KR20140093682A

KR20140093682A - 다공질 뮬라이트 함유 복합재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140093682A
Application number: KR1020147013146A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 제이 파이직; 니콜라스 엠 신켈; 로빈 피 지바쓰
Original assignee: 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-07-28
Also published as: JP6404716B2; US20150037531A1; DE112012004833T5; WO2013078005A1; JP2015502905A; US9764991B2; CN103958442A

Abstract

다공질 알루미늄 함유 세라믹체는 그들의 세공의 표면 상에 침상 뮬라이트 결정이 형성되도록 처리된다. 결정은 세라믹체를 불소 함유 기체 또는 불소 및 규소 원자 둘 다의 공급원과 접촉시켜 세공의 표면에 플루오로토파즈(fluorotopaz)를 형성하고, 이어서 플루오로토파즈를 분해하여 침상 뮬라이트 결정을 형성함으로써 형성된다. 상기 방법은 출발 세라믹체의 기하학적 구조(크기, 형태, 일반적인 세공 구조)를 유지하면서 세라믹체의 표면적이 상당히 증가되도록 한다. 더 큰 표면적은 세라믹체가 미립자 필터로서 더 효율적이도록 하고, 또한 촉매 물질이 더 쉽게 도입되도록 한다.

Description

다공질 뮬라이트 함유 복합재의 제조 방법{METHOD FOR MAKING POROUS MULLITE-CONTAINING COMPOSITES}

본 발명은 큰 표면적의 다공질 세라믹의 제조 방법에 관한 것이다.

다공질 세라믹은 필터 재료로서 및 촉매 지지체로서 점점 더 많이 사용되고 있다. 세라믹은 보통 다른 유형의 다공질 재료, 예를 들어 유기 중합체보다 훨씬 더 열적으로 및 화학적으로 안정하고, 따라서 많은 고온 및/또는 부식 환경용으로 선택되는 재료이다. 예를 들어, 세라믹 필터는 연소 배기 스트림으로부터 미립자 물질을 제거하는 데에 폭넓게 사용된다. 차량 배기 필터, 특히 디젤 미립자 필터가 그러한 응용의 예이다. 촉매 변환기는 종종 1종 이상의 촉매 물질을 지닌 세라믹 필터를 포함한다.

이러한 응용에 사용된 세라믹 재료 중에는 알루미나, 다양한 알루미노실리케이트, 예를 들어 침상 뮬라이트, 코디어라이트 및 티얼라이트, 알칼리 알루미노실리케이트(소위 "지오폴리머(geopolymer)"를 포함함), 알루미늄 티타네이트, 규소 카바이드가 있다. 침상 뮬라이트체는 고유한 미세구조를 갖는다. 침상 뮬라이트체는 그들의 교차점에서 하나로 결합된 매우 긴 모양의 "휘스커(whisker)"들로 이루어진다. 침상 뮬라이트체의 세공은 고도로 상호 연결되어 복잡한 기하학적 구조를 갖는다. 다른 세라믹 재료는 이렇게 고도의 침상 구조를 갖지 않는다. 그들은 대신 매우 매끄러운 세공 벽을 특징으로 하는 보다 잘 정의된 세공 구조를 갖는 경향이 있다.

세라믹체를 통한 압력 강하가 우려되는 경우에는 매끄러운 세공 벽을 갖는 것이 유익할 수 있는데, 이는 보다 매끄러운 세공 벽은 필터를 통과하는 기체 스트림상에 마찰 항력을 덜 생성하기 때문이다. 한편, 매끄러운 세공을 갖는 세라믹체는 종종 낮은 표면적을 갖는다. 세라믹체가 예를 들어 촉매 지지체로 사용될 때에는 큰 표면적을 갖는 것이 매우 중요할 수 있는데, 이는 큰 표면적은 촉매 반응이 일어날 수 있는 더 많은 수의 촉매 사이트를 발생시킬 수 있기 때문이다. 매끄러운 세공을 갖는 세라믹체의 다른 문제는 적용되는 코팅 및/또는 촉매 재료가 때때로 세공 표면에 잘 접착되지 않는 경향이 있다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 다공질 세라믹체의 표면적을 증가시키는 것이 때때로 바람직하다.

