KR20130013903A

KR20130013903A - 필터프레스를 이용한 알루미나 세라믹스 제조 방법

Info

Publication number: KR20130013903A
Application number: KR1020110075825A
Authority: KR
Inventors: 박경호; 최문환; 이형재; 장봉석
Original assignee: (주)에스에이치이씨
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-02-06

Abstract

필터프레스를 이용하여 고밀도이며 취급 강도가 우수한 알루미나 세라믹스를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 알루미나 세라믹스 제조 방법에서는 알루미나(Al₂O₃) 원료 및 가소 처리된 알루미나 원료를 포함하는 원료 분말을 습식 혼합하여 슬러리를 얻는다. 필터프레스를 위한 성형 몰드를 조립한 후, 수평면에 대하여 상기 성형 몰드를 기울여 상기 성형 몰드 내에 상기 슬러리를 주입한다. 그런 다음, 상기 성형 몰드를 수평으로 유지하여 가압 성형한다. 상기 성형 몰드로부터 성형체를 탈형한 후, 건조 및 소결 처리한다.

Description

필터프레스를 이용한 알루미나 세라믹스 제조 방법 {Alumina ceramics fabrication method using filter press}

본 발명은 필터프레스를 이용한 세라믹스 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터프레스 슬러리를 효과적으로 공급시킴으로써 기포 발생 억제 및 고밀도 대형 세라믹 제조가 가능한 원료 조합, 성형 방법 및 건조 방법을 포함하는 세라믹스 제조 방법에 관한 것이다.

대형 세라믹스 제조에는 CIP(Cold Isostatic Pressure), 슬립 캐스팅(slip casting) 등이 대표적으로 이용되고 있다. CIP의 경우 모든 방향에서 분말에 동일한 압력을 주어 성형하므로 특성이 우수한 세라믹 제조가 가능하지만, 고가의 장비를 이용해야 하고 제품 대량생산이 어려우며 제품 형상에 맞는 몰드 설계 등의 어려움이 있다. 슬립 캐스팅의 경우 석고 몰드에 슬러리 주입 후 석고의 삼투압을 이용하여 성형하는 방법으로, 대량생산이 어려우며 석고 몰드의 빈번한 교체가 필요할 뿐더러 소결체의 취급 강도가 취약하고 생산 재현성 제어가 어렵다는 단점이 있다.

고밀도이며 취급 강도가 우수한 대형 세라믹스 제조에 있어서는 여러 가지 제약이 발생한다. 슬러리를 사용하는 성형 방법의 경우, 슬러리 주입시 기포가 발생할 수도 있으며 원료 혼합기, 교반기, 몰드 등 슬러리가 통과하는 각종 부분에서 철분 등의 불순물이 같이 유입될 경우 제품의 밀도 저하 및 기공 발생을 가져오기도 한다. 또한 성형체 탈형시 성형체의 파손 혹은 기공(pore)이 발생할 수 있으며, 적절한 건조가 이루어지지 않을 경우 소결시 크랙(crack) 및 파괴의 원인이 되기도 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 필터프레스를 이용하여 고밀도이며 취급 강도가 우수한 알루미나 세라믹스 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 알루미나 세라믹스 제조 방법은 알루미나(Al₂O₃) 원료 및 가소 처리된 알루미나 원료를 포함하는 원료 분말을 습식 혼합하여 슬러리를 얻는 단계; 필터프레스를 위한 성형 몰드를 조립하는 단계; 수평면에 대하여 상기 성형 몰드를 기울여 상기 성형 몰드 내에 상기 슬러리를 주입하는 단계; 상기 성형 몰드를 수평으로 유지하여 가압 성형하는 단계; 상기 성형 몰드로부터 성형체를 탈형하는 단계; 상기 성형체를 건조하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.

상기 습식 혼합 후 진공 교반을 통해 상기 슬러리 내 기포를 제거하는 단계를 더 수행하면 바람직하다. 상기 슬러리를 주입하는 단계에서는 수평면에 대하여 30~80ㅀ의 각도로 상기 성형 몰드를 기울여 상기 슬러리를 가압없이 주입하는 것이 바람직하다. 상기 자연 건조는 20~35℃에서 24~36 시간 수행하고, 상기 항온항습 건조는 항온항습실에서 10~20 일, 20~40℃, 습도 70~90%에 맞춰 수행하며, 상기 고온 건조는 50~70℃에서 1~10 일 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알루미나 세라믹스는 가소분이 포함된 알루미나로 제조하므로, 건조시 성형 강도가 우수하다.

