KR100960769B1 - 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품 - Google Patents

알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품 Download PDF

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스티븐 비. 오구뉘미
델 제이. 에스티.줄리엔
패트릭 디. 테페쉬
크리스토퍼 제이. 워른
이자벨르 엠. 멜스코에트
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Abstract

본 발명은 u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O3-2SiO 2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3 -TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 갖는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품에 관한 것으로, 여기서 R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2 -TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, 0.5<u≤0.95, 0.01<v≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0<x≤0.5, 0<y≤0.1, 0<z≤0.5, 0<a≤0.3, 및 0<b≤0.3이다.
알루미늄, 티타네이트, 세라믹 제품, 허니컴, 디젤 입상 필터

Description

알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품 {Aluminum titanate-based ceramic article}
본 발명은 고온의 적용에 유용한 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 저 열팽창성 및 고 내열충격성과 함께 고 투과성을 가지며, 자동차 배기 제어에 유용한 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품에 관한 것이다.
산업적으로 코디어라이트(2MgO·2Al2O3·5SiO2)는 대부분의 운전 조건하에서 우수한 내열충격성, 여과 효율성, 및 내구력을 갖고 있어서, 디젤 배기가스의 후처리 시스템과 같은 자동차의 배기 제어 분야에서 비용-효율적인 물질로 선택되어 왔다. 그러나, 특정 조건하에서, 코디어라이트 필터는 손상되기 쉬워 심각한 파손을 초래하게 된다. 때때로 열 폭주가 비제어 재생동안 발생하여 국지적인 코디어라이트 용해를 야기하였다.
코디어라이트 파손에 관여하는 또 다른 요인은 배기가스 포트 라인에서 엔진 오일, 촉매 첨가제 또는 부식된 금속 등의 금속 불순물이 운전시 필터로 유입될 경우 발생하게 된다. 통상적으로 1300℃를 초과하는 온도에서, 이러한 금속들은 코디 어라이트 구조물과 반응하는 산화물을 형성하게 된다. 물질이 파손된 증거는 일반적으로 금속이 초기에 증착되어 반응하여 물질의 부식 및 용해가 야기된 필터상에 작은 홀이 생성된다는 것이다.
최근에는, 실리콘 카바이드(SiC) 월-플로우 필터가 디젤 배기가스 여과용으로 제조되어 판매되고 있다. 그러나, SiC 필터는 제조 비용이 높고, 고유의 높은 열팽창 계수(CTE) 및 불량한 내열충격성으로 인해 분열되었다.
따라서, 기존 물질의 문제점 없이, 자동차의 배기 제어 시스템과 같은 고온 적용 분야에 적절한 세라믹 제품이 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 세라믹 물질, 및 이의 제조 및 이용방법을 제공한다.
발명의 요약
본 발명은 높은 상호연결성 기공률 및 큰 평균 기공 크기와 함께, 높은 투과도를 가지며, 자동차 촉매 컨버터를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌, 자동차 배기 제어, 및 디젤 입상 필터와 같은 디젤 배기가스 후처리 시스템 등의 고온 적용품에 사용될 수 있는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 제품의 발견에 기초한다.
본 발명의 일면에 따르면, u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O 3-2SiO2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 가지며, 여기서, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al 2O3-24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, 0.5<u≤0.95, 0.01<v≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0<x≤0.5, 0<y ≤0.1, 0<z≤0.5, 0<a≤0.3, 및 0<b≤0.3인 것을 특징으로 하는 세라믹 제품이 제공된다. 알루미늄 티타네이트(Al2O3·TiO2), 스트론튬 펠드스파(SrO·Al 2O3·2SiO2), 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 알루미나(Al2O3), 및/또는 유리 상이 본 발명의 세라믹에서 x-선 회절, 및 전자-프로브 마이크로-분석에 의해 발견되었다. 상기 상은 최종 제품에서 완벽하게 화학양론적이거나 또는 결정상일 필요는 없다.
