KR101866526B1 - 내전압강도가 향상된 고평량 메타 아라미드 페이퍼 - Google Patents

내전압강도가 향상된 고평량 메타 아라미드 페이퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 피브리드 메타아라미드 페이퍼가 삽입된 고평량 메타아라미드 페이퍼로서, 상기 고평량 메타아라미드 페이퍼의 평량이 80~200(g/m2)이며, 상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 용융 응고된 상태이며 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 합지시키는 특성이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼에 관한 것이다.

Description

내전압강도가 향상된 고평량 메타 아라미드 페이퍼 {Meta aramid paper with high basis weight }
본 발명은 내전압강도가 향상된 고평량 메타 아라미드 페이퍼에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 우수한 기계적 강도 및 내전압 강도가 향상된 고평량 메타 아라미드 페이퍼에 관한 것이다.
일반적으로 폴리아미드계 합성수지는 지방족 폴리아미드와 방향족 폴리아미드로 분류된다. 지방족 폴리아미드는 일반적으로 나이론이란 상표명으로, 방향족 폴리아미드는 아라미드라는 상표명으로 잘 알려져 있다. 상기 지방족 폴리아미드 중 특히 나일론 6, 그리고 나일론 6,6 등은 가장 일반적인 열가소성 엔지니어링 플라스틱으로 중요한 응용분야로는 섬유뿐만 아니라 여러 분야의 성형재료로 사용되고 있다. 성형분야에 사용되는 나일론수지는 향상된 난연성과 내충격성을 갖도록 하고 가격을 낮추고 탄성율과 같은 기계적 물성을 향상시키기 위하여 광물 또는 유리섬유로 보강하여 복합재료인 강화플라스틱(reinforced plastics)으로 제조한다.
1960년대 개발된 아라미드라는 방향족 폴리아미드는 지방족 폴리아미드인 나일론의 내열성을 개선시키기 위해 개발된 것으로 노멕스(Nomex), 케블라(Kevlar)와 같은 상품명으로 잘 알려져 있는 방향족 폴리아미드는 난연성 섬유직물, 타이어 코드 등의 섬유용도로 사용될 수 있는 뛰어난 내열성과 높은 인장강도를 갖는다. 일반적인 지방족 폴리아미드는 아미드기 사이에 지방족 탄화수소가 결합되어 있는 합성수지이나, 아라미드(aramid)는 아미드기 사이에 벤젠기가 85%의 아미드 결합이 두 개의 방향족 고리에 결합되어 있는 합성수지를 말한다. 상기 지방족 폴리아미드의 지방족 탄화수소는 열을 가하면 쉽게 분자운동이 일어나는 데 반하여, 방향족 폴리아미드의 벤젠 환은 분자쇄가 강직하고 열을 가하여도 분자가 쉽게 움직이지 않으므로 열에 안정하고 탄성률이 높아 일반 지방족 폴리아미드와는 특성에 있어서 많은 차이를 나타낸다.
상기 방향족 폴리아미드는 파라 아라미드(para-aramid)와 메타 아라미드(meta-aramid)로 분류되며, 파라 아라미드는 듀폰사에서 개발된 케블라(Kevlar)가 대표적이다. 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 ReinforcedPlastic), 석면대체용 섬유 등에 사용되고 있다. 메타 아라미드는 벤젠고리가 메타 위치에서 아미드기와 결합된 것으로 강도와 신도는 보통의 나일론과 비슷하나 열에 대한 안정성이 대단히 좋으며, 다른 내열용 소재에 비하여 가볍고 땀 흡수도 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.
일반적으로 메타 아라미드 페이퍼는 메타 아라미드 플럭과 메타 아라미드 피브리드를 일정 비율로 혼합하여 메타 아라미드 페이퍼를 제작한다. 이렇게 제작된 메타 아라미드 페이퍼는 평량에 따라 고평량 메타 아라미드 페이퍼와 저평량 메타 아라미드 페이퍼로 구분된다. 구체적으로 고평량 메타 아라미드 페이퍼의 용도는 고전압 변압기 상절연, 전동모터 절연, PCB제조 등이고, 저평량 메타 아라미드 페이퍼의 용도는 철심 및 코일 절연,배터리, 허니콤 제조에 주로 사용된다.
