KR20140015748A - 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 섬유 제조방법, 보다 구체적으로는 본 발명은 핏치를 원료로 하고, 코일 형태를 갖는 탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 열 수축율이 상이한 2종의 핏치를 동시에 복합 방사하여 하나의 섬유로 형성하는 복합방사 단계; 상기 복합 방사된 핏치 섬유를 열처리하여 안정화시키는 안정화 열처리 단계; 및 상기 안정화된 핏치 섬유를 열처리하여 탄화하는 탄화 단계를 포함하는 코일 형태의 탄소섬유 제조 방법을 제공한다.

Description

코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING PITCH-BASED CURLED CARBON FIBER}

본 발명은 탄소 섬유 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 본 발명은 핏치를 원료로 하는 코일 형태를 갖는 탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 핏치계 탄소섬유는 고연화점의 방사 핏치를 연화점 이상의 온도에서 방사 노즐을 통하여 토출하여 연신시키는 방법에 의해 핏치 섬유를 제조하고, 이를 공기 중에서 열처리하여 안정화한 후 불활성 분위기에서 탄화함으로써 얻을 수 있다.

일반적으로 이와 같은 핏치계 탄소섬유는 직선형으로 제조되어 왔다. 직선형의 핏치계 탄소섬유를 제조하는 공정을 도 1에 개략적으로 나타내었다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 직선형 탄소섬유를 제조함에 있어서는, 1종의 핏치를 방사 노즐을 통해 방사하고, 공기 중에서 200 내지 300℃의 온도로 열처리하는 안정화 공정을 거친 후에, 불활성 분위기 하에서 1000℃ 이상의 온도로 열처리함으로써 탄소섬유를 얻게 된다.

이와 같이, 핏치 섬유는 일반적으로 직선형태를 가지지만, 핏치계 탄소섬유가 코일 형태를 나타내는 경우 핏치 섬유의 안정화를 위한 안정화 열처리 공정에서 방사된 핏치 섬유간의 통기성이 우수하여 안정화 시간을 단축시킬 수 있으며, 또, 안정화 열처리 공정에서 균일한 반응이 가능하다. 또한 코일 형태로 제조된 핏치계 탄소섬유는 그 적용에 있어서 단열재용 펠트 및 복합재 제조시 섬유간의 상호 얽힘이 좋게 된다. 따라서, 직선상 탄소섬유에 비해 겉보기 밀도를 낮출 수 있고, 또 단열 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 그로 인해, 코일 형태의 핏치계 탄소섬유가 제조되고 있으며, 그 제조공정을 도 2에 개략적으로 나타내었다.

도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래에 코일 형태의 핏치계 탄소섬유를 제조함에 있어서는, 1 종류의 핏치를 방사노즐을 통해 섬유상으로 방사하고, 이때, 도 2의 B와 같이 방사노즐에 대하여 비틀린 방향으로 고온의 공기에 의한 와류를 분사하여 코일 형태로 방사하는 방법이 적용되었다. 그 후 안정화 열처리 공정 및 탄화 공정을 거쳐서 코일형태의 핏치계 탄소섬유를 제조해 온 것이다.

그러나, 이와 같은 종래의 방법에 의해 코일 형태의 핏치계 탄소섬유를 제조하는 경우, 고온의 공기에 의한 와류 분사를 위한 방사 노즐의 구조가 복잡하여 그 가공이 어렵고, 또 일반적인 멜트블로운 방사법(melt-blown spinning)에 비하여 방사 노즐에 방사구(spinning hole)를 조밀하게 배치하기가 어렵다. 이로 인해 동일한 폭의 노즐을 기준으로 할 때, 직선형 방사에 비하여 생산성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조에 있어서 생산성이 향상된 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 핏치를 원료로 하는 코일 형태를 갖는 탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 열 수축율이 상이한 2종의 핏치를 동시에 복합 방사하여 하나의 섬유로 형성하는 복합방사 단계, 상기 복합 방사된 핏치 섬유를 열처리하여 안정화시키는 안정화 열처리 단계, 및 상기 안정화된 핏치 섬유를 열처리하여 탄화하는 탄화 단계를 포함하는 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법을 제공한다.

상기 2종의 핏치는 핏치 상호간의 열 수축율 차이가 안정화 열처리 온도에서 0.01% 이상인 것이 바람직하며, 상기 핏치는 석탄계 또는 석유계의 부산물을 원료로 사용할 수 있다.

상기 안정화 열처리 단계는 사용되는 2종의 핏치 중 연화점이 낮은 핏치의 연화점보다 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 공기 분위기 또는 공기와 질소산화물의 혼합가스 분위기에서 수행될 수 있다.

