KR102281627B1 - 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조 방법에 관한 것으로, 아크릴로니트릴계 필라멘트를 수세, 열수연신, 1 차건조, 스팀연신, 2 차건조 및 권취하여 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 스팀연신기 전단에서 탄소섬유 전구체 섬유가 예습열 장치를 통과하도록 하여 탄소섬유 전구체 섬유가 스팀연신 전에 소정의 온도와 습도를 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법{Method of producing precursor fiber for large tow carbon fiber}

본 발명은 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법에 관한 것이다.

탄소섬유용 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유는 일반적으로 약 90 몰%이상인 폴리아크릴로니트릴과 내염화 촉진 성분, 치밀화 촉진성분, 연신 촉진성분 등을 포함하는 아크릴계 중합체를 습식 또는 건습식 방사하여 멀티필라멘트 형태로 만들고, 이후 이를 수세공정, 열수연신공정, 스팀연신공정, 건조공정 등을 거쳐 제조된다.

탄소 섬유의 제조는 폴리아크릴로니트를계 전구체 섬유 등이 원사로서 이용되고 있으며, 이 전구체 섬유는 강도 및 배향도가 뛰어난 것이 요구된다.

이와 같은 전구체 섬유는, 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 포함한 방사 원액을 방사하여 응고사로 하고, 그 응고사를 욕중 연신하고 건조함으로써 치밀화하여 원사를 얻은 후, 해당 사조를 가압 스팀 분위기 하에서 2차 연신 처리함으로써 얻을 수 있다.

가압 스팀 분위기 하에서의 원사의 처리에는, 장치 내부에 원사를 주행시키고, 해당 원사에 대하여 가압 스팀을 공급하는 처리 장치가 이용된다. 이와 같은 처리 장치에 있어서는, 장치 내부에 공급한 가압 스팀이 원사의 입구 및 출구로부터 장치 외부로 다량으로 누출하면, 장치 내부의 압력, 온도, 습도 등이 불안정하게 되어, 원사에 보풀이나 실 절단 등이 생겨버리는 일이 있었다. 또한, 가압 스팀의 장치 외부로 누출의 영향을 억제하기 위해서는 다량의 가압 스팀이 필요하여, 에너지 비용이 증대되고 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 종래기술로 공개특허공보 제10-2013-0116361호에는 섬유의 스팀 연신 공정 시에 가압 스팀 처리부 입구 및 출구에 라비린스 시일부를 구비하는 것이 소개되어 있으며, 공개특허공보 제10-2012-090126호에도 탄소섬유용 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유의 제조방법으로 스팀연신 공정시, 섬유입구와 섬유유출구가 일직선상으로 형성되고, 중앙부에 형성된 스팀공급부와, 섬유입구측과 섬유 출구측에 형성된 라비린스 실링부를 이용하여 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유를 연신하는 방법이 개시되어 있다.

한국공개특허공보 제10-2013-0116361호(공개 2013.10.23.) 한국공개특허공보 제10-2012-0090126호(공개 2012.08.17.)

이에 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 라비린스 시일부가 구비된 스팀연신기 전단에 예습열 장치를 설치하여 필라멘트수에 상관 없이 물성편차가 작은 고물성의 라지토우 탄소섬유용 전구체 섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스팀연신 공정을 포함하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 스팀연신기 전단에서 탄소섬유 전구체 섬유가 예습열 장치를 통과하도록 하여 탄소섬유 전구체 섬유가 스팀연신 전에 소정의 온도와 습도를 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 스팀연신기 전단에 예습열 장치를 설치하여 필요한 온/습도 조건을 확보하여 고연신이 가능하게 하여 고물성과 물성편차가 작은 라지토우 탄소섬유용 전구체 섬유를 제조할 수 있고, 방사공정 중 사절률이 낮아져 방사 공정성이 개선되어 생산성이 크게 향상되며, 기존의 방사설비를 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 예습열 장치의 개략도이다.

