KR101951924B1 - 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트 - Google Patents

등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트 Download PDF

Info

Publication number
KR101951924B1
KR101951924B1 KR1020170066666A KR20170066666A KR101951924B1 KR 101951924 B1 KR101951924 B1 KR 101951924B1 KR 1020170066666 A KR1020170066666 A KR 1020170066666A KR 20170066666 A KR20170066666 A KR 20170066666A KR 101951924 B1 KR101951924 B1 KR 101951924B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon fiber
weaving
yarn
composite sheet
sheet
Prior art date
Application number
KR1020170066666A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180130722A (ko
Inventor
김효대
조정문
Original Assignee
주식회사 새날테크-텍스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 새날테크-텍스 filed Critical 주식회사 새날테크-텍스
Priority to KR1020170066666A priority Critical patent/KR101951924B1/ko
Publication of KR20180130722A publication Critical patent/KR20180130722A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101951924B1 publication Critical patent/KR101951924B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06C—FINISHING, DRESSING, TENTERING OR STRETCHING TEXTILE FABRICS
    • D06C3/00—Stretching, tentering or spreading textile fabrics; Producing elasticity in textile fabrics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Woven Fabrics (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

본 발명은 원재료의 손실을 방지하면서 복합시트를 제조할 수 있어 경제성을 향상시키고, 제직 과정에서 발생하는 꼬임이나 접힘을 방지하여 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 원사 특성 유지를 극대화할 수 있는 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 탄소 섬유를 원사로 하는 경사와 위사를 공급하는 원사 공급 단계; 상기 원사 공급 단계에서 각각 공급되는 경사와 위사를 제직하여 형성하되, 경사에 대하여 위사가 소정 등방성을 갖는 복수의 베이스 시트(base sheet)를 각각 제직하는 베이스 시트 제직 단계; 및 상기 제직된 복수의 베이스 시트를 합포하여 적어도 4방향으로 동일 등방성을 갖도록 합포하는 시트 합포 단계;를 포함하는 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법이 제공된다.

Description

등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트{MANUFACTURING METHOD FOR CARBON FIBER-COMPLEX SHEET HAVING ISOTROPIC AND CARBON FIBER-COMPLEX SHEET MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원재료의 손실을 방지하면서 복합시트를 제조할 수 있어 경제성을 향상시키고, 제직 과정에서 발생하는 꼬임이나 접힘을 방지하여 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 원사 특성 유지를 극대화할 수 있는 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트에 관한 것이다.
본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원(KEIT)이 지원하는 섬유생활스트림간 협력기술개방사업으로 수행된 연구결과입니다.
일반적인 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유의 출발물질인 폴리아크릴로 나이트릴(polyacrylonitrile), 석유 또는 석탄계 피치(등방성 또는 이방성), 페놀(phenol)수지 등을 열 용융시켜 용융방사(melt spinning) 혹은 용융분사방사 (melt blown spinning)를 하거나 용매에 용해시켜 용액방사(solution spinning)하여 탄소섬유 전구체인 유기섬유를 얻는다. 특히 석유 또는 석탄계 피치로부터 생성된 등방성 탄소섬유는 각종 전극재, 복합재료용 필러, 단열재 등으로 이용되며 낮은 가격과 높은 생산성 및 간단한 제조방법 등의 장점을 가지고 있다.
피치계 탄소섬유는 피치의 광학적 상태에 따라 이방성(mesophase)과 등방성으로 구분된다. 피치계에서 고성능의 탄소섬유를 제조하기 위해서는 이방성을 함유하는 피치를 사용하는 것이 필수적인 것으로 알려져 있다. 이방성을 함유하지 않는 피치, 즉 광학적으로 등방성(等方性)인 피치는 고성능의 탄소섬유를 얻지 못하고, 이를테면 범용(汎用)의 등급 밖에 얻지 못하는 것으로 알려져 있다. 또한 피치계 탄소섬유는 용융방사 또는 용융 분사 방사를 통해 얻어지는데 이방성 피치의 경우는 용융방사법을 사용할 수 있다. 등방성 피치의 경우는 보통 용융 분사 방사법으로 방사되며 용융 분사 방사는 PAN 탄소섬유나 이방성(mesophase) 탄소섬유 같이 연속섬유가 아닌 섬유길이가 짧은 단섬유 매트형태로 제조되며 제조된 피치섬유 매트는 안정화(혹은 불융화), 탄화 공정 등을 거쳐서 탄소섬유 부직포 형태로 제조된다.
