KR20090108564A - 재생 가능한 세라믹 미립자 필터에서 기공 형성제로써의 코폴리아미드 분말 - Google Patents

Abstract

규소 함유 입자로 구성된 물질이 폴리아미드 존재 하에 열분해 되는, 디젤 차량용 재생 가능한 세라믹 미립자 필터를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 그 결과 제조된 미립자 필터는 350 m²/l 초과의 BET 표면적을 갖는다.

코폴리아미드, 세라믹 미립자 필터, 디젤 미립자 필터(DPF)

Description

재생 가능한 세라믹 미립자 필터에서 기공 형성제로써의 코폴리아미드 분말 {Copolyamide powder as a pore former in regenerable ceramic particulate filters}

EURO V 기준의 도입과 2008년부터 모든 새로운 디젤 기관에 필터를 사용하겠다는 독일 자동차 업계의 자발적인 서약은 이러한 필터 시스템의 엄청난 수요를 만들었다. 디젤 미립자 필터는 또한 오프 로드(off-road) 분야에서도 점점 더 사용되고 있다.

디젤 배기 가스 속 미립자는 주로 매연과 불연소 탄화수소로 구성된다. 사용되는 엔진에 따라서, 매연 입자의 크기는 대체로 약 50-100 ㎛ 범위에 있고, 그것들이 적절한 적용 후, 이어서 재생되기까지 필터 표면에서 흡착된다.

디젤 필터에서의 특유의 사용 조건에 대하여 확립된 기능성 여과재는 탄화 규소이다. 현대의 매연 미립자 필터는 SiC 분말의 분출과 그에 이은 재결정에 의하거나, 개개의 규소와 탄소 성분으로부터 직접적으로 제조된다. 실리시제이션(silicization) 온도는 1500 내지 2300 ℃ 범위이다. 그 미립자 필터는 매우 가득 부하된 다음, 부분 부하 운전시 600 ℃에서 높은 산소 함량을 가지는 배기 가스 가 필터에 도달하고 축적된 입자가 분해되는 것을 포함하는 어떠한 문제도 없이 열적으로 태워 없어질 수 있다.

사용되는 디젤 미립자 필터의 필터 성능을 향상시키기 위하여, 매연 입자가 퇴적될 수 있는 최대의 표면적을 제공하는 것이 필요하다. 현재까지 사용되어 온 분출 방법은, 최적의 흡착성을 나타내지는 못하지만, 상대적으로 다공성인 표면을 만들어낼 수 있었다.

놀랍게도, 청구항에서 설명하고 있는 방법은 매우 개선된 미립자 필터를 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. 코폴리아미드 5 내지 15 중량%의 일정한 양을 SiC로 이루어진 분출 물질에 첨가하고, 분출 후에, 이 중합체가 약 350 ℃에서 다시 타 없어지면, 이것은 350 m²/l 초과 내지 약 800 m²/l 까지의 BET 값의 엄청난 증가의 결과, 상당히 향상된 필터 성질을 갖는 필터 구조를 제공한다. 분말 입도 분포가 0 내지 200 ㎛ 범위인 코폴리아미드 분말을 사용하는 것이 바람직하고, 0 내지 80 ㎛ 범위가 더욱 바람직하다. 중합체 성분이 타 없어지면서 SiC 물질의 표면 구조를 두드러지게 변형시킨다; 더욱 선형인 성분 및 채널이 모놀리식(monolithic) SiC 구조 안에서 생성되고 이것은 필터 성능을 향상시키고, 그로 인해 필터 카트리지의 효율을 증대시킨다. 폴리아미드 분말의 혼입과 그 이후의 가수분해는, 서술한 효과에 의하여, 배기 가스의 배압(backpressure)을 두드러지게 감소시킬 수 있고, 이 결과 필터 성능이 매우 향상된다.

EP 1 741 685 A1에 따라 의도한 용도를 위해 세라믹 성형체가 제조되고, 600 내지 1000 ℃에서 열분해 되는, 입자 크기가 바람직하게는 0.001 내지 150 ㎛인 탄소 함유 입자와 함께 입자 크기가 바람직하게는 0.001 내지 190 ㎛인 규소 함유 입자로 구성되는 물질의 사용은 주목할 만하다. 그 이후의, 바람직하게는 1150 내지 1700 ℃에서의 산소를 배제한 실리시제이션은 원하는 SiC 성형체를 제공한다.

