KR20140131502A - 고방사율 코팅 조성물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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타나퐁 프라서트폴
송삭 친코몰석
숨키엣 숩타윌컬
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에스씨지 케미컬스 컴퍼니, 리미티드.
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Abstract

티타늄 디옥사이드는 고방사율 코팅 조성물에서 방사율 향상제로서 사용된다. 티타늄 디옥사이드는 상기 고방사율 코팅 조성물의 방사율을 증가시킨다. 특정한 구현예에서, 티타늄 디옥사이드는 올레핀 중합 공정 또는 재 기반의 소스로부터의 촉매 함유 폐기물 스트림과 같은 산업 폐기물 소스로부터 회수된다. 산업 폐기물 소스로부터 회수된 티타늄 디옥사이드 방사율 향상제는 그러한 향상제를 함유하는 고방사율 코팅 조성물을 제조하는 비용에 유리하게 기여한다.

Description

고방사율 코팅 조성물 및 이의 제조 방법{High emissivity coating compositions and manufacturing processes therefor}
본 발명은 일반적으로 다양한 유형의 기판에 적용될 수 있는 고방사율 코팅용 조성물 및 고방사율 코팅 조성물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 (1) 향상된 강도 특성을 갖는 고방사율 코팅 조성물, (2) 티타늄 디옥사이드(TiO2)가 방사율 향상제로 사용되는 고방사율 코팅 조성물; 및 (3) 산업 폐기물 소스 또는 스트림을 사용하여 고방사율 코팅 조성물을 비용 효율적으로 생성하는 제조 방법에 관한 것이다.
전 세계에 걸친 에너지 수요 증가 및 에너지 비용 상승은 특히 산업체 사이에서, 에너지 사용자들이 에너지를 절약하거나 보존하기 위한 필요성을 필연적으로 증가시켰다. 많은 경우에서, 정유 및 석유 화학 단지와 같은 연소식 히터 또는 로(furnace)를 사용하는 산업체는 연소식 히터 효율을 최대화하여, 이로써 연료 소비를 감소시키려는 시도를 하였다. 고방사율 코팅 기술은 다양한 고온 응용 분야에 대하여 공정의 안정성 및 안전한 작동을 손상시키지 않으면서 효율적으로 방사 전열(radiant heat transfer) 을 증가시키고 에너지를 절약하는 증명된 수단이 되었다.
방사율(emissivity) (상징적으로 ε 또는 ｅ 로 표시됨)은 넓게는 방사선에 의해 에너지를 방출하는 표면의 상대적인 능력으로 정의될 수 있다. 특히, 방사율은 동일한 온도에서 흑체에 의해 방사된 에너지에 대한 특정 물질에 의해 방사된 에너지의 비율로 정의될 수 있다. 더 높은 방사율은 열 효율의 증가에 대응한다. 고온 연소식 히터 또는 로 응용 분야에서 고방사율 코팅으로 인한 열 효율의 증가는 연소식 히터 또는 로의 성능 또는 출력의 증가 및/또는 연료 소비 및 총 에너지 수요의 감소를 낳았다.
고방사율 코팅의 이점 및 장점은 고방사율 코팅의 성능을 향상시키기 위해 수년에 걸쳐 다양한 연구 및 개발 노력을 이끌었다. 특히, 연구는 방사율 향상제 ("방사율제")를 포함하는 방사율 코팅 조성물을 개발하여, a) 방사 전열을 증가시키기 위해 방사율 값을 향상시키고; b) 기판상의 코팅 부착성을 개선시키고; c) 다중 고온 사이클에 걸쳐 코팅 수명을 연장하고; d) 방사율제 열화를 감소시키기 위해 수행되었다.
현재, 여러가지 고방사율 코팅 조성물이 시판되고 있다. 이러한 조성물에서 방사율제는 다양한 소스로부터 유래될 수 있다. 한가지 통상적으로 사용되는 방사율제는 실리콘 카바이드(SiC)로서, 이는 적당한 온도까지 양호한 방사율 향상 성능을 나타낼 수 있다. 그러나, 높은 작동 온도를 수반하는 응용 분야(예를 들면, 연소 히터, 로, 예열기, 개질기, 다른 내화 응용 분야, 또는 항공우주 응용 분야)의 방사율제로서의 SiC의 사용은 시간에 따른 코팅 조성물의 방사율 및 기계적 강도의 상당한 감소, 따라서 방사율제로서 SiC에 의존하는 코팅 조성물의 성능 또는 기능의 전반적인 감소 또는 저하를 이끌 수 있다.
"첨단 플렉시블 열 보호 시스템을 위해 개발된 실리콘 카바이드 스레드의 열 분해 연구(Thermal Degradation Study of Silicon Carbide Threads Developed for Advanced Flexible Thermal Protection Systems)"의 명칭으로 1992년 8월에 출판된 NASA Technical Memorandum 130952에서, H.K. Tran와 P.M. Sawko는 SiC의 SiO2로의 표면 전이(surface transition)가 400℃ 초과의 온도에서 관찰된 것을 발견하였다. SiC의 SiO2 로의 표면 전이는 온도로 유발된 SiC 결합의 분해 및 뒤이은 SiO2의 형성 때문이다. 고온에서 SiC의 분해 반응은 다음과 같이 예시될 수 있다:
SiC + O2 → SiO2 + CO2
이러한 SiC의 분해는 바람직하지 않게는 상당한 재료 수축, 의도하지 않은 SiO2 부동화(passivation), 및 짧은 코팅 조성물 수명을 낳을 수 있다. 따라서, 특히, 고온에서 방사율 코팅의 방사율제 성능을 향상시키는 것에 대하여, 고방사율 코팅 조성물을 위한 향상된 방사율제에 대한 필요성이 존재한다. 불행하게도, 고방사율 코팅 조성물에 대한 이전의 연구는 특정 물질이 방사율 값의 향상에 잠재적으로 상당한 영향을 미칠 수 있다는 것을 적절하게 고려하거나 인식하지 못했다.
전술한 것에 더하여, 고방사율 코팅 성능의 측면이 조사되고 개선되었지만, 고방사율 코팅 조성물 제조를 위한 기존의 공정은 그러한 조성물을 생성하는 특정 경제적 측면을 적절하게 고려하거나 다루지 못했다. 특히, 더 나은 성능을 갖는 고방사율 코팅을 개발하기 위한 다양한 노력들이 이루어져 왔으나, 그러한 노력들은 대부분 무시되거나, 그러한 코팅 조성물을 제조하는 비용 및 고방사율 코팅 제품의 말단 가격(end price)을 필연적으로 증가시켰다. 따라서, 보다 비용 효율적인 방법으로 고방사율 코팅 조성물을 준비, 제조, 또는 배합할 필요성이 있다.
본 출원에서 기술된 주제의 구현예들은 넓은 온도 범위, 예를 들어, 약 400℃ 내지 약 1300℃에 걸쳐서, 바람직한 기계적 강도 특성 및 방사율을 나타내는 열 방사율 코팅에 관한 것이다. 코팅이 적용되는 기판으로부터의 균열 및 박리를 나타내는 다른 방사율 코팅들과는 달리, 본 명세서에서 기술된 주제의 구현예들은 상온에서부터 디코킹(decoking) 사이클에서 전형적으로 사용되는 온도, 예를 들면, 약 1000℃ 내지 약 1600℃ 또는 그 이상까지 반복된 온도 사이클에서 하부 기판의 균열 또는 박리 없이 견뎌 낸다. 동시에 본 명세서에서 기술된 구현예들에 따른 코팅 조성물은 바람직한 방사율, 예를 들어, 0.99만큼 높은 방사율을 나타낸다.
일 측면에서, 본 명세서에서 기술된 구현예들은 티타늄 디옥사이드를 포함하는 일련의 방사율제의 건조 혼합물로서, 상기 티타늄 디옥사이드의 중량 백분율은 상기 코팅 조성물의 약 28중량% 미만 및 상기 코팅 조성물의 약 10중량% 이상인 건조 혼합물, 및 세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및 세라믹 나이트라이드 중 1종 이상으로부터 선택된 일련의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 열 방사율 코팅에 관한 것이다. 상기 기술된 주제의 이러한 측면의 일부 구현예들은 건조 기준으로 30중량% 미만의 SiC를 포함한다.
다른 측면에서, 본 명세서에서 기술된 구현예들은 하기 단계들을 포함하는 기판용 열 방사율 코팅 조성물 제조 방법에 관한 것이다: 티타늄 디옥사이드를 얻는 단계; 상기 티타늄 디옥사이드를 포함하는 일련의 방사율제를 제공하는 단계; 세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및 세라믹 나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 일련의 매트릭스 강도 향상제를 제공하는 단계; 알루미늄 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 및 보론 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 충전제를 포함하는 일련의 충전제를 제공하는 단계; 상기 일련의 방사율제, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제, 상기 일련의 충전제를 결합하는 단계로서, 상기 충전제는 습윤 기준으로 상기 코팅 조성물의 약 2중량% 내지 약 60중량%를 포함하는 단계. 상기 기술된 주제의 이러한 측면의 일부 구현예에서, SiC는 상기 코팅 조성물이 건조 기준으로 30중량% 미만의 SiC를 포함하도록 제공된다.
또 다른 측면에서, 개시된 구현예들은 하기 단계들을 포함하는 열 방사율 코팅 조성물을 사용하는 기판의 열 방사율 변경 방법에 관한 것이다: 목표 방사율 수준 또는 목표 방사율 변경을 확인하는 단계; 상기 목표 방사율 수준 또는 상기 목표 방사율 변경을 제공할 것으로 예상되는 코팅 조성물 중의 티타늄 디옥사이드의 농도를 결정하는 단계; 상기 코팅 조성물에 대해 일련의 기판 부착 특성을 결정하는 단계; 상기 결정된 일련의 기판 부착 특성을 제공할 것으로 예상되는 코팅 조성물 중의 SiC 농도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 티타늄 디옥사이드 농도 및 상기 결정된 SiC 농도를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물을 제공하는 단계. 상기 기술된 주제의 이러한 측면의 일부 구현예에서, 상기 결정된 SiC 농도는 건조 기준으로 30중량% 미만의 SiC이다.
또 다른 측면에서, 방사율제 또는 향상제로서 사용되는 티타늄 디옥사이드는 폴리올레핀 중합 공정으로부터의 티타늄 디옥사이드 함유 폐기물 스트림으로부터 얻어진다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다. 도면에서, 요소의 크기와 상대적인 위치는 반드시 일정한 비율로 그려지지 않는다. 예를 들어, 다양한 요소의 모양 및 각도는 일정한 비율로 그려지지 않으며, 이 요소들 중 일부는 도면 가독성을 개선시키기 위해 임의로 확대되고 위치된다. 나아가, 그려진 요소들의 특정한 모양은 특정 요소의 실제 모양에 관한 정보를 전달하도록 의도되지 않으며, 이들은 오직 도면에서 인식의 용이성을 위해서 선택되었다.
본 발명의 구현예들은 도면을 참조하여 이하에서 기술된다:
도 1은 본 발명의 구현예에 따라 고방사율 코팅 조성물을 제조하는데 사용되는 폴리올레핀 촉매로부터 TiO2를 추출하거나 얻기 위한 공정의 흐름도이고;
도 2는 본 발명의 구현예에 따라 고방사율 코팅 조성물을 제조하거나 생산하기 위한 공정의 흐름도이고;
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 기판에 고방사율 코팅 조성물을 도포하기 위한 공정의 흐름도이고;
도 4a-4c는 모사된 디코킹 조건을 겪은 후의 모사 기판에 도포된 코팅 조성물의 단면의 사진이고;
도 5a-5c는 1000℃ 온도 범위에서 작업한 후의 시판되는 SiC 함유 코팅 조성물로 코팅된 고온 로(furnace)의 내부 벽면의 사진이다.
본 발명의 특정 구현예는 본 명세서에서 예시의 목적으로 설명되었지만, 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다.
다음의 설명에서, 어떤 특정한 세부 사항들은 상기 개시된 주제의 다양한 측면의 완전한 이해를 제공하기 위하여 기술된다. 그러나 상기 개시된 주제는 이러한 세부사항 없이 실시될 수 있다. 일부 예에서, 잘 알려진 구조 및 세라믹 전구체를 혼합하는 방법, 티타늄 디옥사이드를 회수하는 방법, 및 본 명세서에서 개시된 주제의 구현예들을 포함하는 기판에 고방사율 코팅을 도포하는 방법은 본 발명의 다른 측면의 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되지 않았다.
