KR20230083010A - Carbon molding product derived from lignin and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리그닌 유래 탄소 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 용매 없이 건식 공정으로 제조되는 리그닌 탄소 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lignin-derived carbon molded article and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a lignin carbon molded article produced by a dry process without a solvent and a method for manufacturing the same.
탄소물질은 일반적으로 다른 물질에 비하여 열안정성, 내화학성, 내부식성 등의 장점을 가지고 있다. 다양한 탄소물질 중의 하나인 탄소 폼은 다양한 형태와 크기를 갖는 3차원 망상 구조를 갖는 물질이다. 탄소 폼은 다른 탄소 물질과 비교하여 높은 열·전기 전도도, 가벼운 무게, 높은 내화학성, 고온 안정성, 낮은 열팽창계수 및 높은 표면적 등의 특성을 가질 수 있다. 탄소 폼은 방열 소재 등 다양한 분야에 사용되고 있는데, 금속 재료보다 가볍고, 열전도성과 내화학성이 높다는 특징 때문에 전기전자 소자, 광학 소자 및 필터 등 사용 분야가 확대될 수 있는 높은 잠재력을 갖는 것으로 알려져 있다. Carbon materials generally have advantages over other materials, such as thermal stability, chemical resistance, and corrosion resistance. Carbon foam, one of various carbon materials, is a material having a three-dimensional network structure having various shapes and sizes. Compared to other carbon materials, carbon foam may have properties such as high thermal and electrical conductivity, light weight, high chemical resistance, high temperature stability, low thermal expansion coefficient and high surface area. Carbon foam is used in various fields such as heat dissipation materials, and is known to have high potential to expand its use fields such as electric and electronic devices, optical devices and filters due to its characteristics of being lighter than metal materials and having high thermal conductivity and chemical resistance.
그러나 탄소 폼은 구조 내에 존재하는 공극이 불균일하며 열린 셀(open cell)구조로 이루어져 있어서 강도가 상대적으로 약하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 낮은 강도의 단점을 보안하기 위한 방법으로 탄소 폼에 보강재를 첨가하여 기계적 강도를 증가시키는 연구가 이루어지고 있다.However, the carbon foam has a disadvantage in that the pores present in the structure are non-uniform and the strength is relatively weak because it is composed of an open cell structure. As a way to overcome the disadvantages of such low strength, research on increasing mechanical strength by adding reinforcing materials to carbon foam has been conducted.
또한, 일반적인 탄소 폼의 성형공정은 페놀계 레진이나 석탄, 피치 등과 같은 화석 연료로부터 얻어지는데, 제조공정이 여러 단계로 복잡하고 비용이 많이 들며, 제조하는 동안 독성 가스와 냄새 등을 유발하는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 화석연료로부터 얻어지는 탄소 폼이 아닌 무독성이며, 생분해성 및 생체 적합한 천연물질 셀룰로오스 유래 물질을 사용하여 간단한 제조 방법으로 탄소 폼을 제조하는 연구가 이루어지고 있다.In addition, the general molding process of carbon foam is obtained from fossil fuels such as phenolic resin, coal, pitch, etc., the manufacturing process is complex and expensive in several steps, and the disadvantages of causing toxic gases and odors during manufacturing Have. Accordingly, research is being conducted on producing carbon foam by a simple manufacturing method using non-toxic, biodegradable and biocompatible natural cellulose-derived materials rather than carbon foam obtained from fossil fuels.
한국공개특허 제2019-0049013호는 셀룰로오스계 유도체를 이용한 천연소재 탄소 폼의 제조방법에 관한 것으로 폐 인조 대리석 가루를 활용하여 탄소 폼을 제조하는 방법을 개시하고 있다. Korean Patent Publication No. 2019-0049013 relates to a method for manufacturing natural material carbon foam using a cellulose derivative, and discloses a method for manufacturing carbon foam using waste artificial marble powder.
한국공개특허 제2021-0043753호는 선상부와 그 선상부를 결합하는 결합부를 갖는 탄소 폼, 및 막 전극 복합체, 그리고, 탄소 함유율이 51 질량% 이상이고, 선상부와 그 선상부를 결합하는 결합부를 갖고, 카와바타 평가 시스템법에 의한 마찰 계수의 평균 편차가 0.006 이하인, 탄소 폼, 및 막 전극 복합체를 개시하고 있다.Korean Patent Publication No. 2021-0043753 discloses a carbon foam having a linear portion and a coupling portion coupling the linear portion, a membrane electrode composite, and a carbon content of 51% by mass or more, and a coupling portion coupling the linear portion and the linear portion. , a carbon foam and membrane electrode composite having an average deviation of friction coefficient of 0.006 or less according to the Kawabata evaluation system method.
