KR101914974B1 - Apparatus and Method manufacturing carbon fiber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최적 구조의 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 플라즈마 장치를 탄소섬유 제조에 적용하여 제조 공정 시간단축 및 에너지 소비를 절감하는 탄소섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof, and more particularly, To a carbon fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method for reducing energy consumption.
탄소섬유 제조에 있어 기존의 고온 열풍에 의한 제조는, 공정 중 가장 에너지 비용이 많이 드는 산화안정화 공정의 경우 2 시간이 넘는 고온(200 ~ 300 ℃)에 탄소섬유 전구체를 노출 시켜야 함으로서, 장시간의 공정 과정과 고 에너지 소비에 따른 제조 단가가 상승하여 현재 탄소섬유의 가격이 고가이며, 이로 인해 항공기, 스포츠 용품 등의 고가격대의 응용 분야에만 한정되어 사용되고 있다. In the case of the oxidation stabilization process, which is the most expensive energy in the process, the carbon fiber precursor must be exposed to the high temperature (200 to 300 ° C.) over 2 hours in the manufacturing of the carbon fiber, And the cost of manufacturing carbon fibers is high because of the increase in the manufacturing cost due to the high energy consumption and thus it is limited to the high price application fields such as aircraft and sporting goods.
그러므로, 향후 자동차, 건축 자재 등의 다양한 대량 소비를 위하여서는 탄소섬유 제조 가격의 하락이 필수적이다. Therefore, in the future, it is essential to lower the cost of manufacturing carbon fiber for various mass consumption of automobiles and building materials.
상용 탄소섬유의 90% 이상은 PAN 전구체로부터 얻어지는데 에어 가스에서 180 ~ 300 ℃에서 이루어지는 산화 안정화, 불활성기체 분위기하에 1600 ℃이하에서 이루어지는 탄화과정을 거쳐 탄소섬유가 제조되며, 고탄성율 등의 탄소섬유 제조 목적으로 흑연화(1600 ~ 3,000 ℃) 과정으로 흑연화 탄소섬유가 제조 된다. More than 90% of the commercial carbon fibers are obtained from the PAN precursor. The carbon fibers are produced through oxidization stabilization at 180-300 ° C in an air gas and carbonization at 1600 ° C or lower in an inert gas atmosphere, and carbon fibers such as high elastic modulus Graphitized carbon fibers are produced by graphitization (1600 ~ 3,000 ℃) for manufacturing purposes.
PAN 고분자는 산화안정화 과정에서 산화, 탈수소화, 고리화 반응 등을 통해 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성한다.The PAN polymer forms a ladder structure with heat resistance through oxidation, dehydrogenation, and cyclization in the oxidation stabilization process.
이 과정은 탄소섬유 제조에 있어서 고성능을 가지게 하는 중요한 단계이나 반응이 매우 느려 시간 및 에너지 소모가 큰 단계이다. This process is an important step in achieving high performance in carbon fiber manufacturing, but it is very slow and time consuming and energy consuming.
구체적으로, 산화안정화 공정은 탄화수소가 도입된 산소에 의하여 축합이 일어나는 과정이며, 도입된 산소에 의해서 연소가 발생하지 않도록 느린 승온 속도와 오랜 시간의 안정화로 충분하게 안정화를 시켜야 기계적 특성이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있다.Specifically, the oxidation stabilization process is a process in which condensation is caused by oxygen introduced with hydrocarbons, and stabilization must be sufficiently performed at a slow heating rate and a long time stabilization so that combustion does not occur due to the introduced oxygen, Can be produced.
이 산화안정화는 탄소섬유 제조공정에서 가장 시간이 지체되는 단계이기 때문에 생산성을 높이기 위해서 기술적으로 최적화가 필수적이다.This oxidation stabilization is the most delayed step in the carbon fiber manufacturing process, so technological optimization is essential to increase productivity.
탄소섬유 제조를 위한 산화안정화 및 탄화공정에서 에너지 및 공정 비용 절감을 위하여 최근에 플라즈마 등 다양한 연구가 진행되고 있으며, 플라즈마 적용의 경우 미국 ORNL에서는 진공 플라즈마를 적용하여 공정을 개발하였으나 진공의 제약으로 양산화에는 아직 이루지 못하고 있다.In order to reduce energy and process cost in oxidation stabilization and carbonization process for manufacturing carbon fiber, various researches such as plasma have been recently carried out. In the case of plasma application, ORNL developed a process by applying vacuum plasma. However, Has not yet achieved.
탄소섬유 제조에 있어 탄화 및 흑연화 공정은 고온(600 ~ 3,000 ℃) 공정으로 기존의 전기로 방식에서는 이와 같은 고온을 얻기 위하여 발열체로 특수 히터를 사용하며, 고온에 의한 발열체 전극 연결을 통한 열 전달손실 및 섬유가 없는 공간으로 열 복사 손실, 주변 기구들의 열 흡수 등의 에너지 손실이 있으며, 고온에 도달하기 위하여 많은 시간이 소요됨으로서 초기예열시간이 길고, 간접전달방식으로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.Carbonization and graphitization processes in carbon fiber manufacturing are performed at high temperature (600 ~ 3,000 ℃). In the existing electric furnace system, special heaters are used as heating elements to achieve such high temperatures. Heat transfer There is a loss of heat such as loss of heat radiation and heat absorption of peripheral devices, and it takes a long time to reach a high temperature, so that the initial preheating time is long and the energy efficiency is low due to indirect delivery method .
종래의 탄소섬유 제조장치(한국등록특허 제10-1296719호)는, RF플라즈마를 이용하여 탄소섬유를 제조하나, RF 플라즈마의 경우 실질적으로 진공 공정으로 진행되어야 하므로, 장치 비용이 증가하며, 또한 RF ICP 방식으로는 대기압에서 플라즈마 발생이 어려워 공정의 비용이 대폭 증가하는 문제점이 있었다.The conventional carbon fiber manufacturing apparatus (Korean Patent No. 10-1296719) manufactures carbon fibers by using RF plasma. In the case of RF plasma, however, it is required to proceed to a vacuum process, In the ICP method, plasma generation is difficult at atmospheric pressure, and the cost of the process is greatly increased.
종래의 또 다른 탄소섬유 제조방법(한국등록특허 제10-1219721호, 제10-1219724호, 제10-1395811호)은, 마이크로파 가열 및 마이크로웨이브 플라즈마가열을 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법에 대한 특허로, 기존에 대해 차별화되거나 구체적인 제조장치에 대한 구조나 특징이 제시가 안 되는 문제점이 있다.Another conventional method for producing carbon fibers (Korean Patent No. 10-1219721, No. 10-1219724, No. 10-1395811) is a method for producing carbon fiber by microwave heating and microwave plasma heating As a patent, there is a problem that the structure or characteristic of a manufacturing apparatus differentiated from a conventional one or a specific manufacturing apparatus can not be presented.
