KR20080095399A - 탄화규소질 허니컴 구조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화규소질 허니컴 구조체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 소성공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔(silica sol)에 담지(또는 분사)시키는 단계와 상기 실리카 솔에 담지시킨 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 압축공기로 블로잉(blowing)한 다음, 건조시키는 단계와 상기 건조된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 열처리하는 단계를 포함하는 허니컴 구조체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 실리카가 소결 코팅되어 우수한 열충격성을 가지는 효과를 갖는다.

허니컴, 구조체, 세그먼트, 탄화규소, 필터, 분진

Description

탄화규소질 허니컴 구조체의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING SiC HONEYCOMB STRUCTURE}

도 1은 허니컴 세그먼트의 사시도이다.

도 2는 도 1의 단면도이다.

도 3은 도 1에 보인 허니컴 세그먼트를 다수 개 접합시켜 구성한 허니컴 구조체의 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 허니컴 세그먼트 2 : 격벽

3 : 채널 3a : 밀봉재

4 : 접합재 5 : 마감재

본 발명은 탄화규소질 허니컴 구조체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상 세하게는 소성공정을 거친 탄화규소(SiC)질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔에 담지하거나 분사시킨 다음 열처리함으로써, 열충격성을 향상시킬 수 있는 탄화규소질 허니컴 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 다공성의 허니컴(Honeycomb) 구조체는 촉매 담체나 배기가스 중에 포함된 분진(particulate)을 제거하기 위한 분진 필터(Diesel Particulate Filter)의 용도로 많이 사용되고 있다. 이러한 허니컴 구조체는 주로 열팽창 계수가 작은 코디에라이트(cordierite)계의 세라믹으로 제조되어 왔다. 코디에라이트는 다양한 크기 및 형상을 가지는 허니컴 구조체를 자유롭게 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나 코디에라이트는 녹는점이 낮아 분진 필터의 용도로 사용될 경우에는 허니컴 구조체의 재생과정, 구체적으로 고온의 열을 가하여 흡착된 분진(카본 덩어리 등)을 산화, 제거하는 고온 처리 과정에서 국부적으로 녹아버리거나 파괴되는 문제점을 가지고 있다.

이에 따라, 녹는점이 높고 열전도특성이 우수한 탄화규소(SiC)질이 선호되고 있다. 그러나 탄화규소(SiC)는 열팽창 계수가 커 소결 및 분진 필터의 사용도중 재생과정에서 균열이 발생하므로, 탄화규소(SiC)를 주재료로 하여 허니컴 구조체를 제조하는 경우에는, 일반적으로 사각기둥 바(bar) 형상의 허니컴 세그먼트(honeycomb segment)로 제조한 다음, 상기 허니컴 세그먼트를 다수 개 접합시켜 제조하고 있다.

도 1은 허니컴 세그먼트의 사시도를 보인 것이고, 도 2는 상기 도 1의 단면 도이다. 그리고 도 3은 도 1에 보인 허니컴 세그먼트를 다수 개 접합시킨 허니컴 구조체를 보인 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 탄화규소질 허니컴 세그먼트(1)는 일반적으로 벌집구조의 정사각기둥 형상을 갖는다. 그리고 분진이 포함되어 있는 배기가스(G)가 통과되는 곳으로서, 다공성의 격벽(2)에 의해 마련된 채널(3)이 그의 길이방향으로 관통되어 형성된 구조를 갖는다. 이와 같은 탄화규소질 허니컴 세그먼트(1)는, 일반적으로 탄화규소(SiC) 분말에 유기바인더(고분자 화합물)와 소결조제로서의 무기 바인더를 첨가한 다음, 이를 압출성형 및 절단, 건조한 후, 소성공정을 거쳐 제조된다. 그리고 채널(3)은 입구와 출구 쪽 중에서 선택된 어느 한쪽을 번갈아가며 밀봉재(3a)가 플러깅(plugging)되어 있다. 이에 따라, 채널(3) 안으로 유입된 배기가스(G)는 다공성의 격벽(2)을 통과한 후, 인접하는 다른 채널(3)을 통하여 유출된다. 이때, 배기가스(G)에 포함된 분진은 다공성의 격벽(2)에 포집된다.

