KR20090131111A - Cordierite/zirconia ceramic honeycomb and method for fabricating thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기공 특성이 포함되어 유해가스 및 먼지를 제거할 수 있어 산업체 및 자동차 분야 등 대기 환경 정화용 허니컴 담체에 이용되는 세라믹 허니컴이 우수한 기공 특성, 기계적 특성 및 압출 성형성을 가지도록 하는 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb and a method for manufacturing the same, and more particularly, it includes pore properties to remove harmful gases and dust, which is used for honeycomb carriers for purifying the air environment such as industrial and automobile fields. The present invention relates to a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb in which the ceramic honeycomb has excellent pore properties, mechanical properties and extrusion moldability, and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 세라믹 다공성 재료를 허니컴 필터로 사용하기 위해서는 구조적으로 강도를 증진시키고, 형태적으로 비표면적을 증대시켜 활성을 높이며, 통기성이 좋아 압력 손실을 낮추고, 단열 효과를 높여야 한다. In general, in order to use the ceramic porous material as a honeycomb filter, it is necessary to structurally increase the strength, formally increase the specific surface area to increase the activity, improve ventilation, lower the pressure loss, and increase the thermal insulation effect.
이러한 세라믹 허니컴에 사용되는 세라믹 재료들을 코디어라이트(cordierite), 스포듀멘(spodumene), Al2TiO4, 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), Si3N4, SiC 등이 있으며, 코디어라이트의 경우 실제 허니컴 성형공정 에서 결정의 방향을 배열할 수 있어 열충격 저항을 최소화할 수 있다. Ceramic materials used in the ceramic honeycomb include cordierite, spodumene, Al 2 TiO 4 , alumina, zirconia, Si 3 N 4 , SiC, and the like. In the case of the actual honeycomb molding process, the direction of the crystal can be arranged to minimize the thermal shock resistance.
기존에 사용되는 고분자를 이용한 지지체의 경우에는 제한된 사용 환경, 즉 고온 및 강산 등의 조건에서는 사용하지 못하는 단점을 지니고 있었다. 이에 따라 근래에는 내열성 및 내약품성 등의 특성이 우수한 다공성 세라믹스에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 이러한 환경·에너지 소재로 사용되는 지지체는 지지체 자체로써 환경소재로 이용되기보다는 표면 처리 및 코팅 등의 공정을 거쳐 사용되고 있으며, 현재 연구되고 있는 지지체는 주로 알루미나, 코디어라이트, 뮬라이트(mullite), SiC 등의 산화물이 사용되고 있으며, 디스크 타입(disk type), 캔들 타입(candle type), 멀티 홀 타입(multi hole-type) 등 다양한 형태의 소재가 연구되고 있다. In the case of the support using the polymer used in the past had a disadvantage that can not be used in a limited use environment, that is, conditions such as high temperature and strong acid. Accordingly, research on porous ceramics having excellent properties such as heat resistance and chemical resistance has been actively conducted in recent years. The support used as an environmental and energy material is used through a process such as surface treatment and coating, rather than being used as an environmental material as the support itself, and the support currently being studied is mainly alumina, cordierite, mullite, and SiC. Oxides such as and the like have been used, and various types of materials, such as a disk type, a candle type, and a multi hole type, have been studied.
또한, 실리콘 카바이드(SiC)를 이용한 허니컴의 경우에는 900℃ 이상에서 사용할 경우 실리콘 카바이드가 산화되기 때문에 사용 가능한 최고 온도가 900℃이나 코디어라이트를 이용한 허니컴의 경우에는 열충격 저항성이 높고 열팽창율이 작아서 고온특성이 우수하여 1,000℃이상의 고온에서도 사용이 가능하다.In addition, in the case of honeycomb using silicon carbide (SiC), the silicon carbide is oxidized when used at 900 ° C or higher, so the honeycomb using the maximum temperature of 900 ° C or cordierite has high thermal shock resistance and low thermal expansion rate. It has excellent high temperature characteristics, so it can be used even at high temperature above 1,000 ℃.
세라믹 허니컴은 복잡한 단면 조직 때문에 매우 큰 여과면적을 제공하며, 세라믹 다공성 허니컴을 이용한 여과공정은 기존의 다른 공정에 비해 에너지 소모가 적고, 공정이 단순하여 용수 및 폐수 처리, 해수의 담수화, 초순수 재료, 제약 및 식품 제조, 가스의 응축 그리고 대기오염 정화 등의 수질 뿐만 아니라 대기분야에 이르기까지 다양하게 이용될 수 있고, 분야에 따라 다양한 형태와 재료들이 사용되고 있으므로 매우 중요한 연구 분야라 할 수 있다.The ceramic honeycomb provides very large filtration area due to the complex cross-sectional structure, and the filtration process using ceramic porous honeycomb consumes less energy than other processes, and the process is simple, so the water and wastewater treatment, desalination of seawater, ultrapure water materials, In addition to water quality, such as pharmaceutical and food manufacturing, gas condensation, and air pollution purification, it can be used in various fields, and it is a very important research field because various forms and materials are used depending on the field.