본 발명은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 최적 구조의 마이크로웨이브 대기압플라즈마에 의한 예열 대기시간 대폭 감축 및 저 에너지 소비의 대기압플라즈마 장치 및 공정을 탄소섬유 제조에 적용하여 공정 시간 및 에너지 소비를 절감하는 탄소섬유 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art, and it is possible to reduce the process time and energy consumption by applying the atmospheric pressure plasma apparatus and the process of low energy consumption to the carbon fiber manufacturing by drastically reducing the warm-up waiting time by the microwave atmospheric pressure plasma of the optimum structure And a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조장치에 있어서, 탄소섬유 전구체를 산화안정화 또는 산화안정화 된 탄소섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 탄소섬유가 공급 및 회수되는 반응로와; 상기 반응로 상부에 구비되어 반응로의 열기가 외부 유출을 방지하는 상부 냉각부와; 상기 반응로에 적어도 하나 또는 하나 이상 구비되어 마이크로웨이브 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부와; 상기 플라즈마 발생부의 마이크로웨이브 플라즈마에 의해 활성화되어 고온의 열기를 반응로 공급하는 가스 공급부와; 상기 반응로 하부에 구비되어 산화안정화 또는 탄화흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 하부 냉각부;로 구비되어 최적 구조의 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 플라즈마 장치를 탄소섬유 제조에 적용하여 제조 공정 시간단축 및 에너지 소비를 절감하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for producing carbon fibers according to the present invention comprises a reaction furnace in which carbon fibers are supplied and recovered in order to carbonize or oxidize oxidized or oxidized carbon fibers of a carbon fiber precursor; An upper cooling unit provided on the reaction furnace to prevent the heat of the reaction furnace from flowing to the outside; At least one or more than one of the plasma generating units is provided in the reaction furnace to generate a microwave plasma; A gas supply unit which is activated by microwave plasma of the plasma generating unit and supplies high temperature heat to the reaction; And a lower cooling unit provided at a lower portion of the reactor for cooling oxidation stabilized or carbonized graphite carbon fibers to reduce the waiting time for preheating by the microwave plasma of the optimum structure and to reduce the energy consumption of the plasma apparatus, To reduce the manufacturing process time and energy consumption.
본 발명에 있어서, 상기 반응로는 상부에 반응구간이 구비되고, 상기 반응구간 하부에 하부로 경사를 이룬 플라즈마 유입관이 적어도 하나 또는 하나 이상 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the reaction furnace has a reaction section on the upper part and at least one or more plasma inflow tubes that are inclined downwardly below the reaction section.
본 발명에 있어서, 상기 반응로는 원통형으로 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the reactor is provided in a cylindrical shape.
본 발명에 있어서, 상기 반응로는 정육면체로 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the reactor is provided as a cube.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는, 마그네트론이 런처에 장착되고, 상기 런처는 메칭튜너와 연결되며, 상기 메칭튜너는 하부로 절곡되는 절곡가이드에 연결되고, 상기 절곡가이드의 절곡된 끝단은 전기장을 압축하여 더 높은 전기장이 발생하도록 좁아진 관 형태의 웨이브 가이드에 연결되며, 상기 웨이브 가이드는 좁아진 끝단이 반응로에 결합되게 구비됨이 바람직하다.In the present invention, the plasma generator may be configured such that a magnetron is mounted on a launcher, the launcher is connected to a matched tuner, the matched tuner is connected to a bending guide bent downward, and the bent end of the bending guide is an electric field The waveguide is connected to a waveguide of a tube shape which is narrowed so as to generate a higher electric field by compressing, and the waveguide is preferably provided so that its narrowed end is coupled to the reactor.
본 발명에 있어서, 상기 가스공급부는 플라즈마 발생부에서 가장 전기장이 강한 위치에 구비되어 가스를 공급하는 공급관이 구비되며, 플라즈마 방전을 위한 이그니터가 구비되며, 가스공급부의 과열을 방지하기 위한 냉각수 입출구가 구비된 가스 냉각부재가 구비됨이 바람직하다.In the present invention, the gas supply unit may include a supply pipe provided at a position where the electric field is strongest in the plasma generation unit and supply the gas, an igniter for plasma discharge, and a cooling water supply unit for preventing overheat of the gas supply unit. It is preferable that a gas cooling member having an inlet and an outlet is provided.
본 발명에 있어서, 상기 공급관은 적어도 둘이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류현상을 이루어 회전되게 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that at least two of the supply pipes are provided so as to face each other and the supplied gas is vortexed to be rotated.
본 발명에 있어서, 상기 상부 냉각부는 반응로 상부 입구에 구비되며, 냉각수 및 냉각수 입출구가 구비되고, 반응로 상부를 감싸게 링 형태로 구비되어 탄소섬유가 반응로로 출입하는 상부 냉각부재와, 상기 상부 냉각부재 상부에 탄소섬유를 출입 가이드 하는 출입롤러가 상호 대향되게 구비되어 탄소섬유의 공급 및 회수를 가이드하게 구비됨이 바람직하다.In the present invention, the upper cooling portion is provided in the upper inlet of the reaction furnace and includes cooling water and cooling water inlets and outlets. The upper cooling portion is provided with a ring shape to surround the upper portion of the reactor, It is preferable that the cooling member is provided on the upper part with the entrance and exit rollers for guiding the entrance and exit of the carbon fibers so as to guide the supply and recovery of the carbon fibers.
본 발명에 있어서, 상기 하부 냉각부는 냉각수 및 냉각수 출입구를 구비하고, 상부가 개방된 함 형태로 반응로 하부를 감싸게 구비되는 하부 냉각부재와, 상기 냉각부재 중앙에 탄소섬유가 가이드 유턴하는 하부롤러가 적어도 하나 이상 구비됨이 바람직하다.In the present invention, the lower cooling portion includes a lower cooling member having cooling water and a cooling water inlet and an upper portion opened to enclose the lower portion of the reaction chamber, and a lower roller having a carbon fiber guide- It is preferable that at least one is provided.
본 발명에 있어서, 상기 하부 냉각부에 구비된 하부 냉각부재에 의해 적재되는 이물질 및 타르를 배출하는 배출구가 구비되며, 상기 배출구는 "N"자 형을 이루어 외부 공기의 유입을 차단하게 구비됨이 바람직하다.In the present invention, the lower cooling unit is provided with a discharge port for discharging foreign substances and tar carried by the lower cooling member, and the discharge port is formed to have an "N" desirable.
