KR101945691B1 - 세라믹 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소성 성형 공정을 위한 세라믹 조성물에 관한 것으로, 상기 조성물은 적어도 하나의 세라믹 성분, 적어도 하나의 결합제 성분, 적어도 하나의 다공 형성제 성분 및 특히 적어도 하나의 분산제 성분을 포함하고, 상기 조성물은 다공 형성제 성분으로서 적어도 하나의 유기 화합물을 포함한다. 이러한 세라믹 조성물을 이용하여 양호한 기체 투과성을 갖는 기계적으로 매우 안정적인 세라믹 부품들이 제조될 수 있다. 또한, 본 발명은 소성 성형 공정을 이용하여 세라믹 부품(1), 특히 기체 투과성 전극을 제조하기 위한 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 용도에 관한 것으로, 이 경우 소성 성형 공정은 특히, 압출 공정, 사출 성형 공정, 롤러 성형 공정 또는 플레이트 가압 공정으로 이루어진 그룹에서 선택된다.

Description

세라믹 조성물{CERAMIC COMPOSITION}
본 발명은 세라믹 조성물 및 세라믹 조성물의 용도에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 특히, 소성 성형 공정에 의해 예컨대 전극과 같은 세라믹 부품을 제조하기 위한 세라믹 조성물에 관한 것이다.
예를 들어 기체 활성 고온 전극과 같은 전극의 제조를 위해 캐리어 재료가 바람직하고, 상기 캐리어 재료는 전극에 필요한 기계적인 안정성을 제공한다. 특히, 작동에 따른 기계적 응력을 흡수할 수 있도록 하기 위해 캐리어 재료의 가능한 높은 강도가 바람직한데, 그 이유는 그렇지 않으면 부품 손상이 나타날 수 있기 때문이다. 특히 기체 활성 전극에 사용 시 사용된 캐리어 재료의 경우에 기체에 대한 최소 투과성이 유용하고, 그에 따라 기체는 반응성 전극 면에서 반응할 수 있다.
일반적으로 이러한 캐리어 재료를 위해 기본적으로 밀봉 소결되지 않으므로 기체 투과성을 갖는 세라믹 재료들이 사용된다. 그러나 밀봉 소결되지 않은 이러한 재료들은 대개 낮은 강도를 갖고, 이는 캐리어 기판을 포함하는 부품, 특히 전극의 신속한 기능 상실을 야기할 수 있다.
간행물 DE 100 31 123 A1호에는 연속 다공성 기판의 제조 방법이 개시되어 있고, 상기 방법에서 기판은 세라믹 슬러리 시스템(slurry system)의 테이프 캐스팅에 의해 제조된다. 또한, 다공도를 조정하기 위해 슬러리 시스템은 연소될 수 있는 스페이서, 즉 흑연 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 이 경우 사용되는 슬러리 시스템은 또한 이산화지르코늄 분말과 산화니켈 분말을 포함하고, 안정화된 이산화지르코늄 분말은 조립자와 미립자 분획이 혼합된 형태의 서로 떨어져 있는 바이모달 분포(bimodal distribution)를 갖는다. 이로 인해 소결 과정은 더 높은 개방 다공도가 얻어지도록 변경될 수 있다.
본 발명의 과제는 기체 투과성을 가질 수 있도록 높은 다공도가 제공된 세라믹 부품을 제조하기 위한 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 세라믹 조성물에 의해 해결된다.
본 발명의 대상은 소성 성형 공정을 위한 세라믹 조성물에 관한 것으로,
- 적어도 하나의 세라믹 성분,
- 적어도 하나의 결합제 성분,
- 적어도 하나의 다공 형성제 성분 및,
- 특히 적어도 하나의 분산제 성분을 포함하고, 상기 조성물은 다공 형성제 성분으로서 적어도 하나의 유기 화합물을 포함한다.
