KR20230069298A - 재활용된 흑연 압출 성형체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 다시 활용하여 벌크흑연을 대량으로 제조할 수 있어서 생산성 및 경제성이 현격히 향상되고 이와 동시에, 균일한 물성을 가지는 이방성(Anisotropy) 벌크 흑연을 제조할 수 있어서 그 활용도를 크게 제고시킨 재활용된 흑연 압출 성형체 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 재활용된 흑연 압출 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소는 기계 및 화학공업 분야에서 중요한 역할을 하는 화학적으로 안정한 원소로서, 물리적으로는 금속 성질 과 세라믹 성질을 모두 지니고 있고, c축 방향으로 반데르발스 결합을 하고 있으며, 그에 수직인 a, b면 상에는 공유결합을 하고 있어 큰 이방성을 나타내는 특성을 지닌다. 특히, 금속이나 세라믹에서 볼 수 없는 윤활성, 내열성, 내열 충격성, 열전도성, 내식성 등이 우수한 재료로 여겨지고 있다.
이와 같은 탄소재로서 사용될 수 있는 물질 중 하나인 흑연은 다른 재료보다 내열성, 내식성, 전기전도성, 고온강도 및 윤활성이 우수한 특징이 있다. 따라서 흑연은 전극, 탄소 브러쉬(carbon brush), 기계적 씰(mechanical seal)등의 고온구조 재료나 특수 기계부품 등 여러 분야에 각광을 받고 있다.
그러나 종래 흑연을 성형하여 탄소재로 사용하는 기술은 다음과 같은 문제점이 있어 그 활용에 제한이 있다.
첫번째, 종래 흑연 성형체를 제조하는 방법으로 일축 가압성형공정이 소개되고 있는데, 이에 따라 성형체를 제조하면 흑연을 구성하는 입자들이 무질서하게 배열되어 등방성을 나타내게 되며 이에 따라 조직이 치밀해지고 강도가 높아져서 전기적 특성, 특히 비저항이 매우 높은 수치를 나타내게 된다. 이에 따라 흑연 성형체 내에서 전류의 원활한 흐름이 필요하거나 낮은 비저항을 요구하는 산업 예를 들어, 전극 제조 분야 등에서는 가압 성형공정을 이용하여 제조한 흑연 성형체를 사용할 수 없어서 흑연의 특성을 온전히 활용하지 못하고 다양한 분야로의 활용이 어려운 문제가 있다.
두번째, 상술한 종래 방법에 의하여 흑연 성형체를 제조하는 경우 성형체 내에서 응력의 구배가 발생하여 균일한 밀도의 흑연 성형체를 얻기가 어려우며, 이와 같은 밀도 불균일에 의한 비틀림, 변형 및 크랙 등이 발생하는 문제가 있다. 또한, 이와 같은 불균일 흑연 성형체의 문제들을 해결하고 균일한 흑연 성형체를 얻기 위해서는 고온 고압의 조건에서 흑연을 성형, 가공하여 하므로 생산성과 경제성을 저하시키는 원인이 되고 있다.
세번째, 흑연의 대부분은 해외 수입에 의존하는데, 수입한 흑연은 가공공정에 서 전량 활용되지 못하고 약 30% 정도의 흑연 폐스크랩(Scrap)이나 분말형태의 폐기물을 발생시키고 있다. 이러한 흑연 폐스크랩은 제철소 용선중의 탄소함량을 높이기 위하여 첨가되거나, 흑연이 첨가된 내화물을 제조하는데 사용되어 재활용되기도 하지만, 이와 같이 재활용되는 흑연 스크랩의 소량에 불과하고 대부분 폐기되고 있어서 이로 인한 심각한 경제적, 환경적 문제를 유발하고 있는 실정이다.
이에 따라 인조 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 재활용하여 친환경적이면서도 경제성이 크게 향상될 수 있고, 이와 동시에 이방성(Anisotropy)을 가짐에 따라 비저항을 크게 낮출 수 있는 벌크흑연을 제조할 수 있어서 활용 범위를 현격히 제고할 수 있는 재활용 흑연 성형체의 개발이 시급하다.
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 재활용하여 생산성 및 경제성이 현격히 향상되고 이와 동시에, 이방성(Anisotropy)을 가짐에 따라 비저항을 크게 낮출 수 있는 벌크흑연을 제조할 수 있어서 그 활용도를 크게 제고시킨 재활용된 흑연 압출 성형체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 (1) 흑연 폐스크랩 분말을 결합체 및 첨가제와 혼합하여 흑연 혼합물을 제조하는 단계 (2) 상기 흑연 혼합물을 압출 성형하여 압출 성형체를 제조하는 단계 (3) 상기 압출 성형체를 건조 및 탄화하는 단계 및 (4) 탄화된 압출 성형체에 기공을 메우는 단계를 포함하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1) 단계의 흑연 폐스크랩 분말은 인조 흑연 제조 공정에서 발생하는 부산물일 수 있다.
또한 상기 흑연 폐스크랩 분말은 평균 입도가 20 내지 200㎛일 수 있다.
또한 상기 결합제는 페놀 수지, 피치, 폴리에스테르 수지, 요소수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 푸란 수지, 에폭시 수지에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
또한 상기 흑연 폐스크랩 분말 및 결합제는 1 : 0.1 ~ 0.3의 중량비로 혼합되는 것일 수 있다.