이를 수행하는 한 방법은 큰 표면적의 재료로 매끄러운 세공의 코팅을 시도하는 것이다. 이것은 코팅 재료, 예를 들어 콜로이드성 알루미나를 적용하거나 세공의 표면 상에서의 나노와이어의 성장을 통해 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 대형 부품에 응용하기에는 실용적이지 않으며, 적용된 재료가 균일하게 적용되기 어렵고, 분포된 재료가 종종 매끄러운 세공 표면에 대한 낮은 접착력으로 인해 쉽게 떨어진다.

본 발명은

(a) 출발 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체의 세공을 기체상 불소 함유 화합물과, 또는 출발 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체가 규소를 함유하지 않는 경우 규소 원자 및 불소 원자의 기체상 공급원과 700 내지 1200℃의 온도에서 접촉시켜 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체의 세공의 표면의 적어도 일부상에 플루오로토파즈(fluorotopaz)를 형성하는 단계; 및 이어서

(b) 세라믹체를 1000 내지 1500℃의 온도로 가열하여 플루오로토파즈를 세라믹체의 세공의 표면에 부착된 침상 뮬라이트 휘스커로 변환하는 단계

를 포함하는, 출발 다공질 알루미늄 함유 세라믹체의 표면적을 증가시키는 방법이다.

놀랍게도, 출발 세라믹체는 정의된 세공 구조를 가짐에도, 출발 세라믹체는 입자의 단순한 축적보다는 반응하여 출발 세라믹체의 세공에 침상 뮬라이트 휘스커를 형성한다. 더 놀랍게도, 출발 세라믹체의 세공 구조 및 일반적인 치수는 세공의 내부 표면을 포함하여 출발 세라믹체 표면의 조도가 침상 뮬라이트 휘스커의 생성으로 인해 상당히 증가되는 것을 제외하고는 본질적으로 유지된다. 침상 뮬라이트 휘스커는 세라믹 구조의 나머지에 결합되고 그에 단단히 부착되어 세공 표면으로부터 쉽게 떨어지지 않게 된다. 따라서, 이러한 방법은 출발 세라믹체의 표면적 증가를 위한 효과적인 방법이다. 침상 뮬라이트 휘스커는 출발 세라믹체의 세공 구조 전체에 매우 균일하게 형성된다.

따라서, 본 발명은 또한 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체로서, 알루미네이트는 침상 뮬라이트가 아니고, 세공 중 적어도 일부의 내부 표면에 결합된 침상 뮬라이트 결정을 갖는 세라믹체이다.

도 1a는 종래 기술의 α-알루미나 발포체의 현미경 사진이다.
도 1b는 본 발명에 따른 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 도입한 후, 도 1a의 α-알루미나 발포체의 현미경 사진이다.
도 1c는 본 발명에 따른 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 도입한 후, 도 1a의 α-알루미나 발포체의 더 높은 배율에서의 현미경 사진이다.
도 2a는 종래 기술의 알칼리 알루미노실리케이트 발포체의 현미경 사진이다.
도 2b는 본 발명에 따른 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 도입한 후, 도 2a의 알칼리 알루미노실리케이트 발포체의 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 도입한 후, 알루미나 티타네이트 허니콤(homeycomb)의 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 도입한 후, 코디어라이트 허니콤의 현미경 사진이다.

