KR102546608B1 - 카본블랙 제조 장치 - Google Patents

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오씨아이 주식회사
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    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
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    • C09C3/10—Treatment with macromolecular organic compounds

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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 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.
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 옮겨야하기 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 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리가 가능한 반응기를 구비하는 카본블랙 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 카본블랙의 제조와 함께 카본블랙에 대한 산화 처리 및 폴리터 코팅 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 제1 반응기, 상기 제1 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기, 상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 제2 반응기, 상기 카본블랙 혼합물을 펠렛화하여 펠렛화된 카본블랙을 형성하는 펠리타이저, 상기 펠렛화된 카본블랙을 건조하는 건조기 및 상기 제1 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 제2 반응기, 상기 제2 반응기와 상기 펠리타이저 및 상기 펠리타이저와 상기 건조기를 각각 연결하는 복수의 이송 배을 포함하는 카본블랙 제조 장치가 제공된다.
여기서, 상기 이송 배관 중 적어도 하나는 회전 가능하도록 구비된 이송식 반응기일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구 및 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 폴리머 코팅액을 분사하는 폴리머 분사 노즐을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 이송식 반응기는 상기 이송식 반응기로 공급된 카본블랙을 일 방향으로 이송하는 스크류, 상기 이송식 반응기 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구 및 상기 이송식 반응기 내 카본블랙을 향해 폴리머 코팅액을 분사하는 폴리머 분사 노즐을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 카본블랙에 대한 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리를 카본블랙 제조 공정 중 수행하는 것이 가능함으로써 공정 안정성 및 효율성을 제고하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리가 동일한 반응기 내에서 수행되도록 함으로써 장치의 간소화가 가능하다는 이점이 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 카본블랙과 오존 또는 폴리머 코팅액의 접촉 효율을 향상시킴으로써 카본블랙 표면의 균일한 표면 처리가 가능하다는 이점이 있다.
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 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 B 영역에 적용된 오존 가스 분사 노즐의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또 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 제1 반응기(110), 분쇄기(120), 제2 반응기(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.
제1 반응기(110)는 연료 탄화수소 및 산소 함유 가스의 반응에 의한 열분해로 미분쇄된 카본블랙을 형성한다.
여기서, 연료 탄화수소를 제1 반응기(110)의 내부로 공급하기 위해, 카본블랙 제조 장치(100)는 제1 연료 저장탱크(102), 제1 펌프(106) 및 제1 예열기(114)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 제1 연료 저장탱크(102)의 내부에 저장된 연료 탄화수소는 제1 펌프(106)에 의해 펌핑되어 제1 예열기(114)로 공급되고, 제1 예열기(114)의 내부로 공급된 연료 탄화수소는 산소 함유 가스와 함께 예열하여 제1 반응기(110)의 내부로 공급된다.
또한, 산소 함유 가스를 제1 반응기(110)의 내부로 공급하기 위해, 카본블랙 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.
이 때, 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, 이 때 제3 예열기(118)의 내부로 에어 블로워(125)를 통하여 주입되는 산소와의 반응으로 산소 함유 가스를 생성하게 된다. 이후, 산소 함유 가스는 제1 예열기(114)의 내부로 공급되어, 연료 탄화수소와 함께 예열된 후 제1 반응기(110)의 내부의 공급된다.
분쇄기(120)는 제1 반응기(110)에 의해 형성한 카본블랙을 분쇄하는 역할을 한다. 이러한 분쇄기(120)에 의해 카본블랙은 100nm 이하의 미세한 크기로 분쇄될 수 있다.
제2 반응기(130)는 분쇄기(120)에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 반응시켜 카본블랙 혼합물을 형성하기 위한 목적으로 장착된다. 이를 위해, 제2 반응기(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 제2 반응기(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 제1 반응기(110)와 분쇄기(120), 분쇄기(120)와 제2 반응기(130), 제2 반응기(130)와 펠리타이저(140) 및 펠리타이저(140)와 건조기(150)를 각각 연결한다.
