KR19980052350A - 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 분말을 요철이 형성된 하나 이상의 롤러 사이를 통과시킴으로써 엠보싱된 세라믹 시트를 제조하고, 이를 서로 직각 방향으로 돌려서 적층하여 소결함으로써 고정원 및 이동원 등의 배기 가스에서 발생하는 분진 및 입자상 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터는 소각로, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전소, 경유 매연 제거 장치, 수처리용 필터에 사용할 수 있으며 그 외에 이를 응용하여 열교환기, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 또는 그 지지체, 촉매 담체 등에 사용이 가능하다.

Description

롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법

본 발명은 기체나 액체, 즉 유체중의 분진 내지 입자상 물질을 제거, 저감 그리고 분리시키는 용도의 세라믹 필터를 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 롤콤팩션(Roll Compaction) 방법에 의해 엠보싱 가공된 세라믹 필터를 제조한 후 이를 절단, 적층, 소결함으로써 세라믹 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

필터의 용도를 나누어 보면 크게 고정원과 이동원으로 나눌 수 있으며 고정원의 용도로는 소각로, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전 등이 있고, 이동원은 경유 자동차의 매연 제거용 필터 등이 있다. 일반적으로 고정원에서 분진등을 포집하는 데에는 여과포나 전기 집진 장치를 사용하여 왔는데 이중 전기 집진 장치는 시설비가 많이 들고 여과포는 주로 고분자계로 만들어져 그 사용 온도가 250℃를 넘을 경우 사용할 수가 없어 반드시 냉각 장치를 설치하여야만 한다.

또한, 이동원의 경우 그 설치 공간 및 에너지원의 부족으로 말미암아 필터의 적용이 기술적으로 고정원에 비해 훨씬 어렵고, 그 배기 가스가 고온이기 때문에 본격적인 실용화가 이루어지지 않은 상태이다.

이에 비해 세라믹 필터는 내열성이 우수하여 냉각 장치 등을 설치할 필요가 없어 설치비가 적어지기 때문에 중, 소형의 배기 가스 정화 정치에 적합하다. 또한, 석탄 가스화 복합 발진의 용도 등에서와 같이 고온의 배기 가스를 이용하여 복합 발전을 할 경우 가스층의 입자상 물질의 터빈 블레이드를 손상시킬 우려가 있기 때문에 필터가 필수적인데 그 배기 가스의 온도가 매우 높기 때문에 세라믹 필터외의 다른 대안이 없는 실정이다. 이러한 것은 이동원의 경우도 마찬가지로 그 배기 가스의 온도가 높기 때문에 적용 가능한 필터로서 세라믹 필터가 주로 연구되고 있는 실정이다.

기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 봉 타잎이 가장 보편적으로 쓰이고 있으나, 이의 표면적이 크지 않아 필터 시스템의 배압을 감소시키기 위하여는 그 필터의 갯수가 많아져 그 크기가 커질뿐 아니라 전체 시스템의 비용이 증가하는 단점이 있다. 또한 이동원용 등으로 개발된 세라믹 화이버 필터의 경우 그 여과 효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 장시간 사용할 때 세라믹 화이버의 열화로 인해 필터의 여과 효율이 감소할 뿐만 아니라 화이버가 배기 가스중에 포함되어 배출되는 이차 공해를 발생할 우려가 있다.

한편, 세라믹 하니컴 필터의 경우 유럽 특허 공개 번호 제 36321호에 기재된 바와 같이 통상 세라믹 하니컴 각각의 구멍의 입구부와 출구부를 상호 교환시켜 밀폐 시킴으로써 배기 가스가 반드시 하니컴의 다공성 벽면을 통과하도록 하여 분진 등을 그 벽면에 포집시키는 구조로 되어 있다. 이러한 필터는 여과 효율과 배압 특성이 우수할 뿐만 아니라 화이버상이 아니기 때문에 전술한 바와 같은 문제점이 없어 그 성능상 우수한 것으로 알려져 있으나 그 가격이 매우 고가이어서 실용화에 문제점이 있다.