본 발명은 용매 없이 건식 공정으로 제조되는 리그닌 유래 탄소 성형체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a lignin-derived carbon molded article produced by a dry process without a solvent and a manufacturing method thereof.
본 발명의 일 실시형태는 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더가 건식 혼합되어 형성된 리그닌 탄소 성형체를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a lignin carbon molded article formed by dry mixing lignin carbide and lignin powder.
상기 리그닌 탄소 성형체의 두께는 0.5 mm 내지 10 mm 일 수 있다.The thickness of the lignin carbon molded article may be 0.5 mm to 10 mm.
상기 리그닌 탄소 성형체의 비표면적은 100 m2/g 내지 1,000 m2/g 일 수 있다.The specific surface area of the lignin carbon matrix may be 100 m 2 /g to 1,000 m 2 /g.
상기 리그닌 탄화물은 크라프트 리그닌, 설파이트 리그닌, 유기용매 리그닌, 스팀 폭쇄 리그닌, 및 약산처리 리그닌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 리그닌을 탄화한 것일 수 있다.The lignin carbide may be obtained by carbonizing at least one lignin selected from the group consisting of kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, and weak acid treated lignin.
상기 리그닌 탄화물은 하기 화학식 1로 표시되는 크라프트 리그닌 탄화물이고, 상기 리그닌 파우더는 하기 화학식 1로 표시되는 크라프트 리그닌일 수 있다.The lignin carbide may be kraft lignin carbide represented by Formula 1 below, and the lignin powder may be kraft lignin represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 리그닌 탄소 성형체는 하기 화학식 2를 포함하며, 부분 결정성 구조를 가질 수 있다.The lignin carbon molded body includes Chemical Formula 2 below and may have a partially crystalline structure.
[화학식 2][Formula 2]
상기 리그닌 탄소 성형체는 결정성 구조에 -SH (thiol group)를 포함할 수 있다.The lignin carbon matrix may include a thiol group (-SH) in a crystalline structure.
본 발명의 다른 실시형태는 리그닌을 마련하는 단계; 상기 리그닌에 산 첨가 및 교반하는 전처리 단계; 상기 전처리된 리그닌을 비활성화 분위기에서 열처리하여 리그닌 탄화물을 얻는 단계; 상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더를 건식 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 가열 및 가압하여 성형체를 제조하는 단계;를 포함하는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is to prepare lignin; A pretreatment step of adding an acid to the lignin and stirring it; heat-treating the pretreated lignin in an inert atmosphere to obtain lignin carbide; dry mixing the lignin carbide and lignin powder; and preparing a molded article by heating and pressurizing the mixture.
상기 가열은 200 내지 300 ℃에서 수행될 수 있다.The heating may be performed at 200 to 300 °C.
상기 가압은 300 내지 400 kgf/cm2으로 10 내지 60분 동안 수행될 수 있다.The pressurization may be performed at 300 to 400 kgf/cm 2 for 10 to 60 minutes.
상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더의 중량비는 8:2 내지 5:5 일 수 있다.The weight ratio of the lignin carbide and the lignin powder may be 8:2 to 5:5.
상기 리그닌은 크라프트 리그닌, 설파이트 리그닌, 유기용매 리그닌, 스팀 폭쇄 리그닌, 및 약산처리 리그닌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The lignin may be at least one selected from the group consisting of kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, and weak acid treated lignin.
상기 리그닌 탄화물은 크라프트 리그닌으로부터 얻어지며, 상기 리그닌 파우더는 크라프트 리그닌을 사용할 수 있다.The lignin carbide is obtained from kraft lignin, and kraft lignin may be used as the lignin powder.
상기 리그닌 탄화물을 얻는 단계는 200 내지 400℃로 가열되는 산화 안정화 단계 및 500 내지 1000℃로 가열되는 탄화 단계를 포함할 수 있다.Obtaining the lignin carbide may include an oxidative stabilization step of heating at 200 to 400 °C and a carbonization step of heating at 500 to 1000 °C.
상기 리그닌 탄화물을 얻는 단계는 수증기를 부가하는 단계를 포함할 수 있다. Obtaining the lignin carbide may include adding water vapor.
상기 전처리에서 산 용액 및 리그닌의 혼합 비율은 10:0.5 내지 10(중량비)일 수 있다.In the pretreatment, the mixing ratio of the acid solution and the lignin may be 10:0.5 to 10 (weight ratio).
본 발명의 또 다른 실시형태는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조되는 리그닌 탄소 성형체를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a lignin carbon matrix produced according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체는 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더가 건식 혼합되어 형성된 다공성 3D 성형체로써, 리그닌 탄화물과 바인더 역할을 하는 리그닌 파우더를 혼합하여 성형한 것으로 100% 천연 소재로 형성된 것이다.A lignin-derived carbon molded body according to an embodiment of the present invention is a porous 3D molded body formed by dry mixing lignin carbide and lignin powder, and is formed by mixing lignin carbide and lignin powder serving as a binder, and is formed of 100% natural material. .
