Cordierite의 기공 특성 연구

이 두찬, 김 남수, 양 진

쌍용중앙연구소 환경기술연구실

The Study on the Pore Characteristics of Cordierite.

Doo Chan Lee, Nam Soo Kim, and Jin Yang.

Research Center, Ssangyong Cement Indstries Co., Ltd

서  론

코디어라이트(Cordierite ; 2MgO·2Al2O3·5SiO2)는 높은 융점, 낮은 열팽창계수로 자동차의 3원 촉매용 담체, 용융금속의 필터, 대기정화용 필터, 열교환기 등에 널리 사용되는 재료이다[1-3]. 이와같은 코디어라이트 재료는 주로 다공성 물질로 많이 사용되며 따라서 기공률, 기공경과 같은 기공특성이 그 성능에 크게 영향을 미친다[4]. 기공특성에 영향을 미치는 인자로는 소결온도 및 시간, 입자의 입도분포 및 크기 등이 있으나 이들 인자와 기공특성간의 관계는 명확히 규명되어지지 않았다. 본 연구에서는 코디어라이트 물질의 기공특성에 영향을 미치는 인자와 영향정도를 알아보고자 압축성형법(Compaction)으로 시편을 제조하여 분석하였다.

실  험

1) 시편제조

i) 실험계획법 중 일부 실시법인 L827형 직교배열법에 따라 8개의 조건당 각각 5개씩 총 40개 시편을 제조하였다. 실험인자는 활석크기, 흑연크기, 흑연함량, 소결온도 및 최고온도에서의 유지시간으로 총 5인자이다.

활석을 중량비로 40%, 카오린과 하소카오린을 각각 중량비로 25.5%, 20.8%, 알루미나를 중량비로 13.7% 되도록 한 후 여기에 평균입경이 다른 흑연을 직교배열표에 따라 중량비로 전체 분말의 10% 또는 20% 첨가하였다. 다음으로 결합제와 에틸알콜(Ethyl Alcohol)을 중량비로 전체 분말에 각각 0.5%, 80% 넣어 혼합한다. 혼합된 분말을 24시간 건조 후 케이크상태로 만들고 이것을 분쇄하여 균일한 분말을 만들었으며 최종 분말을 일정한 압력(300□/□)으로 압축성형(Compaction)한 후 소결하여 시편을 제조하였다.

ⅱ) 특성치에 대한 분석결과를 확인하기 위하여 5개의 인자 가운데 4가지 인자를 고정하고 각각 하나의 인자에 따른 기공특성의 변화를 확인하였다. 이때 변수로 사용된 인자는 흑연입경, 활석입경 및 압축력이었으며 각각의 조건에 따라 5개의 시편을 제조하여 기공특성을 분석하였다.

2) 영향인자 분석 및 특성치 분석

각 제조조건이 코디어라이트의 기공특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 실험 계획법 중 일부 실시법인 L827형 직교배열법을 실시하였다. 이들 실험 결과를 분산분석 및 기여율분석을 하여 각각의 특성치에 미치는 주요영향인자를 선택하였다. 기공특성을 조사하기 위하여 사용된 분석방법은 다음과 같다. 기공률은 아르키메데스법에 의하여 측정하였고, 기공경은 수은압입법(Mercury Porosimeter)에 의하여 측정하였다. 그밖에 X-ray 회절 분석, SEM등으로 재료의 특성을 조사하였다.

결과 및 검토

-영향인자 분석

ⅰ) 기공률

기공률에 대한 각 인자의 분산분석결과 기공률에 가장 영향을 많이 미치는 인자는 흑연함량으로 나타났으며 그 밖에 활석의 크기 및 흑연의 크기가 영향을 미치는 것으로 나타났다. 소결온도 및 유지시간은 기공률에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 조사되었다. 실험결과 흑연함량이 많을 수록, 활석의 크기가 적을수록 그리고 흑연의 크기가 역시 적을수록 기공량이 커짐을 알수 있었다. 흑연의 함량이 증가할수록 기공량이 증가하는 이유는 소결시 조공제인 흑연이 날라가며 생기는 빈자리가 기공으로 남기 때문이며, 또 하나는 흑연함량의 증가로 성형밀도가 낮아지고 이로 인하여 기공률이 커지는 것으로 설명된다. 활석 및 흑연 입경의 변화에 따른 성형밀도의 변화도 기공률에 영향을 미친다. 즉 활석입경이 작아지면 성형밀도는 낮아지고 이로 인하여 기공률은 증가한다.

성형밀도와 기공률의 관계를 설명하기 위하여 다른 제조조건을 고정시키고 성형압력만을 달리하여 제조한 시편에서 성형밀도와 기공률의 관계를 그림1.에 나타내었다. 그림1.에서와 같이 성형압력이 증가하여 성형밀도가 증가하면 코디어라이트의 기공률은 감소함을 알 수 있었다.

또한 활석 및 흑연의 평균입경을 각각 달리하여 제조한 실험에서도 성형밀도와 기공률의 관계는 설명된다. 활석크기와 기공률의 관계를 그림2.에 나타내었다. 활석평균크기가 커질수록 성형밀도는 증가하고 이로인하여 기공률이 감소함을 알 수 있었다.

ii) 기공경

기공경에는 활석의 크기가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이를 확인하기 위한 실험에서 활석의 평균크기가 커질 수록 기공경이 증가하는 것을 그림 3.에 나타내었다. 또한 SEM을 통한 평균기공의 크기변화에서도 활석평균입경의 증가는 기공경을 증가시키는 것으로 보인다. 그 밖에도 흑연평균입경 및 소결온도는 약간의 영향을 미치나 그 영향은 활석에 비하여 크지 않은 것으로 분석되었다.  활석 입경 변화에 따른 기공경의 변화모습을 SEM으로 확인하여 그림4.에 나타내었다.

그림1. 성형압력변화에 따른 성형밀도와 기공률의 관계

그림2. 활석입경 변화에 따른 기공률의 변화

그림3. 활석입경 변화에 따른 기공경의 변화

(d)

(a)

(b)

(c)

그림4. 활석평균입경 변화에 따른 기공경의 모습

a) 20.28□  b)34.70□  c)37.58□  d)48.42□

참고문헌

1. R.J.Beals and R.L.Cook, JACS., Feb.,53(1952)

2. M.E.Milberg and H.D. Blair, JACS. 60,372(1977)

3. Y.Hirose et al, J.Mat.Sci.Lett.,3,153(1984)

4. USP 4,280,845