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KR100836059B1 - 점토를 포함하는 세라믹 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

점토를 포함하는 세라믹 필터 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100836059B1
KR100836059B1 KR1020060029764A KR20060029764A KR100836059B1 KR 100836059 B1 KR100836059 B1 KR 100836059B1 KR 1020060029764 A KR1020060029764 A KR 1020060029764A KR 20060029764 A KR20060029764 A KR 20060029764A KR 100836059 B1 KR100836059 B1 KR 100836059B1
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Abstract

본 발명은 점토를 포함하는 세라믹 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 세라믹 필터에 점토(Clay)를 이용하여 세라믹 필터의 외벽을 형성함으로써 무기바인더 코팅 및 소성 공정 단계를 최적화할 수 있으며, 또한 점토층이 나타내는 단열 효과 및 기계적 강도의 증가로 인하여 효율과 성능이 향상된 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
세라믹 필터, 점토(Clay), 단열, 강도, 외벽

Description

점토를 포함하는 세라믹 필터 및 그 제조 방법{Ceramic filter with an outer wall by comprising Clay and making process of ceramic filter by the same}
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략적인 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 간략한 제조 공정 절차도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 판형 페이퍼
20: 세라믹 파형 페이퍼
본 발명은 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 점토를 이용하여 세라믹 필터에 외벽을 형성함으로써 무기바인더 코팅 및 소성 공정을 최적화할 수 있으며, 점토층이 나타내는 단열 효과 및 기계적 강도의 증가에 의해서 효율과 성능이 향상된 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1970년대 후반부터, 디젤엔진의 매연 분진 입자를 거르기 위한 장치로서 디젤분진필터(Diesel Particulate Filter: 이하 'DPF'라 함)가 제안되어 연구되기 시 작하였다. 그러나, 1980년대까지는 엔진 디자인의 발달과 연료의 개선 등으로 인하여 DPF의 장착 없이도 환경 규제치를 만족시킬 수 있어, DPF에 대한 적극적인 연구는 1980년도 이후에 이르러서야 강화되는 규제기준에 대응하기 위하여 활발히 진행되기 시작하였다. 상기 DPF는 배기 가스에 포함된 입자를 트랩(trap) 하여 제거하고, 이로 인한 압력 강하로 생기는 영향이 엔진에 미치기 전에 입자를 태워 완전히 제거시키는 성능을 가져야 하며, 고온에 대한 저항성과 내구성을 가져야 한다. 상기 DPF의 종류로는 허니컴 모노리스 필터, 세라믹 섬유 필터 및 금속필터로 크게 나눌 수 있다. 이들 중, 상기 허니컴 모노리스 필터는 고온의 열충격에 취약해 수명이 짧다는 단점이 있고, 금속필터는 제조단가가 저렴하고 제작이 용이하다는 장점은 있으나 내열성과 내부식성이 약하다는 단점이 있기 때문에, 최근에는 세라믹 섬유를 이용한 파이버 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 세라믹 섬유 필터는 폼(foam), 사출(extrusion) 및 부직 페이퍼 형태로 제조되는데, 폼과 사출된 형태는 열 충격에 약하고, 사출된 허니컴 형태는 큰 기공율을 갖지 못하기 때문에 가스 투과도가 작다는 단점이 있으며, 부직 페이퍼 형태가 높은 기공율을 가지며 입자 제거 효율이 높은 것으로 알려져 있다.
따라서, 열 충격에 강하면서도 높은 기공율을 가져 가스투과도가 우수한 부직 페이퍼 형태의 새로운 세라믹 필터의 제조가 요구되고 있다.
상기와 같은 종래기술에서의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 건조 및 열처리 후 단단해지는 점토(Clay)의 물성을 이용하여 알루미늄 포스페이트 코팅 후 수분이 흡착되어 강한 열충격에도 필터의 형태가 변형되는 현상을 보완할 수 있으며, 점토에 의한 단열효과 및 기계적 강도가 매우 뛰어난 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 세라믹 필터의 제조방법에 의해 제조된 세라믹 필터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 세라믹 필터를 알루미늄 실리케이트 용액으로 코팅하고 건조시키는 단계;
(b) 상기 건조된 세라믹 페이퍼 필터의 외벽에 점토 조성물을 코팅하고 건조시킨 후 열처리하는 단계; 및
(c) 상기 점토 코팅된 세라믹 페이퍼 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하고 소성시키는 단계
를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기의 방법으로 제조되어 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 세라믹 필터의 외면에, 알루미늄 실리케이트의 1차 코팅층, 점토 코팅층, 및 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층을 포함하며,
상기 점토 코팅층은 물 100 중량부를 기준으로 벤토나이트, 카올린, 납석 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 점토 12 내지 25 중량부, 및 세라믹 파이버 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 것인 고강도 및 고투과도의 세라믹 필터를 제공한다.
