KR20160105591A

KR20160105591A - 다공성 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 세라믹스

Info

Publication number: KR20160105591A
Application number: KR1020150028008A
Authority: KR
Inventors: 김익진; 박중규; 조계형; 강병우; 강병호; 나보니타 사카
Original assignee: 한서대학교 산학협력단; 강병우; 김익진
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-07

Abstract

본 발명은 다공성 세라믹스의 제조방법 및 이로부터 제조된 다공성 세라믹스에 관한 것으로, 상기 다공성 세라믹스의 제조방법은 세라믹 분말과 물을 혼합하여 수성 현탁액을 준비하는 수성 현탁액 준비단계; 상기 수성 현탁액에 탄소수가 2 내지 7(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 첨가하는 카르복실산 첨가단계; 상기 수성 현탁액에 산 또는 염기를 첨가하여 상기 수성 현탁액의 pH를 3 내지 6.5로 조절하는 pH 조절단계; 상기 수성 현탁액에, 실리카 분말과 물을 혼합한 실리카 현탁액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 혼합액 제조단계; 및 상기 혼합액을 교반하여 공기를 주입시킴으로써 상기 혼합액 및 상기 공기의 상호반응에 의해 기공이 형성된 다공성 세라믹스를 형성하는 다공성 세라믹스 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 높을 기공률을 가지며 안정성이 우수한 다공성 세라믹스를 제조할 수 있다.

Description

다공성 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 세라믹스{METHOD FOR MANUFACTURING POROUS CERAMICS AND POROUS CERAMICS MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 다공성 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 세라믹스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높을 기공률을 가지며 안정성이 우수한 다이렉트 발포방식을 이용한 다공성 세라믹스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 세라믹스에 관한 것이다.

다공체 세라믹스(porous ceramics)는 입자, 괴 등의 고체 속에 크기가 다양한 기공을 갖는 고체를 말하며, 다공체, 다공질 고체, 다공재료를 의미한다.

이러한 다공질체를 기하학적 구조상으로 분류할 경우 어그리게이트(Aggregate)형과 스폰지(Sponge)형(또는 폼(Foam)형), 그리고 허니컴형으로 크게 나눌 수 있다. 어그리게이트 또는 입자 응집체(Agglomerate)란 미세입자를 소결하거나 바인더로서 고화시킨 것으로, 기공은 원료입자가 갖고 있는 내부의 세공(micro pore)외에 입자들 사이에 존재하는 공극(macro pore)으로부터 생기며 입자사이에 존재하는 공극의 크기는 원료입자의 크기와 관련된다.

특히, 종래에 다공성 세라믹스는 입경 분포를 어느 범위의 폭으로 제어시킨 세라믹스 골재에 플럭스(flux) 성분을 일정량 배합하여 성형하고 플럭스를 태우기 위하여 고온에서 소성하며, 기공의 크기는 1㎛에서 1mm 전후로 그 재질과 기공의 크기에 따라 여과 또는 확산의 필터, 매체 촉매단체, 흡음체, DPF, 열교환체, 특수 히터와 생체세라믹스 등 폭 넓은 용도에 사용되었다.

이러한 다공체 세라믹스를 제조하는 방법은 일정한 크기의 입도를 갖는 기공 형성제를 혼합하여 소성 과정인 유입법과, 일정한 입도 범위의 골재(Al₂O₃ _, SiO₂, SiC 등)를 유기질 또는 무기질 접착제로 된 플럭스로 균일하게 코팅시킨 후 이것을 금형에 넣고 압축하여 성형한 다음, 건조 소성키는 압축 성형법과 천연 템플레이트(templates)를 이용하여 성형한 후 소성과정으로 제작하는 템플레이트 주입성형 방법 등이 종래에 사용되었다.

그러나, 종래의 제조방법은, 다공체의 기공의 크기와 분포도 등을 효과적으로 제어하기 어려울 뿐만 아니라, 기공률을 60% 이상으로 높이기 어려우며, 생산 비용이 비교적 비싼 문제가 있었다.

