KR102229117B1

KR102229117B1 - 컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102229117B1
Application number: KR1020190157059A
Authority: KR
Inventors: 신동근; 배성군
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-03-17

Abstract

본 기술은 컬(curl) 구조를 가지며, 상기 컬은 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시 전구체 섬유가 감긴 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 갖는 컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 기술에 따르면, SiC 섬유의 제조 공정 중 단순한 방법에 의해 섬유의 사이즈를 감소시키고 섬유에 곡률을 부여하여 컬(curl) 구조를 갖도록 함으로써 복합 섬유 형성시 보다 안정적으로 혼합되고, 복합 섬유 표면으로 돌출되지 않아 피부 손상의 우려가 없고, 높은 내열 특성이 요구되는 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

Description

컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법{SiC FINE FIBER HAVING CURL STRUCTURE, MANUFACTURING METHOD THEREOF, COMPLEX YARN USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 SiC 세섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SiC 섬유의 제조 공정 중 단순한 방법에 의해 섬유의 사이즈를 감소시키고 섬유에 곡률을 부여하여 컬(curl) 구조를 갖도록 함으로써 복합 섬유 형성시 보다 안정적으로 혼합되고, 복합 섬유 표면으로 돌출되지 않아 피부 손상의 우려가 없고, 높은 내열 특성이 요구되는 분야에 효과적으로 적용될 수 있는 컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

방화/방열복과 같이 고온의 화염 및 열에 노출되는 소재는 LOI 68 이상의 높은 내열 특성이 요구되며, 통상적으로 극한 내열 섬유인 PBO(polyphenylene-2,6-benzbiisoxazole) 섬유, PBI(polybezimidazole) 섬유 등이 이러한 소재로 적용되고 있다. 이러한 PBO 섬유나 PBI 섬유와 관련한 국내 기술이나 제품이 없고 전량 일본에서 수입하고 있으나, 가격이 매우 비싸 안전 분야 확대 적용에 어려움이 있는 실정이다.

이에 대한 대체 소재로서, 내열성이 높은 2종의 섬유로 이루어진 복합 섬유에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다. 그러한 노력의 예로, p-Aramid, m-Aramid 등의 아라미드 섬유와 같은 유기 섬유와 탄화규소(SiC) 섬유로 이루어진 복합 섬유에 대한 개발이 이루어지고 있다.

SiC는 대표적인 비산화물계 세라믹 소재로 고온에서의 내열성, 내산화성 및 내화학성이 우수하여, 고온 고압 또는 산성 분위기 등의 극한 환경에서 이용될 수 있는 소재로 그 중요성이 더욱 커지고 있다.

탄화규소는 섬유, 플레이트, 다공체 등의 다양한 형태로 이용될 수 있으며, 특히 섬유상인 경우 섬유의 구조나 형상의 차별화를 통해 촉매 및 촉매 지지체, 고온 단열 소재, 디젤 필터 소재 등으로의 응용이 기대된다. 특히, 고온의 극한 환경용 필터 소재, 예를 들어 고온에서의 산성 가스(acidic gas)의 여과 회수 등 기존의 유기 또는 무기 소재가 접근하기 힘든 극한 환경에 이용될 수 있는 소재로 그 가능성이 매우 크다.

유기 섬유와의 복합 섬유 형성을 위하여, 촙 형태의 SiC가 적용되는데, SiC 섬유의 비중은 다른 섬유에 비하여 현저하게 높다. 예를 들어, 저가형 SiC 섬유의 경우 2.6 g/㎤ 이상, 초고온용 SiC 섬유의 경우 3.0 g/㎤ 이상의 높은 비중을 갖기 때문에, 복합 섬유 제조 단계에서 유기 섬유와 쉽게 섞이지 않아 복합 섬유 내 SiC 섬유의 잔류율이 매우 낮아 내열 효과를 충분히 확보하기 어렵다. 또한, 촙 형태의 SiC 섬유는 그 자체가 매우 뻣뻣하고(stiff) 뾰족하여 복합 섬유 표면으로 돌출하게 되면 피부에 손상을 주는 등 여러 가지 문제가 발생한다.

