KR101741129B1 - 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법 - Google Patents

내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화티타늄(TiO2)를 함유하는 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 피브리드제조공정; 상기 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 혼합하여 메타 아라미드 펄프를 제조하는 펄프제조공정; 및, 상기 메타 아라미드 펄프로 페이퍼를 제조하는 페이퍼 제조공정을 포함하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법{Aramid Paper Having Excellent Withstand Voltage and Method for Preparing the Same}
본 발명은 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법에 관한 것으로 아라미드 페이퍼에 무기물을 함유시켜 고전압에도 견딜 수 있는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
아라미드 섬유는 미국의 듀폰(Dupont)사가 유리섬유의 강도와 석면의 내열성을 갖는 섬유를 목표로 1965년에 개발에 성공한 방향족 고분자를 원료로 한 합성섬유이며, 1960년대 말에 케블라(Kevlar)라는 상표로 생산되었다. 1974년에는 미연방거래위원회에 의해「2개의 방향족환으로 아미드 결합이 85 % 이상 직접 결합되어 있는 방향족 폴리아미드」의 일반명칭으로 아라미드 라는 용어를 정의하였으며, 그 후 ISO-2076, JIS L 0204-2에도 아라미드라는 명칭이 동일하게 정의되었다.
아라미드는 아미드 결합된 방향족환의 결합단위에 의해 메타계와 파라계로 나뉜다. 메타 아라미드 섬유는 고온내열성이 우수하며, 파라 아라미드 섬유는 고온내열성뿐만 아니라 고강도 및 고탄성의 특징을 갖는다.
상기 파라 아라미드는 벤젠 고리가 파라 위치에서 아미드기와 결합된 것이다. 분자쇄가 매우 뻣뻣하고 선상구조를 가지므로 강도가 매우 높고 탄성률이 특히 높아 충격을 흡수하는 성능이 매우 우수하여 방탄복, 방탄 핼멧, 안전용 장갑이나 부츠, 소방복에 사용되며, 테니스 라켓, 보트, 하키용 스틱, 낚시 줄, 골프 클럽등의 스포츠 기구 재료로 또한 산업용으로는 FRP(Fiber Reinforced Plastic), 석면대체용 섬유등에 사용되고 있다.
상기 메타 아라미드는 벤젠고리가 메타 위치에서 아미드기와 결합된 것으로 강도와 신도는 보통의 나일론과 비슷하나 열에 대한 안정성이 대단히 좋으며, 다른 내열용 소재에 비하여 가볍고 땀흡수도 어느 정도 가능하므로 쾌적하다는 장점을 가지고 있다. 초기에는 색상이 몇 가지로 제한되었으나, 최근에는 형광색을 포함한 다양한 색상으로 만들어지고 있다. 소방복, 경주용 자동차 운전자를 위한 유니폼, 우주 비행사 유니폼, 작업복 등의 내열용 의복 소재로 사용 되며, 산업용으로는 고온용 필터 등으로 쓰인다.
상기와 같이 파라아라미드 및 메타 아라미드는 섬유뿐만 아니라 페이퍼 형태로 제조되어 많은 산업분야에서 사용되고 있다.
상기 메타 아라미드로 제조되는 페이퍼는 메타 아라미드를 중합하고 가는 섬유로 배향하고 비(非)과립형의 펄프 또는 필름-유사 입자를 의미하는 피브리드(fibrid)와 스테이플 섬유보다 더 짧은 길이의 섬유를 의미하는 플록(floc)을 통해 메타 아라미드 페이퍼를 제조된다.
메타 아라미드 페이퍼는 주로 전기 절연물, 허니콤(Honeycomb) 구조재료로 사용되는 소재로 전기 절연물로서 변압기, 전동기와 같은 코일의 절연물이나 프린트 기판 등에 널리 사용되고 있고, 어느 정도 도전성을 가지는 시트는 그 도전성의 정도에 따라 발열체, 정전기 방전을 위한 전도성 테이프 등에 사용된다.
