KR100703980B1 - 세라믹 필터의 제조방법 및 이를 이용한 세라믹 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 필터의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 세라믹 필터에 관한 것으로, 특히 별도로 수지거품을 발생시켜 준비하는 단계, 상기 준비된 수지거품을 세라믹 슬러리에 주입하여 혼합하는 단계, 상기 혼합된 혼합물을 일정형상의 몰드에 주입한 후, 이를 경화 및 건조하여 성형물을 제조하는 단계 및 상기 건조된 성형물을 소성(燒成)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법 및 이와 같은 제조방법에 의하여 제조되는 세라믹 필터에 관한 것으로 이를 통하여 균일한 기공크기를 가지는 세라믹 필터를 제공할 수 있고, 고온에서 탁월한 여과성능을 가지는 세라믹 필터를 제공할 수 있다.

수지거품, 세라믹 필터

Description

세라믹 필터의 제조방법 및 이를 이용한 세라믹 필터 {METHOD OF PREPARING CERAMIC FILTER AND CERAMIC FILTER USING THE SAME}

본 발명은 세라믹 재질로 이루어진 필터여재가 그 내부에 위치에 관계없이 고르게 균일한 크기의 기공을 가짐으로써 여과특성이 우수하고, 고온에서 탁월한 여과성능을 가지는 세라믹 필터의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 세라믹 필터에 관한 것이다.

산업화에 따른 분체, 분진, 미세분진, 오염물질의 배출량이 늘어나고 있고, 이에 따라 이들을 여과하기 위한 다양한 필터 및 여재의 개발이 이루어지고 있는 실정이다.

또한 이러한 필터가 많이 사용되어지는 곳으로는 상온의 공기를 여과하는 곳도 많이 있으나, 고온의 배출가스를 배출하는 다양한 설비가 존재하며, 이에는 소각로, 발전소, 화학공장 등을 들 수 있다.

따라서 이러한 고온의 배출가스의 경우에는 일반적으로 사용되는 부직포 필터의 경우에는 고온의 가스 및 가스에 섞여 배출되는 불똥 등에 의하여 필터가 파손이나, 화재가 발생하는 경우가 있어서, 이러한 분야에 적용이 가능한 세라믹 필 터의 개발이 요구되어진다.

이러한 분야에 사용되는 세라믹 필터를 제조하기 위하여 공지에 다양한 방법이 제시되어지고, 이 중에서 대한민국 특허출원 제10-1998-47443호, 제10-2001-35471호 등에서는 발포제와 세라믹 재질을 혼합하여 이를 성형틀 내에서 발포하여 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제시하고 있으나, 이 경우에는 필터여재의 기공으로 되는 기포의 발포가 성형틀 내에서 이루어지므로, 필터의 여과성능을 결정하는 필터여재 내의 기공의 크기가 여재 전체에 대하여 고르지 못한 문제점이 있다. 즉, 성형틀내에서의 발포에 따른 기공의 형성은 성형틀과 접촉한 부분이나 그 근방에서는 기포간의 조대화가 활발히 이루어지는 등의 이유에 따라 기공이 커지고, 성형틀로부터 이격된 여재의 내부는 기공크기가 작게 되므로 여재내의 기공의 크기가 위치에 따라 그 크기를 달리하는 문제점이 있다.

이와 같은 기공 크기의 불균일은 일정한 크기 이상의 입자를 균일하게 걸러 내야하는 여재에서는 바람직하기 못한 것으로 기공의 크기가 큰 부분은 걸러내야 하는 입자들을 걸러내지 못하고 통과시키게 되고, 기공의 크기가 작은 부분은 반드시 걸러야 할 필요가 없는 입자까지 걸러냄으로써 필터의 압력손실을 증대하고, 필터의 조기 노후화를 가져오므로 여과 내지 집진 설비의 유지비용을 상승시키는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 여재의 외곽 부분이나 내부 부분, 모두 기공의 크기가 균일하여, 여과성능 및 여과효율이 우수하며, 내열성 및 내식성이 우수한 세라믹 필터를 제조하는 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 균일한 기공을 확보하여 장시간 사용이 가능하며, 압력손실을 최적화하여 집진 또는 여과설비의 비용을 최소화하는 세라믹 필터의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