세라믹 조성물은 본 발명과 관련해서 특히 세라믹 바디 또는 부품을 형성하기 위해 가공될 수 있는 조성물일 수 있다. 특히 세라믹 조성물은 성형 공정에 의해 성형되고 더 높은 온도에서 연소 공정 시 소결되어 세라믹 바디를 형성할 수 있다. 따라서 세라믹 조성물은 예를 들어 세라믹 재료로서 사용될 수 있다. 세라믹 바디는 본 발명과 관련해서 특히 실질적으로 무기 및 비금속성 바디일 수 있다.
세라믹 조성물은 특히 적어도 하나의 세라믹 성분을 포함할 수 있다. 세라믹 성분은 따라서 특히 실제 세라믹 원료로서 사용될 수 있다. 세라믹 성분은 본 발명과 관련해서 특히 무기 및 비금속 성분으로 형성된 또는 이들을 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 세라믹 재료들은 예를 들어 실리케이트계 재료, 금속 산화물과 같은 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함할 수 있다. 예를 들어 본 발명과 관련해서 사용될 수 있는 예시적인 세라믹 성분들은 예컨대 포스테라이트, 마그네슘 실리케이트 또는 이산화지르코늄을 포함한다. 이 경우 세라믹 조성물은 하나 또는 적절한 개수의 세라믹 성분들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 조성물은 또한 적어도 하나의 결합제 성분을 포함한다. 결합제 성분은 세라믹 조성물에서 특히, 조성물에 포함된 성분들을 서로 결합하는데 사용된다. 세라믹 조성물에 하나의 결합제 성분만, 즉 결합제로서 사용되는 하나의 물질만이 제공될 수 있다. 또한, 결합제로서 사용되는 2개 이상의 상이한 물질들로 이루어진 적절한 혼합물이 제공될 수 있다. 예를 들어 세라믹 조성물은 하나 이상의 불수용성 및 추가로 또는 대안으로서 하나 이상의 수용성 결합제를 포함할 수 있다. 수용성 결합제 성분으로서 예를 들어 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리비닐피롤리돈이 적합한 한편, 불수용성 결합제 성분으로서 예를 들어 폴리비닐부티랄, 폴리아미드 또는 폴리에틸렌이 적합하다.
세라믹 조성물은 또한 적어도 하나의 다공 형성제 성분을 포함한다. 다공 형성제 성분은 특히 세라믹 조성물로 제조될 세라믹 부품 또는 바디에 적합한 그리고 바람직한 특히 규정된 다공도를 형성하기 위해 사용되는 재료일 수 있다. 이로 인해, 형성된 세라믹 바디의 소정 기체 투과성이 달성될 수 있고, 이는 예를 들어 기체 활성 전극으로서 사용에 또는 상기 전극의 캐리어 기판에 적합하다. 따라서 당업자는 다공도를 특히 개방된 개방 다공도로서 이해할 수 있다. 이로써 다공 형성제 성분은 바람직한 실시예에서 재료의 내부에만 존재하는 것이 아니라, 외부 영역에도 또는 외부면에 대한 경계면에도 존재한다. 또한, 다공 형성제 성분의 개별 구조들은 구조 내부에서 접촉할 수 있다. 이로 인해 바람직하게 다공 형성제 성분에 관통 채널이 제공될 수 있으므로, 추후 연소 시 관통 기체 채널이 생길 수 있다. 이를 달성하기 위해, 다공 형성제 성분은 특히 세라믹 화합물의 연소 과정 또는 소결 과정에서 세라믹 바디를 형성하기 위해 열 분해될 수 있거나 또는 기체 상태로 바뀌는 유기 화합물이다. 이 경우 세라믹 조성물에 단 하나의 다공 형성제 성분만이 제공될 수 있거나 또는 적절한 다수의 다공 형성제 성분이 제공될 수 있다.