이와 같이 세라믹 하니컴 필터가 고가인 이유는 그 제조 공정이 어려운 때문으로 그를 설명하면 다음과 같다. 즉 하니컴 필터는 원료의 혼합, 압출 성형, 건조 그리고 소결 등의 공정에 의하여 각 채널의 양 끝단이 뚫려져 있는 플로우쓰루형 하니컴을 먼저 제조한다. 이와 같은 플로우쓰루형 세라믹 하니컴은 가솔린 자동차의 촉매 담체로서 현재 많이 사용되고 있는 것으로 이를 하니컴 필터로 제조하기 위하여는 각 채널의 구멍을 서로 엇갈리게 첵크 무늬 패턴으로 일정 두께를 막아야 하는 공정을 거쳐야 하며 이를 플러깅 공정이라 한다. 이러한 공정은 플로우쓰루형 하니컴의 각각의 구멍이 소결로 인하여 그 모양이나 위치가 일정하지 않기 때문에 자동화가 용이하지 않다. 아울러 플러깅 공정이 끝난 후 플러깅 물질을 소결하기 위하여 이차 소결이 필요한데 이와 같이 제조 공정이 복잡하고 일부 공정의 경우 자동차가 어렵기 때문에 그 가격이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 롤콤팩션(Roll Compaction)방법으로 엠보싱된 세라믹 시트를 제조한 후 이를 일정 크기로 절단, 적층하여 세라믹 필터를 만듦으로써 보다 용이하고 보다 저렴하게 세라믹 필터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1을 롤콤팩션 방법에 의해 엠보싱된 세라믹 시트를 제조하는 공정을 나타낸 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1의 방법에 의해 제조된 세라믹 시트를 일정 크기로 절단한 후의 모양을 나타낸 개략적인 사시도이다.

도 3은 도 2의 시트들을 서로 직각 방향으로 돌려 쌓아 소결한 세라믹 필터의 개략적인 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:세라믹 분말2:호퍼

3:롤러4:엠보싱된 세라믹 시트

5:엠보싱된 세라믹 시트의 편평한 부분

6:엠보싱된 세라믹 시트의 돌출된 부분

7,7':필터의 전단면 및 후단면

8,8':세라믹 필터의 양 측면

본 발명은 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조는 세라믹 분말을 주원료로 하고 여기에 첨가제를 혼합하여 원료 분말을 제조한 후 이를 요철이 형성되어 있는 한 개 이상의 롤러 사이를 통과시켜 엠보싱가공된 세라믹 시트를 성형한 후 이를 서로 직각 방향으로 돌려서 적충한 상태로 소결하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명의 원리를 설명한 개략적인 사시도이다. 도 1에서 부호 1은 각종 첨가제가 혼합된 세라믹 분말이고, 부호 2는 세라믹 분말을 담는 용기인 호퍼이며, 부호 3은 롤러이고, 부호 4는 엠보싱된 세라믹 시트를 나타낸 것이다.

즉, 호포(2)에 담긴 세라믹 분말(1)은 일정 속도로 롤러(3) 사이로 투입되며 롤러(3)중 한 개가 표면이 요철처리되어 있기 때문에 세라믹 분말(1)은 롤러(3) 사이를 통과하면서 엠보싱 가공된 시트로 된다. 이러한 롤콤팩션 방법에서는 분말이 일정한 밀도로 콤팩션되는 것이 중요하며 따라서 이를 달성하기 위하여 세라믹 분말(1)의 경우 일반적으로 스프레이 드라잉(Spray Drying)된 분말을 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 세라믹 분말의 결합력을 증진시키기 위하여 결합제, 가소제, 이형제 등의 첨가제 등을 사용하는 것도 바람직하다.

아울러 롤러(3)의 경우도 시트(1)와의 점착력을 방지하고 제조된 0.1 내지 5mm의 두께를 갖는 시트(1)와 롤러(3)와의 분리를 용이하게 하기 위하여 그 표면을 크롬, 실리콘, 테프론 등으로 코팅 처리하는 것이 좋으며, 각 롤러(3)의 속도를 별도로 조절하는 방식이 바람직하다.

