KR20060046107A - 탄소 섬유 제조용 노, 이를 사용하여 섬유를 제조하는 방법및 제조된 섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응 튜브 세트와 작동에 필요한 보조장치로 구성된 탄소 섬유 제조용 노에 관한 것이다. 노를 사용하는 방법과 이렇게 얻어진 섬유도 본 발명의 목적에 속한다. 본 발명의 노는 모듈성과 안정성을 유지하면서 열손실을 감소시키는 공동의 가열장치가 구비되어 있는, 단일의 블록을 형성하도록 튜브 세트를 수직으로 배열시킨 구조를 가지고 있다. 각각의 반응 튜브는 전체 공정에 방해됨이 없이 독립적으로 청소를 수행할 수가 있다.

노, 반응 튜브, 탄소 섬유, 나노섬유

Description

탄소 섬유 제조용 노, 이를 사용하여 섬유를 제조하는 방법 및 제조된 섬유{Furnace for the Manufacture of Carbon Fibres, Procedure for Obtaining Using said Furnace and the Fibre thus Obtained}

도 1은 섬유 제조용 장치를 형성하는 보조장치와 함께, 반응 튜브 세트로 구성된 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타낸 다이어그램, 및

도 2는 본 발명에 따른 장치에 의해서 제조된 섬유의 평균 직경을 샘플링하여 통계적으로 나타낸 히스토그램이다.

본 발명은 탄소 섬유 제조용의 반응 튜브 세트 및 보조장치로 구성된 노(furnace), 및 이러한 노를 사용하여 탄소 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 노는 반응 튜브 세트가 동시에 가열되도록 수직으로 배치시킨 단일 블럭의 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.

동시 가열은 열손실을 감소시키고 노의 모듈성 및 범위성에 영향을 주지 않 고 반응의 에너지 효율을 증가시킨다.

독립적인 각각의 튜브 반응기는 다른 튜브의 제조공정을 방해하지 않고 공정상태를 제어 및 작동되게 할 수 있으며, 또한 청소도 가능하다.

섬유 수집용 공동의 컬렉터와 잔류가스 배출구에 의해서 또한 이들의 구조로 인해서 장치가 보다 간편해진다.

더욱이, 본 발명의 장치는 닫힌 폐회로로 설계되어 있어서 가스가 손실되는 것을 방지할 뿐만 아니라 잔류가스를 재사용할 수 있도록 함으로써, 반응가스의 공급을 크게 줄일 수 있는 방법을 제공한다. 잔류가스는 원료로서 사용되는 것과 동일한 품질을 갖는 것이 실제로 증명되었다.

본 발명의 방법에 의해 얻어진 섬유(또는, 치수에 따라서 나노섬유)는 사용된 방법에 따른 구조적 특성을 갖는다.

탄소 나노섬유는, 비록 탄소 나노섬유와 다층 나노튜브 사이의 한계가 명확하게 구분되지는 않지만, 탄소 나노튜브와 상업용 탄소 섬유 사이에 위치한 증기상(s-VGCF라 칭함)에서 성장한 고 그라파이트 구조를 갖고 마이크로 이하의 크기를 가진 탄소 필라멘트이다.

탄소 나노섬유는 대개 30 내지 500 nm 사이의 크기를 갖고 1 마이크로미터 이상의 길이를 갖는다.

나노섬유의 물리화학적 특성과 이를 얻기 위해 사용된 탄소원료로부터 현미경 수준에서 제조하는 방법은 많은 과학문헌에 기재되어 있다.

이러한 모델은 대부분의 경우에 실험실 수준에서 만들어져 온 바, 이는 스위 핑 또는 트랜스미션에 대한 전자현미경 관찰과 함께 환경을 제어함으로써 이루어진다.

탄소 나노섬유는 금속 원자를 함유한 금속화합물의 금속 촉매입자에 의한 수소탄화물을 분해함으로써 제조되어 고 그라파이트 구조를 갖는 나노금속성 섬유구조를 형성한다.

오벨린( 결정성장 저널, 32,335, 1976)의 연구에 의하면, 금속 촉매입자에서의 탄소 필라멘트 성장이 트랜스미션 전자현미경에 의해서 분석되고 있다.

