KR20080046029A

KR20080046029A - 허니콤 필터용 세라믹 밀봉재

Info

Publication number: KR20080046029A
Application number: KR1020060115447A
Authority: KR
Inventors: 임호연; 배일준; 이민희
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-05-26

Abstract

본 발명은 각종 분진 및 유해가스 여과에 유용한 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터에 사용하는 세라믹 밀봉재에 관한 것이다. 본 발명은 탄소섬유와 규소분말을 이용하여 고온의 환원분위기 또는 진공분위기에서 열처리 함으로써 탄화규소로 전환된 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터에 적용가능하며, 탄화규소 섬유와 기계적 화학적으로 강한 결합을 가지며, 건조공정, 탈지공정, 열처리 공정 후에도 크랙이나 변형이 없고 탄화규소 섬유와 기계적 화학적으로 강한 결합력을 갖는, 유동성이 있는 탄화규소계 세라믹 밀봉재에 관한 것이다.

Description

허니콤 필터용 세라믹 밀봉재 {Ceramic plugging material for honeycomb filter }

도 1a는 일반적인 압출방식의 허니컴 필터의 모식적인 사시도이다.

도 1b는 도 1a에서 b로 나타내는 부분의 일부 확대도이다.

도 2a는 파형화 시트와 평탄시트 사이의 한쪽에 밀봉재를 도포하는 공정을 도시한다.

도 2b는 파형화 시트와 평탄시트 사이의 반대쪽에 밀봉재를 도포하는 공정을 도시한다.

도 2c는 공기통로가 교대로 밀봉된 구조를 도시한다.

도 3은 밀봉된 파형화 시트에 평탄 시트를 부착된 구조물을 적층하여 제조한 허니컴 구조물을 도시한다.

도 4는 허니컴 필터의 월-플로우의 현상의 모식도이다.

<도면에 사용된 부호의 간단한 설명>

1: 격벽 2: 개방 통로

3: 밀봉 통로 4: 일측 단면

5: 반대측 단면 6: 파형화 시트

7: 평탄 시트 8: 밀봉재

본 발명은 허니콤 필터용 세라믹 밀봉재에 관한 것으로, 구체적으로는 각종 분진 및 유해가스 여과에 유용한 탄화규소 섬유 소재의 허니콤 필터에 사용되는 세라믹 밀봉재에 관한 것이다.

산업이 급속도로 발전함에 따라, 각 산업공정에서 발생하는 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals), 그리고 급증하는 자동차로부터 배출되는 배기가스 및 분진 등의 유해물질은 환경오염, 이상 기후, 인체의 폐질환 등 각종 피해를 해마다 크게 증가시키고 있다. 따라서 이러한 공해물질의 방출을 막기 위하여 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나, 이와 같은 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성 및 난연성에 있어서 취약한 문제점이 있다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹 허니컴 필터의 개발이 이루어져 왔는데, 특히 세라믹 분말 원료, 예를 들면, 탄화규소, 코디어라이트, 알루미늄 티타네이트, 타이타니아 등을 이용하여 허니컴 형태로 압출 성형하여 공기통로를 교대로 밀봉한 후 열처리하여 필터로 제조하는 방법이 많이 사용되고 있다. 상기 세라믹 허니컴 필터는, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이 격벽(1)에 의해 구획된 길이 방향으로 연장되는 다수의 공기 통로를 가지고, 상기 공기 통로의 개구부는 개방 구조(2) 또는 밀봉 구조(3)를 갖는다. 이때 허니컴 필터의 일측 단면(4)에 서 밀봉 구조를 갖는 공기 통로는 반대측 단면(5)에서는 개방 구조를 갖고, 동시에 일측 단면에서 하나의 공기 통로가 개방 구조를 갖는 경우, 이웃하는 공기 통로는 밀봉 구조를 가짐으로써 서로 엇갈리게 밀봉되도록 제조된다.

이와 같은 구조를 갖는 허니콤 구조체에 있어서, 일측 단면(4)에서 개방 구조(2)를 갖는 공기 통로로 유입되는 배기 가스 등은, 다공질의 격벽(1)을 통해 이웃하는 공기 통로, 즉 진행 방향의 타측 단면(5)에 밀봉 구조(3)를 구비하고 있지 않은 공기 통로로 배출된다. 이 때 격벽(1)은 필터로서 기능한다. 예컨대, 디젤 엔진으로부터 배출되는 매연(그을음) 등이 격벽에 포착되어 격벽 상에 퇴적된다.

