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KR100313711B1 - 다공성소결적층물및그제조방법 - Google Patents

다공성소결적층물및그제조방법 Download PDF

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KR100313711B1
KR100313711B1 KR1019950702487A KR19950702487A KR100313711B1 KR 100313711 B1 KR100313711 B1 KR 100313711B1 KR 1019950702487 A KR1019950702487 A KR 1019950702487A KR 19950702487 A KR19950702487 A KR 19950702487A KR 100313711 B1 KR100313711 B1 KR 100313711B1
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KR
South Korea
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fibers
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조한 새렌스
로져 데브루인
로니 로스펠드
Original Assignee
가브리엘 데미스터
엔.브이. 베카에르트 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 압력하에서 서로 소결된 금속 섬유(5)의 제직되지 않은 웹(3)이 결합되어 이룬 상호 교차 와이어의 금속 와이어 메시(2)를 포함하는 다공성 적층물(1)에 관한 것으로, 메시의 접합 영역(4)에서의 막의 다공성은 이 접합 영역 간 메시 구멍 중심 영역(6) 다공성의 최대 40 %이다.

Description

다공성 소결적층물 및 그 제조방법
본 발명은 금속섬유부직웹(nonwoven web of metal fibers)을 소결(燒結)(sintering)공정에 의해 결합시킨 금속와이어메시(metal wire mesh)를 포함하는 다공성 소결적층물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 하나 이상의 금속와이어메시로 강화된, 금속섬유를 함유하는 다공성 소결적층물은 공지되어 있다. 예를들어, 미국특허 제 3,437,457 호는 금속섬유웹의 편평면 중 적어도 한 면을 소결에 의해 제직와이어메시에 부착시킨 다공성 층구조에 관한 것이다. 이러한 구조를 형성시키기 위해, 금속섬유웹을 낮은 압력하에 와이어메시로 압착하고 가열하여 섬유와 섬유 사이 및 섬유와 와이어메시 사이의 확산결합(diffusion bond)을 형성시킨다. 균일한 다공성을 지닌 소결필터구조에 관해서는 독일 특허출원 제 2,720,278 호에 기술되어 있다. 이러한 구조를 형성시키기 위해, 다각형 단면을 지닌 얇은 스테인레스강 섬유의 제직층 및/또는 부직층을 서로 겹쳐 놓은 후 오븐에서 동시에 가압 및 가열하여 소결되도록 한다. 이들 다공성 적층물은 특별히 필터로 사용되며, 따라서 섬유의 % 함량이 꽤 높다. 미국특허 제4,126,560 호 역시 해당 기술분야의 현 수준에 따른 예시를 들고 있다.
본 발명의 목적은 만족할만한 여과력을 가지며 비교적 저다공성인 적층물을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 금속와이어메시가 차지한 공간에 비해 섬유의 %함량이 비교적 낮음에도 충분한 여과력이 유지되는 다공성 적층물을 제공할 수 있다. 이 경우, ㎡ 당 섬유의 중량이 비교적 작음에도 불구하고, 특히 와이어메시개구부에 면한 여과면 영역에서 충분히 낮은 다공성 및 적절한 공기투과성이 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 강한 압력 강하와 특별히 압력 펄스에 내성을 갖는 금속섬유함유 여과용 적층물, 특히, 비교적 얇은 여과용 적층물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 섬유층을 더 이상 메시로부터 떼어내지 못할 만큼 섬유와 와이어메시간의 결합이 강한 여과용 적층물을 제공한다.
본 분야의 현 기술 수준에 따른 오븐에서의 연속소결공정과는 대조적으로, 본 발명의 목적은 오븐 사용이 필요없는 특수연속소결공정을 제공하는 것이다. 특히, 이 특수연속소결공정과 함께 본 발명은 일반적이고 경제적이며 손쉬운 제조방법을 제공하는데, 이는 대체로 보다 간단하고 저렴한 소결장치를 사용함으로써 가능하다. 또한, 이 새로운 연속방법은 본 발명의 금속섬유함유 적층물을 포함하는, 특별한 여과특성을 갖는 새로운 특수여과구조를 실현시킨다.
본 발명에 따라, 이들 목적은, 압력하에 소결시켜 상호 교차된 와이어로 이루어진 금속와이어메시에 결합시킨 금속섬유부직웹을 포함하는 다공성 적층물에 의해 충족되는데, 이때 메시 접합부 영역에서 금속섬유부직웹의 다공성은 이들 접합부 사이 메시개구부의 중심에서의 다공성의 최대 40 %, 바람직하게는 25 %를 넘지 않는다. 특정응용부문에 있어서는, 다공성이 15 % 미만일 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 적층물의 경제적인 제조방법은 다음과 같다. 금속와이메시와 그 상부에 놓인 금속섬유부직웹을 상이한 전위로 대전된 회전압착롤러 사이로 연속적으로 진행시켜 전류가 롤러와의 접촉영력에서 적층물의 단면을 통해 흐르게 하여 부직웹의 섬유사이 및 부직웹의 섬유와 메시사이를 소결시킨다.
이 모든 사항을, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 특정실시형태와 연관지어 설명할 것이다. 그 밖의 특성 및 이점 또한 명백해질 것이다.
제 l 도는 본 발명에 의한 다공성 적층물의 단면도이고,
제 2 도는 제 1 도의 적층물을 위에서 본 것이고,
제 3 도는 제 1 도의 단면을 확대한 것이고,
제 4 도는 전형적인 다공성 적층물의 단면을 확대한 것이고,
제 5 도는 본 발명에 따른 적층물의 일부인 웹 내의 섬유 표면의 외관을 확대한 것이고,
제 6 도는 전형적인 다공성 적층물에서의 유사한 섬유외관을 나타낸 것이고,
제 7 도는 본 발명에 의한 다공성 적층물 연속제조용 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
제 1 도에 나타난 다공성 적층물(1)은 부직웹(3)이 소결공정에 의해 결합된, 서로 교차된 위사 및 경사 와이어로 이루어진, 제직금속와이어메시(2)를 포함한다. 메시를 이루는 와이어는, 예를들면 와이어드로잉(wire drawing)으로 수득한 스테인레스강 와이어이다. 웹(3)은 예를 들어 다발드로잉(bundled drawing) 또는 절삭이나 기계가공에 의해 수득한 스테인레스강 섬유(5)로 구성된 금속섬유로 이루어진다.
알려진 대로, 이들 섬유는 보통 다수의 뚜렷한 불규칙 부분(10), 홈 및 다각형 단면으로 인한 날카로운 변부 등을 지닌 불규칙한 표면을 갖는다. 이들 섬유(5)의 용도 및 웹 형성을 위한 건식법은 예를들어 미국특허 제 3,469,297호 또는 제 3,505,038 호에 나타나있다. 이들 섬유의 횡단면적은 3×10-6내지 1.8×102㎟, 바람직하게는 1.2×10-5내지 3×10-3㎟, 및 더욱 바람직하게는 5×10-5내지 7.5×10-4㎟이다.
웹(3)과 와이어메시(2)의 새롭고 독특한 일체화(consolidation)공정은 아래에 기술하는 고압하의 소결공정을 포함한다. 본 발명에 따라, 이 일체화공정으로 제 2 도에 도시된 바와 같이 웹의 메시접합부(4) 영역에서 강하게 압축된 부위를 갖는 적층구조가 형성된다. 이들 접합부(4) 사이, 특히 메시개구부의 중심(6) 부근에 매우 다공성인 영역이 존재한다. 이러한 특성은 제 3 도의 단면에서도 볼 수 있다. 게다가 제 3 도에는 섬유의 불규칙한 단면(5)도 도시되어 있다. 소결공정시 적층물을 강하게 압축한 결과 메시와이어는 보통 웹(3)에서 떨어져 있는 외부면상에 적어도 접합부(4)에 대해 평평한 부분(8)을 가진다. 압축섬유 또한 이 영역에서 약간 평평한 단면을 보인다.
본 발명에 따른 소결공정에서는 스틸와이어메시 또는 섬유가 전혀 재결정되지 않는다. 와이어드로잉의 결과로 얻어진 선형의 금속조직구조(7)는 소결공정 후에도 대부분 보존된다(제 3 도 참조). 이는 제 4 도에 나타낸, 상당한 재결정화가일어나는 기존의 소결공정과 대조적이다. 기존 소결공정의 경우, 메시접합부(4) 영역에서의 웹 압축은 거의 없거나 존재하지 않는다. 본 발명에 따른 소결공정 후에도 섬유는 대부분 제 5도에 도시한 바와 같이, 뚜렷한 불규칙 부분이나 가는 홈(10)을 갖는 거칠고 고르지 못한 표면을 유지한다. 그러나 기존 소결공정의 경우에는 원래 표면상의 가는 홈 또는 리브(rib)가 사라지고, 그 결과 제 6 도에 도시한 바와 같은 대나무 구조(9)를 지닌 표면이 얻어진다. 제 5 도에는, 교차점에서의 높은 압력으로 인해 섬유가 더욱 견고하게 얽히고 서로 고정됨이 나타나 있다. 소결공정으로 더욱 일체화되어 그 결과 섬유와 섬유 사이 및 섬유와 와이어메시 사이가 매우 강하게 결합되므로 사실상 느슨하게 풀리는 것은 불가능해진다.
본 발명에 따른 다공성 적층물의 연속제조방법은 다음과 같다. 비교적 다공성인 금속섬유웹(11)을 금속와이어메시(2) 상에 위치시키고 롤러(12)를 이용하여 약한 사전압축처리를 한 후, 이 층구조물을 공급대(13)위에서 실제 일체화장치를 통과하도록 연속 이송한다(제 7도). 이 일체화장치는 필수적으로 금속압착롤러(14, 15) 시스템을 포함하며, 이들 간의 전위차는 전원 "E"에서 일어나 전류가 가늘고 좁은 영역인 롤러와의 접촉부분(16)에서 적층물의 이동방향에 수직인 적층물의 단면 상으로 흐르게 한다.
필요시, 전위차는 적층물의 특성에 따라 조절할 수 있다. 사실, 전류는 직류이든 교류이든 가열공정시 저항으로 작용하므로 그 결과 섬유는 접촉점에서 함께 소결된다.
그러나, 접촉시간이 비교적 짧기 때문에 매우 높은 압력을 필요로 한다. 이러한 높은 압력으로 인해 고도의 압축과 부분적인 평탄화, 접합영역(4)에서의 섬유 및 메시와이어 압축이 일어난다(제 5도 참조). 그 결과로 외부면 곳곳에 와이어(2)의 부분적으로 평평한 영역(8)이 생긴다. 실제로 넓은 면적에 매우 높은 압력이 가해지기 때문에 오븐에서의 기존 소결공정과 동일한 소결결합특성이 나타나는 것은 불가능하다. 또한 불연속공정이든 또는 연속공정이든지, 전형적인 소결처리 후 소결된 다공성 섬유구조를 압축하는 냉간압연으로 동일한 소결결합특성과 낮은 다공성을 얻는 것도 불가능하다. 이 냉간압연압력은 메시접합영역에서 다공성 웹의 구조를 압착시킬 수 있을 만큼 높아야 한다.
다발드로잉으로 수득한, 316L 형의 스테인레스강 섬유로 이루어지고 300 g/㎡ 또는 600 g/㎡ 중량을 가진 다수의 부직웹을 본 발명에 따라 0.5 mm 두께(즉, 와이어의 지름은 0.25 mm)의 다양한 제직와이어거즈(woven wire gauze)와 결합시켰다. 거즈 또는 망의 메시크기는 표 1 에 나타낸 바와 같이 상이했다. 각각 8, 12 및 22 미크론의 다양한 직경을 갖는 섬유를 또한 사용하였다.
적층물을 제 7 도 장치의 두 압축롤러(14, 15) 사이로, 예를들어 0.1 내지 5 m/min. 의 적절한 속도로 이동시켰다. 롤러 사이를 통과하는 적층물에 가해진 압력은 10 내지 30 N/㎟ 이었으며 장력이 가해져 40 mm 폭의 적층물에 대해 25,000 A 까지의 전류가 적층물 단면으로 흘렀다. 이 장치는 전류 파고(pick) 또는 단락(short circuiting) 현상을 방지하기 위해 전류조절장치를 갖추었다.
다음의 표 1 은 200 Pa의 압력 구배에서 기록한 평균공기투과율값(AP)을 보여준다. 각 경우에서 시험 단면은 0.62 ㎠ 의 표면적을 갖는다. 비교 실시예 13 에서는 유사한 적층물을 진공 오븐에서 통상의 방법(불연속)으로 소결시켰다(제 4 도 참조). 따라서 이 적층물은 상당히 두꺼워(0.82 mm) 실시예 3에 비해 공기투과율이 거의 4 배나 된다. 개구부의 크기(MFP - 평균유동개구부크기) 역시 나타내었다.
본 발명에 따른 적층물에서 와이어메시로부터 웹을 끊거나 느슨하게 풀어내는 것이 불가능함을 알게되었다. 반면 실시예 13 에서와 같은 전형적인 적층물에서는 가능하였다.
표 1 로부터 메시개구부의 크기와 웹중량이 동일할 경우 섬유직경이 증가함에 따라 공기투과율도 상당히 증가함을 알 수 있다. 반면, 메시개구부의 크기가 동일하고 웹중량이 증가할 경우, 공기투과율은 당연히 감소한다. 이 감소율의 절대값은 얇은 섬유의 경우 보다 두꺼운 섬유의 경우 더 크다. 마지막으로, 웹중량과 섬유직경이 일정할 경우, 메시크기가 감소함에 따라 공기투과율도 감소한다. 메시크기의 영향은 웹중량이나 섬유직경의 변화에 비해 비교적 그 중요성이 덜하다.
또한, 실시예 10으로부터, 웹중량이 작으면서 메시개구부가 비교적 클 경우 섬유간에 및 이웃하는 메시접합점과의 사이에 다리 형성이 불충분하게 이루어져 재생 가능한 여과특성을 제공하지 못함을 알 수 있다.
번들드로잉에 의해 수득한 섬유 대신, (예를들어 EP 제 319,959 호에 기술된 바와 같이) 깎아내거나 절삭에 의해 수득한 강모 또는 기타 금속섬유를 사용할 수도 있으며, 부직웹으로 제조된 후 적절한 메시구조와 결합될 수 있다. 이렇게 제조된 섬유와 웹에 대해서 예를들면 미국특허 제 3,505,038 호에 기술되어 있다. 용융금속으로 부터 적접 수득한 금속섬유(미국특허 제 3,845,805 호 또는 영국특허 제 1,455,705 호에 기술되어 있음) 또는 금속 산화물의 혼합물을 환원시켜 수득한 금속섬유(미국특허 제 3,671,228 호 및 제 4,312,670 호) 역시 사용가능하다. 또한 웹 형성은 미국특허 제 3,127,668 호에 기술된 방법 또는 그와 유사한 방법인 습식법으로 수행할 수 있다.
필요시 강목조직 역시 와이어메시로 이용할 수 있다. 메시와이어의 단면이 반드시 원형일 필요는 없다 : 예를들면 직사각형일 수도 있다. 특정한 경우에서,금속섬유웹은 웹의 양쪽면상에서 소결된 두 와이어메시 사이에 중심 여과층으로 삽입될 수 있다. 웹의 한쪽면상의 와이어메시는 반대쪽면상의 와이어(예를들면 직경이 0.2 mm) 보다 더 가는 와이어(예를들면 직경이 0.1 mm)로 이루어질 수 있다. 또한, 더 많은 섬유웹층이 예를들어 층마다 상이한 섬유직경의 와이어메시와 서로의 상단에서 소결될 수 있다. 웹중량은 100 g/㎡ - 4 kg/㎡ 으로 다양할 수 있다. 작은 메시를 갖는 편성망 또는 제직망은 필요시 엇갈리게 서로의 상단에 쌓일 수 있고 본 발명에 따른 방법으로 서로 소결될 수 있다.
이용한 금속섬유 합금이 다양한 스테인레스강으로 제한될 필요는 없다. 내식성, 내마모성 및/또는 고온에 내성을 지닌 금속섬유(예를 들면 FeCrAlloy합금으로 제조된 섬유) 외에 니켈, Inconel및 Hastelloy 섬유도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 적층물은 예를들어 여과재 같은 매우 넓은 범위의 용도를 가진다. 첫 번째 예로써, 이들을 에어백의 필터로 이용하는 것을 고려해 볼 수 있는데, 이 백은 일반적으로 일부 자동차의 조향축이나 계기판에 설치되어 정면 충돌시 탑승객과 핸들 또는 계기판 사이에서 쿠션 작용을 한다. 일반적으로, 소결된 금속웹필터는 종종이 에어백에 결합되어, 강한 충격이 탐지될 경우 신속히 백이 부풀어 오르도록 배출되는 급속 팽창가스를 여과시킨다. 이러한 섬유 필터는 당연히 요동 및 충격에 견딜 수 있어야 한다. 본 발명에 따른 촘촘한 필터 구조는 이러한 용도에 매우 적합하다.
일반적으로, 꽤 낮은 다공성의 비교적 얇은 필터 구조를 표면필터로 이용하기 위해 변형시킬 수 있다. 또한 졸-겔 현탁액(예를들면 ZrO2)이 이들 또는 다이아몬드형 코팅제 상단에 증착되어 미세여과 또는 초여과시 접선흐름(교차흐름) 또는 직교흐름["사점(dead end)" 흐름]을 나타내는 무기막필터로 사용될 수 있다.
FeCrAlloy 섬유와 같은, 고온에 내성인 섬유를 사용하게 되면, 본 발명에 따른 소결적층물은 예를들어 표면방열버너에 사용하는 편평막이나 관형 막 또는 디젤 배기가스로부터 그을음 입자를 거르는 재생가능한 필터로 사용할 수 있다.
섬유를 소결 전이나 소결 후 예를들면 촉매활성물질로 코팅하여 그 적층물을 촉매로 사용할 수 있다. 신화성 촉매로 이루어진 섬유상 코팅제는 그을음 입자를 쉽게 제거하고 저온에서 디젤 배기필터에 걸러질 수 있게 하는 우수한 후보 물질이다. 또한 니켈 또는 니켈 합금섬유를 포함하는, 본 발명에 따른 적층물은 전극으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 필터 시스템은 그 내부에 본 발명에 따른 하나 이상의 적층물 조합이 기타 여과재와 결합되거나 결합되지 않은 편평형 또는 관형으로 설치되도록 고안할 수 있다.

Claims (12)

  1. 압력하에 소결시켜 상호 교차된 와이어로 이루어진 금속와이어메시(2)에 결합시킨 금속섬유(5)의 부직웹(3)을 포함하는 다공성 소결적층물에 있어서, 메시접합부(4)의 영역내에서 금속섬유부직웹의 다공성이 이들 접합부간 메시개구부의 중심(6)에서의 다공성의 최대 40 %임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  2. 제 1 항에 있어서, 다공성이 최대 25 %임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  3. 제 2항에 있어서, 다공성 비율이 15 % 미만임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  4. 제 1 항에 있어서, 금속섬유(5)는 뚜렷한 불규칙 부분이나 가는 홈(10)을 갖는 고르지 못한 표면을 지님을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  5. 제 1 항에 있어서, 금속섬유(5)는 메시접합부(4)의 영역내에서 다소 평평한 횡단면을 지님을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  6. 제 1 항에 있어서, 금속섬유는 3×10-6내지 1.8×10-2㎟의 횡단면적을 가짐을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  7. 제 6 항에 있어서, 횡단면적이 1.2× 10-5내지 3×10-3㎟ 임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  8. 제 7 항에 있어서, 횡단면적은 5×10-5 내지 7.5×10-4 ㎟임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  9. 제 1 항에 있어서, 메시접합부(4) 영역내의 메시와이어가 웹에서 떨어져 있는 외부면 상에 평평한 영역(8)을 가짐을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  10. 제 1 항에 있어서, 메시(2)의 와이어가 재결정화 되지 않은 구조를 보임을 특징으로 하는 다공성 소결적층물.
  11. 제 1 항에 따른 다공성 소결적층물의 제조방법에 있어서, 금속와이어 메시(2)와 그 상부에 놓인 금속성유부직웹(11)을 상이한 전위의 회전압착롤러(14, 15) 사이로 연속적으로 통과시켜 ; 롤러와의 접촉부분(16)에서 적층물 단면으로 전류가 흐르게 함으로써 부직웹의 섬유(5)사이 및 부직웹의 섬유와 메시(2)사이를 소결시킴을 특징으로 하는 다공성 소결적층물 제조방법.
  12. 제 1 항의 다공성 소결적층물로 이루어진 여과재.
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