보다 구체적으로, 이송 배관(160)은 제1 예열기(114)의 출구측과 제1 반응기(110)의 입구측을 연결하는 제1 이송 배관(161), 제1 반응기(110)의 출구측과 분쇄기(120)의 입구측을 연결하는 제2 이송 배관(162), 분쇄기(120)의 출구측과 제1 반응기(130)의 입구측을 연결하는 제3 이송 배관(163), 제2 반응기(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 제2 반응기(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, 제2 반응기(130)의 출구측과 펠리타이저(140)의 입구측을 연결하는 이송 배관인 제4 이송 배관(164)이 카본블랙에 대한 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 수행되는 배관일 수 있다.
또한, 파우더 형태의 카본블랙을 제조하는 장치(100)의 경우, 제2 반응기(130)의 출구측과 분쇄기, 별도의 저장 탱크 및/또는 파우더 투입기의 입구측을 연결하는 이송 배관인 제4 이송 배관(164)이 카본블랙에 대한 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 수행되는 배관일 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)은 펠렛화된 카본블랙의 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다.
여기서, 표면 처리란 카본블랙에 대한 산화 처리 또는 폴리머 코팅 처리를 의미하며, 제4 이송 배관(164)은 카본블랙에 대한 산화 처리 및 폴리머 코팅 처리가 연속적으로 수행되는 반응기 형태로 마련될 수 있다.
이 때, 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, 오존 산화 처리의 후속 공정으로서 수행되는 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 오존 산화 처리를 통해 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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 수행되는 이송식 반응기로 마련될 수 있다. 또한, 카본블랙의 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)가 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, 제2 반응기(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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)를 수행하는 이송식 반응기일 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)은 카본블랙의 이송 수단과 함께 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)를 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 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 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.
제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 대한 산화 처리를 위해 제4 이송 배관(164) 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구(164d)가 구비될 수 있다.
오존 가스 주입구(164d)는 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있으며, 오존을 생성하는 오존 생성기(미도시)와 연결될 수 있다. 오존 생성기는 산소 공급기로부터 산소를 공급받아 오존을 생성하며, 생성된 오존은 산소와 혼합된 혼합 기체 상태로 제4 이송 배관(164)으로 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 카본블랙이다.)
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 제4 이송 배관(164)으로 투입된다.
이 때, 제4 이송 배관(164)에서는 카본블랙 혼합물과 혼합 기체 중 오존의 균일한 반응을 위해 제4 이송 배관(164)의 내부 부피의 1/2 이하가 되도록 카본블랙 혼합물을 공급하는 것이 바람직하다.
제4 이송 배관(164) 내 카본블랙 혼합물 중 카본블랙은 제4 이송 배관(164)으로 투입된 혼합 기체 중 오존과 반응하여 표면이 산화된다.
제4 이송 배관(164) 내로 혼합 기체의 투입시 기체의 흐름 속도로 인해 카본블랙이 날리는 것을 방지하기 위해 혼합 기체의 투입 속도를 조절할 수 있다. 또한, 혼합 기체의 농도 및 시간당 투입 부피는 제4 이송 배관(164) 내의 카본블랙의 벌크 밀도에 따라 조절할 수 있다.
구체적으로, 혼합 기체는 15 g/m3 내지 200 g/m3 의 농도로 투입될 수 있고, 제4 이송 배관(164)의 내부 부피에 따라 투입 속도를 조절할 있다. 예를 들어, 혼합 기체는 제4 이송 배관(164)의 내부 부피가 70 L인 경우, 5 L/분 내지 50 L/분 속도로 투입될 수 있다. 상술한 수치 범위 내의 유입 속도로 혼합 기체를 투입함으로써 카본블랙에 대한 산화 효율을 높일 수 있다.
본원에서 카본블랙의 산화를 위해 사용되는 제4 이송 배관(164)은 오존 가스 주입구(164d)와 오존 가스 배출구(미도시)를 구비할 수 있다. 오존 가스 주입구(164d)로는 카본블랙의 산화 처리를 위한 혼합 기체가 투입되며, 카본블랙의 산화 처리 종료 후 혼합 기체는 오존 가스 배출구로 배출될 수 있다. 오존 가스 주입구(164d)와 오존 가스 배출구는 제4 이송 배관(164)의 양 측에 각각 마련되거나, 제4 이송 배관(164)의 연장 방향을 따라 전체적으로 마련될 수 있다.
