KR19990016263A

KR19990016263A - 카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤캐스팅방법

Info

Publication number: KR19990016263A
Application number: KR1019970038748A
Authority: KR
Inventors: 장철우; 이강호; 박병학
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 1999-03-05

Abstract

본 발명은 탄화규소인 세라믹분말을 이용하여 젤캐스팅하는 방법에 관한 것이며; 그 목적은 소결제인 카본블랙이 탄화규소와의 정전기적 반응으로 탄화규소 표면에 흡착되도록 함으로써 젤캐스팅용 슬러리의 유동성을 확보하고, 그 소결성을 확보하기 위한 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 증류수에 단량체인 아크릴아마이드 및 메칠렌비스아키릴아마이드를 첨가하여 단량체용액을 만들고, 여기에 세라믹분말을 혼합하여 슬러리를 만드는 공정을 포함한 세라믹 분말의 젤캐스팅방법에 있어서,

pH를 11-12.5로 조절된 알칼리 용액에 세라믹 분말인 탄화규소분말을 첨가하고, 증류수에 양이온계 분산제를 첨가하고, 여기에 카본블랙분말을 첨가하여 카본블랙 슬러리를 만들고, 상기 탄화규소 슬러리와 상기 카본블랙슬러리를 혼합하여 탄화규소에 카본블랙이 코팅되도록 하고, 이어 건조한 다음;

상기 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 상기 단량체용액에 첨가하고, 여기에 탄화규소분산제를 첨가하여 젤캐스팅용 슬러리를 만든 다음;

상기 젤캐스팅용 슬러리를 진공으로 된 금형내에 압력을 가하면서 주입하고 젤화 다음 성형체를 제조하고 소결하는 것을 포함하여 이루어지는 카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤 캐스팅방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤캐스팅방법

본 발명은 탄화규소인 세라믹분말을 이용하여 젤캐스팅하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 소결제인 카본블랙이 탄화규소와의 정전기적 반응으로 탄화규소 표면에 흡착되도록 함으로써 젤캐스팅용 슬러리의 유동성을 확보하고, 그 소결성을 확보하기 위한 방법에 관한 것이다.

파인세라믹스는 내열성, 내마모성, 내식성 등의 특성이 매우 우수하여 여러산업분야에 광범위하게 응용되고 있으며, 각 부품들은 단순형상에서 부터 복잡형상에 이르기까지 다양한 형상을 갖고 있다. 특히, 복잡형상의 세라믹스를 제작하는 기술은 매우 어려운 공정으로 알려져 있다. 따라서, 저렴한 가격으로 재현성 있는 복잡형상의 세라믹스를 제작할 수 있는 기술의 개발은 필수적이다.

현재까지 알려진 복잡형상의 세라믹 제작기술은 사출성형(injection molding), 슬립 캐스팅(slip casting), 가공(machining) 등의 기술이 있다.

사출성형은 성형체내에 결합제가 20-25중량% 이상 함유되어 있어서 결합제 제거시 성형체가 허물어지거나, 균열발생 등의 문제가 있어서 두꺼운(10mm 이상) 기물을 제작하기가 어렵다. 또한, 슬립 캐스팅은 성형체 내부에 밀도구배가 생성되어서 소결시 악영향을 미치며, 성형체의 강도가 낮아서 잘 파손되는 단점이 있다. 그리고, 가공에 의한 성형체 제작은 가격이 매우 비싸서 경제성이 없다.

상기한 제작기술의 단점을 극복하기 위하여 개발된 것이 젤캐스팅(Gelcasting; US Pat. No. 4894194, Jan. 16, 1990) 법이다. 젤캐스팅법은 세라믹 공정과 중합체(Polymer) 제작기술을 혼합한 기술로서, 단량체(monomer)를 녹인 용액에 세라믹 분말을 혼합하여 슬러리를 만들고, 이어 젤화반응을 유발시키는 개시제 및 촉매를 첨가하여 단량체들을 중합체화 시킴으로써 세라믹 성형체를 제작하는 기술이다. 이 방법은 혼합 슬러리 자체가 유동성이 좋은 졸(sol) 상태에서 곧바로 젤(gel)화되는 것이므로 성형체가 균일하고, 첨가된 결합제의 량이 4중량% 미만이기 때문에 결합제 제거가 용이하고 두꺼운 기물을 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 성형체의 강도가 매우 높아서 성형체 상태에서 파손 없이 가공을 손쉽게 할 수도 있다.

이러한 젤캐스팅법을 이용하여 복잡형상의 세라믹을 제조하기 위해서는 세라믹분말의 소결조제가 균일하게 분산되어 슬러리의 유동성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다.