한편, 한국공개특허 제2007-0116139호에서는 습식초지법으로 제조한 메타 아라미드 페이퍼를 적층한 절연시트를 개시하고 있다. 상기 특허와 같은 통상의 습십초지법을 통해 제조된 메타 아라미드 페이퍼의 두께에 따른 미세분의 함량이 달라 상면과 하면의 표면저항값의 차이가 크게 되어 고른 안정성을 달성하기 어려운 문제가 있었다.
또한, 한국특허출원 제2013-0167467호에서는 고평량 메타아라미드 페이퍼는 우수한 기계적 강도를 가질 뿐 아니라 고른 안정성을 갖지만 제조방법에서 단면의 높낮이에 따른 미세분 분포 조절을 위해 상하면 탈수정도를 조절하는 방법을 제공하는 것으로 보다 간편하게 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제조하는 방법이 대두되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 내전압강도가 우수하고 고평량 메타아라미드 페이퍼 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 피브리드 메타아라미드 페이퍼가 삽입된 고평량 메타아라미드 페이퍼로서, 상기 고평량 메타아라미드 페이퍼의 평량이 80~200(g/m2)이며,상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 용융 응고된 상태이며 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 합지시키는 특성이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30이며, 평량이 30~50(g/m2)인 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 100 대 0 에서 90 대 10이고, 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 삽입된 이후 온도 250~350℃와 압력 50~300kN/m인 핫롤러를 이용해 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 상하를 가압시켜 용융 응고과정에서 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼가 합지되는 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고평량 메타아라미드 페이퍼 인장강도(MD, N/cm)는 90 내지 100이고, 내전압 강도(kV/mm)는 22 내지 28 인 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 3개 이상 합지가능한 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 고평량 메타아라미드 페이퍼는 내전압 강도가 향상되고 고평량 물성 효과가 있다.
또한, 본 발명은 여러 겹의 저평량 페이퍼를 이용한 합지방법으로 고평량 정도를 조절가능한 특징이 있다.
도1은 본 발명의 일실시예인 고평량 메타아라미드 페이퍼의 단면도이다.
도2는 본 발명의 비교예인 메타아라미드 페이퍼의 단면도이다.
도3는 본 발명인 고평량 메타아라미드 페이퍼 제조방법 중 합지단계에 사용되는 장치에 관한 개념도이다.
도4은 본 발명인 고평량 메타아라미드 페이퍼 제조방법에 관한 순서도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 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.
도1은 본 발명의 일실시예인 고평량 메타아라미드 페이퍼의 단면도이다. 본 발명은 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 피브리드 메타아라미드 페이퍼가 삽입된 고평량 메타아라미드 페이퍼로서, 상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 용융 응고된 상태이며 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 합지시키는 기능을 한다.
일반적인 고평량 메타아라미드 페이퍼를 습식초지법을 이용할 경우 공정상 탈수에 어려움이 있어 제조하기 어렵다. 따라서, 본 발명은 탈수공정에 어려움이 없는 저평량의 메타아라미드를 제조하여 합지 단계를 거쳐 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제조한다.
상기 합지 단계를 거친 고평량 메타아라미드 페이퍼의 평량이 80~200(g/m2)이다. 평량은 면적대비 중량에 관한 단위로써 평량이 높을수록 단위면적당 페이퍼의 압축도가 커서 내전압뿐만 아니라 물성도 향상된 특징을 갖는다.
한편, 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30인 비율로 제조한다.
피브리드는 페이퍼 제조에 있어서 고도로 피브릴화된 펄프는 높은 가요성, 종이에서의 높은 결합능 및 우수한 다공도 등의 매우 유용한 특성을 부여하는데, 메타아라미드는 피브릴형성이 어려운 특성을 가지고 있어 피브리드를 제조해야만 한다. 피브리드는 fiber-film hybrid에서 나온 단어이며 형태는 가공조건에 따라 매우 다양하다.
이러한 가공 조건은 피브리드를 폼(form) 형태로부터 섬유질이 많은 입자 등의 다양한 형태와 유변학적 모폴로지를 이끌어내기 때문에 피브리드 제조 조선을 어떻게 선정하느냐가 페이퍼 물성에 매우 중요한 영향을 미친다.
또한 메타아라미드 페이퍼의 기계적 강도에 양향을 미치는 플럭(floc)은 섬유형성 뿐만 아니라 섬유 물성에 중요한 요인으로 작용을 한다. 즉, 적정 고분자 농도에서 메트릭스 상으로 되어 연속상인 섬유를 얻을 수 있지만 희박농도에서는 마이크로 보이드상으로 존재하게 되어 섬유물성이 저하될 우려가 있으며 반대로 고농도에서 지나친 치밀화 구조에 의해 연신 공정에서 배향이 어려워 물성 개선이 어렵게 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 저평량 메타아라미드 페이퍼를 제조할 때 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30인 비율로 혼합해서 사용하는 것이 바람직하고 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼의 평량이 30~50(g/m2) 값을 갖는다.
상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 합지하여 고평량 메타아라미드 페이퍼를 제조하기 위해 접착제 역할을 하는 물질로서 본 발명은 피브리드 메타아라미드 페이퍼를 사용한다.
상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 100 대 0 에서 90 대 10인 비율로서 피브리드 함량이 많을수록 융점이 낮아진다. 일반적으로 피브리드만 구성된 메타아라미드는 270~320℃ 정도로 플럭 함량이 높아질수록 400℃까지 증가될 수 있다.
그러므로 저융점인 피브리드 메타아라미드 페이퍼가 50~300kN/m의 고압과 250~350℃의 고온상태에서는 융해가 되어 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에서 용융응고가 되어 접착제 역할을 할 수 있다.
도3는 본 발명인 고평량 메타아라미드 페이퍼 제조방법 중 합지단계에 사용되는 장치에 관한 개념도이다
본 발명에서 고압 고온의 환경설정은 핫롤러를 이용하며 상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 삽입된 이후 핫롤러를 이용해 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 상하를 가압시켜 용융 응고과정에서 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼가 합지시키게 된다.
이렇게 제조된 고평량 메타아라미드 페이퍼 인장강도(MD, N/cm)는 90 내지 100이고, 내전압 강도(kV/mm)는 22 내지 28의 물성을 갖는다.
또한 목표 물성에 따라 저평량 메타아라미드 페이퍼를 3개 이상도 합지가능하다. 예를 들어 3개의 저평량 메타아라미드 페이퍼층에서 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼층 사이의 2개의 공간에 각각 피브리드 메타아라미드 페이퍼를 삽입하여 핫 롤러에 의한 합지를 할 수 있다.
도4은 본 발명인 고평량 메타아라미드 페이퍼 제조방법에 관한 순서도이다. 페이퍼 제조단계; 상기 제조된 페이퍼의 적층단계 및 상기 적층된 페이퍼를 합지하는 단계로 구성될 수 있으며,
상기 페이퍼 제조단계에서 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30인 비율이고, 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 100 대 0 에서 90 대 10인 비율로 이루어진 수성 분산액으로부터 슬러리를 제조하고; 상기 슬러리를 습식초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고; 캘린더링(calendaring)하는 단계로 이루질 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 더욱 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플락의 중량비 70:30으로 수분산하여 Wire Part, Press part, Dry part를 통하여 수분을 제거하여 제조하고,
피브리드 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 95 : 5 로 준비하여,
상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 삽입된 이후 온도 250~350℃와 압력 50~300kN/m인 핫롤러를 이용해 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 상하를 가압시킨다.
실시예 2
실시예 1과 조건은 동일하며 다만, 피브리드와 플럭의 중량비가 90 : 10인 피브리드 메타아라미드 페이퍼를 사용한다.
실시예 3
실시예 1과 조건은 동일하며 다만, 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플락의 중량비를 50:50로 사용한다.
실시예 4
실시예 3과 조건은 동일하며 다만, 피브리드와 플럭의 중량비가 90 : 10인 피브리드 메타아라미드 페이퍼를 사용한다.
실시예 5
실시예 1과 조건은 동일하며 다만, 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플락의 중량비 30:70로 사용한다.
실시예 6
실시예 5과 조건은 동일하며 다만, 피브리드와 플럭의 중량비가 90 : 10인 피브리드 메타아라미드 페이퍼를 사용한다.
비교예 1
실시예 1과 동일 조건으로 저평량 원지 제조하되 도2와 같이 피브리드 메타아라미드 페이퍼 사이에 저평량 메타아라미드 페이퍼를 삽입하여 합지한다.
비교예 2
실시예 2과 동일 조건으로 저평량 원지 제조하되 도2와 같이 피브리드 메타아라미드 페이퍼 사이에 저평량 메타아라미드 페이퍼를 삽입하여 합지한다.
비교예 3
일반적인 Paper making 공정으로 고평량 페이퍼 제조한다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 비교예 1 비교예 2 비교예 3
평량(g/m2) 80 87 90.2 86.4 91.2 91.1 70.1 77.4 80.2
인장강도(MD, N/cm) 94.3 95.1 96.1 95.3 93.5 94.1 82.1 82 82.5
내전압 강도(kV/mm) 22.3 23.3 25.4 25 24.5 24.6 25 25.5 19.3
상기한 표1의 결과로 부터 알 수 있는 것처럼, 실시예는 증간층에 피브리드 수지를 삽입하여 높은 강도와 내전압 강도를 보인다.
반면, 비교예 1,2는 실시예와 비교시 인장강도는 플럭의 비율이 작은 피브리드 메타아라미드페이퍼를 상하면에 사용으로 플럭에 비해 인장강도가 작은 피브리드성질로 인장강도가 약간 떨어지나 내전압은 플럭과 피브리드 모두 우수하여 실시예와 동등한 값을 갖는다.
그러나 비교예 3은 합지방법이 아닌 일반적인 페이퍼 공정에 의한 제조이므로 수분제거공정의 어려움에 의해 내전압강도가 실시예보다 뚜렷하게 낮은 값을 갖음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100: 페이퍼 합지 장치 110: 핫 롤러(Hot Roller)
120: 고용량 페이퍼 121: 저용량 메타아라미드 페이퍼
123: 피브리드 메타아라미드 페이퍼

Claims (5)

  1. 저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 피브리드 메타아라미드 페이퍼가 삽입된 고평량 메타아라미드 페이퍼로서,
    상기 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30, 평량이 30~50(g/m2)이며,
    상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 및 상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는
    메타아라미드 피브리드와 플럭이 혼합된 수성 분산액으로부터 슬러리를 제조하고 상기 슬러리를 습식초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고 캘린더링(calendaring)을 거쳐 제조되고,
    상기 고평량 메타아라미드 페이퍼의 평량이 80~200(g/m2)이며,
    상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 용융 응고된 상태이며 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼를 합지시키는 특성이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저평량 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 30 대 70 에서 70 대 30이며, 평량이 30~50(g/m2)인 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피브리드 메타아라미드 페이퍼는 피브리드와 플럭의 중량비가 100 대 0 에서 90 대 10이고,
    저평량 메타아라미드 페이퍼 사이에 삽입된 이후 온도 250~350℃와 압력 50~300kN/m인 핫롤러를 이용해 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼 상하를 가압시켜 용융 응고과정에서 상기 저평량 메타아라미드 페이퍼가 합지되는 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고평량 메타아라미드 페이퍼 인장강도(MD, N/cm)는 90 내지 100이고, 내전압 강도는 22 내지 28(kV/mm)인 것에 특징이 있는 고평량 메타아라미드 페이퍼.
  5. 삭제
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