KR20070056315A - 세라믹 페이퍼용 무기 접착제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기 접착제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세라믹 페이퍼의 조성과 동일한 파쇄후 직경과 길이의 비가 1: 1 내지 200인 세라믹 섬유, 무기 입자, 무기 콜로이달(Colloidal), 및 유기 첨가제를 포함하는 무기 바인더를 포함하는 세라믹 페이퍼용 무기 바인더 접착제를 제공한다.

본 발명의 무기 접착제는 세라믹 섬유로 이루어진 페이퍼를 적층 또는 로토 타입으로 구조화하여 세라믹필터를 제조할 때 세라믹 페이퍼와의 구조적 유사성으로 고온에서의 열처리 과정에서도 구조적인 안전성을 나타낸다.

세라믹, 콜로이달, 섬유, 페이퍼, 무기접착제

Description

세라믹 페이퍼용 무기 접착제{Inorganic adhesives for ceramic paper}

본 발명은 세라믹 페이퍼용 무기 접착제와 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 섬유로 이루어진 페이퍼를 적층 또는 로터(rotor) 타입으로 구조체화 하여 필터를 제조하는 공정에서 세라믹 섬유를 주성분으로 하고, 여기에 무기 입자, 무기 콜로이달, 및 유기 바인더를 이용하여 모체인 세라믹 페이퍼 표면의 섬유와의 결합을 통해 각 세라믹 페이퍼 상호간의 결합력을 고온에서도 유지시켜 구조적인 안정성을 가지고 접착력이 우수한 무기 접착제에 관한 것이다.

세라믹 섬유로 이루어진 페이퍼는 전통적인 제지법을 통해 제조되고 있으며, 섬유사이의 결합으로 생성되는 기공을 포함하여 다양한 응용 부분에 사용되고 있다. 상업적인 사용을 위해서는 세라믹 페이퍼 단일체로 사용되기도 하지만, 대부분 파형화된 페이퍼와 플래트한 페이퍼를 반복하여 부착시켜 얻어지는 허니컴 형태로 사용된다. 상기 허니컴 형태의 세라믹 페이퍼는 80% 이상의 기공율과 다양한 형태로의 구조화가 가능하여, 현재 세라믹 페이퍼 허니컴(honeycomb) 구조체에 대한 사용 범위와 그 관심이 증대되고 있다.

미국특허 제5,698,165호에서는 불활성 가스에 포함된 활성 가스 성분을 흡착 하여 매우 낮은 농도의 활성가스 만을 함유하는 불활성 가스의 조성을 만드는 허니컴 구조체를 개시하였고, 미국특허 제5,698,165호에서는 허니컴 구조의 세라믹 페이퍼를 오존 필터로 응용한 방법을 보여준바 있다.

특히 상기 세라믹 페이퍼 허니컴 구조체는 세라믹의 특성인 내구성, 내산성, 내열성으로 인해 발전소, 화학 공장, 시멘트 공장에서 분진 제거 필터로 많이 사용되고 있을 뿐만 아니라, 최근에는 디젤 배기 가스에 포함된 입자를 제거할 수 있는 필터로 상기 세라믹 페이퍼 허니컴 구조체를 사용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다.

한편, 상기 세라믹 페이퍼를 사용하여 적층 또는 로터 타입의 구조체 제조의 성형 공정에서 바인더가 사용된다. 상기 바인더는 성형 후 시행되는 열처리 과정에서 페이퍼 간의 접착력을 유지해 줄 뿐만이 아니라, 구조적인 유사성을 가지고 있어 열 팽창성 차이에 의한 구조적인 결함을 최소화해야 한다. 특히, 온도 상승 과정에서 결합력을 유지하기 위한 성분들의 적절한 혼합은 바인더의 작업성을 향상 시킬 수 있다.

미국특허 제5,322,537호에서는 세라믹 페이퍼로 이루어진 허니컴 구조체를 디젤 배기가스에 포함된 입자를 효과적으로 제거하기 위한 필터로 사용하기 위한 제조 공정을 개시하였다. 상기 방법은 파형화된 페이퍼와 플래트한 페이퍼의 결합을 통해 3차원 구조체로 제조하기 위해, 알루미노 실리케이트 섬유, 세리사이트 (sericite) 클레이, 및 전분을 니딩(kneading)하여 제조된 무기 바인더를 사용하였 으며 이때 K₂O의 함유률이 1.8∼3.2 wt％이었다. 이러한 바인더는 세라믹 페이퍼의 재질과 유사한 물질로 이루어진 조성을 가짐으로써 열처리 후의 안전성을 부여할 수 있고 결합력을 증가시킬 수 있는 장점이 있었으나, 니딩 과정에서 섬유 성분과 클레이의 혼합이 적절치 못할 경우에는, 열 처리를 통한 전분의 제거 이후에 바인더로의 역할을 하지 못하고 분리가 일어날 수 있는 단점이 있다.