출발 세라믹체는 다공질이고 알루미네이트 함유 세라믹 재료를 함유한다. "알루미네이트"는 단순히 세라믹 재료가 산소에 결합된 알루미늄을 함유함을 의미한다. 세라믹 재료는 다른 금속 또는 비금속 원자를 함유할 수 있다. 출발 세라믹체로서 유용한 알루미네이트 함유 세라믹의 예는 예를 들어 알루미나; 알루미늄 티타네이트; 및 다양한 알루미노-실리케이트, 예를 들어 소위 "지오폴리머" 재료를 포함하는 알칼리 알루미노실리케이트, 코디어라이트, 비침상 뮬라이트 등을 포함한다. 세라믹체는 세라믹 재료와 예를 들어 다른 세라믹 또는 금속(금속 침윤된 세라믹의 경우)일 수 있는 다른 재료의 복합재일 수 있다. 세라믹체는 세공의 존재를 제외하고 이론적 밀도의 바람직하게는 90% 이상, 더 바람직하게는 95% 이상으로 치밀화된다.

출발 세라믹체는 정의된 세공을 갖는 거시적 덩어리이고, 말하자면 세라믹체는 미세한 미립자의 형태이기보다는, 각각 전형적으로 10 g 이상의 질량을 갖는 하나 이상의 더 큰 단일 덩어리의 형태이다. 각각의 단일 덩어리는 10 kg 이상일 수도 있다.

출발 세라믹체는 일반적으로 약 30% 내지 85%의 다공도를 가질 것이다. 바람직하게는, 출발 세라믹체는 약 40% 이상, 더 바람직하게는 약 45% 이상, 더욱더 바람직하게는 약 50% 이상, 가장 바람직하게는 약 55% 이상 내지 바람직하게는 약 80% 이하, 더 바람직하게는 약 75% 이하, 가장 바람직하게는 약 70% 이하의 다공도를 갖는다. 다공도는 액침 방법으로 측정된다. 세공 크기는 예를 들어 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛, 더 전형적으로는 약 10 내지 50 ㎛ 또는 10 내지 30 ㎛일 수 있다. "세공 크기"는 본 발명의 목적상 수은 세공측정법(단면이 원형인 실린더형 세공으로 가정함)에 의해 측정된 겉보기 부피 평균 세공 직경으로 표현된다.

일부 실시양태의 출발 세라믹체는 축 방향으로 연장되는 다공질 벽의 교차에 의해 형성된 하나 이상의 축 방향으로 연장되는 셀을 갖는 허니콤의 형태를 취할 수 있다. 벽과 그러한 허니콤 교차점은 셀의 수뿐만 아니라 그의 단면 크기와 치수를 정의한다. 많은 여과 또는 촉매화에 응용하기 위한 전형적인 허니콤은 20 내지 300 셀/제곱인치(약 3 내지 46 셀/㎠)의 단면적(축 방향을 가로지르는 단면적)을 포함할 수 있다. 벽 두께는 전형적으로 0.025 내지 10 mm, 바람직하게는 0.05 내지 1 mm이지만, 더 크거나 작은 벽 두께도 사용될 수 있다. 그러한 허니콤은 단일체(즉, 단일 조각으로 형성됨)일 수 있고, 또는 개별적으로 제조된 후 일반적으로 세라믹 시멘트를 사용하여 각각의 조각을 함께 접착시켜 하나로 조립된 더 작은 허니콤 구조들의 조립체일 수 있다.

출발 세라믹체를 기체상 불소 함유 화합물과, 또는 출발 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체가 규소를 함유하지 않는 경우 규소 원자 및 불소 원자의 기체상 공급원과 접촉시킨다. "기체상"은 화합물이 이 접촉 단계 동안 존재하는 온도 및 압력 조건하에서 기체의 형태임을 의미한다.

적합한 불소 함유 화합물의 예는 SiF₄, AlF₃, HF, Na₂SiF₆, NaF, NH₄F, 메틸렌 디플루오라이드, 트리플루오로메탄, 테트라플루오로메탄, 1,1,1,2,2-펜타플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 1,1,2-트리플루오로에탄, 1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1-디플루오로에탄, 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판, 1,1,2,2,3,3-헥사플루오로프로판, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로에탄, 1,1,2,2,3-펜타플루오로펜탄, 1,1,1,4,4,4-헥사플루오로부탄 및 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄을 포함한다.