본 발명에 있어서, 상기 반응로가 적정한 온도를 유지하기 위한 온도 제어관이 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to provide a temperature control pipe for maintaining the temperature of the reactor at an appropriate temperature.
본 발명에 있어서, 상기 온도 제어관은 적어도 둘이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류현상을 이루어 회전되게 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that at least two temperature control tubes are provided so as to face each other and the supplied gas is vortexed to be rotated.
본 발명에 있어서, 상기 반응로에서 사용된 가스를 회수하여 재사용하는 가스 회수라인이 상부 냉각부 및 하부 냉각부에 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that a gas recovery line for recovering and reusing the gas used in the reactor is provided in the upper cooling section and the lower cooling section.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 반응로에 탄소섬유를 공급하는 공급단계와; 공급된 탄소섬유를 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화 하기 위한 가스를 주입하는 가스 주입단계와; 플라즈마 발생부에 전원을 공급하여 마그네트론 및 이그니터를 구동하여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생단계와; 플라즈마의 온도를 제어하는 온도제어단계와; 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계와; 냉각되어 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 회수하는 회수단계;로 이루어져 최적 구조의 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 플라즈마 장치를 탄소섬유 제조에 적용하여 제조 공정 시간단축 및 에너지 소비를 절감하는 것을 특징으로 한다.In the method for producing a carbon fiber according to the present invention, A gas injecting step of injecting a gas for oxidizing or carbonizing or graphitizing the supplied carbon fibers; A plasma generating step of generating plasma by supplying power to the plasma generating part to drive the magnetron and the exciter; A temperature control step of controlling a temperature of the plasma; A cooling step for cooling the oxidation stabilized or carbonized or graphitized carbon fibers; And recovering oxidized or carbonized or graphitized carbon fibers. The plasma apparatus for reducing the preheating latency by the microwave plasma of the optimum structure and consuming less energy is applied to the carbon fiber manufacturing process, Shortening and energy consumption.
본 발명에 있어서, 반응로에서 사용된 가스를 회수하여 재사용하는 가스 회수단계;가 구비됨이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that a gas recovery step of recovering and reusing the gas used in the reactor is provided.
본 발명에 있어서, 상기 가스주입단계 및 온도제어단계에 의해 탄소섬유 안정화 또는 탄화 또는 흑연화로 각각 이루어짐이 바람직하다.In the present invention, carbon fiber stabilization, carbonization, or graphitization is preferably performed by the gas injection step and the temperature control step, respectively.
본 발명에 있어서, 상기 탄소섬유의 산화안정 및 탄화 및 흑연화는 순차적으로 각각의 탄소섬유 제조장치에 의해 이루어짐이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the oxidation stability, carbonization and graphitization of the carbon fibers are sequentially performed by respective carbon fiber manufacturing apparatuses.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조장치 및 제조방법은 최적 구조의 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 플라즈마 장치를 탄소섬유 제조에 적용하여 제조 공정 시간단축 및 에너지 소비를 절감하는 탁월한 효과가 있다.The carbon fiber manufacturing apparatus and the manufacturing method according to the present invention can reduce the preheating time by the microwave plasma of the optimum structure and reduce the manufacturing time and energy consumption by applying the plasma apparatus consuming less energy to the carbon fiber manufacturing It is effective.
또한, 산화안정화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마에 의하여 다수의 산소 라디칼이 발생하여 산화안정화 공정 시간을 2시간에서 수 십분 이내로 단축할 수 있는 탁월한 효과가 있다.Further, in the oxidation stabilization process, a large number of oxygen radicals are generated by the microwave atmospheric pressure plasma, and the oxidation stabilization process time can be shortened within 2 hours to several tens of minutes.
또한, 산화안정화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 열원으로 사용함으로서 기존에 장시간 소요되는 예열시간을 수 초 이내에 수 백도를 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있어 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있는 탁월한 효과가 있다. In addition, by using the microwave atmospheric pressure plasma as the heat source in the oxidation stabilization process, it is possible to make the preheating time for a long time within several seconds within a few seconds by using the microwave atmospheric plasma as the heat source, thereby remarkably reducing the waiting time for preheating, .
또한, 탄화 또는 흑연화 공정에서 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생부를 가짐으로서, 탄소섬유에 의한 에너지 흡수 불균형에 따른 플라즈마 불안정 문제가 없는 안정적인 플라즈마 발생 열을 공급할 수 있는 탁월한 효과가 있다. In addition, in the carbonization or graphitization process, an independent microwave atmospheric plasma generation unit is provided, which provides an excellent effect of supplying stable plasma generation heat without plasma instability problem due to energy absorption imbalance caused by carbon fibers.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생부를 가짐으로서, 탄소섬유에 의한 에너지 흡수에 따른 플라즈마 이그니션이 안되는 문제가 없는 플라즈마 발생 장치를 구성할 수 있는 탁월한 효과가 있다.In addition, there is an advantageous effect that a plasma generating device having an independent microwave atmospheric plasma generating part in the carbonization and graphitizing process can be constructed without a problem that the plasma ignition due to the energy absorption by the carbon fiber does not occur.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로파 흡수 기술의 경우 탄소섬유 다발의 표면에서 마이크로파 흡수가 주로 발생하여 내부와 온도차가 발생하는데, 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생 공급부를 가짐으로서 탄소섬유 다발에서 표면과 내부의 온도 차이가 없는 보다 균일한 탄소섬유를 제조할 수 있는 탁월한 효과가 있다.In the carbonization and graphitization process, the microwave absorption technique mainly generates microwave absorption at the surface of the carbon fiber bundle, and generates a temperature difference with the inside of the carbon fiber bundle. An independent microwave atmospheric pressure plasma generation supply part is provided in the carbon fiber bundle, There is an excellent effect that a more uniform carbon fiber having no temperature difference can be produced.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 수직 구조와 Swirling 가스로 3,000 ℃ 가까운 고온 가스에도 반응로에 손상을 주지 않으며, 높이에 따른 온도 분포를 일정하게 형성 시킬 수 있어 제조된 탄소섬유의 품질을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다. In addition, in the carbonization and graphitization processes, even in the case of high temperature gas near 3,000 ° C by the vertical structure and the swirling gas, it does not damage the reactor, and the temperature distribution according to the height can be uniformly formed, There is an excellent effect.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 탄소섬유 입출구를 상부에 위치함으로서 공기가 입출구로 유입되는 것을 억제할 수 있어 최소의 가스를 사용할 수 있는 탁월한 효과가 있다. Further, since the carbon fiber inlet and outlet are positioned at the upper part in the carbonization and graphitization process, air can be prevented from flowing into the inlet and outlet, and thus, there is an excellent effect that a minimum amount of gas can be used.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로웨이브 대기압 플라즈마를 열원으로 사용함으로서 기존의 수십 시간 소요에 비하여 수 초 이내에 수 천도를 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있어 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있는 탁월한 효과가 있다.In addition, by using the microwave atmospheric plasma as a heat source in the carbonization and graphitization processes, it is possible to make several thousands of seconds within a few seconds compared to the conventional several tens of hours, thereby significantly reducing the waiting time for the preheating, It is effective.
