KR20070005992A - 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 물 또는 유기 용매 중 어느 하나가 담겨진 용기 내에 소량의 알카리 금속 이온을 함유시킴과 동시에 그 내에 두 개 이상의 금속전극을 이격배치 한 후 시간이 경과함에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류를 인가하여 100nm 크기 이하의 금속 미세입자를 제조하는 제 1단계와; 상기 제 1단계를 거친 용기내에서 분말사출성형용 유기결합제를 첨가하는 제2단계와; 상기 첨가된 유기결합제를 용해시켜 미세입자와 균일하게 혼합하는 제3단계와; 상기 용기 내부의 물 또는 유기용매를 제거한 다음 그 내의 유기결합제와 미세입자 혼합물을 분쇄하는 제 4단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 완전치밀화가 가능한 100nm 크기 이하의 한가지 이상의 금속미세입자 또는 한가지 이상의 금속 산화물과 금속미세입자로 이루어진 분말사출성형용 피드스톡의 제조가 가능하며 또한 별도의 장치없이 산화반응을 배제하면서 분말사출성형용 금속미세입자 피드스톡을 제조할 수 있는 이점을 가지게 된다.

유기결합제, 물, 용기, 유기용매, 금속미세입자

Description

분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법{Manufacturing method of metal fine particles-feedstock for powder injection molding}

도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 미세입자의 확대사진,

도 2는 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 알루미늄 미세입자 피드스톡의 나타낸 외형사진,

도 3은 본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 알루미늄 미세입자 피드스톡의 X선 회절분석결과.

본 발명은 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법에 관한 것으로서, 이를 보다 상세히 설명하자면, 완전치밀화가 가능한 100nm 크기 이하의 한가지 이상의 금속미세입자 또는 한가지 이상의 금속산화물과 금속 미세입자로 이루어진 분말사출성형용 피드스톡을 제조 가능케 함에 그 목적을 가지는 것이다.

종래에 미세한 금속 입자제조방법 및 이를 이용한 분말사출성형용 피드스톡의 제조방법을 살펴보면, 먼저 초음파 볼밀링을 이용하여 금속산화물을 분쇄한 후 수소환원하여 미세한 금속 입자를 제조케 하는 국내특허 제0408647호 "고순도의 합금 및 복합상 나노금속분말의 제조방법"이 안출된 바 있는데,

이러한 상기 기술은 불순물 혼입 없이 산화물을 미세분쇄한 후 수소환원하여 미세한 금속입자를 얻는 방법이다.

그러나 산화물을 얻기 힘든 금속은 제조할 수 없고 수소에 의해 환원되지 않는 금속산화물에서는 금속 미세입자를 얻을 수 없다.

예를 들어 귀금속계의 금속은 산화물을 얻기가 매우 힘들고, 있다 하더라도 금속가격에 비해 매우 고가이다.

또한 알루미늄 산화물, 크롬산화물, 아연산화물, 티타늄산화물 등은 수소에 의해 환원되지 않는다.

또 다른 문제점은 수소환원공정에서는 열처리가 필연적인데, 이 단계에서 환원된 미세 금속입자들의 성장과 함께 분쇄되기 어려운 응집체가 형성된다.

이러한 응집체의 크기는 대략 수 마이크론 크기이며 복잡형상의 고기능성 제품을 제조하기 위해 분말사출성형 공정에 적용시 문제를 야기한다.

응집체 내부까지 유기결합제가 침투되지 않고 공간으로 잔류하여 결합제 제거공정시 열에 의한 기체의 팽창으로 성형체의 균열을 가져온다.

또한 침투가 잘되었다 하더라도 응집체 사이에 매우 큰 기공들이 존재하기 때문에 소결공정에서 완전치밀화된 제품을 얻기 힘든 것으로 보고되고 있다.

알콜 등을 용매로 하여 볼밀링하면서 유기결합제와 혼합하여 응집체의 분쇄를 유도할 수는 있지만, 볼밀링 에너지는 금속나노입자의 압축에 의한 성장과 볼과 볼밀링 용기에서 불순물이 유입되는 것을 피할 수 없다

그리고 상기 금속 미세입자를 이용하여 분말 사출성형용 피드스톡을 제조하는데 있어, 산화반응을 피하기 위하여 불활성 분위기를 유지하는 챔버내에 7- 200℃로 가열하면서 유기결합제와 금속 미세입자를 혼합하여 피드스톡을 제조하는 국내특허 제0366773호 "금속사출성형용 나노금속분말 피드스톡 제조방법"이 안출된 바 있는데,

이때, 금속입자가 반응성이 매우 커서 산소와 쉽게 반응한다.