출발 세라믹체에 규소 원자가 없는 경우에는, 이를 규소 원자 및 불소 원자의 기체상 공급원과 접촉시킨다. SiF₄ 또는 Na₂SiF₆와 같은 단일 화합물은 규소 원자 및 불소 원자 모두를 제공할 수 있다. 또한, 1종 이상의 기체상 규소 함유 화합물과 1종 이상의 기체상 불소 함유 화합물의 혼합물을 사용하는 것이 가능하다.

SiF₄는 출발 세라믹체가 규소 원자를 함유한 경우에도 바람직한 불소 함유 화합물이다.

출발 세라믹체를 불소 함유 화합물 또는 규소 및 불소 원자의 기체상 공급원과 700 내지 1200℃의 온도에서 접촉시킨다. 어느 정도는, 상기 단계 동안 발생하는 플루오로토파즈 형성 반응은 침상 뮬라이트를 형성하는 후속 플루오로토파즈의 분해와 경쟁한다. 그러나, 플루오로토파즈 형성 반응은 1000℃ 이하, 바람직하게는 900℃ 이하, 더 바람직하게는 800℃ 이하의 저온에서 우세하다. 제1 단계는 침상 뮬라이트 형성 반응으로부터 플루오로토파즈 형성 반응을 더 잘 분리시키기 위해 상기 저온에서 수행하는 것이 일반적으로 바람직하다. 저온은 플루오로토파즈 형성이 플루오로토파즈를 침상 뮬라이트로 전환하는 분해 반응으로부터 분리되어 발생되도록 한다. 생소지(green body)를 먼저 진공 또는 불활성 기체, 예를 들어 질소 또는 영족 기체하에 적어도 500℃의 온도를 얻을 때까지 가열한 후, 불소 함유 화합물을 도입하고 플루오로토파즈 형성 단계에 필요한 온도가 달성될 때까지 세라믹체를 계속 가열함으로써, 상기 접촉 단계를 수행하는 것이 전형적으로 바람직하다.

플루오로토파즈 형성 반응 동안의 공정 기체는 100% 이하의 불소 함유 화합물(또는 경우에 따라 규소 원자 및 불소 원자의 공급원)을 함유할 수 있으나, 80 내지 99 중량%, 특히 85 내지 95 중량%의 반응성 기체상 화합물을 함유하고 나머지는 불활성 기체인 혼합물을 사용하는 것이 또한 가능하다. 불활성 기체는 예를 들어 출발 물질에 함유된 불순물로부터 또는 플루오로토파즈 형성 또는 침상 뮬라이트 형성 반응으로부터 형성되는 다양한 기체상 부산물일 수 있다.

공정 기체의 흐름은 플루오로토파즈 형성 단계 동안 출발 세라믹체를 통해 확립될 수 있다. 이는 공정 기체가 세공 구조를 통해 침투하여 세공의 내부 표면과 접촉하도록 한다.

상기 제1 반응 단계 전반의 불소 함유 화합물(또는 경우에 따라 규소 원자 및 불소 원자의 공급원)의 분압은 요구된 수준으로 조절되거나 유지될 수 있고/거나 반응의 과정 동안 달라질 수 있다. 기체상 반응 화합물의 분압을 조절하는 것은 반응 속도에 대한 일부 조절을 가능하게 한다. 기체상 반응 화합물의 전형적인 분압은 400 내지 1000 torr(53.2 내지 133.3 kPa), 특히 400 내지 750 torr(53.2 내지 99.7 kPa)이다. 반응의 과정 동안 분압을 변경하는 것이 가능하다.

