KR20070062696A - 에폭시 유기 바인더를 이용한 세라믹 페이퍼, 이를 이용한세라믹 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

에폭시 유기 바인더를 이용한 세라믹 페이퍼, 이를 이용한세라믹 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 파이버를 주원료로 하여 제조한 세라믹 페이퍼, 이를 이용한 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 세라믹 페이퍼는 파이버 길이가 0.1 내지 10mm이며, 알루미나 및 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 세라믹 파이버; 유기 파이버; 및 에폭시계 유기바인더를 포함하는 슬러리 조성물로부터 제조된다.
본 발명의 세라믹 페이퍼는 수용성 에폭시계 바인더를 사용하여 종래 아크릴계 바인더보다 인장강도 및 습윤 인장강도를 증가시키고 연속식 제지의 제조공정의 효율성을 증가시킬 수 있다.
세라믹 페이퍼, 에폭시 바인더, 연속식 초지

Description

에폭시 유기 바인더를 이용한 세라믹 페이퍼, 이를 이용한 세라믹 필터 및 이의 제조방법{A ceramic paper with epoxy binder, and Ceramic filter and Preparation method thereof using the same}
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시에 1 내지 8 및 비교예 1 내지 4의 세라믹 그린 페이퍼에 대한 습윤인장강도(wet-tensile strength)를 비교하여 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 세라믹 판형 페이퍼 20: 세라믹 파형 페이퍼
본 발명은 세라믹 페이퍼와 이를 이용한 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 페이퍼 제조시 에폭시계 유기 바인더를 사용하여 우수한 취급 강도를 갖는 세라믹 페이퍼 및 이를 이용하여 제조된 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1970년대 후반부터 디젤엔진의 매연 분진 입자를 거르기 위한 장치로서 디젤 분진필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 제안되어 연구되기 시작하였다. 상 기 DPF의 종류는 허니컴 모노리스 필터, 세라믹 파이버 필터, 및 금속필터로 크게 나눌 수 있다. 이들 중 허니컴 모노리스 필터는 고온의 열충격에 취약해 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한, 금속필터는 가격과 제작의 용이성의 장점이 있으나 내열성과 부식성에 약한 단점이 있기 때문에 최근에는 세라믹 파이버로 이루어진 부직 페이퍼 형태의 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이처럼 세라믹 파이버로 이루어진 부직 페이퍼를 필터로 사용하기 위해서, 파형화를 통해 그린 페이퍼 상태에서 파형화가 이루어져 단일 부피내에서 표면적을 증가시켜 사용하고 있다. 그러나, 세라믹 파이버로만 이루어진 세라믹 페이퍼의 경우에는, 페이퍼 자체가 인장력이 작고, 사용된 파이버의 길이가 짧기 때문에 연속 제지로 만들기 위해서는 셀룰로오스 파이버, 나일론, 케블라 (등록상표) 등과 같은 유기파이버 및 다양한 유기약품을 이용하여 인장력을 갖도록 해주어야 한다. 또한, 연속 제지를 만드는 과정 외에 세라믹 페이퍼를 파형화 과정에서도 세라믹 파이버 이외의 유기 파이버와 여러 바인더에 의해 갖게 되는 인장강도가 요구된다.
한편, 국제공개특허 WO 03/004438 호에서는 세라믹 파이버와 셀룰로오스 파이버를 포함한 유기파이버의 조합으로 이루어진 슬러리에 열가소성 아크릴 라텍스 결합제로 이용하여 세라믹 페이퍼 및 필터를 제조한 바 있다.
그러나, 종래에 제조된 세라믹 페이퍼는 아크릴 결합제가 바인더로 2~10% 포함되어 세라믹 페이퍼 내에 존재하여, 페이퍼의 취급강도(습인장강도)에 영향을 주게되는 바인더 외에 페이퍼 제조 과정 중 탈수되는 물에 포함되어 빠져나오는 오염의 문제를 야기하였다. 또한, 소수성의 성질을 가지는 바인더가 과량 포함되어 있 어 이후의 수계 무기바인더의 침지시 침투용매를 이용해야 하는 단점이 있었다. 또한, 무기바인더를 코팅한 후 소성하는 과정에서 세라믹 필터 내에 존재하는 유기 성분들은 타서 없어지게 되는데, 이때 날아가는 유기 성분에 의해 구조체의 결함이나 국부적인 기공의 결함이 생길 수 있다.