유기 다공 형성제 성분 또는 유기 성분 자체란 본 발명과 관련해서 특히, 각각 분자 구조가 탄소, 수소 및 산소를 포함하거나 또는 이것으로 이루어질 수 있는 성분일 수 있다. 각각 분자 구조가 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 성분에 ≥90%, 특히 ≥95%, 예를 들어 ≥99%가 상기 재료들로 이루어진 성분도 포함될 수 있다. 이 경우 예를 들어 < 10%, 특히 < 5%, 예를 들어 < 1%의 다른 물질이 예를 들어 분자 평면에 또는 질소 또는 황과 같은 불순물로서 유기 다공 형성제 성분에 존재할 수 있다. 이로 인해 다공 형성제 성분은 한편으로는 소결 과정에서 바람직하게는 확실하게 실질적으로 잔류물 없이 구조로부터 제거될 수 있으므로, 소정의 다공도가 생길 수 있다. 또한, 이러한 유기 다공 형성제 성분의 제공 시 특히 소결 과정에서 주어지는 조건에서 바람직하지 않거나 또는 심지어 독성의 화합물 또는 유해 성분, 예를 들어 유해한 황- 또는 질소 화합물의 형성이 현저히 감소하거나 또는 저지될 수 있다.
따라서 당업자는 유기 재료에 기초한 다공 형성제 성분이 특히, 예를 들어 흑연 또는 탄소 섬유와 같은 탄소 재료에만 기초하는 다공 형성제 성분이 아니라는 것을 파악할 수 있다. 이러한 화합물들은 본 발명에 따라 유기 재료 또는 유기 다공 형성제 성분에 포함되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 특히 분산제 성분을 포함할 수 있다. 분산제 성분은 본 발명과 관련해서 특히, 본 발명에 따른 세라믹 조성물을 균일화하거나 또는 특히 소성 성형 과정을 위한 충분한 혼화성을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 분산제 성분을 첨가함으로써 해당하는 성형 공정의 특히 균일한 공정이 달성될 수 있고, 이로써 질적으로 특히 균일하고 따라서 특히 바람직한 세라믹 부품이 형성될 수 있다. 이는 특히 소성 성형 공정 시 사용에 특히 적합할 수 있다. 이 경우 본 발명과 관련해서 분산제 성분이 제공되지 않을 수 있거나 하나 또는 적절한 다수의 분산제 성분이 제공될 수 있다. 분산제 성분으로서 본 발명과 관련해서 특히 바람직하게 사용될 수 있는 적절한 물질은 예를 들어 올레산 또는 BASF사(루드비히스하펜 소재)의 상표명 EFKA 5207로 판매되는 하이드록실 작용기를 갖는 불포화 변성 카르복실산을 포함한다. 또한, 예를 들어 Uniqema Americas LLC(미국 델라웨어주 윌밍턴 소재)의 Brij72(폴리옥시에틸렌(2)스테아릴에테르)과 같이 상표명 Brij으로 판매되는 폴리알킬렌글리콜에테르가 적합하다.
소성 성형 공정은 본 발명과 관련해서 특히 유기 세라믹 화합물이 용융 단계에 의해 성형되는 공정일 수 있다. 본 발명에 따른 세라믹 조성물에 특히 적합한 소성 성형 공정은 예를 들어 압출 공정, 사출 성형 공정, 롤러 성형 공정 또는 플레이트 가압 공정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 조성물은 특히 바람직하게 특히 소성 성형 공정과 조합하여 고강도 세라믹 재료 또는 고강도 세라믹 부품을 형성하는데 적합하다. 이러한 부품은 여러 용도에 적합한 기체 투과성을 가질 수 있다. 상세하게는 유기 첨가물 또는 유기 다공 형성제 성분이 세라믹 조성물에 제공됨으로써 기체 투과성을 제공하는데 적합한 다공도를 갖는 세라믹 부품이 제조될 수 있다. 유기 다공 형성제 성분은 연소 후에 특히 소결 과정 중에 공동부들을 남기고, 상기 공동부들은 연소 또는 소결 과정 시에 또는 후에 다시 폐쇄되지 않는다. 다공 형성제 성분의 개별 구조들 및 세라믹 부품의 후속 제조 과정 중에 형성된 개별 공동부들이 접촉하면, 기체 투과성을 제공할 수 있는 개방 다공도가 주어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹 조성물로 특히 소성 성형 공정을 이용해서 특히 간단하고 저렴하게 소정의 세라믹 부품들이 제조될 수 있다.