이하에서, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 세라믹 필터에 외벽을 제조함으로써 무기바인더 코팅 및 소성 공정 단계를 최적화할 수 있는 부직 페이퍼 형태의 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 세라믹 필터의 제조 공정은 다음의 3단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
1단계는 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 세라믹 페이퍼의 접착으로 이루어진 다공성 세라믹 페이퍼를 상기 세라믹 페이퍼와의 부착력 및 친화력이 우수한 알루미늄 실리케이트 용액으로 1차 코팅함으로써 프라이머층을 형성시키는 공정이다.
2단계는 점토(clay)를 세라믹 페이퍼의 외벽에 페인팅하고 건조시킨 후 열처리하여 필터의 강도 증가 및 단열 효과를 부여하는 공정이다.
3단계는 상기 알루미늄 실리케이트로 이루어진 층과의 부착력이 우수하며 점도가 낮은 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차 코팅을 함으로써 무기 결합제의 전구체를 형성한 다음, 고온에서 열처리를 함으로써 기계적 강도와 기공율이 우수한 최종 세라믹 필터를 완성하는 공정이다.
상기 1단계에서 사용되는 다공성 세라믹 페이퍼는 당업계에 통상적으로 사용되는 제지법에 의해 제조할 수 있다. 상기 제지법에 사용되는 슬러리 용액은 세라믹 파이버, 유기 파이버, 및 소량의 유기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 파이버는 약 1200℃ 이상에서 견딜 수 있는 물질로 이루어져 있고, 알루미나, 알루미나 실리케이트 등의 알루미나 또는 실리카가 최소 하나 이상 포함된 것을 사용한다. 예를 들면, 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미나 실리케이 트, 알루미나 보로실리케이트, 뮬라이트 등과 같은 것을 사용한다. 상기 세라믹 파이버는 1-20 마이크론의 직경을 가지고 있으며, 더 바람직하게는 2-7 마이크론의 직경을 가지며, 길이는 0.1-10mm 영역을 가지는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 파이버의 함량은 슬러리의 총고형분을 기준으로 50-80 중량%이고, 보다 바람직하게는 70-80 중량%로 포함하는 것이 좋다. 상기 세라믹 파이버의 함량이 50 중량% 미만인 때에는 소성 후 강도 및 기공특성에 악영향을 미칠 수 있고, 80 중량%를 초과하게 되면 유기파이버 및 유기바인더의 양이 너무 적어서 파형화 단계에서 인장강도가 떨어질 우려가 있다.
상기 유기파이버는 펄프와 같은 셀룰로오스 파이버, 헴프(hemp)와 같은 천연 파이버, 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미드, 아크릴 파이버와 같은 합성파이버 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 아라미드 파이버의 구체적 예로는 듀퐁사에서 제조된 케블라 파이버가 있다. 상기 유기파이버의 함량은 슬러리 내의 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부로 사용할 수 있다. 상기 유기 파이버의 함량이 5 중량부 미만인 경우에는 세라믹 페이퍼의 인장 강도가 저하되고, 30 중량부를 초과하면 열처리 후에 과량의 알루미나 포스페이트 할로우 파이버의 존재로 인해 강도의 저하를 나타낼 수 있다.
유기 바인더는 아크릴 계통, 폴리비닐알코올, 양성 전분, 에폭시 계통 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 제지 공정 상에서 파이버간의 결합력을 향상시킨다. 유기 바인더의 함량은 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부로 사용한다. 상기 유기바인더의 함량이 0.1 중량부 미만이면 파이버 상호간의 결합이 이루어지지 않고, 20 중량부 보다 큰 경우에는 세라믹 페이퍼의 유동성이 크고 접착성이 나타나 다루기가 원활치 않게 된다. 상기 유기 바인더는 유리 전이 온도가 상온보다 높고 3차원적인 구조를 가지게 하기 위해 유연성을 가지고 있어야 한다.
