KR101133650B1 - 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법 - Google Patents

뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101133650B1
KR101133650B1 KR1020090105786A KR20090105786A KR101133650B1 KR 101133650 B1 KR101133650 B1 KR 101133650B1 KR 1020090105786 A KR1020090105786 A KR 1020090105786A KR 20090105786 A KR20090105786 A KR 20090105786A KR 101133650 B1 KR101133650 B1 KR 101133650B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
mullite
hot gas
filter
weight
Prior art date
Application number
KR1020090105786A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110048992A (ko
Inventor
한인섭
우상국
김세영
서두원
홍기석
유지행
김영욱
최영훈
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020090105786A priority Critical patent/KR101133650B1/ko
Publication of KR20110048992A publication Critical patent/KR20110048992A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101133650B1 publication Critical patent/KR101133650B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2068—Other inorganic materials, e.g. ceramics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0001—Making filtering elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • C04B35/6264—Mixing media, e.g. organic solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632—Organic additives
    • C04B35/636—Polysaccharides or derivatives thereof
    • C04B35/6365—Cellulose or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3213—Strontium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
    • C04B2235/402—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/522—Oxidic
    • C04B2235/5228—Silica and alumina, including aluminosilicates, e.g. mullite

Abstract

본 발명은 스트론튬(strontium)을 포함하는 고온가스필터용 뮬라이트(3Al2O3?2SiO2, mullite)결합 탄화규소 소재의 세라믹 조성물를 이용한 고온가스필터 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 탄화규소(SiC) 분말 35~80 중량%; 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3) 및 수산화알루미늄 (Al(OH)3)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Al 공급원 15~45 중량%; 및 SrO, SrCO3 및 Sr(NO3)2 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Sr 공급원 0.1~20 중량%를 포함하여 이루어지는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹조성물이 제공된다. 상기 세라믹 조성물을 성형, 건조 및 소결하여 제조되는 고온가스필터는 기계적강도가 우수하고, 열피로 저항성이 우수하다.
세라믹스, 탄화규소, 고온가스필터, 조성물, 뮬라이트

Description

뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법{PREPARING METHOD HOT GAS FILTERS USING SR-CONTAINING CERAMIC COMPOSTITIONS FOR MULLITE-BONDED SILICON CARBIDE}
본 발명은 고온가스필터용 탄화규소질 세라믹 조성물를 이용한 고온가스필터 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄화규소 분말, Al 공급원 및 Sr 공급원을 포함하여 이루어지는 조성물을 소결하여 고온가스필터를 제조하는 기술에 관한 것이다. 소결 중에 Al 공급원은 SiC의 산화에 의해 형성되는 SiO2와 반응하여 SiC의 결합재로 작용하는 뮬라이트를 생성하는 작용을 하고, Sr 공급원은 소결 중에 Al 공급원과 SiO2와 반응하여 액상을 형성함으로서 뮬라이트 합성 반응을 촉진하여 소결온도를 낮추는 역할을 하는 동시에 SiC 입자 사이에 강한 결합을 만들어서 강도를 획기적으로 증진시키는 작용을 함으로써 열피로 저항성이 뛰어난 고온가스필터를 제조하는 기술에 관한 것이다.
최근에 에너지와 환경문제가 대두됨에 따라 에너지효율과 환경문제를 동시에 해결하기 위한 기술로 석탄의 액화나 가스화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 더불어 석탄의 액화나 가스화 과정을 거친 후, 가연성 석탄가스를 터빈연소기에서 재연소시키는 과정에서 요구되는 고온, 고압 정밀집진 성능을 갖춘 고강도 고온가스필터 소재에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
특히, 고온고압 조건의 합성 가스 중에 함유된 미세입자상 물질 및 공해물질을 동시처리하기 위한 차세대 발전용 세라믹 고온가스필터에 대한 개선 필요성이 증가하고 있다.
