KR20080113674A - 외벽 일체형 세라믹 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외벽 일체형 세라믹 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 외벽이 일체형으로 결합되어 있어, 필터 본체와 외벽 간의 이질감이나 열팽창률의 차이가 존재하지 않으므로 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정에서 외벽에 크랙이 발생하지 않는 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
외벽, 일체형, 세라믹 필터, 제조 방법

Description

외벽 일체형 세라믹 필터 및 그 제조 방법{An outer wall-integrated ceramic filter and a method for preparing the same}
본 발명은 외벽 일체형 세라믹 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 외벽이 일체형으로 결합되어 있어, 필터 본체와 외벽 간의 이질감이나 열팽창률의 차이가 존재하지 않으므로 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정에서 외벽에 크랙이 발생하지 않는 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 배기 가스 여과 장치 등에 사용되는 세라믹 필터는 일반적으로 취성을 가지기 때문에, 별도의 외벽을 형성시켜 그 강도를 강화시키고 있다.
기존에 주로 사용되었던 세라믹 필터 외벽 제조 방식으로는, 필터 본체와는 다른 재료로 별도의 외벽을 제조한 뒤, 이를 필터 본체에 부착시키거나, 일정 점도의 외벽용 슬러리 내지 페이스트를 필터 본체의 외면에 직접 칠하는 방식을 들 수 있는데, 전자의 경우 필터 본체와 외벽의 재료가 상이하여 열팽창률의 차이가 존재 하기 때문에 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정에서 필터 본체와 외벽과의 접합 부분이 분리되거나 접합 부분에 크랙이 발생하는 문제점이 있고, 후자의 경우 외벽용 슬러리 내지 페이스트의 도포로 형성된 외벽에 크랙이 발생하고, 또한 외벽 두께가 불균일해지며, 이로 인해 별도의 연마(polishing) 작업이 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정을 거치더라도 외벽에 크랙이 발생하지 않으며, 또한 균일한 두께의 외벽을 갖는 외벽 일체형 세라믹 필터의 개발이 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정을 거치더라도 외벽에 크랙이 발생하지 않으며, 또한 균일한 두께의 외벽을 갖는 외벽 일체형 세라믹 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일체형으로 결합된 필터 본체 및 필터 외벽을 포함하고, 상기 필터 본체 와 및 필터 외벽은 동일한 재질로 이루어지는 세라믹 필터가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (1) 세라믹 필터 본체 및 상기 세라믹 필 터 본체와 동일한 재질의 필터 외벽을 각각 준비하는 단계; (2) 상기 (1)단계에서 준비된 외벽을 외벽용 슬러리에 함침시키는 단계; (3) 상기 (2)단계에서 얻어진, 슬러리에 함침된 외벽을 세라믹 필터 본체의 외측면에 부착시키는 단계; 및 (4) 상기 (3)단계에서 얻어진, 외벽이 부착된 세라믹 필터를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 외벽 일체형 세라믹 필터의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
1. 세라믹 필터 본체
본 발명에 있어서 상기 세라믹 필터 본체로는, 통상의 제법에 의해 제조되는 세라믹 필터를 제한 없이 사용할 수 있다. 따라서, 세라믹 파이버 및 바인더를 포함하는 그린 페이퍼 제조용 슬러리로부터 세라믹 그린 페이퍼를 제조하고, 여기에 필요에 따라 추가적인 코팅을 행한 후, 이를 허니컴 등과 같이 원하는 형태로 제작하여 얻어지는 세라믹 필터를 사용할 수도 있고, 세라믹 그린 페이퍼를 허니컴 등의 형태로 먼저 제작한 후 추가적인 코팅을 가하여 얻어지는 세라믹 필터를 사용할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 다공성 세라믹 그린 페이퍼를 알루미늄 실리케이트 용액으로 1차적으로 코팅함으로써 프라이머층을 형성하고, 상기 알루미늄 실리케이트로 이루어진 층과의 부착력이 우수하며 점도가 낮은 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차적으로 코팅함으로써 무기 결합제의 전구체를 형성한 다음, 고온에서 열처리를 하여 제조되는 다공성 세라믹 페이퍼를 파형화 한 후 허 니컴 형태로 제작된 세라믹 필터가 사용된다. 이렇게 제조된 세라믹 필터 본체는, 기계적 강도가 우수하고 기공율도 우수하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는, 상기 바람직한 세라믹 필터의 제법에 관하여 보다 상세히 설명한다.