실시예와 관련해서 조성물은 유기 화합물로서 적어도 하나의 중합체를 포함할 수 있다. 특히 유기 중합체는 다공 형성제 성분의 구조를 제공할 수 있고, 상기 구조는 세라믹 부품의 후속 제조 과정 중에 기체 투과성에 특히 적합한 공동부 및 다공도를 제공한다. 이 경우 중합체의 구조는 각각의 적용 분야에 대부분 양호하게 적응될 수 있거나 또는 사용될 중합체가 양호하게 선택될 수 있다. 이로 인해 이 실시예에서 기체 투과성의 특히 재현 가능한 결과가 달성될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 조성물은 다공 형성제 성분으로서 유기 화합물을 포함할 수 있고, 상기 화합물은 탄소와 산소, 탄소와 수소 또는 탄소, 산소 및 수소로 형성되거나 또는 이루어진다. 특히 이러한 다공 형성제 성분의 경우 놀랍게도, 상기 성분이 소성 성형 공정에 사용 시 특히 바람직한 다공 또는 공동부를 형성할 수 있어서, 예를 들어 성형된 세라믹 부품을 기체 활성 전극으로서 사용할 때 높은 기체 투과성이 가능해질 수 있음이 밝혀졌다. 세라믹 부품의 후속 제조 공정 중에, 특히 소결 과정 또는 연소 시 상기 성분은 세라믹 구조에서 제거될 수 있고, 이 경우 예를 들어 황 또는 질소 화합물, 특히 산화물과 같은 유해한 또는 독성의 화합물을 형성하지 않는다. 해당 물질이 존재한다는 것은 특히 분자 평면에, 즉 유기 화합물의 분자 구조에 존재하는 것을 의미할 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 다공 형성제 성분은 ≤ 450℃, 특히 ≤ 300℃, 예를 들어 ≤ 200℃의 온도에서 분해될 수 있거나 또는 기상으로 바뀔 수 있다. 따라서 이 실시예에서 종래의 소결 과정 시 주어지는 온도에서 이미 세라믹 구조로부터 다공 형성제 성분의 제거가 이루어질 수 있다. 이 경우 온도는 최대로 달성될 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 이미 다공 형성제 성분의 제거가 시작될 수 있을 정도로 낮을 수 있다. 이로 인해 특히 다공 형성제 성분이 세라믹 구조로부터 완전히 제거되는 것이 보장되고, 이로써 소정의 기체 투과성이 확실하게 나타날 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 다공 형성제 성분은 수지, 특히 페놀수지, 탄수화물, 특히 셀룰로오스 및 전분, 및/또는 야자각(Coconut shell), 또는 상기 물질들의 임의의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 다공 형성제 성분으로서 이러한 재료들의 사용 시 여러 적용 분야에 적합한 특히 바람직한 기체 투과성이 달성될 수 있다. 또한, 이러한 재료들은 특히 바람직하게 가공될 수 있다. 상세하게는 세라믹 조성물의 매우 균일한 혼합은 분산제 성분의 첨가 없이도 이루어질 수 있고, 이로써 균일한 세라믹 부품이 제공될 수 있다. 또한, 이러한 재료들은 종래의 소결 과정 시 주어지는 온도에서도 문제없이 완전히 세라믹 구조로부터 제거될 수 있고, 이는 소정의 기체 투과성을 보장한다. 또한, 상기 재료들은 적절한 구조로 형성 또는 제공될 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 조성물은
- ≥ 17 Vol.-% 내지 ≤ 48 Vol.-%의 세라믹 성분 및/또는
- ≥ 28 Vol.-% 내지 ≤ 58 Vol.-%의 결합제 성분 및/또는
- ≥ 6 Vol.-% 내지 ≤ 37 Vol.-%의 다공 형성제 성분 및/또는
- 특히 ≥ 1 Vol.-% 내지 ≤ 7 Vol.-%의 분산제 성분을 포함하고,
상기 양들을 합하면 특히 100 Vol.-%가 될 수 있다.