일반적으로 고온가스필터에 있어서 연소배기가스의 원활한 흐름을 형성하기 위해서는 필터의 기공분율이 높고 통기성이 좋아서 압력손실이 적어야하지만, 기공분율의 증가는 필터의 기계적 강도를 현저하게 저하시켜, 사용 중의 열충격 및 열피로 현상 때문에 균열이 발생하거나, 파괴되는 단점이 있다.
이와 같이 필터의 통기성과 강도 특성은 서로 상반되는 관계를 가지고 있으므로, 일정한 통기성을 확보하면서 고온가스필터의 기계적 특성을 향상시키는 데에는 어려움이 있다.
한편 다공질 탄화규소 세라믹스는 내식성, 내마모성, 내열충격성, 고온안정성 등의 특성이 우수하여 고온가스필터, 각종 내화재료, 디젤분진필터, 진공척 소재 등으로 사용되고 있다.
이러한 용도에 순수한 소결 탄화규소를 사용할 수도 있지만 그러한 제품은 제조온도가 2000℃ 이상으로 너무 높아 고비용이 소요되고, 대형 제품을 제조하기에는 제조장비비가 너무 고비용이 소요되는 단점이 있다. 따라서 많은 용도에 탄화 규소에 결합재를 첨가하여 제조한 탄화규소 소재가 사용되고 있다.
이러한 결합재로는 점토, 옥시질화규소, 알루미나 및 질화규소 등이 사용된다. 그러나 이러한 결합재 들은 탄화규소와 열팽창계수 차이가 커서, 열충격 저항성이 약하고, 비산화물인 옥시질화규소와 질화규소 결합재는 고온에서 사용 시 산화되어 SiO2상을 형성하므로 내산화성이 저하되고, 균열이 발생하는 단점을 갖고 있다.
그러나 본 발명의 뮬라이트 결합재는 SiC와 열팽창계수 차이가 거의 없어서, 열적안정성이 우수하고, 또한 소결 공정 중에 SiC의 산화생성물인 SiO2와 Al 공급원이 반응함으로서 생성된 뮬라이트 결합재가 SiC의 추가 산화를 방지함으로써 내산화성이 우수한 장점을 갖고 있다.
대한민국등록특허 제10-0419779호에서는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법을 제공하고 있는데, 이를 요약하면, 탄화규소 분말 100 중량%에 대하여, 1.0-15.0 중량%의 점토, 0.1-5.0 중량%의 탄산칼슘, 1.0-5.0 중량%의 성형보조제 및 0.5-5.0 중량%의 분산제 및 5.0-15.0 중량%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와, 성형단계, 소결하는 단계를 거쳐 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터를 제조하는 방법을 제공한다. 그러나 이러한 공정으로 제조된 탄화규소 필터는 꺾임강도가 31MPa 이하로서 우수하지 못한 단점을 갖고 있다.
한편 대한민국등록특허 제10-0891956호에서는 뮬라이트계 중공구를 첨가한 탄화규소 소결용 페이스트조성물 및 다공성 탄화규소 필터의 제조방법을 제공한다.
이를 요약하면, 출발원료로 탄화규소 분말, 유기바인더, 및 뮬라이트 재질의 중공구를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 중공구는 소결 과정에서 탄화규소 입자들 간에 연결 부위의 형성에 조력하고 소결체의 다공성 구조를 부여하는 작용을 하는 것을 특징으로 한다. 상기 특허는 또한 상기 중공구의 용융 온도를 낮추기 위한 첨가제로서 Y2O3, Al2O3, SiO2, CaO, MgO를 첨가하여 1200-1600℃에서 소결하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 필터의 제조방법을 제공한다.