문맥이 달리 요구하지 않는다면, 명세서 및 뒤따르는 특허청구범위의 전반에 걸쳐, 용어 "포함한다" 및 상기 용어의 변형, 예를 들어, "포함하는"은 개방된, 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만, 제한되지 않는"의 의미로 해석될 수 있다.
명세서 전체에 걸친 "일 구현예"의 언급은 상기 구현예와 관련되어 기술된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 장소에서 "일 구현예에서"라는 문구의 출현이 모두 반드시 동일한 측면을 언급하지는 않는다. 게다가, 특정한 특징, 구조, 또는 특성은 본 발명의 하나 이상의 측면에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
본 발명의 구현예들은 TiO2가 단순히 충전제로서 사용되는 종래의 고방사율 코팅 조성물과는 다르게, 티타늄 디옥사이드 (TiO2)가 방사율 향상제로서 사용되는 고방사율 코팅 조성물에 관한 것이다. 그러나, 높은 온도 조건 하에서, 본 발명자들은 TiO2가 온도 유발된 TiO2 미세 구조 변형으로 인하여 방사율 향상 특성을 나타내는 것을 관찰했다. TiO2는 3가지 자연 형태를 가진다: 아나타제, 루타일, 및 브루카이트. 아나타제는 이의 UV 흡수 특성 때문에 광촉매 응용 분야 분야에 주로 사용된다. 아나타제는 700℃ 초과의 온도에서 변형되어 루타일을 생성하고, 루타일은 통상적으로 염료, 화장품, 및 세라믹 산업에 사용된다. 루타일은 고온에서 안정하고, 본 발명자들에 의해 양호한 에너지 방사율제인 것으로 관찰되었다. 브루카이트는 이의 제한된 유용성 때문에 낮은 활용도를 갖는다.
종래 코팅 조성물에서 충전제로서 TiO2의 사용은 전형적으로 높은 TiO2 비용 때문에 코팅 조성물 가격에 부정적으로 영향을 미쳤다. 본 발명의 구현예는 방사율제 또는 방사율 향상제로서 TiO2를 포함하는 코팅 조성물을 제공하고, 상기 TiO2는 코팅 조성물에 TiO2의 전체적인 기능 또는 특성을 포함하지 않고 비용 효율적인 방식으로 얻어진다. 본 발명의 특정 구현예는 TiO2를 포함하는 코팅 조성물을 제공하고, 상기 TiO2는 산업 폐기물 소스, 예를 들어, 폴리올레핀 촉매의 생성과 관련된 폐기물 스트림으로부터 얻어진다. 그러한 유형의 폐기물 소스로부터 TiO2를 얻는 것은 낮은 TiO2 비용을 낳고, 이는 그러한 TiO2를 포함하는 고방사율 코팅 조성물을 생성하는 경제적인 측면을 개선시킨다. 산업 폐기물 소스로부터 TiO2를 얻기 위한 공정, 방법, 또는 기술은 고방사율 코팅 조성물 제조 공정의 측면과 관련하여 이하에서 기술된다.
이하에서 더욱 상세히 설명될 것과 같이, 본 발명에 따른 고방사율 코팅, 코팅 시스템 또는 코팅 조성물은 본 명세서에서 "코팅 조성물"로 지칭된다. 게다가, 달리 언급되지 않는 한, 모든 백분율(%)은 중량에 대한 중량 백분율이고, 또한 중량%, % (w/w) 또는 단순히 %로 표현된다. 용어 "습윤 혼합물"은 용액 내에 또는 용액에 대하여 코팅 조성물의 구성 성분 또는 요소의 상대적인 중량 백분율을 지칭하고, 용어 "건조 혼합물"은 물 또는 임의의 액체 상태 시약의 첨가로부터 또는 상기 첨가 전에 분리된 건조 코팅 조성물의 구성 성분 또는 요소의 상대적인 중량 백분율을 지칭한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 습윤 혼합물 및 건조 혼합물 중량 백분율이 관련되거나 전환 가능한 방식을 이해할 것이다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "일련 또는 세트"는 요소들의 비공의(non-empty) 유한한 조직으로서 정의되는데, 이 조직은 1 이상의 기수(cardinality; 한 세트의 요소들의 개수)를 수학적으로 나타내고(즉, 본 명세서에서 정의된 세트는 단일체(singlet) 또는 단일 요소 세트, 또는 다중 요소 세트에 대응할 수 있음), 이는 알려진 수학적 정의에 따른 것이다(예를 들어, Cambridge University Press (1998)에서 출판된, Peter J. Eccles에 의한, An Introduction to Mathematical Reasoning: Numbers , Sets , and Functions, "11장: Properties of Finite Sets" (예를 들면, 140 페이지에 표시된 것)에 기술된 것과 같은 방식으로).
본 발명에 따른 코팅 조성물은 (습윤 혼합물에서)(1) TiO2를 제외한 일련 또는 일군의 충전제 약 2중량% 내지 60중량%; (2) TiO2를 포함하고, 실리콘 카바이드 (SiC) 및/또는 크롬 옥사이드(Cr2O3)를 더 포함할 수 있는 일련 또는 일군의 방사율제 또는 방사율 향상제 약 5중량% 내지 70중량%; (3) 일련 또는 일군의 매트릭스 강도 향상제 약 5중량% 내지 20중량%; 및 (4) 일련 또는 일군의 바인더 약 2중량% 내지 30중량%를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 충전제는 고방사율 코팅 조성물에서 더 비싼 요소의 소모를 줄여주기 위하여 다른 물질에 첨가되는 물질이다. 본 발명에 유용한 충전제는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 마그네슘 옥사이드 (MgO), 칼슘 옥사이드 (CaO), 및 보론 옥사이드 (B2O3) 를 포함한다.
본 발명에서 사용된 방사율제 또는 방사율 향상제는 상기 방사율제 또는 향상제가 첨가된 고방사율 코팅 조성물의 방사율을 증가시키는 물질이다. 적당한 방사율제 또는 방사율 향상제는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 티타늄 디옥사이드 (TiO2), 실리콘 카바이드 (SiC), 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 아이언 옥사이드 (Fe2O3), 보론 실리사이드 (B4Si), 보론 카바이드 (B4C), 실리콘 테트라보라이드 (SiB4), 몰리브덴 디실리사이드 (MoSi2), 텅스텐 디실리사이드 (WSi2), 및 지르코늄 디보라이드 (ZrB2) 를 포함한다.
본 발명에서 사용된 매트릭스 강도 향상제 또는 열 강도 향상제는 그러한 매트릭스 강도 향상제 또는 열 강도 향상제를 포함하는 고방사율 코팅 조성물의 응력(stress) 및 열 응력(thermal stress)에 대한 저항성을 증가시키는 물질이다. 다양한 구현예에서, 유용한 매트릭스 강도 향상제 또는 열 강도 향상제는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및/또는 세라믹 나이트라이드 (예를 들면, 초고온 세라믹(Ultra High Temperature Ceramics )(UHTCs)) 를 포함하며, 이는 높은 녹는점, 상당한 화학적 안정성(chemical inertness), 및 극한의 열적 환경에서 상대적으로 양호한 내산화성을 나타낸다. 특정 구현예에서, 매트릭스 강도 향상제는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 실리콘 카바이드 (SiC), 하프늄 디보라이드 (HfB2), 하프늄 카바이드 (HfC), 하프늄 나이트라이드 (HfN), 탄탈럼 디보라이드 (TaB2), 탄탈럼 카바이드 (TaC), 탄탈럼 나이트라이드 (TaN), 티타늄 디보라이드 (TiB2), 티타늄 카바이드 (TiC), 티타늄 나이트라이드 (TiN), 지르코늄 디보라이드 (ZrB2), 지르코늄 카바이드 (ZrC), 및 지르코늄 나이트라이드 (ZrN)를 포함한다. 추가적으로, 특정 구현예에서, 열 강도는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 인산 (H3PO4), 소듐 알루미노실리케이트 및/또는 포타슘 알루미노실리케이트와 같은 바인더를 포함시켜, 예를 들어, Al2(H2P2O7), Al(PO3)3, AlPO4, 및/또는 KAlSi3O8를 형성함으로써 향상될 수 있다. 바인더의 특정한 예는 인산 (H3PO4) 및 소듐 실리케이트를 함유하는 수용액이다.
본 발명자들은 구성 요소에 의존하는 트레이드오프가 코팅 조성물 방사율, 기판에의 부착성, 및 온도 안정성 사이에 존재할 수 있다는 것을 관찰했다. 다시 말해, 코팅 조성물에서 특정 구성 요소의 중량 백분율의 조절은 상기 코팅 조성물의 방사율, 온도 안정성, 및 부착 능력의 변화를 초래할 수 있다. 방사율, 코팅 부착성 또는 응집력, 및 고온 열 안정성과 화학적 안정성을 동시에 향상시키기 위하여, 본 발명에 따른 일부 코팅 조성물 구현예들은 Al2O3와 같은 하나 이상의 다른 코팅 조성물 구성 요소의 중량 백분율에 대하여 TiO2의 특정 중량 백분율을 포함하거나 설정한다. 예를 들어, 특정한 코팅 조성물 구현예는 습윤 혼합물에 대하여 적어도 약 8중량% 내지 10중량%의 TiO2를 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명에 따른 코팅 조성물 구현예는 습윤 혼합물에 대하여 약 20중량% 내지 22중량% 미만의 TiO2를 포함할 수 있고, 여기서 주어진 TiO2 중량 백분율의 선택을 기초로 하여 Al2O3의 중량 백분율이 설정되거나 조절될 수 있다. 특정 구현예에서, Al2O3 및 TiO2의 중량 백분율은 다양한 방사율 및 매트릭스 부착 능력을 달성하기 위해 변화되거나 조절될 수 있다. 일부 구현예에서, TiO2 및 Al2O3의 습윤 혼합물 중량 백분율은, 특히 상기 TiO2 가 TiO2의 폐기물 소스로부터 회수될 경우, 각각 약 20% 및 22%로 선택될 수 있다. TiO2가 상업적 소스로부터 얻어지는 구현예에서, TiO2 및 Al2O3의 습윤 혼합물 중량 백분율은 각각 약 18% 및 16%로 선택될 수 있다. 특정 구현예에서, TiO2 및 Al2O3의 습윤 혼합물 중량 백분율은 각각 약 10% 및 32%로 선택될 수 있다. 전술한 세가지 구현예에서 건조 기준으로, SiC는 30중량% 미만, 약 20중량% 미만, 약 8중량% 내지 30중량% 미만, 및 약 8중량% 내지 약 20중량%의 양으로 존재한다. 특정 구현예에서, SiC 함량은 건조기준으로 약 14중량%이다.
일부 구현예에서, 일련 또는 일군의 매트릭스 강도 향상제의 사용은 코팅 조성물의 매트릭스 내의 부착성뿐만 아니라 강도를 개선시킨다. 보다 특히, 매트릭스 강도 향상제는 작업 또는 작동 온도에서 분해되는 능력을 가져서 충전제와 같은 다른 코팅 조성물 구성 성분들과 함께 새로운, 변경된, 또는 개질된 매트릭스를 형성하거나 만들어낸다. 그러한 매트릭스 강도 향상제는 하나 이상의 세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 또는 세라믹 나이트라이드를 포함할 수 있다. 다수의 구현예에서, SiC는 매트릭스 강도 향상제로 작용하며 약 400℃ 초과의 온도에서 SiO2 및 CO2로 분해될 수 있고, 알루미늄 옥사이드 및 실리콘 디옥사이드 (Al2O3-SiO2-SiC)와 함께 새로운 매트릭스를 형성할 수 있다. 상기 Al2O3-SiO2-SiC 세라믹 매트릭스는 상기 코팅에서 기계적 강도, 즉, 입자들 사이의 결합 강도를 향상시키는 것을 돕는다. 코팅에 더 많은 SiC가 존재할 경우, 더 많은 Al2O3-SiO2-SiC 매트릭스가 생성된다. 발명자는 상기 생성된 Al2O3-SiO2-SiC 매트릭스가 원래 매트릭스의 강도를 증가시킬 수 있다는 것을 관찰했다; 그러나, 너무 많은 Al2O3-SiO2-SiC 매트릭스는 매트릭스에 결함을 초래할 수 있다는 것을 또한 관찰했다. 코팅 조성물에서의 SiC 함량의 특정 수준에서, 이러한 매트릭스 결함들이 두드러질 것이고, 코팅 조성물의 수축에 의해 증명된 것처럼 감소된 기계적 강도를 야기할 것이다. 이러한 수축은 코팅이 도포된 기판에 상기 코팅이 부착될 경우 코팅 조성물이 균열되고 층간 분리되게 할 수 있다. 게다가, 더 많은 SiC가 SiO2로 분해되고 더 많은 CO2가 상기 분해 반응으로부터 생성됨에 따라, 더 많은 CO2가 코팅 조성물을 통해 분산되기를 시도하였다. 이러한 CO2 분산은 코팅 조성물의 표면 아래의 작은 거품 또는 빈 공간이 증명된다. 또한, 이러한 작은 거품 또는 빈 공간은 코팅 조성물 기계적 강도를 낮출 수 있고, 이는 코팅 조성물의 사용 기간을 줄인다.