대한민국 공개특허 제2007-0116139호에서는 콘덴서, 캐패시터, 전지에 사용할 수 있도록 200℃ 이하의 융점을 갖는 열가소성 폴리머의 다공질 시트층과 실질적으로 안정 융점을 갖지 않는 유기 화합물의 피브리드 또는 단섬유 또는 피브릴화한 펄프로 이루어지는 부직포 형상 시트를 적층한 적어도 2 층 이상의 층구조를 이루고 있는 복합체 시트로 습식초지법으로 제조한 메타 아라미드 페이퍼를 적층한 절연시트를 개시하고 있다.
상기와 같이 전기 절연재로 메타 아라미드 페이퍼를 사용할 경우에는 강도 및 내전압 강도가 매우 중요한 요소이나 현재까지 개발된 메타 아라미드 페이퍼는 내전압 강도가 우수하지 못한 문제점이 있었다.
상기와 같이 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 아라미드 페이퍼 내부에 무기입자를 함유시켜 전압의 분산효과를 통해 내전압이 향상된 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼의 제조방법으로 제조되는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이산화티타늄(TiO2)를 함유하는 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 피브리드제조공정; 상기 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 혼합하여 메타 아라미드 펄프를 제조하는 펄프제조공정; 및, 상기 메타 아라미드 펄프로 페이퍼를 제조하는 페이퍼 제조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 피브리드제조공정은, 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타 아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타 아라미드 도프(Dope)를 형성하는 도프형성단계; 극성 아미드계 용매에 이산화티타늄(TiO2)를 분사시켜 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 제조하는 분산단계; 상기 도프에 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 혼합하여 이산화티타늄이 도프에 함유시키는 혼합단계; 이산화티타늄이 함유된 도프로 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 피브리드제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 도프형성단계에서 메타 아라미드 고형분 5~25중량%의 도프를 형성시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 분산단계는 상기 극성 아미드계 용매에 상기 이산화티타늄 1~10중량%를 분산시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 혼합단계는 도프에 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 1~10중량%를 혼합시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 극성 아미드계 용매는 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide, DMF), 디메틸이미다졸리디논(Dimethyl imidazolidinone) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 펄프제조공정은 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 중량비 30:70 내지 70:30으로 혼합하여 슬러리 상태의 펄프를 제조하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 페이퍼 제조공정은 습지초지법으로 페이퍼를 제조하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법을 제공한다.
또한, 상기의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼는 페이퍼 내부에 이산화티타늄이 함유되어 내전압이 향상되어 전기 절연재의 소재로 우수한 효과가 있을 것이다.
또한, 이산화티타늄이 Color L값을 향상시켜 백색도를 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
본 발명은 아라미드 페이퍼 내부에 무기입자인 이산화티타늄(TiO2)을 함유시켜 아라미드 페이퍼에 전압이 걸릴 경우 아라미드 페이퍼 내부의 이산화티타늄이 전류를 분산시키는 작용을 통해 내전압 강도를 증가시키게 된다.
상기와 같은 본 발명의 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼를 제조하는 방법은 도 1에서와 같이 본 발명은 피브리드제조공정, 펄프제조공정, 페이퍼 제조공정을 포함하여 메타 아라미드 페이퍼를 제조한다.
상기 피브리드제조공정은 이산화티타늄(TiO2)을 아라미드 페이퍼에 함유시키기 위해 이산화티타늄(TiO2)를 함유하는 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 공정이다.
상기 피브리드제조공정은 도프형성단계, 분산단계, 혼합단계, 피브리드제조단계를 포함하는 고정을 통해 이산화티타늄을 메타 아라미드 피브리드에 이산화티타늄을 함유시킨다.
상기 도프형성단계는 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타 아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타 아라미드 도프(Dope)를 형성하는 단계로 고형분 5~25중량%의 도프로 제조하는 것이 바람직할 것이다.
상기 분산단계는 극성 아미드계 용매에 이산화티타늄(TiO2)를 분사시키는 단계로 상기 이산화티타늄의 입자크기는 100~1000㎚인 것이 바람직할 것이다. 상기 이산화티타늄의 입자크기가 너무 크면 분산력이 저하되어 페이퍼 제조후 이산화티타늄이 페이퍼에서 탈락할 수 있을 것이다.