또한, 산화안정화 공정 및 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 열원으로 사용함으로서, 가스에 직접 에너지를 주어 가스만 가열되어 탄소섬유에 전달됨으로 에너지를 절약할 수 있는 탁월한 효과가 있다.Further, by using a microwave atmospheric plasma as a heat source in the oxidation stabilization process and carbonization and graphitization process, energy is directly given to the gas, and only the gas is heated and transferred to the carbon fiber, thereby saving energy.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시 예의 탄소섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 사용상태 정면도.
도 2는 도 1의 요부확대도.
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시 예의 탄소섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 사용상태 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 제3 실시 예의 탄소섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 사용상태 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조장치에 의해 순차적으로 탄소섬유가 제조되는 상태를 도시한 사용상태 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 이루는 순서도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a front view schematically showing an apparatus for producing carbon fiber according to a first embodiment of the present invention. Fig.
2 is an enlarged view of the main part of Fig.
3 is a front view schematically showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
4 is a perspective view schematically showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a front view of a state in which carbon fibers are sequentially produced by the carbon fiber manufacturing apparatus according to the present invention. FIG.
6 is a flow chart of a method for manufacturing a carbon fiber according to the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 탄소섬유 제조장치 및 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a carbon fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1 실시 예의 탄소섬유 제조장치(이하 제조장치라 칭함)(10)는 탄소섬유 전구체를 산화안정화하거나 산화안정화된 탄소섬유를 탄화 또는 흑연화하기 위해 탄소섬유 전구체 또는 탄소섬유(12)가 공급 및 회수되는 반응로(20)가 구비된다.1 and 2, a carbon fiber manufacturing apparatus (hereinafter referred to as a manufacturing apparatus) 10 according to a first embodiment of the present invention is a carbon fiber manufacturing apparatus in which carbon fiber precursors are oxidized or stabilized or oxidized and stabilized, A
그리고, 상기 반응로(20) 상부에 구비되어 반응로(20)의 열기가 외부 유출을 방지하는 상부 냉각부(40)와, 상기 반응로(20)에 적어도 하나 또는 하나 이상 구비되어 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부(60)가 구비된다.An
그리고, 상기 플라즈마 발생부(60)의 마이크로웨이브 플라즈마에 의해 활성화되어 고온의 열기를 반응로 공급하는 가스 공급부(80)와, 상기 반응로 하부에 구비되어 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유(12)를 냉각하는 하부 냉각부(100)로 구비된다.A
상기 반응로(20)는 상부에 반응구간(22)이 구비되고, 상기 반응구간(22) 하부에 하부로 경사를 이룬 플라즈마 유입관(24)이 적어도 하나 또는 하나 이상 구비됨이 바람직하다.It is preferable that the
바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 유입관(24)이 반응로 양측으로 상호 대칭 동일선상에 위치되거나 그 위치가 상호 가변되게 구비될 수 있다. Preferably, as shown in FIG. 1, the
아울러, 상기 반응로(20)는 원통형으로 구비됨이 바람직하다.In addition, the
상기 반응로가 적정한 온도를 유지하기 위한 온도 제어관(26)이 상기 플라즈마 유입관(24) 상부에 구비되어 냉각가스의 공급에 의해 반응로(20)에 적정한 온도로 열기가 공급됨이 바람직하다.A
아울러, 상기 온도 제어관(26)은 적어도 둘이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류현상을 이루어 회전되게 구비됨이 바람직하다.In addition, it is preferable that at least two
상기 상부 냉각부(40)는 반응로(20) 상부 입구에 구비되며, 냉각수 및 냉각수 입출구가 구비되고, 반응로(20) 상부를 감싸게 링 형태로 구비되어 탄소섬유(12)가 반응로(20)로 출입하는 상부 냉각부재(42)가 구비된다.The
그리고, 상기 상부 냉각부재(42) 상부에 탄소섬유를 출입 가이드 하는 출입롤러(44)가 상호 대향되게 구비되어 탄소섬유(12)의 공급 및 회수를 가이드하게 구비된다.The
아울러, 상기 상부 냉각부(40)는 반응로(20)에 유입되어 사용된 가스를 회수하는 회수라인(46)이 더 구비됨이 바람직하다.In addition, the
상기 플라즈마 발생부(60)는, 마그네트론(62)이 런처(64)에 장착되고, 상기 런처(64)는 메칭튜너(66)와 연결되며, 상기 메칭튜너(66)는 하부로 절곡되는 절곡가이드(68)에 연결된다.The
그리고, 상기 절곡가이드(68)의 절곡된 끝단은 전기장을 압축하여 더 높은 전기장이 발생하도록 좁아진 관 형태의 웨이브 가이드(70)에 연결되며, 상기 웨이브 가이드(70)는 좁아진 끝단이 반응로(20)에 결합되게 구비된다.The bent end of the bending
바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 웨이브 가이드(70)가 반응로(20)의 플라즈마 유입관(24) 끝단에 각각 결합된다.Preferably, a
상기 가스공급부(80)는, 플라즈마 발생부(60)에서 가장 전기장이 강한 위치에 구비되어 가스를 공급하는 가스 공급관(82)이 구비되며, 플라즈마 방전을 위한 이그니터(84)가 구비되며, 가스공급부(80)의 과열을 방지하기 위한 냉각수 입출구가 구비된 가스 냉각부재(86)가 구비된다.The
아울러, 상기 가스 공급관(82)은 적어도 둘이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류현상을 이루어 회전을 이루게 구비됨이 바람직하다.In addition, at least two
상기 하부 냉각부(100)는 냉각수 및 냉각수 출입구를 구비하고, 상부가 개방된 함 형태로 반응로 하부를 감싸게 구비되는 하부 냉각부재(102)와, 상기 하부 냉각부재(102) 중앙에 탄소섬유(12)가 가이드 유턴하는 하부롤러(104)가 적어도 하나 이상 구비된다.The
또한, 상기 하부 냉각부(100)에 구비된 하부 냉각부재(102)에 의해 적재되는 이물질 및 타르를 배출하는 배출구(106)가 구비되며, 상기 배출구(106)는 "N"자 형을 이루어 외부 공기의 유입을 차단하게 구비된다.The
또한, 상기 하부 냉각부(100)에 반응로(20)에 유입되어 사용된 가스를 회수하는 회수라인(108)이 더 구비됨이 바람직하다.Further, it is preferable that the
바람직하게는 가스 공급관(82) 또는 온도 제어관(26)에 상부 냉각부(40) 및 하부 냉각부(100)에서 회수라인(46,108)을 통해 회수된 가스가 공급되어 사용된 가스를 재사용함이 바람직하다.The recovered gas is supplied to the
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시 예의 탄소섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 사용상태 정면도로서, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1 실시 예과 그 구성이 대동소이함으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.3 is a front view schematically showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the first embodiment according to the present invention and its construction are the same, Is omitted.