상기와 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 친수성을 가지면서 최소량의 유기바인더의 사용으로 동등 혹은 더 우수한 취급 강도를 갖는 세라믹 페이퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 세라믹 페이퍼로 이루어진 세라믹 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 파이버 길이가 0.1 내지 10mm이며, 알루미나 및 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 세라믹 파이버; 유기 파이버; 및 에폭시계 유기바인더를 포함하는 슬러리 조성물로부터 제조되는 세라믹 페이퍼를 제공한다.
본 발명은 또한, 파형화된 상기의 구성을 갖는 세라믹 페이퍼로 이루어진 허니컴 구조의 세라믹 필터를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 상기의 구성을 갖는 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 혼합한 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 페이퍼를 제조한 후 건조하고; (b) 상기 건조된 세라믹 페이퍼를 파형화하고 권취하여 허니컴 구조의 세라믹 필터 를 제조하고, (c) 상기 세라믹 필터를 무기바인더 용액으로 코팅하고; 및 (d) 상기 무기바인더 용액으로 코팅된 세라믹 필터를 건조 및 소성하는 공정을 포함하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 0.1∼1mm의 알루미나 또는 실리카를 포함하는 세라믹 파이버, 유기파이버, 및 유기바인더를 혼합한 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 그린 페이퍼를 제조함에 있어서, 유기바인더로 종래 아크릴계 바인더 대신 에폭시계 유기 바인더를 사용함으로서 성형에도 적합한 우수한 습인장강도 및 연속 제지를 제조할 수 있는 취급강도를 갖는 세라믹 페이퍼와, 이를 이용하여 고온에서도 사용 가능한 세라믹 필터를 제공하는 특징이 있다.
본 발명에서 세라믹 필터의 제조에 사용되는 세라믹 그린 페이퍼는 세라믹 파이버, 유기 파이버 및 소량의 유기 바인더를 포함하는 슬러리 용액으로부터 제조할 수 있다.
상기 슬러리 용액 내의 세라믹 파이버의 함량은 슬러리의 총고형분을 기준으로 50-80 중량%이고, 보다 바람직하게는 70-80 중량%로 포함하는 것이 좋다. 상기 세라믹 파이버의 함량이 50 중량% 미만인 때에는 소성 후 강도 및 기공특성에 악영향을 미칠 수 있고, 80 중량%를 초과하게 되면 유기파이버 및 유기바인더의 양이 너무 적어서 파형화 단계에서 인장강도가 떨어질 우려가 있다.
상기 세라믹 파이버는 약 1200도 이상에서 견딜 수 있는 물질로 이루어져 있고, 알루미나, 알루미나 실리케이트 등의 알루미나 또는 실리카가 최소 하나 이상 포함된 것을 사용한다. 예를 들면, 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미나 실리케이트, 알루미나 보로실리케이트, 뮬라이트 등과 같은 것을 사용한다. 상기 세라믹 파이버는 1-20 마이크론의 직경을 가지고 있으며, 더 바람직하게는 2-7 마이크론의 직경을 가지며, 길이는 0.1-10mm 영역을 가지는 것이 바람직하다.
상기 유기파이버는 셀룰로오스 파이버, 헴프(hemp)와 같은 천연 파이버, 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미드, 아크릴 파이버와 같은 합성파이버 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 아라미드 파이버의 구체적 예로는 듀퐁사에서 제조된 케블라 파이버가 있다. 상기 유기파이버의 함량은 슬러리 내의 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 5~50 중량부로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 종래에 비해 유기바인더의 함량을 소량 사용하고, 아크릴계 바인더 대신 에폭시계 유기바인더를 사용한다.
