KR20070016502A - 제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물 및 이로부터제조된 제올라이트 허니컴 구조체 - Google Patents

제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물 및 이로부터제조된 제올라이트 허니컴 구조체 Download PDF

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추수태
조성수
박근만
서민혜
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Abstract

본 발명은 제올라이트 허니컴 구조체의 압출성형용 조성물 및 이로부터 제조된 제올라이트 허니컴 구조체에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 제올라이트와 무기결합제의 혼합물, 이 혼합물 100 중량부에 대해 유기 결합제로서 폴리비닐알콜과 셀룰로스계 화합물의 혼합물 2 내지 9 중량부 및 물 10 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물은, 압출성형시 허니컴 토출 속도가 0.005 내지 0.028 m/sec 일 때 성형장치 내부 압력이 1 내지 2 MPa 범위 정도로 낮아, 종래의 압출성형기 내부의 고압발생으로 인한 성형기 파손의 문제점을 방지하여 안정된 허니컴 구조체를 제조할 수 있게 한다.

Description

제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물 및 이로부터 제조된 제올라이트 허니컴 구조체{EXTRUSION-MOLDING COMPOSITION FOR ZEOLITE HONEY-COMB STRUCTURE AND THE ZEOLITE HONEY-COMB STRUCTURE PREPARED THEREFROM}
도 1은 본 발명을 위한 비교예 및 실시예에서 허니컴 토출속도를 변화시키면서 압력을 측정한 결과의 그래프이고,
도 2는 비교예 2의 조성물로부터 압출성형된 허니컴 구조체 형태의 사진이고,
도 3a 및 3b는 실시예 1 및 2의 조성물로부터 압출성형된 허니컴 구조체 형태의 사진들이다.
본 발명은 제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물 및 이를 이용하여 제조된 제올라이트 허니컴 구조체에 관한 것이다.
촉매담체로 많이 이용되는 제올라이트 허니컴 구조체는 주로 압출성형법에 의해 제조되고 있다. 이 방법은 연속제조가 가능하여 대량생산과 균일한 형태의 형상이 요구되는 제품에 적용할 수 있고, 스크류에 의해 공급되는 배토의 부피보다 토출되는 부피가 상대적으로 감소되기 때문에, 배토의 밀도를 높게 할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 한국 특허출원공개 제 2002-0011561호, 제 2004-0063630호, 제 1986-0007024호 및 제 2002-0026176호에서는 제올라이트를 무기 및 유기결합제 및 기타 첨가제들과 혼합하여 압출성형함으로써, 제올라이트 허니컴 구조체를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 종래 기술에 개시된 조성물 및 방법들은 압출성형시 성형기 실린더 내부 압력이 4 Mpa 이상 상승하여 고압으로 인한 성형기의 파손 가능성이 크고, 압출다이부분에서 허니컴 형태가 완성되어 토출될 때 대기압으로 노출되면서 급격한 압력저하로 인한 스프링백현상이 발생되어 허니컴 형태유지가 어렵다는 문제점이 있어 왔다.
따라서, 본 발명에서는 제올라이트 촉매 담체를 위한 압출성형시 성형기 내부 압력을 낮추어, 압출성형기의 수명 연장 및 보호가 가능하고 허니컴 형태유지에 효과적인 제올라이트 촉매 담체 압출 성형용 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적의 달성을 위해 본 발명에서는, 제올라이트와 무기결합제 혼합물 및 이 혼합물 100 중량부에 대해, 유기결합제로서 폴리비닐알콜과 셀룰로스계 화합물의 혼합물 2 내지 9 중량부 및 물 10 내지 30 중량부를 포함하는 제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 조성물을 압출성형 하여 얻은, 제올라이트 허니컴 구조체를 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
