KR100419780B1 - 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집진용 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 필터의 성형체에 집진효율을 향상시키기 위해 코팅층을 형성하여 기계적 강도 및 집진효율을 향상시킨 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 분말과 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키거나, 혹은 탄화규소 세라믹스 분말과 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량 및 부피를 100wt% 및 100vol%로 기준하여 상기 100wt% 및 100vol%에 대해 각각 0.1~30.0vol%의 탄소분말과 1.0~15.0wt%의 무기결합제와 3.0~20.0wt%의 유기결합제와 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘과 0.1~15.0wt%의 분산제와 0.1~3.0wt%의 이형제 및 10.0~35.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와, 숙성된 원료를 가압하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와, 상기 성형된 필터 성형체에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와, 상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법이 제공된다.

Description

코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법{Fabrication method of silicon carbide ceramics filter with coating layer}

본 발명은 미세한 먼지를 집진하는 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 관한 것이며, 특히, 탄화규소 세라믹스 필터의 둘레에 집진효율을 향상시키기 위해 코팅층을 부착 소결하여 기계적 강도 및 집진효율을 향상시킬 수 있는 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

다양한 산업현장에서는 공업용 제품을 생산 및 관리하는 과정 중에 필수 불가결하게 인체 및 환경에 유해한 수 마이크로미터(㎛)에서부터 크게는 수 센티미터(㎝)까지의 먼지입자들이 발생하게 된다. 이런 먼지입자들은 공해요인으로 작용하기 때문에 이런 공해 발생설비 등에는 집진장치가 필수적으로 설치되고, 이런 집진장치를 통해 먼지입자들이 걸러짐으로써, 대기오염을 막게된다.

이런 집진장치에는 필터가 한 구성요소로 위치해 있는데, 집진장치의 설치장소에 따라 그 필터의 종류가 결정된다. 상온에서 150℃미만까지의 온도에서는 값싼 플라스틱소재의 필터가 사용되고, 150℃이상에서 500℃미만까지의 온도에서는 금속소재의 필터가 사용된다. 그러나 500℃이상의 고온에서는 플라스틱 필터 및 금속소재의 필터가 용융, 열화되기 때문에 필터로서의 기능을 발휘할 수 없게 되며 연소배가스에 포함된 황산 및 질산 등에 의해 쉽게 부식된다. 따라서, 이런 고온 고압의 조건하에 사용되는 집진장치는 내열성이 우수한 세라믹스 필터를 구비한 집진장치가 사용된다.

이런 내열성이 우수한 세라믹스 필터에 대해서 대한민국 특허공개번호 제1999-053273호(발명의 명칭 ; 디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법)와 특허공개번호 제2000-075109호(발명의 명칭 ; 고온고압 석탄가스 정제용 집진기)에서 소개되어 있다.

이런 고온 집진필터들은 주로 산화물계 세라믹스 필터로서, 산화물계 세라믹스 필터는 이미 상용화되어 있으나, 이런 산화물계 세라믹스 필터는 고압에서 약한 특성 즉, 강도가 약하여 고온 고압의 조건에서는 사용하기 어려운 단점이 있다. 그 이유로서 산화물은 비산화물에 비하여 열전도도가 낮고 열팽창률이 높기 때문에 열의 방출이 쉽게 되지 않아 필터의 벽에 응력이 존재하게 되며, 온도편차가 크게되어 궁극적으로 열응력에 의해 파괴현상이 쉽게 발생하고, 필터에 걸러진 먼지를 제거하는 탈진과정에 따른 열충격에 대해서 내구성이 약하다는 단점이 있다.

여기에서 탈진과정이란 필터에 걸러진 먼지입자들을 필터로부터 제거하는 과정을 말하며, 집진기에 설치된 채로 탈진과정을 거쳐 재사용하게 된다.

