KR100473505B1 - 수지피복 탄소재 씨일 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소재 씨일에 있어서, 탄소재 씨일 기재의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐진 커플링부인 실라놀의 분자층과 상기 커플링부의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐져 형성된 퓨란수지층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일 및 그 제조방법에 관한 것으로서 수지함침에 의해 안정적인 마모양상, 기계적물성의 증진, 불침투성, 낮은 마찰계수, 내식성 및 절연성 향상 등의 기능성을 부여할 수 있는 장점이 있다.

Description

수지피복 탄소재 씨일 및 그 제조방법 {Resin coated carbon seal and preparation threrof}

본 발명은 펌프나 기계, 유체들의 이송장치에 부착되어 유체의 흐름을 제어하는 부품인 탄소재 씨일에 관한 것이다.

종래에는 수지결합질 씨일을 사용하였는데 이는 고온성 유체 및 고압설비에서는 수지의 용출에 따른 내화학성의 결여 및 고하중에 따른 이상소음 및 편마모현상이 발생하여 마찰계수가 증대하고 내구성에 심각한 문제가 발생되고 있어 가혹조건에서 사용되는 고성능씨일로는 부적당하였다.

본 발명자는 상기 수지결합질 씨일의 문제점을 해결한 탄소재씨일을 발명하여 한국특허공개번호 2002-0036676 호의 출원을 한 바 있는데 상기 선행발명의 흑연(탄소재)은 2500℃에 이르는 흑연화를 거치면서 10∼20%의 기공율을 가지게 되어 기계용 씨일로서 중요한 불침투성(impermeability)을 보장하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 해소할 수 있는 고성능 씨일을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 기존의 수지결합질 씨일보다 부식성 및 내구성이 우수한 탄소재 씨일을 수지액에 함침시키면 탄소재씨일의 표면뿐만 아니라 내부 기공이 수지로 메꾸어지게 되어 불침투성이 우수하게 될 뿐만 아니라 내화학성 및 내구성이 우수한 탄소재 씨일을 얻을 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.

그러므로 본 발명에 의하면 탄소재 씨일에 있어서, 탄소재 씨일 기재의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐진 커플링부인 실라놀의 분자층과 상기 커플링부의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐져 형성된 퓨란수지층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일이 제공된다.

또한 상기 수지피복 탄소재 씨일을 제조하기 위하여 (a)에틸알콜, 정제수 및 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 혼합하여 교반한 혼합용액에 탄소재 씨일 기재를 함침하는 공정,(b)상기 탄소재 씨일 기재를 건조한 후 퍼퓨릴 알코올과 경화제인 P-톨루엔 술폰산을 진공환경에서 혼합한 피복수지용액에 담근 후 가압하여 함침하는 공정 및 (c)상기 함침공정이 완료된 탄소재 씨일 기재를 건조기에 넣어 경화시킨후 아르곤기체하에서 승온시켜 탄화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일의 제조방법이 제공된다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명인 수지피복 탄소재 씨일은 탄소재 씨일로서 콜타르 피치(Coal tar pitch)의 열처리를 통해 사출가능한 우수한 내화학성, 내마모성, 열전도성을 지니는 메조페이스 피치를 사용하고, 퓨란수지를 상기 탄소재 씨일의 표면에 넓게 펼쳐지도록 함침하여 이루어진다. 또한 본 발명에서는 퓨란수지의 함침공정전에 실라놀을 커플링제로 사용하여 탄소재 씨일의 표면에 펼쳐지도록 함침하는데 이는 수지의 관능기와 커플링된 Γ-아미노프로필트리에톡시실란의 중축화합물인 실라놀이 공유결합을 형성하여 상기 탄소재 씨일과 퓨란수지간의 계면접착력의 향상과 함침공정의 효율화를 이룰 수 있다.

본 발명에서 사용되는 출발물질인 탄소재는 등방성 또는 이방성소재중 어느 하나를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 등방성 탄소재는 냉간등방압성형에 의해 성형되어 흑연결정들의 방향성이 없으므로 이방성에 비해 밀도가 높고 기계적 물성이 높으나 마찰계수는 이방성에 비해 낮다. 반면에 이방성 탄소재는 압출에 의해 성형되어 흑연결정들이 일정한 방향으로 배열되어 있어서 전기전도도가 높고 마찰계수가 낮으나 밀도가 낮고 기계적 물성이 낮다.

일반적인 수지함침을 하지 아니한 탄소재 씨일은 우수한 내화학성, 내마모성, 열전도성을 가지고 있어 기계용 씨일로서 적합하나 피치의 고온에서의 흑연화작업을 거치면서 10∼20% 의 기공율을 가져 밸브용 씨일로서 중요한 특성인 불침투성을 보장하지 못하는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 퓨란수지를 상기 탄소재 씨일의 표면에 넓게 펼쳐지도록 함침하는데, 수지함침시 탄소재 씨일 기재의 내부까지 수지의 침투가 가능하도록 하여 탄화시 탄소수율이 높고 탄화후 기공의 보틀넥(bottle neck)현상이 없도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 메조페이스 피치를 사출성형하여 밸브시트인 탄소재 씨일을 형성한 후 퓨란수지의 함침을 원활하게 하기 위해 커플링제로써 에틸알콜, 정제수 및 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 혼합하여 교반한 혼합용액에 탄소재 씨일 기재를 함침하고 교반시킨후 건조시켜 탄소재 씨일의 표면에 상기 씨일을 넓게 펼쳐지게 하는 것이 바람직하다. 상기 커플링제는 아미노-관능기를 가져 탄소재 씨일 기재와 공유결합을 할 수 있는 실란계의 화합물을 사용하는데 본 발명에서는 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 사용하여 중축화합을 통한 실라놀을 피복하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 에틸알콜과 정제수의 혼합용액에 넣고 교반을 하면서 상온에서 용해시키는데 Γ-아미노프로필트리에톡시실란은 탄소재 씨일의 표면에 분자층으로 입혀질 수 있도록 탄소재 씨일대비 1∼0.1WT%를 혼합하는 것이 바람직하다. 1∼0.1WT%미만일때에는 실라놀의 커플링 양이 적어 수지와의 결합시 효과적이지 못하다. 그리고 1WT%를 초과하는 경우에는 필요이상으로 탄소재표면에 쌓이게 되어 수지와의 결합강도가 오히려 약화된다. 또한 수지함침시 수지가 탄소재내부 깊숙이 침투되지 못하도록 병목현상을 일으킨다.

실란계 커플링제는 탄소재의 하이드록실기(-OH)와 반응하여 작용하는데 가수화(hydrolysis), 커플링(coupling), 축합(condensation)의 일련의 과정을 거쳐 이루어진다. 탄소재 표면의 실란 커플링은 함침되는 수지의 관능기와 강한 결합을 갖도록 유도하여 함침의 효율과 기계적 물성을 높이기 위한 처리이다. 트리알콕시 실란(Trialkoxy silane)은 물과 가수화 반응을 하여 실라놀(silanol)을 만들고 궁극적으로 실록산(siloxane)으로 축합한다. 가수화와 축합반응의 반응속도는 PH에 크게 의존하지만 적합한 조건 하에서 가수화는 매우 빠르게 진행되는 반면 축합반응은 휠씬 더 느리게 진행된다. 한편 무기질 표면화 반응하기 전에 축합에 의해 올리고머(oligomer)가 형성되면 그 반응성이 많이 저하된다. 일단 실라놀구조를 가지게 되면, 높은 표면에너지를 갖는 무기물 표면에 흡착된 수산기(hydroxy)와 축합에 의해 공유결합을 이루어 강하게 무기질 표면에 흡착된다.

상기 커플링제의 함침공정이 완료된 후 수지액을 탄소재 씨일의 표면에 함침하게 되는데 수지액의 주성분으로는 퍼퓨릴알콜을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 퍼퓨릴 알콜은 경화반응 촉매제로서 소량의 에탄올에 녹여 사용된 p-톨루엔 술폰산(p-TSA)과 반응하여 퍼퓨릴알콜이 경화되면서 열경화성 수지인 퓨란수지를 형성하며 이는 페놀수지와는 달리 별도로 용제를 사용하지 아니한다. 따라서 퍼퓨릴알콜은 별도의 용제의 첨가없이 낮은 점도를 가져 탄소재 씨일 기재의 내부 깊숙이 위치한 개기공까지 침투할 수 있으며 경화된 상태에서 50∼55%의 비교적 높은 탄소수율을 갖는다. 또한 퓨란수지는 탄화후 탄소재 기재와 유사한 미세구조를 가지기 때문에 계면특성이 우수하다.

