KR101803135B1 - 탄소 섬유를 제조하는 공정 그리고 이러한 공정의 작동을 위한 플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PAN 전구체 섬유의 제1 방적 단계 그리고 섬유의 제2 산화/탄화 단계를 포함하는 타입의 탄소 섬유를 제조하는 공정 그리고 그 플랜트에 관한 것이다. 방적 및 산화/탄화 단계는 인-라인으로 및 연속적으로 직접적으로 그에 따라 PAN 전구체의 임의의 스토킹 버퍼 영역이 2개의 단계 사이에 없는 상태로 수행된다. 방적 단계는 인장 작업의 하류에서의 방적 단계로부터의 출구 속도가 후속의 산화/탄화 단계에서의 적절한 처리 속도의 범위 내에 속하는 속도이도록 낮은 속도로 수행된다. 더욱이, 방적 단계는 1개 이상의 열(A, B)로 정렬되는 복수개의 방적 모듈(M) 상에서 모듈형 방식으로 수행되고, 각각의 방적 모듈(M)은 방적 단계의 전체 생산성의 10% 이하의 생산성을 갖는다. 임의의 개별의 방적 모듈(M)에서, 방적 영역의 하류에서의 섬유는 수평 방향 및 수직 방향의 양쪽 모두의 방향으로 편향 및 구동 롤러(3-5)를 통해 지그-재그의 직선형 경로를 추종하고, 그 경로를 따라 다양한 방적 처리가 수행된다. 최종적으로, 각각의 방적 모듈(M)로부터 나오는 섬유 토우는 그 진행 방향에 대한 횡단 방향 이탈을 경험하지 않으면서 나란히 배열되어 산화/탄화 단계로 급송되는 단일의 벨트(N)를 형성한다.

Description

탄소 섬유를 제조하는 공정 그리고 이러한 공정의 작동을 위한 플랜트{PROCESS FOR MANUFACTURING CARBON FIBERS AND PLANT FOR THE ACTUATION OF SUCH PROCESS}

본 발명은 탄소 섬유를 제조하는 개선된 공정에 관한 것이다.

백열 램프에 적절한 필라멘트를 찾으면서 면사(cotton thread)의 탄화 시에 1879년에 에디슨(Edison)에 의해 최초로 발견된 - 탄소 섬유(CF: carbon fibre)는 폴리아크릴로니트릴 섬유(PAN: polyacrylonitrile fibre)의 개질로부터 시작하여 영국에 소재한 로얄 에어크래프트(Royal Aircraft)의 윌리엄 와트(William Watt)에 의해 고안된 제조 공정을 통해 1960년에야 시장에 출현하였다.

탄소 섬유는 연속 또는 소정 길이[스테이플 섬유(staple fiber)]의 얇은 필라멘트로 구성되고, 5-10 ㎛의 직경을 갖고, 주로 탄소 원자로 구성된다. 탄소 원자는 결정 매트릭스(crystal matrix) 내에서 상호 결합되고, 그 내에서 개별의 결정이 섬유의 길이 방향 축을 따라 더 작거나 더 큰 정도로 정렬되고, 그에 의해 그 크기에 비해 특별하게 높은 저항을 섬유에 부여한다.

다양한 수천 개의 탄소 섬유가 그 다음에 상호 집합되어 실(thread) 또는 토우(tow)[또는 로빙(roving)]을 형성하고, 이러한 실 또는 토우는 그 다음에 있는 그대로 사용될 수 있거나 룸(loom)에서 직조되어 직물을 형성할 수 있다. 이처럼 얻어진 원사 또는 직물에는 수지 전형적으로 에폭시 수지가 함침되고 그 다음에 성형되어 높은 밝기 및 저항을 특징으로 하는 복합 제품을 얻는다.

탄소 섬유는 유기 및 무기 섬유들 사이의 전이 지점을 나타내고; 사실상, 이들은 열 처리 및 열 분해에 의해 개질되는 유기 섬유로부터 시작하여 제조되고, 그 중에 우선 개별의 섬유 내의 분자 세그먼트의 재배향이 유발되고 후속적으로 더 높은 온도에서 산소, 수소 그리고 대부분의 질소의 제거가 일어나고, 결국 최종의 섬유는 90% 초과 그리고 최대 99%의 탄소 그리고 잔량의 질소로 구성된다.

유리 섬유의 이용성과 함께, 탄소 섬유의 시장에서의 이용성은 계속하여 성장되는 정도로 복합 재료의 사용을 유발하였다. 탄소 섬유의 사용으로써, 특히, 이러한 재료의 높은 비용을 고려하여 초기에는 군사 및/또는 항공 섹터를 위한 그리고 또한 나중에는 - 제조 기술 및 결과의 개선으로써 - 에너지 산업(가압 탱크, 풍력 발전기 블레이드, 연료 배터리, 해상 플랫폼), 수송 산업(열차, 자동차, 선박) 그리고 레저 산업(스포츠를 하기 위한 도구 및 장비)의 제품을 위한 용도를 위해 진보된 기계적 성능을 갖는 복합 재료를 고안하는 것이 가능해졌다. 오늘날 이미 이러한 마지막 적용 섹터에 대해, 시장은 항공 섹터에서 그리고 특히 산업 섹터에서 완전히 발전된 것으로 보이지만, 다음의 5년의 기간 내에, 급격한 수요 증가 그에 따라 제조 플랜트의 기존의 이용성을 확장할 필요성이 예측된다.