통상, 세라믹분말의 성형분야에서는 탄화규소의 소결조제로 카본이 널리 이용되고 있으며, 그 이용방법은 카본이 일종인 페놀릭레진을 알콜속에서 탄화규소와 혼합하여 열처리한 후 카본으로 잔류시키고 있다. 이와 같이 잔류된 카본은 탄화규소표면에 잘 흡착되기 때문에 탄화규소분말의 소결시 탄화규소 표면의 실리카(SiO₂)와 반응하여 증발함으로써 탄화규소의 소결성을 증진시켜 주는 역할을 한다.

그런데, 젤캐스팅법에서는 탄화규소 슬러리를 제조할 때 반드시 증류수를 이용하고 있고, 증류수에는 페놀릭레진이 녹지 않으므로 소결조제로 이용할 수 없다.

한편, 카본의 일종인 카본블랙을 증류수에 분산시킬 수 도 있으나, 카본블랙 또한, 표면에 이산화탄소, 벤젠형상의 유기물들이 흡착되어 있어 증류수에 잘 분산되지 않는다. 따라서, 카본블랙 슬러리의 점도가 높아지고, 이에 따라 유동성이 악화되는 문제가 있어 카본블랙을 젤캐스팅에 이용하는데 장애가 되고 있다.

이에, 본 발명자는 카본블랙의 화학적 특성 및 탄화규소와의 반응성을 연구한 결과, 카본블랙이 용매인 증류수에 잘 분산되도록 양이온 분산제로 그 구조를 바꾸어 탄화규소와 정전기적으로 반응하도록 하면, 슬러리의 유동성을 확보할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉, 본 발명은 소결조제인 카본블랙이 증류수에서 잘 분산되어 정전기적 반응으로 탄화규소 표면에 흡착되도록 함으로써 젤캐스팅용 슬러리의 유동성을 확보하고, 이에 따라 소결성을 확보하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 증류수에 단량체(momomer)인 아크릴아마이드 및 메칠렌비스아키릴아마이드를 첨가하여 단량체용액을 만들고, 여기에 세라믹분말을 혼합하여 젤케스팅용 슬러리를 만드는 공정을 포함한 세라믹 분말의 젤캐스팅방법에 있어서,

상기 젤케스팅용 슬러리는 먼저, (a)pH를 11-12.5로 조절된 알칼리 용액에 탄화규소분말을 첨가하여 탄화규소 슬러리를 만드는 단계;

(b)증류수에 카본블랙분말을 첨가하고, 여기에 양이온계 분산제를 첨가하여 카본블랙 슬러리를 만드는 단계;

(c)상기 탄화규소 슬러리와 상기 카본블랙슬러리를 혼합하여 탄화규소에 카본블랙이 코팅되도록 하고, 이어 건조하는 단계;

(d)상기 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 상기 단량체용액에 첨가하고, 여기에 탄화규소분산제를 첨가하는 단계로 이루어지고; 그리고,

상기 젤캐스팅용 슬러리를 진공으로 된 금형내에 압력을 가하면서 주입하고 젤화시킨 다음 성형체를 제조하고 소결하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 소결조제인 카본블랙에 양이온계 분산제를 첨가하여 카본블랙의 표면이 양전하로 된 상태로 용매인 증류수에 잘 분산되도록 하고, 이와 더불어 탄화규소의 pH를 조절하여 음전하를 띄도록 함으로써, 이들의 정전기적 인력으로 탄화규소표면에 카본블랙이 흡착되도록 하는데, 그 특징이 있다.

그리고, 이와 같은 작용으로 카본블랙이 흡착된 탄화규소분말이 단량체용액에 잘 분산되어 슬러리의 유동성이 확보되고, 이에 따라 슬러리의 소결성이 확보되는 것이다.

일반적으로 세라믹분말을 이용하여 젤캐스팅하기 위해서는, 단량체(monomer)인 아크릴아마이드(acrylamide) 및 메칠렌비스아크릴아마이드(N,N'-methylenebisacrylamide)를 용매인 증류수에 녹여 단량체용액을 만드는데, 이러한 단량체용액은 세라믹분말의 종류에 관계없이 널리 이용되고 있다. 본 발명도 이와 같이 널리 알려진 단량체 용액을 이용한다.

본 발명에 따라, pH가 11-12.5로 된 알칼리 용액에 탄화규소분말을 첨가하면, 탄화규소분말이 슬러리 상태로 되고 이 분말의 표면이 음전하를 띄게 되는데, 이때, 수용액의 pH는 예를 들면 테트라메칠암모니움하이드록사이드(tetramethylammoniumhydroxide)를 첨가하여 조절한다. 이 경우에 알칼리 용액의 pH가 11-12.5를 벗어나는 경우 탄화규소 분말이 잘 분산되지 않아서 카본블랙을 탄화규소 분말 표면에 균일하게 코팅시킬 수 어려우므로 pH의 조절이 중요하다.

