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KR100623362B1 - 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

금속 세라믹 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100623362B1
KR100623362B1 KR1020050053886A KR20050053886A KR100623362B1 KR 100623362 B1 KR100623362 B1 KR 100623362B1 KR 1020050053886 A KR1020050053886 A KR 1020050053886A KR 20050053886 A KR20050053886 A KR 20050053886A KR 100623362 B1 KR100623362 B1 KR 100623362B1
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Abstract

본 발명은 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 철분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로 하는 1종 이상 선택되는 금속 및 비철금속과 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 세라믹 분말, 점토, 조공제, 바인더, 및 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형한 후, 상기 성형된 성형물을 건조 및 소결하여 제조되는 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 효과 및 선택원료에 따라 다양한 기능성을 보유 할 수가 있다.
필터, 세라믹, 점토, 담지체, 금속 세라믹 필터, 금속분말, 비철금속 분말

Description

금속 세라믹 필터 및 그 제조방법 {METAL-CERAMIC FILTER AND ITS PRODUCING METHOD}
도 1은 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법에 사용되는 성형 틀의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 원형 튜브 금속 세라믹 필터의 사진이다.
도 3은 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 방사형 절곡 튜브 금속 세라믹 필터의 사진이다.
도 4는 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 여러 종류의 금속 세라믹 필터의 사진이다.
도 5는 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 상/하단 캡이 조립된 금속 세라믹 필터의 사진이다.
도 6은 본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 금속 세라믹 필터의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 길이가 확장된 형태의 금속 세라믹 필터를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속 세라믹 필터가 집진장치에 장착된 실시 예를 나타낸 사진이다.
본 발명은 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 취성, 기능성, 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 금속 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라 각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals : VOC 's)등의 유해물질의 폐해는 더욱 늘어나고 있는 실정이다. 따라서 이러한 공해물질의 방출을 막기 위하여 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성 및 난연성에 있어서 취약한 문제점이 있다. 즉, 폴리에스터의 경우 150℃에서 수축이 일어나며, 내열성이 우수한 PTFE(테프론)의 경우도 최고 250℃정도의 내열성밖에 가지지 못하며, 산업용 필터를 사용하는 공정의 분위기는 분진과 여러 종류의 폐가스, 수분이 동시에 발생되는 가혹한 환경이어서 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 폴리아마이드, 폴리이미드, 유리섬유 등 대부분의 고분자 소재의 부직포 필터는 필터 표면에 붙어 있던 분진을 제트 펄스 등의 방법으로 털어 내면 위에서 아래로 분진이 떨어지면서 분진에 의한 필터의 표면마모가 심각하여 필터를 파손하고 필터의 사용주기를 짧게 할 뿐 아니라 각 산업의 연소공정 중에 불꽃이 발생하여 필터에 붙게 되면 필터에 붙은 불꽃은 화재로 이어지거나, 필터에 구멍을 내며 쓰레기 소각로, 보일러, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전의 경우는 배기가스가 대기중에 노출될 위험이 있으므로 강화되는 환경규제에 역행하게 된다는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 금속 세라믹 필터의 개발이 이루어져 왔는데 금속 세라믹 필터는 고분자 필터에 비하여 내열성, 내화학성, 내마모성 등이 훨씬 우수한 특징이 있고, 특히, 내열성, 열전도성, 선태적 촉매의 우수한 담지능력, 뛰어난 내구성 등이 우수하여 배기 장치내에 냉각 장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 세라믹 섬유(Fiber)를 이용한 튜브 형태를 진공성형이나 압축성형해서 사용하는 것이 가장 보편적인 방법이었으며, 이는 여과 효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 제조되는 비용이 고가이고, 장시간 사용할 때 세라믹 섬유의 열화로 인해 필터의 내구성이 떨어져 여과 효율이 감소할 뿐만 아니라, 필터의 재생시 압축공기를 역분사하여 외벽의 분진을 털어 낼 때 세라믹 섬유가 파손되고, 이렇게 파손된 세라믹 섬유가 정상 운전시 배기가스 중에 포함되어 배출됨으로써 2차 공해를 발생시키는 문제가 있다.
