Polyoxymethylene), ABS (Acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 나일론(PA : Polyamide), PC (Polyvinylchloride), PE (Polyethylene), MPPO (Modified Polyphenyleneoxide), PBT (Polybutylen terephthalate), PPS (Polyphenylenesulfide), PTFE (Polytetrafluoroethylene), PPA (Polyphtalamide), PC (Polycarbonate), PS (Polystyrene), UHMW-PE (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene), PI (Polyimide) 및 PAN (Polyacrylonitrile)로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 카본블랙의 표면에 대한 산화 처리 후 폴리머 코팅 처리를 수행할 경우, 산화 처리에 의해 카본블랙의 표면에 도입된 극성 관능기는 카본블랙의 표면과 폴리머 코팅층 사이의 결합력을 향상시키기 위한 가교 관능기로서 작용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제4 이송 배관(164) 대신 또는 제4 이송 배관(164)과 함께, 제3 이송 배관(163) 및 제5 이송 배관(165) 역시 카본블랙의 표면 개질 처리가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다. 또한, 카본블랙의 표면 개질 처리가 수행되는 이송식 반응기는 공정 순서 또는 최종 산물의 사양 등에 따라 설치 수 및 위치 등이 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 파우더 형태의 카본블랙을 제조할 경우, 제4 이송 배관(164) 및 제5 이송 배관(165) 중 적어도 하나는 카본블랙의 표면 개질 처리가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다.
또한, 펠렛 형태의 카본블랙을 제조할 경우, 제3 이송 배관(163), 제4 이송 배관(164) 및 제5 이송 배관(165) 중 적어도 하나는 카본블랙의 표면 개질 처리가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다.
도 2는 도 1의 A 영역에 적용된 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우을 개략적으로 나타낸 것이다. 이하에서는 제4 이송 배관과 이송식 반응기를 동일시하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 혼합기(도 1의 130)의 출구측 및 펠리타이저(도 1의 140)의 입구측을 연결하는 제4 이송 배관(164)은 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)을 향해 이송함과 동시에 혼합물 중 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 수행하는 이송식 반응기일 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)은 카본블랙의 이송 수단과 함께 표면 개질 처리 수단을 동시에 포함하는 것을 특징으로 한다.
제4 이송 배관(164)은 원통형상(원형의 단면을 가지는 형상)을 가질 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 반원의 단면을 가지는 형상을 가질 수 있다.
우선, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합 및 표면 개질 처리를 위해 회전 가능하도록 구비될 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)과 출구측(164b)이 고정된 상태에서 제4 이송 배관(164)이 독립적으로 회전하거나, 제4 이송 배관(164)의 일부 영역만이 회전하도록 구비될 수 있다. 제4 이송 배관(164)의 회전 구동 방식은 본원에 첨부된 도면에 도시된 형태에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합을 위해 제4 이송 배관(164)의 내주면에는 배플 또는 댐(164c)이 소정의 높이만큼 돌출 형성될 수 있다.
제4 이송 배관(164)의 내주면에 돌출 형성된 배플 또는 댐(164c)은 제4 이송 배관(164)의 회전에 따라 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙 혼합물을 혼합할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제4 이송 배관(164)의 입구측 또는 출구측에 플라즈마 토치(164d)가 마련될 수 있다.
플라즈마 토치(164d)는 제4 이송 배관(164)의 출구측으로 이송되는 카본블랙을 향해 플라즈마를 조사하는 수단으로서, 비활성 분위기 하에서 카본블랙의 표면에 플라즈마가 조사될 경우, 카본블랙의 표면에 부착된 다양한 작용기가 제거됨으로써 카본블랙의 전도성이 향상될 수 있다. 또한, 카본블랙의 표면에 부착된 다양한 작용기가 제거됨으로써 카본블랙의 비표면적이 커질 수 있다.
이 때, 플라즈마 토치(164d)는 제4 이송 배관(164)의 외부에 위치하며, 카본블랙에 대한 플라즈마 조사가 필요할 경우 제4 이송 배관(164)의 내부에 삽입되어 이송된 카본블랙의 표면에 플라즈마를 조사할 수 있다.
도 2에서는 하나의 플라즈마 토치(164d)가 제4 이송 배관(164)의 입구측 또는 출구측의 중심에 위치한 것으로 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 도 3과 같이, 플라즈마 토치(164d)의 위치 및 수는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 토치(164d)는 제4 이송 배관(164)의 내주면에 복수로 배치되되, 제4 이송 배관(164)으로 카본블랙 혼합물이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어지게 구비될 수 있다.
