KR102113534B1 - 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기전도성 탄소섬유는 표면전기 비저항이 10-5~1010Ωm이고 모듈러스가 5~50Gpa인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기전도성 탄소섬유의 제조방법은 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함하는 방사용액을 방사하여 제조된 탄소섬유용 전구체 섬유를 내염화처리 및 탄화처리하여 탄소섬유를 제조할 때 상기 탄화처리를 450~800℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기전도성 탄소섬유는 표면 전기 비저항이 낮아서 정전기 방지성능이 우수함과 동시에 우수한 유연성을 구비하여 방적사 제조시 다른 이종섬유 스테이플과의 혼방성과 방적성을 크게 향상시키며 제직성과 제편성도 향상시킨다.

Description

원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법{Electrically conductive carbon fiber with excellent spun and weaving property and method of manufacturing the same}
본 발명은 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 정전기 방지성능과 방직성, 제직성 및 제편성이 우수하여 원단제조가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
낮은 표면 전기 비저항을 구비하여 우수한 정전기 방지성능을 갖는 방적사를 제조하는 종래기술로서는 섬유제조용 폴리머에 흡수성 고분자를 그라프팅, 블랜딩 또는 공중합하는 방법, 섬유제조용 폴리머에 금속성분을 블렌딩하는 방법, 섬유에 금속성분을 코팅하는 방법, 섬유제조용 폴리머와 카본블랙 마스터칩을 복합방사하는 방법, 또는 탄소섬유 스테이플로 방적사를 제조하는 방법 등이 사용되어 왔다.
탄소섬유 스테이플은 필라멘트 상태의 탄소섬유를 일정길이로 절단한 단섬유 형태로서, 단독사용 또는 이종섬유 스테이플과 혼합 사용하여 정전기 방지성능을 구비하는 방적사 제조등에 사용되고 있다.
탄소섬유 스테이플을 제조하는 종래기술로는, 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함하는 방사용액을 방사하여 제조된 탄소섬유용 전구체 섬유를 200~300℃에서 30~200분동안 내염화처리한 후, 계속해서 450~1,000℃에서 1~3분동안 예비탄화처리한 후, 계속해서 1,150~1,400℃에서 1~3분 동안 탄화처리하여 필라멘트 상의 탄소섬유를 제조한 다음, 이를 일정길이로 절단하여 탄소섬유 스테이플을 제조하는 방법이 사용되어 왔다.
상기와 같이 제조된 종래의 탄소섬유 스테이플은 표면전기 비저항이 10-5Ω㎝이하로 낮아 정전기 방지성능은 우수하나, 1,000℃ 이상의 고온에서 탄화처리되기 때문에 내염화 처리된 탄소섬유용 전구체 섬유가 열분해되어 탄소섬유내 탄소성분의 구성율이 98%를 초과하는 수준으로 상승되며, 특히 탄소성분간의 공유결합이 촉진되어 탄소섬유의 강도 및 모듈러스가 100~1,000Gpa 수준으로 급격하게 증가된다.
그로 인해 상기와 같이 제조된 종래의 탄소섬유 스테이플은 높은 모듈러스로 인해 유연성 부족으로 전단응력에 취약하여 쉽게 부스러지는 문제가 발생되었고, 결국 상기 탄소섬유 스테이플로 방적사를 제조시 이종섬유 스테이플과의 혼섬 작업성이 떨어져 방적이 불가능하였다.
또한 상기 탄소섬유는 전단응력이 취약하여 쉽게 부스러지는 문제가 발생되기 때문에 제직성 및 제편성이 크게 저하되어 원단화가 어려웠다.
본 발명의 과제는 정전기 방지성능이 우수함과 동시에 방적성, 제직성 등이 우수하여 원단제조가 가능한 전기전도성 탄소섬유 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함하는 방사용액을 방사하여 제조된 탄소섬유용 전구체 섬유를 내염화처리 및 탄화처리하여 탄소섬유를 제조할 때 상기 탄화처리를 450~800℃의 온도로 실시하여 표면 전기 비저항이 10-5~1010Ωm이고 모듈러스가 5~50Gpa인 전기전도성 탄소섬유를 제조한다.
