KR100472124B1 - 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포말법을 이용하여 다공성 세라믹스를 제조하는 경우 슬러리를 발포할 때 발생되는 포말의 크기를 비교적 균일하게 유지시키기가 어려워 기공의 크기가 달라지는 문제점이 있기 때문에,

평균 입도가 3㎛인 점토질 세라믹 분말체에 물을 가하여 고체의 농도 30vol% 내지 60vol%, 점도 100cp 내지 400cp의 슬러리를 제조하는 제1단계와, 슬러리에 6wt%의 음이온 계면활성제를 투입하고 80℃ 내지 120℃ 범위로 승온시키면서 교반시키는 혼합법을 이용하여 발포가 이루어지도록 하는 제2단계와, 발포 슬러리를 석고형에 주입하여 성형하는 고정주입법(slip casting)을 이용하여 성형한 후 건조시키는 제3단계와, 건조된 성형체를 1150℃ 내지 1200℃의 온도로 소성하여 다공성 세라믹스를 제조하는 제4단계로 이루어짐으로써,

비교적 균질한 크기의 기공이 형성되어 기공율 등의 물리적 성질이 우수한 다공성 세라믹스를 얻을 수 있도록 하는 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법에 관한 것이다.

Description

계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법 { Fabricating method of porous ceramics using surfactant }

본 발명은 다양한 용도로 사용되고 있는 세라믹스를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 내부에 기공이 형성되어 경량화된 세라믹스를 제조하기 위하여 계면활성제를 투입하여 발포가 원활히 일어나도록 함은 물론 비교적 균질한 크기의 기공이 형성되고 높은 기공율을 가진 세라믹스를 제조할 수 있도록 한 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 도자기 및 식기나 건축자재로 사용되고 있는 세라믹스는 내구성 및 내열성이 우수하여 내구성이 약하고 공해 성분을 방출하는 플라스틱 제품을 대체하여 사용되고 있으나, 중량이 무겁다는 단점이 있다. 따라서 장정은 살리면서단점을 보완할 수 있도록 보다 경량의 세라믹스 제품을 요구하고 있는 실정이며, 이를 만족하는 것이 다공성 세라믹스(porous ceramics)이다.

다공체란, 무기질이나 유기질 또는 천연물이나 인조물 등 그 재질에 관계없이 고체 내부에 다수의 세공을 갖는 상태에서 각종 재료로서 사용되는 것의 통칭이다. 특히, 다공성 세라믹스는 그 세공의 크기, 형상, 기동율 등에 의해 다양한 물리, 화학적 특성을 가지고 있어 다양한 용도로 사용되고 있다. 세라믹스는 유기나 금속 재료에 비해 내열, 내식성이 우수하여 고온이나 내식성이 요구되는 분야에서 주로 사용되고 있는데, 다공성 세라믹스는 건축재료, 생활용품, 자동차용품 및 산업분야의 경량화를 위해 사용되고, 방음, 방습, 방진, 차음, 보온 등의 기능성을 가지고 있다. 최근에는 세공의 물리, 화학적 성질을 정밀하게 제어하여 고기능성 분야인 화학 물질의 분리, 정제, 이온교환, 촉매작용 등 화학 분야로의 이용이 점차 확대되고 있다.

상기한 다공성 세라믹스를 제조하는 방법으로는 중합체 스폰지 방법, 소성 온도를 조절하여 구성입자 사이의 간극을 이용하는 방법, 발포제나 유기물을 혼합하여 이들이 차지하고 있는 공간을 이용하는 방법, 동결 건조법을 이용하는 방법, 슬러리를 발포하여 포말 중의 기포를 기공으로 이용하는 방법 등이 있다.