복잡형상의 고기능성 재료를 제조하기 위해서는 분말사출성형 공정이 필연적이다.

분말사출성형공정에 적용하기 위해서는 금속미세입자와 유기결합제를 혼합하는 공정이 요구되는데 유기결합제에 유동성을 부여하기 위해 가열을 하게 된다.

상온에서도 쉽게 산소와 반응하는 금속 미세입자에 온도까지 상승시키기 때 문에 금속미세입자가 산화된다는 것은 자명하다.

따라서 상기 기술은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 불활성 분위기로 유지되는 챔버에서 금속 미세입자를 유기결합제와 온도를 상승시켜 혼합하는 방법으로 산화력이 낮은 금속은 산화시키지 않고 피드스톡을 제조할 수 있다.

그러나, 알루미늄 같은 금속은 열역학적으로 산소분압이 약

atm에서 부터 산화되기 때문에 불활성분위기를 이 조건으로 유지하기란 매우 어렵다.

또한 모든 공정을 챔버내에서 수작업으로 해야 하기 때문에 작업성이 매우 낮고 장치비가 추가로 들어가는 비용적 문제를 가지고 있었던 실정이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 제반 문제를 해소하기 위하여 발명된 것으로, 특히 소결후 완전치밀화 할 수 있는 응집되지 않는 단분산된 미세한 입자의 분말사출성형공정용 피드스톡을 얻음과 동시에 산화력이 강한 금속 미세입자를 산화시키지 않고 분말사출성형용 피드스톡을 제조케 하고 또한 불활성 기체로 유지되는 별도의 장치없이 금속 미세입자를 산화시키지 않고 분말사출성형용 피드스톡을 제조가능케 함에 그 기술적 과제를 가지는 것이다.

이하 본 발명의 구성과 작용을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하자면 아래와 같다.

본 발명은 물 또는 유기 용매 중 어느 하나가 담겨진 용기 내에 소량의 알카리 금속 이온을 함유시킴과 동시에 그 내에 두개 이상의 금속전극을 이격배치 한 후 시간이 경과함에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류를 인가하여 100nm 크기 이하의 금속 미세입자를 제조하는 제 1단계와;

상기 제 1단계를 거친 용기내에 분말사출성형용 유기결합제를 첨가하는 제2단계와;

상기 첨가된 유기결합제를 용해시켜 미세입자와 균일하게 혼합하는 제3단계와;

상기 용기 내부의 물 또는 유기용매를 제거한 다음 그 내의 유기결합제와 미세입자 혼합물을 분쇄하는 제 4단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 물이나 유기용매에서 금속 미세입자를 제조한 후 건조하지 않은 상태에서 유기결합제를 혼합시킨 후 건조,분쇄케 하여 분말사출성형용 피드스톡을 제조하는데, 이때 상기 건조는 통상 자연 건조 또는 통상적인 건조실에서 건조케 하고 또 분쇄는 통상적인 분쇄장치를 통해 실시하거나 또는 작업자의 수작업으로 실시케 하며 그 분쇄크기는 제한이 없다.

이를 보다 상세히 설명하자면,

물이나 유기용매(알콜, 아세톤, MEK(메틸에틸케톤),벤젠, 톨루엔 등)에서 단 분산된 금속 미세입자는 상기 용매에 알칼리 금속을 용해시키고 목적하는 금속을 전극의 형태로 담근 후 시간이 경과함에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류를 인가하여 제조하게 된다.

이러한 전류는 정형파, 구형파, 삼각파, 톱니파 등의 파형을 갖는다.

이러한 파형을 갖는 전류의 에너지에 의해 금속이 이온화되고 이온화된 금속은 전극에서 전자를 받아 환원된 알칼리 금속으로 부터 전자를 받아 환원되어 금속상 미세입자로 변한다.

이렇게 제조된 금속 미세입자들은 용매 중에 분산되어 있기 때문에 강한 응집체를 형성하지 않는다.

이때 용매에 금속 미세입자가 산화되지 않도록 환원제 역할을 하는 물질을 첨가하거나 수소이온 농도를 높이기 위해서 유기산이 첨가된다.

일예로, 3-oxo-L-gulofuranolactone 포함하는 유기산이나 화합물이 있으며, 이에 한정하지는 않는다.

상기 전류를 인가하여 제조된 금속 미세입자가 포함된 물질에 각각의 용매에 녹는 유기결합제를 첨가하는 공정, 균일하게 혼합하는 공정, 용매를 증발시키는 공정을 통해서 단분산된 금속미세입자 피드스톡이 제조된다.

