KR960006443B1 - 허니콤 구조체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 종래의 허니콤 구조체를 제조하기 위한 압출다이를 나타낸 단면 구조도.
제 2 도는 본 발명에 따른 허니콤 구조체 제조방법을 나타낸 공정도.
제 3 도는 본 발명에 따른 허니콤 구조체의 제조과정을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 예비성형체 11 : 셀(Sell)
12 : 슬러리 13 : 허니콤 구조체
본 발명은 자동차 배기가스의 정화장치, 산업공해 방지용 필터등으로 사용되는 허니콤 구조체(Honeycomb Structure)의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 허니콤 구조체는 예를들어, 자동차 배기가스의 정화장치 또는 산업공해 방지용 필터등에 사용되어 유해가스(CO, NDX, HC) 또는 폐수, 폐유 등을 정화하여 무해 물질로 전환하는 것으로, 그 구조가 통상 벌집 형상구조로 되어 있기 때문에 허니콤 구조라 칭하고 있다. 허니콤 구조는 보통의 관 보다 동일체적에서 유효 면적이 넓어 상기 유해가스 또는 폐수·폐유와 접촉할 수 있는 면적이 크므로 정화 효율이 높고 역하적으로 안정된 구조인 트러스(truss) 구조를 갖추고 있어 구조적 강도가 높다. 이러한 허니콤 구조체는 주로 금속재료와 세라믹 재료로 제조되고 있고, 금속을 재료로 한 허니콤 구조체의 제조는 주로 알루미늄이나 박판 형태의 강(鍋)이 사용되어 용접 또는 기계적 접합에 의해 벌집구조를 형성하게 된다. 그리고 세라믹 재질을 이용한 허니콤 구조체의 제조는 주로 산화 알루미늄과 지르코늄 및 코디에라이트(Cordierite)등이 사용되어, 압출다이 시스템에 의한 압출과정을 통해 벌집구조를 형성하게 된다.
상기와 같은 허니콤 구조체의 제조방법중 세라믹 재료를 이용하여 압출성형에 의해 제조되는 방법을 더욱 상세하게 설명하면, 먼저 세라믹 재료와 성형 바인더(Binder), 소결 바인더, 소성 바인더를 적당한 용매에 혼합, 용해하여 압출 페이스트(Paste)를 준비한다. 이때 첨가되는 소성 바인더는 압출성형시 페이스트가 후술되는 복잡한 압출다이 시스템을 원활하게 통과하도록 소성 유동을 부여하기 위하여 첨가되며, 성형 바인더는 압출후 성형체가 소결전까지 허니콤 구조체 형상을 유지할 수 있도록 깨짐(Crash) 방지용으로 첨가된다. 이와같이 준비된 페이스트는 제 1 도에 도시된 바와같은 복잡한 압출다이 시스템에 의한 압출과정을 통하여 원하는 모양의 셀(Sell)을 갖는 허니콤 구조체로 만들어진다.
제 1 도를 참조하여 압출과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 페이스트는 입구 슬리브(10)에서 시작해서 확산판(12)을 통과하여 유입구 공동(14)을 통해 흐른다. 유입구 공동(14)의 깔대기 형상부(16a)는 페이스트를 화살표(b) 방향인 반경방향 내향으로 보냄과 동시에 페이스트 깔대기 형상부(16a)의 큰 단면적으로부터 작은 단면적으로 화살표(a) 방향으로도 진행시킨다. 깔대기 형성부(16a)의 전단흐름 또는 반경방향 속도 구배특성은 페이스트가 직선부(16b)를 통과하여 흐를때 종료된다. 여기서 속도구배특성(Velocity Gradient)이라는 것은 유체속도의 방향별 거리에 의한 속도변화를 말한다. 그리고 압축다이(18)에서 페이스트는 복수개의 공급구멍(30)을 갖는 통로들을 통과한다. 이 공급구멍들은 축방향으로 연장하는 복수개의 얇은 벽을 갖는 셀(cell ; 공동부) 또는 채널들을 갖는 허니콤 구조체를 형성하기 위해 상호연결된 방출슬롯(32)들과 연통된다. 압출다이(18)를 떠날때 구조체의 주변 셀들은 개구(34)를 갖는 마스크(20)에 의해 붕괴된다. 상기 개구(34)는 압출될 구조체의 단면적 또는 형상과 거의 같거나 비슷하며, 주변부(36)는 통로 즉 공급구멍(30) 및 슬롯(32)를 차단하며 간극(35)에 의해서 출구면(18b)으로부터 이격됨으로써, 압추된 구조체의 필요수의 주변셀이 붕괴하여 소망하는 두께의 압출 구조체상에 표피부가 형성되는 것에 의해 허니콤 구조체가 형성되는 것이었다.
