KR20040098906A - 팽창성 충진제 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐된 공간의 관통구를 통한 화재나 연기, 가스등의 확산방지나, 자동차 배기가스 정화용 모놀리식 구조체의 열팽창시 커진 틈새를 차단하는데 이용되는 팽창성 충진제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 세라믹섬유를 기본으로 하는 바탕에 연신율과 인장강도가 우수하며 용융점이 높은 탄소섬유를 첨가하여 우수한 인장강도와 고온에서 안정적인 내열성을 부여하고 또 제조과정에서는 유기응집제가 무기물들이 전체적으로 균일한 분포량을 갖도록 하여 이후 진행되는 습식흡인공정시 흡인망에 골고루 분포되도록 하여 보다 질좋은 제품을 얻을 수 있도록 한 것이다.

Description

팽창성 충진제 및 그 제조방법{Heat Epandable Gasket and Its Production Method}

본 발명은 화재시 관통구를 통한 화염의 확산과 전달 및 가스의 확산을 방지하거나, 촉매식 컨버터 및 디젤입자필터용 충진제로 이용되는 팽창성 충진제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전동차량이나 건축물, 건물내 구멍, 도관, 파이프, 전선등과 같은 밀폐된 공간은 관통구를 갖게 되며, 이러한 관통구 내에서의 화재시에는 다른 개방공간으로 확산되므로 충진제를 채워서 화재나 연기, 가스의 확산을 차단할 필요가 있다.

그리고 자동차 배기가스 정화용 세라믹 모놀리식 구조체는 매우 얇은 벽을 구비하여 넓은 표면적을 제공하므로 약하고 파괴되기 쉬우며, 금속하우징보다 작은 크기의 열팽창계수를 가지므로 높은 온도의 배기가스가 통과할시 팽창하여 커지게 된 틈새를 채울 필요가 있다.

또한 노면충격 및 진동으로부터 세라믹 모놀리식 구조체에 대한 손상을 피하고, 다른 열팽창계수를 보상하며, 배기가스가 모놀리식 구조체와 금속하우징 사이에서 흐르는 것을 방지하기 위하여 세라믹 모놀리식 구조체 및 금속하우징 사이에 충진제를 충진해 주어야 하는 것이다.

이러한 충진제로서는 외부충격을 흡수하여야 하고, 구조체와 금속하우징과의 열팽창계수의 차이에 따른 틈새를 충분히 매꿀 수 있도록 고온에서 팽창하는 성질을 가져야 하고, 화재등에 의하여 발생한 열이나 가스의 압력에 의한 부식에 내성을 가져야 하며, 차단재에 의해 발생한 연기 및 가스의 양을 최소화시키는 것이 바람직하다.

그러므로 충진제는 고온에서 견딜 수 있고 결합제로서 작용을 하는 무기질 섬유와 고온에서 팽창성을 가지는 팽창성 무기입자로 구성되어야 하며, 추가적으로 유기결합제와 충진제 및 선택적으로 다른 보조재료를 포함하게 된다.

이러한 재료들은 세라믹 페이스트와 팽창성 시이트 및 매트형태로 사용된다.

충진제로서 유용한 세라믹 매트재료와 세라믹 페이스트 및 팽창성 재료는 미국특허 제3,916,507호와, 동제4,305,992호와, 동제4,385,135호 및 동제5,242,871호에 개시되어 있다.

화재차단재에 대하여는 미국특허 제5,175,197호와, 동제5,059,637호와, 동제5,476,891호 및 동제5,578,671호에 개시되어 있다.

운모를 재료로 이용한 페이스트 복합물은 영국특허 제1,522,646호에 개시되어 있다.

가열시 팽창특성을 가지는 팽창성 질석이 사용된 충진제에 대하여는 미국특허 제5,385,837호와, 동제5,207,989호에 개시되어 있다.