별도로 수지거품을 발생시켜 준비하는 단계;

상기 준비된 수지거품을 세라믹 슬러리에 주입하여 혼합하는 단계;

상기 혼합된 혼합물을 일정형상의 몰드에 주입한 후, 이를 경화 및 건조하여 성형물을 제조하는 단계; 및

상기 건조된 성형물을 소성(燒成)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 세라믹 필터의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것으로 별도로 수지거품을 발생시켜 준비하는 단계, 상기 준비된 수지거품을 세라믹 슬러리에 주입하여 혼합하는 단계, 상기 혼합된 혼합물을 일정형상의 몰드에 주입한 후, 이를 경화 및 건조하여 성형물을 제조하는 단계 및 상기 건조된 성형물을 소성(燒成)하는 단계를 포함되도 록 하는 구성을 가진다.

즉, 본 발명은 기존의 발포제를 슬러리 등에 넣고 이를 성형틀에 주입한 후에 발포가 성형틀 내에서 이루어지도록 하는 방법이 아니라 미리 필터가 필요로 하는 기공 크기를 계산하고 이에 맞게 계획적으로 발포시킨 수지거품을 미리 제조하고 이를 세라믹 슬러리에 주입하는 것을 기술적 사상으로 하는 것으로 이를 통하여 발포의 불균일에 따른 기공크기의 불균일을 근원적으로 제거할 수 있어서, 균일한 기공을 갖는 필터를 제조할 수 있다.

상기 별도로 수지거품을 발생시켜 준비하는 단계는 공지의 다양한 수지거품 형성방법을 적용할 수 있으며, 이에는 수지를 계속적으로 저어서 기포를 발생시키는 물리적인 기포형성방법과 화학반응에 의하여 가스를 발생시켜 기포를 형성하는 화학적인 기포형성방법 및 이들의 혼합 등이 모두 적용될 수 있다.

상기 수지거품의 발생에 사용되는 수지는 일반적인 저온형, 고온형을 포함한 공지의 다양한 수지가 사용될 수 있으며, 이에 대한 구체예로는 아크릴 수지, NBR라텍스, SBR라텍스, 천연라텍스, 실리콘 고무, 수용성 우레탄, 멜라민 수지 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 이후에 진행되는 소성과정에서 제거가 용이한 수지를 사용하는 것이 좋다.

상기 수지는 융점이상으로 온도를 유지하여 용융상태 그대로 사용할 수도 있고, 이를 용해하는 용매에 녹여 사용할 수 있으며, 이와 같은 용매에는 물, 알코올, 아세톤 등이 사용될 수 있다.

또한 상기 수지거품은 상기 혼합과정 및 경화, 건조 등의 과정에서 기포를 그대로 유지하는 것이 바람직하므로, 거품이 장시간 공기중에 노출되는 시효에 따른 거품 크기의 조대화를 막을 수 있고, 거품크기의 조대화를 막으므로 인하여 미세한 거품을 유지하도록 하고, 조대화 및 변형억제로 인한 균일한 거품크기에 따라 균일한 여과성능을 얻을 수 있도록 하기 위하여 본 발명에 사용되는 수지거품을 형성하기 위한 에멀젼액은 상기 수지를 주재로 충진제, 거품제, 거품안정제(정포제), 또는 분산제를 포함하여 균일하게 혼합하거나, 이에 추가하여 가교제, 결합제를 더 포함할 수 있으며, 이를 증점제로 증점한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서는 에멀젼액 성분 중 가교제와 결합제를 수지거품준비단계에서 투입하여 에멀젼액의 유동성 저하와 보관상 문제를 해결한다. 또한 바람직하게는 상기 수지거품은 에멀젼액의 농도가 최대 15 중량%인 수용액으로 기포를 형성한 것이 거품의 시효에 따른 조대화를 막기 위하여 좋다. 즉, 상기 수지거품을 발생하기 위한 에멀젼액으로 수용액을 사용하고, 용매인 물을 제외한 수지 및 기타 첨가물이 전체 에멀젼액에 대하여 15 중량%을 넘지 않는 것이 좋다.

