KR102437438B1 - High Strength Carbon Fiber Using Electron Beam Irradiation and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법은,
연속식 전자선 조사기에 탄소섬유를 일정한 인장을 유지하도록 배치하는 제1단계; 상기 탄소섬유에 0.1MeV 내지 5.0MeV의 강도로, 50kGy 내지 400kGy 선량의 전자선을 조사하여, 50kGy 내지 200kGy 선량에서 상기 탄소섬유의 표면결함을 1차적으로 없애고, 200kGy 내지 400kGy 선량에서 상기 탄소섬유의 내부공극을 2차적으로 없애는 제2단계; 및 전자선 조사 처리된 상기 탄소섬유를 회수하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명인 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법을 사용하면, 고강도의 탄소섬유를 신속하고 경제적으로 제조할 수 있다.
The method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to the present invention,
A first step of disposing the carbon fiber to maintain a constant tension in a continuous electron beam irradiator; By irradiating an electron beam with a dose of 50 kGy to 400 kGy with a strength of 0.1 MeV to 5.0 MeV to the carbon fiber, the surface defects of the carbon fiber at a dose of 50 kGy to 200 kGy are primarily eliminated, and the interior of the carbon fiber at a dose of 200 kGy to 400 kGy a second step of secondary elimination of voids; and a third step of recovering the carbon fiber treated with electron beam irradiation. Using the method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to the present invention, high-strength carbon fiber can be manufactured quickly and economically.

Description

전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 및 이의 제조방법{High Strength Carbon Fiber Using Electron Beam Irradiation and Manufacturing Method Thereof}High Strength Carbon Fiber Using Electron Beam Irradiation and Manufacturing Method Thereof

본 발명은 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength carbon fiber using electron beam irradiation and a method for manufacturing the same.

탄소섬유는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유로, 인장강도가 높고, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적은 섬유다.Carbon fiber is a fiber composed of long molecular chains in which numerous carbon atoms form a crystal structure, and is a fiber with high tensile strength, excellent resistance to high temperature and chemicals, and low thermal expansion.

탄소섬유는 원재료에 따라 PAN계 탄소섬유, Pitch계 탄소섬유, Cellulose계 탄소섬유로 구분된다. 이 중 PAN계 탄소섬유는 가장 널리 사용되는 탄소섬유다.Carbon fibers are classified into PAN-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and cellulose-based carbon fibers according to raw materials. Among them, PAN-based carbon fiber is the most widely used carbon fiber.

PAN계 탄소섬유 제조공정은, 전구체합성, 방사, 연신, 안정화, 탄화, 표면처리로 구성된다.The PAN-based carbon fiber manufacturing process consists of precursor synthesis, spinning, stretching, stabilization, carbonization, and surface treatment.

PAN계 탄소섬유는 노즐을 통해 방사되고 방사과정에서 표면마찰에 의한 손상이 발생되며, 연신 과정에서의 롤러마찰에 의한 손상이 발생한다. 또한, 안정화 및 탄화 과정에서 내부구조의 결함으로 인한 기공이 발생한다.PAN-based carbon fiber is spun through a nozzle, and damage occurs due to surface friction in the spinning process, and damage by roller friction in the stretching process. In addition, during the stabilization and carbonization process, pores are generated due to defects in the internal structure.

이렇게 발생되는 다양한 결함은, 불균일한 응력분포, 특정부분에서의 응력집중, 미세 다공성의 형성 및 성장을 촉진하여, 결국 전체적 결함으로 이어져 고강도 탄소섬유 개발에 장애가 된다.The various defects generated in this way promote the formation and growth of non-uniform stress distribution, stress concentration in a specific part, and microporosity, and eventually lead to overall defects, which is an obstacle to the development of high-strength carbon fiber.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 일본등록특허(4350260), 일본공개특허(1993-214614), 일본등록특허(2817232), 일본공개특허(2002-371461) 등에서는, 탄소섬유에 전자선을 조사하여 탄소섬유의 결함을 없애는 방법을 제시하고 있다.In order to solve this problem, in Japanese Patent (4350260), Japanese Patent Laid-Open (1993-214614), Japanese Registered Patent (2817232), Japanese Patent Laid-Open (2002-371461), etc., carbon fibers are irradiated with electron beams. method to eliminate the defects of

그러나, 이러한 특허들에 개시된 전자선 조사 방법들은, 단순히 탄소섬유의 표면에 생긴 결함만을 없애거나, 과도한 조사선량으로 인해 탄소섬유 결함 제거시간이 지나치게 길거나, 과도한 조사선량으로 인해 탄소섬유의 내부구조가 붕괴되어 결함이 오히려 더 생기는 문제가 있어, 실제로 탄소섬유의 결함을 제거하는 데 적용할 수 없다. However, the electron beam irradiation methods disclosed in these patents simply eliminate defects on the surface of carbon fibers, or the carbon fiber defect removal time is too long due to excessive irradiation dose, or the internal structure of carbon fibers is destroyed due to excessive irradiation dose. There is a problem in that the defects are rather increased, so it cannot be applied to actually remove the defects of carbon fiber.

