KR102419467B1

KR102419467B1 - 리본형 PCS 섬유의 권취 디바이스 및 이를 이용한 리본형 SiC 섬유의 제조 방법

Info

Publication number: KR102419467B1
Application number: KR1020200181561A
Authority: KR
Inventors: 신동근
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-07-11
Also published as: KR20220090738A

Abstract

리본형 SiC 섬유 제조 방법은, SiC 섬유를 제조하기 위한 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여 섬유상으로 방사하는 단계(S10); 상기 방사 단계에서 방사된 PCS 섬유를 소정의 위치에서 인출방향을 전환시키면서 PCS 섬유를 가열하는 1차 예열 단계(S20); 상기 1차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유의 인출방향을 다시 전환시키면서 PCS 섬유를 재가열하는 2차 예열 단계(S30); 및 상기 2차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유를 소정의 장력으로 당기면서 권취하는 단계(S40)를 포함한다.

Description

리본형 PCS 섬유의 권취 디바이스 및 이를 이용한 리본형 SiC 섬유의 제조 방법{WINDING DEVICE OF RIBON TYPE PCS FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING RIBON TYPE SiC FIBER USING THE SAME}

본 발명은 리본형 PCS 섬유의 권취 디바이스 및 이를 이용한 리본형 SiC 섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 용융방사 유닛으로부터 방사되는 PCS 섬유를 추가로 가열하면서 소정의 장력을 가하여 리본형 PCS 섬유를 권취하는 디바이스 및 이러한 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스를 이용하여 리본형 SiC 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘카바이드(SiC) 섬유는 불활성 분위기 아래의 고온에서 제조되는 섬유로서, 초고온에서의 기계적 물성이 우수하기 때문에 최근 우주 항공기 엔진, 원자력 발전소 내부 구조체, 화력 발전소 터빈블레이드, 브레이크 패드/디스크, 유도 무기 내장 부품, 반도체 치공구 등 여러 분야에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다.

SiC 섬유의 제조 원료는 폴리카보실란(PCS: Polycarbosilane)으로서, 폴리카보실란을 용융 방사하여 섬유상으로 만든후, 이를 불활성 분위기에서 열처리하여 열분해한 후 세라믹인 SiC로 전환시켜 SiC 섬유를 제조한다.

통상, 폴리카실란을 용융 방사하여 섬유상으로 만들 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 용융 방사 유닛(1)의 하측에 원통형 보빈(2)을 배치하고 용융 방사 유닛으로부터 방사되는 PCS 섬유(3)를 회전하는 원통형 보빈(2)에 권취할 수 있는데, 이 경우에 용융 방사 유닛의 방사구로터 약 5cm 정도 이격된 거리(ℓ)부터 PCS 섬유(1)는 응고되기 시작하여 도 2에 도시된 바와 같이 원통형상을 가지게 된다. 용융방사된 PCS 섬유는 열처리과정에서 다시 용융되어 섬유 형상을 잃게 되므로, 이를 방지하기 위하여 열가소성을 가진 PCS 섬유를 열을 가하여도 용융되지 않고 섬유 형상을 유지하기 위하여 약 200 ℃ 부근에서 공기 중 혹은 할로겐 가스 분위기에서 화학처리를 하여 PCS 섬유의 가교반응을 유도하여 열경화성으로 전환시키는 불융화 공정을 수행한다. 그리고, 불융화 처리된 PCS 섬유를 불활성 분위기에서 약 1000℃ 이상으로 열처리하면 PCS 섬유가 그 형상을 유지하면서 열분해되어 SiC 섬유가 제조되며, 이러한 공정을 통하여 제조된 SiC 섬유는 도 5(a)에 도시된 바와 같이 원통형상을 가지게 된다.

