KR100330946B1

KR100330946B1 - 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법

Info

Publication number: KR100330946B1
Application number: KR1020000021322A
Authority: KR
Inventors: 노선희
Original assignee: 주식회사 피앤-텍
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2002-04-15
Also published as: KR20000037401A

Abstract

본 발명은 폐 배터리 재생 처리 과정에서 발생하는 연진을 재활용하기 위하여 가압 성형에 의한 연진 성형체를 제조할 때 연진을 결합시켜주는 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법에 관한 것으로서, 불활성가스를 매분 원료피치 1g 당 10cc 이하의 범위로 공급하며 상기 원료피치를 250∼350[℃]의 온도로 열처리하여 연화점이 120∼200[℃]이고, C/H 원자비가 1.8∼2.5[중량%]이고, QI 함량이 20∼35[중량%]이며, 소성후의 잔사율이 50% 이상인 고형피치를 제조하는 단계와; 상기 고형피치를 입자크기가 500㎛ 이하가 되도록 분말상으로 분쇄하는 단계를 거쳐 분말상 탄소질 점결제를 제조한다. 이와 같이 제조된 분말상 탄소질 점결제는 연진 성형체의 제조시 결합재 및 탄소원으로 사용되어 연진 성형체의 제조 원가를 낮추고, 제조 완료된 연진 성형체의 품질을 향상시키며, 설비의 부식을 억제시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법{Method for preparing carbonaceous binder powders for fabrication of lead particles}

본 발명은 점결제의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 폐 배터리의 재생 처리 과정에서 발생하는 연진을 재활용하기 위하여 연진 성형체를 제조할 때 연진을 결합시켜 주는 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차의 수요가 크게 증가함에 따라 자동차용 배터리의 수요도 크게 증가하고 있고, 이에 따라 발생되는 폐 배터리의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다. 그 결과, 폐 배터리의 재활용 문제가 사회적인 문제로 대두되고 있으며, 이의 해결을 위하여 폐 배터리 내의 납폐기물을 회수하여 재활용하려는 노력이 진행되고 있다. 보다 구체적으로, 폐 배터리 내의 납화합물을 재활용하려는 노력이 진행되고 있다. 일반적으로 폐 배터리 내의 납화합물을 재활용하기 위해서는 납폐기물을 플라스틱 등의 케이스재와 분리한 후 용융 가열로 내에 코크스, 석회석, 철 스크랩 등과 같이 투입하여 용융 환원시켜 회수하는데, 이러한 과정에서 폐 납화합물의 일부가 미크론 크기의 아주 미세한 입자형태로 배출됨으로써 이들의 처리에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 특히, 납화합물은 특정 폐기물로서 폐기 처리시에 매우 엄격한 규제를 받게 되며, 환경오염을 유발시킬 경우 사회적으로 대단히 중대한 질병을 야기시키게 된다. 따라서, 최근에는 이러한 연진을 재활용하기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 그 중 결합재를 사용하여 연진을 성형체로 제조한 후 재 용융 가열로에 투입하여 처리하는 방법이 제시되고 있다.

상기에서 언급된 바와 같이 연진은 미크론 크기의 입자형태로 얻어지게 되어 단독으로 성형성을 갖지 못하므로 성형체로 제조되기 위해서는 이들을 적절하게 결합시켜 줄 고상의 분말상 점결제의 사용이 필수적이다. 종래에는 이러한 점결제로 주로 고분자 수지계인 분말상의 열경화성 수지를 사용하고 있으나, 분말상의 열경화성 수지는 고가일 뿐만 아니라 탄화수율이 비교적 낮고, 납폐기물 내에 있는 유황성분과 반응하여 강산성 황산화물을 형성함으로써 설비의 부식 및 관리비용의 증가 등을 유발시키는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 연진 성형체의 제조시 결합재 및 탄소원으로 사용되어 낮은 비용으로 우수한 품질의 연진 성형체가 제조될 수 있도록 하는 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법은 불활성가스를 매분 원료피치 1g 당 10cc 이하의 범위로 공급하며 상기 원료피치를 250∼350[℃]의 온도로 열처리하여 연화점이 120∼200[℃]이고, C/H 원자비가 1.8∼2.5[중량%]이고, QI 함량이 20∼35[중량%]이며, 소성후의 잔사율이 50% 이상인 고형피치를 제조하는 단계와; 상기 고형피치를 입자크기가 500㎛ 이하가 되도록 분말상으로 분쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법에 관하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 사용되는 피치는 석탄 건류시에 발생되는 타르와 정유시에 발생되는 중질유 잔사 등으로부터 소정의 열처리과정을 거쳐 얻어지는 흑색의 반고체(soft pitch) 또는 고체(hard pitch) 물질을 통칭하는 것으로서, 제조방법에 따라 분말 또는 괴상으로 얻어지게 된다. 상기 피치는 독특한 냄새를 가지고 있고, 석탄계가 석유계보다 방향족성이 높으며, 탄화수율이 높은 것이 일반적이다. 이러한 피치류는 열가소성을 나타내며, 일정한 온도에서 일정시간 열처리를 실시할 경우에는 완전히 고상으로 전환됨으로써 불융한 물질로 전환된다. 또한, 피치류는 고상으로 전환되는 과정에서 중간상인 이방성 액정상태를 나타내며, 이러한 중간상의 구조 및 조직의 발달정도에 따라 최종 잔유물의 물성이 결정되는 특징을 갖고 있다. 아울러, 피치류는 분말상태의 물질과 결합하여 견고한 결합체를 만들 수 있으며, 분말표면과의 결합응력 등으로 조직의 발달이 촉진되는 경향을 나타낸다.

