KR20050071820A - 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents
세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 a) 세라믹 섬유를 주재로 하는 제1슬러리를 제조하고, b) 상기 a)단계에서 제조한 제1슬러리를 스크린에 고르게 도포하고, c) 상기 b)단계의 도포된 제1슬러리를 건조하여 건조체를 제조하고, d) 상기 c)단계에서 건조된 건조체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 제조비용이 감소되며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 세라믹 필터의 내마모성 및 내열성을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 기공도를 높여 저중량의 세라믹 필터를 제조할 수 있고 이를 통하여 필터의 대형화가 용이하다. 또한, 높은 기공도와 이형 단면구조를 통하여 동일한 내열성 및 내마모 성능을 가지면서도 저중량으로 눈막힘 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 제조비용이 감소되며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 세라믹 필터의 내마모성 및 내열성을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 높은 다공도로 저중량의 세라믹 필터를 제조할 수 있고 이를 통하여 필터의 대형화가 용이한 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것이다.
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 있기 때문에 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 장치내에 냉각 장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
그러나 일반적인 공지의 제조방법에 의한 세라믹 필터의 경우에는 세라믹 소재가 가지는 상대적으로 높은 비중에 의하여 대형의 필터의 제작시 세라믹 소재의 자체중량에 따른 소결과정에서의 균열발생 또는 파손 등의 문제점이 있고, 상기 과정을 거쳐 제작된 세라믹 필터의 경우도 대형 필터의 경우는 자체 중량으로 인하여 운반, 설치 등의 취급이 어렵고, 파손의 위험이 크다는 문제점이 있다.
또한 기존의 일반적인 세라믹 필터의 제조방법의 경우 세라믹 섬유(Fiber)를 이용한 튜브 형태를 진공성형이나 압출 성형하는 것이 가장 보편적인 방법이나, 이 경우에 있어서는 압출 성형을 위한 압출 및 성형장비가 고가이므로 제조단가를 높이는 문제가 있고, 형상변경이 용이하지 않아 세라믹 필터의 사양에 따라 다양한 형상의 세라믹 필터를 제조할 수 없는 문제점이 있다. 또한 진공성형 공정의 경우는 진공 쳄버 및 진공펌프의 제조에 많은 비용이 소요되며 진공 쳄버의 크기제한에 따라 제작할 수 있는 세라믹 필터의 크기에 제약을 받게되므로 대형 필터는 제조하지 못하는 문제가 있으며, 세라믹 소재의 고경도에 따라 금형의 심한 마모로 일정 생산량마다 금형을 바꿔야하는 높은 고정비로 생산단가가 높이게 되는 문제점이 있다.
상기 성형방법 이외에도 압출성형, 프레스 성형, 정수압(hydrostatic pressure)성형 등의 방법들이 개발되고 있으나 이러한 경우에도 제작시 금형제작이 필수적이며 가압장치를 구비해야 하므로 제작비용이 증가하고 제조가 용이하지 못할 뿐만 아니라 금형이 결정되면 제작형상의 변경이 용이하지 않고, 대형필터의 생산이 어려운 문제점을 가진다. 또한 상기 성형방식의 경우는 가압방식에 의한 성형이므로 기공도가 낮아 통기성이 떨어지며, 중량이 증가하고, 필터 통과시 압력손실을 증가시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 내마모성 및 내열성이 우수하고, 기공도를 크게 할 수 있는 내마모성 및 내열성이 우수한 저중량 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이한 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 분진들을 표면에서 포집하여, 눈막힘 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 압력손실을 낮추고, 통기도 및 포집효율을 현저히 향상시킬 수 있는 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 일정 공간내에서 형상변경을 통하여 필터의 여과면적을 극대화할 수 있어 집진효율을 극대화시킬 수 있는 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a) 세라믹 섬유를 주재로 하는 제1슬러리를 제조하는 단계;
b) 상기 a)단계에서 제조한 제1슬러리를 스크린에 도포하는 단계;
c) 상기 b)단계의 도포된 제1슬러리를 건조하여 건조체를 제조하는 단계; 및
d) 상기 c)단계에서 건조된 건조체를 소결하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터는 세라믹 섬유를 주재로 하는 슬러리를 제조하고, 상기 제조한 제1슬러리를 스크린에 도포하고, 상기 도포된 제1슬러리를 건조하여 건조체를 제조하고, 상기 건조된 건조체를 필요한 경우에는 일정한 형태로 성형하고, 상기 성형된 성형체를 소결하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 지지체를 갖는 세라믹 필터의 제조방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
a) 제1슬러리 제조
본 단계는 세라믹 섬유를 주재료로 하는 제1슬러리를 제조하는 것으로 상기 세라믹 섬유는 고융점을 갖는 세라믹 소재의 모든 섬유상 형태를 포함하는 것이고 특히, 상기 제1슬러리는 바람직하게는 ⅰ) 알루미나, 탄화규소 및 산화규소로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 섬유 35 내지 100 중량부, ⅱ) 조공제 5 내지 40 중량부, ⅲ) 바인더 1 내지 20 중량부, ⅳ) 분산액 10 내지 60 중량부를 혼합하여 제1슬러리를 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 세라믹 섬유는 소결 후 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로, 세라믹 필터의 지지체 역할을 할 뿐만 아니라 세라믹 섬유의 경우는 섬유상의 입자를 가짐에 따라 섬유상간의 결합에 의하여 높은 기공도를 유지하고, 소결시 다결합점 형성이 용이하여 강도유지에도 유리하게 된다.
