KR100383102B1

KR100383102B1 - 탄화규소-수계 슬립 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100383102B1
Application number: KR10-2000-0080374A
Authority: KR
Inventors: 김영우; 박병학
Original assignee: 주식회사 포스코; (주)세라코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2003-05-12
Also published as: KR20020051046A

Abstract

본 발명은 주입성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소결조제가 첨가된 탄화규소 분말에 분산매로 물을 혼합한 후 분산제를 첨가하고 슬립의 pH를 조절함에 의하여 분산성과 성형성이 우수한 주입 성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

탄화규소-수계 슬립 및 그 제조방법{SLIP OF SILICON CARBIDE-WATER SYSTEM AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 주입성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조방법에 관한 것으로로, 보다 상세하게는, 본 발명은 소결 조제가 첨가된 탄화규소 분말에 분산매로 물을 혼합한 후 분산제를 첨가하고 슬립의 pH를 조절함에 의하여 분산성과 성형성이 우수한 주입 성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄화규소 세라믹은 그 제조방법과 소결 조제에 의하여 반응소결, 상압소결, 가압소결, 재결정화 및 액상 소결 탄화규소 등으로 구분되고 있다. 가압소결 탄화규소는 기계적 물성은 우수하나, 그 제조방법의 한계로 인하여 복잡한 형상의 제품은 제조할 수 없으며, 반응소결 및 상압소결 탄화규소는 기계적 물성이 우수하지 못하다는 단점이 있다. 이러한 이유로 최근에 가압소결 및 상압 소결에 비하여 낮은 2000 ℃ 이하의 온도에서 치밀한 소결체의 제조가 가능하고 강도와 인성이 우수한 액상소결 탄화규소에 관한 보고가 되고 있다.

액상소결 탄화규소는 최초로 M. Omori 등 ("실리콘 카바이드 복합물 소결체 및 그의 제조 (Composite Silicon Carbide Sintered Shapes and Its Manufactures)", 미국 특허 제 4,502,983 호, 1985. 3. 5)이 탄화규소에 각종 희토류 화합물을 소결조제로 첨가한 이후, 알루미나 ("알루미늄 옥사이드를 첨가한 실리콘 카바이드의 무가압 소결 (Pressureless Sintering of Silicon Carbide with Addition of Aluminum Oxide)", Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., 36(1), 1986, 25-36), 알루미나-이트리아 ("SiC-Al₂O₃-Y₂O₃무가압 소결체의 제조 (Preparation of Pressureless-Sintered SiC-Al₂O₃-Y₂O₃)", J. Mat. Sci., 23(1988) 3744-49) 및 Al-Si-O 및 Ln-Si-O 화합물 ("탄화규소 세라믹스 및 그의 제조방법", 일본 특개평 9-67165, 1987, 3) 및 MgAl₂O₄또는 이트리아 등 ("탄화규소 소결체의 제조방법", 일본 특개평 9-227233, 1997, 9)을 첨가하여 탄화규소 소결체를 제조한 다수의 보고가 있다.

이와 같이 액상소결 탄화규소의 제조에 있어 주로 소결 조제에 관한 다수의 문헌 및 특허는 있으나, 복잡하고 다양한 형상의 제조가 가능한 주입성형용 조성물에 관한 보고는 지금까지 없었다.

따라서, 우수한 분산성 및 성형성을 갖는 주입성형용 탄화규소-수계 슬립을 제조하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명자들은 탄화규소 분말에 분산매로 첨가되는 물의 양을 변화시켜 슬립을 제조하고 이렇게 제조된 슬립에 분산제를 첨가하고 슬립의 pH를 조절함에 의하여 최적의 분산성과 성형성을 갖는 탄화규소-수계 슬립을 제조할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 우수한 분산성 및 성형성을 갖는 주입성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

a) 탄화규소 분말에 소결 조제를 혼합하는 단계;

b) 상기 탄화규소 분말 55 내지 65 중량%에 분산매로서 물 35 내지 45 중량%을 혼합하여 슬립을 제조하는 단계;

c) 상기 슬립에 분산제를 상기 탄화규소 분말과 물의 슬립 100 중량부에 대하여 0.3 내지 0.7 중량부의 양으로 첨가하는 단계; 및

c) 상기 슬립의 pH를 8.3 내지 9.5로 조절하는 단계

를 포함하는 분산성 및 성형성이 우수한 주입 성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기 a) 단계에서는, 소결조제로서 알루미나 및 이트리아를 사용하며, 탄화규소 분말 93 중량%에 알루미나 3.5 중량% 및 이트리아 3.5 중량%를 혼합하는 것이 바람직다.

상기 b) 단계에서는, 상기 a) 단계에서 제조된 소결조제가 혼합된 탄화규소 분말 55 내지 65 중량%에 분산매로서 물을 35 내지 45 중량% 혼합한다.