그러나 상기 방법은 뮬라이트계 결합재가 SiC 입자의 결합부위에만 존재하게 되어 내산화성이 저하되는 문제점을 갖고 있고, 소결 중에 SiC의 추가적인 산화에 의해 형성되는 SiO2가 과량 잔존하게 되어 SiO2의 상변태에 의한 균열 발생으로 사용 중에 강도가 저하되는 단점을 갖고 있다. 이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 한 결과 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명은 통기성이 우수하면서도 강도가 높은 고온가스필터를 제조하기 위한 탄화규소질 세라믹 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 세라믹 조성물을 이용하여 공기 중에서 제조 가능하고, 소결온도가 낮아 경제적인 고온가스필터의 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 탄화규소 분말 35~80 중량%, 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3) 및 수산화알루미늄 (Al(OH)3)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Al 공급원 15~45 중량% 및 SrO, SrCO3 및 Sr(NO3)2 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Sr 공급원 0.1~20 중량%를 포함하여 이루어지는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물이 제공된다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면 상기 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물 100중량부에 대하여, 성형보조제로서 1~8 중량부의 유기바인더와 5~20 중량부의 용매를 혼합하여 성형하는 단계; 상기 성형된 필터를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 필터를 가열하여 소결하는 단계;를 포함하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법이 제공된다.
상기 유기바인더로는 메틸셀루로오즈(methylcellulose), 에틸셀룰로오즈(ethylcellulose), 카르복실메틸셀룰로오즈(carboxymehylcellulose) 또는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)이 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
상기 용매로는 상기 유기바인더를 녹일 수 있는 것이라면 어떤 것을 사용해도 무방하나, 물을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 소결은 1350~1500℃의 온도구간에서 대기 중에서 0.5~10시간 동안 열처리 하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 소결단계에서 결합재로 작용하는 뮬라이트가 탄화규소 분말을 피복함으로써 탄화규소의 추가적인 산화를 방지한다.
본 발명의 스트론튬을 포함하는 고온가스필터용 뮬라이트 결합 탄화규소질 필터의 제조방법에 의하면, 대기 중에서의 소결과정에서 탄화규소 분말은 산화되어 실리카(SiO2)상으로 피복되고, 이렇게 형성된 실리카 피복층이, 첨가된 Al 공급원 및 Sr 공급원과 반응하여 액상을 형성함으로서 뮬라이트 상의 형성을 촉진함으로써, 형성된 뮬라이트상이 SiC의 추가적인 산화를 방지하고 또한 SiC를 강하게 결합시켜 우수한 내산화성 및 강도를 가지며 열피로에 대한 저항성이 우수한 고온가스필터가 제조된다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물은 탄화규소 분말 35~80 중량%, 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3) 및 수산화알루미늄 (Al(OH)3)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Al 공급원 15~45 중량% 및 SrO, SrCO3 및 Sr(NO3)2 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Sr 공급원 0.1~20 중량%를 포함하여 이루어진다.
탄화규소 분말과 Al 공급원 및 Sr 공급원을 혼합 사용하는데, 대기(공기) 중에서의 소결 과정에서 탄화규소 분말은 산화되어 실리카(SiO2)상으로 피복된다. 이렇게 형성된 실리카 피복층은 첨가된 Al 공급원 및 Sr 공급원과 반응하여 액상을 형성함으로서 뮬라이트의 형성을 촉진한다. 형성된 뮬라이트상은 탄화규소 분말을 피복하여 추가적인 산화를 방지할 뿐 아니라, SiC 입자를 강하게 결합시켜 내산화성 및 내열피로성이 우수하고 고강도인 필터의 제조를 가능하게 한다. 이 때, 공기 중의 산소는 탄화규소를 산화시키는 중요한 역할을 하므로, 질소나 아르곤 등의 분위기 가스가 필요하지 않다는 효과가 있다.
상기 탄화규소 분말은 세라믹 전체 중량에 대해 35-85 중량% 범위의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. 탄화규소 분말의 함량이 35 중량% 미만인 경우에는 Al 원료 및 Sr 원료가 지나치게 많이 첨가되므로, 치밀화가 지나치게 진행되어 필터의 기공율이 너무 낮아 통기성이 좋지 못한 단점이 있고, 탄화규소 분말의 함량 이 85 중량%를 초과하는 경우에는 Al 원료 및 Sr 원료의 함량이 지나치게 적어져서, 조립 탄화규소는 소결 중에 생성되는 뮬라이트 상의 분율이 너무 적어 강도가 낮아지는 단점이 있다.