이와 같은 본 발명을 다음에서 상세하게 설명하기로 하며, 이하의 내용은 단지 예시하기 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법은 아크릴로니트릴계 필라멘트를 수세, 열수연신, 1 차건조, 스팀연신, 2차건조 및 권취하여 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 스팀연신기 전단에 예습열 장치를 설치하여 탄소섬유를 스팀연신 하기 전에 충분한 온도와 습도를 주도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 1에 도시된 본 발명의 예습열 장치는 스팀연신기(300) 전단에 설치된 온수욕(200)을 하는 장치를 의미하며, 탄소섬유 전구체 섬유의 필라멘트 수와 스팀연신 조건에 따라서 온수욕(200)의 온도 조건과 온수욕(200)에서의 체류시간(Retention Time), 온수욕(200) 크기 및 깊이 등을 변화시킬 수 있다.

본 발명의 예습열 장치는 함침롤(220a, 220b)이 장착되고 온수액(230)이 담긴 온수욕(200)으로 구성되어 있다. 온수액(230)은 스팀연신 공정 전에 탄소섬유 전구체 섬유를 가열하고 온수액(230)을 부여하여 탄소섬유 전구체 섬유 전체에 연신이 균일하게 진행될 수 있도록 한다.

상기 함침롤(220a, 220b)은 온수욕(200)내 들어온 탄소섬유 전구체 섬유(100)가 온수액(230)에 충분히 침지될 수 있도록 장력을 조절하는 역할을 하고 온수욕(200) 입구에 있는 함침롤(220a)과 출구에 있는 함침롤(220b)의 속도비로 장력을 조절한다.

온수욕(200)내 온수액(230)의 온도는 60~80 ℃ 정도가 바람직하며 65~70 ℃가 더욱 바람직하다. 온수액(230)의 온도가 너무 낮으면 오히려 섬유내 온도 편차가 커지고 온도가 너무 높을 경우에는 섬유에 손상을 주어 최종적으로 탄소섬유 품질의 저하가 나타나기 쉽다.

온수욕을 나온 섬유의 함수율(수분량)은 섬유 전체 중량 대비 5~15 중량% 정도가 바람직하며, 5~10 중량%가 더욱 바람직하다. 온수욕을 나온 섬유의 함수율이 너무 낮으면 습열효과가 나타나지 않으며, 함수율이 너무 높으면 오히려 섬유 다발내 수분 편차를 커져 섬유 다발내 모노필라멘트간 연신성의 차이가 발생되어 전구체 섬유의 모노필라멘트 물성 및 직경 편차가 나타나고 최종적으로는 탄소섬유의 물성 저하로 이어질 수 있다.

온수욕(200) 체류 시간은 20~30 초가 적절하나, 온수욕(200)의 크기와 깊이에 따라 달라진다.

온수욕(200)에서의 체류 시간이 짧으면 예열 및 습열효과가 나타나지 않고 체류 시간이 너무 길면 섬유내 온수액(230)의 함량이 많아져 오히려 온수액(230)함량 편차가 발생하기 쉽고 이로 인해 연신성의 차이가 발생되어 탄소섬유용 전구체 섬유의 물성 편차가 발생된다.

온수욕(200)의 크기가 크고 깊이가 깊어지면 온수욕(200) 체류시간은 감소되고, 온수욕(200)의 크기가 작고 깊이가 낮으면 온수욕(200) 체류시간은 연장시켜야 하며, 온수욕(200)의 크기 및 깊이는 기존 스팀연신기(300)의 설비 스펙(Spec)에 따라 변화할 수 있다.

이는 종래의 스팀연신기, 즉 필라멘트수가 작은 경우에 사용하는 스팀연신기에 본 발명의 예습열 장치인 온수욕(200)을 적용하면 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조함에 있어 섬유내 온도 및 습도가 균일하게 분포되어 스팀의 양이 작아도 스팀연신이 균일하게 진행되어 물성 편차가 적게 나타나는 효과가 있다.

스팀연신기(300) 입구에 구비된 라비린스 시일부(310)는 스팀연신기(300)내 스팀압이 새지않고 일정하게 유지할 수 있도록 해주는 역할을 하기 때문에 예습열 장치와는 역할이 다르다고 볼 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으며, 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 해둔다.

실시예

실시예 1

주성분인 아크릴로니트릴과 보조성분인 이타콘산, 용매인 디메틸설폭시드를 중합반응조에 우선적으로 주입한다. 이때의 중합조성은 아크릴로니트릴 98 wt%, 이타콘산 2 wt%로 하고 전체 주입량에 대해 단량체(주성분과 보조성분)의 농도는 22 wt%가 되도록 디메틸설폭시드를 투입하고 개시제인 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 전 단량체 대비 0.1 wt%가 되도록 주입하고 중합도 조절제인 티오글리콜(Thioglycol)을 전 단량체 대비 0.2 wt%가 되도록 주입한다.