혼합 기체가 제4 이송 배관(164) 내로 투입되면, 제4 이송 배관(164) 내로 공급된 카본블랙과 접촉하며, 이 때 혼합 기체 중 오존은 카본블랙과 반응하여 카본블랙이 친수성이 되도록 표면을 개질한 후 산소로 환원되어 오존 가스 배출구를 통해 배출된다.
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.
이어서, 제4 이송 배관(164)에서는 카본블랙의 표면에 대한 산화 처리에 이어 폴리머 코팅 처리가 수행될 수 있으며, 이는 이하의 도면을 참고하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4에는 편의상 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.
도 4를 참조하면, 제2 반응기(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 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)를 수행하는 이송식 반응기일 수 있다.
이를 위해, 제4 이송 배관(164)은 카본블랙의 이송 수단과 함께 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리) 수단을 동시에 포함하는 것을 특징으로 한다.
우선, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합 및 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)를 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 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)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 대한 산화 처리를 위해 제4 이송 배관(164) 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구(164d)가 구비될 수 있다.
오존 가스 주입구(164d)는 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있으며, 오존을 생성하는 오존 생성기(미도시)와 연결될 수 있다. 오존 생성기는 산소 공급기로부터 산소를 공급받아 오존을 생성하며, 생성된 오존은 산소와 혼합된 혼합 기체 상태로 제4 이송 배관(164)으로 공급된다.
또한, 표면 산화 처리된 카본블랙에 대한 폴리머 코팅 처리를 위해 제4 이송 배관(164)은 제4 이송 배관(164)의 중심을 가로질러 배치되는 회전 축(164e)과 회전 축(164e)으로부터 분지된 폴리머 분사 노즐(164f)을 포함할 수 있다.
여기서, 회전 축(164e)은 폴리머 코팅액 저장 탱크(미도시)와 연결되어 폴리머 코팅액 저장 탱크로부터 펌프에 의해 공급되는 폴리머 코팅액을 제4 이송 배관(164)으로 공급할 수 있으며, 이를 위해 회전 축(164e)은 내부에 폴리머 코팅액이 통과할 수 있는 중공 형상인 것이 바람직하다.
폴리머 코팅액 저장 탱크에 저장된 폴리머 코팅액은 극성 또는 무극성 용매에 폴리머 코팅층을 형성하기 위한 폴리머 또는 모노머가 0.1 내지 10% 농도로 존재하는 용액일 수 있다. 이 때, 폴리머 코팅액 중 폴리머 또는 모노머의 농도가 0.1% 미만인 경우, 표면 산화 처리된 카본블랙에 대한 폴리머 코팅 처리가 미흡할 우려가 있다. 한편, 폴리머 코팅액 중 폴리머 또는 모노머의 농도가 10%를 초과할 경우, 폴리머 코팅액의 점도가 과도하게 높아져 폴리머 코팅액의 흐름성이 저하되거나 폴리머 분사 노즐(164f)의 막힘 등과 같은 문제를 초래할 가능성이 있다. 이를 위해, 바람직한 폴리머 코팅액의 점도는 20℃에서 1.0 mPa·s 내지 20 mPa·s이다. 폴리머 코팅액은 용액 중 폴리머 또는 모노머의 분산성을 높이기 위해 분산제를 더 포함할 수 있으며, 모노머를 포함할 경우, 모노머의 중합에 필요한 기타 첨가제를 추가적으로 포함할 수 있다.
표면 산화 처리된 카본블랙의 표면을 향해 폴리머 코팅액을 분사할 때 제4 이송 배관(164)의 내부 온도는 상온 내지 200℃ 범위로 조절될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 폴리머 코팅액 중 폴리머 또는 모노머의 종류 및 폴리머 코팅액의 물성 등에 의해 적절히 조절될 수 있다. 또한, 폴리머 코팅액 분사 후 폴리머 코팅층의 충분한 형성을 위해 제4 이송 배관(164)의 내부 온도는 상온 내지 150℃ 범위에서 유지되거나, 상온으로 천천히 냉각될 수 있다.