상기 에폭시계 유기바인더는 통상의 에폭시계 수지를 사용할 수 있으며 그 종류가 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들면 분자량 4000 내지 6000인 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 유기 바인더 시스템의 함량은 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하며, 이때 그 함량이 0.1 중량부 미만이면 파이버간의 결합을 형성 시키지 못하는 문제가 있고, 10 중량부를 초과하면 그린 페이퍼의 성질은 크게 향상 되지 않고 폐수를 증가시키며 성형 작업 시 들러 붙는 문제가 있다.
본 발명에서는 필요에 따라 폴리알킬렌 옥사이드 중합체, 페놀 증강제 등을 사용할 수도 있다. 상기 폴리알킬렌 옥사이드 중합체는 분자량이 100,000 내지 6,000,000인 것을 사용하고, 바람직하게는 5,000,000 이상의 분자량을 가지는 것이 가장 바람직하다.
상기 페놀 증강제는 페놀-포름알데히드 수지, 탄닌 추출물, 나프톨-포름알데히드 축합물, 폴리(파라-비닐 페놀) 뿐 아니라, 카르복시레이트, 술포네이트, 및 포스포네이트와 같은 작용기로 치환된 상기 증강제, 목재 조직의 성분으로 펄프화 공정 중에 용출되어 나오는 리그닌 물질, 상기 증강제 및 리그닌의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
그 밖에, 상기 슬러리 용액에는 물이 포함될 수 있으며, 상기 슬러리 용액에 사용되는 물의 양은 중요한 것이 아니고 전체 공정을 원활하게 유지하는 정도면 된다. 본 발명은 공정상에서 물을 원활하게 제거하기 위해 제지 장치에 연결된 진공 펌프를 통해 과량의 물을 제거하고 압착기를 통해 잔존하는 과량의 물을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 슬러리 용액은 상기 유기바인더의 세라믹 파이버 또는 유기파이버에 대한 부착성을 향상시키기 위하여, 통상의 pH 조절제를 더 첨가할 수 있다. 상기 pH 조절제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어 알룸(알루미늄 설페이트)을 사용하여, 슬러리 용액의 pH를 5.5-6.5 사이로 유지시킬 수 있다.
본 발명의 세라믹 그린 페이퍼의 제조방법은 당업계에 통상적으로 잘 알려진 제지법을 사용할 수 있으며, 그 방법이 특별히 한정되는 것은 아니다. 바람직한 일실시예를 들면, 상기 세라믹 파이버 및 유기파이버를 혼합하여 파이버를 분산시키고, 상기한 구성을 갖는 유기바인더 시스템을 혼합하여 파이버의 응집이 이루어지게 한 후, 수분을 건조시켜 세라믹 그린 페이퍼를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 세라믹 그린 페이퍼를 파형화하고, 권취하여 세라믹 필터를 제공한다. 도 1은 본 발명의 세라믹 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에서 도면부호 10은 세라믹 판형 페이퍼이고, 20은 세라믹 파형 페이퍼이다.
이때, 본 발명에 따른 세라믹 필터에 사용되는 세라믹 판형 페이퍼는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며(단, 판형페이퍼와 파형화 페이퍼는 동일한 세라믹 그린 페이퍼만을 사용해야 바람직함), 상기에서 제조된 세라믹 그린 페이퍼를 그대로 사용할 수도 있다.
본 발명의 세라믹 필터의 제조방법은, (a) 0.1 내지 1mm의 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 혼합한 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 페이퍼를 제조한 후 1차 건조하고; (b) 상기 건조된 세라믹 페이퍼를 파형화하고 (c) 상기 상태의 세라믹 페이퍼를 권취한 후 무기바인더 용액으로 코팅하고; 및 (d) 상기 무기바인더 용액으로 코팅된 세라믹 페이퍼를 건조하고 소성하는 공정을 포함하여 고온에서 사용가능한 세라믹 필터를 제조할 수 있다.