분산매로서 첨가되는 물의 첨가량이 45 중량%를 초과하면 물에 대한 분말의 양이 적어서 슬립의 분산성은 우수하나, 슬립을 석고 몰드에 부어 형성되는 성형체가 물을 많이 함유하여 제품의 핸들링이 어렵고 건조 중 성형체가 변형을 일으키기 쉬운 단점이 있다. 또한, 물의 양이 35 중량% 미만이 되면 분말이 물에 거의 섞이지 않고 분산제의 첨가 및 슬립의 pH를 조절하여도 얻어지는 슬립의 점도가 매우 높아 주입성형에 적합하지 않다.

c) 단계에서, 상기 분말과 물의 슬립에 분산제를 첨가한다. 분산제로서는 폴리암모늄 메타크릴레이트계를 사용하며, 상기 탄화규소 분말과 물의 슬립 100 중량부에 대하여 0.3 내지 0.7 중량부의 분산제를 첨가하는 것이 바람직하다.

탄화규소 분말과 물로 제조된 슬립에 0.3 중량부 미만의 분산제를 첨가하면 슬립의 점도가 높아 주입성형에 부적합하며, 0.7 중량부를 초과하는 분산제를 첨가하면 오히려 물 속에 잘 분산되었던 입자의 응교를 일으켜 슬립의 점도를 증가시키는 경향이 있어 이 이상의 분산제의 첨가는 적합하지 않다.

예컨대, 분말 65 중량%에 물 35 중량%를 첨가할 경우 분말이 물에 전혀 섞이지 않으며, 여기에 0.2 중량%의 분산제를 첨가하여도 슬립의 점도는 매우 높아 주입성형에 부적합하다. 그러나, 분말 55 내지 60 중량%에 물 40 내지 45 중량%를 첨가할 경우 분산제의 첨가 없이도 분말은 물에 잘 혼합되나, 분산제를 첨가하고 슬립의 pH를 조절하여야 슬립을 안정하게 분산시켜 주입성형용 슬립으로 적합하게 된다.

상기 단계 d)에서는 c)의 슬립의 pH를 8.3 내지 9.5 로 조절한다.

슬립의 pH가 8.3 미만인 경우 그 입자의 제타 포텐셜(zeta potential)의 값이 낮아 완전한 분산을 나타내지 않아 시간의 경과에 따른 슬립의 안정성이 부족하며, pH가 9.5를 초과하면 석고 면이 손상되고 탈형이 어렵게 되어 적합하지 않다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 분산성 및 성형성이 우수한 주입성형용 탄화규소-수계 슬립을 제공한다.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1 내지 3 및 비교예 1]

93 중량%의 탄화규소 분말에 소결 조제로 알루미나 3.5 중량% 및 이트리아 3.5 중량%를 혼합하였다. 이 혼합 분말 55 내지 70 중량%에 분산매로 물을 30 내지 45 중량%를 혼합하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 0.3 중량부의 분산제를 첨가하고 24 시간 볼 밀(ball mill)하여 슬립을 제조하였다. 이렇게 제조된 슬립의 pH와 브룩필드(Brookfield) 점도계의 스핀들 No. 2를 사용하여 100 rpm으로 점도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

	분말(중량%)	물(중량%)	분산제(중량부)	슬립의 pH	슬립 점도(cP)
비교예 1	70	30	0.3	8.31	343.2
실시예 1	65	35	0.3	8.36	56.4
실시예 2	60	40	0.3	8.38	22.8
실시예 3	55	45	0.3	8.30	45.8

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 분말 55-65 중량%가 첨가된 슬립은 pH를 조절하지 않아도 슬립의 pH가 8.30 이상이었으며 슬립도 매우 균일하게 분산되어 주입성형용에 적합하였다.

반면, 분말이 70 중량% 첨가된 슬립은 30 중량%의 물을 첨가하여도 분말이 물에 혼합되지 않아 분산제를 첨가하여야만 분말이 물에 섞였으며, 얻어진 슬립의 점도도 매우 높았으며 시간의 경과에 따라 슬립의 점도도 매우 높아지는 경향을 나타내었다.

[실시예 4 내지 6 및 비교예 2 내지 4]

93 중량%의 탄화규소 분말에 소결 조제로 알루미나 3.5 중량% 및 이트리아 3.5 중량%를 혼합하였다. 이 혼합 분말 55 내지 65 중량%에 분산매로 물을 35 내지 45 중량%를 혼합하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 0.2 내지 1.0 중량부의 분산제를 첨가하고 24 시간 볼 밀(ball mill)하여 슬립을 제조하였다. 이렇게 제조된 슬립의 pH와 브룩필드(Brookfield) 점도계의 스핀들 No. 2를 사용하여 100 rpm으로 점도를 측정하여 표 2에 나타내었다.

