KR100713098B1 - 세라믹 필터 - Google Patents

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Abstract

세라믹 필터가 제공된다.
본 발명에 따른 세라믹 필터는 미립자 포집을 위하여 파형화된 다공성 세라믹 파이버 시트와; 강도가 높은 세라믹 판형시트가 접착되어 있으며, 상기 세라믹 판형시트는 권취시에 외부격벽의 역할을 함으로써 필터 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 세라믹 필터는 종래의 세라믹 필터에 비해 강도가 매우 우수하기 때문에 내구성이 뛰어나 장시간 동안 사용할 수 있다.
세라믹 필터, 격벽

Description

세라믹 필터{Ceramic filter}
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략도적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 세라믹 필터와 비교에 1에 따른 세라믹 필터의 인장강도를 비교한 그래프이다..
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
a10: 세라믹 격막
a20: 필터 역할을 하는 파형화된 세라믹 파이버 시트
본 발명은 세라믹 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 롤형태로 권취하였을 경우에 외부의 판형시트의 기계적 강도가 우수하기 때문에 전체적인 기계적 강도가 향상된 세라믹 필터에 관한 것이다.
디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 높은 에너지 효율 및 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 상대적으로 적기 때문에 특히 환경 친화적인 것으로 인식되어, 80년대 중반부터 그 사용량이 빠르게 성장하였다. 그러나 지난 수년간 디젤자 동차는 배출가스, 특히 질소산화물과 분진으로 인해 집중적인 비난을 받고 있고, 최근 디젤자동차의 수요증가에 따른 배출되는 PM (Particulate Matters) 양의 증가로 인한 대기오염 문제에 대응하여 각국은 강력한 PM 배출기준 실시하고 있으며 이에 따라 매연 여과 장비가 장착된 차량의 시장 진출이 큰 이슈로 등장하고 있다.
1970년대 후반부터 디젤엔진의 매연 분진 입자를 거르기 위한 장치로서 디젤분진필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 제안되어 연구되기 시작하였으나, 1980년대 까지는 엔진 디자인의 발달과 연료의 개선 등으로 인하여 DPF의 장착 없이도 환경 규제치를 만족시킬 수 있어 DPF에 대한 적극적인 연구는 강화되는 규제기준에 대응하기 위하여 1980년도 이후에 이르러서야 활발히 진행되기 시작하였다. DPF의 종류는 허니컴 모노리스 필터, 세라믹 섬유 필터 그리고 금속필터로 크게 나눌 수 있는데, 이들 중, 상기 허니컴 모노리스 필터는 고온의 열충격에 취약해 수명이 짧다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2002-2343호에는 세라믹 섬유를 여과재로 사용하고 주위를 스테인레스 망으로 고정시킨 것을 특징으로 하는 여과장치를 개시하고 있으나 상기 스테인레스 망은 부식에 취약하며 고온에서는 용융되는 등의 문제점이 있기 때문에 1000 ℃이상의 온도에서는 사용할 수 없다는 단점이 있었다.
최근에는 세라믹 섬유를 이용한 화이버 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 세라믹 화이버 필터는 80% 이상의 기공율을 가지며 1㎛ 이하의 미세 입자 포집 능력이 우수하고 섬유 고유의 탄성력으로 인해 열충격에 강한 장점을 가지고 있으며, 다양한 형태로의 구조화가 가능하기 때문에 상기 디젤엔진에 사용되 는 분진 필터 이외에도 단열재 또는 광 촉매 지지체 등으로도 사용될 수 있다.
미국 특허 US 제4652286호에는 미립자 포집을 위한 파형화된 다공성 세라믹 파이버 시트와 동일한 재질로 된 판형 시트를 상기 파형화된 세라믹 파이버 시트와 접착시키고 권취시키는 것에 의해 허니컴 로타를 제조하는 장치에 관해서 개시되어 있으나, 이를 통해 제조된 허니컴 로타의 기계적 강도가 낮기 때문에 외부 충격에 취약하다는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 종래기술의 문제점을 극복하여 외부 충격에 강하기 때문에 내구성이 우수한 세라믹 필터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
80% 이상의 기공율을 갖는 다공성 세라믹 파이버 파형시트와 75% 이하의 기공률을 갖는 세라믹 판형시트가 접착되어 있는 허니컴 구조의 세라믹 필터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 세라믹 판형시트는 알루미나, 실리카, 알루미나 실리케이트, SiC, Si3N4, 코디에라이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 판형시트는 바인더 고분자, 분산제 및 가소제를 더 포함 하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 바인더 고분자는 메틸 셀룰로즈, 히드록시에틸 셀룰로즈, 소듐 카르복시메틸 셀룰로즈, 정제된 녹말, 덱스트린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼, 또는 미결정 왁스(microcrystalline wax)일 수 있다.