이러한 연구에 의해서, 오벨린(Oberlin)은 입자의 표면에 과량의 탄소가 함유될 때까지 촉매입자의 표면 주위로 탄소가 확산되는 성장모델을 제안하고 있다.

유사하게, 오벨린은 탄소의 열분해로 인한 증착에 의해서 필라멘트가 두꺼워지고, 이러한 공정은 성장과정과 함께 이루어지기 때문에 피할 수 없다는 사실을 설명하고 있다.

상기한 바와 같은 이유에 의해서, 성장과정이 일단 완료되면 즉 촉매입자의 함유가 완료되면, 열분해가 계속되는 상태에서는 필라멘트의 두께가 계속 증가한다.

이후, 기타 성장모델이 제안되어 오고 있는 바, 상기한 바와 유사한 실험 데이타에 의해서 시험되어 오고 있고, 실험실에서의 관찰을 여러 형태로 조절함으로써 여러 가상이론이 시행되고 있다.

금속 촉매입자는 다음의 원자번호를 가진 전이금속으로 형성된다.

21 내지 30(Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn)

39 내지 48(Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd)

73 내지 78(Ta, W, Re, Os, Ir, Pt)

또한 Sn, Ce 및 Sb도 가능하고, 특히 Fe, Co 및 Ni도 가능하다.

무기 및 유기 금속화합물과 같은 확산 화학 화합물이 탄소 나노섬유의 연속 제조공정에서 금속 촉매입자의 원료로서 사용된다.

실험실에서의 많은 제조 수단과 방법에 의해서, 나노섬유를 저렴한 비용으로 상업적으로 얻을 수가 있게 되었다.

상업적인 수준에서, 반응 노에 금속 촉매입자를 주입하는 방법은 크게 두 군으로 구분되는 바, 기재와 함께 주입하는 것과 기재없이 주입하는 방법이 있다.

첫번째 경우, 금속 입자가 기재와 함께 제공되고, 이로부터 얻어지는 섬유는 전자현미경으로 관찰하였을 경우 일직선의 배열을 갖는다.

소위 플로팅 촉매로 일컬어지는 두번째의 경우에는, 금속 입자가 어떠한 표면과도 접촉되지 않은 소정의 공간에서 반응이 수행됨으로써, 기재로부터 제조된 나노섬유를 분리할 필요가 없는 장점을 갖는다.

탄소 나노섬유가 최초의 탄소원료로부터 직접 성장하는 일은 거의 발생되지 않는다. 필라멘트는 최초의 탄소원료의 열분해에 의해서 생성된 제2산물로부터 발생된다고 믿어진다.

몇몇 과학자는 C₁₆보다 적은 경량의 탄화수소물에 대해서는 선택된 탄화수소물에 따라 얻어진 나노섬유의 품질이 손상됨이 없이 상기 두 방법이 다 사용될 수 있다는 것을 설명하고 있다.

탄소 나노섬유는 인장강도, 탄성모듈, 전기전도도 및 열전도도 등이 향상된 특성을 가진 물질의 폴리머를 형성하는데 사용된다. 다른 응용분야로는 타이어에 사용되어 카본블랙을 부분적으로 대체하고 있으며, 카본 나노섬유가 리튬이온과 쉽게 분산되는 특성을 이용하여 리튬이온 배터리에 사용된다.

나노섬유의 성장모델을 실험함으로써, 탄소의 열분해에 의한 증착이 성장과정과 하께 제조되는 필라멘트의 두께를 증가시키는 원인을 이루고 있으며, 열분해가 계속 발생되는 한 두께의 증가도 계속된다는 것이 밝혀져 왔다. 따라서, 산업용 노에 있어서, 나노섬유가 반응기에 계속 남아있는 한 두께의 증가도 계속된다.

반응기에 섬유가 남아 있는 시간은 매우 중요한 바, 이는 남아 있는 시간이 길수록 제조되는 섬유의 직경도 커지기 때문이다.