상기 세라믹 섬유는 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 종류와 형태의 세라믹 섬유가 사용될 수 있다. 바람직하게는 고융점 및 안정성을 고려하여 알루미나(Al2O3), 산화규소(SiO2) 및 탄화규소(SiC)로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 세라믹 섬유를 사용하는 것이 좋다.
상기 세라믹 섬유는 다양한 길이를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 길이를 가질 수도 있고, 각각 다른 길이를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 상기 스크린상에 제1슬러리를 담지하는 경우는 슬러리내 세라믹 섬유의 길이를 다양하게 가져갈 수 있으므로 5 ㎜ 내지 500 ㎜의 길이인 것이 바람직하고 상기 세라믹 섬유의 길이가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 스크린 내부에 제1슬러리를 담지하는 경우에는 세라믹 섬유의 길이는 상기 스크린 내부에 인입하기 위하여 상기 스크린의 기공크기보다 작은 길이를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 상기의 경우에는 세라믹 섬유의 길이는 사용되는 스크린에 따라 스크린내 기공의 크기보다 작은 범위내에서 선택되어질 수 있다.
상기 세라믹 섬유는 제1슬러리 조성물에 35 내지 100 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 내지 80 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅱ)의 조공제는 세라믹 필터의 기공을 형성하는 작용을 한다. 따라서 세라믹 섬유을 통하여 충분한 기공도가 확보되는 경우에는 상기 조공제는 첨가하지 않을 수도 있다.
상기 조공제는 탄소, 활성탄, 목재분말, 톱밥, 소금, 나프탈렌, 또는 활석 등을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 조공제의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 적절한 크기의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 조공제는 소결과정에서 연소되어 없어져 세라믹 필터의 기공을 형성하며, 그 함량은 제1슬러리 조성물에 5 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅲ)의 바인더는 제1슬러리의 세라믹 섬유의 결합을 이루는 작용을 한다.
상기 바인더는 통상의 유기바인더, 무기바인더, 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 무기바인더와 유기바인더의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO3)의 무기바인더 또는 MAP(mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 1 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 제1슬러리내의 세라믹 섬유를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅳ)의 분산액은 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산액은 제1슬러리 조성물에 10 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 제1슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 제1슬러리가 적정한 점도를 유지하여 자체로서 형태를 유지하거나 형틀내에서 형상을 유지할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 세라믹 섬유, 조공제, 및 바인더는 분산액에 동시투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리투입하여 혼합할 수도 있다. 특히, 상기 성분의 혼합은 분산액에 세라믹 섬유, 조공제, 및 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합)를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.
상기 혼합물의 혼합시간은 1 내지 10 시간 동안 실시되는 것이 좋다.
상기와 같이 혼합된 제1슬러리는 안정화를 위하여 1 시간 이상의 숙성을 시키면 더욱 좋다.