탄소 섬유는 기존에는 인공 섬유(산업적으로 레이온 그리고 실험적으로 리그닌) 또는 합성 섬유(전세계 출시량의 적어도 90%에 대해, 폴리아크릴로니트릴 그리고 또한 PBO 그리고 실험적으로 다른 열가소성 섬유), 또는 오일 또는 타르(피치)의 증류의 잔여물의 개질에 의해 제조된다. 제1 탄소 섬유는 전통적으로 PAN-유도 탄소 섬유로 불리고, 한편 제2 탄소 섬유는 피치-유도 탄소 섬유로 불린다. 이러한 마지막 타입의 섬유는 물론 이들이 그래파이트로부터 얻어지는 섬유가 아니지만 이러한 섬유가 2000℃ 초과의 열 처리를 경험할 때에 이들이 최종적으로 그래파이트에서 전형적인 탄소 원자 배열과 매우 유사한 탄소 원자 배열 그리고 레티큘(reticule) 내에서의 다른 원소의 실질적인 부존재를 나타낸다는 사실을 강조하기 위해 "그래파이트 섬유(graphite fibre)"로서 종종 부적절하게 불린다.

PAN-유도 탄소 섬유 즉 본 발명이 설정되는 섹터의 경우에, 출발 폴리아크릴로니트릴 섬유(소위, 전구체)는 만족스러운 특징을 보유한 최종의 탄소 섬유가 PAN-유도 탄소 섬유로부터 얻어질 수 있도록 적절한 화학 조성, 특별한 분자 배향 그리고 특정한 형태를 특징으로 하여야 한다. 화학 조성은 18 kcal/mole과 동일한 -CN의 주기화 반응(cyclisation reaction)의 발열 수준을 제어할 목적을 위해서도 중요하고, 그 반응이 폴리아크릴로니트릴 섬유의 제1 처리 단계를 나타낸다. 직물-유도 플랜트에서, 전구체는 전형적으로 대량-생산되고, 개별의 섬유는 최대 300,000개의 개별의 필라멘트를 포함하는 다발 또는 토우로 수집되고; 이러한 타입의 플랜트에서 생성되는 더 작은 토우는 예컨대 48,000개의 필라멘트(소위, 48K)를 포함한다. 동시에, 구체적으로 저-데니어 토우를 생성하도록 고안된 플랜트가 존재하고, 그 내에서 1K, 3K, 6K 및 12K의 토우의 생성과 관련된 제조가 작은 또는 중간 스케일로 일어난다. 이러한 경우에, 개별의 토우는 탄화 공정의 종료 시에 상호 집합되어 더 큰 토우 예컨대 24K 또는 48K의 토우를 형성할 수 있다. 제1 타입의 플랜트에서 제조된 탄소 섬유는 높은 생산용량의 플랜트에 의해 제공되면 더 낮은 제조 비용을 갖지만, 이들은 더 작은 정도의 규칙성을 갖고 그에 따라 이들은 산업 용도에 더 양호하게 적합하다. 그 대신에, 제2 타입의 플랜트에서 제조된 탄소 섬유는 더 규칙적이고, 더 작은 탄소 섬유 토우를 사용하는 일치된 관행이 이미 존재하는 항공 산업에 의해 더 인정된다.

PAN 섬유의 주기화 반응은 위에서 언급된 것과 같이 제1 단계의 탄화 공정을 나타낸다. 주기화 공정은 수 시간 동안 200-295℃에서(기존의 관행에서, 220-275℃)에서 공기 중에서 수행되고, 흑색 방화 재료 즉 소위 산화된 PAN으로 이어지고, 이러한 PAN은 오히려 불량한 기계적 성질을 나타내고, 있는 그대로 보호 의류, 방화 패딩 또는 탄소-탄소 복합체에서 (항공기, 경주 차량 및 고속 열차를 위한) 강력한 브레이크(heavy-duty brake)의 제조에 대해 의도된다.

200-295℃에서의 주기화 단계 중에, 이러한 단계에서, 탄소 섬유의 최종의 탄성 계수가 그 배향에 의존하는 섬유 축을 따른 분자 세그먼트의 정렬이 결정되므로 섬유 수축(fibre retraction)을 점검하는 것이 매우 중요하다. 최초의 아크릴 섬유에 부여된 분자 배향은 최종의 탄소 섬유의 인성 및 탄성 계수에 영향을 미치지만; 배향 정도는 이러한 경우에 결함이 섬유의 표면 및 내부의 양쪽 모두에서 유발되기 때문에 과도하게 높지 않아야 한다.