이러한 형태의 나노섬유의 제조는 일본 특허 60027696에 기재된 바와 같은 기술수단에 의해서 수행되어 오고 있는 바, 이러한 기술은 다수의 반응튜브를 수평으로 배치시켜서 증기상에서의 가공물과 평행을 이루도록 하고 있으며, 기재에 고착된 촉매를 사용하고 있다.

상기 일본특허에 기재한 바와 같이, 저항이 단열재로 만들어진 블록에 위치하고 있다.

일반적으로, 플로팅 촉매 기술을 수평 노에 사용할 경우에는, 제조된 섬유가 노의 외부로 배출될 정도의 높은 가스압을 사용해야 하는 단점이 있거나, 또는 일단 생성된 섬유가 장시간 노에 남아 있어서 섬유표면에 열분해된 탄소의 증착이 일 어나는 품질저하의 단점이 있을 수 있다.

대조적으로, 수직형의 노에 있어서는 제조된 섬유가 노에 남아 있는 시간을 더욱 쉽게 제어함으로써 열분해 카본 증착으로 인한 불필요한 섬유 두께의 증가를 방지할 수 있다.

본 발명은 보조장치와 함께 사용함으로써 저비용으로 고품질의 섬유를 연속공정으로 제조할 수 있는 새로운 구조로 설계된다.

본 발명의 목적은 연소가스와 얻어진 섬유를 올바르게 공급하고 배출시키기 위한 보조장치 세트를 구비하고 있는 탄소 섬유 제조용 노를 제공하는 것으로, 노를 구성하고 있는 각각의 튜브를 주기적이고 독립적으로 청소할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 노는 한 세트의 튜브를, 반응가스에 의한 부식을 방지하도록, 수직으로 배치시킨다.

탄화수소물의 열분해 온도에 이르도록 튜브를 단열재로 덮인 저항 블록에 의해서 가열하고 열이 외부로 배출되는 것을 막는다. 공동 블록에 의해서, 구조가 간단하고 단열효과가 크기 때문에 열손실을 최대한 억제하고 가열에 필요한 전력을 최대한 절약할 수 있다. 이러한 공동의 저항 블록은, 또한 반응기 튜브가 저항과 함께 조립되어 제조되기 때문에 세트를 구성하는 각 튜브의 개별 저항 그룹으로서도 형성될 수 있다.

세라믹 튜브는 완전히 저항 블록에 내장된다. 본 장치의 금속 부분에 대한세라믹 튜브의 결합은 각 세라믹 튜브의 상부 및 하부에서 수행된다. 냉매가 순환하는 다수의 재킷이 금속 튜브를 둘러싸고 있어서 세라믹과 금속 부분의 접촉지점에 낮은 온도를 유지시키게 되고, 재료의 확산팽창에 의한 세라믹 재료의 파열을 방지할 뿐만아니라 두 튜브 사이의 밀폐지점이 발화되는 것을 방지한다.

각각의 튜브는 촉매, 탄화수소 및 수소와 같은 희석가스가 독립적으로 공급되도록 구비된다.

공급은 튜브에 주입되기 앞서 대기압보다 높은 압력에서 수행되고, 하부 컬렉터가 대기압보다 낮은 압력에 위치한 재순환회로를 형성한다.

각각의 노가 독립적으로 구비되는 것과 마찬가지로, 배출밸브도 독립적으로 구비되어 있기 때문에 어떠한 노도 장치의 다른 부분에 영향을 주지 않은 상태로 꺼내어 질 수가 있다.

이러한 예로는하나의 노를 청소하기 위해 운행정지하는 경우가 있다.

비록, 대부분의 섬유 제조가 하향의 가스흐름 중앙에서 일어나지만, 얼마간의 촉매입자가 노 튜브의 벽에 접촉될 수도 있다.

벽에 증착된 입자에 의한 섬유의 성장은 벽에 섬유가 퇴적되게 하고 튜브를 지저분하게 할 뿐만아니라 점점 파손시킨다.

튜브를 청소하는 과정은 노에서의 생산공정을 정지시키지 않고도 수행되며, 청소를 해야 할 튜브는 하부 밸브 및 탄화수소 및 촉매 공급밸브를 닫음으로써 단절된다.