상기한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 세라믹 다공성 허니컴 재료가 널리 사용되지 못하는 이유는 사용되는 용도에 따라서 기공 형태 및 기공 사이즈 등의 기공 특성의 세밀한 조정이 어렵기 때문이며, 그에 따른 제조 단가 향상에 의한 것이라 할 수 있다. 따라서 세라믹을 이용한 필터의 연구는 오염 인자에 대한 분석과 세라믹 다공성 담체의 신뢰성 확보 및 부가적인 기능을 첨가할 수 있도록 지속적인 연구 개발이 필요하며, 환경산업에 적용하기 위해서는 적절한 장치 및 효율적인 필터의 개발과 기공 특성 설계 연구, 산업적 측면에서의 필터 제조기술이 접목되어 이루어져야 한다.As described above, the reason why the ceramic porous honeycomb material according to the prior art is not widely used is that it is difficult to finely adjust the pore characteristics such as the pore shape and the pore size depending on the intended use, and accordingly, It can be said. Therefore, research on ceramic filters requires continuous research and development to analyze contamination factors, secure the reliability of ceramic porous carriers, and add additional functions. Pore property design research and industrial filter manufacturing technology should be combined.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 필요성에 의해 안출된 것으로서, 용도에 맞는 균일한 기공 분포도와 기공율을 가지며, 일정한 기계적 물성 값을 가지는 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴을 제조하고자 하는 것이다. The present invention has been made in view of the need to solve the above problems, and is intended to manufacture a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb having a uniform pore distribution and porosity suitable for a use, and having a constant mechanical property value.
다공성 재료 내에 존재하는 기공의 제어기술은 새로운 기술적 진보를 의미하며, 치밀한 결정질 재료에서 볼 수 없는 특성 향상을 발현하기 위해 먼저 선행되어야 할 조건은 다공성 세라믹 허니컴 제조에 있어 기본적인 기공 특성의 파악과 조성 및 혼합 비율의 최적화, 기본 제품과 비교하여 물성의 증대에 중점을 두어야 하는 것이다. 즉, 기공 특성, 기공 사이즈와 기공 형상, 기공 분포에 따른 세라믹 허니컴의 물성 변화를 규명하여 여과 효율을 높이면서 동시에 압력손실을 낮출 수 있으며, 높은 온도에 따른 열충격 저항을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 허니컴 필 터의 특성을 극대화시킬 수 있게 된다. The control technology of the pores present in the porous material represents a new technological advance, and the conditions that must be preceded in order to express the characteristic improvement not found in the dense crystalline material are the identification and composition of the basic pore properties in the manufacture of the porous ceramic honeycomb. The focus should be on optimizing the mixing ratio and increasing the physical properties compared to the base product. In other words, it is possible to increase the filtration efficiency and lower the pressure loss by identifying the change in the properties of the ceramic honeycomb according to the pore characteristics, pore size, pore shape, and pore distribution, and at the same time to minimize the thermal shock resistance due to the high temperature. The characteristics of the filter can be maximized.
다공성 세라믹스가 이러한 용도에 사용되는 이유는 우선 다공성 세라믹스의 자체 하중이 작다는 점과 내열 충격성이 우수하다는 점이다. 내열 충격성을 나타내는 열충격 계수는 꺾임 강도와 열전도도의 곱에 비례하고 탄성계수와 열팽창계수의 곱에 반비례한다. 소재를 다공질화함으로써 탄성계수를 낮추어 내열 충격성을 높일 수 있으며, 이러한 과정에서 강도의 저하를 최대한 억제하여야 하는 것이 중요하므로 강도를 최대한 유지하면서 기공을 최대한 많이 도입하여 내열 충격성을 높이도록 한다. 구체적으로 일 예를 들면, 기공이 이방성의 모양, 즉 미세한 바늘 모양이나 판 모양을 갖도록 한 뒤, 이들 기공들의 방향성을 제어하면, 기공의 배향 방향과 수직 방향으로는 높은 강도를 유지하면서 소결체 전체적으로는 많은 양의 기공을 갖게 되어 내열 충격성이 우수한 소재를 얻을 수 있게 된다. 따라서, 본 발명은 우수한 기공 특성, 기계적 특성 및 압출 성형성을 가지도록 하는 세라믹 허니컴을 얻도록 한다.The reasons for the use of porous ceramics in these applications are firstly the low self-load of the porous ceramics and excellent thermal shock resistance. The thermal shock coefficient representing the thermal shock resistance is proportional to the product of the bending strength and the thermal conductivity and inversely proportional to the product of the elastic modulus and the thermal expansion coefficient. By making the material porous, the elastic modulus can be lowered to increase the thermal shock resistance. In this process, it is important to suppress the decrease in strength as much as possible, so that the pores are introduced as much as possible while maintaining the strength to increase the thermal shock resistance. Specifically, for example, when the pores have an anisotropic shape, that is, fine needle or plate shape, and then control the directionality of these pores, the sintered body as a whole while maintaining high strength in the direction perpendicular to the pore orientation Having a large amount of pores, it is possible to obtain a material excellent in thermal shock resistance. Accordingly, the present invention provides a ceramic honeycomb having excellent pore properties, mechanical properties and extrusion moldability.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴은, 코디어라이트 분말에 지르코니아 분말, 기공 형성을 위한 PMMA(Poly methyl methacrylate) 분말 및 성형조제용 첨가제를 첨가하여 혼합한 혼합물을 혼련과 압출 성형에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.The porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the first embodiment of the present invention is a mixture of cordierite powder by adding zirconia powder, polymethyl methacrylate (PMMA) powder for forming pores, and an additive for molding aid. It is characterized by being produced by kneading and extrusion molding.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법은, 코디어라이트 분말에 지르코니아 분말, 기공 형성을 위한 PMMA(Poly methyl methacrylate) 분말 및 성형조제용 첨가제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계와, 혼합물을 혼련하는 단계와, 혼련된 혼합물을 압출 성형하여 허니컴 성형체를 제조하는 단계와, 허니컴 성형체를 건조 및 소성하여 세라믹 허니컴을 완성하는 단계를 포함한다.In the method for preparing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the second embodiment of the present invention, a cordierite powder is mixed with a zirconia powder, a polymethyl methacrylate (PMMA) powder for forming pores, and an additive for molding aid Preparing a honeycomb molded body by extruding the kneaded mixture; and drying and firing the honeycomb molded body to complete a ceramic honeycomb.