또한, 플라즈마 토치(164d)는 제4 이송 배관(164)의 입구측과 출구측에 각각 위치하거나 입구측 또는 출구측 중 어느 하나에 위치할 수 있다. 다만, 플라즈마 토치(164d)가 제4 이송 배관(164)의 입구측에 위치한 경우, 플라즈마 토치(164d)에 의해 조사되는 플라즈마의 압력에 의해 제4 이송 배관(164) 중 카본블랙 혼합물이 출구측 방향으로 보다 원활히 이송될 수 있다는 이점이 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 배플 또는 댐(164c)은 제4 이송 배관(164)으로 카본블랙 혼합물이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어지게 돌출 형성될 수 있으며, 이에 따라 카본블랙 혼합물은 제4 이송 배관(164)의 회전에 의해 출구측(164b) 방향으로 원활히 이송될 수 있다. 또한, 제4 이송 배관(164)의 입구측 또는 출구측의 중심부 또는 제4 이송 배관(164)의 내주면에 플라즈마 토치(164d)가 마련될 수 있다.
이 때, 제4 이송 배관(164)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 위해 제4 이송 배관(164) 내로 가스를 공급하는 가스 주입구(164e)가 구비될 수 있다.
가스 주입구(164e)는 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 가스 주입구(164e)는 비활성 기체(예를 들어, 질소, 아르곤 등)가 저장된 비활성 기체 저장 탱크(미도시)와 연결될 수 있다. 비활성 기체 저장 탱크에 저장된 비활성 기체는 펌프 등에 의해 가스 주입구(164e)를 거쳐 제4 이송 배관(164)으로 공급되어 제4 이송 배관(164) 내 비활성 분위기를 조성할 수 있다.
이렇게 제4 이송 배관(164) 내 비활성 분위기가 조성된 상태에서 플라즈마 토치(164d)가 작동할 경우, 카본블랙의 표면에 부착된 다양한 작용기를 제거할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 가스 주입구(164e)는 산소를 저장하는 산소 저장 탱크 (미도시)와 연결될 수 있다. 산소 저장 탱크에 저장된 산소가 펌프에 의해 제4 이송 배관(164)으로 공급되면 플라즈마 토치(164d)로부터 조사된 플라즈마에 의한 방전을 통해 오존이 생성될 수 있다.
제4 이송 배관(164) 내 카본블랙 혼합물 중 카본블랙은 플라즈마 방전에 의해 생성된 오존과 반응하여 표면이 산화 된다.
이 때, 카본블랙의 산화 처리는 카본블랙의 표면에 전자의 이동을 방해할 수 있는 극성 작용기를 도입하는 것으로서, 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 산화 처리는 오존을 이용한 산화 처리로서, 카본블랙의 표면에 도입 가능한 극성 작용기는 산소를 포함하는 작용기일 수 있다.
본원에서 카본블랙의 산화를 위해 사용되는 제4 이송 배관(164)은 가스 주입구(164e)와 오존 가스 배출구(미도시)를 구비할 수 있다. 가스 주입구(164e)로는 카본블랙의 산화 처리를 위한 산소 기체가 투입되며, 카본블랙의 산화 처리 종료 후 제4 이송 배관(164) 내 존재하는 잔류 가스는 가스 배출구(미도시)로 배출될 수 있다. 가스 주입구(164e)와 가스 배출구는 제4 이송 배관(164)의 양 측에 각각 마련되거나, 제4 이송 배관(164)의 연장 방향을 따라 전체적으로 마련될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 제4 이송 배관(164)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 위해 가스 주입구(164e)는 코팅액 주입구(164e)로 마련될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 코팅액 주입구(164e)는 코팅액 저장 탱크(미도시)와 연결되어 코팅액 저장 탱크로부터 펌프에 의해 공급되는 코팅액을 제4 이송 배관(164)으로 공급할 수 있다.
여기서, 코팅액이란 플라즈마 중합(plasma polymerization)에 의해 카본블랙의 표면에 폴리머 코팅층을 형성하기 위한 성분이 포함된 코팅액으로서, 폴리머 코팅층의 전구 물질로서 파우더 상태의 폴리머 또는 모노머를 포함할 수 있다.
예를 들어, 코팅액 내 모너머가 포함된 경우, 플라즈마 토치(164d)에 의해 모노머에 플라즈마에 의한 전기장 충격(electric field bombardment)이 가해질 경우, 활성 모노머가 형성되며, 이들을 카본블랙 표면과 반응하여 카본블랙 표면에 포릴머 코팅층을 형성할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합 및 표면 개질 처리를 위해 회전 가능하도록 구비될 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)과 출구측(164b)이 고정된 상태에서 제4 이송 배관(164)이 독립적으로 회전하거나, 제4 이송 배관(164)의 일부 영역만이 회전하도록 구비될 수 있다. 제4 이송 배관(164)의 회전 구동 방식은 본원에 첨부된 도면에 도시된 형태에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 도 6 및 도 7에는 별도로 도시하지는 않았으나, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합을 위해 제4 이송 배관(164)의 내주면에는 배플 또는 댐이 소정의 높이만큼 돌출 형성될 수 있다.
제4 이송 배관(164)의 내주면에 돌출 형성된 배플 또는 댐은 제4 이송 배관(164)의 회전에 따라 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙 혼합물을 혼합할 수 있다.