이어, 탄화규소의 소결조제인 카본블랙분말을 증류수에 첨가한 후, 카본블랙분말이 증류수에 잘 분산되고, 그 표면이 양이온이 되도록 하는 것이 필요하다. 그 방법은 양이온계 분산제를 첨가하면 되며, 이 분산제를 첨가하면 카본블랙이 슬러리 상태로 증류수에 잘 분산되며, 그 표면은 양전하를 띄게 된다. 이때, 양이온계 분산제로는 예를 들면 벤잘코니움클로라이드(benzalkonium chloride)를 들 수 있다.

그리고, 양이온계 분산제의 첨가량은 그 종류에 따라 달라지며, 벤잘코니움클로라이드의 경우 카본블랙분말의 중량에 대하여 1-2중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 그 이유는 1중량%미만일 경우 분산제가 카본블랙 표면에 충분히 흡착되지 않으며, 2중량%를 초과하는 경우 분산제가 과포화 되어 더 이상의 분산효과를 기대할 수 가 없기 때문이다,

상기와 같이 조절된 카본블랙슬러리와 상기 pH가 조절된 탄화규소슬러리를혼합하여 탄화규소의 표면에 카본블랙이 코팅되도록 하고 건조하여 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 얻는다. 이때, 코팅은 그냥 혼합만 하면 정전기적인 인력으로 카본블랙이 탄화규소표면에 코팅되는 것으로 특별한 코팅방법이 있는 것이 아니다.

이어, 상기 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 상기 통상의 단량체용액에 첨가하고, 여기에 탄화규소분산제를 첨가하여 젤캐스팅용 슬러리를 만든다. 이때, 분산제로는 지방계인 디에탄올아마이드를 일례로 들 수 있으며, 그 첨가량은 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말에 대하여 0.5-1중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 디에탄올아마이드의 첨가량이 0.5중량%미만의 경우 탄화규소분말을 슬러리에 40vol%이상 함유시키는 것이 어렵고, 1중량%를 초과하는 경우 슬러리의 점도가 증가하여 유동성이 감소할 수 가 있다. 그리고, 이때, 부소결조제로 탄화붕소(B₄C)를 첨가할 수 도 있다.

이어, 통상의 방법 예를 들면, 알루미나 젤캐스팅방법에서 보통 이용하는 방법으로 젤캐스팅용 슬러리에 있는 기포를 제거하기 위해 탈포한 후, 젤화반응 개시제 및 촉매를 첨가한 다음, 금형내로 충진하여 성형체를 제조한다. 이때, 탈포, 젤화개시제 및 촉매는 단량체의 성질에 따라 달라지므로 비록, 세라믹분말이 다르다 하더라도 단량체만 같으면 그 적용이 가능하다.

이때, 금형내부는 본 발명에 따라 진공으로 하는 것이 필요한데, 그 이유는 슬러리내로 기포가 유입되는 것을 막아 주면서도 복잡한 형상을 가지는 금형 전체로 슬러리가 완전히 채울 수 있도록 하기 위해서이다.

상기와 같이 진공으로 된 금형 내부로 슬러리를 층진 할 때, 슬러리에 압력을 가하면서 주입하면 슬러리의 흐름성이 좋아 충진상태가 더욱 양호해진다, 이때의 압력은 1.5-3기압으로 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 1.5기압미만의 경우 슬러리의 채움성 및 부수적으로 기포제거 효과를 충분히 기대할 수 없으며, 3기압을 초과하면 슬러리가 금형 밖으로 흘러나올 수 있기 때문이다.

상기와 같이 성형체를 제조한 다음, 통상의 방법으로 성형체를 탈형하고, 건조, 소결하면 본 발명이 완성된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

증류수에 카본블랙분말을 최종의 탄화규소분말의 중량에 대하여 3중량%되도록 넣고, 여기에 벤잘코니움클로라이드를 카본블랙분말에 대해 1-2중량% 첨가하여 증류수에 분산시켜 카본블랙슬러리를 제조하였다. 이후, 카본블랙슬러리와 pH가 11-12.5의 영역에서 분산된 탄화규소슬러리를 혼합하여 카본블랙을 탄화규소분말에 코팅시켰다.

다음, 증류수에 아크릴아마이드 14.6중량% 및 메칠렌비스아키릴아마이드 0.6중량% 첨가하여 녹인 용액에 상기 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 하기표 1과 같이, 25-45vol%의 범위로 첨가하여 젤캐스팅용 슬러리를 제조하였다.