도 4a 및 4b는 나프타 분해로에서 다중 디코킹 사이클을 모사하는 조건을 겪은 후의 기판에 도포된, 본 명세서에서 기술된 구현예들에 따른 코팅 조성물의 단면의 사진을 나타낸다 (즉, 실온, 및 1600℃에서 1시간 동안 유지 사이의 22 사이클). 도 4a 및 4b는 코팅 조성물 및 하부 기판 사이의 분리가 보이지 않는다. 도 4c는 기판에 도포되고, 도 4a 및 4b의 샘플과 같이 상기 동일하게 모사된 디코킹 사이클을 5회 겪은 시판되는 고방사율 코팅 조성물의 단면의 사진을 나타낸다. 도 4c의 샘플은 코팅과 기판 사이의 가시적인 균열을 보여주며, 이는 코팅 및 기판 사이의 층간 분리를 증명한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 특정한 구현예들에서, 매트릭스 강도 향상제는 하나 이상의 하프늄 디보라이드 (HfB2), 하프늄 카바이드 (HfC), 하프늄 나이트라이드 (HfN), 탄탈럼 디보라이드 (TaB2), 탄탈럼 카바이드 (TaC), 탄탈럼 나이트라이드 (TaN), 티타늄 디보라이드 (TiB2), 티타늄 카바이드 (TiC), 티타늄 나이트라이드 (TiN), 지르코늄 디보라이드 (ZrB2), 지르코늄 카바이드 (ZrC), 및 지르코늄 나이트라이드 (ZrN)를 포함할 수 있다.
상기 기술된 것처럼, 본 발명에 따른 코팅 조성물은 바인더 또는 결합제 역할을 하는 하나 이상의 화학 약품 또는 물질을 포함할 수 있다. 그러한 바인더는 코팅 조성물 및 상기 코팅 조성물이 도포되는 기판 사이의 결합을 촉진한다. 게다가, 상기 바인더는 코팅의 분자들 사이(예를 들면, Al2O3 및 Al2O3 분자들 사이)의 결합을 촉진함으로써 코팅 조성물에 대한 지지를 촉진하거나 유발하며, 이는 코팅 조성물 매트릭스 자체의 매트릭스 구조를 생성하는 것을 촉진한다. 다수의 구현예들에서, 바인더는 H3PO4를 함유하는 수용액이거나 이를 포함한다. 이 유형의 기판에 의존하는 다양한 구현예에서, 바인더는 소듐 실리케이트(Na2SiO3)이거나 이를 포함한다. 특정 구현예에서, 바인더는 Al2O3-SiO2-SiC 매트릭스의 지지를 촉진하거나 유발한다.
본 발명에 따른 고방사율 코팅 조성물의 일 구현예는 약 2.8% 내지 75%의 Al2O3, 약 13.9% 내지 27.8%의 TiO2, 약 8.3% 내지 25.0%의 SiC, 약 4.2% 내지 11.1%의 크롬 옥사이드 Cr2O3, 및 약 5.6%의 SiO2의 건조 혼합물을 포함하고, 전술한 백분율 각각은 중량 백분율이다. 용액 또는 슬러리 형태에서 (습윤 혼합물에서)의 상기 대응 코팅 조성물은, 중량 백분율 기준으로, 약 2% 내지 54%의 Al2O3, 약 10% 내지 40%의 TiO2, 약 6% 내지 18%의 SiC, 약 3% 내지 8%의 Cr2O3, 약 4%의 SiO2, 및 약 2% 내지 28%의 H3PO4 함유 물을 포함한다.
전술한 것에 더하여, 착색제가 코팅 조성물에 포함되어 착색된 코팅 조성물을 형성할 수 있다. 착색제의 예는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 노란색 카드뮴, 오렌지색 카드뮴, 빨간색 카드뮴, 진한 오렌지색 카드뮴, 오렌지색 카드뮴 리토폰, 및 빨간색 카드뮴 리토폰을 포함한다. 착색제 범위 또는 희석 비율은 착색제 제조업체의 설명서로부터 얻을 수 있다. 또한, 내화 응용 분야에서 고온 강도를 향상시키는 것으로 알려진 안정제가 필요할 때 코팅 조성물에 포함될 수 있다. 안정제의 예는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 벤토나이트, 카올린, 마그네슘 알루미나 실리카 점토, 안정화된 지르코늄 옥사이드, 판상의 알루미나, 및 다른 볼 점토 안정제를 포함한다.
고방사율 코팅 조성물 제조 공정의 측면
폴리올레핀 촉매 폐기물로부터 TiO 2 를 추출하거나 얻는 공정 측면
도 1은 폐기물 소스, 폐기물 스트림, 또는 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 용액으로부터 본 발명의 구현예에 따른 고방사율 코팅, 코팅 시스템 또는 코팅 조성물 (이하, 총칭하여 코팅 조성물로 지칭함)을 제조하는데 사용하기 위해 TiO2를 추출하거나 얻는 공정(100)의 흐름도를 보여준다. 본 명세서에서 사용된 폐기물 소스, 폐기물 스트림, 및 폐기물 용액은 상호교환적으로 사용되며, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 폴리올레핀을 생성하는 올레핀의 중합과 같은 중합 공정에 사용되어 온 촉매를 포함하는 공정 스트림 또는 공정 배치를 포함한다. 폐기물 소스, 폐기물 스트림 및 폐기물 용액은 반드시 폐기하기로 의도된 것이 아니며, 폐 촉매를 포함하고 재사용을 위해 재활성화될 수 있는 스트림, 용액, 및 소스를 포함한다.
제1 공정부 (110)에서는, TiO2 및/또는 하나 이상의 Ti 화합물 또는 TiO2가 얻어지거나 추출될 수 있는 하나 이상의 형태의 조성물을 포함하는 하나 이상의 소스, 스트림, 또는 용액, 예를 들어, TiO2 및/또는 하나 이상의 Ti 화합물 또는 TiO2가 얻어지거나 추출될 수 있는 하나 이상의 형태의 조성물을 포함하는 폐기물 소스, 스트림, 용액이 제공되거나 얻어진다.
본 발명의 구현예에 따라, 폴리에틸렌 중합 공정과 관련된 촉매를 함유하는 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액이 제공된다. 이러한 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액은 TiO2를 포함하거나 실어 나를 수 있다. 다양한 구현예들에서, TiO2를 포함하는 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액은 지글러 나타 촉매를 포함하는 공정, 예를 들어, 지글러 나타 촉매의 제조 및 사용과 관련된 공정으로부터 얻어질 수 있다.
특정 구현예에서, 촉매 함유 폐기물 소스는 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐, 폴리사이클로올레핀, 폴리크리타디엔(polycritadiene), 폴리부타디엔, 폴리이소프로펜, 비정질(amorphous) 폴리 알파 올레핀 및 폴리아세틸렌을 포함하는 다른 올레핀들의 호모중합 또는 공중합을 포함하는 공정으로부터 얻어질 수 있다. 다양한 구현예에서, 적당한 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액이, 추가적으로 또는 대안적으로 적당한 또는 상당한 양의 TiO2가 얻어지거나 추출될 수 있는 TiO2 풍부 소스 및/또는 Ti 함유 소스를 포함하는 촉매 시스템을 이용하고, 일반적으로 간단한 및/또는 경제적인 추출 공정을 포함하는 다른 공정들로부터 얻어질 수 있다.
특정 구현예에서, TiO2를 포함하는 소스, 스트림, 또는 용액은 일메나이트형 광석 (즉, 광석계 TiO2 소스)으로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, TiO2를 포함하는 상기 소스, 스트림, 또는 용액은 막을 기반으로 하는 전기 투석 공정 (예를 들면, 미국 특허 4,107,264에 기술된 막을 기반으로 하는 전기 투석 공정) 또는 유기태인산(organophosphoric acid) 추출 공정 (예를 들면, 미국 특허 4,168,297에 기술된 불순물 제거를 위한 유기태인산 추출 공정)을 사용하여 일메나이트형 광석으로부터 얻어질 수 있다. 게다가, 또는 대안으로서, 특정 구현예들에서, 상기 제1 공정부 (110)에서 제공된 TiO2를 포함하는 소스, 스트림, 또는 용액은 TiO2 안료 제조 공정, 예를 들어, 미국 특허 5,094,834에 기술된 TiO2 안료 제조 공정을 통해 얻어질 수 있다.
제2 공정부 (120)에서, 염기성 용액 또는 물질의 알려진 양 및 농도는 고려중인 TiO2 소스 (예를 들면, 촉매 함유 폐기물 및/또는 광석계 TiO2 소스)에 도입되거나 첨가되어 이로써 촉매 함유 폐기물 소스의 pH 값을 조절한다. 대표적인 구현예들에서, 상기 염기성 용액은, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 수산화나트륨 (NaOH) 및 수산화암모늄 (NH4OH) 중 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, NaOH를 첨가하는 것은 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액의 pH를 약 1.0에서 9.0으로, 또는 약 2.0에서 8.0으로, 또는 약 2.0에서 7.0으로 조절할 수 있다. 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액의 pH를 조절하기 위해 사용되는 상기 하나 이상의 다른 염기성 용액은 바람직하게 TiO2와 반응하지 않는다.
제3 공정부 (130)는 고려중인 상기 (pH 조절된) TiO2 소스(들), 예를 들어, 촉매 함유 폐기물 및/또는 광석계 TiO2 소스로부터 TiO2를 침전시키거나 분리하는 단계를 포함한다. 다수의 구현예들에서, 상기 처리된 TiO2 소스는 TiO2의 침전을 침강시키고, 촉진하고, 또는 유발시킬 수 있다. 상기 침강 또는 침전, 및 이에 따른 완전한 분리를 위해 허용되는 지속 시간은 원하는 분리를 달성하기 위해 필요할 때 조절되거나 선택될 수 있다. 예를 들어, TiO2 소스는 약 10시간, 12시간, 15시간, 또는 그 이상 동안 침강될 수 있다.
제4 공정부 (140)에서는, 상기 침전된 TiO2가 회수되고 염화나트륨 (NaCl)과 같은 염의 제거를 포함하는, 불순물 제거를 위해 광범위하게 세척된다. 몇몇 구현예에서, 상기 수집된 침전된 TiO2는 탈이온수로 예를 들어, 약 3 내지 6회 또는 그 이상 세척된다. 세척에 이어서, 상기 침전된 TiO2는 산소의 존재하에 열적으로 처리되어 상기 TiO2를 루타일로 열적으로 분해하고 및/또는 휘발성 부분을 제거한다. 열 처리 공정은 약 900℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열 처리의 온도는 조절될 수 있고, 전형적으로 TiO2의 녹는점인 약 1660 ± 10℃ 미만이다. 하소(calcination) 또는 열 처리 공정의 시간은 약 4시간, 5시간, 또는 그 이상 (예를 들어, 약 7시간 이상)일 수 있다.
제5 공정부 (150)에서는, 결과적인 TiO2가 하소 반응(들) 또는 열 처리 공정(들)이 완료되자마자 수집된다. 상기 수집된 TiO2는 냉각될 수 있고, 그 후 약 65 메쉬 (mesh) 미만의 평균 입자 크기로 분쇄된다. TiO2가 65 메쉬보다 크거나 작은 다른 평균 입자 크기 또는 동등한 미국 체 시리즈(US sieve series) 또는 타일러 메쉬 크기(Tyler mesh size)로 쉽게 분쇄될 수 있다는 것은 이 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다.