또한, 기공의 분포가 고르지 못하였으며, 건조과정 중에 입자들이 안정한 형태를 유지하기 어려운 문제가 있었다.

또한, DPF와 인공 조직에 사용되는 다공체 세라믹스는 많은 연구자들의 노력에도 불구하고, 제작비용과 인공뼈와 같은 오픈(open) 기공의 미세구조 제어 기술에 대한 노하우의 부재로 기공의 크기, 형태 및 분포도를 효과적으로 제어할 수 없었다.

따라서, 다공체 세라믹스를 제조함에 있어서, 기공의 고른 분포와 기공률 향상, 특히, 그 형태의 안전성을 유지하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 세라믹 입자 표면에 효과적으로 소수성을 부여함으로써 공기의 소수성과 물의 특성으로 인한 상호작용을 현저히 높일 수 있는 발포방식을 이용한 다공성 세라믹스를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 세라믹 분말의 표면을 처리하는 물질, 현탁액에 첨가되는 물질의 종류, 비율 및 농도를 최적화함으로써 기공을 고르게 분포시킬 수 있을 뿐만 아니라 안정성을 향상시킬 수 있는 다공성 세라믹스를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 세라믹스의 제조방법은 세라믹 분말과 물을 혼합하여 수성 현탁액을 준비하는 수성 현탁액 준비단계; 상기 수성 현탁액에 탄소수가 2 내지 7(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 첨가하는 카르복실산 첨가단계; 상기 수성 현탁액에 산 또는 염기를 첨가하여 상기 수성 현탁액의 pH를 3 내지 6.5로 조절하는 pH 조절단계; 상기 수성 현탁액에, 실리카 분말과 물을 혼합한 실리카 현탁액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 혼합액 제조단계; 및 상기 혼합액을 교반하여 공기를 주입시킴으로써 상기 혼합액 및 상기 공기의 상호반응에 의해 기공이 형성된 다공성 세라믹스를 형성하는 다공성 세라믹스 형성 단계를 포함할 수 있다.

상기 세라믹 분말의 세라믹은 알루미나를 포함할 수 있다.

상기 세라믹 분말은 평균 입경이 0.1 내지 100㎛이고, 밀도가 2.0 내지 5.5g/m³일 수 있다.

상기 수성 현탁액 준비단계에서, 상기 세라믹 분말 및 상기 물의 부피비는 1:0.5 내지 1:1.5일 수 있다.

상기 카르복실산의 농도는 0.05 내지 0.2mol/L일 수 있다.

상기 수성 현탁액 준비단계에서 준비된 상기 수성 현탁액을 10 내지 60시간동안 볼밀하여 균질화시킬 수 있다.

상기 pH 조절단계에서, 상기 산은 염산을 포함할 수 있다.

상기 pH 조절단계에서, 상기 염기는 수산화나트륨을 포함할 수 있다.

상기 혼합액 제조단계 전에 상기 수성 현탁액의 고체 함량이 20 내지 40부피%가 되도록 물을 첨가할 수 있다.

상기 혼합액 제조단계에서, 상기 수성 현탁액 100부피%에 대하여 상기 실리카 현탁액은 10 내지 50부피%일 수 있다.

상기 실리카 현탁액은 상기 실리카 분말과 상기 물을 혼합한 후 10 내지 60시간동안 볼밀하여 균질화시킬 수 있다.

상기 혼합액 제조단계에서, 상기 혼합액의 접촉각은 60 내지 85°일 수 있다.

상기 다공성 세라믹스 형성단계에서 형성된 상기 다공성 세라믹스를 건조하고 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 세라믹스는 상술한 방법에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 다공체 세라믹스의 제조방법에 따르면, 세라믹 입자에 소수성을 부여하는 물질로서 특정 탄소수를 가지는 카르복실산을 사용함으로써 세라믹 입자의 소수성화를 극대화시켜, 다공체 세라믹스의 기공률을 65% 이상으로 현저히 높일 수 있을 뿐만 아니라 깁스 프리에너지와 라플라스 압력이 일정 수치 범위를 가져 안정성이 80~90%로 높다.