	분말(중량%	물(중량%)	분산제(중량부)	슬립의 pH	슬립 점도(cP)
비교예 2	55	45	0.2	8.20	152.0
비교예 3	65	35	0.2	8.27	412.8
비교예 4	65	35	1.0	8.75	225.0
실시예 4	55	45	0.5	8.52	25.2
실시예 5	65	35	0.5	8.58	52.5
실시예 6	65	35	0.7	8.71	80.1

표 2의 결과로부터, 분말 55 중량%에 분산제가 0.2 중량부 첨가된 슬립의 점도는 152.0 cP로 낮으나, 그 pH는 8.20으로 입자가 최적의 분산을 나타내는 pH의 범위는 아님을 알 수 있다. 그리고 분말 65 중량%에 분산제가 0.2 중량부 첨가된 슬립의 점도는 412.8 cP로 높았으며, 분산제의 첨가량이 1.0 중량%로 증가함에 따라 슬립의 점도는 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 분산제가 어느 한계 이상으로 첨가되면 다시 입자 응교 현상을 일으키기 때문이다.

반면, 표 1의 분말 55 내지 65 중량%에 분산제가 0.3 중량부 첨가된 슬립 및 표 2의 분말 55 내지 65 중량%에 분산제가 0.5-0.7 중량부 첨가된 슬립의 pH는 8.30 이상으로 매우 잘 분산되어 있으며 그 점도도 주입성형에 적합한 값을 나타내었다.

[실시예 7 내지 11 및 비교예 5 내지 9]

93 중량%의 탄화규소 분말에 소결 조제로 알루미나 3.5 중량% 및 이트리아 3.5 중량%를 혼합하였다. 이 혼합 분말 60 내지 65 중량%에 분산매로 물을 35 내지 40 중량%를 혼합하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 0.5 및 0.3 중량부의 분산제를 첨가하고 24 시간 볼 밀(ball mill)하여 슬립을 제조하였다. 이렇게 제조된 슬립 0.01 g을 증류수 500 ml에 희석시켜 마번(MARVERN) 사의 제타사이저(ZETASIZER) (모델 ZET 5004) 에 의하여 분말의 제타 포텐셜(zeta potential)을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.

	분말(중량)	물(중량%)	분산제(중량부)	슬립의 pH	제타 포텐셜(mV)
비교예 5	60	40	0.5	2.99	17.70
비교예 6	60	40	0.5	6.00	-7.36
비교예 7	60	40	0.5	7.99	-21.80
실시예 7	60	40	0.5	9.01	-25.70
실시예 8	60	40	0.5	10.01	-28.50
비교예 8	65	35	0.3	2.99	19.30
비교예 9	65	35	0.3	6.92	-26.60
실시예 9	65	35	0.3	8.34	-31.30
실시예 10	65	35	0.3	9.00	-33.40
실시예 11	65	35	0.3	10.02	-34.90

일반적으로 분산매 중에서 세라믹 분말의 안정성은 입자의 제타 포텐셜(zeta potential)의 값으로 판단하게 되는데, 그 절대값이 큰 범위의 pH에서 입자가 최적의 분산성을 나타내는 것으로 알려져 있다.

표 3으로부터, 분말에 물 및 분산제가 첨가된 슬립은 분말의 중량 및 분산제의 첨가량에 의존하지 않고 슬립의 pH가 8.3 내지 9.5 범위에서 최대의 제타 포텐셜(zeta potential) 값을 나타내므로 이 범위의 pH에서 입자가 가장 잘 분산됨을 알 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 알루미나와 이트리아가 혼합된 소정 중량%의 탄화규소 분말에 분산매로 물을 첨가하고 적당한 양의 분산제를 첨가하고 슬립의 pH를 조절함에 의하여, 분산성 및 성형성이 우수한 주입 성형에 적합한 탄화규소-수계 슬립을 제조할 수 있다.

Claims

(정정) a) 탄화규소 분말에 소결 조제로서 알루미나 및 이트리아를 혼합하는 단계;

b) 상기 소결 조제가 혼합된 탄화규소 분말 55 내지 65 중량%에 분산매로서 물 35 내지 45 중량%을 혼합하여 슬립을 제조하는 단계;

c) 상기 슬립에 분산제를 상기 탄화규소 분말과 물의 슬립 100 중량부에 대하여 0.3 내지 0.7 중량부의 양으로 첨가하는 단계; 및

d) 상기 슬립의 pH를 8.3 내지 9.5로 조절하는 단계;

를 포함하는 분산성 및 성형성이 우수한 주입 성형용 탄화규소-수계 슬립의 제조방법.
(정정) 제 1항에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 분산제가 폴리암모늄 메타크릴레이트계인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항의 방법에 따라 제조된 분산성 및 성형성이 우수한 주입 성형용 탄화규소-수계 슬립.