복합 섬유 형성에 이용되는 촙 형태의 SiC 섬유는, 연속 공정으로 제조된 SiC 섬유를 적정 길이로 잘라 촙을 제조하거나, 또는 폴리카보실란과 같은 전구체를 방사하여 섬유상으로 만든 후, 이 전구체 섬유를 적정 길이로 자르고, 불융화 및 고온 열처리를 실시함으로써 제조한다. 그러나, 전자의 경우, 고강도 및 고성능 섬유의 제조는 가능하나, 제조 비용이 높고 섬유 자체가 뻣뻣한 문제점을 여전히 갖고 있으며, 후자의 경우, 공정 단축에 의해 제조 비용을 낮출 수는 있으나, 섬유 두께가 상대적으로 두껍고 섬유 자체가 뻣뻣한 문제점을 여전히 갖고 있다.

이에, 불연/난연성 및 높은 내열성을 발휘할 수 있으며, 종래 복합 섬유 제조에 있어서 야기되었던 문제점인 유기 섬유와의 혼화성을 높여 복합 섬유 내 잔류율을 효과적으로 높이고 섬유 자체의 뻣뻣함으로 인한 문제 발생을 방지하고, 낮은 비용으로 제조될 수 있는 SiC 세섬유에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.

본 발명의 목적은 SiC 섬유의 제조 공정 중 단순한 방법에 의해 섬유의 사이즈를 감소시키고 섬유에 곡률을 부여하여 컬 구조를 갖도록 함으로써 복합 섬유 형성시 보다 안정적으로 혼합되고, 복합 섬유 표면으로 돌출되지 않아 피부 손상의 우려가 없고, 높은 내열 특성이 요구되는 분야에 적용될 수 있는 컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 컬 구조를 갖는 SiC 섬유를 제공하며, 상기 SiC 섬유는 컬 구조를 가지며, 상기 컬은 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시 전구체 섬유가 감긴 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 가질 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법을 제공하며, 상기 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법은 ⅰ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발이 원통형 치구의 직경보다 큰 직경을 갖도록, 전구체 섬유를 원통형 치구에 감는 단계; ⅱ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및 ⅲ) 열산화 안정화 공정이 수행된 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법을 제공하며, 상기 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법은 a) 전구체 섬유를 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감는 단계; b) 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및 c) 열산화 안정화 공정이 수행된 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 복합 섬유를 제공하며, 상기 복합 섬유는 유기 섬유 및 상기 유기 섬유 내에 분포된 전술한 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유 또는 전술한 실시예에 따라 제조된 컬 구조를 갖는 SiC 섬유를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복합 섬유 제조에 이용되는 SiC 섬유 제조시 전구체 섬유의 안정화 단계 및 열처리 단계에서 장력을 인가하여 섬유 사이즈를 현저하게 감소시키고, 전구체 섬유의 열처리시 원통형 구조물에 적절한 조건으로 감고 열처리하는 단순 과정에 의해 컬 구조를 갖도록 SiC 섬유를 제조함으로써 SiC 섬유 촙이 복합 섬유 표면으로 돌출되는 문제를 해결하고, 아라미드 섬유 등의 유기 섬유와의 혼화성을 높여 안정적으로 복합 섬유를 제조할 수 있어, 복합 섬유 내의 SiC 섬유 잔류율을 월등하게 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 컬 구조를 갖는 SiC 섬유와 유기 섬유가 안정적으로 혼화되어 복합 섬유를 형성하여, 높은 내열성, 불연/난연성을 발휘할 수 있어 고온의 화염이나 열에 노출되는 방화복 또는 방열복과 같은 고기능성 안전 분야에 폭넓게 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 추가적인 처리 공정을 도입할 필요 없이 SiC 섬유의 일반적인 제조 공정에 있어서 이루어질 수 있는 단순 과정을 통하여 복합 섬유 제조에 이용될 수 있는 컬 구조의 SiC 섬유를 제조할 수 있어, SiC 섬유의 고강도 및 고성능을 유지하면서도 제조 비용 측면에서의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유의 연신 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따른 복합 섬유를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유 제조 과정 중 단계 별 섬유의 사진을 나타낸다.
도 5는 열산화 안정화 과정 중 전구체 섬유의 사진을 나타낸다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 섬유는 컬 구조를 가지며, 상기 컬은 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시 전구체 섬유가 감긴 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 컬 구조를 갖는 SiC 섬유는 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시 안정화 및 열분해 중에 연신되어 전구체 섬유의 직경보다 작은 섬유 직경을 가질 수 있다.