또한, 세라믹 분말, 세라믹 입자의 표면을 처리하는 물질, 현탁액에 첨가되는 물질의 종류, 비율 및 농도를 최적화함으로써 기공을 고르게 분포시킬 수 있으며 기공의 크기, 형태를 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.

또한, 주쇄가 짧은 카르복실산을 사용하여 세라믹 입자의 표면을 처리함으로써 다공체 세라믹스를 제조할 때의 안정성뿐만 아니라, 시간이 경과하더라도 그 안정성이 장기간 유지될 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체 세라믹스를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 실시예 1 내지 3에서 제조된 혼합물의 접촉각을 카르복실산 농도에 따라 측정한 그래프이다.
도 3은 실시예 1 내지 3에서 제조된 혼합물의 깁스 프리에너지 및 라플라스 압력을 카르복실산 농도에 따라 측정한 그래프이다.
도 4는 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 젖은 성형체의 안정성을 카르복실산 농도에 따라 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 평균 버블 크기를 카르복실산 농도에 따라 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 발포 후 시간 경과에 따른 상대적 평균 버블 크기를 측정한 그래프이다.
도 7은 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 다공성 세라믹스의 제조방법에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 세라믹스의 제조방법은 수성 현탁액 준비단계(S10), 카르복실산 첨가단계(S20), pH 조절단계(S30), 혼합액 제조단계(S40) 및 다공성 세라믹스 제조단계(S50)을 포함한다.

수성 현탁액 준비단계(S10)는 세라믹 분말과 물을 혼합하여 수성 현탁액을 준비하는 단계로, 다공성 세라믹스의 주물질이 되는 세라믹 분말을 준비하기 위한 공정이다.

여기서, 상기 세라믹 분말은 분말형태로 된 세라믹 재료를 의미하며, 작은 입자들로 구성될 수 있다.

세라믹 분말을 구성하는 세라믹 입자는 평균 입경이 0.1 내지 100㎛일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다.

여기서, 입자의 입경에 관해서는 계측법에 의해 수치화하여 집단의 평균 크기를 표현하는 방법이 있지만, 범용적으로 사용되는 것으로 분포의 최대값을 나타내는 모드 직경, 적분 분포 곡선의 중앙값에 상당하는 메디안 직경, 각종 평균 직경(수평균, 길이 평균, 면적 평균, 질량 평균, 체적 평균 등)등이 있고 본 발명에 있어서는 특별히 언급하지 않는 한 평균 입경이란 수평균 입경이고, D50(분포율이 50% 되는 지점의 입경)을 측정한 것을 의미하다.

또한, 상기 세라믹 분말의 밀도는 2.0 내지 5.5g/m³일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 4.5g/m³일 수 있다. 세라믹 분말의 평균 입경 또는 밀도가 상기 범위를 벗어나는 경우 기공이 균일한 크기와 분포로 형성되기 어려울 수 있다.

상기 세라믹 분말은 어떠한 세라믹 재료를 사용해도 무방하나, 본 발명에서 최적의 효과를 구현하기 위해서는, 알루미나, 산화티타늄, 인산칼슘 또는 탄화규소 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 알루미나 또는 탄화규소 중 적어도 하나, 가장 바람직하게는 알루미나를 사용하는 것이 효과적이다.

상기 수성 현탁액 준비단계(S10)에서 사용되는 용매인 물은 탈이온수(DI water)일 수 있으며, 세라믹 분말의 종류에 따라 염화나트륨 등의 용질을 첨가하여 사용할 수도 있다.

상기 세라믹 분말 및 상기 물의 부피비는 1:0.5 내지 1:1.5일 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 경우 세라믹 입자의 표면처리를 방해하거나 표면처리의 개선 효과가 미미할 수 있다.