고방사율 코팅 조성물을 제조하거나 생산하는 공정의 측면
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 코팅 조성물을 제조하거나 생산하는 공정 (200)의 흐름도를 도시한다.
도 2를 참조하여 기술된 구현예들에서, 코팅 조성물을 제조하거나 생상하는 상기 공정 (200)은 배치 방식(batch-wise manner)으로 일어난다. 본 명세서에서 기술된 코팅 조성물을 제조하는 구현예들에는, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 배치식 공정 및 연속 공정이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제1 공정부 (210)에서는, 혼합 용기 또는 혼합 탱크가 제공된다. 상기 혼합 용기는 그 안의 입자 또는 내용물의 혼합 및 분배를 용이하게 하도록 구성된다. 매우 다양한 혼합용기가 이 기술분야에 알려져 있다. 일반적으로, 그러한 혼합 용기는 적어도 몇가지 형태의 임펠러, 교반기, 및/또는 배플을 갖추고 있으며, 선택적으로 회전 블레이드를 더 갖추고 있다.
제2 공정부 (220)에서는, 코팅 조성물을 제조하기 위해 사용되는 미리 결정된 양의 세라믹 전구체, 방사율제 또는 방사율 향상제, 및 매트릭스 강도 향상제가 상기 혼합 용기 내로 도입된다. 이러한 세라믹 전구체는 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 마그네슘 옥사이드 (MgO), 칼슘 옥사이드 (CaO), 및 보론 옥사이드 (B2O3)로부터 선택된 충전제를 포함한다. 예시적인 방사율제 또는 방사율 향상제는 티타늄 디옥사이드 (TiO2)를 포함하고, 일부 구현예에서 추가적인 방사율 향상제는 실리콘 카바이드 (SiC), 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 아이언 옥사이드 (Fe2O3), 보론 실리사이드 (B4Si), 보론 카바이드 (B4C), 실리콘 테트라보라이드 (SiB4), 몰리브덴 디실리사이드 (MoSi2), 텅스텐 디실리사이드 (WSi2), 및 지르코늄 디보라이드 (ZrB2)로부터 선택된다. 매트릭스 강도 향상제의 예들은 실리콘 카바이드 (SiC), 하프늄 디보라이드 (HfB2), 하프늄 카바이드 (HfC), 하프늄 나이트라이드 (HfN), 탄탈럼 디보라이드 (TaB2), 탄탈럼 카바이드 (TaC), 탄탈럼 나이트라이드 (TaN), 티타늄 디보라이드 (TiB2), 티타늄 카바이드 (TiC), 티타늄 나이트라이드 (TiN), 지르코늄 디보라이드 (ZrB2), 지르코늄 카바이드 (ZrC), 및 지르코늄 나이트라이드 (ZrN)를 포함한다. 다수의 구현예에서, 세라믹 전구체, 방사율제 또는 방사율 향상제, 및 매트릭스 강도 향상제는 균일한 혼합을 보장하도록 선택된 특정한 또는 미리 결정된 평균 입자 크기를 갖는다. 예를 들면, 세라믹 전구체, 방사율제 또는 방사율 향상제, 및 매트릭스 강도 향상제는 약 65 메쉬, 약 200 메쉬, 또는 약 325 메쉬의 입자 크기를 가질 수 있다.
제3 공정부 (230)에서는, 코팅 조성물 성분들이 약 250 미크론 초과의 잔여물을 실질적으로 결여하는 잘 혼합된 혼합물을 생성하도록 의도된 일련의 혼합 파라미터에 따라 상기 혼합 용기 내에서 교반되거나 블렌딩된다.
제4 공정부 (240)는 적어도 하나의 바인더를 상기 혼합 용기 내로 첨가하는 것을 포함한다. 전술한 것처럼, 상기 바인더는 코팅 조성물 매트릭스를 지지하고, 코팅 조성물 및 상기 코팅 조성물이 도포된 기판 또는 표면 사이의 결합을 촉진하는 것을 돕는다. 따라서, 상기 바인더(들)은 상기 코팅 조성물이 도포될 기판의 유형을 기준으로 하여 선택된다. 많은 구현예들에서, 상기 기판이 실리카 절연 벽돌, 세라믹 섬유, 세라믹 모듈, 내화 벽돌, 플라스틱 내화물, 캐스터블 내화물(castable refractory), 파이버라이트(fiberlite), 세라믹 타일, 섬유 보드의 집합체(array), 및 내화 모르타르 중의 하나 이상으로부터 선택될 경우, 인산(H3PO4) 함유 수용액이 바인더로서 사용될 수 있다. 인산의 농도는, 예를 들어, 약 10%, 15%, 또는 20% 부피/부피의 범위로 선택될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 기판이 금속일 경우, 소듐 실리케이트(Na2SiO3)가 적당한 바인더이다.
제5 공정부 (250)에서는, 상기 혼합 용기 내로의 상기 바인더의 첨가에 이어, 상기 세라믹 전구체 및 상기 바인더를 포함하는 혼합물 내용물이 교반되거나 휘저어져서 약 250 미크론 보다 크지 않은 잔여물에 의해 증명된 균일한 바인더 분산액을 달성한다.
제6 공정부 (260)에서는, 결과적인 코팅 조성물이 상기 혼합 용기로부터 수집된다. 상기 코팅 조성물은 상기 코팅 조성물을 저장, 함유, 인수 또는 유지하기 위한 미리 결정된 부피를 갖는 버킷(bucket) 또는 개별 용기에 옮겨질 수 있다.
기판상에 코팅 조성물을 도포하는 공정의 측면
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 기판에 코팅 조성물을 도포하는 공정의 흐름도이다.
제1 공정부 (310)에서는, 기판이 제공된다. 상기 기판은 실리카 절연 벽돌, 세라믹 섬유, 세라믹 모듈, 내화 벽돌, 플라스틱 내화물, 캐스터블 내화물, 내화 모르타르, 파이버라이트, 세라믹 타일, 섬유 보드의 집합체, 및 금속 중의 하나 이상으로부터 선택된다. 상기 기판은 내측 라이닝(inner lining), 구조체, 및/또는 로(예를 들면, 분해로)의 부분, 연소 히터, 예열기, 개질기, 이 분야의 다른 내화 장비, 세라믹 자동차 부품, 내화 항공우주 부품, 또는 해양 부품이 될 수 있고, 이들은 사용시 고온하에 놓인다.
제2 공정부 (320)에서는, 코팅을 위해 기판을 준비시킨다. 특정 구현예들에서, 상기 기판은 코팅 전에 경화, 베이킹, 또는 세척된다. 예를 들어, 상기 기판은 수분 및 화학 약품을 제거하기 위해 특정 시간 동안 원하는 온도로 가열하여 경화될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 기판은 집진기를 사용하여 세척되어 상기 기판 및 상기 코팅 조성물 사이의 결합에 부정적인 영향을 미치거나 상기 결합을 방해할 수 있는 먼지 또는 입자를 제거한다.
제3 공정부 (330)에서는, 본 발명의 구현예에 따른 코팅 조성물이 제공된다. 상기 코팅 조성물은 본 명세서에서 기술된 것과 동일하거나 유사한 방식으로 제조될 수 있고, 슬러리의 형태일 수 있다. 사용하기 전에, 필요할 경우, 상기 코팅 조성물이 교반되어 완전한 입자 분산을 보장하는데, 그 이유는 상기 코팅 조성물 내의 입자 또는 침전물이 저장 중에 침강될 수 있기 때문이다. 휴대용 전기 믹서가 현장 작업에서 상기 코팅 조성물을 상기 기판에 도포하기 전에 상기 코팅 조성물을 교반하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 유형의 믹서 또는 애지테이터 또는 교반기들이 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
제4 공정부 (340)에서는, 상기 코팅 조성물이 제어된 방식으로 기판의 표면에 도포된다. 상기 코팅 조성물은 관련된 기술 분야에서 통상의 기술자에게 알려진 방법들 (즉, 표면 코팅 방법들)을 사용하여 상기 기판의 표면에 도포될 수 있다. 예시적인 방법은 브러시, 블레이드, 또는 스프레이로의 도포를 포함한다.
제5 공정부 (350)에서는, 상기 코팅된 기판이 건조 공정에 놓여진다. 예를 들어, 상기 기판상의 상기 코팅은 약 1 내지 3일 또는 그 이상 동안 건조될 수 있다.
다음의 대표적인 실시예 1 내지 3은 본 발명에서 기술된 유형의 코팅 조성물의 효과, 기능, 및/또는 특성을 예시한다. 본 발명의 범위는 다음의 대표적인 실시예로 제한되지 않는다는 것은 이 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다.
실시예
실시예 1
코팅 조성물의 방사율에 대한 TiO2 함량 변화의 효과
본 실시예는 코팅 조성물의 방사율에 대한 TiO2 함량의 효과를 예시한다. 일반적으로 말하면, TiO2의 양의 증가는 방사율을 증가시키고, TiO2 함량 증가의 결과로서 이러한 방사율의 증가는 400℃ 내지 1000℃에서 더 확연하고, 1100℃ 내지 1200℃에서 덜 확연하며, 1300℃에서는 가장 덜 확연하다. 이는 방사율 값이 결정된 온도가 증가함에 따라, 방사율 값에 미치는 TiO2 함량 증가의 영향이 감소한다는 것을 시사한다.
도 2에서 제2 공정부 (220)에 따라 코팅 조성물을 제조하는데 있어서 TiO2를 방사율제 또는 방사율 향상제로서 사용할 경우, 코팅 조성물의 방사율에 대한 TiO2 함량의 효과를 연구하기 위해 실험을 수행하였다.
다섯개의 방사율 코팅 조성물 (A), (B), (C), (D), 및 (E)를 제조하였다. 상기 각각의 코팅 조성물의 제조 후에, 이들을 한정된 크기를 갖는 절연 벽돌의 시료 상에 분무하여 도포하였다. 고방사율 코팅 조성물의 분무 코팅을 상용 분무기를 사용하여 수행하였다. 매끄럽고 양호한 피복(coverage)을 달성하기 위해, 상기 코팅 조성물의 벌크 밀도를 약 1.50 내지 1.70 kg/L로 조절하였다. 약 1-2 mm의 노즐 직경 및 약 4-5 bar의 압력을 사용하였다. 노즐과 코팅 표면 사이의 거리는 약 50cm로 유지하였다. 상기 절연 벽돌은 20x20x2.5 cm 이었고, 약 1.8 kg/m2의 코팅율을 사용하였다. 상기 코팅된 기판을 고온 로에서 800℃에서 5시간 동안 가열하여 상기 코팅을 경화한 후, 상기 코팅을 주변 온도까지 냉각시켰다. 상기 냉각된 코팅된 기판을 시험하여 이의 방사율을 결정하였다.
표준 고온계(pyrometer)를 사용하여 방사율을 측정하였다. 각각의 기판 샘플은 표시된 온도까지 가열하고, 기판의 온도를 측정하고, 방사율 값을 조절하여 상기 고온계가 정확한 온도를 표시하도록 하였다. 약 400℃ 내지 1300℃의 범위의 온도에서 상기 코팅 조성물 (A) 내지 (E) 각각의 방사율 값을 측정하였다. 또한, 동일한 기술이 각각의 시료에 대해 사용되는 한 다른 방법 또는 기술이 대안적으로 방사율 값을 측정하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해된다.
코팅 조성물 (A) 내지 (E)의 제조
미리 결정된 양의 세라믹 전구체 및 방사율 향상제를 사용하여 각각의 코팅 조성물 (A) 내지 (E)를 제조하였다. 사용된 세라믹 전구체는 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 카바이드 (SiC), 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2)를 포함하였다. 티타늄 디옥사이드 (TiO2)는 방사율 향상제로서 사용되었다. 달리 언급되지 않는 한, 세라믹 전구체 및 티타늄 디옥사이드는 시판되는 소스로부터 얻었다. 코팅 조성물 (A) 내지 (E) 각각을 제조하기 위해 사용되는 세라믹 전구체는 약 325 메쉬 미만의 평균 입자 크기를 가졌다.
습윤 혼합물 기준으로, 최종 코팅 조성물 (A) 내지 (E) 각각에서 TiO2의 중량 백분율은 약 10% 내지 40% 사이에서 변화되었으며, SiC, Cr2O3, 및 SiO2의 중량 백분율은 일정하게 유지되었다. 추가적으로 충전제의 양이 감소하고 TiO2의 양이 증가할 경우 방사율에 대한 TiO2 함량의 효과(들)을 평가하기 위하여 TiO2의 중량 백분율의 증가에 대하여 Al2O3의 중량 백분율을 약 42% 내지 2% 사이에서 감소시키는 방식으로 변화시켰다.