일단 불활성 기체에 의해서 남아 있는 탄화수소를 제거한 후에, 공기를 공급함으로써 산소가 제공되게 된다.

산소에 의해서 제거된 탄화수소가 연소된다. 연소가 완료되면, 노에 다시 불활성 가스를 주입하여 아직 남아 있는 산소를 제거한다.

질소가 노의 작동온도에서 불활성 기체로 사용될 수 있다. 이는 가격이 싸고 필요할 경우에는 노블 가스로도 사용될 수 있다.

이러한 공정 후에, 노는 계속 생산을 위해 준비됨으로써 촉매, 탄화수소 및 희석가스 밸브가 다시 열린다.

각각의 노에서 얻어진 섬유는 중력 및 잔류가스 임펠러에 의해서 가압된 수집탱크로 채취하기 용이한 단일 슬로핑 컬렉터로 이송된다. 이 단일 컬렉터로 인해서 장치가 단순하게 되는 바, 나노섬유를 수집하는 데 있어서 정체 및 불연속 흐름을 유발하는 다수의 굴곡부 및 밸브를 제거하는 효과가 있다.

각각의 튜브 배출구 및 경사진 컬렉터에 설치된 두 개의 밸브는 본 발명의 구성을 이루는 요소이다.

잔류가스는 컬렉터에 의해서 형성된 회로에서 재순환된다. 상기한 잔류가스 임펠러는 재순환을 위한 것이다.

재공급에 사용된 각각의 희석 잔류가스의 반응물에 대한 질량 제어는 각각의 노에 대한 적당한 밸브를 조정하는 제어시스템에 의해서 수행된다. 모든 노는 독립적으로 공정을 수행하며, 장치로부터 제거하거나 연결하는데 필요한 밸브를 구비하고 있다.

본 발명에 의해서 얻어진 섬유는 치수(직경 및 길이)에 대해서 매우 높은 균일성을 가지고 있고, 또한 산업용으로 적합한 양호한 기계적 특성(탄성 모듈러스, 인장강도) 및 물리적 특성(열 및 전기 전도도)을 갖는다.

각각의 튜브에 대한 개별화된 청소단계를 포함하여, 노를 사용한 섬유의 제조 방법에 대해서는, 경제적인 크기를 갖는 세라믹 튜브를 사용하여 경제적인 생산을 할 수 있는 상기의 장치에 의해서 실용적인 방법을 제공한다. 기타 특정 크기의 튜브 제조는 결국 생산된 탄소 나노섬유의 가격 상승을 가져온다.

독립적인 반응 튜브로 구성된 노를 사용함으로써, 원하는 생산량을 달성함과 아울러 플랜트의 청소를 용이하게 수행할 수 있고 단지 튜브를 배치하기만 하면 된다.

도 1은 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타낸 다이어그램으로서, 노가 동일한 직경과 길이를 가진 네 개의 수직형 튜브(1, 2, 3, 4)로 구성되어 있고, 저항 및 단열재에 의해서 단일 블록을 형성한다. 반응이 일어나는 온도는 저항의 가열에 의해서 도달하는 800 내지 1500 ℃이다.

반응 튜브(1, 2, 3, 4)로의 원료공급은 상부로부터 수행되고, 나노섬유 및 잔류가스의 배출은 하부에서 수행된다.

반응 튜브(1, 2, 3, 4)의 주입구 및 배출구는 반응온도보다 낮아야 하고, 장치를 보호하도록 원료를 공급하고 제품을 수집할 수 있도록 가스의 화학적 활성을 제거하여 취급이 용이하도록 한다.

이러한 이유로, 노를 구성하는 각 튜브(1, 2, 3, 4)의 상단부 및 하단부에는 유압파이프(31)에 의해서 공급되는 냉매가 순환하는 냉각 재킷(30)이 구비된 금속 튜브가 포함되어 있다. 더욱이, 세라믹과 금속 재료의 접촉지점에서는 낮은 온도가 유지되어야 하고, 물질의 상이한 팽창에 의한 생산된 세라믹 물질의 파손을 방지하기 위해서 뿐만 아니라 이들 튜브의 결합부가 발화되는 것을 방지하기 위해서는 낮은 온도를 유지하여야 한다.