일본등록특허(4350260)Japanese registered patent (4350260) 일본공개특허(1993-214614)Japanese Laid-Open Patent (1993-214614) 일본등록특허(2817232)Japanese registered patent (2817232) 일본공개특허(2002-371461)Japanese Laid-Open Patent (2002-371461)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는, 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a high-strength carbon fiber using electron beam irradiation and a method for manufacturing the same, which can solve the above problems.

상기 목적을 달성하기 위한, 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법은,
탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 모두 없앨 수 있는 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아내기 위해, 탄소섬유의 표면결함을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-1단계와, 탄소섬유의 내부공극을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-2단계로 구성된 제1단계;
상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 전자선 조사 처리된 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 전자현미경이나 라만분광법으로 살펴, 상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량이, 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 감소시키는 전자선의 강도와 전자선 선량이 맞는지 확인하는 제2단계; 및
상기 제2단계에서 확인된 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 탄소섬유를 전자선 조사 처리하는 제3단계를 포함하며,
상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량은 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키거나,
In order to achieve the above object, a method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation,
In order to find the electron beam strength and electron beam dose that can remove both surface defects and internal voids of carbon fiber, step 1-1 to find the electron beam strength and electron beam dose to eliminate surface defects of carbon fiber, and internal voids of carbon fiber A first step consisting of steps 1-2 to find the electron beam intensity and electron beam dose to eliminate
With the electron beam strength and electron beam dose found in the first step, the surface defects and internal voids of the carbon fiber treated with electron beam irradiation were examined by an electron microscope or Raman spectroscopy method, and the electron beam strength and electron beam dose found in the first step were carbon a second step of confirming that the strength of the electron beam and the dose of the electron beam to reduce the surface defects and internal voids of the fiber; and
A third step of irradiating the carbon fiber with the electron beam intensity and the electron beam dose confirmed in the second step,
The electron beam intensity was increased from 0.1MeV to 5.0MeV in step 1-1, the electron beam dose was decreased from 400kGy to 50kGy, and the electron beam intensity was decreased from 5.0MeV to 0.1MeV in step 1-2, and the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, or

상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량을 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키는 것을 특징으로 한다.In step 1-1, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV, the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, and in the first-2 step, the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the electron beam dose is increased. is characterized in that it is reduced from 400 kGy to 50 kGy.

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상기 목적은, 상술한 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법에 의해 제조된 고강도 탄소섬유에 의해 달성된다.The above object is achieved by a high-strength carbon fiber manufactured by the above-described method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation.

본 발명은 전자선 강도 또는/및 전자선 선량을 단계별로 조절하여, 탄소섬유의 표면결함과, 탄소섬유의 내부결함(내부공극)을 단계적으로 없앤다. 이로 인해, 종래 단순히 전자선으로 탄소섬유의 표면에 생긴 결함만을 없애거나, 종래 과도한 조사선량으로 인해 탄소섬유 결함 제거시간이 지나치게 길거나, 종래 과도한 조사선량으로 인해 탄소섬유의 내부구조가 붕괴되어 결함이 오히려 더 생기는 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다.The present invention removes the surface defects of carbon fibers and internal defects (internal voids) of carbon fibers step by step by adjusting the electron beam intensity and/or the electron beam dose step by step. For this reason, conventionally, only the defects generated on the surface of the carbon fiber are simply removed with an electron beam, the carbon fiber defect removal time is too long due to the conventional excessive radiation dose, or the internal structure of the carbon fiber is collapsed due to the conventional excessive radiation dose, so that the defects are rather More problems can be solved all at once.