또한 제조공정 측면에서, 진공성형 공정의 경우는 진공 쳄버 및 진공펌프의 제조에 많은 비용이 소요되며 진공 쳄버의 크기제한에 따라 제작할 수 있는 세라믹 필터의 크기에 제약을 받게 되고 진공성형에 따라 제조된 세라믹 필터의 크기 제한을 가지므로 대형 필터는 제조하지 못하는 문제가 있으며, 세라믹 소재의 사용에 따른 심한 마모로 일정 생산량마다 금형을 바꿔야하므로 높은 고정비로 생산단가가 높게 되는 문제점이 있다.
또한 상기 진공성형 방법 이외에도 압출성형, 프레스 성형, 정수압(hydrostatic pressure)성형 등의 압축성형 방법들이 개발되고 있으나 이 경우에도 제작시 금형제작이 필수적이며 가압장치를 구비해야 하므로 제작비용이 증가하고 제조가 용이하지 못할 뿐만 아니라 금형이 결정되면 제작형상의 변경이 용이하지 않고, 대형필터의 생산이 어려운 문제점을 가진다. 또한 상기 성형방식의 경우는 가압방식에 의한 성형이므로 기공도가 낮아 통기성이 떨어지며, 필터 통과시 압력손실을 증가시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 여러 성질을 가지고 있는 다양한 금속분말 및 비철금속 분말을 세라믹 분말과 습식 혼합하여 내구성, 내마모성 및 내열성이 우수하고, 기공도 조절범위를 상대적으로 넓게 가질 수 있으며 정전기방지, 선택적 배기가스 반응이 가능한 촉매의 담지 능력이 우수한 저중량 금속 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이한 금속 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일정 공간 내에서 형상변경을 통하여 필터의 여과면적을 극대화할 수 있어 집진 효율을 극대화시킬 수 있는 금속 세라믹 필터를 제 공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a)ⅰ) 철 분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 분말 및 비철금속 분말 25 내지 60 중량부;
ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부;
ⅲ) 점토 10 내지 40 중량부;
ⅳ) 조공제 5 내지 40 중량부;
ⅴ) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
ⅵ) 분산액 20 내지 60 중량부
를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계;
c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계; 및
d) 상기 c)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 금속 세라믹 필터를 제공한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 금속 세라믹 필터는 철 분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 분말 및 비철금속과 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말, 점토, 조공제, 바인더, 및 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형한 후, 상기 성형된 성형물을 건조 및 소결하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속 세라믹 필터 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
a) 슬러리 제조
본 단계는 ⅰ) 철 분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 분말 및 비철금속과 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부, ⅲ) 점토 10 내지 40 중량부, ⅳ) 조공제 5 내지 40 중량부, ⅴ) 바인더 1 내지 20 중량부, 및 ⅵ) 분산액 20 내지 60 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 금속 분말과 ⅱ)세라믹 분말은 소결후 금속 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로, 금속 세라믹 필터의 지지체 역할을 한다.
상기 세라믹 분말은 당업 계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 세라믹 분 말이 사용될 수 있다. 상기 금속 및 비철금속 분말은 철 분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 분말 및 비철금속과 세라믹 분말은 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O3·SiO2), 카올린(kaolin group, Al2O3·2SiO2·2H2O), 실리카(SiO2), 티타니아, 또는 규조토 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 구리분말, 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이다.
상기 금속 및 비철금속 분말과 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 금속 및 비철금속 분말과 세라믹 분말의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 금속 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 금속 및 비철금속 분말은 슬러리 조성물에 25 내지 60 중량부로 포함하는 것이 바람직하며 세라믹 분말은 슬러리 조성물에 25 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 금속 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 금속 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료는 소결 후 금속 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로 소결시 세라믹 입자간의 결합을 용이하게 하는 작용을 한다.
상기 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 특히 상기 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료가 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료를 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ)세라믹 원료의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 금속 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료는 슬러리 조성물에 25 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 ⅰ)금속 및 비철금속 ⅱ) 세라믹 원료를 각 10 내지 50 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 금속 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지시킬 수 있는 효과가 있으며, 동시에 다양한 기능성 및 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 금속 세라믹 필터의 내구성, 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅳ)의 조공제는 소결후의 금속 세라믹 필터의 기공을 형성하는 작용을 한다.
상기 조공제는 탄소, 활성탄, 목재분말, 톱밥, 소금, 나프탈렌, 또는 활석 등을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 조공제의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 금속 세라믹 필터의 적절한 크기의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 조공제는 소결과정에서 연소되어 없어져 금속 세라믹 필터의 기공을 형성하며, 그 함량은 슬러리 조성물에 5 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 금속 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅴ)의 바인더는 슬러리와 담지체의 결합을 이루는 작용을 한다.