실리카 및 유리 첨가물은 강도를 증가시키고, 기공률을 감소시키며, 열 팽창성 및 소성 온도를 낮추며, 세라믹의 분해(decomposition)에 대한 내성을 제공할 수 있다. 알루미나 첨가물은 기공률을 증가시킨다. 최대 10중량%(전체 배치 중량에 기초하여)의 실리카 첨가물과 최대 50중량%의 알루미나 첨가물이 제공될 수 있다. 1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2로 표시되는 조성을 갖는 유리는 최대 50중량%의 양으로 첨가될 수 있다. 철 티타네이트 및/또는 마그네슘 티타네이트는 상기 알루미늄 티타네이트 상의 최대 30중량%까지 대체될 수 있다. 이러한 대체는 800-1200℃의 온도에서 상기 알루미늄 티타네이트 상의 분해에 대한 내성을 향상시킨다.
본 발명의 또 다른 면에 있어서, 상기 세라믹 제품은 실온 내지 800℃-1000℃의 온도에서 측정된 바에 따라, 45×10-7/℃ 미만, 바람직하게는 25×10-7/℃ 미만, 좀 더 바람직하게는 5×10-7/℃ 미만의 열팽창계수(CTE); 최대 60부피%, 바람직하게는 최대 55부피%, 보다 바람직하게는 최대 45부피%의 기공률; 및, 최대 25마이크로미터, 바람직하게는 최대 20마이크로미터, 보다 바람직하게는 최대 15마이크로 미터의 평균 기공 크기; 및, 평방 인치당 400파운드(psi), 바람직하게는 700pis를 초과하는 원형단면을 갖는 고체 로드(rod) 상에서 측정된 바에 따라, 1점의 곡강도(modulus of rupture)를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 면에 따르면, (a) 실리카, 알루미나, 스트론튬, 티타니아, 및/또는 산화철의 소스를 포함하는 무기 원료 물질의 배치(batch)를 가소제, 윤활제, 바인더, 및 용매로서 물을 포함하는 유기 가공제와 함께 제형화하고 혼합하여 균질하고 가소화된 혼합물을 형성시키는 단계; (b) 상기 가소화된 혼합물을 그린 바디로 성형시키는 단계; (c) 상기 그린 바디를 30-50시간의 주기(period) 동안 1100-1650℃, 바람직하게는 1100-1500℃ 사이의 온도 및 시간을 유지시키면서 여러가지(various) 온도 간격에 걸쳐 20-40℃/hr에서 가열하여 소성된 알루미늄-티타네이트 바디를 형성시키는 단계를 포함하는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 바디의 제조방법이 제공된다. 1100-1650℃, 바람직하게는 1100-1500℃ 사이의 실질적으로 매우 낮은 소결온도는 제조비용을 상당히 감소시키는 반면, 본 발명의 세라믹에서 낮은 열팽창성, 높은 내열충격성 및 높은 기계적 강도를 유지시킨다.
본 발명의 또 다른 면에 따르면, 상기 본 발명의 세라믹을 포함하는 디젤 입상 필터가 제공된다. 디젤 배기 필터로의 성공적인 적용을 위해서는 열 순환시 향상된 내구성과 함께 엔진에 대해 낮은 압력강하 및 낮은 배압이 요구된다. 상기 디젤 입상 필터는 입구 말단 및 출구 말단과, 상기 입구 말단에서 출구 말단으로 확장된 다수의 다공성 셀을 갖는, 플러그된, 월-플로우 허니컴 바디를 포함하며, 여기서, 상기 입구 말단에서의 전체 셀 수의 일부는 그 길이 부위를 따라 플러깅되 며, 상기 입구 말단에서 오픈된 셀의 나머지 부분은 그 길이 부위를 따라 상기 출구 말단에서 플러깅되어, 상기 입구 말단으로부터 상기 허니컴의 셀을 통해서 통과하는 엔진 배기 스트림이 상기 셀 벽을 통해서 오픈 셀내로 흐르며 상기 출구 말단에서 상기 오픈 셀을 통해서 구조물의 외부로 흐르도록 한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O3-2SiO2) + x(Al2O3) + y(SiO2 ) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 가지며, 여기서, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, u=0.6965, v=0.225, w=0.075, x=0, y=0, z=0, a=0.0035, 및 b=0인 본 발명에 따른 알루미늄 티타네이트-계 세라믹으로 구성된 허니컴 바디를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 디젤 입상 필터는 15×10-7/℃ 미만, 바람직하게는 5×10-7/℃ 미만의 CTE(실온 내지 800℃-1000℃의 온도); 30부피% 내지 50부피%, 바람직하게는 35부피% 내지 45부피%의 기공률; 5 내지 20마이크로미터, 바람직하게는 10 내지 15마이크로미터의 평균 기공 크기; 150 내지 400psi, 바람직하게는 150 내지 300psi의, 입방인치 당 200의 셀(cpsi)의 밀도 및 0.016인치의 두께를 갖는 벽을 갖는 허니컴 바디로부터 채널 방향에 평행한 셀형 바 컷 상에서 4-점 방법에 의해 측정된 바에 따라 1점의 곡강도; 적어도 0.20×10-12㎡, 바람 직하게는 0.33 내지 1.00×10-12㎡의 투과도; 그리고, 5.66"×6" 샘플의 273cpsi의 셀 밀도 및 0.015인치의 셀 벽 두께에 대해서 최대 5g/L의 인공 탄소 수트 하중 및 210scfm의 유속에서 5kPa 또는 그 미만의 압력강하를 갖는다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 따라 모두 달성될 수 있다.
