KR20150000964A - 고온 세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹 분말, 조공제, 바인더 및 분산액을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계 및, 상기 슬러리를 외주면에 기공이 형성된 성형기에 투입하여 압출성형하는 단계를 포함함으로써, 시간이 단축되어 제조비용이 저렴하고 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성 및 내열성이 우수하며, 기공도 조절이 용이한 고온 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고온 세라믹 필터의 제조방법 {METHOD OF PREPARING HIGH TEMPERATURE CERAMIC FILTER}

본 발명은 압출 성형법으로 고온 세라믹 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

산업의 발전에 따라 각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals : VOC's)등의 유해물질의 폐해는 더욱 늘어나고 있는 실정이다.

따라서 이러한 공해물질의 방출을 막기 위하여 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성 및 난연성에 있어서 취약한 문제점이 있다. 폴리에스터의 경우 150 ℃에서 수축이 일어나며, 내열성이 우수한 PTFE(테프론)의 경우도 최고 250 ℃ 정도의 내열성밖에 가지지 못한다.

특히 산업용 필터를 사용하는 공정의 분위기는 분진과 여러 종류의 폐가스, 수분이 동시에 발생되는 가혹한 환경이어서 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 폴리아마이드, 폴리이미드, 유리섬유 등 대부분의 고분자 소재의 부직포 필터는 필터 표면에 붙어 있던 분진을 제트 펄스 등의 방법으로 털어 내면 위에서 아래로 분진이 떨어지면서 분진에 의한 필터의 표면마모가 예상보다 심각하여 필터를 파손하고 필터의 사용주기를 짧게 한다.

또한 각 산업의 연소공정 중에 불꽃이 발생하여 필터에 붙게 되면 필터에 붙은 불꽃은 화재로 이어지거나, 필터에 구멍을 내며 쓰레기 소각로, 보일러, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전의 경우는 배기가스가 대기 중에 노출될 위험이 있으므로 강화되는 환경규제에 역행하게 된다는 문제점이 있다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹 필터의 개발이 이루어져 왔는데 세라믹 필터는 고분자 필터에 비하여 내열성, 내화학성, 내마모성 등이 훨씬 우수한 특징이 있다. 특히, 내열성이 우수하여 배기 장치내에 냉각 장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 세라믹 섬유(Fiber)를 이용한 튜브 형태를 진공성형이나 압출성형해서 사용하는 것이 가장 보편적인 방법이다.

이는 여과 효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 제조되는 비용이 고가이고, 장시간 사용할 때 세라믹 섬유의 열화로 인해 필터의 내구성이 떨어져 여과 효율이 감소한다. 뿐만 아니라, 필터의 재생 시 압축공기를 역 분사하여 외벽의 분진을 털어 낼 때 세라믹 섬유가 파손되고, 이렇게 파손된 세라믹 섬유가 정상운전 시 배기가스 중에 포함되어 배출됨으로써 2차 공해를 발생시키는 문제가 있다. 또한 세라믹 필터 전체가 동일한 기공도를 가지는 구조로 이루어져 내부에 분진이 걸리는 경우에는 필터의 눈막힘 현상의 발생으로 압력손실이 커지고 배압이 증가하는 문제가 있다.

제조공정 측면에서, 진공성형 공정의 경우는 진공 쳄버 및 진공펌프의 제조에 많은 비용이 소요되며 진공 쳄버의 크기제한에 따라 제작할 수 있는 세라믹 필터의 크기에 제약을 받게되므로 대형 필터는 제조하지 못하는 문제가 있다. 또한 진공성형이므로 제조된 세라믹 필터의 크기 제한을 가지며, 세라믹 소재의 심한 마모로 일정 생산량마다 금형을 바꿔야하는 높은 고정비로 생산단가가 높게 된다는 문제점이 있다.

상기 진공성형 방법 이외에도 압출성형, 프레스 성형, 정수압(hydrostatic pressure)성형 등의 방법들이 개발되고 있으나 이 경우에도 제작 시 금형제작이 필수적이며 가압장치를 구비해야 하므로 제작비용이 증가하고 제조가 용이하지 못할 뿐만 아니라 금형이 결정되면 제작형상의 변경이 용이하지 않고, 대형필터의 생산이 어려운 문제점을 가진다.

특히 상기 압출성형, 프레스 성형, 정수압 성형 등의 방식은 가압방식에 의한 성형이므로 기공도가 낮아 통기성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 내마모성 및 내열성이 우수하고, 기공도 조절이 용이한 고온 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 시간이 단축되어 제조비용이 저렴하고 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 대형필터의 생산이 용이한 고온 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 외주면에 기공이 형성된 성형기를 이용한 압출 성형법으로 용매의 증발 속도를 제어함으로써, 성형 공정의 시간을 획기적으로 단축시켜 경제적이며, 필터의 기공도 조절이 용이한 고온 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고온 세라믹 필터의 제조방법은 시간이 단축되어 제조비용이 저렴하고 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 대형필터의 생산이 용이한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 고온 세라믹 필터의 제조방법은 내마모성 및 내열성이 우수하고, 기공도 조절이 용이한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일례의 외주면에 기공이 형성된 성형기를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 고온 세라믹 필터의 제조방법은 세라믹 분말, 조공제, 바인더 및 분산액을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계 및, 상기 슬러리를 외주면에 기공이 형성된 성형기에 투입하여 압출성형하는 단계를 포함한다.

이하 본 발명에 따른 고온 세라믹 필터의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 세라믹 분말, 조공제, 바인더 및 분산액을 혼합하여 슬러리를 제조한다.