상기 무기바인더는 그 종류가 한정되지 않고 세라믹 필터의 제조에 사용되는 것이면 모두 사용가능하고, 예를 들면 알루미나 졸(sol), 실리카 졸, 및 클레이 분 산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 무기 콜로이달 용액, 알루미늄 포스페이트 용액, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 포스페이트 용액은 세라믹 그린 페이퍼 필터 구조체의 온도 안정성과 구조적 안정성을 증가시키기 위해 사용된다. 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 알루미늄 하이드록사이드와 인산을 혼합하여 제조되며, 용액 내의 P/Al 원자비는 3∼50일 수 있다. 이때, 상기 P/Al 원자비가 3 미만이면 알루미나의 용해도가 매우 작고 알루미늄 포스페이트의 형성이 원활하지 않을 염려가 있으며, 50 을 초과하면 인산이 과량이기 때문에 알루미나의 농도가 적어 코팅성이 떨어지고 파이버의 표면이 손상되어 강도를 약화시킬 수 있다. 상기 인산은 소성시, 낮은 온도에서 유기파이버의 탄화(carbonization)가 일어나도록 하여 유기파이버가 연소되어 날아가지 않도록 하는 역할을 한다.
또한, 필요에 따라 알루미늄 포스페이트의 코팅전에 1차로 알루미나 옥사이드 분말로 표면에 코팅을 실시할 수도 있다.
본 발명에서 세라믹 그린 페이퍼를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하는 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 함침 또는 분사 등에 실시할 수 있다. 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 물과 침투용매의 혼합용매를 더 포함하는 것이 바람직하다. 침투용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올 등을 사용할 수 있으며, 상기 침투용매의 함량은 물에 대하여 1∼30 중량%로 사용할 수 있다. 상기 침투용매의 함량이 1 중량% 미만이면 역할이 원활치 않고, 30 중량%를 초과하면 알루미늄 포스페이트의 석출을 일으킬 수 있다. 또한 전체 알루미늄 포스페이트 용액 중 알루미 늄 포스페이트의 함량은 고형분을 기준으로 1∼80 중량%일 수 있는데, 1 중량% 미만인 경우에는 필요한 양을 코팅시키기 위해 여러 번의 반복 작업을 거쳐야 하며, 80 중량%를 초과하면 과량의 알루미늄 포스페이트가 기공 사이에 남아, 기공 감소 현상이 나타나며 페이퍼의 내충격성이 감소될 우려가 있다.
또한, 상기 소성공정은 진공, 불활성가스 또는 공기 중에서 실시할 수 있으며, 소성 온도는 800∼1,100 ℃인 것이 바람직하다. 상기 소성온도가 800℃ 미만인 때에는 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1,100℃를 초과하는 때에는 상기 알루미늄 포스페이트가 변형되어 강도의 저하를 가져올 염려가 있다.
상기 소성과정을 통해서 유기파이버는 탄화되어 공극을 형성하게 되며, 세라믹 필터 내에 존재하는 알루미늄 포스페이트 할로우 파이버는 Al(PO3)3 (aluminum metaphosphate) 및 AlPO4 (aluminum orthophosphate)의 두가지 상(phase)이 혼합되어 있는 형태로 존재할 것으로 판단된다.
한편, 본 발명에 따른 세라믹 필터는 상기한 바와 같이 세라믹 그린페이퍼를 파형화하는 단계를 거친 후, 파형화된 세라믹 파형 페이퍼와 세라믹 판형 페이퍼를 접착하여 허니컴 형태로 제조하는데, 상기 알루미늄 포스페이트 용액을 코팅하는 공정은 상기 허니컴 형태의 세라믹 필터를 제조한 후에 수행하는 것이 바람직하다. 상기 파형화는 당업계에서 통상적으로 사용되는 파형화 기기를 이용하여 수행할 수 있으며, 바람직한 일실시예를 들면 본 발명에서 사용될 수 있는 파형화 기기의 드럼은 골과 피치의 길이가 각각 3mm이며, 표면온도와 페이퍼의 공급속도가 조절 가 능하도록 제작되어 있는 것이 바람직하다.
