KR20160001776A

KR20160001776A - 피치계 탄소 단섬유의 제조장치 및 상기 단섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR20160001776A
Application number: KR1020140078927A
Authority: KR
Inventors: 윤광의; 이현철; 김학천
Original assignee: 오씨아이 주식회사
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-07
Also published as: US20150376816A1; CN105274655A; JP2016008372A; KR101592714B1

Abstract

본 발명은 피치계 탄소 단섬유의 제조장치 및 상기 단섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 토출된 피치를 용융방사를 통해 연신시킨 후 이로부터 단섬유의 형태로 탄소섬유를 연속적으로 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소 섬유용 피치의 제조 방법은 하기와 같은 효과가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 등방성 피치를 롤의 회전력으로 최대 연신시켜 피치 전구체가 가지는 기계적 강도를 최대한으로 발현시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유를 일정 길이의 촙(chop) 상태로 절단함으로써 섬유의 끊어짐 문제를 해결할 수 있다. 게다가, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유는 별도의 추가 공정 없이도 일방향으로 배열될 수 있어 불융화 및/또는 탄화 공정을 거쳐 강도가 우수한 탄소섬유로 전환될 수 있다. 상기와 같은 효과를 통해 등방성 피치를 원료로 사용한 탄소섬유는 고가의 PAN 또는 이방성 피치계 탄소섬유를 대체할 수 있는 경쟁력을 확보할 수 있다.

Description

피치계 탄소 단섬유의 제조장치 및 상기 단섬유의 제조방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUPACTURING PITCH BASED CHOPPED CARBON FIBER}

본 발명은 피치계 탄소 단섬유의 제조장치 및 상기 단섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 토출된 피치를 용융방사를 통해 연신시킨 후 이로부터 단섬유의 형태로 탄소섬유를 연속적으로 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적인 탄소섬유의 제조방법에서는 탄소섬유의 출발 물질인 폴리아크릴로 나이트릴(polyacrylonitrile), 석유 또는 석탄계 피치(등방성 또는 이방성), 페놀(phenol)수지 등을 열 용융시켜 용융방사(melt spinning) 또는 용융분사방사(melt blown spinning)를 하거나 용매에 용해시켜 용액방사(solution spinning)하여 탄소섬유 전구체인 유기섬유를 얻는다. 보다 구체적으로 피치계 탄소섬유의 경우, 토출된 피치를 롤의 회전력으로 연신시키는 용융방사법, 고속의 원심력을 통해 피치를 방사하는 원심방사 또는 고속의 열풍을 분사하여 피치를 연신시키는 용융분사방사법이 사용된다.

피치계 탄소섬유는 피치의 광학적 상태에 따라 이방성(mesophase)과 등방성으로 구분된다. 피치계에서 고성능(예를 들어, 고강도 및/또는 고탄성)의 탄소섬유를 제조하기 위해서는 이방성을 함유하는 피치를 사용하는 것이 필수적인 것으로 알려져 있다. 다만, PAN 또는 이방성 피치의 경우, 이로부터 제조되는 탄소섬유의 물성은 우수하나, 가격이 비싸다는 단점이 있어 상대적으로 저렴한 등방성 피치를 활용할 수 있는 방안에 대한 모색이 이루어지고 있다.

이방성을 함유하지 않는 피치, 즉 광학적으로 등방성(等方性)인 피치는 고성능의 탄소섬유를 얻지 못하고, 이를테면 범용(汎用)의 등급 밖에 얻지 못하는 것으로 알려져 있다. 상술한 바와 같이, 피치계 탄소섬유는 용융방사 또는 용융분사방사를 통해 얻어질 수 있는데 이방성 피치계 탄소섬유의 경우 주로 용융방사법을 사용하여 제조된다. 다만, 등방성 피치는 방사된 섬유가 잘 부러지는(brittle) 특성이 있어 장섬유로 제조하는데 어려움이 따르므로, 용융방사법 대신 용융분사방사법 또는 원심방사법을 사용하여 방사된다. 특히, 용융분사방사법은 방사된 섬유를 부직포상으로 수거함으로써 공정이 단순화되고, 섬유경을 극세화할 수 있으며, 섬유의 이송 과정에서 강도가 약한 피치섬유를 권취할 필요가 없어 생산성이 크고, 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있는 바, 등방성 피치계 탄소섬유의 방사 방법으로 주로 사용된다.

다만, 용융분사방사방법으로 얻어지는 피치계 탄소섬유는 방사 노즐에서 토출된 전구체 피치를 에어로 연신시키기 때문에 롤의 회전력으로 연신시키는 용융방사법에 비해 연신 정도가 불균일하고, 이로 인해 제조되는 탄소섬유의 직경 제어가 균일하게 이루어질 수 없는 바, 제조되는 탄소섬유가 넓은 직경 분포도를 가지며, 방사되는 탄소섬유를 일방향으로 배향되도록 적층하는 것이 상당히 까다롭다.

