KR101856991B1 - 에어로졸 공정 및 열처리에 의한 봉상형 6티탄산칼륨 분말 제조방법 및 이에 따라 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말 - Google Patents

에어로졸 공정 및 열처리에 의한 봉상형 6티탄산칼륨 분말 제조방법 및 이에 따라 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하는 단계(제1단계); 상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하는 단계(제2단계); 및 상기 포집된 분말을 후열처리하여 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제조하는 단계(제3단계)를 포함하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법에 관한 것이다.
따라서 또한 결정구조를 조절하여 종횡비가 3 내지 8인 봉상형 6티탄산칼륨을 제조할 수 있다.

Description

에어로졸 공정 및 열처리에 의한 봉상형 6티탄산칼륨 분말 제조방법 및 이에 따라 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말{Manufacturing method of rod-like potassium hexatitanate powder by aerosol process and heat-treatment, and rod-like potassium hexatitanate powder manufactured thereby}
본 발명은 에어로졸 공정 및 열처리를 이용한 봉상형 6티탄산칼륨 분말의 제조방법 및 이에 따라 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말에 관한 것이다.
티탄산칼륨은 화학식으로 K2OㆍnTiO2 (n = 1, 2, 4, 6, 8)로 표시되는 일련의 화합물로 총칭으로서, 1958년 미국 듀퐁사에 의해 상용화되었고 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)이 생산되어 주로 플라스틱의 보강재나 단열재료용으로 사용되었다.
층상 결정구조를 가지는 2티탄산칼륨(K2Ti2O5)과 4티탄산칼륨(K2Ti4O9)에 비해 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)은 TiO6 팔면체가 칼륨이온을 감싼 터널형 결정구조를 지니고 있어 화학적으로 매우 안정적이고 내산성, 내알칼리성이 우수하다.
또한 6티탄산칼륨은 1000 ℃ 이상의 내열성과 단열성이 뛰어나고 기계적 강도가 높아 내마모성이 우수하다.
이러한 6티탄산칼륨의 우수한 화학적 안정성, 열안정성, 내마모성 등으로 인해 각종 금속, 플라스틱, 세라믹용 보강재, 단열재, 마찰재 등으로 응용되고 있다.
종래 일본공개특허 제1997-087929호(1997.03.31 공개)에서 고치밀질 티탄화합물 다결정 섬유의 제조방법에서는 6 티탄산칼륨은 2 티탄산칼륨 섬유에서 칼륨을 용출한 후 결정 구조 변환을 위한 열처리를 거치며, 칼륨 용출량을 제어하면 6 티탄산칼륨을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한 티탄산칼륨 제조 방법에서는 원료 혼합, 성형, 고온 하소, 세정, 건조 등의 복잡한 처리공정을 거쳐 생산된다. 예를 들어, 오츠카화학(주)의 대한민국 특허 10-0732278호에 의하면, 원료혼합, 압제, 1차 하소(1050, 1시간), 분쇄, 세정, 건조, 2차 하소(600, 12시간) 공정을 개시하고 있다. 동해케미칼공업(주)의 대한민국 특허 10-1058376호에 의하면, 원료혼합, 성형, 하소, 파쇄 공정을 개시하고 있다. (재)한국건자재시험연구원 및 동해케미컬공업(주)의 대한민국 특허 10-1284648호에 의하면, 원료혼합, 2단계 하소, 파쇄 공정을 개시하고 있다.
이러한 하소법 기반 종래 기술은 공정 자체가 복잡하고 생산주기도 길며 또한 합성과정 중에 대량의 조용제인 KCl과 강염기성 수산화마그네슘을 사용하였기에 고온조건에서는 설비의 부식을 초래하게 된다.
따라서 공정이 보다 단순하고 경제적인 티탄산칼륨 제조 공정이 요구된다.
일본공개특허 제1997-087929호(1997.03.31 공개) 대한민국 특허 10-0732278호 (2007.06.25 공고) 대한민국 특허 10-1058376호 (2011.08.22 공고) 대한민국 특허 10-1284648호 (2013.07.10 공고)
따라서, 본 발명은 에어로졸 장치를 사용하여 탄산칼륨(K2CO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 현탁액 원료를 액적으로 분무하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조한 후 후열처리를 통해 봉상형(rod-like) 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)을 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말에 관한 것으로, 보다 상세하게는 KCl, 수산화마그네슘 등과 같은 조용제를 사용하지 않으므로 설비부식에 대한 문제 및 제조비용을 낮출 수 있고, 또한 성형, 세정, 건조, 파쇄 등의 추가 공정이 필요 없어 제조 공정이 간단해짐으로써 경제성이 개선된 에어로졸 공정 및 후열처리를 통한 봉상형 6티탄산칼륨 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 봉상형 6티탄산칼륨 분말에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하는 단계(제1단계); 상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하는 단계(제2단계); 및 상기 포집된 혼합 분말을 후열처리하여 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제조하는 단계(제3단계)를 포함하는 봉상형 6티탄산칼륨 분말 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제1단계에서, 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 1 : 6의 몰비율로 증류수에 혼합하여 혼합 현탁액을 제조할 수 있다.
또한 상기 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말의 혼합 현탁액의 농도는 0.1 wt% 내지 20 wt%일 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 에어로졸 장치는 분무장치, 반응기, 분말 포집기로 구성될 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 150 내지 450 ℃의 열풍을 발생시킬 수 있다.
또한 상기 후열처리 단계는 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 고상화학반응 및 결정성장을 수행할 수 있다.
또한 상기 후열처리 단계는 900 내지 1,000 ℃에서 수행될 수 있다.
또한 상기 후열처리 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
또한 상기 6티탄산칼륨 분말은 종횡비가 3 내지 8일 수 있다.
또한 상기 6티탄산칼륨 분말은 비표면적인 2.8 내지 6.2 m2/g일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하고, 상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하여, 상기 포집된 분말을 후열처리하여 제조된 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래의 가열방법으로 제조가 용이하지 않은 6티탄산칼륨을 에어로졸 장치와 후열처리과정을 통하여 매우 효율적으로 생산할 수 있다.
또한 원료 시작물질을 혼합한 이후에 열풍건조기 내에서 분무하고 분말을 회수하는 공정으로 6티탄산칼륨의 제조 공정을 단순화할 수 있다.
또한 결정구조를 조절하여 종횡비가 3 내지 8인 봉상형 6티탄산칼륨을 제조할 수 있다.
또한 후열처리 단계에서 불순물로 존재할 수 있는 2, 4, 8티탄산칼륨 생성을 억제하여 매우 효율적으로 고순도의 6티탄산칼륨 분말을 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법의 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법 대략적인 단계를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 X-선 회절분석(XRD) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 열중량분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 이후의 6티탄산칼륨 분말의 전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 900 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 950 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 1,000 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법은 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하는 단계(제1단계); 상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하는 단계(제2단계); 및 상기 포집된 혼합 분말을 후열처리하여 봉상형 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제조하는 단계(제3단계)를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법의 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법 대략적인 단계를 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법은 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조한다(S100).
상기 혼합 현택액을 제조하는 것은 이후에 분무하여 원료액적을 형성하기 위한 것이다.
상기 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 1 : 6의 몰비율로 증류수에 혼합할 수 있다.
상기 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 혼합한 혼합 현탁액을 제조한다.
상기 혼합 현탁액은 상기 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 0.1 wt% 내지 20 wt% 범위의 농도로 함유한다.
상기 몰 비율의 범위를 벗어나는 경우에는 최종 제조되는 티탄산칼륨 분말 중 2티탄산칼륨 및 4티탄산칼륨이 혼재할 수 있다.
상기 혼합 현탁액의 농도범위에 미치지 못하는 경우 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 시간당 회수량이 적어서 불필요한 에너지가 소모될 우려가 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 미세한 크기의 원료액적으로 분무하기 어렵다.
상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하는 한다(S200).
상기 분무 및 분말 회수는 에어로졸 장치를 통하여 수행된다.
상기 에어로졸 장치는 분무장치, 반응기 및 분말포집기로 이루러진다.
상기 분무장치는 원료 현탁액 또는 원료 용액을 미세한 크기의 액적으로 분무시켜 반응기 내부로 도입시키거나, 반응기 내부에서 분무시키는 장치이다.
구체적으로 이류체 노즐, 초음파 분무기 또는 회전식 분무기 등이 사용될 수 있고, 상기 분무기 중 하나 혹은 둘 이상의 조합으로 구성된 장치가 원료 현탁액 또는 원료 용액을 미세한 크기의 액적으로 분무시킬 수 있다.
상기 반응기는 분무된 원료 액적의 용매를 건조시킴과 동시에 화학반응을 통해 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합분말을 제조하는 장치이다.
구체적으로 열풍 건조기, 전기로, 마이크로웨이브 반응기, 화염 반응기, 또는 플라즈마 반응기 등이 사용될 수 있고 상기 반응기 중 하나 혹은 둘 이상의 조합으로 구성된 장치가 탄산수소칼륨-이산화타이타늄을 제조할 수 있다.
상기 분말포집기는 제조된 분말을 포집하여 회수하는 장치로서 필터, 사이클론, 또는 전기집진기 등이 사용될 수 있고, 상기 분말 포집기 중 하나 혹은 둘 이상의 조합으로 구성된 장치가 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말을 포집 및 회수할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 각각 이류체 노즐, 열풍 건조기, 및 사이클론으로 구성된 에어로졸 장치를 통하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조할 수 있다.
상기 열풍 건조기에서 열풍은 열풍 건조기 내부에서 발생시키거나 열풍 건조기 외부에서 발생시켜 열풍 건조기 내부로 도입시킬 수 있다.
상기 열풍은 150 내지 450 ℃일 수 있다.
상기 온도 범위에서 용매를 증발시킬 수 있다.
상기 온도 범위에 미치지 못하는 경우 용매를 증발시키기 어려우며, 상기 범위를 초과하는 경우 분말 상변화를 초래하고 불필요한 에너지가 소모될 우려가 있다.
따라서 상기 혼합 현탁액을 열풍 내에서 분무하여 원료 액적의 용매를 증발시킴과 동시에 화학반응을 시키고 분말을 회수하는 경우 상기 분말은 에어로졸 상태로 반응하여 구형의 다공성 분말로 형성되며 탄산수소칼륨과 이산화타이타늄이 균일하게 혼합되어 있다.
상기 분말을 에어로졸 장치 후단에 설치된 분말 포집기를 이용하여 포집하고 회수한다.
상기 분말포집기를 이용하여 열풍 건조기에 의해서 형성된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말을 회수할 수 있다.
상기 분말포집기는 구체적으로 사이클론(cyclone) 및 필터(filter)를 구비한다.
상기 사이클론은 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 평균직경을 가지는 분말의 포집이 가능하며, 특히 상기 사이클론과 필터를 혼용함으로써 1 ~ 20 ㎛의 분말을 포집하여 열풍 내에서 용매 증발 및 화학반응 후에 생성되는 반응물인 분말을 모두 회수할 수 있다.
상기 포집된 분말을 후열처리하여 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제조한다(S300).
상기 후열처리하는 단계에서는 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 고상화학반응 및 결정성장을 수행하여 봉상형 6티탄산칼륨을 제조하는 단계이다.
상기 후열처리를 통하여 다공성 분말인 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 고상화학반응을 일으키고 결정을 성장시킬 수 있다.
상기 후열처리 단계에서 열처리 온도 및 반응시간을 결정하여 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 분말의 고상반응을 통하여 봉상형 6티탄산칼륨을 형성할 수 있다.
상기 후열처리 단계는 900 내지 1,000 ℃에서 수행될 수 있다.
상기 후열처리 단계는 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다.
상기 온도 및 시간 조건에 따른 후열처리 단계를 통하여 봉상형 6티탄산칼륨을 형성할 수 있다.
상기 후열처리를 통하여 제조된 6티탄산칼륨 분말은 종횡비가 3 내지 8이며, 비표면적인 2.8 내지 6.2 m2/g이다.
따라서 다공성의 봉상형 6티탄산칼륨을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 봉상형 6티탄산칼륨 제조
에어로졸 장치를 사용하여 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 후열처리를 통하여 봉상형 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)을 제조하였다.
에어로졸 장치는 분무장치, 열풍 건조기, 분말포집기로 구성하였다.
분무장치는 원료 현탁액 혹은 원료 용액을 미세한 크기의 액적으로 분무시키는 장치로서 초음파 분무기, 이류체 노즐, 회전식 분무기 등이 사용될 수 있는 데 본 실시예에서 이류체 노즐을 사용하였다.
분무된 원료 액적을 건조 및 화학반응 시키는 장치로서 열풍 건조기를 사용하였다.
분말포집기는 제조된 혼합 분말을 포집 및 회수하는 장치로서 사이클론, 전기집진기, 필터 등이 사용될 수 있는 데, 본 실시예에서 사이클론과 필터를 혼용하여 사용하였다.
에어로졸 장치를 이용하여 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말을 제조하기 위해 먼저 K2CO3(95%) 분말과 TiO2(98%) 분말을 1 : 6의 몰 비율로 증류수에 혼합하고 분산시켜 0.5 wt% 혼합 현탁액을 준비하였다.
이후 이류체 노즐을 이용하여 준비된 혼합 현탁액을 열풍 건조기 내에서 미세한 크기의 액적으로 분무시켰다.
이 때 분무된 원료 액적의 용매(증류수)가 열풍에 의해 증발됨과 동시에 화학반응을 시킴에 따라 KHCO3와 TiO2가 균일하게 혼합된 마이크론 크기의 분말을 제조하고 사이클론과 필터를 통하여 이를 회수하였다.
열풍 건조기에 공급되는 열풍(공기)의 온도는 200 ℃, 이류체 노즐에 공급된 혼합 현탁액의 유량은 5 ml/min, 분무용 가스(Ar)의 유량은 8 L/min으로 주입되었다.
에어로졸 장치에 의해 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말을 공기 분위기의 전기로에서 후열처리를 진행함으로써 봉상형 6티탄산칼륨을 제조하였다.
실험예 1: 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말 분석
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 X-선 회절분석(XRD) 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 에어로졸 장치에 의하여 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말의 형상과 결정상을 확인하기 위하여 전자현미경(FE-SEM) 및 X-선회절(XRD) 분석을 실시하였다.
전자현미경으로 형상을 확인한 결과 모든 분말은 구형의 다공성 분말이 제조된 것으로 확인되었으며, 탄산수소칼륨과 이산화타이타늄 결정상이 혼합되어 있음을 확인하였다.
실험예 2: 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합분말 중량분석
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 에어로졸 장치로 제조된 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 분말의 열중량분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 에어로졸 장치를 이용하여 제조한 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말로부터 6티탄산칼륨 분말을 제조하기 위한 후열처리 조건을 확인하기 위하여 열중량분석(TGA)을 진행하였다.
무게 감소가 두 단계로 나타난 것을 확인할 수 있었다.
첫 번째 무게 감소는 200 ℃ 이하에서 나타났으며, 무게 감소율은 8.0%로 나타났다.
분무건조 후 회수된 분말 내에 존재하는 수분의 증발에 의해 나타난 것으로 판단된다.
두 번째 무게 감소는 500 ~ 600 ℃ 부근에서 시작하여 1000 ℃ 이상까지 나타났으며, 무게 감소율은 10.0% 나타났다.
KHCO3와 TiO2가 서로 반응하여 티탄산칼륨이 제조될 때 이산화탄소(CO2)의 배출에 의해 무게 감소가 나타난 것으로 판단된다. 최종적으로 1000 ℃에서 82.0%의 잔류량을 보였다.
따라서 6티탄산칼륨 제조를 위한 후열처리는 700 ℃ 이상에서 진행해야 할 것으로 판단되었다.
티탄산칼륨의 원료물질인 탄산칼륨과 이산화타이타늄 원료분말의 미반응물질이 존재하지 않을 충분한 온도를 제공하고 티탄산칼륨이 봉상형으로 성장할 수 있는 반응시간을 확인하기 위하여 900 ℃ 이상에서의 반응온도 조건에서 1h, 2h, 3h으로 반응시간을 변화시켜 6티탄산칼륨을 제조하였다.
실험예 3: 6티탄산칼륨 분말 형태분석
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 이후의 6티탄산칼륨 분말의 전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6을 참조하면, 후열처리 과정에서 반응 온도와 반응 시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 형상을 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 진행하였다.
FE-SEM 분석결과 제조된 6티탄산칼륨 분말의 형상은 봉상으로 확인되었다.
반응온도와 반응시간이 증가함에 따라 봉상 형태의 6티탄산칼륨의 길이와 두께가 증가하는 경향성을 나타내었다.
Sample 반응조건 종횡비
온도 (℃) 시간 (h) 평균값 표준편차
1 900 1 3.5 2.0
2 900 2 3.1 2.7
3 900 3 3.9 2.1
4 950 1 4.8 3.0
5 950 2 4.1 2.8
6 950 3 3.7 3.1
7 1000 1 7.8 3.5
8 1000 2 5.6 3.4
9 1000 3 5.1 3.6
상기 표 1은 반응조건에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 분말의 종횡비를 나타낸 것이다.
FE-SEM 사진으로부터 약 100여개 이상의 6티탄산칼륨 분말의 길이와 폭을 측정함으로써 반응 온도와 반응 시간에 따른 봉상 형태의 6티탄산칼륨 분말의 종횡비를 측정하였다.
제조된 티탄산칼륨 분말의 종횡비는 대략 3~8로 확인되었다.
실험예 3: 봉상형 6티탄산칼륨 분말 결정상 분석
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 900 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 950 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 봉상형 6티탄산칼륨의 제조방법에 있어서, 후열처리 온도 1,000 ℃ 조건에서 반응시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 후열처리 과정에서 반응 온도와 반응 시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 결정상과 함량비를 확인하기 위해 XRD 분석을 진행하였다.
XRD 분석결과 모든 조건에서 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 결정상이 확인되었으며, 불순물로 존재할 수 있는 2, 4, 8티탄산칼륨은 검출되지 않았다.
미반응물질로 존재할 수 있는 탄산칼륨(K2CO3) 및 이산화타이타늄(TiO2) 또한 검출되지 않았다.
반응 온도 및 시간에 따른 결정상 및 함량비의 변화는 관찰되지 않았으며 불순물 및 미반응물질이 존재하지 않는 순수한 6티탄산칼륨(K2Ti6O13)이 제조된 것을 확인하였다.
Sample 원료조성 (K2CO3:TiO2) Specific Surface Area (m2/g)
온도 시간
1 900 1 6.2
2 900 2 3.7
3 900 3 3.6
4 950 1 2.8
5 950 2 2.7
6 950 3 2.7
7 1000 1 2.9
8 1000 2 1.6
9 1000 3 1.5
한편 후 열처리 과정에서 반응 온도와 반응 시간에 따른 6티탄산칼륨 분말의 비표면적을 확인하기 위해 BET 분석을 진행하였다.
상기 표 2는 BET 분석 결과를 나타낸 것이다.
표 2를 참조하면, 1000 ℃에서 2h, 3h 반응조건 외 모든 조건에서 6티탄산칼륨 분말의 비표면적이 2.0 m2/g 이상으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법은 에어로졸 장치를 사용하여 탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말을 효율적으로 생산한 이후에 후열처리과정을 통하여 불순물 및 미반응물질의 생성을 억제하고 결정성장을 조절하여 봉상형 6티탄산칼륨을 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 증류수에 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 첨가하고 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하는 단계(제1단계);
    상기 혼합 현탁액을 에어로졸 장치를 사용하여 균일하게 혼합된 탄산수소칼륨(KHCO3)-이산화타이타늄(TiO2) 혼합 분말을 제조하고 포집하는 단계(제2단계); 및
    상기 포집된 분말을 후열처리하여 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말을 제조하는 단계(제3단계)를 포함하되,
    상기 제2단계에서 150 내지 450 ℃의 열풍을 발생시켜, 원료액적을 증발시킴과 동시에 화학반응을 통하여 구형의 다공성 분말을 형성하고, 상기 제3단계에서 후열처리는 900 내지 1,000 ℃에서 1 내지 3시간 동안 수행되어, 불순물생성을 억제하고, 결정구조를 조절하여 6티탄산칼륨(K2Ti6O13) 분말의 종횡비가 3 내지 8인 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계에서,
    상기 탄산칼륨(K2CO3) 분말과 이산화타이타늄(TiO2) 분말을 1 : 6의 몰비율로 증류수에 혼합하여 혼합 현탁액을 제조하는 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 현탁액은
    0.1 내지 20 wt%의 농도인 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서,
    상기 에어로졸 장치는 분무장치, 반응기, 및 분말 포집기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 후열처리 단계는
    탄산수소칼륨-이산화타이타늄 혼합 분말의 고상화학반응 및 결정성장을 수행하는 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨 분말은
    비표면적인 2.8 내지 6.2 m2/g인 것을 특징으로 하는 봉상형 6티탄산칼륨 제조방법.
  11. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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