그 밖에, 상기 슬러리 용액에는 물이 포함될 수 있으며, 상기 슬러리 용액에 사용되는 물의 양은 중요한 것이 아니고 전체 공정을 원활하게 유지하는 정도면 된다. 본 발명은 공정상에서 물을 원활하게 제거하기 위해 제지 장치에 연결된 진공 펌프를 통해 과량의 물을 제거하고 압착기를 통해 잔존하는 과량의 물을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 슬러리 용액은 상기 유기바인더의 세라믹 파이버 또는 유기파이버에 대한 부착성을 향상시키기 위하여, 통상의 pH 조절제를 더 첨가할 수 있다. 상기 pH 조절제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어 알룸(알루미늄 설페이트)을 사용하여, 슬러리 용액의 pH를 5.5-6.5 사이로 유지시킬 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 필터는 상기에서 제조된 세라믹 그린페이퍼를 파형화하는 단계를 거친 후, 파형화된 세라믹 파형 페이퍼와 세라믹 판형 페이퍼를 접착하여 허니컴 형태로 제조하는데, 상기 세라믹 필터를 제조하는 3단계 공정은 허니컴 형태의 세라믹 필터를 제조한 후에 수행하는 것이 바람직하다. 상기 파형화는 당업계에서 통상적으로 사용되는 파형화 기기를 이용하여 수행할 수 있다.
이하, 상기 세라믹 필터의 3단계 공정을 보다 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략적인 사시도를 도시한 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 제조 공정 절차도를 간략히 도시한 것이다.
1단계 공정은 알루미늄 실리케이트 용액에 상기 허니컴 형태의 세라믹 필터를 1차로 코팅한 후 건조하는 과정으로 구성된다. 사용되는 알루미늄 실리케이트 용액은 알코올, 질산알루미늄, 테트라 에틸 오르쏘 실리케이트(Tetra Ethyl Ortho Silicate, 이하 TEOS) 및 염산의 혼합물로 이루어지며, 소량의 붕산이 더욱 첨가될 수 있다. 상기 알루미늄 실리케이트 용액 내의 구성성분의 함량은 TEOS 1몰을 기준으로 알코올 0.2~0.5 몰, 질산알루미늄 0.01~0.02 몰 및 염산 0.1x10-3 ~ 0.2 x10-3 몰을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 알코올의 양이 늘어나면 전체 알루미늄 실리케이트 용액의 농도가 떨어져서 적절한 두께의 코팅층을 형성하기 어렵고, 알코올의 양이 0.2 몰 미만이면 젤 형성 시 코팅액 점도가 너무 높은 문제가 있다. 또한, 질산알루미늄의 양이 0.01몰 미만이면 알루미늄 실리케이트가 형성되기 어렵고, 0.02몰을 초과하게 되면 알코올에 잘 용해되지 않는다. 염산의 양이 0.1x10-3 미만이면 가수분해 반응이 잘 일어나지 않고, 0.2x10-3을 초과하게 되면 가수분해의 속도가 빨라져서 입자형태의 겔 형성이 급속하게 이루어지게 되며 분산도가 떨어지게 되어 기공 폐색현상이 발생할 우려가 있다. 또한, 미량 첨가되는 상기 붕산의 역할은 알루미늄 이온을 부분적으로 치환하여 무기바인더의 결합력을 증가시키고 고온에서의 열적 안정성에 기여한다. 바람직하게 붕산은 TEOS 1몰에 대해 0.01 내지 0.02 몰로 미량 첨가될 수 있다. 또한, 상기 알코올의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 및 프로판올로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있다.
상기의 세라믹 필터는 건조 단계를 거치는데, 건조는 상온 내지 200℃에서 실시하며, 시간에 크게 구애 받지 않으나 공정상의 스케쥴을 감안할 때 150℃에서 1시간이면 충분하다.