상기의 방법으로 제조된 제1슬러리의 경우, 그 점도는 상기 제1슬러리가 스크린 내부에 담지되도록 하기 위해서는 1 내지 2,000 cP인 것이 바람직하고, 상기 제1슬러리가 스크린 상부에 담지되도록 하기 위해서는 점도가 높은 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 페이스트 상으로 제조되는 것이 좋으므로 그 점도범위는 적어도 800 이상인 것이 바람직하다.
b) 도포
본 단계는 상기 a)단계에서 제조된 제1슬러리를 스크린에 고르게 도포하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 스크린의 크기는 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 스크린은 제1슬러리를 스크린 내부 또는 상부에 담지하고 슬러리내의 분산액을 기공으로 배출할 수 있는 다공성 구조인 것은 모두 사용 가능하며, 특히 부직포, 직포, 또는 스폰지 등으로 제조된 것을 사용하는 것이 적용의 용이성 측면에서 바람직하다. 즉, 상기 스크린이 두께가 얇은 천과 같은 박형인 경우에는 상기 제1슬러리는 스크린 내부에 포함되는 것이 용이하지 않고 일부만이 부분적으로 상기 스키린 내부에 포함되고 대부분은 상기 스크린 상에 존재하는 형태로 도포되며, 상기 스크린이 일정한 두께를 가지는 후막의 경우, 바람직하게는 2 내지 5 ㎜의 두께를 가지는 경우는 상기 제1슬러리는 스크린 내부의 기공내부에 포함되는 형태로 도포될 수 있다. 또한 상기 슬러리를 포함하는 스크린상에 추가로 더 제1슬러리를 도포하는 경우에는 스크린 상에도 제1슬러리가 도포 되어진다. 특히, 상기 스크린 상에 도포하는 경우에는 바람직하게는 분산액의 배출성 및 슬러리내의 분산물의 불투과성 등을 고려할 때 미세 망사조직인 포프린 등의 미세한 기공을 가지는 직포를 이용하는 것이 좋다.
상기 직포는 방적, 제직(制織), 면조(綿造) 등에 의하여 제조되는 것으로, 상기 제1슬러리의 분산물을 스크린상에 담지하고, 분산액을 배출할 수 있도록 하는 경우에는 미세하게 직조되는 것이 바람직하며 상기 슬러리 제조에 사용되는 세라믹 섬유의 크기에 따라 적절한 그물눈을 가지도록 직조된 직포를 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1슬러리의 분산물을 스크린 내부에 담지하고, 분산액을 배출할 수 있도록 하는 경우에는 성글게 직조되는 것이 바람직하며 상기 슬러리 제조에 사용되는 세라믹 섬유의 크기에 따라 적절한 그물눈을 가지도록 직조된 직포를 사용할 수 있다.
본 단계의 도포는 상기 제1슬러리를 스크린에 일반적인 방법의 도포, 침지 방법 등을 사용하거나, 상기 제1슬러리를 상기 스크린을 바닥면으로 하고 옆면에 형틀벽을 가지는 형틀에 붓거나 얹는 방법 또는 상기 슬러리를 스크린 상에 살포(스프레이)하는 방법을 사용할 수 있고, 상기 도포이후에 균일한 두께 및 상면의 편평도를 위하여 나이프 등을 이용하여 고르게 도포하여 표면의 평탄화처리를 할 수 있다. 또한 상기 제1슬러리의 도포량은 아래 c)단계의 건조이후 두께가 2 내지 5 ㎜가 되도록 도포하는 것이 성형의 용이성 등의 측면에서 바람직하다.
c) 건조
본 단계는 상기 b)단계후 스크린의 제1슬러리를 건조하여 건조체를 제조하는 단계이다. 이때, 건조는 안전한 소결, 소결 준비과정 및 소결 과정 중에 발생할 수 있는 성형물의 형상 변형을 방지하는 작용을 한다.
상기 건조는 자연건조, 열풍건조, 일광건조, 또는 응달건조시켜 실시할 수 있으며, 특히 건조시간의 단축 및 성형물의 변형 방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 실시하는 것이 바람직하다.
상기 건조단계는 상기 스크린에 제1슬러리를 도포한 경우에 스크린의 기공을 통하여 분산액이 빠져나가고 그 이후에 슬러리 내부에 포함된 분산액을 제거하는 과정으로서 건조의 정도에 따라 반건조와 완건조로 나눌 수 있고, 스크린 상에 슬러리를 도포한 경우, 반건조의 경우는 상기 건조체가 무른 겔 상태를 유지하게 되고, 이후의 건조의 진행정도 및 세라믹 섬유의 함량에 따라 세라믹 블랭킷(blanket)이나 세라믹 페이퍼와 같은 형태가 되거나, 고무와 같이 탄력성을 가지는 건조체 또는 이보다 더 단단한 형태를 이루게 건조할 수 있다. 상기 건조이후에 성형단계를 포함하는 경우에는 일정정도의 연성을 가지는 형태로 건조하는 것이 바람직하고, 필요에 따라 형상유지가 가능하고 제거가 용이한 건조상태에서 상기 건조체로부터 상기 스크린을 제거할 수 있다. 또한 스크린 내부에 슬러리를 담지하는 경우도 상기와 동일한 건조방법을 택할 수 있다.