위와 같이, 밀봉재(3a)에 의해 플러깅(plugging)된 세그먼트는 소성 과정을 거친 후에는 접합재(4)에 의해 다수 개 접합된다. 그리고 외주부분이 연삭 처리된 다음, 내열성의 마감재(5)로 외벽 처리되어 도 3에 보인 바와 같은 원기둥 형태의 허니컴 구조체로 제조된다.

그러나 종래 기술에 따른 탄화규소질 허니컴 세그먼트(1)는, 탄화규소(SiC) 자체가 열팽창 계수가 큰 이유로, 열충격성이 약하여 실제 제품으로 적용 시에는 세그먼트(1)의 파손 및 접합재(4) 등의 부위에 크랙이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 소성공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔에 담지(또는 분사)시킨 후, 열처리를 수행함으로써, 열충격성이 향상된 탄화규소질 허니컴 구조체를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 탄화규소질 허니컴 세그먼트가 접합 구성된 허니컴 구조체의 제조방법에 있어서,

소성공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔(silica sol)에 담지시키는 단계;

상기 실리카 솔에 담지시킨 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 압축공기로 블로잉(blowing)한 다음, 건조시키는 단계; 및

상기 건조된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 열처리하는 단계를 포함하는 허니컴 구조체의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 탄화규소질 허니컴 세그먼트가 접합 구성된 허니컴 구조체의 제조방법에 있어서,

소성 공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트에 실리카 솔(silica sol)을 분사시키는 단계;

상기 실리카 솔이 분사된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 압축공기로 블로 잉(blowing)한 다음, 건조시키는 단계; 및

상기 건조된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 열처리하는 단계를 포함하는 허니컴 구조체의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 실리카 솔은 5중량% ~ 40중량%의 실리카 고형분을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 열처리는 600℃ ~ 1400℃의 온도에서 1시간 ~ 5시간 동안 수행하는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 원료의 배합, 압출 성형, 절단, 건조 및 소성공정으로 진행되는 통상의 공정에 더하여 세그먼트 소결체, 구체적으로 소성공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔에 담지하거나, 또는 세그먼트 표면에 실리카 솔을 분사한 다음, 상기 실리카 솔이 소결되도록 열처리하는 공정을 포함한다.

예를 들어, 상기 세그먼트 소결체는 평균 입경 10마이크로미터(㎛) ~ 200마이크로미터(㎛)의 탄화규소(SiC) 분말에, 유기바인더와 무기바인더를 첨가한 소결성 탄화규소질 슬러리(slurry) 또는 페이스트(paste)로부터 제조될 수 있다. 이때, 상기 유기바인더는 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 폴리비닐 아세테이트(PVA ; Polyvinyl Acetate) 및 폴리에틸렌 글리콜(PEG ; Polyethylene Glycol) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 그리고 상기 무기 바인더는 액상이나 고 상을 포함하며, 예를 들어 점토(clay), 장석(feldspar), 알루미나(alumina), 실리카-알루미나(silica-alumina), 알루미늄 실리케이트, 티탄산 알루미늄(aluminum titanate), 실리카(silica) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 분말이나 솔(sol)을 사용할 수 있다.

상기 소결성 탄화규소질 슬러리를 바람직하게는 도 1에 보인 바와 같은 형상을 갖도록 압출한 다음, 절단, 건조한다. 그리고 1000℃ 이상의 고온의 로(furnace)에서 소성한다.

그리고 본 발명에 따라서, 위와 같이 얻어진 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔(silica sol)에 담지하거나, 또는 세그먼트 표면에 실리카 솔을 분사하여 코팅한다. 상기 실리카 솔은 열충격성을 향상시키기 위한 것으로서, 실리카 고형분이 물이나 유기용제에 희석된 것이 사용되며, 상기 실리카 고형분은 실리카 솔 전체 중량 대비 5중량% ~ 40중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 실리카 고형분의 함량이 5중량% 미만으로서 너무 작게 함유되면 열충격성 향상을 도모하기 어려우며, 40중량%를 초과하여 너무 많이 함유되면 코팅 작업성이 떨어지며 필터의 기공률을 감소시켜 분진 포집 특성 저하를 일으킬 수 있다.

이와 같이 실리카 솔을 코팅(담지 또는 분사)시킨 다음에는 실리카 솔이 세그먼트의 모든 표면에 대하여 균일한 두께를 가질 수 있도록 압축공기를 블로잉(blowing)한다. 다음으로, 이후 공정에서의 취급이 용이할 정도의 강도를 갖도록, 즉 희석액이 증발되도록 열풍 등을 가하여 건조시킨다.

위와 같이, 블로잉 공정 및 건조공정을 수행한 다음에는 실리카 솔이 소결되 어 세그먼트와 일체화되도록 로(furnace)에 투입하여 열처리한다. 상기 열처리는 600℃ ~ 1400℃의 온도에서 1시간 ~ 5시간 동안 수행하는 것이 좋다. 이때, 열처리 온도가 600℃ 미만으로서 너무 낮거나 열처리 시간이 너무 짧으면 소결이 안되며, 열처리 온도가 1400℃를 초과하여 너무 높거나 열처리 시간이 길면 균열이 발생하거나 필터의 기공률을 감소시킬 수 있어 바람직하지 않다.

그리고 통상과 같은 방법으로, 도 2와 같이 입구와 출구 쪽 중에서 선택된 어느 한쪽은 번갈아가며 밀봉재(3a)로 플러깅(plugging)된다. 이때, 플러깅 공정은 소성 공정 이전 또는 소정 공정 이후에 진행될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 허니컴 세그먼트는 원료의 배합 고정, 압출 성형 공정, 절단 공정, 건조 공정 및 소성 공정으로 이루어진 통상의 공정에 더하여 본 발명에 따라서 실리카 솔 코팅 공정을 더 거쳐 제조되는 데, 이때 상기 플러깅 공정은 소성 공정 이전, 즉 건조 공정과 소성 공정의 사이에서 진행되거나, 또는 소성 공정 이후, 즉 소성 공정과 실리카 솔 코팅 공정의 사이에서 진행될 수 있다. 또한, 상기 플러깅 공정은 실리카 솔 코팅 공정 이후에 진행될 수 있다. 구체적으로, 실리카 솔을 코팅(담지 또는 분사)시킨 후, 상기한 블로잉 공정 및 건조공정을 수행한 다음에 플러깅 공정이 진행되거나, 또는 상기한 열처리 공정까지 수행한 다음 진행될 수 있다.

아울러, 본 발명의 허니컴 세그먼트는 통상과 같이 접합재(4)에 의해 다수 개 접합된 다음, 이러한 접합체의 외주부분은 연삭 처리된 후, 내열성의 마감재(5)로 외벽 처리된다. 이와 같은 공정을 완료하면, 도 3에 보인 바와 같은 원기둥 형태의 허니컴 구조체를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

통상과 같은 방법으로 제조된 것으로서, 도 1에 보인 바와 같은 구조를 가지는 탄화규소질 허니컴 세그먼트 소결체를 본 실시예의 시편으로 적용하였다.

그리고 상기 세그먼트 소결체 시편을 실리카 고형분 함량이 40중량%인 실리카 솔(듀퐁사 제품, HS40)에 담지시킨 다음, 압축공기를 블로잉하였다. 다음으로, 열풍 건조기에 투입하여 100℃에서 1시간 열풍 건조시킨 다음, 로(furnace)에서 1300℃로 2시간 동안 열처리하여, 표면에 실리카가 균일하게 소결 코팅된 샘플 총 20개를 얻었다.

< 열충격성 평가 >

상기 얻어진 샘플들을 가열로에 투입하여 800℃의 온도로 10시간 동안 방치한 다음, 곧장 끄집어내어 15℃의 냉각수에 바로 담금질하였다.(water quenching 테스트) 그리고 샘플들의 파괴 정도를 육안 평가한 다음, 파괴되지 않은 샘플을 생존율로 계산하여 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 2]

상기 실시예 1과 대비하여, 열처리 온도를 1200℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 3]

상기 실시예 1과 대비하여, 열처리 온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 실시예 1과 대비하여, 열처리 온도를 1000℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 5]

상기 실시예 1과 대비하여, 실리카 솔을 희석하여 고형분의 함량이 20중량%인 실리카 솔을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 6]

상기 실시예 1과 대비하여, 상기 실리카 솔을 세그먼트 시편에 분사시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타 내었다.

[실시예 7]

상기 실시예 1과 대비하여, 실리카 솔을 희석하여 고형분의 함량이 20중량%인 실리카 솔을 사용하되, 상기 실리카 솔을 세그먼트 시편에 분사시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[실시예 8]

상기 실시예 1과 대비하여, 실리카 솔을 더 희석하여 고형분의 함량이 5중량%인 실리카 솔을 사용하되, 상기 실리카 솔을 세그먼트 시편에 분사시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

[비교예 1]

상기 실시예 1과 대비하여, 실리카 솔을 담지시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 세그먼트 소결체 시편을 실리카 솔에 담지시키지 않고 그대로 800℃의 가열로에 투입하여 열충격성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

< 열충격성 평가 결과 >

비 고	실리카 솔 고형분 함량(중량%)	코팅 방법	열처리 온도 (℃)	생존율 (%)
실시예 1	40	담지 코팅	1300	95 (19개)
실시예 2	40	담지 코팅	1200	85 (17개)
실시예 3	40	담지 코팅	1100	60 (12개)
실시예 4	40	담지 코팅	1000	55 (11개)
실시예 5	20	담지 코팅	1300	50 (10개)
실시예 6	40	분사 코팅	1300	40 (8개)
실시예 7	20	분사 코팅	1300	50 (10개)
실시예 8	5	분사 코팅	1300	30 (6개)
비교예 1	-	-	-	5개 (1개)

상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 표면에 실리카가 소결 코팅된 경우, 급격한 온도변화 대한 열충격성(생존율)이 매우 우수함을 알 수 있다. 또한, 실리카 고형분의 함량이 증가할수록 생존율이 50% 이상으로서 열충격성이 보다 향상됨을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 탄화규소질 허니컴 세그먼트에 실리카가 소결 코팅되어 우수한 열충격성을 가지는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 탄화규소질 허니컴 세그먼트가 접합 구성된 허니컴 구조체의 제조방법에 있어서,

   소성공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 실리카 솔(silica sol)에 담지시키는 단계;

   상기 실리카 솔에 담지시킨 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 압축공기로 블로잉(blowing)한 다음, 건조시키는 단계; 및

   상기 건조된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체의 제조방법.
2. 탄화규소질 허니컴 세그먼트가 접합 구성된 허니컴 구조체의 제조방법에 있어서,

   소성 공정을 거친 탄화규소질 허니컴 세그먼트에 실리카 솔(silica sol)을 분사시키는 단계;

   상기 실리카 솔이 분사된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 압축공기로 블로잉(blowing)한 다음, 건조시키는 단계; 및

   상기 건조된 탄화규소질 허니컴 세그먼트를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 실리카 솔은 5중량% ~ 40중량%의 실리카 고형분을 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 열처리는 600℃ ~ 1400℃의 온도에서 1시간 ~ 5시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체의 제조방법.

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