그러므로, 이처럼 산화된 PAN 섬유는 대체로 불활성 분위기에서 수행되는 후속의 탄화 공정을 경험하고, 그 중에 탄소 조직으로부터의 외래 원자의 제거가 최종의 그래파이트 조직의 생성으로써 일어난다. 탄화 공정은 일반적으로 2개의 단계 즉 제1 저온 단계(350-950℃, 기존의 관행에서는 400-900℃) 및 제2 고온 단계(1000-1800℃, 기존의 관행에서는 1000-1450℃)로 일어난다. 그러므로, 탄화 공정의 모든 단계 중에, HCN, NH₃ 및 N₂가 생성되고, CO, CO₂ 및 H₂O가 또한 PAN 섬유가 공기 중에서 200-295℃에서 주기화 중에 결합된 O₂의 양에 따라 생성될 수 있다. 1000℃ 초과의 온도에서의 열 처리 후에, PAN 섬유는 약 95%의 탄소 및 5%의 질소를 함유하는 탄소 섬유로 변환된다. 탄화 공정 중에, 섬유에는 횡단 방향 수축이 적용되고, 이러한 횡단 방향 수축은 그 초기 중량의 약 50%의 손실과 관련된 직경 감소를 내포하고; 대응하는 길이 방향 수축은 그 대신에 기계적 성질의 개선에 기여하는 더 큰 분자 배향의 대응하는 생성으로써 거의 완전히 기계적으로 차단된다.

이러한 공정의 하류에서, 흑연화 공정(graphitisation process)의 명칭을 취하는 추가의 열 분해 처리가 물론 항상 반응성 가스의 부존재 하에서 2000 내지 2600℃의 범위 내의 온도에서 제공될 수 있고, 그 중에 잔류 질소 %가 방출되고, 섬유의 탄소 함량이 99% 초과까지 상승된다. 이러한 추가의 처리를 경험한 탄소 섬유는 훨씬 더 높은 비용으로 훨씬 더 양호한 기계적 성질을 나타내지만 그에 따라 특별한 용도로 보류된다.

탄화 공정의 종료 시에, 탄소 섬유는 후속의 복합 재료의 형성에서 수지 매트릭스로의 섬유의 부착을 용이하게 할 목적을 위해 세척 표면 처리 그리고 기능기를 부착하는 처리를 경험하고; 이러한 목적을 위해, 많은 제조업자들은 전해 산화 공정을 사용한다. 최종적으로, 이처럼 처리된 섬유에 대해, 보빈(bobbin)으로의 권취로부터 유래되는 손상을 최소화하고 섬유가 매설되도록 의도되는 수지 매트릭스에 대한 섬유 부착을 추가로 개선할 목적을 위해, 크기 조정 또는 마무리(sizing or finish)가 적용된다.

종래 기술의 현황

탄소 섬유는 기존에는 2개-단계 공정 계획에 따라 제조되고, 이들 단계는 서로로부터 완전히 분리된다. 사실상, 공정의 제2 단계가 일어나는 플랜트로부터 물리적으로 멀리 떨어져 있는 플랜트에서 종종 수행되는 - 공정의 제1 단계에서, 사실상, 전구체 PAN 원사는 후속의 탄화 단계에 가장 적합한 특징을 갖는 최종의 원사를 얻기 위한 변형예의 도입으로써 직조 목적을 위한 전통적인 방적에 전용되는 플랜트로부터 개념적으로 유래되는 플랜트에서 제조된다. 구체적으로, 이들은 최대 150 m/min("습식 방적" 공정), 최대 500 m/min("건식 제트 습식 방적" 공정) 또는 최대 1000 m/min("건식 방적" 공정)의 섬유 출구 속도를 갖는 고속 방적 플랜트이고 그에 따라 최저 속도는 용매 배스(solvent bath) 내에서의 방적에서 전형적이고, 최고 속도는 건식 방적에서 전형적이다. 이처럼 제조된 원사는 최대 500 ㎏의 중량을 갖는 보빈에 권취되고, 이러한 보빈은 그 다음에 저장되고, 후속적으로 공정의 제2 단계 즉 탄화 단계가 일어나는 플랜트로 보내진다. 이러한 타입의 방적 플랜트는 통상적으로 토우 파손의 경우에 플랜트의 효율 감소를 제한하도록 50개 이하의 토우의 개수를 처리하고, 이러한 파손은 그 수리를 위해 전체 플랜트의 일시적인 정지를 요구할 수 있다.

공정의 제2 단계에서, 전구체에 대한 고온 처리가 그 대신에 그 주기화, 탄화 그리고 아마도 흑연화를 얻도록 수행된다. 이러한 공정의 제2 단계는 초기의 대형 크릴(initial large-sized creel)을 포함하는 플랜트에서 수행되고, 그 상에 방적 플랜트로부터 나오는 전구체 섬유 보빈이 설치되고, 그 하류에 산화, 탄화 그리고 흑연화 오븐이 배열된다. 이들 열 처리는 상당히 긴 체류 시간을 요구하므로, 산업적으로 수용 가능한 한계로 플랜트의 크기를 제한하기 위해, 이러한 공정의 제2 단계에서의 탄소 섬유의 처리 속도는 방적 단계에서보다 훨씬 낮고 예컨대 5 내지 20 m/min의 범위 내에 있고 그에 따라 동시에 처리되는 토우의 개수는 더 높고 전형적으로 최대 600개의 토우이다.

문제점 및 해결책

탄소 섬유의 제조 공정은 2개의 별개의 공정 단계를 포함하는 버전에서 최초로부터 고려되었고, 공정의 2개의 단계의 속도 및 유동률의 명확한 비호환성으로 인해 모든 그 후속의 개발에서 이러한 버전을 유지하였다. 사실상, 전통적인 방적 플랜트가 최대 50개의 토우를 동시에 생성할 수 있다는 점을 고려하면, 6개의 방적 라인을 측면 배치하여 단일의 탄화 플랜트로 직접적으로 급송할 것이 이론적으로 필요하지만; 각각의 전통적인 방적 라인은 매우 현저한 크기(예컨대, 최대 100 m의 길이)로 되어 있으므로, 이러한 해결책은 탄화 플랜트의 단일의 급송부 내로 수렴되는 6개의 방적 플랜트의 -플랜트 엔지니어링의 관점으로부터 명확하게 실행 불가능한 - 배열을 내포한다.

