KR20210040540A

KR20210040540A - 저소다 알루미나 분말 제조방법

Info

Publication number: KR20210040540A
Application number: KR1020190122868A
Authority: KR
Inventors: 유영철; 조병옥; 임형섭
Original assignee: (주)석경에이티
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-04-14
Also published as: KR102301893B1

Abstract

본 발명은 수산화알루미늄을 포함하는 원료에 묽은 불산 용액을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 교반하여 세정 후에 건조하여 알루미나 분말을 얻는 단계; 및 상기 알루미나 분말을 소성하여 알루미나(α-Al₂O₃)를 얻는 단계;를 포함하는, 저소다 알루미나 분말의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 최종 알루미나 내의 소다함량 및 규소, 철분 함량도 매우 적고 비용도 저렴한 알루미나 분말을 제조할 수 있고, 또한 Fe₂O₃, SiO₂ 등의 불순물도 현저히 낮춰 백색도를 증가시키는 장점이 있다.
또한 본 발명의 방법에 의해 제조된 알루미나는 불순물이 적어 전기 절연성이 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등이 우수하기 때문에, 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 여러 분야에서 널리 사용될 수 있다.

Description

저소다 알루미나 분말 제조방법{MANUFACTURING METHOD Of LOW SODA ALUMINA POWDER}

본 발명은 낮은 소다 함량을 가지는 알루미나 분말의 제조방법에 관한 것이다.

대부분의 알루미나는 보크사이트(bauxite) 광물을 원료로 하여 베이어(Bayer) 공정을 통하여 제조된 수산화알루미늄을 얻은 뒤, 상기 수산화알루미늄을 고온 소성하여 제조하고 있다. 그러나 상기 베이어(Bayer) 공정은, 보크사이트를 NaOH(가성소다)를 용매로 사용하여 고온에서 알루민산나트륨 수용액으로 용출시킨 후 석출하여 수산화알루미늄을 수득하기 때문에, 수산화알루미늄에 소다(soda, Na₂O 등)가 분술물로 잔존하게 된다. 그 결과 베이어 공정을 통해 얻은 수산화나트륨을 고온 소성하여 얻은 알루미나는 높은 소다 함량으로 인하여 전기전자 분야에서 사용하기에 적합하지 않은 특성을 나타내게 된다. 이와 같은 방법으로 만들어진 알루미나에 함유된 Na₂O, K₂O 등의 알카리 성분은 전기 절연성능을 저하시키게 한다.

대부분의 알루미나는 수산화알루미늄을 원료로 하여 고온 소성하여 제조하고 있다. 첨부 Na2O 저감기술4Page을 참조하면, 원료인 수산화알루미늄은 천연적으로 깁사이트(Al(OH)₃), 보헤마이트(γ-AlOOH) 또는 다이아스포어(α-AlOOH) 형태로 존재하며, 이 중 깁사이트는 200℃ 이상의 온도로 가열하면 물분자를 잃어 AlOOH 형태로 바뀌고, 500℃ 이상의 온도로 가열하면 천이형 알루미나(γ,η-Al₂O₃ 등) 형태로 전환된 뒤, 약 1100℃ 이상의 온도로 더 가열하면 화학적으로 가장 안정된 알루미나(α-alumina)가 생성된다(아래 화학식 참조):

Al(OH)₃+ 가열(1100~1800℃) → α-Al₂O₃ + 3H₂O↑

원료로 사용되는 수산화알루미늄은 통상적인 베이어 공정을 통해 제조된 것을 사용할 수 있다.

이와 같이 베이어 공정에 의해 제조된 수산화알루미늄은 대체적으로 미량의 불순물을 함유하고 있다. 예를 들어, 상기 수산화알루미늄은 소다를 0.2 중량% 이상의 함량으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 수산화알루미늄은 그 외 불순물로서 Fe₂O₃, SiO₂등을 더 포함할 수 있으며, 이들을 0.1중량% 이하의 함량으로 포함할 수 있다.

이와 같은 방법으로 만들어진 알루미나에 함유된 Na₂O, K₂O 등의 알카리 성분은 전기 절연성능을 저하시키게 한다.

이에 따라, 수산화알루미늄의 소성시에 탈소다 공정을 수행함으로써 저소다 알루미나를 제조하는 기술이 사용되고 있다. 저소다 알루미나를 제조하기 위한 종래의 기술로서, 원료인 수산화알루미늄을 열처리와 물세척을 통하여 소다를 제거시키는 방법이 알려져 있으나, 이와 같은 방법은 소다 제거 효과가 미비하고 비경제적인 문제가 있다.