상기 제1 접촉 단계 동안, 플루오로토파즈는 공정 기체가 세공 구조를 통해 침투한 범위까지 세공의 표면을 포함하는 세라믹체의 노출된 표면 상에 형성된다. 불소 함유 화합물(및 존재할 경우, 규소 원자의 공급원)은 기체이기 때문에 쉽게 세공 구조를 통해 침투하여, 특히 공정 기체가 세라믹체를 통해 흐르게 되는 경우에는 내부 세공의 표면에서도 반응할 수 있다. 결과적으로, 플루오로토파즈 형성은 전형적으로 세라믹체의 세공 구조 전반에서 발생한다.

공정 기체는 치밀화된 세라믹 재료 내로 쉽게 침투할 수 없기 때문에, 플루오로토파즈 형성은 세공의 벽을 포함하여 세라믹 재료의 노출된 표면에서만 전적으로 발생하는 것으로 여겨진다.

그 후, 세라믹체를 비산화성(non-oxidizing) 대기에서 1000 내지 1500℃의 온도로 가열하여 플루오로토파즈를 세라믹체의 세공의 표면에 부착된 침상 뮬라이트 휘스커로 전환한다. 이러한 고온에서는, 상기 단계가 불소 함유 기체 및/또는 규소 및 불소 원자의 기체상 공급원의 존재하에 수행되는 경우에도, 침상 뮬라이트를 형성하는 플루오로토파즈 분해 반응이 매우 우세하다. 따라서, 상기 단계 동안의 대기는 그러한 화합물을 포함할 수 있다. 불소 함유 화합물 또는 규소 원자 및 불소 원자의 공급원의 분압은 경우에 따라 755 torr(100 kPa)를 넘지 않는 것이 유리하고, 0 torr를 포함하는 임의의 더 낮은 수치일 수 있다. 상기 제2 단계는 불소 함유 화합물 또는 규소 및 불소 원자의 공급원 중 어느 것도 함유하지 않거나, 또는 그러한 화합물의 분압이 250 torr(33.2 kPa) 이하, 바람직하게는 50 내지 250 torr(6.7 내지 33.2 kPa) 또는 50 내지 150 torr(6.7 내지 20 kPa)인 대기 중에서수행하는 것이 바람직하다.

플루오로토파즈는 분해되어 침상 뮬라이트를 형성하면서 규소 테트라플루오라이드 기체를 배출한다. 상기 공정은 흡열 반응이다. 플루오로토파즈 분해 단계 동안의 온도는 바람직하게는 1050℃ 이상 또는 1100℃ 이상, 바람직하게는 1300℃ 이하 또는 1200℃ 이하이다. 세라믹체는 플루오로토파즈 분해가 완료될 때까지 상기 온도로 유지되어야 한다. 세라믹체가 더 이상 규소 테트라플루오라이드를 배출하지 않을 때 분해 반응은 완료된 것이다.

플루오로토파즈는 분해됨에 따라 침상 뮬라이트 결정이 형성된다. 이러한 침상 뮬라이트 결정은 출발 세라믹체의 세공의 내부 표면을 포함하여, 제1 반응 단계에서 플루오로토파즈가 형성된 세라믹체의 모든 표면 상에 형성된다. 침상 뮬라이트 결정은 침상 뮬라이트에서 전형적인 바와 같이 긴 모양이며; 뮬라이트 결정의 종횡비는 전형적으로 5 이상, 더 바람직하게는 10 이상이다. 결정은 1 내지 50 ㎛, 바람직하게는 1 내지 20 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 이러한 결정은 일반적으로 세공의 표면으로부터 외향으로 세라믹체의 세공 내로 연장된다. 결정의 길이는 약 200 ㎛ 이하, 더 전형적으로는 10 내지 150 ㎛일 수 있다.