본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 탄소 성형체는 3차원 다공성 성형체로써 우수한 전기 전도도, 화학적 안정성, 및 높은 표면적을 가져 에너지 저장 시스템, 태양 전지, 연료 전지, 독성 유기 용제의 흡수제, 흡착제, 흡음제를 비롯한 다양한 분야에서 사용될 수 있다.The lignin carbon molded article according to an embodiment of the present invention is a three-dimensional porous molded article that has excellent electrical conductivity, chemical stability, and high surface area, so it can be used in energy storage systems, solar cells, fuel cells, absorbents for toxic organic solvents, adsorbents, sound absorbers, and the like. It can be used in various fields.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 산화 안정화 단계 및 탄화 단계의 가열 조건을 나타내는 그래프이다.
도 3은 비교예 1에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체를 촬영한 사진이다.
도 4는 비교예 2에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체를 촬영한 사진이다.1 is a photograph of a lignin-derived carbon molded article according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing heating conditions in an oxidation stabilization step and a carbonization step according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of a lignin-derived carbon molded article according to Comparative Example 1;
4 is a photograph of a lignin-derived carbon molded article according to Comparative Example 2;
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples set forth herein.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or steps However, it should be understood that it does not preclude the possibility of existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
본 발명은 리그닌 유래 탄소 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체는 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더가 건식 혼합되어 형성된 다공성 3D 성형체이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소 성형체는 내부에 다수의 공극이 형성된 탄소 폼(foam)일 수 있다.The present invention relates to a lignin-derived carbon molded article and a method for manufacturing the same. The lignin-derived carbon molded article according to an embodiment of the present invention is a porous 3D molded article formed by dry mixing lignin carbide and lignin powder. A carbon molded body according to an embodiment of the present invention may be a carbon foam having a plurality of pores formed therein.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체(이하, '리그닌 탄소 성형체' 또는 '탄소 성형체' 라고도 함)은 리그닌 탄화물과 바인더 역할을 하는 리그닌 파우더를 혼합하여 성형한 것으로 100% 천연 소재로 형성될 수 있다.A lignin-derived carbon molded body (hereinafter, also referred to as a 'lignin carbon molded body' or 'carbon molded body') according to an embodiment of the present invention is formed by mixing lignin carbide and lignin powder serving as a binder, and is formed of 100% natural material. It can be.
본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소 성형체는 0.5 내지 10 mm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 비표면적은 100 내지 1,000 m2g-1 일 수 있다.The carbon molded body according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 0.5 to 10 mm. In addition, the specific surface area may be 100 to 1,000 m 2 g -1 .
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 탄소 성형체는 하기 화학식 2를 포함하며, 부분 결정성 구조를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon molded body includes Chemical Formula 2 below and may have a partially crystalline structure.
[화학식 2][Formula 2]
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 탄소 성형체는 결정성 구조에 -SH (thiol group)를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon shaped body may include a -SH (thiol group) in a crystalline structure.
본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소 성형체는 3차원 다공성 성형체로써 우수한 전기 전도도, 화학적 안정성, 및 높은 표면적을 가져 에너지 저장 시스템, 태양 전지, 연료 전지, 독성 유기 용제의 흡수제, 흡착제, 흡음제를 비롯한 다양한 분야에서 사용될 수 있다.The carbon molded article according to an embodiment of the present invention is a three-dimensional porous molded article that has excellent electrical conductivity, chemical stability, and high surface area, so that it can be used in various applications including energy storage systems, solar cells, fuel cells, toxic organic solvent absorbers, adsorbents, and sound absorbers. can be used in the field.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체의 제조방법을 상세히 설명한다. 이에 의하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 리그닌 유래 탄소 성형체의 구조 및 특징이 보다 명확하게 특정될 수 있다.Hereinafter, a method for manufacturing a lignin-derived carbon molded article according to an embodiment of the present invention will be described in detail. Accordingly, the structure and characteristics of the lignin-derived carbon molded article according to an embodiment of the present invention can be more clearly specified.
먼저, 리그닌(lignin)을 마련할 수 있다.First, lignin may be prepared.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 리그닌은 목재 추출물에서 얻어진 것일 수 있다. 리그닌은 침엽수나 활엽수 등의 목질부를 구성하는 다양한 구성 성분 중에서 지용성 페놀 고분자이며, 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemi-cellulose)와 함께 바이오매스의 주성분 중 하나이다.According to one embodiment of the present invention, the lignin may be obtained from wood extract. Lignin is a fat-soluble phenolic polymer among various constituents constituting woody parts of conifers and broad-leaved trees, and is one of the main components of biomass along with cellulose and hemi-cellulose.