본 발명인 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법을 사용하면, 고강도의 탄소섬유를 신속하고 경제적으로 제조할 수 있다.Using the method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to the present invention, high-strength carbon fiber can be manufactured quickly and economically.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고강도 탄소섬유 제조방법을 수행하기 위한 연속식 전자선 조사기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 제2단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 전자선 선량에 따른 탄소섬유 표면결함 제거상태를 알아보기 위해 탄소섬유를 찍은 전자현미경 사진으로, 도 4(a)는 전자선 조사 처리 전 탄소섬유의 전자현미경 사진이고, 도 4(b)는 전자선 선량 100kGy에서 전자선 조사 처리된 탄소섬유, 도 4(c)는 전자선 선량 200kGy에서 전자선 조사 처리된 탄소섬유, 도 4(d)는 전자선 선량 300kGy에서 전자선 조사 처리된 탄소섬유, 도 4(e)는 전자선 선량 400kGy에서 전자선 조사 처리된 탄소섬유, 도 4(f)는 전자선 선량 500kGy에서 전자선 조사 처리된 탄소섬유를 전자현미경으로 찍은 사진이다.
도 5는 전자선 선량에 따른 라만(Raman) 스펙트럼이다.
도 6은 도 5에 표시된 A밴드와 G밴드의 면적비(IA/IG)와, D밴드와 G밴드의 면적비(ID/IG)를 전자선 선량에 따라 나타낸 그래프다.
도 7은 전자선 선량에 따른 탄소섬유 인장강도 및 인장탄성율의 변화를 나타낸 그래프다.
도 8은 전자선 선량에 따른 탄소섬유 계면전단강도의 변화를 나타낸 그래프다.
1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a continuous electron beam irradiator for performing the high-strength carbon fiber manufacturing method shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the second step shown in FIG. 1 .
Figure 4 is an electron microscope photograph of carbon fiber to determine the carbon fiber surface defect removal state according to the electron beam dose, Figure 4 (a) is an electron microscope photograph of the carbon fiber before the electron beam irradiation treatment, Figure 4 (b) is Carbon fiber treated with electron beam irradiation at an electron beam dose of 100 kGy, Fig. 4 (c) is a carbon fiber treated with electron beam irradiation at an electron beam dose of 200 kGy, Fig. 4 (d) is a carbon fiber treated with electron beam irradiation at an electron beam dose of 300 kGy, Fig. 4 (e) is a carbon fiber irradiated with an electron beam at an electron beam dose of 400 kGy, and FIG. 4 (f) is a photograph taken with an electron microscope of a carbon fiber irradiated with an electron beam at an electron beam dose of 500 kGy.
5 is a Raman spectrum according to an electron beam dose.
6 is a graph showing the area ratio (I A /I G ) of the A band and the G band shown in FIG. 5 and the area ratio of the D band and the G band (I D /I G ) according to the electron beam dose.
7 is a graph showing changes in the tensile strength and tensile modulus of carbon fiber according to the electron beam dose.
8 is a graph showing the change in the carbon fiber interfacial shear strength according to the electron beam dose.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법을 자세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법은,
탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 모두 없앨 수 있는 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아내기 위해, 탄소섬유의 표면결함을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-1단계와, 탄소섬유의 내부공극을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-2단계로 구성된 제1단계(S11);
상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 전자선 조사 처리된 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 전자현미경이나 라만분광법으로 살펴, 상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량이, 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 감소시키는 전자선의 강도와 전자선 선량이 맞는지 확인하는 제2단계(S12); 및
상기 제2단계에서 확인된 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 탄소섬유를 전자선 조사 처리하는 제3단계(S13)를 포함하며,
상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량은 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키거나,
As shown in Figure 1, the method for manufacturing high-strength carbon fiber using electron beam irradiation according to an embodiment of the present invention,
In order to find the electron beam strength and electron beam dose that can remove both surface defects and internal voids of carbon fiber, step 1-1 to find the electron beam strength and electron beam dose to eliminate surface defects of carbon fiber, and internal voids of carbon fiber A first step (S11) consisting of the first 1-2 steps to find the electron beam intensity and electron beam dose to eliminate the;
With the electron beam strength and electron beam dose found in the first step, the surface defects and internal voids of the carbon fiber treated with electron beam irradiation were examined by an electron microscope or Raman spectroscopy method, and the electron beam strength and electron beam dose found in the first step were carbon a second step (S12) of checking whether the strength of the electron beam and the dose of the electron beam to reduce surface defects and internal voids of the fiber; and
A third step (S13) of irradiating the carbon fiber with the electron beam intensity and the electron beam dose confirmed in the second step,
The electron beam intensity was increased from 0.1MeV to 5.0MeV in step 1-1, the electron beam dose was decreased from 400kGy to 50kGy, and the electron beam intensity was decreased from 5.0MeV to 0.1MeV in step 1-2, and the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, or

상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량을 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키는 것을 특징으로 한다.In step 1-1, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV, the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, and in the first-2 step, the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the electron beam dose is increased. is characterized in that it is reduced from 400 kGy to 50 kGy.

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제1단계(S11) 내지 제3단계(S13)를 설명하기에 앞서, 제1단계(S11) 내지 제3단계(S13)를 수행하기 위한 연속식 전자선 조사기를 설명한다.Prior to describing the first step (S11) to the third step (S13), a continuous electron beam irradiator for performing the first step (S11) to the third step (S13) will be described.

도 2에 도시된 바와 같이, 연속식 전자선 조사기(1)는 공급유닛(10), 가이드유닛(20), 회수유닛(30), 전자선조사유닛(40)으로 구성된다.As shown in FIG. 2 , the continuous electron beam irradiator 1 is composed of a supply unit 10 , a guide unit 20 , a recovery unit 30 , and an electron beam irradiation unit 40 .

공급유닛(10)은 길이방향으로 탄소섬유(CF1)들을 공급한다. 탄소섬유(CF1)들은 1~48k의 필라멘트들로 구성된다. 공급유닛(10)은 탄소섬유(CF1)들이 감기는 공급롤러(11)와, 공급롤러(11)를 회전시키는 구동부(미도시)로 구성된다. 구동부는 공지기술로 구현 가능하므로 자세한 설명을 생략한다.The supply unit 10 supplies the carbon fibers (CF1) in the longitudinal direction. Carbon fibers (CF1) are composed of 1 to 48k filaments. The supply unit 10 is composed of a supply roller 11 on which the carbon fibers CF1 are wound, and a driving unit (not shown) for rotating the supply roller 11 . Since the driving unit can be implemented by known technology, a detailed description thereof will be omitted.

가이드유닛(20)은 탄소섬유(CF1)를 공급유닛(10)에서 회수유닛(30)까지 안내한다. 가이드유닛(20)은 하부가이드롤러(21), 상부가이드롤러(22), 하부가이드롤러(21) 및 상부가이드롤러(22)를 회전가능하게 지지하는 축(미도시)으로 구성된다.The guide unit 20 guides the carbon fiber CF1 from the supply unit 10 to the recovery unit 30 . The guide unit 20 includes a lower guide roller 21 , an upper guide roller 22 , a lower guide roller 21 and a shaft (not shown) that rotatably supports the upper guide roller 22 .

회수유닛(30)은 전자선 조사가 완료된 탄소섬유(CF2)를 감아 회수한다. 도 2에서는 도시의 편의상 전자선이 조사처리 전 탄소섬유(CF1, 검은색)와, 전자선 조사 처리된 탄소섬유(CF2, 갈색)를 도면부호와 색깔로 구분하였다. 회수유닛(30)은 전자선 조사가 완료된 탄소섬유(CF2)가 감겨지는 회수롤러(31)와, 회수롤러(31)를 회전시키는 구동부(미도시)로 구성된다. 구동부는 공지기술로 구현 가능하므로 자세한 설명을 생략한다.The recovery unit 30 winds and recovers the carbon fiber (CF2) that has been irradiated with electron beams. In FIG. 2, for convenience of illustration, carbon fibers (CF1, black) and carbon fibers (CF2, brown) treated with electron beam irradiation before electron beam irradiation were separated by reference numerals and colors. The recovery unit 30 includes a recovery roller 31 on which the carbon fiber (CF2) on which electron beam irradiation has been completed is wound, and a driving unit (not shown) that rotates the recovery roller 31 . Since the driving unit can be implemented by known technology, a detailed description thereof will be omitted.

전자선조사유닛(40)은 전자선을 조사하는 조사기(41)와, 조사기(41)에서 조사되는 전자선의 강도와 선량과 조사시간을 제어하는 제어부(42)로 구성된다. 조사기(41)는 공지된 기기이므로, 자세한 설명을 생략한다. 제어부(42)의 추가기능은 후술한다.The electron beam irradiation unit 40 is composed of an irradiator 41 for irradiating an electron beam, and a controller 42 for controlling the intensity, dose, and irradiation time of the electron beam irradiated from the irradiator 41 . Since the irradiator 41 is a known device, a detailed description thereof will be omitted. Additional functions of the control unit 42 will be described later.

전자선 조사시 150℃ 미만의 열이 발생할 수 있다. When irradiated with an electron beam, heat of less than 150°C may be generated.

이를 감안하여, 조사기(41)는 전자선을 상온 공기 분위기 또는, 탄소섬유의 산화가 시작되는 480℃ 미만의 공기 분위기에서 탄소섬유에 조사하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 저온(영하) 및 고온(500℃ 이상)에서도 전자선 조사의 효과가 있으나, 저온은 전자선 처리에 의해 생성된 라디칼의 활성을 낮춰 탄소섬유 내부의 결함복구를 방해할 수 있으며, 고온 분위기는 시스템 설비비의 증가 등으로 바람직하지 못하기 때문이다.In consideration of this, it is preferable that the irradiator 41 irradiate the electron beam to the carbon fiber in an air atmosphere at room temperature or an air atmosphere below 480° C. where oxidation of the carbon fiber starts. The reason is that although the effect of electron beam irradiation is effective even at low (zero) and high temperature (500° C. or higher), low temperature lowers the activity of radicals generated by electron beam treatment, which can interfere with the repair of defects inside the carbon fiber, and high temperature atmosphere This is because it is undesirable due to an increase in system equipment cost, etc.

이하, 제1단계(S11)를 설명한다.Hereinafter, the first step (S11) will be described.

탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 모두 없앨 수 있는 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아내기 위해, 탄소섬유의 표면결함을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-1단계와, 탄소섬유의 내부공극을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-2단계로 구성된다.
그리고, 상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량은 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시킨다.
또는, 상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량을 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시킨다.
탄소섬유(CF1,CF2)는 PAN계 탄소섬유다. 물론, Pitch계 탄소섬유, Cellulose계 탄소섬유도 사용될 수 있다.
In order to find the electron beam strength and electron beam dose that can remove both surface defects and internal voids of carbon fiber, step 1-1 to find the electron beam strength and electron beam dose to eliminate surface defects of carbon fiber, and internal voids of carbon fiber It consists of steps 1-2 to find the electron beam intensity and the electron beam dose to eliminate
And, the electron beam intensity is increased from 0.1MeV to 5.0MeV in step 1-1, the electron beam dose is decreased from 400kGy to 50kGy, and the electron beam intensity is decreased from 5.0MeV to 0.1MeV in step 1-2, The electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy.
Alternatively, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV in step 1-1, the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, and the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV in step 1-2, Reduce the electron beam dose from 400 kGy to 50 kGy.
Carbon fibers (CF1, CF2) are PAN-based carbon fibers. Of course, pitch-based carbon fibers and cellulose-based carbon fibers may also be used.