다만, 도 3에 도시된 바와 같이 반응로(20) 하부에 다수의 플라즈마 유입관(24)이 구비되고, 상기 플라즈마 유입관(24) 각각에 플라즈마 발생부(60) 및 가스공급부(80)가 구비된다.3, a plurality of
그러므로, 탄소섬유의 제조시 탄소섬유 제조열을 지속적으로 공급함으로 예열시간 필요 없이 최단 시간내에 신속하게 탄소섬유를 제조할 수 있다.Therefore, by continuously supplying the carbon fiber manufacturing heat during the production of the carbon fiber, the carbon fiber can be rapidly produced in the shortest time without the need for the preheating time.
도 4는 본 발명에 따른 제3 실시 예의 탄소섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 사용상태 사시도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1 실시 예 및 제2 실시 예와 그 구성이 대동소이함으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.4 is a perspective view schematically showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the first and second embodiments of the present invention, A detailed description thereof will be omitted.
다만, 도 4에 도시된 바와 같이 반응로(20)가 정육면체로 구비되며, 상기 반응로(20)에 대응되게 상부 냉각부(40) 및 하부 냉각부(100)가 정육면체로 구비되고, 반응로(20) 전면 및 후면에 다수의 플라즈마 유입구(24) 및 플라즈마 발생부(60) 및 가스 공급부(80)가 구비된다.4, the
그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 탄소섬유를 대량으로 균일하게 제조할 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 4, a large number of carbon fibers can be uniformly produced.
도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조장치에 의해 순차적으로 탄소섬유가 제조되는 상태를 도시한 사용상태 정면도로서, 본 발명에 따른 제1 실시 예 내지 제3 실시 예와 그 구성이 대동소이함으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.FIG. 5 is a front view showing a state in which carbon fibers are sequentially produced by the apparatus for producing carbon fibers according to the present invention, wherein the first to third embodiments of the present invention and their constitutions are the same. A detailed description thereof will be omitted.
다만, 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 제조장치(10)에 의해 탄소섬유(12)가 순차적으로 산화안정화, 탄화, 흑연화를 이룬다.However, as shown in FIG. 5, the
그러므로 하나의 제조장치를 다수 배열하여 한번에 여러 공정을 이룰 수 있어 신속한 탄소섬유의 제조 및 제조시간 공정의 단축을 이룰 수 있다.Therefore, a plurality of manufacturing apparatuses can be arranged in a plurality of processes at a time, so that the production of carbon fibers and the manufacturing time process can be shortened.
상기와 같이 구비된 본 발명에 따른 제조장치에 의한 탄소섬유 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.The method of manufacturing carbon fiber by the manufacturing apparatus according to the present invention will be described in detail as follows.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법(이하 제조방법이라 칭함)은 반응로(20)에 탄소섬유(12)를 공급하는 공급단계(S10)를 이룬다.As shown in FIG. 6, the carbon fiber manufacturing method (hereinafter referred to as a manufacturing method) according to the present invention provides a supplying step (S10) of supplying the
상기 공급단계(S10)는 제조장치(10)의 상부 냉각부(40)의 출입롤러(44)에 가이드 되어 상부 냉각부(40)를 통해 탄소섬유(12)가 반응로(20)로 공급된다.The supplying step S10 is guided by the entrance and
그리고, 공급된 탄소섬유(12)를 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화 하기 위한 가스를 주입하는 가스 주입단계(S20)를 이룬다.Then, a gas injection step (S20) of injecting a gas for oxidation stabilization, carbonization or graphitization of the supplied carbon fibers (12) is carried out.
상기 가스 주입단계(S20)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 가스 공급부(80)의 가스 공급관(82)을 통해 가스가 공급된다.In the gas injecting step S20, gas is supplied through the
이때, 상기 가스 공급관(82)에 공급되는 가스는 탄소섬유(12)의 산화안정화을 위하여 산소가 포함된 공지의 가스가 주입된다.At this time, the gas supplied to the
아울러, 탄소섬유(12)의 탄화 또는 흑연화시 산소가 포함되지 않은 공지의 가스가 주입된다.In addition, when the
그리고, 플라즈마 발생부(60)에 전원을 공급하여 마그네트론(62) 및 이그니터(84)를 구동하여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생단계(S40)를 이룬다.The plasma generating step S40 is a step of generating a plasma by supplying power to the
상기 플라즈마 발생단계(S40)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 마드네트론(62)에 전원을 공급하여 전기장을 발생하고, 발생 된 전기장은 웨이브 가이드(70)를 통해 반응로(20)의 플라즈마 유입관(24)으로 유입된다.The plasma generating step S40 generates an electric field by supplying power to the
그리고, 유입된 전기장은 이그니터(84)에 의해 플라즈마를 발생하며 가스 공급부(80)에서 공급되는 가스를 고온으로 활성화 하여 플라즈마 유입관(24)을 따라 상부의 통해 반응로(20)의 반응구간(22)으로 유도된다.The inlet electric field generates plasma by the
아울러, 플라즈마의 온도를 제어하는 온도제어단계(S60)를 이룬다.In addition, a temperature control step (S60) for controlling the temperature of the plasma is performed.
이는, 플라즈마 유입관(24)을 따라 유입되는 고온의 가스가 제조하고자 하는 탄성섬유(12)를 제조하기 위한 적정온도를 유지하기 위해 플라즈마 유입관(24) 상부에 구비된 온도 제어관(26)을 통해 냉각 가스가 주입되어 고온의 플라즈마 및 가스의 온도를 탄소섬유(12) 제조를 위한 적정온도를 유지하며 반응로(20)의 반응구간(22)으로 유입된다.This is because the high temperature gas introduced along the
아울러, 상기 온도제어단계(S60)에서 마그네트론(62)에서 발생하는 전기장 양을 조절하여 플라즈마의 온도를 제어할 수 있다.In addition, the temperature of the plasma can be controlled by controlling the amount of electric field generated in the
상기와 같이 가스주입단계(S20), 플라즈마 발생단계(S40), 온도제어단계(S60)를 통해 가스 공급부(80) 및 플라즈마 발생부(60)에 의해 고온의 플라즈마가 발생하고 발생된 플라즈마 및 고온의 가스는 온도제어단계(S60)에 의해 탄소섬유(12)를 제조하는 적정온도로 반응로(20)의 반응구간(22)으로 유입되어 반응로(20) 내로 공급된 탄소섬유(12)를 제조하고자 하는 탄소섬유(12)로 산화안정화, 탄화, 흑연화를 이루어 탄소섬유(12)를 제조할 수 있다.The high temperature plasma is generated by the
그리고, 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S80)를 이룬다.Then, a cooling step (S80) for cooling the oxidation stabilized or carbonized or graphitized carbon fibers is carried out.