카르복실산 첨가단계(S20)는 상기 수성 현탁액 준비단계(S10)에서 준비된 수성 현탁액에 카르복실산을 첨가하는 단계로, 상기 수성 현탁액에 카르복실산을 첨가하여 세라믹 입자의 표면을 친수성에서 소수성으로 바꾸기 위한 표면 처리 공정이다.

여기서, 상기 카르복실산으로 탄소수가 2 내지 7(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄소수가 2 내지 4(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 사용하는 것이 효과적이다.

상기 카르복실산은 친수성을 갖는 부분이 친수성인 세라믹 입자의 표면에 붙어 레이어(layer)를 형성함으로써, 세라믹 입자가 외부로부터 소수성을 띄도록 변화시키는 역할을 한다.

상기 카르복실산의 탄소수가 2 내지 7인 경우 탄소 주쇄의 길이가 짧아 카르복실산의 ?H기 부분과 세라믹 입자의 고정이 효과적으로 이루어져, 세라믹 입자의 표면을 효과적으로 소수성화(hydrophobization)될 수 있다.

카르복실산의 탄소수가 8 이상인 경우에는, 세라믹 입자가 탄소수 2 내지 7인 카르복실산에 비하여 큰 면적의 계면이 형성됨으로써 후에 공기를 주입하여 발포시켜 다공성 세라믹스 형태의 안정성이 현저히 떨어질 수 있다.

상기 카르복실산의 농도는 0.05 내지 0.2mol/L일 수 있으며, 바람직하게는 0.10 내지 0.2mol/L일 수 있으며, 더 바람직하게는 0.15 내지 0.2mol/L일 수 있다.

상기 카르복실산의 농도가 0.05mol/L 미만인 경우에는 세라믹 입자 표면의 일부를 소수성으로 변화시키지 못하여 표면처리 효과가 저하되며 결국 기공 형성 효율이 현저히 떨어질 뿐만 아니라, 결과적으로 형성되는 다공성 세라믹스의 형태 안정성이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 또한, 0.2mol/L를 초과하는 경우에는 세라믹 입자 표면에 고정되는 카르복실산이 다수 존재함으로써 형성된 다공성 세라믹스의 물성을 현저히 저하시키며 가공 형성 효율 또한 낮출 뿐만 아니라 형성되는 다공성 세라믹스의 안정성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

상기 수성 현탁액 준비단계(S20)에서 준비된 상기 수성 현탁액을 10 내지 60시간동안 볼밀(ball mill)할 수 있으며, 이를 통하여 세라믹 입자의 응집을 방지하고 상기 수성 현탁액을 균질화(homogenization)시킬 수 있다.

상기 볼밀을 수행하는 경우, 공지된 소재의 볼을 사용할 수 있으며 바람직하게는 지르코니아 볼을 사용하는 것이 효과적이다. 상기 볼밀은 48 내지 70시간동안 40 내지 100rpm의 회전 속도로 이루어질 수 있다.

pH 조절단계(S30)는 상기 카르복실산 첨가단계(S20)에서 표면이 소수성화된 세라믹 입자를 포함하는 현탁액에 산 또는 염기를 첨가하여 pH를 조절하는 단계로, 다공체 세라믹스를 제조하기 위한 최적의 상태로 수성 현탁액의 pH를 조절하기 위한 공정이다.

상기 현탁액의 pH는 3 내지 6.5으로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 3.5 내지 6으로 조절할 수 있으며, 더 바람직하게는 4 내지 5.5로 조절할 수 있다.

상기 현탁액의 pH가 3 미만인 경우에는 다공성 세라믹스의 기공 크기가 과도하게 커져 문제될 수 있으며, 6.5을 초과하는 경우에는 형성된 다공성 세라믹스의 안정성이 현저히 떨어질 수 있다.

상기 현탁액의 pH를 조절하기 위하여 산 또는 염기를 첨가할 수 있으며, 사용되는 산 또는 염기의 종류는 제한되지 않으나 다공성 세라믹스의 특성상 상기 산은 염산을 포함할 수 있으며, 상기 염기는 수산화나트륨을 포함할 수 있다.

