KR101344890B1 - Diesel Particulate Filter using metal structure having unevenness on the surface - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속지지체 및 상기 금속지지체 표면에 형성된 세라믹 물질의 다공성 담체층을 포함하는 매연여과장치에 관한 것으로, 열적, 화학적, 진동 환경에서 계면의 안정성이 우수한 특성을 갖는다. 본 발명의 매연여과장치는 표면에 요철구조가 형성된 금속폼이나 금속판을 금속지지체로 사용하고, 워시코트법에 의해 코팅된 세라믹 물질의 다공성 담체층을 포함한다.The present invention relates to a soot filtration device comprising a metal support and a porous carrier layer of a ceramic material formed on the surface of the metal support, and has excellent characteristics of interface stability in a thermal, chemical and vibration environment. The particulate filter of the present invention uses a metal foam or metal plate having a concave-convex structure on its surface as a metal support, and comprises a porous carrier layer of ceramic material coated by a washcoat method.

Description

표면 요철구조를 포함하는 금속지지체를 이용한 매연여과장치{Diesel Particulate Filter using metal structure having unevenness on the surface}Diesel Particulate Filter using metal structure having unevenness on the surface}

본 발명은 표면에 요철구조를 포함하는 금속지지체에 형성된 세라믹 물질의 다공성 담체층을 포함하는 매연여과장치에 관한 것으로, 높은 비표면적을 가지면서도 열충격 및 진동ㆍ화학적 내구성이 우수한 매연여과장치에 관한 기술이다.
The present invention relates to a soot filtration device comprising a porous carrier layer of a ceramic material formed on a metal support having a concave-convex structure on its surface, and a technique of a soot filtration device having a high specific surface area and excellent thermal shock, vibration and chemical durability. to be.

매연여과장치(Diesel Particulate Filter, DPF)는 대기공해의 중요한 원인으로 지목 받는 디젤기관의 배기가스에 포함된 입자성물질(Particulate Matter, PM)을 저감하는 장치로써 최근 엄격해진 환경규제에 대응할 수 있는 강력한 해결방안으로 고려되고 있다. DPF는 디젤엔진에서 배출되는 입자성물질을 80% 이상 저감할 수 있는 기술로 PM 포집(trapping)기술과 재생(regeneration)기술로 나누어지며, 시스템은 필터, 촉매, 캐닝, 재생제어장치 등으로 구성된다. DPF에 사용되는 필터의 요구조건은 높은 입자포집효율(filtering efficiency), 단위체적당 여과표면적이 넓어 여과용량이 클 것, 엔진출력 저하방지를 위해 배압이 작을 것, PM 포집후 재생이 용이할 것, 열ㆍ기계적 안정성, 화학적 내구성, 저렴한 가격 등이 있다. Diesel Particulate Filter (DPF) is a device that reduces Particulate Matter (PM) contained in exhaust gas of diesel engine which is regarded as an important cause of air pollution. It is considered a strong solution. DPF is a technology that can reduce more than 80% of particulate matter emitted from diesel engine. It is divided into PM trapping technology and regeneration technology. The system is composed of filter, catalyst, canning, and regeneration control system. do. Filter requirements for DPF include high filtering efficiency, large filtration surface per unit volume, large filtration capacity, low back pressure to prevent engine power degradation, easy regeneration after PM collection, Thermal and mechanical stability, chemical durability and low cost.

특히, 필터가 노출되는 환경은 재생방식에 따라 자연재생의 경우 배기가스의 온도가 250℃, 연료첨가제를 사용하여 강제 재생하는 경우는 450~500℃, 전기히터나 버너에 의한 외부열원으로부터의 재생은 600℃ 정도이기 때문에 열적 안정성이 요구된다. 또한 배기가스 주요물질인 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 산화질소(NOx) 등과 같은 화학적 물질뿐만 아니라 엔진으로부터 오는 진동에도 항시 노출되기 때문에 화학적ㆍ진동 환경하에서의 안정성도 요구된다.In particular, the environment where the filter is exposed is 250 ° C in the case of natural regeneration according to the regeneration method, and 450 ~ 500 ° C in the case of forced regeneration using a fuel additive. Is about 600 ° C., so thermal stability is required. In addition, chemicals such as hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NO x ), which are the main exhaust gases, are exposed to vibrations from the engine at all times, so stability in chemical and vibration environments is required.