2 단계 공정은 상기 알루미늄 실리케이트가 코팅된 허니컴 형태의 세라믹 필터 외벽에 점토를 페인팅에 의해 코팅한 후 건조하고 열처리하는 과정으로 구성된다. 페인팅되는 점토는 건조 과정 및 열처리 과정에서 균열이 생기지 않는 것이 가장 중요한데, 바람직하게는 벤토나이트와 세라믹 파이버가 분산된 물을 포함하는 점토 조성물을 이용하여 외벽을 제조할 때 상기 과정에서의 균열이 생기지 않도록 하는 점도를 얻을 수 있다. 점토의 구성 성분은 물 100 중량부를 기준으로 벤토나이트, 카올린, 납석 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 점토 12~25 중량부와 세라믹 파이버 0.5-2 중량부, 바람직하게는 0.5-1.5 중량부를 첨가하는 것이 바람직하며, 점도는 벤토나이트의 종류에 따라 다소 달라질 수 있다. 점토는 벤토나이트가 가장 바람직하며, 벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주성분으로 하는 광물로서, 벤토나이트의 팽윤성 및 물 흡수시 겔 형성능력은 벤토나이트의 층간에 존재하는 양이온의 종류에 따라 다르게 나타난다. 벤토나이트의 종류는 크게 Ca계 벤토나이트와 Na계 벤토나이트로 구분되며, Na계 벤토나이트가 입자가 미세하고 팽윤성이 높고, 물 흡수시 겔 형성 능력 또한 높다. 따라서 본 공정에서 사용되는 벤토나이트는 몬모릴로나이트의 함량이 높으며, Na계인 벤토나이트를 사용하는 것이 보다 바람직하고, 구체적으로 Ca의 함량이 1% 미만, Na의 함량이 1% 이상인 벤토나이트를 사용하는 것이 페인팅에 적당한 점도의 점토 조성물을 제조하는데 유리하다. 세라믹 파이버의 종류는 크게 제한되지 않으며, 상기 세라믹 그린 필터 제조시 사용되는 것을 사용할 수 있다. 즉, 세라믹 파이버는 고온영역에서 사용되는 필터인 점을 감안하여 1200℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 세라믹 파이버의 길이는 0.1~0.5mm 인 것이 유리하다. 상기에서 세라믹 파이버의 함량이 0.5 중량부 미만일 경우 건조 과정에서 균열이 발생하며, 2.0 중량부 이상일 경우 공정 3단계의 최종 열처리 과정 후에 점토 외벽과 필터의 분리현상이 나타날 수 있다. 물의 종류 역시 크게 제한되지 않으나 벤토나이트의 물성을 변화시키지 않는 증류수를 이용하는 것이 바람직하다.
상기의 세라믹 필터는 건조와 열처리 단계를 거치는데, 건조는 상온 내지 200℃에서 실시하며, 시간에 크게 구애받지 않으나 공정상의 스케쥴을 감안할 때 150℃에서 1시간이면 충분하다. 열처리는 유기물의 연소를 위하여 공기 중에서 400 내지 1000℃에서 실시하는 것이 바람직한데, 2단계 공정 상에서는 점토 외벽 재료가 고형화되는 온도면 충분하므로 최소 온도 400℃로 열처리하는 것이 효율적이다.
3단계 공정은 1, 2 단계 공정을 거쳐 얻어진 세라믹 필터에 알루미늄 포스페이트를 2차로 코팅하고 최종 소성하는 단계로 구성된다. 사용되는 알루미늄 포스 페이트 용액은 질산알루미늄 및 인산을 포함하며, P/Al 원자비는 3-50인 것이 바람직하다. 상기 P/Al의 원자비가 3미만인 때에는 알루미나의 용해도가 매우 작고 알루미늄 포스페이트의 형성이 원활하지 않을 염려가 있으며, 50을 초과하는 경우에는 인산이 과량이기 때문에 알루미나의 농도가 적어 코팅성이 떨어지고 파이버의 표면이 손상되어 강도를 약화시킬 염려가 있다. 상기 알루미늄 포스페이트 용액 중 알루미늄 포스페이트의 중량은 고체 함유량을 기준으로 1-80 중량%인 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 포스페이트의 중량이 1 중량% 미만인 경우에는 필요한 양을 코팅시키기 위해 여러 번의 반복 작업을 거쳐야 하며, 80 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 알루미늄 포스페이트가 기공 사이에 남아, 기공 폐색 현상이 나타날 염려가 있다.
3단계에서 최종 세라믹 필터를 소성하는 단계는 진공, 불활성가스 또는 공기 중에서 800-1100℃에서 소성하는 것이 바람직하다. 상기 소성온도가 800℃ 미만인 때에는 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1100℃를 초과하는 때에는 상기 알루미늄 포스페이트가 변형이 되어 강도의 저하를 가져올 염려가 있다.