또한 상기 결합제 및 첨가제는 1 : 0.1 ~ 5.0의 중량비로 혼합되는 것일 수 있다.
또한 압출 성형은 80 내지 160 MPa에서 수행하는 것일 수 있다.
또한 상기 (4) 단계 이후 압출 성형체를 재탄화하는 (5) 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 (4) 단계 및 상기 (5) 단계를 1회 내지 3회 반복 수행하는 것일 수 있다.
또한 상기 (4) 단계는 바인더 및 첨가제가 1 : 0.5 ~ 2의 중량비로 혼합된 함침액으로 수행하는 것일 수 있다.
또한 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
1.01 ≤ 
≤ 1.07
본 발명은 흑연 폐스크랩 분말을 포함하고 비저항이 20 내지 40 μΩm인 재활용된 흑연 압출 성형체를 제공한다.
또한 상기 흑연 폐스크랩의 평균 입도는 20 내지 200㎛인 것일 수 있다.
또한 상기 재활용된 흑연 압출 성형체는 하기 측정 방법 1에 의하여 측정된 밀도가 1.3 g/cm³ 이상일 수 있다.
[측정 방법 1]
재활용된 벌크 흑연을 10mm×10mm×10mm로 절단하고, ASTM D792방법으로 비중 측정 후 밀도를 환산한다.
본 발명에 따른 재활용된 흑연 압출 성형체 및 이의 제조방법에 의하면 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 재활용하여 생산성 및 경제성을 현격히 향상시킬 수 있고 이와 동시에, 이방성을 가짐에 따라 비저항을 크게 낮출 수 있는 벌크흑연을 대량으로 제조할 수 있어서 그 활용도를 크게 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연 폐스크랩 분말을 입도에 따라 분리한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 흑연 성형체를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 공정에 사용되는 압출기에 대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침액을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 흑연 성형체의 전기적 특성을 평가하기 위하여 시편으로 나누는 것을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연 폐스크랩 분말을 입도에 따라 분리한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 흑연 성형체를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 공정에 사용되는 압출기에 대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침액을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 흑연 성형체의 전기적 특성을 평가하기 위하여 시편으로 나누는 것을 나타내는 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이 종래 흑연 성형체 및 이의 제조방법에 의하면 이방성을 가지는 흑연 성형체를 제조할 수 없어서 활용에 제한이 있었고, 폐스크랩을 폐기할 수밖에 없는 문제 및 균일한 흑연 성형체를 제조하지 못하는 문제 등이 있어서, 다양한 산업분야에 적용하는데 상당한 어려움이 있었다.
이에 본 발명은 (1) 흑연 폐스크랩 분말을 결합체 및 첨가제와 혼합하여 흑연 혼합물을 제조하는 단계(S10) (2) 상기 흑연 혼합물을 압출 성형하여 압출 성형체를 제조하는 단계(S20) (3) 상기 압출 성형체를 건조 및 탄화하는 단계(S30) 및 (4) 탄화된 압출 성형체에 기공을 메우기 위하여 함침하는 단계(S40)를 포함하는 흑연 압출 성형체의 제조 방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 재활용하여 생산성 및 경제성을 현격히 향상시킬 수 있고 이와 동시에, 이방성을 가짐에 따라 비저항을 크게 낮출 수 있는 벌크흑연을 제조할 수 있어서 그 활용도를 크게 제고할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체의 제조 방법에 대하여 도 1 내지 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명은 흑연 폐스크랩 분말을 결합체 및 첨가제와 혼합하여 흑연 혼합물을 제조하는 (1) 단계(S10)를 포함한다.
통상적으로 다양한 산업군에 사용되는 흑연은 대부분 수입에 의존하고 있으나, 수입된 흑연은 흑연 가공 공정에서 30 % 이상의 흑연 폐스크랩 혹은 분말형태의 폐기물로 처리되거나 버려지고 있어 막대한 외화낭비와 관련업체의 원가상승 요인으로 작용하고 있다. 이에 따라 가공업체를 공해산업체로 규정하여 가공공정에서 발생하는 분진이나 폐기물을 규제하고 있지만 소규모의 영세업체는 실질적인 규제나 계도방안이 없어 흑연 폐스크랩을 일반 쓰레기로 처리하고 있어 지속적인 환경오염이 이루어지고 있으나 이러한 문제점을 극복할 수 있는 방법에 대한 현실적인 대안이 없는 실정이다.
이에 본 발명은 상술한 흑연 가공 공정에서 발생하여 폐기물로 처리되어야 할 흑연 폐스크랩을 재활용하여 벌크 흑연을 제조할 수 있다. 즉 상기 (1) 단계에서 본 발명에 따른 흑연 폐스크랩 분말은 상술한 흑연 가공 공정 또는 인조 흑연 제조 공정에서 발생하는 부산물일 수 있다. 이 경우 흑연 폐스크랩 분말을 벌크 흑연의 제조공정에서 주재료인 회수하여 충전재로 재가공하여 사용함으로써, 환경 및 공정 상의 경제성을 크게 고양할 수 있다.