상기 Al 공급원으로는 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3) 및 수산화알루미늄(Al(OH)3)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 Al 공급원은 세라믹 전체 중량에 대해 10~45중량% 함량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 Al 공급원이 10중량% 미만으로 첨가되면, 뮬라이트 상의 함량이 너무 적게 형성되어 강도가 저하되는 단점이 있고, 45 중량%를 초과하여 첨가되면 뮬라이트상 형성 후 과량의 알루미나가 남게 되어 탄화규소 소재의 장점인 내열충격성 및 열전도성 등을 저하시키는 단점이 있다.
상기 Sr 공급원으로는 SrO, SrCO3 및 Sr(NO3)2 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 Sr 공급원은 세라믹 전체 중량에 대하여 0.1~20 중량% 함량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 Sr 원료가 0.1 중량% 미만으로 첨가되면 강도가 저하되는 단점이 있고, 20중량% 초과하여 첨가되어도 추가적인 강도 증가 효과가 없다.
또한, 본 발명 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법의 일실시예에 따르면 상기 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물 100중량부에 대하여, 성형보조제로서 1~8 중량부의 유기바인더와 5~20 중량부의 용매를 혼합하여 성형하는 단계; 상기 성형된 필터를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 필터를 가열하여 소결하는 단계를 포함한다.
상기 유기바인더로는 메틸셀룰로오즈(methylcellulose), 에틸셀룰로오즈(ethylcellulose), 카르복실메틸셀룰로오즈(carboxymehylcellulose) 또는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 등이 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 유기 바인더가 1 중량부 미만으로 첨가되는 경우에는 탄화규소질 세라믹 필터 성형체의 결합력이 약해지는 문제점이 있고, 유기바인더 함량이 8 중량부를 초과하게 되면 필터의 열처리시 다수의 내부 결함을 유발하므로 바람직하지 않다.
상기 용매로는 상기 유기바인더를 녹일 수 있는 것이라면 어떤 것을 사용해도 무방하나, 물을 사용하는 것이 경제적인 면에서 가장 바람직하다. 상기 용매의 함량이 5 중량부 미만으로 첨가되면 혼합물에 유연성이 부족하여 성형하기에 부적합하고, 상기 용매가 20 중량부를 초과하여 첨가되면 원료 혼합물의 점도가 너무 낮아 성형이 어렵고, 건조하는데 오랜 시간이 걸리므로 바람직하지 않다.
상기 성형은 원하는 필터의 형상에 따라 정수압성형 방식으로 가압하여 성형하거나, 상기 조성물을 소정의 형상으로 압출하여 성형하는 것도 가능하다. 상기 건조 단계에서는 어떠한 방법도 사용가능하며, 열풍을 사용하여 건조하는 것이 보다 효과적이다.
상기 소결은 구간에서 대기 중에서 0.5~10시간 동안 열처리 하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 열처리 공정은 1350~1500℃의 온도 범위에서 수행되는 바, 1350℃ 미만의 온도에서는 탄화규소의 산화에 의해 형성된 실리카와 첨가된 Al 공급원 및 Sr 공급원 간의 반응이 충분치 못하여 결합재로 작용하는 뮬라이트 상의 형성이 충분치 못하게 되는 문제가 있고, 1500℃를 초과하는 경우에는 추가적인 강도 증가가 없으므로, 경제적인 측면에서 효과적이지 못하다. 또한, 상기 열처리 공정은 상기 온도범위에서 0.5~10시간 동안 열처리하는 것인 바, 열처리 시간이 0.5시간 미만일 때는 탄화규소 분말의 산화가 충분하게 이루어지지 않아 탄화규소의 산화 생성물인 실리카가 적게 형성되어, 결합재로 작용하는 뮬라이트 상이 적게 형성되므로 결합력이 부족하게 되는 단점이 있고, 열처리 시간이 10시간을 초과하더라도 추가적인 뮬라이트상의 형성이나, 강도의 증가가 없으므로, 소결단계에서의 열처리 시간은 0.5~10시간 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 본 발명 Sr을 포함하는 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터는 기공율 35% 이상에서 꺾임강도가 100MPa 이상으로 매우 우수한 강도 특성을 나타내며, 이러한 우수한 강도는 SiC 및 Al 공급원에 Sr 공급원을 첨가함에 의하여 얻어지는 것이다.