상기 1단계 및 3 단계에서 권취형 세라믹 페이퍼를 알루미늄 실리케이트 및 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 함침 또는 분사 등에 이루어질 수 있다. 또한, 2 단계에서 실시되는 점토의 페인팅 방법 역시 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서 상기 공정 1-3 단계를 한번만 수행해도 무방하지만, 강도를 향상시키기 위해서 3단계의 알루미늄 포스페이트 코팅 및 소성하는 단계를 추가로 실시할 수도 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
(실시예 1)
(1) 파형화된 세라믹 페이퍼의 제조
물 2000 ml에 평균 길이 300 ㎛의 알루미나-실리카 파이버 3 g을 넣고 강하게 교반하여 파이버를 분산시켰다. 이후, 유기파이버로서 침엽수 펄프를 상기 세라믹 파이버에 대하여 25 중량%를 투입한 다음, 세라믹 페이퍼의 유연성을 위해 아크릴 바인더를 상기 세라믹 파이버에 대하여 10 중량%를 첨가하고 pH 3의 1% 암모늄 알루미늄 설페이트 수용액을 1 ml 넣어 전체 슬러리 용액의 pH를 약 5.5로 조절하였다. 다음으로, 상기 슬러리 내의 고형분들이 고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤, 제지 장치를 이용하여 직경 9.5 cm, 두께 800 ㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 그 후, 상기에서 제조된 세라믹 그린 페이퍼를 상온에서 30 분간만 자연건조 한 뒤 100 ℃의 건조오븐에서 잔존하는 수분을 건조하였다.
그런 다음, 상기 세라믹 그린 페이퍼를, 골과 피치의 길이가 3mm로 제작된 드럼과 표면 온도 및 페이퍼의 공급 속도가 조절되는 파형화 기기를 이용하여 파형화하여 세라믹 파형 페이퍼를 제조하였다.
(2) 세라믹 판형 페이퍼의 제조
파형화를 하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-(1)과 동일한 방법으로 세라믹 판형 페이퍼를 제조하였다.
(3) 권취형 세라믹 페이퍼 필터의 제조
위 방법으로 제조된 파형화된 세라믹 파형 페이퍼의 하층부에 상기 세라믹 판형 페이퍼를 위치시키고 접촉면에 접착제를 바른 후, 서로 접합시켰다. 이때 사용되는 접착제는 전분가루를 이용하였으며, 고온 열처리 후의 접착력을 증강시키기 위해 실리카 분말을 첨가하였다. 상기와 같이 상층부와 하층부가 접합된 상태에서 달팽이관 모양으로 권취한 다음 100 ℃에서 가열하여 건조시킴으로써, 권취형 세라믹 페이퍼 필터를 제조하였다.
(실시예 2)
점토의 물성 시험 공정
하기 표 1과 같은 Ca와 Na의 함량을 가지는 3종류의 벤토나이트 (Volclay-NF-BC, Cosmetic bentonite, Laundry bentonite)를 사용하여 물과 세라믹 파이버의 함량에 따른 균열 형성 정도를 살펴 보았으며 구체적인 조성은 다음과 같다.
[표 1]
공급업체 Ca , Na, K 함량
VolClay kor. C-bentonite 1.2%, 1.4%, 140ppm
L-bentonite 1.0%, 0.1%, 580ppm
V-bentonite 0.64%, 1.3%, 710ppm
각 벤토나이트의 팽윤성은 조금씩 다르며 물의 양을 조금씩 달리하여 페인팅에 적당한 점도를 택일하였다. 세라믹 파이버는 0.1 내지 0.5 mm의 뮬라이트(mullite) 파이버를 이용하였으며, 함량은 각각 물 100 중량부를 기준으로 0, 0.25 중량부, 0.5 중량부, 1 중량부, 2 중량부, 4 중량부로 달리하였다. 점토에 의해 페인팅된 세라믹 필터는 150 ℃에서 건조하였다.
그 결과, 결과적으로 많은 유기물을 함유하고 있는 laundry bentonite 경우 가 균열이 가장 심했다. cosmetic bentonite와 volcaly-NF-BC의 경우 세라믹 파이버가 0.5 중량부 내지 1.5 중량부 일 때 균열 및 외벽 박리 현상이 없었으나, 팽윤성이 너무 높은 cosmetic bentonite의 경우 점도 조절이 어려운 문제점이 있었으며 건조 후 강도가 volclay-NF-BC보다 낮았다. 물 100 중량부에 세라믹 파이버 0.5 중량부, volclay-NF-BC가 12 내지 25 중량부가 첨가되었을 때 점토는 페인팅에 유리한 점도를 나타내었다. 즉, volclay-NF-BC가 12 중량부 첨가되었을 때는 약간 묽은 정도, 25 중량부가 첨가되었을 때는 페이스트 형태를 나타내며, 페인팅에 유리한 최적 점도는 18 g이 첨가되었을 때 얻어졌다.