종이를 만드는 원료인 펄프를 제조하는 과정을 펄핑(pulping)이라 하는데, 펄핑 과정은 목재의 구성성분인 셀룰로오즈, 헤미셀룰로오즈, 리그닌, 기타 추출물 등으로 구성된 혼합물로부터 셀룰로오즈를 제외한 나머지 성분들을 제거하는 공정이다. 펄핑 과정에서 셀룰로오즈를 제외하고 제거되는 나머지 물질을 포함한 폐액을 일반적으로 흑액(black liquor)이라 한다.The process of manufacturing pulp, which is the raw material for making paper, is called pulping. The pulping process is a process of removing the remaining components except for cellulose from a mixture composed of cellulose, hemicellulose, lignin, and other extracts, which are constituents of wood. . In the pulping process, the waste liquid including the remaining substances removed except for cellulose is generally referred to as black liquor.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 리그닌은 흑액에서 분리 추출된 것일 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 상기 리그닌은 크라프트 리그닌(Kraft lignin), 설파이트 리그닌(Sulfite lignin), 유기용매 리그닌(organosolv lignin), 스팀 폭쇄 리그닌(steam explosion lignin), 또는 약산처리 리그닌(dilute acid lignin)일 수 있고, 이들을 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 리그닌은 크라프트 리그닌일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the lignin may be separated and extracted from black liquor. Although not limited thereto, for example, the lignin is Kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, or weak acid treated lignin. lignin), and one or more of them may be mixed and used. Specifically, the lignin may be kraft lignin.
상기 크라프트 리그닌은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. 이에 제한되지 않으나, 예를 들면, 흑액에 소듐 설파이드(Sodium sulfide), 소듐 하이드록사이드(Sodium hydroxide) 등을 가하고, 150 내지 180℃ 열처리하여 얻어질 수 있다.The kraft lignin may be represented by Formula 1 below. Although not limited thereto, for example, it may be obtained by adding sodium sulfide, sodium hydroxide, etc. to black liquor and subjecting it to heat treatment at 150 to 180°C.
[화학식 1][Formula 1]
상기 설파이트 리그닌(Sulfite lignin)은 아황산(Sulfurous acid) 등을 가하고, 150 내지 180℃ 열처리하여 얻어지는 리그노술폰산염(lignosulfonate) 일 수 있다.The sulfite lignin may be a lignosulfonate obtained by adding sulfurous acid and the like and heat-treating at 150 to 180 ° C.
상기 유기용매 리그닌(organosolv lignin)은 흑액에 유기용매를 가하고, 150 내지 180℃ 열처리하여 얻어질 수 있다.The organic solvent lignin (organosolv lignin) can be obtained by adding an organic solvent to black liquor and heat treatment at 150 to 180 ° C.
상기 스팀 폭쇄 리그닌(steam explosion lignin)은 고압 및 고온의 스팀 처리를 하여 얻어지는 펄프 섬유에서 얻어질 수 있다.The steam explosion lignin (steam explosion lignin) can be obtained from pulp fibers obtained by steam treatment at high pressure and high temperature.
상기 약산처리 리그닌(dilute acid lignin)은 약산으로 셀룰로오스를 분리한 후 얻어질 수 있다.The weak acid treated lignin (dilute acid lignin) can be obtained after separating cellulose with a weak acid.
다음으로, 상기 리그닌을 전처리할 수 있다. Next, the lignin may be pretreated.
상기 전처리 단계는 리그닌에 산 용액을 첨가하고, 교반하여 수행될 수 있다. 전처리 공정에 의하여 리그닌에 있는 무기물 등의 불순물을 제거할 수 있다. 리그닌의 불순물을 제거함으로써 탄화 공정에서 발생하는 가스를 제어할 수 있다. The pretreatment step may be performed by adding an acid solution to lignin and stirring. Impurities such as inorganic substances in lignin can be removed by the pretreatment process. Gases generated in the carbonization process can be controlled by removing impurities from lignin.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 산 용액은 염산, 황산, 질산, 브롬산 등 일 수 있고, 상기 산 용액 및 리그닌의 혼합 비율은 10: 0.5 내지 10 (중량비)일 수 있고, 구체적으로 10: 0.5 내지 3 일 수 있다. 상기 리그닌 및 산 용액을 혼합한 후 1 내지 10 시간 동안 교반 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the acid solution may be hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, bromic acid, etc., and the mixing ratio of the acid solution and lignin may be 10: 0.5 to 10 (weight ratio), specifically 10 : may be 0.5 to 3. After mixing the lignin and acid solution, it may be stirred for 1 to 10 hours.