한편, 이러한 해결책은 또한 6개의 방적 라인의 각각이 매우 낮은 속도로 즉 탄화 단계의 속도와 동일한 속도로 그에 따라 플랜트 비용 및 생산성 사이의 완전히 불충분한 비율로써 동작되어야 하므로 경제적인 관점으로부터 불량한 효율을 갖는다.

그러므로, 2개의 별개의 단계를 보유한 공정은 이러한 공정이 수반하는 명확한 기술적 및 경제적 문제점에도 불구하고 위에서 기재된 것에 비추어 그 자체가 강제 해결책으로서 부과된다.

2개-단계 공정의 제1의 중요한 - 기술적인 - 결점은 전구체 토우의 보빈 권취로부터 그리고 특히 토우가 사실상 후속의 산화 반응에서 불균등한 산화를 유발하는 안내 횡단 방향 장치에 의해 이러한 작업에서 경험하는 주기적인 압축으로부터 유래된다. 제2의 동등하게 중요한 - 경제적인 - 결점이 또한 전구체 토우의 보빈-상으로의-권취 작업에 연결된다. 사실상, 이러한 작업 - 그리고 보빈을 저장하고, 탄화 플랜트로 보빈을 운반하고, 최종적으로 이러한 플랜트로 급송하는 크릴 상에 보빈을 삽입하는 후속의 관련 작업 - 은 탄소 섬유 제조 플랜트의 설치 및 관리 비용의 중요한 부분을 구성한다.

전통적인 전구체의 방적 라인의 추가의 결점은 최종적으로 프로젝트에 비해 더 낮은 개수의 필라멘트를 보유한 토우의 생성과 연계된 그 불량한 유연성이다. 사실상, 이러한 토우는 각각의 구동 롤러 상의 토우들 사이의 적절한 간극의 필요성으로 인해 - 방적 라인의 총 데니어는 동일하지만 - 고-데니어 토우에 의해 점유되는 부분보다 롤러 폭의 큰 부분을 점유한다. 그러나, 토우의 구동 롤러의 폭은 명확한 기술적 및 경제적 이유로 정확한 크기 제한을 갖고 그에 따라 이러한 크기 제한은 - 속도 및 라인 기술은 동일하지만 - 저-데니어 토우의 생성에서 수반될 때에 토우의 생성 능력의 극적인 감소를 내포한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 이들 결점을 갖지 않고 특히 탄화 단계 전에 전구체의 보빈-상으로의-권취를 피하게 하고 그에 따라 탄화 단계로 진입되는 토우의 완벽한 균등성을 보증하고 전통적인 2개-단계 공정의 2개의 플랜트 사이에서의 PAN 전구체의 로딩/언로딩 관리와 관련된 비용 및 공간 점유를 없애는 탄소 섬유의 제조 공정을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 데니어 예컨대 1 K 미만의 토우 그리고 또한 낮은 선형 밀도 예컨대 1 dtex 미만의 필라멘트에서도 높은 제조 유연성을 갖는 탄소 섬유 제조 공정을 제안하는 것이다.

재차, 본 발명의 추가의 목적은 방적 단계에서의 토우 파손의 존재에서도 높은 제조 효율을 유지하는 탄소 섬유 제조 공정을 제안하는 것이다.

위에서 지적된 모든 목적은 여기에 첨부된 청구항 1에서 한정된 특징부를 갖는 공정을 통해 그리고 청구항 8에서 한정된 특징부를 갖는 플랜트에 의해 성취된다. 종속 청구항에서, 본 발명의 추가의 특징이 한정된다.

본 발명의 추가의 특징 및 장점은 어느 경우에나 비-제한 예로서 순수하게 제공되고 첨부 도면에 도시되어 있는 본 발명의 양호한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 더 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 섬유를 위한 제조 플랜트의 방적 섹션의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 방적 섹션의 단부 부분의 세부 사시도이다.
도 3은 도 1의 방적 플랜트의 2개의 모듈을 - 확대 스케일로 - 도시하는 개략 정면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 2개의 모듈의 부등각도이다.

본 발명의 발명자가 본 발명으로써 성취하고자 하는 목적은 단일의 인-라인 공정에서 전통적인 탄소 섬유 제조 공정의 2개의 별개의 단계를 결합하여 방적 섹션에서 생성된 PAN 전구체 섬유가 탄화 섹션으로 직접적으로 그에 따라 PAN 전구체 섬유의 임의의 타입의 스토킹 버퍼(stocking buffer)가 방적 단계와 산화/탄화 단계 사이에 없는 상태로 공급될 수 있는 공정을 얻는 것이다. 사실상, 이러한 목적을 성취하여야만 본 발명의 주요 목적을 완전히 성취하는 것이 가능할 것이다.

단일의 인-라인 공정으로의 전통적인 공정의 2개의 단계의 이러한 직접적인 결합에 대한 이유는 공지된 기술에 따르면 가능하거나 상정 가능하지 않고, 이러한 설명의 예비 부분에서 이미 설명되었다.