일반적으로 SiC 섬유는 다양한 형태의 세라믹 소재의 표면에 와인딩(winding) 방식으로 감은 후 SiC 섬유들 사이의 잔류 빈공간을 기지재(matrix material)로 채우는 복합화 공정의 강화 섬유(fiber reinforcement)로 사용될 수 있다. 그런데, 도 2a에 도시된 바와 같이 종래의 기술에 의해 제조된 SiC 섬유는 은 원통형상을 가지므로, 복수의 SiC 섬유를 집속할 경우에 도 2b에 도시된 바와 같이 SiC 섬유들 사이에 과다한 빈공간이 존재하게 된다. 이에 따라, 종래의 기술에 의해 제조된 SiC 섬유를 세라믹섬유복합재로 사용하기 위하여, 강화재의 세라믹 섬유(3)를 탄소봉(5)의 표면에 와인딩(winding)할 경우에, 도 2c에 도시된 바와 같이 원통형 SiC 섬유들(3) 사이에 수 마이크론 또는 그 이하의 크기의 섬유간 기공(inter-fiber)이 불가피하게 생기게 되는데, 이러한 섬유간 기공은 기지재(4)로 채우기가 매우 어려우서 강화재의 밀도(충전율)가 낮아지는 원인이 되며, 최종 제품의 표면 조도가 거칠어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 SiC 섬유를 리본형으로 만들수 있어서, 세라믹섬유복합재에서의 SiC 섬유간 기공을 최소화하여 치밀하게 배열할 수 있게 되어 강화재의 기능을 극대화할 수 있을 뿐아니라, 봉 타입의 소재 표면에 와인딩(winding) 방식으로 SiC 섬유를 감을 경우 치밀화도가 높아지고 최종 제품의 표면 조도가 향상될 수 있는 리본형 PCS 섬유의 권취 디바이스 및 이를 이용한 리본형 SiC 섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.