본 발명의 전기전도성 탄소섬유는 표면 전기 비저항이 낮아서 정전기 방지성능이 우수함과 동시에 우수한 유연성을 구비하여 필라멘트 형태로 이용시 제직성과 제편성이 향상되고 스테이플 형태로 방적사 제조에 이용시 다른 이종섬유 스테이플과의 혼방성이 크게 향상된다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에서는 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함하는 방사용액을 방사하여 제조된 탄소섬유용 전구체 섬유를 내염화처리 및 탄화처리하여 탄소섬유를 제조할 때 상기 탄화처리를 450~800℃의 온도로 실시하여 전기전도성 탄소섬유를 제조한다.
상기 탄화처리 온도가 450℃ 미만인 경우에는 제조된 전기전도성 탄소섬유의 표면 전기 비저항이 1010Ωm 이상으로 정전기 방지성능이 부족하게 되고, 800℃를 초과하는 경우에는 제조된 전기전도성 탄소섬유의 표면 전기 비저항이 102Ωm 이하로 정전기 방지성능은 우수하지만 전기전도성 탄소섬유내 탄소성분의 공유결합이 촉진되어 모듈러스가 100Gpa 이상으로 유연성이 부족하여(취성이 너무 높아) 방적사 제조시 방적성이 저하되고, 제직성 및 제편성도 저하된다.
또한, 상기 탄화처리 온도가 800℃를 초과하는 경우에는 탄소섬유용 전구체섬유가 열분해되어 전기전도성 탄소섬유내 탄소성분의 함량이 98%를 초과되게 상승하게 된다.
이때, 상기 내염화 처리는 종래 탄소섬유 제조시의 내염화 처리조건과 같이 200~300℃의 온도에서 30~200분 동안 처리하는 것이 바람직하다.
본 발명은 탄소섬유 제조시 제조된 탄소섬유가 유연성과 정전기 방지성능을 동시에 구비하도록 탄화처리 온도범위를 적절하게 한정, 조절한다.
상기 방법으로 제조되는 본 발명의 전기전도성 탄소섬유는 표면 전기 비저항이 10-5~1010Ωm이고 모듈러스가 5~50Gpa이고, 보다 바람직하기로는 전기전도성 탄소섬유내 탄소성분의 구성율이 75~98%이다.
상기 전기전도성 탄소섬유는 필라멘트 형태일 수도 있고, 필라멘트를 일정길이로 절단한 스테이플(Staple) 형태일 수도 있다.
본 발명의 전기전도성 탄소섬유는 표면전기 비저항이 10-5~1010Ωm이기 때문에 정전기 방지성능이 우수함과 동시에 모듈러스가 5~50Gpa이기 때문에 유연성이 높고 취성이 낮아, 스테이플 형태로 방적사 제조에 사용될 경우 이종섬유 스테이플과의 혼섬 작업성이 좋아지고 방적성도 크게 향상되고, 필라멘트 형태로 직물 또는 편물 제조에 사용될 경우 제직성과 제편성이 크게 향상된다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴본다.
그러나 하기 실시예는 본 발명의 구현일례일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
아크릴로니트릴 95몰%, 메타크릴산 3몰% 및 이타콘산 2몰%로 되는 공중합체를 디메틸 설폭사이드를 용매로 하는 용액 중합법에 의하여 중합하고, 여기에 암모니아를 이타콘산과 동량으로 첨가하여 중화하여, 암모늄 염 형태의 폴리아크릴로니트릴계 공중합체를 제조하여 공중합체 성분의 함유율이 22중량%인 방사 원액을 얻었다.
이 방사 원액을 방사구금(온도 45℃, 직경 0.08mm, 구멍수 6,000의 구금을 2개 사용)을 통해 토출하고, 45℃로 제어되는 40% 디메틸설폭사이드의 수용액으로 되는 응고욕에 도입하여 응고사를 제조하였다.
응고사를 수세한 뒤, 열수 중에서 5배 연장하고, 망상의 변성 실리콘계 실리콘 유제를 부여하여 중간 연신사를 얻었다.
이 중간 연신사를 가열 롤러를 이용하여 건조 처리 후, 가압 스팀 중에서 연신하여 권취 전체 연신 배율이 10배, 단섬유 섬도 1.5dtex, 필라멘트수 12,000의 폴리아크릴로니트릴계 섬유 다발을 얻었다. 이를 탄소섬유용 전구체 섬유라 한다.
얻어진 폴리아크릴로니트릴계 섬유 다발을 4m/min의 속도로 실질적으로 꼬임을 부여하지 않고 공기 분위기 속에서 200℃에서 6분 동안 예비 내염화 처리(연신 수반)하고, 220 ~ 270℃의 온도 분포를 가지는 4단 열풍오븐에서 80분 동안 내염화 처리(연신 수반)하였다.