압출된 상기 허니콤 구조체는 소결되기 전의 과정으로 건조 과정을 거치게 되며, 건조 후 성형체는 열 에너지를 이용하여 구조체에 기계적, 열적 강도를 부여하는 소결 과정을 거쳐 허니콤 구조체가 만들어지게 된다.
그러나 이와같은 허니콤 구조체 제조방법은 압출시 복잡한 다이 시스템이 이용됨으로써 고가의 제작비용과 고도의 제작기술을 요구하고, 깨짐(Crash) 방지용으로 첨가된 성형바인더는 소결제품의 기계적, 열적 강도를 저하시킨다. 이는 성형 바인더가 세라믹 재료의 세라믹 원자 또는 분자간의 공유 결합을 방해하기 때문이다.
또한 압출과정에서 다이시스템이 마모되어 다이의 수명이 짧아지고, 다이제조의 어려움으로 셀의 형상이 사각형, 삼각형, 육각형 등으로 제한되며, 이러한 형상의 모서리부는 응력집중의 원인이 되어 기계적 강도를 저하시키는 등의 문제점이 있다. 또한, 건조과정에서는 수분의 증발압력에 의해 성형체가 금이 가거나 표면이 트는 현상이 발생할 수 있으며 입자간의 응집력의 약화로 성형체가 무너지는 현상도 발생할 수 있다. 따라서 이러한 결함을 방지할 수 있는 까다로운 건조조건이 필요하다. 소결과정에서도 재료의 특성에 따라 다소의 차이가 있으나 소결과정시 수축을 하게되며, 이때 셀벽의 성형밀도가 다르게 되면 허니콤 구조체에 비틀림 응력이 발생하게 되고, 셀의 크기가 불균일하여 유체의 흐름을 방해하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 압출다이를 사용하지 않고도 허니콤 구조체를 제조할 수 있도록 하여 압출다이의 설계 및 제작비용을 줄일 수 있는 허니콤 구조체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 허니콤 구조체의 셀 형상을 레이저 가공으로 형성하여 모양을 다양하게 형성할 수있고, 특히 셀의 형상을 원형으로 형성할 수 있어 응력집중현상을 제거함으로써 기계적 열적강도를 증가시킬 수 있고, 또한 소결시 소결수축과 변형을 감소시킬 수 있는 허니콤 구조체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 작용표면적이 증가하여 정화 효율을 증가시킬 수 있고, 유체의 흐름을 보다 원활하게 하며, 유체내의 찌꺼기(예를들면 매연, 먼지, 폐유등의 응고물)등을 여과할 수 있는 허니콤 구조체 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적은 중합체 스펀지를 소정의 형상으로 가공하여 예비 성형체를 제공하는 단계와, 레이저 가공으로 예비 성형체에 셀을 형성하는 단계와, 미세분말 상태의 성형재료에 결합제를 첨가하여 된 슬러리를 제공하는 단계와, 상기 슬러리에 예비 성형체를 침지하여 예비 성형체에 슬러리를 코팅하는 단계와, 상기 슬러리가 코팅된 스펀지를 건조시키는 단계와, 예비 성형체 및 결합제를 고열로 제거하여 성형재료로 이루어진 허니콤 구조체를 형성하는 단계와, 상기 허니콤 구조체를 소결하는 단계로 이루어진 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
이하 본 발명에 따른 허니콤 구조체의 제조방법을 첨부 도면에 의하여 상세하게 설명한다.
제 2 도 및 제 3 도는 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, 허니콤 구조체의 제조방법은, 중합체 스펀지로 만든 예비 성형체를 제공하는 단계(S1)와, 이 예비 성형체에 셀을 형성하는 단계(S2)와, 상기 예비 성형체에 코팅하기 위한 슬러리를 제공하는 단계(S3)와, 상기 슬러리에 예비 성형체를 침지하여 예비 성형체에 슬러리를 코팅하는 단계(S4)와, 슬러리가 코팅된 예비 성형체를 건조시키는 단계(S5)와, 건조된 예비 성형체를 가열하여 예비 성형체를 구성하고 있던 중합체 스펀지를 제거함으로써 세라믹 허니콤 구조체를 형성하는 단계(S6)와, 상기 허니콤 구조체를 소결하여 완성시키는 단계(S7)로 이루어진다.
먼저, 중합체 스펀지(Polumeric Sponge)로 만든 예비 성형체를 제공하는 단계(S1), 제3도(a)에 도시된 바와 같이 폴리우레탄(Polyurethane), 셀루로오즈(Cellulose), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride), 폴리스틸렌(Polystyrene)등과 같은 중합체 스펀지를 소정의 형상, 예를 들어 실린더 형태로 제조하여 예비 성형체(10)를 마련한다. 상기 예비 성형체의 형태는 도면에 원형으로 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니고, 타원형등 이와 유사한 형태로 가공할 수 있을 것이다. 또한 상기 예비 성형체를 구성하는 중합체 스펀지는, 균일한 내부구조를 갖고, 외부 힘에 의한 변형 후 복원성이 우수하며, 복원시 흡수성이 뛰어나 주위의 재료를 유체와 함께 흡수하여 그물 형태의 스펀지 내부구조에 균일하게 코팅(Coating)할수 있는 장점이 있다. 또한 가공성이 뛰어난 복잡한 형상등의 구현이 가능하고, 고온에서 분해되어 증발하는 성질을 갖고 있어 원하는 물질을 내부구조에 코팅한 후 중합체 스펀지를 쉽게 제거할 수 있는 특징이 있다.
상기와 같은 예비 성헝체에 셀을 형성하는 단계(S2)는, 레이저(Laser)의 우수한 가공성을 이용한다. 즉, 산업용 레이저 빔(CO2 레이저, ND YAG 레이저등)은 가공이 힘든 재료나 원하는 형상을 가공, 절단 하기도 하며, 특히 기계적인 가공(Drilling)이 불가능한 크기의 구멍을 가공 할 수 있다. 또한 셀의 크기나 형상이 매우 균일하며, 가공면의 표면이 양호한 장점이 있다. 따라서 상기의 레이저 빔을 이용하여 허니콤 셀을 형성하게 되면, 셀의 형상을 다양하게 형성할 수 있다. 예를 들면, 응력 집중현상을 제거하여 기계적, 열적강도를 증가시키기 위해 제3도(b)와 같이 셀(11)의 형상을 원형으로 가공하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 상기 셀(11)의 형상은 삼각형, 육각형등과 같은 다각형으로 가공할 수 있다.
예비 성형체에 코팅하기 위한 슬러리(Slurry)를 제공하는 단계(S3)는, 약 45마이크로미터 이하의 미세분말 상태인 세라믹을 증류수나 알코올등의 용매에 골고루 분산시킨 후, 건조과정시 형태를 유지할 수 있는 강도를 부여할 수 있도록 결합제(Binder)가 첨가되며, 결합제로는 칼륨(Potassium), 나트륨 실리케이트(Sodium Silicate), 알루미늄 오르토브레이트(Aluminum Orthoborate), 마그네슘 오르토 브레이트(Magnesium Orthoborate)등이 사용된다. 또한 그물 형태의 스펀지 내부구조에 대한 흡착성을 높이기 위해 크레이베노토 나이트(Clays Benetonite), 카올린(Kaoline), 몬트 마릴로 나이트(Montmarillonite)등과 같은 유동 첨가제(Rheological Agent)를 첨가하며, 이때 유동 첨가제의 양은 슬러리 총 질량의 0.1-12%를 차지하도록 한다. 이와같은 범위는 실험결과에 의해 산출된 것으로서, 상술한 설정범위 이상이되면 기계적 강도가 저하되고 그 이하가 되면 흡착성이 나빠지게 된다.
코팅단계(S4)에서는, 제 3 도에 도시된 바와 같이 셀이 형성된 예비 성형체를 슬러리(12)에 담그는 것으로, 예비 성형체를 슬러리에 침지시키기 전에 압축과정을 통하여 스펀지내의 공기를 완전히 제거해야 하며, 예비 성형체를 슬러리에 담근 후에는 슬러리 안에서 압축과 복원과정을 반복하여 슬러리가 스펀지 내부에 충분히 스며들어 코팅될 수 있도록 한다.
상기와 같이 슬러리 코팅 작업이 끝나게 되면, 예비 성형체에 과다하게 코팅된 슬러리를 제거하기 위해 공기중에서 압축과정을 통해 코팅된 슬러리의 25-75%를 제거하고, 그후 예비 성형체를 약 섭씨 100도 부근에서 건조하는 단계(S5)를 행한다. 슬러리가 코팅된 예비 성형체의 건조후에는 약 섭씨 350-800도로 가열하여 중합체 스펀지로된 예비 성형체를 태워 제거하고, 이와동시에 공정중에 첨가된 결합제, 유동첨가제, 용매와 같은 휘발성 유기물로 제거하여, 제 3 도(d)와 같이 세라믹 만으로 이루어진 허니콤 구조체(13)를 성형하는 단계(S6)를 행한다.
소결단계(S7)에서는, 상기 허니콤 구조체를 소재의 특성에 따라 적절한 승온 속도와 소결온도 및 시간으로 소결하여 기계적 열적 강도를 부여함으로써 허니콤 구조체를 완성한다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 허니콤 구조체의 제조방법에 의하면, 복잡한 압출다이를 이용하지 않게됨으로써 고가의 압출다이가 불필요하게 되므로 제조단가를 낮출 수 있는 것이고, 셀의 형성시 가공대상이 중합체 스펀지이므로 가공이 용이하고 레이저의 에너지 소모량이 적으며, 셀의 구조를 원형으로 형성할 수 있으므로 응력집중현상을 피할 수 있어 기계적 열적 강도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 레이저를 통해 셀을 다양한 형상, 예를 들어, 다각형의 모양으로 쉽게 형성할 수 있게 된다. 또한 균일한 내부구조를 갖는 중합체 스펀지가 사용됨으로써 제조된 허니콤 구조체의 내부구조도 역시 균일하여 기계적 강도 및 신뢰도가 증가하고, 열린 기공(Open Pore)이 많은 중합체 스폰지를 이용하여 허니콤 구조체를 성형하였기 때문에 성형된 허니콤 구조체에도 기공이 많아져 작용 표면적이 증가됨으로써 정화효율을 증가 시킬 수 있으며, 열린 기공의 증가는 유체의 흐름을 보다 적게 방해하고 찌꺼기등을 여과하는 효과도 가져온다.
Claims (7)
- 중합체 스펀지를 소정의 형상으로 가공하여 예비 성형체를 제공하는 단계와, 레이저 가공으로 예비 성형체에 셀을 형성하는 단계와, 미세분말 상태의 성형재료에 결합제를 첨가하여 된 슬러리를 제공하는 단계와, 상기 슬러리에 예비 성형체를 침지하여 예비 성형체에 슬러리를 코팅하는 단계와, 슬러리가 코팅된 상기 예비 성형체를 건조시키는 단계와, 예비 성형체 및 결합제를 고열로 제거하여 성형재료로 이루어진 허니콤 구조체를 형성하는 단계와, 상기 허니콤 구조체를 소결하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 예비 성형체는 실린더 형상인 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀의 형상은 원형인 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 셀의 형상은 다각형인 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 미세분말은 세라믹 물질로된 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 슬러리에 유동첨가제가 첨가되어 있는 허니콤 구조체의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 유동첨가제의 양은 슬러리 총 질량의 0.1 내지 12%인 허니콤 구조체의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019930015574A KR960006443B1 (ko) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | 허니콤 구조체의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019930015574A KR960006443B1 (ko) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | 허니콤 구조체의 제조방법 |
Publications (2)
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| KR950005367A KR950005367A (ko) | 1995-03-20 |
| KR960006443B1 true KR960006443B1 (ko) | 1996-05-16 |
Family
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Family Applications (1)
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| KR1019930015574A KR960006443B1 (ko) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | 허니콤 구조체의 제조방법 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR960006443B1 (ko) |
-
1993
- 1993-08-11 KR KR1019930015574A patent/KR960006443B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR950005367A (ko) | 1995-03-20 |
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