또한, 최근 미국특허 제6,444,006호에서는 세라믹 단 섬유, 유기 섬유, 및 수용성 열가소성 수지로 이루어진 슬러리 수용액으로 페이퍼를 제조하고, 이를 건조한 후 페이퍼를 콜로이달 알루미나 또는 알루미나 실리케이트 용액과 유기 성분으로 아크릴 라텍스, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알코올, 전분을 사용하여 3차원 구조로 형상화하였다. 상기 방법에서 사용된 무기 접착제는 입자가 서브 마이크론의 콜로이달 형태로서 분산 측면에서는 이점이 있고 다량의 무기 성분을 포함하지 않기 때문에 작업성에서 유리한 측면은 있었으나, 무기 입자 크기의 제한이 있어 열 처리 과정에서 크랙 (Crack)의 발생이 일어나는 문제가 있다.

상기와 같은 종래 기술에서의 문제점을 고려하여, 본 발명의 목적은 세라믹 섬유를 주성분으로 하여 기재로 사용되는 세라믹 페이퍼와의 구조 유사성을 확보하고, 무기 바인더와 무기 콜로이달 졸 바인더를 이용하여 바인더의 강도 및 결합력을 향상시킴과 동시에, 유기 첨가제의 부가를 통해 상온에서의 무기 바인더의 접착성을 향상시킨 세라믹 페이퍼용 무기 접착제를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 무기 접착제를 이용하여 제조되는 세라믹 필터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 파쇄후 직경과 길이의 비가 1: 1 내지 200인 세라믹 섬유, 무기 입자, 무기 콜로이달, 및 유기 첨가제를 포함하는 세라믹 페이퍼용 무기 접착제를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 구성을 갖는 무기 접착제를 이용하여 세라믹 페이퍼를 접착하여, 세라믹 페이퍼가 적층 또는 로토 타입으로 형성된 허니컴 구조를 갖는 세라믹 필터를 제공한다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 세라믹 섬유, 무기 입자, 무기 콜로이달 졸 용액과 유기 첨가제를 포함하여, 유동성이 있는 점도를 가지며 상온에서의 접착력이 우수하고 고온 열처리후에도 구조적 안정성이 우수한 무기 바인더를 제공하는 특징이 있다.

상세하게는, 본 발명은 접착제에 포함된 섬유 성분과 기재표면의 섬유 성분과의 웹(web) 형성을 통해 1차적으로 물리적인 접착력을 확보하고, 열처리 과정에서 무기 콜로이달 졸과 무기 입자의 단계적 소성을 통해 2차적인 접착력을 유도하는 무기 바인더를 제공하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 세라믹 섬유는 세라믹 섬유 페이퍼의 조성과 동일한 세라믹 단섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 세라믹 섬유로는 알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로 실리케이트, 뮬라이트 등의 모든 섬 유가 가능하며, 접착성을 고려하여 세라믹 섬유 페이퍼의 재질과 동일한 것을 선택하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 섬유는 무기 접착제 제조시 균일한 혼합과 효과적인 바인더 역할을 하도록, 지름과 길이의 비를 1: 1 내지 200로 조절하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1: 10 내지 100 으로 한다. 바람직하게, 본 발명은 세라믹 섬유를 파쇄하여 지름과 길이의 비를 조절할 수 있다. 이때, 세라믹 섬유의 지름과 길이의 비가 1보다 작은 경우에는 섬유가 가지는 강도 증가의 역할이 미약하며, 100을 초과하는 경우에는 섬유의 분산에 어려움이 있어 균일한 무기 바인더를 얻기가 힘들다. 상기 세라믹 섬유의 사용량은 전체 무기 바인더 조성에 대하여 10 내지 30 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 섬유의 사용량이 10 중량% 미만이면 무기 접착제가 세라믹 페이퍼의 기재와의 유사성이 떨어져 열적 특성의 차이에 의한 고온 접합력이 감소하는 문제가 있고, 30 중량%를 초과하면 무기입자나 솔 입자와 같은 고른 분산에는 한계가 있고 길이가 긴 파이버간의 엉켜있는 채로 존재하여 구조적인 결함이 발생할 수 있는 문제가 있다.

