KR100417682B1 - A composition for molding silica sleeve and a method of preparing silica sleeve therefrom - Google Patents

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KR100417682B1 KR10-1999-0062220A KR19990062220A KR100417682B1 KR 100417682 B1 KR100417682 B1 KR 100417682B1 KR 19990062220 A KR19990062220 A KR 19990062220A KR 100417682 B1 KR100417682 B1 KR 100417682B1
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Abstract

본 발명은 조립의 용융 실리카 분말과 초미립 퓸드 실리카 분말, 분산제로서 염기성 수용액, 폴리에틸렌이민(PEI), pH 저감제, 및 건조 보조제로 포름아미드를 포함하는 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실리카질 슬리브의 제조방법은 조립의 용융 실리카 분말에 초미립 퓸드 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계(water-based) 실리카 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에 염기성 수용액을 첨가하여 슬러리의 pH를 10 이상으로 상승시켜 재분산시키는 단계; 상기 재분산된 슬러리에 폴리에틸렌이민(PEI), pH 저감제 및 건조보조제를 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계; 상기 슬러리를 원하는 형상의 몰The present invention relates to a fused silica powder and ultrafine fumed silica powder of granules, a basic aqueous solution as a dispersant, polyethyleneimine (PEI), a pH reducing agent, and a composition for forming a siliceous sleeve including formamide as a drying aid and silicate therefrom. Provided is a method of making a sleeve. The method for producing a siliceous sleeve of the present invention comprises the steps of dispersing ultrafine fumed silica powder in water in a fused silica powder of granulation to prepare a water-based silica slurry; Adding a basic aqueous solution to the slurry to increase the pH of the slurry to 10 or more and redispersing; Adding polyethyleneimine (PEI), a pH reducing agent, and a drying aid to the redispersed slurry to mix uniformly; Mole of the desired shape

드에 부어 겔화시키는 단계; 및 상기 겔화된 성형체를 건조한 다음, 하소 및 소성하는 단계로 이루어진다.Pouring into gel to gel; And drying the gelled molded body, followed by calcination and firing.

Description

실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법{A COMPOSITION FOR MOLDING SILICA SLEEVE AND A METHOD OF PREPARING SILICA SLEEVE THEREFROM}A composition for forming a siliceous sleeve and a method for producing a siliceous sleeve therefrom {A COMPOSITION FOR MOLDING SILICA SLEEVE AND A METHOD OF PREPARING SILICA SLEEVE THEREFROM}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 강판이송용 허스롤에 사용되는 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리카 슬러리 졸의 제조시 독성이 없는 폴리에틸렌이민(PEI)을 결합제로 사용하고, 건조보조제를 첨가하여 겔의 건조능을 향상시키는 환경친화적이고 경제적인 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a siliceous sleeve for use in a steel roll for transferring steel sheet and a method for producing a siliceous sleeve from the same, and more particularly, to a non-toxic polyethyleneimine (PEI) for preparing a silica slurry sol. The present invention relates to an environment-friendly and economical composition for forming a siliceous sleeve, which is used as a binder and to which a drying aid is added to improve the drying ability of the gel, and a method for producing the siliceous sleeve therefrom.

종래 기술Prior art

규소 강판 스트립의 연속적인 열처리로 갈바나이징(galvanizing) 라인 등에 있어서, 950℃ 이상의 고온에서 허스롤(hearth roll) 표면에 금속철이나 산화철이 부착(build-up)되는 현상이 발생된다. 부착된 금속철이나 산화철은 스트립 표면에 마킹(marking)이나 스크래칭(scratching) 등의 손상이 발생하는 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 950℃ 이상의 고온에서 부착 현상의 발생율이 낮은 고순도의 용융 실리카로 제조된 세라믹 슬리브가 기존의 스틸이나 석면 슬리브를 대신하여 여러 가지 제품의 연속 처리용 허스롤에 사용되고 있다. 용융 실리카질 슬리브로 제조된 세라믹 허스롤은 부착 현상의 발생률이 극히 적을 뿐만 아니라 내열성이 우수하여 1100℃의 고온에서도 사용이 가능하고, 열팽창율이 매우 낮고 열충격에 강하기 때문에 열간에서의 롤의 출입이 가능하며, 열전도율이 낮아 단열효과가 있고, 직경이 크고 길이가 긴 형상의 제품 제조가 가능하며, 산화분위기와 환원분위기의 어느 경우에도 사용 가능하다는 장점을 가지고 있다.Continuous heat treatment of the silicon steel strip causes galvanizing lines and the like to build up metal iron or iron oxide on the hearth roll surface at a high temperature of 950 ° C. or higher. Attached metal iron or iron oxide causes damage such as marking or scratching on the surface of the strip. In order to solve this problem, a ceramic sleeve made of high purity fused silica having a low incidence of adhesion phenomenon at a high temperature of 950 ° C. or higher is used in a hearth roll for continuous processing of various products in place of conventional steel or asbestos sleeve. The ceramic hearth roll made of fused silicate sleeve has a very low incidence of adhesion phenomenon and excellent heat resistance, so it can be used even at a high temperature of 1100 ° C. It is possible to have low thermal conductivity, thermal insulation effect, large diameter, long shape product, and can be used in any of oxidizing and reducing atmospheres.