여기서, 배플 또는 댐은 제4 이송 배관(164)으로 카본블랙 혼합물이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어지게 돌출 형성될 수 있으며, 이에 따라 카본블랙 혼합물은 제4 이송 배관(164)의 회전에 의해 출구측(164b) 방향으로 원활히 이송될 수 있다.
또한, 제4 이송 배관(164)은 스크류 피더로서 구현될 수 있다. 이를 위해, 제4 이송 배관(164)의 중심을 가로질러 배치되는 회전 축(164f)에 결합되어 회전하는 스크류(164g)가 마련되며, 스크류(164g)의 회전에 의해 제4 이송 배관(164)의 내부에 공급된 카본블랙 혼합물은 제4 이송배관(164)의 출구측(164b) 방향으로 이송될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 플라즈마 조사를 위해 제4 이송 배관(164)의 출구측에 플라즈마 토치(164d)가 마련될 수 있다.
도 6에서는 두 개의 플라즈마 토치(164d)가 회전 축(164f)과 인접한 위치에 위치한 것으로 도시되었으나, 도 7에 도시된 바와 같이 플라즈마 토치(164d)의 위치 및 수는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 토치(164d)는 제4 이송 배관(164)의 내주면에 복수로 배치되되, 제4 이송 배관(164)으로 카본블랙 혼합물이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어지게 구비될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 가스 또는 코팅액 주입구(164e)는 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있다.
또한, 카본블랙에 대한 표면 개질 처리를 위해 제4 이송 배관(164)의 출구측에 플라즈마 토치(164d)이 마련될 수 있다.
도 8에서 두 개의 플라즈마 토치(164d)이 회전 축(164f)과 인접한 위치에 위치한 것으로 도시되었으나, 플라즈마 토치(164d)의 위치 및 수는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 가스 주입구(164e)는 스크류(164g)의 회전 축(164f)에 삽입될 수 있으며, 가스 주입구(164e)를 통해 공급된 비활성 또는 산소 가스는 스크류(164g)에 마련된 가스 분사 노즐(미도시)에 의해 제4 이송 배관(164) 내로 공급될 수 있다.
이 때, 플라즈마 토치(164d)은 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 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 이송하며, 분급기(175)는 버켓 엘리베이터(170)를 통해 수직 상승시킨 펠렛화된 카본블랙을 분급하는 역할을 한다. 또한, 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. 이 때, 저장 탱크(190) 내에서 열처리되어 형성되는 백 필러(190)는 품질 검사를 마친 후, 운송 수단에 적재되어 출하될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 미분쇄 카본블랙을 형성하는 연소 반응기;
    상기 연소 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기;
    상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 혼합기;
    상기 카본블랙 혼합물을 펠렛화하여 펠렛화된 카본블랙을 형성하는 펠리타이저;
    상기 펠렛화된 카본블랙을 건조하는 건조기; 및
    상기 연소 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 혼합기, 상기 혼합기와 상기 펠리타이저 및 상기 펠리타이저와 상기 건조기를 각각 연결하는 복수의 이송 배관;
    을 포함하며,
    상기 이송 배관 중 적어도 하나는 회전 가능하도록 구비된 이송식 반응기이며,
    상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 플라즈마를 조사하는 플라즈마 토치를 포함하고,
    상기 플라즈마 토치는 상기 이송식 반응기의 외부에 위치하며, 상기 플라즈마 조사가 필요할 경우 상기 이송식 반응기의 내부에 삽입되고,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 상기 이송식 반응기 내로 비활성 가스 또는 산소 가스를 공급하는 가스 주입구가 배치된,
    카본블랙 제조 장치.
  2. 미분쇄 카본블랙을 형성하는 연소 반응기;
    상기 연소 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기;
    상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 혼합기;
    상기 카본블랙 혼합물을 저장하는 저장 탱크; 및
    상기 연소 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 혼합기 및 상기 혼합기와 상기 저장 탱크를 각각 연결하는 복수의 이송 배관;
    을 포함하며,
    상기 이송 배관 중 적어도 하나는 회전 가능하도록 구비된 이송식 반응기이며,
    상기 이송식 반응기는,
    상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 플라즈마를 조사하는 플라즈마 토치를 포함하고,
    상기 플라즈마 토치는 상기 이송식 반응기의 외부에 위치하며, 상기 플라즈마 조사가 필요할 경우 상기 이송식 반응기의 내부에 삽입되고,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 상기 이송식 반응기 내로 비활성 가스 또는 산소 가스를 공급하는 가스 주입구가 배치된,
    카본블랙 제조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 토치는 상기 이송식 반응기의 입구측 또는 출구측에 배치되는,
    카본블랙 제조 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 상기 이송식 반응기 내로 폴리머 또는 모노머를 포함하는 코팅액을 공급하는 코팅액 주입구가 배치된,
    카본블랙 제조 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 배플 또는 댐이 소정의 높이만큼 돌출 형성된,
    카본블랙 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배플 또는 상기 댐은 상기 이송식 반응기로 카본블랙이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어진,
    카본블랙 제조 장치.
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