혼합액 제조단계(S40)는 수성 현탁액에 실리카 분말과 물을 혼합한 실리카 현탁액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 단계이다.

상기 혼합액 제조단계(S40) 전에 상기 수성 현탁액의 고체 함량이 20 내지 40부피%가 되도록 물을 첨가할 수 있다. 여기서 고체는 첨가된 세라믹 분말을 말한다. 수성 현탁액에 포함된 고체 함량을 상기 범위로 조절함으로써 안정성이 향상된 다공성 세라믹스의 형성을 용이하게 할 수 있다.

실리카는 안정제(stabilizer)의 역할을 하여, 현탁액 형태로 첨가됨으로써 젖은 성형체(wet foam)의 안정화와 소결 특성의 향상 및 다공성 세라믹스의 기계적 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.

실리카 현탁액은 상기 수성 현탁액 100부피%에 대하여 10 내지 50부피% 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 30부피%일 수 있다.

상기 실리카 현탁액도 상기 수성 현탁액에 혼합하기 전에 상술한 수성 현탁액과 동일한 방식으로 볼밀하여 실리카 입자가 응집되는 것을 방지하고 균질화시킬 수 있다. 이는 수성 현탁액과의 혼합을 용이하게 해 줄 수 있다.

상기 혼합액 제조단계(S20)에서 상기 혼합액의 접촉각(contact angle)은 60 내지 85°일 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 85°일 수 있다. 혼합액의 접촉각이 60°미만인 경우에는 형성되는 다공성 세라믹스의 안정성이 급격히 떨어질 뿐만 아니라, 기공의 크기 또한 과도하게 작아지는 문제가 있으며 85°를 초과하는 접촉각은 그 처리가 현실적으로 어려울 뿐만 아니라, 기공의 크기가 현저히 커지는 문제가 있다.

다공성 세라믹스 형성단계(S50)는 상기 혼합액 제조단계(S40)에서 제조된 혼합액을 교반하여 공기를 주입시킴으로써 상기 혼합액 및 상기 공기의 상호반응에 의해 기공이 형성된 다공성 세라믹스를 형성하는 단계로, 기공을 세라믹스에 형성하기 위한 반응 공정이다.

여기서, 탄소수가 2 내지 7인 카르복실산이 세라믹 입자의 표면에 고정되어 소수성화된 세라믹 입자와 물이 포함된 수성 현탁액을 교반함으로써, 수성 현탁액에 외부의 공기가 투입되며 이들 공기는 소수성으로 물과 서로 분리되며 표면 처리된 세라믹 입자 또한 소수성으로 물과 분리되려는 성질이 서로 상호작용함으로써, 공기 방울 주변으로 세라믹 입자가 붙게 되며 결과적으로 공기 외부에 세라믹 입자가 층을 형성하게 된다.

따라서, 이러한 공기 방울의 주변에 세라믹 입자가 장벽을 형성함으로써 결과적으로 간단하게 기공이 형성되며 교반 속도 및 시간에 따른 공기 주입의 제어로 인해 기공의 크기, 형태 및 분포도를 용이하게 조절할 수 있다.

뿐만 아니라, 이들 공정 조건을 상기와 같이 최적화함으로써 형성되는 다공성 세라믹스의 안정성 또한 높일 수 있다.

상기 다공성 세라믹스 형성단계(S50)에서 교반은 어떠한 방식으로 해도 무방하나, 바람직하게는 교반기를 이용하여 5 내지 40분, 더 바람직하게는 10 내지 25분동안 실시하는 것이 효과적이다.

다공성 세라믹스를 형성한 후, 상기 다공성 세라믹스를 건조하고 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 건조는 다공성 세라믹스를 공기 중에서 15 내지 35℃의 온도 하에서 20 내지 70시간 동안 수행될 수 있다.

건조 온도는 바람직하게 실온일 수 있으며, 건조 시간은 바람직하게 30 내지 55시간일 수 있다.