종래에 사용되는 매연여과장치는 대부분 세라믹 재질로서 취성이 강해서 약한 충격에도 쉽게 파손되어 생산공정 설계 및 양산설계 시에 각별한 주의가 필요하고 조립성도 좋지 않아 생산성이 낮다. 또한 세라믹은 열전도성이 매우 나쁘기 때문에 PM 재생 시에 발생되는 열을 외부로 신속히 방출하지 못하여 국부적으로 온도가 급격히 증가하고 이로 인해 세라믹 필터가 자체가 녹거나 열이 집중되어 주변과의 열팽창계수의 차이로 파손되기도 한다. Most of the soot filters used in the prior art are ceramic materials, which are brittle and easily damaged by a weak impact, requiring special care in the production process design and mass production design. In addition, since ceramics have very poor thermal conductivity, they cannot rapidly release heat generated during PM regeneration to the outside, which causes a sharp increase in local temperature. As a result, the ceramic filter melts itself or concentrates heat. It may be broken.

한편, 이에 대응하여 최근 들어 개발되고 있는 금속 필터의 경우는 세라믹보다 우수한 연성 특성으로 인해 충격에 따른 파손이 적으며 조립성 및 생산성이 높은 장점이 있고, 열전도성이 세라믹보다 우수하기 때문에 재생 시에 국부적으로 발생되는 열을 외부로 신속히 전달하여 국부 열 집중 현상이나 열팽창계수의 차이로 인한 파손이 적다. On the other hand, metal filters, which have been recently developed in response, have less damage due to impact due to superior ductility characteristics than ceramics, have high assembly properties and high productivity, and have superior thermal conductivity than ceramics. Locally generated heat is quickly transferred to the outside, so there is little damage due to local heat concentration phenomenon or difference in thermal expansion coefficient.

현재 개발되어 있는 금속 필터로는 미국 Fluid Dynamic 사와 벨기에 Bekaert사의 금속섬유필터, 한국기계연구원과 독일 HJS사의 금속분말필터, 금속섬유 또는 소결판으로 만든 다공성의 매연 포집판과 유동교란판이 중첩된 구조인 독일 Emitec사의 Partial 필터 등이다. Currently developed metal filters include metal fiber filters from Fluid Dynamic Inc. of Belgium and Bekaert of Belgium, metal powder filters from Korea Institute of Machinery and Materials, and HJS of Germany. Partial filter from Emitec of Germany.

금속섬유필터의 경우 적용소재가 스테인레스강으로 한정된다는 단점이 있으며, 금속분말필터의 경우 용접가공 횟수가 많고, 가격적인 문제를 극복하지 못해 아직 상용화에는 도달하지 못하였다. Partial 필터는 온도가 낮은 조건으로 계속 운전하는 경우 PM 저감율이 낮아지며, 급가속운전시 필터 내에 포집되어 있던 매연이 blow-off되는 문제가 있다. In the case of the metal fiber filter, the applied material is limited to stainless steel. In the case of the metal powder filter, the number of welding processes is high and the price problem has not been overcome. Partial filter has low PM reduction rate when it keeps operating under low temperature, and there is a problem that soot collected in the filter is blow-off during rapid acceleration operation.

최근 금속섬유나 금속분말필터에 비해 기공율이 높은 금속폼(metal foam)을 이용한 배기가스 여과장치(대한민국 특허출원 KR 2010-0047597)가 개발되었다. 이는 체적필터링(volume filtering)원리를 이용하여 매연을 저감하므로 높지 않은 필터링 효율을 요구하는 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있으며, 특히 내충격성 등의 기계적 특성이 강한 장점이 있다. 또한 금속폼 자체의 비표면적이 다른 금속필터에 비해 넓어 상대적으로 적은 촉매량을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 반경류형(radial type)으로 금속폼을 적층하여 매연여과장치로 사용하면, 평균기공크기(400~1200㎛)가 크기 때문에 wall flow type 세라믹 모노리스 필터에 비해 낮은 배압을 유지하며, 평균기공이 450㎛인 금속폼은 모든 속도에서 50%정도의 검댕(soot)의 저감을 얻을 수 있어 적층할 경우 세라믹필터의 대용으로 적용 가능하다. (이상수 외 8인, "반경류형 금속폼 DFP의 성능에 관한 연구", 2006년 한국자동차공학회 춘계학술대회논문집 pp. 414~419) Recently, an exhaust gas filtration device (Korean Patent Application KR 2010-0047597) using a metal foam having a higher porosity than a metal fiber or a metal powder filter has been developed. This reduces the soot by using the volume filtering principle (volume filtering) can be effectively used in applications that require a low filtering efficiency, particularly mechanical properties such as impact resistance has a strong advantage. In addition, since the specific surface area of the metal foam itself is wider than other metal filters, a relatively small amount of catalyst can be used. In addition, when laminating metal foam in radial type and using it as a soot filtration device, the average pore size (400 ~ 1200㎛) is large, so it maintains a lower back pressure than the wall flow type ceramic monolith filter, and the average pore is 450 The micron metal foam can reduce soot by about 50% at all speeds and can be used as a substitute for ceramic filters when laminated. (Lee Sang-soo and 8 others, "Study on the Performance of Semi-Current Metal Foam DFP", 2006 Korea Society of Automotive Engineers Spring Papers pp. 414 ~ 419)

