KR100784483B1 - A ceramic filter and Preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹 파이버를 주원료로 하여 제조한 세라믹 페이퍼를 이용한 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹 페이퍼, 알루미나 옥사이드의 1차 코팅층 및 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층을 포함하는 세라믹 필터 및 이의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a ceramic filter using a ceramic paper manufactured using a ceramic fiber as a main raw material, and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a ceramic filter including a ceramic paper, a primary coating layer of alumina oxide, and a secondary coating layer of aluminum phosphate. And it provides a preparation method thereof.
본 발명은 세라믹 페이퍼의 기공크기, 공기투과도, 강도 물성을 조절할 수 있으며, 향상된 기질의 강도를 가지는 세라믹 필터를 제공할 수 있다.The present invention can adjust the pore size, air permeability, strength properties of the ceramic paper, it is possible to provide a ceramic filter having an improved substrate strength.
고온용 무기 기질, 알루미나 옥사이드, 알루미늄 포스페이트, 코팅, 세라믹 페이퍼 High Temperature Inorganic Substrates, Alumina Oxide, Aluminum Phosphate, Coatings, Ceramic Paper
Description
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.1 is a perspective view schematically showing the structure of a ceramic filter according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 판형 세라믹 페이퍼 20: 파형 세라믹 페이퍼10: plate-shaped ceramic paper 20: corrugated ceramic paper
본 발명은 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기공크기, 공기투과도 및 강도 물성이 향상되어 고온에서 사용하기에 적합한 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic filter and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a ceramic filter and a method for manufacturing the same, which are suitable for use at high temperatures due to improved pore size, air permeability and strength properties.
1970년대 후반부터 디젤엔진의 매연 분진 입자를 거르기 위한 장치로서 디젤 분진필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 제안되어 연구되기 시작하였다. 상기 DPF의 종류는 허니컴 모노리스 필터, 세라믹 파이버 필터, 및 금속필터로 크게 나눌 수 있다. 이들 중 허니컴 모노리스 필터는 고온의 열충격에 취약해 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한, 금속필터는 가격과 제작의 용이성의 장점이 있으나 내열성과 부식성에 약한 단점이 있기 때문에 최근에는 세라믹 파이버로 이루어진 부 직 페이퍼 형태의 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Since the late 1970s, a diesel particulate filter (DPF) has been proposed and studied as a device for filtering particulate matter from diesel engines. The DPF can be broadly divided into a honeycomb monolith filter, a ceramic fiber filter, and a metal filter. Of these, honeycomb monolith filters are vulnerable to high temperature thermal shock and have a short lifespan. In addition, the metal filter has advantages of price and ease of manufacture, but has a weak disadvantage in heat resistance and corrosion resistance, and thus, research on nonwoven paper type filters made of ceramic fibers has recently been actively conducted.
이처럼 세라믹 파이버로 이루어진 부직 페이퍼를 필터로 사용하기 위해서, 그린 페이퍼 상태에서 파형화가 이루어져 단일 부피내에서 표면적을 증가시켜 사용하고 있다. 그러나, 세라믹 파이버로만 이루어진 세라믹 페이퍼의 경우에는, 페이퍼 자체가 인장력이 작고, 사용된 파이버의 길이가 짧기 때문에 연속 제지로 만들기 위해서는 셀룰로오스 파이버, 나일론, 케블라 (등록상표) 등과 같은 유기파이버 및 다양한 유기약품을 이용하여 인장력을 갖도록 해주어야 한다. 또한, 연속 제지를 만드는 과정 외에 세라믹 페이퍼를 파형화 과정에서도 세라믹 파이버 이외의 유기 파이버와 여러가지 바인더에 의해 갖게 되는 인장강도가 요구된다.In order to use the nonwoven paper made of ceramic fiber as a filter, the wave form is made in the green paper state and the surface area is increased in a single volume. However, in the case of ceramic paper composed only of ceramic fibers, since the paper itself has a small tensile force and a short fiber length, organic fibers such as cellulose fiber, nylon, kevlar (trademark), and various organic chemicals may be used to make continuous paper. It should be used to have tensile force. In addition to the process of making continuous paper, the tensile strength of the organic paper other than the ceramic fiber and various binders are required in the process of corrugating the ceramic paper.
한편, 연소기관, 화력 발전, 소각로와 같은 연소 장비는 연소 공정 중에 발생하는 생성물을 배기할 수 있는 시스템을 포함한다. 이러한 배기 시스템은 촉매가 담지된 flow-through 타입의 기질 또는 wall-flow 타입의 필터 기질을 포함한다. 연소 생성물은 soot 입자, CO, NOx 등과 같은 완전 연소 또는 불완전 연소된 부생성물을 포함할 수 있다. Soot 입자는 인간과 환경에 악영향을 끼칠 수 있는 것으로 알려져 있어, 내 연소 기관으로부터의 방출량을 국가적인 차원에서 엄격히 규제하고 있고, 관련 법규가 시행되고 있다. 결국 이러한 규제는 soot 입자를 효과적으로 제거할 수 있는 배기 시스템에 대한 관심 증대를 가져왔고, 최근까지 입자의 필터에 의한 시스템 개발에 많은 노력이 이루어지고 있다.On the other hand, combustion equipment such as combustion engines, thermal power plants, and incinerators include systems capable of evacuating products generated during the combustion process. Such an exhaust system includes a catalyst-supported flow-through type substrate or a wall-flow type filter substrate. Combustion products may include complete combustion or incompletely burned byproducts such as soot particles, CO, NOx, and the like. Soot particles are known to have adverse effects on humans and the environment. The emission levels from internal combustion engines are strictly regulated at national level, and relevant laws and regulations are being enforced. As a result, such regulations have increased interest in exhaust systems that can effectively remove soot particles, and until recently, much effort has been made in developing systems based on particle filters.