상기 전처리된 리그닌을 비활성화 분위기에서 열처리하여 리그닌 탄화물을 얻을 수 있다.The pretreated lignin may be heat-treated in an inert atmosphere to obtain lignin carbide.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄화 단계는 500 내지 1000℃에서 수행될 수 있다. 구체적으로 800 내지 1000℃, 보다 구체적으로 850 내지 950℃에서 수행될 수 있다. 상기 비활성화 분위기는 질소 또는 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbonization step may be performed at 500 to 1000 °C. Specifically, it may be performed at 800 to 1000 ° C, more specifically at 850 to 950 ° C. The inactivation atmosphere may be performed in a nitrogen or argon atmosphere.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄화 단계 이전에 산화 안정화 단계를 수행할 수 있다. 상기 산화 안정화 단계는 에어(air) 분위기에서 200 내지 400℃로 열처리하여 수행할 수 있다. 상기 산화 안정화 단계는 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. 리그닌을 탄화하기 전에 산화 안정화 공정을 수행하면 산소 반응으로 분자들 사이에 가교결합을 증가시켜 탄화 수율이 증가할 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, an oxidation stabilization step may be performed before the carbonization step. The oxidation stabilization step may be performed by heat treatment at 200 to 400° C. in an air atmosphere. The oxidative stabilization step may be performed for 1 to 3 hours. If the oxidative stabilization process is performed before carbonization of lignin, the carbonization yield can be increased by increasing cross-linking between molecules through oxygen reaction.
산화 안정화는 물질의 연화점보다 높은 온도에서 가열할 수 있는데, 상기 산화 안정화 단계에서 온도가 상기 범위보다 낮으면 산화 안정화가 불충분하여 탄화 특성이 나빠지고, 상기 범위보다 높으면 산소로 인한 분해반응이 발생하여 탄화물의 결점(Carbon defect)을 생성할 우려가 있고, 가열 시간이 상기 범위를 벗어나면 가열시간이 충분하지 않아 산화 안정화가 불충분하게 발생할 우려가 있다.Oxidative stabilization can be heated at a temperature higher than the softening point of the material. If the temperature is lower than the above range in the oxidative stabilization step, oxidation stabilization is insufficient and the carbonization properties deteriorate, and if it is higher than the above range, a decomposition reaction due to oxygen occurs, Carbon defects may be generated, and if the heating time is out of the above range, the heating time may be insufficient and oxidation stabilization may be insufficient.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 산화 안정화 단계 및 탄화 단계는 하나의 공정으로 수행될 수 있다. 산화 안정화 단계의 에어 분위기를 비활성 분위기로 바꾸고, 온도를 상승시켜 탄화 단계를 수행할 수 있다. 이때 산화 안정화 단계에서 탄화 단계를 위한 온도 상승은 5 내지 15℃/분, 구체적으로 10℃/분으로 수행될 수 있다. 승온 속도를 상기 범위에서 진행하는 경우 가교 결합(Cross-linking) 시간을 충분히 부여할 수 있다. 상기 승온 속도보다 빠르면 가교 결합이 충분히 일어나지 않을 수 있고, 상기 승온 속도보다 느리면 시간비용이 급격히 증가하게 된다.According to one embodiment of the present invention, the oxidation stabilization step and the carbonization step may be performed in one process. The carbonization step may be performed by changing the air atmosphere of the oxidation stabilization step to an inert atmosphere and raising the temperature. At this time, the temperature increase for the carbonization step in the oxidation stabilization step may be performed at 5 to 15 °C/min, specifically 10 °C/min. When the temperature increase rate is in the above range, a sufficient cross-linking time may be given. If the heating rate is faster than the cross-linking may not sufficiently occur, and if the heating rate is slower than the heating rate, the time cost increases rapidly.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 리그닌을 탄화하는 단계에서 수증기를 부가할 수 있다. 탄화 공정 중에 수증기를 주입하면 탄화된 리그닌 기공 주변에 더 많은 열분해를 발생시켜 높은 비표면적을 가지는 다공성 활성탄을 제조할 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, steam may be added in the step of carbonizing the lignin. When water vapor is injected during the carbonization process, more thermal decomposition occurs around the pores of the carbonized lignin, thereby producing porous activated carbon having a high specific surface area.
상기 탄화 처리 및 활성화 처리를 함으로써 활성탄 내에 다공성과 부분 결정성 구조를 유도할 수가 있다.By performing the carbonization treatment and the activation treatment, a porous and partially crystalline structure can be induced in the activated carbon.
