KR101386700B1 - 연속식 섬유 안정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수용부를 구비하는 프레임과, 상기 프레임에 설치되고 상기 수용부에 지속적으로 섬유를 공급하도록 형성되는 섬유공급유닛과, 상기 수용부의 적어도 일 영역에 설치되며 상기 수용부에 공급되는 상기 섬유에 열을 가하도록 이루어지는 히팅유닛과, 상기 수용부의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 개구부를 한정하는 쉴드부재, 및 상기 개구부 상에 배치되어 상기 개구부를 통하여 노출되는 상기 섬유에 방사선을 조사하도록 형성되는 방사선조사유닛을 포함하는 연속식 섬유 안정화 장치를 제공한다.

Description

연속식 섬유 안정화 장치{APPARATUS FOR CONTINUOUS FIBER STABILIZATION}
본 발명은 탄화 공정에 앞서 섬유를 안정화 시키도록 형성되는 연속식 섬유 안정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 탄소섬유는 출발원료 섬유에 대하여 안정화 공정 및 탄화 공정을 거침으로써 제조되는데, 이때 탄소섬유의 출발원료로서는 기술적, 경제적인 측면과 최종제품의 물성을 고려하여, 레이온(rayon), 피치(pitch)계 범용섬유, 페놀계 섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유 등이 사용된다.
상기 탄소섬유의 제조방법에 있어서, 안정화 공정은 출발원료 섬유에 열을 가하거나 방사선을 조사함으로써 미가공섬유 내부에서 분자간 가교반응, 제거반응 등을 일으켜 이후의 탄화공정에 적합한 분자구조, 즉 열안정성이 뛰어난 구조를 갖도록 하는 공정이다.
예를 들면, 출발원료 섬유로서 PAN 섬유를 사용하는 경우, 안정화 공정으로써 200~300℃ 온도에서 수 시간(보통 2시간 이상) 동안 공기 중에서 열을 이용한 산화 안정화 공정, 또는 방사선을 10,000kGy 이상 조사함으로써 이루어지는 방사선을 이용한 산화 안정화 공정이 이루어진다.
이러한 산화 안정화 공정이 제대로 수행되지 않을 경우, 출발원료 섬유(예를 들면, PAN 섬유)가 탄화하는 동안 타버리게 되어, 강도에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라, 제조시간 및 여러 가지 문제점을 야기시킬 수 있기 때문에, 적절한 산화 안정화는 탄소섬유의 제조에 중요한 역할을 담당한다.
그러나, 일반적으로 안정화 공정은 열을 이용한 산화 안정화 공정과 방사선을 이용한 산화 안정화 공정이 별개로 이루어져 시간적, 경제적으로 비효율적이며, 이러한 안정화 단계를 거쳐 얻어진 탄소 섬유는 대부분 강직하거나 심한 열수축으로 인하여 끊어지기가 쉬워 고강도 탄소 섬유를 얻는 데에 한계가 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개실용신안공보 제20-2011-0002937호 (2011.03.23.)에 개시되어 있다.
본 발명은 열을 이용한 안정화 공정과 방사선을 이용한 안정화 공정을 동시에 수행할 수 있는 연속식 섬유 안정화 장치를 제안하는 것에 그 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 연속식 섬유 안정화 장치는, 수용부를 구비하는 프레임과, 상기 프레임에 설치되고 상기 수용부에 지속적으로 섬유를 공급하도록 형성되는 섬유공급유닛과, 상기 수용부의 적어도 일 영역에 설치되며 상기 수용부에 공급되는 상기 섬유에 열을 가하도록 이루어지는 히팅유닛과, 상기 수용부의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 개구부를 한정하는 쉴드부재, 및 상기 개구부 상에 배치되어 상기 개구부를 통하여 노출되는 상기 섬유에 방사선을 조사하도록 형성되는 방사선조사유닛을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 섬유공급유닛은, 상기 프레임의 양단부에 각각 구비되고 상기 섬유의 공급 특성을 조절할 수 있도록 적어도 하나가 회전 속도 또는 회전 방향의 조절이 가능하도록 형성되는 공급롤러 및 배출롤러와, 상기 프레임의 양측마다 복수 개로 구비되어 일단부에서 타단부를 향하여 열을 지어 배치되며 양측에 교대로 감기는 상기 섬유의 이동을 가이드하도록 형성되는 가이드롤러, 및 상기 섬유가 상기 공급롤러에서 상기 가이드롤러로 연결되고 상기 가이드롤러에서 상기 배출롤러로 연결될 수 있도록 상기 공급롤러의 후방 및 상기 배출롤러의 전방에 각각 배치되어 상기 섬유의 이동 방향을 전환하도록 형성되는 방향전환롤러를 포함한다.
