KR20010055549A - 흑색산화티타늄의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑색산화티타늄(Black Titanium Oxide)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로 종래의 흑색산화티타늄 제조 방법의 문제점을 해결하여 저렴하면서도 흑색도가 우수하고 분산성 및 혼합성이 우수한 흑색산화티타늄을 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.

이산화티타늄(TiO₂) 분말과 마그네슘(Mg) 분말의 혼합물을 진공 또는 불활성분위기 하에서 400∼800℃의 온도로 가열한 후 반응물은 분쇄, 산처리 및 수세등의 공정을 거쳐 흑색산화티타늄 분말을 제조하였다. 원료로 사용되는 이산화티타늄은 최종 생성물인 흑색산화티타늄의 물리적 성질과 직접적인 관계가 있으므로 목적하는 최종 생성물의 물리적 성질과 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 환원제로 사용된 마그네슘 분말은 50mesh 이하의 것을 사용하여야 한다.

본 발명에 따라 마그네슘 분말을 환원제로 사용함으로써, 종래의 흑백산화티타늄 제조 방법에 비해 비용이 절감되며, 흑색도가 우수하고 분산성 및 혼합이 우수한 흑색산화티타늄이 제조된다는 장점이 있다.

Description

흑색산화티타늄의 제조 방법 {Method for Fabricate of Black Titanium Oxide}

흑색안료로는 주로 카본블랙(Carbon Black)과 Iron Black(Fe₃O₄)이 이용되어 왔다. 그러나 카본블랙은 소수성이므로 물에 젖기 어렵고, 기타 다른 안료 재료와 혼합하여 사용할 경우 혼합성이 떨어지는 문제점 등을 갖고 있고, Fe₃O₄는 비중이 크며, 대기 중에서 약 160℃의 온도로 가열하면 Fe₂O₃로 변화하여 변색되며, 자화(磁化)되기 쉽다는 문제점 등을 갖고 있다.

따라서, 현재 많이 사용되고 있는 흑색안료에는 여러 가지 문제가 있어 보다 우수한 품질의 흑색안료로 개발된 것이 흑색산화티타늄이다.

현재, 흑색 산화티타늄을 제조하는 방법으로는 1) 이산화티타늄 분말과 티타늄 분말의 혼합물을 진공 또는 불활성 분위기에서 550∼1000℃에서 1∼5시간 가열하는 방법(일본특허공보 昭52-12733호), 2) 이산화티타늄 분말을 무수 히드라진 (N₂H₄) 가스 등과 같은 특수 분위기에서 가열 환원하는 방법(일본공개특허 昭64-72921호), 3) 이산화티타늄 분말을 NaBH₄로 환원하는 방법(일본공개특허 05193942호), 4) 이산화티타늄 분말과 마그네슘 분말의 혼합물을 진공 또는 불활성분위기에서 자전연소합성 시키는 방법 (대한민국특허출원번호 98-43455) 등이 있다.

그러나, 1)의 방법은 흑색도가 높은 산화티타늄 화합물을 제조하기 위해서는 약 1000∼1200℃의 고온에서 가열하여야 하므로 입자의 소결이 일어나 혼합성 및 분산성이 저하되며, 균일하고 미세한 입자를 갖는 흑색산화티타늄 분말을 얻기가 곤란하다. 2)의 방법은 환원제로 사용되는 무수 히드라진 가스는 부식성이 강하며, 취급이 어렵고, 인체에 치명적인 해가 있으며, 가격 또한 고가라는 단점을 가지고 있다. 3)의 방법은 비교적 저온에서 안전하게 우수한 흑색산화티타늄을 제조할 수 있는 방법이나 환원제인 NaBH₄의 취급이 용이하지 못하며 가격이 다소 고가라는 단점을 가지고 있다. 4)의 방법은 제조 경비 면에서 우수하나 연소반응은 매우 빠르게 진행되므로 반응의 제어가 어려워 균일한 흑색도를 갖는 흑색산화티타늄을 제조하기 어렵고, 마그네슘의 폭발반응이 강해서 대량 생산이 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기 종전 방법의 문제점을 해결하며 제조 경비를 낮추는것으로, 낮은 온도에서 보다 저렴한 환원제로 이산화티타늄 분말을 가열 환원함으로써 우수한 흑색 안료를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.

도 1은 원료로 사용한 이산화티타늄 분말을 20000배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

도 2는 <실시예 8> 에서 얻어진 흑색산화티타늄 분말을 20000배의 배율로 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

본 발명은 이산화티타늄(TiO₂) 분말과 마그네슘(Mg) 분말의 혼합물을 진공 또는 불활성분위기 하에서 400∼800℃의 온도로 가열하여 소정의 반응시간이 경과한 후 반응된 생성물을 분쇄, 산처리 및 수세 등의 공정을 거쳐 흑색산화티탄 (Black Titanium Oixde) 분말을 제조하는 방법이다.

본 발명을 이용하여 흑색산화티타늄을 제조하는 경우, 종래의 방법들이 수반하고 있는 단점들을 해결할 뿐만 아니라, 동시에 흑색산화티타늄을 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.

본 발명에 사용되는 마그네슘 분말의 입자크기는 50mesh 이하이어야 하며, 이보다 미세할수록 높은 흑색도의 흑색산화티타늄을 제조할 수 있다. 이산화티타늄 분말의 형태 및 입자 크기는 특별히 한정되지는 않지만 우수한 혼합성 및 분산성을 가진 흑색산화티타늄 분말의 제조를 위해서 0.2㎛ 이하가 좋다.

본 발명에 의한 흑색산화티타늄 분말의 합성방법은 다음과 같다.

우선, 마그네슘 분말과 이산화티타늄 분말의 혼합물을 제조한다. 마그네슘 분말과 이산화티타늄 분말의 혼합비는 몰비로 1:5∼1:2의 범위로 하는 것이 좋다. 혼합비가 1:5 이하로 되면 이산화티타늄이 충분히 환원되지 않아 높은 흑색도를 가진 흑색산화티타늄을 제조할 수 없다. 혼합비가 1:2 이상으로 되면 과잉으로 이산화티타늄이 환원되어 자색(紫色)을 나타내어 오히려 흑색도가 떨어지며, 제조 비용도 상승된다.

이와 같은 혼합비로 마그네슘 분말과 이산화티타늄 분말을 일반적인 혼합방법에 의해 균일하게 혼합한다. 본 발명에서는 볼 밀을 이용하여 혼합하였다. 혼합된 분말을 가열 용기에 담는다. 이때 가열용기는 반응온도가 낮기 때문에 특별한 제약은 없으며, 보통 스테인레스 강이나 세라믹제 용기를 이용하면 된다.

가열용 용기를 반응로에 넣어 가열시킨다. 반응로는 진공 또는 불활성 분위기로 하는 것이 좋다. 본 발명에 이용할 수 있는 불활성 가스로는 질소, 아르곤, 헬륨 등을 들 수 있다. 보통 반응로의 가열온도는 400∼800℃의 범위이며, 가열시간은 0.5∼3시간 정도가 좋다.

가열 공정이 끝난 후 진공이나 불활성 분위기 중에서 100℃ 이하, 또는 상온까지 냉각시킨다. 생성된 분말은 파쇄, 미분쇄, 산침출, 수세 및 여과, 건조의 공정을 행하여 흑색산화티타늄 분말을 얻는다.

본 발명은 종래의 방법과 비교하여 가격이 저렴하고 반응성이 우수한 환원제인 마그네슘을 이용함으로써 낮은 온도에서 제조가 가능하므로 이산화티타늄 분말 입자들끼리의 소결이 방지되어 원료와 동일한 입자 크기를 갖는 흑색산화티타늄을 제조할 수 있다. 따라서 제조된 흑색산화티타늄은 분산성 및 혼합성이 우수하다.

이하에서는 본 발명의 보다 상세한 이해를 위하여 본 발명의 실시예를 상술한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

마그네슘 분말과 평균입경이 0.2㎛의 이산화티타늄 분말을 균일하게 혼합하고, 이 혼합물을 가열용 용기에 담고 밀폐시켰다. 가열용 용기를 질소분위기의 반응로에 넣었다. 반응로의 승온속도는 10℃/min으로 하였다. 가열이 끝난 생성물은 롤 밀에서 건식으로 파쇄한 후 애트리션 밀에서 미분쇄하였다. 미분쇄된 생성물은 염산 침출을 행한 다음 수세 및 여과를 반복하여 최종 여과된 분말은 130℃로 건조하였다. 각각의 반응 조건은 표 1에 나타내었으며, 얻어진 흑색산화티탄 분말의 흑색도(Blackness, L값) 및 평균입경은 표 2에 나타내었다.

표 2에서 L값은 명도를 표시하는 수치로서 작은 쪽이 검은 것을 나타낸다. <실시예1>과 <실시예 3>은 같은 반응 조건이지만 L값은 크게 차이가 난다. 이것은 환원제로 사용한 마그네슘의 양에 따라 제조된 흑색산화티타늄의 흑색도가 변화됨을 나타낸다. 같은 조건에서 반응온도가 변화된 <실시예 5>와 <실시예 6>, 반응시간이 변화된 <실시예 3>과 <실시예 9>, 마그네슘 입자크기가 변화된 <실시예 10>과 <실시예 12>의 결과에서 알 수 있듯이 반응온도는 높을수록, 반응시간이 길수록, 그리고 마그네슘의 입자크기가 작을수록 흑색도(L값)이 작아진다.

<실시예 1∼5>, <실시예 12> 에서 제조된 흑색 산화티타늄의 평균입자크기는 원료로서 이용한 이산화티타늄 분말의 평균 입자크기와 실질적으로 동일한 것임을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 가열공정에서는 이산화티타늄의 입자들끼리의 소결이 일어나지 않았음을 나타낸다. 한편, <실시예 7>과 <실시예 9>과 같이 반응온도가 높을수록, 반응시간이 길어질수록 평균입자크기가 커짐을 알 수 있다.

본 발명과 같이 마그네슘 분말을 환원제로 사용하면 앞에서 언급한 종래의 방법에 비해 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. (1) 이산화티타늄의 입자가 소결되지 않는 온도에서 반응시키므로 생성물의 입자가 미세하며 혼합성 및 분산성이 우수한 흑색산화티타늄을 얻을 수 있다. (2) 환원제인 마그네슘은 NaBH₄에 비하여 취급이 용이하고 가격이 저렴하므로 제조 비용이 절감된다.

Claims (4)

1. 이산화티타늄과 마그네슘 분말의 혼합물을 가열 용기에 담아 진공 또는 불활성 분위기에서 가열 반응시켜 흑색 산화티타늄을 제조하는 방법
2. 제 1항에 있어서 마그네슘과 이산화티타늄의 몰비가 1:2∼1:5의 범위로 혼합하여 사용하는 방법
3. 제 1항에 있어서 반응온도는 400∼800℃의 범위로 가열하는 방법
4. 제 1항에 있어서 입자크기가 50mesh 이하인 마그네슘 분말을 환원제로 사용하는 방법