또한, 본 발명의 소결단계에서는 분위기 가스를 사용하지 않고 공기 중에서 이루어지므로 장비의 제약이 없고, 소결온도가 1500℃ 이하로 낮아서 경제적이며, 강도 및 내열피로특성이 매우 우수한 필터가 제조된다. 따라서 이는 고온용 탄화규소질 필터소재로 널리 사용될 수 있을 뿐만 아니라 내화판 및 내화갑 등의 소재로도 유용하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 시험예에 의하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~5 세라믹필터 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 평균입자크기가 30㎛인 탄화규소(SiC)분말, 평균입경이 0.5㎛인 알루미나 분말 및 평균입자 크기가 0.8㎛인SrO 분말을 혼합하여 뮬라이트 결합 탄화규소 세라믹스 조성물을 준비하였다. 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 대하여, 2 중량부의 카복시메틸셀룰로오즈를 첨가하고, 20 중량부의 물을 용매로 첨가하여 진동밀(vibratory pot mill)에서 4시간 동안 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합물을 24시간 동안 숙성시킨 후에 50MPa의 성형압력으로 정수압 성형하여 캔들필터 형상의 성형체를 제조하였다. 이와 같이 제조된 필터의 성형체를 상온에서 12시간 이상 건조시킨 후에 열풍건조기를 사용하여 24시간 동안 완전히 건조시켰다. 상기 건조된 성형체를 1350~1500℃의 온도 범위에서 1~10시간 동안 소결하여 본 발명의 필터를 제조하였다.
비교예 1~2 세라믹필터 제조
비교예 1 및 비교예 2는 상기 실시예와 동일한 탄화규소 분말 82~83 중량%에 점토 15중량%, 탄산칼슘 2~3중량%, 유기바인더로서 세라믹 100중량부에 대하여 2 중량부의 카복시메틸셀룰로오즈를 첨가하고, 13 중량부의 물을 용매로 첨가하여 상기 실시예와 동일한 방법으로 혼합, 성형 및 건조공정을 거쳤다. 비교예 1은 대기중에서 1450℃에서 10시간 동안 소결하였으며, 비교예 2는 1450℃에서 8시간 동안 소결하였다. 비교예 3은 독일제품(Schumacher, Dia-Schumalith 10-20)으로 실제 연 소가스 정화용으로 시판되고 있는 필터이다.
구분
(중량%)		 탄화규소 알루미나 스트론튬산화물 점토 탄산칼슘 열처리조건
온도
(℃)		 시간
(h)		 분위기
실시예 1 70 27 3 - - 1500 1 공기
2 60 35 5 - - 1450 3 공기
3 55 40 5 - - 1450 5 공기
4 50 40 10 - - 1400 6 공기
5 40 45 15 - - 1350 10 공기
비교예 1 83 - - 15 2 1450 10 공기
2 82 - - 15 3 1450 8 공기
3 - - - - - - - -
시험예 1 기계적 강도시험
필터의 기공율과 꺾임강도를 측정하기 위하여 소결된 필터시편을 다이아몬드 휠을 사용하여 4×5×35mm로 절단하여 강도 측정시 인장면을 수지 결합 다이아몬드 휠로 연마하였다. 시편의 기공율은 각 시편을 증류수 속에서 3시간 동안 끓인 후에, 현수무게, 포수무게 및 건조무게를 측정하여 아르키메데스법을 사용하여 계산하였다. 또한, 각 시편의 꺾임 강도는 만능시험기를 사용하여 측정하였고, 하부거리 30mm 치구와 cross-head 속도 0.5 mm/min 조건에서 3점 꺾임 강도를 측정하였다. 이와 같이 측정된 필터의 기공율과 꺾임강도 값은 표 2에 나타내었다.