그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스는, 용융 방사되는 PCS 섬유를 원통형 보빈에 권취하기 위한 디바이스에 있어서, SiC 섬유를 제조하기 위한 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여섬유상으로 방사하는 용융방사 유닛; 상기 용융방사 유닛의 방사구로부터 소정 거리 이격된 위치에 배치되며, 상기 용융방사 유닛으로부터 방사되는 PCS 섬유를 가열하는 1차 예열봉; 상기 1차 예열봉으로부터 수평방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 1차 예열봉을 통과한 PCS 섬유를 재가열하는 2차 예열봉; 상기 2차 예열봉의 하측에 배치되며, 상기 2차 예열봉을 통과한 PCS 섬유를 소정의 장력으로 당기면서 권취하는 보빈; 및 상기 1차 예열봉과 상기 2차 예열봉의 온도, 상기 보빈의 회전속도 및 상기 PCS 섬유에 작용하는 장력 등을 조절하기 위한 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 1차 예열봉은 상기 용융방사 유닛의 방사구(스피닝 노즐)(spinning nozzle)로부터 아래 방향으로 약 5㎝ 이격된 위치에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 1차 예열봉에 인접하게 배치되어 상기 1차 예열봉의 외주면을 지나는 PCS 섬유에 소정의 압력을 작용시키는 가압 롤러를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 1차 예열봉과 상기 가압 롤러 사이의 간격은 약 100 ~ 200㎛로 될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 가압 롤러의 내부에 전기히터가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 2차 예열봉은 회전식 롤러로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 1차 예열봉 및 상기 2차 예열봉의 온도는 약 200 ~ 260℃로 될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에서, 상기 2차 예열봉과 상기 보빈 사이에 PCS 섬유를 안내하는 가이드부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유 제조 방법은 전술한 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유 제조 방법은, SiC 섬유를 제조하기 위한 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여 섬유상으로 방사하는 단계; 상기 방사 단계에서 방사된 PCS 섬유를 소정의 위치에서 인출방향을 전환시키면서 PCS 섬유를 가열하는 1차 예열 단계; 상기 1차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유의 인출방향을 다시 전환시키면서 PCS 섬유를 재가열하는 2차 예열 단계; 및 상기 2차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유를 소정의 장력으로 당기면서 권취하는 단계를 포함하며, 상기 1차 예열 단계 및 2차 예열 단계에서의 PCS 섬유 가열온도는 약 200 ~ 260℃이며, 상기 권취 단계에서 PCS 섬유에 작용하는 장력이 제어부에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유 제조 방법에서, 상기 1차 예열 단계는 상기 방사 단계에서 PCS 섬유가 방사되는 지점으로부터 아래 방향으로 약 5cm 이격된 지점에서 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유 제조 방법에서, 상기 1차 예열 단계에서 PCS 섬유에 소정의 압력을 가하는 단계가 동시에 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유는 전술한 방법에 의해 제조될 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, SiC 섬유를 리본형으로 만들수 있어서, 세라믹섬유복합재에서의 SiC 섬유간 기공을 최소화하여 치밀하게 배열할 수 있게 되어 강화재의 기능을 극대화할 수 있을 뿐아니라, 봉 타입의 소재 표면에 와인딩(winding) 방식으로 SiC 섬유를 감을 경우 치밀화도가 높아지고 최종 제품의 표면 조도가 향상될 수 있다. 물론, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 기술에 따른 PCS 섬유 권취 디바이스를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 종래의 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 PCS 섬유의 개략적인 형상을 나타내며; 도 2b는 종래의 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 PCS 섬유를 복수개를 집속한 단면을 나타내며; 도 2c는 봉 타입 소재의 표면에 원통형 SiC 섬유를 와인딩할 경우 발생되는 섬유간 기공을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 리본형 PCS 섬유의 개략적인 형상을 나타내며; 도 4b는 본 발명의 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 리본형 PCS 섬유를 복수개를 집속한 단면을 나타내며; 도 4c는 봉 타입 소재의 표면에 리본형 SiC 섬유를 와인딩하고 기지재를 채운 상태를 나타내는 도면이다.
도 5(a)는 종래의 원통형 SiC 섬유의 단면을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이며; 도 5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유의 단면을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 복수의 스피닝 노즐을 구비한 본 발명의 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스를 개략적으로 나타내는 도면이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시 예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스를 개략적으로 나타내는 도면이며; 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 리본형 PCS 섬유의 개략적인 형상을 나타내며; 도 4b는 본 발명의 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스에 의해 제조된 리본형 PCS 섬유를 복수개를 집속한 단면을 나타내며; 도 4c는 봉 타입 소재의 표면에 리본형 SiC 섬유를 와인딩하고 기지재를 채운 상태를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스 및 이를 이용한 SiC 섬유 제조 방법에서는, 용융방사 유닛의 방사구(스핀 노즐)을 통하여 방사되는 PCS 섬유가 응고되기 전에 PCS 섬유를 가열하면서 PCS 섬유의 인출방향을 2회 방향 전환시키면서 PCS 섬유에 소정의 장력을 작용시킴으로써, PCS 섬유가 방향 전환지점을 통과할 때 그 단면이, 도 4a와 같이, 그 단면이 장방형의 납작한 형태(이하, '리본형'이라 함)로 변환되며, PCS 섬유가 응고되면서 리본형 단면의 PCS 섬유가 제조된다. 이 경우에, PCS 섬유의 단면 형상을 원형으로부터 리본형으로 변환시키기 위하여 PCS의 1차 가열지점에서 PCS 섬유에 가압력을 작용시켜 눌러줄 수 있다. 그후, PCS 섬유를 불융화 처리하여 열경화성을 부여한다. 불융화 공정에서는, 화학 반응을 통해 열가소성 폴리머가 열경화성 폴리머로 전환되며, 가교 결합 또는 라디칼 결합을 통해 저분자량의 폴리머 단위체를 더 큰 단위체로 만든다. 이렇게 불융화 처리된 PCS 섬유를 불활성 분위기에서, 예를 들어, 약 1000℃ 이상으로 열처리하면 리본형 단면의 PCS 섬유가 그 형상을 유지하면서 열분해되어 SiC 섬유가 제조되며, 이러한 공정을 통하여 제조된 SiC 섬유는 리본형 단면 형상을 가지게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스(100) 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여 섬유상으로 방사하는 용융방사 유닛(60); 상기 융융방사 유닛(60)의 하측에 배치되는 1차 예열봉(10); 상기 1차 예열봉(10)을 통과한 PCS 섬유(50)를 재가열하는 2차 예열봉(20); 상기 2차 예열봉(20)을 통과한 PCS 섬유(50)를 권취하는 원통형 보빈(40); 및 상기 1차 예열봉(10)과 상기 2차 예열봉(20)의 온도, 상기 원통형 보빈(40)의 회전속도 및 상기 PCS 섬유에 작용하는 장력 등을 조절하기 위한 제어부를 포함한다.