상기 실시예에 따른 SiC 섬유는 곡률을 갖는 컬 구조를 가지며, 제조 과정 중 연신되어 전구체 섬유보다 작은 섬유 직경을 가짐으로써, 유기 섬유와의 복합 섬유 형성시 유기 섬유와 보다 안정적으로 혼합되고 복합 섬유 표면으로 돌출되어 피부에 손상을 주는 등의 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 복합 섬유 내의 SiC 섬유 잔류율이 월등하게 증가되므로, 높은 내열성, 불연/난연성을 발휘할 수 있어 고온의 화염이나 열에 노출되는 방화복 또는 방열복과 같은 고기능성 안전 분야에 폭넓게 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법은 ⅰ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발이 원통형 치구의 직경보다 큰 직경을 갖도록, 전구체 섬유를 원통형 치구에 감는 단계; ⅱ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및 ⅲ) 열산화 안정화 공정이 수행된 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, SiC 섬유를 제조하기 위한 전구체 섬유를 제공할 수 있다(도 1의 (a) 참조).

SiC의 전구체는 Si와 C를 포함하는 고분자 또는 Si를 포함하는 고분자와 C를 포함하는 고분자의 혼합물일 수 있다.

일 실시예에서, SiC의 전구체는 폴리카보실란(PCS), 폴리실록산, 실라잔, 보로실란, 실리카졸 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

전구체 섬유는 당해 기술분야에 공지된 방법 중 적절한 것을 선택하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 폴리카보실란 등의 전구체를 방사함으로써 섬유화할 수 있다. 방사는 용융 방사, 전기 방사 및 멜블론 방사로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 이루어질 수 있다.

다음으로, 전구체 섬유를 원통형 치구에 감아 섬유 다발을 이룰 수 있다(도 1의 (b) 참조).

원통형 치구는 후속 단계에서 열산화 안정화 및 열분해 공정을 거치게 되므로, 고온에서 견딜 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 예를 들면, 원통형 치구는 그라파이트, 금속, 세라믹 또는 그 조합으로 이루어진 재료로 형성될 수 있다.

이 때, 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발이 원통형 치구의 직경(T)보다 큰 직경(T+t1)을 갖도록 전구체 섬유 다발을 감을 수 있다. 이는, 후속 단계인 열산화 안정화 및 열분해 공정에서 전구체 섬유에 장력이 가해지도록 하여 섬유를 연신시켜 섬유를 가늘어지도록 하기 위한 것이다.

원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발의 직경(T+t1)은 SiC 섬유 제조의 구체적인 조건 등에 맞추어 적절하게 선택될 수 있다.

다음으로, 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행할 수 있다(도 1의 (c) 참조).

열산화 안정화 공정은 전구체 섬유를 열경화성으로 전환하여 불융화시키기 위하여 수행된다. 전구체 섬유는 기본적으로 열가소성 특성을 가지고 있어 열분해에 의해 세라믹으로 전환시키기 위하여 고온의 열을 가하면, 연화되고 녹아서 섬유 형상을 잃어 버리게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전구체 섬유를 공기 등과 접촉시켜 전구체 섬유 내 고분자의 기능기들을 가교 반응을 통해 서로 연결하여 안정화시킴으로써 저분자량 모노머 또는 올리고머들이 열에 의해 연화되고 녹거나 휘발되지 않도록 하는 것이다.