상기 충진제로는 공지에 사용되어지는 다양한 충진제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 탈크(talc), Al(OH)₃, TiO₂, 실리카, 또는 운모분말 등의 일반 충진제와 PTFE 분말, 도전성 카본, 또는 흑연 등의 기능성 충진제를 사용할 수 있다.

상기 거품제로는 공지에 사용되어지는 다양한 거품제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 합성계면활성제계, 수지비누계, 단백질계, 사포닌, 고분 자 수지계 등이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 탄소수 12인 선상 알켈 유도체의 계면활성제인 소듐 라우릴 설페이트(SLS, sodium lauryl sulfate), 또는 소듐 도데실 설페이트(SDS, sodium dodecyl sulfate)를 사용할 수 있다. 또한 화학적 방법을 통한 발포의 경우에는 화학반응에 의해 발생하는 가스를 이용하는 것으로, 발생가스 종류로는 수소가스, 산소가스, 아세틸렌가스, 탄산가스, 암모늄가스 등을 이용할 수 있으며, 이중 가장 많이 사용하고 있는 것은 금속 알미늄과 알칼리와의 반응으로 생성되는 수소가스의 이용을 들 수 있다.

상기 거품안정제(정포제)로는 공지에 사용되어지는 다양한 정포제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 암모늄스테아레이트계, 또는 실리콘계를 사용할 수 있다. 암모늄스테아레이트계는 미세 거품 발생, 거품유지능력, 및 유동성은 탁월하나, 거품 인입 제품의 피막강도를 약하게 할 수 있으므로, 피막강도를 보강할 수 있도록 암모늄스테아레이트계와 실리콘계를 함께 사용하는 것이 바람직하다.

상기 분산제로는 공지에 사용되어지는 다양한 분산제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 포리카르복실산소다염 성분의 분산제, 또는 포리인산나트륨을 사용할 수 있다. 특히, 포리인산나트륨은 pH 완충효과가 탁월하여 분산시 쇼크(shock)가 발생할 수 있는 에멀젼액의 분산시 효과적이다.

상기 가교제로는 공지에 사용되어지는 다양한 가교제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로 멜라민-포름알데히드수지를 사용하는 것이 좋다. 멜라민수지는 가교 역할뿐만 아니라 초기 건조시 겔화가 빠르게 진행되어 미세 거품을 유지 시켜 주며, 특히 비중이 무거운 충진제가 거품을 기지에 인입한 후 자중에 의해 가라앉아 탈포를 촉진하는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 결합제로는 공지에 사용되어지는 다양한 결합제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 실리콘결합제, 또는 아미노기를 가진 금속유기물을 사용할 수 있으며, 이는 수지와 충진제의 접촉면의 결합력을 보강하고, 열팽창 계수가 다른 여러 물질 사이의 균열을 방지하는 역할을 한다.

상기 증점제는 공지에 사용되어지는 다양한 증점제가 이에 사용되어질 수 있으며 이에 대한 예로는 아크릴계 증점제가 바람직하나, 그 특성상 pH를 알칼리로 유지해야 하므로, pH 값이 중성이나 산성일 때는 알긴산소다를 사용할 수 있다.

이와 같이 준비된 에멀젼액을 공지의 다양한 형태의 거품발생기에서 교반하여 상기 수지거품을 준비하데 일반적인 거품발생장치를 이용하는 경우에는 평균직경이 25 ㎛ 내외 또는 그 이상의 거품을 제조할 수 있고, 대한민국 공개특허 제2003-67870호에 기재된 바와 같은 최근에 개발된 초미세 거품발생장치를 이용하는 경우에는 평균직경이 최대 5 ㎛인 거품까지를 제조할 수 있다.