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]
실시예 1 내지 4
물 2000 ml에 평균 길이 500 마이크로미터의 알루미나-실리카 파이버 2.16 g과 셀룰로오스 파이버 0.36 g, 케블라 파이버 0.36 g을 넣고 고속 해리기를 이용해 강하게 교반하여 분산시켰다. 파이버가 잘 분산된 후, 0.5 %로 희석된 에폭시 수지를 전체 중량의 약 4 중량%, 2 중량%, 0.3 중량%, 0.1 중량%로 각각 첨가하고 잘 섞어 파이버의 응집이 이루어지도록 하였다(표 1 참조). 상기의 성분들이 골고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤 원형 초지기를 이용하여 직경 16 cm, 두께 650 내지 750 ㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 제조한 원형 페이퍼는 100 ℃의 건조오븐에서 완전히 건조하였다.
[표 1](단위: 중량%)
파이버 바인더(에폭시) 펄프 케블라
실시예1 72% 4% 12% 12%
2.16g 24g(0.5wt%) 0.36g 0.36g
실시예 2 74% 2% 12% 12%
2.16g 12g(0.5wt%) 0.36g 0.36g
실시예 3 75.7% 0.3% 12% 12%
2.16g 1.8g(0.5wt%) 0.36g 0.36g
실시예 4 75.9% 0.1% 12% 12%
2.16g 0.6g(0.5wt%) 0.36g 0.36g
실시예 5 내지 8
물 2000ml에 평균 길이 500 마이크로미터의 알루미나-실리카 파이버 2.16 g과 셀룰로오스 파이버 0.63 g, 케블라 파이버 0.09 g을 넣고 고속 해리기를 이용해 강하게 교반하여 분산시켰다. 파이버가 잘 분산된 후 에폭시 바인더를 전체 파이버 중량의 4 중량%, 2 중량%, 0.3 중량%, 및 0.1 중량%로 각각 첨가하여 파이버의 응집이 이루어지도록 하였다(표 2 참조). 상기의 성분들이 골고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤 원형 초지기를 이용하여 직경 16 cm, 두께 650~750 ㎛의 세라믹 페이퍼를 제조하였다. 제조한 원형 페이퍼는 100 ℃의 건조오븐에서 완전히 건조하였다.
[표 2] (단위: 중량%)
파이버 바인더(에폭시) 펄프 케블라
실시예 5 72% 4% 21% 3%
2.16g 24g(0.5wt%) 0.63g 0.09g
실시예 6 72% 2% 21% 3%
2.16g 12g(0.5wt%) 0.63g 0.09g
실시예 7 72% 0.3% 21% 3%
2.16g 1.8g(0.5wt%) 0.63g 0.09g
실시예 8 72% 0.1% 21% 3%
2.16g 0.6g(0.5wt%) 0.63g 0.09g
비교예 1 내지 4
물 2000 ml에 평균 길이 500 마이크로미터의 알루미나-실리카 파이버 2.16 g과 셀룰로오스 파이버 0.36g, 케블라 파이버 0.36g을 넣고 고속 해리기를 이용해 강하게 교반하여 분산시켰다. 파이버가 잘 분산된 후, 아크릴 에멀젼 바인더를 전체 파이버 중량의 4 중량%, 2 중량%, 0.3 중량%, 0.1 중량%가 되도록 첨가하고, 알루미늄 설페이트 용액을 충분히 첨가하여 pH가 5~6이 되도록 하였다. 상기의 성분들이 골고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤 원형 초지기를 이용하여 직경 16 cm, 두께 650~750 ㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 제조한 원형 페이퍼는 100도의 건조오븐에서 완전히 건조하였다.
[표 3]
파이버 바인더(아크릴) 펄프 케블라
비교예 1 72% 4% 12% 12%
2.16g 0.24g(50wt%) 0.36g 0.36g
비교예 2 74% 2% 12% 12%
2.16g 0.12g(50wt%) 0.36g 0.36g
비교예 3 75.7% 0.3% 12% 12%
2.16g 0.018g(50wt%) 0.36g 0.36g
비교예 4 75.9% 0.1% 12% 12%
2.16g 0.006g(50wt%) 0.36g 0.36g
습인장강도 측정
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 4의 세라믹 그린 페이퍼에 대하여 Testrometric의 UTM(univesal testing machine M350-5CX)를 이용하여 샘플크기 가로X세로(1cm X 4cm)로 잘라서 물에 충분히 적신 후 로드셀(load cell) 5kgf로 습인장강도를 측정하였고, 그 결과는 다음 표 4 및 도 2에 나타내었다.