도 1은 u=0.7(Al2O3-TiO2)이고 나머지는 (SrO-Al2O3-2SiO 2)인 조성에서 0<w<0.30(3Al2O3-2SiO2)에 대한 열팽창성을 나타낸 도면이다; 여기서, 상기 조성은 1500℃에서 4시간동안 소성됨.
도 2는 u=0.7(Al2O3-TiO2)이고 나머지는 (SrO-Al2O3-2SiO 2)인 조성에서 0<w<0.30(3Al2O3-2SiO2)에 대한 기공률을 나타낸 도면이다; 여기서, 상기 조성은 1500℃에서 4시간동안 소성됨.
도 3은 y-축상에 나타낸 0<z<0.30(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO 2)와 x-축상에 나타낸 0<v<0.30(11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2)의 함수로서 열팽창성(CTE)(10-7/℃), 기공률(부피%), 및 평균 기공 크기(MPS)(마이크로미터)를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 4는 0.015인치의 셀 벽 두께를 가지며 평방 인치당 273의 셀 지오메트리 를 갖는 5.66인치×6인치의 디멘젼을 갖는 샘플에서, 표 1의 실시예 5에 제시된 바에 따른 조성을 갖는 본 발명의 세라믹을 포함하는 디젤 입상 필터에 대해서, 210scfm의 유속에서 수트 하중(g/L)의 함수로서 입구 말단 및 출구 말단 사이의 압력 강하 값(즉, 압력 강하 차이)을 KPa로 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따르면, u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O3-2SiO 2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하며, 여기서, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O 3-24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, 0.5<u≤0.95, 0.01<v≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0<x≤0.5, 0<y≤0.1, 0<z≤0.5, 0<a≤0.3, 및 0<b≤0.3인 것을 특징으로 하는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹이 제공된다.
본 발명의 세라믹은 낮은 열팽창계수(CTE), 증가된 열 내구성을 갖는 우수한 성능의 내화물질로서, 이에 한정되는 것은 아니지만 자동차 배기 제어 시스템을 포함하는 고온 적용품에 적합하다. 따라서, 실온(RT) 내지 800℃-1000℃의 온도 범위에 걸쳐 팽창계수측정장비로 측정된 바에 따른 열팽창계수가 45×10-7/℃ 미만, 바람직하게는 25×10-7/℃ 미만, 좀 더 바람직하게는 5×10-7/℃ 미만이다. 본 발명의 구조물의 낮은 열팽창성은 이방성 열팽창성에 의해 생성되는 미소균열에 기인한 것이다.
따라서, 본 발명의 구조물의 이점은 열팽창 이력현상(hysteresis)(즉, 가열과 냉각 곡선 사이의 차이)이 매우 낮아질 수 있다는 것이다. 이는 높은 내열충격성이 나타나도록 한다. 도 1에 1500℃에서 4시간동안 소성되어, u=0.7(Al2O3-TiO2 )이고 나머지는 (SrO-Al2O3-2SiO2)로 이루어진 조성에 대하여 0<w<0.30(3Al 2O3-2SiO2)의 함수로 열팽창성을 나타낸 그래프를 도시하였다. 5×10-7/℃ 미만의 낮은 CTE를 얻기 위하여, 바람직하게는 w 범위가 0.05-0.15이다. w의 보다 낮은 값과 보다 높은 값 모두에서 열팽창성이 증가한다.