등방성 탄소섬유는 이방성과 비교하여 탄성률이 낮기 때문에 단섬유 끼리의 얽힘은 비교적 양호하지만, 단섬유의 인장 강도는 낮다. 절곡이나 꼬임에 대하여 취약하고, 그의 꼬임 횟수도 면사 등에 비하면 적기 때문에 인장 강도가 높지 않다. 따라서 등방성 탄소섬유는 연속사를 제조하기 어렵다고 알려져 있다.
이방성 피치의 경우 축합다환(多環)방향족 평면분자가 평행으로 배열된 적층(積層)구조를 형성하고 있으며, 용융방사의 과정에서 그 적층구조가 섬유축에 평행으로 배열되기 쉽지만 일반적으로 높은 온도에서 장시간 처리하기 때문에 용융방사의 과정에 있어서, 퀴놀린 불용분의 증대, 분해가스의 발생 등 열적인 변질이 일어나는 등의 문제가 생긴다. 특히 100%의 이방성으로 이루어진 피치의 경우에는 고온에서 처리시간이 길고, 연화점 또한 높기 때문에 상기의 문제는 현저하다.
한편, 이방성을 함유하지 않거나 최소화하고, 등방성의 균일한 피치를 원료로 하여 방열이 요구되는 기기 등에 적합한 고강도, 내열성, 내열 충격성의 탄소섬유 복합시트에 대한 개발이 필요한 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
특히, 종래에는 탄소섬유 복합재료를 제조할 경우, 탄소 섬유의 특성을 더욱 증대시키기 위하여 균일한 밀도의 등방성 복합 시트를 구성하고자, 단순히 위사와 경사로 제직된 시트를 도 1에 나타낸 바와 같이 단순 합포 적층하는 방식으로 하는 경우, 모서리 부분의 이방향의 직물은 여분을 제거해야 하여 원재료의 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
다시 말해서, 예를 들어 1미터씩 잘라서 45도로 돌려서 적층할 경우, 0.2929미터 높이, 1미터의 직각삼각형이 8개가 잘려나가 0.343제곱미터의 로스가 발생하여 전체적으로 매 2제곱미터당 약 17.2%만큼의 로스가 발생되며, 최종적으로 크기가 1제곱미터가 안 되는 작은 8각형의 등방 복합시트가 만들어지게 된다.
한편으로 직사각형으로 전체 길이로 적층할 경우 매 2.414제곱미터당 1제곱미터의 로스가 발생한다. 복합시트 전체적으로는 1.414/(2.414+1.414)=0.369(36.9%)의 로스율이 된다. 이 로스는 재료의 손실을 가져와 전체적으로 재료비 증가뿐 아니라 폐기물 발생을 초래해서 더 큰 비용문제를 야기하게 된다.