[표 4]
습인장강도(Force @ Peak, gf)
비교예 1-4 실시예 1-4 실시예 5-8
바인더 0.1 중량% 9.91 44.04 71.06
12.88 37 49.27
10.32 44.94 62.22
45.1 57.77
42.95 54.06
53.77
평 균 11.0367 42.806 58.19167
바인더 0.3 중량% 10.95 49.3 119.76
9.95 55.15 135.62
7.32 71.47 86.39
10.91 60.08 125.62
9.7 43.54 98.4
10.2 66
평 균 9.838333 57.59 113.158
바인더 2 중량% 11.79 71.73 113.29
8.64 85.36 143.44
7.94 75.26 142.63
9.23 84.65
5.57 76.32
평 균 8.634 78.664 133.12
바인더 4 중량% 10.39 57.31 151.98
8.88 60.31 140.47
9 59.43 146.1
12.89 54.02 139.6
19.18 62.25 168.28
평 균 12.068 58.664 149.286
실시예 9
케블라 파이버를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 5
케블라 파이버를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
습인장강도 측정
상기 실시예 9 및 비교예 5의 세라믹 그린 페이퍼에 대하여 상기와 동일한 방법으로 습인장강도를 측정하였고, 그 결과는 다음 표 5에 나타내었다.
[표 5]
습인장강도(Force @ Peak, gf)
비교예 5 실시예 9
바인더 0.1 중량% 47.2 69.35
47.23 58.83
50.01 71.66
49.04 63.75
50.7 62.16
평 균 48.836 65.15
바인더 0.3 중량% 64.49 167.38
68.04 160.55
43.85 181.42
77.26 169.16
70.22 157.87
평 균 64.77 167.276
바인더 2 중량% 75.66 224.15
73.89 250.33
73.57 226.21
52.86 251.52
81.33 228.22
평 균 71.46 236.086
바인더 4 중량% 80.89 221.33
86.23 221.68
84.98 221.12
81.67 238.76
71.6 253.98
평 균 81.07 231.374
실시예 10 내지 13(무기:유기(펄프+ 케블라 )=3:1)
세라믹 페이퍼의 제조
물 2000 ml에 평균 길이 500 마이크로미터의 알루미나-실리카 파이버 2.16 g과 셀룰로오스 파이버 0.63 g, 케블라 파이버 0.09 g을 넣고 고속 해리기를 이용해 강하게 교반하여 분산시켰다. 파이버가 잘 분산된 후, 0.5 %로 희석된 에폭시 수지를 전체 중량의 약 4 중량%, 2 중량%, 0.3 중량%, 0.1 중량%로 각각 첨가하고 잘 섞어 파이버의 응집이 이루어지도록 하였다(표 6 참조). 이어서 0.1 %로 희석된 폴리에틸렌 옥사이드를 전체 파이버 중량의 0.1 중량%로 첨가하여 파이버의 응집이 이루어지도록 하였다. 상기의 성분들이 골고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤 원형 초지기를 이용하여 직경 16 cm, 두께 650 내지 750 ㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 제조한 원형 페이퍼는 100 ℃의 건조오븐에서 완전히 건조하였다.
[표 6]
파이버 바인더 (에폭시) 펄프 케블라 PEO
실시예 10 72% 4% 21% 3% 0.1%
2.16g 24g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g
실시예 11 74% 2% 21% 3% 0.1%
2.16g 12g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g
실시예 12 75.7% 0.3% 21% 3% 0.1%
2.16g 1.8g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g
실시예 13 75.9% 0.1% 21% 3% 0.1%
2.16g 0.6g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g
실시예 14 내지 17
세라믹 그린 페이퍼 제조시, 2%로 희석된 페놀계증강제를 전체 중량 대비 0.2%를 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 10과 동일한 방법으로 실시하였다.(표 7 참조)
[표 7]
파이버 바인더 (에폭시) 펄프 케블라 PEO 폐놀계증강제
실시예 14 72% 4% 21% 3% 0.1% 0.2%
2.16g 24g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g 0.3g
실시예 15 74% 2% 21% 3% 0.1% 0.2%
2.16g 12g(0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g 0.3g
실시예 16 75.7% 0.3% 21% 3% 0.1% 0.2%
2.16g 1.8g (0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g 0.3g
실시예 17 75.9% 0.1% 21% 3% 0.1% 0.2%
2.16g 0.6g (0.5wt%) 0.36g 0.36g 3g 0.3g
습인장강도 측정
상기 실시예 10-17의 세라믹 그린 페이퍼에 대하여 상기와 동일한 방법으로 습인장강도를 측정하였고, 그 결과는 다음 표 8에 나타내었다.