본 발명에서는 원료피치를 이용한 점결제의 제조시 불활성가스를 매분 원료피치 1g 당 10cc 이하의 범위로 공급한다. 상기 원료피치는 통상 적용되는 것을 사용할 수 있는데, 석탄계 및 석유계 모두 적용 가능하다.

상기 불활성가스는 통상적으로 매분 원료피치 1g 당 10cc 이하의 범위로 공급하는 것이 바람직한데, 이는 상기 불활성가스의 공급량이 10cc를 초과하는 경우에는 반응율이 높아 불용성분이 급격히 증가하게 되는 등 반응제어가 곤란해지는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 원료피치를 이용한 점결제의 제조시 250∼350[℃]의 온도범위로 열처리한다.

상기에서 열처리 온도가 250℃보다 낮을 경우에는 열처리에 장시간을 요하게 되며, 350℃보다 높을 경우에는 급속한 중합반응으로 용융성분의 급격한 저하가 이루어지게 된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 탄소질 점결제의 제조방법은 원료피치를 연진 성형용 점결제로서 사용할 수 있도록 산화중합반응을 실시하여 고상의 개질피치를 고수율로 제조하는 것이다.

그 결과 제조된 고형피치는 연화점이 120∼200[℃]인 것이 연진 성형용 점결제로서 사용이 가능한데, 상기 연화점이 120℃ 미만인 경우에는 연진 성형체를 용융 가열로에 장입하거나 보관시 온도변화에 의한 변형 및 파괴가 발생함으로써 불량률이 증가하므로 점결제로서 사용에 부적당하며, 200℃를 초과하는 경우에는 연진 성형체의 안정화온도가 200℃ 이하인 관계로 충분히 용융되지 않으므로 연진 결합재로서 작용하기가 어려워지는 문제점이 있다. 상기 고형피치는 연진 성형용 점결제로서 사용 가능하다.

또한, 본 발명에서는 상기의 열처리 조건에 의해 제조된 고형피치를 연진 성형용 점결제로 사용하기 위하여 연진과의 결합력을 충분히 확보할 수 있는 입도를갖도록 분쇄하여야 한다. 그 결과 얻어지는 분말상 탄소질 점결제의 입도분포는 500㎛ 이하가 되도록 하는 것이 바람직한데, 이는 점결제의 입자가 500㎛ 보다 클 경우에는 입자크기가 50㎛ 이하인 연진 표면을 충분히 피복할 수 없을 뿐만 아니라 결합력을 저하시킴으로써 점결제의 사용량이 증가하는 문제점이 있기 때문이다.

상기와 같은 본 발명의 방법으로 제조된 분말상 탄소질 점결제는 연진 성형체의 제조과정에서 연진의 결합재 및 탄소원으로 사용되어 조직이 치밀하고, 성형강도가 우수하며, 고정탄소 함량이 50중량% 이상이여서 용융 가열로 내에서의 환원제로서 활용이 가능한 연진 성형체가 제조될 수 있도록 한다. 아울러, 본 발명이 적용되어 제조 완료된 연진 성형체는 용융 가열로 내에서 환원제로서의 역할 및 코크스 사용량의 저감을 가능하게 하므로 결국 폐 배터리 내의 납화합물 재활용 비용이 저하되도록 한다.