리그닌 탄화물에 혼재되어 있는 결정성 부분(graphitizable part) 및 비결정성 부분(non-graphitizable part)은 상기 산화 안정화 공정 및 수증기 부가에 의하여 결정성 부분이 증가할 수 있다. 상기 결정성 부분이 증가함에 따라 리그닌 탄소 성형체의 전기 전도도 등의 특성이 향상될 수 있다.A graphitizable part and a non-graphitizable part mixed in the lignin carbide may be increased in crystalline part by the oxidation stabilization process and the addition of water vapor. As the crystalline portion increases, properties such as electrical conductivity of the lignin carbon matrix may be improved.
다음으로, 상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더를 건식 혼합할 수 있다. Next, the lignin carbide and lignin powder may be dry mixed.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 리그닌 파우더는 크라프트 리그닌, 설파이트 리그닌, 유기용매 리그닌, 스팀 폭쇄 리그닌, 및 약산처리 리그닌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 리그닌 파우더일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the lignin powder may be at least one lignin powder selected from the group consisting of kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, and weak acid treated lignin.
상기 리그닌 파우더는 흑액에서 분리 추출된 리그닌을 전처리하여 불순물을 제거한 것을 사용할 수 있다. 전처리 공정은 상술한 바와 같다.The lignin powder may be obtained by removing impurities by pre-treating lignin extracted from black liquor. The pretreatment process is as described above.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더의 중량비는 8:2 내지 5:5일 수 있다. 리그닌 파우더가 상기 범위 미만이면 성형성이 저하될 수 있고, 리그닌 파우더가 상기 범위를 초과하면 불순물이 증가하여 전기 전도도, 저장성, 흡착성 등 성형체의 성능이 저하될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the weight ratio of the lignin carbide and lignin powder may be 8:2 to 5:5. If the lignin powder is less than the above range, moldability may be deteriorated, and if the lignin powder exceeds the above range, impurities may increase and performance of the molded article, such as electrical conductivity, storability, and adsorption may be deteriorated.
상기 탄화 공정에서 얻어진 리그닌 탄화물은 분쇄하여 분말 상태로 혼합될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 용매 없이 리그닌 탄화물과 리그닌 파우더를 혼합할 수 있다. 이러한 건식 혼합 방법은 특별히 제한되지 않으며, 믹서기, 볼밀, 3D 믹서, V콘 믹서, 리본 믹서, 비드 밀 등 통상의 믹싱 공정을 사용할 수 있다. The lignin carbide obtained in the carbonization process may be pulverized and mixed in a powder state. According to one embodiment of the present invention, lignin carbide and lignin powder may be mixed without a solvent. The dry mixing method is not particularly limited, and a conventional mixing process such as a mixer, ball mill, 3D mixer, V cone mixer, ribbon mixer, and bead mill may be used.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 혼합 공정은 1 내지 10분 동안 수행될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the mixing process may be performed for 1 to 10 minutes.
일반적으로 사용되는 습식 공정과 비교하여 건식 혼합은 간단한 공정으로 수행될 수 있다. 습식 공정의 경우 용매를 사용하여 성형이 용이하나, 별도의 건조 공정을 수행해야 한다.Compared to the commonly used wet process, dry mixing can be performed as a simple process. In the case of the wet process, molding is easy using a solvent, but a separate drying process must be performed.
다음으로, 상기 혼합물을 가열 및 가압하여 성형체를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합물을 몰드 내에 충진하고 열간 압축하여 성형제를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 가압은 300 내지 400kgf/cm2으로 가해지고, 상기 가열은 200 내지 300℃의 온도로 수행될 수 있다. 상기 가열 및 가압 공정은 10 내지 60분 동안 수행될 수 있고, 구체적으로 30 내지 60분간 수행될 수 있다. 열간 압축에 의하여 리그닌 파우더가 액상화 될 수 있고, 이는 바인더 역할을 하여 리그닌 탄화물을 가교(cross linking)할 수 있다.Next, a molded article may be prepared by heating and pressurizing the mixture. Specifically, a molded article may be prepared by filling the mixture in a mold and hot-pressing it. According to one embodiment of the present invention, the pressurization is applied at 300 to 400 kgf/cm 2 , and the heating may be performed at a temperature of 200 to 300°C. The heating and pressing process may be performed for 10 to 60 minutes, and may be specifically performed for 30 to 60 minutes. The lignin powder can be liquefied by hot compression, which can act as a binder and cross-link the lignin carbide.
상기 압력 조건이 상기 범위를 벗어나면 성형성이 좋지 않을 수 있고, 상기 온도 조건이 상기 범위를 벗어나면 크랙이 발생하여 성형체를 제조하기 어려울 수 있다.If the pressure condition is out of the above range, moldability may not be good, and if the temperature condition is out of the above range, cracks may occur and it may be difficult to manufacture a molded body.