한편, 상기 탄화단계는 불활성 가스 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 기존의 와류분사 방법에 의한 코일 형태의 핏치 섬유 제조 방사 방법에 비하여 단위 폭당 더욱 많은 수의 방사구를 배치할 수 있으므로 코일 형태의 핏치 섬유를 제조하는데 있어서 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 직선형 핏치계 탄소섬유를 제조하는 방사공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 와류분사 방법에 의해 코일형태의 핏치계 탄소섬유를 제조하는 방사 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 코일형태의 핏치계 탄소섬유를 제조하는 방사공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있는 것으로서, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 구현예에 따른 코일 형태의 핏치계 탄소섬유의 제조 방법은 연화점이 상이한 2종류의 핏치를 복합 방사하여 하나의 핏치 섬유를 형성하는 복합 방사 단계, 상기 복합 방사된 핏치 섬유를 열처리하여 안정화시키는 안정화 열처리 단계 및 안정화된 핏치 섬유를 열처리하여 탄화하는 탄화단계로 이루어진다.

이와 같은 본 발명의 방법은 도 3에 개략적으로 도식화하였으며, 도 3을 참조하면, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에서 사용되는 핏치는 핏치계 탄소섬유를 제조함에 있어서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않으며, 일반적으로 석탄계 또는 석유계의 부산물을 원료로 이용하여 제조된 핏치의 어떠한 것도 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는 연화점이 상이한 두 종류의 핏치를 사용하여 복합 방사함으로써 핏치 섬유를 형성하는 것으로서, 이때, 상기 두 종류의 핏치는 연화점이 상이한 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 석탄계 핏치 또는 석유계 핏치로부터 연화점이 상이한 2 종류 이상의 핏치를 선택하여 사용할 수 있음은 물론, 석탄계 핏치와 석유계 핏치를 각각 1종씩 사용할 수도 있다.

다만, 이때 사용되는 핏치는 안정화 열처리 단계에서 핏치 섬유의 안정화를 위한 열처리 온도에서의 핏치 상호간의 열 수축율 차이가 0.01% 이상인 핏치를 사용하는 것이 바람직하다. 사용되는 각각의 핏치의 수축율 차가 0.01% 미만인 경우에는 곡률반경이 작은 코일 형태의 섬유를 얻기가 어렵다. 즉, 얻어지는 핏치 섬유는 안정화 열처리 공정에서 방사된 핏치 섬유간의 통기성이 우수하여 안정화 시간 단축 및 균일한 반응, 탄소섬유의 응용시 섬유간의 상호 얽힘성 등의 측면에서 핏치 섬유의 곡률 반경이 10cm 이하인 것이 바람직한데, 수축율 차가 0.01% 미만인 2종류의 핏치 섬유를 사용하는 경우, 곡률반경이 10cm를 초과하게 되어, 안정화 열처리 공정에서의 반응 용이성 및 제조된 탄소섬유의 가공시 코일 형태로 인한 효과를 응용하기 곤란하므로 바람직하지 않다.

한편, 핏치 간의 열 수축율 차이가 클수록 곡률반경이 작은 코일 형태의 핏치 섬유를 얻을 수 있어, 열 수축율 차이의 상한은 특별히 한정하지 않으며, 통상의 기술자라면 얻고자 하는 섬유의 곡률반경을 고려하여 열 수축율 차이를 적절하게 선택할 수 있을 것이다. 예를 들면, 안정화 열처리 온도에서 열 수축율 차이는 2% 이하인 2종류의 핏치를 사용할 수 있다. 두 핏치간의 열수축율 차이가 2%일 경우 안정화 열처리 후의 곡률반경이 0.5mm 정도가 되도록 제조할 수 있다.

상기 핏치계 탄소섬유를 형성하는 방법은 방사단계, 안정화 열처리단계, 탄화단계를 거쳐서 제조된다. 방사단계에서는 상기 2종류의 핏치가 방사구에서 토출되기 직전에 합쳐지는 구조를 가진 방사기를 이용하여 방사하게 되며 방사방식은 방사구에서 토출되기 직전에 2종류의 원료가 합쳐지는 구조의 방사기인 경우에는 고온의 열풍에 의해 방사하는 멜트블로운(melt blown) 방식이나 용융상태에서 연속섬유 상태로 방사하는 용융방사(melt spinning) 방식을 모두 이용할 수 있다.

상기 방사 노즐을 통해 방사된 핏치 섬유는 안정화 열처리 단계를 거친다. 상기 안정화 열처리 단계는 통상의 핏치 섬유의 안정화 처리 공정 및 장치에 의해 수행될 수 있다. 이때, 안정화 열처리 온도는 사용된 2종류의 원료 핏치 중 연화점이 더 낮은 핏치의 연화점 미만의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 한편, 안정화 열처리 온도의 하한은 사용되는 핏치의 연화점에 의해 조절될 수 있으나, 예를 들면, 적어도 160℃ 이상의 온도에서 수행하는 것이 핏치 섬유의 안정화를 위해 바람직하다. 안정화 온도가 160℃ 미만으로 낮은 경우에는 장시간 동안의 열처리에 의해서도 충분히 안정화되지 않아 탄화 공정에 적용하기가 곤란하므로 바람직하지 않다.