튜브(1, 2, 3, 4)의 각 하부에는 반응 생성물인 탄소 나노섬유 및 잔류가스를 수집하는 컬렉터(7)로 연결되는 밸브(6)가 구비되어 있다.

컬렉터(7)는 거의 닫혀진 링 구조를 가진 컬렉션 파이프이다. 이러한 링에는, 두 개의 중요한 구성요소가 있는 바, 가스의 순환 및 나노섬유의 정방향 흐름을 원할하게 하는 가스 임펠러(8), 및 가스흐름을 방해하지 않고 나노섬유를 수집하는 수집장치(9)이다.

튜브(1, 2, 3, 4)의 하부에 위치한 컬렉터(7)는 수집장치(9)로 나노섬유가 쉽게 이송되도록 하는 슬로프를 구비하고 있다. 이 장치에서 나노섬유 및 가스의 분리가 발생되면, 컬렉터(7) 내부에 계속 흐르는 잔류가스의 흐름을 방해하지 않고 나노섬유는 저장되게 된다.

수집장치(9)로부터 나노섬유 및 배출가스와 다시 만날 때까지 가스만이 순환한다.

이러한 닫힌 링 및 반응 튜브에 있어서는, 압력이 일정하고 대기압보다 낮은 -1 내지 -200 mbar을 이룬다. 장치의 다른 부분에 있어서는 100 mbar 내지 1 bar의 일정한 압력을 이룬다.

장치의 공급부와 배출부 사이의 압력차는 일정한 범위로 설정된 압력제어수단(32)을 사용하여 발생된다.

화학작용을 이루는 원료가 튜브(1, 2, 3, 4)의 상부를 통해 공급되는 바, 그 원료는 다음과 같다.

증기상(10)의 촉매 금속입자로서, 적절하게는 전이금속, 특히 철이나 코발트 또는 니켈을 포함하는 화합물, 예로서 페로신과 펜타카보닐.

천연가스나 기타 산업용 가스로서의 탄화수소(11).

수소와 같은 희석가스.

재순환 파이프(13)를 통한 재순환가스.

탄소 원료로서 천연가스를 사용함으로써 세라믹 반응 튜브가 필요없게 된다. 천연가스는 주로 메탄으로 구성되어 있고, 기타 성분은 소량으로 존재하고 주로 황화합물로 구성되어 있다. 이러한 황화합물은 높은 온도에서 철 및 기타 금속합금을 부식시킨다. 세라믹 원료는 환원 및 산화에 대해서 불활성이기 때문에 반응 튜브의 원료로서 이상적이다.

금속 촉매입자 화합물을 제외한 상기의 모든 성분은 각각의 노에 공급되고, 질량제어기(14, 15, 16, 17)에 의해서 적당량 만큼 공급된다. 따라서, 네 개의 반응 튜브(1, 2, 3, 4)와 세 개의 공정가스용으로, 도면에 나타낸 바와 같이 12 개의 질량제어기가 구비된다.

각각의 반응 튜브(1, 2, 3, 4)에 있어서, 원료는 밸브(19, 20)가 구비된 파이프(18, 33)를 통해서 튜브(1, 2, 3, 4)의 상부로 공급된다.

화학반응에 의해서 탄소 나노섬유가 반응 튜브에서 생성되는 동안 금속 촉매입자가 또한 내벽에 증착되어 탄소 섬유의 성장이 발생된다.

이 섬유는 반응 튜브의 내벽에 결합을 유지하고 있고 다른 금속 촉매입자를 끌어들인다. 이와 같이, 탄소 나노섬유가 튜브(1, 2, 3, 4)의 내벽으로부터 계속 성장함으로써 튜브(1, 2, 3, 4)의 제조능력을 감소시킬 수가 있다.

상기한 이유로 인해서, 달라붙은 탄소 나노섬유를 소각시킬 필요가 있다.

반응 튜브를 청소하기 위해서는, 먼저 탄소 나노섬유의 제조를 중지하고 일 위해서는 반응 원료의 공급밸브(19, 20) 및 튜브의 하부에 설치된 컬렉션 밸브(6)를 닫아야 한다.