일 실시예에서, 열산화 안정화 공정은 대기분위기 하, 150~300℃ 범위의 온도에서 이루어질 수 있다.

열산화 안정화 공정의 온도는 상기 범위 내에서 원료에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 열산화 안정화 공정의 온도가 높을수록 전구체 섬유의 연신이 잘 될 수 있으나, 온도가 지나치게 높으면 전구체 섬유의 재용융이나 물성 저하가 일어나고, 산소의 과다 혼입에 의해 후속 과정에서 열분해 특성이 저하될 수 있다.

일 실시예에서, 열산화 안정화 공정은 혼입되는 산소의 함량이 5~20 부피%, 바람직하게 7~15 부피%가 되도록 하는 조건에서 이루어질 수 있다. 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유 내에 혼입되는 산소는 전구체 섬유를 불융화시켜 안정화시키는 역할을 할 수 있다.

열산화 안정화 공정 중 혼입되는 산소의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 전구체 섬유의 불융화가 충분하지 못하여 후속 열분해 공정에서 섬유의 형상을 유지하지 못하거나 섬유로서의 기능을 발휘하지 못할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 지나친 산소 함량에 의해 후속 과정에서 열분해 특성이 저하될 수 있다.

ⅰ) 단계에서 전구체 섬유 다발은 원통형 치구의 직경보다 큰 직경을 갖도록 감겨 있으므로, 열산화 안정화 공정 중 섬유에 가해지는 중력에 의해 전구체 섬유는 연신된다. 따라서, 열산화 안정화 공정 이후, 전구체 섬유 다발에 포함되는 각각의 전구체 섬유의 직경은 ⅰ) 단계에서의 전구체 섬유의 직경보다 작아지고, 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발의 직경(T+t2)은 ⅰ) 단계에서의 전구체 섬유 다발의 직경(T+t1)보다 증가할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유의 연신은 원통형 치구의 직경보다 큰 직경으로 감긴 섬유 다발에 가해지는 중력에 의해 이루어질 수 있다.

다음으로, 열산화 안정화 공정이 수행된 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시킬 수 있다(도 1의 (d), (e) 참조).

일 실시예에서, 열분해는 불활성 분위기 하, 800~1300℃ 범위의 온도에서 이루어질 수 있다. 열분해시 열처리 온도가 800℃ 미만인 경우에는 전구체의 세라믹으로의 변환이 완전히 이루어지지 않을 수 있으며, 1300℃를 초과하는 경우에는 형성된 SiC 섬유의 열분해 가속화로 인한 열화가 발생하여 섬유 형상이 붕괴될 수 있다.

열분해에 의해 전구체 섬유의 수축이 일어나는 것과 동시에 원통형 치구 표면에서 장력이 발생하여 전구체 섬유가 연신될 수 있다. 즉, 전술한 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유가 연신되는 것에 더하여, 열분해 과정 중 추가적으로 전구체 섬유가 연신될 수 있다.

따라서, 열분해 완료 후 형성된 SiC 섬유는 원료인 ⅰ) 단계의 전구체 섬유의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있으며, 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 갖는 컬 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법은 a) 전구체 섬유를 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 위치하도록 감는 단계; b) 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및 c) 열산화 안정화 공정이 수행된 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법은 전술한 실시예의 제조방법과 비교하여, 2개의 원통형 치구를 이용하여 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유의 연신을 보다 강화시킨 것을 특징으로 한다. 전술한 실시예의 제조방법과 실질적으로 동일한 내용에 대해서는 본 실시예에 있어서 그 상세한 설명을 생략하고, 전술한 실시예와의 차이점을 중점으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유의 연신 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 전구체 섬유를 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감을 수 있다. 전구체 섬유 다발은 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 위치하게 된다.

