KR101523443B1 - 탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법으로, 구체적으로는 탄소섬유 매트 직교 장치를 이용하여 제조함으로써 면밀도가 균일하고 탄소섬유의 배향성이 향상되어 별도의 개섬, 소면 공정 없이 탄소섬유 펠트를 제조하여 공정 수율 및 단열 성능이 종래에 비해 우수한 탄소섬유 펠트를 제조하는 방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법{PREPARING METHOD OF CARBON FIBER FELT AND HEAT INSULATOR USING THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법으로, 구체적으로는 탄소섬유 매트 직교 장치를 이용하여 제조함으로써 면밀도가 균일하고 탄소섬유의 배향성이 향상되어 별도의 개섬, 소면 공정 없이 탄소섬유 펠트를 제조하여 공정 수율 및 단열 성능이 종래에 비해 우수한 탄소섬유 펠트를 제조하는 방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법에 관한 것이다.
탄소소재는 높은 열전도성, 전기 전도성, 우수한 기계 강도를 가진 소재로서, 예전부터 산업분야에 널리 사용되어 왔다. 이러한 탄소소재를 섬유상의 형태로 가공한 탄소섬유는 탄소함량이 90% 이상인 섬유상의 모양을 가진 소재를 지칭하며, 우수한 열전도성, 전기전도성, 기계적 물성을 보유한다.
탄소섬유는 섬유상의 모양을 가져 가공성이 뛰어나고 활용범위가 넓어 탄소소재 중에서도 특히 주목받고 있는 소재이다. 탄소섬유는 특히 고온에서 우수한 특성을 보이는데, 고온일수록 기계적 강도가 낮아지는 금속소재와 달리 온도가 높아질수록 기계적 강도가 증가하는 특성을 가지고 있으며, 열팽창계수가 낮고 비산화 분위기에서 3000℃까지 사용할 수 있는 유일한 소재로 손꼽힌다.
탄소섬유는 크게 원료에 따라 구분되는데, PAN계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유로 구분되어 진다. PAN계 탄소섬유는 비교적 다른 소재에 비해 가볍고, 기계적 물성이 우수하여 골프채, 낚시대 등과 같은 고급 스포츠 레져용품에 많이 사용되며, 현재는 자동차, 선박 등 기존의 금속소재를 사용해 왔던 분야에서 금속을 대체할 수 있는 소재로 인정받고 있다. 레이온계 탄소섬유는 값싼 원료를 바탕으로 비교적 제조방법이 간단하고 대량생산이 용이하여 범용 탄소섬유로 사용이 가능하다. 피치계 탄소섬유는 석탄 콜타르 및 석유 잔사유를 원료로 하며 결정성에 따라 등방성 탄소섬유와 이방성 탄소섬유로 구분되고, 용도 및 제조방법에 따라 범용 소재와 특수 기능성 소재로서 널리 사용되고 있다.
특히 피치계 탄소섬유는 값이 매우 저렴한 석탄 콜타르 및 석유 잔사유를 통해 제조되며, 모듈러스값이 높고 고온에서 열변형이 없어 산업소재로서 활용분야가 다양하다. 또한 제조방법에 따라 원하는 물성으로 제조가 가능하여, 범용 탄소섬유뿐만 아니라, 특수분야 및 기능성 소재로서 활용범위가 매우 넓은 것이 특징이다. 피치계 탄소섬유는 이러한 특성을 바탕으로 산업분야에서 수요가 급속도로 성장하고 있는 상황이며, 특히 고온 단열재 분야가 대표적이다.
고온 단열재는 약 2000℃ 이상의 로(furnace)에서 사용되는 특수 산업소재인데, 현재로서는 2000℃ 이상에서 사용이 가능한 소재로는 탄소섬유가 유일하다. 고온 단열재는 반도체 및 태양광 발전의 소재인 폴리실리콘 생산에 필수적인 소재이고, 우수한 단열성능과 고순도의 물성을 요구하며, 재료 원료로는 등방성 탄소섬유가 적합하다.