상기 분산단계는 상기 극성 아미드계 용매에 상기 이산화티타늄 1~10중량%를 분산시키는 것이 바람직한 것으로 상기 이산화티타늄의 함량이 낮을 경우에는 내전압 강도의 향상율이 낮아질 수 있으며, 이산화티타늄의 함량이 너무 높을 경우에는 제조되는 아라미드 페이퍼의 물성이 저하될 수 있을 것이다.
상기 분산단계에서 제조되는 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매와 도프를 혼합하게 되므로 상기 분산단계는 상기 도프형성단계와 동시에 진행하는 것이 바람직할 것이다.
상기 혼합단계는 상기 도프형성단계에서 형성된 도프에 상기 분산단계에서 제조된 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 혼합하여 이산화티타늄을 도프에 함유시키는 단계이다.
상기 혼합단계에서 도프와 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매의 혼합비는 극성 아미드계 용매에 함유된 이산화티타늄의 함량에 따라 조절될 수 있으며, 바람직하게는 도프에 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 1~10중량%를 혼합시키는 것이 바람직할 것이다.
상기 이산화티타늄을 도프에 직접 분산시킬 경우 이산화티타늄이 쉽게 분산되지 않아 균일한 분산을 위해 메타 아라미드를 용해시키는 극성 아미드계 용매에 먼저 분산시킨 후에 도프와 혼합하는 과정을 통해 이산화티타늄을 균일하게 도프에 분산시킬 수 있다.
상기 극성 아미드계 용매는 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide, DMF), 디메틸이미다졸리디논(Dimethyl imidazolidinone) 등을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 상기의 극성 아미드계 용매 중 선택되는 하나를 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc)를 사용하는 것이다.
상기 피브리드제조단계는 이산화티타늄이 함유된 도프로 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 단계로 미국특허 제3,756,908호에 기재된 바와 같이, 피브리드는 중합체 용액을 피브리데이터(fibridater) 내에서 비용매와 접촉시키면서 침전 및 강한 전단응력을 받도록 하여 제조할 수 있으며, 대한민국 출원특허 제2014-0098919호의 제조장치를 통해 제조할 수 있을 것이다.
상기 펄프제조공정은 상기와 같이 피브리드제조공정에서 제조되는 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 수분산으로 혼합하여 메타 아라미드 펄프를 제조하는 공정이다.
상기 펄프제조공정은 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 중량비 30:70 내지 70:30으로 혼합하여 슬러리 상태의 펄프로 제조하는 것으로 일반적인 아라미드 펄프의 제조방법으로 제조할 수 있을 것이다.
상기 페이퍼 제조공정은 메타 아라미드 펄프로 페이퍼를 제조하는 공정으로 일반적으로 사용되는 습지초지법으로 페이퍼를 제조할 수 있을 것이다.
즉, 제조된 아라미드 펄프를 습식 초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고, 캘린더링(calendaring)하는 단계를 포함하여 페이퍼로 제조할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법으로 제조되는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼는 페이퍼 내부에 함유되는 이산화티탄늄을 통해 내전압이 향상된다.
또한, 이산화티타늄의 영향으로 페이퍼의 백색도인 Color L값이 높은 페이퍼를 제조할 수 있을 것이다.
아래에서 본 발명에 따른 실시예로 본 발명의 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼를 제조하였다. 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타 아라미드를 극성 아미드계 용매인 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc)에 녹여 메타 아라미드 농도가 20중량%인 메타 아라미드 도프(Dope)를 형성하였다.
또한, 디메틸아세트아미드(DMAc)에 이산화티타늄이 5중량% 함유되도록 첨가한 후에 고르게 분산시켰다.
상기 메타 아라미드 도프에 이산화티타늄이 함유된 디메틸아세트아미드(DMAc)를 8중량%를 혼합하여 이산화타타늄이 함유된 메타 아라미드 도프를 제조하였다.