상기 소결은 건조된 다공성 세라믹스를 800 내지 2,000℃의 온도에서 15분 내지 4시간 동안 열처리하여 수행될 수 있으며, 이를 통하여 안정된 형태의 다공성 세라믹스를 완성할 수 있다.

소결 온도는 바람직하게 1,000 내지 1,500℃일 수 있으며, 소결 시간은 바람직하게 30분 내지 2시간일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 세라믹스는 상술한 과정을 거쳐 제조될 수 있다. 상기 다공성 세라믹스는 안정성이 매우 높으며, 기공이 고르게 분포되고 80% 이상의 기공률을 가질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다공성 세라믹스 제조방법에 의해 제조된 다공성 세라믹스의 우수성을 입증하기 위해 실시한 실험결과를 살펴보도록 한다.

실시예 1

알루미나 분말을 탈이온수에 첨가하여 수성 현탁액을 준비하여, 평균입경10mm 지르코니아 볼로 충진된 볼밀기를 이용하여 회전속도 60rpm로 48시간 이상 볼밀하였다. 탄소수가 2(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 수성 현탁액에 첨가한 후 교반하고, 4M 수산화나트륨 및/또는 10N 염산을 첨가하여 수성 현탁액의 pH를 4.75로 조절하였다. 이 후, 물을 첨가하여 수성 현탁액에 첨가된 고체 함량을 30부피%로 맞추고, 볼밀하여 균질화된 실리카 현탁액을 첨가하여 제조된 혼합물을 교반하면서 공기를 주입시켜 다공성 세라믹스를 형성하고 이를 건조시킨 후 1,300℃ 에서 1시간동안 소결시켜 최종 다공성 세라믹스를 얻었다.

실시예 2

알루미나 분말을 탈이온수에 첨가하여 수성 현탁액을 준비하여, 평균입경10mm 지르코니아 볼로 충진된 볼밀기를 이용하여 회전속도 60rpm로 48시간 이상 볼밀하였다. 탄소수가 3(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 수성 현탁액에 첨가한 후 교반하고, 4M 수산화나트륨 및/또는 10N 염산을 첨가하여 수성 현탁액의 pH를 4.75로 조절하였다. 이 후, 물을 첨가하여 수성 현탁액에 첨가된 고체 함량을 30부피%로 맞추고, 볼밀하여 균질화된 실리카 현탁액을 첨가하여 제조된 혼합물을 교반하면서 공기를 주입시켜 다공성 세라믹스를 형성하고 이를 건조시킨 후 1,300℃ 에서 1시간동안 소결시켜 최종 다공성 세라믹스를 얻었다.

실시예 3

알루미나 분말을 탈이온수에 첨가하여 수성 현탁액을 준비하여, 평균입경10mm 지르코니아 볼로 충진된 볼밀기를 이용하여 회전속도 60rpm로 48시간 이상 볼밀하였다. 탄소수가 4(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 수성 현탁액에 첨가한 후 교반하고, 4M 수산화나트륨 및/또는 10N 염산을 첨가하여 수성 현탁액의 pH를 4.75로 조절하였다. 이 후, 물을 첨가하여 수성 현탁액에 첨가된 고체 함량을 30부피%로 맞추고, 볼밀하여 균질화된 실리카 현탁액을 첨가하여 제조된 혼합물을 교반하면서 공기를 주입시켜 다공성 세라믹스를 형성하고 이를 건조시킨 후 1,300℃ 에서 1시간동안 소결시켜 최종 다공성 세라믹스를 얻었다.

상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 각각의 혼합물의 카르복실산 농도에 따른접촉각을 측정하여 도 2에 도시하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 다공성 세라믹스를 제조하는 혼합액은 접촉각이 60°이상으로 세라믹 입자가 소수성화가 효율적으로 이루어졌음을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 각각의 혼합물의 카르복실산 농도에 따른 깁스 프리에너지(Gibb's free energy) 및 라플라스 압력(Laplace pressure)을 측정하여 도 3에 도시하였다.