본 발명은 기공형성제로서 PMMA(Poly methyl methacrylate)를 사용하거나, PMMA와 함께 그라파이트(graphite)를 사용하여 세라믹 허니컴을 제조함으로써 최적의 기공율 및 균일한 기공 분포도를 가지는 세라믹 허니컴의 압출 조성 확립과 압출 공정을 가능하도록 하고, 기공형성제에 따른 분산 기술, 압출 공정 조절과 미세 연속기공의 크기, 형태, 분포 및 균일성이 유지되도록 하는 다공체 제어기술 확보, 강도 및 내열성을 지닌 고효율의 기공률 제어기술을 확보할 수 있으며, 압출 성형시 혼합물의 유동성을 증진시킴과 아울러 윤활 특성을 혼합물에 부여하고, 생산공정의 간편화와 조성확립을 통한 압출 성형 공정제어로 다양한 환경시장의 중요한 제품으로 사용되도록 하는 효과를 가진다.The present invention uses the poly methyl methacrylate (PMMA) as a pore forming agent, or by using a graphite (graphite) with the PMMA to prepare a ceramic honeycomb to establish the extrusion composition and extrusion composition of the ceramic honeycomb having an optimum porosity and uniform pore distribution It provides a porous body control technology that enables the process, the dispersion technology according to the pore-forming agent, the extrusion process control, and the size, shape, distribution and uniformity of the fine continuous pores, and the high efficiency porosity control technology with strength and heat resistance. It can secure the fluidity of the mixture during extrusion molding, give lubricating properties to the mixture, and control the extrusion process by simplifying the production process and establishing the composition so that it can be used as an important product in various environmental markets. Have
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴은 코디어라이트(cordierite) 분말에 지르코니아(zirconia) 분말, 기공 형성을 위한 PMMA(Poly methyl methacrylate) 분말 및 성형조제용 첨가제를 첨가하여 혼합한 혼합물을 혼련과 압출 성형에 의해 제조된다.Porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention is a cordierite powder (zirconia), zirconia (zirconia) powder, a mixture of the PMMA (Poly methyl methacrylate) powder for forming the pores and the additives for molding aid mixed It is prepared by kneading and extrusion molding.
코디어라이트 분말은 순도가 99% 이상이고, 입자 사이즈가 수 ∼ 수십㎛임이 바람직하다.The cordierite powder is preferably 99% or more in purity and has a particle size of several tens of micrometers.
지르코니아 분말은 체적 변화가 일어나지 않는 고순도의 안정화 지르코니아가 사용되고, 구상의 형태를 유지하며, 입자사이즈는 수㎛가 바람직한데, 전체 혼합물에 대한 1∼10wt% 범위로 함유됨이 바람직하다.Zirconia powder is a high-purity stabilized zirconia which does not occur in volume change, maintains a spherical shape, the particle size is preferably several micrometers, it is preferably contained in the range of 1 to 10wt% of the total mixture.
PMMA 분말은 기공형성제로서, 전체 혼합물에 대한 15∼30wt% 범위로 함유됨이 바람직하고, 특히, 코디어라이트의 소결온도보다 낮은 온도에서 휘발됨에 따라 기공이 형성된다.The PMMA powder is preferably contained in the range of 15 to 30 wt% based on the total mixture as the pore-forming agent, and in particular, the pores are formed by volatilization at a temperature lower than the sintering temperature of cordierite.
한편, 혼합물에 기공 형성을 위하여 PMMA 분말 또는 그라파이트(graphite) 분말을 각각 혼합하거나 같이 혼합함이 바람직하다.Meanwhile, in order to form pores in the mixture, it is preferable to mix or mix PMMA powder or graphite powder, respectively.
성형조제용 첨가제로는 결합제, 일 예로 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose)가 사용된다.As an additive for the molding aid, a binder, for example, methyl cellulose is used.
본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴을 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for producing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 코디어라 이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법은 코디어라이트(cordierite) 분말에 지르코니아(zirconia) 분말, 기공 형성을 위한 PMMA(Poly methyl methacrylate) 분말 및 성형조제용 첨가제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S10)와, 혼합물을 혼련하는 단계(S20)와, 혼련된 혼합물을 압출 성형하여 허니컴 성형체를 제조하는 단계(S30)와, 허니컴 성형체를 건조 및 소성하여 세라믹 허니컴을 완성하는 단계(S40)를 포함한다.1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention. As shown, the method for producing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention is zirconia powder in cordierite powder, poly methyl methacrylate (PMMA) powder for forming pores and molding aid Mixing the additives to prepare a mixture (S10), kneading the mixture (S20), extruding the kneaded mixture to prepare a honeycomb molded body (S30), and drying and firing the honeycomb molded body to a ceramic Completing the honeycomb (S40).
혼합물을 제조하는 단계(S10)는 코디어라이트 분말, 지르코니아 분말, PMMA 분말, 성형조제용 첨가제에 증류수를 설정된 시간, 바람직하게 60∼90분 동안 혼합하여 이들 분말을 혼합하게 되며, 이 때, 이들 분말과 증류수의 조성변화가 중요할 뿐만 아니라 골고루 분산되도록 혼합시켜야 하는데, 증류수가 혼합물에 대하여 20∼25wt% 범위로 함유됨이 바람직하다.In the step of preparing a mixture (S10), distilled water is mixed with cordierite powder, zirconia powder, PMMA powder and molding aid additives for a predetermined time, preferably 60 to 90 minutes, and these powders are mixed. Not only is the composition change of the powder and distilled water important, but also needs to be mixed so as to be evenly dispersed, preferably distilled water is contained in the range of 20 to 25wt% based on the mixture.
한편, 혼합물을 제조하는 단계(S10)는 혼합물에 기공 형성을 위하여 PMMA 분말과 함께 그라파이트 분말을 혼합시킬 수 있다. 즉 코디어라이트 분말, 지르코니아 분말, 성형조제용 첨가제에 기공 형성을 위하여 PMMA 분말 또는 그라파이트(graphite) 분말을 혼합시킬 수 있다. 이 때, 기공형성을 위하여 PMMA 분말 또는 혼합되는 그라파이트 분말의 경우 비중이 낮기 때문에 증류수의 함량 변화를 적절히 조절해 주어야 하며, PMMA 분말의 경우 소수성의 특성을 가지므로, 유기화 반응을 통한 표면 개질을 시키거나 혼합 시 충분히 분산을 시키는 것이 바람직하다. On the other hand, the step of preparing a mixture (S10) may be a graphite powder mixed with the PMMA powder to form pores in the mixture. That is, PMMA powder or graphite powder may be mixed in the cordierite powder, the zirconia powder, and the additive for molding aid to form pores. At this time, since the specific gravity is low in the case of PMMA powder or the mixed graphite powder for pore formation, the change in the content of distilled water should be appropriately controlled. In the case of PMMA powder, the hydrophobic property is used, so that surface modification through organic reaction is performed. Or sufficient dispersion during mixing.
혼합물을 혼련하는 단계(S20)는 혼합물 제조 단계(S10)에서 혼합된 분말을 진공혼련 압출 성형기를 사용하여 혼련하게 되는데, 이 때, 혼합물을 여러 번, 바 람직하게 2회 ∼ 5회 반복하여 혼련하게 된다.In the step of kneading the mixture (S20), the powder mixed in the mixture preparation step (S10) is kneaded using a vacuum kneading extrusion molding machine, in which the mixture is kneaded several times, preferably two to five times. Done.
허니컴 성형체를 제조하는 단계(S30)는 혼련된 혼합물을 일정한 속도로 압출 성형하는 단계로서, 슬러리의 점도와 습도에 따라서 압출 속도를 조절하는 것이 중요하지만, 통상 슬러리의 점도와 습도는 혼합하는 단계(S10)에서 최적의 조건을 맞추어 압출 성형을 시작하는 것이 바람직하다.Step of preparing a honeycomb molded body (S30) is a step of extruding the kneaded mixture at a constant speed, it is important to control the extrusion rate according to the viscosity and humidity of the slurry, but the viscosity and humidity of the slurry is usually mixed ( In S10), it is preferable to start the extrusion molding according to the optimum conditions.
허니컴 성형체를 건조 및 소성하는 단계(S40)는 허니컴 성형체의 건조 시 항온항습기에서 적절한 온도와 습도로 건조시키는 것이 허니컴의 균열 또는 단락 현상을 방지할 수 있으며, 건조된 허니컴 성형체를 소성 시 소성 온도가 1,250 ∼ 1,450℃인 것이 바람직하다. In the step of drying and firing the honeycomb molded body (S40), drying the honeycomb molded body at an appropriate temperature and humidity in a constant temperature and humidity chamber may prevent cracking or short-circuit of the honeycomb, and a firing temperature may be increased when firing the dried honeycomb molded body. It is preferable that it is 1,250-1,450 degreeC.
본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법에 의한 일 실시예를 좀 더 구체적으로 설명하면, 코디어라이트 분말에 대하여 지르코니아 분말, PMMA 분말, 그라파이트 분말, 결합제, 가소제, 윤활제에 증류수를 가하여 혼합기로 충분히 혼합하고, 이 때, 기공형성제로 쓰인 PMMA 분말과 그라파이트 분말의 첨가량에 따라 적절하게 증류수 함량을 변화시켜 혼합하며, 혼합된 분말을 진공 혼련 압출기를 사용하여 3회 혼련하며, 혼련 후 압출 속도를 조절하면서 허니컴 성형체를 성형한다. 이러한 과정에 의해 성형된 허니컴 성형체는 급격한 표면수분의 건조를 방지하기 위하여 항온항습 장치에서 온도 60℃, 습도 40%로 12 ∼ 24시간 동안 건조시키고, 건조를 마친 허니컴 성형체를 1,250 ∼ 1,400℃에서 2시간동안 10℃/min 승온 속도로 공기 중에서 소결한 후 로냉을 실시한다.One embodiment according to the method for producing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention will be described in more detail. After mixing, the mixture is sufficiently mixed with a mixer. At this time, the distilled water content is appropriately changed according to the amount of PMMA powder and graphite powder used as the pore-forming agent, and the mixed powder is kneaded three times using a vacuum kneading extruder and kneaded. Then, the honeycomb molded body is molded while adjusting the extrusion speed. The honeycomb molded body formed by this process has a temperature of 60 ° C. and a humidity of 40% in a constant temperature and humidity device in order to prevent rapid drying of surface moisture. After drying for 24 hours, the dried honeycomb molded body was sintered at 1,250 to 1,400 ° C. for 2 hours at 10 ° C./min at a rate of temperature increase, followed by furnace cooling.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 조성변화를 나타내는 도표로서, 균일한 기공 분포도와 기공율을 가지며, 일정한 기계적 물성 값을 가지는 배기가스 정화용 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴을 제조하기 위해 선행연구로 개발된 최적의 조성에 구형 및 판상의 기공형성제를 첨가하여 기공 형상 및 크기 제어를 통해 세라믹 허니컴을 제조하기 위한 출발물질의 혼합 조건이다.Figure 2 is a diagram showing the composition change of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb for exhaust gas purification having a uniform pore distribution and porosity, and a constant mechanical property value It is a mixing condition of starting materials for manufacturing ceramic honeycomb through the control of pore shape and size by adding spherical and plate-shaped pore-forming agents to the optimum composition developed in the prior research for manufacturing.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조에 있어 판상의 기공을 생성하기 위한 그라파이트(왼쪽)와 구형의 기공을 형성하기 위한 PMMA(오른쪽)의 미세구조 사진으로서, 출발원료에 기공형성제로 혼합되어 번 아웃(burn-out) 공정을 거쳐 기공을 형성하는 첨가제로 사용하는 원료의 미세구조 이미지이다.3 is a microstructure photograph of graphite (left) and PMMA (right) for forming spherical pores in the production of porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention. It is a microstructure image of a raw material that is mixed with a pore-forming agent and used as an additive to form pores through a burn-out process.
도 4는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법에서 온도 증가에 따른 기공형성제의 Thermogravimetric weight-loss에 의한 열분해 거동 그래프로서, 온도가 증가함에 따라 PMMA와 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose)(5wt% Additive) 경우는 412℃, 1,250℃ 이하에서, 그라파이트는 1,350℃ 부근에서 번 아웃(burn-out)되는 것을 나타낸다. 이 때, 그라파이트의 경우 최종적으로 무게비에 10wt%가 잔류하는 것을 관찰할 수가 있다. 이는 그라파이트의 XRF 정량정성 분석결과 그라파이트 자체에 존재하는 불순물로 주성분이 Fe2O3, B2O3 등인 것으로 분석되었다. FIG. 4 is a graph illustrating pyrolysis behavior due to thermogravimetric weight-loss of a pore-forming agent with increasing temperature in the method of manufacturing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention. As the temperature increases, PMMA and methyl cellulose (5wt% Additive) indicates that the graphite burns out at around 1,350 ° C. at 412 ° C. and 1,250 ° C. or less. At this time, it can be observed that in the case of graphite, 10 wt% is finally remained in the weight ratio. The XRF quantitative qualitative analysis of the graphite, the impurities present in the graphite itself was analyzed that the main components are Fe 2 O 3 , B 2 O 3 and the like .
그라파이트의 경우 600℃ 이상에서 열분해가 시작되어 1,000℃에 이르면 약 48.2%의 열분해 거동을 보였다. 이는 그라파이트의 열분해에 있어서 반응가스(O2)의 농도가 생성가스(CO, CO2)의 농도보다 높으므로 반응가스가 표면에 부착하여 반응하고, 생성가스의 탈리의 표면 반응에 의해 열분해 반응이 지배되며, 반응온도가 증가함에 따라 열분해 속도는 증가한다. In case of graphite, pyrolysis started at over 600 ℃ and reached about 48.2% of pyrolysis at 1,000 ℃. This is because the concentration of the reaction gas (O 2 ) in the thermal decomposition of graphite is higher than the concentrations of the product gases (CO, CO 2 ), the reaction gas is attached to the surface and reacts, and the pyrolysis reaction is caused by the surface reaction of desorption of the product gas. Dominated and the rate of pyrolysis increases as the reaction temperature increases.
한편 1,100℃ 부근에서 곡선의 변곡점이 있는 결과가 열분해 기구의 변화와 관련이 있는 것으로 판단된다. 온도가 1,000℃ 이상부터는 생성가스의 농도가 반응가스의 농도보다 높기 때문에 생성가스층이나 열분해에 의해 형성된 기공층을 통과하는 반응가스의 확산반응에 의하여 열분해가 지배된다.On the other hand, the result of the curve inflection point around 1,100 ℃ is considered to be related to the change of the pyrolysis mechanism. Since the concentration of the product gas is higher than the concentration of the reaction gas from the temperature of 1,000 ° C. or more, pyrolysis is controlled by the diffusion reaction of the reaction gas passing through the product gas layer or the pore layer formed by pyrolysis.
PMMA(poly methyl methacrylate)의 경우 246 ∼ 412℃로 온도가 올라가면서 열분해 거동을 보인다. CH3O 에스테 그룹의 기본적인 특성을 가지고, (C5H8O2)n의 화학식을 가지는 PMMA는 412℃ 이상에서는 열분해 후에 약 1% 미만의 잔류물이 존재하였으며, 이는 카본(carbon) 계통이다. PMMA (poly methyl methacrylate) shows pyrolysis behavior as the temperature is raised to 246 ~ 412 ℃. PMMA, which has the basic characteristics of the CH 3 O ester group and has the formula (C 5 H 8 O 2 ) n , has a residue of less than about 1% after pyrolysis above 412 ° C., which is a carbon system. .