기존의 세라믹 허스롤용 실리카질 슬리브를 제조하는 방법으로는 용융 실리카 분말을 적정 입도로 배합한 후 물에 분산시켜 슬러리로 만든 다음, 이 슬러리를 석고형 몰드에 주입하여 성형하는 슬립 캐스팅(slip casting) 방법이 있다. 그러나 슬립 캐스팅된 실리카질 슬리브의 경우 기존의 허스롤 슬리브에 비하여 우수한 특성을 가지나, 성형후 소성시 저온 소성에 의하여 저밀도의 미세 구조를 가지기 때문에 저밀도로 인한 내부 기공을 많이 가진다는 단점이 있다.Conventional methods for producing a siliceous sleeve for ceramic hearth rolls include a melt casting powder blended to an appropriate particle size, dispersed in water to form a slurry, and then injected into the gypsum mold to form a slurry. There is this. However, slip-cast silicate sleeves have superior characteristics as compared to the conventional hearth roll sleeves, but have a disadvantage of having a lot of internal pores due to low density because they have a low density microstructure by low temperature firing during firing after molding.

상기 슬립 캐스팅의 단점을 보완하기 위한 방법으로 졸-겔(sol-gel) 프로세스를 이용한 응고법(direct coagulation casting)이 있다. 응고법에 의한 실리카질 슬리브의 제조공정은 ① 실리카 졸의 제조, ② 졸의 겔화, ③ 겔의 건조, 및 ④ 건조겔의 열처리(하소, 소성)에 의하는 것이 일반적이다. 응고법은 산화물 슬러리내의 고상 입자의 표면 전하를 이용하여 상호 반발력에 의하여 분산시킨 후, 산이나 염기를 가하여 산화물 고유의 등전점(isoelectric point) 영역으로 슬러리의 pH를 이동시킴으로써 정전기력에 의한 상호반발력을 제거하여 입자간 반데르발스에 의하여 입자가 서로 강하게 결합하여 고화되는 현상을 응용한 방법이다. 실제로 이러한 응고 현상은 일반적으로 등전점에서 발생하지만, 실리카의 경우에는 등전점 영역인 pH 2-2.5외의 영역 즉 pH 7.5-9.5 사이에서도 동일한 응고 현상이 발생한다.As a method for compensating for the drawbacks of the slip casting, there is a direct coagulation casting using a sol-gel process. The manufacturing process of the siliceous sleeve by the coagulation method is generally based on the production of silica sol, gelation of the sol, drying of the gel, and heat treatment (calcination, firing) of the drying gel. In the coagulation method, the surface charge of the solid particles in the oxide slurry is dispersed by mutual repulsive force, and then, by adding an acid or a base, the pH of the slurry is moved to an intrinsic isoelectric point region of the oxide to remove the mutual repulsive force by the electrostatic force. It is a method of applying the phenomenon that the particles are strongly bonded to each other and solidified by interparticle van der Waals. In fact, such coagulation generally occurs at the isoelectric point, but in the case of silica, the same coagulation occurs in a region other than the pH 2-2.5, i.e., pH 7.5-9.5.

상기 실리카 졸은 상용되고 있는 조립의 용융 실리카 분말과 초미립 퓸드(fumed) 실리카 분말을 물에 첨가하여 혼합하고, 여기에 분산제와 결합제를 첨가한 다음 분산시켜 제조된다. 상기 분산제로는 높은 pH 특성을 나타내는 4급 암모늄 하이드록사이드인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드가 사용되고 있다. 이러한 분산제는 정전기적인 분산을 유도하며 최종적으로 얻어지는 실리카 졸의 pH가 10 이상이 되도록 한다. 상기 결합제로는 폴리에틸옥사졸린, 폴리메틸옥사졸린, 폴리아크릴아미드계의 고분자 등이 사용되고 있다. 이러한 결합제는 그 흡착 특성으로 인하여 겔 내부 입자들의 결합강도를 높여 습윤 겔의 건조시 성형체의 균열을 방지하고 건조겔의 강도를 높이는 역할을 한다. 또한 상기 분산제로는 높은 pH 특성을 나타내는 4급 암모늄 하이드록사이드인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드가 사용되고 있다. 이러한 분산제는 정전기적인 분산을 유도하며 최종적으로 얻어지는 실리카 졸의 pH가 10 이상이 되도록 한다.The silica sol is prepared by adding commercially available granulated fused silica powder and ultra fine fumed silica powder to water, mixing the same, adding a dispersing agent and a binder, and then dispersing it. As the dispersant, tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide, which are quaternary ammonium hydroxides exhibiting high pH characteristics, are used. These dispersants induce electrostatic dispersion and bring the pH of the finally obtained silica sol to at least 10. As the binder, polyethyloxazoline, polymethyloxazoline, polyacrylamide-based polymer and the like are used. Such a binder increases the bonding strength of the particles in the gel due to its adsorption properties, thereby preventing cracks in the molded body when the wet gel is dried, and increasing the strength of the dried gel. As the dispersant, tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide, which are quaternary ammonium hydroxides exhibiting high pH characteristics, are used. These dispersants induce electrostatic dispersion and bring the pH of the finally obtained silica sol to at least 10.

상기 용융 실리카, 분산제 및 결합제를 물에 분산시킨 실리카 졸을 밀봉한 후 24시간 이상 상온에 방치시켜 졸을 안정화시킨다. 상기 안정화된 졸에 에틸 락테이트, 메틸 락테이트, 에틸 포메이트, 메틸 포메이트 등의 수용성 지방족 산 에스테르(water soluble aliphatic ester of an acid)인 pH 저감제를 상기 졸을 겔화하기 위하여 첨가한다. 이와 같이 제조된 졸 상태의 혼합물이 겔화되기 전에 원하는 형태의 성형체를 얻을 수 몰드에 부어 겔화(응고)되도록 한다.After sealing the silica sol in which the fused silica, dispersant and binder are dispersed in water, the sol is stabilized by standing at room temperature for at least 24 hours. To the stabilized sol a pH reducing agent, which is a water soluble aliphatic ester of an acid, such as ethyl lactate, methyl lactate, ethyl formate, methyl formate, is added to gel the sol. Before the sol mixture thus prepared is gelled, a shaped body of the desired form can be obtained and poured into a mold for gelation (coagulation).

겔화가 완결되어 소정의 강도를 지니게 되면, 몰드로부터 제거하여 겔을 분리한 다음 건조시킨다. 건조된 겔을 1차 열처리하여 겔내의 유기물을 제거하고 유기물이 제거된 겔 성형체를 소결하여 실리카질 슬리브를 제조한다.Once gelling is complete and of a certain strength, it is removed from the mold to separate the gel and then dried. The dried gel is first heat treated to remove organic matter in the gel, and the gel molded body from which the organic matter is removed is sintered to prepare a siliceous sleeve.

상기 응고 과정을 통하여, 수십 kg 이상의 대형 실리카질 슬리브를 용이하게 제조할 수 있다. 그러나 상기 결합제로 사용되는 고분자들은 환경오염을 유발시킬 수 있는 것으로 제조공정중 1차 유기물 제거 단계에서 독성이 강한 기체가 발생하는 문제점이 있다. 또한 슬러리의 pH를 고 pH 영역으로 이동시킨 후 다시 응고반응이 일어나는 저 pH 영역으로 이동시킬 때 사용되는 pH 저감제의 가격이 고가인 단점이 있다.Through the solidification process, it is possible to easily produce a large silica siliceous sleeve of several tens of kg or more. However, the polymers used as the binders may cause environmental pollution, so that a strong toxic gas is generated in the first organic material removal step of the manufacturing process. In addition, there is a disadvantage that the price of the pH reducing agent used when the pH of the slurry is moved to a high pH region and then to a low pH region where a coagulation reaction occurs.

본 발명의 목적은 독성이 적으며 실리카의 등전점을 고 pH 영역으로 이동시킬 수 있는 결합제를 사용하여 환경오염을 유발시키지 않을 뿐만 아니라 고가의 pH저감제의 사용 함량을 감소시킬 수 있는 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to form a siliceous sleeve which is less toxic and does not cause environmental pollution by using a binder capable of shifting the isoelectric point of silica to a high pH range, as well as reducing the use amount of expensive pH reducing agents. To provide a composition for and a method for producing a siliceous sleeve therefrom.

본 발명의 다른 목적은 겔의 건조능을 향상시킬 수 있는 건조보조제를 사용함으로써 대형 실리가질 슬리브의 제조시 건조파괴 확률을 크게 낮출 수 있는 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to prepare a composition for forming a siliceous sleeve and a siliceous sleeve therefrom, which can greatly reduce the probability of drying failure in the production of large silicidic sleeve by using a drying aid that can improve the drying ability of the gel. It is to provide a method.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 조립의 용융 실리카 분말과 초미립 퓸드 실리카 분말의 수계 실리카 슬러리, 분산제로서 염기성 수용액, 폴리에틸렌이민(PEI), pH 저감제, 및 건조 보조제로 포름아미드를 포함하는 실리카질 슬리브 성형용 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes an aqueous silica slurry of granulated fused silica powder and ultrafine fumed silica powder, a basic aqueous solution as a dispersant, polyethyleneimine (PEI), a pH reducing agent, and formamide as a drying aid. It provides a composition for forming a siliceous sleeve.

또한 본 발명의 실리카질 슬리브의 제조방법은 조립의 용융 실리카 분말에 초미립 퓸드 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계(water-based) 실리카 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에 염기성 수용액을 첨가하여 재분산시키는 단계; 상기 재분산된 슬러리에 폴리에틸렌이민(PEI), pH 저감제, 및 건조보조제를 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계; 상기 슬러리를 원하는 형상의 몰드에 부어 겔화시키는 단계; 및 상기 겔화된 성형체를 건조한 다음, 하소 및 소성하는 단계로 이루어진다.In addition, the method for producing a siliceous sleeve of the present invention comprises the steps of dispersing the ultrafine fumed silica powder in water in the fused silica powder of granulation to prepare a water-based silica slurry; Redispersing by adding a basic aqueous solution to the slurry; Adding polyethyleneimine (PEI), a pH reducing agent, and a drying aid to the redispersed slurry to mix uniformly; Pouring the slurry into a mold of a desired shape to gelate the slurry; And drying the gelled molded body, followed by calcination and firing.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

수계 실리카 슬러리는 상용의 적정 평균 입자크기를 가지는 용융 실리카 분말과 고순도의 초미립 퓸드 실리카 분말을 적정 비율로 혼합하여 물에 분산시켜 제조된다. 본 발명에서는 분말의 순도가 99.5% 이상인 용융 실리카가 사용되는 것이 바람직하며 99.7%이상의 순도를 가지는 것이 더 바람직하다. 먼저 용융 실리카 분말과 물을 1:2 내지 4:1의 질량비로 혼합한 다음, 평균 입자크기가 1∼40 ㎛ 범위에 있고 입도 분포가 라디안 타입이 되도록 볼밀링하여 용융 실리카 슬러리를 얻는다. 상기 평균 입자크기의 바람직한 범위는 15∼25 ㎛이다. 슬러리에 대하여 산세 및 수세 공정을 행하여 볼 밀링시 도입된 Fe 이온과 최초 용융 실리카 분말에 존재하는 알칼리 금속 원소(Na, K, Ca 등)와 같은 불순물을 제거한다. 산세 공정은 염산 수용액을 이용하는 것이 일반적이고 수세 공정은 상기 염산 이온이 검출되지 않을 때까지 연속적으로 수행된다.Aqueous silica slurry is prepared by mixing a commercially available molten silica powder having a suitable average particle size and a high purity ultrafine fumed silica powder in a suitable ratio and dispersed in water. In the present invention, it is preferable to use fused silica having a purity of 99.5% or more, and more preferably having a purity of 99.7% or more. First, the fused silica powder and water are mixed at a mass ratio of 1: 2 to 4: 1, and then ball milled so that the average particle size is in the range of 1 to 40 μm and the particle size distribution is in the radian type to obtain a fused silica slurry. The preferable range of the said average particle size is 15-25 micrometers. The slurry is pickled and washed to remove impurities such as Fe ions introduced during ball milling and alkali metal elements (Na, K, Ca, etc.) present in the first fused silica powder. The pickling process generally uses an aqueous hydrochloric acid solution and the washing process is continuously performed until the hydrochloric acid ion is not detected.

본 발명에서는 상기 조립의 용융 실리카 입자들만으로는 응고 반응을 유도하기 어려우므로, 초미립 퓸드 실리카 분말을 첨가하여 응고 반응을 유도하고 미세 입자 첨가로 소결성을 향상시킨다. 상기 초미립 퓸드 실리카는 물에서 분산이 용이하고 높은 비표면적을 가짐으로써 표면활성이 우수하다. 본 발명에서는 비표면적이 20∼300 m2/g이고 평균 입자크기가 7∼100 nm 사이에 있는 초미세 분말이 사용 가능하며, 비표면적이 40∼60 m2/g이고 평균 입자크기가 30∼50 nm인 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 초미립 퓸드 실리카로는 독일의 Degussa사에서 시판하고 있는 Aero-sil OX-50이 있다. 초미립 퓸드 실리카 분말을 증류수에 넣고 분산시켜 실리카 졸을 제조한다.In the present invention, since it is difficult to induce a solidification reaction with only the fused silica particles of the granulated particles, ultrafine fumed silica powder is added to induce a solidification reaction and improve sinterability by addition of fine particles. The ultrafine fumed silica is excellent in surface activity because it is easily dispersed in water and has a high specific surface area. In the present invention, an ultrafine powder having a specific surface area of 20 to 300 m 2 / g and an average particle size of 7 to 100 nm can be used, and a specific surface area of 40 to 60 m 2 / g and an average particle size of 30 to 50 nm may be preferably used. One such ultrafine fumed silica is Aero-sil OX-50, available from Degussa, Germany. Ultrafine fumed silica powder is added to distilled water and dispersed to prepare a silica sol.

상기 제조된 실리카 졸에 전단계에서 불순물이 제거된 용융 실리카를 첨가한다. 용융 실리카:초미립 퓸드 실리카는 40:60 내지 95:5의 질량비로 혼합한다. 퓸드 실리카의 양이 상기보다 많으면 응고 반응이 용이하게 진행되어 성형체의 강도가 증가되기는 하나, 롤의 내마모성 특성이 저하되고 건조시 성형체내에 존재하는 다수의 미세 기공으로 인해 성형체에 균열이 생성될 확률이 크다. 반면에 퓸드실리카의 양이 상기보다 적은 경우 실리카의 표면활성 저하로 인해 응고가 용이하게 일어나지 않거나 응고되더라도 습윤 성형체 또는 건조 성형체의 강도가 매우 약해지는 단점이 있다. 상기 용융 실리카:초미립 퓸드 실리카의 질량비는 70:30 내지 80:20의 범위에 있는 것이 바람직하다. 전체 슬러리내의 실리카의 양은 50 중량% 이상이며, 일반적으로 50∼80 중량%으로 함유된다. 슬러리내의 실리카의 양은 가급적 많은 양으로 존재하는 것이 바람직하다.To the prepared silica sol is added fused silica from which impurities are removed in the previous step. Fused silica: ultrafine fumed silica is mixed in a mass ratio of 40:60 to 95: 5. If the amount of fumed silica is higher than the above, the solidification reaction is easily progressed to increase the strength of the molded body, but the wear resistance property of the roll decreases and the probability of cracking in the molded body due to the large number of micropores present in the molded body during drying. This is big. On the other hand, when the amount of fumed silica is less than the above, there is a disadvantage in that the strength of the wet molded product or the dried molded product is very weak even if solidification does not easily occur or solidifies due to the decrease in surface activity of silica. It is preferable that the mass ratio of the said fused silica: ultrafine fumed silica exists in the range of 70: 30-80: 20. The amount of silica in the total slurry is at least 50% by weight and is generally contained at 50 to 80% by weight. The amount of silica in the slurry is preferably present in as large an amount as possible.

상기와 같은 방법으로 제조된 졸 상태의 실리카 슬러리에 염기성 수용액을 첨가하여 pH를 11 이상으로 증가시켜 실리카 졸을 균일하게 재분산시킨다. 염기성 수용액으로는 NH4 -이온을 함유하는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH), 또는 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAH)가 바람직하게 사용될 수 있다. 염기성 수용액은 실리카에 대하여 2.8 중량%의 양으로 첨가되는 것이 바람직하며 이때 슬러리의 pH는 11 이상으로 증가한다. 슬러리의 혼합도를 높여주기 위하여 쿼즈제 자와 볼을 이용하여 볼 밀링을 하여 주면 점도가 매우 낮은 실리카 슬러리를 얻을 수 있다. 이 슬러리를 상온에서 24시간 동안 숙성한 후 기포를 제거하기 위하여 진공 용기내에서 탈포작업을 수행한다.A basic aqueous solution is added to the silica slurry in the sol state prepared in the above manner to increase the pH to 11 or more to uniformly redisperse the silica sol. As the basic aqueous solution, tetramethylammonium hydroxide (TMAH) or tetraethylammonium hydroxide (TEAH) containing NH 4 - ions can be preferably used. The basic aqueous solution is preferably added in an amount of 2.8% by weight relative to the silica, wherein the pH of the slurry increases to 11 or more. In order to increase the mixing degree of the slurry, the silica slurry can be obtained by performing ball milling using quartz and balls. After the slurry is aged at room temperature for 24 hours, defoaming is performed in a vacuum vessel to remove bubbles.

상기 염기성 용액이 첨가된 슬러리에 수용성 폴리에틸렌이민을 첨가한다. 폴리에틸렌이민의 평균분자량은 1,000,000 이하인 것이 바람직하고, 이 고분자는 후속 공정인 실리카의 소성시 결정화를 유발하는 물질로 남지 않도록 성형체의 하소 단계에서 완전히 제거되어야 한다. 폴리에틸렌이민은 실리카 입자들의 계면에서 결합제로서의 역할을 수행할 수 있으므로 기존에 폴리에틸옥사졸린과 같은 독성이 있는 결합제를 대체하여 사용될 수 있다. 폴리에틸렌이민은 실리카의 등전점을 pH 2.5∼3.5에서 pH 10.6 근처로 이동하게 하는 특성을 가진다. 따라서 폴리에틸렌이민은 염기성 용액의 첨가로 높은 pH를 가지는 슬러리를 낮은 pH 영역으로 이동시키는 역할을 수행할 수 있어 기존에 사용되고 있는 pH 저감제(응고제)의 역할을 대신할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 독성이 적은 폴리에틸렌이민을 슬러리에 첨가함으로써 환경오염을 최소화하고 고가의 pH 저감제의 사용량을 줄여 실리카질 슬리브의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.Water-soluble polyethyleneimine is added to the slurry to which the basic solution is added. The average molecular weight of polyethyleneimine is preferably 1,000,000 or less, and this polymer should be completely removed in the calcination step of the molded body so that it does not remain as a substance causing crystallization upon firing of silica, which is a subsequent process. Polyethyleneimine can serve as a binder at the interface of silica particles and thus can be used in place of conventional toxic binders such as polyethyloxazoline. Polyethyleneimine has the property of shifting the isoelectric point of silica from pH 2.5 to 3.5 to pH 10.6. Therefore, polyethyleneimine may serve to move a slurry having a high pH to a low pH region by addition of a basic solution, thereby replacing the role of a pH reducing agent (coagulant) that is used in the past. Therefore, in the present invention, by adding polyethyleneimine having a low toxicity to the slurry, it is possible to minimize environmental pollution and to reduce the amount of expensive pH reducing agent, thereby reducing the manufacturing cost of the siliceous sleeve.

본 발명에서는 상기 폴리에틸렌이민을 주응고제로 사용하고 기존의 pH 저감제를 보조응고제로 사용한다. 응고제로 사용되는 폴리에티렌이민과 pH 저감제는 슬러리를 pH를 10.6 근처로 떨어뜨리는 양으로 첨가된다. pH 저감제는 상기 염기성 수용액에 대하여 당량비로 0.1∼0.3의 당량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 pH 저감제로는 메틸 포메이트 또는 에틸 락테이트가 바람직하게 사용될 수 있다.In the present invention, the polyethyleneimine is used as the main coagulant and the existing pH reducing agent is used as the coagulant. Polystyreneimines and pH-reducing agents, used as coagulants, are added in amounts that drop the slurry to near 10.6. The pH reducing agent is preferably added in an equivalence ratio of 0.1 to 0.3 with respect to the basic aqueous solution. As the pH reducing agent, methyl formate or ethyl lactate may be preferably used.

상기 혼합 슬러리에 건조보조제로서 포름아미드를 염기성 수용액을 기준으로 2 내지 150 중량%의 양으로 첨가한다. 포름아미드의 사용량이 150 중량%를 초과하는 경우 전체 겔중 액상이 증가하는 문제가 있고 2 중량% 미만의 양으로 사용되는 경우에는 건조능 개선 효과가 미미하므로 바람직하지 못하다. 상기 포름아미드는 겔의 건조능을 월등히 향상시키는 건조 보조제로서 역할을 하며, 이러한 건조능 향상에 따라 대형의 실리카질 슬리브의 제조시 건조파괴 확률을 크게 낮출 수 있다.또한 염기성 수용액 사용으로 높아진 pH를 떨어뜨릴 수 있으므로 보조응고제로서의 역할도 수행한다. 따라서 포름아미드의 사용으로 고가의 pH 저감제(응고제)의 양을 감소시키는 부수적인 경제적 효과도 기재할 수 있다.Formamide is added to the mixed slurry in an amount of 2 to 150% by weight based on the basic aqueous solution as a drying aid. If the amount of formamide exceeds 150% by weight, there is a problem in that the liquid phase increases in the total gel, and when used in an amount less than 2% by weight, the effect of improving the drying performance is not preferable, which is not preferable. The formamide acts as a drying aid to significantly improve the drying ability of the gel, and according to the improvement of the drying ability, it is possible to greatly reduce the probability of dry breakage in the production of large silica-like sleeves. It also acts as a coagulant because it can be dropped. Thus, the use of formamide may also describe an additional economic effect of reducing the amount of expensive pH reducing agents (coagulants).

충분히 교반된 실리카 슬러리를 슬리브 형상의 정밀 가공이 가능한 금속 몰드내에 부어준다. 몰드 주입후 수분의 증발을 막기 위하여 몰드를 밀봉하여 준다. 시간이 경과함에 따라 몰드내에 주입된 실리카 슬러리의 pH가 점차로 감소되어 10.6에 도달되면 급격히 응고된다. 응고 반응이 완결되기까지의 시간은 고체의 양과 응고제의 양에 영향을 받지만 통상 20∼40 분내에 이루어지는 것이 바람직하다.The sufficiently stirred silica slurry is poured into a metal mold capable of precision machining in the form of a sleeve. After mold injection, seal the mold to prevent evaporation of moisture. Over time, the pH of the silica slurry injected into the mold gradually decreases and solidifies rapidly when it reaches 10.6. The time to completion of the coagulation reaction is influenced by the amount of solids and the amount of coagulant, but is usually preferably within 20 to 40 minutes.

응고가 완료되면 24시간 이상 숙성(aging)한 후 제조된 실리카 겔을 몰드로부터 제거하여 상온에서 건조한다. 습윤 성형체는 슬리브의 두께와 실리카의 성분비에 따라 차이는 있으나 상온에서 일주일 이상 유지하면 수분의 90% 이상이 제거된다. 1차 건조된 겔을 다시 건조기를 이용하여 실리카 입자 표면의 흡착수를 제거한다. 실리카에 포함된 구조수는 고온에서 소성시 잔류 OH기가 실리카의 결정화 인자로 작용하기 때문에, 2차 건조된 겔을 하소시켜 실리카의 구조수를 완전히 제거한다. 소성은 공기중 1000∼1400℃, 바람직하게는 1150∼1250℃의 온도에서 실시하며, 1200℃ 이상의 온도에서 소성하는 경우 가급적 소성시간이 30분을 넘지 않도록 한다. 소성이 완료된 후 얻어진 소결체는 몰드 면의 가공 상태에 따라 그에 부합하는 매끄러운 면을 가지며 소결체의 수축율을 미리 제어할 경우 성형체나 소결체의 후가공이 거의 필요없는 정밀한 소결체가 얻어진다.After solidification is completed, the prepared silica gel is aged from at least 24 hours and then dried at room temperature. Wet molded products are different depending on the thickness of the sleeve and the component ratio of silica, but at least one week at room temperature to remove more than 90% of the moisture. The dried gel is dried again using a dryer to remove adsorbed water on the surface of the silica particles. Since the structural water contained in the silica acts as a crystallization factor of the silica when the residual OH group is calcined at a high temperature, the secondary dried gel is calcined to completely remove the structural water of the silica. Firing is carried out at a temperature of 1000 to 1400 ° C., preferably 1150 to 1250 ° C. in air, and when firing at a temperature of 1200 ° C. or higher, the firing time should not exceed 30 minutes. After the sintering is completed, the obtained sintered body has a smooth surface corresponding to the processing state of the mold surface, and when the shrinkage ratio of the sintered body is controlled in advance, a precise sintered body which hardly requires post-processing of the molded body or the sintered body is obtained.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following presents a preferred embodiment to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

실시예 1Example 1

순도 99.5% 이상인 용융 실리카 분말(보람 케메탈사의 BORASIL-F 제품) : 증류수를 10:90의 비율로 혼합하고 SUS제 자(jar)와 볼(ball)을 이용하여 평균입도가 20㎛가 되도록 볼 밀링하였다. 얻어진 용융 실리카 슬러리는 수분을 충분히 제거한 후 10 vol%의 염산 수용액에 재분산시켜 24 시간 이상 교반하여 볼 밀링시 혼입된 Fe 이온을 용해시킨 다음, 진공 장치가 달린 여과기에 넣어 액상을 충분히 제거하였다. 이 용융 실리카 슬러리에 다시 2차 증류수를 넣어 연속적인 수세 공정을 실시하였다. 상기 수세 공정은 용융 실리카 케익(bed)을 통과시킨 증류수에서 염소 이온이 검출되지 않을 때까지 계속 실시하였다. 수세된 용융 실리카 덩어리를 건조기에서 110℃에서 24 시간이상 건조하여 수분을 완전히 제거하였다.Molten silica powder with a purity of 99.5% or more (product of Boramil-F manufactured by Boram Kemetal): Distilled water is mixed at a ratio of 10:90 and the ball is made to have an average particle size of 20 μm by using a jar and a ball made of SUS. Milled. The obtained fused silica slurry was sufficiently dehydrated, redispersed in an aqueous 10 vol% hydrochloric acid solution, stirred for 24 hours or more to dissolve Fe ions mixed in the ball mill, and then placed in a filter with a vacuum device to sufficiently remove the liquid phase. Secondary distilled water was further added to the fused silica slurry to carry out a continuous washing process. The washing process was continued until no chlorine ions were detected in the distilled water passed through the fused silica cake (bed). The washed fused silica mass was dried in a drier for at least 24 hours to completely remove moisture.

응고 반응을 유도하기 위한 퓸드 실리카 분말로는 비표면적이 50m2/g이고 평균 입자크기가 40nm인 Degussa사의 Aero-sil OX-50을 사용하였다. 상기 전단계에서 제조된 융융 실리카: 퓸드 실리카의 질량비가 80:20이 되도록 혼합한 실리카 1000g을 증류수 1000g에 넣은 다음 고속 블렌더에서 10분간 혼합하여 상당한 유동성을 가지는 수계 실리카 슬러리를 얻었다.As the fumed silica powder for inducing coagulation reaction, Aero-sil OX-50 manufactured by Degussa having a specific surface area of 50 m 2 / g and an average particle size of 40 nm was used. 1000 g of the mixed silica so as to have a mass ratio of fused silica: fumed silica prepared in the previous step was added to 1000 g of distilled water, followed by mixing for 10 minutes in a high speed blender to obtain an aqueous silica slurry having considerable fluidity.

실리카에 대하여 2.8 중량%의 양으로 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 상기 실리카 슬러리에 첨가한 후 교반하여 실리카졸의 pH를 11 이상으로 상승시켰다. 슬러리의 혼합도를 높여주기 위하여 쿼즈제 자와 볼을 이용하여 8시간 볼 밀링하여 점조가 내우 낮은 실리카 슬러리를 얻었다. 이 슬러리를 24시간동안 상온에서 숙성한 후 진공 용기에서 탈포 작업을 수행하여 기포를 제거하였다.Tetramethylammonium hydroxide was added to the silica slurry in an amount of 2.8% by weight relative to the silica, followed by stirring to raise the pH of the silica sol to 11 or more. In order to increase the mixing degree of the slurry, the silica slurry was obtained by ball milling for 8 hours using a quartz jar and a ball. The slurry was aged at room temperature for 24 hours and then degassed in a vacuum vessel to remove bubbles.

얻어진 실리카 슬러리에 평균분자량 750,000 인 폴리에틸렌이민을 실리카에 대하여 0.25중량%를 첨가하였다.0.25 wt% of polyethyleneimine having an average molecular weight of 750,000 was added to the silica slurry.

상기 실리카 슬러리에 테트라메틸암모늄 하이드록사이드에 대하여 25 중량%의 에틸 락테이트와 테트라메틸암모늄 하이드록사이드에 대하여 100 중량%의 포름아미드를 천천히 교반하면서 첨가하였다. 충분히 교반된 실리카 슬러리를 슬리브 형상의 몰드에 부어주고 수분의 증발을 막기 위하여 밀봉하였다. 시간이 경과됨에 따라 pH의 감소로 실리카 졸이 응고되었다. 응고가 완료되면 24시간동안 숙성한 후 제조된 실리카 겔을 몰드에서 제거하여 부드러운 바닥위에 놓아 상온에서 건조하였다. 1차 건조된 겔을 다시 건조기를 이용하여 5℃/h의 승온 속도로 110℃까지 승온하여 그 온도에서 48 시간 유지하여 실리카 입자 표면의 흡착수를 제거하였다. 2차 건조된 겔을 100℃/h로 900℃까지 승온하여 그 온도에서 2시간 유지하여 실리카의 구조수를 완전히 제거하였다. 그런 다음, 1150℃에서 2시간 소결한 다음 서서히 상온까지 냉각하였다. 제조된 실리카질 슬리브 소결체는 매끄러운 표면을 가졌으며 후가공이 거의 필요없는 정밀한 구조를 가졌다. 상기 소결체의 XRD 분석 결과 결정상은 1% 미만이었고 나머지는 비정질로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 소성된 세라믹 슬리브의 상대밀도는 85∼95% 이내에 있었다.To the silica slurry was added 25% by weight of ethyl lactate relative to tetramethylammonium hydroxide and 100% by weight of formamide relative to tetramethylammonium hydroxide with slow stirring. The sufficiently stirred silica slurry was poured into a sleeve-shaped mold and sealed to prevent evaporation of moisture. Over time, the silica sol solidified with a decrease in pH. After coagulation was completed, aged for 24 hours, the prepared silica gel was removed from the mold and placed on a soft bottom to dry at room temperature. The first dried gel was further heated to 110 ° C. at a temperature increase rate of 5 ° C./h using a drier and maintained at that temperature for 48 hours to remove adsorbed water on the surface of silica particles. The secondary dried gel was heated up to 900 ° C. at 100 ° C./h and maintained at that temperature for 2 hours to completely remove the structural water of silica. Then, the mixture was sintered at 1150 ° C. for 2 hours, and then slowly cooled to room temperature. The manufactured siliceous sleeve sintered body had a smooth surface and had a precise structure requiring little post processing. XRD analysis of the sintered compact showed that the crystal phase was less than 1% and the rest was composed of amorphous material. The relative density of the fired ceramic sleeve was within 85 to 95%.

비교예 1Comparative Example 1

결합제로서 폴리에틸옥사졸린을 실리카에 대하여 0.25 중량%의 양으로 첨가하고 pH 저감제인 에틸 락테이트를 테트라메틸암모늄 하이드록사이드에 대하여 25중량%의 당량으로 첨가하고 포름아미드를 사용하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카질 슬리브를 제조하였다. 제조된 실리카질 슬리브는 XRD 분석결과 결정상은 1% 미만이었으며 상대밀도는 83~93% 범위 이내에 있었다. 그러나 이 경우 슬리브의 습윤 성형체의 건조과정에서 건조파괴가 빈번히 발생하며 또한 하소시 유독성이 큰 가스가 많이 발생하였다.Polyethyloxazoline as a binder was added in an amount of 0.25% by weight with respect to silica, and a pH reducing agent, ethyl lactate was added in an amount of 25% by weight with respect to tetramethylammonium hydroxide, and no formamide was used. Silica sleeve was prepared in the same manner as in Example 1. The prepared siliceous sleeve had a crystal phase of less than 1% as a result of XRD analysis and a relative density was in the range of 83 to 93%. However, in this case, the dry fracture frequently occurs during the drying of the wet molded body of the sleeve, and also a lot of toxic gases are generated during calcination.

본 발명은 실리카 슬러리 졸의 제조시 독성이 없는 폴리에틸렌이민을 결합제로 사용하고, 건조보조제를 사용하여 겔의 건조능을 향상시켜 대형 실리카질 슬리브의 제조시 건조파괴 확률을 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 폴리에틸렌이민과 건조보조제의 사용으로 고가의 pH 저감제의 첨가량을 감소시켜 환경친화적이고 경제적인 실리카질 슬리브 성형용 조성물 및 이로부터 실리카질 슬리브를 제조하는 방법을 제공하는 발명의 효과를 가진다.The present invention uses polyethyleneimine which is not toxic when preparing a silica slurry sol as a binder, and improves the drying ability of the gel by using a drying aid. The use of an imine and a drying aid has the effect of reducing the amount of expensive pH reducing agent added to provide an environment-friendly and economical composition for forming a siliceous sleeve and a method for producing a siliceous sleeve therefrom.

Claims (11)

1∼40 ㎛ 범위의 평균 입자크기를 가지는 용융 실리카 분말과 7∼100 nm 범위의 평균 입자크기를 가지는 초미립 퓸드 실리카 분말의 수계 실리카 슬러리; 분산제로서 염기성 수용액; 폴리에틸렌이민(PEI); pH 저감제; 및 건조 보조제로 포름아미드를 포함하고, 상기 포름아미드는 상기 염기성 수용액에 대하여 5 내지 150 중량%의 양으로 첨가되는 실리카질 슬리브 성형용 조성물.Aqueous silica slurry of fused silica powder having an average particle size in the range of 1 to 40 μm and ultrafine fumed silica powder having an average particle size in the range of 7 to 100 nm; Basic aqueous solution as a dispersant; Polyethyleneimine (PEI); pH reducing agents; And formamide as a drying aid, wherein the formamide is added in an amount of 5 to 150% by weight based on the basic aqueous solution. 제1항에 있어서, 상기 용융 실리카 분말이 99.5% 이상의 순도를 가지며, 평균 입자크기가 15∼25 ㎛ 범위에 있는 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition for forming a siliceous sleeve according to claim 1, wherein the fused silica powder has a purity of 99.5% or more and has an average particle size in a range of 15 to 25 μm. 제1항에 있어서, 상기 초미립 퓸드 실리카 분말의 비표면적이 20∼300 m2/g인 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition for forming a siliceous sleeve according to claim 1, wherein the ultra-fine fumed silica powder has a specific surface area of 20 to 300 m 2 / g. 제1항에 있어서, 상기 초미립 퓸드 실리카 분말의 비표면적이 40∼60 m2/g인 이고 평균 입자크기가 30∼50 nm 사이에 있는 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition for forming a siliceous sleeve according to claim 1, wherein the ultrafine fumed silica powder has a specific surface area of 40 to 60 m 2 / g and an average particle size of 30 to 50 nm. 제1항에 있어서, 상기 용융 실리카 분말:초미립 퓸드 실리카 분말의 질량비가 40:60 내지 95:5인 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition for forming a siliceous sleeve according to claim 1, wherein the fused silica powder: ultrafine fumed silica powder has a mass ratio of 40:60 to 95: 5. 제1항에 있어서, 상기 염기성 수용액이 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH), 또는 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAH)이고, 슬러리의 pH가 10 이상이 되도록 첨가되는 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition for forming a siliceous sleeve according to claim 1, wherein the basic aqueous solution is tetramethylammonium hydroxide (TMAH) or tetraethylammonium hydroxide (TEAH) and is added so that the pH of the slurry is 10 or more. 제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민의 평균 분자량은 1,000,000 이하인 실리카질 슬리브 성형용 조성물.The composition of claim 1, wherein the polyethyleneimine has an average molecular weight of 1,000,000 or less. 제1항에 있어서, 상기 pH 저감제가 메틸 포메이트 또는 에틸 락테이트인 실카질 슬리브 성형용 조성물.The composition of claim 1, wherein the pH reducing agent is methyl formate or ethyl lactate. 삭제delete 1∼40 ㎛ 범위의 평균 입자크기를 가지는 용융 실리카 분말에 7∼100 nm 범위의 평균 입자크기를 가지는 초미립 퓸드 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계(water-based) 실리카 슬러리를 제조하는 단계;Preparing a water-based silica slurry by dispersing ultrafine fumed silica powder having an average particle size in the range of 7 to 100 nm in water to a fused silica powder having an average particle size in the range of 1 to 40 μm; 상기 슬러리에 염기성 수용액을 첨가하여 재분산시키는 단계;Redispersing by adding a basic aqueous solution to the slurry; 상기 재분산된 슬러리에 폴리에틸렌이민(PEI), pH 저감제 및 건조보조제로 포름아미드를 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계(상기 포름아미드의 첨가량은 상기 염기성 수용액에 대하여 5 내지 150 중량%임);Adding formamide to the redispersed slurry with polyethyleneimine (PEI), a pH reducing agent and a drying aid to uniformly mix (the amount of formamide is 5 to 150% by weight relative to the basic aqueous solution); 상기 슬러리를 원하는 형상의 몰드에 부어 겔화시키는 단계; 및Pouring the slurry into a mold of a desired shape to gelate the slurry; And 상기 겔화된 성형체를 건조한 다음, 하소 및 소성하는 단계Drying the gelled molded body, and then calcining and firing 를 포함하는 실리카질 슬리브의 제조방법.Silica sleeve manufacturing method comprising a. 제10항에 있어서, 상기 소성 단계가 1000∼1400℃의 온도에서 수행되는 실리카질 슬리브의 제조방법.The method of claim 10, wherein the firing step is carried out at a temperature of 1000 ~ 1400 ℃.
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