이는 특히 바람직한 세라믹 조성물이고, 상기 조성물은 특히 소성 성형 공정과 관련해서 가공될 수 있다. 이러한 조성물에 의해 특히 바람직하게는 제조 시 균일한 세라믹 부품들이 제조될 수 있고, 상기 세라믹 부품들은 높은 기계적 안정성과 동시에 소정의 기체 투과성을 갖는다.
다른 실시예와 관련해서 조성물은 용매를 포함하지 않을 수 있다. 이로써 세라믹 조성물은 다른 성분을 첨가 및 제거하지 않고 원하는 대로 가공될 수 있다. 따라서 이 실시예에서는 재료 및 작업 단계가 절약될 수 있고, 이는 특히 세라믹 부품의 제조를 위한 세라믹 조성물의 사용을 특히 저렴하고 간단하게 만든다. 또한, 용매가 사용되지 않음으로써 환경이 보호된다. 본 발명과 관련해서 용매를 포함하지 않는 조성물은 특히, 예를 들어 테이프 캐스팅 공정 시 종래의 방식으로 용매로서 사용되는 성분을 포함하지 않는 것을 의미할 수 있다. 상세하게는 이 실시예에서, 특히 세라믹 조성물의 어떠한 가공 단계에도 조성물이 40℃보다 낮은 온도에서 액체 상태인 성분을 포함하지 않는 것을 의미할 수 있다.
다른 실시예와 관련해서 다공 형성제 성분은 섬유 형태로 형성될 수 있다. 다공 형성제 성분 또는 다공 형성제 성분의 개별 구조들이 섬유 형태로 형성됨으로써 사용된 다공 형성제 성분의 체적 분율이 유사한 경우에 특히 예를 들어 구형 다공 형성제에 비해 개선된, 즉 더 높은 기체 투과성이 달성될 수 있다. 기본적으로 본 발명과 관련해서 구형 다공 형성제 성분도 가능하지만, 이 경우 달성될 개선된 기체 투과성으로 인해 섬유 형태의 다공 형성제가 바람직한 것이 배제되지 않는다. 구형 또는 섬유 형태의 다공 형성제 성분의 제공 여부와 무관하게, 다공 형성제 성분의 개별 구조들은 상이한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 구조들은 매끄러운, 울퉁불퉁한 또는 불규칙적인 표면을 가질 수 있다. 섬유 형태의 구조는 본 발명과 관련해서 특히 직경에 비해 긴 길이를 가질 수 있는, 즉 최대 치수로서 길이를 갖는 구조일 수 있다. 섬유 형태의 다공 형성제 성분은 쌀알 형태 또는 튜브 형태의 구조를 가질 수 있고, 물론 본 발명과 관련해서 상기 형태와 다른 형태도 가질 수 있다.
실시예에서 섬유가 ≤ 1:30, 특히 ≤1:15, 예를 들어 ≤ 1:10의 직경 대 길이 비를 갖는 경우, 및/또는 섬유가 ≤400 ㎛, 특히 ≤300 ㎛의 길이를 갖는 경우가 바람직할 수 있다. 특히 이러한 섬유의 경우에 다공 형성 구조들이 접촉하는 조성물들이 문제없이 제조될 수 있고, 이로써 다공을 통해 기체가 가능한 방해 없이 유동할 수 있는 다공도가 달성될 수 있다. 따라서 특히 바람직한 기체 투과성이 달성될 수 있다.