그러므로, 본 발명의 발명자들은 전통적인 접근법으로부터 완전히 거리를 두고 결정하였고, PAN 전구체 섬유의 방적 단계에서 다음의 기초적인 혁신 요소를 특징으로 하는 신규한 탄소 섬유 제조 공정을 고안하였다. 즉,

- 최종의 인장 단계에서의 낮은 출력-속도 즉 후속의 산화/탄화 단계에서의 적절한 처리 속도의 범위 내에 속하는 속도(기존에는 5-20 m/sec);

- 수평 및 수직 지그-재그 섬유 경로를 사용하여 상당히 좁은 영역에서 생성되는 원사-처리 경로; 그리고

- 직렬로 접합될 수 있는 각각의 개별의 모듈이 전체 공정 생산성에 비해 매우 낮은 생산성(2-8개의 토우)을 갖는 모듈형 방적 플랜트.

위에서 보고된 혁신 요소가 실시되고 그에 따라 본 발명의 공정이 수행될 수 있게 하는 방적 플랜트의 예시도가 도 1 및 2에 도시되어 있고, 한편 개별의 방적 모듈의 세부 사항은 도 3 및 4에 도시되어 있다.

첨부 도면에서 관찰될 수 있는 것과 같이, 본 발명의 예시의 비-제한 실시예인 도시된 방적 플랜트는 상하로 각각 배열되는 2개의 직렬의 방적 모듈(A, B)을 포함하고, 각각의 방적 모듈은 22개의 인접한 방적 모듈(M)로 구성된다. 방적 모듈(M)의 각각은 예컨대 PAN 전구체의 8개의 12K 토우를 생성할 수 있다.

플랜트 모듈(M)의 전체 개수는 각각의 개별의 모듈의 생산성 그리고 플랜트의 탄화 섹션의 요청 급송 유동률을 고려하여 계산된다. 각각의 개별의 모듈(M)의 생산성은 바람직하게는 방적 섹션의 전체 생산성의 10% 미만, 더 바람직하게는 이러한 전체 생산성의 5% 미만 그리고 훨씬 더 바람직하게는 이러한 전체 생산성의 2.5% 미만이다.

본 발명의 특히 흥미로운 특징에 따르면, 직렬의 모듈(A, B)의 각각을 구성하는 개별의 모듈(M)은 도시된 예에서 약 41 ㎜로 되어 있는 각각의 모듈(M)에 의해 생성되는 토우의 전체의 최종 폭에 정확하게 대응하는 정도만큼 교차 방향으로 서로에 대해 약간 오프셋된다. 그에 의해, 모듈에 의해 생성되는 토우는 - 토우에 대한 임의의 측방 이탈을 부과하지 않으면서 - 후속의 모듈(M)에 의해 생성되는 토우에 정확하게 나란히 배열되어 8x22=176개의 토우에 의해 형성되고 그에 따라 약 900 ㎜의 전체 폭을 갖는 연속 벨트(N_A, N_B)를 직렬의 모듈(A, B)의 각각의 단부에서 얻는다.

나아가, 2개의 직렬의 모듈(A, B)은 - 이러한 경우에, 또한, 벨트(N_A, N_B)에 임의의 교차 방향 이탈을 부과하지 않으면서 - 적절하게 배열된 견인 롤러 조립체(R)를 통해 정확하게는 위의 직렬의 모듈(B)로부터 나오는 토우의 벨트(N_B)가 아래의 직렬의 모듈(A)로부터 나오는 벨트(N_A)에 나란히 배열되어 탄화 섹션의 후속의 산화 오븐(F) 내로 급송하는 데 사용되는 전형적인 벨트 크기인 1800 ㎜의 폭을 갖는 연속된 토우 벨트를 형성할 수 있도록 된 거리만큼 교차 방향으로 상호 오프셋되고 그에 따라 이러한 섹션은 전통적인 공정들 중 하나와 완전히 동일하게 남아 있다. 방적 공정 중에 그에 따라 산화/탄화 오븐(F)까지의 운반 공정 중에 PAN 전구체 섬유 상에 부과되는 교차 방향 이탈의 완전한 부존재는 PAN 전구체 섬유로부터 유래되는 탄소 섬유의 불규칙적인 결정 조직으로 그에 따라 마지막 분석에서 PAN 전구체 섬유의 비-최적의 기계적 특징부로 불가피하게 전이되는 PAN 전구체 섬유의 임의의 불균등성을 피하게 한다는 것을 강조하는 것이 중요하다.

위에서 언급된 것과 같이, 방적 공정은 전통적인 플랜트의 속도보다 훨씬 낮은 속도로 특히 방적 섹션으로부터 즉 인장 작업 후에 나오는 토우의 벨트(N_A + N_B)가 전통적인 플랜트의 산화 섹션(F)의 입구 속도를 갖게 하는 속도 즉 전형적으로 5 내지 20 m/min의 범위 내의 속도로 일어난다.

각각의 개별의 방적 모듈(M)의 구조는 그 양호한 실시예를 도시하고 있는 도 3 및 4로부터 즉시 이해 가능하다.