(문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0038704호(2017.04.07. 공개) (문헌 2) 대한민국 등록특허공보 제10-1372012호(2014.03.12. 공고) (문헌 3) 대한민국 등록특허공보 제10-1992-010266호(1992.11.21. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 원재료의 손실을 방지하면서 복합시트를 제조할 수 있어 경제성을 향상시키고, 제직 과정에서 발생하는 꼬임이나 접힘을 방지하여 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 원사 특성 유지를 극대화할 수 있는 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 탄소 섬유를 원사로 하는 경사와 위사를 공급하는 원사 공급 단계; 상기 원사 공급 단계에서 각각 공급되는 경사와 위사를 제직하여 형성하되, 경사에 대하여 위사가 소정 등방성을 갖는 복수의 베이스 시트(base sheet)를 각각 제직하는 베이스 시트 제직 단계; 및 상기 제직된 복수의 베이스 시트를 합포하여 적어도 4방향으로 동일 등방성을 갖도록 합포하는 시트 합포 단계;를 포함하는 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 원사 공급 단계는 원사에 일정 장력을 인가시킴과 동시에, 경사 송출 및 위사 위입 단계에서 꼬임이 부가되지 않도록 적절한 섬유 경로를 만들어 플랫(flat) 형태를 유지하면서 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 원사 공급 단계는 원사를 점착테이프에 점착시켜 롤링시킨 롤(roll)로부터 해사시키면서 공급되도록 하여 공급되는 원사가 꼬이지 않고 플랫 형태를 유지하면서 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 베이스 시트 제직 단계는 경사에 대하여 위사를 소정각도 경사지게 제직하여 제1 베이스 시트를 제직하는 제1 베이스 시트 제직 단계; 상기 제1 베이스 시트의 위사에 대칭되는 경사각도로 하여 경사와 위사를 제직하는 제2 베이스 시트 제직 단계; 및 경사와 위사를 직교되게 제직하는 제3 베이스 시트 제직 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 제1 베이스 시트와 제2 베이스 시트 및 제3 베이스 시트를 상기 합포 단계에서 합포하여 복합 시트를 형성하는 경우, 상기 복합 시트는 8 등방성을 갖는 경사와 위사로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 제1 내지 제3 베이스 시트의 제직 단계에서 각 베이스 시트의 경사와 위사는 밀도분율로 1:3으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 일 관점에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트가 제공된다.
상기한 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트에 의하면, 원재료의 손실을 방지하면서 복합시트를 제조할 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제직 과정에서 발생하는 꼬임이나 접힘을 방지하여 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 원사 특성 유지를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법을 나타내는 플로차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법에서 베이스 시트와 합포 시트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법을 나타내는 플로차트이며, 도 3은 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법에서 베이스 시트와 합포 시트를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유를 원사로 하는 경사와 위사를 공급하는 원사 공급 단계(S100); 상기 원사 공급 단계에서 각각 공급되는 경사와 위사를 제직하여 형성하되, 경사에 대하여 위사가 소정 등방성을 갖는 복수의 베이스 시트(base sheet)를 각각 제직하는 베이스 시트 제직 단계(S200); 상기 제직된 복수의 베이스 시트를 합포하여 적어도 대각선으로 동일 등방성을 갖도록 합포하는 시트 합포 단계(S300);를 포함한다.
상기 원사 공급 단계(S100)는 복수의 필라멘트(filament)로 이루어지는 원사(일 예로, 12K 원사(12000가닥의 원사))가 공급되도록 하되, 예를 들면 일정 장력을 인가시킴과 동시에, 경사 송출 및 위사 위입 단계에서 꼬임이 부가되지 않도록 적절한 섬유 경로를 만들어 플랫(flat) 형태를 유지하면서 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 형태의 원사의 공급은 일 예로, 원사가 권선된 크릴(creel)에서 해사(解絲)될 때, 일정 장력을 갖도록 하면서 크릴이 장착되는 각 보빈에서 접선 방향(tangential direction)으로 해사시킴으로써, 길이 방향으로 해사될 때 발생하는 자연 꼬임을 방지하고, 직기까지 공급되는 과정에서 각종 가이드 및 롤러 등을 포함하는 장치를 통해 이후 발생할 수 있는 꼬임이나 폭 접힘 등이 발생하지 않도록 하며, 이후 직기 내에서는 소정 형태의 그리퍼(gripper)를 이용하여 꼬이지 않고 플랫 형태를 유지시키도록 할 수 있다.
또한, 다른 예로서 별도의 스프레딩(spreading) 공정을 통해 스프레딩된 원사를 롤링시킨 롤(roll)로부터 해사시키면서 공급되도록 함으로써, 공급되는 원사가 꼬이지 않고 플랫 형태를 유지하면서 공급되도록 할 수 있다.