2개의 원통형 치구 중 제1 원통형 치구는 고정된 형태이고, 제2 원통형 치구는 미리 정해진 거리만큼 좌우로 이동가능한 형태일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유를 더욱 효율적으로 연신시키기 위하여, 제1 원통형 치구는 고정되고, 제2 원통형 치구는 좌우로 이동되면서 장력을 가하여 전구체 섬유 다발을 이루는 각각의 전구체 섬유가 효율적으로 연신될 수 있다.

따라서, 열산화 안정화 공정 후 각각의 전구체 섬유의 직경은 원료인 a) 단계에서의 전구체 섬유의 직경보다 작아질 수 있다.

또한, 열산화 안정화 공정 후 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유 다발의 장축의 길이는 상기 a) 단계에서의 전구체 섬유 다발의 장축의 길이보다 증가할 수 있다.

이와 같이 열산화 안정화 공정이 수행된 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따라 제조된 SiC 섬유는 곡률을 갖는 컬 구조를 가지며, 제조 과정 중 연신되어 전구체 섬유보다 작은 섬유 직경을 가짐으로써, 유기 섬유와의 복합 섬유 형성시 유기 섬유와 보다 안정적으로 혼합되어 복합 섬유 내의 잔존율을 높여, 높은 내열성, 고강도 및 방연/난연 특성과 같은 우수한 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 섬유는 유기 섬유; 및 상기 유기 섬유 내에 분포된 전술한 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유 또는 전술한 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 컬 구조를 갖는 SiC 섬유를 포함할 수 있다.

도 3은 실시예 및 비교예에 따른 복합 섬유를 나타내는 도면이다.

비교예에 따른 복합 섬유는 유기 섬유(a) 내에 종래기술에 따른 SiC 섬유 촙(b)이 분포된 형태로, SiC 섬유의 비중이 크기 때문에 유기 섬유와 잘 혼화되지 않아 복합 섬유 내 잔류율이 낮으며, SiC 섬유 촙의 특성 상 뻣뻣하고 뾰족하여 복합 섬유 표면으로 돌출되는 경우 피부에 손상을 주는 등 문제가 발생할 수 있다.

반면, 실시예에 따른 복합 섬유는 유기 섬유(a) 내에 전술한 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유 또는 전술한 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 촙(c)이 분포된 형태를 갖는다. 실시예에 따른 SiC 섬유의 촙은 곡률을 갖는 컬 구조를 갖고, 제조 과정 중 연신되어 섬유의 직경이 얇아져 비중이 작아지므로, 비교예에 비하여 유기 섬유와 보다 안정적으로 혼합될 수 있으며, 복합 섬유 외부로 돌출되지 않도록 디자인될 수 있다.

일 실시예에서, 유기 섬유는 아라미드 섬유를 포함할 수 있다.

아라미드 섬유는 아마이드 결합(-CONH)이 벤젠 고리와 같은 방향족 고리를 결합시켜 이루어진 방향족 폴리아마이드 섬유로, 인장 강도, 강인성 및 내열성이 우수하고, 고강력, 고탄성률을 가지고 있다. 아라미드 섬유는 p-Aramid, m-Aramid 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 실시예에서, 복합 섬유 내에 포함되는 컬 구조를 갖는 SiC 섬유는 1~10 cm 길이의 촙 형태를 가질 수 있다. SiC 섬유 촙의 길이가 1 cm 미만인 경우에는 SiC 섬유가 갖는 고내열성, 고강도, 방연/난연 특성과 같은 물성을 충분히 발휘하기 어렵고, 10 cm를 초과하는 경우에는 복합 섬유 표면으로 돌출되어 피부 손상을 일으킬 우려가 있다.

일 실시예에서, 복합 섬유 총 중량을 기준으로 컬 구조를 갖는 SiC 섬유는 5~30 중량% 비율로 포함될 수 있다. SiC 섬유의 함량이 5 중량% 미만인 경우에는, SiC 섬유가 갖는 고내열성, 고강도, 방연/난연 특성과 같은 물성을 충분히 발휘하기 어렵고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 유기 섬유와의 혼화성에 영향을 미칠 수 있으며, 사용량 증가에 따른 더 이상의 효과 증진을 기대하기 어렵다.