구분 기공율(%) 꺾임강도(Mpa)
실시예 1 40 110
2 39 120
3 38 114
4 37 103
5 38 105
비교예 1 36 28
2 35 33
3 38 40
상기 표 2에 나타난 바와 같이 종래의 기술을 응용하여 제조한 비교예 1 및 비교예 2의 탄산칼슘을 첨가한 시편들은 33MPa 이하의 강도 값을 나타내었고, 집진필터로서 시판되고 있는 비교예 3의 필터는 강도 값이 40 MPa 이었으나, 본 발명의 Sr를 포함하는 뮬라이트결합 탄화규소질 필터는 강도 값이 100MPa 이상으로 매우 우수하였다. 이러한 결과는 본 발명이 종래의 기술에 비하여 기계적 강도 특성이 현저하게 향상된 탄화규소 필터를 제공함을 확인할 수 있었다.
시험예 2 열피로도 시험
한편 상기 비교예 2를 본 발명의 실시예 2와 비교하여 열 싸이클 횟수에 따른 기계적 강도 변화를 측정하여 비교하였다. 열싸이클은 실제 사용조건과 유사하게 상온인 15~25℃에서부터 사용온도인 800℃까지 가열하는 열 싸이클을 반복적으로 수행하였고, 열싸이클 250번과 500번에서 비교예와 실시예 시편들을 꺼내서 상기와 동일한 크기로 절단하여 상기와 동일한 방법으로 꺾임강도를 측정하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
열 싸이클 수(No.) 꺾임강도(Mpa)
실시예 2 비교예 2
0 120 33
250 117 24
500 105 15
비교예 2는 일반적으로 열 싸이클의 횟수가 증가함에 따라 열피로현상에 의해 필터의 강도가 떨어지고, 500 싸이클 후에는 강도 저하가 50% 이상 관찰되었는데 비하여, 본 발명에 따른 실시예 2는 열싸이클을 250회까지 가하여도 오차 범위 내에서 강도 저하가 거의 없었고, 500번 가한 후에는 약 13%의 강도저하가 측정되었으나, 비교예에 비해 확연히 우수한 열피로 거동을 나타냄을 알 수 있다.
실시예 6~8 세라믹필터 제조
하기 표 4에 나타낸 바와 같이, 평균입자크기가 15 ㎛인 탄화규소(SiC)분말, 평균입경이 1 ㎛ 정도인 다양한 Al 공급원 및 평균입자 크기가 1 ㎛ 정도인 다양한 Sr 공급원을 혼합하여 뮬라이트 결합 탄화규소질 세라믹스 조성물을 준비하였다.
상기 세라믹 조성물 100 중량부에 대하여, 1 중량부의 카복시메틸셀룰로오즈 및 1 중량부의 폴리비닐알콜을 첨가하고, 15 중량부의 물을 용매로 첨가하여 진동밀(vibratory pot mill)에서 6시간 동안 균일하게 혼합하였다.
상기 혼합물을 24시간 동안 숙성시킨 후에 40MPa의 성형압력으로 정수압 성형하여 캔들필터 형상의 성형체를 제조하였다. 이와 같이 제조된 필터의 성형체를 상온에서 24시간 이상 건조시킨 후에 열풍건조기를 사용하여 24시간동안 완전히 건조시켰다.
상기 건조된 성형체를 1400~1500℃의 온도 범위에서 2~8시간 동안 소결하여 본 발명의 필터를 제조하였다.
구분
(중량%)		 탄화규소 Al
공급원		 Sr
공급원		 열처리조건
온도
(℃)		 시간
(h)		 분위기
실시예 6 80 Al
18		 SrO
2		 1500 2 공기
7 50 Al2O3
40		 SrCO3
10		 1450 6 공기
8 40 Al(OH)3
45		 Sr(NO3)2
15		 1400 8 공기
시험예 3 기계적 강도시험
상기 실시예 6~8에 의한 필터의 기공율과 꺾임강도를 측정하기 위하여 소결된 필터시편을 다이아몬드 휠을 사용하여 4×5×35 mm로 절단하여 강도 측정시 인장면을 수지 결합 다이아몬드 휠로 연마하였다.