상기한 중합체 스폰지 방법은 제조된 다공체의 물성은 우수하지만 다양한 형태의 다공체를 제조하기 어려운 단점이 있다. 또, 소성온도를 조절하여 구성입자 사이의 간극을 이용하는 방법은 입자의 크기와 충전법에 따라 형성되는 기공의 크기와 기공율이 결정되므로, 다공체의 물성을 비교적 쉽게 제어할 수 있으나 기공율의 한계가 있다. 발포제나 유기물을 혼합하여 이들의 공간을 이용하는 방법은 제조공정이 간단하고 부피비중은 낮지만 기공 크기를 제어하는데 한계가 있다. 또, 동결건조법을 이용한 방법은 출발원료를 다공질 미립자로 하는 것으로, 어느 정도의 기계적 강도를 갖는 가압 조건을 찾기가 어려운 단점이 있다.마지막으로, 슬러리를 발포하여 포말중의 기포를 기공으로 이용하는 포말법도 그중 하나이다. 슬러리를 발포시켜 다공성 세라믹스를 제조하는 방법은 출발 원료의 제약이 적고 소성체의 기공율 조절이 용이하며 원하는 모양이나 망상형 다공체도 제조할 수 있는 특징이 있다.그러나, 상기한 포말법을 이용하여 다공성 세라믹스를 제조하는 방법은 슬러리를 발포할 때 발생되는 포말의 크기를 비교적 균일하게 유지시키기가 어려워 기공의 크기가 달라지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 슬러리에 계면활성제를 투입하여 교반시키면서 발포가 이루어지도록 하여 비교적 균일한 크기의 기공이 형성되어 물리적 성질이 우수한 다공성 세라믹스를 얻을 수 있도록 한 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 슬러리(slurry) 제조, 발포, 성형, 건조 및 소성 공정으로 이루어진 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법을 제공한다.본 발명에 의한 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법은,평균 입도가 3㎛인 점토질 세라믹 분말체에 물을 가하여 고체의 농도 30vol% 내지 60vol%, 점도 100cp 내지 400cp의 슬러리를 제조하는 제1단계와,슬러리에 6wt%의 음이온 계면활성제를 투입하고 80℃ 내지 120℃ 범위로 승온시키면서 교반시키는 혼합법을 이용하여 발포가 이루어지도록 하는 제2단계와,발포 슬러리를 석고형에 주입하여 성형하는 고정주입법(slip casting)을 이용하여 성형한 후 건조시키는 제3단계와,건조된 성형체를 1150℃ 내지 1200℃의 온도로 소성하여 다공성 세라믹스를 제조하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하며,상기와 같이 구성된 본 발명의 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법은 100㎛ 내지 500㎛의 균질한 기공을 가진 다공성 세라믹스를 얻을 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.본 발명에 의한 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 점토질 세라믹 분말체와 물을 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 슬러리에 계면활성제를 투입하여 발포시키고, 고정주입법으로 성형하여 건조시킨 후, 고온으로 소성하는 공정으로 이루어진다.여기서 세라믹이란 열처리에 의하여 제조된 비금속의 무기질 고체재료의 통칭이며, 세라믹 분말체란 세라믹 제품을 제조하는 출발원료로서 점토질 원료를 비롯하여 고형화가 가능한 무기질의 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 탄화물(Carbide) 등의 분말체를 말한다.점토란 암석이 풍화 분해되어 이루어진 지름 2㎛이하의 토양 입자를 말하며, 그 조성은 모암의 성분에 따라 다르나 일반적으로 SiO₂를 비롯하여 Al₂O₃, MgO, FeO, Fe₂O₃, CaO, Na₂O, K₂O , TiO₂등으로 되어 있고, 규산알루미늄의 결정구조를 주체로 하고 있다.

상기 제1단계에서는, 먼저 상기 점토질 세라믹 분말체를 평균 입도가 3㎛가 되도록 분쇄한다. 다공성 세라믹스의 골격(strut)을 형성하는 슬러리의 원료입자는 입자의 크기가 증가될수록 기공의 크기가 증가되며, 평균 입도가 3㎛일 경우에 100㎛ 내지 500㎛의 비교적 균질한 크기의 기공을 형성시킬 수 있다.다음으로, 분쇄된 점토질 세라믹 분말체에 물을 가하여 슬러리를 제조하는데, 세라믹 분말체의 농도를 30vol% 내지 60vol%의 범위로 하고, 슬러리의 점도는 100cp 내지 400cp가 되도록 조절한다. 점도가 100cp보다 낮은 경우에는 발포력은 우수하나 형성된 포말의 안정성이 현저히 낮아지고, 점도가 400cp보다 높은 경우에는 발포력이 현저히 약해진다.상기 제2단계에서는, 제1단계에서와 같이 제조된 슬러리에 6wt%의 음이온 계면활성제를 투입하고 교반과 승온을 통해 발포가 이루어지도록 한다.여기서 계면활성제란 수용액 속에서 그 표면에 흡착하여 표면장력을 현저하게 저하시키는 물질을 말하며, 음이온 계면활성제란 수용액에서 이온화하여 활성의 주체가 음이온이 되는 계면활성제를 말하는데, 음이온 계면활성제로서는 비누(RCOONa, R: C9H19~C17H35)를 비롯하여 합성세제로 사용되는 직쇄알킬벤젠술폰산나트륨(LAS), 알파올레핀술폰산나트륨(AOS) 등이 있다. 포말을 형성하는 방법으로서는 외부에서 기체를 공급하여 강제적으로 기포를 형성시키는 분산법과 온도나 압력 조절을 통해 액체 속의 기체를 석출시키는 농축법을 모두 사용하는 혼합법을 이용한다. 즉, 자석 또는 임펠러 교반기를 통해 슬러리를 3시간 이상 교반시킴으로써 외부 공기가 주입되도록 하고, 가열하여 80℃ 내지 120℃ 범위로 점차 승온시킴으로써 슬러리에 포함된 기체가 석출되도록 한다.여기서, 발포를 위해 첨가되는 음이온 계면활성제의 투입량에 따라 발포시간과 다공성 세라믹스의 물리적 성질이 달라지는데, 초기 슬러리의 점도에 영향을 주지 않으면서 최적의 포말량을 주는 계면활성제의 농도는 6.0wt%이다. 상기 계면활성제의 농도가 6.0wt%가 될 때까지는 계면활성제의 농도 증가에 따라 표면장력이 감소되기 때문에 슬러리의 부피가 일정량에 도달하는 발포시간이 단축되며, 계면활성제의 농도가 6wt%이상이 되면 슬러리의 점도가 증가되어 발포력이 감소되고 발포시간이 증가한다. 완성된 다공성 세라믹스의 기공률과 흡수율 및 수축률도 계면활성제의 투입량이 6wt%가 될 때까지는 비례하여 증가하나 6wt%를 넘어서면 반비례하며, 비중은 계면활성제의 농도 증가에 따라 감소되다가 6wt%를 넘어서면 증가한다.상기 제3단계에서는, 다공성의 발포 슬러리를 석고 몰드에 주입한 후 탈형시키는 고정주입법을 통해 필요한 형태로 성형한다. 이러한 고정주입법(slip casting)은 정교한 성형 방법으로서 식기용 경량 도자기의 제조에 사용될 수 있으며, 기존의 발포 슬러리에서는 기공 크기의 제어가 불가능하여 사용되지 못하던 방법이다.상기 제4단계에서는, 다공성 성형체의 건조가 완료되면 소성을 통하여 다공성 세라믹스를 완성한다. 소성은 1150℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행한다.

이하, 본 발명을 실시예와 실험예에 의하여 보다 상세히 설명한다.다만, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.<실시예 1> 점토와 분말세제를 이용한 다공성 세라믹스의 제조출발원료인 세라믹 분말체로 이차점토(성분 및 질량비: SiO₂57.8%, Al₂O₃25.9%, K₂O 2.45%, F₂O₃1.25%, TiO₂0.40%, MgO 0.34%, CaO 0.29%, Na₂O 0.26%, Ig.loss 11.3%, Total 99.99%)를 사용하였으며, 점토의 평균입도가 침강분석법으로 측정하였을 때 약 3㎛가 되게 분쇄한 후, 물을 가하여 점토의 농도를 30~60vol%로 하였고, 음이온 계면활성제인 분말세제(상표명: HAITAI)를 6wt%를 첨가하여 상온에서 80~120℃ 범위로 승온시키면서 3시간 동안 자석 교반기에서 분산시킨 후, 발포 슬러리를 석고형에서 고정주입법으로 성형하여 건조한 다음, 건조된 시편을 1150℃로 소성하였다.그 결과 겉보기 기공율은 약 45%, 흡수율 약 50%, 부피비중 약 0.9, 압축강도 약 70kgf/㎠인 다공성 세라믹 소결체를 얻을 수 있었다. SEM사진으로 확인한 결과 소성시편의 기공크기는 100㎛ 내지 250㎛이었고, 시편 내부에서는 기공과 기공이 윈도우(window)를 통해 연속성 기공으로 서로 연결되어 있었다. 한편, 건조만 한 시편의 기공크기는 200㎛ 내지 300㎛이었다.

<실험예 1> 계면활성제의 농도에 따른 슬러리 발포시간의 변화상기 실시예 1과 동일한 조건으로 하되, 음이온 계면활성제의 첨가량을 0.5wt%에서 13wt%까지 변화시키면서 발포시간의 변화를 측정하였다.도 2는 계면활성제의 농도에 따라 초기 슬러리가 2배가 되도록 포말량이 형성되는데 소요되는 시간의 변화를 나타낸 도면인데, 발포시간을 초기 슬러리의 2배가 되는 시간으로 설정한 이유는 계면활성제의 농도가 낮은 경우에는 2배를 넘지 못하고 농도가 높더라도 3배를 초과하지 못했기 때문이다.슬러리의 발포시간은 계면활성제의 농도가 6.0wt%가 될 때까지 감소되다가 6.0wt% 이상에서는 다시 증가되었다.<실험예 2> 계면활성제의 농도에 따른 다공성 세라믹스의 물리적 성질역시 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 하되, 음이온 계면활성제인 분말세제의 첨가량을 0.5wt%에서 13wt%까지 변화시키면서, 소성 시편의 겉보기 기공율, 흡수율, 비중, 수축율 등 물리적 성질을 측정하였다.도 3a와 도 3b에는 계면활성제의 농도 변화 및 소성온도에 따른 다공성 세라믹스의 물리적 성질 변화가 도시되어 있다. 도 3a와 도 3b를 살펴보면, 계면활성제의 농도가 증가됨에 따라 기공률과 흡수율 및 수축율이 증가되다가 6wt%를 넘어서면 감소되고, 비중은 계면활성제의 농도 증가에 따라 감소되다가 6wt%를 넘어서면 증가됨을 알 수 있다. 또한, 도 3a와 도 3b에서는 소성 온도가 1150℃에서 1200℃로 상승함에 따라 소성 시편의 수축율 및 비중은 증가하고 기공율 및 흡수율은 감소하는 경향을 나타내고 있다

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법은 비교적 균질한 크기의 기공이 형성되어 기공율 등의 물리적 성질이 우수한 다공성 세라믹스를 얻을 수 있도록 하는 이점이 있다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

도 1은 본 발명에 의한 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법의 공정 흐름이 도시된 순서도,

도 2는 계면활성제의 농도 변화에 따른 슬러리 발포시간의 변화를 나타낸 도면,

도 3a와 도 3b는 계면활성제의 농도 및 소성 온도의 변화에 따른 소성시편의 물리적 성질의 변화를 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 평균 입도가 3㎛인 점토질 세라믹 분말체에 물을 가하여 고체의 농도 30vol% 내지 60vol%, 점도 100cp 내지 400cp의 슬러리를 제조하는 제1단계와, 슬러리에 6wt%의 음이온 계면활성제를 투입하고 80℃ 내지 120℃ 범위로 승온시키면서 교반시키는 혼합법을 이용하여 발포가 이루어지도록 하는 제2단계와, 발포 슬러리를 석고형에 주입하여 성형하는 고정주입법(slip casting)을 이용하여 성형한 후 건조시키는 제3단계와, 건조된 성형체를 1150℃ 내지 1200℃의 온도로 소성하여 다공성 세라믹스를 제조하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 계면활성제를 이용한 다공성 세라믹스 제조방법.
2. 삭제