이러한 다른 예의 공급 방식은 앞서 설명한 일 예와 복합되어 실행될 수 있다. 즉, 스프레딩 처리된 원사가 권선된 롤에서 해사될 때, 각 보빈에서 접선 방향으로 해사되도록 하고, 직기까지 공급되는 과정에서 각종 가이드 및 롤러 등을 포함하는 장치를 통해 이후 발생할 수 있는 꼬임이나 폭 접힘 등이 발생하지 않도록 하며, 이후 직기 내에서는 소정 형태의 그리퍼(gripper)를 이용하여 꼬이지 않고 플랫 형태를 유지시키도록 할 수 있다.
이와 같은 원사의 공급은 섬유 또는 섬유의 필라멘트들의 평행도(parallelism)를 공급되기 이전의 원사의 물성 상태로 유지되도록 함으로써 인장 강도나 탄성율을 최대한 확보할 수 있도록 한다.
상기에서 예시한 가이드나 롤러 및 그리퍼 등의 장치는 원사의 공급과정에서 꼬임이나 접힘 등의 방지를 위한 목적이라면 어떠한 구성과 형태로 이루어지는 것을 채용할 수 있다.
여기에서, 상기 원사는 피치(PITCH)계 탄소 섬유나 팬(PAN)계의 탄소섬 단독으로 구성하는 원사로 하는 것이 바람직하나, 팬(PAN: Poly-Acrylonitrile)계의 제1 탄소 섬유와 피치(PITCH)계의 제2 탄소 섬유가 융합된 원사로 할 수도 있다.
아래 설명에서는 상기 원사로서 팬(PAN: Poly-Acrylonitrile)계의 제1 탄소 섬유와 피치(PITCH)계의 제2 탄소 섬유로 구성되어 이루어지는 경우를 예로 들어 설명한다.
팬계의 제1 탄소 섬유는 아크릴로니트릴(Acrylonitrile)을 중합(重合) 후 방사(紡絲)해 얻은 팬 섬유를 고온에서 탄화하여 제조되는 것으로, 10W/mK의 열전도도와 전기저항 30×10^(-6) ohm.m)의 전기전도도를 가지며, 1.5~2.5%의 절단신도와 200~300GPa의 탄성률을 갖고 이루어진다.
피치계의 제2 탄소 섬유는 석유·석탄 공정에서 증류하고 남은 잔류물(Pitch)을 방사한 후 고온에서 탄화하여 제조되는 것으로, 200~800W/mK의 열전도도와 전기저항 2~8×10^(-6)ohm.m의 전기전도도를 가지며, 0.3~0.5%의 절단신도와 600~900GPa의 탄성율을 갖고 이루어진다.
상기 원사를 구성하는 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유는 소정 형태로 융합 전처리되고, 융합 전처리된 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유 복수 개를 소정 비율로 혼합하며, 소정 비율로 혼합된 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유를 융합시킴으로써 이루어진다.
상기 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유의 융합 전처리는 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유를 각각 스프레더(spreader)를 통해 스프레딩(spreading)하는 것을 포함한다. 이와 같이 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유는 스프레딩을 통해 탄소 섬유의 필라멘트가 섬유 속의 폭 방향으로 넓게 펼쳐지고 두께가 얇아져서 탄소 섬유의 함침성을 극대화하고, 직물 내에서도 크림프(crimp: 섬유의 파상 굴곡)를 줄여서 물성 효율을 극대화할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 탄소 섬유를 스프레딩하기 위한 방법은 필라멘트에 기류를 불어넣어 스프레딩하는 방법, 또는 다수개의 고정형 바아와 롤러를 통과시켜 스프레딩하는 방법이나 이 밖의 다양한 방법을 통해 스프레딩할 수 있으며, 이를 실행하기 위한 스프레더의 설명에 있어서는 발명의 명확화와 설명의 간략화를 위하여 어떠한 장비의 것을 채용할 수 있음으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
계속해서, 융합 전처리를 거친 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유 복수 개를 소정 비율로 혼합하는 과정은 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유를 혼합 법칙(rule of mixture)에 따라 부피분율로 1:1 혼합하는 것이 바람직하다.