상기 냉각단계(S80)는 반응로에 구비되는 상부 냉각부(40) 및 하부 냉각부(100)를 통해 고열로 가열된 탄소섬유(12)를 냉각한다.The cooling step S80 cools the
그리고, 냉각되어 산화안정화 또는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유(12)를 회수하는 회수단계(S100)를 이룬다.Then, a recovery step (S100) for recovering oxidized stabilized, carbonized or graphitized carbon fibers (12) is obtained.
상기 회수단계(S100)는 상부 냉각부(40)를 통해 공급된 탄소섬유(12)가 반응로(20)의 반응구간(22)을 통과하면서 고온의 플라즈마 및 가스에 의해 산화안정화, 탄화, 흑연화를 이루고, 하부 냉각부(100)의 하부롤러(104)를 통해 유턴하여 다시 반응로(20)의 반응구간(22)을 통과하여 상부 냉각부(40)를 통해 출입롤러(44)에 가이드 되어 회수된다.The
아울러, 반응로(20)에서 사용된 가스를 회수하여 재사용하는 가스 회수단계(S120)를 이룸이 바람직하다.In addition, it is preferable to perform a gas recovering step (S120) in which the gas used in the
상기 가스 회수단계(S120)는 반응로(20)에 사용된 가스를 상부 냉각부(40) 및 하부 냉각부(100)에 구비된 회수라인(46,108)을 통해 회수하여 가스 공급부(80)의 가스 공급관(82) 및 온도 제어관(26)을 통해 공급하여 이미 가열된 가스를 재사용함으로 에너지 절감을 이룬다.The gas recovering step S120 is a step of recovering the gas used in the
아울러, 상기 가스주입단계(S20) 및 온도제어단계(S60)에 의해 탄소섬유(12) 안정화 또는 탄화 또는 흑연화로 각각 이루어진다.The
이는, 가스주입단계(S20)에서 주입되는 가스의 종류 및 온도제어단계(S60)에 의해 제어된 온도에 의해 제조하고자 하는 탄소섬유(12)를 하나의 제조장치(10)를 통해 제조할 수 있다.This is because the
그 한 예로, 탄소섬유(12)로 사용되는 섬유 전구체로 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계 · 석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조될 수 있으며, 섬유 전구체를 에어(air) 가스 하에서 200 ~ 300 ℃에서 이루어지는 산화안정화 과정에 의해 탄소섬유가 이루어진다.For example, a fiber precursor used as the
상기 산화안정화란 상기 전구체를 형성하는 고분자가 도입된 산소에 의해 산화, 탈수소화, 고리화 반응 등을 통해 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성하는 공정을 의미할 수 있다.The oxidation stabilization may mean a step of forming a ladder structure having heat resistance through oxidation, dehydrogenation, cyclization or the like by oxygen introduced with the polymer forming the precursor.
또한, 상기 산소 라디칼이란, 일반적인 산소(안정한 상태)보다 활성이 크고 불안정하며 높은 에너지를 갖고 있는 산소를 의미하며, 대표적인 예로는 초과산화물(Superoxide), 과산화수소(hydrogen peroxide),히드록시라디칼(hydroxly radical) 등이 있다.The oxygen radical means oxygen which is more active and unstable than a general oxygen (stable state) and has a high energy. Typical examples of the oxygen radical include superoxide, hydrogen peroxide, hydroxly radical ).
즉, 상기 산소 라디칼에 의해, 상기 전구체의 산화안정화가 빠르고 안정적으로 진행될 수 있다.That is, by the oxygen radical, the oxidation stabilization of the precursor can proceed quickly and stably.
상기 전구체와 산소 라디칼의 산화반응은, 상기 전구체를 구성하는 고분자의 지방족 곁 사슬에서 먼저 발생하고, 주로 수소를 동반한 산소의 방출로 방향화와 가교결합이 진행되면서 H2, H2O, CO, CO2, CH4 등과 같은 다양한 부산 가스 및 타르가 생성된다.The oxidation reaction of the precursor and the oxygen radical occurs first in the aliphatic side chain of the polymer constituting the precursor, and mainly proceeds with the hydrogen accompanied by the orientation and cross-linking of H2, H2O, CO, CO2, CH4 and the like are produced.
상기와 같이 다양한 부산 가스 및 타르를 제거하기 위해 하부 냉각부(100)에 배출구(106)가 구비되며, 상기 배출구(106)는 "N"자 형을 이루어 외부 공기의 유입을 차단한다.In order to remove various kinds of gas and tar as described above, the
아울러, 상기 배출구(106) 끝단에 밸브가 구비되어 배출구(106)에 적재된 이물질, 부산가스, 타르를 배출한다.Further, a valve is provided at the end of the
즉, 산화안정화를 이루기 위한 탄소섬유(12)의 제조시 가스유입단계(S20)에서 산소가 포함된 가스가 유입되어 플라즈마 발생단계(S40)에 의해 고온으로 활성되어 온도제어단계(S60)를 통해 반응로(20)로 200 ~ 300 ℃의 적정한 온도를 이루게 공급됨으로 산화안정화된 탄소섬유(12)를 용이하게 제조할 수 있다.That is, in the production of the
또한, 불활성 가스(N2, Ar, Ne, He 등)를 가스주입단계(S20)에서 가스 공급관(82)에 유입되어 플라즈마 발생단계(S40)에 의해 고온으로 활성되어 온도 제어단계(S60)를 통해 반응로(20)로 600 ~ 3000 ℃의 적정한 온도를 이루게 공급됨으로 산화안정화된 탄소섬유(12)를 탄화 및 흑연화 하여 용이하게 탄소섬유(12)를 제조할 수 있다.The inert gas (N2, Ar, Ne, He, etc.) is introduced into the
아울러, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 탄소섬유(12)의 산화안정화 및 탄화 및 흑연화는 순차적으로 각각의 제조장치(10)에 의해 이루어짐으로 하나의 제조장치(10)를 각각 연결하여 사용자가 요구하는 탄소섬유(12)를 용이하게 제조할 수 있다.5, oxidation stabilization, carbonization and graphitization of the
아울러, 산화안정화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마에 의하여 다수의 산소 라디칼이 발생하여 산화안정화 공정 시간을 2시간에서 수 십분 이내로 단축할 수 있다.In addition, in the oxidation stabilization process, a plurality of oxygen radicals are generated by the microwave atmospheric pressure plasma, and the oxidation stabilization process time can be shortened within 2 to 10 minutes.