메틸 셀룰로오스는 125℃ 이하에서 약 4.5% 열분해 거동을 보이기 시작한다. 이는 흡착수에 의한 거동으로서 246 ∼ 355℃로 온도가 증가함에 따라 73.7%의 열분해 거동을 보인다. Methyl cellulose begins to exhibit about 4.5% pyrolysis behavior below 125 ° C. This is the behavior by adsorption water and shows the thermal decomposition behavior of 73.7% as the temperature increases from 246 to 355 ° C.
(C7H12O5)n의 화학식 가지는 메틸 셀룰로오스가 온도 증가에 따라 H2O, O2로의 열분해된다. 그러나 이 후의 온도에서 열분해는 급격히 저하되었으며, 1,257℃까지 온도가 증가함에 따라 나머지 21.1%가 열분해 되며, 355 ∼ 1,257℃까지 열분해 거 동은 그라파이트에서와 같이 잔류탄화물의 영향으로 고온 영역까지 번 아웃(burn-out)된다.Methyl cellulose having the formula (C 7 H 12 O 5 ) n is thermally decomposed into H 2 O, O 2 with increasing temperature. However, at a later temperature, the pyrolysis sharply decreased, and as the temperature increased to 1,257 ° C, the remaining 21.1% was pyrolyzed, and the pyrolysis behavior from 355 to 1,257 ° C burned out to the high temperature region under the influence of residual carbide as in graphite. burn-out).
도 5는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제의 입도 분포 그래프이다. (a)는 그라파이트의 평균입도가 12㎛인 것을 알 수가 있었으며, 최고 76㎛부터 1㎛ 이하까지 두 개의 모드(mode)를 가지는 구조의 입도 분포를 관찰할 수 있고, (b)는 PMMA의 입도분포로 평균입도가 46㎛이며, 최고 63㎛부터 최저 10㎛까지의 균일한 입도를 나타내는 것을 관찰할 수 있다.5 is a particle size distribution graph of the pore-forming agent of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention. (a) shows that the average particle size of graphite is 12 µm, and the particle size distribution of the structure having two modes from maximum 76 µm to 1 µm or less can be observed, and (b) particle size of PMMA. It is observed from the distribution that the average particle size is 46 µm and exhibits a uniform particle size from 63 µm up to 10 µm.
도 6은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 소결 온도 변화에 따른 X-선 회절 분석 결과를 보여주는 그래프로서, 1,250℃부터 1,400℃까지의 온도에서 열처리된 코디어라이트/지르코니아 복합체의 X-선 회절분석 결과인데, 모든 소결 온도에서 코디어라이트와 Cubic ZrO2만이 존재하며, 온도가 증가함에 따라 결정화가 증진된다. 일반적으로 코디어라이트/지르코니아 복합체의 경우 소결 온도 1,300℃부터 코디어라이트의 SiO2와 ZrO2의 반응에 의하여 ZrSiO4이 생성되나, 본 발명에서는 ZrSiO4을 관찰할 수 없었으며, 이는 안정한 Cubic ZrO2를 사용하기 때문이었다. 6 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis according to the sintering temperature change of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, the cordierite / zirconia composite heat-treated at a temperature from 1,250 ℃ to 1,400 ℃ As a result of X-ray diffraction analysis, only cordierite and Cubic ZrO 2 exist at all sintering temperatures, and crystallization is enhanced with increasing temperature. In general, in the case of cordierite / zirconia composite, ZrSiO 4 is produced by the reaction of SiO 2 and ZrO 2 of cordierite from the sintering temperature of 1,300 ° C., but ZrSiO 4 could not be observed in the present invention, which is stable Cubic ZrO. This is because 2 is used.
도 7은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 출발 원료에 대한 혼련 횟수에 따른 기공 분포도를 보여주는 그래프로서, 혼련 횟수를 1 ∼ 10회 정도 반복하여 본 발명의 목적에 부합되는 일정한 기공율과 기공분포를 가지는 지점을 혼련 조건으로 선택한다. 측정 결과 혼련을 4회 정도 하였을 때 가장 이상적인 기공 분포도와 75%의 높은 기공율을 나타내며, 혼련 횟수가 5회 이상일수록 급격한 수분의 증발로 인하여 혼련이 원활히 이루어지지 않음을 확인할 수 있다.7 is a graph showing the pore distribution according to the number of kneading for the starting material of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, by repeating the number of kneading about 1 to 10 times a constant porosity in accordance with the object of the present invention The point having the pore distribution and is selected as the kneading condition. As a result of the kneading, four times, the most ideal pore distribution and a high porosity of 75% are shown. As the number of kneading times is five or more, the kneading is not performed smoothly due to the rapid evaporation of moisture.
도 8은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 변화에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 선수축율 변화 그래프로서, 기공형성제 종류와 함량 변화에 따른 허니컴 소결체의 수축율 변화를 나타내는데, 소결 온도가 증가함에 따라 치밀화는 증가하며, 그라파이트를 첨가한 소결체가 PMMA를 첨가한 소결체보다 같은 온도에서 더 높은 수축율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 기공형성제로 첨가된 그라파이트의 액상 불순물에 의한 입자 재배열과 점성유동에 의하여 치밀화가 급격히 진행되기 때문이다. 모든 조건의 허니컴 수축율은 1,300℃까지는 완만한 수축 거동을 보이는 반면, 1,350℃에서부터는 급격하게 수축이 진행된다.8 is a graph showing the change in porosity of the porous cordierite / zirconia according to the pore forming agent composition of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, the shrinkage of the honeycomb sintered body according to the type and content of the pore forming agent As the sintering temperature increases, densification increases, and it can be seen that the sintered compact with graphite exhibits higher shrinkage at the same temperature than the sintered compact with PMMA. This is because densification proceeds rapidly by particle rearrangement and viscous flow due to liquid impurities of graphite added as pore-forming agent. The honeycomb shrinkage under all conditions showed a modest shrinkage behavior up to 1,300 ° C, while the shrinkage proceeded rapidly from 1,350 ° C.
도 9는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 종류에 따른 1,350℃에서 소결한 허니컴 소결체의 미세구조 변화를 나타낸 이미지로서, 그라파이트를 첨가한 허니컴 소결체의 경우 길쭉한 판상 형태의 기공을 가지고 있는 반면, PMMA를 첨가한 허니컴 소결체의 경우 구상의 기공형태를 가지고 있다. 일반적으로 기공사이즈가 균일하다는 가정아래 판상의 기공보다는 구상의 기공을 가지는 허니컴이 더 높은 비표면적을 가지게 되며, 따라서 기공형성제인 PMMA첨가에 의한 구상의 기공은 허니컴 촉매 담체의 높은 효율을 증가시킬 수 있다. 9 is an image showing the microstructure of the honeycomb sintered body sintered at 1,350 ℃ according to the pore-forming agent of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, in the case of graphite-added honeycomb sintered body in the form of an elongated plate On the other hand, the honeycomb sintered body with PMMA has a spherical pore shape. In general, under the assumption that the pore size is uniform, the honeycomb having spherical pores has a higher specific surface area than the plate-shaped pores. Therefore, spherical pores by adding PMMA, a pore forming agent, can increase the efficiency of the honeycomb catalyst carrier. have.
도 10은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 및 압축속도 변화에 따른 압출압력의 변화를 보여주는 그래프로서, 모든 조건에서 압출 속도가 증가함에 따라 압출 압력이 증가한다. 그러나 기공형성제가 첨가 유무에 따라서는 현저한 차이를 나타내며, 기공형성제가 첨가되었을 때 압출 압력이 감소한다. 이와 같이, 기공형성제의 유무에 따라 압출 압력이 감소하는 이유는 압출 성형 시 기공형성제의 구상이나 판상의 입자들이 코디어라이트 입자들간의 마찰과 항복강도, 전단응력을 감소시켜서 성형체의 유동성을 증가시키기 때문이다. 또한 PMMA를 첨가하였을때 그라파이트를 첨가할 때 보다 더 낮은 압출 압력을 나타는데, 이는 판상형의 입자보다는 구상의 입자가 압출 성형시 성형공정을 제어하기가 용이하기 때문이다.10 is a graph showing the change in the extrusion pressure according to the pore-former composition and the compression rate change of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention, the extrusion pressure increases as the extrusion rate increases under all conditions. However, the pore forming agent shows a significant difference depending on the presence or absence of the pore forming agent, and the extrusion pressure decreases when the pore forming agent is added. As such, the reason why the extrusion pressure decreases depending on the presence of the pore-forming agent is that spherical or plate-shaped particles of the pore-forming agent reduce the friction, yield strength, and shear stress between cordierite particles during extrusion. Because it increases. Also, when PMMA is added, the extrusion pressure is lower than that of graphite, since spherical particles, rather than plate-shaped particles, are easier to control the molding process during extrusion.
도 11은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 변화에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 조성 및 소성온도 변화에 따른 기공율 및 압축강도를 보여주는 그래프로서, 동일한 소결 온도에서 기공형성제가 첨가되지 않은 허니컴 소결체의 경우 높은 강도와 낮은 기공율을 나타낸다. 기공형성제로 그라파이트를 사용한 허니컴 소결체의 경우 PMMA를 사용한 허니컴 소결체보다 높은 기공율과 압축강도를 나타내며, PMMA와 그라파이트를 같이 첨가한 허니컴 소결체의 경우 높은 기공율을 나타내나, 상대적으로 낮은 압축강도를 나타낸다. 그러나 허니컴 소결체의 경우 사용하는 용도에 따라 요구되는 특성이 다르므로 높은 기계적 특성이 모든 허니컴 필터에 요구되는 것은 아니며 오히려 기공율이 우선적으로 요구되는 물성이다.FIG. 11 is a graph showing the porosity and compressive strength of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the pore-forming agent composition of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the composition and the firing temperature. In the case of honeycomb sintered body in which no pore-forming agent is added at the temperature, it exhibits high strength and low porosity. The honeycomb sintered body using graphite as a pore-forming agent exhibits higher porosity and compressive strength than the honeycomb sintered body using PMMA, while the honeycomb sintered body containing PMMA and graphite exhibits high porosity but relatively low compressive strength. However, in the case of honeycomb sintered body, since the required properties are different depending on the intended use, high mechanical properties are not required for all honeycomb filters, but rather, the porosity is primarily required.
PMMA를 기공형성제로 사용하는 경우 PMMA가 소수성이기 때문에 PMMA의 표면을 친수성으로 바꾸어 주는 것이 중요하다. 소수성인 PMMA를 유기물, 증류수와 함께 혼합 시에는 유기물이 PMMA를 둘러싸고, 다시 유기물 주변에 세라믹 무기물이 자리 잡기 때문에 PMMA가 번 아웃(burn-out)되기 쉽지 않을뿐더러 번 아웃(burn-out) 시에 미세 균열을 발생시킨다. When PMMA is used as a pore-forming agent, it is important to change the surface of PMMA to hydrophilic because PMMA is hydrophobic. When hydrophobic PMMA is mixed with organic material and distilled water, organic matter surrounds PMMA, and ceramic inorganic material is settled around organic material. Therefore, PMMA is not easy to burn-out and at burn-out time. Generate fine cracks;
구상 형태의 기공이 판상 형태의 기공보다는 높은 비표면적과 촉매 담지 특성을 가지고 있는 것으로 미루어 볼 때 이러한 문제점을 해결할 수 있는 해결방안이 절실하다고 할 수 있겠다. 따라서 본 연구에서는 Poly(2-ethyl-2-oxazoline)를 사용하여 표면개질을 통한 이러한 문제점을 해결하고자 하였으며 기공형성제의 종류와 함량에 따라 다양한 물성을 가지는 허니컴 필터를 제조할 수 있다.Considering that spherical pores have higher specific surface area and catalyst carrying characteristics than plate-shaped pores, the solution to solve these problems is urgently needed. Therefore, in this study, Poly (2-ethyl-2-oxazoline) was used to solve these problems through surface modification, and honeycomb filters having various physical properties can be manufactured according to the type and content of pore-forming agent.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기공형성제로서 PMMA(Poly methyl methacrylate)를 사용하거나, PMMA와 함께 그라파이트를 사용하여 세라믹 허니컴을 제조함으로써 최적의 기공율 및 균일한 기공 분포도를 가지는 세라믹 허니컴의 압출 조성 확립과 압출공정을 가능하도록 하고, 기공형성제에 따른 분산 기술, 압출공정 조절과 미세 연속기공의 크기, 형태, 분포 및 균일성이 유지되도록 하는 다공체 제어기술 확보, 강도 및 내열성을 지닌 고효율의 기공률 제어기술을 확보할 수 있으며, 압출성형시 혼합물의 유동성을 증진시킴과 아울러 윤활특성을 혼합물에 부여하고, 생산공정의 간편화와 조성확립을 통한 압출성형 공정제어로 다양한 환경시장의 중요한 제품으로 사용될 수 있도록 하는 효과를 가진다.According to a preferred embodiment of the present invention as described above, by using a poly methyl methacrylate (PMMA) as a pore forming agent, or by manufacturing a ceramic honeycomb using graphite with PMMA, ceramic honeycomb having an optimum porosity and uniform pore distribution It is possible to establish extrusion composition and extrusion process, and to obtain porous body control technology to control dispersion technology according to pore forming agent, to control extrusion process and to maintain size, shape, distribution and uniformity of micro continuous pores, and to have strength and heat resistance. It can secure high efficiency porosity control technology, improve the fluidity of the mixture during extrusion molding, impart lubrication characteristics to the mixture, and control the extrusion molding process by simplifying the production process and establishing the composition. It has the effect of being used as
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명 하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.As described above, specific embodiments have been described in the detailed description of the present invention, but it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art, and such modified embodiments are defined in the claims of the present invention. It will be included in the technical spirit described.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법을 도시한 흐름도이고,1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 조성변화를 나타내는 도표이고,2 is a diagram showing the composition change of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조에 있어 판상의 기공을 생성하기 위한 graphite(왼쪽)와 구형의 기공을 형성하기 위한 PMMA(오른쪽)의 미세구조 사진이고,3 is a microstructure photograph of graphite (left) and PMMA (right) for forming spherical pores in the production of porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 제조방법에서 온도 증가에 따른 기공형성제의 Thermogravimetric weight-loss에 의한 열분해 거동 그래프이고,Figure 4 is a graph of the thermal decomposition behavior of the pore-forming agent by the thermogravimetric weight-loss with increasing temperature in the method of manufacturing a porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제의 입도 분포 그래프이고, 5 is a particle size distribution graph of the pore-forming agent of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 6은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 소결온도 변화에 따른 X-선 회절 분석 결과를 보여주는 그래프이고, 6 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis according to the sintering temperature of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 출발 원료에 대한 혼련 횟수에 따른 기공 분포도를 보여주는 그래프이고, 7 is a graph showing the pore distribution according to the number of kneading for the starting material of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 8은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 변화에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 선수축율 변화 그래프이고,8 is a graph showing changes in porous cordierite / zirconia shrinkage according to the pore-forming agent composition of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention;
도 9는 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 종류에 따른 1,350℃에서 소결한 허니컴 소결체의 미세구조 변화를 나타낸 이미지이고,9 is an image showing the microstructure change of the honeycomb sintered body sintered at 1,350 ℃ according to the pore-forming agent of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 10은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 및 압축속도 변화에 따른 압출압력의 변화를 보여주는 그래프이고, 10 is a graph showing a change in extrusion pressure according to the pore-forming agent composition and compression rate of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention,
도 11은 본 발명에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 기공형성제 조성 변화에 따른 다공성 코디어라이트/지르코니아 세라믹 허니컴의 조성 및 소성온도 변화에 따른 기공율 및 압축강도를 보여주는 그래프이다.11 is a graph showing the porosity and compressive strength of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the composition and the firing temperature of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the pore forming agent composition of the porous cordierite / zirconia ceramic honeycomb according to the present invention.
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