KR20060071528A - 균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균질한 다공성 실리카 구의 연속 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 내열성의 경량 단열재, 내화재의 재료로 사용될 수 있는 다공질 실리카 구를 제조함에 있어 연속 생산이 가능하도록 한 개의 회전 튜브로를 사용하여 예열과 가열의 전 공정이 이루어질 수 있도록 한 균질한 다공성 실리카 구의 연속 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 한 개의 회전로를 사용하여 별도의 복잡한 제조공정을 걸치지 않고 일정한 열처리 공정만을 함으로 경량의 단열효과가 있는 다공질 실리카 구를 연속으로 저렴하게 생산할 수 있어 제조 생산성이 증대되는 효과가 있다.

그리고, 다공질 실리카 구를 연속적으로 제조하여 양산 가능하면서도 제조 불량의 발생을 줄어들어 품질이 저하되지 않은 양질의 다공질 실리카 구를 제조할 수 있어 제품과 그 제조 방법에 대한 신뢰성이 증대되는 효과가 있다.

실리카 겔, 다공질 실리카, 경량 실리카, 실리카 구

Description

균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법{METHOD OF CONTINUOUS FABRICATION FOR UNIFORM POROUS SILICA SPHERE}

도 1은 본 발명에 따른 제조 방법에 사용되는 회전 튜브로와 그 부위별 내부 온도를 개략적으로 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 예열대 11: 투입구

12: 배출구 20: 가열대

100: 회전 튜브로

본 발명은 균질한 다공성 실리카 구의 연속 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 내열성의 경량 단열재, 내화재의 재료로 사용될 수 있는 다공질 실리카 구를 제조함에 있어 연속 생산이 가능하도록 한 개의 회전 튜브로를 사용하여 예열과 가열의 전 공정이 이루어질 수 있도록 한 균질한 다공성 실리카 구의 연속 제조 방법에 관한 것이다.

근래 내열성의 경량 단열재나 내화재의 재료로 다공질 실리카 구가 이용되고 있으며, 종래 구형의 다공질 실리카를 제조하기 위한 방법은 아래와 같이 몇가지 제안되어 있다.

구형의 다공질 실리카를 제조하기 위한 그 첫번째 방법으로는 일정한 형상을 갖는 용기에 넣어 열처리하여 다공질 실리카를 제조하거나 다공질 실리카로 이루어진 성형체를 만드는 방법에 관한 것이다. (89회 미국 요업학회 ceramographic exihibit, W.M.Jones et al) (공개번호 특2001-0106171) 국내특허 121427).

그리고, 그 두번째 방법은 두개의 회전 튜브로를 사용하여 한 개의 회전 투브로에서는 일정의 예비 열처리를 하여 균열을 방지하도록 한 후 두번째의 회전 튜브로에서 열처리하여 다공질 실리카를 제조하는 것에 관한 것이다.

첫번째 방법은 내열성의 용기에 넣어 박스 전기로에서 열처리하는 기술로서 다공질 실리카가 열처리과정에서 형성되면서 동시에 단열재 역할을 함으로서 용기의 내부에 위치한 원료, 즉 실리카 겔은 표면에 위치하는 실리카 겔의 발포 정도에 못미치는 불균질한 다공질 실리카가 형성되는 문제를 가지고 있으며, 동시에 이와 같은 방법은 다량의 다공질 실리카를 생산하기에 부적합한 방법이라 할 수 있다.

그리고, 두번째 방법은 양산이 가능하나 두개의 회전 튜브로를 사용함으로써 첫번째 로에서는 사전 열처리를 하고 두번째 로에서는 열처리하도록 하는 공법을 이용하여 별도의 두 회전 튜브로를 필요로 한다.

즉, 이러한 두번째 방법 또한 첫번째와 두번째 회전 튜브로를 따로이 사용함으로써 첫번째 로에서 사전 열처리한 실리카 겔이 두번째 회전 튜브로로 원활하게 이송되지 못하는 경우에 실리카 겔이 균질하게 발포되지 못하는 제조 불량이 발생 할 수 있어 제품의 신뢰성을 저하시키고 제조의 생산성이 떨어지는 요인을 갖는 방법이라 할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 한 개의 회전 튜브로를 사용하여 단열효과를 갖는 균질한 기공구조와 크기를 가지는 다공질 실리카 구를 연속으로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다공질 실리카 구를 연속적으로 제조하여 양산 가능하면서도 제조 불량의 발생을 줄여 품질이 저하되지 않은 다공질 실리카 구를 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 로의 예열대와 가열대가 하나의 회전로로 형성시킨 회전 튜브로에 실리카 겔을 투입하여 분당 5℃ 내지 90℃ 이하의 평균 승온 속도로 1050℃ 내지 1200℃ 의 온도까지 승온시켜 예열하고 일정 시간 동안 가열대에서 가열처리 함으로써 균질한 다공질 실리카 구를 제조하는 방법을 제공한다.