이때 재활용되는 흑연 폐스크랩 분말은 최종 제조되는 압출 흑연 성형체의 용도에 따라 적합한 기계적/전기적 물성을 가지도록 입도를 분급하여 사용될 수 있다. 즉, 흑연 폐스크랩 분말의 입도는 최종 제조될 압출 흑연 성형체의 밀도, 전기전도도 또는 인장강도 등을 비롯한 기계적/전기적 물성에 영향을 미치므로, 도 2에 도시된 것과 같이 상기 (1) 단계에서 흑연 폐스크랩 분말은 평균 입도가 20 내지 200㎛인 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 30 내지 150㎛, 가장 바람직하게는 40 내지 80㎛인 흑연 폐스크랩 분말을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면 상기 (1) 단계에서 흑연 폐스크랩 분말의 평균 입도를 각각 50 ㎛, 100㎛, 5mm 및 10mm로 달리하여 최종 제조한 압출 흑연 성형체 중에서, 본 발명의 수치범위 이내인 50 ㎛(도 3(a)), 100㎛(도 3(b))의 평균 입도를 가지는 흑연 폐스크랩을 분말로 제조한 경우 온전한 압출 성형체가 제조된 것을 알 수 있다. 특히 50 ㎛로 제조한 압출 성형체의 경우 잔크랙이 거의 없는 가장 온전한 압출 성형체가 제조된 것을 알 수 있다.
다시 말해, 상기 (1) 단계에서 흑연 폐스크랩 분말의 평균 입도가 20㎛ 미만일 경우 성형체가 형성은 되나 작은 입도로 인해 건조시 크랙이 발생할 수 있다, 또한 만일 상기 (1) 단계에서 흑연 폐스크랩 분말의 평균 입도가 200㎛를 초과하는 경우 형성된 크랙을 기반으로 많은 기공이 발생하여 압출 성형 공정을 온전히 수행할 수 없거나 크랙을 중심으로 터지는 현상이 발생하여 압출 성형체의 제조가 불가능할 수 있다.
다음 상기 (1) 단계에서 결합제는 상술한 흑연 폐스크랩 분말을 결합시키는 역할을 한다.
이에 따라 상기 결합제는 흑연 폐스크랩 분말을 결합시킬 수 있는 통상적인 바인더가 사용가능 하며, 이에 대한 비제한적인 예로 페놀 수지, 피치, 폴리에스테르 수지, 요소수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 푸란수지, 에폭시 수지 등에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 페놀 수지 중에서 노볼락계, 레졸계, 알킬페놀계 및 로진변성계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 노볼락계 또는 레졸계를 사용할 수 있다.
이와 같은 결합제는 흑연 폐스크랩 분말을 과립화하여 결합시킬 수 있도록 흑연 폐스크랩 분말 기준으로 1 : 0.1 ~ 0.3의 중량비로 혼합될 수 있다. 이때 만일 상기 흑연 폐스크랩 분말과 결합제의 중량비가 1: 0.1 미만일 경우 흑연 폐스크랩 분말이 충분히 과립화 되지 않아 결합하지 않는 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 흑연 폐스크랩 분말과 결합제의 중량비가 1: 0.3을 초과하는 경우, 후술되는 탄화 과정에서 흑연 성형체에 기공이 과도하게 생성되어 제조되는 최종 압출 흑연 성형체의 밀도 및 내구성이 저하될 우려가 있다.
다음 상기 (1) 단계에서 첨가제는 상술한 흑연 폐스크랩 분말과 결합제의 결합력을 향상시키는 역할과 용매의 역할을 수행하며, 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 유기용매라면 본 발명의 목적에 부합하는 한 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 포름알데히드 및 헥사메틸렌테트라민으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 에탄올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
이와 같은 첨가제는 결합제 전체 중량에 대하여 1 : 0.1 ~ 5.0의 중량비로 혼합될 수 있으며 바람직하게는 1 : 0.1 ~ 2의 중량비로 혼합될 수 있다. 이때 만일 상기 첨가제가 결합제를 기준으로 1 : 0.1 미만으로 혼합되는 경우 결합력이 부족하여 최종 제조되는 흑연 압출 성형체의 내구성이 저하될 수 있고, 또한 만일 상기 첨가제가 결합제를 기준으로 1 : 5 를 초과하여 혼합되는 경우 최종 제조되는 흑연 압출 성형체의 굽힘강도 등의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
한편 상술한 흑연 폐스크랩, 결합제 및 첨가제는 이들을 혼합하는 혼합기로 사용될 수 있는 공지된 혼합기를 제한 없이 사용하여 혼합될 수 있으며, 일예로 상기 혼합기는 포트밀, 볼밀 또는 회전식 혼합기일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
다음, 본 발명은 상기 흑연 혼합물을 압출 성형하여 압출 성형체를 제조하는 (2) 단계(S20)를 포함한다.
일반적으로 흑연 가공하여 성형체를 제조하기 위하여는 가압 성형공정을 수행하는데, 가압 성형공정에 의하면 흑연을 구성하는 입자들이 무질서하게 배열되어 등방성을 나타내게 되며 이에 따라 조직이 치밀해지고 강도가 높아져서 전기적 특성, 특히 비저항이 매우 높은 수치를 나타내게 된다. 이에 따라 흑연 성형체 내에서 전류의 원활한 흐름이 필요하거나 낮은 비저항을 요구하는 산업 예를 들어, 전극 제조 분야 등에서는 가압 성형공정을 이용하여 제조한 흑연 성형체를 사용할 수 없어서 그 활용에 제한이 있다.
이에 본 발명은 압출 성형공정을 이용하여 종래 가압 성형공정이 제조하지 못한 이방성을 가지는 벌크 흑연 또한 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 하기 표 3을 참조하면 본 발명에 따른 압출 성형공정에 의하여 제조한 흑연 성형제(실시예 1 내지 4)가 종래 가압 성형공정을 통해 실시예 1 내지 4와 동일한 조건에서 제조한 흑연 성형체(비교예 1) 대비 200% 이상 감소된 비저항을 나타냄을 알 수 있다.