본 단계에서는 상기 일반적인 거품발생장치를 이용하는 경우는 공지의 제조방법을 통하여 수지거품을 준비하고, 초미세 거품발생장치를 이용하는 경우에는 상기 준비한 에멀젼액을 거품발생기에 투입하고, 공기를 블로잉한 후, 50 ~ 500 rpm의 속도로 교반하여 수지거품을 발생시킨다. 또한 상기 거품발생기 내의 회전 핀의 굵기를 4 ~ 5 ㎜ 정도로 가늘게 하는 것이 바람직하다.

상기 에멀젼액을 균일하게 혼합하기 위해서는 교반이 필수적인데, 교반시 에 멀젼액에서 열이 발생하게 되고, 이 열에 의하여 가교제나 결합제가 혼합과정에서 에멀젼액의 가교를 진행시키므로, 에멀젼액의 유동성을 떨어뜨린다. 또한, 가교제나 결합제는 상온에서도 서서히 가교가 진행되므로 유동성 결여 문제뿐만 아니라, 에멀젼액의 보관상 문제가 많다. 따라서, 바람직하게는 가교제와 결합제를 에멀젼액의 혼합시 투입하지 않고, 수지거품생산시 별도의 공급관으로 투입한다.

상기 에멀젼액을 거품발생기에 공급하는 펌프는 통상적인 펌프를 사용할 수 있으나, 거품발생기 내부의 압력이나 에멀젼의 공급압(에멀젼액의 수위 등에 따라 변화)에 관계없이 에멀젼액의 설정된 양을 균일하게 공급할 수 있는 모노펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 거품발생기에 공급되는 공기압은 거품발생기 내부의 압력보다 높아야 하며, 즉, 상기 거품발생기 내부의 압력보다 공급되는 공기압이 낮은 경우 공기공급관으로 에멀젼액이 역류하여 관의 단면적을 줄이거나 막을 수 있으므로 균일한 공기의 공급에 큰 지장 초래되므로 거품발생기 내부에서 공기가 에멀젼액에 균일하게 확산될 수 있도록 하기 위하여 바람직하게는 거품발생기의 내부 압력보다 2 ㎏/㎠ 이상 높은 것이 좋다.

상기 거품발생기는 회전속도가 빠를수록, 미세한 핀의 개수가 많을수록 거품의 크기를 작게 형성할 수 있다. 상기 회전속도는 50 ~ 500 rpm의 범위인 것이 바람직하다. 회전속도가 500 rpm을 초과할 경우에는 에멀젼액의 안정성이 결여될 수 있는 문제점이 있다. 또한 거품발생기 내의 로터(rotor)와 스테이터(stator)에는 약 600 여개 정도의 핀이 장착된 것이 바람직하다. 본 단계를 거쳐 제조된 초미세 거품의 평균직경은 최대 5 ㎛ 정도로 제조될 수 있으며, 이에 따라 침투되는 수지거품의 평균직경은 최대 10 ㎛인 것이 가능하며, 이 경우에 미세한 기공을 가지는 고효율 세라믹 필터를 제조할 수 있어서 바람직하다.

이상의 방법으로 제조된 수지거품은 세라믹 슬러리에 주입하여 혼합하게 되는데, 상기 세라믹 슬러리는 세라믹 입자를 일정한 용매에 포함하는 다양한 세라믹 분산액을 의미하는 것으로 다양한 형태 및 종류의 세라믹 슬러리가 이에 포함된다.

바람직하게는 상기 세라믹 슬러리는 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 용매 45 내지 55 중량부를 혼합하여 이루어진 것이 수지거품과의 혼합 및 수지거품의 거품유지와 세라믹 필터의 형성을 위하여 좋다. 따라서 믹서에 혼합될 세라믹 분말의 45 내지 55 중량%에 해당하는 물을 넣고 교반하고, 이에 상기 세라믹 분말을 투입하여 분산된 세라믹 슬러리를 제조할 수 있다.

더욱 바람직하게는 상기 세라믹 슬러리에 사용되는 세라믹 분말은 규사 40 내지 60 중량부에 대하여, 시멘트 40 내지 60 중량부, 소석회 최대 5 중량부, 석고 최대 5 중량부를 혼합하여 이루어지는 것이 세라믹 필터의 건조시 수화반응을 통한 경화 및 건조에 바람직하며, 최종적으로 소성(塑性)에 의행 제조되는 세라믹 필터의 강도 및 안정성 측면에서 좋다.

