KR101628461B1 - 탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트로부터 제조된 탄소섬유 단열재 및 상기 이종펠트로부터 상기 탄소섬유 단열재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 일 실시예에 따른 이종펠트를 사용하여 탄소섬유 단열재를 제조할 경우, 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체의 적층 방향(두께 방향)으로의 니들 펀칭된 섬유를 제거할 수 있어 방열량의 증가에 따른 단열 성능의 저하 문제를 해결할 수 있다.

Description

탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법{CARBON FIBER INSULATOR AND PREPARING METHOD FOR THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트로부터 제조된 탄소섬유 단열재 및 상기 이종펠트로부터 상기 탄소섬유 단열재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄소소재는 높은 열전도성, 전기 전도성, 우수한 기계 강도를 가진 소재로서, 예전부터 산업분야에 널리 사용되어 왔다. 이러한 탄소소재를 섬유상의 형태로 가공한 탄소섬유는 탄소 함량이 90% 이상인 섬유상의 모양을 가진 소재를 지칭하며, 우수한 열전도성, 전기전도성 및 기계적 물성 등을 보유한다.
탄소섬유는 섬유상의 모양을 가져 가공성이 뛰어나고 그 활용 범위가 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 PAN계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유로 구분될 수 있다. PAN계 탄소섬유는 비교적 다른 소재에 비해 가볍고, 기계적 물성이 우수하여 골프채, 낚시대 등과 같은 고급 스포츠 레져 용품 등에 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 활용 분야가 다양하다. 또한 제조방법에 따라 원하는 물성으로 제조가 가능하여, 범용 탄소섬유 뿐만 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 1500℃ 이상의 반응로(furnace)에서 사용되는 특수 산업소재인데, 현재로서는 1500℃ 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 ~ 5 mm의 탄소섬유를 물, 혹은 알코올류와 같은 분산 용매에 분산시켜 탄소섬유 단열재를 제조하는 방법인데, 분산이 쉽지 않고 대량의 분산 용매를 필요로 한다는 단점이 존재한다. 일반적으로 탄소섬유는 서로 엉켜있는 형태로 존재하기 때문에, 분산 용매를 이용하여 분산시키는 것이 매우 어렵고, 또한 분산이 되더라도 효과가 좋지 않아 단열성능이 우수한 고온 단열재를 얻기가 쉽지 않다.
고온 단열재를 제조하는 또 다른 방법으로는 탄소섬유 매트를 이용하여 제조하는 것이다. 방사된 탄소섬유를 집합 퇴적하여 개섬, 소면, 니들 펀칭과 같은 공정을 거쳐 탄소섬유 매트를 제조하고, 제조된 탄소섬유 매트를 바인더에 함침시켜 적층, 가압 경화하여 단열재를 제조하는 방법이다(도 1 참조). 앞서 언급된 방법과는 달리 별도의 분산 공정이 필요없어, 단열재를 제조하는데 있어 효율적인 방법이지만, 도 1 및 도 2를 참조하면 니들 펀칭에 의해 탄소섬유 매트의 적층면에 대하여 수직 방향의 탄소섬유가 생기며, 이에 따른 방열량의 증가 문제(단열 성능의 저하)가 생기기 때문에 우수한 특성의 단열재 제조에 어려움이 있었다.
일본 공개특허공보 특개평6-190962
본 발명은 탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 다만, 상술한 바와 같이 니들 펀칭에 의해 생성된 탄소섬유 매트의 적층면에 대하여 수직 방향의 탄소섬유는 방열량의 증가 문제를 가져오기 때문에 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트를 포함하는 이종펠트로부터 저탄화율의 섬유 매트 및 적층면에 대하여 수직 방향의 섬유가 제거된 탄소섬유 단열재와 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해,
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체; 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트;를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트를 열처리하여 제조된 탄소섬유 단열재가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체; 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트;를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트를 준비하는 단계; (b) 상기 이종펠트를 바인더 수지에 함침시킨 후 경화하는 단계; 및 (c) 상기 경화된 이종펠트를 열처리하여 상기 이종펠트로부터 상기 저탄화율의 섬유 매트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 단열재의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 일 실시예에 따른 이종펠트를 사용하여 탄소섬유 단열재를 제조할 경우, 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체의 적층 방향(두께 방향)으로의 니들 펀칭된 섬유를 제거할 수 있어 방열량의 증가에 따른 단열 성능의 저하 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄소섬유 펠트 및 단열재의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 단열재의 열의 흐름을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종펠트 및 단열재의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단열재의 열의 흐름을 나타낸 것이다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 탄소섬유 매트(11)가 적층된 탄소섬유 매트 적층체(21); 및 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트(31);를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트(33)를 열처리하여 제조된 탄소섬유 단열재(35)가 제공될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "매트"는 일반적으로 니들펀칭에 의해 결속되지 않은 상태의 시트(sheet)상의 소재를 의미하며, "펠트"는 일반적으로 상기 "매트"가 니들펀칭에 의해 결속된 상태의 적층체 형태의 소재를 의미한다.
