KR102359342B1

KR102359342B1 - 탄소섬유를 포함하는 다공성 결합물 제조방법

Info

Publication number: KR102359342B1
Application number: KR1020210161724A
Authority: KR
Inventors: 임동욱; 나경수; 서기식
Original assignee: 주식회사 유니온씨티
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-02-09

Abstract

본 발명은 탄소섬유를 이용한 다공성 결합물에 관한 발명으로, 구체적으로 R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100의 탄소섬유를 포함한 조성물을 허니컴 금형 틀을 통해 압출하는 방식으로 제조된 인장성이 우수한 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

Description

탄소섬유를 포함하는 다공성 결합물 제조방법 {A METHOD OF MANUFACTURING POROUS MATERIALS INCLUDING CARBON FIBER}

본 발명은 탄소섬유를 포함하는 다공성 결합물에 관한 발명으로, 구체적으로 탄소섬유의 지름:길이의 비율에 해당하는 R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100의 탄소섬유를 포함한 조성물을 허니컴 금형 틀을 통해 압출하는 방식으로 제조된 인장성이 우수한 다공성 결합물 제조방법에 관한 발명이다.

산업의 발전에 따라 각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals : VOC's)등의 유해물질의 폐해는 더욱 늘어나고 있는 실정이다. 따라서 이러한 공해물질의 방출을 막기 위하여 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성 및 난연성에 있어서 취약한 문제점이 있다. 즉, 폴리에스터의 경우 150 ℃에서 수축이 일어나며, 내열성이 우수한 PTFE(테프론)의 경우도 최고 250 ℃정도의 내열성밖에 가지지 못하며, 산업용 필터를 사용하는 공정의 분위기는 분진과 여러 종류의 폐가스, 수분이 동시에 발생되는 가혹한 환경이어서 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 폴리아마이드, 폴리이미드, 유리섬유 등 대부분의 고분자 소재의 부직포 필터는 필터 표면에 붙어 있던 분진을 제트 펄스 등의 방법으로 털어 내면 위에서 아래로 분진이 떨어지면서 분진에 의한 필터의 표면마모가 심각하여 필터를 파손하고 필터의 사용주기를 짧게 할 뿐 아니라 각 산업의 연소공정 중에 불꽃이 발생하여 필터에 붙게 되면 필터에 붙은 불꽃은 화재로 이어지거나, 필터에 구멍을 내며 쓰레기 소각로, 보일러, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전의 경우는 배기가스가 대기중에 노출될 위험이 있으므로 강화되는 환경규제에 역행하게 된다는 문제점이 있다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹 필터의 개발이 이루어져 왔는데 세라믹 필터는 고분자 필터에 비하여 내열성, 내화학성, 내마모성 등이 훨씬 우수한 특징이 있고, 특히, 내열성이 우수하여 배기 장치 내에 냉각 장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

다만, 종래의 세라믹 필터의 경우, 인성이 낮아서 쉽게 파괴되는 문제가 있었으며, 기공률을 크게 향상시키는데도 무리가 있었다. 이에, 새로운 소재를 가지는 다공성 결합물의 필요성이 요구되고 있다.

본 발명은 탄소섬유를 이용한 다공성 결합물에 관한 발명으로, 구체적으로 R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100의 탄소섬유를 포함한 조성물을 허니컴 금형 틀을 통해 압출하는 방식으로 제조된 인장성이 우수한 다공성 결합물 제조방법에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에서, R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100인 탄소섬유, 실리콘 분말, 탄화규소 분말, 물 및 유기 바인더를 혼련하여 혼합 조성물을 제조하는 공정; 상기 혼합 조성물을 허니컴 금형틀을 가진 압출기를 통해 성형하는 허니컴 성형물 제조 공정; 상기 허니컴 성형물을 건조시키는 건조공정; 상기 건조된 허니컴 성형물을 진공상태에서 가열하여 바인더를 제거시키는 디바인딩 공정; 상기 디바인딩 공정을 거친 허니컴 성형물을 비활성 기체 조건 하에 소결시키는 소결공정을 통해 제조되는, 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시형태에서, 상기 탄화규소 분말은 전체 혼합 조성물 대비 50 내지 70 부피비 (volume%)를 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시형태에서, 상기 탄소섬유 : 실리콘 분말의 몰 비는 1 : 2 내지 1 : 10 인 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시형태에서, 상기 소결공정이 탄화규소 생성시 발생되는 반응열을 통해 진행되어, 소결공정 전후에 다공성 결합물의 크기 변형률이 5% 미만인 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시형태에서, 제조된 다공성 결합물의 인성이 15 내지 25MPa·m^1/2인 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시형태에서, 제조된 다공성 결합물은 발열 히터에 사용되는 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시형태에서, 제조된 다공성 결합물은 촉매담지체에 사용되는 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법을 제공한다.