그리고 팬계의 제1 탄소 섬유와 피치계의 제2 탄소 섬유의 융합은 소정의 혼합 비율로 혼합된 혼합 탄소 섬유를 스프레더(spreader)를 통해 스프레딩(spreading) 하는 것을 포함한다. 이 융합 과정에서의 스프레딩은 앞서 언급한 바와 같이 필라멘트에 기류를 불어넣어 스프레딩하는 방법, 또는 다수개의 고정형 바아와 롤러를 통과시켜 스프레딩하는 방법이나 이 밖의 다양한 방법을 통해 스프레딩 할 수 있다.
이때, 상기 융합 과정에 있어서의 스프레딩은, 상기 융합 전처리 과정에서 각각 스프레딩된 제1 탄소 섬유와 제2 탄소 섬유를 모두 동시에 스프레딩을 실행하거나, 또는 상기 융합 전처리 과정에서 각각 스프레딩된 제1 탄소 섬유와 제2 탄소 섬유를 일부 스프레딩한 다음 필요량만큼 제1 탄소 섬유 및/또는 제2 탄소섬유를 겹쳐서 다시 스프레딩함으로써 실행될 수 있다.
그런 다음, 융합 과정을 거쳐 나온 결과물인 탄소 섬유를 수지를 투입 일체화함으로써 탄소 섬유의 결속력을 강화시켜 안정된 고정구조를 갖도록 한다.
여기에서, 수지의 투입은 탄소 섬유를 수지 용액에 함침하는 디핑(dipping), 탄소 섬유에 수지 용액을 투입하면서 가온 가압하는 라미네이팅(laminnating), 적절한 온도와 습도하에서 탄소 섬유에 수지 용액을 투입하면서 압력을 가하는 칼렌더링(calendering), 용액 형태의 바인더나 수지 처리하기 위한 젯팅(jetting), 분말 형태의 고체 물질을 균일하게 스프레드된 표면에 분사시키는 스케터링(scattering) 등의 방법을 통해 실행될 수 있으며, 이 외에도 탄소 섬유를 고착시킬 수 있는 방법이라면 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 융합 과정을 거친 원사는 가열롤러와 같은 형태로 이루어지는 가열 융착 장치를 이용하여 융착되도록 할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 원사를 제직하여 경사에 대하여 위사가 소정 등방성을 갖는 복수의 베이스 시트(base sheet)를 각각 제직하는 베이스 시트 제직 단계(S200)는, 경사에 대하여 위사를 소정각도 경사지게 제직하여 제1 베이스 시트를 제직하는 제1 베이스 시트 제직 단계(S210)와, 제1 베이스 시트의 위사에 대칭되는 경사각도로 하여 경사와 위사를 제직하는 제2 베이스 시트 제직 단계(S220), 및 경사와 위사를 직교되게 제직하는 제3 베이스 시트 제직 단계(S230)를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 베이스 시트 제직 단계(S210)의 위사는 경사에 대하여 45도 경사지게 제직되고, 상기 제2 베이스 시트 제직 단계(S220)의 위사는 제1 베이스 시트의 위사와 90도를 이루는 각도로 하여 경사지게 제직되며, 상기 제3 베이스 시트 제직 단계(S230)의 위사는 경사에 대하여 90도를 이루는 각도로 하여 제직된다.
이에 따라, 후술하는 합포 단계에서 제1 내지 제3 베이스 시트를 합포할 경우, 8 등강성을 갖는 복합 시트가 형성되게 된다.