상기 용융방사 유닛(60)은 출발 물질인 폴리카보실란(polycarbosilane)을 용융하여 섬유상으로 방사하는 장치로서, 예를 들어, 내부에 출발 물질을 수용할 수 있는 공간이 형성되는 원통형상으로 되어 있으며 상부에는 출발 물질의 주입구가 형성되고, 원통 둘레벽의 내부에는 가열수단(63)이 구비되며, 원통의 하단부에는 출발 물질이 방사되는 하나 이상의 방사구(62)(예를 들어, 스피닝 노즐)이 형성되며, 원통의 내부에는 용융된 출발 물질을 방사구쪽으로 압송하여 방사구를 통하여 방사시키기 위한 기어펌프(61)와 같은 가압수단이 구비될 수 있다. 상기 용융방사 유닛(60)에서는 출발 물질인 폴리카보실란을, 예를 들어, 약 270℃로 가열하여 용융시킬 수 있다. 용융방사 유닛은 공지의 용융방사 유닛을 이용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 개발하고자 하는 리본형의 SiC 섬유는 출발 물질인 폴리카보실란의 용융방사(melt spinning) 단계부터 고려되어야 하는데, 통상 폴리카보실란을 용융방사할 경우, 방사 직후 급속히 응고되어 일반적인 고분자 섬유와 같이 공정 중에 연신 또는 형상제어가 불가능하다. 이에 따라 본 발명에서는 용융방사 유닛(60)에서 방사 초기에 낙하하는 용융 상태의 PCS 섬유의 응고가 시작되는 지점인 용융방사 유닛(60)의 방사구(spinning nozzle)(62)로부터 아래 방향으로 약 5cm 이격된 지점(ℓ)에 가열 히터를 설치하여 PCS 섬유의 응고를 지연시켰다. 이러한 목적으로 1차 예열봉(10)이 상기 용융방사 유닛(60)의 방사구로부터 소정 거리(ℓ), 예들 들어, 약 5cm 이격된 위치에 배치되며, 상기 1차 예열봉(10)은 내부에 전기 히터가 구비될 수 있으며, 기다란 원통형상으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 다른 형상으로 이루어질 수도 있다. 상기 1차 예열봉(10)의 가열 온도는 약 200 ~ 260℃로 유지될 수 있다. 1차 예열봉(10)의 온도가 200℃ 이하로 되면 PCS 섬유가 응고되어 PCS 섬유의 단면형상을 제어하기가 어려우며, 1차 예열봉(10)의 온도가 260℃ 이상이 되면 PCS 섬유가 섬유형상을 유지하기 어렵게 된다. 상기 1차 예열봉(10)은 PCS 섬유가 방사되어 인출되는 방향과 동일한 방향으로 회전하도록 설치될 수 있으며, 필요에 따라 고정식으로 설치될 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, PCS 섬유의 단면형상을 리본형으로 보다 용이하게 만들기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 예열봉(10)에 인접하게 가압 롤러(30)을 배치하여, 상기 1차 예열봉(10)의 외주면을 지나는 PCS 섬유(50)에 소정의 압력을 작용시킬 수 있으며, 상기 가압 롤러(30)에 의해 PCS 섬유(50)에 가해지는 압력은 제어부(도시하지 않음)에 의해 조절될 수 있다. 이 경우에, 상기 1차 예열봉(10)과 상기 가압 롤러(30) 사이의 간격은 약 100 ~ 200㎛로 설정될 수 있다. 상기 가압 롤러(30)는 PCS 섬유가 방사되어 인출되는 방향과 동일한 방향으로 회전하도록 설치될 수 있다. 상기 가압 롤러(30)의 내부에는 전기 히터가 구비될 수 있으며, 상기 가압 롤러(30)의 가열 온도는 약 200 ~ 260℃로 유지될 수 있다.