상기 수지 함침공정은 진공상태에서 수지액을 투여하고 압력을 높인 후 압력을 다시 상압으로 하여 진행하게 된다. 탄소재 씨일은 비이커에 담아 함침기 안에 장입한 후 진공상태를 만들어 탄소재 내부의 공기 및 휘발분을 충분히 제거하여 주는 것이 바람직하다. 이후 수지액을 함침기에 공급하여 탄소재 기재가 완전히 잠기도록 한 후 가압하여 1∼5시간정도 유지한다. 함침된 탄소재 씨일은 수지액으로부터 꺼낸 후 건조기에서 100℃∼150℃정도의 건조기에 넣고 24∼48시간동안 유지하여 충분히 경화가 유지되도록 한다. 요구되는 특성에 따라 함침 및 건조공정을 2∼5회 정도 반복할 수 있다.

이후 함침된 탄소재 씨일은 아르곤 가스환경에서 약 5℃/분의 속도로 1250℃정도까지 승온시켜 1∼3시간정도 유지하면서 탄화가 이루어지도록 한다.

이하 다음의 실시예에서는 본 발명인 수지 함침 탄소재 씨일을 제조하는 비한정적인 예시를 하고 있다.

[실시예 1]

커플링제로서 아미노관능기(amino-functional group)를 갖는 실란계 화합물인 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 에칠 알콜과 증류수의 혼합용액(9:1)에 탄소재 기재의 중량대비 1%를 넣고 교반을 하면서 10분간 상온에서 용해시켰다. 이 용액에 메조페이스 피치로 이루어진 밀도 1.73 g/㎤, 공극율 7.77%, 주변경도 42 및 굽힘강도 27 MPa인 이방성 탄소재 씨일 기재를 함침하여 2시간 동안 교반시킨 후, 탄소재 씨일 기재를 꺼낸 후 80℃의 건조기에 24시간 이상 넣어 탄소재 씨일 표면에 흡착된 커플링제의 공유결합을 유도하고 용매를 제거시켰다.

피복재로 사용될 수지액은 퍼퓨릴알콜(알드리치 화학사산)을 사용하는데 퍼퓨릴알콜과 경화반응 촉매제로서 1:2비율로 소량의 에탄올에 녹여 사용된 0.05WT% p-톨루엔 술폰산(p-TSA)이 반응하여 퍼퓨릴알콜이 경화되면서 퓨란수지로 변화한다. 경화제인 p-TSA의 함량은 0.05∼0.1%에서 정해져야 할 것이며 실험공정의 디자인시 1회, 2회 함침시 모재 깊숙이 수지액의 침투가 이루어지도록 점도가 낮은 수지액을 사용하고 3회이상의 함침시는 점도는 높으나 탄소수율이 높은 수지액의 사용하여 함침효율을 높이는 것이 적합하다.

함침공정은 진공, 수지액 투여 , 가압, 해제 순으로 실시하는데 탄소재 씨일은 비이커에 담아 함침기 안에 장입한 후 진공을 걸어 준다. 진공은 10^-2 토르까지 감압 한 후 3시간 유지하면서 탄소재 내부에 존재하는 공기 및 휘발분을 충분히 제거하였다. 보조탱크 공급구의 밸브를 열어 탄소재 씨일이 잠기도록 수지액을 투여한 후 5kgf/㎠으로 가압하여 5시간 가압한다. 함침된 탄소재 씨일은 수지액에서 꺼내 150℃의 건조기에서 48시간동안 유지하여 충분한 경화가 이루어지도록 한다.

함침이 완료된 탄소재 씨일은 150℃의 건조기에 넣고 24∼48시간 유지하여 완전히 경화되도록 하였다. 경화가 끝난 탄소재 씨일은 아르곤 가스 분위기 하에서 약 5℃/분의 속도로 1250℃까지 승온시킨 후 이 온도에서 2시간동안 유지하였다. 탄화가 끝난 탄소재 씨일은 비중 및 기계적 물성을 측정하여 재함침을 실시하였다.

[실시예 2]

탄소재 씨일을 밀도 1.82 g/㎤, 공극율 6.67 %, 주변경도 58 ,굽힘강도 47 MPa인 등방성 소재를 사용하여 함침하는 것외에는 커플링제의 종류, 수지액의 종류 및 함침조건은 실시예1과 동일하게 하여 탄소재 씨일을 함침하였다.

상기 실시예에 의한 수지피복 탄소재 씨일의 물성을 다음과 같이 측정하였다.

*열중량 분석(TGA) : 수지액의 온도 및 시간에 따른 경화반응을 관찰하고, 화학적 구조에 대한 간접적인 자료를 얻기 위해 열중량분석을 행하였고 사용한 기기는 스위스 메틀러(Mettler)사의 TGA/SDTA851 열분석시스템이며 질소 분위기에서 25℃부터 1000℃까지 10℃/min의 속도로 승온하였다.

*밀도 : 수지액의 종류와 표면처리, 함침횟수, 경화 및 탄화에 대한 탄소재 씨일의 영향을 관찰하기 위해 소수점 넷째 자리 화학저울(AT201, 메틀러, 스위스)을 사용하여 정확히 칭량하였고 버니어캘리퍼스로 시편의 체적을 구하여 겉보기 밀도를 측정하였다.

*경도 및 굽힘 강도 측정: 일본 토고시(Togoshi)사의 주변경도 시험기(Shore Hardness Tester)를 사용하여 수지함침 탄소재 씨일의 각 면에 대하여 3회씩 측정한 후 그 평균값을 취하였다. 굽힘 강도 측정용 수지함침 탄소재 씨일은 10×10×40mm(두께×너비×길이)의 규격으로 직사각 형태의 시편을 제작하고 인스트론형 만능시험기(모델명4202, 인스트론, 일본)로 500kg 로드셀, 교차속도 0.5mm/min, 스팬 거리-30mm의 조건으로 파괴하중을 구한 후, 3점 굽힘 강도를 다음 (1)식에 따라 계산하였다.

*마찰마모시험 : 각 공정별로 제작한 수지피복 탄소재 씨일의 마찰마모 특성 관찰 및 마찰계수를 측정하기 위해 핀부설판형(pin-on-disc type)의 마찰마모시험을 행하였다. 도 6은 본 실험에 사용된 마찰마모시험장치의 모식도로써 수지피복 탄소재 씨일 핀과 상대재인 판으로 이루어진 핀부설판형(pin-on-disc type)으로 수지피복 탄소재 씨일홀더는 수지피복 탄소재 씨일에 수직하중이 주어지도록 하였으며, rpm 조절이 가능한 직류모터를 사용하였다. 마모의 상대재는 지름 200mm, 경도 85의 S45C 철재판을 사용하였으며 마찰마모 수지피복 탄소재 씨일은 400번과 1200번 연마포로 연마하였고 수지피복 탄소재 씨일의 끝부분은 상대재와 일정하게 마모가 일어나도록 둥글게 연마하였다. 마찰계수는 600rpm으로 회전하는 철재 판위에 무윤활(dry contact) 상태로 수지피복 탄소재 씨일을 올려놓고 그 위에 1kg의 하중을 주었을 때 수지피복 탄소재 씨일에 걸리는 힘을 측정하여 얻었으며 다음과 같은 (2)식에 따라 계산하였다.

*FT-IR 관찰: 탄소재 씨일 표면의 실란커플링제의 흡착여부를 확인하기 위해 FT-IR 분석을 행하였다.

*평가 및 고찰

1. 수지액

도 2는 퍼퓨릴알콜과 경화제인 p-TSA가 혼합된 퓨란수지, 그리고 실란커플링제가 혼합된 수지의 열중량감소(TG)측정결과이다. 150∼200℃부근에서 큰 감소가 있었다. 퍼퓨릴알콜은 1000℃에 이르는 동안 전부 휘발되어 탄소수율이 0%이었다. 경화제p-TSA가 혼합된 퓨란수지는 1000℃ 이르는 동안도 거의 40%의 탄소수율을 보이고 있다. 그리고 퓨란수지와 탄소재간의 강한 결합을 유도하기 위해 실란이 혼합된 수지는 약간 높은 탄소수율을 보이고 있다.

도 3은 경화제(p-TSA)가 혼합된 퓨란수지의 숙성시간에 따른 열중량감소(TG)를 측정한 결과이다. 실란이 혼합된 수지와 혼합되지 않은 수지, 모두 같은 경향의 중량감소를 나타내었으나 숙성시간이 길어질수록 고분자화가 진행이 되어 탄소수율은 약간 증가하였다.

도 4는 숙성시간(aging time)의 증가에 따른 점도의 변화를 표시한 그래프로서 숙성시간(aging time)이 증가함에 따라 급격하게 점도가 상승하다가 72시간을 기점으로 완만한 변화를 나타내고 있다. 점도의 변화는 함침효율과 직접적인 관계가 있어 숙성시간(aging time)의 확립은 함침공정의 중요한 공정변수가 된다. 또한 열중량감소에서 보았듯이 숙성시간이 길수록 고분자화가 진행이 되어 탄소수율이 증가한다. 따라서 함침효율의 극대화를 위해서는 48시간 숙성된 수지액이 적합하다.

도 5는 퍼퓨릴 알콜에 경화제인 p-TSA의 함량을 0.05, 0.1, 0.2%로 조절하여 점도의 변화를 관찰하였다. 0.2%에서는 급격하게 점도가 상승하여 유동성이 느껴지지 않았다. 경화제의 증가는 중축합의 촉진으로 고분자화가 이루어져 1000℃의 탄화과정을 거친후 탄소수율의 증가로 이어졌다. 그러나 점도의 상승으로 탄소재 깊숙이 개기공으로 침투가 이루어지지 않아 함침효율은 떨어진다. 따라서 p-TSA의 함량은 0.05, 0.1%에서 정해져야 할 것이며 실험공정의 디자인시 1회, 2회 함침시 모재 깊숙이 수지액의 침투가 이루어지도록 점도가 낮은 수지액을 사용하고 3회이상의 함침시는 점도는 높으나 탄소수율이 높은 수지액을 사용하여 함침효율을 높이는 것이 적합하리라 판단된다.

2. 실란 커플링

도 6의 a)와 b)는 각각 커플링 처리되지 않은 탄소재과 실란계 커플링제로 처리된 탄소재의 표면에 대한 FT-IR 측정 결과이다. 결과에서 보이는 것처럼 3391∼3410㎝^-1에서 N-H 피크가 나타나고 있다. 이것으로 보아 커플링제가 탄소재에 흡착되었음을 알 수 있다.

3. 수지액에 따른 물성변화

수지액의 숙성시간(aging time)변화에 따른 물성을 관찰하였다. 도 7, 8는 숙성시간변화에 따른 밀도값과 주변강도(shore hardness)의 변화이다. 수지의 열중량감소에서 보았듯이 숙성시간이 증가함에 따라 고분자화가 이루어져 탄소수율이 증가한 결과로 밀도값과 주변강도값은 꾸준히 증가하였다. 그러나 72시간을 기점으로 증가하는 폭이 완만하였다. 이는 72시간까지 고분자되는 과정에서 휘발분과 수분이 제거되고 이후 수지 자체의 매우 느린 중축반응이 이루어진 결과로 더 이상의 숙성에 따른 변화가 일어나고 있지 않음을 의미한다. 따라서 함침효율의 증대를 위해서는 점도가 낮고 탄소수율이 좋은 48시간 숙성된 수지액이 적합하다.

4. 함침회수에 따른 기공율 및 밀도값

탄소재 씨일의 표면으로부터 내부로 이어지는 기공율을 측정하기 위해 아르키메데스법에 의한 겉보기 기공율을 측정하였다. 도 9, 10는 함침횟수에 따른 겉보기 기공율과 겉보기 밀도값의 변화이다. 함침횟수가 증가함에 따라 겉보기 기공율은 낮아지고 겉보기 밀도값은 증가하고 있다. 특히 3회 함침까지 겉보기 기공율의 저하와 겉보기 밀도값의 증가 현저했으며 4회 함침에서는 겉보기 기공율의 저하나 겉보기 밀도값의 증가가 그다지 크지 않았다.

이방성 탄소재의 경우 기공크기가 등방성 탄소재에 비해 커서 기공율이나 밀도값이 급격하게 개선이 되었다. 등방성 탄소재의 경우 3회함침에 밀도값이 최고점에 도달하였다. 이는 상대적으로 밀도가 높아 기공이 적고 기공의 크기가 작아 3회의 함침을 통해 상당부분의 기공들이 메워졌던 것으로 판단된다. 또한 4회와 5회의 함침에서 겉보기 기공율은 등방성이나 이방성 모두 같은 값을 나타내고 있다. 이는 함침횟수가 증가함에 따라 탄소재 표면의 기공들이 대부분 메워지며 수지함침이 완료된 것으로 판단된다.

5. 함침회수에 따른 꺾임강도값

도 11는 함침횟수에 따른 꺽임강도값을 나타내었다. 전반적으로 함침전과 비교하여 강도값의 변화가 현저하게 나타났다. 4회 함침후 꺽임강도값은 이방성은 11Mpa, 등방성은 17Mpa 상승하였다. 특히, 실란커플링처리 시편의 경우 실라놀과 수지의 관능기간에 강한 결합이 이루어져 시편의 강도값이 개선되었다. 등방성의 경우 커플링의 효과가 이방성에 비해 높게 나왔는데 이는 이방성 자체의 높은 기공율과 낮은 밀도로 인해 함침과정에서 수지가 표면에서 내부로 들어가는 길목을 막아 조직내에 많은 양의 닫힌 기공들이 여전히 남아 있어서 강도증진의 효과가 적은 반면에 등방성 탄소재는 자체의 양호한 조직으로 인해 함침후 수지와 탄소재간의 결합시 강도 증진에 실란 커플링처리 효과가 크게 나타났다.

6. 함침회수에 따른 마찰마모특성

탄소재는 소재 특성상 기밀성에 문제가 생길 수 있는데 3000℃이르는 생산조건에서 많은 양의 휘발분이 제거되어 기공이 생길 수 있다. 기공은 함침을 통해 메워질 수 있는데 이런 경우 탄소재의 조직의 변화로 마찰계수가 변화하게 되는데 수지액의 종류와 처리공정에 따라 마찰마모 양상이 변한다.

도 12, 13은 이방성 탄소재와 등방성 탄소재의 마찰시간에 따른 마찰마모특성을 나타내었다. 씨일의 특성상 마찰은 필수적으로 수용하게 되어 있는데 전반적으로 마찰마모 초기에 높고 불안정한 마찰양상이 나타나다가 마찰로 인해 윤활층이 형성되면서 안정되어 진다. 마찰은 조직에 따라 영향을 받는데 수지함침을 하지 않은 경우 초기에 낮은 마찰계수를 보이다가 마찰마모가 진행되면서 마찰면의 파임과 뜯김이 발생하면서 불안정한 마찰이 일어나 안정된 마찰마모를 나타내지 않고 있다.

반면에 수지함침 탄소재 씨일은 마찰초기에는 높은 마찰계수값을 나타내다가 마찰마모가 진행되면서 안정된 마찰양상을 보이고 있다. 이는 탄소재 조직내에 함침된 수지가 조직의 기공을 메워 안정적으로 마찰이 일어나도록 지지하였다. 또한 실란커플링처리로 수지와의 단단한 결합이 이루어진 탄소재는 더욱 견고한 지지로 안정되고 낮은 마찰계수값을 나타내었다. 등방성과 이방성 탄소재의 마찰마모 특성은 조직의 차이를 그대로 마찰마모특성에 반영하고 있다. 조직이 무르고 기공이 많은 이방성 탄소재는 불안정한 마찰마모 특성이 보이고 있고 조직이 견고한 등방성은 마찰마모시 큰 기복 없이 안정된 마찰특성을 보이고 있다.

*결론

이상의 실험 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

1)퓨란수지와 탄소재간의 강한 결합을 유도하기 위해 실란이 혼합된 수지는 약간 높은 탄소수율을 보이고 있으며 숙성시간이 길어질수록 고분자화가 진행이 되어 탄소수율이 증가하였으며 함침효율의 극대화를 위해서는 48시간 숙성된 수지액이 적합하다.

2)커플링 처리되지 않은 탄소재과 실란계 커플링제로 처리된 탄소재의 표면에 대한 FT-IR 측정 결과, 3391∼3410㎝^-1에서 N-H 피크가 나타나고 있는바 커플링제가 탄소재에 흡착되었음을 알 수 있다.

3)수지액의 숙성시간이 증가함에 따라 고분자화가 이루어져 탄소수율이 증가한 결과로 밀도값과 주변경도값은 꾸준히 증가하나 함침효율의 증대를 위해서는 점도가 낮고 탄소수율이 좋은 48시간 숙성된 수지액이 적합하다.

4)함침횟수가 증가함에 따라 겉보기 기공율은 낮아지고 겉보기 밀도값은 증가하고 있으며 이방성 탄소재의 경우 기공크기가 등방성 탄소재에 비해 커서 기공율이나 밀도값이 급격하게 개선이 되었다. 함침횟수에 따른 꺽임강도값은 전반적으로 함침전과 비교하여 강도값의 변화가 현저하게 나타났으며 특히, 실란커플링처리 시편의 경우 실라놀과 수지의 관능기간에 강한 결합이 이루어져 시편의 강도값이 개선되었다.

5)이방성 탄소재와 등방성 탄소재의 마찰시간에 따른 마찰마모특성에서 전반적으로 마찰마모 초기에 높고 불안정한 마찰양상이 나타나다가 마찰로 인해 윤활층이 형성되면서 안정되어 진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 부식성 및 내구성이 우수한 탄소재 씨일을 수지액에 함침시켜 수지피복층을 형성하게 되면 탄소재 씨일의 표면뿐만 아니라 내부 기공이 수지로 메꾸어지게 되어 불침투성이 우수하게 될 뿐만 아니라 내화학성 및 내구성이 우수한 탄소재 씨일을 얻을 수 있으며 수지와 탄소재 씨일의 계면접착력을 향상시키기 위해 실란커플링을 행하면 함침공정의 효율과 불침투성, 낮은 마찰계수, 내식성 및 절연성 등의 탄소재 씨일의 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

제1도는 본 발명인 수지피복 탄소재 씨일의 주요공정도이다.

제2도는 본 발명의 원료인 퓨란수지, 퓨릴알콜, 실란커플링의 무게변화를 나타낸 그래프이다.

제3도는 숙성시간에 따른 퓨란수지의 무게변화를 나타낸 그래프이다.

제4도는 숙성시간에 따른 퓨란수지의 점도변화를 나타낸 그래프이다.

제5도는 파라-티에스에이 함량(%)에 따른 퓨란수지의 점도를 나타낸 그래프이다.

제6도는 본 발명의 중간생성물인 실란미처리(a), 실란처리(b) 시편의 에프티-아이알스펙트럼을 나타낸 도면이다.

제7도는 수지액의 숙성시간에 따른 시편의 밀도변화를 나타낸 그래프이다.

제8도는 수지액의 숙성시간에 따른 전단경도를 나타낸 그래프이다.

제9도는 시편의 수지액에 대한 함침회수에 따른 시편의 겉보기 기공율(%)을 나타낸 그래프이다.

제10도는 시편의 수지액에 대한 함침회수에 따른 시편의 겉보기 비중을 나타낸 그래프이다.

제11도는 처리조건에 따른 탄소재 씨일의 꺽임강도값을 나타낸 그래프이다.

제12도는 마찰시간에 따른 등방성씨일의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.

제13도는 마찰시간에 따른 이방성씨일의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.

Claims (4)

1. 탄소재 씨일에 있어서,

   탄소재 씨일 기재의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐진 커플링부인 실라놀의 분자층과 상기 커플링부의 양 표면에 박엽형상으로 넓게 펼쳐져 형성된 퓨란수지층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일.
2. 제1항에 있어서, 기재로 쓰이는 탄소재 씨일은 등방성 또는 이방성소재중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일.
3. 탄소재 씨일의 제조방법에 있어서, 다음의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일의 제조방법.

   (a)에틸알콜, 정제수 및 Γ-아미노프로필트리에톡시실란을 혼합하여 교반한 혼합용액에 탄소재 씨일 기재를 함침하는 공정,

   (b)상기 탄소재 씨일 기재를 건조한 후 퍼퓨릴 알코올과 경화제인 P-톨루엔 술폰산을 진공환경에서 혼합한 피복재에 담근 후 가압하여 함침하는 공정 및

   (c)상기 공정이 완료된 탄소재 씨일 기재를 건조기에 넣어 경화시킨후 아르곤기체하에서 승온시켜 탄화하는 공정.
4. 제2항에 있어서, (a)공정에서 혼합되는 Γ-아미노프로필트리에톡시실란은 탄소재 씨일대비 1∼0.1WT%인것을 특징으로 하는 수지피복 탄소재 씨일의 제조방법.