또한, 폴리머 분사 노즐(164f)에 의해 폴리머 코팅액이 표면 산화 처리된 카본블랙으로 분사되어 카본블랙의 표면에 균일한 폴리머 코팅층을 형성하기 위해 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙의 일정한 거동이 요구된다. 이를 위해, 제4 이송 배관(164)이 일정한 속도로 회전함에 따라 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙이 정치된 상태로 존재하지 않고 일정하게 거동할 수 있다. 특히, 제4 이송 배관(164)의 내주면에 배플 또는 댐이 배치됨에 따라 제4 이송 배관(164)의 회전시 카본블랙을 하측으로부터 상측을 향해 퍼올리게 되어 카본블랙의 혼합과 함께 카본블랙의 표면에 균일한 폴리머 코팅층을 형성할 수 있다.
도 4의 B 영역에 적용된 오존 가스 분사 노즐의 다른 예를 나타낸 도 5를 참조하면, 제4 이송 배관(164) 내로 폴리머 코팅액을 균일하게 분사함으로써 카본블랙과 폴리머 코팅액의 접촉 효율을 향상시키고, 미코팅 카본블랙의 양을 줄이기 위해 폴리머 분사 노즐(164f)은 회전 축(164e)으로부터 다양한 각도로 분지된 형상(예를 들어, 방사형)을 가질 수 있다.
이 때, 방사형 노즐은 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)과 인접한 회전 축(164e)에 단일로 배치되거나, 회전 축(164e)의 연장 방향을 따라 복수로 배치될 수 있다.
폴리머 분사 노즐(164f)에 의한 폴리머 코팅액의 분사 각도는 0도 내지 170도일 수 있으며, 분사 압력은 1psi 내지 100psi일 수 있다. 이 때, 폴리머 코팅액의 분사 각도 및 분사 압력은 제4 이송 배관(164)의 형상 및 치수 또는 폴리머 코팅액의 농도 및 점도 등에 따라 적절히 변경될 수 있다.
이러한 폴리머 분사 노즐(164f)의 분지된 형상에 의해 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙 혼합물의 혼합 효과도 기대할 수 있으며, 필요에 따라 제4 이송 배관(164)의 내주면에 돌출 형성된 배플 또는 댐을 생략할 수도 있다.
이 때, 폴리머 분사 노즐(164f)이 카본블랙 혼합물이 공급되는 방향을 지향하도록 소정의 각도로 기울어지게 배치될 경우, 제4 이송 배관(164) 내 카본블랙의 이송 방향과 반대의 유동을 형성함으로써 카본블랙에 대한 보다 균일한 폴리머 코팅을 유도하는 것이 가능하다.
또한, 경사진 폴리머 분사 노즐(164f)에 의해 카본블랙 혼합물의 혼합 효과뿐만 아니라 제4 이송 배관(164)의 출구측(164b)으로 카본블랙 혼합물을 이송할 수 있으므로, 필요에 따라 제4 이송 배관(164)의 내주면에 돌출 형성된 배플 또는 댐을 생략할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 표면 산화 처리된 카본블랙에 대한 폴리머 코팅 처리를 위해 제4 이송 배관(164)의 출구측에 폴리머 분사 노즐(164f)이 마련될 수 있다.
이 때, 폴리머 분사 노즐(164f)은 카본블랙에 대한 산화 처리가 이루어지는 동안 제4 이송 배관(164)의 외부에 위치하며, 카본블랙에 대한 산화 처리가 종료된 후 제4 이송 배관(164)의 내부에 삽입되어 산화 처리된 카본블랙의 표면에 대한 폴리머 코팅 처리를 수행할 수 있다.
도 6에서 하나의 폴리머 분사 노즐(164f)이 출구측의 중심에 위치한 것으로 도시되었으나, 폴리머 분사 노즐(164f)의 위치 및 수는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제4 이송 배관이 이송식 반응기로 마련된 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물을 출구측(164b)으로 이송함과 동시에 카본블랙 혼합물의 균일한 혼합 및 표면 처리(산화 처리 및 폴리머 코팅 처리)를 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 7 및 도 8에는 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(164e)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 7을 참조하면, 제4 이송 배관(164)의 입구측(164a)으로 공급된 카본블랙 혼합물 중 카본블랙에 대한 산화 처리를 위해 제4 이송 배관(164) 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구(164d)가 구비될 수 있다.
오존 가스 주입구(164d)는 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있으며, 오존을 생성하는 오존 생성기(미도시)와 연결될 수 있다. 오존 생성기는 산소 공급기로부터 산소를 공급받아 오존을 생성하며, 생성된 오존은 산소와 혼합된 혼합 기체 상태로 제4 이송 배관(164)으로 공급된다.