본 발명에 따르면, 필터프레스 슬러리를 효과적으로 공급시킴으로써 기포 발생을 최소화하고, 불순물을 제거할 수 있다. 그리고, 최적화된 건조 방법을 통하여 크랙 및 파괴없이 고밀도이며 취급 강도가 우수한 알루미나 세라믹스를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹스 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 몰드 조립을 도시한 단면도이다.
도 3은 성형이 완료된 성형 몰드의 탈형을 도시한 구성도이다.
도 4는 슬러리 주입과 가압 성형 상태의 사진이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에서는 슬립 캐스팅과는 달리 성형체의 생산 능력을 향상시키기 위한 필터프레스로 슬러리를 가압하여 탈수하는 필터프레스를 이용하여 세라믹스를 제조하고자 한다.

필터프레스는 일반적으로 여러 분야에서 처리 설비로 사용되고 있으며, 압축에 의해 다중 설치된 여과판 사이 사이에 체가 함유된 입자를 유입시키되 입자(일명 케익: 화학, 광산,세라믹,식품, 의약품 등)를 걸러주고 여액(물, 오일, 화학용액)만을 분리 내지 추출하는 장비이다.

상기와 같은 필터프레스에는 별도의 슬러리 탱크에 저장된 혼합 슬러리를 공급하게 되며, 이때 탱크에 보관된 슬러리는 소용량의 단독 펌프 작용에 의해 필터프레스 내부로 유입되는 공정을 통하게 된다.

상기와 같은 구성의 필터프레스 여과판의 전 · 후면에는 여과포가 장착되어, 슬러리 탱크에 수용된 슬러리가 응집제를 통해 응집된 상태에서 펌프 작용에 의해 여과판 방향으로 유입되는 슬러리 유입 공정과, 상기 여과판으로 인입된 슬러리가 압축되는 가압 공정 및 인입되는 압력에 의해 탈수 처리되는 슬러리 탈수공정을 거쳐 슬러리 내에 함유된 고형물은 케익으로 형성되어 여과포의 표면이나 여과판 사이에 침적되고, 고형물을 제외한 여과액이 여과액 배출구를 통해 외부로 배출되어 성형체가 제작되는 공정을 거치게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹스 제조 방법의 순서도이다.

먼저 도 1의 단계 s1에 따라 알루미나(Al₂O₃) 원료 및 가소 처리된 알루미나 원료를 포함하는 원료 분말을 습식 혼합하여 슬러리를 얻는다.

본 발명에 따른 알루미나 세라믹스는 가소분이 포함된 알루미나로 제조하므로, 건조시 성형 강도가 우수하다. 가소 처리된 알루미나는 99%의 알루미나 원료를 1000~1200℃의 온도에서 5~15 시간 열처리하여 제조한다. 바람직하게는 1100℃ 이상의 온도에서 10 시간 이상 열처리한다. 준비된 가소분 알루미나 60~80wt%와 알루미나 원료 20~40wt%로 이루어지는 원료 분말에 각종 소결 조제 그리고 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한다.

상기 원료 분말에 첨가되는 소결 조제의 양은 전체 원료 분말 중량에 대하여 10~20wt% 첨가한다. 이때 사용되는 소결 조제는 바인더, 분산제, 윤활제, 구연산 등이 있다.

상기 원료 분말은 습식 혼합 방법인 볼 밀링(ball milling) 또는 어트리션 밀링(attrition milling)을 이용하여 슬러리로 제조한다.

볼 밀링 이용시에는 5~24 시간 교반하여 슬러리를 얻고, 어트리션 밀링 이용시 5~10 시간 교반하여 슬러리를 얻을 수 있다. 그리고, 습식 혼합 후에는 진공 교반을 통해 슬러리 내 기포를 제거해주는 단계를 더 수행함이 바람직하다. 진공 교반은 0.1Mpa 이하의 진공 분위기에서, 더 바람직하게는 0.01Mpa 이하의 조건에서 수행한다.

다음으로, 단계 s2에 따라 필터프레스를 위한 성형 몰드를 조립한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 몰드 조립을 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 성형 몰드(M)를 조립하는 단계는 금형(60)을 고정시키기 위한 클램프 체결용 프레임(10), 하측 성형 플레이트인 성형 PVC판넬(20), 여과액이 배출되기 위한 여과판(타공판)(30), 수분 제거를 위한 여과포(40), 기포를 제거해주기 위한 한지(50), 금형(60), 상측 성형 플레이트인 다른 성형 PVC판넬(25), 클램프(70) 체결 순서로 수행한다. 상기 성형 PVC판넬(25)는 상기 슬러리가 닿는 면에 아스테이지(80)를 씌워주는 것이 바람직하다.

클램프 체결용 프레임(10) 위에 성형 PVC판넬(20)을 적재하고 그 위에 여과판(30)과, 여과포(40), 한지(50)를 적재한 후 금형(60)을 셋팅한다. 그 후 성형 PVC판넬(25)로 덮어주는데, 원하는 성형체의 수량에 맞게 여과판, 여과포, 한지, 성형 PVC판넬 순으로 계속 적층 배열할 수 있다. 성형하고자 하는 성형체의 수량에 따라 1~5층의 적재가 가능하다.

다음으로, 단계 s3 및 s4를 참조하여 조립된 성형 몰드(M) 내에 슬러리를 주입하고 가압 성형한다. 도 4는 슬러리 주입과 가압 성형 상태의 사진이다.

단계 s3의 슬러리 주입은 내부 기포 발생을 억제하기 위하여 도 4의 (a)와 같이 성형 몰드(M)를 수평면에 대하여 기울여, 바람직하게는 30~80 ㅀ의 각도로 기울여 아래에서 위로 가압없이 주입을 한다. 가압없이 주입시 슬러리 내부의 불순물 혼합 방지를 위하여 철분제거용 장치를 거쳐 5~18 시간 주입할 수 있다. 슬러리 주입이 완료된 것을 외부 연결 호스를 통해 확인한 후 원료가 더 이상 주입이 되지 않으면 슬러리 주입을 멈추고 단계 s4의 가압 성형을 시작한다.

가압 성형의 경우 도 4의 (b)와 같이 성형 몰드(M)를 수평으로 조정한 후 가압한다. 이때 0.2~0.5Mpa의 압력으로 12~36 시간 가압한다.

다음, 단계 s5와 같이 성형 몰드(M)로부터 성형체(110)를 탈형한다. 도 3은 성형이 완료된 성형 몰드의 탈형을 도시한 구성도이다. 먼저 성형용 PVC판넬(20, 25), 여과판(30), 여과포(40), 한지(50) 및 아스테이지(80)를 제거 후 급건조되는 것을 방지하기 위해 신문지(90)로 성형체(110)를 덮어주어 강화유리(100) 위에 적재한다. 24~36 시간이 지난 후에 금형(60)을 제거한다.

다음으로 단계 s6에 나타낸 바와 같이 성형체(110) 건조를 진행한다.

건조는 자연 건조, 항온항습 건조 및 고온 건조의 단계를 거치며, 자연건조의 경우 상온(20~35℃)에서 24~36 시간 건조한다. 항온항습 건조는 항온항습실에서 10~20 일, 온도(20~40℃), 습도 70~90%에 맞춰 건조한다. 항온항습된 성형체는 고온(50~70℃)에서 1~10일 건조한다.

다음으로 단계 s7에 나타낸 바와 같이 소결을 진행하여 소결체를 얻는다. 소결 단계는 대기 혹은 산소 분위기 하에서, 1600~1800℃ 온도 범위에서 0.5 시간 이상 동안, 바람직하게는 2~5 시간을 수행한다.

위와 같은 s1 내지 s7 공정 단계 진행시, 길이 100mm 이상, 폭 50mm 이상, 두께 5mm 이상의 세라믹 플레이트 규격을 가지며 소결 밀도가 3.7 g/cm³ 이상인 알루미나 세라믹스를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미나 세라믹스 제조에 있어서 본 발명에 따른 제조 방법은 하기의 예시적인 구현예에서 더 상세하게 설명한다.

성형체 제작을 위한 원료를 제작함에 있어서, 원료 분말로서 약 1100℃에서 가소 처리된 가소 분말과 평균 입도 0.3㎛인 99.7%의 알루미나 생원료를 사용하여 표 1의 조성비와 같이 여러 가지 조성의 소결 조제를 첨가하여, 순도 97% 알루미나 볼을 사용하여 12 시간 볼밀링하였다.

볼밀링된 슬러리의 입도는 0.5 ㎛이었고, 이 슬러리에 전체 알루미나 원료 중량에 대하여 10wt%의 바인더를 첨가하여 진공 교반기내에 투입하였다. 실시예 1의 경우 0.05MPa의 진공에서 10hz의 속도로 24 시간 교반한 후 진공도를 0.1Mpa으로 변경하여 성형 몰드 내에 원료 주입을 시작하였다. 원료 주입은 자연압 주입으로 하여 공기를 제거하는 호스의 끝단에 슬러리가 찰 때까지 지속적으로 주입하였고 원료 주입 밸브를 닫은 후 가압을 시작하였다. 가압은 0.3MPa의 압력으로 24 시간 동안 수행하였다.

다음 단계에서, 상기와 같이 제조된 성형체는 상온에서 자연건조 후 항온항습 30℃, 습도 80% 이상 조건 하에서 건조 단계를 거친 후, 고온 건조한 후 소결하였다.

이렇게 제조한 실시예 1 알루미나 제품의 밀도는 3.9 g/cm³이었다.

실시예 2~3은 실시예 1에서 원료 조합비를 변경한 것으로, 원료 조합비가 변경됨에 따라 밀도가 저하되고 내부 기공이 발견되었다.

비교예 1은 실시예 1에 비하여 진공 교반기내 압력이 작은 경우이고, 비교예 2는 실시예 1에 비하여 진공 교반기내 압력이 큰 경우이다. 교반 압력이 낮을 경우 슬러리 내에 기포가 다량 발생하였으며 제품 내부에도 기공 발생하였고, 교반 압력이 높을 경우 슬러리 점도가 높아 슬러리 수율 저하 및 제품 밀도도 저하되었다.

비교예 3은 실시예 1에 비하여 자연 건조 기간을 36 시간으로 늘린 것으로, 크랙 발생 및 밀도 저하가 확인되었다.

비교예 4는 실시예 1에 비하여 고온 건조 온도가 높은 경우이다. 제품의 취급강도는 좋았으나 소결 후 크랙 및 휘어짐(bending) 발생으로 인해 밀도 저하되었다.

비교예 5는 실시예 1에 비하여 고온 건조 기간이 짧은 경우이고, 비교예 6은 실시예 1에 비하여 고온 건조 기간이 긴 경우이다. 고온 건조 기간이 짧은 경우 제품의 휘어짐이 심하였으며, 고온 건조 기간이 늘어날 경우 휘어짐, 크랙으로 인하여 제품 밀도 저하되었다.

비교예 7은 실시예 1에 비하여 소결 온도가 저온인 경우이다. 소결 온도가 낮아짐에 따라 완전 치밀화되지 않음으로 인해 밀도 저하가 나타났다.

이상에서 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 도시하고 상세히 설명하였으나, 본 발명은 특정의 바람직한 실시예로 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

알루미나(Al₂O₃) 원료 및 가소 처리된 알루미나 원료를 포함하는 원료 분말을 습식 혼합하여 슬러리를 얻는 단계;
필터프레스를 위한 성형 몰드를 조립하는 단계;
수평면에 대하여 상기 성형 몰드를 기울여 상기 성형 몰드 내에 상기 슬러리를 주입하는 단계;
상기 성형 몰드를 수평으로 유지하여 가압 성형하는 단계;
상기 성형 몰드로부터 성형체를 탈형하는 단계;
상기 성형체를 건조하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 원료 분말 중 가소 처리된 알루미나 원료는 60~80wt%이고 알루미나 원료는 20~40wt%인 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 가소 처리된 알루미나는 알루미나 원료를 1000~1200 ℃의 온도에서 5~15 시간 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 습식 혼합 후 진공 교반을 통해 상기 슬러리 내 기포를 제거하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 진공 교반은 0.1MPa 이하의 진공 분위기에서 12~36 시간 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형 몰드를 조립하는 단계는 금형을 고정시키기 위한 클램프 체결용 프레임, 하측 성형용 플레이트, 여과액이 배출되기 위한 여과판, 수분 제거를 위한 여과포, 기포를 제거하기 위한 한지, 금형, 상측 성형용 플레이트, 클램프 체결 순서로 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 상측 성형용 플레이트는 상기 슬러리가 닿는 면에 아스테이지를 씌워주는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 슬러리를 주입하는 단계에서는 수평면에 대하여 30~80ㅀ의 각도로 상기 성형 몰드를 기울여 상기 슬러리를 가압없이 주입하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 가압 성형은 0.2~0.5MPa의 압력으로 12~36 시간 가압하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 성형체의 탈형 단계는 상기 하측 및 상층 성형용 플레이트, 여과판, 여과포 및 한지 제거 후 신문지로 상기 성형체를 덮어 강화유리 위에 적재하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 강화유리 위에 적재된 성형체는 24~36 시간이 지난 후에 상기 금형을 제거하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 건조하는 단계는 자연 건조, 항온항습 건조 및 고온 건조 순으로 진행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 자연 건조는 20~35℃에서 24~36 시간 수행하고, 상기 항온항습 건조는 항온항습실에서 10~20 일, 20~40℃, 습도 70~90%에 맞춰 수행하며, 상기 고온 건조는 50~70℃에서 1~10 일 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 소결하는 단계는 대기 혹은 산소 분위기 하에서, 1600~1800℃ 온도 범위에서 0.5 시간 이상 동안 수행하는것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 소결하는 단계는 대기 혹은 산소 분위기 하에서, 1600~1800℃ 온도 범위에서 2~5 시간을 수행하는것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹스 제조 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 의해 제조되어 길이 100mm 이상, 폭 50mm 이상, 두께 5mm 이상의 세라믹 플레이트 규격을 가지며 소결 밀도가 3.7 g/cm³ 이상인 알루미나 세라믹스.