연속식 전자선 조사기(1)에 탄소섬유(CF1,CF2)가 인장력이 가해진 상태로 배치한다. 인장력은 탄소섬유(CF1,CF2)가 끊어지지 않게, 탄소섬유(CF1,CF2)의 인장강도를 넘지 않는 선에서 가해진다. 인장력은 공급롤러(11)와 회수롤러(31)의 상대적인 회전속도에 의해 조절된다.Carbon fibers (CF1, CF2) are placed in a state in which tensile force is applied to the continuous electron beam irradiator (1). The tensile force is applied in a line that does not exceed the tensile strength of the carbon fibers (CF1, CF2) so that the carbon fibers (CF1, CF2) do not break. The tensile force is controlled by the relative rotational speed of the supply roller 11 and the recovery roller 31 .

탄소섬유에 인장력을 가하는 이유는, 탄소섬유를 구성하는 필라멘트들이 서로 뭉치는 것을 방지하여, 제2단계(S12)에서 탄소섬유(CF1)를 구성하는 필라멘트에 전자선을 균일하게 조사하기 위함이다.The reason for applying a tensile force to the carbon fiber is to prevent the filaments constituting the carbon fiber from aggregating with each other, and uniformly irradiating the electron beam to the filament constituting the carbon fiber (CF1) in the second step (S12).

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이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
제1단계(S11)에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 전자선 조사 처리된 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 전자현미경이나 라만분광법으로 살펴, 제1단계(S11)에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량이, 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 감소시키는 전자선의 강도와 전자선 선량이 맞는지 확인한다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
제2단계(S22)에서 확인된 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 탄소섬유(CF1)에 일정한 전자선 강도로 일정시간 전자선을 조사하여 탄소섬유 구조적 결함을 없앤다.
Hereinafter, the second step (S12) will be described.
Using the electron beam intensity and electron beam dose found in the first step (S11), the surface defects and internal voids of the carbon fiber treated with electron beam irradiation were examined by an electron microscope or Raman spectroscopy method, and the electron beam strength and electron beam found in the first step (S11) Check that the dose is the same as the strength of the electron beam that reduces the surface defects and internal voids of the carbon fiber.
Hereinafter, the third step (S13) will be described.
With the electron beam strength and electron beam dose confirmed in the second step (S22), the carbon fiber (CF1) is irradiated with an electron beam at a constant electron beam intensity for a certain period of time to eliminate structural defects of the carbon fiber.

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이를 위해, 조사기(41)는 탄소섬유(CF1)에 0.1MeV 내지 5.0MeV의 강도로 50kGy 내지 400kGy 선량의 전자선을 조사하여, 50kGy 내지 200kGy 선량에서 탄소섬유(CF1)의 표면결함을 1차적으로 없애고, 이어서 탄소섬유((CF1)에 전자선을 추가 조사하여 200kGy 내지 400kGy 선량에서 탄소섬유(CF1)의 내부공극(내부결함)을 2차적으로 없앤다.To this end, the irradiator 41 irradiates the carbon fiber (CF1) with an electron beam of a dose of 50 kGy to 400 kGy with an intensity of 0.1 MeV to 5.0 MeV, and primarily eliminates the surface defects of the carbon fiber (CF1) at a dose of 50 kGy to 200 kGy. , then, by additionally irradiating the carbon fiber ((CF1) with an electron beam, the internal voids (internal defects) of the carbon fiber (CF1) are secondaryly eliminated at a dose of 200 kGy to 400 kGy.

보다 바람직하게는, 1.5MeV의 전자선 강도로 100kGy 내지 300kGy 선량의 전자선을 탄소섬유(CF1)에 조사하여, 100kGy 내지 200kGy 선량에서 탄소섬유(CF1)의 표면결함을 1차적으로 없애고, 다음으로 조사기(41)는 전자선을 탄소섬유((CF1)에 더 조사하여 200kGy 내지 300kGy 선량에서 탄소섬유(CF1)의 내부공극을 2차적으로 없앤다. 이로 인해, 탄소섬유(CF1)에서 표면결함 및 내부공극이 제거된 고강도의 탄소섬유(CF2)가 만들어진다.More preferably, the carbon fiber (CF1) is irradiated with an electron beam at a dose of 100 kGy to 300 kGy with an electron beam intensity of 1.5 MeV, and the surface defects of the carbon fiber (CF1) at a dose of 100 kGy to 200 kGy are primarily eliminated, and then an irradiator ( 41) further irradiates the carbon fiber ((CF1) with an electron beam to secondaryly eliminate the internal voids of the carbon fiber (CF1) at a dose of 200 kGy to 300 kGy. Due to this, the surface defects and internal voids are removed from the carbon fiber (CF1). high-strength carbon fiber (CF2) is made.