본 발명은 탄소섬유를 이용한 다공성 결합물에 관한 발명으로, 구체적으로 R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100의 탄소섬유를 포함한 조성물을 허니컴 금형 틀을 통해 압출하는 방식의 다공성 결합물 제조방법에 대한 발명이다.

본 발명의 제조방법을 통해 제조된 다공성 결합물의 경우, 강도가 높으면서도 기공율이 높아 촉매담지체로 사용될 경우, 우수한 효과를 지니며, 기존 세라믹 소재를 통해 달성할 수 없는 높은 인성을 가지므로, 히터로 사용되기에도 매우 적합하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 결합물 제조의 전체적인 공정도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디바인딩 공정을 거친 다공성 결합물을 나타낸 도면이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정을 거친 다공성 결합물 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결공정시의 탄화규소 형성과정을 도시한 도면이다

이하, 본 발명을 통상의 기술자가 실시할 수 있도록 도면을 활용하여 상세히 설명하도록 한다. 단, 하기 설명한 내용은 본 발명의 일 실시예로써 이에 국한되는 것은 아니며, 상황에 따라 변경, 조합 등이 가능하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다공성 결합물은 압출성형, 건조, 디바인딩, 소결공정을 통해 허니컴 형태로 제조된다.

상기 다공성 결합물을 제조하기 위한 구체적인 방법은 하기와 같다.

먼저, 탄소섬유(C), 실리콘 분말(Si), 탄화규소 분말(SiC), 물 및 유기 바인더를 혼련하여 혼합 조성물을 제조한다.

이 후, 상기 혼합 조성물을 혼합물 유입구(100) 내로 투입시킨 후, 허니컴 금형틀을 가진 압출기(200)를 통해 압출 성형하여 허니컴 형태의 성형물을 제조한다. 상기 성형물은 표면적이 넓은 허니컴 형태를 가지는 바, 형태적 특성으로 인해 높은 기공률을 가지게 된다.

이 후, 상기 허니컴 형태의 성형물을 건조기(300)를 통해 건조시킨다. 상기 건조공정은 micro wave 건조와 열풍건조를 혼합하여 진행할 수 있으며, 80 내지 120℃ 에서 1 내지 2시간 동안 건조공정을 진행하는 것이 바람직하다.

이 후, 상기 건조된 성형물을 디바인더(400) 내부로 이동시켜 진공상태에서 가열하여 디바인딩 공정을 진행한다. 상기 디바인딩 공정상에서 혼합물 상의 유기 바인더가 모두 제거되면 혼합물 상의 탄화규소 분말이 결합물의 뼈대를 이루게 되며, 유기 바인더가 존재하던 자리가 기공으로 형성되는 바, 다공성 결합물의 기공률이 보다 향상된다.

상기 유기 바인더로 사용되는 물질은 크게 제한되지 않으나, 바람직하게는 아세틸화 셀룰로오스 에테르를 사용할 수 있다. 특히 상기 아세틸화 셀룰로오스 에테르에 내부 윤활제를 포함시킬 경우, 압출 성형시, 점성이 없는 세라믹 재료에 높은 유동성을 부여하여, 성형성의 향상, 높은 정밀도의 구현, 압출성형품의 균일한 품질 담보 등의 효과를 달성할 수 있다.

상기 유기바인더는 전체 혼합 조성물 대비 10 내지 30 부피비로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 유기바인더가 지나치게 높게 함유될 경우, 유기바인더가 빠져나가면서 발생한 기공이 너무 커져, 최종 성형체의 강도가 크게 낮아질 수 있으며, 반대로 유기바인더가 너무 소량 함유될 경우, 원하는 만큼의 기공률 확보가 어려울 수 있다.

