KR101234445B1 - Ceramic filter composition for purifying exhaust gas and manufacturing method of ceramic honeycomb filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온 소성이 가능하고 저열팽창성의 우수한 내열충격성을 가지고 기공율을 향상시켜 배기가스에 포함된 입자상 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물 및 세라믹 하니컴 필터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition of a ceramic filter for exhaust gas purification and a method for manufacturing a ceramic honeycomb filter, which can be calcined at low temperature, has excellent thermal shock resistance with low thermal expansion, and improves porosity to effectively remove particulate matter contained in exhaust gas. .
Description
본 발명은 디젤 기관 등의 배기가스로부터 미립자를 제거하기 위한 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물 및 세라믹 하니컴 필터의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a composition of a ceramic filter for exhaust gas purification for removing particulates from exhaust gases such as a diesel engine and a method for producing a ceramic honeycomb filter.
근래에 배기가스 정화기술로서 다공성 세라믹 하니컴 필터가 많이 이용되고 있다.Recently, a porous ceramic honeycomb filter has been widely used as an exhaust gas purification technology.
코디어라이트 또는 순수한 실리콘카바이트 세라믹을 소결한 하니컴 구조체의 격벽을 다공질 구조로 하고 이러한 다공질의 격벽을 입자상물질 등을 포함한 배기가스등의 유체를 통과시키므로서 배기가스등에 포함된 미립자, 즉 입자상물질(particulate matter)를 포집(trap)하기 위한 각종 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)가 실용화 되어 있다.
Particles, namely particulate matter contained in the exhaust gas, are formed by forming a porous structure of a honeycomb structure sintered cordierite or pure silicon carbide ceramic and passing the fluid such as exhaust gas including particulate matter. Various filters (Diesel Particulate Filter, DPF) for trapping matter have been put to practical use.
이와 같은 세라믹 하니컴 필터에 있어서는 두 가지의 문제점이 대두되고 있다. 그 하나는 디젤엔진의 성능이 향상되어짐과 동시에 고온과 저온이 반복되는 가혹한 환경에서 배기가스 정화용 하니컴 필터의 열충격저항 및 고온내구성이 우수하며 동시에 저온에서 소성이 가능한 세라믹 하니컴 재료의 확보가 어렵다는 것이다. 다른 하나는 세라믹 하니컴의 격벽으로 구획된 유로의 한 단면을 밀봉하고 다른 단면을 개방하여 격벽을 통하여 배기가스를 통과시킴으로서 미립자를 포집하는데 있어서, 전술한 밀봉재를 이용하여 밀봉시킬 때 밀봉부분과 세라믹 하니컴 필터의 격벽과의 두께, 재질, 건조공정 및 열충격저항 등의 차이로 인하여 쉽게 크랙이 발생하거나, 디젤 차량의 운행 시에 이 부분의 접착 불안정으로 인한 탈락 등으로 미립자를 함유한 배기가스의 유출이 발생한다는 문제점이 있다.
Two problems arise in such a ceramic honeycomb filter. One of the problems is that it is difficult to secure ceramic honeycomb materials that can be fired at low temperatures with excellent thermal shock resistance and high temperature durability of the exhaust gas purification honeycomb filter in harsh environments where the performance of diesel engines is improved and high and low temperatures are repeated. The other is to collect the fine particles by sealing one end face of the flow path partitioned by the partition wall of the ceramic honeycomb and opening the other end face and passing the exhaust gas through the partition wall. Due to the difference in thickness, material, drying process and thermal shock resistance, etc., with the bulkhead of the filter, it is easy to cause cracks or the exhaust gas containing particulates due to dropping due to adhesion instability of this part during the operation of diesel vehicles. There is a problem that occurs.
예를 들어, 대한민국 특허공개 제10-2003-0088047호에는 다공질의 탄화규소 분말을 혼합·혼련하고 압출, 건조하여 상압 2200℃의 아르곤 분위기에서 소성하여 탄화규소 소결체로 이루어진 여러 개의 하니컴 필터를 무기섬유, 무기바인더, 유기바인더 및 무기입자로 이루어진 봉합재를 사용하여 입체적으로 접착하여 하나의 세라믹 하니컴 유닛으로 구성함으로써 디젤기관에서 발생하는 급격한 열충격 저항을 감소시켜 내구성을 증대시키고 또한 순수한 탄화규소 하니컴 필터를 사용함으로써, 열전도율을 향상시켜 필터의 재생을 쉽게 하도록 하였다. For example, Korean Patent Publication No. 10-2003-0088047 discloses a plurality of honeycomb filters made of silicon carbide sintered body by mixing, kneading, extruding and drying porous silicon carbide powder and firing in an argon atmosphere at a normal pressure of 2200 ° C. By using a sealing material composed of inorganic binder, organic binder, and inorganic particles to form a single ceramic honeycomb unit by three-dimensionally bonding to reduce the rapid thermal shock resistance generated in diesel engines to increase durability and to obtain a pure silicon carbide honeycomb filter By using this, the thermal conductivity was improved to facilitate the regeneration of the filter.
그러나 세라믹 하니컴을 소성하기 위하여 2200℃라고 하는 고온 소성을 위하여 특별한 열처리 장치가 필요하게 되며, 대단히 많은 열에너지를 필요로 하는 고에너지 공정일 뿐만이 아니라, 필터의 열충격 저항을 감소시키기 위하여 하나의 필터를 여러 개의 유닛으로 구획하고 이를 접착하기 위하여 봉합재를 제조하고 상기 봉합재를 접착재로 하여 각각의 필터를 접착하는 새로운 공정을 포함시켜 원가 및 생산성을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 봉합재 층의 가스 누출을 방지하기 위하여 필터의 외주 면에 요철방지층을 형성시키는 등, 제조상의 불필요한 중복을 발생시켜 원가의 복합적인 상승요인이 되고 있다. 이러한 근본적인 원인은 열전도성 과 내구성을 목적으로 한 탄화규소(SiC) 원료를 채택하였기 때문에 일반적으로 탄화규소 세라믹스가 가지고 있는 열팽창계수가 4.2×10-6K-1로 그렇게 작지 않기 때문에, 재질에 가해지는 열응력이나 열충격에 의해 균열이 발생되어 부분적으로 파손을 일으킬 수 있다는 점이다.
However, in order to fire the ceramic honeycomb, a special heat treatment device is required for high temperature firing at 2200 ° C., and not only is a high energy process requiring a lot of thermal energy, but also a single filter is used to reduce the thermal shock resistance of the filter. A new process of manufacturing a sealant to separate and bond the unit into two units and bonding the respective filters using the sealant as an adhesive not only reduces cost and productivity, but also prevents gas leakage of the encapsulant layer. For this reason, unnecessary overlap in manufacturing is generated, such as forming an uneven | corrugated prevention layer in the outer peripheral surface of a filter, and it has become a complex increase factor of a cost. This root cause is due to the adoption of silicon carbide (SiC) raw materials for the purpose of thermal conductivity and durability, so that the thermal expansion coefficient of silicon carbide ceramics is not so small as 4.2 × 10 -6 K -1 . This is because cracking can occur due to thermal stress or thermal shock, which can cause partial damage.