상온에서 압력만 높이는 경우 성형이 이루어지지 않으며, 낮은 압력에서 온도만 높이는 경우 성형이 이루어지더라도 강도가 약해 쉽게 부서질 수 있다.If only the pressure is increased at room temperature, molding is not performed, and if the temperature is only increased at low pressure, even if molding is performed, the strength is weak and can be easily broken.
상기 탄소 성형체는 하기 화학식 2를 포함하며, 부분 결정성 구조를 가질 수 있다.The carbon shaped body may include Chemical Formula 2 below and may have a partially crystalline structure.
[화학식 2][Formula 2]
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 탄소 성형체는 결정성 구조에 -SH (thiol group)를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon shaped body may include a -SH (thiol group) in a crystalline structure.
상기 화학식 2에서 R은 -CH3일 수 있다.In Formula 2, R may be -CH 3 .
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이러한 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to an embodiment of the present invention, but these examples do not limit the scope of the present invention.
[실시예][Example]
실시예Example
전처리 공정pretreatment process
염산 1 노르말 용액을 제조하고, 크라프트 리그닌(Kraft Lignin, KL) 36g에 염산 1L를 첨가하고(1:1w/w) 교반 한 후 pH 7이 되도록 증류수로 세척하였다.A hydrochloric acid 1 normal solution was prepared, 1 L of hydrochloric acid was added to 36 g of Kraft Lignin (KL) (1:1 w/w), stirred, and washed with distilled water to a pH of 7.
크라프트 리그닌 탄화(Carbonization)Kraft Lignin Carbonization
세척이 완료된 리그닌을 튜브 전기로에서 에어 분위기에서 2시간 동안 300℃에서 열처리(산화 안정화)하고, 비활성 분위기(질소)로 전환하면서 10℃/분 승온 속도로 900℃까지 상승시켜 탄화물을 얻었다.The washed lignin was heat-treated (oxidized and stabilized) at 300° C. for 2 hours in an air atmosphere in a tube electric furnace, and then heated up to 900° C. at a heating rate of 10° C./min while switching to an inert atmosphere (nitrogen) to obtain carbides.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 안정화 단계 및 탄화 단계의 가열 조건을 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 300℃ 서서히 온도를 상승시킨 후 2시간 동안 유지하다가 900℃까지 온도를 상승시켰다.2 is a graph showing heating conditions in a stabilization step and a carbonization step according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the temperature was gradually raised to 300° C., maintained for 2 hours, and then raised to 900° C.
혼합 및 성형mixing and molding
리그닌 탄화물 8g, 리그닌 바인더 2g을 믹서기에서 10분간 혼합하고, 이를 구형 몰드(20Φ)내에 1g 충진하고, 10분간 가열(300℃) 및 가압(400kgf/cm2)하여 성형체를 얻었다. 도 1은 이에 따라 얻어진 성형체를 촬영한 사진이다.8g of lignin carbide and 2g of lignin binder were mixed in a mixer for 10 minutes, 1g of this was filled in a spherical mold (20Φ), and heated (300° C.) and pressurized (400kgf/cm 2 ) for 10 minutes to obtain a molded product. 1 is a photograph of a molded body thus obtained.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예와 동일하게 제조하되, 10분간 상온(25℃)에서 가압(400kgf/cm2)하였다. 몰드에서 샘플을 분리하는 과정에서 성형체가 구조적 안정성을 유지하지 못하는 불안정성이 관찰되었다. 도 3은 이에 따라 얻어진 성형체를 촬영한 사진이다. It was prepared in the same manner as in the above example, but pressurized (400 kgf/cm 2 ) at room temperature (25° C.) for 10 minutes. In the process of separating the sample from the mold, instability was observed in which the molded body did not maintain structural stability. Figure 3 is a photograph taken of the molded body thus obtained.
비교예 2Comparative Example 2
상기 실시예와 동일하게 제조하되, 10분간 가열(100℃) 및 가압(400kgf/cm2)하였다. 몰드에서 꺼냈을 때 크랙이 일부 발생하였으며, 형태가 어느 정도 유지되었으나, 손으로 잡으면 쉽게 부서져 강도가 약했다. 도 4은 이에 따라 얻어진 성형체를 촬영한 사진이다.It was prepared in the same manner as in the above example, but heated (100° C.) and pressurized (400 kgf/cm 2 ) for 10 minutes. When taken out of the mold, some cracks occurred, and the shape was maintained to some extent, but it was easily broken when held by hand, and the strength was weak. Figure 4 is a photograph taken of the molded body thus obtained.
상기와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 성형체는 크랙 없이 성형체를 유지하였으나, 열간 압축시 일정 온도로 가열되지 않은 경우에는 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.As described above, the molded body manufactured according to one embodiment of the present invention maintained the molded body without cracks, but it was confirmed that cracks occurred when the molded body was not heated to a certain temperature during hot compression.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.