즉 종래 가압 성형공정에 의하여 이방성을 가지는 흑연 성형체를 제조하기 위하여는 추가적인 고온고압의 열처리 공정이 반드시 수반되어야 했는데, 본 발명에 따른 압출 성형공정에 의하면 훨씬 더 온화한 조건에서 판상구조의 이방성을 가지는 흑연 성형체를 제조할 수 있어서 낮은 비저항을 요구하는 산업 분야로의 활용을 도모할 수 있음과 동시에 생산공정을 단축시킴으로 인한 경제성을 크게 제고할 수 있다. 뿐만 아니라, 종래 가압 성형공정 대비 훨씬 저비용으로 대량생산이 가능하여 생산성 또한 현격히 향상되어 보다 다양한 산업군에 활용도를 담보할 수 있다.
이를 위해 상기 (2) 단계의 압출 성형은 0.8 내지 5.0 M/min 및 80 내지 160 MPa에서 수행할 수 있고 보다 바람직하게는 100 내지 140 MPa에서 수행할 수 있다. 즉 종래의 가압 성형공정에서는 흑연 혼합물을 2000bar(200MPa) 내지 4000bar(400Mpa)의 고압조건에서 성형하는 반면에 본 발명에 따른 압출 성형공정에 의하면 훨씬 낮은 압력에서 성형공정을 진행하여 생산공정의 안정성 및 경제성을 향상시킬 수 있다. 이때 만일 상기 (2) 단계의 압출 성형 압력이 80 MPa 미만일 경우 성형체가 형상을 유지하지 못하고 분말상태로 압출될 수 있고 또한 만일 상기 (2) 단계의 압출 성형은 160 MPa를 초과하는 경우 속도가 빨리지는 형상으로 인해 성형체가 곧지 못하고 굽거나 휘어지는 형상이 발생할 수 있다. 한편, 상기 (2) 단계의 압출 성형공정은 본 발명에 목적에 부합하는 한 통상적인 압출 성형기를 이용할 수 있으며 이에 대한 비제한적인 예로 도 3에 나타난 것과 같은 압출기 금형을 이용하여 압출 성형공정을 수행할 수 있다.
다음, 본 발명은 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형체를 건조 및 탄화하는 (3) 단계(S30)를 포함한다.
상기 건조 공정은 제조된 압출 성형체가 충분히 건조될 수 있는 통상적인 당업계의 건조 공정을 이용할 수 있으며 이에 대한 비제한적인 예로 오븐에서50℃ 내지 150℃의 온도에서 24시간 내지 72시간 건조할 수 있다.
상기 탄화 공정은 상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형체를 불활성 분위기에서 열처리하는 단계로, 탄화 과정을 거치면서 흑연결정으로 발달하고 이와 동시에 결합제의 상당량이 휘발되어 제거되면서 중축합반응이 일어나며 이 경우 입자상의 흑연 분말을 일정한 형태로 고착하게 된다.
이를 위해 상기 (3) 단계의 탄화 공정은 분당 0.5℃/min 내지 5℃/min의 속도로 500℃내지 900℃의 온도까지 승온시킨 후 0.3 내지 2시간 동안 열처리하여 수행될 수 있으며 보다 바람직하게는 600℃/min내지 700℃/min온도까지 승온시킬 수 있다. 이때 만일 상기 (3) 단계의 탄화 공정이 500 ℃미만의 온도에서 수행되는 경우 탄화가 충분히 이루어지지 않을 수 있는 문제가 있을 수 있고 900℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우 압출 흑연 성형체가 열팽창되어 파손되거나 크랙이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 한편 종래 가압 성형공정은 700℃ 내지 1500℃의 온도에서 탄화 및 열처리하는 반면, 본 발명에 따른 압출 성형공정에서는 보다 낮은 온도에서 (3) 단계를 수행할 수 있어서 공정 에너지 경제상 훨씬 유리할 수 있다.
이때, 상기 (3) 단계의 탄화 공정에서 결합체 등의 휘발 성분이 제거되면서 흑연 압출 성형체에 기공이 형성되는데, 형성된 기공은 흑연 압출 성형체의 기밀도를 감소시켜 인장강도, 밀도 등의 기계적 강도를 저하시키는 원인이 된다.
이에 따라 본 발명은 탄화된 압출 성형체에 기공을 메우기 위하여 함침액에 함침하는 (4) 단계(S40)를 포함한다.
상기 (4) 단계에서는 결합제 및 첨가제가 혼합된 함침액으로 상기 기공을 함침시킴으로써 흑연 압출 성형체의 기계적 강도 및 산화 안정성를 증가시킬 수 있다. 이때 상기 결합제 및 첨가제는 상술한 (1) 단계에서 사용한 결합제 및 첨가제를 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 본 발명의 목적에 부합하는 당업계의 통상적인 결합제 및 첨가제가 사용될 수 있다.
이때 상기 함침액은 결합제 및 첨가제가 1 : 0.5 ~ 2의 중량비로 혼합될 수 있고 보다 바람직하게는 상기 결합제 및 첨가제가 1 : 0.7 ~ 1.6의 중량비로 혼합될 수 있고, 가장 바람직하게는 상기 결합제 및 첨가제가 1 : 0.9 ~ 1.2의 중량비로 혼합될 수 있다.