또한, 대한민국 특허공개 제10-2008-0060221호에서는, 벌집형 세라믹 입자포집 여과담체의 제조 방법으로서, 탄화규소 1, 점토 0.05~0.5, 면분 0.1~0.35, 엔진오일 0.025~0.05, 물 0.2~0.35을 혼합하여 페이스트를 만들고, 4~62cell/㎠의 셀 밀도를 가지는 벌집형 담체를 형성하도록 염료와 함께 상기 페이스트를 압출 성형한 다음, 상온 하에서 건조하고, 상기 벌집형 담체의 말단 면에서 셀을 번갈아 밀폐하여 그린 세라믹 벽 유동형 입자포집 여과담체를 형성하고, 단계적으로 소성하여1250~1350℃에서 0.5~12시간 동안 유지시켜 소결된 벌집형 입자포집 여과 담체를 제조하고, 이를 탄화규소 1, 점토 0.2~1 및 물유리 0.06~0.35로 구성된 점착제로 상기한 여과 담체를 여러 개 부착하여 만들어진 벌집형 세라믹 입자포집 여과담체의 제조방법이 소개되고 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-2008-0060221 discloses a method for producing a honeycomb ceramic particle collecting filter carrier, including silicon carbide 1, clay 0.05 to 0.5, cotton powder 0.1 to 0.35, engine oil 0.025 to 0.05, water 0.2 to 0.35 To form a paste, extruding the paste with a dye to form a honeycomb carrier having a cell density of 4 to 62 cells /
탄화규소의 무기점결제로서 점토를 사용하여 2200℃ 이상인 탄화규소의 소결온도를 1250~1350℃로 저하시켜 고온 소결의 난제를 해결하였던 점을 감안할 수 있으나, 1250~1350℃라고 하는 것은 점토의 소결 온도임을 감안할 때, 상기 특허로 만들어진 벌집형 세라믹 입자 포집 여과담체의 열팽창계수 또한 점토의 그것과 유사할 수밖에 없으므로, 자동차 운행의 특성상, 저온에서 고온으로 엔진 온도가 급격하게 변화하는 배기가스 온도가 반복되어질 경우, 상기 벌집형 세라믹 입자 포집 여과담체의 내구성을 장기간 보장할 수 없게 될 가능성이 있다.
As an inorganic binder of silicon carbide, the sintering temperature of silicon carbide of 2200 ° C or higher was lowered to 1250 ~ 1350 ° C by using clay, and the problem of high temperature sintering was solved. However, 1250 ~ 1350 ° C is referred to as clay sintering temperature. Considering that the coefficient of thermal expansion of the honeycomb-type ceramic particle collecting filter carrier made by the patent is also similar to that of clay, the exhaust gas temperature is rapidly changed from low to high temperature due to the characteristics of the vehicle operation. In this case, there is a possibility that the durability of the honeycomb ceramic particle collecting filter carrier cannot be guaranteed for a long time.
또한, 세라믹 격벽으로 형성된 유로층의 한 단부에 밀봉부를 형성시키기 위한 방법으로 대한민국 특허공개 제10-2006-0093106호에서는 다공질 격벽을 가진 세라믹 하니컴 소성체 및 밀봉재의 제조방법으로, 코디어라이트를 주성분으로 하는 하니컴 필터를 1425℃에서 소성하여 얻은 하니컴 소성체에 밀봉재의 조성에 있어서 용융실리카 100중량부에 콜로이달 실리카 1~40 중량부, 코오디라이트 100중량부에 콜로이달 실리카 1~40 중량부를 혼합하고 여기에 유기바인더로서 1.2질량부의 메틸셀룰로오스 및 물을 첨가하여 세라믹 슬러리를 밀봉할 수 있는 슬러리를 얻은 후 세라믹 하나컴 소성체를 상기 슬러리에 침지하여 밀봉부를 형성함으로서, 코디어라이트 100 중량부와 미소성 코디어라이트 분말 50 중량부 또는 미소성 코디어라이트 100 중량부의 비교예 1~3과 비교하여 열충격저항을 비교하였다. 그러나 밀봉부 형성 방법에 있어서 상기 세라믹 입자와 콜로이드상 산화물로 이루어진 비정질 산화물 매트릭스는 1000℃이하의 저온에서 소성되어 지는 장점이 있는 것은 사실이나, 미소성 코디어라이트로 대표되는 조성물로 이루어진 밀봉재에 비하여 600℃이상에서는 열충격저항이 떨어지는 문제점이 있다.
In addition, as a method for forming a seal at one end of a flow path layer formed of a ceramic partition wall, Korean Patent Publication No. 10-2006-0093106 discloses a method for manufacturing a ceramic honeycomb fired body and a sealing material having a porous partition wall, wherein cordierite is a main component. 1 to 40 parts by weight of colloidal silica and 100 parts by weight of colloidal silica to 100 parts by weight of molten silica in the honeycomb fired body obtained by calcining the honeycomb filter to be fired at 1425 ° C. in the composition of the sealing material. 100 parts by weight of cordierite by mixing and adding 1.2 parts by weight of methyl cellulose and water as organic binders to obtain a slurry capable of sealing the ceramic slurry, and then immersing the ceramic Hancomb fired body in the slurry to form a seal. And Comparative Examples 1 to 3 of 50 parts by weight of unfired cordierite powder or 100 parts by weight of unfired cordierite T was compared to the thermal shock resistance. However, in the method of forming a seal, the amorphous oxide matrix composed of the ceramic particles and the colloidal oxide has the advantage of being fired at a low temperature of 1000 ° C. or lower, but compared with the sealant composed of a composition represented by unbaked cordierite. Above 600 ° C, there is a problem that the thermal shock resistance falls.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 저온 소성이 가능하고 저열팽창성의 우수한 내열충격성을 가지고 기공율을 향상시켜 배기가스에 포함된 입자상 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물을 제공함을 목적으로 한다.The present invention for solving the above problems is to provide a composition of the exhaust gas purification ceramic filter capable of low-temperature firing and excellent thermal shock resistance of low thermal expansion and improve the porosity to effectively remove particulate matter contained in the exhaust gas. The purpose.
또한, 본 발명은 저온 소성이 가능하고 저열팽창성의 우수한 내열충격성을 가지고 기공율을 향상시켜 배기가스에 포함된 입자상 물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 나아가 열응력이나 열충격에 의해 균일이 발생되어 밀봉부가 부분적을 파손되는 것을 방지할 수 있고, 성형이 용이하여 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 배기가스 정화용 세라믹 하니컴 필터의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
In addition, the present invention is capable of low-temperature firing, has excellent thermal shock resistance of low thermal expansion, improves the porosity to effectively remove particulate matter contained in the exhaust gas, furthermore, uniformity is generated by thermal stress or thermal shock to partially seal the sealing portion. It is an object of the present invention to provide a method for producing a ceramic honeycomb filter for exhaust gas purification, which can prevent the damage of the scavenger and greatly improve the productivity.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
코디어라이트를 주성분으로 하며, 무연탄 석탄회 및 금속산화물을 보조성분으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물을 제공한다.Provided is a composition of a ceramic filter for exhaust gas purification, comprising cordierite as a main component and comprising anthracite coal ash and a metal oxide as auxiliary components.
상기 무연탄 석탄회는 코디어라이트 100중량부에 대해 3~40중량부가 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~30중량부가 포함된다.The anthracite coal ash preferably contains 3 to 40 parts by weight, more preferably 10 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of cordierite.
그리고 상기 금속산화물은 코디어라이트 100중량부에 대해 0.1~5중량부가 포함되는 것이 좋다.And the metal oxide is preferably included 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of cordierite.
상기 금속산화물은 Al2O3, SiO2, MgO, BaO, TiO2, ZrO2, Fe2O3 및 알루미노 실리케이트, 점토, 벤토나이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상이 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하다.
The metal oxide is made of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, BaO, TiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 and one or two or more selected from the group consisting of aluminosilicate, clay and bentonite are mixed. desirable.
아울러 본 발명은,In addition, the present invention,
a) 코디어라이트를 주성분으로 하며, 무연탄 석탄회 및 금속산화물을 보조성분으로 포함한 세라믹 조성물에 물을 혼합하여 이루어진 세라믹 페이스트를 복수의 셀을 가진 하니컴 형태의 준소성 바디로 성형하는 단계와;a) forming a ceramic paste made of a honeycomb-like semi-plastic body having a plurality of cells by mixing water with a ceramic composition containing cordierite as a main component and anthracite coal ash and metal oxide as auxiliary components;
b) 코디어라이트를 주성분으로 하며, 무연탄 석탄회 및 금속산화물을 보조성분으로 포함한 세라믹 조성물에 물을 혼합하여 밀봉재 슬러리를 얻는 단계와;b) mixing water with a ceramic composition containing cordierite as a main component and anthracite coal ash and metal oxide as auxiliary components to obtain a sealant slurry;
c) 상기 준소성 바디의 셀을 상기 밀봉재 슬러리를 이용하여 밀봉하는 단계와;c) sealing the cells of the semi-baked body using the sealant slurry;
d) 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 건조 및 소성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 하니컴 필터의 제조방법을 제공한다.d) drying and firing the semi-baked body sealed by the sealing material slurry; provides a method for manufacturing a ceramic honeycomb filter for exhaust gas purification, comprising: a.
상기 a) 단계 및 b) 단계에서 무연탄 석탄회는 코디어라이트 100중량부에 대해 3~40중량부가 포함되고, 금속산화물은 코디어라이트 100중량부에 대해 0.1~5중량부가 포함되는 것이 바람직하다.The anthracite coal ash in the steps a) and b) is 3 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of cordierite, the metal oxide is preferably included 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of cordierite.
특히, 상기 a) 단계에서 상기 세라믹 조성물은 코디어라이트 100중량부에 무연탄 석탄회 3~40중량부, 금속산화물 0.1~5중량부를 포함하여 이루어지고, 상기 세라믹 조성물 100중량부에 물 20~30중량부를 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.In particular, in the step a), the ceramic composition comprises 3 to 40 parts by weight of anthracite coal ash and 0.1 to 5 parts by weight of metal oxide, in 100 parts by weight of cordierite, and 20 to 30 parts by weight of water in 100 parts by weight of the ceramic composition. It is preferable to form by mixing a part.
그리고 상기 b) 단계에서 상기 세라믹 조성물은 코디어라이트 100중량부에 무연탄 석탄회 3~40중량부, 금속산화물 0.1~5중량부를 포함하여 이루어지고, 상기 세라믹 조성물 100중량부에 물 40~80중량부를 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.And in the step b) the ceramic composition comprises 3 to 40 parts by weight of anthracite coal ash, 0.1 to 5 parts by weight of metal oxide, 100 parts by weight of cordierite, 40 to 80 parts by weight of water to 100 parts by weight of the ceramic composition It is preferable to carry out mixing.
상기 d) 단계는 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 1000~1200℃에서 소성하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 1200~1400℃에 이르기까지 0.5~2.0℃/min의 속도로 승온시키는 것이 좋다.
In the step d), the semi-baked body sealed by the sealing material slurry is preferably baked at 1000 to 1200 ° C, and more preferably 0.5 to 1200 to 1400 ° C. by sealing the semi-baked body sealed by the sealing material slurry. It is good to heat up at a rate of -2.0 degreeC / min.
이하 본 발명의 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물 및 세라믹 하니컴 필터의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the composition of the ceramic filter for exhaust gas purification and the manufacturing method of the ceramic honeycomb filter of the present invention will be described in detail.
먼저, 본 발명의 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물은 코디어라이트를 주성분으로 하며, 무연탄 석탄회 및 금속산화물을 보조성분으로 포함하여 이루어진다. 즉 본 발명의 세라믹 필터의 조성물은 저열팽창성의 가진 코디어라이트를 주성분으로 하고, 고온내화 특성을 지닌 무연탄 석탄회와, 무기 증점제인 금속산화물을 보조성분으로 첨가하는 것을 특징으로 한다.First, the composition of the ceramic filter for exhaust gas purification of the present invention has a cordierite as a main component, and comprises anthracite coal ash and a metal oxide as auxiliary components. That is, the composition of the ceramic filter of the present invention is characterized in that the cordierite having a low thermal expansion property as a main component, anthracite coal ash having a high temperature refractory properties, and a metal oxide as an inorganic thickener as an auxiliary component.
상기 무연탄 석탄회는 표 1과 같이 유연탄 석탄회와 비교하여 Al2O3 함량이 32~33 wt%로 높고, 특히 미연탄소의 함유량이 13wt% 이상으로 비교적 높은 값을 나타낸다. The anthracite coal ash has a high Al 2 O 3 content of 32 to 33 wt%, particularly unburned carbon content of 13 wt% or more, compared to bituminous coal ash as shown in Table 1.
또한 고온 소성시 무연탄 석탄회 및 유연탄 석탄회의 결정구조의 변화를 나타내는 도 1의 X선 회절 분석 결과(A: 무연탄 석탄화, B: 유연탄 석탄회)와 같이, 열처리 온도가 상승함에 따라 뮬라이트(mullite)의 회절 피크 강도는 상승하고, 석영의 회절 피크 강도는 감소하는 경향을 보이고 있다. 1300℃에서 열처리 한 시료의 경우에는 석영의 X선 피크는 거의 사라지고, 뮬라이트의 X선 회절 피크만 관찰되어 열처리 온도의 증가에 따라 석탄회 중의 SiO2 성분은 Al2O3 성분과 반응하여 뮬라이트를 형성하고, 이 때문에 무연탄 석탄회는 1300℃ 이상의 고온에서 높은 내화도를 보인다. 따라서 무연탄 석탄회는 고온특성이 우수한 재료이며 세라믹 하니컴 필터의 보조 원료로써 자원 재활용 및 제조 코스트의 다운과 같은 경제적인 목적도 함께 달성할 수 있는 유용한 재료라고 할 수 있다.In addition, as shown in the X-ray diffraction analysis results of FIG. 1 (A: anthracite coalification and B: bituminous coal ash) showing the change in crystal structure of anthracite coal ash and bituminous coal ash at high temperature firing, as the heat treatment temperature increases, The diffraction peak intensity increases, and the diffraction peak intensity of the quartz tends to decrease. In the case of the sample heat-treated at 1300 ° C., the X-ray peak of quartz was almost disappeared, and only the X-ray diffraction peak of mullite was observed. As the heat treatment temperature increases, SiO 2 component in coal ash reacts with Al 2 O 3 component to form mullite. For this reason, the anthracite coal ash shows high fire resistance at high temperature of 1300 degreeC or more. Therefore, anthracite coal ash is a material having excellent high temperature characteristics and is a useful material that can achieve economical purposes such as resource recycling and a reduction in manufacturing cost as an auxiliary raw material of ceramic honeycomb filters.
상기 무연탄 석탄회는 1300℃이상의 온도에서 뮬라이트를 형성하는 것으로 고온특성을 증가하는 이점 외에, 전술한 바와 같이 미연탄소가 유연탄 석탄회 보다 6~7배 높은 13wt% 이상을 포함하고 있기 때문에, 이는 세라믹 하니컴 필터의 소성 시에 미세 공극으로 형성되어짐으로서 기공율을 증가시키는 효과와 미연탄소가 발열에너지로 작용하여 소성 온도를 낮출 수 있는 2차적인 효과가 부가되어 진다.The anthracite coal ash, in addition to the advantage of increasing the high temperature characteristics by forming a mullite at a temperature of 1300 ℃ or more, as described above, because the unburned carbon contains 13wt% or more 6 ~ 7 times higher than bituminous coal ash, it is a ceramic honeycomb filter As the micro voids are formed during firing, the secondary effect of increasing porosity and unburned carbon acts as exothermic energy and lowers the firing temperature.
상기 무연탄 석탄회는 코디어라이트 100중량부에 3~40중량부가 적당하며, 3중량부 미만으로 첨가하면 무연탄 석탄회의 고온특성, 자원활용 및 기공율 향상, 압출 특성의 개선 등의 효과가 미약하고, 40중량부 초과로 첨가하면 성형 원료의 가소성을 저하시켜 압출하기 어려워질 뿐 아니라, 수축율이 증가하게 되어 불리하다. 특히 기공율 및 성형성을 더욱 향상시키기 위해 무연탄 석탄회를 코디어라이트 100중량부에 대해 10~20중량부를 혼합하는 것이 더욱 바람직하다.The anthracite coal ash is suitable for 3 to 40 parts by weight to 100 parts by weight of cordierite, and when added to less than 3 parts by weight, the effects of high temperature characteristics of anthracite coal ash, resource utilization and porosity improvement, and improvement of extrusion characteristics are weak. When the amount is added in an amount greater than the weight part, the plasticity of the molding raw material is lowered, making it difficult to extrude, and the shrinkage rate is increased, which is disadvantageous. In particular, in order to further improve porosity and formability, it is more preferable to mix 10-20 parts by weight of anthracite coal ash based on 100 parts by weight of cordierite.
그리고 금속산화물은 그린바디의 압출성형시 가소성을 증진시키기 위한 것이다. 금속산화물은 Al2O3, SiO2, MgO, BaO, TiO2, ZrO2, Fe2O3 및 알루미노 실리케이트, 점토, 벤토나이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 특히 금속산화물은 코디어라이트 100중량부에 대해 0.1~5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 0.1중량부 미만으로 혼합되는 경우 무기 증점제의 첨가효과가 나타나지 않으며, 5중량부 초과로 혼합되는 경우 오히려 혼합원료의 그린바디 압출성형 시 가소성을 저하시키는 문제가 있기 때문이다.
The metal oxide is intended to enhance plasticity during extrusion of the green body. The metal oxide may be used in combination with any one or two or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, BaO, TiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3, and aluminosilicate, clay, and bentonite. In particular, the metal oxide is preferably mixed 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of cordierite. If the amount is less than 0.1 parts by weight, the addition of inorganic thickeners does not appear, and when mixed with more than 5 parts by weight, there is a problem of lowering plasticity during green body extrusion of the mixed raw materials.
이와 같은 배기가스용 정화용 세라믹 필터의 조성물(이하 '세라믹 조성물'이라 함)을 이용하여 세라믹 하니컴 필터를 제조한다.A ceramic honeycomb filter is manufactured using such a composition (hereinafter, referred to as a "ceramic composition") of the purification ceramic filter for exhaust gas.
즉, 코디어라이트, 무연탄 석탄회 및 금속산화물을 포함하여 이루어진 세라믹 조성물을 이용하여 복수의 셀을 가진 하니컴 형태의 준소성바디와 밀봉재 슬러리를 제조하고, 상기 준소성바디의 셀을 상기 밀봉재 슬러리로 밀봉시킨 후 건조 및 소성시켜 세라믹 하니컴 필터를 제조한다.That is, using a ceramic composition comprising cordierite, anthracite coal ash, and a metal oxide, a honeycomb-like semi-plastic body and a sealing material slurry having a plurality of cells are prepared, and the cells of the semi-plastic body are sealed with the sealing material slurry. After drying and firing to prepare a ceramic honeycomb filter.
먼저 준소성 바디는 상기 세라믹 조성물에 요변성 증점제, 윤활제, 소포제, 분산제 및 물을 함께 혼합 및 혼련하여 세라믹 페이스트를 만들고, 상기 세라믹 페이스트를 진공압출기를 통하여 복수의 셀을 가진 하니컴 형태의 그린바디로 성형한 후 건조 및 준소성하여 제조된다.First, the semi-plastic body is made of ceramic paste by mixing and kneading the thixotropic thickener, lubricant, antifoaming agent, dispersant, and water together in the ceramic composition, and the ceramic paste is a honeycomb-shaped green body having a plurality of cells through a vacuum extruder. After molding, it is dried and semi-baked.
이때 무연탄 석탄회는 탈철, 채가름 등 전처리 과정을 거치는 것이 좋다.At this time, the anthracite coal ash may be subjected to a pretreatment process such as iron removal and powdering.
코디어라이트, 무연탄 석탄회 및 금속산화물이 혼합되어 이루어진 상기 세라믹 조성물을 건식 볼밀링한 후 요변성 증점제 및 물과 함께 혼합 및 혼련한다. 상기 요변성 증점제로서는 메틸셀룰로오스, 폴리아크릴계 수지 및 폴리에스테르계 수지 등이 있다.The ceramic composition consisting of a mixture of cordierite, anthracite coal ash and a metal oxide is dry ball milled and then mixed and kneaded with a thixotropic thickener and water. The thixotropic thickener includes methyl cellulose, polyacrylic resin, polyester resin and the like.
이때 상기 세라믹 조성물 100중량부에 대해 요변성 증점제 1~10중량부, 및 물 20~30중량부를 혼합하는 것이 좋다. 요변성 증점제가 1중량부 미만으로 혼합되는 경우 요변성 증점제의 첨가효과가 나타나지 않으며, 10중량부 초과로 혼합되는 경우 오히려 혼합원료의 압출 성형 시 그린바디의 강도를 저하시키는 문제가 있기 때문이다.At this time, it is preferable to mix 1 to 10 parts by weight of thixotropic thickener and 20 to 30 parts by weight of water based on 100 parts by weight of the ceramic composition. If the thixotropic thickener is mixed in less than 1 part by weight, the thixotropic thickener does not appear to have an additive effect. If the thixotropic thickener is mixed in excess of 10 parts by weight, the strength of the green body may be lowered during extrusion of the mixed raw material.
상기 세라믹 페이스트는 일정한 균질화를 위하여 숙성기간을 경과한 후 진공 압출기를 통하여 복수의 셀을 가진 하니컴 형태의 그린바디로 성형한다. 상기 세라믹 페이스트를 압출기를 통해 그린바디로 성형한 후 자연건조 및 열풍건조시키고 준소성시켜 준소성 바디를 제조한다. 자연건조는 대기 중에서 12시간 이상 방치하는 것이며, 열풍건조는 50~80℃에서 6~12시간이면 완료되어 질 수 있다. 열풍건조된 그린바디를 전기로 등에서 산화성 분위기 또는 불활성 가스의 존재와 같은 환원성 분위기에서 1000~1200℃의 온도에서 30분 이상 유지시켜 준소성 바디를 만든다.The ceramic paste is formed into a honeycomb-shaped green body having a plurality of cells through a vacuum extruder after a aging period for a uniform homogenization. The ceramic paste is molded into a green body through an extruder, followed by natural drying, hot air drying, and semi-firing to produce a semi-fired body. Natural drying is to be left in the atmosphere for more than 12 hours, hot air drying can be completed in 6 to 12 hours at 50 ~ 80 ℃. The hot-air dried green body is maintained in a oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere such as the presence of an inert gas in an electric furnace or the like at a temperature of 1000 to 1200 ° C. for at least 30 minutes to make a semi-plastic body.
상기 그린바디를 준소성시키는 이유는 그린바디를 준소성시키지 않을 경우 요변성 증점제의 증점 효과 및 건조로 인한 그린바디 강도가 밀봉재 슬러리의 수분에 의해 격벽에 흡수되어 그린바디의 변형을 가져오게 되고, 재 건조시에 그린바디의 형태가 변형되거나 변형된 부분에서 크랙이 발생되기 때문이다. 준소성 온도는 1000~1200℃의 온도가 바람직하고, 1000℃보다 낮을 경우 세라믹 하니컴 필터의 강도가 약하여 작업성이 떨어지며, 1200℃의 온도보다 높을 경우 불필요한 열에너지를 소모하기 때문이다.
The reason why the green body is semi-baked is that if the green body is not semi-baked, the thickening effect of the thixotropic thickener and the strength of the green body due to drying are absorbed into the partition wall by the moisture of the sealing material slurry, resulting in deformation of the green body. This is because cracks are generated in the deformed or deformed parts of the green body during redrying. The quasi-fired temperature is preferably 1000 to 1200 ° C., and lower than 1000 ° C., the ceramic honeycomb filter is weak in workability, and higher than 1200 ° C. consumes unnecessary thermal energy.
그리고 상기 밀봉재 슬러리는 상기 준소성 바디의 복수의 셀 중 일부분의 셀을 밀봉하기 위한 것으로서, 상기 준소성바디와 동일한 재료로 구성된다. 이는 상기 준소성 바디와 밀봉부의 열팽창계수를 같게 할 수 있어서 상기 밀봉부와 상기 준소성 바디와의 열팽창계수의 차이를 최소화할 수 있기 때문이다.The sealing material slurry is for sealing a cell of a part of a plurality of cells of the semi-baked body, and is made of the same material as the semi-baked body. This is because the thermal expansion coefficient of the semi-plastic body and the sealing part can be the same, so that the difference in the thermal expansion coefficient between the sealing part and the semi-plastic body can be minimized.
따라서 상기 밀봉재 슬러리는 코디어라이트를 주성분으로 하고, 무연탄 석탄회 및 금속산화물이 보조성분으로 포함된 세라믹 조성물에 요변성 증점제, 소포제, 분산제 및 물을 혼합하여 만든다. 이때 코디어라이트 100중량부에 요변성 증점제 1~10중량부 및 물 40~80중량부를 혼합하는 것이 좋다. 그리고 밀봉재 슬러리에 분산제, 습윤제 및 소포제가 소량 혼합되는 것이 좋다.Therefore, the sealant slurry is made by mixing a thixotropic thickener, an antifoaming agent, a dispersant, and water in a ceramic composition including cordierite as a main component and anthracite coal ash and metal oxide as auxiliary components. At this time, 1 to 10 parts by weight of thixotropic thickener and 40 to 80 parts by weight of water are preferably mixed with 100 parts by weight of cordierite. And a small amount of dispersant, wetting agent and defoamer are mixed in the sealing material slurry.
물이 40~80중량부 혼합시 밀봉 작업하기에 적정한 슬러리의 점도를 가진다.It has a viscosity of slurry suitable for sealing operation when 40 to 80 parts by weight of water is mixed.
그리고 상기 요변성 증점제로서 메틸셀룰로오스, 폴리아크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지 등이 사용될 수 있고, 특히 이 중 작업성 면에서 플리아크릴계 수지 또는 폴리에스테르계 수지를 사용하는 것이 좋다. 이는 폴리에스테르계 수지 또는 폴리에스테르계 수지가 물과 반응되어질 때 급격하게 증점효과가 높아지는 것이 아니라 수지의 양에 따라 점차적으로 증가하는 반면, 메틸셀룰로오스와 같은 증점제는 함량이 증가함에 따라 급격하게 증점효과가 증가되기 때문이다.
As the thixotropic thickener, methyl cellulose, polyacrylic resin, polyester resin, and the like may be used, and among them, it is preferable to use polyacrylic resin or polyester resin in view of workability. This is not a sudden thickening effect when the polyester resin or polyester resin is reacted with water, but gradually increases with the amount of the resin, while a thickener such as methyl cellulose rapidly thickens as the content increases. Because is increased.
다음으로 상기 준소성 바디의 셀을 상기 밀봉재 슬러리를 이용하여 밀봉한다. 이때 밀봉하는 방법은 크게 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 준소성 바디를 상기 밀봉재 슬러리에 일정 시간동안 침지시켜 상기 준소성 바디의 셀에 일정 두께로 밀봉한 후 건조시켜 밀봉할 수 있다. 또한 상기 준소성 바디를 밀봉재 슬러리에 침지시키기 전에 상기 준소성 바디의 양단부에 모자이크 형태의 개구부와 밀봉부가 교대로 규칙적으로 배열된 접착 필름 또는 수지 마스크를 이용하여 단부에 접착시킨 후 밀봉재 슬러리에 침지시켜 밀봉할 수 도 있다. 그리고 접착 필름 또는 수지 마스크를 사용하지 않고 양단부를 밀봉재 슬러리로 밀봉한 후에 바늘 형태의 도장을 파는 형태로 모자이크식 개구부를 형성시킬 수 있다.Next, the cell of the semi-baked body is sealed using the sealant slurry. At this time, the sealing method is not largely limited. For example, the semi-baked body may be immersed in the sealing material slurry for a predetermined time to seal the cell of the semi-baked body to a certain thickness and then dried to seal. In addition, before the sub-plastic body is immersed in the sealing material slurry, it is adhered to the end by using an adhesive film or a resin mask in which mosaic-shaped openings and sealing parts are alternately arranged at both ends of the semi-plastic body, and then immersed in the sealing material slurry. It can also be sealed. And after sealing both ends with a sealing material slurry without using an adhesive film or a resin mask, a mosaic type opening can be formed in the form of digging a needle-shaped coating.
이때 밀봉부의 두께는 1~10㎜ 가 바람직하며, 보다 바람직하게는 3~8㎜가 좋다. 밀봉의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니며 밀봉재 슬러리의 작업성 등을 고려하여 적당한 두께가 선택되어 질 수 있다. 밀봉부의 두께가 너무 두꺼우면 건조 또는 소성 시 격벽의 얇은 두께에 비하여 잔류 응력의 차이로 인하여 크랙이 발생하거나 국부적으로 변형되어 질 수 있다. 무연탄 석탄회는 고온의 처리 공정을 거치는 동안 그 재질이 대부분 뮬라이트 성분으로 변형되어지며 13wt%에 달하는 잔류 미연탄소 등으로 인하여 건조 또는 소성 수축이 심하게 발생되어지지 않으므로 슬러리 작업성이 좋을 뿐 아니라 건조 소성 후 크랙 발생이 거의 없다.
At this time, 1-10 mm is preferable and, as for the thickness of a sealing part, 3-8 mm is more preferable. The thickness of the seal is not particularly limited, and an appropriate thickness may be selected in consideration of the workability of the sealant slurry. If the thickness of the seal is too thick, cracks may occur or be locally deformed due to the difference in residual stress as compared with the thin thickness of the partition wall during drying or firing. Anthracite coal ash is mostly transformed into mullite during the high temperature treatment process, and it has good slurry workability as well as good dryness or plastic shrinkage due to residual unburned carbon (13wt%). There is almost no crack.
다음으로 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 건조 및 소성시키면 배기가스 정화용 세라믹 하니컴 필터가 완성된다.Next, when the semi-baked body sealed by the sealing material slurry is dried and fired, a ceramic honeycomb filter for exhaust gas purification is completed.
이때 소성 온도는 1200~1400℃이고, 특히 1200℃~1300℃가 바람직하다. 상기 밀봉재 슬러리 및 준소성 바디에 무연탄 석탄회가 보조성분으로 포함되어 있기 때문에 불필요하게 1450℃이상의 고온 소성을 하지 않아도 충분한 실용적 강도를 얻을 수 있다. 나아가 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디는 공기 중의 산화성 분위기 혹은 질소 또는 아르곤 가스 등의 불활성 분위기와 같은 환원성 분위기에서 소성되어 질 수 있다. 특히 코스트 등을 고려할 때 산화성 분위기하에서 소성하는 것이 보다 경제적이다. 또한 상기 밀봉재 슬러리를 상기 준소성 바디와 동일한 세라믹 조성물 즉, 코디어라이트를 주성분으로 하고 무연탄 석탄회를 보조성분으로 사용하여 세라믹 하니컴 필터를 제조하기 때문에 바디와 밀봉부의 소성에 의한 결합력이 우수하고 고강도를 가지며 저열팽창의 특징을 가짐으로써 소성 수축 및 크랙 발생이 거의 없는 이점이 있다.
At this time, the calcination temperature is 1200 to 1400 ° C, particularly 1200 ° C to 1300 ° C. Since the anthracite coal ash is included as an auxiliary component in the sealant slurry and the semi-baked body, sufficient practical strength can be obtained without unnecessary high temperature baking of 1450 ° C or higher. Furthermore, the semi-plastic body sealed by the sealant slurry may be fired in a reducing atmosphere such as an oxidative atmosphere in the air or an inert atmosphere such as nitrogen or argon gas. In particular, in consideration of cost and the like, it is more economic to fire in an oxidizing atmosphere. In addition, since the ceramic honeycomb filter is manufactured by using the sealing material slurry as the main component of the semi-baked body, that is, cordierite as the main component and anthracite coal ash as an auxiliary component, the bonding strength due to the firing of the body and the sealing part is excellent and high strength is achieved. It has the advantage of low thermal expansion and there is almost no plastic shrinkage and crack generation.
도 3은 본 발명을 적용할 수 있는 세라믹 하니컴 필터의 형상을 나타낸 모식도이고, 도 4는 도 3의 세라믹 하니컴 필터를 통하여 배기가스가 통과할 때의 모형을 나타내는 단면도이다. 세라믹 하니컴 필터(1)은 외주벽(2)과 그 내측의 다공질 격벽(2a)을 가지며, 다공질 격벽(2,2a)에 의해 구획된 유로(4)의 한쪽 개구단을 밀봉하는 밀봉부(3)와, 그 반대쪽 개구단이 개방되어진 유로(4)가 교대로 모자이크 무늬와 같이 규칙적으로 배열되도록 구성된다. 세라믹 하니컴 필터(1)는 미도시된 탄성을 가진 세라믹 섬유에 의하여 둘러 쌓이고 금속재 용기에 의하여 밀봉되어 진다. 입자상물질을 포함하는 배기가스(5)는 유입측의 개구단에서 유로(4)로 유입해서, 다공질 격벽(2, 2a)을 통과한 후, 인접한 유로(4)를 거쳐, 유출측의 개구단에서 정화가스(5a)로서 배출된다. 다공질 격벽(2, 2a)를 통과할 때, 배기가스(5)에 포획된 입자상 물질은 다공질 격벽(2, 2a)의 세공에 포집되므로, 세라믹 하니컴 필터(1)는 배기가스 정화 필터로서 기능한다.
3 is a schematic diagram showing the shape of a ceramic honeycomb filter to which the present invention can be applied, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing a model when exhaust gas passes through the ceramic honeycomb filter of FIG. 3. The ceramic honeycomb filter 1 has an outer
세라믹 하니컴 필터의 평균 기공율은 30~65%이며 바람직하게는 40~55%가 적당하다. 기공율이 30% 이하일 경우 배기가스의 압력이 상승되어 엔진 출력 저하와 같은 부작용이 발생되며 65% 이상일 경우 하니컴 필터의 강도가 저하됨과 동시에 미립자 포집효율이 저하되기 때문이다. The average porosity of the ceramic honeycomb filter is 30 to 65%, preferably 40 to 55%. If the porosity is less than 30%, the pressure of the exhaust gas is increased to cause side effects such as a decrease in engine output. If the porosity is higher than 65%, the honeycomb filter's strength decreases and the particulate collecting efficiency decreases.
세라믹 하니컴 필터의 평균기공직경은 0.5~40㎛이며, 바람직하게는 1~20㎛가 적당하다. 평균 기공직경이 0.5㎛ 이하일 경우 필터 기공 막힘 현상이 증가하게 되며 40㎛ 이상일 경우 미립자의 포집 성능이 저하된다.The average pore diameter of the ceramic honeycomb filter is 0.5 to 40 µm, preferably 1 to 20 µm. When the average pore diameter is 0.5 μm or less, the filter pore clogging phenomenon increases, and when the average pore diameter is 40 μm or more, the collection performance of the fine particles is reduced.
세라믹 하니컴 필터의 열팽창계수는 2.5×10-6K-1이하가 바람직하다. 열팽창계수는 내열충격성과 관련하여 특히 디젤엔진과 같은 내연기관에 있어서는 운행 조건에 따라 엔진 출력의 변동이 심하기 때문에 배기가스 온도 역시 고온과 저온의 변동이 심하게 되며 이에 따르는 열충격 저항이 디젤 파티률레이트 필터의 성능을 좌우하게 되므로 열팽창계수가 낮을수록 바람직하다.
The thermal expansion coefficient of the ceramic honeycomb filter is preferably 2.5 × 10 −6 K −1 or less. In terms of thermal shock resistance, especially in internal combustion engines such as diesel engines, engine output fluctuates depending on operating conditions, so the flue-gas temperature fluctuates significantly at high and low temperatures. The lower the coefficient of thermal expansion, the better.
본 발명의 세라믹 하니컴 필터는 일정 시간이 경과되어 포집된 미립자가 격벽에 쌓일 경우, 필터의 기공이 폐쇄되어 필터로서의 기능이 저하되기 때문에, 정기적으로 히터 등의 가열 수단으로 하니컴 필터를 가열함으로써 미립자를 연소시킴으로서 필터의 기능을 재생시킨다. 이때, 연소를 촉진하기 위하여 하니컴 필터에 촉매 성능을 가진 금속 성분을 담지하고 있을 때 배기가스 등을 정화하거나 입자상 물질의 재생 온도를 낮출 수가 있어서 바람직하다. 전술한 금속성분은 Pt, Pd, Rh, Ba, K, Sr, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속 성분을 포함하면 바람직하다.
In the ceramic honeycomb filter of the present invention, when the collected fine particles accumulate in the partition wall after a certain time, the pores of the filter are closed and the function of the filter is reduced, so that the fine particles are periodically heated by heating means such as a heater. By burning, the function of the filter is regenerated. In this case, when the honeycomb filter is carrying a metal component having catalytic performance, the exhaust gas or the like can be purified or the regeneration temperature of the particulate matter can be reduced. It is preferable that the above-mentioned metal component contains at least one metal component of Pt, Pd, Rh, Ba, K, Sr, La, Ce.
본 발명은 코디어라이트를 주성분으로 하고 무연탄 석탄회를 보조성분으로 사용함에 따라, 종래의 탄화규소 등과 같이 1600℃ 이상의 고온 소성을 하지 않고도 1400℃이하의 온도에서 저 열 팽창성의 우수한 내열충격성을 가지는 디젤내연기관의 입자상 물질을 제거할 수 있는 경제적인 세라믹 하니컴 필터를 제조할 수 있으며, 또한 하니컴 형상의 압축 특성이 우수하여 생산성을 향상시키고 압출 불량률을 절감할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, as a main component of cordierite and anthracite coal ash as auxiliary components, diesel having excellent thermal shock resistance with low thermal expansion at a temperature of 1400 ° C. or less without high temperature firing of 1600 ° C. or more, such as conventional silicon carbide An economical ceramic honeycomb filter capable of removing particulate matter of the internal combustion engine can be manufactured, and the honeycomb-shaped compression characteristics are excellent, thereby improving productivity and reducing extrusion failure rate.
특히, 자원 순환 원료인 무연탄 석탄회를 보조 재료로 사용함으로서, 하니컴의 강도와 기공율을 향상시키며, 미연탄소분의 발열 특성으로 인하여 소성에너지를 절약하는 등 제조 코스트를 감소시킬 수 있다.In particular, by using anthracite coal ash, which is a raw material for recycling resources, as an auxiliary material, it is possible to improve the strength and porosity of the honeycomb, and to reduce the manufacturing cost, such as saving the firing energy due to the exothermic characteristics of the unburned carbon powder.
또한 본 발명은 준소성 바디와 밀봉부를 형성하는 밀봉재 슬러리를 동일한 조성물 즉, 코디어라이트를 주성분으로 하고 무연탄 석탄회를 보조성분으로 함으로써, 밀봉부를 바디에 견고하게 접착 소성할 수 있고, 열응력이나 열충격에 의해 균열이 발생되어 밀봉부가 부분적으로 파손되는 것을 방지할 수 있는 등 기계적 특성이 우수한 효과가 있다.
In addition, the present invention uses the sealing material slurry forming the semi-baked body and the sealing portion as the same composition, that is, cordierite as a main component and anthracite coal ash as an auxiliary component, so that the sealing portion can be firmly adhered to the body, and thermal stress or thermal shock can be achieved. This prevents cracks from occurring and prevents the seal from being partially broken, and thus has excellent mechanical properties.
도 1은 고온 소성시 무연탄 석탄회 및 유연탄 석탄회의 결정구조 변화를 나타내는 도면이고,
도 2는 무연탄 석탄회의 주사전자현미경의 사진이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 하니컴 필터의 모식도이고,
도 4는 본 발명의 세라믹 하니컴 필터의 단면 및 구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 실시예 3의 세라믹 필터의 기공 크기 분포도이고,
도 6은 비교예 1의 세라믹 필터의 기공 크기 분포도이다.
도 7은 본 발명의 세라믹 하니컴 필터의 매연저감 성능 평가 장치의 계통도이고,
도 8은 본 발명의 세라믹 하니컴 필터를 촬영한 사진이고,
도 9는 매연저감 성능 시험 종료 후 세라믹 필터를 촬영한 사진이다.1 is a view showing the crystal structure change of anthracite coal ash and bituminous coal ash at high temperature firing,
2 is a photograph of a scanning electron microscope of anthracite coal ash.
3 is a schematic diagram of the ceramic honeycomb filter of the present invention,
4 is a schematic view showing a cross section and a structure of a ceramic honeycomb filter of the present invention.
5 is a pore size distribution of the ceramic filter of Example 3,
6 is a pore size distribution diagram of the ceramic filter of Comparative Example 1. FIG.
7 is a system diagram of a smoke reduction performance evaluation device of the ceramic honeycomb filter of the present invention.
8 is a photograph taken the ceramic honeycomb filter of the present invention,
9 is a photograph of a ceramic filter after the end of the smoke reduction performance test.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited to the following Examples.