내 연소 기관의 경우의 배기 시스템은 촉매와 필터 성분으로 이루어져 있다. 촉매 컨버터 (converter)는 전형적으로 촉매 모노리스 (Monolith) 구조를 가지는 촉매가 담지된 flow-through 기질로 이루어져 있다. 전형적인 촉매가 담지 된 flow-through 기질은 CO의 CO2로의 산화와 같은 완전 산화 반응에 효과적이다. 그러나, 종래에 사용되는 flow-through 기질은 상대적으로 고가이고, 배기 입자의 연소에 효과적이지 못하다.In the case of internal combustion engines, the exhaust system consists of a catalyst and a filter component. Catalytic converters typically consist of a flow-through substrate carrying a catalyst having a catalytic monolithic structure. Typical catalyst-supported flow-through substrates are effective for complete oxidation reactions such as CO to CO 2 oxidation. However, conventionally used flow-through substrates are relatively expensive and are not effective for the combustion of exhaust particles.
또한, Wall-flow 타입의 기질도 상업적으로 판매되고 있고, 코디라이트(cordierite) 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 기공 구조를 가진 물질을 원료로 하여 압출을 통해 제조되고 있다(미국 특허 제 4276071). 이러한 압출된 기질은 매우 효과적이고 내구성을 가지나 기공도가 50% 미만으로서 포집 용량이 작고 촉매의 담지를 통한 반응성이 매우 낮을 뿐만이 아니라 상대적으로 고가인 단점이 있다.In addition, wall-flow type substrates are also commercially available and are manufactured by extrusion using materials having a pore structure such as cordierite or silicon carbide (US Pat. No. 4276071). . Such extruded substrates are very effective and durable, but have a porosity of less than 50%, a small trapping capacity, a very low reactivity through the loading of the catalyst, and a relatively high cost.
또한, 가격적인 면에서 장점을 가지는 파이버로 이루어진 입자용 필터가 제조되고 있으나, 아직까지는 내구성과 기공크기, 공기투과도간의 상충효과로 인해 상업화되기는 부족하다(미국특허 제3112184호, 제3899555호, 제4608361호, 제4652286호, 제4718926호, 제5194078호, 제5322537호).In addition, a particle filter made of fibers having an advantage in terms of cost has been produced, but it is still insufficient to commercialize due to the trade-off between durability, pore size, and air permeability (US Pat. Nos. 3,112,184,3899,555). 4608361, 4652286, 47.896, 5194078, 5322537).
상기와 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 알루미나 옥사이드 입자를 사용하여 1차로 세라믹 페이퍼를 코팅후 열처리하여 파이버의 표면에 알루미나층을 형성시킨 다음, 2차적으로 알루미늄 포스페이트를 사용하여 코팅후 열처리를 통해, 알루미늄 포스페이트와 알루미나 옥사이드간의 교호 작 용으로 물리적 물성이 향상된 세라믹 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the problems in the prior art as described above, an object of the present invention is to form alumina layer on the surface of the fiber by coating and heat-treating the ceramic paper first using alumina oxide particles, and then secondly using aluminum phosphate Through the heat treatment after coating, to provide a ceramic filter with improved physical properties by alternating operation between aluminum phosphate and alumina oxide and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 인산에 의해 발생하던 파이버 표면의 결함과 웹 전체적인 강도 변화를 최소화하여, 디젤엔진의 필터로 적용 가능한 세라믹 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ceramic filter applicable to a diesel engine filter and a method of manufacturing the same, by minimizing defects on the surface of the fiber caused by phosphoric acid and changes in strength of the entire web.
본 발명의 다른 목적은 단계별 코팅 공정을 통해 높은 기공크기와 공기 투과도를 갖는 세라믹 필터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ceramic filter having a high pore size and air permeability through a step-by-step coating process.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세라믹 페이퍼, 알루미나 옥사이드의 1차 코팅층 및 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층을 포함하는 세라믹 필터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a ceramic filter comprising a ceramic paper, a primary coating layer of alumina oxide and a secondary coating layer of aluminum phosphate.
본 발명은 또한, (a) 0.1 내지 10mm의 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 포함하는 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 페이퍼를 제조하고; (b) 상기 세라믹 페이퍼를 파형화하고 하층부에 판형 세라믹 페이퍼를 위치시켜 서로 접합하고 권취하여 허니컴 구조의 세라믹 필터를 제조하고, (c) 상기 세라믹 필터를 알루미나 옥사이드 용액으로 1차 코팅한 후 건조하고; 및 (d) 상기 1차 코팅된 세라믹 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 2차 코팅하고 건조 및 소성하는 공정을 포함하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing a ceramic paper, comprising: (a) preparing a ceramic paper using a slurry solution containing 0.1 to 10 mm of ceramic fiber, organic fiber and organic binder; (b) corrugating the ceramic paper, placing plate-shaped ceramic paper on the lower layer, bonding and winding each other to prepare a ceramic filter having a honeycomb structure, and (c) coating the ceramic filter with an alumina oxide solution first and drying it. ; And (d) coating the first coated ceramic filter with an aluminum phosphate solution, drying, and firing the same.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 단독으로 또는 촉매가 포함된 반응용 지지체, 화력 발전소 배기 가스 정화용, 자동차 배기 가스 정화용 장치들로 사용하기 적절한 세라믹 파이버로 이루어진 고온용 세라믹 필터를 제공함에 있어서, 세라믹 파이버간의 결합력을 증진하여 기질의 강도를 강화하고, 충분한 기공크기와 공기 흐름도를 가지게 하는 방법을 제공하는 특징이 있다.The present invention provides a high temperature ceramic filter comprising a ceramic fiber suitable for use alone or as a reaction support including a catalyst, a thermal power plant exhaust gas purification device, and a vehicle exhaust gas purification device. It is a feature that provides a method of enhancing the strength of the substrate and having sufficient pore size and air flow.