한편, 현재 사용되는 매연여과장치의 경우 PM의 포집효율을 높이고, 포집후 재생을 용이하게 하기 위하여 촉매를 첨가하는데, 촉매입자의 표면적을 높이기 위하여 산화알루미늄(Al2O3)등 주로 세라믹재질의 다공성(porous) 물질층에 촉매입자를 입히고, 그 다공성 물질층을 지지체 표면에 워시코트(washcoat)로 입혀왔다. 그러나 지지체가 금속인 경우 주로 판형 표면에 워시코트를 시도해왔는데 지지체와 입혀지는 물질간의 물성이 달라 계면에서의 접합력이 매우 취약하다는 문제점이 있다. 앞서 소개한 금속폼(metal foam)을 이용한 배기가스 여과장치(대한민국 특허출원 KR 2010-0047597) 역시 자동차 엔진 등 충격이 강한 사용 환경에 오래 노출될 경우 금속폼으로부터 촉매 입자의 탈리가 일어나는지의 여부 등 내구성에 대한 성능은 알려진 바가 없다.
On the other hand, the current soot filtration device is used to add a catalyst in order to increase the PM collection efficiency and to facilitate regeneration after collection, mainly to increase the surface area of the catalyst particles, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Catalyst particles were coated on the porous material layer, and the porous material layer was coated on the surface of the support with a washcoat. However, when the support is a metal, the washcoat has been mainly tried on the plate-shaped surface, and there is a problem in that the bonding strength at the interface is very weak due to the physical properties between the support and the material to be coated. Exhaust gas filtration device using the metal foam (Korean Patent Application KR 2010-0047597), which was introduced earlier, also shows whether desorption of catalyst particles from the metal foam occurs after long exposure to impact environment such as automobile engine. Durability performance is unknown.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 표면에 촉매입자가 담지된 세라믹 물질의 다공성 담체층을 포함하며 열 및 화학적ㆍ기계적 안정성을 갖는 금속지지체를 이용한 매연여과장치를 제공하고자 한다.
In order to solve the above problems, the present invention is to provide a soot filtration device using a metal support having a porous carrier layer of a ceramic material on which a catalyst particle is supported and having thermal and chemical and mechanical stability.

본 발명은 표면에 요철구조를 포함하는 금속지지체 및 상기 금속지지체에 형성된 다공성 담체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 매연여과장치를 제공한다.The present invention provides a soot filtration device comprising a metal support having a concave-convex structure on the surface and a porous carrier layer formed on the metal support.

바람직하게, 상기 다공성 담체층은 감마알루미나(γ-Al2O3), 실리카(SiO2), 타이타니아(TiO2), 지올라이트, 세리아(Ce2O3), 마그네시아, 바나데이트(V2O5), 산화코발트(CoOx), 산화철(FeOx), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화안티몬(SbO2) 및 희토류산화물(Sc, Y, La계 원소 산화물)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질을 포함한다. Preferably, the porous carrier layer is gamma alumina (γ-Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), titania (TiO 2 ), zeolite, ceria (Ce 2 O 3 ), magnesia, vanadate (V 2 O 5 ), cobalt oxide (CoOx), iron oxide (FeOx), tungsten oxide (WO 3 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), antimony oxide (SbO 2 ) and rare earth oxides (Sc, Y, La-based element oxides) At least one ceramic material selected from the group consisting of:

바람직하게, 상기 다공성 담체층에 담지된 촉매 활성 성분을 포함한다.Preferably, it comprises a catalytically active component supported on the porous carrier layer.

바람직하게, 상기 촉매 활성 성분은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹에서 선택되는 1종 이상이다. Preferably, the catalytically active component is at least one member selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, tungsten, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc.