Claims (17)
Lignin carbon matrix formed by dry mixing of lignin carbide and lignin powder.
상기 리그닌 탄소 성형체의 두께는 0.5 내지 10 mm 인 리그닌 성형체.
According to claim 1,
The lignin carbon molded body has a thickness of 0.5 to 10 mm.
상기 리그닌 탄소 성형체의 비표면적은 100 내지 1,000 m2g-1인 리그닌 성형체.
According to claim 1,
The specific surface area of the lignin carbon molded body is 100 to 1,000 m 2 g -1 lignin molded body.
상기 리그닌 탄화물은 크라프트 리그닌, 설파이트 리그닌, 유기용매 리그닌, 스팀 폭쇄 리그닌, 및 약산처리 리그닌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 리그닌을 탄화한 것인 리그닌 성형체.
According to claim 1,
The lignin carbide is obtained by carbonizing at least one lignin selected from the group consisting of kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, and weak acid treated lignin.
상기 리그닌 탄화물은 하기 화학식 1로 표시되는 크라프트 리그닌 탄화물이고, 상기 리그닌 파우더는 하기 화학식 1로 표시되는 크라프트 리그닌인 리그닌 성형체.
[화학식 1]
According to claim 1,
The lignin carbide is kraft lignin carbide represented by Formula 1 below, and the lignin powder is kraft lignin represented by Formula 1 below.
[Formula 1]
상기 리그닌 탄소 성형체는 하기 화학식 2를 포함하며, 부분 결정성 구조를 가지는 리그닌 성형체.
[화학식 2]
According to claim 1,
The lignin carbon molded material includes Formula 2 below and has a partially crystalline structure.
[Formula 2]
상기 리그닌 탄소 성형체는 결정성 구조에 -SH (thiol group)를 포함하는 리그닌 성형체.
According to claim 1,
The lignin carbon molded material includes a -SH (thiol group) in a crystalline structure.
상기 리그닌에 산 첨가 및 교반하는 전처리 단계;
상기 전처리된 리그닌을 비활성화 분위기에서 열처리하여 리그닌 탄화물을 얻는 단계;
상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더를 건식 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물을 가열 및 가압하여 성형체를 제조하는 단계;
를 포함하는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
preparing lignin;
A pretreatment step of adding an acid to the lignin and stirring it;
heat-treating the pretreated lignin in an inert atmosphere to obtain lignin carbide;
dry mixing the lignin carbide and lignin powder; and
heating and pressurizing the mixture to prepare a molded body;
Method for producing a lignin carbon molded body comprising a.
상기 가열은 200 내지 300℃에서 수행되는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The heating is a method for producing a lignin carbon molded article performed at 200 to 300 ° C.
상기 가압은 300 내지 400 kgf/cm2으로 10 내지 60분 동안 수행되는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The pressing is performed at 300 to 400 kgf/cm 2 for 10 to 60 minutes.
상기 리그닌 탄화물 및 리그닌 파우더의 중량비는 8:2 내지 5:5인 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
A method for producing a lignin carbon molded article wherein the weight ratio of the lignin carbide and the lignin powder is 8:2 to 5:5.
상기 리그닌은 크라프트 리그닌, 설파이트 리그닌, 유기용매 리그닌, 스팀 폭쇄 리그닌, 및 약산처리 리그닌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The method of claim 1, wherein the lignin is at least one selected from the group consisting of kraft lignin, sulfite lignin, organic solvent lignin, steam explosion lignin, and weak acid treated lignin.
상기 리그닌 탄화물은 크라프트 리그닌으로부터 얻어지며, 상기 리그닌 파우더는 크라프트 리그닌을 사용하는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The lignin carbide is obtained from kraft lignin, and the lignin powder is a method for producing a lignin carbon molded body using kraft lignin.
상기 리그닌 탄화물을 얻는 단계는 200 내지 400℃로 가열되는 산화 안정화 단계 및 500 내지 1000℃로 가열되는 탄화 단계를 포함하는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The step of obtaining the lignin carbide comprises an oxidative stabilization step of heating at 200 to 400 ° C and a carbonization step of heating at 500 to 1000 ° C.
상기 리그닌 탄화물을 얻는 단계는 수증기를 부가하는 단계를 포함하는 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
The method of manufacturing a lignin carbon molded body comprising the step of adding water vapor in the obtaining of the lignin carbide.
상기 전처리에서 산 용액 및 리그닌의 혼합 비율은 10:0.5 내지 10(중량비)인 리그닌 탄소 성형체의 제조방법.
According to claim 8,
In the pretreatment, the mixing ratio of the acid solution and the lignin is 10:0.5 to 10 (weight ratio).
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