또한, 상기 분산제는 어유(fish oil), 콘오일, 글리세릴 트리올레이트(Glyceryl Trioleate), 글리세틸 트리스터레이트(Glyceryl Tristerate), 글리세릴 모노올레이트(Glyceryl Monooleate), 에틸올레이트(Ethyl Oleate), 올레산(Oleic acid), 글리세린, 옥타디엔 또는 트리올레이트일 수 있다.
또한, 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트, 글리세린, 부틸 벤질 프탈레이트 또는 폴리에틸렌 글리콜일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 세라믹 판형시트의 기공율은 70%이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 세라믹 판형시트의 두께는 10 ㎛ 내지 10mm일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 다공성 세라믹 파이버 파형시트는 세라믹 파이버, 무기 응집제 및 유기 바인더를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트 또는 알루미노 보로 실리케이트일 수 있다.
또한, 상기 무기 응집제는 실리카 졸, Al2(SO4)3, 세리사이트, 일라이트, 벤 토나이트, 카올린, 코디에라이트, 클레이, 소듐실리케이트, 알칼리 포스페이트, 에칠 실리케이트 또는 소듐 알루미네이트일 수 있다.
상기 유기 바인더는 아크릴계 바인더, 폴리비닐알콜, 양성전분 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 세라믹 필터는 권취된 실린더 형태를 갖는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 세라믹 필터는 미립자 포집을 위하여 파형화된 다공성 세라믹 파이버 시트와; 강도가 높은 세라믹 판형시트가 접착되어 있으며, 상기 세라믹 판형시트는 권취시에 외부격벽의 역할을 함으로써 필터 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 세라믹 파이버 필터의 강도를 증가 시키기 위해 파이버 성분 자체의 기계적 강도를 증가시키던지 파이버와 파이버의 접촉 부분의 접합강도(boning strength)를 증대 시키기 위한 연구가 진행되고 있으나, 본 발명에서는 미립자를 포집하는 역할을 담당하는 필터 부분과 기계적 강도를 강화시키는 외부 격벽 부분을 분리하여 제조함으로써 파이버 필터의 기계적 강도를 획기적으로 증가시키는 구조로 설계되어 있다. 상기 필터 역할을 담당하는 세라믹 파이버 여과재는 80% 이상의 높은 기공율을 가지는 파형화된 다공성 세라믹 파이버 시트이고, 기계적 강도를 보강하는 역할을 하는 세라믹 판형시트는 75% 이하의 기공율의 치밀한 조직을 가지고, 열팽창계수가 낮으며 기계적 강도가 높은 물질로 이루어져 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 세라믹 판형시트는 알루미나, 실리카, 알루미나 실리케이트, SiC, Si3N4, 코디에라이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있는데, 이들은 기계적 강도가 강한 세라믹 재질로서, 보편적인 세라믹 공정기술인 테이프 캐스팅, 압출 성형 등에 의해 제조될 수 있다.
상기 세라믹 판형시트는 바인더 고분자, 분산제 및 가소제를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 바인더 고분자는 알루미나, 실리카 등의 분말을 상호 결합시키는 역할을 하는데, 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지는 않으며, 예컨대, 메틸 셀룰로즈, 히드록시에틸 셀룰로즈, 소듐 카르복시메틸 셀룰로즈, 정제된 녹말, 덱스트린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼, 미결정 왁스(microcrystalline wax) 등을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 입자들의 균일한 분산을 돕는 역할을 하는데, 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 어유(fish oil), 콘오일, 글리세릴 트리올레이트(Glyceryl Trioleate), 글리세틸 트리스터레이트(Glyceryl Tristerate), 글리세릴 모노올레이트(Glyceryl Monooleate), 에틸올레이트(Ethyl Oleate), 올레산(Oleic acid), 글리세린, 옥타디엔, 트리올레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 가소제는 건조 필름의 유연성과 건조 특성을 향상시키기 위해 사용되는 데, 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 디옥틸프탈레이트, 글리세린, 부틸 벤질 프탈레이트, 폴리에틸렌 글리콜 등을 사용할 수 있다.
상기 세라믹 판형시트의 기공율은 70%이하인 것이 바람직한데, 기공율이 낮아질수록 조직의 밀도가 치밀해지며 이에 따라 강도가 향상되기 때문이다.
상기 세라믹 판형시트의 두께는 10 ㎛ 내지 10mm일 수 있는데, 10㎛ 미만인 때에는 적절한 강도를 유지하기가 곤란하고, 10mm를 초과하는 때에는 최종적인 세라믹 필터의 부피가 너무 커질 염려가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 다공성 세라믹 파이버 파형시트는 세라믹 파이버, 무기 응집제 및 유기 바인더를 포함하는 슬러리를 일반적인 제지공정을 거쳐 세라믹 그린 페이퍼로 제조한 후 고온에서 소성하여 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹 파이버는 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 알루미나, 알루미노 실리케이트 또는 알루미노 보로 실리케이트 등을 사용할 수 있다. 상기 세라믹 파이버의 길이는 0.1 내지 10mm인 것이 바람직한데, 0.1mm 미만이면 세라믹 페이퍼의 강도 및 파형화시 구조적인 파괴의 문제점이 있을 수 있고, 10mm를 초과하면 파이버들이 균일하게 분산되기 어려워 최종적인 제품의 두께가 균일하지 않을 염려가 있다.
상기 무기 응집제는 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 실리카 졸, Al2(SO4)3, 세리사이트, 일라이트, 벤토나이트, 카올 린, 코디에라이트, 클레이, 소듐실리케이트, 알칼리 포스페이트, 에칠 실리케이트 또는 소듐 알루미네이트 등을 사용할 수 있다. 상기 무기 응집제는 제조된 페이퍼에 부착되어, 열처리 후에 무기 바인더로 역할을 하게 된다.
한편, 상기 유기 바인더는 아크릴계 바인더, 폴리비닐알콜, 양성전분 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이 이외에도 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지는 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략적인 단면도를 나타내었으며, 도 2에는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 개략적인 사시도를 나타내었다. 본 도면들을 참조하면 상기 세라믹 필터는 달팽이 모양의 권취구조를 이루고 있고, 세라믹 판형시트(10)이 외부 격벽을 이루고 있으며, 다공성 세라믹 파이버 파형시트(20)가 상기 외부 격벽의 내부에 구비되어 있어 매연 입자를 포집할 수 있도록 되어 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
1-(1) 세라믹 파이버 파형시트의 제조
물 2kg 에 평균 길이 1mm의 알루미노 실리실리케이트로 이루어진 파이버 1g을 넣고 강하게 교반 하여 파이버를 분산 시키고, 파이버가 분산된 이후에, 무기 응집제로서 Al2(SO4)3 0.5g을 넣고 계속 교반하여 더욱 더 고른 분산이 이루어지도록 하였다. 다음으로, 펄프 0.1g과 유기바인더로서 아크릴 에멀젼 0.1g을 상기 슬 러리에 첨가하고 상기 슬러리 내의 고형분들이 고루 섞이도록 약하게 계속 교반 한 뒤, 제지 장치를 이용하여 직경 9.5cm, 두께 500㎛의 세라믹 페이퍼를 제조 한 후, 파형화 기기를 이용하여 파형화하였다.
1-(2) 세라믹 판형 시트의 제조
메틸에틸케톤과 에탄올을 4:6의 부피비로 혼합한 용액 20g에 실리카 분말 60g, 분산제로서 어유(fish oil) 0.25g, 유기 바인더로서 폴리비닐부티랄 3g, 가소제로서 디옥틸프탈레이트 1.5g을 혼합하여 슬러리를 제조한 다음 테입 캐스팅법을 통하여 500㎛ 두께의 세라믹 판형 시트를 제조하였다.