복합 섬유의 제조는 당해 기술분야에 공지된 복합사 제조 방법 중 적절한 것을 선택하여 이용할 수 있으며, 이는 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.

본 실시예에 따른 복합 섬유는 유기 섬유와 SiC 섬유가 안정적으로 혼합되어 이루어져, 피부에 대한 손상을 일으키지 않고, 높은 내열성 및 강도 특성을 발휘하므로, 특히 고온 화염이나 열에 노출되는 방화복이나 방열복과 같은 고기능성 안전 분야에 효과적으로 널리 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 4는 실시예에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유 제조 과정 중 단계 별 섬유의 사진을 나타낸다. 먼저, 폴리카보실란을 용융 방사하여 전구체 섬유 다발을 제조하였다. 제조된 전구체 섬유 다발을 도 4에 나타내어진 바와 같이 직경 2 cm의 그라파이트로 이루어진 원통형 치구에 감되, t1(도 1 참조)이 1 cm가 되도록 전구체 섬유 다발을 원통형 치구에 감았다. 이어서, 200℃ 전기 오븐에 넣고 1 시간 동안 열산화 안정화시켰다. 도 5는 열산화 안정화 과정 중 전구체 섬유의 사진을 나타낸다. 열산화 안정화 후, 섬유 다발에 가해지는 중력에 의해 섬유가 연신되어 t2(도 1 참조)가 1.5 cm로 증가하였다. 이어서, 불활성 분위기 하, 1200℃에서 열분해시켜 전구체 섬유를 SiC 섬유로 전환시켰다. 제조된 SiC 섬유는 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 갖는 컬 구조를 가졌으며, 전구체 섬유의 직경보다 작은 직경을 가졌다.

실시예 2

실시예 1에서 제조된 컬 구조를 갖는 SiC 섬유를 길이 7 cm로 잘라 촙 형태로 한 후, 10 중량% 비율로 m-Aramid 섬유 촙과 혼합하여 복합 섬유를 제조하였다. 제조된 복합 섬유는 m-Aramid 섬유와 SiC 섬유가 안정적으로 혼합되었고, 복합 섬유 표면으로 SiC 섬유가 튀어 나오는 문제가 없었다.

비교예 1

t1을 0으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 SiC 섬유를 제조하였다. 즉, 전구체 섬유 다발의 직경이 원통형 치구의 직경과 동일하도록 전구체 섬유 다발을 원통형 치구에 감아 실시예 1과 동일한 방법으로 SiC 섬유를 제조하였다. 열산화 안정화 후, t2는 0.7로 증가하였다. 불활성 분위기 하, 1200℃에서 열분해시켜 전구체 섬유를 SiC 섬유로 전환시켰으나, 열처리 후 SiC 섬유가 끊어지거나 일부 가루가 발생하는 등 세라믹 섬유로의 전환이 완전히 이루어지지 않고 문제가 발생하였다.

비교예 2

종래 복합 섬유에 이용되었던 뻣뻣한(stiff) SiC 촙을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 복합 섬유를 제조하였다. 제조된 복합 섬유는, SiC 섬유 촙의 일부가 아라미드 섬유에 박혀 표면으로 돌출된 형태로 나타났으며, SiC 섬유의 잔류율이 실시예 2에 비하여 저하되었다.