또한, 표면 산화 처리된 카본블랙에 대한 폴리머 코팅 처리를 위해 제4 이송 배관(164)의 출구측에 폴리머 분사 노즐(164f)이 마련될 수 있다.
이 때, 폴리머 분사 노즐(164f)은 카본블랙에 대한 산화 처리가 이루어지는 동안 제4 이송 배관(164)의 외부에 위치하며, 카본블랙에 대한 산화 처리가 종료된 후 제4 이송 배관(164)의 내부에 삽입되어 산화 처리된 카본블랙의 표면에 대한 폴리머 코팅 처리를 수행할 수 있다.
도 7에서 두 개의 폴리머 분사 노즐(164f)이 회전 축(164e)과 인접한 위치에 위치한 것으로 도시되었으나, 폴리머 분사 노즐(164f)의 위치 및 수는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 오존 가스 주입구(164d)는 스크류(164g)의 회전 축(164e)에 삽입될 수 있으며, 오존 가스 주입구(164d)를 통해 공급된 오존 가스는 스크류(164g)에 마련된 오존 가스 분사 노즐(미도시)에 의해 제4 이송 배관(164) 내로 공급될 수 있다.
이 때, 폴리머 분사 노즐(164f)은 제4 이송 배관(164)의 외주면과 내주면을 관통하도록 형성될 수 있으며, 폴리머 코팅액 저장 탱크(미도시)와 연결되어 폴리머 코팅액 저장 탱크로부터 펌프에 의해 공급되는 폴리머 코팅액을 제4 이송 배관(164)으로 공급할 수 있다.
한편, 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 (10)

  1. 미분쇄 카본블랙을 형성하는 제1 반응기;
    상기 제1 반응기에서 형성된 미분쇄 카본블랙을 분쇄하는 분쇄기;
    상기 분쇄기에 의해 분쇄된 카본블랙을 물과 혼합하여 카본블랙 혼합물을 형성하는 제2 반응기;
    상기 카본블랙 혼합물을 펠렛화하여 펠렛화된 카본블랙을 형성하는 펠리타이저;
    상기 펠렛화된 카본블랙을 건조하는 건조기; 및
    상기 제1 반응기와 상기 분쇄기, 상기 분쇄기와 상기 제2 반응기, 상기 제2 반응기와 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 제2 반응기와 상기 펠리타이저를 연결하는 상기 이송식 반응기는 제4 이송 배관이며,
    상기 제4 이송 배관은,
    상기 제4 이송 배관 내로 오존 가스를 공급하는 오존 가스 주입구; 및
    상기 제4 이송 배관 내 카본블랙을 향해 폴리머 코팅액을 분사하는 폴리머 분사 노즐;
    을 포함하는,
    카본블랙 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 배플 또는 댐이 소정의 높이만큼 돌출 형성되며,
    상기 배플 또는 상기 댐은 상기 이송식 반응기로 카본블랙이 공급되는 방향 또는 이의 반대 방향을 향해 소정의 각도로 기울어진,
    카본블랙 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오존 가스 주입구는 상기 이송식 반응기의 내주면에 구비된,
    카본블랙 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 분사 노즐은 상기 이송식 반응기의 중심을 가로질러 배치되는 회전 축으로부터 분지된,
    카본블랙 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리머 분사 노즐은 상기 이송식 반응기로 카본블랙이 공급되는 방향을 향해 폴리머 코팅액을 분사하는 방사형 노즐인,
    카본블랙 제조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 회전 축은 중공 형상을 갖고, 상기 폴리머 코팅액이 상기 회전 축을 통해 공급되는
    카본블랙 제조 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 폴리머 분사 노즐은 상기 이송식 반응기의 출구측에 삽입 가능하도록 마련되는,
    카본블랙 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이송식 반응기의 내주면에 배플 또는 댐이 소정의 높이만큼 돌출 형성된,
    카본블랙 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오존 가스 주입구는 복수의 오존 가스 주입구를 포함하고,
    각각의 상기 오존 가스 주입구와 각각의 상기 배플 또는 댐은 서로 교차되도록 배치되는,
    카본블랙 제조 장치.
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