밸브(21)를 통해 불활성 기체를 주입하여 화학반응을 정지시키고 가스의 배출을 위해서 밸브(26)가 자동적으로 열린다. 질소가 불활성 가스로서 주입될 수 있다.

불활성 가스가 각각의 반응 튜브로 분기되어 있는 파이프(23)를 통해 공급되고, 밸브(21)에 의해서 제어된다.

불활성 가스에 의해서 반응 튜브의 하부로 반응 가스 및 나노섬유가 배출되고, 각각의 반응 튜브 파이프(25) 및 밸브(26)를 통해 이동되어 공동의 컬렉션 파이프(27)에 이르게 되고 나노섬유 및 가스 수집기(28)로 방출된다.

공동 파이프(27)에는, 제어시스템이 설치되어 있어서 방출되는 반응가스를 감지한다. 즉, 배출되는 탄화수소의 비율이 너무 크면 이를 최소한으로 낮춘다.

이때, 불활성 가스 밸브(21)는 닫히고, 파이프(24)를 통한 공기 밸브(22)가 열린다. 탄소는 공기중에 있는 산소와 반응하여 소각되고, 튜브(1, 2, 3, 4)의 내벽으로부터 나노섬유가 제거되어 수집기(28)로 배출된다.

분석기(29)가 나노섬유의 소각으로 발생된 일산화탄소 및 이산화탄소를 감지하지 못 할 때까지 공기가 계속 주입된다.

이때, 공기 주입밸브(22)가 닫히고 불활성 가스 밸브(21)는 다시 열린다. 남아있는 산소를 튜브로부터 제거하고 분석기(29)가 산소를 감지하지 못 할 때까지 계속 불활성 가스를 공급한다.

공기 주입밸브(22) 및 배출밸브(26)가 닫히고, 생산된 섬유 및 잔류가스 배출밸브(6), 및 탄화수소와 희석가스 공급밸브(19)는 열리며, 또한 촉매공급 밸브(20)가 열림으로 탄소 나노섬유의 제조가 재개된다.

상기한 장치에 의한 섬유의 제조는 원하는 생산량에 필요한 수 만큼의 튜브(1, 2, 3, 4)를 사용하게 되고, 원료의 공급 및 배출, 청소 등에 필요한 밸브와 함께 많은 튜브를 필요로 하게 됨에 따라 노의 크기를 증가시킬 수 있다.

튜브(1, 2, 3, 4)를 하나의 군으로 설계함으로써 나노섬유의 제조 및 청소가 독립적으로 이루어질 수 있고, 튜브(1, 2, 3, 4)를 상호 결합하여 사용할 수도 있다. 이와 같이, 일부의 튜브는 청소가 진행되고, 다른 튜브는 동시에 생산을 계속 진행할 수가 있다.

또한, 생산량을 조정하기 위해서 몇 개의 노만 사용하고 나머지는 밸브를 닫 아서 휴식을 취하게 함으로써 탄소 나노섬유의 효율성과 품질을 감소시키지 않게 된다.

상기한 공정에 의해서 탄소 나노섬유가 얻어지고, 이들의 품질 및 구조적 특성을 결정하기 위해 여러 분석이 수행된다.

여러 배율로 현미경에 의해서 관찰함으로써 매우 높은 치수의 균일성과 불순물 제거를 이룰 수가 있다.

여러 치수에 대한 통계로부터, 생산된 섬유의 직경 및 길이를 알 수가 있다.

이러한 파라메타는 주로 반응조건의 상태, 금속 촉매입자의 활성도, 오염되지 않은 반응조건에서의 금속입자의 영속성에 좌우된다.

도 2는 예상 밀도함수의 가상치를 얻기에 충분한 수(311)의 직경 크기에 따른 샘플에 대한 히스토그램을 나타내고 있다.

이 함수는 히스토그램에 가우스 함수를 보충하여 나타낸 것이다.

확률 평균치는 122.96 nm이고, 표준편차는 33.16 nm이다. 모든 샘플은 [32.25, 228.09] 범위내이다. 40 nm 미만의 표준편차는 대부분의 경우에 적절한 분포치이다.

30 내지 500 nm의 섬유 직경이 유효한 바, 이는 이 치수외의 샘플이 발견된 다 하여도 평균치 및 표준편차에 의해서 받아 들일 수 있다는 것이다.

샘플에 사용된 보통의 또는 가우스 확률 밀도함수에 해당하는 영역의 80%는 충분히 샘플을 대표할 수 있는 [30, 500] 범위에 있다.

유사하게, 사용된 가우스 또는 보통의 확률 밀도함수로부터 얻어진 직경 편차에 대한 평균치는 [80, 180] 범위에서 훨씬 많은 분포를 이루고 있다.

상기한 예로부터, 20 내지 200 마이크로미터의 길이를 가진 섬유가 얻어진다. 이 경우, 매우 높은 편차를 갖고 있어서 이의 유효성은 섬유의 차후 응용에 따라 크게 좌우된다.

Claims (22)

1. 탄소 섬유 제조용 노(furnace)에 있어서, 단일 블록(5)을 이루도록 단열재로 덮인 공동의 저항 블록을 구비하고 있는 다수의 수직으로 배치된 세라믹 튜브(1, 2, 3, 4)를 포함하고 있고, 튜브(1, 2, 3, 4)의 상단부 및 하단부는 냉각 재킷(30)을 구비하고 있는 금속 튜브에 연결되어 있으며, 튜브(1, 2, 3, 4)의 상부에는 밸브(19, 20)가 장착된 파이프(18, 33)가 연결되어 있고, 하단부에는 튜브(1, 2, 3, 4)로부터 섬유가 이송되도록 밸브(6)가 금속 튜브와 연결되어 있으며, 금속 튜브의 다른 단부는 단일의 컬렉터(7)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 제조용 노.
2. 제 1 항에 있어서, 공동 저항 블록은 개별적인 저항이 각각의 반응 튜브(1, 2, 3, 4)와 결합된 군으로 구성된 것을 특징으로 하는 노.
3. 제 1 항에 있어서, 온도를 낮추기 위한 냉각 액체가 순환하고 있는 재킷(30)이 반응 튜브(1, 2, 3, 4)의 상단부 및 하단부를 둘러싸고 있어서 열분해 온도 이하로 유지되도록 한 것을 특징으로 하는 노.
4. 제 1 항에 있어서, 탄화수소(11), 희석가스(12) 및 재생가스(13)가 질량제어기(14, 15, 16, 17)에 의해서 적절히 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 노.
5. 제 1 항에 있어서, 컬렉터(7)는 최소한 섬유 및 잔류가스가 배출되는 부분에 경사부를 이루고 있어서 이들의 배출을 용이하게 한 것을 특징으로 하는 노.
6. 제 1 항에 있어서, 컬렉터(7)는 폐회로의 링 구조를 가지고 있고, 생산된 섬유를 배출시키기에 충분한 가스 유속을 발생시킬 수 있는 능력을 가진 가스 임펠러(8)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노.
7. 제 6 항에 있어서, 링 컬렉터(7)는 재순환 가스의 흐름을 방해하지 않는 섬유 수집장치(9)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노.
8. 제 6 항에 있어서, 모든 장치는 밀폐된 것을 특징으로 하는 노.
9. 제 1 항에 있어서, 잔류가스 재순환 컬렉터(7)로부터의 가스를 공급하기 위해 재공급 파이프(13)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노.
10. 제 9 항에 있어서, 재공급 파이프(13)는 재순환 가스를 공급압력 범위내로 조정하기 위한 압력 제어기(32)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노.
11. 제 1 항에 있어서, 각각의 튜브(1, 2, 3, 4) 하부에는 튜브를 청소하기 위한 수집기(28)로 연결된 선택적인 공급 및 배출 파이프가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 노.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 파이프는 두 개로 구성되어 있고, 하나는 공기 주입용이고 다른 하나는 불활성 가스용이며, 이들 각각에는 반응 튜브(1, 2, 3, 4)로 주입되기 전의 위치에 밸브(22, 21)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 노.
13. 제 12 항에 있어서, 불활성 가스가 질소인 것을 특징으로 하는 노.
14. 제 12 항에 있어서, 불활성 가스가 노블가스인 것을 특징으로 하는 노.
15. 제 11 항에 있어서, 청소과정의 배출수단이 한 곳으로 수렴하는 파이프(25)로 구성되어 있고, 이들 각각이 반응 튜브(1, 2, 3, 4)의 배출 위치에 밸브(26)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 노.
16. 제 11 항에 있어서, 청소 배출구(27)에 청소과정이 종료되는 순간을 결정하기 위한 제어장치(29)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 노.
17. 상기 청구항에 따른 노를 이용하여 탄소 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 이방법은 각각의 튜브에서 독립적으로 작동하는 질량제어기에 의해서 탄화수소(11), 촉매(10) 및 희석가스(12)와 재순환가스(13)를 모든 튜브 또는 일부의 튜브(1, 2, 3, 4)에 공급함으로써 열분해에 의해서 섬유를 얻는 연속공정을 포함하고 있고, 튜브의 내벽에 축적되어 있는 섬유의 정도에 따라 해당 튜브를 청소하되 나머지 튜브(1, 2, 3, 4)의 제조공정은 방해하지 않도록 하며, 청소과정이 소정의 튜브(1, 2, 3, 4)에 적용되는 즉시 수집 및 저장수단(9)에 섬유가 수집되는 상태로 전환되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 제조하는 방법.
18. 상기 청구항에 따른 노를 이용하여 탄소 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 탄소 섬유를 제조하는 동안에 반응 튜브(1, 2, 3, 4)는 제조공정을 수행하고 있고, 다른 튜브는 자동적으로 청소과정을 수행하되, 전체 생산공정이 청소공정에 의해서 방해받지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유를 제조하는 방법.
19. 상기 청구항에 따른 노를 이용하여 탄소 섬유를 제조하는 방법에 있어서, 반응 튜브의 청소는 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