또한, 본 발명은 소성 성형 공정을 이용해서 세라믹 부품, 특히 기체 투과성 전극을 제조하기 위한 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 용도에 관한 것이며, 이 경우 소성 성형 공정은 특히 압출 공정, 사출 성형 공정, 롤러 성형 공정 또는 플레이트 가압 공정으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 특히 이러한 성형 공정에 의해 본 발명에 따른 조성물이 특히 바람직한 방식으로 간단하고 저렴하게 성형될 수 있다. 상세하게는 예를 들어 불활성 지지 방식의 연료 전지 또는 연료 전지의 전극을 위한 불활성 캐리어 기판이 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 대상의 다른 장점 및 바람직한 실시예들은 도면에 도시되고 하기에서 설명된다. 도면은 설명하는 특징만을 포함하고, 본 발명을 어떠한 형태로든 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 실시예로부터 제조된 세라믹 부품의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 실시예로부터 제조된 세라믹 부품의 구형 다공 형성제 성분의 다공을 도시한 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 실시예로부터 제조된 세라믹 부품의 섬유 형태의 다공 형성제 성분의 다공을 도시한 개략적인 단면도.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 실시예로부터 제조된 세라믹 부품(1)의 개략적인 단면도를 도시한다. 세라믹 부품(1)은 다수의 공동부 또는 다공들(3)이 배치된 세라믹 매트릭스 또는 기본 구조(2)를 포함한다. 도 1에 따른 다공들(3)은 튜브 형태의 구조를 갖는다.
세라믹 부품(1)은 소성 성형 공정을 이용해서 본 발명에 따른 세라믹 조성물로 제조될 수 있고, 이 경우 소성 성형 공정은 특히 압출 공정, 사출 성형 공정, 롤러 성형 공정 또는 플레이트 가압 공정으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 이 경우 세라믹 부품(1)은 예를 들어 기체 투과성 전극 또는 상기 전극의 캐리어 기판일 수 있다.
특히 세라믹 부품(1)을 위한 출발 물질로서 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 적어도 하나의 세라믹 성분, 적어도 하나의 결합제 성분, 다공 형성제 성분으로서 적어도 하나의 유기 화합물, 및 특히 적어도 하나의 분산제 성분을 포함한다.
다공 형성제 성분은 유기 화합물로서 적어도 하나의 중합체를 포함할 수 있거나 또는 중합체일 수 있다. 실시예에서 조성물은 다공 형성제로서 유기 화합물을 포함할 수 있고, 상기 유기 화합물은 탄소와 산소, 탄소와 수소 또는 탄소, 산소 및 수소로 형성된다. 예를 들어 다공 형성제 성분은 수지, 특히 페놀수지, 탄수화물, 특히 셀룰로오스 및 전분, 및/또는 야자각, 또는 상기 물질들의 임의의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
추후에 설명되는 바와 같이 다공 형성제 성분의 제거를 개선하기 위해, 다공 형성제 성분은 또한 ≤450 ℃, 특히 ≤300 ℃, 예를 들어 ≤200 ℃의 온도에서 분해되거나 또는 기상으로 바뀔 수 있다.
세라믹 조성물은 상세하게는
- ≥ 17 Vol.-% 내지 ≤ 48 Vol.-%의 세라믹 성분 및/또는
- ≥ 28 Vol.-% 내지 ≤ 58 Vol.-%의 결합제 성분 및/또는
- ≥ 6 Vol.-% 내지 ≤ 37 Vol.-%의 다공 형성제 성분 및/또는
- 특히 ≥ 1 Vol.-% 내지 ≤ 7 Vol.-%의 분산제 성분을 포함할 수 있고,
상기 양들을 합하면 100 Vol.-%가 될 수 있다.