첨가되는 유기결합제는 분말사출성형공정에 통상적으로 사용되는 한가지 이상의 유기물을 사용할 수 있으며, 그 예로 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜, 스테아린산, 왁스류 등이 있으며 통상적으로 사용되는 유기결합제를 사용할 수 있다.

이러한 유기결합제는 물 또는 유기용매가 제거되면 본래의 유기물질로 환원되어 금속 미세입자와 혼합되어 있는 상태가 된다.

여러 금속입자가 사용되는 합금이나 복합분말을 얻기 위해서 상기 전극을 제조,목적하는 두가지 이상의 금속으로 사용하거나, 각각 금속 입자들을 제조한 후 금속 미세입자와 용매가 혼재되어 있는 상태에서 두가지 이상의 금속입자를 혼합하고 유기결합제를 첨가하여 합금 또는 복합분말을 얻을 수 있다.

또한 산화물 입자와 금속입자가 혼합된 피드스톡을 얻기 위해서 산화물 입자는 상기 물 이나 유기용매에 환원제 또는 유기산을 첨가하지 않고 제조하고, 환원제나 유기산을 첨가하여 제조한 또 다른 금속 미세입자를 제조한 후 상기 두 가지 이상의 미세입자를 혼합하고 유기결합제를 첨가하여 피드스톡을 제조할 수 있다.

이상과 같이 설명한 본 발명을 실시예를 통해 보다 자세히 살펴 보면,

실시예 1

알콜에 sodium acetate를 용해시킨 후, 수소이온 농도를 높이기 위해

3-oxo-L-gulofuranolactone를 용해시켜 용매를 준비한다.

이와 같이 준비된 용매에 두개의 알루미늄(Al) 전극을 담근 후 정형파 전류를 인가한다.

알콜에서 알루미늄 입자가 제조되면 스테아린산, 폴리에틸렌을 첨가하여 교반하면서 약 70℃로 가열하여 첨가된 유기결합제를 녹인다.

충분히 교반한 후 진공건조기에서 알콜성분을 제거하여 알루미늄 미세입자 피드스톡을 제조한다.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 알루미늄 미세입자를 투과전자현미경으로 관찰한 사진이다.

알루미늄미세입자의 크기는 약5nm이다.

도 2는 실시예 1에 따라 제조된 알루미늄 피드스톡의 외형사진이다.

도 3은 실시예 1에 따라 제조된 알루미늄 미세입자 피드스톡의 x선 회절분석 결과이다.

알루미늄이 산화되지 않고 금속상 알루미늄으로 존재한다는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 완전치밀화가 가능한 100nm 크기 이하의 한가지 이상의 금속미세입자 또는 한가지 이상의 금속 산화물과 금속미세입자로 이루어진 분말사출성형용 피드스톡의 제조가 가능하며 또한 별도의 장치없이 산화반응을 배제하면서 분말사출성형용 금속미세입자 피드스톡을 제조할 수 있다.

그리고 미세입자의 산화를 완전 억제하여 모든 합금 또는 복합계의 금속 미세입자로 이루어진 분말사출성형용 피드스톡 제조가 가능하여 복잡형상의 고기능성 소재에 대한 적용분야가 무궁무진한 이점을 가진다.

Claims (5)

1. 물 또는 유기 용매 중 어느 하나가 담겨진 용기 내에 소량의 알카리 금속 이온을 함유시킴과 동시에 그 내에 두개 이상의 금속전극을 이격배치 한 후 시간이 경과함에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류를 인가하여 100nm 크기 이하의 금속 미세입자를 제조하는 제 1단계와;

   상기 제 1단계를 거친 용기내에서 분말사출성형용 유기결합제를 첨가하는 제2단계와;

   상기 첨가된 유기결합제를 용해시켜 미세입자와 균일하게 혼합하는 제3단계와;

   상기 용기 내부의 물 또는 유기용매를 제거한 다음 그 내의 유기결합제와 미세입자 혼합물을 분쇄하는 제 4단계로 이루어짐을 특징으로 하는 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 물 또는 유기 용매 중 어느 하나에 알카리 금속 이온이 존재하도록 Na, Li, K 을 포함하는 수산화물이나 산화물, 화합물을 용해시키는 것을 특징으로 하는

   분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 금속 미세입자의 산화를 억제하기 위한 환원제 또는 유기산 중 어느 하나를 첨가하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1단계를 통해 얻은 금속미세입자에 환원제 또는 유기산을 첨가하여 제조한 또 다른 금속 미세입자를 혼합케 함을 특징으로 하는 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 환원제나 유기산은 3-oxo-L-gulofuranolactone, 2-Hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid 등을 포함하는 유기물질이나 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형용 금속 미세입자 피드스톡의 제조방법.

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