모든 단량체, 용매, 첨가제(개시제나 중합도 조절제)의 주입을 2시간 안에 완료한 후에 교반하여 균일한 용액을 만든다. 65 ℃에서 14시간 중합을 행하여 고유점도 2.0의 공중합체 20 wt%를 포함하는 아크릴로니트릴계 중합체 도프 원액을 제조하였다.

도프원액을 직경 0.12 mm, 구멍(hole) 수가 4,000 개의 노즐 6개를 이용하여 디메틸설폭시드의 농도가 35 wt%이고, 3 ℃로 조절된 응고욕에 5 mm의 갭(gap)을 두고 건습식 방사에 의하여 섬유를 응고시켰다. 얻어진 응고사를 수세한 뒤, 60 ℃ 이상의 온수로 연장한 뒤, 실리콘계 유제, 변성 에폭시 유제, 암모늄 화합물을 포함하는 유제를 부여하여 이를 150 ℃의 가열롤러를 이용하여 건조 치밀화 한다. 스팀연신 전에 섬유 내 65 ℃ 온수욕으로 이루어진 예습열 장치를 거치며 이 때 섬유의 함수율은 전체 섬유 중량 대비 10 중량%이다. 이후 고온의 가압 스팀 공정을 거쳐 탄소섬유용 전구체 섬유를 얻었다. 탄소섬유용 전구체를 이용하여 240 ℃의 온도로 10 % 수축시키면서 섬유비중이 1.35 의 내염화사를 만들고 450 ℃의 질소 분위기하에서 3% 연장하여 1350 ℃의 질소 분위기하에서 5 % 수축하여 탄소섬유를 얻는다. 탄소섬유 스트랜드 강도 및 CV%를 평가하였다.

실시예 2

구멍(hole) 수가 4,000 개의 노즐 6 개를 이용하여 방사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 진행하여 탄소섬유를 제조하였다.

비교예

비교예 1

실시예 1에서 스팀 연신기 전단에 설치된 예습열 장치를 제거하고 나머지 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

비교예 2

실시예 2에서 스팀 연신기 전단에 설치된 예습열 장치를 제거하고 나머지 공정은 실시예 2와 동일하게 진행하였다.

실험예

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 탄소섬유 스트랜드의 강도 및 강도 CV(%)를 하기 표 1에 나타내었다.

구분			실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
섬유 필라멘트 수			24K	48K	24K	48K
예습열 장치 설치 여부			○	○	X	X
탄소섬유 스트랜드	인장강도(GPa)		5.45	5.34	5.12	4.85
	인장강도 CV (%)		5.5	5.7	9.6	12.5

100: 탄소섬유 전구체 섬유 200: 온수욕
210: 가이드 롤 220a, 220b: 함침롤
230: 온수액 300: 스팀연신기
310: 라비린스 시일부

Claims (5)

1. 스팀연신 공정을 포함하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유를 제조하는 방법에 있어서,
   스팀연신기 전단에서 탄소섬유 전구체 섬유가 예습열 장치를 통과하도록 하여 탄소섬유 전구체 섬유가 스팀연신 전에 소정의 온도와 습도를 확보할 수 있도록 하는 것으로,
   상기 예습열 장치는 온수욕, 함침롤 및 온수액을 포함하며,
   상기 온수액의 온도는 60~80 ℃이고, 상기 탄소섬유 전구체 섬유의 함수율이 상기 탄소섬유 전구체 섬유의 전체 중량 대비 5~15 중량%인 것을 특징으로 하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 함침롤은 온수욕 입구 및 출구에 구비되어 탄소섬유 전구체 섬유가 온수욕 내 들어와서 나가기 전까지 온수액에 침지될 수 있도록 탄소섬유 전구체 섬유의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 장력은 온수욕 입구 및 출구에 구비된 함침롤의 속도비로 조절하는 것을 특징으로 하는 라지토우용 탄소섬유 전구체 섬유 제조 방법.
5. 삭제

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