여기서, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향은 상기 탄소섬유 매트 적층면(12)에 대하여 수직 배향을 의미한다.
상기 탄소섬유 매트(11)는 탄화 과정을 통해 탄소 이외의 원소(예를 들어, 산소 또는 수소)가 제거되어, 상기 탄소섬유 매트 내 탄소 이외의 원소가 실질적으로 존재하지 않는 섬유 매트를 의미하며, 일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유 매트의 겉보기 밀도는 0.03 ~ 0.15 g/cm3일 수 있다.
반면, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 섬유 매트 내 탄소 이외의 원소(예를 들어, 산소 또는 수소)가 존재하는 섬유 매트를 의미한다. 여기서, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 다른 형태의 소재로 대신할 수도 있다. 예를 들어, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 복수의 매트가 적층된 형태의 펠트로 대체되어 사용되거나, 매트가 아닌 섬유 그 자체로서도 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 10% 이하, 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 3% 미만의 탄화율을 가질 수 있다. 여기서, 상기 탄화율이란 열처리 후 잔존하는 상기 저탄화율의 섬유 매트의 질량 비율로 정의될 수 있다. 즉, 800 ~ 2,300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 열처리 후 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 최초 이종펠트 내 존재하던 질량의 5% 미만으로 잔존할 수 있다.
따라서, 상기의 열처리를 통해 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재(35)에는 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 최초 이종펠트 내 존재하던 질량 대비 5% 미만, 바람직하게는 3% 미만으로 존재할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 열처리 후 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 실질적으로 존재하지 않는 경우에 있어서, 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재(35)는 실질적으로 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)로만 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 및 생분해성 수지펠트로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 니들 펀칭(needle punching)은 복수의 층으로 이루어진 섬유 매트를 하나의 적층체 형태로 결속 또는 교락하기 위한 성형 방법으로, 복수의 층으로 이루어진 섬유 매트 중 상부 및/또는 하부에 위치한 섬유 매트를 구성하는 섬유 중 일부가 상기 니들 펀칭에 의해 섬유 매트 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 내려가거나 올라옴으로써 상부 및/또는 하부에 위치한 섬유 매트와 그 사이에 치한 섬유 매트를 결속시키게 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 이종펠트(33)는 적어도 하나의 탄소섬유 매트(11)가 적층된 탄소섬유 매트 적층체(21)의 상부 및/또는 하부에 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 추가적으로 적층되어 있으며, 적층된 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 니들 펀칭에 의해 결속되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 하부에 놓여있을 경우, 상기 니들 펀칭에 의해 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)를 구성하는 섬유(32) 중 일부가 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 끌려올라옴으로써 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 결속된다.
상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 상부에 놓여있을 경우, 상기 니들 펀칭에 의해 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)를 구성하는 섬유(32) 중 일부가 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 끌려내려감으로써 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 결속된다.
즉, 복수의 층으로 구성된 탄소섬유 단열재는 니들 펀칭에 의해 형성된 적층체의 두께방향(적층면에 대한 수직 방향)으로의 섬유에 의해 복수의 층 사이의 계면 결합이 이루어지게 된다. 다만, 상기 적층체의 두께방향(적층면에 대한 수직 방향)으로의 섬유(32)는 탄소섬유 단열재의 열전도도를 증가시키는 원인으로 지목되고 있다. 따라서, 탄소섬유 단열재의 열전도도를 감소시키기 위해서는 복수의 층 사이의 계면 결합이 충분히 이루어진 후 상기 적층체의 두께방향(적층면에 대한 수직 방향)으로의 섬유(32)를 제거하는 것이 필요하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종펠트(33)를 사용할 경우, 상기 니들 펀칭에 의해 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)를 구성하는 섬유(32) 중 일부가 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 끌려올라옴으로써 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 결속되게 되는데, 이 때, 바람직하게는 상기 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 끌려올라온(배향된) 섬유(32)는 저탄화율의 섬유를 포함하며, 보다 바람직하게는 실질적으로 저탄화율의 섬유일 수 있다. 여기서, 실질적으로 저탄화율의 섬유라는 표현은 상기 적층체의 두께 방향(적층면에 대하여 수직 방향)으로 끌려올라온 섬유에 상기 탄소섬유 매트를 구성하는 섬유가 포함되어있지 않다는 것을 의미한다.