상기 세라믹 분말은 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 상기 세라믹 분말은 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O₃·SiO₂), 카올린(kaolin group, Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), 실리카(SiO₂), 티타니아, 또는 규조토 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 세라믹 분말은 슬러리 조성물 100중량부에 25 내지 60중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 50중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결 시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.

조공제는 세라믹 필터의 기공을 형성하는 작용을 하는 것으로, 탄소, 활성탄, 목재분말, 톱밥, 소금, 나프탈렌, 또는 활석 등을 사용할 수 있다.

상기 조공제는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 조공제의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 적절한 크기의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 조공제는 소결과정에서 연소되어 없어져 세라믹 필터의 기공을 형성하며, 그 함량은 슬러리 조성물 100중량부에 5 내지 40중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 25중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결 시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.

바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO₃)의 무기바인더 또는 MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 통상의 유기바인더, 무기바인더, 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 무기바인더와 유기바인더의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO₃)의 무기바인더 또는 MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 슬러리 조성물 100중량부에 1 내지 20중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리와 담체를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.

분산액은 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 분산액은 슬러리 조성물 100중량부에 20 내지 60중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 담체에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 바인더는 분산액에 동시 투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리 투입하여 혼합할 수도 있다. 특히, 상기 성분의 혼합은 분산액에 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합)를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.

상기 혼합물의 혼합시간은 1 내지 10 시간 동안 실시되는 것이 좋다. 상기와 같이 혼합된 슬러리는 안정화를 위하여 1 시간 이상의 숙성을 시키면 더욱 좋다.

본 발명은 상기 슬러리를 외주면에 기공이 형성된 성형기에 투입하여 압출성형한다.

압출성형은 플라스틱 성형의 일종으로, 압출기(고무나 합성수지의 튜브, 각종 단면 형상의 봉재(棒材), 판재, 형재(形材)를 압출 성형하거나 스트레이너 작업 및 가열작업을 하는 스크류 회전식의 기계)를 사용하여 압출다이로부터 투입된 합성수지를 가열 용융시켜 압출하는 방식의 성형을 말한다.

원료인 수지를 호파에 투입하여 스크류 회전에 의해 수지를 압착·용융시켜 압출다이 쪽으로 밀어내어 일정 형태의 성형품을 만든 후에는 이것을 냉각·고화시켜 연속적으로 제품을 성형하게 된다.

압출 원리상 크게 스크류식과 비스크류식으로 나눌 수 있다. 즉, 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 스크류식 압출기는 단축 압출기와 다축 압출기로 크게 나누어지고, 구조상으로 보면 수직형과 수평형으로 나눌 수 있으며, 기능상으로는 컴파운딩용과 성형용으로 구분할 수 있다.

압출기의 중에서 단축 스크류 압출기는 범용압출기로 대부분의 열가소성수지의 압출성형에 적당하고, 다축(2축, 3축, 4축) 스크류 압출기는 스크류 플랭크의 맞물림을 이용해서 압출력을 크게 할 수 있다. 다축 스크류 압출기 중에 가장 많이 사용되는 것은 2축 스크류 압출기로 구경이 큰 PVC 파이프 등의 제작에 많이 이용된다.

본 발명은 상기와 같은 압출기를 이용하되, 도 1과 같이 외주면에 기공이 형성된 성형기를 포함하는 압출기를 사용하여 고온 세라믹 필터를 제조하는 것에 특징이 있다.

상기 외주면에 기공이 형성된 성형기는 내부에 투입된 원료를 성형하는 과정에서, 상기 기공으로 원료 내부에 함유된 용매(수분 포함)를 용이하게 배출하여 압축성형의 효율(공정 시간 단축 등)을 증가시킬 수 있다.

또한, 성형 공정 동안 지속적으로 용매를 배출함으로써, 세라믹 필터의 기공 분포 및 기공 크기를 보다 균일하게 제어할 수 있고 우수한 내마모성 및 내열성을 유지할 수 있다.

본 발명은 상기 압출성형 된 성형체를 건조 및 소결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 건조는 안전한 소결과 소결 준비 과정 및 소결 과정 중에 성형물의 형상 변형을 방지하는 작용을 한다.

건조는 자연건조, 열풍건조, 또는 응달건조시킬 수 있으며, 특히 건조시간의 단축 및 셩형물의 변형방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 실시하는 것이 바람직하다.

상기 소결은 건조된 성형물을 소결로에 넣은 후, 소결로의 온도를 소결온도까지 승온시켜 일정한 온도에서 소결시킬 수 있다.

소결은 슬러리의 성분 및 성분비에 따라 적정한 소결온도를 설정하여 소결을 진행할 수 있으며, 특히 상기 소결시 승온 중 발생할 수 있는 성형물 변형, 쪼그라듬 및 파손을 방지할 수 있도록 상온 내지 500℃까지는 0.5 내지 3℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하다. 특히 150℃ 내지 450℃의 온도에서는 0.5 내지 1℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 세라믹 분말의 조서에 따라 800℃ 내지 1450℃의 소결온도까지 승온시켜 7 내지 9시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 바람직하다.

Claims (5)

1. 세라믹 분말, 조공제, 바인더 및 분산액을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계 및,
   상기 슬러리를 외주면에 기공이 형성된 성형기에 투입하여 압출성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 세라믹 필터의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 압출성형 후, 건조 및 소결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 세라믹 필터의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 소결은 800 내지 1450℃에서 7 내지 9시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고온 세라믹 필터의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 분말은 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고온 세라믹 필터의 제조방법.
   
5. 청구항 1 내지 4중 어느 한 항의 방법으로 제조된 고온 세라믹 필터.
   

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