세라믹 조성물의 전형적인 조성은 세라믹 성분으로서 세라믹 분말(32.4 Vol.-%), 다공 형성제 성분(21.6 Vol.-%), 결합제(43 Vol.-%, 이 경우 예를 들어 상이한 2개의 불수용성 결합제(각각 9.5 Vol.-%)와 수용성 결합제(24 Vol.-%)로 이루어진 혼합물이 제공될 수 있다) 및 분산제 성분(3 Vol.-%)을 포함할 수 있다. 세라믹 성분으로서 이산화지르코늄(ZrO2), 포스테라이트(마그네슘 실리케이트) 또는 이산화알루미늄(Al2O3)이 사용될 수 있다. 결합제로서 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 폴리아크릴레이트가 사용될 수 있다. 다공 형성제로서 예를 들어 페놀수지 섬유가 적합하고, 분산제로서 올레산 또는 BASF사(루드비히스하펜 소재)의 상표명 EFKA 5207으로 판매되는 하이드록실 작용기를 갖는 불포화 변성 카르복실산이 적합하다. 또한, 예를 들어 Uniqema Americas LLC(미국 델라웨어주 윌밍턴 소재)의 Brij72(폴리옥시에틸렌(2)스테아릴에테르)와 같이 상표명 Brij으로 판매되는 폴리알킬렌글리콜에테르가 적합하다.
전술한 내용으로부터 세라믹 조성물에 용매가 전혀 제공되지 않을 수 있는 것, 즉 용매를 포함하지 않을 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 조성물은 예를 들어 먼저 적절한 소성 성형 공정에 의해, 예를 들어 사출 성형 공정 또는 압출 공정에 의해 성형될 수 있다. 후속해서 얻어진 블랭크로부터 예를 들어 가열 작용 또는 용매에 의해 결합제가 제거될 수 있다. 이어서, 결합제 제거된 블랭크는 소결될 수 있고, 이 경우 다공 형성제 성분은 연소에 의해 세라믹 구조로부터 제거된다. 이로 인해 다공(3) 또는 공동부를 포함하는 도 1에 도시된 기본 구조(2)가 형성될 수 있다.
전형적인 조성은 다음을 포함할 수 있다:
세라믹 : ZrO2 32.4 Vol%
결합제: PVB(불수용성) 8.7 Vol%
폴리아크릴레이트(불수용성) 9.0 Vol%
PEG(수용성) 24.0 Vol%
다공 형성제 : 페놀수지 섬유 21.6 Vol%
분산제 : 올레산 2.2 Vol%
EFKA5207 2.1 Vol%
상이한 다공 형성제 성분을 사용하여 전술한 조성물에 의해 달성된 기체 투과성은 표 1에 제시된다.
Figure 112014017616527-pct00001
표 1에 따라 1번 내지 3번은 섬유 형태의 다공 형성제 성분을 나타내는 한편, 4번 및 5번은 구형 다공 형성제 성분을 나타낸다. 특히 양호한 값들은 매끄러운, 구조적으로 균일한, 합성 페놀수지 섬유에 의해 달성될 수 있다. 섬유 형태의 다공 형성제 성분, 특히 페놀 수지는 소성 성형 공정, 압출 또는 사출 성형을 이용하여 8.0E-10 ㎠ 까지의 매우 높은 기체 투과성을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나 구형 다공 형성제 성분, 예를 들어 전분 또는 야자각으로도 1.1-10 ㎠ 또는 6.0E-11 ㎠의 양호한 기체 투과성이 달성될 수 있다.
제공된 가수 투과성은 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2 및 도 3에는 특히 세라믹 기본 구조(2)에 배치된, 세라믹 부품(1) 내의 다공들(3)이 도시된다. 도 2는 구형 다공 형성제 성분에 의해 형성된 다공(3) 또는 공동부를 도시하는 한편, 도 3에는 섬유 형태의 다공 형성제 성분에 의해 형성된 다공(3) 또는 공동부가 도시된다.