바람직하게, 상기 다공성 담체층은 상기 세라믹 물질을 워시코팅법으로 코팅하여 형성된 것이다. Preferably, the porous carrier layer is formed by coating the ceramic material by wash coating method.

바람직하게, 상기 금속지지체는 금속폼, 금속판, 금속막대, 금속파이프, 금속봉 또는 금속실린더의 금속 구조체 표면에 입도 1~100㎛ 범위의 금속입자가 두께 5~300㎛ 범위로 코팅되어 있다.
Preferably, the metal support is coated with metal particles having a particle size in the range of 1 to 100 μm and a thickness of 5 to 300 μm on the surface of the metal foam, the metal plate, the metal rod, the metal pipe, the metal rod, or the metal structure of the metal cylinder.

본 발명에 의하면, 다공성 담체층으로 사용되는 세라믹 물질과 금속지지체 간의 접착력이 향상되어 자동차엔진의 사용 환경인 심한 진동, 고온 및 배기가스의 화학적 손상이 용이한 환경하에서도 계면의 박리 또는 표면으로부터 촉매 활성 성분의 탈리가 일어나지 않아 오랜 시간 동안 매우 안정적으로 사용될 수 있는 매연여과장치가 제공될 수 있다.According to the present invention, the adhesion between the ceramic material and the metal support used as the porous carrier layer is improved, so that the catalyst can be removed from the interface or the surface from the surface even under severe vibration, high temperature, and easy chemical damage of the exhaust gas, which are used in the automotive engine. There can be provided a soot filtration device which does not occur desorption of the active ingredient and can be used very stably for a long time.

또한, 본 발명이 제공하는 매연여과장치는 금속지지체를 사용함으로 인해 빠른 온도 응답 특성을 갖고, 높은 비표면적 특성을 갖는 장점이 있다.
In addition, the soot filtration device provided by the present invention has an advantage of having a fast temperature response characteristic and a high specific surface area characteristic by using a metal support.

도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 산화알루미늄(Al2O3)의 담체층이 형성된 금속폼 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 산화알루미늄(Al2O3)의 담체층이 형성된 금속폼을 상온-700℃의 구간에서 1000회 열피로 평가 후 질량 및 비표면적 변화를 측정한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 산화알루미늄(Al2O3)의 담체층이 형성된 금속폼을 석유에테르 용액에서 초음파진동을 가하여 시간에 따른 질량감소율을 측정한 것이다.
1 is a SEM photograph of the surface of the metal foam on which the carrier layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) prepared in the embodiment of the present invention is formed.
Figure 2 is a measurement of the change in mass and specific surface area after the evaluation of thermal fatigue 1000 times in a section of the room temperature-700 ℃ the metal foam formed with a carrier layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) prepared in the embodiment of the present invention.
Figure 3 is a measurement of the mass reduction rate with time by applying ultrasonic vibration in a petroleum ether solution of a metal foam formed with a carrier layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) prepared in the embodiment of the present invention.

본 발명은 매연여과장치에서 촉매 성분을 담지한 세라믹 물질의 지지체로 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 매연여과장치에 관한 것으로, 상기 금속의 지지체 표면에 요철구조를 형성함으로써 금속지지체 표면과 그 위에 형성되는 코팅되는 세라믹 물질간의 계면에서의 안정성이 증가되어 매연여과장치의 사용 중에 처해지는 열적, 화학적으로 가혹한 환경뿐만 아니라, 물리적인 진동 또는 충격하에서도 오랜 시간에 걸쳐 안정적으로 사용될 수 있는 매연여과장치를 제공한다. The present invention relates to a soot filtration device which uses a metal as a support of a ceramic material carrying a catalyst component in a soot filtration device. The present invention relates to a metal support surface and a surface formed thereon by forming an uneven structure on the support surface of the metal. Increased stability at the interface between the coated ceramic materials, which can be used stably over long periods of time under physical vibration or impact, as well as thermal and chemical harsh environments encountered during use of the soot filter. to provide.

본 발명의 매연여과장치에서 금속의 지지체로 사용되는 금속은 Al 합금, Cu 합금, Mg 합금, Ni 합금, Ti 합금, Zr 합금, 탄소강/저합금강/고합금강(ferritic), austenitic 고합금강 또는 이들의 조합이 사용 가능하며, 그 형태에 있어서는 폼, 판, 막대, 파이프, 봉, 실린더 등 제한없이 사용 가능하다. 또한 상기 여러가지 형태의 금속지지체는 기공 구조를 포함하는 것일 수도 있다. The metal used as the support of the metal in the particulate filter of the present invention is Al alloy, Cu alloy, Mg alloy, Ni alloy, Ti alloy, Zr alloy, carbon steel / low alloy steel / high alloy steel (ferritic), austenitic high alloy steel or their Combinations may be used, and forms thereof may be used without limitation, such as foams, plates, rods, pipes, rods, and cylinders. In addition, the various types of metal support may include a pore structure.

본 발명에서는 상기 금속지지체 표면에 요철 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 금속지지체 표면에서의 요철 구조는 물리적 또는 화학적 처리, 예를들면 에칭 등으로 형성되는 것일 수도 있고, 바람직하게 금속지지체 표면에 금속입자를 코팅시킴으로써 형성되는 것일 수도 있다.In the present invention, it characterized in that to form an uneven structure on the surface of the metal support. The uneven structure on the surface of the metal support may be formed by physical or chemical treatment, for example etching, or may be preferably formed by coating metal particles on the surface of the metal support.

상기 금속지지체 표면에 요철구조를 형성시키기 위해 코팅되는 금속입자로는 입도 0.5㎛~100㎛ 범위의 것이 바람직하다. 금속입자의 크기를 상기 범위보다 작은 사이즈로 하면, 코팅하였을 때 요철 구조가 형성되기보다 금속입자로 이루어진 치밀한 코팅막이 형성되기 쉽고, 반면 상기 범위보다 큰 사이즈의 금속입자는 지지체 표면에 대한 부착력이 떨어지고, 요철 구조에 의해 지지체의 비표면적이 향상되는 효과가 나타나지 않는다.The metal particles coated to form the uneven structure on the surface of the metal support are preferably those having a particle size of 0.5 μm to 100 μm. When the size of the metal particles is smaller than the above range, a dense coating film made of the metal particles is more likely to be formed than the uneven structure when the coating is applied, whereas the metal particles having a size larger than the above range have poor adhesion to the surface of the support. , The effect of improving the specific surface area of the support by the uneven structure does not appear.

또한 상기 금속입자를 금속지지체 표면에 코팅시키는 방법으로는 금속지지체 표면에 금속입자를 뿌리고 불활성 기체 또는 환원분위기에서 소결하거나, 금속지지체 표면에 금속입자의 슬러리를 코팅한 후 소결하여 접합시키거나, 금속지지체 표면에 고온 또는 상온에서 금속입자를 용사하여 접합시키거나, 또는 금속지지체 표면에 금속입자를 뿌리고 압연 후 소결하여 접착시키는 방법을 사용할 수 있다. In addition, the metal particles are coated on the surface of the metal support by sprinkling the metal particles on the surface of the metal support and sintering in an inert gas or reducing atmosphere, or by coating a slurry of the metal particles on the surface of the metal support and then sintering them to join the metal support. Metal particles may be spun on the surface of the support at high or normal temperature, or sputtered and rolled onto the surface of the metal support, followed by sintering and bonding.

상기 금속입자의 코팅 과정에서 이루어지는 소결은 금속지지체와 코팅된 금속입자 사이의 확산에 의해 금속입자가 금속지지체 상에 접합되도록 하는 것이다. 이때 소결 온도 및 시간은 금속지지체로 사용하는 금속의 종류에 따라 다르게 조절한다. 예를 들어, ferritic 고합금강을 사용하는 경우에는 1000℃ 에서 3시간 정도 소결하여 1층 이상의 금속입자층이 이루어지게 한다. 또한 융점이 낮은 Al합금이나 Mg합금을 금속 구조체로 사용하는 때에는 금속입자를 코팅한 후의 열처리 온도를 200~600℃ 범위로 제어하고, Cu합금과 같이 융점이 1,000℃ 근방인 합금에서는 열처리온도가 300~800℃ 범위로 하고, Ni합금이나 Fe합금에서는 600~1200℃ 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한 열처리온도가 증가하면 열처리 시간은 감소하고, 온도가 감소하면 그 시간은 증가하나, 통상 0.5시간 이상으로 하고 24시간은 초과하지 않는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 너무 짧으면 충분한 접합이 일어나지 않아 금속입자가 금속구조체에서 쉽게 박리되는 현상이 생기고, 너무 길면 접합이 완벽히 되기는 하나 금속입자간 합체화가 일어나 요철의 선명성이 저하하는 등의 금속입자 및 금속구조체에 변형이 일어날 염려가 있다. 또한 시간의 증대로 불필요한 에너지를 사용하게 되어 경제성을 악화시키는 요인이 되기도 한다. Sintering in the coating process of the metal particles is to allow the metal particles to be bonded onto the metal support by diffusion between the metal support and the coated metal particles. At this time, the sintering temperature and time is adjusted differently according to the type of metal used as the metal support. For example, in the case of using ferritic high-alloy steel, one or more metal particle layers are formed by sintering at 1000 ° C. for about 3 hours. In addition, when Al alloy or Mg alloy with low melting point is used as metal structure, the heat treatment temperature after coating the metal particles is controlled in the range of 200 ~ 600 ℃, and in the alloy with melting point around 1,000 ℃ like Cu alloy, the heat treatment temperature is 300 It is preferable to set it as the range of -800 degreeC, and to set it to 600-1200 degreeC with Ni alloy and Fe alloy. In addition, when the heat treatment temperature is increased, the heat treatment time is decreased, and when the temperature is decreased, the time is increased, but it is preferable that the temperature is usually 0.5 hours or more and not exceeding 24 hours. If the heat treatment time is too short, sufficient bonding does not occur, which causes the metal particles to easily peel off from the metal structure. If the heat treatment is too long, the bonding is perfect, but coalescing between the metal particles occurs to reduce the sharpness of irregularities. There is a risk of deformation. In addition, as time increases, unnecessary energy is used, which is a factor that deteriorates the economy.