코팅 조성물 (A) 내지 (E) 각각에서 세라믹 전구체의 함량은 하기와 같았다:
코팅 조성물 (A)
코팅 조성물 (A)는 약 42중량%의 Al2O3, 0중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
코팅 조성물 (B)
코팅 조성물 (B)는 약 32중량%의 Al2O3, 10중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
코팅 조성물 (C)
코팅 조성물 (C)는 약 22중량%의 Al2O3, 20중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
코팅 조성물 (D)
코팅 조성물 (D)는 약 12중량%의 Al2O3, 30중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
코팅 조성물 (E)
코팅 조성물 (E)는 약 2중량%의 Al2O3, 40중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
상술된 미리 결정된 양의 세라믹 전구체 및 방사율 향상제를 혼합 탱크 내로 도입한 후 교반하여, 약 250 미크론 보다 크지 않은 잔여물의 부존재에 의해 증명된 균일한 혼합을 달성하였다. 교반에 이어, 약 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액을 바인더로서 상기 혼합 탱크 내로 도입하였다. 더 구체적으로, 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액 약 28중량%를 상기 교반된 혼합물에 첨가하여 총 100중량%를 구성하였다. 결과적인 혼합물을 수분 동안 교반하였고, 이로부터 코팅 조성물을 얻었다.
상기 코팅 조성물을 상술된 기술을 이용하여 상기 기판에 도포하였다.
결과
표 1에 나타낸 바와 같이, 코팅 조성물 (A) 내지 (E)에서 TiO2 함량의 증가는 방사율 증가를 낳았으며, 여기서 방사율 증가는 약 400℃ 내지 1000℃에서 특히 분명하였다. 더 특히, 약 20% 이상의 TiO2의 중량 백분율은, TiO2의 부존재 하에서의 약 0.93-0.96의 방사율 값과 비교하여, 약 1000℃에서 약 0.98-0.99의 방사율 값을 낳았다. 일반적으로, 약 20% 이상의 중량 백분율로의 TiO2의 포함은, TiO2를 제외시킨 코팅 조성물 (A)에 비해, 온도에 따라, 약 1% 내지 6%의 방사율 값의 증가로 이끌었다. 모든 온도에서 TiO2의 첨가는 방사율의 증가 또는 적어도 비감소(no decrease)를 낳았다.
코팅 조성물 (C), (D), 및 (E)는 상이한 온도에서 최대 방사율 값을 생성하였음이 주목되었다. 이러한 코팅 조성물들은 약 20% 이상의 TiO2, 및 약 22% 미만의 Al2O3를 포함하였다. 약 400℃ 내지 1100℃의 온도에 대하여, 적어도 약 10%의 TiO2 중량 백분율이 바람직한 방사율 증가, 즉, 각각, 0.03 및 0.01 방사율 단위를 발생시켰음이 추가로 주목되었다.
방사율 코팅 조성물/
(TiO2 중량%)
특정한 온도에서 방사율 값 (ε)
400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃ 1300℃
A/0 중량% 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.95 0.93 0.86 0.84 0.81
B/10 중량% 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.96 0.88 0.84 0.81
C/20 중량% 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.87 0.86 0.81
D/30 중량% 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.88 0.85 0.83
E/40 중량% 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.89 0.87 0.82
이 기술 분야의 통상의 기술자는, 주어진 조성물 구성 성분의 건조 혼합물 중량 백분율이, 예를 들면, 혼합 탱크 또는 용기 내로의 H3PO4 함유 수용액 28중량%의 첨가를 고려하여 총 72% 백분율 건조 중량에 대하여 특정된 습윤 중량 백분율을 정규화하여 계산될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
실시예 2
코팅 조성물의 방사율에 대한 TiO2 소스의 효과
본 실시예는 촉매 함유 폐기물 스트림으로부터 얻은 TiO2가 비 폐기물 상업적 소스로부터의 TiO2 함유 코팅 조성물과 동일한 방사율 값을 제공함을 보여준다.
방사율제 또는 방사율 향상제로서 사용된 TiO2 소스가 도 2의 제2 공정부 (220)에 따라 제조된 코팅 조성물의 방사율에 미친 효과를 비교하는 실험을 수행하였다.
네 가지 방사율 코팅 조성물 (A), (B), (C), 및 (D)를 제조하였다. 상기 각각의 코팅 조성물의 제조 후에, 상기 코팅 조성물을 상기 실시예 1에 기술된 동일한 기판 및 기술을 사용하여 도포하였다. 이후, 약 400℃ 내지 1300℃의 범위의 온도에서 상기 코팅 조성물 (A) 내지 (D) 각각의 방사율 값을 실시예 1에서 상술된 것과 동일한 방식으로 측정하였다.
코팅 조성물 (A) 내지 (E) 의 제조
미리 결정된 양의 세라믹 전구체 및 방사율 향상제를 사용하여 각각의 코팅 조성물 (A) 내지 (D)를 제조하였다. 세라믹 전구체는 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 카바이드 (SiC), 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 및 실리콘 디옥사이드 (SiO2)를 포함하였다. 티타늄 디옥사이드 (TiO2)는 방사율 향상제로서 사용되었다. Al2O3, SiC, Cr2O3, 및 SiO2는 실시예 1에서 동일한 재료를 제공한 동일한 상업적 소스로부터 얻었다. TiO2는 실시예 1에서 사용된 TiO2를 제공한 동일한 상업적 소스 또는 도 1의 공정 (100)과 관련하여 상술한 것과 같은 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 소스, 스트림, 또는 용액으로부터 얻었다. 본 실시예에서 사용된 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림으로부터 TiO2를 얻기 위한 상세한 공정을 하기에 기술한다. 코팅 조성물 (A) 내지 (D) 각각을 제조하기 위해 사용된 세라믹 전구체 및 방사율 향상제는 약 325 메쉬 미만의 평균 입자 크기를 가졌다.
습윤 혼합물 기준에서, 최종 코팅 조성물 (A) 및 (B) 각각에서 TiO2 중량 백분율을 약 10%로 유지하였고, 최종 코팅 조성물 (C) 및 (D) 각각의 TiO2 중량 백분율을 약 20%로 유지하였다. 코팅 조성물 (A) 및 (B)에서, Al2O3의 중량 백분율을 약 32중량%로 유지하였다. 코팅 조성물 (C) 및 (D)에 대하여 Al2O3의 중량 백분율을 약 22중량%로 유지하였다. SiC, Cr2O3, 및 SiO2의 중량 백분율을 코팅 조성물 (A) 내지 (D)에 대하여 일정하게 유지하였다. 코팅 조성물 (A) 내지 (D) 각각에서 세라믹 전구체 및 TiO2의 소스의 함량 또는 양은 아래와 같았다:
코팅 조성물 (A)
코팅 조성물 (A)는 약 10중량%의 TiO2, 32중량%의 Al2O3, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다. TiO2는 상업적 소스로부터 얻었다.
코팅 조성물 (B)
코팅 조성물 (B)는 약 10중량%의 TiO2, 32중량%의 Al2O3, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다. TiO2는 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림 추출 공정으로부터 얻었다.
코팅 조성물 (C)
코팅 조성물 (C)는 약 20중량%의 TiO2, 22중량%의 Al2O3, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다. TiO2는 상업적 소스로부터 얻었다.
코팅 조성물 (D)
코팅 조성물 (C)는 약 20중량%의 TiO2, 22중량%의 Al2O3, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다. TiO2는 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림 추출 공정으로부터 얻었다.
폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림으로부터의 TiO 2 의 추출
실시예 2에서 TiO2의 소스로서 사용된 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림은 폴리에틸렌 제조 공정으로부터 얻었다.
폴리에틸렌 촉매 함유 폐기물 스트림 또는 유출액 (이후 "PE 촉매 폐기물")을 폴리에틸렌 제조 공정으로부터 수집하였다. 수산화나트륨 (NaOH) 함유 용액을 도입함으로서 상기 PE 촉매 폐기물의 pH를 약 2.0으로부터 7.0으로 조절하였다. pH 조절 즉시, TiO2 및 Al(OH)2가 침전하였고, 상기 혼합물을 밤새 침강시켰다. 상기 침전된 TiO2 함유 부분을 탈염수로 약 4-5 회 광범위하게 세척하여 염화나트륨 (NaCl)과 같은 염을 제거하였다. 그 후, 상기 세척된 TiO2를 약 500℃에서 밤새 건조하고, 약 1000℃에서 약 5시간 동안 하소시켜서, 휘발성 부분을 제거하고 TiO2가 이의 루타일 형태로 존재함을 보장하였다. 결과적인 TiO2를 약 65 메쉬 미만의 평균 입자 크기로 분쇄하였다.
세라믹 전구체 및 TiO2를 혼합 탱크로 도입하고 교반하였다. 교반에 이어, 약 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액을 혼합 탱크 내로 도입하여 바인더로 사용하였다. 더 구체적으로, 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액 약 28중량%를 상기 교반된 세라믹 전구체 및 TiO2에 첨가하여 총 100중량%를 구성하였다. 결과적인 혼합물을 수분 동안 교반하였고, 이로부터 코팅 조성물을 얻었다.
상기 혼합물을 실시예 1에서 상술된 것과 동일한 기술을 사용하여 동일한 유형의 기판에 도포하였다.
결과
코팅 조성물 (A) 내지 (D)를 함유하는 시료에 대한 방사율 값을 실시예 1에서 기술된 것과 같은 방식으로 결정하였다. 코팅 조성물 (A) 내지 (D) 각각의 방사율 값을 보여주는 결과를 하기의 표 2에 제공하였다. 결과는 동일한 10중량% 분율의 TiO2 및 사용된 세라믹 전구체에서, 코팅 조성물 (B)는 약 1000℃ 및 1300℃의 온도에서 코팅 조성물 (A)와 동일하거나 실질적으로 동일한 방사율 값을 가지며, 약 1100℃ 및 1200℃의 온도에서 코팅 조성물 (A)와 거의 또는 대략적으로 동일한 방사율 값을 갖는다는 것을 보여준다. 게다가, 또한, 결과는 동일한 20중량% 분율의 TiO2 및 동일한 분율의 세라믹 전구체에서, 코팅 조성물 (D)는 약 1100℃의 온도에서 코팅 조성물 (C)와 동일한 방사율 값을 가지며, 약 1000℃, 1200℃, 및 1300℃의 온도에서 코팅 조성물 (C)와 거의 또는 대략적으로 동일한 방사율 값을 갖는다는 것을 실증한다. 이러한 결과는, 방사율제 또는 방사율 향상제로서 작용하는, 본 발명에서 기술된 것과 같은 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 소스로부터의 TiO2를 사용하여 제조된 코팅 조성물은비 폐기물 상업적 소스로부터의 TiO2를 사용하여 제조된 코팅 조성물과 비교할 때, 방사율이 측정된 온도에 따라, 동일하거나, 실질적으로 동일하거나, 대략적으로 동일하거나, 또는 비슷한 방사율 값을 갖는다는 것을 나타낸다.
방사율 코팅 조성물 / TiO2 중량% 특정 온도에서 방사율 값 (ε)
400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃ 1300℃
A/10 중량% 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.96 0.88 0.84 0.81
B/10 중량% 폐기물 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.96 0.86 0.85 0.81
C/20 중량% 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.87 0.86 0.81
D/20 중량% 폐기물 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.87 0.84 0.82
이 기술 분야의 통상의 기술자는, 주어진 조성물 구성 성분의 건조 혼합물 중량 백분율이, 예를 들면, 혼합 용기 내로의 H3PO4 함유 수용액 28중량%의 첨가를 고려하여 총 72% 백분율 건조 중량 에 대하여 특정된 습윤 중량 백분율을 정규화하여 계산될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
실시예 3
고방사율 코팅 조성물 표면 부착 시험
본 발명에 따른 고방사율 코팅 조성물 및 상기 코팅 조성물이 도포된 기판 사이에 결합을 평가하기 위해 실험을 수행하였다.
본 실시예에서, 하기 단락에 기술된 것과 같이 두 개의 코팅 조성물을 제조하였다.