시편의 기공율은 각 시편을 증류수 속에서 3시간 동안 끓인 후에, 현수무게, 포수무게 및 건조무게를 측정하여 아르키메데스법을 사용하여 계산하였다.
또한, 각 시편의 꺾임 강도는 만능시험기를 사용하여 측정하였고, 하부거리 30 mm 치구와 cross-head 속도 0.5mm/min 조건에서 3점 꺾임 강도를 측정하였다.
이와 같이 측정된 필터의 기공율과 꺾임강도 값은 표 5에 나타내었다.
구분 기공율(%) 꺾임강도(Mpa)
실시예 6 38 109
7 39 116
8 41 105
상기 표 5에 나타난 바와 같이 본 발명의 Sr를 포함하는 뮬라이트결합 탄화규소 필터는 강도값이 100 MPa 이상으로 매우 우수하였다.
시험예 4 열피로도 시험
한편 상기 실시예 7의 시편을 사용하여 열 싸이클 횟수에 따른 기계적 강도변화를 측정하였다. 열싸이클은 실제 사용조건과 유사하게 상온인 15~25℃에서부터 사용온도인 800℃까지 가열하는 열 싸이클을 반복적으로 수행하였고, 열싸이클 250번과 500번에서 실시예 7의 시편을 꺼내서 상기와 동일한 크기로 절단하여 상기와 동일한 방법으로 꺾임강도를 측정하였고, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
열 싸이클 수(No.) 꺾임강도(Mpa)
실시예 7
0 116
250 115
500 101
본 발명에 따른 실시예 7은 열 싸이클을 250회까지 가하여도 오차 범위 내에서 강도 저하가 거의 없었고, 500번 가한 후에는 약 13%의 강도 저하가 측정되었으나, 상기 표 3에 나타난 비교예에 비해 확연히 우수한 열피로 거동을 나타냄을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 탄화규소(SiC) 분말 35~80 중량%, 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3) 및 수산화알루미늄 (Al(OH)3)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Al 공급원 15~45 중량% 및 SrO, SrCO3 및 Sr(NO3)2 로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 Sr 공급원 0.1~20 중량%를 포함하여 이루어지는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물을 준비하는 단계; 상기 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터 제조용 세라믹 조성물 100중량부에 대하여, 성형보조제로서 1~8 중량부의 유기바인더와 5~20 중량부의 용매를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 정수압 성형하여 캔들필터 형태의 성형체를 제조하는 단계; 상기 캔들필터 형상의 성형체를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 성형체를 가열 및 소결하여 필터를 완성하는 단계;를 함하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유기바인더는 메틸셀룰로오즈(methylcellulose), 에틸셀룰로오즈(ethylcellulose), 카르복실메틸셀룰로오즈(carboxymehylcellulose) 및 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나인 것임을 특징으로 하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 용매는 물인 것임을 특징으로 하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 소결은 1350~1500℃의 온도구간에서 대기 중에서 0.5~10시간 동안 열처리 하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 소결단계에서 결합재로 작용하는 뮬라이트가 탄화규소 분말을 피복함으로써 탄화규소의 추가적인 산화를 방지하는 것임을 특징으로 하는 뮬라이트결합 탄화규소질 고온가스필터의 제조방법.