고온의 부식성 배기가스에 의한 부식과 소멸에 대한 대책은 스테인레스스틸 와이어 스크린에 관한 미국특허 제5,008,086호와, 연선 또는 로우프형 세라믹 섬유연선기 또는 금속와이어재료에 관한 미국특허 제4,156,333호를 참조할 수가 있는데 이러한 재료들은 고강도와 탄성을 나타낸다.

그러나 이들 모두는 재료의 특성상 높은 장착밀도를 수용할 수 없는 단점을 지니게 된다.

또한 유리입자를 함유한 복합재료로 형성된 연부보호제에 관한 유럽특허 제639700호와, 동제639701호 및 동제639702호 등에는 유리 및 유기결합제를 사용한 경우가 개시되어 있다.

그러나 유리는 단단하고 부서지기 쉬우며 연화점 이하에서는 고체덩어리로서 낮은 온도에서는 유지력을 부여할 수 없는 단점을 지니게 된다.

유리는 가열시 금속하우징이 팽창하면서 발생하는 빈공간을 매울 수 있을만큼 충분히 팽창하지만 이러한 성질은 최초가열과정에서만 가능하며, 유리가 다시 연화점 이상에 노출되었을때에는 분해되어 유지력을 상실하게 되므로 연속적인 팽창수축력을 갖지 못하는 단점을 지니게 되는 것이다.

이에 본 발명은 제조과정에서 재료의 분포가 균일하게 이루어질 수가 있고, 특히 충진제가 가져야할 기본적인 특성인 가열시의 팽창성과, 하우징 작업시의 탄력성과, 적절한 수준의 인장강도와, 고온에서의 내열성과, 반복된 가열 및 냉각사이클에서의 적절한 팽축비율과, 장시간 사용시 재료의 소모를 최소화할 수 있도록하는등 요구되는 모든 특성을 만족시켜줄 수 있는 팽창성 충진제 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적달성을 위하여 본 발명은 고온에서 견딜 수 있는 세라믹섬유를 기본으로 하는 바탕에 연신율과 인장강도가 우수하며 녹는점이 섭씨 1700℃이상인 탄소섬유를 첨가하여 우수한 인장강도와 고온에서 안정적인 내열성을 부여하고 또 유기결합제를 사용하여 하우징작업시 부드러움과 탄력을 부여하여 작업이 용이하도록 함을 특징으로 한다.

또한 제조시 습식으로 배수를 원활히 하기 위하여 흡인방식을 사용한 후 프레스압착과정에서 제품의 밀도를 조절토록 함을 특징으로 한다.

또한 습식흡인시 균일한 분포상태의 섬유상 조직을 유도하기 위한 소량의 유기응집제를 사용할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 상세히 기술하기로 하며, 다만 본 발명에 이용되는 재료의 양은 기술사상 범위내에서 가감될 수가 있고 그 형태 또한 다양하게 변형될 수 있음을 유의하여야 한다.

본 발명은 제조시 세라믹섬유와, 탄소섬유와, 유기결합제와, 팽창하지 않는 팽창성 질석과, 팽창석 흑연 및 유기응집제가 이용된다.

본 발명에 이용되는 재료는 10~60 건조중량 퍼센트의 처리된 세라믹섬유와, 1㎛초과직경을 가지는 0.1~30 건조중량 퍼센트의 탄소섬유와, 0.1~30 건조중량퍼센트의 유기결합제와, 20~80 건조중량 퍼센트의 비팽창된 질석입자와, 1~50 건조중량퍼센트의 팽창성 흑연과, 0.1~20 건조중량 퍼센트의 유기응집제로 구성된다.

통상적으로 질석은 박락으로 박리되며, 이것은 가열하면 팽창하는데 입자의 팽창성을 증가시키기 위하여 가성소다 수용액으로 화학처리후 물에 세척 및 건조에 의해 이루어질 수가 있다.

세라믹섬유는 통상 표면에 활제 처리되어 있는데 혼합조에서 균일한 분산을 유도하기 위하여 활제를 씻어낸 후 사용하는 것이 바람직하다.