보다 구체적으로 하기 도 5를 참조하면, 상기 결합제 및 첨가제가 1 : 0.4의 비율로 혼합된 도 5(a)의 경우 혼합액의 점도가 높아서 결합제가 첨가제에 충분히 녹지 않고 덩어리지는 것을 알 수 있다. 또한 상기 결합제 및 첨가제가 1 : 1의 비율로 혼합된 도 5(b)의 경우 결합제가 첨가제에 균일하게 녹은 것을 알 수 있다. 또한 상기 결합제 및 첨가제가 1 : 2.3의 비율로 혼합된 도 5(c)의 경우 첨가제의 비중이 높아서 결합제가 충분히 용해되었으나, 건조 및 재탄화시 첨가제의 높은 비중으로 함침 효과가 떨어질 것이 예상된다.
즉 상기 함침액은 결합제 및 첨가제가 1 : 0.5 의 중량비 미만으로 혼합되는 경우 결합제가 첨가제에 충분히 용해되지 못하고 부분 덩어리지는 문제 및 기공 내부까지 함침되지 못해 흑연 압출 성형체의 기계적 강도 및 밀도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한 만일 상기 함침액은 결합제 및 첨가제가 1 : 2를 초과하여 혼합되는 경우 건조 및 재탄화시 첨가제의 높은 비중으로 인해 기공에 대한 함침 효과가 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
다음, 본 발명은 (4) 단계 이후 압출 성형체를 재탄화하는 (5) 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 재탄화 단계는 상기 (4) 단계에서 함침액에 함침한 흑연 압출 성형체를 다시 탄화하여 흑연 압출 성형체의 기계적 강도 및 밀도를 보다 향상시키는 단계이며 상술한 (3) 단계의 탄화 단계와 같은 온도에서 수행될 수 있다.
한편 (4) 단계 및 상기 (5) 단계를 1회 내지 3회 반복 수행할 수 있다. 즉 상기 (5) 단계는 상기 (4) 단계에서 탄화된 흑연 압출 성형체를을 함침액에 함침하고, 이를 재탄화함으로써 기공을 메워 더욱 우수한 밀도를 가지는 흑연 압출 성형체를 제조하기 위한 것이므로, 상기 (4) 단계를 1회 이상 반복하면 밀도가 더욱 높은 흑연 압출 성형체를 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
1.01 ≤ 
≤ 1.07
하기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체의 함침에 따라 약 1% 내지 약 7%의 밀도가 향상될 수 있다. 상술한 바와 같이 1 내지 3회 함침을 반복할 수 있는데, 함침 횟수가 많아질수록 밀도 증가율은 감소할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체는 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
1.04 ≤ 
≤ 1.07
하기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체의 1회 함침에 따라 약 4% 내지 약 7%의 밀도가 향상될 수 있다
이와 같이 본 발명에 따른 재활용된 흑연 성형체의 제조방법에 의하면 흑연 제조 공정에서 발생하는 흑연 폐스크랩을 재활용하여 생산성 및 경제성을 현격히 향상시킬 수 있고 이와 동시에, 이방성을 가짐에 따라 비저항을 크게 낮출 수 있는 벌크흑연을 제조할 수 있어서 그 활용도를 크게 제고할 수 있다.
다음 본 발명에 따른 재활용된 흑연 성형체에 대하여 설명한다. 다만 중복을 피하기 위하여 재활용된 흑연 성형체의 제조방법에서 설명한 부분과 기술적 사상이 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략한다.
본 발명은 흑연 폐스크랩 분말을 포함하고 비저항이 20 내지 40 μΩm 인 재활용된 흑연 압출 성형체를 제공한다.
일반적으로 흑연 가공하여 성형체를 제조하기 위하여는 가압 성형공정을 수행한다. 그러 가압 성형공정에 의하면, 흑연을 구성하는 입자들이 무질서하게 배열되어 등방성을 나타내게 되며 이에 따라 조직이 치밀해지고 강도가 높아진다. 이때 등방성을 가지는 흑연 성형체는 전기적 특성, 특히 비저항이 매우 높은 수치를 나타내게 되는데, 이에 따라 흑연 성형체 내에서 전류의 원활한 흐름이 필요하여 낮은 비저항을 요구하는 산업 예를 들어, 전극 제조 분야 등에서는 사용할 수 없어서 다양한 분야로의 활용이 어려운 문제가 있다.
이에 본 발명은 압출 성형공정을 이용하여 종래 가압 성형공정이 제조하지 못한 이방성을 가지는 벌크 흑연 또한 제조할 수 있으며, 종래 일축 가압 성형공정에 의하여 제조한 벌크흑연 대비 200% 이상 감소된 비저항을 나타낼 수 있다.
또한 재활용되는 흑연 폐스크랩 분말은 최종 제조되는 압출 흑연 성형체의 용도에 따라 적합한 기계적/전기적 물성을 가지도록 입도를 분급하여 사용될 수 있다. 즉 흑연 폐스크랩 분말의 입도는 최종 제조될 압출 흑연 성형체의 밀도, 전기전도도 또는 인장강도 등을 비롯한 기계적/전기적 물성에 영향을 미치므로 상기 흑연 폐스크랩의 평균 입도는 20 내지 200㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 30 내지 150㎛, 가장 바람직하게는 40 내지 80㎛인 흑연 폐스크랩 분말을 사용할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체는 하기 측정 방법 1에 의하여 측정된 밀도가 1.3 g/cm³ 이상일 수 있다.