1차 예열봉(10)을 통과한 PCS 섬유(50)를 다시 한번 가열하기 위하여 2차 예열봉(20)이 배치된다. 상기 2차 예열봉(20)은 상기 1차 예열봉(10)으로부터 수평방향으로 소정 거리 이격된다. 상기 2차 예열봉(20)은 상기 1차 예열봉의 수직방향의 높이보다 높은 위치에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 같은 수직 높이 위치 또는 낮은 위치에 배치될 수도 있다. 이러한 배치에 의해, 1차 예열봉(10)의 외주면에 접촉되어 1차 예열봉(10)을 통과하는 PCS 섬유는 그 인출방향이 약 90°전환되면서 1차 예열봉(10)의 외주면에 눌려지기 때문에, 1차 예열봉(10)을 통과하는 PCS 섬유의 단면이 원형에서 리본형으로 변환될 수 있게 된다.

상기 2차 예열봉(20)은 내부에 전기 히터가 구비될 수 있으며, 기다란 원통형상으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 다른 형상으로 이루어질 수도 있다. 상기 2차 예열봉(20)의 가열 온도는 약 200 ~ 260℃로 유지될 수 있다. 2차 예열봉(20)의 온도가 200℃ 이하로 되면 PCS 섬유가 응고되어 PCS 섬유의 단면형상을 제어하기가 어려우며, 2차 예열봉(10)의 온도가 260℃ 이상이 되면 PCS 섬유가 섬유형상을 유지하기 어렵게 된다. 상기 2차 예열봉(20)은 PCS 섬유가 방사되어 인출되는 방향과 동일한 방향으로 회전하도록 설치될 수 있으며, 필요에 따라 고정식으로 설치될 수도 있다.

상기 2차 예열봉(20)의 하측에는 상기 2차 예열봉(20)을 통과한 PCS 섬유(50)를 소정의 장력(tensile stress)으로 당기면서 권취하는 보빈(40)이 배치된다. 상기 보빈(40)은 원통형으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 다른 형상으로 이루어질 수도 있다. PCS 섬유(50)가 권취되는 상기 보빈(40)의 회전 속도를 조절하여 PCS 섬유(50)에 작용하는 장력을 조절할 수 있으며, 이러한 장력의 조절에 의해 PCS 섬유(50)의 리본형상의 크기를 제어할 수 있다.

또한, 상기 2차 예열봉(20)과 상기 보빈(40) 사이에는 가이드부재(90)가 더 구비되어, 보빈(40)에 권취되는 PCS 섬유(50)가 원활하게 권취되도록 안내할 수 있다. 특히, 도 6에 도시된 바와 같이, 용융방사 유닛(60)의 방사구(62)에 복수의 방사구멍(스피닝 노즐)이 형성되어 융융방사 유닛(60)으로부터 복수의 PCS 섬유(50)가 방사되는 경우에는 PCS 섬유들끼리 엉키지 않고 원활하게 보빈(40)에 PCS 섬유(50)가 권취될 수 있도록 2차 예열봉(20)과 보빈(40) 사이에 가이드부재(90)가 설치될 수 있다. 상기 가이드부재(90)는 봉 형상 또는 바 형상으로 이루어질 수 있으며, 그 외에 다른 형상으로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스(100)에서는, PCS 섬유(50)의 형상을 적절하게 제어하기 위하여, 1차 예열봉(10)과 2차 예열봉(20)의 온도, 보빈(40)의 회전속도 및 PCS 섬유(50)에 작용하는 장력 등을 제어부(도시하지 않음)에 의해 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 리본 형상의 PCS 섬유(50)의 x-y 비율을 조절하기 위하여 1차 예열봉(10)의 이격 거리(ℓ)를 조절할 수 있으며, 1차 예열봉(10)과 2차 예열봉(20) 사이의 거리, 2차 예열봉(20)의 수직방향에서의 높이 등을 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스(100)에 의해 권취된 PCS 섬유는 보빈(40)에 권취된 상태로 또는 보빈(40)으로부터 PCS 섬유를 풀어낸 상태로 불융화 장치내에서, 예를 들어, 약 200℃로 불융화 처리될 수 있다. 불융화 장치내에서 PCS 섬유가 아이오딘과 같은 불융화 가스와 반응하면서 가교반응(Cross Linking)이 일어나면서 PCS 섬유의 불융화 반응이 진행된다. 이러한 불융화 공정에서는, 화학 반응을 통해 열가소성 폴리머가 열경화성 폴리머로 전환되며, 가교 결합 또는 라디칼 결합을 통해 저분자량의 폴리머 단위체를 더 큰 단위체로 만든다. PCS 섬유의 불융화 처리는 공지의 기술을 이용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이어서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 리본형 SiC 섬유의 제조방법은 전술한 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스(100)를 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리본형 SiC 섬유의 제조방법은, 폴리카보실란을 용융하여 방사하는 단계(S10); 상기 방사 단계에서 방사된 PCS 섬유를 가열하는 1차 예열 단계(S20); 상기 1차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유의 재가열하는 2차 예열 단계(S30); 및 상기 2차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유를 권취하는 단계(S40)를 포함한다.