바람직하게 상용의 실리카 겔은 20 내지 70 Å의 기공을 가지며, 약 0.3 내지 1.1 ml/g의 기공 부피를 갖는 것이 투입되며, 상기 하나의 회전 튜브로 내의 가열대에서 가열처리되는 시간은 10분 내지 60분이 바람직하다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 내열성을 가지며 조절된 크기를 갖는 경량의 다공질 실리카 구를 제조하기 위하여 단속식의 방법도 아니고 두개의 회전로를 사용하지도 않으며 한 개의 회전 튜브로에서 예열 및 열처리하여 다공질 실리카 구를 제조하도록 하였다.

만약 다공질 실리카 구를 박스 타입의 전기로에서 제조할 경우 일반적으로 승온 속도가 제한되어 있고, 급가열이 가능한 전기로가 있다 하더라도 최고 승온 속도가 제한되어 있으며, 다음 원료를 투입하기 위하여 로체가 냉각되기를 기다려야 하므로 공정시간이 길어지고 생산용량이 제한된다.

또한, 내화용기에 담아져서 움직이지 않는 상태로 열처리되므로 외부의 실리카 겔은 비교적 열에 노출되어 기공이 잘 발달되는 반면 내부에 위치하게 되는 실리카 겔은 열을 덜 받게 되므로 기공의 형성이 동일한 온도와 시간동안 열처리된다 하더라도 불균질한 다공질 실리카 구가 형성되며, 표면에 노출된 실리카 구들은 온도와 시간을 증가시킴에 따라 서로 붙는 경향이 발생하게 된다.

본 발명에서는 한 개의 로터리 퍼니스(rotary furnace), 즉 회전하는 튜브로(100) 안을 실리카 겔이 통과하며 열처리되도록 하는 방식을 이용하여 균질한 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 효율적으로 생산할 수 있도록 하였다.

실리카 겔이 용기에 담겨져 열처리가 끝날 때까지 시작할 때의 위치 그대로 열처리되는 열처리 방법의 경우 상부와 하부의 받는 열량이 다르고, 그로 인해 다공질 구조를 형성하는 정도가 다르며, 용기 상부의 실리카 겔이 다공질을 형성하며 동시에 단열재 역할을 하여 내부의 실리카 겔 구조 또한 불균질하게 되면 이로 인하여 형성되는 다공질 실리카 구의 특성도 균일하지 못한 결과를 가져오게 된다.

그러나, 회전 튜브로(100)를 사용할 경우 실리카 겔이 열처리되는 동안 회전하는 튜브 내에서 균일하게 열을 받아 균질한 구조를 갖는 다공질 실리카 구를 제조할 수 있다.

상기의 회전 튜브로(100)에서 열처리 시간은 회전 속도를 고정시키면 회전 튜브로(100)의 각 대역의 길이를 조정하여 예열대(10)의 승온 속도를 조정할 수 있으며, 또한 가열대(20)의 온도에서 유지되는 시간 또한 가열대(20)의 길이로 조정할 수 있다.

예열대(10)와 가열대(20)의 길이가 고정되는 경우에는 회전 속도를 조정함으로서 승온 속도와 가열대(20)의 유지시간을 조절할 수 있다.

예열대(10)와 가열대(20)의 길이와 튜브의 회전속도가 고정되면 튜브의 기울기를 조정하여 승온 속도와 유지시간을 조절할 수 있으며, 본 회전 튜브로(100)의 열처리 계획은 로내의 예열대(10)와 가열대(20)의 길이 비율, 회전 속도, 예열대(10)와 가열대(20)의 비율 및 튜브로(100)의 기울기를 조절함에 따라 자유롭게 열처리 계획을 조정할 수 있다.

상기의 회전 튜브로(100)에 투입되는 실리카 겔은 약 20 내지 70 Å의 기공을 가지고, 기공의 부피는 대략 0.3 내지 1.0 ml/g의 범위에 있으며, 특히 이들의 실리카 겔 내부에는 보통 2% 이하의 수분을 포함하고 있으며, 이러한 실리카 겔은 약간의 불순물을 포함하고 있기는 하지만 99% 이상의 비교적 고순도의 실리카 성분이다.

실리카 겔은 제조사마다 다소 차이는 있으나 일반적으로 몇 개의 크기 등급 별로 판매되고 있으며, 일례로 1급은 5 mesh, 2급은 5-8 mesh, 3급은 8-12 mesh, 4급은 12-20 mesh의 크기로 나뉘어 판매되고 있다.