세라믹 필터의 제조에 사용되는 상기 세라믹 파이버는 약 1200℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 물질로 이루어져야 하며, 알루미나, 알루미노 실리케이트 등의 알루미나 또는 실리카가 하나 이상 포함된 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로실리케이트 및 뮬라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 사용할 수 있다. 한편, 상기 세라믹 파이버는 일반적으로 1∼20 마이크론의 직경을 가지며 길이는 0.1∼10mm, 바람직하게는 0.1∼1mm인 것을 사용할 수 있는데, 길이가 0.1mm 미만인 때에는 제조된 페이퍼의 강도가 매우 약하게 되며, 10mm를 초과하는 때에는 파이버를 균일하게 분산시키기 어렵기 때문에 페이퍼의 불균일화를 야기할 수 있다.
상기 슬러리 용액 내의 세라믹 파이버의 함량은 슬러리 용액 내의 고형분을 기준으로 50∼80중량%일 수 있으며, 70∼80%가 더욱 바람직한데, 그 이유는 소성 후 페이퍼의 형체를 유지하고 기공의 균일도를 유지하기 위함이다.
상기 슬러리 용액에 사용되는 물의 양은 중요한 것이 아니고 전체 공정을 원활하게 유지하는 정도면 된다. 공정상에서 물을 원활하게 제거하기 위해 제지 장치에 연결된 진공 펌프를 통해 과량의 물을 제거하고 압착기를 통해 잔존하는 과량의 물을 제거할 수 있다.
상기 세라믹 그린 페이퍼는 당업계에서 통상적으로 사용되는 제지법을 사용하여 제조할 수 있으며, 이때 사용되는 슬러리 용액은 상기 세라믹 파이버 이외에 유기 파이버를, 바람직하게는 침엽수 펄프, 우드 파이버, 헴프(hemp)와 같은 천연 파이버; 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미드 또는 아크릴과 같은 합성 파이버; 및 상기 중 2 종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 유기 파이버를 포함하며, 소량의 유기 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 유기파이버의 함량은 상기 세라믹 파이버 100중량부에 대하여 5∼30중량부인 것이 바람직한데, 5중량부 미만인 때에는 그린페이퍼 제조 후 인장강도가 유지되지 않아 파형화를 하기가 어렵고, 30중량부를 초과하는 때에는 소성후 기공율이 과도하게 증가하여 강도가 약해질 염려가 있다.
한편, 상기 슬러리 용액에 포함될 수 있는 유기바인더는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide; PAM), 폴리에틸렌 옥시드(polyethyleneoxide; PEO), 에폭시 바인더 (epichlorohydrin 변성 polyamide), 메틸 셀룰로즈, 히드록시에틸 셀룰로즈, 소듐 카르복시메틸 셀룰로즈(CMC), 정제된 녹말, 덱스트린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼 및 미결정 왁스(microcrystalline wax)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 유기바인더의 함량은 상기 세라믹 파이버 100중량부에 대하여 5∼20중량부일 수 있는데, 5중량부 미만인 때에는 파이버 상호간의 결합이 이루 어지지 않고, 20중량부를 초과하는 때에는 세라믹 그린 페이퍼의 유동성이 불필요하게 커지고, 접착성이 나타나기 때문에 작업성이 떨어질 염려가 있다.
한편, 상기 슬러리 용액은 상기 유기바인더의 세라믹 파이버 또는 유기파이버에 대한 부착성을 향상시키기 위하여 pH를 감소시키는 pH 조절제를 더 포함할 수 있는데 이러한 pH 조절제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어 암모늄 알루미늄 설페이트(알룸)를 사용하여, 슬러리 용액의 pH를 5.5에서 6.5사이로 유지시킬 수 있다.