(비교예 1)
volclay-NF-BC의 함량이 12g 미만인 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 점토 조성물을 제조하여 물성을 시험하였다. 그 결과, 건조 과정 중에 균열은 형성되지 않지만, 최종 소성 후 점토가 필터로부터 박리 되는 현상이 나타났다.
(비교예 2)
volclay-NF-BC의 함량이 25g을 초과한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 점토 조성물을 제조하여 물성을 시험하였다. 그 결과, 점도가 높아 페인팅이 불리하며 건조과정 및 열처리 과정 중에 균열이 형성되었다.
(실시예 3)
(1) 1공정: 알루미늄 실리케이트 용액(1차 코팅용액)의 코팅공정
상기 실시예 1에서 제조된 권취형 세라믹 페이퍼 필터를 알루미늄 실리케이 트 용액에 30초간 침지한 후 꺼내어 150 ℃에서 건조하였다.
상기 알루미늄 실리케이트 용액은 에탄올 100 ml에 질산알루미늄 40 g과 붕산 0.4 g을 녹인 후, 0.1M 염산 16 ml를 첨가하여 교반하면서, TEOS 100ml를 첨가하여 제조한 것이다.
(2) 2공정: 점토의 코팅공정
상기 1공정에서 제조된 세라믹 필터의 페인팅에는 실시예 2에서 제조된 물 100 중량부에 세라믹 파이버 0.5 중량부 및 volclay-NF-BC가 18 중량부가 첨가된 점토를 이용하였고, 400 ℃의 열처리를 통해 세라믹 필터를 제조하였다. 페인팅 시, 점토의 외벽 두께는 크게 중요하지 않으나 두께가 두꺼워질수록 무게가 증가되고 얇아질수록 강도가 저하되기 때문에 적당한 두께 2mm 정도가 바람직하다.
(3) 3공정: 알루미늄 포스페이트 용액(2차 코팅용액)의 코팅 단계
400 ℃의 열처리를 마친 2공정 이후의 권취된 세라믹 필터를 알루미늄 포스페이트 용액에 30초간 함침하였다. 알루미늄 포스페이트 용액은 증류수 100 ml에 질산알루미늄 75 g과 붕산 5 g을 녹인 후 85% 인산용액 100 ml를 첨가하여 P/Al 원자비가 7.5로 제조하였다. 알루미늄 포스페이트 용액에 함침되었던 세라믹 필터는 특별한 건조 과정이 필요치 않으나, 상기 용액이 너무 많이 묻어있는 상태를 최종 소성하면 상기 용액이 끓어 세라믹 필터 표면이 거칠어지는 현상이 나타난다. 따라서, 대기조건에서 1000 ℃로 소성처리에 의해 열처리하여 권취형 세라믹 필터를 제조하였다.
(실시예 4)
실시예 3의 1공정 단계의 1차 코팅용액에서 질산알루미늄과 붕산의 양을 고정시킨 후 TEOS와 염산의 첨가량을 줄인 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 세라믹 필터를 제조하였다. 즉, 에탄올 100 ml에 질산알루미늄 40 g과 붕산 0.4 g을 녹인 후, 0.1M 염산 1 ml를 첨가하여 교반 하면서, TEOS 50 ml를 첨가하여 제조한 1차 코팅용액을 사용하였다.
(실시예 5)
실시예 3의 3공정 단계의 알루미늄 포스페이트 용액에서 인산의 양을 고정하고 증류수의 양을 늘리고 질산알루미늄의 양을 줄인 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 세라믹 필터를 제조하였다. 즉, 증류수 200 ml에 질산알루미늄 37.5 g과 붕산 3 g을 녹인 후 85% 인산용액 100 ml를 첨가하여 P/Al 원자비가 15인 2차 코팅액을 제조하고, 2공정을 마친 세라믹 필터를 상기 2차 코팅액에 30초간 침지시킨 후 꺼내어 1,000 ℃에서 소성처리하여 권취형 세라믹 필터를 제조하였다.
