KR940011450B1 - 알루미나 세라믹 섬유 제조용 슬러리의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

알루미나 세라믹 섬유 제조용 슬러리의 제조방법

제 1 도는 종래 방법에 따라 알루미나 분말에 유기결합제를 사용하는 경우의 소결과정을 나타내는 소결과정도.

제 2 도는 본 발명에 따라 알루미나 세크 부톡사이드졸을 사용하는 경우의 소결과정을 나타내는 소결과정도.

제 3 도는 본 발명에 따라 제조된 알루미나 세라믹섬유의 미세구조 사진.

본 발명은 단열재, 흡음재 등에 사용되는 세라믹 섬유제조용 슬러리의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미나 분말과 알루미늄 알콕사이드를 이용한 알루미나 세라믹 섬유 제조용 슬러리의 제조방법에 관한 것이다.

통상, 세라믹 섬유는 보통 단열재, 흡음재등 여러방면에 사용되나 1700℃ 이상에서 사용되는 단열섬유는 주로 고함량 알루미나 또는 지르코니아 섬유가 사용되고 있다. 알루미나 실리카계의 섬유는 용융온도에 다라 비교적 낮은 것을 용융하여 회전방사 하거나 분사하는 방법으로 점도 높은 용융물을 섬유화하여 단섬유를 제조하나 조성중 알루미나(산화 알루미늄)의 함유량이 높아지면 용융온도 또한 증가하게 된다. 용융온도가 높아지게 되면 용융체를 섬유상으로 제조할때 사용되는 내화성 용기의 내화도가 높아야 하며 이용도의 내화성 및 기계적 강도를 갖는 내화물은 제조하기가 힘들며 단가가 높아지게 되므로 알루미나가 90당량% 이상일 경우에는 일반적으로 용액법을 사용하여 제조하게 된다. 용액법이란 알루미나 세라믹 섬유의 경우 용액을 형성할 수 있는 다양한 물질, 즉, 알루미늄 알콕사이드, 아세테이트, 옥시클로라이드등(미국특허 제 3, 322, 865호, 제3, 503, 765호, 제3, 579, 361호)을 이용하고 첨가제가 필요할때는 첨가제를 사용하여 수용액 또는 유기용액을 만든 후 그 용액의 점도를 증가시킨 다음, 회전방사 또는 분사등의 방법으로 섬유상을 제조하게 되는데 이 상태에서는 산화물은 전혀 사용하지 않고 유기물질의 출발물질을 사용하므로 이 상태의 섬유들은 많은 유기물이 포함되어 있게 되므로 섬유에 급작스러운 가열로 인하여 균열이 생기지 않는 가열 속도로 적당한 온도에서 열처리하면 섬유가 소결되어 비교적 높은 강도를 갖게 되며, 열처리 후 보통 3-7㎛ 직경의 섬유가 제조된다.

그러나, 상기 방법은 열처리 과정중 섬유의 수축, 유기물 휘발 또는 연소량이 큰 단점이 있으며, 사용재료 또한 고가인 단점이 있다.

알루미나에 유기결합제를 사용하여 사출법으로 섬유상을 제조하여 열처리한 후 알루미나 세라믹 섬유를 제조하는 방법이 Phil, Trans, Royal Soc. (A. K. Dhingra, 1980)에 제시되어 있으며, 이에 대한 소결과정(mechanism)이 제 1 도에 나타나 있다. 제 1 도에서 제1(a)도는 상온, 제1(b)도는 유기물제거를 위한 열처리후, 제1(c)도는 소결후의 상태를 나타낸다.

그리고 제 1 도에서 부호 1은 알루미나 분말을, 부호 2는 유기결합제를 나타낸다.

본 발명은 알루미늄 알콕사이드를 사용하는 졸-겔법(Sol-Gel Processing)의 잇점을 이용하여 알루미나 분말의 통상이 소결온도(1600℃) 보다 낮은 온도에서의 소결에 의해 섬유제조가 가능한 알루미나 세라믹 섬유제조용 슬러리를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 알루미늄 세크 부톡사이드(aluminum sec-butoxide)에, 당량비로, 0.1-1.0의 아세틸아세톤, 계에서 제조된 졸내의 알루미늄의 무게기준으로 1/50-1/200만큼의 상기 졸을 첨가 혼합하는 단계로 구성되는 알루미나 세라믹 섬유제조용 슬러리의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 이용하는 졸-겔법은 알콕사이드 계통의 물질을 수화, 중합의 적당한 반응을 통하여 분자끼리의 반응을 유도하여 겔(Gel)을 형성하며, 이 겔은 공정에 따라 변화하나 통상 수백분의 일 마이크론 단위의 크기를 갖기 때문에 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하게 된다.

본 발명에서와 같이 알루미나 입자간에 알콕사이드로 준비된 졸을 유기결합체 대신 사용하게 되면 미세한 입자로 이루어진 알루미나 겔을 소결하는 것과 같은 결과를 가져오게 된다.

본 발명에 있어 결합제 대용으로 사용되는 알루미늄 알콕사이드로 제조되는 졸은 알루미나 분말을 섬유상으로 제조할 수 있도록 하며, 그후 열처리시에는 알루미나 분말 사이에 매우 작은 입자로 남아 통상의 방법에서는 알루미나 분말의 소결이 시작되지 않은 온도에서 소결이 시작되어 알루미나를 결합시켜 주는 역활을 하게 된다.

졸 제조를 위해 본 발명에 사용되는 알루미늄 알콕사이드로는 알루미늄 세크부톡사이드, 알루미늄 이소프로톡사이드, 알루미늄 에톡사이드등을 들 수 있으나, 바람직한 것은 알루미늄 세크부톡사이드이다.

상기 졸의 제조시 상기 아세틸 아세톤의 양이 알루미늄 세크 부톡사이드에 대하여 당량비로 1.0 정도이면 아세틸 아세톤은 충분히 알루미늄 세크 부톡사이드와 반응하여 침전을 방지할 수 있으며, 1.0당량비 이상이 되면 알루미늄 아세테이트가 형성되기 시작하고, 아세틸 아세톤의 양이 감속할수록 알루미늄 세크 부톡사이드의 수화반응정도는 증가하여 침전형성의 가능성이 증가하며, 0.1 당량비가 이하가 되는 경우에는 졸의 불균질도를 유발할 수 있게 되므로 아세틸 아세톤의 양은 알루미늄 세크 부톡사이드에 대하여 당량비로 0.1-1.0으로 제한되는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 첨가량은 0.5-1.0당량비이다.

상기 염산은 침전을 방지하고 수화반응을 촉진하기 위하여 첨가되는데, 그 첨가량이 0.1 당량비 이하인 경우에는 침전형성이 개시되고, 0.5당량비 이상인 경우에는 다음 반응인 겔화반응을 오히려 저해하기 때문에, 상기 염산의 첨가량은 0.1-0.5당량비로 한정하는 것이 바람직하다.

상기물은 알루미늄 세크 부톡사이드를 충분히 수화시킬 수 있는 양을 첨가하는 것이 좋지만, 너무 많이 첨가하는 경우에는 졸 자체의 점성이 너무 낮아지게 되므로 상기 물의 첨가량은 10-50당량비로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미나 세라믹 섬유제조용 슬러리를 제조하기 위해서는 알루미나 분말에 상기와 같이 제조된 졸내의 알루미늄의 무게기준으로 1/50-1/200만큼의 졸을 첨가 혼합하여야 하는데, 알루미나 분말과 졸의 혼합비율을 1/200 이하로 졸의 양을 감소시키면, 점차적으로 소결체의 역활이 감소되어 열처리(소결)온도를 증가시키거나 열처리 시간을 길게 하여야 하며, 졸의 혼합비율이 1/50 이상인 경우에는 비경제적이고 열처리에 기공이 많은 분말이 형성되어 소결밀도 저하를 가져오기 때문에, 상기 졸의 혼합비율은 1/50-1/200로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 알루미나 분말은 그 평균입경이 작을수록 좋으며, 알코아(ALCOA) 16-SG의 평균입경이 1㎛ 이하로 한정하는 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 사용졸로 인해 강화되는 단위 부피당 입자간의 접촉부분의 수가 평균입경이 작은 분말일수록 증가하게 되므로 동일한 하중이 접촉부분의 수대로 분산되어 걸리므로 기계적 강도가 증가하는 원인이 되기 때문이다.

본 발명에 따라 제조된 슬러리는 용도에 따라 통상의 방법에 의해 알루미나 섬유로 제조될 수 있는데, 열처리(소결) 온도는 1000-1500℃ 정도가 바람직하다.

본 발명에 따라 제조된 슬러리의 소결과정을 제 2 도에 나타내었다.

제 2 도에 있어서, 제2(a)도는 상온, 제2(b)도는 유기물제거를 위한 열처리 후, 제2(c)도는 소결후의 상태를 나타낸다.