코팅 조성물 (A) 및 (B) 의 제조
미리 결정된 양의 세라믹 전구체를 사용하여 코팅 조성물 (A) 및 (B)를 제조하였다. 세라믹 전구체는 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 실리콘 카바이드 (SiC), 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 실리콘 디옥사이드 (SiO2)를 포함하였다. 티타늄 디옥사이드 (TiO2)를 방사율 향상제로서 사용하였다. Al2O3, SiC, Cr2O3, 및 SiO2는 시판되는 소스로부터 얻었고, 약 425 메쉬 미만의 평균 입자 크키를 나타냈다. TiO2는 실시예 2에서 기술된 것과 같이 회수된 폴리에틸렌 촉매로부터 얻었고, 약 65 메쉬 미만의 평균 입자 크기를 가졌다. 코팅 조성물 (A) 내지 (B)에서 세라믹 전구체의 함량은 아래와 같았다:
코팅 조성물 (A)
코팅 조성물 (A)는 약 32중량%의 Al2O3, 10중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다.
코팅 조성물 (B)
코팅 조성물 B는 약 22중량%의 Al2O3, 20중량%의 TiO2, 18중량%의 SiC, 8중량%의 Cr2O3, 및 4중량%의 SiO2를 포함하였다. 세라믹 전구체 및 TiO2를 혼합 탱크 내로 도입한 후 교반하였다. 교반에 이어, 약 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액을 혼합 탱크 내로 도입하여 바인더로 사용하였다. 더 구체적으로, 17% 부피/부피의 인산(H3PO4) 함유 수용액 약 28중량%를 상기 교반된 세라믹 전구체에 첨가하여 총 100중량%를 구성하였다. 결과적인 혼합물을 25rpm으로 수분 동안 교반하였고, 그 후 코팅 조성물을 수집하였다.
본 실시예에서, 실리카 절연 벽돌을 기판으로서 사용하였다. 코팅 조성물의 도포 전에, 상기 기판을 집진기를 사용하여 세척하였다. 상기 코팅 조성물을 2.5 밀리미터 분무기를 사용하여 제어된 방식으로 상기 기판상에 분사하였다. 더 구체적으로, 상기 분무기의 압력은 약 5-6bar이었고, 도포된 코팅의 양은 약 1-1.6kg/m2이었다.
부착 시험 전에, 상기 코팅된 기판을 약 800℃에서 약 5시간 동안 가열하였다. 그 후, 상기 가열된 기판을 대기 온도로 냉각하였다.
나프타 분해로에서 일어나는 디코팅 사이클을 모사하기 위해 상기 부착 실험을 설계하였다. 나프타 분해로 작동에 있어서, 상기 로를 약 1100℃의 작동 온도로 가열하였고, 1년의 사용 기간(one service year)에 전형적으로 8번의 디코팅 사이클이 있다. 디코킹 사이클 동안에는, 약 1100℃의 작동 온도로 가열된 상기 로를 대기 온도까지 냉각시켰다. 대기 온도로의 냉각 후에, 상기 로를 다시 작동 온도로 가열하여 제2 사이클을 시작하였다. 따라서, 방사율 코팅 조성물이 적어도 전형적인 연간 디코킹 조건 하에서 적어도 1년의 사용 기간을 가질 것임을 증명하기 위하여, 상기 코팅된 기판을 약 1600℃(이는 나프타 분해로의 실제 작동 온도 보다 약 45% 높음)에서 약 5시간 동안 가열함으로써 부착 실험을 수행하였고, 그 후 상기 가열된 기판을 대기 온도로 냉각하여 1 디코킹 사이클을 모사하였다. 상기 모사된 디코킹 사이클을 8회 반복하였다. 1 디코킹 사이클의 완료에 이어, 수축 및 균열에 대하여 상기 기판 상의 상기 코팅을 관찰하였다. 표면의 측면 및 상기 기판에 대한 상기 코팅 조성물의 계면 부착의 측면을 평가하기 위해 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 및/또는 다른 관찰 기술을 사용하였다. 본 실시예에서, 상기 코팅 조성물 표면 및 계면 부착의 상태를 평가하기 위하여, 상기 코팅 및 상기 기판의 가열 및 냉각 공정, 뒤이은 광학적 관찰, 검사 및 측정을 8회 반복하였다. 코팅 조성물 (A) 및 (B)가 도포된 절연 벽돌의 단면 사진을 도 4a 및 4b에 나타내었다.
코팅 조성물 (A) 및 (B)에 대하여, 상기 코팅 및 상기 기판 사이의 부착의 품질을 평가하기 위하여, ASTM Designation C1624-05에 따라 두 가지 유형의 부착 시험을 실시하였다. 첫번째 실험은 상기 코팅에 부착된 돌리(dolly)를 이용하는 직접 인장 시험(pull-off test)이었다. 직접 인장 시험에서는 돌리가 부착되는 표면으로부터 멀어지는 방향으로 돌리에 힘을 인가하였다. 부착 시험을 수행하는데 유용한 장치의 예는 뉴욕, 오그덴즈버그의 DeFelsko Corporation에서 입수 가능한 PosiTest® Pull Off Adhesion Tester이다. 두번째 실험은 ASTM C1624-05에 따르는 기계적 파단 모드를 평가하기 위한 스크래치 시험이다.
결과
상기 코팅 및 기판의 광학적 관찰, 검사 및 측정으로부터 관찰되는 바와 같이, 코팅 조성물 (A) 및 (B)는 둘다 실리카 절연 벽돌 기판상에서 양호한 부착성을 나타냈다. 200 미크론의 코팅 두께에서, 3000 psi의 최대 하중은 상기 기판으로부터 상기 코팅을 벗겨내지 않았다. 상기 스크래치 시험에 따라 시험할 경우 200 미크론의 코팅 두께는 38N의 부착 강도를 나타냈다. 또한, 코팅 조성물 (A) 및 (B)는 가열 및 냉각의 8회의 사이클을 통해 열 충격을 견뎌냈다.
도 4c는 습윤 기준으로 약 23중량%의 SiC 함량을 갖는 SZET에 의해 상품명 QZ으로 시판되는 고방사율 코팅 조성물의 광학 이미지이다. 상기 기판 및 상기 코팅 사이의 균열에 의해 증명되는 바와 같이, 시판되는 코팅은 상기 기판으로부터 박리된다. 이러한 박리는 개시된 구현예들의 코팅 조성물과 동일한 수준의 기판 부착성, 내열성, 및 기계적 특성을 나타내지 않는 고방사율 코팅으로 코팅된 표면 상에서 나타난다. 도 5a-5c는 1200℃에서 3년의 작동 후의, 시판되는 고방사율 조성물로 코팅된 나프타 분해로의 내부 벽면의 사진이다. 도 5a-5c에 도시된 코팅 조성물은 3% 내지 4%의 에너지 절감이 관찰되는 첫 3개월의 작동 동안에는 만족스러운 성능을 나타냈다; 그러나, 상기 첫 3개월 후, 약 0.5%로의 에너지 절감의 하락에 의해 증명된 바와 같이 상기 성능은 급격하게 하락하였다. 또한, 3개월의 사용 후에 상기 하부 기판으로부터 상기 코팅 표면의 일부 박리가 관찰되었다. 이러한 작동의 3년 후에, 도 5a-5c에서 보여진 코팅은 건조 기준으로 약 22%의 SiC 함량을 가졌다. 이 양을 기준으로 로 벽에 원래 도포된 코팅 조성물은 건조 기준으로 약 30% 내지 40%의 SiC를 포함하였던 것으로 추정된다. 도 5a-5c에서, 시판되는 코팅의 열악한 부착성 및 열 특성 때문에 상기 코팅은 하부 기판으로부터 박리되기 시작하고 있거나 박리되었다. 이론에 제한되지 않고, 도 5a-5c에서 상기 코팅의 박리에 의해 증명된 것처럼, 성능의 저하는 건조 기준으로 30% 이상인 SiC 함량 또는 원래 코팅의 결과인 것으로 믿어진다.
건조 기준으로 30% 미만의 SiC를 함유하는 코팅 조성물 (A) 및 (B)는 실리카 절연 벽돌에 대한 양호한 부착성을 촉진하고 유지하며, 나프타 분해로의 적어도 1년의 사용 기간을 모사 하는 조건 하에 양호한 내열성을 보유 및 유지하였다. 도 4c에서 도시된 시판되는 코팅 조성물과는 달리, 코팅 조성물 (A) 및 (B)는 8회의 모사된 디코킹 사이클 후에 이들의 기판으로부터 박리되지 않았다. 게다가, 상기 결과는 코팅 조성물 (A) 및 (B)에 걸친 TiO2 중량 백분율 범위, 즉 이 범위의 극단에 대하여 플러스 또는 마이너스 약 5% 내지 20% (예를 들면, 약 10% 내지 15%)의 중량 백분율 내에 속하는 TiO2 중량 백분율 및 건조 기준으로 30% 미만의 SiC를 포함하는 본 발명에 따른 코팅 조성물은 향상된 방사율 및 원하는 기판 부착 특성을 모두 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 적어도 약 8% 내지 10%의 TiO2의 습윤 혼합물 중량 백분율; 또는 약 22% 내지 23% 미만의 TiO2의 습윤 혼합물 중량 백분율, 또는 약 10% 내지 20%의 TiO2의 습윤 혼합물 중량 백분율, 및 건조 기준으로 30% 미만 또는 심지어 건조 기준으로 약 20% 미만의 SiC 함량을 갖는 본 발명에 따른 코팅 조성물은 향상된 방사율 및 원하는 기판 부착 특성을 제공한다. 본 발명에 따른 대표적인 코팅 조성물 구현예에서, TiO2 중량 백분율이 하나의 특정한 코팅 조성물에서 다른 조성물로 달라짐에 따라, 특정한 일련의 조성물 구성요소의 중량 백분율 (예를 들면, Al2O3의 중량 백분율)은 그에 따라 조절될 수 있으며, 다른 조성물 구성요소의 중량 백분율은 일정하게 유지될 수 있다.
이 기술 분야의 통상의 기술자는 상기 주어진 조성물 구성요소의 건조 혼합물 중량 백분율이, 예를 들어, 상기 혼합 용기 내로의 H3PO4 함유 수용액 28중량%의 첨가를 고려하여 총 72%의 백분율 건조 중량에 대하여 특정한 습윤 중량 백분율을 정규화하여 계산될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
실시예 1-3에 보고된 결과는 놀랍고 및/또는 예기치 않은 것이었다. 이러한 결과는 TiO2가 열 방사율 코팅 조성물에서 방사율 향상제로서 작용할 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 폴리올레핀 중합 공정과 관련이 있는, 산업 폐기물 소스 또는 스트림으로부터 얻은 TiO2는, 향상된 방사율(예를 들면, 0.01 내지 0.06 방사율 단위 또는 그 이상의 증가) 뿐만 아니라 상당한 수의 열 사이클 및/또는 긴 기간에 걸쳐 박리를 나타내지 않는 기판에 대한 부착성을 갖는 코팅 조성물을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 특정한 구현예에서, 본 명세서에 기술된 구현예에 따라 향상된 방사율 및 기판 부착 특성을 제공하는 코팅 조성물은 습윤 혼합물 기준으로 적절한 방사율 향상을 제공하기 위하여 건조 기준으로 약 30% 초과의 SiC 및 20% 내지 22% 미만의 TiO2(예를 들면, 약 20% 미만의 TiO2), 그러나 약 8% 내지 10% 이상의 TiO2를 포함할 필요가 없다. 이에 대응하여, 본 발명의 특정한 구현예에 따른 코팅 조성물은 건조 혼합물 기준으로 적절한 방사율 강화를 제공하기 위하여 건조 기준으로 약 30% 초과의 SiC 및 27% 내지 30% 미만의 TiO2 (예를 들어, 약 27% 내지 29% 미만(예를 들면, 약 28% 미만)의 TiO2), 그러나 약 11% 이상의 TiO2를 포함할 필요가 없다. 특정한 구현예들에서, 본 발명의 구현예에 따른 코팅 조성물은 건조 기준으로 30% 미만의 SiC 및 습윤 혼합물 기준으로 약 8% 내지 16%의 TiO2, 또는 건조 혼합물 기준으로 약 11% 내지 22%의 TiO2를 포함할 수 있다.
본 발명에 의해 제공된 코팅 조성물의 대표적 실시예들은 하기의 실시예 4-6에서 기술된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 범위가 하기 조성물들로 제한되지 않음을 이해할 것이다.