상기 바인더는 통상의 유기바인더, 무기바인더, 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 무기바인더와 유기바인더의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO3)의 무기바인더 또는 MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특 히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 1 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리와 담지체를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅵ)의 분산액은 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산액은 슬러리 조성물에 20 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 담지체에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 금속 및 비철금속, 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 바인더는 분산액에 동시투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리투입하여 혼합할 수도 있다. 특히, 상기 성분의 혼합은 분산액에 금속 및 비철금속 분말, 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합)를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.
상기 혼합물의 혼합시간은 1 내지 4 시간 동안 실시되는 것이 좋다.
상기와 같이 혼합된 슬러리는 안정화를 위하여 적어도 1 시간 동안의 숙성을 시키면 더욱 좋다.
b) 담지
본 단계는 상기 a)단계에서 제조된 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 담지체는 제조하고자 하는 금속 세라믹 필터의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 담지체는 슬러리를 담지할 수 있는 다공성 구조인 것은 모두 사용 가능하며, 특히 부직포, 휄트, 직포, 또는 스폰지 등을 사용하는 것이 적용의 용이성을 위해 보다 바람직하다.
상기 부직포는 단섬유를 웹(web)상 또는 쉬트(sheet)상의 섬유 집합체를 기본으로 하여 접착제로 결합시키거나, 열가소성 섬유를 이용하여 섬유간 접착을 시키거나 니들 펀칭, 봉제 등으로 섬유를 얽히게 하여 만든 형태인 것으로, 특히 폴리에스테르, 아라미드(aramid), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide), 홈-아크릴(home-acrylic), 폴리이미드(polyimide), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 비스코스(biscose), 천연섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 또는 금속섬유 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 직포는 방적, 제직(制織), 면조(綿造) 등에 의하여 제조되는 것으로, 상기 슬러리의 담지를 위하여 느슨하게 직조되어 직포내에 슬러리 담지를 위한 충분한 기공을 포함하는 것이 바람직하다.
본 단계의 담지는 상기 슬러리를 담지체에 도포하거나 상기 슬러리에 담지체를 침지시키거나, 상기 슬러리를 담지체에 살포(스프레이)하는 방법을 사용할 수 있고, 상기 담지전에 담지체를 접착, 융착, 봉제, 자체결합 또는 성형 틀을 이용한 성형 등을 통하여 제조하고자 하는 금속 세라믹 필터 형태로 제조한 후, 슬러리를 담지하도록 할 수도 있다.
특히, 담지체에 충분한 금속 및 비철금속 분말, 세라믹 분말이 포함되고, 안착될 수 있도록 슬러리 용액에 담지체를 침지시키고 짜는 과정을 2~3 회 반복하여 실시하거나, 상기 슬러리를 담지체에 도포 또는 살포하고 짜는 과정을 2~3 회 반복하여 슬러리 용액이 담지체에 충분히 담지되도록 하는 것이 더욱 좋다.
상기 담지체를 일정한 크기로 제단하거나 성형한 후 슬러리에 담지시킬 경우에는 이후 건조단계를 바로 실시할 수 있으며, 담지체를 일정한 크기로 제단하거나 성형하지 않았을 경우에는 상기 목적에 맞는 형상으로 성형하는 단계를 추가로 실시하여 일정한 형태의 성형물을 제조할 수 있다.
상기 슬러리가 담지된 담지체는 목적에 따라 원하는 형태대로 다양하게 성형할 수 있음은 물론이며, 특히, 원형튜브, 방사형 절곡튜브, 또는 사각튜브 형태의 성형틀에 담지체를 밀착하여 결합시키고, 클램프 등으로 고정하여 원형튜브 형상, 방사형 튜브 형상, 또는 사각 튜브형상 등으로 성형할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같은 상기 방사형 절곡튜브 형상의 성형틀을 이용하여 방사형 절곡튜브형상의 금속 세라믹 필터를 제조하는 경우에는 원형 튜브가 적용되는 곳에 동일하게 적용이 가능하면서도 여과 면적을 최대화하여 필터링 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 성형 틀에 담지체를 밀착 결합하는 경우에 건조후 성형틀과 담지체의 분리를 용이하게 하기 위하여 담지체와 성형틀 사이에 탈형필름을 추가할 수 있다. 상기 탈형 필름에는 바람직하게는 고무, 우레탄 수지, 또는 에폭시 수지 등을 재질로 하는 수지 필름이나 크라프트지와 같은 종이필름을 사용할 수 있다.
c) 건조
본 단계는 상기 b)단계에서 제조한 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계이다. 이때, 건조는 안전한 소결과 소결준비과정 및 소결과정 중에 발생할 수 있는 성형물의 형상 변형을 방지하는 작용을 한다.
상기 건조는 자연건조, 열풍건조, 일광건조, 또는 응달건조 등의 방법을 이용하여 실시할 수 있으며, 특히 건조시간의 단축 및 성형물의 변형방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 실시하는 것이 바람직하다.
d) 소결
본 단계는 상기 c)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계이다.
상기 소결은 건조된 성형물의 성형틀을 제거하고 소결로에 넣은 후, 소결로의 온도를 소결온도까지 승온시켜 일정한 온도에서 소결시킬 수 있다.
또한 상기 소결은 도 5에 나타낸 바와 같이 제조하고자 하는 금속 세라믹 필터의 크기로 절단하여 필터의 몸체를 만드는 가공단계; 및 몸체 외경크기에 맞는 하부 캡과 턱 받침 날개가 있는 형태의 상부 캡을 담지체에 슬러리를 담지하여 건조하여 제작하고, 상기 상부 및 하부 캡을 세라믹 접착제로 조립하여 하부는 막히고, 상부는 날개 형태로 열린 형태로 조립하는 조립단계를 추가로 실시한 후, 소결시킬 수도 있다.
상기 소결은 슬러리의 성분 및 성분비에 따라 적정한 소결온도를 설정하여 소결을 진행할 수 있으며, 특히 상기 소결시 승온 중 발생할 수 있는 성형물 변형, 쪼그라듬, 및 파손을 방지할 수 있도록 상온~500℃까지는 0.5~3℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하며, 특히 150~450℃의 온도에서는 0.5~1℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 금속 및 비철금속 분말, 세라믹 분말의 조성에 따라 300~1,800 ℃의 소결온도까지 승온시켜 2~48 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 좋다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 최종 금속 세라믹 필터는 도 2 내지 5에 나타낸 바와 같이 다양한 형태로 제작이 가능하고, 도 6에 나타낸 바와같은 높은 기공도를 가진 구조로 제작할 수 있다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이 2 개 이상의 금속 세라믹 필터를 접착제로 접착하여 길이가 확장된 형태의 금속 세라믹 필터로도 사용할 수 있다. 이때, 금속 세라믹 필터의 사이에는 금속 세라믹 필터의 내주면보다 작은 크기의 파이프가 투입될 수 있다.
상기 접착제는 당업계에서 사용하는 통상의 접착제를 사용할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 금속 세라믹 접착제를 사용하는 것이다.
또한 본 발명의 금속 세라믹 필터는 금속 세라믹 필터의 기능성을 향상시키기 위하여 상기 (c)건조된 금속 세라믹 필터, 또는 (d)소결된 금속 세라믹 필터의 내부 또는 외부에 기능성 물질을 추가로 도포한 후, 건조하는 단계를 더욱 포함할 수 있고, 상기 기능성 물질의 도포는 상기 기능성 물질과 금속 세라믹 필터간에 적절한 결합이 이루어질 수 있는 공지의 다양한 코팅방법을 적용할 수 있음은 물론이며 특히, (d)소결후에 기능성 물질의 도포, 건조후에는 소결단계를 더 포함하도록 할 수 있다.
상기 기능성 물질은 제올라이트, 백금, 팔라듐, 로듐, 은, TiO2, 또는 ZnO 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 금속 세라믹 필터의 내부 또는 외부에 도포되는 기능성 물질은 금속 세라믹 필터의 내부 및 외부를 동일한 성분으로 코팅할 수도 있고, 내부와 외부의 성분을 달리하여 코팅할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 금속 세라믹 필터 제조방법은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기와 같이 제조된 금속 세라믹 필터를 제공하는 바, 본 발명의 금속 세라믹 필터는 도 8에 나타낸 바와 같이 각종 집진설비의 집진필터로 사용될 수 있고, 특히 소각로, 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스의 공기정화장인 촉매담체, 또는 공기청정기내의 광촉매 작용에 의한 휘발성 유기화합물(VOC 's) 제거장치 등에 사용될 수 있다. 또한 상기 금속 세라믹 필터는 그 적용분야에 따라 원형, 사각형, 또는 방사형 절곡 튜브 형상으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 구리(Cu) 40 중량부, 알루미나(Al2O3) 40 중량부, 점토 25 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 프리트(VA950, 덕림소재) 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 5 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 슬러리 용액을 제조하였다.
상기 제조한 슬러리 용액이 가로 1000 mm×세로 1500 mm×두께 8 mm 크기의 부직포에 충분히 담지되도록 도포하였다.
그 다음, PVC로 원형튜브 형태의 성형틀을 만들고, 상기 성형틀 표면에 탈형필름을 결합한 후, 상기 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형틀의 형태대로 감아 성형물을 제조하고, 30~90 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열풍건조하였다.
상기 조립 건조된 성형물에서 성형틀 및 탈형필름을 제거한 후, 상기 성형물을 전기로에 넣어 상온~150 ℃까지는 1 ~ 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150~450 ℃까지는 0.5~1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900~1,300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하였다.
상기와 같이 제조된 금속 세라믹 필터의 중량은 소결 실시 전과 후를 비교하여 10~80 % 감소하였으며, 1~25 % 정도의 수축이 발생했음을 확인할 수 있었다. 도 2는 상기 실시예 1에 따라 제조한 금속 세라믹 필터의 원형필터를 나타낸 사진이 다. 또한 도 6은 상기 실시예 1에 따라 제조한 금속 세라믹 필터를 주사전자현미경으로 찍은 사진이다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 알루미나를 대신하여 탄화규소(SiC)를 구리를 대신하여 알루미늄을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 금속 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 구리를 대신하여 철 30 중량부, 알루미나(Al2O3) 중량부를 대신하여 알루미나 25 중량부 및 탄화규소(SiC) 25 중량부를 함께 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 금속 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 원형튜브 형태의 성형틀을 대신하여 방사형 절곡 튜브 형태(도 1)의 성형틀을 이용하여 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 도 3에 나타낸 바와 같은 금속 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 원형튜브 형태의 성형틀을 대신하여 사각 튜브 형태의 성형틀을 이용하여 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 금속 세라믹 필터를 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 방사형 절곡 튜브 형태의 성형틀을 이용하여 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형한 후, 열풍건조시켰다.
그 다음, 상기 건조된 성형물을 절단하여 필터의 몸체를 만들고, 몸체 외경크기에 맞는 하부 캡과 턱 받침 날개가 있는 형태의 상부 캡을 부직포에 상기와 동일한 슬러리 용액으로 침전 또는 도포한 후, 건조하여 제조하였다. 이때, 상기 몸체와 상부, 하부 캡을 금속 세라믹 접착제로 조립하여 하부는 막히고, 상부는 날개 형태로 열린 형태로 조립 건조하였다.
이후, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 소결하여 금속 세라믹 필터를 제조하였다.
이상의 실시예 1 내지 6을 통하여 직경 100 mm 이상이고 길이 1 m 이상의 크기를 가지는 대형 금속 세라믹 필터를 제조할 수 있었으며, 60 % 이상의 높은 기공률을 가지고, 필터의 벽체 두께를 2∼3mm 정도로 줄일 수 있으며, 필터의 자체중량을 낮출 수 있으며, 필터의 강도 또한 높일 수 있고, 적어도 1000 ℃이상의 우수한 내열성을 가짐을 확인할 수 있었다.
실시예 7
상기 실시예 1에서 제조한 원형튜브 형태의 금속 세라믹 필터를 2 개 준비한 후, 접착제로 부착하여 길이가 확장된 금속 세라믹 필터를 제조하였다. 도 7은 상기 실시에 7에서 제조된 길이가 확장된 형태의 금속 세라믹 필터를 나타낸 사진이 다.
본 발명의 금속 세라믹 필터의 제조방법은 금속 세라믹 필터의 제작에 별도의 고가의 금형제작이 필요 없고 가압장치 또는 진공장치가 필요 없음에 따라 금속 세라믹 필터의 제작비용이 저렴하며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 형상변경이 용이하고, 소결로의 크기가 허용하는 한도내에서 대형필터의 생산이 가능하다. 또한 가압이나 진공 공정이 없으므로 기공도 조절범위를 상대적으로 넓게 가질 수 있고, 담지체의 밀도, 조공제의 크기 및 양에 따라 0.001~5 mm정도 범위에서 선택하여 적은 편차로 기공 크기조절하여 제작가능하고, 60 % 이상 높은 기공율을 성형 할 수 있고, 이에 따라 제조되는 금속 세라믹 필터는 저중량의 다공성 필터가 제조될 수 있다.
또한 본 발명은 형상 변경이 용이하며, 복잡한 형상의 제조가 용이하므로 일정 공간내에서 필터의 여과면적을 극대화할 수 있는 금속 세라믹 필터를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 금속 세라믹 필터는 내구성, 내마모성 및 내열성이 뛰어나 고온 고압하에서 사용이 가능하다.
또한 본 발명의 금속 세라믹 필터는 고온에서의 유체냉각을 통한 열교환기 장치가 필요하지 않으며, 60 %이상의 다공성 구조로 매우 가볍고 집진효율이 99.8 %이상이며, 기존 집진 필터보다 빠른 여과 속도로 집진이 가능하며 고온·고압에서도 필터의 기능 저하나 파손이 없고 불꽃 발생으로 인한 화재에서도 염려가 없으며, 금속 세라믹 필터의 벽체에 배기가스의 선택적 촉매의 담지가 가능하여 쓰레기 소각로, 화장터, 보일러, 시멘트 제조공정, 석탄 화력 발전소, 석탄가스화 복합 발전 설비 등에 용이하게 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. a) ⅰ) 철 분말, 알루미늄 분말, 구리 분말, 스텐레스 분말, 텅스텐 분말, 코발트 분말, 몰리브덴 분말, 니켈 분말, 은 분말, 베릴늄 분말 등으로부터 1 종 이상 선택되는 금속 분말 및 비철금속 분말 25 내지 60 중량부;
    ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부;
    ⅲ) 점토 10 내지 40 중량부;
    ⅳ) 조공제 5 내지 40 중량부;
    ⅴ) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
    ⅵ) 분산액 20 내지 60 중량부
    를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계;
    c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계; 및
    d) 상기 c)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계의 담지 전 또는 후에 슬러리가 담지된 담지체를 일정형태로 성 형하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계의 ⅰ)금속 및 비철금속 분말 중 구리, 철 등과 ⅱ)세라믹 분말이 알루미나, 탄화규소, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계의 ⅳ) 조공제가 탄소, 활성탄, 목재분말, 소금, 나프탈렌, 및 활석으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계의 ⅴ) 바인더가 프리트(frit), 및 탄산바륨(BaCO3)으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 무기바인더 또는 MAP(mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 유기바인더인 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계의 담지체가 상기 a)단계의 슬러리를 담지하는 여러 종류의 담지체인 부직포, 휄트, 직포, 또는 스폰지인 것을 성형, 건조, 가공, 조립, 소결 등을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부직포가 다공성 구조의 폴리에스테르, 아라미드, 폴리페닐렌설파이드, 홈-아크릴, 폴리이미드, PTFE, 비스코스, 천연섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 및 금속섬유로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계의 성형물이 원형튜브 형상, 방사형 절곡 튜브 형상, 또는 사각 튜브형상인 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계의 성형물이 성형틀에 탈형필름을 결합한 후 상기 b)단계의 담지체를 결합하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 c)단계의 건조가 적외선 건조하여 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 d)단계의 소결이 150~450 ℃의 온도에서는 0.5 내지 1 ℃/min의 속도로 상승시키는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계의 담지체가 상기 a)단계의 ⅱ)세라믹 분말 ⅲ)점토를 제외한 슬러리를 만들고 여러 종류의 담지체인 부직포, 휄트, 직포, 또는 스폰지인 것을 특징으로 성형, 건조, 소결하는 금속 세라믹 필터의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 세라믹 필터가 원형, 사각형, 또는 방사형 절곡 튜브 형상인 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터.
  15. 제13에 있어서,
    상기 금속 세라믹 필터가 소각로 또는 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 석탄가스화 시스템, 보일러 배기가스 후처리 시스템, 자동차 배기가스 촉매담체, 또는 휘발성 유기화합물 제거장치용인 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 필터.
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