다음에서는 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

[실시예 1∼4]

먼저, 연화점이 89℃인 석탄계 원료피치를 혼합기체의 하부취입이 가능하도록 구성된 반응기에 장입한 후, 불활성기체의 흐름하에서 소정의 승온 속도로 승온하여 다음 표 1과 같은 열처리 온도에 도달한 직후부터 다음 표 1과 같은 조건으로 기체를 하부취입하며 열처리를 실시하여 개질피치를 제조하였다. 이때 사용한 원료피치와 제조된 각각의 개질피치에 대한 특성을 평가하고 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

	열처리조건(℃-hr-혼합율)	휘발분(중량%)	고정탄소(중량%)	회분(중량%)	연화점(℃)	C/H 원자비(중량%)	QI 함량(중량%)
실시예 1	250-2-50%	54.36	45.20	0.09	140	1.84	20.20
실시예 2	270-2-30%	51.00	48.91	0.09	168	1.89	28.67
실시예 3	290-2-20%	46.45	53.46	0.09	189	1.98	30.51
실시예 4	350-1-10%	43.60	56.31	0.09	193	2.11	33.88
비교예 1	200-5-50%	65.92	34.00	0.08	109	1.27	5.35
비교예 2	230-5-50%	63.53	36.37	0.10	116	1.58	12.78
비교예 3	380-1-10%	24.57	75.32	0.11	287	2.31	33.08
비교예 4	400-1-10%	21.33	78.55	0.12	315	2.45	43.28

※C/H 원자비: 탄소원자수와 수소원자수의 비를 중량비로 나타낸 것으로서,

탄소재료의 중합도 등의 분자구조 및 특성을 판단하는 지표

중 하나로 활용

※QI(Quinoline Insoluble): 피치류의 물성을 평가하는 방법으로 활용

상기 표 1에서 알 수 있듯이 실시예 1∼4는 열처리 온도 250∼350[℃]에서 1∼2 시간 혼합기체를 주입하여 제조된 고형피치로서, 연화점이 140∼193[℃]의 범위를 나타내어 연진 성형체의 제조에 적용되는 열처리(어닐링) 범위에 속하고 있으며, 고정탄소분도 48∼56[중량%]로 연진 성형용 점결제로서 요구되는 탄화잔사율 40%보다 높은 값을 나타내고 있다.

이에 반하여, 비교예 1과 비교예 2는 연화점, C/H 원자비 및 QI 함량 등이 낮아 연진 성형체의 제조시 성형강도가 저하될 가능성이 있으며, 비교예 3과 비교예 4는 연화점이 지나치게 높은 상태를 나타냄으로써 연진 성형용 점결제로서의 사용이 불가능하였다.

다음으로 상기 실시예 1∼4에서 제조된 개질피치를 회전식 분쇄기로 미분쇄를 수행하여 다음 표 2와 같은 여러 가지 평균 입자크기를 갖는 분말상 탄소질 점결제들을 제조하고, 평균 입자크기 50㎛ 이하의 연진과 평균입도가 상이한 분말상탄소질 점결제들을 각각 중량비로 2:8이 되도록 혼합한 다음 일축식 가압성형기를 이용하여 350kg/cm²의 압력으로 성형한 후, 200℃에서 30분간 어닐링하여 연진 성형체들(시편 1∼4)을 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 시편들의 압축강도를 측정하고 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

	분말상 탄소질 점결제 평균입도(㎛)	성형성	압축강도(㎏/㎠)
시편 1	10	양호	200
시편 2	50	양호	150
시편 3	500	양호	120
시편 4	1mm	양호	60

상기 표 2에서 알 수 있듯이 평균 입자크기가 1mm인 분말상 탄소질 점결제를 사용하여 제조된 시편 4의 경우 압축강도가 60kg/cm²로서 매우 낮은 값을 보이고 있으나, 평균 입자크기가 500㎛ 이하인 분말상 탄소질 점결제를 사용하여 제조된 시편 1∼3의 경우 압축강도가 120kg/cm²이상으로 매우 높은 값을 보이고 있다.

아울러, 상기에서 본 발명은 실시예 1∼4로 한정되어 설명되었지만 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러 가지 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

이와 같이 본 발명에 따라 제조된 분말상 탄소질 점결제는 연진 성형체의 제조시 결합재 및 탄소원으로 사용되어 연진 성형체의 제조 원가를 낮추고, 제조 완료된 연진 성형체의 품질을 향상시키며, 설비의 부식을 억제시킬 수 있는 효과가있다.

Claims

불활성가스를 매분 원료피치 1g 당 10cc 이하의 범위로 공급하며 상기 원료피치를 250∼350[℃]의 온도로 열처리하여 연화점이 120∼200[℃]이고, C/H 원자비가 1.8∼2.5[중량%]이고, QI 함량이 20∼35[중량%]이며, 소성후의 잔사율이 50% 이상인 고형피치를 제조하는 단계와;

상기 고형피치를 입자크기가 500㎛ 이하가 되도록 분말상으로 분쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연진 성형용 분말상 탄소질 점결제의 제조방법.