또한, 산화안정화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 열원으로 사용함으로서 기존에 장시간 소요되는 예열시간을 수 초 이내에 수 백도를 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있어 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있다. In addition, by using the microwave atmospheric plasma as a heat source in the oxidation stabilization process, it is possible to make the preheating time required for a long period of time within several seconds within a few seconds, thereby drastically reducing the waiting time for preheating, thereby reducing the carbon fiber manufacturing time.
또한, 탄화 또는 흑연화 공정에서 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생부를 가짐으로서, 탄소섬유에 의한 에너지 흡수 불균형에 따른 플라즈마 불안정 문제가 없는 안정적인 플라즈마 발생 열을 공급할 수 있다. Further, by providing an independent microwave atmospheric plasma generation unit in the carbonization or graphitization process, it is possible to supply stable plasma generation heat without the problem of plasma instability due to the energy absorption imbalance caused by the carbon fibers.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생부를 가짐으로서, 탄소섬유에 의한 에너지 흡수에 따른 플라즈마 이그니션이 안되는 문제가 없는 플라즈마 발생 장치를 구성할 수 있다. In addition, in the carbonization and graphitization processes, it is possible to constitute a plasma generating device which has no microwave atmospheric plasma generating part, which does not cause plasma ignition due to energy absorption by carbon fibers.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로파 흡수 기술의 경우 탄소섬유 다발의 표면에서 마이크로파 흡수가 주로 발생하여 내부와 온도차가 발생하는데, 독립적인 마이크로웨이브 대기압플라즈마 발생 공급부를 가짐으로서 탄소섬유 다발에서 표면과 내부의 온도 차이가 없는 보다 균일한 탄소섬유를 제조할 수 있다.In the carbonization and graphitization process, the microwave absorption technique mainly generates microwave absorption at the surface of the carbon fiber bundle, and generates a temperature difference with the inside of the carbon fiber bundle. An independent microwave atmospheric pressure plasma generation supply part is provided in the carbon fiber bundle, More uniform carbon fibers having no temperature difference can be produced.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 수직 구조와 Swirling 가스로 3,000 ℃ 가까운 고온 가스에도 반응로에 손상을 주지 않으며, 높이에 따른 온도 분포를 일정하게 형성 시킬 수 있어 제조된 탄소섬유의 품질을 향상시킬 수 있다. In addition, in the carbonization and graphitization processes, even in the case of high temperature gas near 3,000 ° C by the vertical structure and the swirling gas, it does not damage the reactor, and the temperature distribution according to the height can be uniformly formed, have.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 탄소섬유 입출구를 상부에 위치함으로서 공기가 입출구로 유입되는 것을 억제할 수 있어 최소의 작업 가스를 사용할 수 있다. Further, since the carbon fiber inlet and outlet are positioned at the upper part in the carbonization and graphitization process, air can be prevented from flowing into the inlet and outlet, and a minimum working gas can be used.
또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 열원으로 사용함으로서 기존의 수십 시간 소요에 비하여 수 초 이내에 수 천도를 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있어 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있다.In addition, by using the microwave atmospheric plasma as a heat source in the carbonization and graphitization processes, it is possible to make thousands of degrees within a few seconds compared with the conventional several tens of hours, thereby reducing the warm-up waiting time and reducing the carbon fiber manufacturing time.
또한, 산화안정화 공정 및 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 열원으로 사용함으로서, 가스에 직접 에너지를 주어 가스만 가열되어 탄소섬유에 전달됨으로 에너지를 절약할 수 있다.In addition, by using microwave atmospheric plasma as a heat source in the oxidation stabilization process and carbonization and graphitization process, energy is directly supplied to the gas, and only the gas is heated and transferred to the carbon fiber, thereby saving energy.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 탄소섬유 제조장치 및 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.It is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be modified and changed without departing from the spirit and scope of the present invention as claimed in the appended claims. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
10; 제조장치 12: 탄소섬유
20: 반응로 22: 반응구간
24: 플라즈마 유입관
26: 온도 제어관
40: 상부 냉각부 42: 상부 냉각부재
44: 출입롤러 46: 회수라인
60: 플라즈마 발생부
62: 마그네트론 64: 런처
66: 메칭튜너 68: 절곡가이드
70: 웨이브 가이드
80: 가스 공급부 82: 가스 공급관
84: 이그니터 86: 가스 냉각부재
100: 하부 냉각부
102: 하부 냉각부재 104: 하부롤러
106: 배출구 108: 회수라인10; Manufacturing apparatus 12: carbon fiber
20: reaction furnace 22: reaction section
24: Plasma inflow pipe
26: Temperature control tube
40: upper cooling part 42: upper cooling member
44: exit roller 46: return line
60: Plasma generator
62: Magnetron 64: Launcher
66: Matching tuner 68: Bending guide
70: Wave Guide
80: gas supply unit 82: gas supply pipe
84: Magnetor 86: Gas cooling member
100: Lower cooling section
102: lower cooling member 104: lower roller
106: outlet 108: return line
Claims (17)
상기 반응로 상부에 구비되어 반응로의 열기가 외부 유출을 방지하는 상부 냉각부와;
상기 반응로에 적어도 하나 또는 하나 이상 구비되어 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부와;
상기 플라즈마 발생부에서 가장 전기장이 강한 위치에 구비되어 가스를 공급하는 공급관과, 플라즈마 방전을 위한 이그니터와, 가스공급부의 과열을 방지하기 위한 냉각수 입출구를 구비한 가스 냉각부재를 포함하며, 상기 플라즈마 발생부의 마이크로웨이브 플라즈마에 의해 활성화된 고온의 열기를 반응로에 공급하는 가스 공급부와;
상기 반응로 하부에 구비되어 상기 반응로에서 산화안정화된 탄소섬유나 상기 반응로에서 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 하부 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
A reaction furnace in which a carbon fiber precursor or an oxidation stabilized carbon fiber is injected and discharged for carbonizing or graphitizing the carbon fiber precursor oxidatively stabilized or oxidatively stabilized carbon fiber;
An upper cooling unit provided on the reaction furnace to prevent the heat of the reaction furnace from flowing to the outside;
At least one or more at least one reactor in the reactor for generating a microwave atmospheric pressure plasma;
And a gas cooling member having a supply pipe provided at a position where the electric field is strongest in the plasma generating unit to supply gas, an igniter for plasma discharge, and a cooling water inlet / outlet for preventing overheat of the gas supply unit, A gas supply unit for supplying high temperature heat activated by the microwave plasma of the plasma generating unit to the reaction furnace;
And a lower cooling part provided below the reaction furnace to cool oxidation stabilized carbon fibers in the reactor or carbonized or graphitized carbon fibers in the reactor.
상기 반응로는 상부에 반응구간이 구비되고, 상기 반응구간 하부에 하측방향으로 경사지게 배치되는 플라즈마 유입관이 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction furnace is provided with a reaction section at an upper portion thereof and at least one plasma inflow tube arranged at an upper portion of the reaction section in an inclined downward direction.
상기 반응로는 원통형으로 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the reactor is provided in a cylindrical shape.
상기 반응로는 정육면체로 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the reactor is provided as a cube.
상기 플라즈마 발생부는, 마그네트론이 런처에 장착되고, 상기 런처는 메칭튜너와 연결되며, 상기 메칭튜너는 하부로 절곡되는 절곡가이드에 연결되고, 상기 절곡가이드의 절곡된 끝단은 전기장을 압축하여 더 높은 전기장이 발생하도록 좁아진 관 형태의 웨이브 가이드에 연결되며, 상기 웨이브 가이드는 좁아진 끝단이 반응로에 결합되게 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
Wherein the magnetron is connected to a launcher, the launcher is connected to a tuning tuner, the tuning tuner is connected to a bending guide bent downward, and the bent end of the bending guide compresses an electric field, Wherein the waveguide has a narrowed end coupled to the reaction furnace, wherein the narrowed end of the waveguide is coupled to the reaction tube.
상기 공급관은 적어도 둘 이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
Wherein at least two of the supply pipes are mutually opposed to each other so that the supplied gas forms a vortex.
상기 상부 냉각부는 반응로 상부 입구에 구비되며, 냉각수 및 냉각수 입출구가 구비되고, 반응로 상부를 감싸게 링 형태로 구비되어 탄소섬유가 반응로로 출입하는 상부 냉각부재와, 상기 상부 냉각부재 상부에 탄소섬유를 출입 가이드 하는 출입롤러가 상호 대향되게 구비되어 탄소섬유의 유입 및 배출을 가이드하게 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
Wherein the upper cooling part is provided at the upper inlet of the reaction furnace and includes cooling water and cooling water inlets and outlets and is provided in a ring shape to cover the upper part of the reaction furnace so that carbon fibers enter and exit the reaction furnace, Wherein the inlet and outlet rollers for guiding the fibers in and out are provided so as to face each other so as to guide the inflow and outflow of the carbon fibers.
상기 하부 냉각부는 냉각수 및 냉각수 출입구를 구비하고, 상부가 개방된 함 형태로 반응로 하부를 감싸게 구비되는 하부 냉각부재와, 상기 하부 냉각부재 중앙에 탄소섬유가 가이드 유턴하는 하부롤러가 적어도 하나 이상 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
The lower cooling unit includes a lower cooling member having cooling water and a cooling water inlet and an upper opening to enclose a lower portion of the reaction furnace and at least one lower roller for guiding carbon fibers through the center of the lower cooling member Wherein the carbon fiber manufacturing apparatus comprises:
상기 하부 냉각부에 구비된 냉각부재에 의해 적재되는 이물질 및 타르를 배출하는 배출구가 구비되며, 상기 배출구는 "N"자 형을 이루어 외부 공기의 유입을 차단하게 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
10. The method of claim 9,
And a discharge port for discharging foreign matter and tar buried by the cooling member provided in the lower cooling part. The discharge port is formed to have an "N" shape so as to block the inflow of outside air. .
상기 반응로가 적정한 온도를 유지하기 위한 온도 제어관이 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
The method according to claim 1,
And a temperature control pipe for maintaining the temperature of the reactor at an appropriate temperature.
상기 온도 제어관은 적어도 둘 이상 상호 대향되게 구비되어 공급되는 가스가 와류를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
12. The method of claim 11,
Wherein at least two of the temperature control tubes are mutually opposed to each other so that the supplied gas forms a vortex.
상기 반응로에서 사용된 가스를 회수하여 재사용하는 가스 회수라인이 상부 냉각부 및 하부 냉각부에 구비됨을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Wherein the gas recovery line for recovering and reusing the gas used in the reactor is provided in the upper cooling section and the lower cooling section.
반응로에 탄소섬유 전구체 또는 산화안정화된 탄소섬유를 공급하는 공급단계(S10)와;
공급된 탄소섬유 전구체를 산화안정화하거나 산화안정화된 탄소섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위한 가스를 주입하는 가스 주입단계(S20)와;
플라즈마 발생부에 전원을 공급하여 마그네트론 및 이그니터를 구동하여 마이크로웨이브 대기압플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생단계(S40)와;
마이크로웨이브 대기압플라즈마의 온도를 제어하는 온도제어단계(S60)와;
상기 반응로에서 산화안정화된 탄소섬유나 상기 반응로에서 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S80)와;
냉각이 완료된 산화안정화된 탄소섬유나 냉각이 완료된 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 회수하는 회수단계(S100);로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.
A method for producing a carbon fiber by using the apparatus for producing carbon fiber according to claim 1,
A supply step (S10) of supplying a carbon fiber precursor or oxidatively stabilized carbon fiber to the reaction furnace;
A gas injection step (S20) of injecting a gas for oxidizing or stabilizing the supplied carbon fiber precursor or carbonizing or graphitizing the oxidized and stabilized carbon fiber;
A plasma generating step (S40) for generating microwave atmospheric plasma by supplying power to the plasma generating unit to drive the magnetron and the magnetizer;
A temperature control step (S60) of controlling the temperature of the microwave atmospheric plasma;
A cooling step (S80) of cooling carbon fibers oxidized and stabilized in the reactor or carbonized or graphitized carbon fibers in the reactor;
And a recovering step (S100) of recovering the oxidized stabilized carbon fiber that has been cooled or the carbonized or graphitized carbon fiber that has been cooled.
반응로에서 사용된 가스를 회수하여 재사용하는 가스 회수단계(S120)가 이루어짐을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.
15. The method of claim 14,
And a gas recovering step (S120) for recovering and reusing the gas used in the reaction furnace.
상기 가스주입단계(S20) 및 온도제어단계(S60)에 의해 탄소섬유 전구체의 산화안정화가 이루어지거나, 산화안정화된 탄소섬유의 탄화 또는 흑연화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the carbon fiber precursor is oxidized or stabilized by the gas injection step (S20) and the temperature control step (S60), or carbonization or graphitization of the oxidation stabilized carbon fiber is performed.
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KR102134628B1 (en) | 2020-01-08 | 2020-07-16 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | Apparatus and method manufacturing carbon fiber |
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