KR1020090105786A 2009-11-04 2009-11-04 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법 KR101133650B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090105786A KR101133650B1 (ko) 2009-11-04 2009-11-04 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090105786A KR101133650B1 (ko) 2009-11-04 2009-11-04 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110048992A KR20110048992A (ko) 2011-05-12
KR101133650B1 true KR101133650B1 (ko) 2012-04-10

Family

ID=44360198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090105786A KR101133650B1 (ko) 2009-11-04 2009-11-04 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101133650B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101334640B1 (ko) * 2011-08-22 2013-11-29 서울시립대학교 산학협력단 고강도 실리콘옥시카바이드 결합 탄화규소 소재 제조용 조성물, 탄화규소 소재 및 그 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100419779B1 (ko) * 2001-02-23 2004-02-21 한국에너지기술연구원 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법
KR20040104958A (ko) * 2002-03-29 2004-12-13 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체 및 그 제조 방법
KR20050083959A (ko) * 2002-11-20 2005-08-26 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체, 그 제조 방법 및 허니컴 구조체
KR20050087828A (ko) * 2002-12-11 2005-08-31 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체 및 그 제조 방법, 그리고 허니컴 구조체

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100419779B1 (ko) * 2001-02-23 2004-02-21 한국에너지기술연구원 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법
KR20040104958A (ko) * 2002-03-29 2004-12-13 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체 및 그 제조 방법
KR20050083959A (ko) * 2002-11-20 2005-08-26 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체, 그 제조 방법 및 허니컴 구조체
KR20050087828A (ko) * 2002-12-11 2005-08-31 니뽄 가이시 가부시키가이샤 탄화규소질 다공체 및 그 제조 방법, 그리고 허니컴 구조체

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110048992A (ko) 2011-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1160223B1 (en) Silicon nitride filter and method of manufacture thereof
KR100931755B1 (ko) 고온에서 사용할 수 있는 스트론튬 펠드스파 알루미늄티타네이트
JP4376579B2 (ja) 窒化珪素結合ＳｉＣ耐火物及びその製造方法
CN113213942B (zh) 一种复合碳化硅陶瓷窑具及其制备方法
CN108610050A (zh) 一种多孔碳化硅陶瓷及其制备方法
US20130011304A1 (en) Filtering structure, including plugging material
JP5036008B2 (ja) コージエライトの形成
KR101118607B1 (ko) 스트론튬 카보네이트를 포함하는 고온 집진필터제조용 탄화규소 세라믹 조성물 및 그 제조방법
CN103253935B (zh) 汽车尾气过滤用Al2TiO5/SiC多孔复合材料及其制备方法
JP5709007B2 (ja) 蓄熱式バーナ用蓄熱体及び蓄熱式バーナ用蓄熱体の製造方法
KR101133097B1 (ko) 고온가스필터용 뮬라이트-지르코니아 결합 탄화규소질 세라믹 조성물 및 이를 이용한 고온가스필터 제조방법
KR20110114542A (ko) 상이한 플러깅 재료와 입구 및 출구 표면을 갖는 여과 구조체
CN114524675A (zh) 一种硅结合碳化硅质柴油颗粒过滤器及其制备方法
EP2448884A1 (en) Process for producing cemented and skinned acicular mullite honeycomb structures
KR101133650B1 (ko) 뮬라이트 결합 탄화규소질 고온가스필터 제조방법
CN109516831B (zh) 一种氧化铝多孔材料的制备方法
KR100419779B1 (ko) 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법
CN104418608A (zh) 碳化硅多孔陶瓷的低温烧成方法
KR101095027B1 (ko) 알루미나 결합제 부정형 내화물 및 이의 제조 방법
KR100993044B1 (ko) 다공체 탄화규소 세라믹스 제조방법
KR101383352B1 (ko) 탄화규소질 다공체 제조용 조성물, 이를 이용한 탄화규소질다공체, 촉매 담체 및 분진 필터
JP4967111B2 (ja) アルミナ基多孔質セラミックス及びその製造方法
KR101090275B1 (ko) 뮬라이트 결합 탄화규소 세라믹스 소재 제조용 조성물, 세라믹스 및 그 제조방법
JPH0779935B2 (ja) コーディエライト質ガス用フィルタとその製造方法
EP2981513B1 (en) Honey comb assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160322

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170102

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180209

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181211

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191210

Year of fee payment: 9