저 열팽창성에 덧붙여, 본 발명의 세라믹은 특히 높은 상호연결성 기공률 및 큰 평균 기공 크기에 적합하다. 따라서, 수은 기공률 측정기에 의해 측정된 바에 따른 기공률이 최대 60부피%, 바람직하게는 최대 55부피%, 보다 바람직하게는 최대 45부피%이다. 평균 기공 크기는 최대 25마이크로미터, 바람직하게는 최대 20마이크로미터, 보다 바람직하게는 최대 15마이크로미터이다. 도 2에 1500℃에서 4시간동안 소성되어, u=0.7(Al2O3-TiO2)이고 나머지는 (SrO-Al2O 3-2SiO2)로 이루어진 조성에 대하여 0<w<0.30(3Al2O3-2SiO2)의 함수로 기공률을 나타낸 그래프를 도시하였다. 기공률의 피크는 w가 0.05-0.11 사이인 값에서 얻어진다. 보다 높은 값과 보다 낮은 값의 w 모두에서 기공률이 증가하며, 가장 낮은 기공률 값은 w>25에서 나타난다.
도 3에 y-축상에 나타낸 0<z<0.30(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO 2)와 x-축상에 나타낸 0<v<0.30(11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2)의 함수로서 열팽창성(CTE)(10-7/℃), 기공률(부피%), 및 평균 기공 크기(MPS)(마이크로미터)를 비교하여 나타내었다. 상기 조성은 u=0.6965(Al2O3-TiO2), a=0.0045(Fe2O 3-TiO2)와 나머지는 Al2O3로 이루어지며, 1495℃의 온도에서 8시간 동안 소성되었다. z 및 v 모두의 중량분율을 변화시켜 본 발명의 세라믹 바디의 CTE, 기공률 및 MPS 값을 바람직한 적용 범위로 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 세라믹 바디는 평방 인치당 400파운드(psi), 바람직하게는 700pis를 초과하는 원형단면을 갖는 고체 로드(rod) 상에서 측정된 바에 따라, 높은 곡강도(modulus of rupture)를 나타낸다.
본 발명의 세라믹은 특히 디젤 배기가스 여과에 적합하다. 바람직한 구체예에 있어서, 디젤 입상 필터는 바람직하기로는 u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al 2O3-2SiO2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O 3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 가지며, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, u=0.6965, v=0.225, w=0.075, x=0, y=0, z=0, a=0.0035, 및 b=0인 본 발명의 세라믹으로 구성된 플러그된, 월-플로우 필터 바디를 포함한다.
상기 허니컴 필터 바디는 입구 말단과 출구말단 그리고 상기 입구 말단에서 출구 말단으로 확장된 다수의 다공성 벽을 갖는다. 상기 입구 말단에서의 전체 셀 수의 일부는 그 길이 부위를 따라 플러깅되며, 상기 입구 말단에서 오픈된 셀의 나머지 부분은 그 길이 부위를 따라 상기 출구 말단에서 플러깅된다. 이러한 플러깅 구조는 상기 입구 말단으로부터 상기 허니컴의 셀을 통해서 통과하는 엔진 배기 스트림이 상기 셀 벽을 통해서 오픈 셀내로 흐르며 상기 출구 말단에서 상기 오픈 셀을 통해서 구조물의 외부로 흐르도록 한다. 디젤 입상 필터에 적합한 셀 밀도는 평방 인치당 70셀(10.9셀/㎠) 내지 평방 인치당 800셀(124셀/㎠)이다.