알루미늄 실리케이트층을 형성하는 알루미늄 실리케이트 용액은 알코올, 바람직하게는 C1~C6의 저급 알코올, 질산알루미늄, 테트라알킬 오르토실리케이트, 바람직하게는 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl ortho-silicate, TEOS)와 같은 테트라-C1~C6 저급알킬 오르토실리케이트 및 염산을 포함하는 것이 바람직하며, 세라믹 그린 페이퍼 내의 세라믹 파이버 성분과 유사한 실리케이트, 알루미늄 등의 성분을 포함하기 때문에 세라믹 그린 페이퍼와의 부착력 또는 친화력이 우수하며, 2차 코팅액으로 사용하는 알루미늄 포스페이트 용액과의 친화력도 뛰어나다는 장점이 있다. 따라서 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 상기 세라믹 그린 페이퍼를 보호하는 역할을 함과 동시에, 2차적으로 코팅하는 알루미늄 포스페이트 용액과의 부착력도 증가시키는 역할을 하는 것이다. 상기 알루미늄 실리케이트 용액을 열처리 한 후에 생성되는 알루미늄 실리케이트 층은 최종 세라믹 필터에서, 내부의 세라믹 페이퍼와 최외각의 알루미늄 포스페이트층 사이에 개재되어, 버퍼층 또는 프라이머 층으로써의 역할을 한다. 상기 알루미늄 실리케이트 용액 내의 구성성분의 함량은 TEOS 1몰을 기준으로 알코올 0.2∼0.5몰, 질산알루미늄 0.01∼0.02몰 및 염산 0.1x10-3 ∼ 0.2x10- 3몰일 수 있는데, 상기 알코올의 양이 0.2몰 미만이면 상기 질산알루미늄을 용해시키기에 충분하지 않은 양이고, 0.5몰을 초과하게 되면 전체 알루미늄 실리케이트 용액의 농도가 떨어져서 적절한 두께의 코팅층을 형성하기 어렵다.
또한, 질산알루미늄의 양이 0.01몰 미만이면 알루미늄 실리케이트가 형성되기 어렵고, 0.02몰을 초과하게 되면 알코올에 잘 용해되지 않는다. 일반적으로 사용되는 콜로이달 알루미나의 경우에는 이를 세라믹 페이퍼에 코팅하는 경우, 표면 전하를 고려해야 하는데, 그 이유는 세라믹 페이퍼가 일반적으로 양전하를 띠며 상기 콜로이달 알루미나도 양전하를 띠기 때문에 전하간의 반발력에 의해 코팅이 용이하지 않기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는 질산알루미늄을 사용하며, 상기 질산알루미늄은 알코올에 용해되어, 이온상태로 존재하며 용액 전체적으로 중성이기 때문에 세라믹 페이퍼에 코팅시 전하를 고려할 필요가 전혀 없으며 부착력이 우수하다는 장점이 있다.
한편, 사용되는 염산의 양이 0.1x10-3 몰 미만이면 가수분해 반응이 잘 일어나지 않고, 0.2x10- 3몰을 초과하게 되면 가수분해의 속도가 빨라져서 입자형태의 겔 형성이 급속하게 이루어지게 되며 분산도가 떨어지게 되어 기공 폐색현상이 발생할 우려가 있다.
종래기술에서 사용되어 오던 콜로이달 실리카의 경우에는 이미 입자상이 형성되어 겔화된 것으로서, 코팅시 표면전하를 고려해야 하고, 상기 입자 때문에 기공폐색 현상이 발생할 염려가 있었지만, 본 발명에 사용되는 알루미늄 실리케이트 용액은 염산의 농도를 조절하여 TEOS가 가수분해된 후, 입자 형성 및 겔화가 이루어지기 전단계에서 코팅을 하기 때문에 코팅액의 접착력이 우수하고 입자 및 표면의 전하를 전혀 고려할 필요가 없다는 장점이 있다.