또한, 상기와 같이 물을 이용하는 대신 묽은 염산과 같은 무기산을 이용하여 소다를 제거시키는 방법이 공지되어 있으나(대한민국 공개특허공보 제2001-0046015호 참조), 이 방법은 염산 용액이 수산화알루미늄과 반응하여 알루미늄이 용해되는 문제점이 있다. 또한, 수산화알루미늄의 소성시에 샤모트(chamotte)를 첨가하여 소다를 감소시키는 방법이 알려져 있으나, 샤모트 내에 함유되어 있는 철분으로 인하여 최종 알루미나 내에 철분 함량이 증가하는 문제가 있다.

또한, 그 외 알려진 일반적인 산 처리 방법, Cl₂ 가스환원 방법 등도 공정설비의 부식, 공정 비효율성, 환경오염, 인체유해, 알루미나 순도의 저하 등의 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 불순물 함량이 낮고, 저소다 알루미나의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 수산화알루미늄을 포함하는 원료에 알루미늄 용해에 3~6 중량%의 불산 수용액을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 상기 혼합물을 상온에서 ~ 60℃까지 가열하면서 1~12 시간 교반하여 세정 후에 건조하여 알루미나 분말을 얻는 단계; 및 상기 알루미나 분말을 소성하여 알루미나(α-Al₂O₃)를 얻는 단계;를 포함하는, 저소다 알루미나 분말의 제조방법을 제공한다.

묽은 불산은 알루미늄 용해성이 적기 때문에, 수산화알루미늄에 묽은 불산을 사용하여 세정하면 수산화알루미늄 내 불순물인 소다 등의 불순물의 함량이 매우 낮은 알루미나를 생산할 수 있으며 제조비용도 저렴한 장점이 있다.

또한 상기 불산 수용액에서 불산은 1~20 중량% 이며, 묽은 불산 수용액임을 특징으로 한다. 불산 농도가 상기 범위보다 낮을 경우 불순물 제거가 어렵고 불산 농도가 너무 높을 경우 알루미나 이외에 알루미늄 플루오라이드가 생기는 원인이 된다.

또한 상기 불산 수용액으로는 불산과 함께, 질산, 황산, 염산, 및 구연산, 포름산, 숙신산 등의 유기산 중 1 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알루미나 분말의 소성온도는 1100℃ 이상인 것을 특징으로 한다. 알루미나 분말내 소다 함량을 낮추기 위해서는 상기 온도 이상에서 소성하는 것이 바람직하다.(도 8 참조)

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 알루미나(α-Al₂O₃) 분말은 Na₂O 함량이 0.1중량% 이하, Fe₂O₃ 함량이 0.05중량% 이하, 백색도가 95%이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 알루미나는 불순물이 적어 전기 절연성이 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등이 우수하기 때문에, 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 여러 분야에서 널리 사용될 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 수산화알루미늄에 알루미늄 용해성이 적은 묽은 불산을 사용하여 세정해 내는 간편한 공정으로 수산화알루미늄 내 불순물인 소다 함량을 현저히 낮춘 알루미나를 제조할 수 있다.

또한 Fe₂O₃, SiO₂ 등의 불순물도 현저히 낮춰 백색도를 증가시키는 장점이 있으며, 종래 기술에 비해 최종 알루미나 내의 소다함량 및 규소, 철분 함량도 매우 적고 비용도 저렴하다.

또한 본 발명의 방법에 의해 제조된 알루미나는 불순물이 적어 전기 절연성이 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등이 우수하기 때문에, 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 여러 분야에서 널리 사용될 수 있다.

도 1 은 기존 수산화알루미늄 분말과 본 발명의 산세품 백색도 비교이며.
도 2는 SG-ALO-L500(500nm급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 3은 SG-ALO-L1000(1㎛급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 4는 SG-ALO-L4000(4㎛급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 5는 SG-ALO-L500UP(500nm급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 6는 SG-ALO-L1000UP(1㎛급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 7은 SG-ALO-L4000(4㎛급 α-Al₂O₃)의 SEM 및 색차값을 나타낸 그래프,
도 8은 열처리 온도별 결정상 조절을 확인하는 그래프이며,
도 9는 ATH 원료의 열처리 온도에 따른 Na₂O 함량 변화를 나타내는 XRF이며,
도 10은 ATH 산세공정을 통한 Na₂O 함량 변화를 나타내는 XRF이며,
도 11은 α-Al₂O₃산세공정을 통한 Na₂O 함량 변화를 나태내는 XRF이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 수산화알루미늄을 포함하는 원료에 알루미늄 용해에 반응성이 적은 묽은 불산 용액을 첨가하여 혼합하는 단계; 및 이를 세정 후 건조하는 단계; 수득한 분말을 소성하여 알루미나(α-Al₂O₃)를 얻는 단계를 포함하는, 저소다 알루미나의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 수산화알루미늄에 알루미늄 용해성이 적은 묽은 불산을 사용하여 세정해내는 간편한 공정으로 수산화알루미늄 내 불순물인 소다 함량을 현저히 낮춘 알루미나를 제조할 수 있다.