이때, 분산제로 지방계인 디에탄올아마이드를 탄화규소분말 함량에 대하여 0.5-1중량% 첨가하였으며, 또한, 부소결제인 탄화붕소(B₄C)를 전체분말에 대해 0.5중량% 첨가 하였다. 이어 상기와 같이 제조된 슬러리의 점도를 측정하기 위해 점도계를 사용하여 변형속도(shear rate) 1.45s-1에서 점도를 측정하고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

상기와 같이 점도를 측정한 후 젤캐스팅용 슬러리에 젤링용 개시제인 암모니움퍼슬페이트(ammonium-persulfate)와 촉매인 테트라메칠에칠렌다이아민(N,N,N',N'-teramethylethylenediamine)을 첨가하여 탄화규소 젤캐스팅 성형체를 제조하였다. 이때 젤링시키기전 금형에 슬러리를 채우는 공정에서는 금형내를 진공으로 만들어 주고 약 1.5-3기압의 압력을 가하여 슬러리가 금형내로 완전히 채우도록 하였으며, 가해진 압력에 의해 슬러리 내에 소량 잔존하는 기포들을 제거하였다.

한편, 비교예로 카본블랙을 3중량%, 부소결조제인 탄화붕소 0.5중량%, 탄화규소 96.5중량%의 조성비로 조정한 혼합분말을 제조하였다.

이후, 증류수에 아크릴아마이드 14.6중량% 및 메칠렌비스아키릴아마이드 0.6중량% 첨가하여 녹인 용액에 테트라메칠암모니움하이드록사이드를 사용하여 pH를 12.7로 조정하고, 여기에 상기 혼합분말을 하기표 1과 같이 첨가하면서 슬러리의 점도를 첨가하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

구 분	젤케스팅 슬러리내 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말의 함유량(vol%)	점도(mPa.s)	젤캐스팅 가능여부
발명예	1	25	40435	양호
	2	35	60402	가능
	3	45	115432	가능
비교예	1	25	80329	가능
	2	35	측정불가	불가
	3	45	측정불가	불가

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 소결조제인 카본블랙을 증류수에 분산되도록 특정한 처리를 하지 않고, 단지 탄화규소와 혼합한 비교예의 경우 슬러리내 첨가될 수 있는 탄화규소분말의 양이 25vol%정도 밖에 안되므로 제품화되기 어려우며(비교예(1)), 이 이상 첨가되는 경우 유동성이 없어 젤캐스팅이 불가능하였다(비교예(2-3)).

이에 반해, 본 발명예(1-3)의 경우 탄화규소분말이 첨가량을 45vol%이상 첨가할 수 있으며, 이때의 유동성이 양호하여 젤켈스팅이 가능하였으며, 이상과 같은 유동성을 고려할 때, 그 소결성 또한 양호할 것으로 판단되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 소결조제인 카본블랙이 정전기적인 힘으로 탄화규소의 표면에 코팅되어 젤캐켈스팅용 슬러리의 유동성을 확보할 수 있으며. 이에 따라 소결성도 확보할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

증류수에 단량체(momomer)인 아크릴아마이드 및 메칠렌비스아키릴아마이드를 첨가하여 단량체용액을 만들고, 여기에 세라믹분말을 혼합하여 젤케스팅용 슬러리를 만드는 공정을 포함한 세라믹 분말의 젤캐스팅방법에 있어서,

상기 젤케스팅용 슬러리는 먼저, (a)pH를 11-12.5로 조절된 알칼리 용액에 탄화규소분말을 첨가하여 탄화규소 슬러리를 만드는 단계;

(b)증류수에 카본블랙분말을 첨가하고, 여기에 양이온계 분산제를 첨가하여 카본블랙 슬러리를 만드는 단계;

(c)상기 탄화규소 슬러리와 상기 카본블랙슬러리를 혼합하여 탄화규소에 카본블랙이 코팅되도록 하고, 이어 건조하는 단계;

(d)상기 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말을 상기 단량체용액에 첨가하고, 여기에 탄화규소분산제를 첨가하는 단계로 이루어지고; 그리고,

상기 젤캐스팅용 슬러리를 진공으로 된 금형내에 압력을 가하면서 주입하고 젤화시킨 다음 성형체를 제조하고 소결하여 이루어지는 카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤 캐스팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 양이온계 분산제는 벤잘코니움클로라이드이고, 그 첨가량은 카본블랙에 대하여 1-2중량%임을 특징으로 하는 카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤 캐스팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄화규소 분산제는 지방계인 디에탄올아마이드이고, 그 첨가량은 카본블랙이 코팅된 탄화규소분말에 대하여 0.5-1중량%임을 특징으로 하는 카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤 캐스팅방법.
제 1항에 있어서, 상기 주입압력은 1.5-3기압임을 특징으로 하는카본블랙을 첨가한 탄화규소의 젤 캐스팅방법.