상기 폴리카보실란의 용융방사 단계(S10)에서는, 출발물질인 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을, 예를 들어, 약 270℃로 가열하여 용융시켜 스피닝 노즐(spinning nozzle)과 같은 방사구(62)를 통하여 용융 폴리카보실란을 분출시켜 PCS 섬유를 방사한다. 이 경우에 용융방사 유닛(60)에는 기어펌프(61)와 같은 가압수단이 구비되어 용융 폴리카보실란을 방사구로 압송할 수 있다.

다음에, PCS 섬유의 1차 예열 단계(S20)에서는, 용융방사 유닛(60)의 방사구(62)의 아래 방향으로 약 5cm 만큼 이격된 위치(ℓ)에 1차 예열봉(10)을 배치하여, 상기 방사 단계(S20)에서 방사된 PCS 섬유(50)의 인출방향을 약 90°전환시키면서 PCS 섬유를 약 약 200 ~ 260℃로 가열한다. 통상 폴리카보실란을 용융방사할 경우, 방사 직후 급속히 응고되기 시작하여 방사구(62)로부터 약 5cm 이상 떨어지면 공정 중에 연신 또는 형상제어가 불가능하게 되므로, 방사구로부터 소정의 위치(ℓ)에 1차 예열봉(10)을 배치하여 PCS 섬유를 1차 가열하는 것이다. 이 경우에, 1차 예열봉(10)의 온도가 200℃ 이하로 되면 PCS 섬유가 응고되어 PCS 섬유의 단면형상을 제어하기가 어려우며, 260℃ 이상으로 되면 PCS 섬유가 섬유형상을 유지하기 어렵기 때문에, 1차 예열 단계에서 약 200℃ ~ 260℃로 유지하는 것이다.

다음에, PCS 섬유의 2차 예열 단계(S30)에서는, 예를 들어, 1차 예열봉(10)으로부터 수평방향으로 소정 거리 이격되며 1차 예열봉의 수직방향의 높이보다 높은 위치에 1차 예열봉(20)이 배치될 수 있다. 이와 같이, 2차 예열봉(20)을 배치하면, 1차 예열봉(10)을 통과한 PCS 섬유(50)의 인출방향을 2차 예열봉(20) 위치에서 다시 약 90°전환시킬 수 있어서, PCS 섬유(50)가 2차 예열봉(20)에 대하여 눌려지게 되어 리본형상으로의 변환이 용이하게 될 수 있다. 상기 2차 예열봉(20)에서는 PCS 섬유가 응고되지 않도록 PCS 섬유를 약 약 200 ~ 260℃로 가열한다.