상기 알루미늄 실리케이트 용액을 사용하지 않고, 후술하는 알루미늄 포스페이트 용액을 직접 사용하게 되면, 세라믹 파이버와의 부착력이 떨어질 뿐만 아니라, 알루미늄 포스페이트 용액 자체가 수용액 베이스이기 때문에 코팅 또는 함침시, 유기파이버로 사용되는 펄프 등이 수용액에 의해 퍼지는 현상이 나타나며, 건조 후에 그린 페이퍼 형태의 변형이 일어날 염려가 있으나, 본 발명에서 1차 코팅액으로서 사용되는 알루미늄 실리케이트 용액은 알코올 용액이기 때문에 상기와 같은 펄프의 변형이 없고, 1차 코팅 및 건조시 세라믹 파이버를 코팅하고 있는 실리케이트 때문에 2차 코팅 공정에서 수용액을 사용하더라도 그린 페이퍼의 원형을 그대로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 소량의, 바람직하게는 0.1~10 중량%의 붕산을 더 포함함으로써 섬유간의 결합력을 증가시킬 수 있는데, 상기 붕산의 역할은 알루미늄 이온을 부분적으로 치환하여 무기바인더의 결합력을 증가시키고 고온에서의 열적안정성에 기여하는 것이다.
알루미늄 포스페이트층을 형성하는 알루미늄 포스페이트 용액은 질산알루미 늄 및 인산을 포함하며 P/Al 원자비는 3∼50인 것일 수 있는데, 상기 원자비가 3미만인 때에는 알루미나의 용해도가 매우 작고 알루미늄 포스페이트의 형성이 원활하지 않을 염려가 있으며, 50을 초과하는 경우에는 인산이 과량이기 때문에 알루미나의 농도가 적어 코팅성이 떨어지고 파이버의 표면이 손상되어 강도를 약화시킬 염려가 있다.
기존에 알려진 알루미늄 포스페이트 결합제는 제조시 인산에 수산화알루미늄을 용해시켜 사용하는데, 이 경우 해리된 수산화 이온이 용액 내의 수소이온 농도에 변화를 주어 용액의 점성이 높아지고 침지 후 건조하면 섬유 사이의 기공이 폐색되는 현상이 나타날 수 있으며, 이에 의해 세라믹 페이퍼의 기체 투과도가 낮아질 염려가 있었다. 그러나, 본 발명에서 사용하는 질산알루미늄의 경우에는 수소이온농도에 영향을 주지 않기 때문에 제조된 알루미늄 포스페이트 용액의 점성이 낮으며 따라서 세라믹 페이퍼에 균일하게 코팅가능하고 기공 폐색현상을 방지할 수 있다.
상기 알루미늄 포스페이트 용액 중 알루미늄 포스페이트의 중량은 고체 함유량을 기준으로 1∼80중량%인 것일 수 있는데, 1중량% 미만인 경우에는 필요한 양을 코팅 시키기 위해 여러 번의 반복 작업을 거쳐야 하며 80중량% 이상인 경우에는 과량의 알루미늄 포스페이트가 기공 사이에 남아, 기공 폐색 현상이 나타날 염려가 있다.
세라믹 필터를 소성한 후에 세라믹 필터 내에 존재하는 알루미늄 포스페이트 층은 Al(PO3)3 (aluminum metaphosphate) 및 AlPO4 (aluminum orthophophate)의 두가지 상(phase)이 혼합되어 존재한다고 판단된다.
한편, 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 마그네슘이온, 칼슘이온 및 붕산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것일 수 있으며, 이들은 알루미늄 이온을 부분적으로 치환함으로써 무기바인더의 결합력과 열적 안정성을 향상시키는 역할을 한다.
상기에서 세라믹 그린 페이퍼를 알루미늄 실리케이트 및 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅시키기 위한 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 함침 또는 분사 등에 의할 수 있다. 한편, 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 물 및 침투용매의 혼합용매를 더 포함하는 것이 바람직한데, 침투용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올을 사용할 수 있으며, 상기 침투용매의 함량은 물에 대하여 1∼30중량%가 적절하다. 상기 침투용매의 함량이 1중량% 미만인 경우에는 역할이 원활치 않고 30중량%를 초과하는 때에는 알루미늄 포스페이트의 석출을 일으킬 수 있다.