상기 제1 내지 제3 베이스 시트의 제직 단계에서 각 베이스 시트의 경사와 위사는 밀도분율로 1:3으로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 시트 합포 단계(S300)는 각 베이스 시트 간에 융합 부재를 투입하여 합포하게 된다. 이에 따라, 각 베이스 시트 간의 견고한 합포(결합)가 이루어지게 된다.
상기 융합 부재로는 저융점 수지필름이나 부직포 또는 접착제로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 합포 단계(S300)는 각 베이스 시트 간에 기능성 물질을 투입하는 것을 더 포함할 수 있다.
이러한 기능성 물질의 투입은 융합 부재를 통해 보다 견고하게 융합되는 과정에서, 최종 완성되는 복합 시트에 기능성을 부여하기 위한 기능성 물질을 투입하기 위한 것으로, 예를 들면 기능성물질은 탄소나노튜브(CNT: Carbon NanoTube)로 이루어질 수 있다.
이러한 탄소나노튜브와 같은 기능성 물질을 사용함으로써 복합시트의 ILSS(층간전단강도: interlaminar shear strength; ILSS)를 증진시킬 수 있으며, 이는 특히 RTM(resin transfer molding: 액상수지주입 또는 가열금형)의 프리폼(preform)을 형성하는데 매우 큰 효율을 제공할 수 있게 된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트에 의하면, 원재료의 손실을 방지하면서 복합시트를 제조할 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있으며, 제직 과정에서 발생하는 꼬임이나 접힘을 방지하여 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 원사 특성 유지를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 제직 과정에서 꼬임이나 접힘 등을 방지하여 원사 상태의 플랫(flat) 형태를 그대로 유지함으로써 탄소섬유의 평행도(parallelism)를 원사 상태의 수준으로 유지함으로써 인장강도나 탄성율을 최대로 되게 하고, 탄소 섬유의 크림프율을 낮춰서 물성 극대화를 도모할 수 있으며, 물성 효율의 저하를 방지하기 위하여 복합재료를 추가적으로 사용할 필요가 없는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 원사 공급 단계
S200: 베이스 시트 제직 단계
S210: 제1 베이스 시트 제직 단계
S220: 제2 베이스 시트 제직 단계
S230: 제3 베이스 시트 제직 단계
S300: 시트 합포 단계

Claims (7)

  1. 탄소 섬유를 원사로 하는 경사와 위사를 공급하는 원사 공급 단계;
    상기 원사 공급 단계에서 각각 공급되는 경사와 위사를 제직하여 형성하되, 경사에 대하여 위사가 소정 등방성을 갖는 복수의 베이스 시트(base sheet)를 각각 제직하는 베이스 시트 제직 단계; 및
    상기 제직된 복수의 베이스 시트를 합포하여 적어도 4방향으로 동일 등방성을 갖도록 합포하는 시트 합포 단계;를 포함하고,
    상기 베이스 시트 제직 단계는, 경사에 대하여 위사를 소정각도 경사지게 제직하여 제1 베이스 시트를 제직하는 제1 베이스 시트 제직 단계와, 상기 제1 베이스 시트의 위사에 대칭되는 경사각도로 하여 경사와 위사를 제직하는 제2 베이스 시트 제직 단계, 및 경사와 위사를 직교되게 제직하는 제3 베이스 시트 제직 단계를 포함하며,
    상기 합포 단계는 상기 각 베이스 시트 간에 기능성 물질인 탄소나노튜브를 투입하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원사 공급 단계는
    원사에 일정 장력을 인가시킴과 동시에, 경사 송출 및 위사 위입 과정에서 꼬임이 부가되지 않는 섬유 경로를 만들어 플랫(flat) 형태를 유지하면서 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는
    등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원사 공급 단계는
    원사를 롤링시킨 롤(roll)로부터 해사시키면서 공급되도록 하여 공급되는 원사가 꼬이지 않고 플랫 형태를 유지하면서 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는
    등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 베이스 시트와 제2 베이스 시트 및 제3 베이스 시트를 상기 합포 단계에서 합포하여 복합 시트를 형성하는 경우, 상기 복합 시트는 8 등방성을 갖는 경사와 위사로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 베이스 시트의 제직 단계에서 각 베이스 시트의 경사와 위사는 밀도분율로 1:3으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3, 청구항 5 및 청구항 6중 어느 한 항에 따른 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트.