c-1) 성형
본 단계는 세라믹 필터의 제작에 있어서 일정한 형태로의 성형이 필요한 경우에 추가하는 단계로서 상기 c)단계전 또는 c)단계후 또는 상기 c)단계의 건조중간에 각각 실시할 수 있다. 즉, 제1슬러리가 스크린 내부에 담지된 경우나 스크린 상의 슬러리의 점도가 높은 경우에는 건조전에도 성형이 가능하므로 상기 성형단계를 c)단계전에도 실시가 가능하며, 또한 상기 경우와 스크린 상에 슬러리를 포함하는 경우 모두에 대하여 c)단계이후 또는 성형이 가능할 정도로 건조가 진행된 c)단계의 건조중간에 상기 성형단계를 실시할 수 있다. 상기 성형의 경우는 필요한 경우에만 실시하고, 별도의 성형작업이 필요하지 않은 경우에는 생략할 수 있는 단계이다.
따라서 상기 건조체를 바로 아래의 소결단계로 진행하거나, 필요에 따라 일정한 크기로 제단하거나, 제단 및 성형을 통하여 일정한 형태의 성형물을 제조할 수 있다. 상기 건조체는 목적에 따라 원하는 형태대로 다양하게 성형할 수 있음은 물론이며, 특히, 원형튜브, 방사형 절곡튜브, 또는 사각튜브 형태의 성형틀에 건조체를 밀착하여 결합시키고, 클램프 등으로 고정하여 원형튜브 형상, 방사형 튜브 형상, 또는 사각 튜브형상 등으로 성형할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같은 상기 방사형 절곡튜브 형상의 성형틀을 이용하여 방사형 절곡튜브 형상의 세라믹 필터를 제조하는 경우에는 원형 튜브가 적용되는 곳에 동일하게 적용이 가능하면서도 여과 면적을 최대화하여 필터링 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 성형틀에 담지체를 밀착 결합하는 경우에 건조후 성형틀과 담지체의 분리를 용이하게 하기 위하여 담지체와 성형틀 사이에 탈형필름을 추가할 수 있다. 상기 탈형 필름에는 바람직하게는 고무, 우레탄 수지, 또는 에폭시 수지 등을 재질로 하는 수지 필름이나 크라프트지와 같은 종이필름을 사용할 수 있다.
또한 성형을 보다 용이하게 하고, 성형시 변형량이 큰 경우에는 상기 건조단계에서 완전히 건조를 하지 않고 반건조를 한 후 성형을 할 수도 있다. 이와 같이 반건조후 성형을 진행한 경우에는 성형후에 추가건조를 실시할 수 있다.
d) 소결
본 단계는 상기 c)단계 또는 c-1)단계에서 건조되거나 건조된후 성형을 마친 성형물을 소결하는 단계이다.
상기 소결은 성형물의 성형틀을 제거하고 소결로에 넣은 후, 소결로의 온도를 소결온도까지 승온시켜 일정한 온도에서 소결시킬 수 있다. 이를 통하여 도 2 내지 4에 일실시예로서 나타낸 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터를 제조할 수 있다.
또한 상기 소결은 도 5에 일실시예로서 나타낸 바와 같이 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기로 절단하여 필터의 몸체를 만드는 가공단계; 및 몸체 외경크기에 맞는 하부 캡과 턱 받침 날개가 있는 형태의 상부 캡을 상기 방법과 동일한 방법으로 제작하고, 상기 상부 및 하부 캡을 세라믹 본드로 조립하여 하부는 막히고, 상부는 날개 형태로 열린 형태로 조립하는 조립단계를 추가로 실시한 후, 소결시킬 수도 있다.