대한민국 공개 특허 공보 1995-0032004호에는 디젤 입자필터(diesel particulate filters, DPF)와 같은 소결될 수 있는 허니컴 구조물의 선택된 개방셀 또는 채널을 밀봉시키는 방법이 개시되어 있는데, 밀봉 물질이 셀벽 내로 흐르는 것을 증가시키고, 물질이 셀벽의 표면 공극 내로 흐르는 것을 향상시켜 셀벽에 대한 플러깅 물질의 기계적인 결합력을 증가시키기 위하여, 중력 및 선택적으로 진동력을 이용하여 플러깅 물질이 바닥으로부터 상부로 제공되는 방식에 관한 것이다.

하지만 상기의 압출 성형 방법으로 제조된 허니컴 필터에 있어서는 아래와 같은 여러가지 문제점으로 인하여 좀 더 나은 특성을 위해 지속적으로 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 탄화규소, 코디어라이트, 알루미늄 티타네이트 분말을 이용한 허니컴 필터, 특히 디젤엔진에 사용되는 DPF는 허니컴 성형체의 기공율이 40 내지 50% 수준으로, 일반적인 세라믹 성형체보다는 기공율이 높지만 자동차 분진필터로 사용하기에는 여전히 기공율이 낮다는 문제점이 있다. 이러한 허니컴 필터를 자 동차에 장착하고 엔진 동작시 배기가스에 포함된 미세분진이 필터 내부의 격벽에 쌓이게 되고, 이로 인해 배압차가 높아져서 엔진에 무리를 주게 되므로 주기적으로 재생공정(regeneration)을 통해서 격벽에 쌓인 분진 및 퇴적물을 태우거나 제거해 주어야 한다. 이 때, 필터 내부에서는 퇴적된 분진의 양이 국부적으로 차이가 발생하는데, 재생공정시의 분진의 산화 정도의 차이에 의해 국부적인 온도 차이가 발생하게 되며, 심하게는 수백℃의 온도차도 발생하게 된다. 이러한 높은 온도차로 인하여 강한 열충격이 발생하게 되고, 이로 인해 필터 내부에 크랙이 발생하여 필터가 파괴된다.

이러한 배압차를 줄이기 위하여 기공율을 높이게 되면 필터 자체의 기계적 강도가 감소하게 되고, 반대로 기계적 강도를 증가시키게 되면 필터의 기공율이 감소하게 되어 배압차가 높아지게 된다. 또한 이러한 열충격에 의한 크랙을 방지하기 위하여 소형의 압출 세그먼트를 세라믹 접착제로 접합하는 방법을 사용하고 있으나, 이러한 경우에도 비슷한 열충격 문제점과 접합제의 열전달 및 열팽창율 차이로 인한 문제점 등 아직도 많은 물성 개선 및 연구를 필요로 하고 있다.

또한, 허니컴 구조물의 제작시 고가의 압출성형장치, 특히 고가의 금형이 필요하고, 균일한 건조를 위한 마이크로웨이브 건조로, 고온 소성을 위한 소성로 등 에너지가 많이 소비되는 등 제조원가 상승의 문제점이 있으며, 용적이 큰 허니컴 담체를 제조하기가 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 압출 성형 타입의 허니컴 필터의 단점을 극복하기 위한 새로운 방식의 허니컴 필터의 제조 방법이 요구되어 왔으며, 이러한 대안으로 제시되고 있는 방식이 세라믹 섬유를 이용한 허니컴 필터라고 할 수 있다.

세라믹 섬유를 이용한 허니컴 필터는 과거부터 꾸준히 연구가 되어 오고 있었다. 주로 사용되는 세라믹 섬유로는 알루미나 섬유, 뮬라이트 섬유, 알루미나 실리케이트 섬유, 탄화규소 섬유, 실리콘 나이트라이드 섬유 등이 있고, 대부분 이러한 세라믹 섬유를 이용하여 부직포 형태의 시트를 제조한 후(paper making), 여기에 유기바인더, 무기바인더 및 각종 첨가물을 첨가하여 골판지 형태 또는 비슷한 형태의 허니컴 형상으로 제조한 후 열처리하여 필터로 제작하는 연구를 진행하였다.