[측정 방법 1]
재활용된 벌크 흑연을 10mm×10mm×10mm로 절단하고, ASTM D792방법으로 비중 측정 후 밀도를 환산한다.
하기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 흑연 압출 성형체는 모두 밀도가 1.3 g/cm³ 이상임을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따른 재활용된 흑연 폐스크랩을 이용한 흑연 압출 성형체는 실제 산업군에서 사용될 수 있을 정도의 우수한 밀도를 나타내고 폐스크랩이 아닌 흑연으로 제조한 흑연 성형체에 근접하는 밀도를 가짐에 따라 단순히 폐기될 흑연 폐스크랩을 재활용한다는 것을 넘어서 경제성과 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. 한편 상기 밀도가 1.3 g/cm³ 미만일 경우 탄화과정에서 생성된 기공이 충분히 함침되지 않거나 결합제에 의한 결합에 충분히 이루어지지 않아 기계적 강도에 문제가 있을 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예 1 - 흑연 압출 성형체 제조
(1)
단계: 흑연 혼합물을 제조하는 단계
흑연 폐스트랩 분말로 미국 POCO Graphite사의 EDM-3 제품을 구입하여 인조 흑연 가공 후 폐기 처리된 가공부산물 분말을 10,000 g을 준비하고, 결합제로 강남화성사의 CB-8081 페놀수지를 흑연 폐스크랩 중량의 25%의 비율로 혼합한 후 첨가제로 에탄올을 결합제 중량의 25% 비율로 혼합하였다.
(2)
단계:
압출 성형체를 제조하는 단계
하기 도 3에 나타낸 압출장비를 이용하여 1.2 M/min 속도 120 MPa로 압출공정을 진행하였고, 1000mm 압출 후 500 mm씩 절단하였다.
(3)
단계:
건조 및 탄화 단계
상기 (2) 단계에서 제조된 압출 성형체를 오븐기를 이용하여 80℃온도에서 48시간 건조하였다. 이후 quartz boat 중앙에 올려놓은 후 수평식 관상로 hot zone(중심으로부터 300mm)에 장입하여 700℃로 탄화하였다. 승온 속도는 2℃/min로 조절하였으며, 탄화되는 동안 성형체의 산화를 방지하기 위해 관상로 내부에 질소가스로 불활성 분위기를 조성하였다. 관상로에 질소 가스의 유입량은 1ℓ/min로 하였다
(4)
단계: 함침 단계
(3) 단계에서 탄화된 흑연 압출 성형체가 충분히 잠길 정도의 CB-8081 페놀수지 및 에탄올을 5:5의 비율로 혼합하고 믹서기를 이용하여 30분간 교반진행 한후, 흑연 압출 성형체 투입하고 (주)카보랩에서 보유중인 함침기를 이용하여 감압가압법으로 함침 하였다. 이후 상온에서 30분 건조 후 1000도 온도에서 재탄화를 수행하였다.
실시예 2 내지 4- 흑연 압출 성형체 제조
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 하기 표 1과 같이 흑연 폐스크랩 분말의 평균입도 및 함침액에서 결합체 및 첨가제의 비율을 달리하여 제조하였다.
비교예 1, 2, 4 내지 6- 흑연 압출 성형체 제조
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 하기 표 1과 같이 흑연 폐스크랩 분말의 평균입도, 함침액에서 결합체 및 첨가제의 비율 및 압출 성형 압력을 달리하여 제조하였다
비교예 3- 가압성형에 의한 흑연 성형체 제조
상기 실시예 1에서 (2) 압출공정이 아닌 가압성형공정을 진행한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
구체적으로 실시예 1과 같은 흑연 폐스크랩 및 강남화성사의 CB-8081 페놀수지를 8:2 중량 비율로 혼합하고 첨가제로 에탄올을 페놀수지 중량의 25% 비율로 혼합하고 60x60x50mm몰드를 이용하여 240 MPa으로 가압성형을 수행하였다.
| 흑연 폐스크랩 분말의 평균입도 |
함침액에서 결합체 및 첨가제의 비율 | 압출 성형 압력 (MPa) |
|
| 실시예 1 | 50㎛ | 1 : 1 | 120 |
| 실시예 2 | 100㎛ | 1 : 1 | 120 |
| 실시예 3 | 25㎛ | 1 : 1 | 120 |
| 실시예 4 | 150㎛ | 1 : 1 | 120 |
| 비교예 1 | 50㎛ | 1 : 0.4 | 120 |
| 비교예 2 | 50㎛ | 1 : 2.3 | 120 |
| 비교예 3 | 가압성형 | ||
| 비교예 4 | 5 mm | 1 : 1 | 120 |
| 비교예 5 | 10 mm | 1 : 1 | 120 |
| 비교예 6 | 50㎛ | 1 : 1 | 120 |
실험예 1 - 흑연 압출 성형체 성형성 판별
상기 실시예 1,2 및 비교예 4,5에서 제조한 흑연 압출 성형체를 육안 및 내부기공크기에 따라 성형성을 판단하고 이를 각각 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 본 발명의 수치범위 이내인 50 ㎛(도 3(a)), 100㎛(도 3(b))의 평균 입도를 가지는 흑연 폐스크랩을 분말로 제조한 경우 온전한 압출 성형체가 제조된 것을 알 수 있다. 특히 50 ㎛로 제조한 압출 성형체의 경우 잔크랙이 거의 없는 가장 온전한 압출 성형체가 제조된 것을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 수치범위를 벗어나는 경우 크랙이 발생하거나 파손된 것을 알 수 있다.