상기 소결은 슬러리의 성분 및 성분비에 따라 적정한 소결온도를 설정하여 소결을 진행할 수 있으며, 특히 상기 소결시 승온 중 발생할 수 있는 성형물 변형, 쪼그라듬, 및 파손을 방지할 수 있도록 상온∼500 ℃까지는 0.5∼3 ℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하며, 특히 150∼450 ℃의 온도에서는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 세라믹 분말의 조성에 따라 900∼1,300 ℃의 소결온도까지 승온시켜 2∼48 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 좋다.
이상의 제조방법에 의하여 동일한 내부 구조를 가지는 단일층 세라믹 필터를 제조할 수 있고 아래에는 기공의 크기를 달리하는 층을 내부에 포함하거나 망상 지지체를 외벽, 내벽 또는 내부에 포함하는 다중층 세라믹 필터의 제조방법에 대하여 설명한다.
기공의 크기를 달리하는 다중층 세라믹 필터의 제조방법에는 소결전에 다중층을 형성하는 방법과 소결후에 다중층을 형성하고 2차 소결을 하는 방법이 있다.
<소결전 다중층 형성방법>
c-2) 추가도포
본 단계는 상기 c)단계를 거친 건조체 또는 c-1)단계를 거친 건조후 성형한 성형체를 통칭하는 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계로서 제2슬러리의 성분은 바람직하게는 상기 기술한 제1슬러리의 성분범위와 같은 성분범위를 가지거나 ⅰ) 세라믹 분말 또는 섬유 40 내지 80 중량부, ⅱ) 조공제 10 내지 40 중량부, ⅲ) 바인더 7 내지 30 중량부, 및 ⅳ) 분산액 10 내지 50 중량부를 혼합하여 제조한 슬러리를 추가도포하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 세라믹 분말 또는 섬유는 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 세라믹 분말 또는 섬유가 사용될 수 있다. 상기 세라믹 분말 또는 섬유는 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O3·SiO2), 카올린(kaolin group, Al2O3·2SiO
2·2H2O), 실리카(SiO2), 티타니아, 또는 규조토 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이다.
상기 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 세라믹 분말 또는 섬유는 슬러리 조성물에 40 내지 80 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 성형층의 외부 또는 내부에 더욱 미세한 기공을 형성함으로써 필터 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 필터의 재활용이 용이한 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅱ)의 조공제는 상기 a)단계의 ⅲ)의 조공제와 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 슬러리 조성물에 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅲ)의 바인더는 상기 a)단계의 ⅳ)의 바인더와 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 7 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리가 성형물에 효과적으로 결합될 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅳ)의 분산액은 상기 a)단계의 ⅴ)의 분산액과 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 분산액은 슬러리 조성물에 10 내지 50 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 성형물에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 성분으로 이루어지는 추가도포용 슬러리는 필요에 따라 ⅴ) 점토를 추가로 포함할 수 있다.
상기 점토는 상기 a)단계의 ⅱ)의 점토와 동일한 성분을 사용할 수 있으며, 그 함량은 슬러리 조성물에 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이다.
상기와 같은 성분을 포함하는 슬러리는 상기 c)단계에서 건조된 성형물의 내부 또는 외부에 추가도포되며, 상기 추가도포는 세라믹 필터의 필요사양 및 각 층이 요구하는 목적에 따라 달리하여 2 회 이상 반복하여 실시할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 추가도포시 슬러리는 세라믹 필터의 용도에 따라 표면층의 기공도, 표면층의 강도, 추가 도포에 필요한 슬러리 용액의 점도, 또는 표면층의 기능성 등을 달리하기 위하여 그 함량 및 두께를 달리할 수 있음은 물론이다. 특히, 조공제의 함량 및 입도를 조절하여 기공도 및 기공의 크기를 조절할 수 있다.
상기 추가도포는 붓으로 덧칠하는 등의 도포하는 방법, 성형물을 슬러리에 침지시키는 방법, 또는 스프레이 등을 이용한 분사하는 방법 등으로 실시할 수 있다.
