KR102451008B1 - 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카가 함유된 충전재, 바인더, 기공형성제 및 흑연으로 이루어지며, 상기 기공형성제는 평균입자크기가 35 내지 45 마이크로미터인 아크릴로니트릴로 이루어진다.
상기와 같이 평균 입자크기가 8 내지 10 마이크로미터인 실리카와 기공형성제가 함유된 디젤 입자 필터용 조성물은 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 내부 표면에 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제공한다.
상기와 같이 평균 입자크기가 8 내지 10 마이크로미터인 실리카와 기공형성제가 함유된 디젤 입자 필터용 조성물은 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 내부 표면에 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제공한다.
Description
본 발명은 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 내부 표면의 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제공하는 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물에 관한 것이다.
최근 디젤엔진 제조기술의 발전으로 전세계적으로 디젤 자동차가 증가되는 추세에 있으며, 이와 함께 엔진의 설계, 제작 기술발전에 따라 오염물의 배출량이 꾸준하게 감소되고 있기는 하나, 오염물에 대한 규제가 더욱 강화되고 있으므로 그 규제치의 만족에 어려움이 있다.
일반적으로 디젤차량의 배출가스에는 디젤의 불완전연소에 의해 탄소 및 미연소탄화수소 등으로 구성되는 입자상물질이 다량 포함하게 되며, 이러한 입자상 물질은 특히 인체에 폐암 등과 같은 질병을 유발하는 것으로 알려져 있다. 이에 전 세계적으로 입자상 물질의 배출량을 규제하고 입자상 물질을 감소시키는 다양한 방안들이 개발되고 있는 실정이다.
디젤 입자 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)는 디젤자동차의 배기가스에서 입자상물질을 제거하는 필터를 말한다. 디젤 입자 필터는 디젤기관의 매연을 줄이기 위하여 차량의 배기관에 장착하여 배출되는 입자상물질을 포집한다.
디젤 입자 필터는 배압이나 차압을 줄이는 것이 매우 중요한데, 디젤 입자 필터에 배압이나 차압이 증가하게 되면, 차량의 연비 및 출력이 감소하며, 필터의 열적 내구성에 매우 불리하기 때문이다.
상기와 같은 문제로 인해 디젤 입자 필터의 배압이나 차압을 감소시키기 위해 필터 내부의 기공율을 높이거나 기공크기를 증가시켜야 하는데, 기공율을 증가시키기 위해서는 기공 형성을 위한 기공형성제의 함량을 증가시켜야 하기 때문에 건조 및 열처리 공정에서 성형의 문제점을 발생시키기 때문에, 출발 원료인 알루미나, 실리카, 활석의 입자 크기를 증가시켜 기공크기를 확대하는 방법이 주로 사용되고 있다.
그러나, 상기와 같이 원료성분의 입자크기를 증가시키면 기공의 크기는 증가시킬 수 있으나, 디젤 입자 필터 표면에 발생하는 결함으로 인해 디젤 입자의 제거 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해소하기 위해 종래에는 평균입도가 약 30 마이크로미터인 월넛을 기공형성제로 투입하여 상기의 문제점을 해소하려 하였으나, 디젤입자필터를 제조하는 과정에서 진행되는 열처리 시 월넛으로 이루어진 기공형성제가 연소하면서 발생하는 열에 의하여 필터 내부 및 외부 사이에 온도 차이를 발생시키며, 이러한 온도차이로 인해 열처리시 제품에 크랙이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 내부 표면에 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제조할 수 있는 디젤 입자 필터용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 실리카가 함유된 충전재, 바인더, 기공형성제 및 흑연으로 이루어지며, 상기 기공형성제는 평균입자크기가 20 내지 45 마이크로미터이며 중공형태의 아크릴로니트릴로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물은 실리카가 함유된 충전재 100 중량부, 바인더 6 내지 8 중량부, 기공형성제 0.45 내지 1.5 중량부 및 흑연 1 내지 3 중량부로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 기공형성제는 겉보기 밀도가 0.02 내지 0.04g/cc이며 구의 형상을 나타내는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리카가 함유된 충전재는 활석, 카올린, 산화알루미늄 및 실리카로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리카가 함유된 충전재는 활석, 하소고령토, 고령토, 산화알루미늄, 수산화알루미늄 및 실리카로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리카가 함유된 충전재는 활석 100 중량부, 하소고령토 25 내지 30 중량부, 고령토 40 내지 50 중량부, 산화알루미늄 30 내지 40 중량부, 수산화알루미늄 15 내지 20 중량부 및 실리카 15 내지 25 중량부로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리카는 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1% 미만인 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 바인더는 메틸셀룰로오스계 바인더로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 메틸셀룰로오스계 바인더는 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 및 히드록시프로필메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물은 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 내부 표면의 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 디젤 입자 필터의 열처리시 수축과 필터의 온도변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물은 실리카가 함유된 충전재, 바인더, 기공형성제 및 흑연으로 이루어지며, 실리카가 함유된 충전재 100 중량부, 바인더 6 내지 8 중량부, 기공형성제 0.45 내지 1.5 중량부 및 흑연 1 내지 3 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리카가 함유된 충전재는 본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물의 주재료가 되는 성분으로, 상기 실리카가 함유된 충전재는 상기 실리카가 함유된 충전재는 활석, 하소고령토, 고령토, 산화알루미늄, 수산화알루미늄 및 실리카로 이루어지며, 활석 100 중량부, 하소고령토 25 내지 30 중량부, 고령토 40 내지 50 중량부, 산화알루미늄 30 내지 40 중량부, 수산화알루미늄 15 내지 20 중량부 및 실리카 15 내지 25 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기의 성분으로 이루어지는 실리카가 함유된 충전재는 디젤 입자 필터에 기계적 강도를 부여하고, 수분저항성이나 흡착성능을 더욱 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 입자크기가 조절된 실리카가 함유되어 디젤 입자 필터의 배압이나 차압을 낮추며, 디젤 입자 필터 내부 표면에 결함 발생을 억제하는 역할을 한다.
이때, 상기 실리카는 15 내지 25 중량부가 함유되는데, 평균 입자크기가 8 내지 10 마이크로미터이며, 최대 입자 크기는 30 마이크로미터를 나타내고, 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1% 미만을 나타내도록 입자크기가 조절된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 실리카의 함량이 15 중량부 미만이만 상기와 같이 디젤 입자 필터의 배압이나 차압을 낮추며, 디젤 입자 필터 내부 표면에 결함 발생을 억제하는 효과가 미미하며, 상기 실리카의 함량이 25 중량부를 초과하게 되면 상기의 효과는 크게 향상되지 않으면서 상대적으로 활석, 하소고령토, 고령토, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 등의 함량이 줄어들어 디젤 입자 필터의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 실리카의 평균 입자크기가 8 마이크로미터 미만이거나, 325 메시의 채거름 잔류량이 0.05% 미만이면 디젤 입자 필터의 배압이나 차압이 지나치게 증가하며, 상기 실리카의 평균 입자크기가 10 마이크로미터를 초과하거나 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1%를 초과하게 되면 실리카의 입자크기 증가로 인해 디젤 입자 필터 내에 기공 크기는 증가하게 되지만 디젤 입자 필터의 내부 표면에 다수의 결함이 발생된다.
상기 바인더는 6 내지 8 중량부가 함유되며, 메틸셀룰로오스계 바인더로 이루어지는데, 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 및 히드록시프로필메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
상기의 성분으로 이루어지는 바인더는 본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물을 구성하는 실리카가 함유된 충전재, 기공형성제 및 흑연을 결속시켜 기계적 강도를 부여하는 역할을 한다.
상기 바인더의 함량이 6 중량부 미만이면, 상기 실리카가 함유된 충전재, 기공형성제 및 흑연의 결속력 저하로 인해 디젤 입자 필터의 물성이 저하될 수 있으며, 상기 바인더의 함량이 8 중량부를 초과하게 되면 상대적으로 실리카가 함유된 충전재, 기공형성제 및 흑연의 함량이 줄어줄어 흡착성능 및 기계적 강도가 저하될 뿐만 아니라, 디젤 입자 필터를 제조하는 과정에서 디젤 입자 필터용 조성물의 점도가 지나치게 증가하여 가공성이 저하될 수 있다.
상기 기공형성제는 0.45 내지 1.5 중량부가 함유되며, 평균입자크기가 20 내지 45 마이크로미터이며 중공형태의 아크릴로니트릴로 이루어지는데, 상기 기공형성제는 겉보기 밀도가 0.02 내지 0.04g/cc이며, 구의 형상을 나타내는 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기의 성분으로 이루어지는 중공형태의 기공형성제는 종래에 월넛으로 이루어진 기공형성제에 비해 낮은 함량으로 함유되더라도, 월넛을 사용하여 제조된 디젤입자필터와 대등한 기공율을 나타내는 디젤입자필터를 제공하며, 열처리시 기공형성제가 탄화되면서 발생하는 열을 줄일 수 있기 때문에, 열처리시 온도차이로 인해 발생하는 균열의 문제를 해소할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물을 이용한 디젤 입자 필터의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 디젤 입자 필터의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
하소 고령토 11kg, 고령토 18kg, 활석 41kg, 산화알루미늄 15kg, 수산화알루미늄 7kg, 실리카(평균 입자크기 9 마이크로미터, 최대 입자크기 30 마이크로미터, 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1% 미만) 8kg, 메틸셀룰로오스 10kg, 기공형성제(평균입자크기가 40 마이크로미터, 겉보기 밀도 0.03g/cc, 고형분의 함량 15%인 중공형 구의 형태를 나타내는 아크릴로니트릴) 0.45kg 및 흑연 2kg을 교반기가 구비된 혼합장치에 투입하고 150rpm의 속도로 20분 동안 교반하여 디젤 입자 필터용 조성물을 제조하고, 상기 조성물을 압축성형장치에 투입하여 허니컴구조를 갖는 성형물로 성형하고, 허니컴구조로 성형된 성형물을 전기로에 투입하여 1380℃까지 가열(1300 내지 1380℃의 구간에서는 0.5℃/min의 승온속도로 가열)하고, 가열된 성형물이 투입된 전기로에 질소를 10L/min의 양으로 주입하면서 성형물을 1410℃의 온도로 16시간 동안 소성하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 기공형성제 0.75kg을 혼합하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 기공형성제 1.0kg을 혼합하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 기공형성제 1.25kg을 혼합하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 기공형성제 1.5kg을 혼합하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
<비교예 1>
하소 고령토 11kg, 고령토 18kg, 활석 41kg, 산화알루미늄 15kg, 수산화알루미늄 7kg, 실리카(평균 입자크기 8 마이크로미터, 최대 입자크기 30 마이크로미터, 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1% 미만) 8kg, 메틸셀룰로오스 10kg, 월넛(평균 입자크기 30 마이크로미터, 겉보기 밀도 1.3g/cc, 고형분 함량 100%) 25kg 및 흑연 2.0kg을 교반기가 구비된 혼합장치에 투입하고 150rpm의 속도로 20분 동안 교반하여 디젤 입자 필터용 조성물을 제조하고, 상기 조성물을 압축성형장치에 투입하여 허니컴구조를 갖는 성형물로 성형하고, 허니컴구조로 성형된 성형물을 전기로에 투입하여 1380℃까지 가열(1300 내지 1380℃의 구간에서는 0.5℃/min의 승온속도로 가열)하고, 가열된 성형물이 투입된 전기로에 질소를 10L/min의 양으로 주입하면서 성형물을 1410℃의 온도로 16시간 동안 소성하여 디젤 입자 필터를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1을 통해 제조된 디젤 입자 필터의 수은침투부피, 중위값 기공크기, 평균 기공크기 및 기공률을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
{단, 수은침투부피, 평균 기공크기 및 기공률은 Micromeritics사의 수은 압입 기공 크기 분석기를 이용하여 측정하였다.}
| 구분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 비교예 1 |
| 수은침투부피(mL/g) | 0.281 | 0.461 | 0.552 | 0.712 | 0.896 | 0.196 |
| 중위값 기공크기(㎛) | 14.75 | 18.13 | 19.62 | 21.97 | 24.50 | 12.63 |
| 평균 기공크기(㎛) | 11.37 | 15.79 | 14.33 | 19.98 | 21.93 | 9.47 |
| 기공률(%) | 38.55 | 51.33 | 55.90 | 61.08 | 68.45 | 32.95 |
상기 표 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1 내지 5를 통해 제조된 디젤입자필터는 비교예 1을 통해 제조된 디젤입자필터에 비해 기공형성제의 함량이 현저히 낮음에도 불구하고, 수은침투부피가 크며, 기공크기나 기공률이 월등하게 향상되는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 디젤 입자 필터를 제조하는 과정에서 열처리시 수축율과 발열량을 측정하여 아래 도 1에 나타내었다.
아래 도 1에 나타낸 것처럼, 실시예 1을 통해 제조된 디젤 입자 필터는 비교에 1을 통해 제조되는 디젤 입자 필터에 비해 열처리시 수축율이 작고, 기공형성제가 탄화되는 구간인 300 내지 450℃의 온도범위에서 발열량이 낮은 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물은 평균 입자크기가 8 내지 10 마이크로미터인 실리카가 사용되어 배압이나 차압이 낮을 뿐만 아니라, 평균입자크기가 20 내지 45 마이크로미터이며 중공형태의 아크릴로니트릴로 이루어진 기공형성제를 사용함으로써 내부 표면에 결함 발생이 억제되는 디젤 입자 필터를 제공한다.
Claims (8)
- 활석 100 중량부, 하소고령토 25 내지 30 중량부, 고령토 40 내지 50 중량부, 산화알루미늄 30 내지 40 중량부, 수산화알루미늄 15 내지 20 중량부 및 실리카 15 내지 25 중량부로 이루어진 충전재 100 중량부, 바인더 6 내지 8 중량부, 기공형성제 0.45 내지 1.5 중량부 및 흑연 1 내지 3 중량부로 이루어지며,
상기 실리카는 평균 입자크기가 8 내지 10 마이크로미터이며, 325 메시의 채거름 잔류량이 0.1% 미만인 것을 특징으로 하며,
상기 기공형성제는 평균입자크기가 20 내지 45 마이크로미터이며, 겉보기 밀도가 0.02 내지 0.04g/cc이고, 중공형태의 아크릴로니트릴로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 바인더는 메틸셀룰로오스계 바인더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물. - 청구항 7에 있어서,
상기 메틸셀룰로오스계 바인더는 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 및 히드록시프로필메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 결함이 개선된 디젤 입자 필터용 조성물.
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