또 다른 바람직한 구체예에서, 본 발명에 따른 디젤 입상 필터는 15×10-7/℃ 미만, 바람직하게는 5×10-7/℃ 미만의 CTE(RT 내지 800℃-1000℃의 온도); 30부피% 내지 50부피%, 바람직하게는 35부피% 내지 45부피%의 기공률; 5 내지 20마이크로미터, 바람직하게는 10 내지 15마이크로미터의 평균 기공 크기; 그리고, 150 내지 400psi, 바람직하게는 150 내지 300psi의, 200cpsi의 셀 밀도 및 0.016인치의 두께를 갖는 벽을 갖는 허니컴 바디로부터 채널 방향에 평행한 셀형 바 컷(cellular bar cut) 상에서 4-점 방법에 의해 측정된 바에 따라 1점의 곡강도; 적어도 0.20×10-12㎡, 바람직하게는 0.33 내지 1.00×10-12㎡의 투과도; 그리고, 5.66"×6" 샘플의 273cpsi의 셀 밀도 및 0.015인치의 셀 벽 두께에 대해서 210scfm의 유속에서 최대 5g/L의 인공 탄소 수트 하중에서 5kPa 또는 그 미만의 압력강하를 나타낸다. 또한, 상기 필터가 200 내지 1100℃의 온도에서 열 순환에 2백회 노출된 후 0.05% 미만의 선형적인 디멘젼 증가가 본 발명의 구조물에서 실험적으로 얻어졌다.
본 발명은 또한 실리카, 알루미나, 스트론튬, 티타니아, 및/또는 산화철의 소스를 포함하는 특정 무기질 분말 원료 물질로부터 혼합물을 형성하기 위하여 본 발명의 알루미늄 티타네이트-계 세라믹을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 원료 물질은 가소제, 윤활제, 바인더, 및 용매로서 물을 포함하는 유기 공정조제와 함께 블랜드된다. 다음으로, 상기 혼합물은 그린 바디로 성형시키고, 선택적으로 건조시키며, 소성하여 제품 구조물을 형성시킨다. 흑연 또는 폴리에틸렌 비드와 같은 기공 형성제가 기공률 및 평균 기공 크기를 향상시키기 위해 선택적으로 사용될 수 있다. 기공 형성제는 통상적으로 바람직하게 보다 높은 기공률 및/또는 거친 평균 기공 직경을 얻을 수 있도록 상기 그린 바디의 건조 또는 가열시 증발하거나 또는 연소에 의해 증기화하는 휘발성 입상 물질이다. 입경 크기가 큰 원료 물질은 바람직하지 않다.
알루미나 소스는 기타 원료 물질의 부재하에서 충분히 고온으로 가열할 때 실질적으로 순수한 산화 알루미늄이 수득되는 파우더이며, 알파-알루미나, 감마-알루미나 또는 로(rho)-알루미나와 같은 전이 알루미나, 수화된 알루미나, 깁사이트, 용융 실리카 또는 졸-겔 실리카와 같은 비-결정성 실리카, 실리콘 수지, 제올라이트, 및 규조토 실리카, 카올린, 및 석영이 포함된다. 상기 실리카 소스의 평균 입경 크기는 최대 30마이크로미터이다.
티타니아 소스는 바람직하게는 루타일이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 티타니아 소스의 평균 입경 크기는 구조내의 빠른 핵 생성에 의해 미반응된 산화물의 포착(entrapment)을 방지하는데 중요하다. 따라서, 상기 평균 입상 크기는 최대 20마이크로미터이다. 스트론튬 소스는 최대 20마이크로미터의 평균 입경 크기를 갖는 스트론튬 카보네이트이다. 산화철 소스는 최대 0.5마이크로미터의 평균 입경 크기를 갖는다.
상기 무기질의 분말화된 원료 물질은 메틸셀룰로오스 바인더, 올레산/트리에탄올 아민 계면활성제와 같은 유기가공성분과 함께 혼합되어 가소화되고 균질한 혼합물을 형성한다. 상기 가소화된 혼합물은 모든 통상의 수단에 의해서, 바람직하게는 허니컴 다이를 통한 압출을 통해서 성형된다. 이로부터 얻어지는 그린 바디는 선택적으로 건조된 후, 30-50시간의 주기 동안 1100-1650℃, 바람직하게는 1100-1500℃ 사이의 온도 및 시간을 유지하면서 여러 가지 온도 간격으로 20-40℃/hr에서 가열된다.