실시예 4
슬러리 혼합물의 형태의 코팅 조성물을 본 발명에 따라 제조하였다. 상기 조성물은 약 22중량%의 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 약 18중량%의 실리콘 카바이드 (SiC), 약 8중량%의 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 약 4중량%의 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 약 20중량%의 티타늄 디옥사이드 (TiO2), 및 약 17% 부피/부피의 H3PO4를 함유하는 약 28중량%의 물을 포함하였다. TiO2는 상업적 소스, 또는 상기 실시예 2에 기술된 처리된 폴리올레핀 촉매 폐기물 스트림, 또는 상기 두가지 소스의 혼합물로부터 선택하였다. 상업적 소스의 TiO2는 폐기물 스트림으로부터 회수한 TiO2 보다 고순도를 갖는다. 예를 들면, 상업적 소스로 부터의 TiO2는 99% 초과의 순도를 나타내는 반면, 폐기물 소스로부터의 TiO2는 상술한 구현예에 따라 Al2O3로 전환될 수 있는 Al(OH)3의 존재 때문에 80% 내지 90%의 순도를 갖는다.
상기 코팅 조성물을 도 2의 공정 (200)을 사용하여 배합하였다.
상기 코팅 조성물은 약 1.5 - 1.6 kg/liter의 밀도, 약 1000℃에서 약 0.97 초과의 방사율, 약 1200℃에서 약 0.85 초과의 방사율(실시예 1에 기술된 것에 따라 측정된 경우)을 가졌으며, 광학적 관찰에 기초한 상기 코팅된 기판에 대한 양호한 표면 부착성을 나타냈다. 상기 코팅 조성물을 분무기를 사용하여 기판에 직접 도포하였다. 향상된 방사율 및 부착 능력 때문에, 본 실시예에 기술된 코팅 조성물로 코팅된 표면을 포함하는 로는 바람직하게 약 30-32 톤/시간의 로 처리량에서 약 4% 또는 시간 당 약 100-200 킬로그램의 연료 기체 만큼 감소된 연료 기체 소비를 가질 것이다. 상기 계산된 연료 소비의 감소는 약 30-32 톤/시간의 나프타 공급 처리량 및 약 5톤/시간의 연료 기체의 통상적인 연료 소비를 갖는 분해로에 기초한 것이다. 본 실시예의 상기 코팅을 도포한 후에, 로의 연료 기체 소비는 약 100-200 킬로그램/시간 또는 약 2% 내지 4% 만큼 감소하였다. 이러한 연료 기체 절감이 디코팅 사이클의 10회 반복 후에도 일정하게 유지되었다.
실시예 5
건조 혼합물 형태의 코팅 조성물을 본 발명에 따라 제조하였다. 상기 조성물은 약 30.5중량%의 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 약 25.0중량%의 실리콘 카바이드 (SiC), 약 11.1중량%의 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 약 5.6중량%의 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 및 약 27.8중량%의 티타늄 디옥사이드 (TiO2)를 포함하였다. TiO2는 상업적 소스, 또는 상기 실시예 2에서 기술된 처리된 폴리올레핀 촉매 폐기물 스트림, 또는 상업적 소스 및 폐기물 소스의 혼합물로부터 선택하였다. 상업적 소스로부터의 TiO2는 폐기물 스트림으로부터 회수한 TiO2 보다 고순도를 갖는다. 예를 들면, 상업적 소스로부터의 TiO2는 99% 초과의 순도를 나타내지만, 폐기물 소스로부터의 TiO2는 상술한 구현예에 따라 Al2O3로 전환될 수 있는 Al(OH)3의 존재 때문에 80% 내지 90%의 순도를 갖는다.
상기 코팅 조성물을 도 2의 공정 (200)을 사용하여 제조하였다; 그러나 공정부 (240)는 생략하였다. 세라믹 전구체, 즉 Al2O3, SiC, Cr2O3, SiO2, 및 상업적 소스로부터의 방사율 향상제 TiO2는 약 325 메쉬 미만의 평균 입자 크기를 가졌지만, 실시예 2에 따라 처리된 폴리올레핀 촉매 함유 폐기물 스트림으로부터의 TiO2는 약 65 메쉬 미만의 평균 입자 크기를 가졌다.
운반 및 저장의 용이성을 위해 건조 혼합물 형태의 코팅 조성물을 제조하였다. 기판을 코팅하기 전에, 건조 코팅 혼합물을 물 중의 17부피% 농도의 인산과 제어된 방식으로(예를 들면, 혼합기 형태에 의존함) 완전히 혼합하여 세라믹 전구체의 분말 또는 입자가 혼합 용기 측면에 응집되거나 부착되는 것을 방지하였다.
상기 제조된 코팅을 로의 내측 라이닝을 형성하는 절연 벽돌에 도포하였다. 이 로는 원래 약 450℃에서 작동될 경우, 약 1.25톤/시간의 연료 기체를 소비하였다. 상기 코팅된 로가 450℃에서 작동될 경우 상기 코팅은 0.98의 방사율을 가졌으며, 이는 약 4% 또는 50kg/시간의 연료 기체 소비로 이끌었다.
실시예 6
슬러리 혼합물 형태의 코팅 조성물을 본 발명에 따라 제조하였다. 상기 조성물은 약 2중량%의 알루미늄 옥사이드 (Al2O3), 약 18중량%의 실리콘 카바이드 (SiC), 약 8중량%의 크롬 옥사이드 (Cr2O3), 약 4중량%의 실리콘 디옥사이드 (SiO2), 약 40중량%의 티타늄 디옥사이드 (TiO2), 및 약 17% 부피/부피의 H3PO4를 함유하는 약 28중량%의 물을 포함하였다. TiO2는 상업적 소스, 또는 앞서 기술된 처리된 폴리올레핀 촉매 폐기물 스트림, 또는 상기 두가지 소스의 혼합물로부터 선택하였다. 상업적 소스로부터의 TiO2는 폐기물 스트림으로부터 회수한 TiO2 보다 고순도를 갖는다. 예를 들면, 상업적 소스의 TiO2는 99% 초과의 순도를 나타내지만, 폐기물 소스의 TiO2는 상술한 구현예에 따라 Al2O3로 전환될 수 있는 Al(OH)3의 존재 때문에 80% 내지 90%의 순도를 갖는다.
상기 코팅 조성물을 도 2에 따른 공정 (200)을 사용하여 제조하였다.
상기 코팅 조성물은 약 1.5 - 1.6 kg/liter의 밀도, 약 1000℃에서 약 0.98 초과의 방사율, 약 1200℃에서 약 0.86 초과의 방사율(실시예 1에 따라 측정됨)을 가졌으며, 상기 코팅된 기판에 대한 매우 양호한 표면 부착성을 가졌다. 상기 코팅 조성물을 실시예 1에서 상술한 분무기를 사용하여 절연 벽돌 기판에 직접 도포하였다. 상기 코팅 조성물은 노출된 표면에 도포될 경우, 로에서 적어도 약 20%의 열 손실 감소를 기여하였다. 20%의 열 손실 감소는 상기 코팅 조성물을 도포하기 전 및 후에 로의 외부 표면 온도를 결정하는 단계 및 주변 조건에서 (예를 들면, 실온 및 풍속) 로 벽을 통한 전도 및 로 벽 표면에서의 대류로 인한 열 손실을 계산하기 위하여 종래의 열 전달 원리를 적용하는 단계에 기초하였다.
실시예 7
하기의 표 3에 기재된 조성물을 갖는 고방사율 코팅의 절연 벽돌 기판에 대한 부착 특성 및 응집 특성을 평가하기 위해, 조성물 1, 2, 및 3에 대하여 스크래치 시험 방법 (ASTM C1624-05 (10))을 실시하였다. 일반적으로 스크래치 시험 방법은 120°의 테이퍼 각도 및 200㎛의 팁 반경을 갖는 Rockwell C 다이아몬드 팁 또는 초경합금 팁 포함하는 원추형 철필(sphero-conical stylus)을 사용하여 시험될 기판-코팅 시스템을 따라 상기 철필을 일정한 속도로 이동시켜 스트래치를 생성하는 것으로 이루어진다. 상기 철필이 상기 코팅 기판 시스템을 따라 이동함에 따라, 고정된 속도로 일정하거나 또는 점진적인 가력(loading)이 상기 철필에 의해 상기 기판에 적용된다. 점진적인 가력의 경우, 한계 하중 (Lc)은 인식 가능한 고장이 발생하는 최소 하중으로 정의된다. 스크래치 시험에서 코팅 손상을 위한 구동력은 탄성 플라스틱 압흔 응력(indentation stress), 마찰 응력 및 잔류 내부 응력(residual internal stress)의 조합이다. 낮은 하중 체제에서, 이러한 응력은 여전히 기판에 완전히 부착된 채로 남아 있는 코팅의 등각 또는 인장 균열을 낳는다. 이러한 응력의 시작을 제1 한계 하중으로 정의한다. 더 높은 하중 체제에서는, 다른 한계 하중이 정의되고, 이는 스폴링(spalling), 좌굴(buckling), 또는 치핑(chipping)에 의한 기판으로부터의 코팅 박리의 시작에 해당한다.
이러한 실시예에서, 각각의 샘플에 대하여 CSM Instruments SA Revetest Scratch Tester (RST)를 사용하여 세개의 스크래치를 수행하였다. RST는 단단한 기판에 부드러운 코팅뿐만 아니라 부드러운 기판에 단단한 코팅의 부착/응집 강도 시험하기에 적합하다. 상기 측정을 수행하기 위하여 120°의 테이퍼 각도를 갖는 초경합금 팁을 사용하였다. 시험 조건 및 파라미터는 표 3에 열거되어 있다. 측정 후에, 각각의 샘플을 더스터 분무기로 세척하였고, 상기 철필 및 상기 기판으로부터 코팅의 박리가 일어난 위치 사이의 초기 접촉 지점 사이의 거리를 측정하였다. 인가된 힘/거리 곡선을 사용하여, 박리가 일어난 위치에 대응하는 하중을 결정하였다. 각각의 샘플에 대해 박리가 일어날 때의 하중을 하기 표 4에 보고하였다.
상기 실시예 1에 기술된 방법을 사용하여 각각의 코팅 조성물을 제조하였다. 실시예 3에 기술된 바와 같이 습윤 코팅 조성물을 절연 벽돌 기판에 도포하여 각각의 샘플을 제조하였다. 스크래치 시험 전에, 상기 코팅을 1200℃에서 5시간 동안 소성하였다. 상기 소성된 코팅은 두께가 200 마이크로미터이었다.
스크래치 시험 조건 및 파라미터
시험 조건
시험 분위기
온도
습도		 공기
24 ℃
40%
시험 파라미터
인덴터
가력 유형
스캐닝 하중
초기 하중
최종 하중
가력 속도
스크래치 길이
속도		 초경합금 팁 (120°)
점진적
0.9 N
0.9 N
60 N
38.2 N/min
20 mm
40 mm/min
샘플 조성물, 코팅 특성, 및 박리될 때의 하중
코팅 조성물(볼드체는 습윤 혼합물/이탤릭체는 건조 혼합물) 1 2 3
하소 알루미나
실리콘 카바이드
크롬 옥사이드
규암
티타니아
인산
물
총		 21 29.2
9 12.5
6 8.3
3 4.2
18 25.0
15 20.8
28 0
100 100 		16 22.2
14 19.4
6 8.3
3 4.2
18 25.0
15 20.8
28 0
100 100 		11 15.3
19 26.4
6 8.3
3 4.2
18 25.0
15 20.8
28 0
100 100
코팅 정보
기판: 절연 벽돌
코팅 두께 (㎛)
소성 온도 (℃)
소성 시간 (hr)		 HI 28
200
1,200
5		 HI 28
200
1,200
5		 HI 28
200
1,200
5
박리될 때의 하중 (N)
1
2
3
평균
표준 편차		 21.4
23.7
22.1
22.4
1.0		 38.8
37.6
37.5
38.0
0.6		 28.7
31.4
27.1
29.1
1.8
표 4에 보고된 결과는 상기 샘플 조성물이 21.4N 내지 38.8N 범위의 하중에서 상기 기판으로부터 박리된다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 절연 벽돌 기판에 대한 상기 샘플 조성물의 부착성을 나타낸다.