상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향의 저탄화율의 섬유(32)는 800 ~ 2,300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 열처리를 통해 제거될 수 있다. 상기 열처리를 통해 상기 저탄화율의 섬유(32)가 제거될 경우, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향으로 상기 저탄화율의 섬유(32)가 차지하고 있던 공간이 관통홀(34)로서 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 적어도 하나의 탄소섬유 매트(11)가 적층된 탄소섬유 매트 적층체(21); 및 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 저탄화율의 섬유 매트(31);를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트(33)를 준비하는 단계; (b) 상기 이종펠트(33)를 바인더 수지에 함침시킨 후 경화하는 단계; 및 (c) 상기 경화된 이종펠트(33)를 열처리하여 상기 이종펠트(33)로부터 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 단열재(35)의 제조방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 (b)에서 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)와 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향으로 니들 펀칭된 저탄화율의 섬유(32)에 의해 결속된 상태일 수 있다. 여기서, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향은 상기 탄소섬유 매트 적층면(12)에 대하여 수직 배향을 의미한다.
일 실시예에 있어서, 상기 바인더 수지는 페놀 수지, 퓨란 수지, 에폭시 수지, 바이닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 함침용 피치로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 단계 (c)의 경화는 바인더 수지에 함침된 이종펠트(33)를 일정한 크기로 자른 후 가압 프레스를 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더 수지가 경화될 수 있는 온도를 유지하면서, 상기 이종펠트(33)의 두께가 감소될 수 있을 정도의 압력을 가함으로써 바인더 수지를 경화시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)는 상기 단계 (c)의 열처리를 통해 제거될 수 있다. 또한, 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향의 저탄화율의 섬유(32) 역시 상기 단계 (c)의 열처리를 통해 제거될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 (c)의 열처리에 따른 상기 저탄화율의 섬유 매트(31) 및 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향의 저탄화율의 섬유(32)의 질량 잔존율은 5% 미만일 수 있다.
따라서, 상기 단계 (c)의 열처리를 통해 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재(35)에는 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 최초 질량 대비 5% 미만, 바람직하게는 3% 미만으로 존재할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 저탄화율의 섬유 매트(31)가 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 또한, 상기 단계 (c)의 열처리를 통해 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재(35)에는 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향의 저탄화율의 섬유(32)가 최초 질량 대비 5% 미만, 바람직하게는 3% 미만으로 존재할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 탄소섬유 매트 적층체(21)의 두께 방향의 저탄화율의 섬유(32)가 실질적으로 존재하지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 (c)의 열처리는 800 ~ 2,300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 단계 (c)의 열처리는 800 ~ 1,500 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 제1 열처리 및 1700 ~ 2300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 제2 열처리가 순차적으로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 제1 열처리는 탄화 공정이며, 상기 제2 열처리는 흑연화 공정이다. 상기 제1 열처리 공정 중에 바인더 수지가 열분해되면서 탈지 가스가 발생하며, 이 후 제2 열처리 공정 중 열분해 가스가 발생하지 않도록 한다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
실시예
탄소섬유 단열재 제조용 이종펠트의 제조 방법
석탄계 고연화점 등방성 피치(연화점 : 280 ℃)를 멜트블로우 방사법에 의해 탄소섬유를 방사하였다. 방사된 피치계 탄소섬유를 퇴적시켜 매트를 제조하였다. 상기 탄소섬유 매트를 불융화로 및 탄화로로 이송하여, 0.05 g/cm3의 탄소섬유 매트를 제조하였다. 또한, 상기 탄소섬유 매트의 상부 및 하부에 폴리프로필렌 펠트를 적층시킨 후 니들펀칭하여 탄소섬유 단열재 제조용 이종펠트를 제조하였다.
탄소섬유 단열재의 제조 방법
상기 실시예에 따라 제조된 이종펠트를 페놀 수지에 함침하고, 6층으로 적층시킨 후 가압 경화하였다. 상기 가압 경화된 탄소섬유 매트를 1,000 ℃의 질소 분위기에서 탄화하였다. 탄화된 탄소섬유 단열재의 겉보기 밀도는 0.16 g/cm3 였으며, 여기서 이종펠트에 포함된 폴리프로필렌 펠트는 모두 탄화되어 제거되었다.
비교예
실시예와 모든 조건을 동일하게 하되, 폴리프로필렌 펠트와 같은 저탄화율의 섬유 매트를 포함하지 않고 탄소섬유 매트만을 적층시켜 탄소섬유 단열재를 제조하였다. 상기 비교예에 따른 탄소섬유 단열재는 탄화 단계에서 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향의 섬유가 제거되지 않은 상태였다.
상기 실시예와 비교예에 따른 펠트의 인장 강도 및 박리 강도는 하기의 표 1과 같다.