상기 무기 입자는 세라믹 입자를 사용할 수 있으며, 상기 세라믹 섬유와 유사한 조성을 갖는 무기 입자라면 모두 사용 가능하며, 예를 들면 세리사이트, 일라이트, 그 외에 다양한 클레이 등이 있고, 보다 바람직하게는 자연 클레이를 사용하면 비용면에서 유리하다. 상기 무기 입자의 사용량은 전체 무기 바인더 조성에 대하여 20 내지 50 중량%로 사용하는 것이 바람직하며, 사용량이 20 중량% 미만이면 고온 접착력이 감소하는 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 소성 후 접합 부분의 세라믹 페이퍼 기재 내의 기공을 막아 공기 배압이 발생할 수 있는 문제가 있다.

상기 무기 콜로이달은 10 내지 50 %의 통상의 무기입자를 포함하는 무기졸을 사용하며, 무기졸은 수용액 또는 유기 용매에 분산되어 있는 것이 바람직하다. 상기 무기졸의 함량이 10% 미만인 경우 과량의 용매 성분으로 인해 건조 공정 등의 세밀한 조절이 요구되고, 50%를 초과하는 경우에는 안정성이 약해 혼합 과정에서 졸(sol)의 침전이 발생하여 효과가 감소된다. 상기 무기 콜로이달의 사용량은 전체 무기 바인더 조성에 대하여 20 내지 50 중량%로 사용하는 것이 바람직하며, 사용량이 20 중량% 미만이면 무기 파티클에 의한 고온 접착력이 감소하는 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 다량의 실리카 성분이 고온 소성 시 멜팅(melting) 되어 기공을 막고 열 팽창의 차이로 구조적인 결함을 발생할 수 있는 문제가 있다.

상기 유기 첨가제는 주로 저온에서 접착성이 있는 아크릴 라텍스, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알코올, 전분 등의 유기 바인더를 사용할 수 있고, 필요에 따라 점도의 조절을 위해 증점제를 사용할 수도 있다. 상기 유기 첨가제의 사용량은 전체 무기 바인더 조성에 대하여 5 내지 20 중량%로 사용하는 것이 바람직하며, 사용량이 5 중량% 미만이면 상온에서 접착력을 갖지 못하는 문제가 있고, 유기 바인더가 타 버린 후에도 무기 입자와 파이버간의 결합이 이루어질 수 있어야 하므로 20 중량%를 초과하지 않는 범위가 바람직하다.

본 발명의 무기 바인더의 제조방법은 특별히 한정되지 않고, 각 성분의 첨가 순서 또한 바인더의 물성에 크게 영향을 주지 않으나, 바람직하게 본 발명에서는 세라믹 섬유 및 무기 입자의 혼합물과, 무기 콜로이달 졸 및 유기 첨가제의 혼합물을 각각 제조하고 난 후, 이 두 혼합물을 혼합하는 과정을 거쳐 무기 바인더 접착 제를 제조한다.

또한, 본 발명은 상기 무기 접착제를 세라믹 페이퍼 상에 도포하고 이를 적층 또는 로터 타입으로 형성하여 허니컴 구조를 갖는 세라믹 필터를 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 통상의 방법으로 제조된 세라믹 페이퍼를 파형화 기기를 이용하여 파형화하고 하층부에는 세라믹 판형 페이퍼를 위치시키고 접촉면에 본 발명의 무기 접착제를 바른 후, 적층 또는 로터 타입으로 서로 접합시킨다. 이후, 상층부와 하층부가 접합된 상태에서 달팽이관 모양으로 권취한 다음 통상의 온도에서 가열하여 건조시킴으로써 세라믹 필터를 제조할 수 있다. 상기 권취형 세라믹 필터는 딥핑 코팅법(dipping coating)을 이용하여 통상의 무기바인더 코팅용액으로 코팅하고, 소성처리를 실시한다.

이렇게 얻어진 본 발명의 허니컴 구조를 갖는 세라믹 필터는 배기가스용 필터로 사용되어 디젤 배기 가스에 포함된 입자를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명의 세라믹 필터는 발전소, 화학공장, 시멘트 공장에서 분진 제거 필터로도 사용될 수도 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

평균 직경이 2 마이크론, 길이가 100 마이크론인 알루미노 실리케이트 2 g을 정량하고, 세리사이트 2 g을 정량하여 두 물질을 혼합하였다. 10% 폴리 비닐 알코 올 수용액 6.5g과 고점도의 40% 수용액 실리카 졸(Ludox, HS 40) 5.8 g을 혼합하고, 이를 상기 섬유와 무기 입자의 혼합물에 투입하여 무기 바인더를 제조하였다. 제조된 무기 바인더를 기재인 세라믹 페이퍼에 도포하여 120 도에서 열처리하여 접착 강도를 측정한 결과, 바인더에 의한 접착성은 유지되었고 기재로 사용된 세라믹 페이퍼가 파손되었다. 접착 강도 시험은 Testrometric의 UTM(univesal testing machine M350-5CX)을 이용하여 1cm X 1cm 의 면적에 무기바인더를 도포하여 두장의 페이퍼를 접착시키고 tensile 테스트를 수행하였다.

[실시예 2]

실시예 1에서 제조된 바인더를 슬라이드 글라스에 대하여 2.5cm X 2.5cm 의 면적에 도포하여 120 도에서 열처리하고 클립 강도 시험을 실시하였다. 그 결과, 당기는 힘이 60 kg 이상 가해지는 경우에도 접착력이 유지되었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 제조된 바인더를 알루미나 타일에 대하여 2.0cm X 2.0cm의 면적에 도포하여 120 도에서 건조하고 1000 도에서 열처리 한 후, 접착강도를 측정한 결과, 접착도가 유지되었다.

[비교예 1]

평균 직경이 2 마이크론, 길이가 100 마이크론인 알루미노 실리케이트 2 g을 정량하고, 세리사이트 2 g을 정량하여 두 물질을 혼합하였다. 40% 수용액 실리카 졸 (Ludox, HS 40) 60 g에 증점제를 0.6 g 첨가하고 혼합을 하여 얻은 용액 중 11.4 g을 상기 섬유와 무기 입자의 혼합물에 첨가하여 분산시켜 무기 바인더를 제 조하였다. 제조된 무기 바인더를 이용하여 접착력을 시험하였다. 제조된 무기 바인더를 슬라이드 글라스에 대하여 2.5cm X 2.5cm 의 면적에 도포하여 120 도에서 열처리하고 클립 강도 시험을 실시하였다. 그 결과, 당기는 힘이 5kg 이하에서 접착력을 상실하였다.

[비교예 2]

평균 직경이 2 마이크론, 길이가 100 마이크론인 알루미노 실리케이트 2 g을 정량하고, 세리사이트 2 g을 정량하여 두 물질을 혼합하였다. 폴리비닐알코올을 6g 정량하여 60 g의 증류수에 녹인 용액 중 11.4을 상기 섬유와 무기 입자의 혼합물에 첨가하여 분산시켜 무기 바인더를 제조하였다. 제조된 무기 바인더를 슬라이드 글라스에 대하여 2.5cm X 2.5cm 의 면적에 도포하여 120 도에서 열처리하고 클립 강도 시험을 실시하였다. 그 결과, 당기는 힘이 5 kg 이하에서 접착력을 상실하였다.

[비교예 3]

비교예 2에서 제조된 바인더를 알루미나 타일에 대하여 2.0cm X 2.0cm 의 면적에 도포하여 120 도에서 건조하고 1000 도에서 열처리 한 후, 접착력 시험을 한 결과 접착도가 유지되지 않았다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무기접착제는 세라믹섬유, 세라믹 입자, 무기 콜로이달 용액, 및 유기 첨가제의 혼합물의 최적비로 제조되어, 종래 무기바인더 보다 향상된 바인딩 효과를 나타내며, 부가적으로 무기 바인더의 점도와 같은 물성을 조절함으로써 작업성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 무기 접착제는 세라믹 섬유로 제조된 페이퍼에 의해 허니컴 구조체를 형성함에 있어 파형화된 페이퍼와 플래트 페이퍼 사이의 결합력을 고온에서도 유지시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 파쇄후 직경과 길이의 비가 1: 1 내지 200인 세라믹 섬유, 무기 입자, 무기 콜로이달, 및 유기 첨가제를 포함하는 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무기 접착제는 세라믹 섬유 10 내지 30 중량%, 무기 입자 20 내지 50 중량%, 무기 콜로이달 20 내지 50 중량%, 및 유기 첨가제 5 내지 20 중량%를 포함하는 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
3. 제 1항에 있어서, 상기 무기 입자는 상기 세라믹 섬유와 조성이 동일한 세라믹 입자를 포함하는 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
4. 제 1항에 있어서, 상기 무기 콜로이달은 실리카, 알루미나, 및 알루미나 실리카 콜로이달 졸로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
5. 제 1항에 있어서, 상기 유기 첨가제는 아크릴 라텍스, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 알코올, 전분, 및 증점제로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
6. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로 실리케이트 및 뮬라이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 세라믹 페이퍼용 무기 접착제.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 무기 접착제를 이용하여 세라믹 페이퍼를 접착하여, 세라믹 페이퍼가 적층 또는 로토 타입으로 형성된 허니컴 구조의 세라믹 필터.