상기 1차 코팅액 및 2차 코팅액을 코팅하는 단계는 한번만 수행해도 무방하지만, 강도를 향상시키기 위해서 상기 코팅, 건조, 소성 후 또 다시 1차 코팅액과 2차 코팅액을 사용하여 코팅하고 건조시킨 후 소성하는 단계를 더 거칠 수도 있다.
한편, 상기 1차 코팅 이후에 지르코늄 아세테이트 수용액을 사용하여 추가적으로 코팅할 수 있는데, 이 경우에는 소성시 지르코니아가 형성됨으로써 세라믹 필터의 강도를 더 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 지르코늄 아세테이트 용액은 상기 1 차 코팅액과 혼합함으로써 제1 코팅단계에서 함께 코팅할 수 있지만, 상기 2차 코팅액과 혼합하게 되면, 지르코늄 포스페이트가 형성되어 침전이 생기는 문제가 있기 때문에 바람직하지 않다.
상기 1차 코팅액과 2차 코팅액은 별개로 제조하여 코팅단계를 수행해야 하며, 이를 혼합하여 제조하는 경우에는 2차 코팅액에 존재하는 인산 때문에 TEOS의 가수분해가 급격히 일어나서 겔상태가 되어 버리므로 바람직하지 않다.
상기에서 권취된 형태의 세라믹 필터를 소성하는 단계는 진공, 불활성가스 또는 공기 중에서 400∼1100℃에서 소성하는 것이 바람직한데, 상기 소성온도가 400℃ 미만인 때에는 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1100℃를 초과하는 때에는 상기 알루미늄 포스페이트가 변형이 되어 강도의 저하를 가져올 염려가 있다.
상기한 바와 같이 하여 제조된 세라믹 필터는, 0.1~10mm 길이를 가지는 세라믹 파이버를 포함하고, 알루미늄 실리케이트층과 알루미늄 포스페이트 층으로 코팅된다. 그 형태는 다공성 세라믹 파형 페이퍼 및 세라믹 판형 페이퍼가 접착되어 있는 허니컴 구조인 것이 바람직하다. 또한, 이러한 세라믹 필터에 있어서, 바람직하게는 세라믹 필터에 사용되는 세라믹 페이퍼의 소성 후의 평균 피크 하중이 300g 이상이고, 가스 투과도가 12 cc/sec/cm2 이상이다.
상기 세라믹 필터는 세라믹 그린페이퍼를 파형화하는 단계를 거친 후, 파형화된 세라믹 파형 페이퍼와 세라믹 판형 페이퍼를 접착하여 허니컴 형태로 제조되 는 것이 바람직한데, 상기 1차 코팅액 및 2차 코팅액을 코팅하는 공정은 상기 허니컴 형태의 세라믹 필터를 제조한 후에 수행하는 것이 바람직하다. 상기 파형화는 당업계에서 통상적으로 사용되는 파형화 기기를 이용하여 수행할 수 있으며, 예컨대, 본 발명에서 사용될 수 있는 파형화 기기의 드럼은 골과 피치의 길이가 각각, 2mm와 3mm이며, 표면온도와 페이퍼의 공급속도가 조절 가능하도록 제작되어 있는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 필터에 사용되는 세라믹 판형 페이퍼 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 상기에서 설명된 세라믹 그린 페이퍼를 그대로 사용할 수도 있다.
2. 세라믹 필터 외벽
본 발명에 있어서, 상기 필터 본체에 일체형으로 결합되는 세라믹 필터 외벽은 필터 본체와 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서, 앞서 필터 본체에 대하여 설명한 바와 마찬가지로, 본 발명에서 사용되는 필터 외벽은 세라믹 파이버 및 바인더를 포함하는 그린 페이퍼 제조용 슬러리로부터 세라믹 그린 페이퍼를 제조하고, 여기에 필요에 따라 추가적인 코팅을 행하여 얻어질 수 있다.