또한 본 발명의 경우 사용 가능한 재료의 예를 들면 하니컴의 원료로 가장 많이 쓰이는 코디어라이트를 비롯하여 뮬라이트, 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 타이태니아, 지르코니아, 실리콘 나이트라이드 등이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에서 롤콤팩션 방법에 의해 엠보싱된 세라믹 시트(1)의 제조는 세라믹 시트(1)의 제조와 엠보싱 가공이 동시에 된다는 점에서 그 장점이 있으며, 통상적인 세라믹 시트의 제조 방법인 테이프 캐스팅 방법에 비해서도 습식 방법이 아닌 건식 방법이기 때문에 건조 등의 공정이 생략가능한 장점이 있다.

아울러 롤콤팩션 방법을 사용할 경우 따로 세라믹 그린 시트의 엠보싱 가공을 할 필요가 없기 때문에 사용되는 첨가제의 양이 적게 되며, 따라서 소결시장시간을 요하는 첨가제의 탈지 공정을 단축할 수 있어 그 제조 원가가 저렴하게 된다.

첨부 도면 중 도 2는 도 1의 공정을 통해 제조된 세라믹 시트를 일정 크기로 절단한 후의 모양을 나타낸 개략적인 사시도로서, 도 2에서 부호 5는 편평한 부분을, 부호 6은 돌출된 부분을 나타낸다.

또한, 도 3은 도 2의 시트를 서로 직각이 되게 돌려서 쌓아 소결한 후의 세라믹 필터의 개략적인 사시도이다. 각각의 시트는 소결 과정을 거칠 때 서로 견고히 결합하게 되며, 이때 각 시트의 기공 특성은 조공제 등을 통한 일반적인 세라믹 제조 공정을 통하여 조절한다.

이러한 필터의 경우 필터의 전단면(7)와 후단면(7')에서 배기 가스가 들어올 경우 그 가스는 반드시 가스가 들어온 구멍의 위, 아래에 있는 다공성 벽을 통하여 필터의 양 측면(8,8')를 통과하도록 되어 있기 때문에 분진 등이 그 벽면에 포집되게 된다.

도 3에서 나타낸 필터의 경우 세라믹 시트에서 돌출된 부분의 높이를 적게 할수록 필터의 단위 부피당 표면적을 크게 할 수 있기 때문에 기존의 봉 타잎의 필터에 비해 배압이 상당량 감소할뿐 아니라 장치의 소형화가 가능하다. 또한 본 방법에 의해 세라믹 필터를 제조할 경우 전술한 세라믹 하니컴 필터에서와 같은 플러깅 공정이 필요없을 뿐만 아니라 소결 공정 역시 한 번으로 가능하기 때문에 그 가격 또는 저렴할 것으로 기대된다.

또한, 압출 성형 방법에 의해 제조되는 하니컴 필터의 경우 그 크기가 커질수록 압출시 필요한 압력이 기하 급수적으로 커져 큰 필터의 경우 제조가 어려운 반면 본 발명의 경우 보다 큰 크기의 세라믹 시트를 제조할 수 있기 때문에 상대적으로 대용량의 필터를 용이하게 제조할 수 있다. 이때 필터의 여과 효율은 그 용도에 맞는 원료를 선택하여 다공성 벽면의 기공량 및 기공 크기 그리고 기공 분포 등을 조절함으로써 조정이 가능하다.

또한, 상기와 같은 구조의 필터에서 배기 가스의 입구부를 하나로 하고자 할 필요가 있을 경우 상기 도 3의 전단면(7)이나 후단면(7')중 하나를 세라믹 매트 등의 물질로 막거나 또는 필터를 집어 넣는 케이스인 캔의 구조에서 금속 등을 이용하여 막음으로써 입구부를 하나로 할 수 있다. 아울러 출구부의 경우도 이와 같은 방법으로 막아 출구부의 통로를 단일화할 수도 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

카올린 분말을 25 중량%, 하소 카울린을 20 중량%, 활석을 30 중량%, 알루미나 15 중량%, 조공제인 흑연을 10 중량% 섞고 볼밀에서 혼합하였다. 혼합한 분말에 결합제로서 에틸렌 초산 비닐 공중합 수지를 4 중량%, 가소제에 디옥틸 프탈레이트를 2 중량% 첨가한 후 다시 볼밀에서 혼합하였다. 제조된 혼합분말을 호퍼에 적재한 후 균일한 속도로 롤러 사이를 통과시켜 엠보싱된 세라믹 시트를 제조하였다. 이때 롤러중 하나는 요철을 형성시킨 후 테프론 코팅을 행함으로써 시트와 롤러와의 탈리를 용이하게 하였으며 롤러 사이의 갭은 0.5mm로 균일하게 유지하였다.

제조된 세라믹 시트는 소결 수축량을 고려하여 150mm의 정사각형 모양으로 절단한 후 서로 직각 방향으로 돌려 적충하였다. 소결은 첨가된 결합제와 가소제의 탈지를 고려하여 500℃까지는 분당 2℃로 그 이후는 분당 5℃의 속도로 승온시켜 1450℃에서 6시간 소결하였다. 소결된 필터의 물성을 수은 압입 기공 측정기로 측정한 결과 기공량은 40%, 평균 기공 크기는 20 마이크론이었다.

[실시예 2]

알루미나 분말 86.5 부피%에 디옥틸 프탈레이트를 13부피%, 스티롤 수지를 15.7 부피%, 폴리 비닐 부티랄을 4.2 부피%, 스테아린 산을 5.4 부피% 첨가한 후 조공제로서 흑연을 20 중량% 첨가하여 V-믹서를 이용하여 24시간 균일하게 혼합하였다. 제조된 세라믹 분말을 요철이 형성되어 있는 롤러 사이를 엠보싱 가공된 세라믹 시트를 성형한 후 200mm의 정사각형 모양으로 절단하였다. 절단된 시트는 서로 직각방향의 되게 돌려서 적충한 후 소결을 행하였다. 소결은 탈지를 위하여 500℃까지는 분당 2℃로 그 이후는 분당 4℃의 속도로 승온시켜 1550℃에서 3시간 소결하였다. 소결후 필터의 기공량 및 평균 기공 크기는 각각 30%, 10마이크론 이었다.

본 발명을 이용하여 제조한 필터의 경우 그 모양이 육면체가 되어 여러개의 필터를 배치할 경우 기존 하니컴 필터의 원기둥 모양에 비해 필요 없는 공간이 줄어 들어 소형화가 가능하다. 아울러 여러개의 필터를 배치할 경우 하니컴 필터는 각각의 필터를 진동 등에 견딜 수 있게 세라믹 매트 등으로 감싸주고 이를 각각의 캔으로 보호하는 것이 필요한 반면 본 발명에서 제안한 필터의 경우 육면체중 입구부와 출구부를 제외한 나머지면에 세라믹 매트를 배치할 경우 전체적으로 하나의 캔을 이용하는 것이 가능해 캔의 비용 또한 절감할 수 있다.

Claims (4)

1. 세라믹 분말을 주원료로 하고 여기에 첨가제를 혼합하여 원료 분말을 제조한 후 이를 요철이 형성되어 있는 한 개 이상의 롤러 사이를 통과시켜 엠보싱 가공된 세라믹 시트를 성형한 후 이를 서로 직각 방향으로 돌려서 적충한 상태로 소결하는 것을 특징으로 하는 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹이 코디어라이트, 뮬라이트, 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 타이태니아, 지르코니아, 실리콘 나이트라이드임을 특징으로 하는 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 롤러 사이에 투입되는 원료 분말의 밀도를 균일하게 할 목적으로 원료 분말을 스프레이 드라잉의 방법에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 그린 시트의 두께는 약 0.1 내지 5mm로 하고, 롤러의 표면을 테프론, 실리콘, 크롬 처리하여 세라믹 시트와 롤러간의 탈리를 향상시키는 것을 특징으로 하는 롤콤팩션에 의한 세라믹 필터의 제조방법.