월-플로우 필터를 얻기 위하여, 당해 분야에 공지된 바에 따라, 입구 말단 또는 전면에서 상기 허니컴 구조물 셀의 일부가 플러깅된다. 상기 플러깅은 통상적으로 약 1 내지 20㎜의 깊이(이는 변화될 수 있음)를 갖는 셀의 말단에서만 이루어진다. 상기 입구 말단 상에 대응하지 않는, 상기 출구 말단 상의 셀의 일부가 플러깅된다. 따라서, 각각의 셀은 단지 하나의 말단에서만 플러깅된다. 이러한 바람직한 배열은 주어진 플러그된 전면 상의 모든 다른 셀이 체크무늬 패턴(checkered pattern)으로 배열되도록 한다.
이하 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다. 모든 부(parts), 부위(portion) 및 %는 특별히 기술되지 않는 한 중량에 기초한다.
본 발명의 샘플은 건조 성분의 무게를 재는 단계, 상기 건조 성분을 유기 성분 및 물과 혼합하는 단계, 및 상기 혼합물을 스테인레스 스틸 혼쇄기(muller)에서 반죽하여 플라스틱 매스(plastic mass)를 형성시키는 단계를 통해 제조된다. 하기 표 1은 분말화된 원료 물질 및 형성제의 구성 및 비율을 나타낸다. 구체적으로, 우선 트리에탄올아민(TEA)을 물과 혼합하고, 이후, 올레산 및/또는 톨유(tall oil)(분산제)와 혼합하였다. 상기 최종 용액을 상온에서 24시간 동안 보관한 후 사용전까지 밤새 냉장보관하였다. 실리카, 티타니아, 스트론튬 카보네이트, 철 산화물, 알루미나, 알루미나 하이드록사이드, 실리콘 수지, 흑연, 폴리에틸렌 비드 및/또는 메틸 셀루로오스 바인더를 포함하는 건조 성분들을 혼쇄기에서 건조 혼합하였다. 계속적으로 혼합시키는 동안 균일성과 가소성을 제공하기 위해서 상기 톨유/TEA/물 용액을 천천히 첨가하였다.
상기 가소성 혼합물을 다이(die)를 통해서 약 100 내지 400cpsi 및 약 0.010 내지 0.025인치의 벽 두께를 갖는 허니컴 바디로 압출성형하였다. 형성된 상기 바디를 적절한 길이로 절단하고, 건조될 때 까지 85℃의 오븐에서 가열하였다. 상기 샘플을 전기 로에서 20℃/hr 내지 40℃/hr의 속도 범위에서 1200℃에서 4시간 동안의 1차 유지 단계, 및 1500℃에서 6시간 동안의 2차 유지 단계의 다양한 온도 간격에 걸쳐 소성시켜서 최종 제품 구조물을 제조하고, 로의 전원을 차단하여 냉각시켰 다.
하기 표 2에 측정한 특성; 평방 인치 당 파운드(psi) 단위인 곡강도(다른 언급이 없으면, 200cpsi의 셀 밀도 및 0.016인치의 두꺼운 벽을 갖는 허니컴 바디의 채널 방향과 평행하게 절단한 셀 막대에서 측정한 것임), 부피% 단위의 기공률, 마이크로미터 단위의 평균 기공 크기, 10-7/℃ 단위의 열팽창, 및 10-12㎡ 단위의 투과도를 나타내었다. 특성면에서 바람직한 조성물은 실시예 5에서 제공된 것이다. 실시예 5의 조성물은 플러그된, 월-플로우 허니컴 바디를 포함하는 디젤 입상 필터의 제조에 특히 적절하다.
따라서, 실시예 5의 세라믹을 포함하는 압출성형 허니컴 바디는 알루미늄 티타네이트 분말로 제조된 냉각-세트(cold-set) 페이스트로 입구 및 출구 말단이 말단-플러그되었다. 샘플의 치수는 직경이 5.66인치, 길이는 6인치, 273cpsi의 셀 구조 및 0.015인치의 벽두께를 포함한다. 배압 테스트는 샘플에 인공 수트(복사 토너와 유사)를 210scfm의 유속으로, 5g/ℓ의 양을 샘플에 적재하여 테스트하였고, 입구 말단과 출구 말단의 압력 강하를 kPa 단위로 측정하였다. 그 결과는 도 4에 그래프로 나타내었으며, 2kPa 내지 5kPa의 우수한 압력 강하를 확인하였다.