본 발명은 알루미늄 포스페이트(aluminum phosphate)를 무기바인더로 사용하여 세라믹 파이버 간의 결합을 이루게 함에 있어, 무기입자를 미리 파이버 표면에 1차로 코팅한 후 2차로 알루미늄 포스페이트를 코팅해 줌으로써, 알루미늄 포스페이트 바인더와 파이버간의 과도한 반응을 통한 기질의 결함을 방지하여 기질 강도를 크게 향상시킬 수 있으며, 두 단계 코팅을 통해 기공크기와 공기 흐름도를 조절할 수 있다.In the present invention, aluminum phosphate (aluminum phosphate) is used as an inorganic binder to form a bond between ceramic fibers, and the inorganic phosphate is first coated on the surface of the fiber first, and then the aluminum phosphate is coated secondly, so that the aluminum phosphate binder and the fiber Substrate strength can be greatly improved by preventing substrate defects through excessive reactions of the liver, and pore size and air flow can be controlled through a two-stage coating.
본 발명에서, 상기 알루미나 옥사이드의 1차 코팅층은 나노크기의 알루미나 옥사이드 분말을 포함하는 0.1 내지 10 중량% 농도의 졸용액에 의해 형성된다. 또한, 상기 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅층은 알루미늄 하이드록사이드 및 인산을 포함하며, P/Al의 원자비가 3 내지 50인 코팅 용액에 의해 형성된다.In the present invention, the primary coating layer of the alumina oxide is formed by a sol solution of 0.1 to 10% by weight containing a nano-size alumina oxide powder. In addition, the secondary coating layer of the aluminum phosphate includes aluminum hydroxide and phosphoric acid, and is formed by a coating solution having an atomic ratio of P / Al of 3 to 50.
상세하게는, 본 발명은 1차 코팅시 무기입자로서, 40-60 nm, 바람직하게는 50 나노크기 정도를 갖는 알루미나 옥사이드를 사용하여 졸의 형태로 용액을 제조한 후, 이를 이용하여 1차 코팅층을 형성한다. 제조된 용액에서 알루미나 옥사이드의 농도는 0.1~10 중량%가 바람직하다. 이때, 알루미나 옥사이드 용액의 농도가 0.1% 미만인 경우에는 파이버 표면의 완전 코팅을 위해 과도한 반복 작업을 수행하여야 한다. 또한, 그 농도가 10 중량%를 초과하는 경우에는 과도한 알루미나 농도로 인한 부분적인 기공 막힘 현상이 발생하여 투과도의 과도한 감소가 발생할 수 있다.In detail, the present invention is prepared using alumina oxide having 40-60 nm, preferably about 50 nano-size as an inorganic particle in the primary coating, a solution in the form of a sol, and then using the primary coating layer To form. The concentration of alumina oxide in the prepared solution is preferably 0.1 to 10% by weight. In this case, when the concentration of the alumina oxide solution is less than 0.1%, excessive repetitive work must be performed to completely coat the fiber surface. In addition, when the concentration is more than 10% by weight, partial pore blockage may occur due to excessive alumina concentration, thereby causing an excessive decrease in permeability.
상기 2차 코팅시 사용하는 무기입자는 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하고, 이것은 알루미늄 하이드록사이드 및 인산을 포함하며, P/Al의 원자비가 3 내지 50인 것이 바람직하다.The inorganic particles used in the secondary coating is an aluminum phosphate solution, which includes aluminum hydroxide and phosphoric acid, it is preferable that the atomic ratio of P / Al is 3 to 50.
바람직하게, 본 발명의 세라믹 필터는 0.1 내지 10mm 길이를 가지며, 알루미나 및 실리카 중 적어도 하나를 포함하는 세라믹 파이버; 유기 파이버; 및 유기바인더를 포함하는 슬러리 조성물로부터 제조되는 파형화된 세라믹 페이퍼, 및 이와 동일 재질의 판형 세라믹 페이퍼의 접합으로 이루어진 허니컴 구조이다. 도 1은 본 발명의 세라믹 필터의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에서 도면부호 10은 판형 세라믹 페이퍼이고, 20은 파형 세라믹 페이퍼이다.Preferably, the ceramic filter of the present invention has a length of 0.1 to 10mm, the ceramic fiber comprising at least one of alumina and silica; Organic fiber; And a corrugated ceramic paper made from a slurry composition comprising an organic binder, and a plate-like ceramic paper made of the same material. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a ceramic filter of the present invention. In FIG. 1,
이때, 본 발명에 따른 세라믹 필터에 사용되는 판형 세라믹 페이퍼는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 상기에서 제조된 세라믹 그린 페이퍼를 그대로 사용할 수도 있다.At this time, the plate-shaped ceramic paper used in the ceramic filter according to the present invention is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, it is also possible to use the ceramic green paper prepared above as it is.
본 발명의 세라믹 필터의 제조방법은, (a) 0.1 내지 10mm의 세라믹 파이버, 유기파이버 및 유기바인더를 포함하는 슬러리 용액을 이용하여 세라믹 페이퍼를 제조하고; (b) 상기 세라믹 페이퍼를 파형화하고 하층부에 판형 세라믹 페이퍼를 위치시켜 서로 접합하고 권취하여 허니컴 구조의 세라믹 필터를 제조하고, (c) 상기 세라믹 필터를 알루미나 옥사이드 용액으로 1차 코팅한 후 건조하고; 및 (d) 상기 1차 코팅된 세라믹 필터를 알루미늄 포스페이트 용액으로 2차 코팅하고 건조 및 소성하는 공정을 포함하여 고온에서 사용가능한 세라믹 필터를 제조할 수 있다.Method for producing a ceramic filter of the present invention, (a) to prepare a ceramic paper using a slurry solution containing 0.1 to 10mm ceramic fiber, organic fiber and organic binder; (b) corrugating the ceramic paper, placing plate-shaped ceramic paper on the lower layer, bonding and winding each other to prepare a ceramic filter having a honeycomb structure, and (c) coating the ceramic filter with an alumina oxide solution first and drying it. ; And (d) second coating the primary coated ceramic filter with an aluminum phosphate solution, drying, and calcining to prepare a ceramic filter usable at high temperature.
상기 알루미늄 포스페이트 용액은 세라믹 그린 페이퍼 필터 구조체의 온도 안정성과 구조적 안정성을 증가시키기 위해 사용된다. 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 알루미늄 하이드록사이드와 인산을 혼합하여 제조되며, 용액 내의 P/Al 원자비는 3∼50일 수 있다. 이때, 상기 P/Al 원자비가 3 미만이면 알루미나의 용해도가 매우 작고 알루미늄 포스페이트의 형성이 원활하지 않을 염려가 있으며, 50을 초과하면 인산이 과량이기 때문에 알루미나의 농도가 적어 코팅성이 떨어지고 파이버의 표면이 손상되어 강도를 약화시킬 수 있다. 상기 인산은 소성시, 낮은 온도에서 유기파이버의 탄화(carbonization)가 일어나도록 하여 유기파이버가 연소되어 날아가지 않도록 하는 역할을 한다.The aluminum phosphate solution is used to increase the temperature and structural stability of the ceramic green paper filter structure. The aluminum phosphate solution is prepared by mixing aluminum hydroxide and phosphoric acid, and the P / Al atomic ratio in the solution may be 3 to 50. At this time, when the P / Al atomic ratio is less than 3, there is a concern that the solubility of alumina is very small and the formation of aluminum phosphate may not be smooth. If the P / Al ratio is higher than 50, the concentration of alumina is low due to the excessive amount of phosphoric acid. This damage can weaken the strength. The phosphoric acid serves to carbonize the organic fiber at a low temperature during firing, thereby preventing the organic fiber from burning and flying away.
또한, 필요에 따라 알루미늄 포스페이트의 코팅전에 1차로 알루미나 옥사이드 분말로 표면에 코팅을 실시할 수도 있다.In addition, if necessary, the surface may be first coated with alumina oxide powder before coating with aluminum phosphate.
본 발명에서 세라믹 그린 페이퍼를 알루미늄 포스페이트 용액으로 코팅하는 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 함침 또는 분사 등에 실시할 수 있다. 상기 알루미늄 포스페이트 용액은 물과 침투용매의 혼합용매를 더 포함하는 것이 바람직하다. 침투용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올 등을 사용할 수 있으며, 상기 침투용매의 함량은 물에 대하여 1∼30 중량%로 사용할 수 있다. 상기 침투용매의 함량이 1 중량% 미만이면 역할이 원활치 않고, 30 중량%를 초과하면 알루미늄 포스페이트의 석출을 일으킬 수 있다. 또한 전체 알루미늄 포스페이트 용액 중 알루미늄 포스페이트의 함량은 고형분을 기준으로 1∼80 중량%일 수 있는데, 1 중량% 미만인 경우에는 필요한 양을 코팅시키기 위해 여러 번의 반복 작업을 거쳐야 하며, 80 중량%를 초과하면 과량의 알루미늄 포스페이트가 기공 사이에 남아, 기공 감소 현상이 나타나며 페이퍼의 내충격성이 감소될 우려가 있다.In the present invention, the process of coating the ceramic green paper with the aluminum phosphate solution is not particularly limited, and may be performed, for example, by impregnation or spraying. The aluminum phosphate solution may further include a mixed solvent of water and a penetration solvent. Ethanol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the penetration solvent, and the content of the penetration solvent may be used in an amount of 1 to 30 wt% based on water. If the content of the penetrating solvent is less than 1% by weight, the role is not smooth, and if it exceeds 30% by weight may cause the precipitation of aluminum phosphate. In addition, the content of aluminum phosphate in the total aluminum phosphate solution may be 1 to 80% by weight based on the solid content, if less than 1% by weight may be repeated several times to coat the required amount, if it exceeds 80% by weight Excess aluminum phosphate remains between the pores, resulting in pore reduction and the impact resistance of the paper may be reduced.
또한, 상기 알루미나 옥사이드의 1차 코팅후 열처리 건조 공정은 공기 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 그 소성온도는 400 내지 1200℃에서 실시될 수 있다. 소성온도가 400 ℃ 미만이면 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1200℃를 초과하면 사용된 파이버의 부분적인 멜팅 효과가 발생할 수 있다.In addition, the heat treatment drying process after the primary coating of the alumina oxide is preferably made in an air atmosphere, the firing temperature may be carried out at 400 to 1200 ℃. If the firing temperature is less than 400 ℃ the removal of the organic component is not completely made, if it exceeds 1200 ℃ may cause a partial melting effect of the fiber used.
상기 알루미늄 포스페이트의 2차 코팅후의 소성공정은 진공, 불활성가스 또는 공기 중에서 실시할 수 있으며, 그 소성 온도는 400∼1,100 ℃인 것이 바람직하다. 상기 소성온도가 400℃ 미만인 때에는 유기성분의 제거가 완전히 이루어지지 않으며, 1,100℃를 초과하는 때에는 상기 알루미늄 포스페이트가 변형되어 강도의 저하를 가져올 염려가 있다.The firing step after the secondary coating of the aluminum phosphate can be carried out in a vacuum, inert gas or air, the firing temperature is preferably 400 to 1,100 ℃. When the firing temperature is less than 400 ° C, the organic component is not completely removed. When the firing temperature is above 1,100 ° C, the aluminum phosphate may be deformed, resulting in a decrease in strength.
상기 소성과정을 통해서 유기파이버는 탄화되어 공극을 형성하게 되며, 세라믹 필터 내에 존재하는 알루미늄 포스페이트 할로우 파이버는 Al(PO3)3 (aluminum metaphosphate) 및 AlPO4 (aluminum orthophosphate)의 두가지 상(phase)이 혼합되어 있는 형태로 존재할 것으로 판단된다.Through the firing process, the organic fibers are carbonized to form pores, and the aluminum phosphate hollow fibers in the ceramic filter have two phases, Al (PO 3 ) 3 (aluminum metaphosphate) and AlPO 4 (aluminum orthophosphate). It is believed to exist in mixed form.
상기 세라믹 그린 페이퍼는 세라믹 파이버, 유기 파이버 및 소량의 유기 바인더를 포함하는 슬러리 용액으로부터 제조할 수 있다.The ceramic green paper may be prepared from a slurry solution comprising a ceramic fiber, an organic fiber and a small amount of organic binder.
상기 세라믹 파이버의 함량은 슬러리의 총고형분을 기준으로 50-80 중량%이 고, 보다 바람직하게는 70-80 중량%로 포함하는 것이 좋다. 상기 세라믹 파이버의 함량이 50 중량% 미만인 때에는 소성 후 강도 및 기공특성에 악영향을 미칠 수 있고, 80 중량%를 초과하게 되면 유기파이버 및 유기바인더의 양이 너무 적어서 파형화 단계에서 인장강도가 떨어질 우려가 있다.The content of the ceramic fiber is 50-80% by weight, more preferably 70-80% by weight based on the total solids of the slurry. When the content of the ceramic fiber is less than 50% by weight, it may adversely affect the strength and pore characteristics after firing. When the content of the ceramic fiber exceeds 80% by weight, the amount of the organic fiber and the organic binder is too small so that the tensile strength may drop during the wave formation step. There is.
상기 세라믹 파이버는 약 1200℃ 이상에서 견딜 수 있는 물질로 이루어져 있고, 알루미나, 알루미나 실리케이트 등의 알루미나 또는 실리카가 최소 하나 이상 포함된 것을 사용한다. 예를 들면, 세라믹 파이버는 알루미나, 알루미나 실리케이트, 알루미나 보로실리케이트, 뮬라이트 등과 같은 것을 사용한다. 상기 세라믹 파이버는 1-20 마이크론의 직경을 가지고 있으며, 더 바람직하게는 2-7 마이크론의 직경을 가지며, 길이는 0.1-10mm 영역을 가지는 것이 바람직하다.The ceramic fiber is made of a material that can withstand about 1200 ° C or more, and uses at least one of alumina or silica, such as alumina and alumina silicate. For example, ceramic fibers use such as alumina, alumina silicate, alumina borosilicate, mullite, and the like. The ceramic fiber has a diameter of 1-20 microns, more preferably 2-7 microns in diameter, and preferably has a length of 0.1-10 mm.
상기 유기바인더는 수용성 아크릴계, 폴리비닐알코올, 양성 전분 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 수용성 아크릴계 수지를 사용한다. 유기 바인더의 함량은 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부로 사용한다. 상기 유기바인더의 함량이 0.1 중량부 미만이면 파이버 상호간의 결합이 이루어지지 않고, 20 중량부 보다 큰 경우에는 세라믹 그린 페이퍼의 유동성이 크고 접착성이 나타나 다루기가 원활치 않게 된다. 상기 유기 바인더는 유리 전이 온도가 상온보다 높고 3차원적인 구조를 가지게 하기 위해 유연성을 가지고 있어야 한다.The organic binder may be used alone or in combination of water-soluble acrylic, polyvinyl alcohol, amphoteric starch and the like, preferably water-soluble acrylic resin. The content of the organic binder is used in an amount of 0.1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic fiber. When the content of the organic binder is less than 0.1 parts by weight, the bonding between the fibers is not made, and when the content of the organic binder is greater than 20 parts by weight, the flowability of the ceramic green paper is large and the adhesion is not easy to handle. The organic binder must be flexible in order for the glass transition temperature to be higher than room temperature and to have a three-dimensional structure.