이렇게 1,2차에 걸려 전자선의 선량을 달리하여 전자선을 조사하여, 탄소섬유(CF)의 표면결함과 내부공극을 단계별로 없애는 것은 본 발명만의 기술적 특징이다.It is a technical feature of the present invention to remove surface defects and internal voids of carbon fiber (CF) step by step by irradiating electron beams with different doses of electron beams caught in the first and second phases.

조사기(41)가 탄소섬유(CF1)에 0.1 내지 5.0MeV의 강도로 50kGy 내지 400kGy 선량의 전자선을 조사하는 이유는, 전자선 강도가 0.1MeV 미만일 경우 전자선 처리가 부족하여 탄소섬유(CF)의 결함을 없앨 수 없으며, 전자선 강도가 5.0MeV를 초과할 경우 탄소섬유가 발화하여 파손될 수 있기 때문이다.The reason that the irradiator 41 irradiates the carbon fiber (CF1) with an electron beam of a dose of 50 kGy to 400 kGy with an intensity of 0.1 to 5.0 MeV is that the electron beam strength is 0.1 MeV If it is less than, the electron beam treatment is insufficient to eliminate the defects of the carbon fiber (CF), and if the electron beam strength exceeds 5.0 MeV, the carbon fiber may be ignited and damaged.

또한, 전자선 선량이 50kGy 미만일 경우 탄소섬유의 전자선 처리 효과가 미흡하여 탄소섬유(CF)의 결함을 없앨 수 없으며, 전자선 선량이 400kGy을 초과할 경우, 탄소섬유가 오히려 결함이 더 생길 수 있기 때문이다. 종래는 이러한 문제점을 전혀 고려하지 못하고, 탄소섬유에 지나치게 많은 선량의 전자선을 탄소섬유에 조사하여, 탄소섬유의 결함을 없애기는커녕 결함을 오히려 발생시키고 있다.In addition, when the electron beam dose is less than 50 kGy, the electron beam treatment effect of the carbon fiber is insufficient to eliminate the defects of the carbon fiber (CF), and when the electron beam dose exceeds 400 kGy, the carbon fiber may have more defects . Conventionally, these problems are not taken into account at all, and by irradiating the carbon fiber with an electron beam of too much dose to the carbon fiber, the defect of the carbon fiber is rather generated rather than eliminated.

또한, 조사기(41)는 전자선을 상온 공기 분위기 또는, 탄소섬유의 산화가 시작되는 480℃ 미만의 공기 분위기에서 탄소섬유에 조사하는 것이 바람직하다. 그 이유는 전술한 바와 같다.In addition, it is preferable that the irradiator 41 irradiate the electron beam to the carbon fiber in an air atmosphere at room temperature or an air atmosphere below 480° C. where oxidation of the carbon fiber starts. The reason is the same as described above.

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도 3(b)에 도시된 바와 같이, 전자선 선량 50kGy~200kGy에서 탄소섬유의 표면결함이 제거된다. 이렇게 표면결함이 제거됨에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 축방향의 패턴이 변화를 보인다. 즉, 도 4(a)에 도시된 전자선 조사 처리 전 탄소섬유 축방향의 패턴은, 100kGy ~ 200kGy 전자선 선량 범위에서 희미해진 후 다시 선명해진다. (도 4(b), 도 4(c) 참조) As shown in FIG. 3(b), the surface defects of carbon fibers are removed at an electron beam dose of 50 kGy to 200 kGy. As the surface defects are removed in this way, as shown in FIG. 4 , the pattern in the axial direction of the carbon fiber changes. That is, the pattern in the axial direction of the carbon fiber before the electron beam irradiation treatment shown in FIG. 4( a ) becomes clear again after it fades in the range of 100 kGy ~ 200 kGy electron beam dose. (See Fig. 4(b), Fig. 4(c))

가장 두드러진 탄소섬유 축방향 패턴 변화는 300kGy 전자선 선량(도 4(d) 참조)에서 발견된다. 이러한 탄소섬유 축방향 패턴은 500kGy 전자선 선량(도 4(f) 참조)에서 거의 사라졌다.The most pronounced carbon fiber axial pattern change was found at 300 kGy electron beam dose (see Fig. 4(d)). This carbon fiber axial pattern almost disappeared at the 500 kGy electron beam dose (see Fig. 4(f)).

도 3(c)에 도시된 바와 같이, 전자선 선량 200kGy~300kGy에서 탄소섬유의 표면결함이 대부분 제거되고, 탄소섬유 내부기공이 메워진다.As shown in FIG. 3(c), most of the surface defects of the carbon fiber are removed at the electron beam dose of 200 kGy to 300 kGy, and the internal pores of the carbon fiber are filled.

도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 전자선 선량 300kGy~400kGy에서 결정 영역이 재 분해되어 내부기공(내부결함)이 다시 발생하기 시작한다.3(c) and 3(d), the crystal region is re-decomposed at the electron beam dose of 300 kGy to 400 kGy, and internal pores (internal defects) start to occur again.

도 5는 전자선 선량에 따라 탄소섬유의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 도 5에 D밴드(1360cm-1), G밴드(1580cm-1), A밴드(1520cm-1)가 나타난다. 도 6에서 면적비(IA/IG)는 탄소섬유 내 비정형율을 나타내고, 면적비(ID/IG)는 탄소섬유 내 결함율을 나타낸다.5 shows the Raman spectrum of the carbon fiber according to the electron beam dose. 5 shows the D band (1360 cm -1 ), the G band (1580 cm -1 ), and the A band (1520 cm -1 ). In FIG. 6 , the area ratio (I A /I G ) represents the atypical ratio in the carbon fiber, and the area ratio (I D /I G ) represents the defect rate in the carbon fiber.

도 6에 도시된 바와 같이, 200kGy-300kGy 영역에서 결함율(ID/IG)이 증가하여 탄소섬유의 인장강도가 감소할 수 있으나, 탄소섬유의 내부 결정체의 분해와 동시에 새로운 결합이 형성되어 비정형율(IA/IG)도 증가하게 된다. 비정형율(IA/IG)이 증가하는 이유는, 전자선 조사로 인해 탄소섬유의 내부공극이 메워졌기 때문이다. 따라서, 200kGy-300kGy 영역에서 결함(ID/IG)이 증가해도, 동시에 비정형율(IA/IG) 역시 증가하기 때문에, 탄소섬유의 인장강도는 오히려 좋아진다.As shown in Figure 6, the defect rate (I D /I G ) increases in the 200 kGy-300 kGy region, so that the tensile strength of the carbon fiber may decrease, but a new bond is formed at the same time as the internal crystals of the carbon fiber are decomposed. The atypical rate (I A /I G ) will also increase. The reason why the amorphous ratio (I A /I G ) increases is that the internal pores of the carbon fiber are filled by electron beam irradiation. Therefore, even if the defect (I D /I G ) increases in the 200kGy-300kGy region, the amorphous rate (I A /I G ) also increases at the same time, so the tensile strength of the carbon fiber is rather improved.

도 7에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(CF2)의 인장강도는, 전자선 처리 전 탄소섬유(As-received)의 인장강도(4.08GPa) 보다, 전자선 선량 300kGy 처리시 인장강도(4.66GPa)가 최대 14% 까지 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, the tensile strength of carbon fiber (CF2) is higher than the tensile strength (4.08 GPa) of carbon fiber (As-received) before electron beam treatment (4.66 GPa) at the time of treatment with an electron beam dose of 300 kGy (4.66 GPa). It can be seen that the increase is up to 14%.

도 8에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(CF2)의 계면전단강도는 전자선 처리 전 탄소섬유(As-received) 계면전단강도(50.75MPa) 보다, 전자선 선량 400kGy 처리시 계면전단강도(65.17MPa)가 최대 28% 까지 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, the interfacial shear strength of carbon fiber (CF2) was higher than the interfacial shear strength of carbon fiber (As-received) (50.75 MPa) before electron beam treatment, and the interfacial shear strength (65.17 MPa) during treatment with an electron beam dose of 400 kGy. It can be seen that the increase is up to 28%.

제어부 추가기능Control unit additional function

제어부(42)는 탄소섬유(CF1)의 표면결함을 없애는 단계(이하,“제2-1단계”라 칭함)와, 탄소섬유(CF1)의 내부공극을 없애는 단계(이하,“제2-2단계”라 칭함)에서, 전자선의 강도와 전자선 선량을 상대적으로 줄이거나 높여가며, 탄소섬유(CF2)의 표면결함 및 내부공극을 없앨 수 있는, 최적의 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아낼 수 있다. 여기서, 전자선의 강도는 0.1MeV 내지 5.0MeV 범위에 있고, 전자선의 선량은 50kGy 내지 400kGy 범위에 있다.The control unit 42 removes the surface defects of the carbon fiber (CF1) (hereinafter, referred to as “step 2-1”), and removes the internal voids of the carbon fiber (CF1) (hereinafter, “step 2-2”). step”), it is possible to find the optimal strength and dose of electron beam, which can remove surface defects and internal voids of carbon fiber (CF2) while relatively reducing or increasing the strength and dose of electron beam. . Here, the intensity of the electron beam is in the range of 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the dose of the electron beam is in the range of 50 kGy to 400 kGy.

일 예로, 표 1에 도시된 바와 같이, 제2-1단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시킨다. 제2-2단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량은 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시킨다.For example, as shown in Table 1, in step 2-1, the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the electron beam dose is decreased from 400 kGy to 50 kGy. In step 2-2, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV, and the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy.

제2-1단계Step 2-1 제2-2단계Step 2-2 전자선 강도electron beam strength 0.1MeV에서 5.0MeV 까지 증가시킴Increase from 0.1 MeV to 5.0 MeV 5.0MeV에서 0.1MeV
까지 감소시킴
5.0 MeV to 0.1 MeV
reduce to
전자선 선량electron beam dose 400kGy에서 50kGy
까지 감소시킴
400kGy to 50kGy
reduce to
50kGy에서 400kGy
까지 증가시킴
50kGy to 400kGy
increase to

다른 예로, 표 2에 도시된 바와 같이, 제2-1단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량을 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시킨다. 제2-2단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시킨다.As another example, as shown in Table 2, in step 2-1, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV, and the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy. In step 2-2, the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the electron beam dose is decreased from 400 kGy to 50 kGy.

제2-1단계Step 2-1 제2-2단계Step 2-2 전자선 강도electron beam strength 5.0MeV에서 0.1MeV
까지 감소시킴
5.0 MeV to 0.1 MeV
reduce to
0.1MeV에서 5.0MeV 까지 증가시킴Increase from 0.1 MeV to 5.0 MeV
전자선 선량electron beam dose 50kGy에서 400kGy
까지 증가시킴
50kGy to 400kGy
increase to
400kGy에서 50kGy
까지 감소시킴
400kGy to 50kGy
reduce to

이러한 방식으로, 탄소섬유(CF2)의 표면결함 및 내부공극을 없앨 수 있는, 최적의 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아낸다. 최적의 전자선의 강도와 전자선 선량이 맞는지는, 전자선 조사 처리된 탄소섬유(CF2)를 전자현미경이나 라만분광법 등으로 살펴보면 알 수 있다. 이후, 이렇게 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 전자선의 강도와 전자선 선량을 고정하여, 탄소섬유를 전자선 조사 처리하면 된다.In this way, the optimum electron beam intensity and electron beam dose, which can eliminate surface defects and internal voids of carbon fiber (CF2), are found. Whether the optimal electron beam intensity and electron beam dose are correct can be found by examining the carbon fiber (CF2) treated with electron beam irradiation with an electron microscope or Raman spectroscopy. Then, by fixing the strength and the electron beam dose to the electron beam intensity and the electron beam dose found in this way, the carbon fiber may be subjected to electron beam irradiation treatment.

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회수롤러(31)는 전자선 조사 처리된 탄소섬유(CF2)를 일정한 인장력을 주어 감는다.The recovery roller 31 winds the carbon fiber (CF2) treated with electron beam irradiation by applying a constant tensile force.

Claims (4)

탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 모두 없앨 수 있는 전자선의 강도와 전자선 선량을 찾아내기 위해, 탄소섬유의 표면결함을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-1단계와, 탄소섬유의 내부공극을 없애는 전자선 강도와 전자선 선량을 찾아내는 제1-2단계로 구성된 제1단계;
상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 전자선 조사 처리된 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 전자현미경이나 라만분광법으로 살펴, 상기 제1단계에서 찾아낸 전자선의 강도와 전자선 선량이, 탄소섬유의 표면결함 및 내부공극을 감소시키는 전자선의 강도와 전자선 선량이 맞는지 확인하는 제2단계; 및
상기 제2단계에서 확인된 전자선의 강도와 전자선 선량으로, 탄소섬유를 전자선 조사 처리하는 제3단계를 포함하며,
상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량은 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키거나,
상기 제1-1단계에서 전자선 강도를 5.0MeV 에서 0.1MeV 까지 감소시키고, 전자선 선량을 50kGy 에서 400kGy 까지 증가시키고, 상기 제1-2단계에서 전자선 강도를 0.1MeV 에서 5.0MeV 까지 증가시키고, 전자선 선량을 400kGy 에서 50kGy 까지 감소시키는 것을 특징으로 하는 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법.
In order to find the electron beam strength and electron beam dose that can remove both surface defects and internal voids of carbon fiber, step 1-1 to find the electron beam strength and electron beam dose to eliminate surface defects of carbon fiber, and internal voids of carbon fiber A first step consisting of steps 1-2 to find the electron beam intensity and electron beam dose to eliminate
With the electron beam strength and electron beam dose found in the first step, the surface defects and internal voids of the carbon fiber treated with electron beam irradiation were examined by an electron microscope or Raman spectroscopy method, and the electron beam strength and electron beam dose found in the first step were carbon a second step of confirming that the strength of the electron beam and the dose of the electron beam to reduce the surface defects and internal voids of the fiber; and
A third step of irradiating the carbon fiber with the electron beam intensity and the electron beam dose confirmed in the second step,
The electron beam intensity was increased from 0.1MeV to 5.0MeV in step 1-1, the electron beam dose was decreased from 400kGy to 50kGy, and the electron beam intensity was decreased from 5.0MeV to 0.1MeV in step 1-2, and the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, or
In step 1-1, the electron beam intensity is decreased from 5.0 MeV to 0.1 MeV, the electron beam dose is increased from 50 kGy to 400 kGy, and in the first-2 step, the electron beam intensity is increased from 0.1 MeV to 5.0 MeV, and the electron beam dose is increased. High-strength carbon fiber manufacturing method using electron beam irradiation, characterized in that the reduction from 400 kGy to 50 kGy.
삭제delete 삭제delete 제1항의 전자선 조사를 이용한 고강도 탄소섬유 제조방법에 의해 제조된 고강도 탄소섬유.A high-strength carbon fiber manufactured by the method for manufacturing high-strength carbon fiber using the electron beam irradiation of claim 1.
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