다음에, PCS 섬유의 권취 단계(S40)에서는, 2차 예열봉(20)의 하측에 보빈(40)을 배치하여 PCS 섬유가 감긴 보빈(40)을 회전시키면서 2차 예열봉(20)을 통과한 PCS 섬유(50)를 소정의 장력으로 당기면서 권취한다, 이 경우에, 보빈(40)의 회전속도를 제어부(도시하지 않음)에 의해 조절하여 PCS 섬유(50)에 작용하는 장력을 조절하게 된다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, PCS 섬유의 단면형상을 리본형으로 보다 용이하게 만들기 위하여, 상기 1차 예열 단계(S10)에서 가압 롤러(30)에 의해 PCS 섬유(40)에 소정의 압력을 작용시킬 수 있다. 이 경우에 가압 롤러(30)를 1차 예열봉(10)과 대향하도록 배치하고 1차 예열봉(10)과 가압 롤러(30) 사이의 간격을 1차 예열봉(10) 위치에 도달한 PCS 섬유(50)의 직경보다 작게 설정하면, 방사된 PCS 섬유(50)가 1차 예열봉(10)과 가압 롤러(30)의 사이를 통과하면서 가압 롤러(30)에 의해 PCS 섬유(50)에 압력이 작용된다. 상기 가압 롤러(50)와 상기 1차 예열봉 (10) 사이의 간격은 약 100 ~ 200㎛로 설정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 그 이상 또는 그 이하의 간격으로 설정될 수도 있다.

전술한 단계들에 의해 제조된 리본형 PCS 섬유를 열산화, 전자빔, 요오드, CVC 등과 같은 종래의 불융화(안정화) 공정에 의해 불융화 처리한 다음에, 불활성 분위기에서, 예를 들어, 약 1000℃ 이상으로 고온에서 열처리하면 PCS 섬유가 리본 형상을 그대로 유지하면서 열분해되어 SiC 섬유가 제조되며, 이러한 공정을 통하여 제조된 SiC 섬유는 도 5(b)의 주사전자현미경(SEM) 사진과 같이 리본 형상을 가지게 된다.

이어서, 도 4a 내지 도 4c, 도 5(b)를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 리본형 SiC 섬유의 적용을 설명한다.

도 4a 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 SiC 섬유의 형상은 리본형(flat type)으로 이루어지므로, 복수의 SiC 섬유를 집속할 경우에 도 4b와 같이 섬유들(50)이 서로 밀접하게 접촉될 수 있어서 섬유간 기공(inter-fiber)의 발생이 최소화될 수 있다. 본 발명의 실시예에 의해 제조된 SiC 섬유를 세라믹섬유복합재로 사용하기 위하여, 도 4c에 도시된 바와 같이, 강화재의 세라믹 섬유(50)를 탄소봉(70)의 표면에 와인딩으로 감은후 SiC 섬유들(50) 사이의 잔류 빈공간을 기지재(matrix material)(80)로 채우는 복합화 공정에 의해 강화섬유((fiber reinforcement)로 적용할 수 있다. 세라믹섬유복합재, 특히 탄화규소섬유복합재의 기지재는 동종 소재인 탄화규소가 이용된다. 본 발명을 이용하여 탄화규소섬유 프리폼(직물)의 빈공간을 기지재로 채워 복합재를 제조할 때, 실란과 같은 원료를 프리폼 내부로 침투시켜 기상반응시키는 화학증착함침(Chemical Vapor Infiltration: CVI) 방법, 폴리카보실란 등 고분자 원료를 녹여서 프리폼 내부로 침투시킨 후 열분해처리하는 고분자함침처리(Polymer Infiltration & Pyrolysis: PIP) 방법, 탄화규소분말 슬러리를 함침하고 열처리하는 슬러리 함침 방법 등이 사용될 수 있다. 이 경우에, 종래기술의 원통형 SiC 섬유에 비하여 섬유간 기공(inter-fiber)의 발생이 현저하게 감소되므로, 본 발명의 실시예에 따르면 세라믹섬유복합재의 치밀화도가 높아질 뿐만 아니라 최종 제품의 표면 조도도 개선될 수 있다,