예컨대, 본 발명에서 사용되는 필터 외벽은 당업계에서 통상적으로 사용되는 세라믹 그린 페이퍼 제지법을 사용하여 제조할 수 있으며, 이때 사용되는 슬러리 용액은 세라믹 파이버 이외에 유기 파이버를, 바람직하게는 침엽수 펄프, 우드 파이버, 헴프(hemp)와 같은 천연 파이버; 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필 렌, 폴리에틸렌, 아라미드 또는 아크릴과 같은 합성 파이버; 및 상기 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 유기 파이버를 포함하며, 소량의 유기 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 세라믹 그린 페이퍼 제조용 슬러리 용액에 포함되는 성분들은 앞서 필터 본체에서 설명한 바와 같다.
또한, 상기 제조된 세라믹 그린 페이퍼에 행해질 수 있는 추가적인 코팅 또한 앞서 필터 본체에서 설명한 바와 같으며, 필요에 따라서는, 상기 알루미늄 포스페이트에 의한 2차 코팅공정 이전에 외벽을 본체에 부착한 후, 외벽과 본체 전체에 대하여 2차 코팅을 실시할 수도 있다.
3. 외벽 일체형 세라믹 필터
본 발명에 따른 외벽 일체형 세라믹 필터는, 바람직하게는, (1) 세라믹 필터 본체 및 상기 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 필터 외벽을 각각 준비하는 단계; (2) 상기 (1)단계에서 준비된 외벽을 외벽용 슬러리에 함침시키는 단계; (3) 상기 (2)단계에서 얻어진, 슬러리에 함침된 외벽을 세라믹 필터 본체의 외측면에 부착시키는 단계; 및 (4) 상기 (3)단계에서 얻어진, 외벽이 부착된 세라믹 필터를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된다.
본 발명의 외벽 일체형 세라믹 필터의 제조에 사용되는 필터 본체 및 필터 외벽으로는, 앞서 설명한 바와 같은 것들이 사용된다.
본 발명에 따른 외벽 일체형 세라믹 필터 제조방법의 (1) 단계에서는 앞서 설명한 바와 같은 세라믹 필터 본체 및 상기 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 필 터 외벽을 각각 준비한다.
본 발명에 따른 외벽 일체형 세라믹 필터 제조방법의 (2) 단계에서는, 상기 (1)단계에서 준비된 외벽을 외벽용 슬러리에 함침시킨다. 상기 외벽용 슬러리는 벤토나이트 클레이 1 내지 10 중량%, 실리카 졸 1 내지 10 중량% 및 고형분 5 내지 30 중량%를 포함하는 수성 슬러리인 것이 바람직하게 사용된다. 또한, 상기 외벽용 슬러리에 포함되는 상기 고형분은 SiC, 알루미나, 지르코니아, 실리카 등과 같은 세라믹 파우더인 것이 바람직하다. 상기 슬러리의 점도는 특별히 제한되지 않으며, 함침이 원활히 수행될 수 있으면 족하다.
본 발명에 따른 외벽 일체형 세라믹 필터 제조방법의 (3) 단계에서는, 상기 (2) 단계에서 얻어진, 슬러리에 함침된 외벽을 세라믹 필터 본체의 외측면에 부착시킨다. 부착은 통상 접착제에 의하여 이루어질 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다, 접착제로는 바람직하게는 전분가루가 이용가능하며, 고온 열처리 후의 접착력을 증강시키기 위해 실리카 분말을 함께 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 무기 섬유 매트 일체형 세라믹 필터 제조방법의 (4) 단계에서는, 상기 (3) 단계에서 얻어진, 외벽이 부착된 세라믹 필터를 건조 및 열처리하여 외벽이 세라믹 필터 본체에 일체형으로 결합되도록 한다. 