제올라이트 허니컴 구조체의 조성물은 통상, 주재료인 제올라이트와 부재료인 무기결합제를 주성분으로 하고, 기타 첨가제로 결합력과 관계 있는 유기결합제, 윤활성과 성형성을 부여하기 위한 가소제, 윤활제, 촉매활성화 물질 및 용매로서의 물을 포함할 수 있다. 고압상태에서의 성형은, 혼련기와 압출성형기에서의 고압으로 인해, 기계적인 결함과 성형되는 허니컴의 외형유지의 곤란함을 초래하기 때문에, 성형 원료 조성물(배토)의 유동특성을 고려하여 적절한 첨가제 및 조성비를 선정하여야 한다.
본 발명에 사용되는 제올라이트는 공지된 다양한 것들을 사용할 수 있으며, 천연 제올라이트를 사용하는 것이 경제적인 면에서는 유리할 수 있다.
무기결합제로는 주로 점토 또는 벤토나이트와 같은 고상 무기결합제와 실리카 졸이나 알루미나 졸과 같은 액상 무기결합제가 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 고체 상태의 무기결합제의 첨가량이 많게 되면 소성 후 압축강도는 증가되나, 비표면적이 감소되어 흡착성능이 극히 저하되고, 반대로 첨가량이 너무 적으면 성형성이 극히 저하되고 허니컴의 강도 역시 낮아져, 무기결합제로서의 역할을 제대로 못하게 된다.
본 발명에 따르면, 제올라이트와 고상 무기결합제의 사용 비율이 1 내지 6 : 1, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 : 1 중량비 범위이다.
또한, 실리카 졸과 같은 액상 무기결합제를 첨가함으로써 소성 후의 비표면적을 크게 향상시키고 압축강도 역시 대폭 개선할 수도 있다.
유기결합제로서는 폴리비닐알콜(PVA), 셀룰로스계 화합물(예를 들면, 메틸셀룰로스(MC), 셀룰로스 에스테르, 덱스트린)등이 사용될 수 있으며, 특히 PVA와 셀룰로스계 화합물의 1 : 1 내지 4, 더욱 바람직하게는 1 : 1 내지 3 중량비의 혼합물이 좋으며, 이러한 혼합물은 제올라이트와 무기결합제의 혼합물 100 중량부에 대해 2 내지 9 중량부 바람직하게는 3 내지 7 중량부 범위의 양으로 사용하는 것이 좋다. 만약, 2 중량부 이하로 사용하면 결합제로서의 성능이 약하여 성형단계에서 부서질 수 있고, 9 중량부 이상으로 사용하면 소성단계에서 휘발되는 양이 많게 되어 최종제품의 물성이 약해질 수 있다.
물은 균일한 습식혼련을 위한 용매로서, 제올라이트와 무기결합제의 혼합물 100 중량부 기준으로 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 15 내지 25 중량부를 첨가한다. 물을 첨가하는 가장 큰 이유는 분말상태의 촉매 원료에 가소성을 부여하여압출성형이 가능한 배토 상태로 만들어 주기 위한 것이다. 물만으로 가소성이 부족한 경우, 당 분야에 공지된 통상의 가소제를 추가로 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물에 추가로 사용될 수 있는 가소제로서는 글리세린, 에틸렌 글리콜 등이 있으며 이들은, 제올라이트와 무기 결합제의 혼합물 100 중량부를 기준으로 할 때, 1 내지 10 중량부 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 윤활제로는 스테아린산, 왁스에멀젼, 폴리에틸렌글리콜 등이 있으며, 이들을 0.1 내지 5 중량부 사용할 수 있다. 만약, 이들을 이들의 최소량보다 적게 사용할 경우, 기대하는 성능을 발휘할 수 없는 반면에, 최대량보다 많이 사용할 경우에는 성형단계에서 성형체 형체의 이그러짐 등이 발생할 수 있다.
본 발명의 조성물은 상기 성분들을 적절히 혼합함으로써 얻을 수 있으며, 혼합 혼련 단계를 마친 초기 배토 조성물은 5 ℃이상의 상온에서 하루정도 방치하여 충분히 숙성시키는 것이 좋다.
이 숙성된 배토를 통상의 압출성형기 등을 이용하여, 두 세번의 혼련(kneading)을 행한 후 일정한 형상으로 압출 성형시킨 다음, 건조 및 650 ~ 800 ℃에서 4 내지 6 시간 동안 열처리하여, 본 발명에 따른 제올라이트 허니컴 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명의 조성물은 압출 성형시 허니컴 토출 속도가 0.005 내지 0.028 m/sec 일 때, 성형장치 내부 압력이 1 내지 2 MPa 범위 정도로 낮아, 종래 압출성형기 내부의 고압발생으로 인한 성형기 파손의 문제점을 방지하고, 안정된 허니컴 구조체를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의거하여 좀더 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.
압출성형 조성물의 제조
실시예 1 및 2:
천연 제올라이트와 무기결합제로서 점토를 3 : 1 중량비로 혼합한 후, 여기에 유기결합제로 PVA와 메틸셀룰로스(MC)의 혼합물 및 물을 첨가하여, 본 발명에 따른 제올라이트 압출성형 조성물을 수득하였으며, 사용된 성분들의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 및 2:
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성의 성분들을 이용하여, 제올라이트 압출성형 조성물을 제조하였다.
Figure 112005043064095-PAT00001
조성물의 압출성형
1 축 스크류를 가진 압출기 및, 200 CPSI(cells per square inch)이하의 밀도를 갖는 성형다이를 사용하여, 상기 실시예 및 비교예에 따른 조성물을 제올라이트 허니컴 구조체로 토출시켰다. 이 때, 토출 속도를 변화시키면서 성형기 내부 압력을 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었으며, 비교예 2, 실시예 1 및 2의 조성물로부터 압출성형된 허니컴 구조체의 사진을 각각 도 2 및 도 3a 및 3b에 나타내었다.
도 1에서 보듯이, 유기결합제로서 메틸셀룰로스와 PVA를 단독 첨가한 비교예 1 및 2의 경우는, 두 성분을 혼합하여 첨가한 실시예 1 및 2에 비해 압출성형시의 압력이 대체로 더 높고 특히, 수분함량이 적고 메틸셀룰로스 함량이 높은 비교예 2의 압력이 더욱 높게 나타났다. 또한, 비교예 2는 도 2에 나타낸 바와 같이 압출성형시 허니컴의 형태유지가 불가능하였다.
반면, 실시예 1과 2의 경우에는 토출 속도가 0.005 내지 0.028 m/sec 일 때, 성형기 내부의 압력이 전반적으로 1 내지 2 MPa 범위로서 가장 낮았으며, 도 3a 및 3b에서 보듯이 허니컴의 안정된 형태가 유지되면서 토출되었다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 허니컴 구조의 제올라이트 담체 제조 시, 고압으로 인한 압출성형기의 파손과 성형된 허니컴의 스프링백 현상을 방지하여, 압출성형기를 보호할 수 있고 토출되는 허니컴 구조체의 형태를 유지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 제올라이트와 무기결합제의 혼합물 및 이 혼합물 100 중량부에 대해, 유기결합제로서 폴리비닐알콜과 셀룰로스계 화합물의 혼합물 2 내지 9 중량부 및 물 10 내지 30 중량부를 포함하는, 제올라이트 허니컴 구조체 압출성형 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물이, 제올라이트와 무기결합제가 2 내지 5 : 1 중량비로 혼합된 것임을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유기 결합제로서의 폴리비닐알콜과 셀룰로스계 화합물의 혼합물이 1 : 1 내지 3 중량비 범위의 혼합물임을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제올라이트가 천연 제올라이트인 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    무기 결합제가 점토인 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 압출성형하여 제조된 제올라이트 허니컴 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    압출성형시, 허니컴 토출 속도가 0.005 내지 0.028 m/sec 일 때 성형장치 내부 압력이 1 내지 2 MPa 범위임을 특징으로 하는, 제올라이트 허니컴 구조체.
  8. 제 6 항에 있어서,
    압출성형시 1축 스크류를 가진 압출기가 사용되어 제조된 것임을 특징으로 하는 제올라이트 허니컴 구조체.
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