(비교예 3)
실시예 3의 2공정인 점토 코팅공정을 실시하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하였다.
(비교예 4)
실시예 1의 세라믹 필터 제조시 volclay-NF-BC 30g을 사용하였다. 이렇게 얻어진 필터를 사용하여, 실시예 3의 1공정 및 3공정을 수행하여 세라믹 필터를 제조하였다.
(실험예)
상기 실시예 3-5 및 비교예 3-4의 세라믹 필터에 대해 다음의 방법으로 강도 실험을 하였다. 외벽을 가정한 4x4cm의 실시예와 비교예의 시편을 제조하였다. 만능재료시험기 UTM (Universal Testing Machine)을 이용하여 외벽 시편의 하중강도를 측정한 결과는 다음과 같다.
[표 2]
하중강도(gf) 시편두께(mm)
비교예(기존외벽) 321 0.52
실시예(점토외벽) 760 1.21
그 결과, 실시예 3-5의 점토외벽이 첨가된 필터의 경우 비교예 3-4에 비하여 외벽 자체의 강도가 3배 이상 증가하였으며, 점토의 두께가 증가할수록 강도 또한 증가하였다. 이는 세라믹 필터의 취성을 극복하여 캐닝시에 훨씬 안전한 강도를 유지하게 한다. 또한 필터-점토-알루미나 포스페이트 의 3중 외벽 구조는 점토의 알려진 단열 효과를 충분히 발휘하는 것으로 사료된다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 점토(clay)를 이용하여 세라믹 필터의 외벽을 제조함으로써, 무기바인더 코팅 및 소성 공정을 최적화하여 기존의 많은 열처리 과정을 대폭 감소시켜 공정비용을 감소시킬 수 있으며, 세라믹 필터의 강도 증가와 더불어 점토 외벽의 단열효과로 필터의 작동 효율을 높이는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. (a) 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 세라믹 필터를 알루미늄 실리케이트 용액으로 코팅하고 건조시키는 단계;
    (b) 상기 건조된 세라믹 페이퍼 필터의 외벽에 점토 조성물을 코팅하고 건조시킨 후 열처리하는 단계; 및
    (c) 상기 점토 코팅된 세라믹 페이퍼 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하고 소성시키는 단계
    를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼는 각각 0.1 내지 1mm의 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 포함하는 슬러리 용액으로부터 제조되는 것인 세라믹 필터의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트 및 알루미노 보로 실리케이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세라믹 필터의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 알코올, 질산알루미늄, 테트라 에틸 오르쏘 실리케이트(TEOS), 및 염산의 혼합물인 세라믹 필터의 제조방 법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 테트라 에틸 오르쏘 실리케이트(TEOS) 1몰을 기준으로 알코올 0.2 내지 0.5 몰, 질산알루미늄 0.01 내지 0.02 몰 및 염산 0.1x10-3 내지 0.2x10- 3몰을 포함하는 것인 세라믹 필터의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 붕산을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 점토 조성물은 물 100 중량부를 기준으로 벤토나이트, 카올린, 납석 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 점토 12 내지 25 중량부, 및 세라믹 파이버 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 것인 세라믹 필터의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 질산알루미늄 및 인산을 포함하며, P/Al 원자비가 3-50인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 붕산을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 포스페이트 용액 중 알루미늄 포스페이트의 고형분 함량은 1-80 중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 b)단계의 열처리는 400-1000 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 c)단계의 소성온도는 800-1100 ℃인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  13. 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 세라믹 필터의 외면에, 알루미늄 실리케이트의 1차 코팅층, 점토 코팅층, 및 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층을 포함하며,
    상기 점토 코팅층은 물 100 중량부를 기준으로 벤토나이트, 카올린, 납석 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 점토 12 내지 25 중량부, 및 세라믹 파이버 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 것인 세라믹 필터.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 알루미늄 실리케이트의 1차 코팅층은 파형화된 세라믹 페이퍼 및 판형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 세라믹 필터를알루미늄 실리케이트 용액으로 코팅하고 건조하여 제조되며,
    상기 점토 코팅층은 상기 건조된 세라믹 페이퍼 필터의 외벽에 점토 조성물을 코팅하고 건조시킨 후 열처리하여 제조되며,
    상기 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층은 점토 코팅된 세라믹 페이퍼 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하고 소성시켜 제조되는 것인 세라믹 필터.
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