KR0142233B1 - 핏치를 원료로한 씨형 탄소섬유와 복합재 제조방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트, 고분자. 세라믹 등의 물질을 강화하는데 주로 이용되는 탄소섬유를 핏치를 주 원료로 제조하되 C형의 탄소섬유와 복합재 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로 핏치계 등방성 및 이방성 C형 탄소섬유 제조에 있어 핏치의 방사 조건은 보통의 원형 탄소섬유 제조의 방사온도가 이방성인 경우 310℃~320℃, 등방성의 경우 280℃~300℃의 안전 범위를 갖는 반면 그 적용범위(온도범위)는 C형의 형태를 유지하면서 방사하기 위해서 적당한 점성을 가져야 하므로 아주 민감한 방사조건을 갖는다.

또한 노즐설계에도 단일 노즐과 다중노즐을 포함하며 단일노즐은 도면1과 같고, 다공노즐은 9공으로서 원래의 노즐 부분은 지름이 0.8㎜인 원형의 형태이며, 핏치드럼과 노즐사이에 위치한 판위에 고정시킨 극세강심으로 원래의 원형 노즐을 부분적으로 차단하여 C형을 비롯한 비원형 탄소섬유를 고분자 물질에 함침하여 물질을 강화하도록 하는 복합제 제근분야이다.

Description

핏치를 원료로한 C 형 탄소섬유와 복합재 제조방법 및 그 장치

제1도는 본 발명의 C 형 탄소섬유를 제조하기 위한 단일공 방사기의 개략도

제2도는 본 발명의 C 형 탄소섬유를 제조하기 위한 방사노즐의 상세도

제3도 a, b 는 본 발명의 등방성과 이방성 탄소섬유의 산화, 탄화 공정도

제4도 a, b, c, d는 본 발명의 C 형 탄소섬유와 강화 복합재의 물성시험 후 파단면의 전자 현미경 사진

제5도 a는 본 발명의 9공 C형 방사노즐의 평면도

b는 본 발명의 9공 C형 방사노즐을 구성하기 위한 정면도

c는 본 발명의 9공 C형 방사노즐의 단면도

d는 본 발명의 9공 C형 방사노즐의 확대도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:단일공 방사기2:가스도입부

3:핏치드럼부4:필터

5:노즐부6,8:C형 방사노즐

7:9공 방사기9:방사노즐 성형판

10:극세강심

본 발명은 시멘트, 고분자, 세라믹 등의 물질을 강화하는데 주로 이용되는 탄소섬유에 관한 것으로 핏치를 원료로하여 탄소섬유와 복합재를 제조함에 있어서, 단일공 또는 9공의 방사노즐 형태를 C형으로 하여 제조함을 특징으로 하는 핏치를 원료로한 C형 탄소섬유와 복합재 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

특히 본 특허의 초점은 지금까지의 탄소섬유를 비롯한 모든 강화재는 그 단면 형태가 원형인 것이 일반적이었다.

그러나 구조역학에서 재료내부의 응력 분포의 최적화로 원형보다는 중공형 및 비원형(non-circular)구조가 효과적으로 외력에 저항한다. 는 사실은 이미 알려졌으며, 예를들면 터널의 동구조, 철길의 I빔 건축지지물의 중공형(hollwo)등 많은 구조물에서 응용되고 있다,

그래서 이와같은 개념을 섬유상에 적용하여 C형과 중공섬유 구조가 전통적인 원형구조의 섬유보다 우수한 물성을 갖는다는 것을 수년전부터 검증 확인해 왔다.

또한 중공형 탄소섬유와 제조방사기에 대한 건은 이미 특허를 획득한바 있다.(특허 제 080294호) 이처럼 새로운 형태의 섬유는 그 자체의 물성에 있어 일반적으로 알려진 섬유에 비해 월등한 특성을 보였다.

그리고 이들에 대한 많은 추가 특성 규명이 이루어 지고있다. 특히 C형 탄소섬유는 축 방향의 굴곡면으로 인하여 섬유 자체에 외부 노출을 극대화할 수 있어 시멘트, 고분자, 세라믹 등의 강화섬유로서의 기능이 월등함이 입증되고 있다.

현재 비원형(예: ribbon, c-shape, hollw)섬유에 대한 새로운 추구가 몇몇 탄소섬유 연구 기관에 의해 꾸준히 이루어지고 있다.

이들 섬유의 미세구조는 line-origin 구조를 이룸으로서 기존의 원형 섬유에 비해 해당 단면적이 큼(가공성이 용이함)에도 불구하고 기계적 강도에 있어 우수하며, 특히 열 전도도가 기존의 구리 등의 전열재와 비교하여 큰값을 보임으로서 고강도 열관리(thermal management)구조재 등에 응용이 이루어 지리라 본다.

본 발명에서 사용하고자하는 방사용 핏치로는 본 특히 발명자 중일인(이보성)에 의해 출원, 공고된 석탄 타르 핏치계 메조페이스 핏치(특허공보 제1244호, 공고번호 제86-2203호)와 석유계 등방성 핏치이다.

이들 핏치를 제1도에 보인 단일 방사기(1)에 주입하여 핏치를 용융시키고 원하는 섬유의 외경과 두께에 따라 방사기의 주입압력과 권취 속도를 변화시켜 C형 핏치 섬유를 얻는다.

방사온도는 등방성 핏치의 경우 280~310℃, 석탄타르 핏치계 메조페이스의 경우 320~340℃의 범위에서 조작하였다. 이때 방사압력은 1~5Kg/㎤으로 하였다.

또한, 단일공 C형 방사 노즐을 제5도에서와 같이 9공을 갖는 다공 방사 노즐로 확장하여 섬유를 제조하였다.

이렇게 얻는 섬유는 표1과 표2에 도시된 바와같은 프로그램으로 산화 탄화함으로서 탄화된 섬유(탄소섬유)를 제조하였다.

다음의 실시예에서 C형 탄소섬유의 제조와 제조된 섬유를 기존의 섬유와 비교 그 우수성을 확인하였다.

[실시예 1]

C형 방사 노즐의 제조장치은 제1도에 도시된 바와같이 질소 가스 도입부(2)와 실린더 핏치드럼부(3) 필터(1) 및 노즐부(5)를 상호 나사 조립하여 단일공 방사기(1)를 이루게 된다.

상기 단일공 방사기(1)에 석유 납사 잔유를 390℃에서 3시간 처리한 후 350℃로 아닐링 3기간 유지하여 핏치 내의 저분자 휘발성분을 중합하거나 배기함으로서 등방성 핏치를 만들고, 석탄계 핏치는 발명 특허공보 제1244호 (공고번호 제86-2203호)를 이용 고성능을 예상하는 핏치를 제조하여 채운 후 원통형 가열기에서 290℃~320℃까지 가온하여 질소가스도입부(2)를 통해 실린더 핏치드럼부(3) 내부 핏치의 산화방지 및 토출압을 제공하여 C형 방사노즐(6)을 통하여 핏치섬유를 제조한다.

이때 C형 단일공 방사기(1)의 조작 원리는 다음과 같다.

3단으로된 SUS-304 재질의 실린더형으로서 핏치의 투입, 분해/조립이 나사식으로 가능하도록 하였다.

상측에서부터 질소가스 도입부(2)와 핏치드럼부(3) 및 노즐부(5)로 이루어지며 핏치드럼부(3)와 노즐부(5)의 사이에는 5㎛의 공극을 갖는 SUS-304필터(4)가 위치하게 된다.

질소 가스도입부(2)는 300℃~400℃ 정도의 고온 용융 방사가 이루어져야 하기 때문에 노즐부(5)의 미세노즐부인 C형 방사노즐(6)로 토출압을 제공함과 동시에 핏치의 산화를 방지하기 위해서 불활성가스(질소, 아르곤 등)를 1.5~3(Kg/㎤)로 유입한다.

질소가스도입부(2)와 핏치드럼부(3) 및 노즐부(5)부위가 실린더형 가열기에 끼워서 방사온도(300~400℃)범위까지 올린다.

그 온도를 PID-컨트롤러에 의해 미세하게 조절한다. 핏치드럼부(3)와 노즐부(5)사이에는 5㎛의 필터(4)를 끼움으로서 핏치내의 불순물에 의해 C형 방사노즐(6)이 파형되지 않도록 주의하였다.

또한, 토출핏치 섬유의 굵기 및 섬유축의 미세배향을 주기위해 권취기(1')의 회전속도를 조절한다.

[실시예 2]

C형 핏치 섬유가 탄화시 용융되는 것을 방지하기 위하여 본 발명에서는 뜨거운 공기를 사용하여 안정화하는 방법을 사용하였다.

석유계 등방성 핏치 섬유의 경우 1~5℃/min 의 승온속도로 260℃~300℃가지 온도를 상승시킨 다음 섬유의 두께에 따라 1~1.5시간의 안정화시간을 두었으며, 석탄 타르 핏치계 메조페이스 핏치 섬유의 경우 1~7℃/min 의 승온 속도로 260℃~320℃까지 온도를 상승시킨 다음 섬유의 두께에 따라 1~2시간의 안정화 시간을 둠으로서 충분히 안정화 되도록 하였다.

안정화된 핏치 섬유의 탄화는 불활성 분위기 하에서 5~50℃/min의 승온속도로 1000℃~2500℃까지 가열한 후 냉각함으로서 행하였으며, 이로서 최종 C형 탄소섬유를 제조하였다.

제3도의 a, b에서는 제조과정중의 산화탄화 공정온도-시간을 예로서 나타내었다.

제조된 C형 이방성/등방성 탄소섬유를 보여주고 있다.

실시예 1에서 제조된 핏치 섬유를 제3도 a, b에 나타낸 온도-시간 범위로 산화(불융화) 및 탄화한다.

그 기계적 강도는 등방성 및 이방성 탄소섬유의 특성화는 각각 표1과 같다.

[실시예 3]

[C형 탄소섬유 강화 복합재 제조]

C형 탄소섬유의 강화 효과를 실험하기 위해서 범용 에폭시 수지에 함침하여 여러 특성을 조사하였다.

성형방법: 프리프레그는 실시예2에서 제조된 표1에 보여준 물성을 갖는 등방성/이방성 원형, C형의 탄소섬유를 에폭시 수지와 경화제(MPDA)를 혼입한 것으로 제조 이용하였으며, 성형온도와 압력은 최저점도를 보이는 65℃에서 40Kg_f/㎠ 으로 가압한 상태로 경화 시작점 80℃에서 1시간 유지하여 최종 시편을 얻었다.

그의 복합재의 파단면을 제4도 a, b, c, d에서 보여주고 있다.

아래의 2개의 c, d의 전자 현미경 사진은 보강섬유측, 모재측의 파단면을 각각 보여주고 있다. C형 탄소섬유의 굴곡면에 이르기까지 모재가 골고루 분포되어 있으며 파단후에도 모재가 그대로 남아있는 것과 모재 파단모양으로 부터 큰 계면강도를 예상할 수 있다.

제조된 시편의 물성은 표2와 같다.

또한 동적 구조물에서는 단순 역학적 특성을 알아내는 것도 중요하지만 진동에 대한 상대적 특성도 재료의 수명 등 안전도에 크게 영향을 미친다.

그래서 상기 재료의 진동특성(진동흡수정도)을 FFT-analyzer에 의해 측정해본 결과 C형 보강재가 172%정도 큰 감쇠특성을 보였다.

한편 본 발명은 제5도의 a, b, c도에서와 같이 9공 방사기(7)로서 C형 방사노즐(8)을 9공 갖는 다공노즐을 포함하며, 방사노즐 성형판(9)에 극세강심(10)을 돌출시켜 핏치드럼과 노즐사이에 우치시키면 극세강심(10)이 원래의 원형노즐을 부분적으로 차단하여 C형을 이루도록 하는 C형 방사노즐(8)을 성형시키게 된다.

이때 C형 방사노즐(8)은 제5도 d에서와 같이 노즐의 지름이 0.8㎜인 원형의 형태이며, 0.6㎜의 극세강심(10)이 조립되므로서 C형을 이루도록 구성한다.

Claims (3)

1. 핏치계 등방성 및 이방성 탄소섬유 제조에 있어서, 핏치의 방사조건은 보통의 원형탄소 섬유제조의 방사온도가 이방성인 경우 310℃~320℃의 안전방사 범위를 갖는 반면, 그 적용범위(온도범위)는 C형의 형태를 유지하면서 점성을 갖고 방사되어 C형 탄소섬유를 제조함을 특징으로 하는 픽치를 원료로한 C형을 포함한 비원형 핏치계 탄소섬유와 비원형 탄소섬유강화 복합재의 제조방법.
2. 핏치계 등방성 및 이방성 탄소 섬유제조시 사용되는 가스도입부와 핏치드럼부 및 노즐부로 이루어진 단일공 방사기에 있어서, 상기 노즐부의 방사노즐이 C형을 이루는 C형 방사노즐에 의해 C형 탄소섬유를 제조함을 특징으로 하는 핏치를 주 원료로한 C형 탄소섬유와 복합제의 제조장치
3. 핏치계 등방성 및 이방성 탄소섬유를 제조함에 있어서, 원형의 0.8㎜노즐에 극세강심을 조립시켜 C형의 방사노즐을 이루며 상기 방사노즐이 9공을 갖는 다공노즐에 의해 C형 탄소섬유를 제조함을 특징으로 하는 핏치를 주 원료로한 C형 섬유와 복합제의 제조장치 노즐에 극세강심을 조립시켜 C형의 방사노즐을 이루며 상기 방사노즐이 9공을 갖는 다공노즐에 의해 C형 탄소섬유를 제조함을 특징으로 하는 핏치를 주 원료로한 C형 섬유와 복합제의 제조장치