상기 유기파이버는 셀룰로오스 섬유와 같은 우드 펄프 파이버, 헴프(hemp)와 같은 천연 섬유, 나일론, 레이욘, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미 드, 아크릴 섬유와 같은 합성섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 아라미드 섬유의 구체적 예로는 듀퐁사에서 제조된 케블라 섬유가 있다. 상기 우드 펄프 파이버는 제지 기계에서 형성된 시트의 웹 세기를 증진시킨다. 상기 유기 파이버의 함량은 슬러리내 고형분을 기준으로 세라믹 파이버 100 중량부에 대하여 5~50 중량부로 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 15-25 중량부로 사용한다. 상기 유기 파이버의 함량이 5 중량부 미만인 경우에는 세라믹 그린 페이퍼의 인장 강도가 저하되고, 50 중량부를 초과하면 열처리 후에 과량의 알루미나 포스페이트 할로우 파이버의 존재로 인해 강도의 저하를 나타낼 수 있다.The organic fiber is composed of wood pulp fibers such as cellulose fibers, natural fibers such as hemp, synthetic fibers such as nylon, rayon, polyester, polypropylene, polyethylene, aramid, acrylic fibers, and mixtures thereof. Can be selected from the group, specific examples of the aramid fibers are Kevlar fibers manufactured by Dupont. The wood pulp fiber enhances the web strength of the sheet formed in the papermaking machine. The organic fiber may be used in an amount of 5 to 50 parts by weight, and more preferably 15 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ceramic fiber based on solids in the slurry. When the content of the organic fiber is less than 5 parts by weight, the tensile strength of the ceramic green paper is lowered, and when it exceeds 50 parts by weight, the strength may be reduced due to the presence of excess alumina phosphate hollow fiber after heat treatment.
그 밖에, 상기 슬러리 용액에는 물이 포함될 수 있으며, 상기 슬러리 용액에 사용되는 물의 양은 중요한 것이 아니고 전체 공정을 원활하게 유지하는 정도면 된다. 본 발명은 공정상에서 물을 원활하게 제거하기 위해 제지 장치에 연결된 진공 펌프를 통해 과량의 물을 제거하고 압착기를 통해 잔존하는 과량의 물을 제거할 수 있다.In addition, the slurry solution may include water, and the amount of water used in the slurry solution is not critical, and may be sufficient to keep the entire process smoothly. The present invention can remove excess water through a vacuum pump connected to the papermaking apparatus and remove excess water remaining through the press to smoothly remove water in the process.
또한, 본 발명의 슬러리 용액은 상기 유기바인더의 세라믹 파이버 또는 유기파이버에 대한 부착성을 향상시키기 위하여, 통상의 pH 조절제를 더 첨가할 수 있다. 상기 pH 조절제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어 알룸(알루미늄 설페이트)을 사용하여, 슬러리 용액의 pH를 5.5-6.5 사이로 유지시킬 수 있다.In addition, in the slurry solution of the present invention, in order to improve adhesion of the organic binder to the ceramic fiber or the organic fiber, a conventional pH adjusting agent may be further added. The pH adjusting agent may be used without particular limitation as long as it is commonly used in the art, for example, by using alum (aluminum sulfate), it is possible to maintain the pH of the slurry solution between 5.5-6.5.
본 발명의 세라믹 그린 페이퍼의 제조방법은 당업계에 통상적으로 잘 알려진 제지법을 사용할 수 있으며, 그 방법이 특별히 한정되는 것은 아니다. 바람직한 일실시예를 들면, 상기 세라믹 파이버 및 유기파이버를 혼합하여 파이버를 분산시키고, 상기한 구성을 갖는 유기바인더를 혼합하여 파이버의 응집이 이루어지게 한 후, 수분을 건조시켜 세라믹 그린 페이퍼를 제조할 수 있다.The manufacturing method of the ceramic green paper of this invention can use the papermaking method well known in the art normally, The method is not specifically limited. In one preferred embodiment, the ceramic fibers and the organic fibers are mixed to disperse the fibers, and the organic binder having the above-described configuration is mixed to make the fibers aggregated, and then dried to prepare ceramic green paper. Can be.
한편, 본 발명에 따른 세라믹 필터는 상기한 바와 같이 세라믹 그린페이퍼를 파형화하는 단계를 거친 후, 허니컴 형태로 제조하는데, 상기 알루미늄 포스페이트 용액을 코팅하는 공정은 상기 허니컴 형태의 세라믹 필터를 제조한 후에 수행하는 것이 바람직하다. 상기 파형화는 당업계에서 통상적으로 사용되는 파형화 기기를 이용하여 수행할 수 있으며, 바람직한 일실시예를 들면 본 발명에서 사용될 수 있는 파형화 기기의 드럼은 골과 피치의 길이가 각각 3mm이며, 표면온도와 페이퍼의 공급속도가 조절 가능하도록 제작되어 있는 것이 바람직하다.On the other hand, the ceramic filter according to the present invention is manufactured in the form of honeycomb after the step of corrugating the ceramic green paper as described above, the process of coating the aluminum phosphate solution after the manufacture of the honeycomb type ceramic filter It is preferable to carry out. The waveform may be performed by using a waveform device commonly used in the art, for example, the drum of the waveform device that can be used in the present invention is each of the length of the valley and pitch of 3mm, It is preferable that the surface temperature and the paper feed rate are made to be adjustable.
이상과 같이, 본 발명은 세라믹 페이퍼 표면에 알루미나 옥사이드 입자를 1차로 균일하게 코팅하고, 그 위에 알루미늄 포스페이트(aluminum phosphate)를 2차로 코팅하여 세라믹 파이버간의 결합을 이루게 하여 세라믹 페이퍼의 기공크기, 공기투과도, 강도 물성을 조절할 수 있으며, 상기 알루미늄 포스페이트에 포함된 인산으로 인한 세라믹 파이버 자체의 결함을 나노크기의 알루미나 옥사이드(또는 알루미나라고도 함)의 1차 코팅을 통해 억제할 수 있고 결합력 향상에도 기여할 수 있다.As described above, the present invention is a uniform coating of alumina oxide particles on the surface of the ceramic paper first, and aluminum phosphate (aluminum phosphate) on the secondary coating to form a bond between the ceramic fibers to form a pore size, air permeability of the ceramic paper In addition, the strength properties can be controlled, and defects of the ceramic fiber itself due to phosphoric acid contained in the aluminum phosphate can be suppressed through the primary coating of nano-sized alumina oxide (also called alumina) and contribute to improving the bonding strength. .
이렇게 얻어진 본 발명의 허니컴 구조를 갖는 세라믹 필터는 배기가스용 필터로 사용되어 디젤 배기 가스에 포함된 입자를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명의 세라믹 필터는 발전소, 화학공장, 시멘트 공장에서 분진 제거 필터 로도 사용될 수도 있다.The ceramic filter having the honeycomb structure of the present invention thus obtained can be used as an exhaust gas filter to effectively remove particles contained in diesel exhaust gas. In addition, the ceramic filter of the present invention may be used as a dust removal filter in power plants, chemical plants, cement plants.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
실시예Example 1 One
세라믹 그린 페이퍼 제조Ceramic green paper manufacturing
물 2000 ml에 평균 길이 300 마이크로의 알루미나-실리카 파이버 3g을 넣고 강하게 교반하여 파이버를 분산시켰다. 유기 파이버인 침엽수 펄프를 파이버 무게에 대해 25%를 투입하였다. 세라믹 페이퍼의 유연성을 갖도록 해주는 아크릴 바인더를 파이버의 무게대비 20 퍼센트를 첨가하고, pH 3의 1% 알루미늄 설페이트 수용액을 소량 넣어 전체 슬러리의 pH를 5.5정도가 되도록 해주었다.3 g of alumina-silica fiber having an average length of 300 micrometers was added to 2000 ml of water, followed by vigorous stirring to disperse the fibers. Coniferous pulp, an organic fiber, was charged with 25% by weight of the fiber. The acrylic binder, which gives the flexibility of the ceramic paper, was added 20% to the weight of the fiber, and a small amount of 1% aluminum sulfate aqueous solution of pH 3 was added so that the pH of the entire slurry was about 5.5.
최종적으로 과량의 물을 제거하고, 직경 9.5cm, 두께 750 마이크로 미터 정도의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 제조한 세라믹 그린 페이퍼를 상온에서 30분간만 자연건조한 뒤 100 ℃의 건조오븐에서 잔존하는 수분을 건조하였다.Finally, excess water was removed, and ceramic green paper having a diameter of 9.5 cm and a thickness of about 750 micrometers was prepared. The ceramic green paper was naturally dried at room temperature for only 30 minutes and then dried in the drying oven at 100 ° C.
(1차 무기물 코팅)(Primary inorganic coating)
50 nm의 크기를 가지는 알루미나 옥사이드 파우더를 물과 이소프로필 알코올과 혼합하여 각각 5%, 10%, 20%의 농도가 되도록 제조하였다. 제조된 알루미나 졸 용액에 준비된 세라믹 그린 페이퍼를 담그어 코팅하고, 100 ℃에서 건조한 후에 최종적으로 1,100 ℃에서 열처리하였다.Alumina oxide powder having a size of 50 nm was prepared by mixing with water and isopropyl alcohol to have a concentration of 5%, 10% and 20%, respectively. The prepared ceramic green paper was immersed and coated in the prepared alumina sol solution, and dried at 100 ° C. and finally heat treated at 1,100 ° C.
(2차 무기물 코팅)(Secondary inorganic coating)
상기 열처리된 세라믹 페이퍼에 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차로 무기물 코팅을 실시하였다.Inorganic coating was performed on the heat-treated ceramic paper by using aluminum phosphate solution.
알루미늄 포스페이트는 Al(OH)3(알드리치사 제조)와 H3PO4(85%, Junsei사 제조)를 혼합하여 P/Al의 원자비가 23이 되도록 정량하여 섞고, 온도를 150 ℃로 올려주면서 교반시켜, Al(OH)3파우더가 인산에 녹아들게 함으로써, 점도가 높고 맑은 용액이 생성되도록 하였다.Aluminum phosphate was mixed with Al (OH) 3 (manufactured by Aldrich) and H 3 PO 4 (85%, made by Junsei), quantitatively mixed so that the atomic ratio of P / Al was 23, and stirred while raising the temperature to 150 ° C. The Al (OH) 3 powder was dissolved in phosphoric acid, thereby producing a high viscosity and clear solution.
코팅을 위한 알루미늄 포스페이트 용액은, 상기에서 제조된 알루미늄 포스페이트 용액을 물과 이소프로필 알코올의 3:1 혼합용매에 녹여, 20% 알루미늄 포스페이트 용액을 제조하였다. 1차 코팅 처리된 세라믹 페이퍼를 딥핑(Dipping) 코팅하고 110 ℃에서 건조 후 대기 조건에서 800 ℃로 소성처리 하였다.In the aluminum phosphate solution for coating, the aluminum phosphate solution prepared above was dissolved in a 3: 1 mixed solvent of water and isopropyl alcohol to prepare a 20% aluminum phosphate solution. The first coated ceramic paper was dip-coated, dried at 110 ° C., and calcined at 800 ° C. under atmospheric conditions.
실시예Example 2 내지 9 2 to 9
1차 코팅 용액의 알루미나 졸의 조성과 2차 코팅 용액의 P/Al의 비를 하기 표 1와 같이 변화시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except that the composition of the alumina sol of the primary coating solution and the ratio of P / Al of the secondary coating solution was changed as shown in Table 1, it was carried out in the same manner as in Example 1.
최종적으로 얻어진 상기 실시예 1 내지 9의 세라믹 페이퍼를 이용하여 하중 강도, 평균 기공 크기 및 공기 투과도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Load strength, average pore size and air permeability were measured using the finally obtained ceramic paper of Examples 1 to 9, and the results are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
비교예Comparative example 1 One
실시예 1에서 얻어진 세라믹 그린 페이퍼를 아래와 같이 준비된 1차 및 2차 코팅 용액을 이용하여 처리하였다.The ceramic green paper obtained in Example 1 was treated using the primary and secondary coating solutions prepared as follows.
(1차 무기물 코팅)(Primary inorganic coating)
40~70mm의 크기를 가지는 벤토나이트 클레이(bentonite clay) 파우더를 물과 이소프로필 알코올과 혼합하여 각각 2 중량%, 및 4 중량%가 되도록 제조하였다. 제조된 클레이 파우더 용액에 준비된 세라믹 그린 페이퍼를 담구어 코팅하고 100℃에서 건조한 후에 최종적으로 1100℃에서 열처리하였다.Bentonite clay powder having a size of 40-70 mm was mixed with water and isopropyl alcohol to prepare 2 wt% and 4 wt%, respectively. The prepared ceramic green paper was immersed and coated in the prepared clay powder solution, and dried at 100 ° C. and finally heat treated at 1100 ° C.
(2차 무기물 코팅)(Secondary inorganic coating)
상기 열처리된 세라믹 페이퍼에 알루미늄 포스페이트 용액을 이용하여 2차로 무기물 코팅을 실시하였다.Inorganic coating was performed on the heat-treated ceramic paper by using aluminum phosphate solution.
알루미늄 포스페이트는 Al(OH)3와 H3PO4를 P/Al의 비가 23이 되도록 정량하여 섞고 온도를 150℃로 올려주면서 교반시키면 Al(OH)3파우더가 인산에 녹아들어 맑은 점도가 높은 용액이 생성되도록 하여 제조하였다.Aluminum phosphate is mixed with Al (OH) 3 and H 3 PO 4 to have a P / Al ratio of 23, and stirred while raising the temperature to 150 ° C. As a result, Al (OH) 3 powder is dissolved in phosphoric acid. It was prepared to produce.
코팅을 위한 알루미늄 포스페이트 용액은 알루미늄 포스페이트를 물과 이소 프로필 알코올(3:1)을 섞은 혼합용매에 녹여 20% 용액을 합성하였다. 1차 코팅 처리된 세라믹 페이퍼를 딥핑(Dipping) 코팅하고 110℃에서 건조 후, 대기 조건에서 800℃로 소성처리 하였다.The aluminum phosphate solution for coating was dissolved in aluminum phosphate in a mixed solvent of water and isopropyl alcohol (3: 1) to synthesize a 20% solution. The first coated ceramic paper was dip-coated and dried at 110 ° C., and then calcined at 800 ° C. under atmospheric conditions.
최종적으로 얻어진 세라믹페이퍼는 강도는 61g 하중강도 값을 나타내었다.Finally, the obtained ceramic paper showed the strength of 61g load strength.
비교예Comparative example 2 2
실시예 1에서 얻어진 세라믹 그린 페이퍼를 알루미늄 포스페이트 용액만을 사용하여 코팅하고 800 ℃에서 열처리하였다. 강도는 87g 하중강도 값을 나타내었다.The ceramic green paper obtained in Example 1 was coated using only aluminum phosphate solution and heat treated at 800 ° C. The strength showed 87g load strength value.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 세라믹 페이퍼는 알루미나 옥사이드와 알루미늄 포스페이트를 이용한 2단계의 코팅공정을 통해 기공크기, 공기투과도, 및 강도간의 상충효과를 최소화하고 적용 요건에 따른 물성 변화를 쉽게 달성하여 고온에서 효과적으로 사용할 수 있는 기질을 제조할 수 있다.As described above, the ceramic paper of the present invention minimizes the trade-off between pore size, air permeability, and strength through a two-step coating process using alumina oxide and aluminum phosphate, and easily achieves physical property changes according to application requirements. Substrates can be prepared that can be effectively used at high temperatures.
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KR20070062697A (en) | 2007-06-18 |
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