각각의 모듈(M)의 하부 부분에는 PAN 섬유의 응고 배스를 수용하는 방적 탱크(1)가 배열되고, 그 내에 나란히 배열되는 2개 내지 8개의 스피너레트(spinneret)(2)가 침지된다. 스피너레트(2)로부터 나오는 필라멘트에 의해 형성되는 토우는 방적 탱크(1)로부터 수집되고 그에 따라 일련의 독립적으로 모터-구동되는 롤러(3, 4, 5) 상에서 지그-재그 경로로써 수평 방향 및 수직 방향의 양쪽 모두의 방향으로 - 전통적인 방적 플랜트에서 일어나는 것과 다르게 - 생성되는 경로로 안내된다. 도시된 실시예에서, 8개의 직선형 비-수평 경로가 대향 롤러(3)의 쌍들 사이에 형성되고, 동일한 경로를 따라, PAN 전구체 섬유의 모든 필요한 작업 즉 세척, 인장, 건조, 안정화 및 마무리가 - 당업자에 의해 그 자체로 공지되어 있고 그 이유로 여기에서는 상세하게 설명되지 않는 - 일련의 장치를 통해 수행되고, 이러한 장치를 통해 형성된 섬유가 통과되게 하고, 그에 의해 동시에 섬유에 상이한 수용액의 작용을 적용한다.

특히, 방적 탱크(1)의 바로 하류에서의 롤러(3) 사이의 제1의 2개의 직선형 경로에서, 사후-응고 및 사전-인장 처리가 수행되고, 4개의 후속의 중간 경로에서, 세척 및 습식-인장 처리가 수행되고, 한편 2개의 최종 경로에서, 표면 마무리 처리가 수행된다. 이러한 일련의 처리의 종료 시에, 중간에 모듈(M)의 상부에 도착한 형성된 섬유의 토우는 제1 쌍의 인장 롤러(4)와 제2 쌍의 인장 롤러(5) 사이의 직선형 수직 경로를 따라 모듈(M)의 저부로 재차 이동되고; 롤러(4)의 쌍은 롤러(4)의 쌍을 통과할 때에 섬유가 건조 및 붕괴(collapse)[붕괴 = 용매 제거에 의해 발생되는 섬유의 가능한 치조상 구조(alveolar structure)의 붕괴로 인한 장력 및 열 하에서의 섬유 밀도 상승]되게 하도록 가열된다.

롤러(4, 5)의 쌍들 사이의 직선형 경로를 따라, 증기 인장 장치(6)가 추가로 제공되고, 그를 통해 섬유가 통과되게 하여 롤러(5)의 쌍과 롤러(4)의 쌍 사이의 회전 속도 차이에 의해 결정되는 최종의 인장을 경험한다. 롤러(5)의 쌍으로부터, PAN 섬유의 토우가 최종적으로 증기 어닐링 장치(7)를 통해 제2 수직 직선형 경로로 모듈(M)의 상부 부분으로 재차 이동되고, 최종적으로 여기로부터 이들은 동일한 직렬부(A 또는 B)의 선행 또는 후속의 방적 모듈(M)로부터 나오는 토우와 함께 산화 섹션으로 보내진다.

방적이 낮은 속도 수행된다는 사실로 인해, 처리 경로 길이는 특히 짧을 수 있고, 그럼에도 불구하고 개별의 섬유-처리 장치 내에서 만족스러운 긴 시간을 유지한다. 이것은 특히 낮은 수치로 방적 모듈(M)의 전체 크기를 제한하게 하고; 예로서, 예시된 실시예에서, 모듈의 길이 방향 치수 또는 더 정확하게는 2개의 후속의 모듈 사이의 피치는 1250 ㎜로 되어 있고, 한편 모듈의 높이는 2200 ㎜ 미만이다.

모듈(M)의 각각에서, 비교적 낮은 개수의 섬유 제조가 존재하므로, 롤러(3-5)의 폭은 다수개의 저-데니어 토우 또는 낮은 선형 밀도를 갖는 필라멘트로 구성되는 토우를 - 섬유 벌크가 최고인 제1 방적 단계에서도 - 수납하여 처리된 토우의 개수 그리고 토우를 구성하는 개별의 필라멘트의 선형 밀도와 무관하게 각각의 모듈(M)의 전체 생산성을 일정하게 유지할 수 있도록 용이하게 치수 조정될 수 있다.

그러므로, 벨트(N_A, N_B)를 나란히 배열하여 산화 섹션(F)으로 급송하도록 제공하는 견인 롤러 조립체(R)를 또한 포함하는 본 발명에 따른 방적 플랜트의 전체 길이는 약 30m이다. 이러한 전체 길이는 기존에 사용되는 방적 플랜트의 전체 길이보다 훨씬 짧고, 또한 심지어 단일의 크릴을 갖는 전통적인 급송 탄화 플랜트의 전체 길이에 비교할 만하다. 본 발명에 따른 공정 및 플랜트를 사용하면, 그에 따라 완성된 제품의 품질 그리고 그 비용의 관점의 양쪽 모두의 관점에서 매우 낮은 비용으로 그리고 극적인 효율 상승으로써 기존의 플랜트의 동작을 혁신하는 것이 가능하다.

사실상, 본 발명에 따른 탄소 섬유 제조 공정은 방적 단계의 종료 시에 PAN 전구체를 보빈 상에 권취하는 단계가 그 내에서 완전히 없어지므로 설정된 주요 목적에 완전히 도달된다는 것이 위에서 보고된 상세한 설명으로부터 명확하다. 그러므로, 이러한 권취와 관련된 문제점은 토우 균질성 - 그리고 그에 따라 PAN 전구체로부터 얻어지는 탄소 섬유의 품질 - 의 관점 그리고 PAN 전구체의 보빈의 권취/운반/풀기에 연결되는 플랜트 비용 및 운영 비용의 관점의 양쪽 모두의 관점에서 해결된다.