실험예 2 - 제조된 함침액 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1,2에서 제조한 함침액을 30분 동안 교반하고 이를 도 5a 내지 도 5c에 나타내었다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 결합제 및 첨가제가 1 : 0.4의 비율로 혼합된 도 5(a)의 경우 혼합액의 점도가 높아서 결합제가 첨가제에 충분히 녹지 않고 덩어리지는 것을 알 수 있다. 또한 결합제 및 첨가제가 1 : 1의 비율로 혼합된 도 5(b)의 경우 결합제가 첨가제에 균일하게 녹은 것을 알 수 있다. 또한 결합제 및 첨가제가 1 : 2.3의 비율로 혼합된 도 5(c)의 경우 첨가제의 비중이 높아서 결합제가 충분히 용해되었으나, 건조 및 재탄화시 첨가제의 높은 비중으로 함침 효과가 떨어질 것이 예상된다.
실험예 3 - 흑연 압출 성형체 밀도 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조한 흑연 압출 성형체를 도5와 같이10x10x10mm로 절단하여 아르키메데스 장비를 이용하여 밀도를 측정하고 이를 하기 표 2에 나타내었다.
| 함침전 | |||||
| 가로(cm) | 세로(cm) | 높이(cm) | 무게(g) | 밀도(g/cm3) | |
| 실시예 1 | 10.81 | 11.04 | 10.84 | 1.6129 | 1.25 |
| 실시예 2 | 11.05 | 10.85 | 11.42 | 1.7259 | 1.26 |
| 실시예 3 | 11.34 | 11.07 | 11.12 | 1.7683 | 1.27 |
| 실시예 4 | 11.05 | 10.04 | 11.05 | 1.5551 | 1.27 |
| 1회 함침 | |||||
| 가로(cm) | 세로(cm) | 높이(cm) | 무게(g) | 밀도(g/cm3) | |
| 실시예 1 | 10.9 | 11.1 | 10.9 | 1.7258 | 1.31 |
| 실시예 2 | 11.1 | 10.85 | 11.45 | 1.8346 | 1.33 |
| 실시예 3 | 11.36 | 11.11 | 11.19 | 1.8963 | 1.34 |
| 실시예 4 | 11.1 | 10.04 | 11.06 | 1.6679 | 1.35 |
| 2회 함침 | |||||
| 가로(cm) | 세로(cm) | 높이(cm) | 무게(g) | 밀도(g/cm3) | |
| 실시예 1 | 10.92 | 11.2 | 10.94 | 1.8224 | 1.36 |
| 실시예 2 | 11.11 | 10.86 | 11.47 | 1.9356 | 1.4 |
| 실시예 3 | 11.36 | 11.17 | 11.23 | 1.9718 | 1.38 |
| 실시예 4 | 11.12 | 10.05 | 11.05 | 1.7531 | 1.42 |
| 3회 함침 | |||||
| 가로(cm) | 세로(cm) | 높이(cm) | 무게(g) | 밀도(g/cm3) | |
| 실시예 1 | 10.94 | 11.2 | 10.97 | 1.8688 | 1.39 |
| 실시예 2 | 11.15 | 10.87 | 11.5 | 1.9861 | 1.42 |
| 실시예 3 | 11.37 | 11.17 | 11.27 | 2.019 | 1.41 |
| 실시예 4 | 11.2 | 10.15 | 11.04 | 1.8243 | 1.45 |
실험예 4 - 흑연 압출 성형체 비저항 측정
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 3에서 제조한 흑연 성형체의 전기적 특성을 측정하고 이를 하기 표 3에 나타내었다.
| 폭 (mm) |
두께 (mm) |
폭 (Cm) |
두께 (Cm) |
단면적 (Cm2) |
사이 (Cm) |
전류 (A) |
전압 (mV) |
전압 (V) |
비저항 (μΩm) |
|
| 실시예 1 | 10.67 | 9.56 | 1.067 | 0.956 | 1.02 | 1.60 | 0.5 | 2.5 | 0.0025 | 31.87663 |
| 실시예 2 | 10.67 | 9.56 | 1.067 | 0.956 | 1.02 | 1.60 | 1.0 | 4.9 | 0.0049 | 31.23909 |
| 실시예 3 | 10.67 | 9.56 | 1.067 | 0.956 | 1.02 | 1.60 | 1.5 | 7.3 | 0.0073 | 31.02658 |
| 실시예 4 | 10.67 | 9.56 | 1.067 | 0.956 | 1.02 | 1.60 | 2.0 | 9.8 | 0.0098 | 31.23909 |
| 비교예 3 | 10.41 | 10.95 | 1.041 | 1.095 | 1.14 | 1.60 | 0.5 | 4.8 | 0.0048 | 68.3937 |
상기 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 압출 성형공정에 의하여 제조한 흑연 성형제(실시예 1 내지 4)가 종래 일축 가압 성형공정을 통해 실시예 1 내지 4와 동일한 조건에서 제조한 흑연 성형체(비교예 3) 대비 200% 이상 감소된 비저항을 나타냄을 알 수 있다. 즉 종래 가압 성형공정에 의하여 이방성을 가지는 흑연 성형체를 제조하기 위하여는 추가적인 고온고압의 열처리 공정이 반드시 수반되어야 했는데, 본 발명에 따른 압출 성형공정에 의하면 훨씬 더 온화한 조건에서 판상구조의 이방성을 가지는 흑연 성형체를 제조할 수 있어서 낮은 비저항을 요구하는 산업 분야로의 활용을 도모할 수 있음과 동시에 생산공정을 단축시킴으로 인한 경제성을 크게 제고할 수 있다. 뿐만 아니라, 종래 가압 성형공정 대비 훨씬 저비용으로 대량생산이 가능하여 생산성 또한 현격히 향상되어 보다 다양한 산업군에 활용도를 담보할 수 있다.