이들 재료는 순서에 의해 교반되는데 먼저 물에 세라믹섬유와 탄소섬유를 투입하여 충분히 해면하고, 해면후 유기결합제를 투입하여 결합력을 갖도록 하며, 여기에 질석입자와 흑연 및 유기응집제를 차례로 배합하여 무기물들과 유기결합제가 균일하게 분산되도록 강력히 교반한다.

교반후에는 망을 이용한 습식흡인으로 망에 적당량의 무기물들이 걸러지게 하고, 걸러진 무기물들은 망으로부터 탈착하여 프레스를 이용하여 가압한다.

습식흡인시 유기응집제는 무기물들이 균일한 분포량을 가지도록 하며, 그 투입량은 세라믹섬유의 응집실험에 의해 결정되는데 세라믹섬유의 농도에 대하여 최적의 응집을 형성하는 조건에서 투입량이 결정된다.

이는 세라믹섬유가 균일한 분산상태에서 형성된 3차원구조가 흡인에 바로 응용되게 하기 위함이다.

습식흡인시 망의 재질은 스테인레스 스틸이나 나일론등으로서 통상 320매쉬 이상이면 만족한다.

다만 흡인시 압력은 흡인망에 고루 분포되도록 하여야 하며, 흡인압력은300mmHg이상으로서 약10초이상 흡인이 이루어지도록 한다.

흡인시 흡인력과 흡인시간을 일정하게 하면 매 일정한 두께를 얻을 수 있게 된다.

걸러진 무기물들은 탈착후 프레스로 가압하여 대량의 수분은 배출되게 하고 적절한 밀도를 갖게 하며 가압시 압력은 5~15톤으로서, 이후 공정의 시간단축을 위하여 가열할 수도 있다. 가압후의 제품 밀도는 550kg/㎥~850kg/㎥가 적당하다.

가압후에는 건조과정을 통하여 완전건조가 이루어지도록 하게 되는데 가압시 탈수로 인하여 건조가 신속하게 이루어지게 된다.

다만 프레스에 의한 가압으로 수축되었던 매트는 건조과정에서 수분이 증발되면서 약3~7% 정도 팽창하게 되므로 이를 충분히 감안해 주어야 한다.

이러한 흡인시의 흡인력과 흡인시간 및 건조과정에서의 팽창등을 활용하면 원하는 두께조절이 가능하게 되나 기본적으로 매트의 두께는 무기물의 농도에 의하여 결정되어진다.

전체 무기물의 양이 일정비율로 증가하면 이에 따른 유기응집제의 양도 증가하게 되는데 이때 증가양은 단순비례하지 않으며 그 양은 응집실험에 의하여 결정될 수 있다.

<각 실시예에 따른 조성표와 특성>

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
세라믹섬유	0.03%	0.6%	0.9%	1.2%
탄소섬유	0.03%	0.06%	0.09%	0.12%
질석	0.6%	1.2%	1.8%	2.4%
흑연	0.2%	0.24%	0.36%	0.48%
유기결합제	20%	20%	20%	20%
유기응집제	0.0375%	0.075%	0.175%	0.54%
두께	3.6mm	5.2mm	8.3mm	12.4mm
밀도	672kg/㎥	657kg/㎥	652kg/㎥	652kg/㎥
인장강도	>120kpa	>120kpa	>120kpa	>120kpa

표 1은 4가지 실시예를 나타낸 것으로서, 이를 토대로 본 발명의 특징과 장점을 살펴보기로 한다.

각 조성별로 각 예시에서 주어진 양을 혼합탱크에 투입하여 균일하게 혼합한다.

이때 유의할 점은 유기응집제의 양은 세라믹섬유의 농도에 대하여 별도의 응집실험을 한 후 결정된 것이다.

또한 혼합탱크에서 균일혼합을 유도하기 위하여 임펠러는 고속회전이 요구되며, 혼합탱크 내벽에 방해판을 설치하면 보다 균일한 혼합이 이루어질 수가 있을 것이다.

흡인판은 혼합탱크에 비하여 크기가 작을수록 좋은데 그 이유는 흡인력이 고르게 분포되기 때문이다.