도 3을 참조하며, 깁스 프리에너지는 2.0x10^-13 내지 8.5x10^-13J이며, 라플라스 압력은 0.60 내지 1.84mPa로 측정되었으며, 카르복실산의 농도가 0.15 내지 0.20mol/L의 범위로, 높은 안정성을 가지는 다공성 세라믹스가 제조될 수 있음을 예상할 수 있다.

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 카르복실산 농도에 따른 젖은 성형체(건조 전의 다공성 세라믹스)의 안정성을 측정하여 도 4에 도시하였다.

도 4를 참조하면, 젖은 성형체의 안정성이 모두 70% 이상이며, 특히 카르복실산의 농도 범위가 0.15 내지 0.20mol/L일 때 안정성이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 또,

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 평균 버블 크기를 측정하여 도 5에 도시하였다.

도 5를 참조하면, 다공성 세라믹스의 버블 크기가 약 25 내지 100㎛로 마이크로 단위로 균일하게 형성됨을 알 수 있으며, 카르복실산의 농도가 높아질수록 버블 크기가 작아져 카르복실산의 농도로 기공 크기를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스의 발포 후 시간 경과에 따른 상대적 평균 버블 크기를 측정하여 도 6에 도시하였다.

도 6을 참조하면, 다공성 세라믹스(카르복실산 농도: 0.15mol/L)가 형성된 이후에도 버블 크기가 거의 일정하게 유지되어 시간이 경과하더라도 기공의 구조적 안정성이 장시간 유지될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 다공성 세라믹스(카르복실산 농도: 0.15mol/L)의 SEM 사진을 도 7에 도시하였다.

도 7을 참조하면, 입경이 마이크로 단위인 미세한 기공이 균일하게 안정적으로 형성되었음을 확인할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims

세라믹 분말과 물을 혼합하여 수성 현탁액을 준비하는 수성 현탁액 준비단계;
상기 수성 현탁액에 탄소수가 2 내지 7(카르복실기의 탄소를 포함하지 않음)인 카르복실산을 첨가하는 카르복실산 첨가단계;
상기 수성 현탁액에 산 또는 염기를 첨가하여 상기 수성 현탁액의 pH를 3 내지 6.5로 조절하는 pH 조절단계;
상기 수성 현탁액에, 실리카 분말과 물을 혼합한 실리카 현탁액을 첨가하여 혼합액을 제조하는 혼합액 제조단계; 및
상기 혼합액을 교반하여 공기를 주입시킴으로써 상기 혼합액 및 상기 공기의 상호반응에 의해 기공이 형성된 다공성 세라믹스를 형성하는 다공성 세라믹스 형성 단계를 포함하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 세라믹은 알루미나를 포함하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 평균 입경이 0.1 내지 100㎛이고, 밀도가 2.0 내지 5.5g/m³인 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 수성 현탁액 준비단계에서, 상기 세라믹 분말 및 상기 물의 부피비는 1:0.5 내지 1:1.5인 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 카르복실산의 농도는 0.05 내지 0.2mol/L인 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 수성 현탁액 준비단계에서 준비된 상기 수성 현탁액을 10 내지 60시간동안 볼밀하여 균질화시키는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 pH 조절단계에서, 상기 산은 염산을 포함하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 pH 조절단계에서, 상기 염기는 수산화나트륨을 포함하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합액 제조단계 전에 상기 수성 현탁액의 고체 함량이 20 내지 40부피%가 되도록 물을 첨가하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합액 제조단계에서, 상기 수성 현탁액 100부피%에 대하여 상기 실리카 현탁액은 10 내지 50부피%인 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 실리카 현탁액은 상기 실리카 분말과 상기 물을 혼합한 후 10 내지 60시간동안 볼밀하여 균질화시키는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합액 제조단계에서, 상기 혼합액의 접촉각은 60 내지 85°인 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 다공성 세라믹스 형성단계에서 형성된 상기 다공성 세라믹스를 건조하고 소결하는 단계를 더 포함하는 다공성 세라믹스의 제조방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹스.