코팅 조성물 배합, 제조, 또는 선택의 추가적인 관점
본 발명의 몇몇 구현예에 따라, 고려중인 코팅 조성물에 대한 목표 방사율 수준, 또는 일련 또는 일군의 코팅 조성물에 대한 방사율 향상의 측정은, 하나 이상의 다른 코팅 조성물 구성요소(예를 들면, Al2O3와 같은 충전제)의 농도에 대하여 TiO2 농도(예를 들면, 습윤 또는 건조 혼합물 중량 백분율 기준으로)를 변화시키는 것이 방사율에 영향을 미치거나 영향을 미칠 것으로 예상될 수 있는 방식을 특정하는, 참조 또는 접근 데이터에 의해 결정되거나 예상될 수 있다. 이러한 데이터는 전자 형식 (예를 들면, 표 또는 데이터베이스) 또는 비전자 형식으로 저장될 수 있다. 추가적으로, 이러한 데이터는 또한, TiO2 농도 (예를 들면, 충전제에 대한 상대적 기준임)를 변화시키는 것이 미리 결정된 기간, 예를 들어, 6개월 이상, 약 1년, 또는 1년 초과와 같이 상당한 또는 긴 기간에 걸쳐서 하나 이상의 유형의 기판에 대한 코팅 조성물의 부착성에 영향을 미칠 것으로 기대될 수 있는 방식을 포함하거나 특정할 수 있다. 그러한 데이터에 기초하여, 적절한 기간에 걸친 바람직한 기판 부착 특성성 뿐만 아니라, 적절한 양의 TiO2의 포함의 결과로서, 향상된 방사율을 제공하는 코팅 조성물이 확인되고, 선택되고, 쉽게 제조될 수 있다.
본 발명의 특정한 구현예는 이전에 나타난 문제들 중의 하나 이상을 해결하기 위해 위에서 설명되었다. 특정 구현예와 관련된 특징, 기능, 공정, 공정부, 장점, 및 대안은 이들 구현예의 맥락 내에서 설명되었지만, 다른 구현예들이 또한 이러한 장점을 나타낼 수 있으며, 모든 구현예들이 반드시 본 발명의 범위 내에 속하는 이러한 장점들을 나타낼 필요는 없다. 상기 개시된 특징, 기능, 공정, 공정부, 장점, 및 이들의 대안 중의 몇가지는 바람직하게는 기타 다른 방법, 공정, 시스템, 또는 응용 분야에 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 개시된 특징, 기능, 공정, 공정부, 장점, 및 이들의 대안뿐만 아니라 이 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 후속적으로 이루어질 수 있는 다양한 현재 예기치 않은 대안, 변경, 변형 또는 개선이 다음의 특허청구범위에 포함된다.
상술된 다양한 구현예들은 추가적인 구현예들을 제공하기 위하여 조합될 수 있다. 이 명세서에서 언급되고 및/또는 Application Data Sheet에 열거된 모든 U.S. 특허, U.S. 특허 출원 공보, U.S. 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원 및 비특허 공보는 인용에 의해 전체로서 본 명세서에 포함된다. 추가적인 구현예들을 제공하기 위하여 다양한 특허, 출원 및 공보의 개념을 채용하는 것이 필요할 경우, 상기 구현예들의 측면이 수정될 수 있다.
이들 및 다른 변경이 상기 상세한 설명에 비추어 상기 구현예들에 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 특허청구범위에서, 사용된 용어들은 특허청구범위를 본 명세서 및 특허청구범위에 개시된 특정한 구현예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되나, 그러한 균등물(이에 대하여는 특허청구범위가 자격을 부여받음)의 전체 범위와 함께 모든 가능한 구현예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 특허청구범위는 본 발명에 의해 제한되지 않는다.

Claims (36)

  1. 열 방사율 코팅 조성물로서,
    티타늄 디옥사이드를 포함하는 일련의 방사율제(emissivity agent)의 건조 혼합물로서, 상기 티타늄 디옥사이드의 중량 백분율은 상기 코팅 조성물의 약 22중량% 미만 및 상기 코팅 조성물의 약 10중량% 이상인 건조 혼합물; 및
    세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및 세라믹 나이트라이드 중 1종 이상으로부터 선택된 일련의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코팅 조성물은 약 11-22중량%의 티타늄 디옥사이드를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코팅 조성물은 약 10%중량 이상의 티타늄 디옥사이드를 포함하고, 약 400℃ 및 1300℃ 사이의 온도 범위에서 증가된 방사율 값을 갖는 열 방사율 코팅 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 코팅 조성물은 약 20중량% 이상의 티타늄 디옥사이드를 포함하고, 약 1000℃의 온도에서 약 0.95 이상의 방사율 값을 나타내는 열 방사율 코팅 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 코팅 조성물 중의 티타늄 디옥사이드의 중량 퍼센트가 증가함에 따라 약 1000℃의 온도에서 상기 코팅 조성물의 방사율 값이 증가하는 열 방사율 코팅 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 일련의 방사율제는 티타늄 디옥사이드 이외에 실리콘 카바이드, 크롬 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 아이언 옥사이드, 보론 실리사이드(boron silicide), 보론 카바이드, 실리콘 테트라보라이드, 몰리브덴 디실리사이드(molybdenum disilicide), 텅스텐 디실리사이드(tungsten disilicide), 및 지르코늄 디보라이드(zirconium diboride)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방사율제를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제는 실리콘 카바이드, 하프늄 디보라이드, 하프늄 카바이드, 하프늄 나이트라이드, 탄탈럼 디보라이드, 탄탈럼 카바이드, 탄탈럼 나이트라이드, 티타늄 디보라이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 나이트라이드, 지르코늄 디보라이드, 지르코늄 카바이드, 및 지르코늄 나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 및 보론 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 충전제를 더 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  9. 열 방사율 코팅 조성물로서,
    티타늄 디옥사이드를 포함하는 일련의 방사율제의 혼합물로서, 티타늄 디옥사이드의 중량 백분율은 상기 코팅 조성물의 약 22중량% 미만 및 상기 코팅 조성물의 약 8중량% 이상인 혼합물;
    세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및 세라믹 나이트라이드 중 1종 이상으로부터 선택된 일련의 매트릭스 강도 향상제; 및
    인산을 포함하는 용액 성분을 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 알루미늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드 및 보론 옥사이드로부터 선택된 충전제를 건조 기준으로 약 2.08중량% 내지 약 85.71중량%를 더 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 일련의 매트릭스 강도 향상제는 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 30% 미만 사이의 범위의 양으로 SiC를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 약 20%의 SiC를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  13. 기판용의 열 방사율 코팅 조성물 제조 방법으로서,
    티타늄 디옥사이드를 얻는 단계;
    상기 티타늄 디옥사이드를 포함하는 일련의 방사율제를 제공하는 단계;
    세라믹 보라이드, 세라믹 카바이드, 및 세라믹 나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 일련의 매트릭스 강도 향상제를 제공하는 단계;
    알루미늄 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 및 보론 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 충전제를 포함하는 일련의 충전제를 제공하는 단계;
    인산을 포함하는 용액 성분을 제공하는 단계; 및
    상기 일련의 방사율 향상제, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제, 상기 일련의 충전제 및 상기 용액 성분을 결합하는 단계로서, 상기 1종 이상의 충전제는 습윤 기준으로 상기 코팅 조성물의 약 2중량% 내지 약 60중량%를 포함하고, 상기 티타늄 디옥사이드는 습윤 기준으로 상기 코팅 조성물의 약 22중량% 미만 및 상기 코팅 조성물의 약 8중량% 이상을 포함하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 티타늄 디옥사이드는 산업 폐기물 소스 및 광석계 소스 중 1종 이상으로부터 얻어지는 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 산업 폐기물 소스는 폴리올레핀 중합 공정 폐기물 소스를 포함하는 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 산업 폐기물 소스는 지글러 나타 (Ziegler-Natta) 촉매 함유 폐기물 소스를 포함하는 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 산업 폐기물 소스로부터 티타늄 디옥사이드를 얻는 단계는:
    상기 산업 폐기물 소스의 pH를 약 7.0 내지 약 9.0 사이로 조절하는 단계; 및
    상기 pH 조절된 산업 폐기물 소스로부터 티타늄 디옥사이드를 침전시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산업 폐기물 소스로부터 티타늄 디옥사이드를 얻는 단계가 상기 침전된 티타늄 디옥사이드로 하여금 열 분해 공정을 겪게 하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 일련의 방사율제는 티타늄 디옥사이드 이외에 실리콘 카바이드, 크롬 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 아이언 옥사이드, 보론 실리사이드, 보론 카바이드, 실리콘 테트라보라이드, 몰리브덴 디실리사이드, 텅스텐 디실리사이드, 및 지르코늄 디보라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방사율제를 포함하는 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제는 실리콘 카바이드, 하프늄 디보라이드, 하프늄 카바이드, 하프늄 나이트라이드, 탄탈럼 디보라이드, 탄탈럼 카바이드, 탄탈럼 나이트라이드, 지르코늄 디보라이드, 지르코늄 카바이드, 및 지르코늄 나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 매트릭스 강도 향상제를 포함하는 제조 방법.
  21. 제13항에 있어서:
    상기 코팅 조성물에 존재하는 티타늄 디옥사이드의 중량 퍼센트를 조절하여 상기 코팅 조성물의 방사율 값을 증가시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    복수의 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 코팅 조성물을 상기 기판의 적어도 하나의 표면에 도포하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 기판이 실리카 절연 벽돌, 세라믹 섬유, 세라믹 모듈, 내화 벽돌, 플라스틱 내화물, 캐스터블 내화물(castable refractory), 내화 모르타르, 파이버라이트, 세라믹 타일, 섬유 보드의 집합체, 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 기판이 로(furnace)의 일부, 연소 히터, 세라믹 자동차 부품, 내화 항공우주 부품, 또는 해양 부품을 포함하는 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 로는 분해로(cracking furnace)를 포함하는 제조 방법.
  26. 제13항에 있어서, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제를 제공하는 단계는 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 30% 미만의 SiC를 제공하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 약 20%의 SiC를 제공하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  28. 열 방사율 코팅 조성물을 사용하는 기판의 열 방사율 변경 방법으로서, 상기 방법은:
    목표 방사율 수준 또는 목표 방사율 변경을 확인하는 단계;
    상기 목표 방사율 수준 또는 상기 목표 방사율 변경을 제공할 것으로 예상되는 코팅 조성물의 티타늄 디옥사이드의 농도를 결정하는 단계로서, 상기 코팅 조성물의 티타늄 디옥사이드의 농도가 습윤 기준으로 상기 코팅 조성물의 약 22중량% 미만 및 상기 코팅 조성물의 약 8중량% 이상인 단계;
    상기 코팅 조성물에 대해 일련의 기판 부착 특성을 결정하는 단계;
    상기 결정된 일련의 기판 부착 특성을 제공할 것으로 예상되는 코팅 조성물의 SiC 농도를 결정하는 단계;
    상기 결정된 티타늄 디옥사이드 농도, 상기 결정된 SiC 농도, 및 인산을 포함하는 용액 성분을 포함하는 열 방사율 코팅 조성물을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 결정된 티타늄 디옥사이드 농도를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물을 제공하는 단계가 산업 폐기물 스트림 또는 광석계 티타늄 디옥사이드 소스로부터 티타늄 디옥사이드를 추출하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 산업 폐기물 스트림이 폴리올레핀 중합 공정 폐기물 소스를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 폴리올레핀 중합 공정 폐기물 소스가 지글러 나타 (Ziegler-Natta) 촉매 함유 폐기물 소스를 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 산업 폐기물 스트림으로부터 티타늄 디옥사이드를 추출하는 단계는:
    상기 산업 폐기물 스트림의 pH를 약 7.0 내지 약 9.0 사이로 조절하는 단계; 및
    상기 pH 조절된 산업 폐기물 스트림으로부터 티타늄 디옥사이드를 침전시키는 단계를 포함하는 방법.
  33. 제28항에 있어서, 상기 코팅 조성물의 SiC 농도를 결정하는 단계는 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 30% 미만의 SiC 농도를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 SiC 농도가 건조 중량 기준으로 약 8% 내지 약 20%인 방법.
  35. 제9항에 있어서, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드 및 보론 옥사이드로부터 선택된 충전제 약 2중량% 내지 60중량%를 더 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
  36. 제9항에 있어서, 상기 일련의 매트릭스 강도 향상제는 습윤 중량 기준으로 약 29.4% 미만의 양으로 SiC를 포함하는 열 방사율 코팅 조성물.
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