이 경우 흡인판과 혼합탱크의 내경비는 약 1:2정도가 유지되도록 하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

유의할점은 흡인망을 2장이상 겹쳐서 사용할 경우 망사이에 고형물이 끼어 흡인효율을 떨어뜨리게 되므로 적정매쉬의 한장의 흡인망을 이용하는 것이 바람직하며, 흡인망 내부에는 흡인압력이 고르게 분포되게 하는 유도판을 설치해 줄 수도있을 것이다.

흡인시 흡인이 완료되었더라도 약2~3초간 흡인을 계속 유지하면 매트가 습식상태에서 안정된 형상을 유지하는데 도움을 주는 것으로 확인하였다.

배수된 용액은 재순환시켜 재사용하더라도 무방하며, 재사용시 고형물을 재투입하여 주어진 농도로 맞추어 주면 될 것이다.

매트의 밀도조절을 위한 가압시에는 압력이 매트에 골고루 작용하도록 설계되어야 하며, 압력을 가할 때 가열하면 수분증발로 건조시간을 단축시켜 줄 수가 있을 것이다.

건조시 건조온도는 섭씨 120℃정도가 적당하며, 완전건조가 이루어지도록 시간을 유지한다.

건조후에는 커팅 및 검사하여 완제품을 얻게 되며, 검사방법은 KSL2513에 의하여 밀도와 인장강도, 열전도도등을 검사하고 팽창비는 TMA(Thermo-Mechanical Analyser)에 측정된다.

측정시 팽창비(T1/T0)와 팽창비(T2/T0) 두가지를 측정하는데 TO는 상온에서 매트의 두께이고, T1은 750℃에서의 두께이다. 그리고 T2는 상온까지 냉각후 매트의 두께를 말한다. 이러한 검사방법에 따라 실시예4까지의 예시를 살펴본 결과 하기에서와 같이 밀도는 650~800kg/㎥, 인장강도는 120kpa이상, 열전도도는 0.4(W/mok)이하, 팽창비(T1/T0)는 0.87이상, 팽창비(T2/T0)는 1.45이상의 결과를 나타내었다.

이상에서와 같이 본 발명은 제조시 밀도와 두께 조절이 용이하게 이루어질 수가 있고 또 고강도 탄소섬유의 첨가에 따라 고온안정성 및 내구성의 향상으로 타충진제에 비해 안정된 특성을 지니게 될 뿐만 아니라 유기응집제는 무기물들이 전체적으로 균일한 분포량을 가지도록 하므로 질적으로 보다 우수한 충진제를 얻을 수가 있게 되는 것이다.

Claims (4)

1. 물에 세라믹섬유와, 탄소섬유와, 유기결합제와, 팽창성 질석과, 흑연과, 유기응집제를 차례로 배합하여 교반하는 교반공정과, 교반된 복합물을 습식흡인하는 흡인공정과, 흡인된 복합물을 탈착시켜 가압하는 가압공정과, 가압후 건조하는 건조공정으로 이루어지는 팽창성 충진제의 제조방법.
2. 물에 세라믹섬유와 탄소섬유와, 유기결합제와, 팽창성 질석과, 유기응집제를 차례로 배합하여 교반하고, 교반된 복합물을 습식흡인후 탈착하여 가압성형하고, 성형후 건조하는 방법으로 제조하여서 된 팽창성 충진제.
3. 제2항에 있어서, 세라믹섬유와 탄소섬유의 고른 분포를 유도하는 유기응집제로서 양이온성 유기응집제를 포함하도록 하여서 된 팽창성 충진제.
4. 제2항에 있어서, 복합물은 물 75.26~79.1025%와, 세라믹섬유 0.03~1.2%와, 탄소섬유 0.03~0.12%와, 유기결합제 20%와, 팽창성 질석 0.6~2.4%와, 흑연 0.2~0.48%와, 유기응집제 0.0375~0.54%를 배합하여서 된 팽창성 충진제.