저탄화율의
섬유펠트 사용여부		 인장 강도
(N/5cm)		 박리 강도
(N/5cm)
실시예 ○ 15 2.5
비교예 X 10 1.5
실험 결과
상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 탄소섬유 단열재의 열전도도를 측정하기 위해 두께가 30 mm로 제조된 각 탄소섬유 단열재의 샘플을 제조한 후, 각각 25℃에서의 열전도도를 측정하였다. 이 때, 열처리 온도(800℃ 및 1,000℃)에 따른 열전도도의 변화 역시 확인하였다. 상기 열전도도의 측정 결과는 하기의 표 2에 기재되어 있다.
탄화온도(℃) 저탄화율의 섬유 매트 질량 잔존율(%) 열전도도
(W/m·K, 25℃)
실시예 1 800 < 5 0.065
실시예 2 1,000 < 1 0.058
비교예 1,000 0 0.084
실시예와 모든 조건을 동일하게 하되, 폴리프로필렌 펠트와 같은 저탄화율의 섬유 매트를 포함하지 않고 탄소섬유 매트만을 적층시켜 제조된 비교예에 따른 탄소섬유 단열재는 당연히 저탄화율의 섬유 매트를 포함하지 않기 때문에 저탄화율의 섬유 매트의 질량 잔존율은 측정되지 않았다. 상기 비교예에 따른 열전도도는 0.084로서 실시예 1 및 실시예 2에 따른 탄소섬유 단열재의 열전도도보다 상당히 큰 값을 나타내었다.
반면, 실시예에 따르면 탄화온도에 따라 저탄화율의 섬유 매트 질량 잔존율과 열전도도가 변화됨을 확인할 수 있었다. 보다 구체적으로 탄화온도를 상승시킴에 따라 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재 내 저탄화율의 섬유 매트 질량 잔존율이 증가하게 되며, 이와 함께 탄소섬유 단열재의 적층체의 두께 방향으로 배향된 저탄화율의 섬유의 제거율 역시 증가하게 되므로 탄소섬유 단열재의 적층체의 두께 방향으로의 방열량이 감소되는 결과를 얻을 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 실질적으로 상기 이종펠트로부터 상기 저탄화율의 섬유 매트 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로 니들 펀칭된 저탄화율의 섬유를 제거함으로써 최종적으로 형성된 탄소섬유 단열재의 단열 성능을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 단열재를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
11 : 탄소섬유 매트
12 : 탄소섬유 매트 적층면
13 : 탄소섬유
21 : 탄소섬유 매트 적층체
22 : 결속된 탄소섬유 매트 적층체
23 : 탄소섬유 단열재
31 : 저탄화율의 섬유 매트
32 : 저탄화율의 섬유
33 : 결속된 이종펠트
34 : 관통홀
35 : 탄소섬유 단열재

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체; 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 10% 이하의 탄화율을 가지는 저탄화율의 섬유 매트;를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트를 열처리하여 제조된 탄소섬유 단열재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저탄화율의 섬유 매트는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 및 생분해성 수지펠트로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저탄화율의 섬유 매트는 열처리를 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열처리는 800 ~ 2,300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  6. 제4항에 있어서,
    열처리 후 상기 저탄화율의 섬유 매트의 질량 잔존율은 5% 미만인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로 니들 펀칭된 저탄화율의 섬유에 의해 결속된 상태인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향의 저탄화율의 섬유는 열처리를 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  9. 제8항에 있어서,
    열처리 후 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향의 저탄화율의 섬유의 질량 잔존율은 5% 미만인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 단열재의 두께 방향으로의 열전도도는 0.065 (W/m·K, 25 ℃) 이하인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재.
  11. (a) 적어도 하나의 탄소섬유 매트가 적층된 탄소섬유 매트 적층체; 및 상기 탄소섬유 매트 적층체의 상부 및 하부 중 적어도 한쪽에 10% 이하의 탄화율을 가지는 저탄화율의 섬유 매트;를 포함하며, 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로의 니들 펀칭에 의해 결속된 상태인 이종펠트를 준비하는 단계;
    (b) 상기 이종펠트를 바인더 수지에 함침시킨 후 경화하는 단계; 및
    (c) 상기 경화된 이종펠트를 열처리하여 상기 이종펠트로부터 상기 저탄화율의 섬유 매트를 제거하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 탄소섬유 매트 적층체와 상기 저탄화율의 섬유 매트는 상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향으로 니들 펀칭된 저탄화율의 섬유에 의해 결속된 상태인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 탄소섬유 매트 적층체의 두께 방향의 저탄화율의 섬유는 상기 단계 (c)의 열처리를 통해 제거되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 페놀 수지, 퓨란 수지, 에폭시 수지, 바이닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 함침용 피치로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 단계 (c)의 열처리에 따른 상기 저탄화율의 섬유 매트의 질량 잔존율은 5% 미만인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 800 ~ 1,000 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 제1 열처리 및 1700 ~ 2300 ℃의 범위에서 선택되는 온도에서의 제2 열처리가 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 단열재의 제조방법.
  17. 삭제
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