한편, 필터는 기공의 부피분율이 클수록 집진효과가 향상되지만, 부피분율이 너무 크게 되면 기계적 강도가 약하게 되어 쉽게 파손된다. 따라서 필터의 부피분율과 기계적 강도의 상반되는 관계를 적절하게 유지하며, 필터를 재사용하기에 편리하도록 탈진을 쉽게 수행할 수 있는 필터가 양호한 필터이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 정수압 가압방식 또는 압출성형법으로 성형된 필터에 코팅층을 형성하여 소결함으로써, 집진성능이 우수하면서도 고강도의 기계적 특성을 가지며 탈진이 쉽게 수행될 수 있는 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촛대(candlestand)형 탄화규소 세라믹스 필터 성형체를 나타낸 사진이고,

도 2는 도 1에 도시된 촛대형 탄화규소 세라믹스 필터 성형체에 코팅층이 부착되어 소결된 상태를 나타낸 사진이며,

도 3은 도 1에 도시된 촛대형 필터 성형체의 둘레에 요철부를 형성하여 여과면적을 넓힌 도 1과 다른 형상을 가진 탄화규소 세라믹스 필터 소결체를 나타낸 사진이다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와, 숙성된 원료를 가압하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와, 상기 성형된 필터 성형체에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와, 상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 성형하는 단계에서는 숙성단계를 거친 혼합물을 100~800kg/cm²의 성형압력으로 가압하여 성형체를 형성한다.

또한, 본 발명에 따르면, 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 부피를 100vol%로 기준하여 상기 100vol%에 대해 0.1~30.0vol%의 탄소분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 무기결합제와 3.0~20.0wt%의 유기결합제와 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘과 0.1~15.0wt%의 분산제와 0.1~3.0wt%의 이형제 및 10.0~35.0wt%의 물을 혼합하여 숙성하는 단계와, 숙성된 원료를 압출하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와, 상기 성형된 필터 성형체에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와, 상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 코팅액은 탄화규소 세라믹스 분말, 0.5~15.0wt%의 점토, 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘, 0.1~5.0wt%의 카복시메틸셀룰로오즈, 0.1~5.0wt%의 분산제, 0.1~3.0wt%의 소포제, 150~250wt%의 물을 혼합한 액상의 혼합물이며, 상기 점토, 탄산칼슘, 카복시메틸셀룰로오즈, 분산제, 소포제, 물에 설정된 질량비는 상기 코팅액의 탄화규소 세라믹스 분말의 질량에 대한 질량 분율이다.

또한, 본 발명의 상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계에서는 코팅층이 형성된 성형체를 상온에서 800℃까지 1∼2℃/min의 속도로 승온하는 제 1 단계와, 800℃에서 1시간 내지 6시간 유지하는 제 2 단계와, 800℃에서 1000~1800℃까지 4℃/min의 속도로 승온하는 제 3 단계와, 승온된 1000~1800℃의 온도에서 1시간 내지 10시간 유지하는 제 4 단계 및, 상기 제 4 단계에서 유지된 온도로부터 5℃/min의 속도로 상온까지 냉각하는 제 5 단계를 포함한다.

아래에서, 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법의 양호한 실시예에 대하여 상세히 설명하겠다.

본 발명은 주원료인 탄화규소 세라믹스 분말과 기타 첨가재로 혼합된 혼합재를 정수압 가압 성형법 또는 압출성형법으로 성형하여 필터 성형체를 형성하고, 필터 성형체의 둘레에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성한 후에 소결하여 제작하는 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 관한 것이다.

아래에서는 우선적으로 정수압 가압 성형법으로 성형되는 필터 성형체 제조과정에 대하여 상세히 설명하겠다.

먼저, 필터 원료의 주성분이 되는 탄화규소 세라믹스 분말에 소결조제인 점토를 첨가한다. 이 때 점토는 탄화규소 세라믹스 분말입자들 사이의 결합력을 증가시키기 위해 첨가하는 것이며, 이런 점토의 첨가량은 상기 탄화규소 세라믹스 분말에 대하여 1.0~15.0wt%를 첨가 혼합한다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 세라믹스 필터는 소결조제로 사용되는 점토가 1.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에 탄화규소의 입자간 결합이 약화되어, 필터로 사용하기에 부적합한 강도를 갖는다. 그리고, 탄화규소 세라믹스 필터는 점토가 15.0wt% 초과로 첨가되는 경우에 첨가되는 비율이 높아지더라도 그 강도가 크게 향상되지 않으며, 기공의 크기도 감소됨으로 필터의 기능이 제대로 발휘되지 못한다.