    * 튜브를 나머지의 장치로부터 분리시키기 위해 공급밸브(19, 20) 및 배출밸브(6)를 닫는 단계,

    * 탄소 섬유 생성반응을 억제하기 위해 불활성 공급밸브(21)를 열고, 가스 및 재의 배출 파이프(25)에 대한 밸브(26)를 여는 단계,

    * 제어기(29)가 탄화수소화합물을 감지하는 동안에는 계속 불활성 가스를 공급하는 단계,

    * 불활성 가스의 공급밸브(21)를 닫는 단계,

    * 높은 온도에서 산소와 결합하여 탄소 섬유가 소각되도록 공기 공급밸브(22)를 여는 단계,

    * 제어기(29)가 연소반응을 감지하는 동안, 적절하게는 탄소 및 산소 화합물을 감지하는 동안에는 공기를 계속 공급하는 단계,

    * 연소반응이 완료되는 즉시, 제어기(29)에 의해서 탄소 및 산소 화합물이 없다는 것을 감지하여 산소가 완전히 제거될 때까지, 공기 공급밸브(22)를 닫고 불활성 가스 공급밸브(21)를 열어놓는 단계,

    * 불활성 공급밸브(21), 및 가스와 재의 배출밸브(6)를 닫는 단계, 및

    * 공급밸브(19, 20), 및 가스와 섬유 배출밸브(6)를 다시 열어서 생산공정이 다시 튜브에서 수행되도록 하는 단계.
20. 제 17, 18, 19 항에 따른 노를 이용하여 제조된 섬유에 있어서, 측정된 직경의 통계에 사용된 가우스 또는 통상의 확률 밀도함수 범위의 80%가 [30 nm, 500 nm] 사이인 것을 특징으로 하는 섬유.
21. 제 17, 18, 19 항에 따른 노를 이용하여 제조된 섬유에 있어서, 직경 편차에 의해서 얻어진 통계 평균치가 [80 nm, 180 nm] 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 섬유.
22. 제 17, 18, 19 항에 따른 노를 이용하여 제조된 섬유에 있어서, 측정된 직경의 통계 편차에 사용된 가우스 또는 통상의 확률 밀도함수의 표준편차는 40 nm 이하인 것을 특징으로 하는 섬유.

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