KR100847808B1 - 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법 - Google Patents
균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법에 관한 것으로서, 내부에 연속되는 기공을 형성하게 되는 다공체의 제작시 기공의 내부 직경이 전체적으로 균일하게 형성됨과 함께 기공의 배치형태 및 크기를 용이하게 조절 가능하도록 하기 위한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 성형재료의 내부에서 연속되어지는 가연성의 가연성 부재가 다수개 배치되어진 성형체를 성형 제작한 후, 상기 성형체를 고온 분위기에서 가열하여 내부에 구비된 가연성 부재를 연소시킴으로서 연소가 이루어진 부위를 따라 연속 기공이 형성되어지게 됨을 특징으로 한다.
다공체, 기공, 세라믹, 직경, 연속, 균일, 시트
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체 제작과정 순서도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시트면의 가연성 부재 배치 상태도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트의 적층 및 압착 상태도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시트 권취시 상태도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체의 육면체 성형시 상태도.
도 6은 본 발명 다공체의 완성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 시트 2 : 가연성 부재
2': 기공 10 : 다공체
본 발명은 다공체 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다공체를 형성하기 위해 내부에 형성되는 기공이 연속적이면서 균일한 직경을 형성할 수 있도 록 하기 위한 것이다.
일반적으로, 다공체는 흡착제, 필터, 단열재, 촉매 담체, 인공뼈, 가마 도구 등의 용도로 사용되며, 특히 세라믹 소재로 제작된 다공체를 이러한 용도로 사용하기 위해서는 세라믹 소결체를 제조하는 공정 중이나 또는 제조한 후에 세라믹 소결체 내에 기공을 생성시켜 밀도를 낮출 필요성이 있다.
이러한 세라믹 소결체의 제조 공정 중에 세라믹 소결체 내에 기공을 생성시키는 방법은 활발히 연구가 이루어져 여러 가지 문헌 (미국 특허 제3090094호, 동 제4004933호 및 대한민국 특허 공개 제1998-46777호 참조)에 기술되어 있다. 상기 특허 공개 제1998-46777호에는, 폴리우레탄 다공체에 유계 및 수계 세라믹 슬러리를 각각 피복 및 열처리하여 1차 및 2차 피복층을 형성함으로써 세라믹 다공체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법으로는 폴리우레탄 다공체와 똑 같은 모양을 한 기공이 연결된 높은 기공률의 세라믹 다공체를 만들 수 있으나, 기공의 형상이나 기공률 그리고 연결 통로의 크기 등 다공체 구조를 임의대로 설계하여 제조할 수 없을 뿐만 아니라 폴리우레탄 다공체가 휘발한 부분이 세라믹 다공체의 골격 부분에 결함으로 남게 되어 기계적 특성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 미국 특허 제6245698호, 동 제6210612호, 동 제6156686호 및 동 제6057030호에는 세라믹 분말과 열가소성 고분자 또는 탄소 입자를 습식 혼합하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 일정한 형상의 틀에서 가압 성형하고 건조한 후, 고분자 또는 무기물을 휘발시킨 다음 세라믹 성형체를 소결하여 다공체를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이 방법은 기공의 크기와 형상 및 기공률을 제어하기 쉬운 장점이 있지만 기공간의 연결 통로가 작으며 다른 방법에 비하여 높은 기공률의 다공체를 제조하기 어려운 단점이 있다.
또 다른 종래 다공체의 제조 방법으로는, 세라믹 슬러리에 발포제를 첨가하고 슬러리를 일정한 형상의 틀에 붓고 슬러리가 굳어지기 전에 발포시켜 기공이 세라믹 성형체의 내부에 생성되게 하는 방법이 있다. 이 방법을 사용하면 높은 기공률의 다공체를 얻기는 쉬우나 기공의 크기 형상 및 기공률의 제어가 어렵고 다공체 내의 균일성이 낮으며 골격에도 기공이 존재하여 기계적 특성이 떨어지는 단점이 있다. 중요한 점으로는 구형에 가까운 기공이 서료 연결된 넥크 부분은 직경이 작아서 기체의 흐름을 방해하고, 매우 빠른 속도로 흐르는 유체에 대해서 큰 저항이 걸리므로 사용하기에 적합하지 않다.
또 다른 방법으로(대한민국 등록번호 10-0444360) 열가소성 고분자의 비드, 섬유, 또는 비드와 섬유를 가열 압착하여 제조한 열가소성 고분자 다공체 및 세라믹 슬러리를 사용하여 기공이 연결된 세라믹 다공체를 제조하는 방법이 있으나, 이 방법 역시 전체적인 기공의 직경이 불균일하며 각 기공간 연결 부위가 작아서 유체의 흐름에 큰 저항을 발생시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 내부형성되는 기공이 연속적으로 연결 형성됨과 함께 전체적으로 기공의 내부 직경이 균일하게 유지되어질 수 있는 다공체를 제작할 수 있도록 하는데 목적이 있 다.
또한, 본 발명의 다른 목적으로는, 다공체 내부에 형성되는 기공의 직경을 제작과정에서 용이하게 가변 조절할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기 목적은, 성형재료의 내부에 연속되는 가연성의 가연성 부재가 다수개 배치되어질 수 있도록 성형체를 성형 제작한 후, 상기 성형체를 고온 분위기에서 가열하여 내부에 구비된 가연성 부재를 연소시킴으로서 연소가 이루어진 부위를 따라 연속 기공이 형성되어지게 됨을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법을 통해 이룰 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 다공체 제작과정에 대한 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 과정으로는, 도 1의 순서도에 나타내어진 바와 같이 먼저, 통상의 시트 제작방법인 닥터 블레이드법을 이용하여 필름형태의 세라믹 시트를 제작하는 시트 제작단계( ST 1)를 실시한다.
이때에는, 세라믹분말 또는 금속 분말 41~74중량%, 용매 22~42중량%, 결합제 1~6중량%, 가소제 2~8중량%, 해교제 0.2~3중량% 등을 볼밀 등을 이용하여 잘 혼합하여 반죽한 후 마일러와 같은 필름 또는 유리 판 위에 원하는 두께로 시트를 성형한다. 여기서 용매는 수계인 경우는 물을, 비수계인 경우는 트리클로로에칠렌이나 에틸알콜을 사용하는 것이 보통이다. 일반적으로 비수계인 경우 결합제로는 폴리비닐부티랄을, 가소제로는 폴리에틸렌글리콜이나 옥티프탈레이트 등을, 해교제로는 피쉬오일을 사용함이 바람직하다. 또는 각종 성분이 미리 혼합되어 있는 1스텝바인더로 알려져 있는 용액에 세라믹이나 금속 분말을 혼합하여 공정을 간단히 하기도 한다. 1스텝바인더로는 Ferro사의 B73225를 자주 사용한다
이후, 상기 성형된 시트가 완전히 건조되기 전에 고분자 물질인 가연성의 가연성 부재를 일정한 방향으로 배치하여 접착되어지도록 하는 가연성 부재 배치단계( ST 2)를 실시한다.
이때에는 도 2에 도시된 바와 같이 형성하고자 하는 기공의 형태에 따라 가연성 부재(2)를 시트(1)상에 직선이나 X자 형태 또는 격자형태 등 다양한 형태로 배치할 수 있게 되는데, 시트(1)가 건조되기 전이므로 가연성 부재(2)를 접착하기 위한 별도의 접착물질을 사용하지 않더라도 자연스럽게 접착이 이루어지게 된다.
여기서 가연성 부재(2)로 사용되는 합성 고분자 물질로는 통상의 가연성으로 알려진 폴리올레핀계(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 폴리비닐계(염화비닐 수지 등) 및 폴리아크릴계(아크릴계 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트 등) 등의 가연성 재료를 균일하면서 가느다란 실형태(또는 띠형태)로 제작하여 사용함이 바람직하다.
상기와 같이 가연성 부재(2)의 배치가 완료된 시트(1)는 여러장을 적층하여 프레스로 압착하거나 열로울러를 통과시킴으로 원하는 두께를 이루도록 하는 시트 압착단계( ST 3)를 실시한다.
이러한 압착과정을 통해 여러장의 시트(1)는 도 3에서와 같이 시트간 경계부위가 상쇄됨으로 소정 두께를 이루는 하나의 몸체를 이루게 되는데, 만일 제조하려는 다공체의 용도나 크기에 따라 여러장의 시트(1)를 사용하지 않고 한 장의 시트 만을 사용하여 다공체를 성형코자 하는 경우에는 본 단계를 생략할 수도 있다.
상기 압착이 이루어진 시트(1)는 두루마리 형태로 말아서 원통형상을 이루도록 하는 시트 권취단계(ST 4)를 실시한다.
도 4는 상기 적층 압착과정을 거치지 않은 한장의 시트(1)를 건조 후 원통형상으로 말아 주었을 때의 상태를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 가연성 부재(2)가 나이테 형태를 이루며 내부를 관통하는 형상으로 나타나게 됨을 확인할 수 있다.
이후, 상기 원통형상의 성형체를 육면체 형상으로 성형하기 위해 프레스 가압을 실시한 후 양단을 절단하는 압착성형 및 절단 단계( ST 5)를 실시한다.
즉 이때에는, 원통형상의 성형체가 완전히 건조되기 전에 직경방향으로 가열압착을 실시하면 사면체의 단면구조를 형성하게 되는데, 이후 양단을 절단함으로서 도 5에서와 같은 육면체 형상을 얻게 된다.
이후, 상기 육면체 형상을 이루는 성형체를 고온에서 열처리 함으로서 내부에 배치된 가연성 부재(2)를 연소시켜 제거되도록 하는 연소단계( ST 6)를 실시한다.
이때에는 절단된 성형체를 가스로 또는 전기로에 넣고 내부 가열온도를 서서히 높여서 약 550 ~ 1,000℃의 온도까지 올린 후 약 1시간 내지 1일 정도 유지시키게 되면, 도 6에서와 같이 성형된 다공체(10)의 내부에 기공(2')이 형성되어지게 된다.
즉, 이때 형성된 기공(2')은 가연성 부재(2)가 고온에서 연소됨으로서 형성 된 것으로서, 초기 배치 형태에 따라 내부에서 다양한 형태를 이루며 균일하게 연속되는 형상을 이루게 된다.
이후, 상기 다공체(10)를 소결온도까지 온도를 올려서 다공체(10)가 일정 강도를 갖도록 하는 다공체 소결단계( ST 7)를 실시한다.
예를 들어, 세라믹 재료 중 자동차배기가스 정화용 필터로 종종 사용되는 코디어라이트(화학식; 2MgO2Al2O35SiO2)의 경우, 시트재료로서 평균입경이 1μm~10μm인 코디어라이트 분말을 사용하여 1000℃~1500℃ 사이의 온도에서 1시간 ~ 6시간 소결시킨다.
또한, 세라믹 재료 중 평균입경이 2μm~10μm인 실리콘카바이드(화학식; SiC) 분말을 사용하는 경우, 실리콘카바이드에 Y2O3, Al2O3 등과 같은 물질을 10~20중량% 첨가하여 1900℃~2000℃ 사이의 온도에서 1시간~6시간 소결하거나, 실리콘카바이드에 B4C, C 등과 같은 물질을 약 1중량% 첨가하여 2100℃~2200℃ 사이의 온도에서 1시간~6시간 소결한다.
이러한 경우, 시트(1) 성형 시에 첨가하는 결합제나 가소제의 양, 소결 온도 및 시간 등에 따라서 코디어라이트나 실리콘카바이드 소결체 자체에도 미세한 기공을 갖도록 제조할 수 있다.
따라서, 최종적으로 제조되는 다공체(10)에는 균일한 직경의 연속 형태의 기공(2') 및 이와 더불어 소결체 자체가 갖는 미세한 기공 등 두 가지 종류의 기공이 혼재되도록 제조될 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다공체 제작방법으로는, 상기 시트형태의 제작과정을 거치지 않고 재료의 반죽과정에서 가연성 부재를 배치시킬 수도 있게 된다.
즉, 세라믹분말 또는 금속 분말 95~98중량%, 결합제 1~5중량%, 가소제 1~5중량% 등을 볼밀 등을 이용하여 잘 혼합하여 반죽하는 과정에서 띠부재(2)를 함께 섞어서 반죽한 후 시트를 성형하지 않고 펠렛타이저를 사용하여 구형의 형태로 성형하거나 프레스를 사용하여 가압 성형하여 연소단계(ST 6) 부터는 상기 일 실시예와 동일한 방법으로 제작하게 되면 성형재료 내에서 가연성 부재(2)가 불규칙적으로 배치된 상태를 이루게 됨으로서, 다공체(10)의 최종 소결시 내부에 불규칙적이면서 보다 자연스러운 형태를 이루는 기공(2')을 형성시킬 수도 있게 된다.
그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 몇 가지 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 다공체 제작과정이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
예를 들면, 상기 실시 예에서는 가연성 부재 배치단계에서 실형태의 고분자 물질을 시트상에 배치하는 과정이 설명 및 도시되었으나, 필요에 따라서는 가연성 재료인 종이 등을 띠형태를 이루도록 펀칭 성형한 후 시트위에 배치할 수도 있게 된다.
따라서, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 제작방법을 이용함으로서, 다공체 내부에 형성되는 기공을 연속적이면서 전체적으로 균일한 직경을 갖는 형태로 제작이 가능하게 되어 기공을 통과하는 기체의 저항을 일정하게 유지시킬 수 있는 효과를 나타낸다.
특히, 사용되는 가연성 부재의 직경 및 단면형상에 따라 다공체에 형성되는 기공의 크기를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
또한, 시트상에 부착되어지는 가연성 부재의 배치 형태에 따라 다공체 내의 기공 형태를 직선형, 나선형, 격자형 등 다양한 형태로 형성시킬 수 있는 이점을 나타낸다.
Claims (7)
- 일정 길이를 갖는 가운데 전체 길이를 따라 균일한 직경으로 연속되어지는 가연성 부재(2)가 내부에 다수개 배치되어진 성형체를 성형 제작한 후, 상기 성형체를 가열하여 내부에 구비된 가연성 부재(2)를 연소시키는 연소단계(ST 6)를 실시함으로서 연소가 이루어진 부위를 따라 연속 기공(2')이 형성되어지도록 하고, 이후 내부에 기공(2')이 형성된 다공체(10)를 소결시키는 소결단계(ST 7)로 이루어지며,상기 성형체의 제작은, 혼합되어진 성형재료를 시트(1)형태로 성형 제작하는 시트 제작단계(ST 1);상기 시트(1) 위에 균일한 직경을 갖는 가연성 부재(2)를 배치하는 가연성 부재 배치단계(ST 2);상기 시트(1)를 일정 형상으로 압착 성형함과 함께 양단을 절단하는 압착성형 및 절단 단계(ST 5);를 통해 이루어짐을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 가연성 부재 배치단계(ST 2)가 완료되면, 시트(1)를 두루마리 형태로 말아서 권취하는 권취단계(ST 4)가 추가로 실시되어짐을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 가연성 부재 배치단계(ST 2)가 완료되면, 가연성 부재(2)가 배치되어진 각각의 시트(1)를 여러 장으로 적층한 상태에서 압착성형하는 시트 적층 및 압착단계(ST 3)가 추가로 실시되어짐을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 가연성 부재(2)는 연소가 가능한 섬유실을 사용하는 것을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 성형체를 이루는 성형재료의 조성물은, 세라믹분말 또는 금속 분말 41~74중량%, 용매 22~42중량%, 결합제 1~6중량%, 가소제 2~8중량%, 해교제 0.2~3중량%를 혼합하여 제작이 이루어지되, 상기 용매는 물, 트리클로로에칠렌, 에틸알콜중 어느 하나를 사용하고, 결합제는 폴리비닐부티랄, 가소제는 폴리에틸렌글리콜 또는 옥티프탈레이트, 해교제는 피쉬오일을 사용함을 특징으로 하는 균일한 직경의 연속 기공을 갖는 다공체 제작방법.
- 삭제
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20050009323A (ko) * | 2003-07-16 | 2005-01-25 | 한국기계연구원 | 기공전구체를 이용하여 판상기공이 배향된 다공성세라믹스의 제조방법 |
| JP2005263537A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-09-29 | Rikogaku Shinkokai | 貫通孔を有するセラミックス多孔体の製造方法 |
-
2007
- 2007-01-22 KR KR1020070006671A patent/KR100847808B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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