하지만 기존 압출방식의 허니컴 필터에 비하여 위와 같이 제조된 세라믹 섬유 허니컴 필터는 장점도 있는 반면 단점도 가지고 있다. 장점으로는 압출 허니컴 필터에 비하여 기공율이 70 내지 90%로 매우 크기 때문에 자동차용 DPF로 응용시 엔진가동중의 배압차가 압출방식 대비 매우 낮아 엔진설계 및 연비향상 등에 큰 장점이 있다. 또한 세라믹 섬유가 3차원 망목구조로 얽혀 있기 때문에 nm 수준의 매우 작은 분진까지도 여과가 가능하여, 압출방식의 필터에서는 미세분진이 격벽의 표면에 쌓여 케이크 형태로 존재하다가 재생되면서 국부적 발열이 발생하는데 반해 세라믹 섬유 필터의 경우는 미세분진이 세라믹 섬유 격벽 내부에 균일하게 여과되어 분포하기 때문에 재생공정시 국부적 발열을 방지할 수 있는 등 차세대 분진필터로 각광받고 있다. 또한 무게가 매우 가볍기 때문에 엔진 가까이 장착하더라도 엔진에 무리를 주지 않아 엔진설계에 매우 유리하다고 알려져 있다.

반면에 기계적 강도가 매우 약하다는 단점을 갖는 바, 세라믹 섬유끼리 바인 더에 의해 연결만 되어 있기 때문에 진동이나 충격에 약한 점이 있다. 또한 알루미나 또는 알루미나 실리케이트 섬유로 제작된 필터의 경우 열전도도가 낮고 열충격에 약하기 때문에 크랙발생이나 열충격에 의한 파괴가능성이 매우 높으며, 탄화규소 섬유로 제조된 DPF의 경우 탄화규소 섬유 자체가 매우 고가이므로 경제성이 없다는 이유로 연구가 지연되고 있는 상황이다.

하지만, 탄화규소 섬유 소재의 허니컴 필터는 열전도도, 내열충격성 등이 매우 우수하며, 무게가 가볍고, 기공율이 크고, 외벽처리를 통해 기계적 강도를 향상시킬 수 있다면 현재 사용하고 있는 탄화규소 압출 허니컴 필터를 대체할 수 있는 신개념의 허니컴 필터로 부상할 수 있다.

본 발명은 상기 탄화규소섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터에 관한 것으로, 특히 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터의 공기 통로를 교대로 밀봉해 주는 세라믹 밀봉재에 관한 것이다.

본 발명에서는 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터를 제조하기 위하여 고가의 탄화규소 섬유를 사용하는 대신, 저가의 탄소섬유와 규소 분말을 유기바인더에 의해 결합을 시키고 고온의 환원분위기 또는 진공분위기에서 열처리 함으로써 탄화규소 섬유로 전환시키는 방법을 사용한 세라믹 섬유 허니컴 필터에 사용되는 세라믹 밀봉재 조성물에 관한 것이다.

탄화규소 섬유 소재 세라믹 섬유 허니컴 필터를 제조하기 위해서, 우선 탄소섬유 및 각종 유기물을 이용하여 일정두께와 일정 기공율을 가지는 부직포 형태의 탄소섬유 시트를 제조한 후(paper making), 이를 파형화 조제를 이용하여 열간 파 형화 및 평탄화 공정을 하고 일정크기로 제단한 후, 세라믹 접합제 및 세라믹 밀봉재를 가하면서 파형화 시트와 평판시트를 교대로 적층하여 탄소섬유 소재의 허니컴 블록을 제조한다. 여기에 규소분말이 분산된 유기바인더 용액을 함침 및 건조시킨 후 탈지 및 1600도 이상의 환원분위기 또는 진공분위기에서 장시간 열처리 하게 되면 탄소섬유가 탄화규소 섬유로 전환되면서 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴이 만들어진다. 이를 일정 형상으로 외형 가공을 한 후 강도 보완을 위해서 탄화규소 분말 소재의 외벽재로 외형 성형을 한 후 1000도 이상의 산화분위기에서 열처리를 하면 탄화규소 섬유 소재의 고기공율, 고강도, 경량의 세라믹 섬유 허니컴 필터를 제조할 수 있다.

이렇게 하여 제조된 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터는 탄소섬유, 규소분말, 유기바인더 등의 저가 소재로 제조할 수 있으며, 제조공정 또한 간단하며, 특히 디젤엔진용 DPF로 응용시, 자동차 엔진설계시 문제점 중의 하나인 높은 배압차 문제, 그리고 재생공정시 발생할 수 있는 국부적 발열 등 기존의 압출 DPF에서 발생하였던 여러가지 문제점들을 한번에 해결할 수 있는 획기적인 발명이라고 생각된다.

이러한 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니컴 필터를 제조하기 위해서는 기존의 압출 DPF의 제조방식과 전혀 다른 공정으로 진행되는 바, 탄화규소 섬유 제조방법, 세라믹 접합제 및 밀봉재, 열처리 방법 등의 새로운 접근이 필요한데, 본 발명은 세라믹 섬유 허니컴 필터로의 응용시 가장 핵심이라고 할 수 있는 세라믹 밀봉재 및 밀봉 방법의 개발에 관한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 탄화규소 섬유와 기계적 화학적으로 강한 결합력을 나타내며, 건조 후 또는 고온의 환원분위기 또는 진공분위기에서의 열처리 이후에도 크랙이나 변형을 유발하지 않는 유동성 있는 세라믹 밀봉재 조성물을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,

탄화규소 분말 및 규소 분말을 포함하는 탄화규소-규소계 혼합분말; 및

용제 및 바인더를 포함하는 바인더 용액;을 포함하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재를 제공한다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄화규소 혼합분말은 탄화규소 분말 100중량부에 대하여 규소 분말 50 내지 100중량부를 혼합하여 얻어진 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 바인더 용액은 용제 100중량부에 대하여 유기 바인더 또는 무기 바인더 5 내지 30중량부를 혼합/용해시켜 얻어진 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재는 상기 탄화규소-규소계 혼합분말 100중량부에 대하여 바인더 용액 20 내지 40중량부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 허니컴 필터는 탄화규소 섬유 소재의 세 라믹 섬유인 것이 바람직하다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 밀봉재는 미세한 탄소 분말을 더 포함할 수 있으며, 0.1 내지 5㎛의 크기를 가지고, 그 함량은 상기 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부일 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 규소 및 탄화규소는 0.1 내지 50㎛의 입경을 갖는 분말상이 바람직하다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 바인더 용액에 포함되는 유기 바인더는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 메틸 셀룰로스(MC), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC), 히드록시에틸 셀룰로스(HEC), 폴리 아크릴레이트, 폴리아크릴아미드 등 열가소성 수지를 사용할 수 있으며, 이중 한가지 또는 두가지 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 바인더 용액에 포함되는 무기 바인더는 실리카졸, 알루미나졸, 물유리, 실란 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 밀봉재는 경화촉진제, 안료, 유화제, 기능성 충진제, 분산제, 소포제, 안정제, 레벨링제, 점착부여제, 촉매 또는 이들의 혼합물을 더 포함할 수 있다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재는 파형화된 세라믹 섬유 시트의 양 말단부에 도포되어 평탄 시트와 파형화 시트가 형성하는 개구부를 교호적으로 밀봉하는 역할을 수행하며, 건조 및 고온의 열처리시 크랙 또는 변형이 발생하지 않고, 탄화규소 섬유와 기계적 및 화학적으로 강한 결합력을 나타내어 밀봉 상태를 장시간 유지하는 역할을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재는 탄화규소 분말 100중량부에 대하여 규소분말 50 내지 100중량부를 혼합하여 얻어진 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부; 및 용제 100중량부에 대하여 유기 바인더 또는 무기 바인더 5 내지 30중량부를 혼합/용해한 바인더 용액 20 내지 40중량부;를 혼합 및 균일한 혼련을 통해 유동성 있는 세라믹 페이스트를 제조하여 얻어진다.

상기 밀봉재에 포함되는 바인더 용액은 상기 탄화규소 또는 규소가 침전 또는 상분리가 되지 않도록 이들을 잘 분산시키는 매질로서 역할을 하고, 이후 허니컴 필터의 제조를 위해 시트에 도포되는 경우 시트와의 접착제 역할을 수행하며, 이후의 탈지공정에 의해서 탄화되어 환원분위기 열처리시 규소분말과 반응하여 탄화규소로 전환되어, 결국 탄화규소 밀봉재로서 더욱 견고한 결합을 제공하게 된다.

상기 바인더 용액으로는 유기바인더 또는 무기바인더를 사용할 수 있다. 상기 유기바인더로는 열가소성 수지를 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐알콜(PVA, Polyvinyl alcohol), 폴리비닐아세테이트(PVAc, Polyvinyl acetate), 전분(Corn Starch), 메틸 셀룰로스(MC, Methyl Cellulose), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC, Carboxymethyl Cellulose), 히드록시에틸 셀룰로스(HEC, Hydroxyethyl Cellulose), 폴리 아크릴레이트, 폴리아크릴아미드 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있으며, 상기 무기바인더로는 실리카졸, 알루미나졸, 물유리, 실란 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이와 같은 바인더는 용제, 예를 들어 물, 메탄올, 에탄 올 또는 이들의 혼합물에 혼합함으로써 상기 바인더 용액을 형성하게 된다.

상기 유기 바인더 용액 혹은 무기 바인더 용액에 사용되는 유기 바인더 또는 무기 바인더는 상기 용제 100중량부에 대하여 5 내지 30중량부의 함량으로 사용할 수 있으며, 상기 유기 바인더 또는 무기 바인더의 함량이 5중량부 미만인 경우에는 상기 바인더 용액의 점도가 지나치게 낮아지고, 바인더의 접합력을 충분히 발휘할 수 없어 후공정에서 기계적 강도 등이 취약해지고 탄화규소 분말과 규소 분말의 결합력을 충분히 제공할 수 없어 바람직하지 못하며, 30중량부를 초과하는 경우에는 바인더 용액의 점도가 지나치게 높아져 밀봉재 점도가 매우 높아서 공정상 어려움이 발생하며, 최종 열처리 후 탄소성분의 잔류로 인해 밀봉재가 부숴지는 문제점이 발생하여 바람직하지 않다.

상기 본 발명에 따른 밀봉재 조성물은 미세한 탄소 분말을 더 포함할 수 있으며, 크기가 0.1 내지 5㎛이고, 그 함량은 상기 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 이들은 이후의 환원분위기 열처리시 규소분말과 반응하여 탄화규소로 추가적으로 전환되어, 결국 탄화규소 밀봉재로서 더욱 견고한 결합을 제공하게 된다.

한편, 상기 본 발명에 따른 밀봉재에 포함되는 규소 혹은 탄화규소는 0.1 내지 50㎛ 정도의 입경을 갖는 분말상을 사용할 수 있으며, 상기 입경이 0.1㎛ 미만인 경우 특성은 양호해지나 제조비용이 증가하는 문제가 있고, 50㎛을 초과하는 경우 결합력 저하 및 치밀성 저하와 같은 문제가 있어 바람직하지 않다.

상기 밀봉재는 상기 성분과 함께, 경화촉진제, 안료, 유화제, 기능성 충진 제, 분산제, 소포제, 안정제, 레벨링제, 점착부여제, 촉매 또는 이들의 혼합물과 같은 각종 첨가물을 더 포함할 수 있으며, 이들은 상기 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부의 함량으로 첨가될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 허니콤 필터용 밀봉재(8)는 도 2a에 나타낸 바와 같은 파형화 시트(6)와 평탄 시트(7)의 한쪽 말단부에 도포하여 적층하고, 도 2b에 나타낸 바와 같이 파형화 시트(6)와 평탄 시트(7)의 반대쪽에 밀봉재를 더 도포하고 다시 적층하여 도 2c에 나타낸 바와 같이 시트(6, 7)의 양측 말단이 교대로 밀봉이 된 적층체를 얻을 수 있다. 이와 같은 적층체에서는 일측 말단에서 개봉 구조(2)를 갖는 통로는 타측 말단에서는 밀봉구조(3)가 되며, 일측 말단에서 밀봉구조(3)를 갖는 통로는 타측 말단에서는 개봉구조(2)를 갖게 된다. 이를 반복하게 되면 도 3과 같은 허니컴 블록을 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 허니컴 블록을 일정 시간 동안 상온에서 건조 후, 일정 온도의 고온에서 열풍건조를 한 후 열처리를 통하여 상기 밀봉재를 경화시키게 된다.

분진을 포함하는 공기는 상기 밀봉재로 밀봉되지 않은 입구로 유입된 후, 도 4에 도시한 바와 같이 시트 벽면을 통과하여 반대쪽 출구로 빠져 나가게 된다. 이 과정에서 각종 불순물은 상기 시트 상의 다공성 구조에 걸러지게 된다.

상기 허니컴 필터의 내부 구조는, 일단부에서 반대방향으로 복수의 공기 통로를 갖고, 또한 상기 공기 통로는 일측 단면이 개방되면 타측 단면은 밀봉되는 구조를 갖는다. 따라서 개방 구조(2)를 갖는 공기 통로로 유입되는 배기 가스 등은, 다공질의 격벽을 통한 여과, 즉 월-플로우(wall-flow) 여과를 거친 후, 이웃하는 개방구조(2)의 공기 통로로 배출되게 된다.

상기 본 발명에 따른 밀봉재를 사용한 밀봉 방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 탄소 섬유 및 유기 바인더 등을 사용하여 제조된 탄소섬유 시트를 이용하여 제조된 파형화 시트(6)와 평탄 시트(7)의 사이 공간에 일측 단부가 밀봉(3)되면 타측 단부는 개방(2)되도록 본 발명에 따른 세라믹 밀봉재를 엇갈려서 도포하는 단계이다. 즉, 도 2a, 2b 및 2c에서 도시된 바와 같이, 파형화 시트(6)와 평탄 시트(7)를 교대로 적층하는 과정에서 밀봉재(8)를 양단에 교대로 도포해 줌으로써 공기통로 양단을 교대로 막아주는 것이다.

둘째, 양측 단부가 서로 엇갈리게 밀봉된 파형화 시트(6)의 저면에 평탄 시트(7)를 부착하여 상기 사이 공간이 양 시트 사이에서 복수의 공기 통로를 형성하도록 하며, 이때, 상기 파형화 시트(6)와 평탄 시트(7)를 부착하는 경우에, 양 시트 사이에 도포되어 접착능을 부여할 수 있다면, 임의의 접착제 조성물도 적용될 수 있다. 이를 반복하여 도 3에 기재된 적층체를 제조할 수 있게 된다.

셋째, 열처리 단계는 상기 허니컴 구조의 적층체를 1650℃ 이상의 환원 분위기에서 열처리하여 밀봉재(8)에 함유된 유기 바인더 등의 성분을 제거하고, 시트와 밀봉재, 접착제 조성물 등이 단단히 결속하도록 하는 단계이다.

상기 본 발명에 따른 밀봉재 조성물을 사용하여 얻어진 허니컴 필터는 상기 밀봉재가 고온의 환원분위기에서 열처리되어도 크랙 또는 변형이 발생하지 않아 일반적으로 각 산업의 매연발생 설비의 후처리장치로 사용될 수 있고, 특히 소각로, 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스의 공기정화장인 촉매담체, 또는 공기청정기내의 광촉매 작용에 의한 휘발성 유기화합물 제거장치 등에 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

크기가 1 내지 30㎛ 수준의 탄화규소 분말 100중량부, 크기가 1 내지 30㎛ 수준의 규소 분말 50중량부를 혼합기에서 균일하게 혼합하여 얻어진 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여 물 100중량부에 대하여 폴리비닐알콜 5중량부를 혼합 및 용해하여 얻어진 폴리비닐알콜 용액 30중량부를 혼합한 후 교반기를 이용하여 균일하게 혼합 및 혼련하여 유동성 있는 세라믹 밀봉재를 제조하였다.

상기 제조한 밀봉재를, 파형화 시트의 폭방향으로 굴곡부에 의해 형성되는 사이 공간에서 대항하는 일측 단부가 밀봉되면 타측 단부는 개방되도록, 파형화 시트의 양측 단부에 본 발명에 따른 밀봉재를 엇갈려서 도포하였다.

이후, 상기 얻어진 밀봉재로 도포된 파형화 시트의 저면에 평판 탄소 섬유 시트를 부착하고, 상기 과정을 반복하여 허니컴 구조의 적층체를 제조하였다.

상기 제조된 허니컴 구조물을 상온에서 12시간, 100℃ 건조오븐에서 24시간 건조하여 수분을 완전히 제거하였고, 그 이후에 진공 탈지로를 이용하여 800℃에서 2시간 유지시킴으로써 유기물을 완전히 탈지하였으며, 그 후 진공 소성로에 투입하 여 진공분위기에서 1650℃의 온도하에 2시간 동안 유지하여 탄화규소섬유 소재 세라믹섬유 허니콤 필터를 제조하였다.

이와 같이 얻어진 허니콤 필터의 밀봉재는 건조, 탈지 및 환원분위기 열처리 후 크랙이나 변형이 발생하지 않았으며, 탄화규소 섬유와도 강한 결합력을 보임을 확인하였다.

실시예 2

크기가 1 내지 30㎛ 수준의 탄화규소 분말 100중량부, 크기가 1 내지 30㎛ 수준의 규소 분말 100중량부를 혼합기에서 균일하게 혼합하여 얻어진 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여, 물 100중량부에 대하여 폴리비닐알콜 30중량부를 혼합/용해하여 얻어진 폴리비닐알콜 용액 30중량부를 혼합한 후 교반기를 이용하여 균일하게 혼합/혼련하여 유동성 있는 세라믹 밀봉재를 제조하였다.

상기 제조한 밀봉재에 대하여 실시예 1과 동일한 공정을 진행한 결과 크랙이 없고 변형이 없으며, 탄화규소 섬유와 기계적 및 화학적으로 강한 결합력을 가짐을 확인하였다.

실시예 3

위의 실시예 1의 조건과 동일하며 유기 바인더 용액 30중량부 대신 알루미나 졸(고형분 20중량%) 30중량부를 혼합하여 세라믹 밀봉재를 제조하였으며, 실시예 1과 동일한 밀봉 공정을 진행하였을 때 마찬가지로 밀봉재에 크랙이나 변형이 없고 탄화규소 섬유와도 강한 결합력을 나타냄을 확인하였다.

비교예1

위의 실시예 3의 조건과 동일하며, 알루미나 졸 대신 에탄올에 희석한 페놀수지 용액 30중량부를 사용하여 세라믹 밀봉재를 사용하였으며, 이후 공정은 동일하게 진행하였다.

열경화성 수지인 페놀수지 용액을 사용한 세라믹 밀봉재는 100℃ 건조시 풍선처럼 부풀어 올랐으며, 내부에 미세한 기포가 많이 발생하였고, 환원분위기 열처리 후에는 크랙 발생 및 부분적으로 부숴지는 현상이 발생하였다. 따라서 밀봉재에 사용하는 유기 바인더로는 페놀수지와 같은 열경화성 수지는 부적합함을 알 수 있었다.

본 발명에 의하면, 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유 허니콤 타입의 세라믹 분진필터를 제조함에 있어서, 파형화 시트와 평탄 시트가 적층되어 형성되는 복수의 공기통로의 개구부에 도포되어, 건조 및 고온의 환원분위기에서의 열처리에도 크랙이나 변형없이 상기 개구부를 완전히 밀봉해 줌으로써, 분진 여과 기구인 월-플로우(wall-flow) 여과를 가능하게 하는 세라믹 밀봉재를 제공할 수 있다.

Claims

탄화규소 분말 및 규소 분말을 포함하는 탄화규소-규소계 혼합분말; 및

용제 및 바인더를 포함하는 바인더 용액;을 포함하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 탄화규소 혼합분말이 탄화규소 분말 100중량부에 대하여 규소 분말 50 내지 100중량부를 혼합하여 얻어진 것이고,

상기 바인더 용액이 용제 100중량부에 대하여 유기 바인더 또는 무기 바인더 5 내지 30중량부를 혼합/용해시켜 얻어진 것임을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 탄화규소-규소계 혼합분말 100중량부에 대하여 바인더 용액 20 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 허니컴 필터가 탄화규소 섬유 소재의 세라믹 섬유인 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 탄화규소-규소 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1 내지 5㎛의 크기를 갖는 탄소 분말 0.1 내지 5중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 규소 및 탄화규소가 0.1 내지 50㎛의 입경을 갖는 분말상인 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 바인더 용액에 포함되는 바인더가 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 메틸 셀룰로스(MC), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC), 히드록시에틸 셀룰로스(HEC), 폴리 아크릴레이트 및 폴리아크릴아미드로 이루어지는 열가소성 수지로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

상기 바인더 용액에 포함되는 바인더가 실리카졸, 알루미나졸, 물유리 및 실란으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.
제1항에 있어서,

경화촉진제, 안료, 유화제, 기능성 충진제, 분산제, 소포제, 안정제, 레벨링제, 점착부여제, 촉매 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 필터용 세라믹 밀봉재.