상기 이산화타타늄이 함유된 메타 아라미드 도프로 메타 아라미드 피브리드를 제조후 메타 아라미드 플럭과 중량비 1대1로 혼합하여 펄프를 제조하고 습식 초지법으로 본 발명의 메타아라미드 페이퍼를 제조하였다
비교예 1
실시예와 같이 페이퍼를 제조하였으나 이산화티타늄을 함유시키지 않고 제조하였다.
비교예 2
비교예와 같이 페이퍼를 제조하였으나 이산화티타늄을 메타 아라미드 피브리드에 직접 첨가하여 함유시켰다.
상기와 같은 실시예와 비교예 1, 2에서 제조된 메타아라미드 페이퍼의 인장강도, 내전압강도, Color L값을 측정하여 표 1에 나타내었다.
*인장강도 : ASTM D 828 측정법에 따라 L&W사의 Tensile Tester를 사용하여 측정하였다.이는 종이에 인장을 가하여 끊어질 때의 힘을 측정한 것이다.
* Color L : Color L값은 ASTM D1925에 준하여 CCM 장비를 이용하여 측정하였다.
*내전압강도 : ASTM D419에 준하여 절연파괴가 일어나는 전압(kV)을 절연재료로 두께(mm)로 나눈 값이다.
구분 실시예 비교예 1 비교예 2
실험횟수 1회 2회 3회 4회 5회 1회 2회 1회 2회
인장강도
(MD, N/)		 36.3 36.2 35.2 35.5 34.6 35.3 35.1 30.3 29.9
내전압강도
(kV/mm)		 14.2 15.0 12.4 13 13.5 12.1 12 12.5 12.6
Color L값 94.3 95.3 93.4 95 94.5 92.3 93 95 95.5
표 1에서와 같이 실시예는 이산화티타늄을 극성 아미드계 용매에 먼저 분산시킨 후에 메타 아라미드 피브리드에 함유시켜 비교예 1과 강도는 유사하지만 내전압 강도가 비교예 1보다 높은 것을 알 수 있다.
비교예 2는 메타 피브리드에 직접 이산화티타늄을 함유시켜 내전압 강도는 실시예와 유사하지만 이산화티타늄이 균일하게 분산되지 못하여 강도가 저하되는 것알 알 수 잇다.
또한, 이산화티타늄이 함유된 실시예의 페이퍼가 이산화티타늄이 함유되지 않은 비교예 1보다 Color L값이 더 높은 것으로 백색도가 향상되는 것는 알 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 이산화티타늄(TiO2)를 함유하는 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 피브리드제조공정;
    상기 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 혼합하여 메타 아라미드 펄프를 제조하는 펄프제조공정; 및,
    상기 메타 아라미드 펄프로 페이퍼를 제조하는 페이퍼 제조공정을 포함하되,
    상기 피브리드제조공정은,
    메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타 아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타 아라미드 도프(Dope)를 형성하는 도프형성단계;
    극성 아미드계 용매에 이산화티타늄(TiO2)를 분사시켜 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 제조하는 분산단계;
    상기 도프에 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 혼합하여 이산화티타늄이 도프에 함유시키는 혼합단계;
    이산화티타늄이 함유된 도프로 메타 아라미드 피브리드를 제조하는 피브리드제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도프형성단계에서 메타 아라미드 고형분 5~25중량%의 도프를 형성시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분산단계는 상기 극성 아미드계 용매에 상기 이산화티타늄 1~10중량%를 분산시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합단계는 도프에 이산화티타늄을 함유하는 극성 아미드계 용매를 1~10중량%를 혼합시키는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 극성 아미드계 용매는 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide, DMF), 디메틸이미다졸리디논(Dimethyl imidazolidinone) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 펄프제조공정은 메타 아라미드 피브리드와 메타 아라미드 플럭을 중량비 30:70 내지 70:30으로 혼합하여 슬러리 상태의 펄프를 제조하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 페이퍼 제조공정은 습지초지법으로 페이퍼를 제조하는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼 제조방법.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내전압이 우수한 아라미드 페이퍼.
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