실리카 겔은 열처리 후에도 균질한 다공질의 구형을 유지하고 일정한 비율로 크기가 증가하므로 목표하는 다공질 실리카 구가 만들어질 수 있는 크기의 실리카 겔을 선택하여 온도분포가 조절된 도 1의 회전 튜브로(100)에 투입한다.

도 1은 본 발명에 따른 제조 방법에 사용되는 회전 튜브로(100)와 그 부위별 내부 온도를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 도 1과 같이 중앙의 가열대(20)는 1050 에서 1200도의 온도에서 유지되도록 하고, 투입부(11)에서 중앙 균열부위까지 온도가 상온에서 가열대(20)의 온도까지 일정한 승온 분포를 갖도록 하여 가열대(20)에 도달하도록 온도분포를 조절한다.

이때 예열대(10)의 초기에서 가열대(20)에 이르는 승온속도가 분당 90℃ 이하가 되도록 하여 급격한 가열에 의해 실리카 겔이 파괴되는 것을 방지하도록 하며, 이것은 실리카 겔이 균질하게 발포된 구형의 다공질 실리카가 되도록 하고자 하는 것이다.

이렇게 예열대(10)에서 분당 90℃ 이하의 속도로 승온시켜 1050℃ 내지 1200℃로 가열대(20)에서 일정시간 열처리하면 실리카 겔 내부에 기공이 잘 발달된 다공질 실리카 구를 용이하게 제조할 수 있다.

예열대(10)의 온도 분포는 회전 튜브로(100)의 온도와 실리카 겔이 예열대(10)를 통과하는 시간 설정으로 조절이 가능한데, 이때 승온 속도는 분당 90℃ 이하로 조절하여 서서히 승온되도록 하여야 한다.

실리카 겔의 예열대(10)에서의 승온 속도와 가열대(20)의 열처리 유지온도를 상기의 범위에서 적절하게 조절하여야 바람직한 특성을 균질하게 가지는 다공질의 구형 실리카를 연속적으로 용이하게 생산 할 수 있게 된다.

만약 예열대(20)의 평균 승온 속도가 분당 90℃ 를 초과하는 경우에는 실리카 겔의 미세 기공 내에 함유되어 있는 수분의 급격한 팽창으로 구형의 실리카 겔이 파괴되므로 승온 속도의 조절이 구형의 다공질 실리카를 제조하는 데 매우 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있으며, 여기서 평균 승온 속도를 분당 90℃ 이하로 낮출 경우 파괴되는 실리카 겔의 양이 점차 감소하며 통상적으로 분당 80℃ /분 이하의 승온 속도가 더 바람직하며, 가장 바람직한 평균 승온 속도는 분당 10℃ 내지 분당 70℃ 정도의 평균 승온 속도가 가장 바람직하다.

승온 속도가 분당 10℃ 이하로도 다공질 실리카의 제조가 가능하나 예열대(10)의 구간이 길어져 설비 제작에 경비를 증가시킬 뿐 분당 90℃의 승온 속도로 예열하여 제조한 다공질 실리카 구와 품질에서 차이가 없으므로 의미가 없다.

그리고, 가열대(20)에서 열처리 유지 온도가 1200℃ 이상으로 초과하게 되면 실리카 겔이 일단 열처리되는 과정 중에 기공을 형성하지만 결국은 지나치게 높은 온도로 인하여 기공이 과잉으로 발포하여 실리카 내의 기공이 커져 다공질 실리카 구의 기계적 강도가 약해지거나 발포된 기공이 다시 소결 수축되어 밀도가 높아지고 다공성이 떨어지게 된다.

또한, 열처리 온도가 1050℃ 미만의 경우에는 온도가 낮아 실리카 내부에 충분한 기공을 형성시키지 못하여 이때 만들어지는 다공질 실리카 구는 만족스러운 단열 특성을 갖지 못하게 된다.

즉, 이상과 같은 조건들의 바람직한 범위를 충족시키는 본 발명의 제조 방법으로 제조되는 다공질 실리카 구는 각개의 구가 내부에는 다공질의 풍부한 기공을 형성하지만 외부로는 기공이 차단되어 있는 구조를 갖게 되어 그렇지 않은 다공질 실리카보다 우수한 단열성을 갖게 되며, 파괴된 실리카의 양이 적어 제조 불량과 품질 저하가 발생하지 않는 우수한 작용을 갖는다.

비교예 1

실리카 겔을 예열대(10)에서 평균 분당 5℃ 의 승온 속도로 승온시켜 1000℃ 의 가열대(20)에서 1시간 동안 유지시키고 배출구(12)로 배출되도록 하였다.

이때 배출되는 다공질 실리카 구의 다공질 형성은 미약하여 충분한 다공성을 형성하지 못하였음을 관찰하였다.