[실시예 1]Example 1
(세라믹 조성물)(Ceramic composition)
DY CERAMICS사의 평균입도 20.2㎛ 소성 코디어라이트 100 중량부와 중부화력발전소에서 입수한 평균입도 27.4㎛의 무연탄 석탄회 10중량부 및 금속산화물로서 SUMITOMO사의 평균입도 45㎛ α-알루미나 0.2중량부를 혼합한 후 볼밀에 넣고 10시간 동안 건식 분쇄 및 혼합하여 세라믹 조성물을 얻었다. After mixing 100 parts by weight of the average particle size of DY CERAMICS and 2 parts by weight of calcined cordierite, 10 parts by weight of anthracite coal ash having an average particle size of 27.4 μm, and 0.2 parts by weight of SUMITOMO's average particle size of 45 μm α-alumina as a metal oxide Put into a ball mill dry grinding and mixing for 10 hours to obtain a ceramic composition.
(준소성 바디의 제조)(Manufacture of semiplastic bodies)
그리고 세라믹 조성물 100중량부에 대하여 요변성 증점제 9.2중량부, 윤활제 1.9중량부, 소포제 0.3중량부, 분산제 0.3중량부 및 물 20중량부를 믹서에 넣고 혼합하여 12시간 이상 방치한 후 상기 세라믹 조성물과 함께 리본 믹서를 이용하여 1시간동안 혼합한 후 압출기에 넣고 2~3회 니딩하였고 다시 밀폐한 상태에서 12시간 이상 방치하여 압출용 세라믹 페이스트를 제조하였다. 이때 요변성 증점제로서 삼성정밀화학사의 메틸셀루로오스 , 폴리아크릴 수지 및 폴리에틸렌글리콜을 2:1:2의 비율로 혼합하여 사용하였다. 윤활제는 SANNOP사의 LU-64를 사용하였다.9.2 parts by weight of thixotropic thickener, 1.9 parts by weight of lubricant, 0.3 parts by weight of antifoam, 0.3 parts by weight of dispersant, and 20 parts by weight of water were added to a mixer, left to stand for at least 12 hours, and then mixed with the ceramic composition. After mixing for 1 hour using a ribbon mixer was put in the extruder and kneaded 2 to 3 times and left in a sealed state for more than 12 hours to prepare a ceramic paste for extrusion. At this time, as a thixotropic thickener, methyl cellulose, polyacrylic resin, and polyethylene glycol of Samsung Fine Chemicals were used in a ratio of 2: 1: 2. Lubricant used LU-64 by SANNOP.
상기 세라믹 페이스트를 진공 압출 성형기에 하니컴 금형틀을 부착하여 압출성형하여 하니컴 형태의 세라믹 그린바디를 만들고, 이를 12시간 이상 자연건조 시킨 후 다시 50~80℃온도로 열풍건조 하였다. 상기 그린바디를 전기로에 넣고 1150℃온도에 이르기까지 0.5~2℃/min의 승온 속도로 서서히 승온하였으며, 1150℃에서 30분 이상 유지시켜 하니컴 형태의 세라믹 준소성 바디를 얻었다.The ceramic paste was extruded by attaching a honeycomb mold to a vacuum extrusion molding machine to make a honeycomb-shaped ceramic green body, which was naturally dried for at least 12 hours, and then dried by hot air at a temperature of 50 to 80 ° C. The green body was placed in an electric furnace and gradually heated up at a temperature increase rate of 0.5 to 2 ° C./min until reaching 1150 ° C. temperature, and maintained at 1150 ° C. for at least 30 minutes to obtain a honeycomb-type ceramic semi-plastic body.
상기 준소성 바디는 가로×세로가 각각 62×62㎜이었으며 길이를 86㎜로 절단하였다.The quasi-plastic bodies were 62 x 62 mm in width x length, respectively, and cut to 86 mm in length.
(밀봉재 슬러리의 제조)(Manufacture of sealing material slurry)
상기 세라믹 조성물 100중량부에 대해 요변성 증점제 6중량부, 분산제 0.5중량부, 소포제 0.5중량부 및 물 40중량부를 믹서에 넣고 30분 이상 혼합한 후 12시간 이상 방치하여 밀봉재 슬러리를 제조하였다.6 parts by weight of thixotropic thickener, 0.5 parts by weight of dispersant, 0.5 parts by weight of antifoaming agent and 40 parts by weight of water were added to a mixer, mixed for 30 minutes or more, and left for 12 hours or more to prepare a sealing material slurry.
(세라믹 하니컴 필터의 제조)(Manufacture of Ceramic Honeycomb Filter)
상기 준소성 바디의 일단부를 상기 밀봉재 슬러리에 침지시킨 후 여분의 슬러리를 제거하고, 슬러리의 유동이 생기지 않는 시간 동안 대기 상태에서 방치시킨 다음, 오븐에 넣고 50~80℃의 온도에서 6시간 이상 건조시켰다. 상기 준소성 바디의 반대편 단부에 대해서도 상기와 같은 방법으로 밀봉하였다.After one end of the semi-plastic body is immersed in the sealant slurry, the excess slurry is removed, and the slurry is left in the air for a period of time where no flow of the slurry occurs, and then placed in an oven and dried at a temperature of 50 to 80 ° C. for at least 6 hours. I was. The opposite end of the semi-plastic body was also sealed in the same manner as above.
그리고 일정 길이의 복수의 니들이 장착된 니들 핀을 만들고 이를 하니컴 밀봉부에 넣어 불필요한 밀봉부를 제거하여 모자이크 무늬 간격의 개구부를 형성하였고, 반대편 단부도 이와 같은 방법으로 비대칭성 개구부를 형성시켰다.Then, a needle pin having a plurality of needles having a predetermined length was made and inserted into the honeycomb seal to remove unnecessary seals to form mosaic-patterned openings, and the opposite end also formed an asymmetric opening in this manner.
밀봉된 준소성 바디를 전기로에 넣고 1250℃온도에 이르기까지 0.5~2℃/min의 승온 속도로 서서히 승온하였으며, 1250℃에서 30분 이상 유지시켜 최종 세라믹 하니컴 필터를 얻었다.
The sealed semi-baked body was placed in an electric furnace and gradually heated up at a temperature increase rate of 0.5 to 2 ° C./min until reaching a temperature of 1250 ° C., and maintained at 1250 ° C. for at least 30 minutes to obtain a final ceramic honeycomb filter.
[실시예 2~4]EXAMPLES 2-4
실시예 1과 달리 코디어라이트 100중량부에 대해 무연탄 석탄회 20중량부, 30중량부, 40중량부를 각각 혼합하여 얻은 세라믹 조성물을 이용하여 세라믹 하니컴 필터를 제조하였다. 한편 무연탄 석탄회 20중량부가 혼합된 세라믹 조성물의 경우 실시예 1과 달리 세라믹 조성물 100중량부에 대해 물 30중량부를 혼합하여 세라믹 페이스트를 제조하였다.
Unlike Example 1, a ceramic honeycomb filter was manufactured using a ceramic composition obtained by mixing 20 parts by weight, 30 parts by weight, and 40 parts by weight of anthracite coal ash based on 100 parts by weight of cordierite. Meanwhile, in the case of the ceramic composition in which 20 parts by weight of anthracite coal ash was mixed, 30 parts by weight of water was mixed with respect to 100 parts by weight of the ceramic composition to prepare a ceramic paste.
[실시예 5][Example 5]
실시예 1과 달리 코디어라이트 100중량부에 대해 α-알루미나 5중량부를 혼합하여 얻은 세라믹 조성물을 이용하여 세라믹 하니컴 필터를 제조하였다.
Unlike Example 1, a ceramic honeycomb filter was manufactured using a ceramic composition obtained by mixing 5 parts by weight of α-alumina with respect to 100 parts by weight of cordierite.
[비교예][Comparative Example]
DY CERAMICS사의 평균입도 20.2㎛ 소성 코디어라이트 100 중량부와 금속산화물로서 SUMITOMO사의 평균입도 45㎛ α-알루미나 0.2중량부를 혼합하 후 볼밀에 넣고 10시간 동안 건식 분쇄 및 혼합하여 세라믹 조성물을 얻었다.The average particle size of DY CERAMICS Co., Ltd. was prepared by mixing 100 parts by weight of calcined cordierite and 0.2 parts by weight of SUMITOMO's average particle size of 45 μm α-alumina as a metal oxide, followed by dry grinding and mixing for 10 hours to obtain a ceramic composition.
상기 세라믹 조성물을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 하니컴 필터를 제조하였다.
A ceramic honeycomb filter was manufactured in the same manner as in Example 1 using the ceramic composition.
실시예 1 내지 5의 세라믹 하니컴 필터와 비교예 1의 세라믹 하니컴 필터에 대해 열팽창계수, 압축강도 및 기공율을 측정하였고, 그 결과는 표 2와 같다. 이때 열팽창계수는 딜라토메터를 이용하여 측정하였고, 압축강도는 Instron Co.의 모델 US-5884 만능시험기를 이용하여 측정하였고, 기공율은 Micromeritics Co.의 Mercury Porosimeter를 이용하여 측정하였다.The coefficient of thermal expansion, compressive strength, and porosity of the ceramic honeycomb filters of Examples 1 to 5 and the ceramic honeycomb filters of Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Table 2. The coefficient of thermal expansion was measured using a dilator, the compressive strength was measured using a model US-5884 universal testing machine of Instron Co., and the porosity was measured using a Mercury Porosimeter of Micromeritics Co.
(kg/cm2)Compressive strength
(kg / cm 2 )
(%)Porosity
(%)
(1/K)Thermal expansion coefficient
(1 / K)
위 표 2와 같이 비교예 1의 경우 압축강도가 25kg/cm2로 낮았으나, 실시예 1 내지 5의 경우 압축강도가 모두 30kg/cm2이상으로 우수하였다. 또한 기공율이 48.8% 이상으로 우수하였다.As shown in Table 2, in Comparative Example 1, the compressive strength was low as 25kg / cm 2 , but in Examples 1 to 5, the compressive strengths were all excellent at 30kg / cm 2 or more. In addition, the porosity was excellent at 48.8% or more.
특히 도 5 및 도 6의 실시예 3 및 비교예 1의 기공분포도와 같이 비교예 1의 경우 3㎛ 한 가지 종류인 반면 실시예3의 경우 기공 크기는 3㎛와 7㎛ 두 가지 종류가 형성되고 특히 무연탄 석탄회의 미연탄소의 영향으로 7㎛ 기공의 함량이 증가하는 특징을 보였다.
In particular, as shown in the pore distribution diagrams of Examples 3 and Comparative Examples 1 of FIGS. 5 and 6, Comparative Example 1 has one kind of 3 μm, whereas Example 3 has two kinds of pore sizes of 3 μm and 7 μm. In particular, 7 micron pore content increased due to the unburned carbon of anthracite coal ash.
다음으로 실시예 2, 실시예 4 및 비교예 1에 대한 수축율을 측정하였고, 그 결과는 표 3과 같다. 수축율은 소성 전후 세라믹 필터의 가로 및 세로 길이를 직접 계측하여 측정하였다.Next, the shrinkage ratios of Example 2, Example 4 and Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Table 3. Shrinkage was measured by measuring the width and length of the ceramic filter before and after firing directly.
표 3과 같이 실시예 2 및 3의 경우 수축율이 10.9% 이하로 낮게 측정되었다.
As shown in Table 3, the shrinkage ratios of Examples 2 and 3 were measured to be lower than 10.9%.
그리고 실시예 2의 세라믹 하니컴 필터를 이용하여 PM제거율을 3차에 걸쳐 측정하였으며 그 결과를 표 4로 나타냈다. 도 7은 PM제거율을 측정하기 위한 평가장치의 계통도를 도시한 것이고, 도 8은 실시예 2의 세라믹 하니컴 필터를 나타내는 사진이고, 도 9는 PM제거율에 대한 시험이 끝난 뒤 장치를 해체한 세라믹 하니컴 필터를 촬영한 사진이다.And the PM removal rate was measured over 3 times using the ceramic honeycomb filter of Example 2, and the result is shown in Table 4. Figure 7 shows a schematic diagram of an evaluation device for measuring the PM removal rate, Figure 8 is a photograph showing the ceramic honeycomb filter of Example 2, Figure 9 is a ceramic honeycomb disassembled the device after the test on the PM removal rate A picture taken with a filter.
표 4의 PM제거율 측정결과와 같이 실시예 2의 세라믹 하니컴 필터의 경우 PM제거율이 70.6% 이상으로 매우 우수하였다.
As shown in the PM removal rate measurement results of Table 4, the PM honey removal rate of the ceramic honeycomb filter of Example 2 was very excellent, which is 70.6% or more.
1: 세라믹 하니컴 필터, 2: 외주벽,
2a: 다공질 격벽, 3: 밀봉부,
4: 유로, 5: 배기가스,
5a: 정화가스, 6. 디젤엔진,
7. thermocouple-1, 8. Pressure gage-1,
9. Heater, 10. thermocouple-2,
11. Ceramic Honeycomb Filter, 12. Pressure gage-2,
13. 매연측정기, 14. 전방배기관,
15. 후방배기관, 16. Honeycomb container,
17. Electric Controller 1: ceramic honeycomb filter, 2: outer wall,
2a: porous bulkhead, 3: seal,
4: euro, 5: exhaust gas,
5a: purifying gas, 6. diesel engine,
7. thermocouple-1, 8.pressure gage-1,
9.Heater, 10. thermocouple-2,
Ceramic Honeycomb Filter, 12.Pressure gage-2,
13. Smoke analyzer, 14. Front exhaust pipe,
15. Rear exhaust pipe, 16. Honeycomb container,
17.Electric Controller
Claims (13)
상기 코디어라이트 100중량부에 무연탄 석탄회 10~20중량부, 금속산화물 0.1~5중량부가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물.
It is composed of cordierite as a main component, anthracite coal ash and metal oxide as auxiliary components,
10 to 20 parts by weight of anthracite coal ash and 0.1 to 5 parts by weight of a metal oxide are included in 100 parts by weight of the cordierite, the composition of the ceramic filter for exhaust gas purification.
상기 금속산화물은 Al2O3, SiO2, MgO, BaO, TiO2, ZrO2, Fe2O3 및 알루미노 실리케이트, 점토, 벤토나이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상이 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 필터의 조성물.
The method of claim 1,
The metal oxide is made of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, BaO, TiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 and any one or two or more selected from the group consisting of aluminosilicate, clay and bentonite are mixed. A composition of a ceramic filter for purification of exhaust gas.
b) 코디어라이트 100중량부에 무연탄 석탄회 3~40중량부, 금속산화물 0.1~5중량부를 포함한 세라믹 조성물을 얻은 후 상기 세라믹 조성물 100중량부에 물 40~80중량부를 혼합하여 밀봉재 슬러리를 얻는 단계와;
c) 상기 준소성 바디의 셀을 상기 밀봉재 슬러리를 이용하여 밀봉하는 단계와;
d) 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 건조 및 1200~1400℃에서 소성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 하니컴 필터의 제조방법.
a) A ceramic paste formed by mixing water with a ceramic composition comprising 10 to 20 parts by weight of anthracite coal ash and 0.1 to 5 parts by weight of metal oxide in 100 parts by weight of cordierite into a honeycomb-like semi-plastic body having a plurality of cells. After the semi-baking at 1000 ~ 1200 ℃ to obtain a semi-baked body;
b) obtaining a ceramic composition comprising 3 to 40 parts by weight of anthracite coal ash and 0.1 to 5 parts by weight of metal oxide, and then mixing 40 to 80 parts by weight of water to 100 parts by weight of cordierite to obtain a sealing material slurry. Wow;
c) sealing the cells of the semi-baked body using the sealant slurry;
d) drying the calcined body sealed by the sealing material slurry and firing at 1200 to 1400 ° C .; a method of manufacturing a ceramic honeycomb filter for exhaust gas purification comprising: a.
상기 d) 단계는 상기 밀봉재 슬러리에 의해 밀봉된 준소성 바디를 1200~1400℃에 이르기까지 0.5~2.0℃/min의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 세라믹 하니컴 필터의 제조방법.The method of claim 3,
The step d) is a method for producing a ceramic honeycomb filter for exhaust gas purification, characterized in that for heating the semi-baked body sealed by the sealing material slurry at a rate of 0.5 ~ 2.0 ℃ / min to 1200 ~ 1400 ℃.
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