본 발명의 실시예에서는 SiC 섬유를 예를 들어 설명하였으나, 용융방사로 제조되는 세라믹섬유, 즉 바잘트 섬유,알루미나 섬유, 탄소섬유, 유리섬유를 포함한 세라믹 장섬유를 포함한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 1차 예열봉
20: 2차 예열봉
30: 가압 롤러
40: 보빈
50: PCS 섬유
60: 용융방사 유닛
70: 탄소봉
80: 기지재
90: 가이드부재
100: 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스

Claims

용융 방사되는 PCS 섬유를 원통형 보빈에 권취하기 위한 디바이스(100)에 있어서,
SiC 섬유를 제조하기 위한 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여섬유상으로 방사하는 용융방사 유닛(60);
상기 용융방사 유닛(60)의 방사구로부터 소정 거리(ℓ) 이격된 위치에 배치되며, 상기 용융방사 유닛(60)으로부터 방사되는 PCS 섬유(50)를 1차 예열봉(10);
상기 1차 예열봉(10)으로부터 수평방향으로 소정 거리 이격되며, 상기 1차 예열봉(10)을 통과한 PCS 섬유(50)를 재가열하는 2차 예열봉(20);
상기 2차 예열봉(20)의 하측에 배치되며, 상기 2차 예열봉(20)을 통과한 PCS 섬유(50)를 소정의 장력으로 당기면서 권취하는 보빈(40); 및
상기 1차 예열봉(10)과 상기 2차 예열봉(20)의 온도, 상기 보빈(40)의 회전속도 및 상기 PCS 섬유에 작용하는 장력을 조절하기 위한 제어부를 포함하는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 1차 예열봉(10)은 상기 용융방사 유닛(60)의 방사구(61)로부터 아래 방향으로 약 5㎝ 이격된 위치에 배치되는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 1차 예열봉(10)에 인접하게 배치되어 상기 1차 예열봉(10)의 외주면을 지나는 PCS 섬유(50)에 소정의 압력을 작용시키는 가압 롤러(30)를 더 포함하는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제3항에 있어서,
상기 1차 예열봉(10)과 상기 가압 롤러(30) 사이의 간격은 약 100 ~ 200㎛인
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제3항에 있어서,
상기 가압 롤러(30)의 내부에 전기히터가 구비되는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 2차 예열봉(20)은 회전식 롤러로 이루어지는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 1차 예열봉(10) 및 상기 2차 예열봉(20)의 온도는 약 200 ~ 260℃인
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 2차 예열봉(20)과 상기 보빈(40) 사이에 PCS 섬유(50)를 안내하는 가이드부재(90)를 더 포함하는
리본형 PCS 섬유 권취 디바이스.
리본형 SiC 섬유 제조 방법에 있어서,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 리본형 PCS 섬유 권취 디바이스(100)를 이용하는
리본형 SiC 섬유 제조 방법.
SiC 섬유를 제조하기 위한 방법으로서,
SiC 섬유를 제조하기 위한 폴리카보실란(polycarbosilane: PCS)을 용융하여 섬유상으로 방사하는 단계;
상기 방사 단계에서 방사된 PCS 섬유를 소정의 위치에서 인출방향을 전환시키면서 PCS 섬유를 가열하는 1차 예열 단계;
상기 1차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유의 인출방향을 다시 전환시키면서 PCS 섬유를 재가열하는 2차 예열 단계; 및
상기 2차 예열 단계를 통과한 PCS 섬유를 소정의 장력으로 당기면서 권취하는 단계를 포함하며,
상기 1차 예열 단계 및 2차 예열 단계에서의 PCS 섬유 가열온도는 약 200 ~ 260℃이며,
상기 권취 단계에서 PCS 섬유에 작용하는 장력이 제어부에 의해 제어되는
리본형 SiC 섬유 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 1차 예열 단계는 상기 방사 단계에서 PCS 섬유가 방사되는 지점으로부터 아래 방향으로 약 5cm 이격된 지점에서 수행되는
리본형 SiC 섬유 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 1차 예열 단계에서 PCS 섬유에 소정의 압력을 가하는 단계가 동시에 수행되는
리본형 SiC 섬유 제조 방법.
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