금속입자층의 두께는 통상 수~수백 ㎛ 정도로 한다. 바람직하게, 1~300㎛으로 한다. 두께가 300㎛ 보다 두꺼우면 금속입자층을 형성하는데 소요되는 금속입자의 양이 증대하고, 그 후 형성되는 다공성 담체층의 코팅 양이 불필요하게 증대되는 문제가 있고, 5㎛ 보다 얇으면 담체층을 물리적으로 붙잡는 힘이 감소하여 코팅층과 금속구조체와의 결합력을 저하시키게 된다.
The thickness of the metal particle layer is about several to several hundred micrometers normally. Preferably, you may be 1-300 micrometers. If the thickness is thicker than 300 μm, the amount of metal particles required to form the metal particle layer is increased, and the coating amount of the porous carrier layer formed thereafter is unnecessarily increased. The holding force is reduced to decrease the bonding strength between the coating layer and the metal structure.

다음으로, 상기 요철구조를 포함하는 금속지지체에 세라믹 물질의 다공성 담체층을 코팅한다. 이를위해 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 타이타니아(TiO2), 지올라이트, 세리아(Ce2O3), 마그네시아, 바나데이트(V2O5), 산화코발트(CoOx), 산화철(FeOx), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화안티몬(SbO2) 및 희토류산화물(Sc, Y, La계 원소 산화물)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질을 포함하는 슬러리로 워시코팅한다.Next, a porous carrier layer of a ceramic material is coated on the metal support including the uneven structure. For this purpose, alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), titania (TiO 2 ), zeolite, ceria (Ce 2 O 3 ), magnesia, vanadate (V 2 O 5 ), cobalt oxide (CoO x ) , Iron oxide (FeO x ), tungsten oxide (WO 3 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), antimony oxide (SbO 2 ) and rare earth oxides (Sc, Y, La-based element oxides) Wash-coating with a slurry containing the above ceramic material.

금속지지체에 세라믹 물질을 코팅한 후에는 금속지지체 표면과 다공성 담체층 사이 계면에서의 접착력을 높이기 위해 150℃ 내지 900℃에서 열처리하는 과정을 수행할 수 있다. 이 과정에서 다공성 담체층에 함유된 수분 등의 성분이 제거되고, 또한 다공성 담체층이 부분적으로 소결되면서 금속지지체 표면에 접착된다.After coating the ceramic material on the metal support, a process of heat treatment at 150 ° C. to 900 ° C. may be performed to increase adhesion at the interface between the surface of the metal support and the porous carrier layer. In this process, components such as moisture contained in the porous carrier layer are removed, and the porous carrier layer is partially sintered and adhered to the metal support surface.