그런 다음에는 혼합된 탄화규소 세라믹스 분말과 점토에 성형보조제로서 유기물 결합제인 카복시메틸셀룰로오즈(CMC; CarboxyMethyl Cellulose)를 첨가한다. 이 때, 첨가되는 카복시메틸셀룰로오즈는 탄화규소 세라믹스 분말의 질량에 대해 1.0~5.0wt%가 첨가 혼합된다. 즉, 카복시메틸셀룰로오즈가 1.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 탄화규소 세라믹스 필터의 성형시 입자간 결합력이 약하게 되고, 카복시메틸셀룰로오즈가 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 탄화규소 세라믹스 필터의 열처리시에 내부에 결함을 유발시켜 부적합하다.이렇게 혼합된 원료들은 폴리에틸렌 용기에 넣어지고, 진동 밀(vibration pot mill)에서 1시간 동안 건식 혼합됨으로써, 균일한 혼합이 이루어지게 된다.

그 다음단계로 탄화규소 세라믹스 분말과 점토 및 성형보조제의 고상 혼합물과는 별도로 물과, 알칼리화합물 또는 알칼리토류 화합물 및, 유기물 분산제를 함께 혼련기에 넣은 후에, 30~60분 동안 고르게 혼합하여 액상 혼합물을 형성한다.이 때, 액상 혼합물에는 상기 점토와 같이 소결조제의 역할을 하는 무기결합제인 알칼리계 원소 화합물의 탄산칼슘이 탄화규소 세라믹스 분말의 질량의 0.1~5.0wt%에 해당하는 범위로 첨가된다. 이런 탄산칼슘은 상기 점토의 경우와 마찬가지로 0.1wt% 미만으로 첨가되는 경우에 탄화규소의 입자간 결합을 약화시키고, 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에 첨가되는 비율이 높아지더라도 필터강도를 향상시키지 못하여 부적합하다.그리고, 상기 액상 혼합물의 분산제는 입자간 분산을 위해 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 기준으로 0.5~5.0wt%가 첨가됩니다. 분산제가 0.5wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 필터의 혼합물들이 골고루 혼합되지 못하고, 입자간 뭉침이 다량 발생되며, 분산제가 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 상기 성형보조제와 같이 열처리시에 필터의 내부에 결함을 유발시켜 부적합하다.또한, 상기 탄화규소 세라믹스 필터의 성형에 사용되는 혼합물에는 가소성을 부여하기 위해 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 기준으로 5.0~15.0wt%의 물이 첨가됩니다. 물이 5.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 혼합물에 유연성이 부족하여 성형하기 부적합하고, 물이 15.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 필터 혼합물을 성형하기 불가능할 정도로 건조하는데 시간이 오래 걸림으로 부접합하다.

그런 다음에는 상기와 같이 형성된 고상 혼합물과 액상 혼합물을 다시 혼합하여 상온에서 24시간동안 숙성시킨 후에, 정수압 성형(CIP; Cold Isostatic Press)하여 필터의 성형체로 형성한다.

이 때의 고상 및 액상 혼합물을 재 혼합한 혼합물을 촛대형상을 가지고 있는 정수압 성형용 몰드에 충진시키고, 그리고 100~800kg/cm²의 성형압력으로 정수 가압하여 촛대형 필터의 형태로 성형한다. 이와 같이 제조된 필터의 성형체를 상온에서12시간 이상 또는 건조기를 사용할 경우에는 6시간 이상 건조시켜 물을 제거하여 필터 성형체를 성형한다.

한편, 정수압 성형과정에서 100~800kg/cm²의 성형압력은 아래의 이유 때문에 설정된 것이다. 여기에서, 100kg/cm²의 성형압력은 본 발명에서 필터의 성형이 가능한 최소한계의 가압력이며, 정수압 성형용 몰드에서 800kg/cm²이상의 성형압력으로 성형하게 되면 세라믹스 입자들 사이에 기공이 작게 되어 필터의 주 기능인 유해한 미세먼지의 제거효과가 떨어지게 된다.

이와 같은 이유에서 100~800kg/cm²의 성형압력으로 필터 성형체를 성형한 후에 적정온도로 소결하게 되면 탄화규소 세라믹스 분말들은 입자결합하게 되며, 입자결합으로 형성되는 그 필터의 기공 직경은 25~75㎛가 되고 이런 기공의 분율은 필터 전체부피에 대해 30~60vol%가 된다.

이 때에 기공의 직경이 25㎛보다 작거나 기공율이 30vol% 보다 작은 경우에는 기공이 상호 연결되지 못하고 고립되어 분포함으로써 연소배가스의 원활한 흐름이 일어나지 않아 압력손실이 크게 걸리게 되어 필터로서의 기능을 발휘하지 못했고, 기공의 직경이 75㎛보다 크거나 기공율이 60vol%보다 크게 될 경우에는 필터의 강도 값이 매우 약하게 되어 필터로서의 성능을 발휘하지 못하게 된다.

아래에서는 압출성형으로 탄화규소 세라믹스 필터의 성형체를 제조하는 방법에 대하여 설명하겠다.본원 발명의 다른 실시예에 따른 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법은 상기 정수압방식으로 성형하는 방법과 달리 압출성형방식으로 필터를 성형한다.

먼저, 필터 성형체는 주원료인 탄화규소 세라믹스 분말에 기공 형성제인 탄소분말을 첨가한다. 이 때, 탄소분말은 탄화규소 세라믹스 분말을 100vol%로 기준한 경우에 0.1~30.0vol%가 첨가된다. 이런 탄소분말이 0.1vol% 미만으로 첨가되는 경우에는 압출성형시 윤활성이 부족하게 되고, 탄소분말이 30.0vol% 초과로 첨가되는 경우에는 열처리시 기공의 총 부피율이 증가하여 필터의 강도가 약화된다.

그리고, 상기 탄화규소 세라믹스 분말과 탄소분말의 혼합물에는 탄화규소 세라믹스 분말의 질량비에 대한 1.0~15.0wt%의 무기결합제로서 점토와, 3.0~20.0wt%의 유기결합제로서 카복시메틸셀룰로오즈가 첨가되어, 고상 혼합물로 혼합 형성된다.그런 다음에는 탄화규소 세라믹스 분말을 100wt%로 기준한 경우에 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘과, 0.1~15.0wt%의 분산제와, 0.1~3.0wt%의 이형제 및, 10.0~35.0wt%의 물을 각각 혼합하여 액상 혼합물로 형성한 후에, 상기 액상 혼합물을 상기 고상 혼합물과 혼합한다.이 때, 압출성형을 이용한 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법은 일부 구성성분들이 상기 본원 발명의 한 실시예에서의 혼합비율과 다르게 첨가되지만, 혼합비율의 수치를 한정한 이유는 동일하다.그리고, 이형제는 0.1wt% 미만으로 첨가되는 경우에 압출성형되는 필터 성형체가 쉽게 분리되지 않으며, 3.0wt% 초과로 첨가되는 경우에 열처리된 필터의 내부에 결함이 유발되는 이유로 상기와 같이 그 첨가비율을 한정한다.그런 다음에는 고상 혼합물과 액상 혼합물을 혼합한 후에, 상온에서 24시간동안 숙성시킨다. 그리고, 상기 혼합 숙성된 혼합물은 압출성형기에서 원통형 성형체로 성형되고, 150℃에서 72시간 이상 건조된다.

한편, 압출성형기에 의해 성형된 필터 성형체는 원통형의 형상을 가지고 있다. 따라서, 촛대형상을 가진 필터 성형체를 제조하기 위해서는 원통형 성형체의 일단부를 폐쇄시키고, 타단부의 둘레에 환형의 턱을 부착하여야 하는데, 이 때 미리 원통형 필터 성형체의 일단부를 폐쇄하는 폐쇄판과 환형 턱을 제조한 후에 원통형 필터 성형체의 양단부에 각각 무기접착제를 이용하여 고정시킨다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 압출성형에 의해 성형된 필터 성형체와 정수압 가압성형에 의해 성형된 필터 성형체는 동일한 촛대형태 즉, 원통의 몸체의 일단부는 폐쇄되고, 타단부의 둘레에는 환형 턱이 형성된다.

이와 같이 정수압 성형 또는 압출성형으로 제조된 탄화규소 세라믹스 필터의둘레에 코팅액을 분무하여 코팅한다.

이 때, 코팅 슬러리의 주원료는 탄화규소의 비산화물계 세라믹스로서, 앞에서의 성형체를 제조하기 위해 사용된 주원료인 탄화규소 세라믹스 분말과 동일한 종류이나 성형체의 주원료인 탄화규소 세라믹스 분말에 비해 그 입자크기가 상대적으로 작은 탄화규소의 비산화물계 세라믹스이며, 소결조제로 탄화규소의 질량에 대해 각각 0.5~15.0wt%의 점토 및 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘이 혼합되고, 여기에 0.1~5.0wt%의 카복시메틸셀룰로오즈가 첨가되어 혼합된다. 또한, 슬러리를 분산시키기 위해 0.1~5.0wt%의 분산제 및 기포제거를 위한 0.1~3.0wt%의 소포제가 첨가 혼합된다. 그리고, 용매인 물을 첨가하여 혼합하는데, 여기에 첨가되는 물의 양은 탄화규소 분말에 대해 150.0~250.0wt%가 첨가된다. 이와 같이 혼합된 코팅 슬러리의 원료들은 24시간동안 습식 혼합되어 코팅용 슬러리가 제조된다.

이런 코팅용 슬러리를 성형된 촛대형 탄화규소 세라믹스 필터의 둘레에 분무하여 코팅용 슬러리가 필터의 둘레에 응고되도록 한다.

이와 같이 제조된 성형체를 상온에서 800℃까지 1∼2℃/min의 속도로 승온시키고 800℃에서 1시간 내지 6시간 유지하여 결합제와 분산제 및 이형제 등의 유기물 성형보조제를 제거하고, 800℃에서 1000~1800℃까지 4℃/min의 속도로 승온시킨다. 그리고 상기 1000~1800℃의 온도에서 1시간 내지 10시간 유지하여 소결시킨다. 이렇게 소결된 촛대형 탄화규소 세라믹스 필터를 5℃/min의 속도로 냉각하여 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터를 제조한다.

이와 같이 제조된 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법의 성능시험에 관하여 도면 및 표를 참조하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촛대(candlestand)형 탄화규소 세라믹스 필터 성형체를 나타낸 사진이고, 도 2는 도 1에 도시된 촛대형 탄화규소 세라믹스 필터 성형체에 코팅층이 부착되어 소결된 상태를 나타낸 사진이며, 도 3은 도 1에 도시된 촛대형 필터 성형체의 둘레에 요철부를 형성하여 여과면적을 넓힌 도 1과 다른 형상을 가진 탄화규소 세라믹스 필터의 소결체를 나타낸 사진이다.

도 1 및 도 3 에 도시된 각각의 형상으로 제작된 필터는 총 7개로서 각각에 대하여 실시예를 부여하여 표 1에서와 같이 실시예1~실시예7을 구분하였다.

실시예 1은 정수압 가압성형에 의해 제조된 필터로서, 180㎛의 평균입경을 가지며 필터의 주원료인 탄화규소 분말 8000g의 질량에 대해 5.0wt%인 400g의 점토를 첨가하고 1.0wt%인 80g의 카복시메틸셀룰로오즈를 첨가하여 1시간 동안 혼합하였다. 여기에 1.0wt%인 80g의 분산제 및 1.0wt%인 80g의 탄산칼슘이 분산된 수용액(물의 질량 비 10%인 800g)을 첨가한 후에 다시 30분 동안 혼련하였다. 혼합된 분말들은 상온에서 24시간동안 숙성시켜 물이 골고루 퍼지게 한 후, 300kg/cm²의 성형압력으로 정수압 성형하여 약 60mm의 외경과 약 40mm의 내경 및 약 500mm의 길이를 가지는 필터 성형체를 제조하였다.

상기와 같이 정수압 성형에 의해 제조된 촛대형 필터 성형체의 표면 위에 미세기공이 함유된 탄화규소를 코팅하기 위해 필터의 표면 코팅용 슬러리를 제조하였다. 코팅용 슬러리의 주원료인 15㎛의 평균입경을 가지는 탄화규소 8000g에 0.5wt%인 40g의 점토 및 1.0wt%인 80g의 카복시메틸셀룰로오즈를 첨가하고, 2.0wt%인 160g의 분산제와 1.0wt%인 80g의 소포제 및 용매인 물(탄화규소의 질량에 대해 220.0wt%인 17600g)을 첨가하여 혼합하였다. 그리고, 지르코니아(ZrO₂) 볼(ball)과 함께 폴리에틸렌 용기에 넣은 후 24시간동안 볼 밀링(ball mill)하여 습식혼합하여 코팅용 슬러리를 제조하였다.

그리고, 코팅하고자 하는 필터 성형체를 미리 건조기에 넣어 150∼200℃로 예열한 후 회전하는 받침대에 얹어놓고 천천히 회전시키면서, 상하로 이송하는 분무 압축 분사기(spray gun)의 노즐을 통해 압축공기로 상기와 같이 제조한 코팅액을 분사시켜 일정한 두께의 코팅층을 필터의 둘레 표면에 증착시킨다. 그리고 이런 코팅층을 응고시켜 필터의 둘레에 고착되도록 한다.

상기와 같이 코팅된 필터 성형체를 상온에서 24시간 이상 충분히 건조시킨 후 성형유기물을 제거하기 위해 800℃까지 1.5℃/min의 속도로 승온시켜 6시간 유지하였고, 그 후 1400℃까지 4℃/min으로 승온시켜 10시간 유지하여 소결시켰고, 이후 5℃/min의 속도로 냉각하여 탄화규소 촛대형 필터를 제조하였다. 필터의 지지층의 기공율과 기계적 강도, 그리고 코팅된 필터의 압력손실과 집진효율을 표 1에 나타내었다.

그리고, 실시예 2 내지 5는 실시예 1과 비교하였을 때, 성형압력을 350, 400, 450, 300으로 하여 성형체를 제조하고 소결하였으며, 실시예 5는 촛대형이 아닌 절곡형상을 가진 필터이다.

한편, 실시예 6과 실시예 7은 압출성형으로 제조된 성형체이며, 실시예 7은 실시예 5와 같이 절곡형 필터이다.

실시예 6과 실시예 7은 180㎛의 평균입경을 갖는 탄화규소 분말의 질량에 대해 1㎛이하 입경을 가지는 탄소분말을 유기 및 무기결합제와 함께 약 30분 동안 건식혼합하였다. 그 후 분산제, 가소제 등 액상 유기첨가제, 이형제, 증류수 등과 함께 약 2시간 동안 추가로 혼련하였다.

탄소분말의 첨가량은 탄화규소 분말에 대해 부피를 100vol%라하고 여기에 부피비로 2.5vol%에 해당하는 136g을 첨가하고, 무기결합제인 점토와 탄산칼슘의 첨가량은 탄화규소 분말의 질량을 100wt%라 하였을 때에 100wt%에 대해 각각 5.0wt%인 400g와 1.0wt%인 80g을 첨가하였고, 유기결합제인 메틸셀룰로오즈, 분산제 및 이형제는 각각 5.0wt%인 400g, 3.0wt%인 240g, 1.0wt%인 80g이 되도록 원료 조합하였다. 혼합된 시료는 상온에서 24시간 동안 수분증발을 방지하면서 숙성하였으며, 그 후 원통형 압출몰드를 압출성형기에 부착한 후, 진공상태로 탈기하면서 원통형으로 압출성형하였다. 압출성형된 필터의 성형체 치수는 최종 건조길이가 약 외경 60mm, 내경 40mm, 길이 1000mm가 되도록 제어하였다. 그 후 원하는 크기로 압출된 필터는 바로 성형체를 회전시킬 수 있는 건조대에 옮겨 직진도를 유지하면서 상온에서 72시간 이상 건조하였다. 그리고, 실시예 6의 성형된 필터에는 성형체 양단처리 즉 원통의 일단부에 필터재질과 동일한 탄화규소의 폐쇄판과 타단부의 둘레에 역시 동일한 탄화규소 재질의 환형 턱을 부착 고정하는 처리를 통해 촛대형 필터로 제조하였으며 그 자세한 제조방법은 실시 예1의 성형체 제조방법과 동일하다.

그리고, 폐쇄판과 환형 턱을 원통형 필터의 양단부에 부착하기 위해 사용되는 무기접착제는 실리카졸(silica sol)과, 탄화규소의 성형체 또는 소결체 분말 및, 증류수를 각각 1:1:1의 비로 혼합용액을 제조한 후 압출성형된 필터의 접촉면에 도포하고 폐쇄판과 환형 턱을 상온에서 접착시키고, 건조기에서 충분히 건조시켜 결합되도록 하였다.

이렇게 제조된 탄화규소 필터 지지층 표면에 코팅액을 분무하여 상대적으로 적은 기공을 갖는 표면층을 코팅하였다.

상기와 같이 코팅된 필터를 상온에서 24시간 이상 충분히 건조시킨 후 성형유기물을 제거하기 위해 800℃까지 1.5℃/min의 속도로 승온시켜 6시간 유지하였고, 그 후 1400℃까지 4℃/min으로 승온시켜 10시간 유지하여 소결시켰고, 이후 5℃/min의 속도로 냉각하여 탄화규소 촛대형 필터를 제조하였다.

한편, 비교예 1의 필터는 1992년 국내에서 개발된 산화물 촛대형 필터로서, 비교예 1의 필터는 외경 60mm, 내경 40mm, 길이 600mm로써 본 발명에서 개발된 필터와 유사한 크기의 필터이고, 점토 결합제 대신 알루미나-실리카 계통의 뮬라이트(mullite) 섬유(fiber)가 포함된 필터이다.

표 1에서의 압력손실 실험조건은 먼지부하 300g/m², 여과속도 7cm/sec이고, 집진효율 실험조건은 먼지부하 900g/m², 여과속도 9cm/sec로 하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 탄화규소 세라믹스 필터 소결체는 코팅층 및 기공의 제어에 의해 압력손실이 크지 않으면서도 총괄 집진효율이 99.99%이상으로 대부분의 미세먼지 입자를 제거할 수 있고, 상온강도가 우수한 특성을 나타냈으며, 이에 비해 비교예 1은 필터 소결체의 기공율이 매우 높으나, 성능평가결과 총괄 집진효율이 본 발명에서 제조된 세라믹스 필터에 비하여 낮음을 알 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 의해 제조된 필터는 코팅층에 의해 미세한 먼지를 집진할 수있으며, 필터의 소결체에 의해 기계적 강도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 있어서,

   탄화규소 세라믹스 분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와;

   숙성된 원료를 가압하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와;

   상기 성형된 필터 성형체에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와;

   상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 성형하는 단계에서는 숙성단계를 거친 혼합물을 100~800kg/cm²의 성형압력으로 가압하여 성형체를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법.
3. 코팅층이 형성된 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법에 있어서,

   탄화규소 세라믹스 분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 부피를 100vol%로 기준하여 상기 100vol%에 대해 0.1~30.0vol%의 탄소분말과, 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 무기결합제와 3.0~20.0wt%의 유기결합제와 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘과 0.1~15.0wt%의 분산제와 0.1~3.0wt%의 이형제 및 10.0~35.0wt%의 물을 혼합하여 숙성하는 단계와;

   숙성된 원료를 압출하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와;

   상기 성형된 필터 성형체에 코팅액을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와;

   상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 코팅액은 탄화규소 세라믹스 분말과, 상기 코팅액의 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 0.5~15.0wt%의 점토와 0.1~5.0wt%의 탄산칼슘과 0.1~5.0wt%의 카복시메틸셀룰로오즈와 0.1~5.0wt%의 분산제와 0.1~3.0wt%의 소포제 및 150~250wt%의 물을 혼합한 액상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 코팅층이 형성된 성형체를 소결하는 단계에서는

   코팅층이 형성된 성형체를 상온에서 800℃까지 1∼2℃/min의 속도로 승온하는 제 1 단계와, 800℃에서 1시간 내지 6시간 유지하는 제 2 단계와, 800℃에서1000~1800℃까지 4℃/min의 속도로 승온하는 제 3 단계와, 승온된 1000~1800℃의 온도에서 1시간 내지 10시간 유지하는 제 4 단계 및, 상기 제 4 단계에서 유지된 온도로부터 5℃/min의 속도로 상온까지 냉각하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법.