비교예 2

실리카 겔을 예열대(10)에서 평균 분당 300℃의 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 1시간 동안 열처리된 실리카 겔은 상당량이 파괴되어 일부만 다공질이 형성되었고, 대부분이 균질하지 못하였으므로 예열대(10)의 급격한 승온 속도는 바람직하지 않다는 사실을 관찰하였다.

실시예 1

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대 (10)에서 분당 5℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리한 후 배출되도록 하였다.

발포되지 않은 실리카 겔이 거의 없고 대부분 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였다. 이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 2

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 10℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리시킨 후 배출되도록 하였다.

실시예 2에 따른 경우에도 발포되지 않은 실리카 겔이 거의 없고 대부분 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였다.

이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 3

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 30분 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 3에 따른 경우에도 발포되지 않은 실리카 겔이 없고 모두가 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였다.

이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 4

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 90℃의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 4의 경우에 약간의 파괴된 실리카 겔을 제외하고 모두가 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 5

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 120℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리시킨 후 배출되도록 하였다.

실시예 5의 경우에는 실시예 4의 경우보다 많은 양의 파괴된 실리카가 관찰되었다.

발포된 실리카 겔은 모두가 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 6

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전하면서 예열대(20)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1050℃ 의 가열대(20)에서 30분 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 6의 경우에 약간의 발포되지 않은 실리카 겔이 관찰되었고 발포된 실리카 겔은 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 이때 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 7

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1150℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 7의 경우에 대부분이 발포가 이루어 졌으나, 일부 과발포된 실리카 겔이 관찰되었고 나머지 발포된 실리카 겔은 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였다.

실시예 8

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대 (10)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1200℃ 의 가열대(20)에서 30분 동안 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 8의 경우에도 대부분이 발포가 이루어졌으나, 실시예 7보다 증가된 과발포된 실리카 겔이 관찰되었고, 나머지 발포된 실리카 겔은 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 가열대의 온도가 올라갈수록 기공의 평균 크기가 조금씩 증가하는 것을 관찰하였다.

실시예 9

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 10분 동안 열처리한 후 배출되도록 하였다.

실시예 9의 경우에 일부 발포되지 않은 실리카 겔을 제외하고 모두가 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 이때 다공질 실리카 구의 기공구조가 균질하게 발달되었음을 확인할 수 있다.

실시예 10

실리카 겔을 회전 튜브로(100)의 투입구(11)에 넣고 회전시키면서 예열대(10)에서 분당 40℃ 의 평균 속도로 승온시켜 1100℃ 의 가열대(20)에서 60분 동안 열처리시킨 후 배출되도록 하였다.

실시예 10의 경우에 발포되지 않은 실리카 겔이 없고 모두가 스폰지 모양의 기공구조를 갖는 다공질 실리카 구를 형성하였으며, 가열대(20)에서 30분 동안 열처리한 실시예 8의 것과 큰 차이가 없음을 관찰하였다.

이와 같이 회전 튜브로(100)의 회전 속도와 예열대(10) 및 가열대(20)의 길이, 튜브의 수평과 이루는 각도 등을 다양하게 조절할 수 있는 한 개의 회전 튜브로(100)를 사용함으로써 기존의 단속식 전기로에서 발생되는 불균질한 구조의 다공질 실리카의 발생을 방지하면서 연속 생산에 의해 생산성이 향상되어 저렴하고 용이하게 다공질 실리카 구를 생산할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면 한 개의 회전로를 사용하여 별도의 복잡한 제조공정을 걸치지 않고 일정한 열처리 공정만을 함으로 경량의 단열효과가 있는 다공질 실리카 구를 연속으로 저렴하게 생산할 수 있어 제조 생산성이 증대되는 효과가 있다.

그리고, 다공질 실리카 구를 연속적으로 제조하여 양산 가능하면서도 제조 불량의 발생을 줄어들어 품질이 저하되지 않은 양질의 다공질 실리카 구를 제조할 수 있어 제품과 그 제조 방법에 대한 신뢰성이 증대되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 예열대와 가열대가 동시에 구비된 하나의 회전 튜브로에 실리카 겔을 투입하여 상기 예열대에서 분당 5℃ 내지 90℃ 이하의 평균 승온 속도로 소정 온도까지 승온시켜 예열시키고, 일정 시간 동안 상기 가열대에서 가열처리 함으로써 균질한 다공질 실리카 구를 제조하는 것을 특징으로 하는 균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 예열대에서 승온되는 소정 온도는 1050℃ 내지 1200℃ 의 온도 범위임을 특징으로 하는 균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 실리카 겔은 20 내지 70 Å의 기공을 가지며, 약 0.3 내지 1.1 ml/g의 기공 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가열대에서 가열 처리되는 시간은 10분 내지 60분임을 특징으로 하는 균질한 다공질 실리카 구의 연속 제조 방법.

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