금속지지체 표면에 다공성 담체층을 형성한 후에는 촉매 활성 성분을 담지하는 과정을 수행한다. 이를 위해 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 촉매 활성 성분이 용해된 용액에 다공성 담체층을 포함하는 금속지지체를 담그어 그 용액이 다공질 구조 속으로 침투해 들어가도록 하거나, 촉매 활성 성분이 분산된 슬러리 상에 다공성 담체를 담그어 촉매 입자가 다공질 구조 속으로 들어가도록 하는 방법을 사용할 수 있다. After the porous carrier layer is formed on the surface of the metal support, a process of supporting the catalytically active component is performed. For this purpose, a metal comprising a porous carrier layer in a solution in which at least one catalytically active component selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, tungsten, chromium, manganese, iron, cobalt, copper and zinc is dissolved. The support may be immersed in such a way that the solution penetrates into the porous structure, or the catalyst particles may be introduced into the porous structure by dipping the porous carrier on a slurry in which the catalytically active component is dispersed.

또는 다공성 담체층을 이루는 세라믹 물질에 촉매 활성 성분을 균일하게 분포시켜 촉매 활성 성분을 미리 포함하도록 한 다음, 이를 요철구조를 포함하는 금속지지체에 표면에 코팅하는 방법을 사용할 수도 있다
Alternatively, the catalyst active ingredient may be uniformly distributed in the ceramic material constituting the porous carrier layer to include the catalytically active ingredient in advance, and then coated on the surface of the metal support including the uneven structure.

상기 어느 경우이든 표면에 요철구조를 포함하는 금속지지체에 형성된 다공성 담체층 및 촉매 활성 성분은 열, 화학적 피로 및 진동 등 매연여과장치가 사용되는 각종 환경에 노출되었을 때 계면 접착력이 우수하므로 담체층을 이루는 세라믹 물질 또는 촉매 활성 성분이 금속지지체 표면으로부터의 탈리되어 여과 성능이 저하되는 현상을 감소시킬 수 있다.
In any case, the porous carrier layer and the catalytically active component formed on the metal support including the uneven structure on the surface have excellent interfacial adhesion when exposed to various environments in which soot filtration devices such as heat, chemical fatigue and vibration are used. The resulting ceramic material or catalytically active component can be detached from the surface of the metal support to reduce filtration performance.

이하 실시예를 통하여 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
The invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, this is only for the understanding of the present invention and the present invention should not be regarded as being limited thereto.

실시예Example

금속폼(알란텀 FeCrAl 합금폼)에 세라믹 물질의 다공성 담체층을 형성하기 위해 워시코트용 슬러리로 비교적 표면적이 높은 산화알루미늄(Al2O3)분말(AEROXIDE® AluC)을 증류수와 함께 마멸분쇄기(Attrition mill)로 분쇄ㆍ혼합 하였다. 증류수와 산화알루미늄 분말의 혼합 농도는 40중량%로 하였다. 균일한 분산을 위해 질산(HNO3)으로 pH를 4로 맞추었고, 90분간 분쇄ㆍ혼합하였다. 상기에서 형성된 알루미나 슬러리 속에 표면에 요철이 있는 금속폼을 수초간 담근 후 꺼냈다. 잔류하는 알루미나 워시코트의 제거를 위해 공기를 이용하여 불어주었다. 산화알루미늄이 표면에 형성된 금속폼을 120℃에서 1시간 동안 건조한 후 750℃에서 2시간 동안 소성하였다. 도 1에 이와 같이 제조된 알루미나 분말이 워시코트된 금속폼의 SEM 촬영 사진을 나타내었다.
In order to form a porous carrier layer of ceramic material on a metal foam (Alantum FeCrAl alloy foam), a high-surface area aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder (AEROXIDE® AluC) was washed with distilled water to form a porous carrier layer of ceramic material. Attrition mill) was ground and mixed. The mixed concentration of distilled water and aluminum oxide powder was 40 weight%. The pH was adjusted to 4 with nitric acid (HNO 3 ) for uniform dispersion and ground and mixed for 90 minutes. The metal foam having irregularities on the surface was dipped for several seconds in the alumina slurry formed above, and then taken out. Blowed with air to remove residual alumina washcoat. The metal foam formed on the surface of aluminum oxide was dried at 120 ° C. for 1 hour and then calcined at 750 ° C. for 2 hours. 1 shows a SEM photograph of the alumina powder prepared as described above and the wash-coated metal foam.

상기 제조된 금속폼은 표면의 산화알루미늄에 의해 약 87m2/g으로 높은 비표면적을 가졌다.
The prepared metal foam had a high specific surface area of about 87 m 2 / g by aluminum oxide on the surface.