[표 8]
습인장강도(Force @ Peak, gf)
세라믹 파이버:유기파이버 (셀룰로오스+케블라) =3:1 + PEO 세라믹 파이버:유기파이버 (셀룰로오스+케블라) =3:1 + PEO +페놀계증강제
실시예 10 223.81 실시예 14 294.37
233.37 313.89
220.74 285.46
237.69 297.69
249.92 320.68
평 균 233.11 평 균 302.42
실시예 11 254.42 실시예 15 221.43
277.7 204.1
227.34 221.65
259.37 191.18
258.33 192.25
평 균 255.43 평 균 206.12
실시예 12 175.5 실시예 16 210.98
188.17 231.44
188.45 232.25
185.67 234.38
185.54 224.81
평 균 184.67 평 균 226.77
실시예 13 109.45 실시예 17 85.9
109.54 104.95
107.39 117.86
109.92 120.08
101.35 105.88
평 균 107.53 평 균 106.93
실시예 18
하기와 같은 무기바인더를 사용하여 권취된 세라믹 필터를 1차 및 2차로 코팅하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 세라믹 페이퍼를 사용하여 필터를 제조하였다.
(1차 무기물 코팅)
50 nm의 크기를 가지는 알루미나 옥사이드 파우더를 물과 이소프로필 알코올과 혼합하여 각각 5%, 10%, 20%의 농도가 되도록 제조하였다. 제조된 알루미나 졸 용액에 준비된 세라믹 그린 페이퍼를 담그어 코팅하고 100℃에서 건조한 후에 최종적으로 1,100℃에서 열처리하였다.
(2차 무기물 코팅)
상기 열처리된 세라믹 페이퍼에 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차로 무기물 코팅을 실시하였다.
알루미늄 포스페이트는 Al(OH)3(알드리치사 제조)와 H3PO4(85%, Junsei사 제조)를 혼합하여 P/Al의 원자비가 23이 되도록 정량하여 섞고, 온도를 150 ℃로 올려주면서 교반시켜, Al(OH)3파우더가 인산에 녹아들게 함으로써, 점도가 높고 맑은 용액이 생성되도록 하였다.
코팅을 위한 알루미늄 포스페이트 용액은, 상기에서 제조된 알루미늄 포스페이트 용액을 물과 이소프로필 알코올의 3:1 혼합용매에 녹여, 20% 알루미늄 포스페 이트 용액을 제조하였다. 1차 코팅 처리된 세라믹 페이퍼를 딥핑(Dipping) 코팅하고 110℃에서 건조 후 대기 조건에서 800℃로 소성처리 하였다.
최종적으로 얻어진 세라믹 페이퍼를 이용하여 하중 강도, 평균 기공 크기 및 공기 투과도를 측정하였다.
실시예 19 내지 27
1차 코팅 용액의 알루미나 졸의 조성과 2차 코팅 용액의 P/Al의 비를 하기 표 5와 같이 변화시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 18과 동일한 방법으로 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다.(표 9)
[표 9]
실시예 Al2O3 sol 농도 AlPO 농도 Peak Load MFP 투과도(Permeability)
19 5% 23 176 28.7 15
20 5% 30 183 31.3 16
21 5% 35 171 34 17.3
22 10% 23 329 32.9 8
23 10% 30 385 21.1 8.8
24 10% 35 343 28.3 9.8
25 20% 23 300 33.8 10
26 20% 30 358 34.1 6.8
27 20% 35 371 30.9 4
비교예 6
실시예 1의 세라믹 그린 페이퍼를 아래와 같이 준비된 1차 및 2차 코팅 용액을 이용하여 처리하였다.