생성된 세라믹체로부터 잔여 불소를 제거하는 것이 필요하거나 바람직할 수 있다. 이는 복합재를 일정 기간 동안 1200℃ 이상, 예를 들어 1200 내지 1460℃의 온도로 가열함으로써 간편하게 달성된다. 상기 가열 단계는 약간의 수분을 함유한 대기, 예를 들어 습한 공기 또는 약간의 수분을 함유한 다른 불활성 대기의 존재하에서 바람직하게 수행된다. 대기에 필요한 수분의 양은 일반적으로 크지 않아 주위 습도로도 보통 충분하다.

방법으로부터 얻어진 세라믹체는 증가된 표면적/단위 질량 및 다공도 및/또는 세공 크기의 약간의 감소를 제외한 전체 치수, 벽 두께, 셀 크기 및 다른 치수 측면에서 출발 세라믹체와 부합한다. 표면적은 출발 세라믹체의 표면적의 10배만큼 증가될 수 있다. 더 전형적으로는, 표면적은 출발 세라믹체의 표면적의 1.5 내지 10 배, 또는 출발 세라믹체의 표면적의 1.5 내지 5 배로 증가될 수 있다. 추가로 형성되는 침상 뮬라이트 결정의 질량은 원래 세라믹체의 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 25 중량%일 수 있으며, 방법으로부터 수득된 세라믹체는 출발 세라믹체의 1.01 내지 1.5 배, 바람직하게는 1.01 내지 1.25 배의 중량이다.

본 발명에 따라 제조된 세라믹체는 다양한 여과 응용에 및/또는 촉매가 특히 중요한 다양한 유형의 기능성 재료의 담체로서 유용하다.

세라믹체는 미립자 필터, 특히 발전기(이동식 또는 고정식) 배기 가스에서 미립자 물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 상기 유형의 구체적인 응용은 내부 내연 기관, 특히 디젤 엔진용 매연 필터이다.

기능성 재료는 다양한 방법을 사용하여 세라믹체에 적용될 수 있다. 기능성 재료는 유기물 또는 무기물일 수 있다. 무기 기능성 재료, 예를 들어 금속 및 금속 산화물은 이들 중 상당수가 바람직한 촉매 특성을 갖거나, 흡착제로서 기능하거나, 일부 다른 필요한 기능을 수행하기 때문에 특히 중요하다. 세라믹체상에 금속 또는 금속 산화물을 도입하는 한 방법은 금속의 염 또는 산의 용액으로 세라믹체를 함침한 후, 가열하거나 또는 다른 방법으로 용매를 제거하고, 필요할 경우 하소하거나 또는 다른 방법으로 염 또는 산을 분해하여 필요한 금속 또는 금속 산화물을 형성하는 것이다.

따라서, 예를 들어 촉매 또는 흡착제 재료가 피착될 수 있는 더 큰 표면적을 제공하기 위해 알루미나 코팅 또는 다른 금속 산화물의 코팅을 종종 적용한다. 알루미나는 세라믹체를 콜로이드성 알루미나로 함침한 후, 전형적으로 기체를 함침된 세라믹체에 통과시켜 건조시킴으로써 피착될 수 있다. 상기 절차는 필요한 양의 알루미나를 피착하기 위해 필요한 만큼 반복될 수 있다. 다른 세라믹 코팅, 예를 들어 티타니아가 유사한 방식으로 적용될 수 있다. 본 발명의 장점은 내부 세공 표면상의 침상 뮬라이트 휘스커의 존재(및 그로 인한 큰 표면적)로 인해 중간체 코팅, 예를 들어 알루미나를 먼저 적용하여 내부 세공 표면을 거칠게 할 필요 없이 금속 및 다른 촉매 물질을 세라믹체상에 직접 피착시킬 수 있다는 것이다.