열피로 평가Thermal fatigue evaluation

실시예에서 제조된 금속폼에 대해 상온 내지 700℃ 구간에서 열피로평가를 1000회 실시하였다. 결과를 도 2에 나타내었다. 200회마다 비표면적 및 질량을 측정하였는데, 비표면적의 경우 1000회 이후에 약 71m2/g 으로 약 17%의 감소를 보였지만, 질량의 감소 변화는 측정되지 않았다. 즉, 산화알루미늄/금속폼 계면은 열피로에 대한 우수한 접합특성을 보였다.
The thermal fatigue evaluation was performed 1000 times at room temperature to 700 ° C. for the metal foam prepared in Example. The results are shown in FIG. The specific surface area and mass were measured every 200 times, and the specific surface area decreased by about 17% to about 71 m 2 / g after 1000 times, but the change in mass was not measured. In other words, the aluminum oxide / metal foam interface showed excellent bonding to thermal fatigue.

화학적ㆍ진동 피로 평가Chemical and Vibration Fatigue Assessment

실시예에서 제조된 금속폼에 대해 화학적ㆍ진동 환경하에서 계면 접합특성을 평가하기 위해 상온에서 석유에테르 용액에 담근 뒤 40KHz의 초음파진동 환경하에서 약 80분 동안 질량감소를 측정한 것을 도 3에 나타내었다. 20분 동안 질량의 변화를 측정하였는데, 감소가 일어나지 않았다. 즉, 산화알루미늄/금속폼은 계면에서 화학적ㆍ기계적으로 우수한 접합특성을 보였다.
In order to evaluate the interfacial bonding characteristics of the metal foam prepared in Example under chemical and vibration environments, the mass loss was measured for about 80 minutes in an ultrasonic vibration environment of 40 KHz after immersion in petroleum ether solution at room temperature. . The change in mass was measured for 20 minutes, but no decrease occurred. That is, the aluminum oxide / metal foam showed excellent bonding characteristics chemically and mechanically at the interface.

Claims (6)

금속지지체;
상기 금속지지체 표면에 금속입자가 코팅 및 소결되어 접합된 다공성 금속입자층; 및
상기 다공성 금속입자층 상에, 상기 다공성 금속입자층의 기공에 침투하여 형성된 세라믹 세라믹 담체층을 포함하고,
상기 금속입자의 평균 입경은 0.5㎛ 내지 100㎛ 이고,
상기 다공성 금속입자층은, 인접하고 있는 금속입자들이 부분 소결에 의하여 접합된 네트워크 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
Metal support;
A porous metal particle layer in which metal particles are coated and sintered and bonded to the metal support surface; And
On the porous metal particle layer, comprising a ceramic ceramic carrier layer formed by penetrating the pores of the porous metal particle layer,
The average particle diameter of the metal particles is 0.5㎛ to 100㎛,
The porous metal particle layer is a soot filtration device, characterized in that the adjacent metal particles have a network structure bonded by partial sintering.
제1항에서,
상기 세라믹 담체층은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 타이타니아(TiO2), 지올라이트, 세리아(Ce2O3), 마그네시아, 바나데이트(V2O5), 산화코발트(CoOx), 산화철(FeOx), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화안티몬(SbO2) 및 희토류산화물(Sc, Y, La계 원소 산화물)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
In claim 1,
The ceramic carrier layer may be alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), titania (TiO 2 ), zeolite, ceria (Ce 2 O 3 ), magnesia, vanadate (V 2 O 5 ), cobalt oxide ( 1 selected from the group consisting of CoOx, iron oxide (FeOx), tungsten oxide (WO 3 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), antimony oxide (SbO 2 ), and rare earth oxides (Sc, Y, La-based element oxides) A soot filtration device comprising at least one ceramic material.
제1항에서,
상기 세라믹 담체층에 담지된 촉매 활성 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
In claim 1,
A soot filtration device comprising a catalytically active component supported on the ceramic carrier layer.
제3항에서,
상기 촉매 활성 성분은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
4. The method of claim 3,
Wherein said catalytically active component is at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, tungsten, chromium, manganese, iron, cobalt, copper and zinc.
제2항에서,
상기 세라믹 담체층은 상기 세라믹 물질을 워시코팅법으로 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
3. The method of claim 2,
The ceramic carrier layer is a soot filtration device, characterized in that formed by coating the ceramic material by wash coating method.
제1항에서,
상기 금속지지체는 금속폼, 금속판, 금속막대, 금속파이프, 금속봉 및 금속실린더 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 매연여과장치.
In claim 1,
The metal support is a soot filtration device, characterized in that at least one selected from a metal foam, a metal plate, a metal rod, a metal pipe, a metal rod and a metal cylinder.
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