고온 단열재를 제조하는 방법으로는 짧은 길이의 탄소섬유를 분산용매에 분산하여 바인더를 함침시켜 몰드를 이용해 성형하는 방법이 있다. 단열재 제조방법은 약 1~5mm 길이의 탄소섬유를 물, 혹은 알코올류와 같은 분산용매에 분산시켜 탄소섬유 단열재를 제조하는 방법인데, 분산이 쉽지 않고 분산용매가 대량으로 필요로 한다. 탄소섬유는 서로 엉켜있는 형태로 존재하기 때문에, 분산용매를 이용하여 분산시키는 것이 매우 어렵고 분산이 되더라도 효과가 좋지 않아 단열성능이 우수한 고온 단열재를 얻기가 쉽지 않다.
고온 단열재를 제조하는 또 다른 방법으로는 탄소섬유 펠트를 이용하여 제조하는 것이다. 방사된 탄소섬유를 집합 퇴적하여 개섬, 소면, 니들 펀칭과 같은 공정을 거쳐 탄소섬유 펠트를 제조하고, 이를 바인더에 함침시켜 적층, 가압경화하여 단열재를 제조하는 방법이다. 앞서 언급된 방법과는 달리 별도의 분산공정이 필요없어, 단열재를 제조하는데 있어 효율적인 방법이지만, 탄소섬유 펠트를 제조하는 공정 중에 펠트의 좌우 면밀도가 불균일하여 엣지 손질(trimming)이 필요하며, 별도의 개섬, 소면공정을 거치므로, 수율이 감소하고 탄소섬유 배향이 좋지 않아 우수한 단열성능을 가진 단열재의 제조가 용이하지 않은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고, 탄소섬유 매트 직교 장치를 이용하여 제조함으로써 면밀도가 균일하고 탄소섬유의 배향성이 향상되어 별도의 개섬, 소면 공정 없이 탄소섬유 펠트를 제조하여 공정 수율 및 단열 성능이 종래에 비해 우수한 탄소섬유 펠트를 제조하는 방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 탄소섬유 펠트의 제조방법은 (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계; (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계; (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계; (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 전구체 웹을 상기 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 탄소섬유 펠트의 제조방법은 (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계; (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계; (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계; (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 전구체 웹을 상기 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하는 단계; (f) 상기 탄소섬유 펠트를 이송하면서 바인더를 함침시키는 단계; (g) 상기 바인더가 함침된 탄소섬유 펠트를 적층, 경화하는 단계; 및 (h) 상기 경화된 탄소섬유 펠트를 탄화 및 흑연화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 의하는 경우, 별도의 개섬, 소면 공정이 없어 공정이 단순화되고, 탄소섬유 펠트의 수율이 향상된다는 효과가 있다.
본 발명의 제조방법에 의하는 경우, 제조된 펠트 내 탄소섬유의 배향이 일정하게 되는바, 이를 이용하여 제조한 단열재의 단열성능이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법을 이행하기 위한 탄소섬유 펠트의 제조장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법을 이행하기 위한 탄소섬유 펠트의 제조장치 중 탄소섬유 매트 직교 장치의 상세 모식도이다.
도 3은 실시예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트의 단면이다.
도 4는 비교예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트의 단면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 및 이를 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 펠트 제조방법 및 이를 이용한 단열재의 제조방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 1, 2를 참조하여 탄소섬유 펠트 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 탄소섬유 펠트의 제조방법은 (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계; (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계; (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계; (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 전구체 웹을 상기 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서 방사노즐(100)을 통해 탄소섬유 제조용 피치를 방사한다. 여기에서, 상기 탄소섬유 제조용 피치는 석탄 콜타르 피치, 석유 잔사유 피치로 이루어진 군에서 선택한 단독 또는 혼합물일 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 탄소섬유 평균길이가 1~100mm , 더욱 바람직하게는 50mm, 상기 탄소섬유 직경은 1~20㎛, 더욱 바람직하게는 5~20㎛일 수 있다.
탄소섬유 길이가 짧으면, 펠트제조가 불가능하며, 탄소섬유 길이가 길면 탄소섬유가 구부러진 형태로 집합퇴적되므로 펠트 제조시 균일한 겉보기 밀도로 조절이 어렵고, 탄소섬유 배향이 좋지 않다.
탄소섬유 직경이 얇으면, 펠트 제조 공정시 탄소섬유가 부서지기 쉬워 수율이 낮아지는 문제점이 있으며, 너무 두꺼우면 탄소섬유 불융화가 제대로 이루어지지 않아, 탄소섬유 탄화공정시 열융착 현상이 발생한다.
상기 탄소섬유 제조용 피치의 연화점(softening point)은 250~350℃ 인 것이 바람직하다. 연화점이 낮으면 섬유 방사시 점도가 낮아 섬유형상을 유지하기 어려우며, 연화점이 높으면 방사온도가 높아지므로, 섬유가 산화되기 쉬워 원하는 물성의 탄소섬유를 얻기 어렵다.
탄소섬유 제조용 피치의 방사방법은 멜트-방사법 혹은 멜트-블로우 방사법이 바람직하다. 원심방사는 탄소섬유를 일정한 방향으로 집합 퇴적시키기 어려우며, 권취방사는 탄소섬유 길이가 길어 탄소섬유 직물을 제조하는 데는 용이하나, 탄소섬유 펠트를 제조하는데 적합하지 않다.
다음으로, 탄소섬유 매트 직교 장치(200)를 이용하여 상기 (b) 단계, (c) 단계, (d) 단계를 수행한다. 탄소섬유 매트 직교 장치는 제1이송컨베이어(201), 트레이(202), 제2이송컨베이어(203)를 포함한다.
먼저 (b) 단계에서 상기 방사된 탄소섬유 제조용 피치를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어(201)를 따라 이송한다.
상기 제1이송컨베이어(201)는 방사노즐로부터 방사되는 피치섬유를 임의의 제1방향으로 이송하는 역할을 한다. 이 때 상기 제1방향은 방사노즐이 배열된 방향과 직교하는 방향인 것이 바람직하다.
다음으로, (c) 단계에서 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이(202)에 집합시킨다.
상기 트레이(202)는 상기 설정된 제1이송컨베이어의 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동한다.
다음으로, (d) 단계에서 상기 집합된 피치섬유를 상기 트레이(202)로부터 제2방향으로 이동하는 제2컨베이어(203)로 피치섬유를 하강시켜 원하는 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성시킨다. 제2컨베이어(203)에 집합되는 전구체 웹의 층 수는 4~10인 것이 바람직하다. 층 수가 4 미만이면 면밀도의 불균일을 해소하는데 큰 효과가 없으며, 층 수가 10을 초과하면 두께가 너무 두꺼워져서 후속 공정(불융화 및 탄화공정)에 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
상기 제2이송컨베이어(203)가 이동하는 방향인 상기 제2방향은 상기 제1이송컨베이어(201)가 이동하는 방향인 상기 제1방향과 직교하는 것이 바람직하다. 즉, 이 때 전구체 웹의 이송방향이 변화하게 되면서, 이에 따라 전구체 웹의 좌우 면밀도의 불균일이 상쇄되는 효과가 발생된다.
이 점 고려할 때, 상기 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 방사노즐의 배열방향은 상기 제2이송컨베이어의 이동방향과 일치할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계, (c) 단계, (d) 단계에서, 상기 제1이송컨베이어(201)의 이동속도를 V1, 상기 제2이송컨베이어의 이동속도를 V2, 상기 전구체 웹의 층 수를 N이라 하는 경우, V1, V2, N이 하기 식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
[식 1]
V2 = V1/N
또한, 본 발명의 제조방법에 있어서 상기 제1이송컨베이어의 이동속도를 V1, 상기 트레이의 이동속도를 V3라 하는 경우, V1, V3가 하기 식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
[식 2]
V1 = V3
다음으로, (e) 단계에서 상기 전구체 웹을 상기 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화로(300)를 거쳐 불융화, 탄화로(400)를 거쳐 탄화하여 탄소섬유 펠트를 제조한다.
불융화 공정은 산소 분위기 하에서 진행한다. 불융화 공정은 탄소섬유 표면에 산소를 이용하여 분자끼리 가교시킴으로써 분자량을 높여주는 공정이다. 불융화가 제대로 되지 않을 경우 탄소섬유 탄화공정에서 탄소섬유까지 열융착되어 엉켜붙는 문제점이 발생한다.
불융화 온도는 150~400℃ 사이에서 진행되며, 이때 승온속도가 매우 중요하다. 승온속도는 0.5~5℃/min이 바람직하며, 승온속도가 낮을 경우 생산성이 감소되는 문제점이 있으며, 승온속도가 높을 경우, 탄소섬유가 탄화공정시 열융착되는 현상이 발생한다. 이때, 탄소섬유의 산소함량이 증가되는데, 산소함량은 5~10%가 적당하다.
상기 불융화된 탄소섬유는 탄화공정을 거치게 된다. 탄화공정은 비산화 분위기에서 진행되면, 약 800~1000℃에서 실시한다. 탄화된 탄소섬유는 탄소함량이 90% 이상이 된다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 탄소섬유 펠트는 면밀도가 고르며, 중앙의 면밀도와 좌 및 우의 면밀도 사이 차이가 0.01% ~ 10%인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니며, 0.02% ~ 5%인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
탄화된 탄소섬유 매트를 탄소섬유 펠트로 제조하기 위해 니들 펀칭(500) 공정을 실시한다. 탄소섬유 매트의 두께방향으로 니들 펀칭 공정을 함으로써, 3차원적으로 안정된 탄소섬유 펠트를 얻을 수 있게 된다.
탄소섬유 펠트는 일반적으로 보관 및 수송의 용이성을 위해 권취기(600)를 통해 롤 형태로 권취하게 된다. 따라서 탄소섬유 펠트의 겉보기 밀도가 낮을 경우, 권취시 펠트가 끊어질 수 있고, 반대로 겉보기 밀도가 높을 경우 롤 형태로 권취가 어렵게 된다. 탄소섬유 펠트의 겉보기 밀도는 0.03~0.15g/cm3가 바람직하다.
다음으로, 먼저 탄소섬유 펠트를 이용한 단열재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 탄소섬유 펠트의 제조방법은 (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계; (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계; (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계; (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계; (e) 상기 전구체 웹을 상기 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하여 탄소섬유 펠트를 제조하는 단계; (f) 상기 탄소섬유 펠트를 이송하면서 바인더를 함침시키는 단계; (g) 상기 바인더가 함침된 탄소섬유 펠트를 적층, 경화하는 단계; 및 (h) 상기 경화된 탄소섬유 펠트를 탄화 및 흑연화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)~(e) 공정은 상기 탄소섬유 펠트 제조공정에서 이미 설명한 바, 여기에서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
상기 (f) 단계에서 롤러를 통해 제조된 탄소섬유 펠트를 이송하면서 바인더를 함침시킨다. 사용가능한 바인더로는 페놀수지, 퓨란수지, 함침용 피치, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 슈크로스 중에서 선택한 1종 이상을 들 수 있다.
다음으로, 상기 (g) 단계에서 상기 바인더가 함침된 탄소섬유 펠트를 일정한 크기로 잘라 적층시키고, 가압프레스를 이용하여 경화시킨다. 바인더가 경화될 수 있는 온도를 유지하면서, 탄소섬유 펠트의 두께가 반으로 압축될 수 있을 정도의 압력을 가한다.
다음으로 상기 (h)단계에서 경화된 탄소섬유 단열재를 비산화 분위기에서 약 1000℃, 2000℃에서 각각 탄화, 흑연화한다. 탄화공정 중에 바인더가 열분해 되면서 탈지가스가 발생하며, 이후 흑연화를 통해 열분해 가스가 발생하지 않도록 한다. 흑연화 이후에 탄소섬유 단열재 제조가 완료되며 겉보기 밀도가 0.1~0.3g/cm3이 되도록 하는 것이 바람직하다. 겉보기 밀도가 높으면 열전도도가 높아져 단열성능이 낮아지며, 겉보기 밀도가 낮을 경우, 고온에서의 복사열을 차단하지 못해 단열성능이 저하되는 문제점이 발생한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 이에 대비되는 비교예를 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
실시예 1
석탄계 고연화점 등방성 피치(SP: 280℃)를 4kg/hr 속도로 방사노즐을 통해 밀어내며 멜트블로우 방사법에 의해 탄소섬유를 방사하였다.
방사된 피치계 탄소섬유를 퇴적시켜 이송하면서 본 발명의 탄소섬유 매트 직교장치를 통해 m2당 6층을 다시 집합 퇴적시켰다.
이때, 탄소섬유 매트의 폭은 1.2m 이고, 이송속도는 3m/min 이었다. 상기 탄소섬유 매트는 불융화로, 탄화로로 0.5m/min의 속도로 이송하였다.
150~350℃에서 불융화시킨 탄소섬유 매트를 약 800℃에서 탄화하고 니들 펀칭하여 겉보기 밀도 0.05g/cm3의 탄소섬유 펠트로 제조하였다.
비교예 1
석탄계 고연화점 피치(SP: 280℃)를 4kg/hr 속도로 방사노즐을 통해 밀어내며 멜트블로우 방사법에 의해 탄소섬유를 방사하였다.
방사된 피치계 탄소섬유를 본 발명의 탄소섬유 매트 직교장치를 이용하지 않고 공정방향의 변경없이 곧바로 불융화로, 탄화로로 이송하였다.
이 때 탄소섬유 매트의 폭은 1.2m 이었다. 상기 탄소섬유 매트는 컨베이어 벨트를 통해 불융화로, 탄화로로 이송하였고, 이때 컨베이어 벨트의 속도는 0.5m/min 이었다.
150~350℃에서 불융화시킨 탄소섬유 매트를 약 800℃에서 탄화하였다. 탄화된 탄소섬유 매트는 가넷실린더를 통해 개섬, 소면하고 니들 펀칭하여 겉보기 밀도 0.05g/cm3의 탄소섬유 펠트로 제조하였다.
평가
1. 탄소섬유 펠트의 수율 및 열전도도 평가
상기 제조된 실시예 1 및 비교예 1의 탄소섬유 펠트의 수율 및 열전도도를 측정하고 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예1 비교예1
고연화점 피치로부터 얻어진 탄소섬유 펠트 수율 (%) 75 65
탄소섬유 펠트 열전도도
(at 20℃ (W/mK))		 0.035 0.050
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의할 경우, 탄소섬유 매트의 좌우 면밀도의 불균일이 상쇄되어, 면밀도의 불균일에 의해 별도의 탄소섬유 매트의 엣지를 절단하는 양이 줄어들어 공정 수율이 높아지는 효과가 있음을 알 수 있었다.
또한 탄소섬유 피치를 배열하고 재퇴적시킴으로써 탄소섬유 피치의 배향성이 우수하여, 별도의 개섬, 소명 공정이 불필요하게 되어 탄소섬유 펠트의 수율이 현저히 향상되는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 공정을 이용하고, 별도의 개섬, 소면공정 없이 제조한 탄소섬유 펠트가 공정수율이 높고, 열전도도가 낮은 우수한 특성을 나타내었다.
섬유의 배향이 우수할수록 낮은 열전도도값을 보이는데, 상기 열전도도값을 통해 본 발명의 제조방법에 의하는 경우, 탄소섬유 펠트 내 탄소섬유의 배향이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
2. 탄소섬유 펠트의 단면 평가
상기 제조된 실시예 1 및 비교예 1의 탄소섬유 펠트의 단면을 대비, 평가하였다. 결과는 각각 도 3, 4에 나타내었다.
도 3은 실시예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트의 단면으로, 본 발명의 탄소섬유 매트 직교장치를 통과하는 과정을 통해 탄소섬유의 배열이 면 방향으로 일정하게 배열된 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 비교예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트의 단면으로, 본 발명의 탄소섬유 매트 직교장치를 통과하는 과정이 없어 탄소섬유의 배열이 방향성 없이 불규칙하게 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
3. 면밀도 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트의 위치별 면밀도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 샘플은 위치별로 10×10cm로 채취하였다.
구분 면밀도(좌) 면밀도(중앙) 면밀도(우)
실시예1 490 g/m2 495 g/m2 493 g/m2
비교예1 447 g/m2 491 g/m2 453 g/m2
비교예 1에서 볼 때 중앙 면밀도(A)와 좌(B) 및 우(C) 면밀도의 차이는 중앙 면밀도를 기준으로 각각 약 8% 및 약 7% 였다. 그와는 다르게 실시예 1의 중앙 면밀도와 좌 및 우 면밀도의 차이는 각각 약 1% 및 약 0.4% 였다. 이를 통해 본 발명의 탄소섬유 펠트의 제조방법을 이용하면 중앙, 좌 및 우에서 고른 면밀도를 가진 탄소섬유 펠트를 제조할 수 있다.
4. 단열재 성능 평가
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 탄소섬유 펠트를 각각 레졸형 페놀수지에 함침시키고, 150℃에서 경화하고 탄화한 뒤에 2000℃에서 흑연화하여 겉보기 밀도 0.16g/cm3의 탄소섬유 단열재를 제조하였다.
상기 제조된 단열재의 열전도도 측정 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1
탄소섬유 단열재 겉보기 밀도
(g/cm3)		 0.16 0.16
탄소섬유 단열재 열전도도
at 20℃ (W/mK)		 0.068 0.127
상기 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 단열재는 탄소섬유의 배향이 일정하게 되는바, 이를 이용하여 제조한 단열재의 단열성능이 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계;
    (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계;
    (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계;
    (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계;
    (e) 상기 전구체 웹을 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제2이송컨베이어가 이동하는 방향인 제2방향은 상기 제1이송컨베이어가 이동하는 방향인 상기 제1방향과 직교하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1이송컨베이어의 이동속도를 V1, 상기 제2이송컨베이어의 이동속도를 V2, 상기 전구체 웹의 층 수를 N이라 하는 경우, V1, V2, N이 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
    [식 1]
    V2 = V1/N
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1이송컨베이어의 이동속도를 V1, 상기 트레이의 이동속도를 V3라 하는 경우, V1, V3가 하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
    [식 2]
    V1 = V3
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 방사노즐의 배열방향은 상기 제2이송컨베이어의 이동방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 제조용 피치는 연화점이 250~350℃인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 불융화 온도는 150~400℃, 승온속도는 0.5~5℃/min인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화 온도는 800~1000℃인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제조방법에 의해 제조된 탄소섬유 펠트는, 펠트의 중심을 기준으로 좌와 우의 면밀도가 0.01~5% 미만인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 펠트의 제조방법.
  10. (a) 탄소섬유 제조용 피치를 방사하는 단계;
    (b) 상기 방사된 피치섬유를 제1방향으로 이동하는 제1이송컨베이어를 따라 이송시키는 단계;
    (c) 상기 이송된 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 상기 제1방향과 동일한 방향으로 왕복운동하는 트레이에 집합시키는 단계;
    (d) 상기 트레이에서 피치섬유를 중력방향으로 하강시키면서 복수의 층으로 이루어진 전구체 웹을 형성하는 단계;
    (e) 상기 전구체 웹을 제2이송컨베이어를 따라 이동시키면서 불융화, 탄화하여 탄소섬유 펠트를 제조하는 단계;
    (f) 상기 탄소섬유 펠트를 이송하면서 바인더를 함침시키는 단계;
    (g) 상기 바인더가 함침된 탄소섬유 펠트를 적층, 경화하는 단계;
    (h) 상기 경화된 탄소섬유 펠트를 탄화 및 흑연화하는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
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