본 발명의 세라믹에 열처리한 효과를 또한 실시예 2 및 3에서 평가하였고, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다. 구체적으로, 바람직하게 또는 특정 적용 분야에 적절하게, 강도, 기공률, 평균 기공 크기 및 기공률을 맞추어 제작할 수 있도록 소성 조건을 적용할 수 있음을 확인하였다.
요약하면 본 발명은 낮은 열팽창성, 및 증가된 열 내구력을 가지며, 자동차 배기 제어 시스템에 적용가능한, 구체적으로 엔진에 대해 낮은 압력 강하와 낮은 배압이 요구되는 디젤 배기가스 여과분야에 적용할 수 있는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹을 제공한다. 본 발명의 세라믹은 1100 내지 1650℃, 바람직하게는 1100 내지 1500℃의 실질적으로 낮은 소결 온도에서 상기의 바람직한 특성을 가지며, 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
본 발명을 특정한 일례 및 구체적인 실시예를 통해 구체적으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능함은 당 분야에서 자명하다.
Figure 112005005740421-pct00001
Figure 112005005740421-pct00002
Figure 112005005740421-pct00003

Claims (32)

  1. u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O3-2SiO2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO 2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 가지며, 여기서, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O3 -24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, 0.5<u≤0.95, 0.01<v≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0<x≤0.5, 0<y≤0.1, 0<z≤0.5, 0<a≤0.3, 및 0<b≤0.3인 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 R은 SrO-Al2O3-2SiO2인 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 R은 11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2인 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.
  4. 제1항에 따른 세라믹 제품과 전방 입구말단에서 출구 말단으로 바디를 가로지르는 평행한 말단-플러그된 다수의 셀 체널을 포함하는 플러그된, 월-플로우 허니컴 필터 바디를 포함하는 디젤 입상 필터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 실온 내지 800℃-1000℃의 온도에서 측정된 바에 따라, 15×10-7/℃ 미만의 CTE를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 30부피% 내지 50부피%의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  7. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 5 내지 25마이크로미터의 평균 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  8. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 200cpsi의 셀밀도 및 0.016인치의 두께를 갖는 벽을 갖는 150 내지 400psi의 셀형 바(bar) 상에서 측정된 바에 따라, 1점의 곡강도를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  9. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 적어도 0.20×10-12㎡의 투과도를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  10. 제4항에 있어서, 상기 디젤 입상 필터는 평방 인치당 273셀 밀도 및 0.015인치의 셀 벽 두께에 대해서 최대 5g/L의 인공 탄소 수트 하중 및 분당 210의 표준 입방 피트(scfm)의 유속에서 5kPa 또는 그 미만의 압력강하(pressure drop)를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입상 필터.
  11. (a) 실리카, 알루미나, 스트론튬, 티타니아, 및 산화철의 소스를 포함하는 무기 원료 물질의 배치(batch)를 가소제, 윤활제, 바인더, 및 용매로서 물을 포함하는 유기 가공제(organic processing)와 함께 제형화하고 혼합하여 균질하고 가소화된 혼합물을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 가소화된 혼합물을 그린 바디로 성형시키는 단계; 및
    (c) 상기 그린 바디를 30-50시간의 주기(period) 동안 1100-1650℃ 사이의 온도 및 시간을 유지시키면서 여러가지(various) 온도 간격에 걸쳐 20-40℃/hr에서 가열하여 u(Al2O3-TiO2) + v(R) + w(3Al2O3-2SiO2) + x(Al2O3) + y(SiO2) + z(1.1SrO-1.5Al2O3-13.6SiO2-TiO2) + a(Fe2O3-TiO2) + b(MgO-2TiO2)를 포함하는 조성을 갖는 세라믹을 형성시키는 단계, 여기서, R은 SrO-Al2O3-2SiO2 또는 11.2SrO-10.9Al2O3-24.1SiO2-TiO2이고, u, v, w, x, y, z, a 및 b는 각 성분의 중량분율로서, (u+v+w+x+y+z+a+b=1)이고, 0.5<u≤0.95, 0.01<v≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0<x≤0.5, 0<y≤0.1, 0<z≤0.5, 0<a≤0.3, 및 0<b≤0.3임;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 티타네이트-계 세라믹 바디의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가열은 1100-1500℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 성형은 압출에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가소화된 혼합물은 허니컴 그린 바디로 압출되는 것을 특징으로 하는 방법.
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