총 다공도 외에, 세라믹 부품(1)을 관류하기 위해 기체가 다수의 작은 병목부를 통해 유동해야 하는지 여부가 오히려 기체 투과성에 결정적일 수 있음을 알 수 있다. 이러한 병목부는 특히 다공 형성제 성분 또는 그 개별 구조들의 이전 접촉점들일 수 있다. 이러한 접촉점들은 따라서 특히 구형 다공 형성제에 존재하는 한편, 섬유 형태의 다공 형성제 성분으로부터 형성되는 튜브형 공동부는 기체 흐름에 훨씬 적은 영향을 미치는 병목부 없는 구조적으로 넓은 영역을 포함한다.
따라서, 도 2는 구형 다공 형성제 성분에 의해 형성된 다공(3)을 가진 세라믹 부품(1)을 통과하는 기체 분자의 경로를 화살표 4로 도시한다. 도 2에서 기체 분자는 다수의 작은 포트를 통해 유동하고, 상기 포트는 구형 다공 형성제 성분의 이전의 접촉점들에 의해 형성된다.
상응하게 도 3은 섬유 형태의 다공 형성제 성분에 의해 형성된 다공(3)을 가진 세라믹 부품(1)을 통과하는 기체 분자의 경로를 화살표(5)로 도시한다. 도 3에서 기체 분자는 긴 거리도 더 큰 저항 없이 섬유 형태의 다공 형성제 성분에 의해 형성된 튜브 형태의 다공(3)을 통해 유동할 수 있다.
또한, 주어진 기체 관류 거리에 대해 섬유 형태의 다공 형성제의 사용시보다 더 많은 양의 구형 다공 형성제가 필요한 경향이 있음이 밝혀졌다. 따라서 섬유 형태의 다공 형성제의 사용시 재료가 절약될 수 있고, 이는 섬유 형태의 다공 형성제의 다른 장점을 제공한다.
1 세라믹 부품
2 기본 구조
3 다공

Claims (10)

  1. 소성 성형 공정을 위한 세라믹 조성물로서,
    - 적어도 하나의 세라믹 성분,
    - 적어도 하나의 결합제 성분, 및
    - 적어도 하나의 다공 형성제 성분을 포함하고,
    상기 세라믹 성분은 마그네슘 실리케이트, 이산화알루미늄(Al2O3) 또는 이산화지르코늄(ZrO2)이고,
    상기 결합제 성분은 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐부티랄, 폴리아미드, 폴리아크릴레이트 또는 폴리에틸렌이고,
    상기 다공 형성제 성분은 페놀수지, 전분, 야자각 또는 이들의 혼합물이고,
    상기 세라믹 조성물은 물 및 용매를 포함하지 않는, 세라믹 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다공 형성제 성분은 450 ℃ 이하의 온도에서 분해되거나 또는 기상으로 바뀌는, 세라믹 조성물.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 조성물은
    - 17 Vol.% 내지 48 Vol.%의 세라믹 성분 및/또는
    - 28 Vol.% 내지 58 Vol.%의 결합제 성분 및/또는
    - 6 Vol.% 내지 37 Vol.%의 다공 형성제 성분
    을 포함하는, 세라믹 조성물.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다공 형성제 성분은 섬유 형태로 형성되는, 세라믹 조성물.
  9. 제 8 항에 있어서, 섬유는 1:30 이하의 직경 대 길이 비 및/또는 400 ㎛ 이하의 길이를 갖는, 세라믹 조성물.
  10. 제 1 항에 따른 세라믹 조성물로부터 세라믹 부품을 제조하는 방법으로서,
    상기 세라믹 부품의 제조 방법은 소성 성형 공정을 이용하는, 세라믹 부품의 제조 방법.
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