상기 건조는 통상 상온~150℃에서 행해지며, 열처리는 진공, 불활성가스 또는 공기 중에서 400∼1100℃에서 수행하는 것이 바람직한데, 상기 열처리 온도가 400℃ 미만인 때에는 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1100℃를 초과하는 때에는 세라믹 필터 강도의 저하를 가져올 염려가 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 필터 외벽을 슬러리에 함침시킨 후, 세라믹 필터 본체와 결합하고, 열처리하여 둘을 일체화시킴으로써, 양자간의 열팽창률 차이를 없애 크랙의 발생을 막아준다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
(1) 필터 외벽의 제조
물 2000ml에 평균 길이 300㎛의 알루미나-실리카 파이버 2.1g을 넣고, 여기에 케블라(Kevlar) 유기 섬유 0.09g을 넣고 강하게 교반하여 파이버를 분산시킨 후, 유기 파이버로서 침엽수 펄프를 상기 세라믹 파이버에 대하여 26.4중량%의 양으로 투입한 다음, 세라믹 페이퍼의 유연성을 갖도록 해주는 유기바인더를 첨가하였다. 유기바인더로는 에폭시 바인더, CMC, PAM 및 PEO를 첨가하였으며, 상기 세라믹 파이버에 대하여 각각 0.3중량%, 0.1중량%, 0.1중량% 및 0.1중량%의 양을 첨가하였다. 다음으로 상기 슬러리 내의 고형분들이 고루 섞이도록 약하게 계속 교반한 뒤, 제지장치를 이용하여 두께 400㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 세라믹 그린 페이퍼를 상온에서 자연 건조한 뒤 드럼드라이어로 잔존하는 수분을 건조하여, 필터 외벽으로 사용하였다.
(2) 허니컴형 세라믹 필터 본체의 제조
(2)-1. 세라믹 파형 페이퍼의 제조
상기 필터 외벽의 제조에서 제작된 세라믹 그린 페이퍼를, 파형화 기기(모델명:KIER, 제조사:화성기기, 골과 피치의 길이: 각각, 2mm 및 3mm)를 사용하여 표면온도 150℃ 하에 2-10 m/분의 공급속도로 파형화하였다.
(2)-2. 세라믹 판형 페이퍼의 제조
상기 필터 외벽의 제조에서 제작된 세라믹 그린 페이퍼를 세라믹 판형 페이퍼로 사용하였다.
(2)-3. 허니컴형 세라믹 필터 본체의 제조
위 방법으로 준비된 파형화된 세라믹 파형 페이퍼의 하층 부에 상기 세라믹 판형 페이퍼를 위치시키고 접촉면에 접착제를 바른 후, 서로 접합시켰다. 이 때 사용되는 접착제는 전분가루를 이용하였으며 고온 열처리 후의 접착력을 증강시키기 위해 실리카 분말을 첨가하였다. 상기와 같이 상층부와 하층부가 접합된 상태에서 달팽이관 모양으로 권취한 다음 100℃에서 가열하여 건조시킴으로써 허니컴형 세라믹 필터 본체를 제조하였다.
그 다음, 알코올 10ml에 질산알루미늄 5g과 붕산 0.5g을 녹인 후 0.1M 염산 1.6ml를 첨가하여 교반하면서 TEOS 10ml를 첨가하여 1차 코팅액을 제조하고, 제조된 1차 코팅액에 상기에서 제조된 허니컴형 세라믹 필터를 5초간 침지한 후 꺼내어 120℃에서 건조하였다, 다음으로, 증류수 10ml에 질산알루미늄 7.5g과 붕산 0.5g을 녹인 후 85% 인산용액 10ml를 첨가하여 P/Al 원자비가 7.5인 2차 코팅액을 제조하고, 상기 1차 코팅된 허니컴형 세라믹 필터를 상기 2차 코팅액에 5초간 침지시킨 후 꺼내어 120℃에서 건조 후 대기조건에서 800℃로 소성처리하여 목적하는 허니컴형 세라믹 필터를 제조하였다.