본 단계의 추가도포는 담지체를 포함하지 않는 소결층을 형성함으로써 조밀한 소결층이 표면에 형성되어 세라믹 필터의 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 표면층에 조공제 또는 바인더만으로 기공이 조절되므로 더욱 미세한 기공을 가지는 표면층이 형성되어 집진이 표면에서 주로 이루어지게 하여 필터의 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 이를 통하여 필터의 재활용이 용이하게 이루어질 수 있으며, 특히 고온고압형에 적용가능한 효과가 있고 담지체를 포함하는 영역의 소결층에 비하여 표면조도가 개선되어 이후의 추가도포가 용이하다는 효과가 있다.
c-3) 건조
본 단계는 상기 c-2)단계에서 추가도포된 성형물을 건조하는 단계로, 상기 건조는 상기 c)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
<소결후 다중층 형성방법>
e) 추가도포
본 단계는 상기 d)단계에서 소결된 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계로서 제2슬러리의 성분은 바람직하게는 상기 기술한 제1슬러리의 성분범위와 같은 성분범위를 가지거나 ⅰ) 세라믹 분말 또는 섬유 40 내지 80 중량부, ⅱ) 조공제 10 내지 40 중량부, ⅲ) 바인더 7 내지 30 중량부, 및 ⅳ) 분산액 10 내지 50 중량부를 혼합하여 제조한 슬러리를 추가도포하는 단계이다. 상기 제2슬러리는 앞에서 기술한 내용과 동일하다.
상기 추가도포 단계는 세라믹 필터의 제조방법의 c-2)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
f) 건조
본 단계는 상기 e)단계에서 추가도포된 성형물을 건조하는 단계로, 상기 건조는 상기 c-3)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
g) 소결
본 단계는 상기 f)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계로, 상기 소결은 상기 제조방법의 d)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
또한 상기의 소결후에 추가도포하는 제조방법은 상기 기술한 바와 같이 소결전에 추가도포를 실시하지 않은 경우는 물론이고, 소결전에 추가도포가 이루어진 경우에도 적용될 수 있다. 또한 상기 소결후에 추가 도포하는 방법도 2 회 이상 반복하여 실시하는 것이 가능하며, 소결후에 2차 소결전에 상기 소결전 추가도포의 방법을 적용하여 소결 2차 소결전에 추가도포를 2 회 이상 실시할 수도 있다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 최종 세라믹 필터는 도 2 내지 5에 나타낸 바와 같이 다양한 형태로 제작이 가능하고, 세라믹 섬유를 포함한 영역은 높은 기공도와 큰 기공을 가지고, 추가도포층의 경우는 조밀한 기공분포와 미세한 기공을 가진 구조로 제작할 수 있다. 또한, 도 6에 나타낸 바와 같이 2 개 이상의 세라믹 필터를 접착제로 접착하여 길이가 확장된 형태의 세라믹 필터로도 사용할 수 있다. 이때, 세라믹 필터의 사이에는 세라믹 필터의 내주면보다 작은 크기의 파이프가 투입될 수 있다.
상기 접착제는 당업계에서 사용하는 통상의 접착제를 사용할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 세라믹 접착제를 사용하는 것이다.
또한 본 발명의 지지체를 갖는 세라믹 필터는 세라믹 필터의 기능성을 향상시키기 위하여 상기 1차 건조된 세라믹 필터, 추가 도포되어 건조된 세라믹 필터, 1차 소결된 세라믹 필터, 1차 소결후 추가 도포되어 건조된 세라믹 필터, 또는 1차 소결후 추가 도포되어 건조 및 2차 소결된 세라믹 필터의 내부 또는 외부에 기능성 물질을 추가로 도포한 후, 건조하는 단계를 더욱 포함할 수 있고, 상기 기능성 물질의 도포는 상기 기능성 물질과 세라믹 필터간에 적절한 결합이 이루어질 수 있는 공지의 다양한 코팅방법을 적용할 수 있음은 물론이며 특히, 1차 소결후에 기능성 물질의 도포, 건조후에는 소결단계를 더 포함하도록 할 수 있다.
상기 기능성 물질은 제올라이트, 백금, 팔라듐, 로듐, 은, TiO2, 또는 ZnO 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 세라믹 필터의 내부 또는 외부에 도포되는 기능성 물질은 세라믹 필터의 내부 및 외부를 동일한 성분으로 코팅할 수도 있고, 내부와 외부의 성분을 달리하여 코팅할 수도 있다.
<망상 지지체 포함 방법>
또한 상기 세라믹 필터의 제조방법에 추가하여, 상기 소결이 완료된 세라믹 필터는 세라믹 섬유상으로 구성되므로 외부에 상기 세라믹 섬유상이 노출되지 않도록 하거나, 세라믹 필터가 갖는 높은 취성 등의 단점을 극복할 목적으로 세라믹이나 금속재 또는 발열체 등을 소재로 하는 코일형 또는 직선형의 와이어형상 또는 직물 또는 편물형의 망상의 지지체를 세라믹 필터의 외벽, 내벽 또는 내부에 포함시킬 수 있다. 상기 지지체를 포함시키는 방법으로는 소결단계전에 성형물의 외벽 또는 내벽에 상기 지지체로 표면을 감싼 후에 소결을 실시하여 세라믹 필터에 지지체를 포함하도록 할 수도 있고, 상기 슬러리 도포과정중에 상기 지지체가 포함되도록 하여 세라믹 필터내부에 지지체를 포함하도록 할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 기공도를 높게 유지하여 저중량을 가지는 우수한 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법 중 추가도포를 포함하는 경우는 세라믹 필터의 내부 또는 외부의 표면에 조밀한 소결층을 형성하어 세라믹 필터의 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 더욱 미세한 기공을 가지는 표면층을 형성하여 필터의 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 필터의 재활용이 용이하게 이루어질 수 있으며, 특히 고온고압형에 적용 가능한 효과가 있고 세라믹 섬유 영역의 소결층에 비하여 조도가 개선되어 추가도포가 용이하다는 잇점이 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조되는 세라믹 필터를 제공하는 바, 본 발명의 세라믹 필터는 일반적으로 각 산업의 후처리장치로 사용될 수 있고, 도 7에 나타낸 바와 같이 각종 집진설비의 집진필터로 사용될 수 있으며, 특히 소각로, 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스의 공기정화장인 촉매담체, 또는 공기청정기내의 광촉매 작용에 의한 휘발성 유기화합물(VOC's) 제거장치 등에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 알루미나(Al2O3) 울 60 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 프리트(VA950, 덕림소재) 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 5 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 제1슬러리 용액을 제조하였다.
상기 제조한 제1슬러리 용액을 가로 1000 mm×세로 1500 mm×두께 1 mm 크기의 포프린 망사 스크린에 5㎜ 도포한 후 분산액이 빠질 때까지 1시간 동안 방치하고 이후에 30∼90 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열풍건조하였다.
그 다음, PVC로 원형튜브 형태의 성형틀을 만들고, 상기 성형틀 표면에 탈형필름을 결합한 후, 상기 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형틀의 형태대로 감아 성형물을 제조하고, 다시 30∼90 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열풍건조하였다.
상기 건조된 성형물에서 성형틀 및 탈형필름을 제거한 후, 상기 성형물을 전기로에 넣어 상온∼150 ℃까지는 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150∼450 ℃까지는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900∼1,300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하여 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터를 제조하였다.
본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법은 세라믹 필터의 제작에 별도의 고가의 금형제작이 필요 없고 가압장치 또는 진공장치가 필요 없음에 따라 세라믹 필터의 제작비용이 저렴하며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 형상변경이 용이하고, 소결로의 크기가 허용하는 한도내에서 대형필터의 생산이 가능하다. 또한 가압이나 진공 공정이 없으므로 기공도 조절범위를 상대적으로 크게 가질 수 있을 뿐만 아니라 세라믹 섬유의 적용에 따라 섬유상간의 소결결합으로 내부에 많은 기공을 포함하며, 상대적으로 높은 기공율을 갖는 형태로 성형할 수 있고, 이에 따라 제조되는 세라믹 필터는 저중량의 다공성 필터가 제조될 수 있다. 또한 이를 통하여 대형필터의 제작이 용이하고, 제작된 대형필터가 저중량을 가지게되므로 이를 통하여 운반, 설치 등의 취급이 용이한 장점을 가진다.
또한 본 발명은 형상 변경이 용이하며, 복잡한 형상의 제조가 용이하므로 일정 공간내에서 필터의 여과면적을 극대화할 수 있는 세라믹 필터를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 세라믹 필터의 기공이 표면에는 조밀하고 내부는 성긴 구조를 가짐으로써 표면은 내마모성 및 내열성이 뛰어나 고온 고압하에서 사용이 가능하고, 여과층은 조밀한 구조를 가지면서도 후면은 성긴 구조를 가져 전체중량을 줄이고, 분진들을 표면에서 포집하여, 세라믹 필터 내부의 눈막힘 현상을 방지하고, 세라믹 필터 전체적으로는 낮은 압력손실과 높은 통기도 및 포집효율을 가지는 세라믹 필터를 용이하게 제조할 수 있고, 일정시간 사용후에 상기 세라믹 필터를 고온 가열하여 분진을 소각, 제거하는 세라믹 필터의 재활용이 용이한 장점이 있다.
또한 본 발명의 세라믹 필터는 고온에서의 유체냉각을 통한 열교환기 장치가 필요하지 않으며, 높은 다공성 구조로 매우 가볍고 집진효율이 높으며, 기존 집진 필터보다 빠른 여과 속도로 집진이 가능하며 고온·고압에서도 필터의 기능 저하나 파손이 없고 불꽃 발생으로 인한 화재에서도 염려가 없어 쓰레기 소각로, 화장터, 보일러, 시멘트 제조공정, 석탄 화력 발전소, 석탄가스화 복합 발전 설비 등에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 사용되는 성형틀의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 원형 튜브 세라믹 필터의 사진이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 방사형 절곡 튜브 세라믹 필터의 사진이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 여러 종류의 세라믹 필터의 사진이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 상/하단 캡이 조립된 세라믹 필터의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 길이가 확장된 형태의 세라믹 필터를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터가 집진장치에 장착된 실시예를 나타낸 사진이다.
Claims (14)
- a) 세라믹 섬유를 주재로 하는 제1슬러리를 제조하는 단계;b) 상기 a)단계에서 제조한 제1슬러리를 스크린에 도포하는 단계;c) 상기 b)단계의 도포된 제1슬러리를 건조하여 건조체를 제조하는 단계; 및d) 상기 c)단계에서 건조된 건조체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 c)단계전, c)단계의 건조중 또는 c)단계이후에c-1) 상기 제1슬러리와 그 담지체를 일정한 형태로 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 c)단계이후에c-2) 상기 c)단계에서 건조된 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계; 및c-3) 상기 c-1)단계에서 추가 도포된 성형물을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 d)단계이후에e) 상기 d)단계에서 소결된 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계;f) 상기 e)단계에서 추가 도포된 성형물을 건조하는 단계; 및g) 상기 f)단계에서 건조된 성형물을 2차 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 a)단계의 제1슬러리는ⅰ) 알루미나, 탄화규소, 산화규소 또는 이들의 혼합물로 구성되는 세라믹섬유 35 내지 100 중량부;ⅱ) 바인더 1 내지 20 중량부; 및ⅲ) 분산액 10 내지 60 중량부를 혼합한 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1슬러리가 ⅳ) 조공제 5 내지 40 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,상기 제2슬러리는ⅰ) 알루미나, 탄화규소, 또는 이들의 혼합물로 구성되는 세라믹 분말 또는 섬유 40 내지 80 중량부;ⅱ) 조공제 10 내지 40 중량부;ⅲ) 바인더 7 내지 30 중량부; 및ⅳ) 분산액 10 내지 50 중량부를 혼합한 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 b)단계의 스크린은 상기 a)단계의 슬러리중 분산액을 배출하는 기공을 가지는 포프린인 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 제2슬러리가 ⅴ) 점토 10 내지 40 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,상기 소결이 150∼450 ℃의 온도에서는 0.5 내지 1 ℃/min의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터의 제조방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터.
- 제11항에 있어서,상기 세라믹 필터가 원형, 사각형, 또는 방사형 절곡 튜브 형상인 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터.
- 제11항에 있어서,상기 세라믹 필터의 내벽, 외벽 또는 내부에 와이어 형상 또는 망상의 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터.
- 제11항 내지 제13항에 있어서,상기 세라믹 필터가 소각로 또는 화장터의 집진장치, 화력발전소의 흡기구, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스 촉매담체, 또는 휘발성 유기화합물 제거장치용인 것을 특징으로 하는 세라믹 섬유를 이용한 세라믹 필터.
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|---|---|---|---|---|
| KR100694895B1 (ko) * | 2005-07-19 | 2007-03-13 | (주)필로스 | 기능성 직물 여과재 및 이의 제조방법 |
| KR101359017B1 (ko) * | 2008-04-25 | 2014-02-07 | 호성산업개발(주) | 세라믹 필터의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 세라믹필터 |
| KR101458952B1 (ko) * | 2008-04-18 | 2014-11-10 | 김기호 | 세라믹 필터의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 세라믹필터 |
| CN108479230A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-09-04 | 苏州宏信和新材料有限公司 | 一种尘硝协同高温复合陶瓷滤筒及工艺 |
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2004
- 2004-01-02 KR KR1020040000145A patent/KR20050071820A/ko not_active Application Discontinuation
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