그리고, 제 2 도에서 부호 1은 알루미나 분말, 부호 3은 알루미늄 세크부톡 사이드졸, 부호 4는 미세한 알루미나 입자를 나타낸다.

제 2 도에서 알 수 있는 바와 같이, 상온에서는 알루미나 분말 사이에 졸이 분포되어 있으나, 유기물 제거를 위한 열처리 후에는 미세한 알루미나 입자가 알루미나 분말 사이에 분포되어 있고, 소결시에는 이들 미세한 알루미나 입자가 소결에 참여하게 됨을 알수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명은 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기표 1과 같은 알루미늄 세크부톡사이드(Aluminum sec-butoxide) 1당량비를 취하고, 아세틸 아세톤을 0.1-1.0비로 에틸알코올 200ml에 혼합한 후 그 용액을 알루미늄 세크부톡 사이드에서 첨가 혼합하였다.

30분 정도 섞은 후에 졸(sol)의 반응을 유도하기 위하여 알루미늄 세크부톡 사이드에 대하여 0.1-0.5당량비의 염산을 첨가하여 30분-1시간 혼합한 후 증류수를 10-50당량비를 첨가하여 섞은 다음, 점도가 증가한 졸이 되면 여기에 평균직경 1㎛ 이하의 알루미나 분말을 졸의 알루미나 양의 무게비로 50배에서 150배를 혼합한 후 유리막대기로 찍어 올려 섬유상 제조 가능성 여부를 관찰하고 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

[표 1]

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 아세틸아세톤이 0.1-1.0당량비로 혼합한 발명에 (2-10)의 경우에는 알루미나 산화물과 혼합되어 섬유상으로 제조가 가능하지만, 아세틸 아세톤이 첨가되지 않은 경우에는 알콕사이드가 침전되어 점도가 높은 졸을 형성하지 않아 섬유상의 제조가 불가능함을 알 수 있다.

[실시예 2]

상기 실시예 1의 표 1에 제시된 발명에 5에서와 같이 제조된 졸을 3㎛ 및 0.4㎛의 평균입경을 갖는 알루미나 분말에 하기 표 2와 같은 비율로 혼합한 후 유리막대기로 찍어올려 섬유상으로 제조한 다음, 하기표 2와 같은 열처리 조건으로 열처리하여 유기물을 제거하고 알루미나 세라믹섬유를 제조한 후, 소결정도를 평가한 다음, 그 평가결과를 하기표 2에 나타내었다.

한편, 하기 표 2의 발명제 5에 대한 미세구조 사진을 제 3 도에 나타내었다.

[표 2]

* 소결정도

◆ : 취급에 문제없는 강도(소결 잘됨)

▲ : 조심하여 취급할 정도(중간 소결)

× : 취급시 가루로 부서짐(소결 안됨)

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 0.4㎛의 평균입경을 갖는 알루미나 분말을 사용한 때에는 1000℃에서 1시간 동안 열처리한 경우 섬유가 부서지기는 하지만 비교적 취급강도가 높게 나타나고, 1300℃ 및 1500℃에서 각각 1시간 동안 열처리한 경우 취급시 부서지지 않은 반면에, 3㎛의 평균입경을 갖는 알루미나 분말을 사용한때에는 1000℃에서 1시간 동안 열처리한 경우 뿐만 아니라 1300℃ 및 1500℃에서 각각 1시간 동안 열처리한 경우에도 강도가 매우 약하게 취급시 부서짐을 알 수 있다.

따라서, 평균입경이 작은 알루미나 분말을 사용하는 경우가 평균입경이 큰 분말을 사용하는 경우보다 더 낮은 온도에서 소결이 가능하다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 알루미늄 세크 부톡사이드를 사용하는 졸-겔법을 이용 저렴한 원료를 사용할 수 있고 통상의 소결온도 보다 낮은 온도에서 소결이 가능한 섬유 제조용 슬러리를 제공하므로서 보다 경제적으로 알루미나 세라믹 섬유를 제조하도록 하는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 알루미늄 세크부톡사이드(aluminium sec-butoxide)에, 당량비로, 0.1-1.0의 아세틸아세톤, 0.1-0.5의 염산, 및 10-50의 증류수를 첨가혼합하여 졸을 제조하는 단계 및 알루미나 분말에 상기 단계에서 제조된 졸내의 알루미늄의 무게기준으로 1/50-1/200만큼 상기 졸을 첨가혼합하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹 섬유 제조용 슬러리의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 알루미나 분말의 평균입경이 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미나 세라믹 섬유 제조용 슬러리의 제조방법.