상기 안정화 열처리 공정은 상기 방사된 핏치 섬유를 공기 분위기에서 안정화 열처리를 수행할 수 있으며, 공기와 질소산화물의 혼합 가스 분위기에서 열처리할 수 있다. 공기 분위기에서 안정화 열처리를 수행하는 경우, 핏치 섬유가 공기와 산화반응에 의하여 최초의 연화점 이상의 온도에서도 융해되지 않게 된다. 나아가, 공기와 질소산화물의 혼합가스 분위기에서 안정화 열처리를 수행하는 경우에는 상기 안정화 열처리 공정 후에 수행되는 탄화 공정에서 핏치 섬유의 탄소섬유화를 위한 열처리 온도를 더욱 높일 수 있다.

상기와 같은 방사된 핏치 섬유의 안정화 열처리 공정에 의해 핏치 섬유의 길이 수축이 일어나게 된다. 본 발명에서는 2종의 수축율이 다른 핏치를 복합 방사하므로, 사용된 각각의 핏치 부분의 수축율이 서로 상이함으로 인해 수축율이 높은 핏치가 존재하는 방향으로 복합 핏치 섬유의 휘어짐이 발생하게 된다. 따라서, 안정화 열처리 중에 핏치 섬유를 코일 형태로 변화시킬 수 있게 된다.

상기 안정화 열처리 공정에 의해 안정화된 핏치 섬유를 소정 온도에서 열처리하여 탄화시키는 탄화공정에 의해 탄소섬유를 얻을 수 있다. 상기 탄화공정은 통상의 탄소섬유의 탄화 방법과 동일한 방법으로 수행할 수 있는 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

예를 들어, 통상의 탄화 공정에서는 불활성 가스 분위기 중에서 700℃ 이상의 온도로 열처리를 수행할 수 있으며, 필요에 따라 고순도 탄소섬유를 제조하고자 하거나 탄소섬유의 결정화도를 높게 하고자 하는 경우에는 열처리를 더욱 높은 온도, 예를 들어, 1000℃ 이상의 온도에서 수행함으로써 탄화공정에 의해 얻어지는 탄소 섬유 중의 불순물을 최소화할 수 있고, 나아가 결정화도가 높은 탄소섬유를 제조할 수 있다. 이와 같은 탄화 공정의 열처리 온도는 1000℃ 이상이라면 본 발명 분야의 기술자라면 적절히 선택하여 수행할 수 있을 것으로서, 그 상한은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 3000℃ 이하, 또는 2000℃ 이하에서 수행할 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 열 수축율이 상이한 2 종류의 핏치 섬유를 복합 방사하여 열처리함으로써 코일 형태를 갖는 핏치 섬유, 나아가 탄소섬유를 얻을 수 있는 것으로서, 종래의 방법에서와 같은 와류분사를 위한 복잡한 방사노즐을 형성할 필요가 없어 단위 폭당 더욱 많은 수의 방사구를 배치할 수 있으며, 따라서 보다 용이한 방법으로 탄소섬유 제조의 생산성을 높일 수 있는 장점을 가진다.

나아가, 코일 형태의 핏치 섬유를 안정화 열처리 공정 중에 얻을 수 있어, 방사 섬유간의 통기성을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 안정화 열처리 시간을 단축시킬 수 있으며, 안정화 열처리 공정 중의 균일한 반응을 도모할 수 있다.

이와 같은 코일 형태로 제조된 탄소섬유는 단열재용 펠트 및 복합재 제조에 적용함으로써 섬유간의 상호 얽힘을 향상시킬 수 있고, 직선상 섬유에 비해 겉보기 밀도가 낮아 단열성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 열 수축율이 상이한 2종의 핏치를 동시에 복합 방사하여 하나의 섬유로 형성하는 복합방사 단계;
   상기 복합 방사된 핏치 섬유를 열처리하여 안정화시키는 안정화 열처리 단계; 및
   상기 안정화된 핏치 섬유를 열처리하여 탄화하는 탄화 단계
   를 포함하는 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 2종의 핏치는 핏치 상호간의 열 수축율 차이가 안정화 열처리 온도에서 0.01% 이상인 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법.
   
3. 제1항에서, 상기 핏치는 석탄계 또는 석유계의 부산물을 원료로 하여 제조된 핏치인 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법.
   
4. 제1항에서, 상기 안정화 열처리 단계는 사용되는 2종의 핏치 중 연화점이 낮은 핏치의 연화점보다 낮은 온도에서 수행되는 것인 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 안정화 열처리 단계는 공기 분위기 또는 공기와 질소산화물의 혼합가스 분위기에서 수행되는 것인 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조 방법.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 탄화단계는 불활성 가스 분위기 하에서 수행되는 것인 코일 형태의 핏치계 탄소섬유 제조방법.

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