(3) 외벽 일체형 세라믹 필터의 제조
상기 (1) 에서 제조된 필터 외벽을, 외벽용 슬러리(벤토나이트 클레이 3 중량%, 실리카 졸 3 중량% 및 고형분(SiC 파우더) 15 중량% 및 슬러리 매질로서 물을 포함하는 외벽용 수성 슬러리를 3시간 동안 볼밀링하여 제조됨)에 침지시켰다. 침지 종료 후, 결과 외벽을 상기 (2) 에서 제조된 세라믹 필터 본체의 외측면에 부착시키고 상온에서 하루동안 건조하여 외벽이 일체형으로 결합된 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 2
상기 (3)단계에서 외벽용 수성 슬러리의 매질로서 물 대신 물:에탄올이 7:1의 중량비로 혼합된 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 3 내지 5
상기 (3)단계에서 외벽용 수성 슬러리에 포함되는 고형분으로서 알루미나, 지르코니아 및 실리카를 각각 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 외벽 일체형 세라믹 필터를 각각 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 상온건조된 외벽 일체형 세라믹 필터를 대기조건에서 600℃로 3시간 동안 소성처리하여 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 7
상기 실시예 1에서 상온건조된 외벽 일체형 세라믹 필터를 대기조건에서 100℃로 5시간 동안 소성처리하여 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 8
상기 실시예 1에서 상온건조된 외벽 일체형 세라믹 필터를 대기조건에서 200℃로 5시간 동안 소성처리하여 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 9
상기 실시예 1의 (1)에서 제작된 외벽을, 1차 코팅된 필터 본체에 부착시킨 후, 알루미늄 포스페이트 용액(P/Al 원자비 = 7.5)으로 2차 코팅하고, 대기조건에서 1000℃로 3시간 동안 소성처리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조하였다.
상기 제조된 외벽 일체형 세라믹 필터의 외관을 조사한 결과, 외벽면에 크랙의 발생이 전혀 없었으며, 외벽이 존재하지 않는 세라믹 필터에 비하여 평면압축강 도가 3배 이상 증가되었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제조 공정 중의 건조과정 및 열처리 과정을 거치더라도 외벽에 크랙이 발생하지 않으며, 압축강도가 향상된 외벽 일체형 세라믹 필터를 제조할 수 있다. 또한, 외벽용 슬러리에 고형분으로서 SiC를 첨가하여 강도의 증가 및 열전달율의 증가효과를 기대할 수 있고, 알루미나 내지 실리카를 첨가하여 강도 증가 및 단열율 증가효과를 기대할 수도 있다.

Claims (13)

  1. 일체형으로 결합된 필터 본체 및 필터 외벽을 포함하고,
    상기 필터 본체 및 필터 외벽은 동일한 재질로 이루어지는 세라믹 필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 필터 본체 및 필터 외벽은 다공성 세라믹 페이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  3. 제 2 항에 있어서, 다공성 세라믹 페이퍼는 세라믹 파이버, 유기 섬유 및 유기 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  4. 제 3 항에 있어서, 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로 실리케이트 및 뮬라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  5. 제 3 항에 있어서, 유기 바인더는 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌 옥시드, 에폭시 바인더, 메틸 셀룰로즈, 히드록시에틸 셀룰로즈, 소듐 카르복시메틸 셀룰로즈, 정제된 녹말, 덱스트린, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀, 왁스 에멀젼 및 미결정 왁스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  6. (1) 세라믹 필터 본체 및 상기 세라믹 필터 본체와 동일한 재질의 필터 외벽을 각각 준비하는 단계;
    (2) 상기 (1) 단계에서 준비된 외벽을 외벽용 슬러리에 함침시키는 단계;
    (3) 상기 (2) 단계에서 얻어진, 슬러리에 함침된 외벽을 세라믹 필터 본체의 외측면에 부착시키는 단계; 및
    (4) 상기 (3) 단계에서 얻어진, 외벽이 부착된 세라믹 필터를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 외벽 일체형 세라믹 필터의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, (1) 단계에서 세라믹 필터 본체를 알루미늄 실리케이트 용액으로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 알루미늄 실리케이트 용액으로 코팅된 세라믹 필터 본체의 표면을 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 외벽용 슬러리는 벤토나이트 클레이, 실리카 졸 및 고형분을 포함하는 수성 슬러리인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 고형분은 세라믹 파우더인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 세라믹 파우더는 SiC, 알루미나, 지르코니아 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, (3) 단계 이후 외벽이 부착된 세라믹 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 6 항에 있어서, (4) 단계의 열처리는 400 내지 1100℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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