(1차 무기물 코팅)
40~70mm의 크기를 가지는 벤토나이트 클레이(bentonite clay) 파우더를 물과 이소프로필 알코올과 혼합하여 각각 2 중량%, 및 4 중량%가 되도록 제조하였다. 제조된 클레이 파우더 용액에 준비된 세라믹 그린 페이퍼를 담구어 코팅하고 100도에서 건조한 후에 최종적으로 1100도에서 열처리하였다.
(2차 무기물 코팅)
상기 열처리된 세라믹 페이퍼에 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차로 무기물 코팅을 실시하였다.
알루미늄 포스페이트는 Al(OH)3와 H3PO4를 P/Al의 비가 23이 되도록 정량하여 섞고 온도를 150℃로 올려주면서 교반시키면 Al(OH)3파우더가 인산에 녹아들어 맑은 점도가 높은 용액이 생성되도록 하여 제조하였다.
코팅을 위한 알루미늄 포스페이트 용액은 알루미늄 포스페이트를 물과 이소프로필 알코올(3:1)을 섞은 혼합용매에 녹여 20% 용액을 합성하였다. 1차 코팅 처리된 세라믹 페이퍼를 딥핑(Dipping) 코팅하고 110℃에서 건조 후 대기 조건에서 800℃소성처리 하였다.
최종적으로 얻어진 세라믹페이퍼는 강도는 61g 하중강도 값을 나타내었다.
비교예 7
실시예 1에서 얻어진 세라믹 그린 페이퍼를 코팅 용액인 알루미늄 포스페이트 용액만을 사용하여 코팅하고 800℃에서 열처리하였다. 강도는 87g 하중강도 값을 나타내었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 습식 제지법에 의해 세라믹 페이퍼를 제조시 종래 아크릴계 바인더 대신 수용성 에폭시계 바인더를 사용하여 종래보다 습윤인장강도를 현저히 향상시킬 수 있으며, 이를 이용함으로써 연속식으로 세라믹 필터를 효율적으로 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 파이버 길이가 0.1 내지 10mm 이며, 알루미나 및 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 세라믹 파이버; 유기 파이버; 및 에폭시계 유기바인더를 포함하는 슬러리 조성물로부터 제조되는 세라믹 페이퍼.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유기바인더의 함량은 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부인 세라믹 페이퍼.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로 실리케이트 및 뮬라이트로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되며, 슬러리의 총고형분을 기준으로 50-80 중량%로 포함하는 세라믹 페이퍼.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유기 파이버는 셀룰로오스 파이버, 헴프, 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미드, 아크릴 파이버 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 유기파이버의 함량이 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부인 세라믹 페이퍼.
  5. 파형화된, 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 페이퍼, 및 세라믹 판형 페이퍼의 접합으로 이루어진 허니컴 구조의 세라믹 필터.
  6. 제 6항에 있어서, 상기 세라믹 판형 페이퍼는 상기 파형화된 세라믹 페이퍼와 동일한 재질로 이루어진 세라믹 필터.
  7. 파형화된, 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 페이퍼, 및 세라믹 판형 페이퍼의 접합으로 이루어진 허니컴 구조의 배기가스 제거용 세라믹 필터.
  8. (a) 제1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른, 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 혼합한 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 페이퍼를 제조하고;
    (b) 상기 세라믹 페이퍼를 파형화하고 하층부에 세라믹 판형 페이퍼를 위치시켜 서로 접합하고 권취하여 허니컴 구조의 세라믹 필터를 제조하고,
    (c) 상기 세라믹 필터를 무기바인더 용액으로 코팅하고; 및
    (d) 상기 무기바인더 용액으로 코팅된 세라믹 필터를 건조 및 소성하는 공정
    을 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 무기바인더는 알루미나 졸(sol), 실리카 졸, 및 클레이 분산용액으로 이루어진 군에서 선택되는 무기 콜로이달 용액, 알루미늄 포스페이트 용액, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 소성온도는 800∼1100 ℃인 세라믹 필터의 제조방법.
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