즉, 미리 일정한 크기의 셀(CELL)로 형성하여 완성된 수지거품을 상기 세라믹 슬러리가 담겨져 있는 믹서의 슬러리 내부로 투입하여 슬러리의 비중을 조절한다. 상기 주입되는 수지거품의 양으로 필터 완성시의 공기량 즉, 필터의 통기도를 제어할 수 있다.

이와 같은 방법으로 상기 제조된 세라믹 슬러리에 상기 별도로 제조된 수지거품을 주입하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합된 혼합물을 일정형상의 몰드에 주입한 후, 이를 경화 및 건조하여 성형물을 제조하는 단계를 거치게 된다. 물론 상기 혼합을 바로 일정형상의 몰드에 바로 실시하는 경우에는 상기 주입단계를 생략할 수 있으며, 이와 같은 방법도 상기 기술사상의 범위에 속하는 것은 물론이다. 상기 몰드의 형상은 공지의 다양한 필터형상이 이에 해당하고, 구체적인 예로는 평판, 원통, 절곡 방사형, 방사형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.

상기 경화 및 건조는 사용된 수지거품과 세라믹 슬러리에 따라 다양한 공지의 경화 및 건조방법을 적절히 적용할 수 있으며, 상기 제시한 세라믹 슬러리의 경우에는 슬러리내에서 분체들의 수화반응이 일어나면서 경화 및 건조가 이루어진다.

또한 바람직하게는 상기 건조는 80 내지 150 ℃에서 함수율이 최대 10 중량%가 되도록 건조하는 것이 건조시간을 단축하여 생산성을 높이고, 건조 및 소성시에 성형물의 크랙을 방지할 수 있으므로 좋다.

이상과 같이 건조된 상기 건조된 성형물은 이를 소성(燒成)하는 단계를 거쳐서 세라믹 필터로 완성된다. 상기 소성과정은 공지의 세라믹 소결을 위한 소성과정으로서 세라믹 슬러리의 성분 및 함량 등에 따라서 이에 적절한 소성조건을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 소성은 950 내지 1200 ℃에서 이루어지는 것이 소성체의 결함을 줄이고, 강도를 확보하기 위하여 좋다.

이외에 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 세라믹 필터 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터를 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 세라믹 필터의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 세라믹 필터에 따르면 여재의 외곽 부분이나 내부 부분, 모두 기공의 크기가 균일하여, 균일한 여과 기능을 가져 여과성능 및 여과효율이 우수한 세라믹 필터를 제조할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기와 같은 균일한 기공의 확보를 통하여 필터의 장시간 사용이 가능하며, 압력손실을 최적화하여 집진 또는 여과설비의 비용을 최소화하는 장점이 있다.

이외에 고온에서 탁월한 여과성능을 가지고, 내열성 및 내식성이 우수한 세라믹 필터를 저렴하게 공급할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims (8)

1. 별도로 수지거품을 발생시켜 준비하는 단계;

   상기 준비된 수지거품을 세라믹 슬러리에 주입하여 혼합하는 단계;

   상기 혼합된 혼합물을 일정형상의 몰드에 주입한 후, 이를 경화 및 건조하여 성형물을 제조하는 단계; 및

   상기 건조된 성형물을 소성(燒成)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수지거품은 수지를 주재로 충진제, 거품제, 거품안정제(정포제), 분산제, 가교제, 결합제 및 증점제를 1군으로 하는 첨가제 중에서 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 수지거품은 에멀젼액의 농도가 최대 15 중량%인 수용액으로 기포를 형성한 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 슬러리는 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 용매 45 내지 55 중 량부를 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 세라믹 슬러리는 규사 40 내지 60 중량부에 대하여, 시멘트 40 내지 60 중량부, 소석회 최대 5 중량부, 석고 최대 5 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 건조는 80 내지 150 ℃에서 함수율이 최대 10 중량%가 되도록 건조하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 소성은 950 내지 1200 ℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.