1-(3) 권취형 세라믹 필터의 제조
위 방법으로 제조된 파형화된 세라믹 파형 시트의 하층 부에 상기 세라믹 판형 시트를 위치시키고 접촉면에 접착제를 바른 후, 서로 접합시켰다. 이 때 사용되는 접착제는 전분가루를 이용하였으며 고온 열처리 후의 접착력을 증강시키기 위해 실리카 분말을 첨가하였다. 상기와 같이 상층부와 하층부가 접합된 상태에서 달팽이 관 모양으로 권취한 다음 100℃에서 가열하여 건조시킴으로써 권취형 세라믹 필터를 제조하였다. 이처럼 권취된 세라믹 필터를 공기 중에서 1000℃로 열을 가하여, 남아 있는 유기물들을 제거하고 부분적으로 일어나는 소성에 의하여 접촉면에서의 강도를 증가시켜 최종적으로 기계적 강도가 우수한 권취형 세라믹 필터를 제조하였다.
비교예 1
길이가 0.1∼10mm의 10.5g의 알루미나 파이버를 5L의 물에 분산시킨 다음 1.8g의 우드 파이버와 1.8g의 케블라 파이버를 1L의 물에 분산시킨 분산액을 상기 알루미나 파이버 분산액에 첨가하였다. 다음으로 아크릴계 바인더 2g을 첨가한 후 pH를 6으로 조절하고 15L의 물을 더 첨가하고 교반하고 제지장치를 이용하여 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 다른 한편, 상기 세라믹 그린 페이퍼를 150℃에서 완전 건조시킨 후에 파형화 장치를 이용하여 파형화시켰으며 상기 평면의 세라믹 그린 페이터에 상기 파형화된 세라믹 그린 페이퍼를 접착시키고 권취한 다음, 1350℃에서 2시간 동안 소성하여 최종적인 세라믹 필터를 제조하였다.
시험예
인장강도의 측정
인장 강도는 인장강도 측정기(Texture analyser XT plus, 미국 Stable micro system사 제조)을 이용하여 크로스 헤드(cross head)의 속도를 0.01~0.02 mm/sec 의 조건으로 일반적인 강도 측정 방법인 삼점법(3 points test)으로 수행하였으며, 이처럼 측정된 인장강도를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 세라믹 필터의 강도는 비교예 1에 따른 세라믹 필터의 강도보다 4배이상 증가된 것을 확인할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 필터는 종래의 세라믹 필터에 비해 강도가 매우 우수하기 때문에 내구성이 뛰어나 장시간 동안 사용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 80% 이상의 기공율을 갖는 다공성 세라믹 파이버 파형시트와 75% 이하의 기공률을 갖는 세라믹 판형시트가 접착되어 있는 허니컴 구조의 세라믹 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 판형시트는 알루미나, 실리카, 알루미나 실리케이트, SiC, Si3N4, 코디에라이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 세라믹 판형시트는 바인더 고분자, 분산제 및 가소제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 바인더 고분자는 메틸 셀룰로즈, 히드록시에틸 셀룰로즈, 소듐 카르복시메틸 셀룰로즈, 정제된 녹말, 덱스트린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼, 또는 미결정 왁스(microcrystalline wax)인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 분산제는 어유(fish oil), 콘오일, 글리세릴 트리올레이트(Glyceryl Trioleate), 글리세틸 트리스터레이트(Glyceryl Tristerate), 글리세릴 모노올레이트(Glyceryl Monooleate), 에틸올레이트(Ethyl Oleate), 올레산 (Oleic acid), 글리세린, 옥타디엔 또는 트리올레이트인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트, 글리세린, 부틸 벤질 프탈레이트 또는 폴리에틸렌 글리콜인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 판형시트의 기공율은 70%이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 판형시트의 두께는 10 ㎛ 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 세라믹 파이버 파형시트는 세라믹 파이버, 무기 응집제 및 유기 바인더를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트 또는 알루미노 보로 실리케이트인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 무기 응집제는 실리카 졸, Al2(SO4)3, 세리사이트, 일 라이트, 벤토나이트, 카올린, 코디에라이트, 클레이, 소듐실리케이트, 알칼리 포스페이트, 에칠 실리케이트 또는 소듐 알루미네이트인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 유기 바인더는 아크릴계 바인더, 폴리비닐알콜, 양성전분 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 필터는 권취된 실린터 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
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