다음으로, 내염화 처리된 폴리아크릴로니트릴계 섬유 다발을 450℃에서 탄화처리하여 탄소섬유를 제조한 다음, 이를 38㎜ 길이로 절단하여 탄소섬유 스테이플을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 탄소섬유 스테이플과 면섬유를 50:50 중량비율로 혼방하여 방적사를 제조하였다.
제조된 상기 탄소섬유의 표면전기 비저항, 모듈러스 및 크림프성을 측정한 결과와 방적사 제조시 탄소섬유 스테이플과 면섬유의 혼섬 작업성을 평가한 결과는 표 2와 같았다.
실시예 2 ~ 실시예 4 및 비교실시예 1 ~ 비교실시예 5
탄소섬유를 제조하는 공정 중에 탄화처리 온도를 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 및 탄소섬유 스테이플을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 탄소섬유 스테이플과 면섬유를 50:50 중량비율로 혼방하여 방적사를 제조하였다.
제조된 상기 탄소섬유의 표면전기 비저항, 모듈러스 및 크림프성을 측정한 결과와 방적사 제조시 탄소섬유 스테이플과 면섬유의 혼섬 작업성을 평가한 결과는 표 2와 같았다.
제조조건
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교
실시예 1
비교
실시예 2
비교
실시예 3
비교
실시예 4
비교
실시예 5
탄화
온도
(℃)
450 550 650 750 300 400 1,200 1,300 850
탄소섬유 스테이플 물성 및 혼합작업성
구분
탄소섬유 스테이플 물성
표면전기저항
(Ωm)
모듈러스
(Gpa)
크림프성 혼섬 작업성
실시예 1 4.0×109 9 우수 우수
실시예 2 1.5×109 11 우수 우수
실시예 3 2.5×107 13 우수 우수
실시예4 1.1×105 25 우수 우수
비교실시예 1 4.0×1014 5 불량 불량
비교실시예 2 3.1×1012 8 불량 불량
비교실시예 3 1.2×10-1 190 불량 불량
비교실시예 4 1.9×10-2 220 불량 불량
비교실시예 5 1.3×102 51 불량 불량
표면전기 비저항은 미쯔비시 케미칼 어넬리테크사 히레스타(Hiresta)-UX(모델 MCP-HT800)에서 10V ~ 100V조건으로 측정하였다.
모듈러스는 인스트롱(만능시험기)를 이용하여 ASTM D 638 방법으로 측정하였다.
크림프성과 혼섬 작업성은 직관적 검사에 의해 혼섬 작업시 스테이플이 부러지거나 분말형태로 묻어나는 것이 거의 없는 경우를 "우수"로 판정하였고, 혼섬 작업시 스테이플이 일부 부러지거나 분말형태로 묻어나도 혼섬은 가능한 경우를 "양호"로 판정하였고, 혼섬 작업시 스테이플이 부러지거나 분말형태로 묻어나거나 뭉쳐버려 방적이 불가능한 경우를 "불량"으로 판정하였다.

Claims (6)

  1. 표면 전기 비저항이 10-5~1010Ωm이고 모듈러스가 5~25Gpa인 것을 특징으로 하는 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유는 필라멘트 형태 및 스테이플(Staple) 형태 중에서 선택된 1종의 형태인 것을 특징으로 하는 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유.
  3. 제1항에 있어서, 탄소섬유내 탄소성분의 함량이 75~98%인 것을 특징으로 하는 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유.
  4. 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함하는 방사용액을 방사하여 제조된 탄소섬유용 전구체 섬유를 내염화처리 및 탄화처리하여 탄소섬유를 제조함에 있어서, 상기 탄화처리를 450~750℃의 온도로 1회 실시하는 것을 특징으로 하는 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 내염화처리 및 탄화처리를 거쳐 제조된 탄소섬유를 스테이플 형태로 절단하는 공정을 추가로 더 실시하는 것을 특징으로 하는 원단화 가능한 전기전도성 탄소섬유의 제조방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 내염화 처리를 200~300℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 하는 원단화가 가능한 전기전도성 탄소섬유의 제조방법.

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