금속, 예를 들어 바륨, 백금, 팔라듐, 은, 금 등이 금속의 가용성 염, 예를 들어 질산백금, 염화금, 질산로듐, 테트라아민 팔라듐 니트레이트, 바륨 포르메이트로 세라믹체를 함침한 후, 건조 및 바람직하게는 하소함으로써 세라믹체상에 피착될 수 있다. 발전기 배기 스트림용, 특히 자동차용의 촉매 변환기가 상기 방식으로 세라믹체로부터 제조될 수 있다. 금속은 세라믹체상에 피착되어 발전기 배기 가스로부터, 예를 들어 자동차 엔진으로부터 미립자, 예를 들어 매연, NO_x 화합물, 일산화탄소 및 탄화수소를 동시에 제거할 수 있는 필터를 형성할 수 있다.

다공질 세라믹체상에 다양한 무기 재료를 피착시키는 적합한 방법은 예를 들어 US 2005/0113249 및 WO 01/045828에 기재되어 있다. 이러한 방법은 일반적으로 본 발명의 세라믹체에 관해 유용하다.

하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제공된 것이며 그 범위를 제한하려고 한 것은 아니다. 모든 부 및 백분율은 달리 나타내지 않으면 중량 기준이다.

실시예 1

매끄럽고 치밀한 벽 및 약 90 부피%의 다공도를 갖는 상업적으로 입수 가능한 α-알루미나 발포체를 8시간 동안 SiF₄ 대기(SiF₄ 분압 400 torr)하에 약 800℃의 온도로 가열하였다. 이후, 온도를 2시간 동안 1150℃로 증가시켜 발포체의 외부 및 내부 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 형성하였다. 출발 발포체의 표면적은 0.06 ㎡/g이었다. 상기 처리 후, 발포체의 표면적은 0.2 ㎡/g, 또는 처음 수치의 약 350%로 증가하였다.

도 1a는 매끄럽고 치밀한 벽을 나타내는 출발 알루미나 발포체의 현미경 사진이다. 도 1b 및 1c는 처리된 발포체의 현미경 사진이다. 침상 뮬라이트의 뾰족한 클러스터가 세공벽 상에 성장한 것이 보인다. 침상 뮬라이트 결정의 평균 길이는 50 내지 150 ㎛ 범위이다.

실시예 2

알칼리 알루미노실리케이트 발포체를 1100℃에서 SiO₂, Al₂O₃ 및 Na₂O의 혼합물을 하소하여 제조하였다. 상기 발포체는 도 2a에 나타낸 바와 같이 매끄럽고 치밀한 벽을 가졌다. 상기 발포체를 실시예 1에 설명된 일반적인 방법으로 처리하여 세공 표면 상에 침상 뮬라이트 결정을 생성하였다. 도 2b는 처리된 발포체의 현미경 사진이다. 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 세공 표면은 매우 거칠어졌고, 그 표면적은 상당히 증가하였다.

실시예 3

풀리우레탄 발포체를 전구체 슬러리에 침지시키고, 1000℃에서 건조 및 하소하여 알루미나 발포체를 형성했다. 폴리우레탄 발포체는 하소 단계 동안 연소되었다. 알루미나 발포체를 실시예 1에 설명된 바와 동일한 일반적인 방법으로 처리하였다. 내부 세공 표면은 약 50 ㎛ 길이의 침상 뮬라이트 결정으로 피복되었다.

실시예 4

다공질 셀 벽을 갖는 알루미늄 티타네이트 허니콤을 실시예 1에 설명된 동일한 일반적인 방법으로 처리하였다. 침상 뮬라이트 결정이 셀 벽의 표면 상에 형성되었다. SiF₄에 더 장시간 노출시, 침상 뮬라이트 결정은 벽의 세공 내부에도 형성되었다. 도 3은 벽 표면 상의 침상 뮬라이트 결정의 존재를 보여주는 처리된 알루미늄 티타네이트 허니콤의 현미경 사진이다.

실시예 5

다공질 셀 벽을 갖는 코디어라이트 허니콤을 1000℃에서 5시간 동안, 및 이어서 1100℃에서 2시간 동안 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 기체와 반응시켜 침상 뮬라이트 결정을 생성하였다. 상기 처리의 결과로서, 약 10%의 코디어라이트는 셀 벽 위 및 셀 벽의 세공에 결정을 형성하는 침상 뮬라이트로 전환되었다. 침상 뮬라이트 결정의 길이는 20 내지 30 ㎛였다. 도 4는 처리된 허니콤의 표면의 일부의 현미경 사진이며 침상 뮬라이트 결정의 존재를 나타낸다.

Claims

(a) 출발 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체의 세공을 기체상 불소 함유 화합물과, 또는 출발 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체가 규소를 함유하지 않는 경우 규소 원자 및 불소 원자의 기체상 공급원과 700 내지 1200℃의 온도에서 접촉시켜 다공질 알루미네이트 함유 세라믹체의 세공의 표면의 적어도 일부 상에 플루오로토파즈(fluorotopaz)를 형성하는 단계; 및 이어서
(b) 세라믹체를 1000 내지 1500℃의 온도로 가열하여 플루오로토파즈를 세라믹체의 세공의 표면에 부착된 침상 뮬라이트 휘스커로 변환하는 단계
를 포함하는, 출발 다공질 알루미늄 함유 세라믹체의 표면적을 증가시키는 방법.
제1항에 있어서, 알루미네이트는 알루미나, 알루미늄 티타네이트, 비침상 뮬라이트, 코디어라이트 및 알칼리 알루미노실리케이트로부터 선택되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 출발 세라믹체는 바람직하게는 세공의 존재를 제외하고 이론적 밀도의 90% 이상으로 치밀화되는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 출발 세라믹체는 약 30% 내지 85%의 다공도를 갖는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 세공 크기는 수은 세공측정법으로 측정했을 때 5 내지 50 ㎛인 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 불소 함유 화합물은 SiF₄, AlF₃, HF, Na₂SiF₆, NaF, NH₄F, 메틸렌 디플루오라이드, 트리플루오로메탄, 테트라플루오로메탄, 1,1,1,2,2-펜타플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 1,1,2-트리플루오로에탄, 1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1-디플루오로에탄, 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판, 1,1,2,2,3,3-헥사플루오로프로판, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로에탄, 1,1,2,2,3-펜타플루오로펜탄, 1,1,1,4,4,4-헥사플루오로부탄 및 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄 중 1종 이상인 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 출발 세라믹체는 축 방향으로 연장되는 다공질 벽들의 교차에 의해 형성된 하나 이상의 축 방향으로 연장되는 셀을 갖는 허니콤(honeycomb)인 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제품 세라믹체의 표면적은 출발 세라믹체의 표면적의 1.5 내지 10 배로 증가되는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b) 후 금속을 세라믹체의 표면 상에 피착시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
다공질 알루미네이트 함유 세라믹체로서, 알루미네이트는 침상 뮬라이트가 아니고, 세공 중 적어도 일부의 내부 표면에 결합된 침상 뮬라이트 결정을 갖는 세라믹체.
제10항에 있어서, 알루미네이트는 알루미나, 알루미늄 티타네이트, 비침상 뮬라이트, 코디어라이트 및 알칼리 알루미노실리케이트로부터 선택되는 세라믹체.
제10항 또는 제11항에 있어서, 출발 세라믹체는 세공의 존재를 제외하고 이론적 밀도의 90% 이상으로 치밀화되는 세라믹체.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 약 30% 내지 85%의 다공도를 갖는 세라믹체.
제10항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 세공 크기는 수은 세공측정법으로 측정했을 때 5 내지 50 ㎛인 세라믹체.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 축 방향으로 연장되는 다공질 벽들의 교차에 의해 형성된 하나 이상의 축 방향으로 연장되는 셀을 갖는 허니콤인 세라믹체.