실리시제이션 후에, 상기 물질은 300 내지 450 m²/g의 내부 표면적을 갖는다. 그 때 분말의 중합체, 바람직하게는 라우로락탐, 카프로락탐, 도데칸디오산 및 메틸펜타메틸렌디아민을 기초로 하는 코폴리아미드를 첨가한다. 상기 코폴리아미드는 바람직하게는 0-80 ㎛의 입도 분포를 가져야 하며, 이때, 35-40%, 바람직하게는 40-60%의 입자가 50 ㎛ 미만이어야 한다. 폴리머의 녹는점은 150 ℃ 미만, 바람직하게는 120 ℃ 미만, 최적으로는 110 ℃ 미만이어야 한다. 베스타멜트(VESTAMELT) 730-P1가 이러한 최종 용도에 매우 적합하다.

열분해 전, 5-15%, 바람직하게는 7-10% 분량 범위의 폴리아미드의 첨가는 내부 BET 표면적을 600 내지 800 m²/g까지 상당히 증가시킨다. 열분해 중, 코폴리아미드는 실질적으로 완벽하게 열적으로 분해되고, 100-480 ㎛, 바람직하게는 220-350 ㎛ 범위의 벽 두께를 갖는 채널 벽을 형성한다. 이것은, 훨씬 더 작은 필터를 생산할 수 있도록 하는, 매우 증대된 표면적과 결부된 충분한 안정성을 제공한다. 디젤 승용차의 배기 가스 부분에서 특히, 상대적으로 작은 부피의 필터를 제공하는 것이 필요하다. 코폴리아미드의 사용에 의한 벽 두께의 감소는, 심지어 70 ㎛만큼의 감소와 동시에 채널 밀도의 증가와 함께, 같은 부피를 갖는 필터 내부 표면적을 상당히 증가시킨다.

다공성 SiC 함유 세라믹 성형체는 필터 시스템, 예를 들어 다공성 SiC 함유 세라믹 성형체가 그 안에 정렬되는, 자동차의 배기가스 시스템 또는 내연기관의 배기가스 처리 시스템에, 사용하기 적합하다. 마찬가지로 세라믹 성형체는 촉매 지지 구조로써 및 대응하는 촉매 시스템으로써의 용도를 발견할 수도 있다. 그의 예는 자동차, 선박 엔진, 건축 운송 수단 및 시스템의 결과로 미세 먼지를 배출하는 내연 기관을 가지는 기계이다.

연구를 위해 생산된 세라믹 성형체는 EP　1　741　685　A1에 기초한 베스타멜트 730-P1 분말을 사용하여 수성 세라믹 슬러리로부터 제조하였다. 이를 위하여, 0.001 내지 75 ㎛ 범위의 입도 분포를 갖는 규소 함유 입자가, 0.001 내지 35 ㎛ 범위의 입도 분포를 갖는 탄소 함유 입자와 혼합되고, 0 내지 80 ㎛의 입도 분포를 갖는 코폴리아미드 분말과 혼합되고, 830 ℃에서 열분해된다. 이미 이 단계에서, 코폴리아미드 분말의 열분해는 일어나고, 타 없어지는 과정의 결과로 내부 표면적의 증가가 일어난다. 현재와 같은 경우에, 내부 BET 표면적을 780　m²/g까지 올리는 것이 가능했다. 이어서, 1450 ℃에서의 실리시제이션이 여과재를 구성하는 탄화 규소 SiC를 형성시켰다.

다음과 같은 물질 조성이 사용되었다:

활성 탄소 8.9%

규소 분말 40.0%

베스타멜트 730-P1 8.0%

물 24.0%

페놀 수지 12.5%

보조제 6.6%

Claims (8)

1. 규소 함유 입자로 구성되는 물질이 폴리아미드의 존재 하에 열분해 되는 것을 특징으로 하는, 디젤 차량용 재생 가능한 세라믹 미립자 필터의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 5 내지 15%의 코폴리아미드 분말이 탄화 규소에 첨가되고, 그리고 나서 이 중합체가, 분출 후에, 약 350 ℃에서 다시 완전 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 코폴리아미드 분말이 0 내지 200 ㎛ 범위의 분말 입도 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 라우로락탐, 카프로락탐, 도데칸디오산 및 메틸펜타메틸렌디아민을 기초로 하는 코폴리아미드 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 코폴리아미드 분말이 150 ℃ 미만의 녹는점을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 열분해가 600 내지 1000 ℃에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 350 m²/l 초과의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 디젤 차량용 재생 가능한 세라믹 미립자 필터.
8. 600 내지 800 m²/l의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 디젤 차량용 재생 가능한 세라믹 미립자 필터.