상기 디바인딩 공정을 통해 향상되는 기공률의 정도는 함유되는 유기바인더의 함량에 따라 달라질 수 있으며, 유기바인더가 전체 혼합 조성물 대비 10 내지 30 부피비로 첨가될 경우, 디바인딩 공정을 통해 기공률을 20 내지 30% 만큼 추가적으로 향상시킬 수 있다.

상기 디바인딩 공정은 진공상태에서 온도를 올려 진행하는 것이 바람직하며, 이 후에, 불활성 기체 조건하에 소결하는 것이 바람직하다.

이러한 진공상태에서 디바인딩 공정을 진행할 경우, 카본의 산화를 억제할 수 있어서 보다 우수한 물성의 다공성 결합물을 제조할 수 있다.

한편, 상기 디바인딩 공정 시에 온도는 진공상태에서 150 내지 600℃ 범위에서 천천히 승온시키는 방법을 통해 진행하는 것이 바람직하다. 온도가 상기 범위보다 낮을 경우, 디바인딩이 완전히 일어나지 않아서, 기공율이 감소하게 되며, 반대로 온도가 지나치게 높게 설정되면, 조성물이 녹는 등 물성의 약화가 일어날 수 있는 바, 바람직하지 않다.

상기 디바인딩 공정을 진행하고 나면, 바인더가 모두 제거되는 바, 앞서 건조공정을 통해 수분이 제거된 자리와, 디바인딩 공정을 통해 바인더가 제거된 자리는 기공으로 남게 된다.

상기 디바인딩 공정을 거친 후, 소결 공정을 진행한다.

상기 소결 공정상에서는 하기 반응식과 같이 혼합물에 투입된 탄소섬유와 실리콘 분말이 반응하여, 새로운 탄화규소 물질이 형성된다. 구체적인 소결공정을 통한 탄화규소 생성반응은 도 4를 통해 확인할 수 있다.

[반응식 1]

Si + C → SiC

한편, 상기와 같은 탄소섬유와 실리콘 분말의 반응은 공유결합 형태로 일어나는 바, 반응이 매우 느리게 진행된다. 때문에 대부분의 새로운 탄화규소 생성반응이, 결합물의 뼈대를 이루고 있는 기존 탄화규소 분말의 표면상에서 형성되게 된다.

위와 같이 탄소섬유와 실리콘 분말이 반응하여, 탄화규소를 형성할 경우, 반응전에 비해서 약 30%가량 부피비가 감소하게 된다. 즉, 상기 도 4에 도시된 바와 같이 기존 탄화규소 뼈대의 표면상에 새롭게 탄화규소가 생성되며, 기존에 실리콘 및 탄소섬유가 분포되어 있던 공간상에 빈 공간이 형성되게 되는 바, 다공성 결합물의 기공률이 20 내지 30% 만큼 추가적으로 향상될 수 있다.

한편, 새롭게 제조된 탄화규소는 비결정성 고체(Amorphous solid) 형상으로 존재하게 되는 바, 충분한 강도를 가지기가 어렵다. 따라서, 위와 같이 새롭게 생성된 탄화규소상에 여분의 실리콘 분말이 부착되어 단단한 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 탄소 공급원으로 탄소 섬유를 사용하였는 바, 이러한 탄소섬유는 새롭게 생성된 탄화규소 상에서도 섬유형태를 유지하고 있어서, 여분의 실리콘 분말이 부착되기가 용이하다.

위와 같은 강도 향상을 위해 혼합물 상에 첨가되는 탄소섬유 : 실리콘 분말의 몰 비는 1 : 2 내지 1 : 10 으로 조절되는 것이 바람직하다.

상기 비율보다 탄소섬유가 적게 함유될 경우, 미반응 실리콘 분말이 지나치게 많아져서, 실리콘 분말의 감소로 인한 추가적인 기공률 확보라는 기능을 달성할 수 없다. 반면, 탄소섬유가 지나치게 많이 함유될 경우, 새롭게 형성된 비결정성 형태의 탄화규소가 충분한 강도를 가지기 어려워서, 지지체의 강도가 낮아질 수 있다.

한편, 위와 같이 탄화규소를 제조하는 탄소의 재료로 탄소섬유를 사용할 경우, 최종적으로 제조되는 다공성 결합물의 필터효과 및 인성을 크게 향상시킬 수 있다.

우선적으로, 탄소섬유는 분말형태의 탄소와 달리, 탄화규소를 형성한다 할지라도 섬유형태를 간직한 채로 뼈대 표면에 부착되는 바, 위와 같은 방사형의 섬유형태로 인하여 우수한 필터링 효과를 제공할 수 있다. 상기 탄소섬유의 형태는 R/O ratio에 따라 다양하게 형성될 수 있는 바, 형태를 조절하여 필요에 맞는 소재로 활용이 가능하다.

상기와 같은 필터링 효과 뿐만 아니라, 탄소섬유를 활용할 경우, 분말형태의 입자사이에 섬유형태의 탄소가 유입됨에 따라, 세라믹소재의 최대 약점인 인성이 크게 강화될 수 있다.

구체적으로 상기 탄소섬유를 활용한 본 발명 다공성 복합소재의 인성은 15 내지 25 MPa·m^1/2의 범위로 나타나는 바, 약 4 MPa·m^1/2의 인성을 보유한 기존 세라믹 소재에 비해서 약 4 내지 6배 이상 인성이 향상될 수 있다.

다만, 상기와 같은 탄소 공급원으로 모든 종류의 탄소섬유를 활용할 수 있는 것은 아니다. 본 발명과 같은 허니컴 형태의 다공성 결합물을 제조하기 위해서는 성형체를 압출성형하는 공정이 선행되어야 하는데, 일정수준이상으로 길어진 탄소섬유는 압출이 불가능한 바, 본 발명에 적용할 수 있는 적절한 탄소섬유의 선택이 필요하다.

이 때, 상기 탄소섬유의 지름 : 길이의 비율에 해당하는 R/O ratio 비율은 1 : 5 내지 1 : 100로 조절되는 것이 바람직하다. 만약 상기 비율보다 지름의 길이가 더 짧아질 경우, 실질적으로 파우더 형태의 탄소와 크게 다른 기능을 달성할 수 없는 바, 필터링 기능 및 인성향상 기능을 달성할 수 없으며, 반대로 지름의 길이가 더 길어질 경우, 압출단계에서부터 공정이 진행되기 어려워 성형체를 제조하는 것이 불가능하다는 문제가 발생할 수 있다.

상기 탄소섬유는 전체 혼합 조성물 대비 5 내지 10 부피비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만약 탄소섬유를 5 부피비보다 적게 함유시키면, 최종 생성되는 다공성 결합물의 인성을 높게 만들 수 없는 바, 바람직하지 않고, 반대로 10부피비 보다 높게 함유시키면 앞서 살펴본 바와 같이, 새롭게 형성된 탄화규소가 지나치게 물렁하여 다공성 결합물의 강도가 낮아진다는 문제가 발생할 수 있다.

상기 탄소섬유와 1 대 1공유 결합을 진행한 뒤, 생성된 탄화규소에 부착되어 탄화규소의 강도를 향상시키기 위하여, 실리콘 분말은 전체 혼합 조성물 대비 10 내지 20 부피비로 첨가되는 것이 바람직하다.

아울러, 탄화규소 분말은 전체 혼합 조성물 대비 50 내지 70 부피비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄화규소는 분말은 디바인딩 공정을 거친 후, 다공성 결합물의 뼈대역할을 하는 바, 만약 탄화규소 분말을 50 부피비보다 적게 함유시키면, 최종 생성되는 다공성 결합물의 강도가 약해져서, 히터나 촉매담지체로 사용하기에 바람직하지 않고, 반대로 70 부피비보다 높게 함유시키면 바인딩 물질이나 탄소섬유등의 다른 구성물질의 양이 지나치게 적어져서 충분한 기공률을 확보하지 못한다는 문제가 발생할 수 있다.

위와 같이 탄화규소 분말 및 탄소섬유의 함량을 적절하게 조절하여, 다공성 결합물을 제조할 경우, 높은 기공률을 가지면서도 강도 및 인성이 적절하게 유지된 다공성 결합물의 제조가 가능하다.

구체적으로, 본 발명의 다공성 결합물은 강도가 25MPa 이상으로 조절됨과 동시에 인성이 15 내지 25 MPa·m^1/2로 조절되며, 기공률이 80% 내지 95%로 이루어진다.

위와 같이 강도가 25MPa 이상으로 조절될 경우, 외부 충격에 의해서 쉽게 파손되지 않는 바, 다양한 용도의 조성물로 활용이 가능하다.

아울러, 일반적인 세라믹 조성물의 인성은 약 4 MPa·m^1/2로 매우 낮은 수준으로 이루어지는 것과 달리 인성이 15 MPa·m^1/2 이상으로 나타나는 바, 기존 세라믹 조성물에서 달성하지 못했던 안정적인 인성 달성이라는 효과를 얻을 수 있다. 다만, 인성을 25 MPa·m^1/2이상으로 조절하기 위해서는 탄소섬유의 함량을 높이거나, R/O ratio 비율을 조절하여 더욱 긴 섬유를 사용하여야 하는데 R/O ratio 비율이 1:100를 넘어서 지나치게 높아지면 사출자체가 불가능해지고, 탄소섬유의 함량이 지나치게 높아지면, 전체적인 소재의 강도가 현저히 떨어지게 되는 바, 다공성 결합물의 인성을 15 내지 25 MPa·m^1/2로 조절하는 것이 가장 바람직하다.

아울러, 기공률은 80% 내지 95%로 조절하는 것이 가장 바람직하다. 기공률이 높을 수록, 촉매담지체나 히터 등에 사용하였을 때의 효율이 증가하게 된다. 다만 기공률을 지나치게 높일 경우, 소재의 안정성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위내에서 조절되는 것이 가장 바람직하다.

한편, 기존의 제품들로는 상기와 같이 강도와 인성 및 기공률이 모두 우수한 소재를 만드는 것이 실질적으로 불가능하였는 바, 이러한 물성은 본 발명만의 특징이라 볼 수 있다.

구체적으로, 일반적인 다공성 결합물에 있어서, 빈공간을 이루는 기공의 면적 비율이 지나치게 높아질 경우, 다공성 결합물에 외부 충격이 가해질 때, 뼈대가 쉽게 파손될 수 있는 바, 다양한 용도로 사용하기에 적합하지 않다. 따라서, 일반적인 다공성 결합물은 기공률을 크게 향상시키는데 제약이 존재하였다.

반면, 본 발명의 R/O ratio 및 사이즈를 가지는 탄소섬유와 혼합된 탄화규소로 이루어진 뼈대의 경우, 일반적인 세라믹에 비해서 인성 및 강도가 우수하여, 허니컴 형태를 이루는 빈공간의 면적 비율을 보다 높이더라도, 다공성 결합물을 견고하게 지지할 수 있다.

이러한 특성을 기반으로 본 발명에서는 표면적이 넓은 허니컴 형태, 실리콘의 탄화규소화를 통한 추가적인 기공확보, 탄소섬유의 방사형태를 통한 추가적인 기공확보라는 세가지 기공확보를 위한 구성을 갖추더라도, 인성 및 강도가 유지되는 다공성 결합물의 제조가 가능하다.

한편, 본 발명에서는 상기 소결공정상의 소결 에너지로 탄소섬유와 실리콘의 결합으로 인해 발생하는 반응열을 사용하는 것을 특징으로 한다.

일반적인 소결공정의 경우 1400℃ 이상의 고온에서 약 1 내지 4시간 정도 진행되는데 위와 같은 고온상태에서 장시간 소결공정이 진행되게 되면, 수축현상이 발생하게 되어 소결 전 성형체에 비해 소결 후 성형체의 크기가 줄어들게 된다. 이로 인해 원하고자 하는 성형체의 모양을 유지하기가 어려우며, 원하는 기공률의 확보도 어려워진다는 문제가 있다. 아울러, 성형체의 모양이 달라짐에 따라 별도의 표면마감을 진행해야 하는 바, 공정 소요비용이 늘어난다는 문제도 있었다.

반면, 본 발명에서는 초기에 실리콘의 녹는점인 1414℃ 이상으로 온도를 올려서, 실리콘이 액상화 되기 시작하면 별도의 가열을 중단한다. 이 때, 상기 고온조건에서의 가열공정은 30분 미만으로 진행하는 것이 바람직하다.

상기 액상화 된 실리콘은 혼합물에 함유된 탄소섬유와 반응하여, 반응열을 발생시키게 되는 바, 본 발명에서는 상기 반응열을 소결에너지로 사용하여 소결을 진행한다. 상기 반응열을 이용한 소결공정은 약 2 내지 4시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 위와 같이 반응열을 소결에너지로 사용할 경우, 소결 공정에서 별도의 외부 에너지원을 공급하지 않아도 되는 바, 소요에너지를 절감할 수 있다. 아울러, 위와 같이 반응열을 이용한 소결공정을 진행할 경우, 공정중에 불필요한 고온상태가 유지되지 않아서, near-net shaping 기술의 적용이 가능한 바, 소결 전, 후의 성형체 크기의 변형율이 5% 미만으로 나타나는 바, 사이즈가 거의 변하지 않는다는 장점이 있다.

이와 같이, 소결공정을 거친다 하여도, 성형체의 모양과 소결공정을 거친 최종 생성물의 모양이 동일하게 이루어지는 바, 표면 마감을 크게 진행하지 않아도 공정을 마무리할 수 있어, 공정에 소요되는 비용을 크게 절감시킬 수 있다. 아울러, 소결 이후에도 원하고자 하는 성형체의 모양 및 기공률을 모두 확보할 수 있다.

도 4는 소결전의 다공성 결합물을 도시한 도면이고, 도 5는 소결후의 다공성 결합물을 도시한 도면으로서, 본 발명은 near-net shaping 기술을 적용하여, 소결전후의 성형체의 형상 및 크기를 유지시키면서도, 기공률 및 강도만을 향상시키는 것을 확인할 수 있다.

상기 소결 공정이후에는, 필요에 따라 원하는 크기로 절삭하여 사용 가능하다.

상기와 같이 제조된 다공성 결합물은 발열히터 또는 촉매담지체로 활용될 수 있다.

구체적으로 이러한 다공성 결합물을 활용한 발열히터의 구조는 허니컴 형상을 가진 발열부와, 상기 발열부의 양쪽 끝단부에 형성되어 전기가 통할 수 있게 하는 전극부로 구성될 수 있다.

이와 같이 제조된 발열히터의 경우, 다공성 결합물이 가진 넓은 표면적과 우수한 열전도율로 인하여 높은 열 교환 특성을 가지게 된다. 아울러, 기존 세라믹 소재가 가지지 못했던 우수한 인성을 가지게 되므로, 외부의 충격에 의해서 기기가 파손되는 현상도 크게 줄어들 수 있다.

아울러, 우수한 물성으로 인해 다양한 치수로 가공하기가 수월하여, 범용성이 넓으며, 재료 성분량을 조절하여 저항의 범위를 다양하게 설계할 수 있는 바, 직류와 교류의 구분 없이 사용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 다공성 결합물을 활용해 제작된 촉매담지체의 경우는, 기공율이 80 내지 95%로 매우 우수한 바, 원하는 촉매를 60 내지 85% 까지 담지시킬 수 있어, 촉매담지량이 크게 상승하게 되며, 유해가스와 촉매사이트가 만날 표면적이 늘어나게 되는 바, 크기를 크게 키우지 않더라도 충분한 효과를 거둘 수 있다.

이로 인해, 촉매담지체를 포함하는 전체적인 제품의 중량을 크게 절감시킬 수 있는 바, 이동형 제품에 적용하기에 매우 용이하다는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 시험예를 제시한다. 그러나, 하기의 시험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

전체 혼합 조성물 대비 실리콘 분말 30mol%, 탄화규소 분말 30mol%, R/O ratio 비율이 1:5으로 조절된 탄소섬유 5mol%, 물 및 아세틸화 셀룰로오스 에테르를 혼련하여 혼합 조성물을 제조한 후, 상기 혼합 조성물을 허니컴 금형틀을 가진 압출기를 통해 성형하는 허니컴 성형물 제조하였다.

상기 허니컴 성형물을 110℃에서 건조시킨 후, 상기 건조된 허니컴 성형물을 진공상태에서 가열하여 바인더를 제거시켰다.

상기 디바인딩 공정을 거친 허니컴 성형물을 비활성 기체 조건 하에 1450℃ 까지 승온시켰다. 이 후, 상기 온도에서 실리콘 분말의 액상화가 진행되면, 외부의 열 공급을 중단하고, 반응열을 이용하여 소결공정을 진행하였다.

<실시예 2>

상기 R/O ratio 비율이 1:100으로 조절된 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 구성으로 제조공정을 진행하였다.

<비교예 1>

전체 혼합 조성물 대비 실리콘 분말 30mol%, 탄화규소 분말 30mol%, R/O ratio 비율이 1:3으로 조절된 탄소섬유 5mol%물 및 아세틸화 셀룰로오스 에테르를 혼련하여 혼합 조성물을 제조한 후, 상기 혼합 조성물을 허니컴 금형틀을 가진 압출기를 통해 성형하는 허니컴 성형물 제조하였다.

상기 디바인딩 공정을 거친 허니컴 성형물을 1450℃ 에서 3시간 동안 소결공정을 진행하였다.

<비교예 2>

상기 R/O ratio 비율이 1:120으로 조절된 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 구성으로 제조공정을 진행하였다.

<비교예 3>

탄소공급원으로 흑연을 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 조건으로 제조공정을 진행하였다.

상기 실시예 1,2 및 비교예 1 내지 3을 통해 얻어지는 다공성 결합물의 물성은 하기 표 1에 기재된 바와 같다. 강도는 ASTM C1161-2C, 인성은 ASTM C1421 측정방법을 통해 측정하였다.

구분	기공률 (%)	강도 (MPa)	인성 (MPa·m^1/2)	소결전후의 부피 변화율(%)
실시예 1	81	28	15.8	4
실시예 2	88	27	19.4	4
비교예 1	75	28	6.2	17
비교예 2	(압출 실패)
비교예 3	62	25	4.1	16
비교예 4	59	27	3.8	21

상기 실험결과로 미루어 알 수 있듯이, 유의미한 인성 증가를 위해서는 탄소섬유의 R/O ratio 비율이 1:5 이상으로 조절되어야 하는 것을 알 수 있다. 반대로, R/O ratio 비율이 1:100을 넘을 경우, 압출자체가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 위와 같이 비율이 조절된 탄소섬유를 활용하여 탄화규소를 생성할 경우, 강도가 27MPa 이상으로 적절히 유지되면서도, 기존 세라믹의 큰 단점으로 작용하던 낮은 인성의 수치 범위가 15 내지 25 MPa·m^1/2의 범위로 크게 향상 (기존 세라믹에 비해 약 4 내지 6배)되는 것을 확인할 수 있었다. 동시에 본 발명의 실시예의 해 제조된 다공성 결합물은 기공율이 80% 이상으로 매우 높은 기공율을 나타냄을 확인할 수 있었다.

아울러, 본 발명과 같이 탄화규소 생성시에 발생하는 반응열을 활용하여 소결공정을 진행할 경우, 소결전후의 부피 변화율이 5% 이하로서 거의 부피가 변화하지 않는 바, 다공성 결합물을 보다 안정적으로 형성시킬 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.

100 : 혼합물 유입구
200 : 압출기
300 : 건조기
400 : 디바인더
500 : 소결로

Claims

R/O ratio 비율이 1:5 내지 1:100인 탄소섬유, 실리콘 분말, 탄화규소 분말, 물 및 유기 바인더를 혼련하여 혼합 조성물을 제조하는 공정;
상기 혼합 조성물을 허니컴 금형틀을 가진 압출기를 통해 성형하는 허니컴 성형물 제조 공정;
상기 허니컴 성형물을 건조시키는 건조공정;
상기 건조된 허니컴 성형물을 진공상태에서 가열하여 바인더를 제거시키는 디바인딩 공정;
상기 디바인딩 공정을 거친 허니컴 성형물을 비활성 기체 조건 하에 소결시키는 소결공정을 통해 제조되는, 다공성 결합물 제조방법
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 분말은 전체 혼합 조성물 대비 50 내지 70 부피비 (volume%)를 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 : 실리콘 분말의 몰 비는 1 : 2 내지 1 : 10 인 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법
제1항에 있어서,
상기 소결공정이 탄화규소 생성시 발생되는 반응열을 통해 진행되어, 소결공정 전후에 다공성 결합물의 크기의 변형율이 5% 미만인 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법
제1항에 있어서,
제조된 다공성 결합물의 인성이 15 내지 25 MPa·m^1/2인 것을 특징으로 하는 다공성 결합물 제조방법
제1항에 의해 제조된 다공성 결합물을 포함하는 발열 히터.
제1항에 의해 제조된 다공성 결합물을 포함하는 촉매담지체.