KR1020170066666A 2017-05-30 2017-05-30 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트 KR101951924B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170066666A KR101951924B1 (ko) 2017-05-30 2017-05-30 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170066666A KR101951924B1 (ko) 2017-05-30 2017-05-30 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180130722A KR20180130722A (ko) 2018-12-10
KR101951924B1 true KR101951924B1 (ko) 2019-02-25

Family

ID=64670261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170066666A KR101951924B1 (ko) 2017-05-30 2017-05-30 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101951924B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001064406A (ja) 1999-08-31 2001-03-13 Toray Ind Inc 繊維強化複合材用プリフォームおよびこれを用いてなる繊維強化複合材ならびにこれらの製造方法
KR100444086B1 (ko) * 1995-03-08 2004-11-06 도레이 가부시끼가이샤 보강직물과그제조방법및제조장치
JP2015101700A (ja) * 2013-11-27 2015-06-04 株式会社豊田自動織機 繊維強化複合材料

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101372012B1 (ko) 2012-03-02 2014-03-12 오씨아이 주식회사 고강도 고탄성 피치계 등방성 탄소섬유 및 그 제조 방법
KR101862551B1 (ko) 2015-09-30 2018-05-30 금오공과대학교 산학협력단 등방성 탄소섬유전극의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100444086B1 (ko) * 1995-03-08 2004-11-06 도레이 가부시끼가이샤 보강직물과그제조방법및제조장치
JP2001064406A (ja) 1999-08-31 2001-03-13 Toray Ind Inc 繊維強化複合材用プリフォームおよびこれを用いてなる繊維強化複合材ならびにこれらの製造方法
JP2015101700A (ja) * 2013-11-27 2015-06-04 株式会社豊田自動織機 繊維強化複合材料

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180130722A (ko) 2018-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2642007B1 (en) Method for producing carbon fiber aggregate, and method for producing carbon fiber-reinforced plastic
JP6083377B2 (ja) 炭素繊維複合材料
EP2679619B1 (en) Fiber reinforced composite material
JP2007070593A (ja) プリプレグ及びその製造方法，炭素繊維並びに繊維体
JP7121663B2 (ja) 複合材を補強するためのハイブリッド布地
JP5919755B2 (ja) 繊維材料の製造方法
JP6211881B2 (ja) 炭素繊維及びその製造方法
US8962500B2 (en) Molded article containing stacked carbon fiber and method for producing same
US6783851B2 (en) Pitch based graphite fabrics and needled punched felts for fuel cell gas diffusion layer substrates and high thermal conductivity reinforced composites
JP2002138344A (ja) 一方向性炭素繊維織物、その製造方法、及び補強コンクリート構造物
Latifi Engineered Polymeric Fibrous Materials
KR101951924B1 (ko) 등방성 탄소섬유 복합시트 제조방법 및 이에 의해 제조된 등방성 탄소섬유 복합시트
KR20180029350A (ko) 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법
KR102100953B1 (ko) 열가소성 프리프레그의 제조방법
JP2005179845A (ja) 一方向性炭素繊維織物およびその製造方法
JP4547754B2 (ja) ピッチ系炭素繊維織物
JP3971632B2 (ja) 炭素繊維強化樹脂シート及びその製造方法
JPH11117143A (ja) 炭素繊維織物
Shikamoto et al. Processing and mechanical properties of biodegradable composites
CN114085404B (zh) 一种高模热熔预浸料及其制备方法
JP2011208315A (ja) 炭素繊維の製造方法
Mader et al. Tailoring of commingled yarns for effective composite properties
Lu et al. The Manufacture of Structured Flax/Hemp Fiber Thermoplastic Composites and Its Flexural Properties.
JP2007092273A (ja) 炭素繊維織物の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant