KR102451432B1 - 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체 - Google Patents
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102451432B1 KR102451432B1 KR1020200103813A KR20200103813A KR102451432B1 KR 102451432 B1 KR102451432 B1 KR 102451432B1 KR 1020200103813 A KR1020200103813 A KR 1020200103813A KR 20200103813 A KR20200103813 A KR 20200103813A KR 102451432 B1 KR102451432 B1 KR 102451432B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon
- silicon
- heating element
- ceramic fiber
- based ceramic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
- H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
- H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D07—ROPES; CABLES OTHER THAN ELECTRIC
- D07B—ROPES OR CABLES IN GENERAL
- D07B1/00—Constructional features of ropes or cables
- D07B1/02—Ropes built-up from fibrous or filamentary material, e.g. of vegetable origin, of animal origin, regenerated cellulose, plastics
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
- H05B2203/017—Manufacturing methods or apparatus for heaters
Landscapes
- Resistance Heating (AREA)
Abstract
본 발명의 일 실시예는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 ⅰ) 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 원료 혼합물을 섬유로 형성하는 단계; ⅲ) 상기 섬유를 열분해하여 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 전환시키는 단계; ⅳ) 상기 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀(yarn) 복수 개를 서로 꼬아 로프를 형성하는 단계; 및 ⅴ) 불활성 분위기 하, 가압열처리를 수행하여 섬유간 융착이 이루어지도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 공기 중 산화저항성이 향상되고 높은 발열온도를 나타내어 다양한 분야에 적용 가능하고, 전기저항값을 자유롭게 조절할 수 있도록 간편하고 경제적으로 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 발열체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상호 호환성이 높은 탄소계 출발원료와 실리콘계 출발원료를 혼합 사용하여 제조한 섬유로 로프를 형성하고 가압 열처리를 통해 전기저항을 제어함으로써, 산화저항성이 현저하게 향상되어 공기 중 발열온도가 최대 1500℃에 이르며 발열온도의 용이한 조절이 가능한 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 경제적으로 제조할 수 있는 방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 관한 것이다.
유연한(flexible) 전기저항 발열체는 다양한 크기 및 형태로 가공될 수 있어 광범위한 분야에서 널리 적용될 수 있다. 특히, 탄소계 세라믹 섬유(carbon ceramic fiber)는 전기저항이 낮고 유연한 섬유 특성을 갖고 있어, 다양한 형태로 편직이 가능하여 유연성을 나타내는 전기저항 발열체로 유용하다. 탄소계 세라믹 섬유는 최대 2000℃까지 발열이 가능하나, 실제 적용시에는 구성원소인 탄소(C)가 공기 중의 산소(O)와 반응하여 CO2로 산화된다. 이에, 탄소계 세라믹 섬유를 이용한 발열체는 산화가 일어나지 않는 400℃ 이하로 그 사용범위가 제한되어 있으며, 400℃ 이하의 조건에서도 발열 중 산화반응이 매우 느리게 일어나 내구성이 저하된다.
따라서, 400℃ 이상의 높은 온도 범위에서의 발열이 요구되는 분야에 이용될 수 있는 탄소계 세라믹 섬유 발열체를 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다.
일반적으로, 탄소 섬유 등의 탄소계 세라믹 섬유 제조에 이용되는 출발원료로 피치 또는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이 알려져 있으며, 주로 PAN이 이용된다. PAN과 피치는 25℃ 정도의 온도에서 고체 상태로 존재하고, 300℃ 정도의 온도에서 용융되어 액상으로 전환된다. 탄소계 세라믹 섬유는 PAN 또는 피치를 용융방사시켜 형성된 섬유를 불융화처리한 후, 1000℃ 이상의 열처리를 통해 열분해시켜 고분자를 탄소계 세라믹으로 전환시킴으로써 제조된다.
이와 같이 제조된 탄소계 세라믹 섬유를 400℃ 이상의 고온 발열에 이용하기 위해서, 공기를 제거하고 불활성 가스를 주입한 세라믹 튜브 내에 탄소계 세라믹 섬유를 장입하여 밀봉함으로써 공기 중에서의 낮은 산화저항성을 보완하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 세라믹 튜브에 밀봉된 탄소계 세라믹 섬유 발열체는 탄소계 세라믹 섬유 제조 공정 외에, 추가적으로 세라믹 튜브 장입 및 밀봉 공정이 필요하며, 경직된 세라믹 튜브로 인하여 탄소계 세라믹 섬유의 유연성에 의한 응용처 확대라는 장점이 사라지는 문제가 있다.
또한, 탄소계 세라믹 섬유의 공기 중 산화저항성을 높이기 위하여 산화저항 코팅 기술의 적용이 제안되었으나, CVD 공정을 필요로 하여 공정 난이도가 증가하고 양산성이 낮아 경제적이지 않아 실제 사용되지는 않고 있다.
특허문헌 1은 탄소섬유 발열체의 표면에 전기영동증착법에 의해 고분자 폴리이미드층이 형성된 탄소섬유 발열체를 개시하고 있으며, 특허문헌 2는 면상 발열체층의 폴리이미드 바인더 수지로 열팽창계수가 낮은 것을 사용함으로써, 폴리이미드 바인더 수지와 전도성 무기 충전제 간의 계면 접합력을 강화하여 계면 박리 현상을 방지한 면상발열체를 개시하고 있으며, 특허문헌 3은 발열층의 소성 공정에 극단파 백색광을 적용하여 공정 시간을 감소시킨 면상 발열체의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 1 내지 3에 개시된 발열체는 탄소계 세라믹 섬유의 취약한 산화저항성을 극복하지 못하고 실제 발열온도가 최대 250℃ 정도에 불과하여 면상 발열체 형태로 국한되고, 활용처 또한 250℃ 이하의 환경으로 제한되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공기 중 산화저항성이 향상되고 높은 발열온도를 나타내어 다양한 분야에 적용 가능하고, 전기저항값을 자유롭게 조절할 수 있도록 간편하고 경제적으로 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 제조할 수 있는 방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 ⅰ) 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 원료 혼합물을 섬유로 형성하는 단계; ⅲ) 상기 섬유를 열분해하여 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 전환시키는 단계; ⅳ) 상기 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀(yarn) 복수 개를 서로 꼬아 로프를 형성하는 단계; 및 ⅴ) 불활성 분위기 하, 가압열처리를 수행하여 섬유간 융착이 이루어지도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 제공하며, 상기 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 상기 실시예에 따른 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 의해 제조되고, 1000℃ 이상의 발열온도를 가지며, 공기중 산화저항성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 상호 호환성이 높은 탄소계 재료와 실리콘계 재료를 사용하여 로프형 발열체를 제조함으로써 공기 중 산화저항성이 현저하게 향상되어 공기 중 발열온도가 최대 1,536℃까지 높아진 발열체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 로프형 발열체는 내구성이 향상되고, 가압 열처리를 통하여 전기저항을 제어함으로써 발열온도를 용이하게 조절할 수 있어, 산업용/가정용/농업용 보일러의 열교환기, 열풍기, 산업용 열처리로 등의 다양한 분야에 효율적으로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에, 따르면 단순한 습식혼합방법을 적용하여 간단한 방법으로 산화저항성이 현저하게 향상된 로프형 발열체 제조가 가능하므로 생산 단가가 낮아져 경제적인 측면에서 이점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 로프형 발열체는 탄소계 세라믹 섬유의 장점인 유연한 특성을 유지하고 있어, 다양한 형태로 직조될 수 있으므로, 효율적인 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 실물 사진이다.
도 3은 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 섬유간 융착을 나타내는 사진이다.
도 4는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 대한 추가 등방압 가압열처리 후 최대 발열온도를 나타낸다.
도 2는 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 실물 사진이다.
도 3은 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 섬유간 융착을 나타내는 사진이다.
도 4는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 대한 추가 등방압 가압열처리 후 최대 발열온도를 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 실시예는 ⅰ) 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 원료 혼합물을 섬유로 형성하는 단계; ⅲ) 상기 섬유를 열분해하여 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 전환시키는 단계; ⅳ) 상기 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀(yarn) 복수 개를 서로 꼬아 로프를 형성하는 단계; 및 ⅴ) 불활성 분위기 하, 가압열처리를 수행하여 섬유간 융착이 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 관한 것이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법을 나타내는 도면이다.
ⅰ) 단계에서, 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 혼합하여 원료 혼합물을 형성할 수 있다(도 1의 S1 단계).
탄소계 원료 및 실리콘계 원료는 각각 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 탄소 원소 및 실리콘 원소를 공급하는 기능을 한다.
탄소계 원료는 열분해에 의해 탄소 원소를 포함하는 섬유로 전환되어 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 전기전도성을 부여하여 전기저항 발열이 일어나도록 할 수 있다. 실리콘계 원료는 열분해에 의해 SiC, SiO2 등의 형태로 실리콘 원소를 공급하여 전기저항 발열이 일어날 때 공기 중 산소와 반응하지 않아 고온으로 발열되어도 산화되지 않도록 할 수 있다. 그러나, 실리콘 원소는 산화저항성을 부여하는 반면, 전기전도성을 저하시켜 전기저항 발열 성능을 억제하는 단점이 있다. 본 실시예에 있어서는, 이와 같은 탄소 원소와 실리콘 원소 첨가에 의한 장단점을 상호보완하여 활용하기 위하여, 탄소계 원료와 실리콘계 원료의 최적 배합비를 선정함으로써, 탄소 원소에 의한 전기전도성 및 실리콘 원소에 의한 산화저항성을 동시에 효율적으로 발휘하여, 전기저항 발열을 방해하지 않으면서 산화저항성을 제공할 수 있다.
전기전도성 및 산화저항성 양자의 관점을 모두 고려하여, 탄소계 원료와 실리콘계 원료는 7:3 내지 6:4의 중량비로 혼합될 수 있다. 탄소계 원료가 상기 범위보다 많은 양으로 혼합되는 경우, 공기 중 발열시에 산화가 일어나 섬유 손상이 발생할 수 있으며, 탄소계 원료가 상기 범위보다 적은 양으로 혼합되는 경우, 전기전도성이 저하되어 전기에 의한 발열이 일어나지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 탄소계 원료는 석탄 피치, 석유 피치 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
피치는 석유나 석탄을 증류정제할 때 발생하는 부산물로서, 본 발명에 있어서는 석탄 피치 및/또는 석유 피치를 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 실리콘계 원료는 폴리카보실란(polycarbosilane), 테트라에틸오르토실란(tetraethylorthosilane), 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
전기저항 발열 특성 및 산화저항 특성이 모두 우수한 발열체를 제조하기 위해서는, ⅰ) 단계의 원료 혼합물 형성 시에, 탄소계 원료와 실리콘계 원료가 균일하게 분포되는 것이 중요하다. 본 실시예에 있어서는, 액상의 용매를 이용하여 충분한 유동성을 부여하여 탄소계 원료와 실리콘계 원료의 균일한 혼합이 이루어지도록 할 수 있다.
ⅰ) 단계는 용매에 탄소계 원료 및 실리콘계 원료를 혼합하여 용해시키는 단계; 및 상온에서 12~24시간 동안 건조시켜 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상온은 15~25℃를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 충분한 유동성을 부여하는 관점에서, 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌 또는 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
ⅱ) 단계에서, 원료 혼합물을 섬유상으로 형성할 수 있다(도 1의 S2 단계).
섬유의 형성은 당업계에 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 예를 들어 용융 방사, 전기 방사 및 멜블론 방사로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 원료 혼합물을 200~300℃의 온도로 가열하여 액상으로 용융시킨 후, 섬유 크기에 따라 선택된 직경을 갖는 노즐 구멍을 통하여 원료 혼합물을 방사시켜 섬유를 형성할 수 있다.
ⅱ) 단계에서 용융 방사 등에 의해 형성된 섬유는 열가소성 특성을 가지고 있어, 후속 단계에서 세라믹으로 전환시키기 위하여 열을 가하면, 연화되고 녹아서 섬유 형상을 잃어 버리게 된다. 따라서, 최종적으로 열분해 과정을 거쳐 제조된 세라믹 섬유는 섬유 형상을 제대로 유지하지 못하고 섬유로서의 기능을 발휘하기 어려운 문제가 있다.
이와 같은 문제를 방지하기 위하여, ⅱ) 단계 후, 섬유를 공기 중, 180~250℃의 온도에서 12~48시간 동안 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 열처리에 의해 섬유가 열경화성으로 전환되어 불융화됨으로써, 후속 단계에서의 열처리에 의해서도 섬유의 형상을 그대로 유지하여 섬유로서의 기능을 충분히 발휘할 수 있다.
ⅲ) 단계에서, 열경화성으로 전환된 섬유를 열분해하여 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 전환시킬 수 있다(도 1의 S3 단계).
일 실시예에서, 열분해는 섬유를 불활성 분위기 하에서, 1000~1450℃의 온도에서 열처리함으로써 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 열처리는 30분 내지 5시간 동안 이루어질 수 있다.
이러한 열분해에 의해 고분자 혼합물 섬유가 무기물인 세라믹으로 전환되어 실리콘-탄소계 세라믹 섬유를 형성할 수 있다.
ⅳ) 단계에서, 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀(yarn) 복수 개를 서로 꼬아 로프를 형성할 수 있다(도 1의 S4 단계).
일 실시예에서, 얀은 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 200~300가닥으로 이루어질 수 있다. 또한, 로프는 복수 개의 얀, 예를 들어 2~3가닥의 얀을 서로 꼬아 형성될 수 있다.
섬유로 얀을 형성하는 방법은 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 본 실시예에 있어서는 공지된 방법 중 적절한 방법을 선택하여 이용할 수 있다.
이와 같이, 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀 복수 개를 새끼를 꼬듯이 서로 꼬아 로프를 형성할 수 있다.
ⅳ) 단계에서 형성된 로프는 얀의 형성 공정 및 섬유의 밀도에 따라서 얀을 이루는 섬유간의 접촉 정도가 균일하지 않고 위치에 따라 달라질 수 있다. 이 경우, 발열체의 전기전도성이 저하되어 전기저항 발열효율을 낮출 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 2차적인 열처리를 통하여 섬유간 융착이 일어나도록 하여 접촉 저항을 최소화하고 균일한 전기전도성을 부여할 수 있도록 한다.
이를 위하여, ⅴ) 단계에서, 로프에 대하여 불활성 분위기 하, 가압열처리를 수행하여 섬유간 융착이 이루어지도록 할 수 있다(도 1의 S5 단계).
일 실시예에서, 가압열처리는 10~30기압 하, 1000~2000℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 이루어질 수 있다. 이러한 가압열처리에 의해 얀을 이루는 섬유간 융착이 일어 접촉 저항을 최소화하고, 섬유간 접촉 정도의 불균일성에 기인하는 전기전도성 저하 문제를 해결할 수 있다.
가압열처리는 등방압하에서 이루어짐으로써, 1축 가압에 의해 발생할 수 있는 로프의 경직성 문제를 해결할 수 있다.
또한, 가압열처리를 통하여 로프형 발열체의 전기저항을 제어하는 것이 가능하므로, 적용되는 분야에 따라 적절한 발열온도를 나타내도록 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 가압열처리의 세부적인 조건, 예를 들어, 온도, 압력 및 시간의 적절한 조절에 의해 섬유간 융착을 조절함으로써 전기저항을 제어할 수 있어 발열체의 발열온도를 용이하게 조절할 수 있다.
본 실시예의 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 따르면, 발열체에 있어서 탄소 및 실리콘에 의한 전기전도성 및 산화저항성을 최적화하도록 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 적절한 비율로 단순한 습식 혼합 방법에 의해 균일하게 혼합하고, 형성된 로프에 대하여 등방압하에서의 가압열처리를 수행함으로써 전기저항 발열효율을 최대화하고 우수한 산화저항성을 발휘하는 로프형 발열체를 제조할 수 있다. 본 실시예에 따른 제조방법에 따르면, 공정 난이도가 높지 않은 간단하고 용이한 방법에 의해 로프형 발열체 제조가 가능하므로, 생산 단가를 낮추어 양산성을 높일 수 있는 장점도 갖는다. 또한, 가압열처리를 통해 전기저항을 제어함으로써 발열온도를 용이하게 조절할 수 있으므로, 다양한 응용분야에 효율적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 의해 제조되고, 1000℃ 이상의 발열온도를 가지며, 공기중 산화저항성을 나타내는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 1000℃ 이상, 바람직하게 1500℃ 이상의 발열온도를 가지며, 동시에 공기중 발열시에 우수한 산화저항성을 나타내므로, 높은 발열온도가 요구되는 다양한 분야에 효과적으로 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 유연한 특성을 보유하므로, 다양한 형태로 가공이 가능하여 광범위한 분야에 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. 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조
탄소계 고분자 원료로 석탄 피치를 이용하고, 실리콘계 고분자 원료로 PCS를 이용하였다. 석탄 피치 60~90 g 및 PCS 10~40 g을 분쇄한 후, 중량비가 9:1 내지 6:4가 되도록 혼합하여 비이커에 장입하였다. 비이커에 톨루엔 50 ㎖을 첨가하여 12시간 이상 저어주면서 충분히 용해시켰다. 이후, 80℃로 가열된 핫 플레이트 위에서 마그네틱 스터러 바로 잘 교반하면서 톨루엔이 제거되도록 건조하였다.
건조된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물 50 g을 소형 방사기의 용융 탱크(용량 200 ㎖)에 장입하고, 용융 탱크를 230℃로 가열하고 3시간 유지시켜 혼합물이 액상으로 완전히 전환되도록 하였다. 이후, 방사기 용융 탱크 하부에 뚫린 직경 50 ㎛의 구멍을 통하여 용융된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물이 밀려나오도록 용융탱크에 질소 가스를 주입하여 내부 압력을 1 bar(0.1 ㎫)까지 증가시켜 용융된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물이 노즐의 구멍 밖으로 자연스럽게 밀려 나가도록 하였다. 구멍 밖으로 밀려 나온 액상 혼합물을 연신시키기 위하여 드럼에 연결하고 500 rpm으로 회전시키면서 섬유상으로 성형된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물 섬유를 감았다.
이후, 제조된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물 섬유를 공기 중에서 250℃ 이하에서 최대 48시간 동안 유지시켜 열경화성으로 전환시켰다. 열경화성으로 전환된 실리콘-탄소계 고분자 혼합물 섬유를 질소 가스가 주입되어 불활성 분위기로 조성된 전기로에 넣고 10℃/min으로 1300℃까지 승온시키고 1시간 동안 유지시켜 열분해를 유도하여 세라믹으로 전환된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유를 제조하였다.
제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 200~300 가닥을 뭉쳐서 1개의 실(yarn)로 취급하여 일반적인 편직 방식으로 비틀어서 새끼를 꼬듯이 상호 엉기게 하여 로프를 제조하였다.
제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프를 전기로에 넣고 질소 가스를 주입하여 내부의 압력을 20기압으로 조성한 후, 10℃/min의 승온 속도로 1300℃까지 승온시키고 1시간 동안 유지하여 추가적인 열처리를 실시함으로써 섬유간 융착이 이루어진 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체를 제조하였다.
도 2는 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 실물 사진이다.
도 3은 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 섬유간 융착을 나타내는 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 가압열처리에 의해 로프를 이루는 섬유간 융착이 이루어진 것을 확인할 수 있다.
2. 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프의 물성 측정
(1) 실리콘계 고분자 원료와 탄소계 고분자 원료의 혼합비에 따른 물성 비교
상기 1.에 있어서 탄소계 고분자 원료인 석탄 피치와 실리콘계 고분자 원료인 PCS의 혼합비를 변화시켜 제조한 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프의 전기저항, 전기저항 발열온도 및 산화저항거동을 관찰하여 하기 표 1에 나타낸다.
전기저항은 제조된 로프에 있어서 10 ㎝ 간격의 양단의 전기저항으로 측정하였다. 전기저항 발열온도는 로프에 200~205 V, 0.8~1.3 A의 전류를 가하면서 발열되는 온도를 적외선 온도계를 통하여 비접촉식으로 측정하였다.
| 석탄 피치 | PCS | 전기저항 | 전기저항 발열 | 산화저항거동 |
| 90 g | 10 g | 12 Ω | 1800℃ 이상 | ×: 발열 10초 후 전부 산화됨 |
| 80 g | 20 g | 1.23 kΩ | 1752℃ | ×: 발열 1분 후 전부 산화됨 |
| 70 g | 30 g | 92.5 kΩ | 1360℃ | ○: 발열 30분 후 산화되지 않음 |
| 60 g | 40 g | 543 kΩ | 1121℃ | ○: 발열 30분 후 산화되지 않음 |
| 50 g | 50 g | 5.13 MΩ | - | - |
피치와 PCS가 9:1 및 8:2의 중량비로 배합되어 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프는 전기저항이 각각 12 Ω 및 1.23 kΩ으로 낮은 편이었고, 전기에 의해 순식간에 발열되어 발열온도가 각각 1800℃ 이상 및 1750℃이었으나, 1분 후 완전히 산화되어 손상되었다. 피치와 PCS가 7:3 및 6:4의 중량비로 배합되어 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프는 전기저항이 각각 92.5 kΩ 및 543 kΩ이었고, 발열온도는 각각 1360℃ 및 1121℃이었으며, 발열 후 30분 이상 지나도록 산화되어 파손되지 않았다. 피치와 PCS가 5:5의 중량비로 배합되어 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프는 전기저항이 5.13 MΩ으로 매우 높게 나타났으며, 전기에 의한 발열이 일어나지 않았다.
(2) 추가 등방압 가압열처리 전후의 물성 비교
상기 1.에 있어서 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프에 대하여 20기압, 1300℃에서의 추가적인 등방압 가압열처리를 수행하기 전후의 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프의 전기저항, 전기저항 발열온도 및 산화저항거동을 관찰하여 하기 표 2에 나타낸다.
| 시험편 | 전기저항 | 전기저항 발열 | 산화저항거동 |
| 추가 가압열철리 전 | 92.5 kΩ | 1360℃ | ○: 발열 30분 후 산화되지 않음 |
| 추가 가압열처리 후 | 10.4 kΩ | 1536℃ | ○: 발열 30분 후 산화되지 않음 |
상기 표 2로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 추가 등방압 가압열처리를 통하여 섬유 간에 융착이 일어나면서(도 3 참조), 전기저항이 10.4 kΩ로 현저하게 낮아졌고, 이에 따라 발열 최대 온도가 1536℃까지 높아졌다. 도 4는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체에 대한 추가 등방압 가압열처리 후 최대 발열온도를 나타낸다. 또한, 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 발열 30분 후에도 산화에 의한 파손이 발생하지 않았다.
이로부터, 본원발명의 방법에 따라 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체는 실리콘계 원료와 탄소계 원료를 습식혼합하고, 추가적인 등방압 가압열처리를 수행하는 것을 통하여 공기 중 산화가 억제되어 내구성이 향상되고, 최대 1536℃의 높은 발열온도를 나타낼 수 있다.
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 (11)
- ⅰ) 탄소계 원료와 실리콘계 원료를 7:3 내지 6:4의 중량비로 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계;
ⅱ) 상기 원료 혼합물을 섬유로 형성하는 단계;
ⅲ) 상기 섬유를 열분해하여 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 전환시키는 단계;
ⅳ) 상기 실리콘-탄소계 세라믹 섬유로 이루어진 얀(yarn) 복수 개를 서로 꼬아 로프를 형성하는 단계; 및
ⅴ) 불활성 분위기 하, 10~30기압, 1000~2000℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 가압열처리를 수행하여 섬유간 융착이 이루어지도록 하는 단계를 포함하며,
상기 가압열처리는 등방압하에서 이루어지는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소계 원료는 석탄 피치, 석유 피치 또는 그 조합을 포함하는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘계 원료는 폴리카보실란(polycarbosilane), 테트라에틸오르토실란(tetraethylorthosilane) 또는 그 조합을 포함하는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 ⅰ) 단계는,
용매에 탄소계 원료 및 실리콘계 원료를 혼합하여 용해시키는 단계; 및
상온에서 12~24시간 동안 건조시켜 용매를 제거하는 단계를 포함하는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 용매는 알코올, 톨루엔, 자일렌 또는 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 ⅱ) 단계 후, 섬유를 공기 중, 180~250℃의 온도에서 12~48시간 동안 유지시켜 섬유를 열경화성으로 전환시키는 단계를 더 포함하는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 ⅴ) 단계의 가압열처리의 조건을 조절함으로써, 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 전기저항을 제어하고, 발열온도를 조절할 수 있는
실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법에 의해 제조되고, 1000℃ 이상의 발열온도를 가지며, 공기중 산화저항성을 나타내는 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200063670 | 2020-05-27 | ||
| KR20200063670 | 2020-05-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210146759A KR20210146759A (ko) | 2021-12-06 |
| KR102451432B1 true KR102451432B1 (ko) | 2022-10-07 |
Family
ID=78901424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200103813A KR102451432B1 (ko) | 2020-05-27 | 2020-08-19 | 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102451432B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101322792B1 (ko) * | 2011-04-08 | 2013-10-29 | 한국세라믹기술원 | 균일한 나노다공 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄화규소 섬유 |
| KR101658392B1 (ko) * | 2015-08-13 | 2016-09-21 | 김세영 | 발열체 제조방법 및 그 발열체 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101321099B1 (ko) * | 2011-12-15 | 2013-10-23 | 금오공과대학교 산학협력단 | 탄소나노입자가 도입된 에폭시수지기반 전기 발열 복합필름 및 그 제조방법 |
| KR101637122B1 (ko) | 2015-03-25 | 2016-07-07 | 한양대학교 산학협력단 | 고온 면상 발열체 제조방법 |
| KR20170087380A (ko) * | 2016-05-24 | 2017-07-28 | (주)옴니세라 | 마이크로웨이브를 이용한 탄화규소 섬유 발열체 및 이를 이용한 발열장치 |
| KR101705070B1 (ko) | 2016-08-31 | 2017-02-09 | (주)아이피아이테크 | 고온 안정성 우수한 면상발열체 및 그 제조 방법 |
| KR101967618B1 (ko) | 2017-12-14 | 2019-04-10 | 주식회사 에니에스 | 고온 발열특성이 향상된 탄소섬유 발열체 및 그 제조방법 |
-
2020
- 2020-08-19 KR KR1020200103813A patent/KR102451432B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101322792B1 (ko) * | 2011-04-08 | 2013-10-29 | 한국세라믹기술원 | 균일한 나노다공 구조를 갖는 탄화규소 섬유의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄화규소 섬유 |
| KR101658392B1 (ko) * | 2015-08-13 | 2016-09-21 | 김세영 | 발열체 제조방법 및 그 발열체 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210146759A (ko) | 2021-12-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4829465B2 (ja) | 炭素−基質複合体、およびそれに関連する組成および方法 | |
| KR101209110B1 (ko) | 실리콘카바이드 및 이의 제조방법 | |
| KR101372012B1 (ko) | 고강도 고탄성 피치계 등방성 탄소섬유 및 그 제조 방법 | |
| EP0439184B1 (en) | Carbon fiber structure and process for producing the same | |
| JP6086943B2 (ja) | 炭素繊維断熱材及びその製造方法 | |
| JPH01270575A (ja) | 無機物質被膜を有する炭素質繊維構造物 | |
| KR102451432B1 (ko) | 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 실리콘-탄소계 세라믹 섬유 로프형 발열체 | |
| JPH089822B2 (ja) | 炭素繊維不織布の製造方法 | |
| KR102229117B1 (ko) | 컬 구조의 SiC 세섬유, 그 제조방법, 이를 이용한 복합 섬유 및 그 제조방법 | |
| JP2016008372A (ja) | ピッチ系炭素短繊維の製造装置及び該短繊維の製造方法 | |
| JP2011117094A (ja) | ウェブ、それからのフェルト、およびそれらの製造方法 | |
| KR101873342B1 (ko) | 개질 및 도핑에 의한 저온 불융화 ＰＣＳ 제조방법 및 이를 이용하는 고강도 내열성 ＳｉＣ 섬유 제조방법 | |
| KR100918686B1 (ko) | 단섬유형 내염섬유로부터의 탄소섬유 방적사 직물의제조방법 | |
| KR100770656B1 (ko) | 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법 | |
| JP4392434B2 (ja) | 炭素化布帛の製造方法 | |
| KR102313095B1 (ko) | 진공 분위기하 PCS 섬유 다발 불융화 방법 및 이를 이용한 SiC 섬유 제조방법 | |
| JPH0737687B2 (ja) | ピツチ系炭素繊維の製造方法 | |
| US20040029471A1 (en) | Method for graphitising a carbonised fabric | |
| JP2007031186A (ja) | 繊維結合体又はその製造方法 | |
| JP2635634B2 (ja) | 炭素繊維強化炭素材料の製造方法 | |
| KR102065524B1 (ko) | SiOIC 섬유와 금속 도핑 SiOIC 섬유, 이를 포함하는 마이크로파 흡수 및 발열체 및 그 제조방법 | |
| KR101470261B1 (ko) | 피치계 탄소섬유 및 이의 제조방법 | |
| JP2981667B2 (ja) | 炭素繊維織物の製造法 | |
| KR102419467B1 (ko) | 리본형 PCS 섬유의 권취 디바이스 및 이를 이용한 리본형 SiC 섬유의 제조 방법 | |
| JP2009209507A (ja) | ピッチ系炭素繊維フェルト及び炭素繊維含有断熱材 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |