카본블랙 생산 공정의 종류
카본블랙 생산 피드스탁으로는 대부분 천연가스와 방향족 탄화수소의 비중이 높은 중유를 사용한다. 물론 생산공정마다 각기 사용하는 원료는 조금씩 다르다. 이론상 방향족 탄화수소의 비중이 높을수록 카본블랙 수율이 올라하지만, 그럴수록 점도가 강해져서 원료는 3~4개정도 방향족 고리를 가진 원료를 주로 사용한다.
카본블랙 생산 공정은 크게는 Thermal-Oxidative 공정 및 Thermal 공정으로 크게 나뉜다. 이러한 탄화수소들을 산소가 부족한 상태에서 가열하거나 불완전연소 시켜 수소와 탄소의 결합을 끊고, 순수한 탄소 결합물을 만드는 것이 대부분 방식의 공통된 원리이다.
1. Furnace Black
카본블랙 제조 공정은 크게 다섯 종류가 있으나, 전 세계 생산량의 98% 가량이 현재 Furnace Black 방식으로 생산되고 있어 사실상 가장 중요한 방식이다. 이 방식에서는 의도적으로 적은 양의 산소와 함께 열을 가해 원료를 기화시키고, 이후 반응 온도가 떨어지며 주로 탄소로 구성된 고운 입자가 형성된다. 이 과정에서 부산물로 일산화탄소 및 수소가 발생한다. 물 스프레이 및 스팀 등으로 반응 온도를 조절하며, 원치않는 추가적인 화학반응을 예방한다.
이 과정에서 생성되는 부산물 가스는 또 대부분 연소 가능하며, 카본블랙 건조나 에너지원으로 재활용된다. 또한, Furnace Black 과정은 원료 및 공정을 조절하여 다양한 성상의 카본블랙을 제조할 수 있다는 유연함이 장점이다. 대략 10nm ~ 80nm급의 입자를 생산한다.
2. Thermal Black
Thermal Black 공정은 주로 두 개의 Furnace를 번갈아가며 한번은 가열하고, 한쪽은 피드스탁을 주입하는 식으로 사이클이 거치며 카본블랙을 생산한다. Furnace Black 공정 대비 공정이 연속적이지 않다. 또한 반응로가 냉각되며 카본블랙이 형성되며, 상대적으로 입자가 큰 카본블랙 (300nm ~ 500nm) 가 생성된다.
3. Channel Black
Channel Black / Gas Black 공정은 피드스탁을 가열하고, 가열된 피드스탁을 가연성 가스와 함께 이송해 연소시킨다. 연소된 가스는 물통에 의해 냉각되고 이 과정에서 카본블랙이 생성된다. 10nm ~ 30nm급의 미세한 카본블랙 분말을 얻을 수 잇다는 장점이 있으나, 입자 크기를 조절할 수 없다는 단점이 있다.
4. Acetylene Black
또한, 아세틸렌을 열분해하여 카본블랙을 얻는 Acetylene Black 공정이 존재한다. 아세틸렌 블랙의 경우, 다른 카본블랙 생산공정과는 달리 분말 형태로 존재하며 펠렛화가 어렵다. 열전도도 및 전기전도도가 높아 주로 배터리의 도전재 및 정전기 방지 고무, 케이블 제조 등에 활용된다.
5. Lamp Black
그 외에도 가장 오래된 구식의 Lamp Black 공정이 있다. 따로 정리할 필요가 없을 정도로 간단하다.
6. Plasma Black
또한, 최근 Monolith라는 기업에서 개발하는 Plasma Black이라는 공정이 이슈가 되고 있다. Plasma Black 공정은 별도의 이산화탄소 발생 과정 없이 카본블랙을 생산해 주목을 받고 있다 Plasma Black은 천연가스를 피드스탁으로하여, 전기를 이용해 플라스마를 생성, 순간 고온을 만들어 메탄을 열분해한다. 이 과정에서 탄소와 수소가 분리되며 수소가 생산되고, 남는 카본을 카본블랙으로 사용하게 된다.
이렇게 만들어진 카본블랙은 최초 파우더 상태로 존재하며, 이후 운반하거나 사용에 용이한 형태로 가공해 펠렛화 과정을 거친다. 카본블랙 파우더에 사전에 계량한 물을 투여하여 아래와 같은 핀믹서에 투여하면, 핀믹서가 수백 RPM으로 회전하며 카본블랙 입자를 펠렛화한다. 잉크용 카본블랙에는 수분이 아닌 유분을 첨가해 펠렛화하기도 한다.
이후, 아래와 같은 카본블랙 펠렛으로 생산되어 고객들에게 납품되게 된다.
출처:
ICBA
Welcome to ICBA The International Carbon Black Association is a scientific, non-profit corporation originally founded in 1977. Since then, ICBA has sponsored, conducted, and participated in investigations, researches, and analyses relating to the health, s
www.carbon-black.org
Our Wiki: Everything about Carbon Black - PentaCarbon GmbH
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