상기 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 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims

컬(curl) 구조를 갖는 SiC 섬유로서,
상기 컬은 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시 전구체 섬유가 감긴 원통형 치구의 곡률에 상응하는 곡률을 갖고,
상기 SiC 섬유는, 전구체 섬유로부터 SiC 섬유 제조 시, 열산화 안정화 공정 중 전구체 섬유에 가해지는 중력에 의해 연신되고, 또한 열분해 시에 전구체 섬유의 수축과 동시에 상기 원통형 치구의 표면에서 발생되는 장력에 의해 추가적으로 연신됨으로써, 전구체 섬유의 직경보다 작은 섬유 직경을 가지며,
상기 SiC 섬유는 1~10 cm 길이의 촙 형태를 갖는 SiC 단섬유인
컬 구조를 갖는 SiC 섬유.
ⅰ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발이 원통형 치구의 직경보다 큰 직경을 갖도록, 전구체 섬유를 원통형 치구에 감는 단계;
ⅱ) 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및
ⅲ) 열산화 안정화 공정이 수행된 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함하며,
상기 열산화 안정화 공정 중 원통형 치구의 직경보다 큰 직경으로 감긴 전구체 섬유에 가해지는 중력에 의해 전구체 섬유가 연신되며, 또한, 상기 열분해 시에 전구체 섬유의 수축이 일어나는 것과 동시에 원통형 치구 표면에서 장력이 발생하여 전구체 섬유가 추가적으로 연신되는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
a) 전구체 섬유를 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감는 단계;
b) 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유에 대하여 열산화 안정화 공정을 수행하는 단계; 및
c) 열산화 안정화 공정이 수행된 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유를 열분해시켜 SiC 섬유로 전환시키는 단계를 포함하는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 전구체 섬유는, 폴리카보실란(PCS), 폴리실록산, 실라잔, 보로실란, 실리카졸 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 SiC의 전구체를 용융 방사하여 형성되는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 열산화 안정화 공정은 대기분위기 하, 150~300℃ 범위의 온도에서 이루어지는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 열산화 안정화 공정은 혼입되는 산소의 함량이 5~20 부피%가 되도록 하는 조건에서 이루어지는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 ⅱ) 단계의 열산화 안정화 공정에 의해 전구체 섬유 다발을 이루는 각각의 전구체 섬유가 연신되어, 상기 ⅱ) 단계 이후, 각각의 전구체 섬유의 직경은 상기 ⅰ) 단계에서의 전구체 섬유의 직경보다 작아지고, 원통형 치구에 감긴 전구체 섬유 다발의 직경은 상기 ⅰ) 단계에서의 전구체 섬유 다발의 직경보다 증가하는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 b) 단계에 있어서, 2개의 원통형 치구 중 제1 원통형 치구는 고정된 형태이고, 제2 원통형 치구는 미리 정해진 거리만큼 좌우로 이동가능한 형태로, 열산화 안정화 공정에 있어서 상기 제2 원통형 치구의 이동에 의해 전구체 섬유 다발을 이루는 각각의 전구체 섬유가 연신되어 상기 b) 단계 이후, 각각의 전구체 섬유의 직경은 상기 a) 단계에서의 전구체 섬유의 직경보다 작아지고, 2개의 원통형 치구를 전체적으로 둘러싼 외주면에 감긴 전구체 섬유 다발의 장축의 길이는 상기 a) 단계에서의 전구체 섬유 다발의 장축의 길이보다 증가하는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 열분해는 불활성 분위기 하, 800~1300℃ 범위의 온도에서 이루어지는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 열분해 완료 후 형성된 SiC 섬유는 컬 구조를 갖지며, 1~10 cm 길이의 촙 형태인 SiC 단섬유이고, 상기 ⅰ) 단계 또는 상기 a) 단계에서의 전구체 섬유의 직경보다 작은 직경을 갖는
컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법.
유기 섬유; 및
제1항에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유, 또는 제2항 또는 제3항에 따른 컬 구조를 갖는 SiC 섬유의 제조방법에 의해 제조된 컬 구조를 갖는 SiC 섬유를 포함하는
복합 섬유.
제11항에 있어서,
상기 유기 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는
복합 섬유.
제11항에 있어서,
상기 컬 구조를 갖는 SiC 섬유는 복합 섬유 총 중량을 기준으로 5~30 중량% 비율로 포함되는
복합 섬유.
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