KR100576985B1 - 연소배기가스 정화촉매 담체 제조용 세라믹 페이퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소배기가스 정화촉매 담체 제조용 세라믹 페이퍼에 있어서, 알루미나실리카 화이버 100중량부에 대하여 30∼40％의 액상 유기바인더 9∼15중량부, 40∼50％의 액상 무기바인더 3∼12중량부, 5∼15％의 액상 황산알루미늄 3∼20중량부로 조성된 조성물로 초지하여 제조된 세라믹 페이퍼에 관한 것이다.

본 발명의 세라믹 페이퍼로 제조된 하니컴 구조의 연소배기가스 정확촉매용 담체는 공극율이 높아 연소배기가스의 압력 손실을 줄여 촉매의 정화효율을 높여줄 수 있고 우수한 강도와 유연성을 갖는다.

Description

연소배기가스 정화촉매 담체 제조용 세라믹 페이퍼

최근 연소효율의 증대와 환경보호 수단의 일환으로 다양한 자동차 연소 배기가스 정화용 촉매가 개발되고 있다. 특히, 촉매에 의한 연소배기가스의 압력손실을 줄여 정화효율을 높일 수 있는 촉매 지지용 담체 구조에 관한 개발이 활발하며 현재는 허니컴(Honeycomb) 구조체가 제일 우수한 것으로 알려져 있다.

연소배기가스 정화용 촉매는 다공성 담체에 백금(pt), 팔라듐(pd) 등의 귀금속을 담지시켜서 된 촉매가 사용되면서 담체에 의한 연소배기가스의 압력 손실을 줄여 정화효율을 높여주기 위한 방안으로 다공성 담체를 허니컴 구조로 하여 사용하고 있다.

그러나 현재 사용되고 있는 허니컴 구조체의 담체들은 황성백토, 규조토 등의 점토질 물질을 허니컴 구조체로 압출성형한 후 소성하여 제조하므로서 소성과정에서 소결로 인하여 이 점토질이 코어디어라이트(Cordierite : Mg, Fe의 알루미노규산염광물)로 변하면서 공극율이 떨어지고 그에 따라 여기를 통과하는 연소배기가스의 압력손실이 커져서 정화효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.

최근에는 세라믹 섬유를 초지하(抄紙化)하여서 된 세라믹 페이퍼를 성형가공하여 허니컴 구조체를 만들고자 하는 방안이 제안된 바 있다. 이 세라믹 페이퍼 형태의 구조체는 소결로 인한 공극율의 감소하는 문제점은 해결하였지만 아직도 강도가 약하다는 문제가 남아 있다.

일본특허공보 소61-230746에 기재되어 있는 촉매담체는 세라믹 페이퍼 조성에 금속섬유(섬유상 스텐레스)를 첨가하여 세라믹 페이퍼의 곡강도와 성형성을 향상시켰다고 말하고 있다. 그러나, 이것으로는 촉매담체로 이용하는데 있어서는 공극률 조절이 용이하지 않다는 문제가 있다.

본 발명은 응집제 사용을 통해 유기바인더 및 무기바인더와 세라믹 화이버(Ceramic fiber)를 결합시켜 소성전 가공성을 용이하게 하고, 소성 후 공극률 조절 가능하도록 하는 것에 그 목적을 두고저 하는 것이다.

세라믹 섬유지를 적층하여 이루어진 허니컴 구조체는 내열성 및 내식성이 좋으며, 압출성형으로 성형한 것보다 가벼워서 연소배기가스의 압력손실이 적어 기상반응용 촉매와 열교환소자로서 주목받고 있다. 종래의 허니컴 구조체는 세라믹 페이퍼간 적층되는 접합점에 콜로이달 실리카, 콜로이달 알루미나 등의 무기질 접합제의 경화물을 붙여 놓으므로서 허니컴 구조체의 형상안정과 강도를 유지하였다.

세라믹 페이퍼는 종이상 시트이므로 세라믹 섬유를 통상의 지(紙)가공법으로 성형, 엠보스하거나 접합이 간단하기 때문에 내열성, 전기특성, 다공성 및 흡착기능을 활용하는 구조체로서의 개발이 활발히 진행되고 있다. 골이지게 콜루게이트(Corrugate)가공을 통해 제조된 허니컴(Honeycomb)구조체는 열교환기, 촉매담체, 제습기, 환경정화장치용 필터, 단열재 등의 용도가 기대된다.

현재 배기가스 정화장치의 촉매담체용 허니컴 구조체는 압출 방법으로 제조되고 있다. 이 압출된 세라믹 허니컴 구조체는 공극율이 높지 않아 압력 손실이 커 정화효율이 낮다. 본 발명의 목적은 종래의 허니컴 구조체를 본 발명의 세라믹 섬유지를 이용하여 기공성 즉 공극률을 높여 주고자 하는데 있다. 즉 본 발명의 목적은 공극율이 높은 허니컴 구조체 제조용 세라믹 섬유지를 제공하는데 있다. 이 목적을 달성하기 위해 응집제를 이용하여 유기바인더와 무기바인더의 배합비 조절로 유연성과 다공성 등의 물성이 조절 가능하여 연소배기가스 정화촉매용 담체제조에 적합한 세라믹 섬유지를 제공하고자 하는 것이다.

촉매담체용 허니컴 구조체는 두께는 0.2∼0.8mm정도, 공극률은 40∼85％ 정도가 적당하고 열교환소자용 경우에는 30∼75％ 정도가 알맞다.

세라믹 페이퍼는 여기에 사용되는 세라믹 화이버, 유기 바인더와 무기 바인더에 따라 페이퍼의 공극률 및 물성이 좌우되며 세라믹 페이퍼내의 유/무기 바인더 잔존량은 응집효과를 보일 수 있는 응집제에 의해 죄우된다.

일반적으로 세라믹 섬유는 유리섬유나 석면등 대량으로 생산될 수 있는 것으로부터 탄소섬유 등 특수한 것까지 다양하다. 종래의 허니컴 구조체는 뮬라이트계(mullite)섬유를사용하였으니 본 발명에서는 알루미나실리카계 화이버를 사용하였다. 고운 1260℃∼1430℃에서 사용 가능한 알루미나실리카계 세라믹화이버의 조성은 알루미나 30∼33wt％, 실리카 45∼49wt％, 지르코니아 20∼24wt％로 구성된다.

세라믹 페이퍼를 구성함에 있어서, 세라믹 화이버의 함유량은 65∼80중량부 정도의 것이 적당하다. 80wt％이상이면 곡강도가 떨어져 허니컴 구조를 만들기에 적합하지 않으며 65중량부 이하이면 공극율이 낮아 연소배기가스의 압력손실이 너무 많아지게 된다. 세라믹 화이버의 평균지름은 낮은 압력손실과 높은 미립자 포집효율을 갖기 위해 1∼20㎛ 정도가 적합하다. 보통 필터의 표면적이 증가할 때 압력손실과 압력손실의 증가속도는 감소한다.

유기바인더의 종류로는 우레아수지 에멀젼, 페놀수지 에멀젼, SBR(Stylene-Butadiene-Rubber)라텍스, 염화비닐수지라텍스, 전분수용액, 아크릴계 에멀젼 등이 사용될 수 있다.

무기바인더의 종류로는 콜로이달 실리카, 규산나트륨, 중아인산 알루미늄(Aluminiumbiphosphite)콜로이달 알루미나 등이 있다. 콜로이달 실리카와 콜로이달 알루미나는 분산성이 우수하고 고강도를 얻을 수 있다는 이점이 있다.

유기바인더를 단독으로만 사용하여 세라믹 페이퍼를 제조할 경우 소성전 유연성은 좋으나 소성후 세라믹 화이버에 부착되었던 유기바인더가 완전히 소실되므로 세라믹 페이퍼의 형태가 유지되기 어렵게 된다.

유기바인더와 무기바인더를 혼합하여 사용할 경우에는 소성전 강도는 물론 소성후에도 세라믹 화이버 표면에 부착된 무기바인더 입자와 세라믹화이버가 서로 열융착을 하기 때문에 세라믹 페이퍼 제품 자체의 형태를 유지할 수 있게 된다.

따라서 세라믹 페이퍼 제조시 소성전 유연성 및 소성후 강고 유지와 우수한 공극률의 물성을 얻기 위하여 유기바인더와 무기바인더를 적량 혼합 사용하는 것이 좋다.

세라믹 화이버에 유기바인더와 무기바인더를 응집시켜 바인더의 손실을 최소화하기 위하여 응집제를 사용하였다. 응집제로서는 무기응집제와 유기응집제가 있으며 무기응집제로서는 황산알루미늄, 염화제이철 등이 있고 유기응집제로는 폴리에틸렌이민, 옥살산, 아스코르빈산 등이 있다.

비섬유화 입자를 제거한 알루미나실리카 화이버에 슬러리 농도가 5∼20wt％정도가 되도록 물을 가하고 여기에 유기바인더인 아크릴수지 에멀젼 30∼40％ 용액을 세라믹 화이버 100 중량부 대비 9∼15 중량부를 투입하여 5∼10분간 혼합 교반한다.

다음에 이상의 혼합 슬러리에 무기바인더인 콜로이달 실리카 40∼50％ 용액을 세라믹 화이버 100 중량부 대비 3∼12 중량부 투입하고 5∼10분간 혼합시킨다. 그 다음에 세라믹 화이버에 유/무기 바인더의 응집을 위해 응집제로서 황산 알루미늄 5∼15％의 용액을 세라믹 화이버 100 중량부 대비 3∼20중량부 투입하여 5∼10분간 혼합 교반한다.

이상의 원료 혼합 과정은 도면 제1도에 나타내었다.

세라믹 페이퍼의 성형공정은 성형장치에 혼합 슬러리를 투입하여 물을 제거한 후 시편을 건조 오븐이나 전자렌지에서 건조시킨다. 건조된 시편은 1200℃의 전기로에서 3시간 동안 소성시키낟. 이렇게 하여 두께 0.5∼2.0mm의 세라믹 페이퍼를 제조한다.

이상의 세라믹 페이퍼의 성형공정은 제2도에 도식으로 나타내었다.

실시예 1

본 발명에서는 유/무기 바인더의 손실을 최소로 하여 목표물성이 나타나는 최소 응집제 사용량을 알아보기 위하여 아래의 조성에 따라 세라믹 페이퍼를 제조하였다. 본 발명에서는 응집제로 황산알루미늄을 사용하였다.

세라믹 페이퍼의 배합비와 물성비교 결과는 아래와 같다.

[표 1]

실시예 2

본 발명에 있어 유기바인더를 사용하여 세라믹 페이퍼를 제조하였을 경우 소성전 세라믹 페이퍼의 유연성을 부여할 수 있는 유기바인더의 최소사용량을 알아보기 위하여 아래와 같은 배합비로 세라믹 페이퍼를 제조하였다. 세라믹 페이퍼 제조방법은 실시예 1의 방법과 동일하다.

세라믹 페이퍼의 배합비와 물성비교 결과는 아래와 같다.

[표 2]

실시예 3

본 발명에 있어 무기바인더를 사용하여 세라믹 페이퍼를 제조하였을 경우 소성전 세라믹 페이퍼의 강도를 부여할수 있는 무기바인더의 최소사용량을 알아내기 위하여 아래와 같은 배합비로 세라믹 페이퍼를 제조하였다. 세라믹 페이퍼 제조방법은 실시예 1의 방법과 동일하다.

세라믹 페이퍼의 배합비와 물성비교는 아래와 같다.

[표 3]

이러한 배합비 조절 실험과 함께 응집효과를 나타내는 응집제의 사용결과 유/무기 바인더의 사용량을 최소화시키면서 강도와 공극율 유지 및 유연성을 만족시키는 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 페이퍼 형태의 제품들이 가지는 특징중의 하나인 유연성과 입자들을 흡착하는공극률 등의 물성을 응집제 사용에 의해 유기바인더와 무기바인더의 상호 작용으로 조절 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 세라믹 페이퍼 제조 공정중 원료 혼합과정을 나타낸 블록 구성도이고,

도 2는 본 발명의 세라믹 페이퍼로 제조되는 원통형 허니컴 구조체의 성형공정을 나타낸 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:세라믹 페이퍼 2:콜루게이트(Corrugate)된 세라믹 페이퍼

3:세라믹 페이퍼로 구성된 판상의 허니컴 구조체

4:판상의 세라믹 허니컴 구조체를 로울러로 말아서 구성시킨 원통형 허니컴 구조체

Claims (3)

1. 연소배기가스 정화촉매 담체 제조용 세라믹 페이퍼에 있어서, 알루미나 실리카 화이버 100중량부에 대하여 30∼40％의 액상 유기바인더 9∼15중량부, 40∼50％의 액상 무기바인더 3∼12 중량부, 5∼15％의 액상 황산알루미늄 3∼20 중량부로 조성된 조성물로 초지하여 제조된 세라믹 페이퍼.
2. 제1항에 있어서, 유기바인더가 우레아수지에멀젼, SBR라텍스, 염화비닐수지라텍스, 전분수용액 또는 아크릴에멀젼 중에서 선택된 세라믹 페이퍼.
3. 제1항에 있어서, 무기바인더가 콜로이달실리카, 규산나트륨중 아인산알루미늄, 콜로이달알루미나 중에서 선택된 세라믹 페이퍼.