또한, 상기 섬유공급유닛은, 어느 일측의 상기 가이드롤러에 인접하게 배치되고 상기 섬유가 일정한 장력을 유지할 수 있도록 회전 속도 또는 회전 방향을 조절 가능하게 형성되는 장력조절롤러를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 장력조절롤러는 상기 섬유에 걸리는 장력을 감지하도록 형성되는 로드셀 및 상기 장력조절롤러의 회전각을 검출하도록 형성되는 각도 센서 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
아울러, 상기 프레임의 양측에 서로 마주보고 배치되는 상기 가이드롤러 사이에는, 상기 섬유의 이동 경로를 따라 연장되는 경로부를 한정하고 상기 히팅유닛을 구비하는 프로파일이 설치될 수 있다.
상기 경로부는 상기 프로파일에 길이방향을 따라 연장되게 형성되는 홈 또는 홀에 의해 한정되거나, 복수 개로 구비되는 상기 프로파일 간에 형성되는 공간에 의해 한정될 수 있다.
또한, 상기 히팅유닛은 방사선 조사로 인한 상기 섬유의 손상을 방지하도록 상기 개구부를 제외한 상기 프로파일에 설치될 수 있다.
상기 히팅유닛은 상기 섬유를 감싸도록 형성되는 가열코일로 구성될 수 있다.
아울러, 상기 배출롤러에는 상기 섬유의 수축에 의해 발생하는 장력의 변화를 감지하여 상기 배출롤러의 회전 속도 또는 회전 방향을 조절하도록 형성되는 장력감지센서가 설치될 수 있다.
또한, 상기 섬유에 일정 시간 간격을 두고 방사선이 조사될 수 있도록, 상기 개구부는 상기 수용부의 일단에서 타단을 향하여 연장되게 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 수용부에 공급되는 섬유가 개구부를 통하여 노출될 때마다 방사선 조사를 받으면서, 수용부의 적어도 일 영역에 설치되는 히팅유닛에 의하여 열을 받게 되므로, 방사선을 이용한 안정화 공정과 열을 이용한 안정화 공정이 동시에 수행될 수 있다. 이에 의하면, 각 과정이 별개로 수행되었던 기존 공정에 비하여 안정화 소요 시간이 30% 이하 수준으로 낮아질 수 있다.
또한, 이 과정에서 섬유공급유닛은 각 롤러들의 회전 속도 또는 회전 방향을 제어하여, 열에 의해 수축되는 섬유에 일정한 장력을 주고, 섬유가 일정한 속도로 공급되도록 함으로써, 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연속식 섬유 안정화 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치의 평면도.
도 3은 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치의 측면도.
도 4는 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치를 배출롤러 방향에서 바라본 도면.
도 5a 및 5b는 도 1에 도시된 프로파일의 구성예를 보인 개념도들.
이하, 본 발명에 관련된 연속식 섬유 안정화 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연속식 섬유 안정화 장치(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치(100)의 평면도[방사선조사유닛(150)은 생략]이며, 도 3은 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치(100)의 측면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 연속식 섬유 안정화 장치(100)를 배출롤러(122) 방향에서 바라본 도면이다. 본 도면에서 일부 구성은 개념적으로 간략하게 표시하였으며, 도 2에서 섬유(10)는 일부만을 표시하였다.
도 1 내지 4를 참조하면, 연속식 섬유 안정화 장치(100)는 탄화 공정에 앞서 섬유(10)가 열안정성을 가질 수 있도록, 섬유(10)에 방사선을 이용한 안정화 공정과 열을 이용한 안정화 공정이 동시에 이루어지도록 구성된다. 연속식 섬유 안정화 장치(100)는 프레임(110), 섬유공급유닛(120), 히팅유닛(130), 쉴드부재(140), 방사선조사유닛(150)을 포함한다.
프레임(110)은 연속식 섬유 안정화 장치(100)의 외부 골격을 이루며, 수용부(111)를 구비한다. 수용부(111)는 안정화시키고자 하는 섬유(10)를 수용하도록 적정한 공간을 가진다. 본 도면에서는, 수용부(111)가 프레임(110)의 상부에 장방형으로 형성된 것을 보이고 있다. 프레임(110)의 하부에는 바퀴(112)가 장착되어 임의의 방향으로 이동 가능하게 형성될 수 있다.
섬유공급유닛(120)은 프레임(110)에 설치되어 수용부(111)에 지속적으로 섬유(10)를 공급하도록 형성된다. 섬유(10)는 레이온(rayon), 피치(pitch)계 범용섬유, 페놀계 섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유 등이 사용된다. 섬유공급유닛(120)은 공급롤러(121), 배출롤러(122), 가이드롤러(123a, 123b) 및 방향전환롤러(124a, 124b)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 프레임(110)의 양단부에는 공급롤러(121)와 배출롤러(122)가 각각 장착된다. 공급롤러(121)와 배출롤러(122) 중 적어도 하나는 모터(121a, 122a)에 의하여 회전 속도 또는 회전 방향의 조절이 가능하도록 형성되어, 섬유(10)의 공급 특성을 조절할 수 있도록 구성된다.
예를 들어, 배출롤러(122)는 회전 속도를 증가시킴으로써, 안정화 공정에서의 조사열에 의해 수축되는 섬유(10)에 장력을 제공할 수 있다. 아울러, 도 4에 도시된 바와 같이, 배출롤러(122)에는 섬유(10)의 수축에 의해 발생하는 장력의 변화를 감지하여 배출롤러(122)의 회전 속도 또는 회전 방향을 조절하도록 형성되는 장력감지센서(170)가 구비될 수 있다.
가이드롤러(123a, 123b)는 프레임(110)의 양측마다 복수 개로 구비되어 일단부에서 타단부를 향하여 열을 지어 배치된다. 섬유(10)는 가이드롤러(123a, 123b)의 양측에 교대로 감겨 일단부에서 타단부를 향하여 이동된다.
프레임(110)의 어느 일측에는 수용부(111) 내에서 이동되는 섬유(10)에 일정한 장력을 부여할 수 있도록 회전 속도 또는 회전 방향을 조절 가능하게 형성되는 장력조절롤러(125)가 추가로 구비될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 장력조절롤러(125)는 프레임(110)의 어느 일측에 구비되는 가이드롤러(123a, 123b)마다 대응되게 배치되어 섬유(10)에 지속적으로 일정한 장력을 부여하도록 형성될 수 있다.
장력조절롤러(125)에는 섬유(10)에 걸리는 장력을 감지하기 위한 로드셀 및 장력조절롤러(125)의 회전각을 검출하도록 형성되는 각도 센서 중 적어도 하나가 구비될 수 있다. 장력조절롤러(125)는 로드셀 및 각도 센서 중 적어도 하나로부터 감지되는 정보를 지속적으로 전달받아, 이에 대한 피드백으로서, 롤러의 회전 속도 또는 회전 방향을 제어하도록 형성된다.
방향전환롤러(124a, 124b)는 섬유(10)가 공급롤러(121)에서 가이드롤러(123a, 123b)로 연결되고, 가이드롤러(123a, 123b)에서 배출롤러(122)로 연결될 수 있도록 섬유(10)의 이동 방향을 전환하도록 이루어진다. 도 2에서는 방향전환롤러(124a, 124b)가 공급롤러(121)의 후방 및 배출롤러(122)의 전방에 각각 배치되어, 프레임(110) 일단부의 중앙 부분으로 공급되는 섬유(10)가 프레임(110)의 일측에 구비된 가이드롤러(123a, 123b)로 연결되고, 다시 프레임(110) 타단부의 중앙 부분으로 배출되도록 구성된 것을 예시하고 있다.
수용부(111)의 적어도 일 영역에는 히팅유닛(130)이 설치되어, 수용부(111)에 공급되는 섬유(10)에 열을 가하도록 이루어진다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 프레임(110)의 양측에 서로 마주보고 배치되는 가이드롤러(123a, 123b) 사이에는 히팅유닛(130)을 구비하는 프로파일(160)이 설치될 수 있다. 히팅유닛(130)은 가열코일 형태로 프로파일(160)에 설치될 수 있다.
쉴드부재(140)는 수용부(111)의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 개구부(141)를 한정하도록 이루어진다. 본 도면에서는, 쉴드부재(140)가 수용부(111)의 양측을 각각 덮도록 설치되어, 수용부(111)의 일단에서 타단을 향하여 연장되게 형성되는 개구부(141)를 한정하는 것을 보이고 있다. 쉴드부재(140)는 소정 두께를 갖는 판재의 표면에 방사선 차폐 물질(예를 들어, 산화 붕소, 납 등)이 코팅 처리되어 형성되거나, 방사선 차폐 물질 자체가 판상 형태로 이루어져 형성될 수 있다.
쉴드부재(140)에 의해 한정되는 개구부(141) 상에는 방사선조사유닛(150)이 배치되어, 개구부(141)를 통하여 노출되는 섬유(10)에 방사선을 조사하도록 형성된다. 방사선조사유닛(150)은 프레임(110)과 연결되는 연결부재(미도시)를 통하여 개구부(141) 상에 설치되거나, 프레임(110)과는 별도로 구성될 수 있다. 후자의 경우, 연속식 섬유 안정화 장치(100)와 방사선조사유닛(150)은 섬유 안정화 시스템을 구성한다.
도 1 및 3을 참조하면, 방사선조사유닛(150)은 개구부(141)에 대응되도록 연장되게 형성될 수 있다. 개구부(141)는 수용부(111)의 일단에서 타단을 향하여 연장되게 형성되고, 섬유(10)는 개구부(141)를 가로질러 양측을 반복적으로 이동하도록 이루어짐으로써, 섬유(10)에는 일정 시간 간격을 두고 방사선이 조사될 수 있다.
아울러, 히팅유닛(130)은 방사선 조사로 인한 섬유(10)의 손상을 방지하도록 개구부(141)를 제외한 프로파일(160)에 설치되는 것이 바람직하다. 본 도면에서는 히팅유닛(130)을 구비하는 프로파일(160)이 배출롤러(122) 측에 배치되어, 섬유(10)가 처음에는 방사선 조사를 받다가 이후에 방사선 조사와 함께 열을 받도록 구성된 것을 보이고 있다.
이러한 안정화 공정을 통하여 섬유(10) 내부에서는 분자간 가교반응, 제거반응 등이 일어나게 되어, 이후의 탄화 공정에 적합한 분자구조, 즉 열안정성이 뛰어난 구조가 갖춰질 수 있다.
본 발명에 의하면, 수용부(111)에 공급되는 섬유(10)가 개구부(141)를 통하여 노출될 때마다 방사선 조사를 받으면서, 수용부(111)의 적어도 일 영역에 설치되는 히팅유닛(130)에 의하여 열을 받게 되므로, 방사선을 이용한 안정화 공정과 열을 이용한 안정화 공정이 동시에 수행될 수 있다. 이에 의하면, 각 과정이 별개로 수행되었던 기존 공정에 비하여 안정화 소요 시간이 30% 이하 수준으로 낮아질 수 있다.
또한, 이 과정에서 섬유공급유닛(120)은 각 롤러들의 회전 속도 또는 회전 방향을 제어하여, 열에 의해 수축되는 섬유(10)에 일정한 장력을 주고, 섬유(10)가 일정한 속도로 공급되도록 함으로써, 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 5a 및 5b는 도 1에 도시된 프로파일(160)의 구성예를 보인 개념도들이다.
앞서 설명한 바와 같이, 프레임(110)의 양측에 서로 마주보고 배치되는 가이드롤러(123a, 123b) 사이에는 히팅유닛(130)을 구비하는 프로파일(160)이 설치된다. 이러한 프로파일(160)에 의하여 섬유(10)의 이동 경로를 따라 연장되는 경로부(162)가 한정될 수 있다.
도 5a에서는 경로부(262)가 프로파일(260)에 형성되는 홈(261, 또는 홀)에 의하여 한정되는 것을 예시하고 있으며, 도 5b에서는 경로부(362)가 복수 개로 구비되는 프로파일(360) 간에 형성되는 공간에 의해 한정되는 것을 보이고 있다.
히팅유닛(230, 330)은 홈(261, 또는 홀)의 내벽에 가열코일 형태로 설치되어 섬유(10)를 감싸도록 형성되거나, 프로파일(360)의 양측벽에 설치되어 마주보는 프로파일(360) 사이에 배치되는 섬유(10)를 가열하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 연속식 섬유 안정화 장치는 위에서 설명된 실시예들의 방법과 구성에 한정되지 않는다. 본 발명은 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 다양하게 응용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 수용부를 구비하는 프레임;
    상기 프레임에 설치되고, 상기 수용부에 지속적으로 섬유를 공급하도록 형성되는 섬유공급유닛;
    상기 수용부의 적어도 일 영역에 설치되며, 상기 수용부에 공급되는 상기 섬유에 열을 가하도록 이루어지는 히팅유닛;
    상기 수용부의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 개구부를 한정하는 쉴드부재; 및
    상기 개구부 상에 배치되어 상기 개구부를 통하여 노출되는 상기 섬유에 방사선을 조사하도록 형성되는 방사선조사유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유공급유닛은,
    상기 프레임의 양단부에 각각 구비되고, 상기 섬유의 공급 특성을 조절할 수 있도록 적어도 하나가 회전 속도 또는 회전 방향의 조절이 가능하도록 형성되는 공급롤러와 배출롤러;
    상기 프레임의 양측마다 복수 개로 구비되어 일단부에서 타단부를 향하여 열을 지어 배치되며, 양측에 교대로 감기는 상기 섬유의 이동을 가이드하도록 형성되는 가이드롤러; 및
    상기 섬유가 상기 공급롤러에서 상기 가이드롤러로 연결되고 상기 가이드롤러에서 상기 배출롤러로 연결될 수 있도록, 상기 공급롤러의 후방 및 상기 배출롤러의 전방에 각각 배치되어 상기 섬유의 이동 방향을 전환하도록 형성되는 방향전환롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 섬유공급유닛은,
    어느 일측의 상기 가이드롤러에 인접하게 배치되고, 상기 섬유가 일정한 장력을 유지할 수 있도록 회전 속도 또는 회전 방향을 조절 가능하게 형성되는 장력조절롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 장력조절롤러는 상기 섬유에 걸리는 장력을 감지하도록 형성되는 로드셀 및 상기 장력조절롤러 중 적어도 하나의 회전각을 검출하도록 형성되는 각도 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 프레임의 양측에 서로 마주보고 배치되는 상기 가이드롤러 사이에는, 상기 섬유의 이동 경로를 따라 연장되는 경로부를 한정하고 상기 히팅유닛을 구비하는 프로파일이 설치되는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 경로부는 상기 프로파일에 길이방향을 따라 연장되게 형성되는 홈 또는 홀에 의해 한정되거나, 복수 개로 구비되는 상기 프로파일 간에 형성되는 공간에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 히팅유닛은 방사선 조사로 인한 상기 섬유의 손상을 방지하도록 상기 개구부를 제외한 상기 프로파일에 설치되는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 히팅유닛은 상기 섬유를 감싸도록 형성되는 가열코일인 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 배출롤러에는 상기 섬유의 수축에 의해 발생하는 장력의 변화를 감지하여 상기 배출롤러의 회전 속도 또는 회전 방향을 조절하도록 형성되는 장력감지센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 섬유에 일정 시간 간격을 두고 방사선이 조사될 수 있도록, 상기 개구부는 상기 수용부의 일단에서 타단을 향하여 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연속식 섬유 안정화 장치.
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JP2002013031A (ja) 2000-06-28 2002-01-18 Nippon Steel Corp 炭素材料の黒鉛化方法及びその装置
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