Claims (14)
- (1) 흑연 폐스크랩 분말을 결합제 및 첨가제와 혼합하여 흑연 혼합물을 제조하는 단계;
(2) 상기 흑연 혼합물을 압출 성형하여 압출 성형체를 제조하는 단계;
(3) 상기 압출 성형체를 건조 및 탄화하는 단계; 및
(4) 탄화된 압출 성형체의 기공을 메우는 단계; 를 포함하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 폐스크랩 분말은 인조 흑연 제조 공정에서 발생하는 부산물인 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 폐스크랩 분말은 평균 입도가 20 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 결합제는 페놀 수지, 피치, 폴리에스테르 수지, 요소수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 푸란수지, 에폭시 수지에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 흑연 폐스크랩 분말 및 결합제는 1 : 0.1 ~ 0.3의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 결합제 및 첨가제는 1 : 0.1 ~ 5.0의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (2) 단계는 80 내지 160 MPa의 압력으로 압출 성형하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (4) 단계 이후,
(5) 압출 성형체를 재탄화하는 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (4) 단계 및 상기 (5) 단계를 1회 내지 3회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (4) 단계는 바인더 및 첨가제가 1 : 0.5 ~ 2의 중량비로 혼합된 함침액으로 수행하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체의 제조 방법.
[수학식 1]
1.01 ≤≤ 1.07
- 흑연 폐스크랩 분말을 포함하고 비저항이 20 내지 40 μΩm인 재활용된 흑연 압출 성형체.
- 제12항에 있어서,
상기 흑연 폐스크랩의 평균 입도는 20 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 재활용된 흑연 압출 성형체.
- 제12항에 있어서,
상기 재활용된 흑연 압출 성형체는 하기 측정 방법 1에 의하여 측정된 밀도가 1.3 g/cm³ 이상인 재활용된 흑연 압출 성형체.
[측정 방법 1]
재활용된 벌크 흑연을 10mm×10mm×10mm로 절단하고, ASTM D792방법으로 비중 측정 후 밀도를 환산한다.
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040030605A (ko) * | 2001-05-03 | 2004-04-09 | 더 몰간 크루시블 캄파니 피엘시 | 흑연체의 압출 |
| KR20040076427A (ko) * | 2003-02-25 | 2004-09-01 | 박정현 | 흑연체의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 흑연체 |
| KR20120112676A (ko) | 2009-12-31 | 2012-10-11 | 에스지엘 카본 에스이 | 흑연-함유 성형체 및 그 제조 방법 |
| KR101439177B1 (ko) * | 2014-05-19 | 2014-09-17 | 금오공과대학교 산학협력단 | 흑연 폐스크랩을 이용한 등방성 벌크 흑연의 제조방법 및 이를 통해 제조된 등방성 벌크 흑연 |
| KR20190014269A (ko) * | 2017-07-31 | 2019-02-12 | 금오공과대학교 산학협력단 | 열처리용 고내구성 흑연 트레이 및 이의 제조 방법 |
| KR20190059681A (ko) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | 금오공과대학교 산학협력단 | 벌크흑연 복합체 및 이의 제조방법 |
| KR20210131660A (ko) * | 2020-04-24 | 2021-11-03 | 주식회사 카보랩 | 기계적 물성이 제어된 벌크 흑연 제조방법 및 이 방법으로 제조된 벌크 흑연 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040030605A (ko) * | 2001-05-03 | 2004-04-09 | 더 몰간 크루시블 캄파니 피엘시 | 흑연체의 압출 |
| KR20040076427A (ko) * | 2003-02-25 | 2004-09-01 | 박정현 | 흑연체의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 흑연체 |
| KR20120112676A (ko) | 2009-12-31 | 2012-10-11 | 에스지엘 카본 에스이 | 흑연-함유 성형체 및 그 제조 방법 |
| KR101439177B1 (ko) * | 2014-05-19 | 2014-09-17 | 금오공과대학교 산학협력단 | 흑연 폐스크랩을 이용한 등방성 벌크 흑연의 제조방법 및 이를 통해 제조된 등방성 벌크 흑연 |
| KR20190014269A (ko) * | 2017-07-31 | 2019-02-12 | 금오공과대학교 산학협력단 | 열처리용 고내구성 흑연 트레이 및 이의 제조 방법 |
| KR20190059681A (ko) * | 2017-11-23 | 2019-05-31 | 금오공과대학교 산학협력단 | 벌크흑연 복합체 및 이의 제조방법 |
| KR20210131660A (ko) * | 2020-04-24 | 2021-11-03 | 주식회사 카보랩 | 기계적 물성이 제어된 벌크 흑연 제조방법 및 이 방법으로 제조된 벌크 흑연 |
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