나아가, 본 발명에 따른 탄소 섬유의 제조 공정은 본 발명의 다른 추가의 목적 그리고 특히 다음의 목적을 또한 성취하게 한다. 즉,

- 토우 파손의 경우에서의 극적으로 개선된 효율, 이러한 경우에, 전통적인 플랜트에서 일어나는 것과 같이, 방적 섹션의 전체 제조를 정지할 것이 필요하지 않고, 예컨대 도시된 실시예에서 전체 생산성의 약 2.3 %와 동일한 생산성의 최소 손실로써 개별의 모듈(M)의 정지만이 수행되기 때문이다.

- 높은 공정 유연성 즉 생산성에 악영향을 미치지 않으면서 낮은 데니어를 보유한 토우 또는 낮은 선형 밀도를 갖는 필라멘트를 보유한 토우를 생성할 가능성. 사실상, 제안된 기술적 해결책의 모듈성은 모듈(M)의 각각에서 사용되는 작은 롤러(3-5)의 폭의 합계와 동일한 방적 섹션의 이론적인 전체 폭에 실질적인 제한을 부과하지 않고 - 그에 따라 그 상에서 처리된 섬유의 전체 데니어는 저-데니어 또는 낮은 선형 밀도를 갖는 필라멘트를 보유한 토우와 관련된 작업에서도 변하지 않는 상태로 유지될 수 있고 - 그에 의해 종래의 방적 라인보다 훨씬 효율적인 방적 라인을 제공한다. 롤러의 최대 폭은 저-데니어 토우에서 작업할 때의 라인 생산성에 대한 제한을 나타낸다. 더욱이, 위의 저-데니어 토우 또는 낮은 선형 밀도를 갖는 필라멘트를 보유한 토우의 생성은 이러한 목적을 위해 구체적으로 조정되는 방적 플랜트 모듈(M)의 일부에서만 실시될 수 있고, 그에 의해 이러한 관점으로부터 또한 플랜트 유연성을 개선한다.

그러나, 본 발명은 그 예시 실시예를 나타낼 뿐인 위에서 예시된 특정한 실시예에 제한되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 모두가 당업자의 도달 범위 내에 속하는 다수개의 변형이 다음의 특허청구범위에 의해 한정되는 것과 같이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 가능하다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (14)