또한 이에 의해 제조된 알루미나는 불순물이 적어 전기 절연성이 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등이 우수하기 때문에, 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 여러 분야에서 널리 사용될 수 있다.

본 발명에서는 수산화 알루미늄에 3~6 중량%의 묽은 불산 수용액을 혼합 후 1~12 시간 교반 후 세정 및 건조 공정을 거친 후 소성 단계를 거쳐 저소다의 알루미나 분말을 얻을 수 있다. 또한, 수산화 알루미늄을 소성단계를 거쳐 알루미나 분말을 얻은 후 3~6중량% 의 묽은 불산 수용액을 혼합 후 1~12 시간 교반 후 세정 및 건조 공정을 거쳐 저소다의 알루미나 분말을 얻을 수 있다.

이하에서는 실시예를 통하여 보다 자세히 설명한다.

실시예 1

묽은 불산 4중량% 수용액 5kg에 1㎛급 수산화 알루미늄 분말 2kg을 넣고 4hr 동안 교반을 행한다. 이 후 초순수를 사용하여 수세 과정을 5회 걸친 후 건조하여 저소다의 수산화 알루미늄 분말을 얻는다. 이를 다시 1200℃에서 4시간 열처리하여 α상의 알루미나를 얻는다.

실시예 2

1㎛급 수산화 알루미늄을 1200℃에서 4시간 열처리하여 α상의 알루미나를 얻은 후 묽은 불산 4중량 % 수용액 5kg에 열처리하여 얻은 α상의 알루미나 분말 2kg을 넣고 4hr 동안 교반을 행한다. 이 후 초순수를 사용하여 수세 과정을 5회 걸친 후 건조하여 저소다의 α-알루미나를 분말을 얻는다.

실시예 3

묽은 불산 4중량% 수용액 5kg에 500nm, 1um, 4um의 α-알루미나 분말 각 2kg을 넣고 4hr 동안 교반을 행한다. 이 후 초순수를 사용하여 수세 과정을 5회 걸친 후 건조하여 저소다의 α-알루미나를 분말을 얻는다.

비교예 1

1㎛급 수산화 알루미늄 분말 2kg을 1200℃에서 4시간 열처리하여 α상의 알루미나를 얻는다.

<알루미나 물성 및 함량>

1. 소다(Na₂O) 함량 (동일한 Lot의 수산화 알루미늄 원료 사용)

1) 수산화 알루미늄 분말 : 0.4455 중량 %

2) 수산화 알루미늄 열처리 분말 : 0.2495 중량 % (도 9 참조)

3) 수산화 알루미늄 산처리 : 0.2502 중량 % (도 10 참조)

4) 수산화 알루미늄 열처리 후 산처리한 분말 : 0.0535% (도 11 참조)

상기 방법에 의해 제조된 알루미나는 소다 함량이 0.1중량% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.05중량% 이하이며, 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 0.04 중량%이다.

2. 철분함량

철분, 특히 Fe₂O₃ 함량이 0.05중량% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.03중량% 이하일 수 있다. 기타, 규소(SiO₂) 함량도 원료 분말에 비해 산세한 분말이 다소 감소한 것을 확인할 수 있었다.

3. 백색도 비교 (산세에 따른 백색도 비교, 실시예 3)

	500nm	1㎛	4㎛
산세 전	96.84	95.58	93.58
산세 후	98.26	97.33	97.06

상기 표 1 및 도 1~7에서와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 알루미나는 백색도가 95%이상일 수 있고, 바람직하게는 97%이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 98% 이상 일 수 있다.

Claims

수산화알루미늄을 포함하는 원료에 불산 수용액을 첨가하여 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 상온에서 ~ 60℃까지 가열하면서 1~12 시간 교반하여 세정 후에 건조하여 알루미나 분말을 얻는 단계; 및
상기 알루미나 분말을 소성하여 알루미나(α-Al₂O₃)를 얻는 단계;를 포함하는, 저소다 알루미나 분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 불산 수용액에서 불산은 1~20 중량% 인 것을 특징으로 하는 저소다 알루미나 분말의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 불산 수용액은 불산과 함께, 질산, 황산, 염산, 및 유기산(Citric acid,Formic acid, Succinic acid)으로부터 선택되는 1 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 저소다 알루미나 분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 소성온도는 1100℃ 이상인 것을 특징으로 하는 저소다 알루미나 분말의 제조방법.
Na₂O 함량이 0.1중량% 이하, Fe₂O₃ 함량이 0.05중량% 이하, 백색도가 95%이상인 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 저소다 알루미나 분말.