1. PAN 전구체 섬유의 제1 방적 단계 그리고 섬유의 제2 산화/탄화 단계를 포함하는 타입의 탄소 섬유를 제조하는 공정에 있어서,
   a. 방적 및 산화/탄화 단계는 인-라인으로 및 연속적으로 직접적으로 그에 따라 PAN 전구체의 임의의 스토킹 버퍼 영역이 2개의 단계 사이에 없는 상태로 수행되고;
   b. 방적 단계는 인장 작업의 하류에서의 방적 단계로부터의 출구 속도가 후속의 산화/탄화 단계에서의 처리 속도의 범위 내에 속하는 속도이도록 낮은 속도로 수행되고;
   c. 방적 단계는 1개 이상의 열(A, B)로 정렬되는 복수개의 방적 모듈(M) 상에서 모듈형 방식으로 수행되고, 각각의 방적 모듈(M)은 방적 단계의 전체 생산성의 10% 이하의 생산성을 갖고;
   d. 각각의 개별의 방적 모듈(M)에서, 방적 영역의 하류에서의 섬유는 수평 방향 및 수직 방향의 양쪽 모두의 방향으로 편향 및 구동 롤러(3-5)를 통해 지그-재그의 직선형 경로를 추종하고, 그 경로를 따라 다양한 방적 처리가 수행되고;
   e. 각각의 방적 모듈(M)로부터 나오는 섬유 토우는 그 진행 방향에 대한 횡단 방향 이탈을 경험하지 않으면서 선행 및/또는 다음의 모듈(M)로부터 나오는 토우의 측면에 배열되어 산화/탄화 단계의 단일의 급송 벨트(N)를 형성하는,
   것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 제조하는 공정.
2. 제1항에 있어서, 모듈의 열(A, B)의 각각 내에 포함되는 개별의 모듈(M)이 각각의 모듈(M)에 의해 생성되는 토우의 전체의 최종 폭에 대응하는 양만큼 교차 방향으로 서로에 대해 약간 오프셋되는 탄소 섬유를 제조하는 공정.
3. 제2항에 있어서, 정렬된 모듈(M)의 열(A, B)은 상호 중첩되고, 각각의 상부 열(B)은 하부 열(A)에서 생성되는 토우의 벨트(N_A)의 전체의 최종 폭에 대응하는 양만큼 하부 열(A)에 대해 교차 방향으로 전체적으로 오프셋되는, 탄소 섬유를 제조하는 공정.
4. 제3항에 있어서, 방적 모듈(M)의 열(A, B)의 각각에서 생성되는 토우의 벨트(N_A, N_B)를 동일한 평면 상에서 정렬하는 견인 롤러 조립체(R)를 추가로 포함하는 탄소 섬유를 제조하는 공정.
5. 제4항에 있어서, 인장 작업의 하류에서의 방적 단계로부터의 토우의 출구 속도는 5 내지 20 m/min의 범위 내의 속도인 탄소 섬유를 제조하는 공정.
6. 제4항에 있어서, 각각의 방적 모듈(M)의 생산성은 공정의 방적 단계의 전체 생산성의 5% 이하인 탄소 섬유를 제조하는 공정.
7. 제4항에 있어서, 각각의 방적 모듈(M)은,
   a. 모듈의 하부 부분 내에 배열되고 PAN 섬유의 응고 배스를 수용하는 탱크(1)로서, 그 내에 나란히 정렬되는 2개 내지 8개의 스피너레트(2)가 침지되는, 탱크(1)와;
   b. 모듈의 하부 부분으로부터 상부 부분으로 진행되는 편향 및 구동 롤러(3) 사이의 적어도 6개의 비-수평 직선형 경로로서, 그를 따라 사후-응고 처리, 사전-인장 처리, 3개 이상의 세척 및 습식-인장 처리 그리고 1개 이상의 최종의 표면 마무리 처리가 각각 수행되는, 적어도 6개의 비-수평 직선형 경로와;
   c. 모듈(M)의 상부 부분으로부터 모듈(M)의 저부로 그리고 그 반대 방향으로 진행되는 편향 및 구동 롤러(4, 5)의 쌍들 사이의 2개의 수직 직선형 경로로서, 그를 따라 토우의 붕괴 처리, 증기 인장 처리 그리고 최종적으로 증기 어닐링 처리가 각각 수행되는, 2개의 수직 직선형 경로
   를 포함하는 탄소 섬유를 제조하는 공정.
8. PAN 전구체 섬유의 제1 방적 섹션 그리고 섬유의 제2 산화/탄화 섹션을 포함하는 타입의 탄소 섬유의 제조 플랜트에 있어서,
   a. 방적 및 산화/탄화 섹션은 직접적인 인-라인 연결로써 그에 따라 PAN 전구체의 임의의 스토킹 버퍼 영역이 2개의 섹션 사이에 없는 상태로 설치되고,
   b. 방적 섹션은 1개 이상의 열(A, B)로 정렬되는 복수개의 방적 모듈(M)을 포함하고, 각각의 방적 모듈(M)은 방적 단계의 전체 생산성의 10% 이하의 생산성을 갖고;
   c. 각각의 개별의 방적 모듈(M)은 수평 방향 및 수직 방향의 양쪽 모두의 방향으로 생성되는 지그-재그의 직선형 경로로 방적 영역의 하류에서의 섬유를 운반하는 복수개의 편향 및 구동 롤러(3-5)를 포함하고, 그 경로를 따라 다양한 방적 처리가 수행되는,
   것을 특징으로 하는 제조 플랜트.
9. 제8항에 있어서, 모듈의 열(A, B)의 각각 내에 포함되는 개별의 모듈(M)이 각각의 모듈(M)에 의해 생성되는 토우의 전체의 최종 폭에 대응하는 양만큼 교차 방향으로 서로에 대해 약간 오프셋되는 제조 플랜트.
10. 제9항에 있어서, 정렬된 모듈(M)의 열(A, B)은 상호 중첩되고, 각각의 상부 열(B)은 하부 열(A)에서 생성되는 토우의 벨트(N_A)의 전체의 최종 폭에 대응하는 양만큼 하부 열(A)에 대해 교차 방향으로 전체적으로 오프셋되는, 제조 플랜트.
11. 제10항에 있어서, 방적 모듈(M)의 열(A, B)의 각각에서 생성되는 토우의 벨트(N_A, N_B)를 동일한 평면 상에서 정렬하는 견인 롤러 조립체(R)를 추가로 포함하는 제조 플랜트.
12. 제11항에 있어서, 인장 작업의 하류에서의 방적 섹션으로부터의 토우의 출구 속도는 5 내지 20 m/min의 범위 내의 속도인 제조 플랜트.
13. 제11항에 있어서, 각각의 방적 모듈(M)의 생산성은 플랜트의 방적 섹션의 전체 생산성의 5% 이하인 제조 플랜트.
14. 제11항에 있어서, 각각의 방적 모듈(M)은,
    a. 모듈의 하부 부분 내에 배열되고 PAN 섬유의 응고 배스를 수용하는 탱크(1)로서, 그 내에 나란히 정렬되는 2개 내지 8개의 스피너레트(2)가 침지되는, 탱크(1)와;
    b. 모듈의 하부 부분으로부터 상부 부분으로 진행되는 편향 및 구동 롤러(3) 사이의 적어도 6개의 비-수평 직선형 경로로서, 그를 따라 사후-응고 처리, 사전-인장 처리, 3개 이상의 세척 및 습식-인장 처리 그리고 1개 이상의 최종의 표면 마무리 처리가 각각 수행되는, 적어도 6개의 비-수평 직선형 경로와;
    c. 모듈(M)의 상부 부분으로부터 모듈(M)의 저부로 그리고 그 반대 방향으로 진행되는 편향 및 구동 롤러(4, 5)의 쌍들 사이의 2개의 수직 직선형 경로로서, 그를 따라 토우의 붕괴 처리, 증기 인장 처리 그리고 그 다음에 증기 어닐링 처리가 각각 수행되는, 2개의 수직 직선형 경로
    를 포함하는 제조 플랜트.

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