한편 탄소섬유 제조 공정 중에서 안정화공정 혹은 불융화 공정은 열가소성 섬유를 열경화성 섬유로 변화시켜 후속공정인 고온 탄화 또는 흑연화 공정에서 섬유의 융착 및 용융을 방지하기 위해서 섬유를 표면으로부터 산화 처리하는 과정으로 가장 긴 시간을 요구하며 불융화 상태에 따라 탄소섬유의 강도에 영향을 미친다.

이 때, 용융분사방사법을 사용하여 제조된 피치섬유는 후 공정인 불융화 공정에서 각 섬유에 대한 산소 부착량이 달라 최종적으로 얻을 수 있는 탄소섬유의 물성이 불균일한 문제가 있으며, 또한 불균일한 연신으로 인해 피치 분자의 배향이 랜덤하여 최종적으로 얻을 수 있는 탄소섬유의 기계적 특성도 용융방사법을 사용하여 제조된 섬유보다 20-30% 정도 낮은 것으로 확인되었다.

종래 고성능 탄소섬유의 제조에 관하여 한국 공개특허공보 제1984-0002038호에는 이방성을 함유하지 않은 광학적으로 등방성이고 특정의 반사율을 가진 피치를 원료로 해서 고성능의 탄소섬유를 제조하는 방법에 대해서 제안되어 있으나, 이 방법은 특정의 반사율을 가진 피치를 제조하기 어렵고 제조 수율이 낮아 경제적이지 못한 단점이 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제1987-0011290호에는 광학적 이방성 성분으로 구성된 탄소질 피치를 방사하고 탄소질 피치섬유를 산화분위기에 위치하여 외표층부만 산화시키고 상기 탄소질 피치섬유의 외표층부를 선택적으로 안정 및 불융화시켜 탄화소성하여 섬유의 내부가 외표층부보다 적어도 10% 이상 더 큰 결정자의 평균크기를 가지는 탄소섬유를 제조하는 방법에 관해 개시되어 있다. 그러나 상기 방법은 탄소질 피치섬유의 외표층부만을 선택적으로 안정 및 불융화시킴으로써 섬유의 융착을 방지하고 탄소섬유의 고탄성률에만 초점을 두고 있다.

일반적인 이방성 피치를 이용한 고강도, 고탄성, 탄소섬유 제조 시 산화안정화 또는 불융화 방법으로 안정화 공정 중 장력(tension)을 인가하여 분자 구조가 일축 방향으로 배열하도록 하여 섬유의 강도를 증가시킬 수 있으나, 등방성 피치는 용융분사방사법으로 제조되어 연속적인 필라멘트사를 제조할 수 없기 때문에 장력을 인가하기가 곤란하다. 따라서 단섬유 상태의 탄소섬유를 불융화 시, 온도 구배가 발생할 경우 발열반응으로 인하여 섬유간 부분적인 융착 및 용융이 생겨 탄소섬유를 제조하기 곤란하다는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제1984-0002038호 한국 공개특허공보 제1994-0011290호

종래 기술로서 제조된 등방성 피치계 탄소섬유는 분자 구조가 랜덤하게 분포되어 있고, 강도가 약해 쉽게 부서지는 단점이 있어 연속적으로 탄소섬유를 제조하는 것이 어려운 바, 통상적으로 용융분사방사법을 통해 부직포 형태의 단섬유로 제조된다. 따라서, 이에 따라 제조된 탄소섬유는 범용의 등급에 해당되는 바, 그 응용 범위에 제한이 따르며 강도도 약해 1.5 GPa 정도의 강도를 요구하는 구조용으로 사용되기 어려운 단점이 있다.

이에 본 발명에서는 상술한 바와 같이 용융분사방사법을 사용하여 등방성 피치로부터 탄소섬유를 제조할 때 발생하는 불균일성에 대한 문제점을 해결하기 위해 용융분사방사법 대신 용융방사법을 적용한 피치계 탄소 단섬유의 제조장치 및 상기 단섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 토출된 등방성 피치를 용융방사를 통해 연신시킨 후 이로부터 단섬유의 형태로 고강도의 탄소섬유를 연속적으로 제조하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 토출된 등방성 피치를 용융방사를 통해 연신시킨 후 이로부터 단섬유의 형태로 고강도의 탄소섬유를 연속적으로 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 용융 피치를 방사 노즐로 주입하기 위한 피치 주입부 및 주입된 용융 피치를 섬유 형태로 토출하기 위한 적어도 하나의 방사 노즐을 포함하는 피치섬유 방사부; 상기 피치섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부로부터 토출되는 피치섬유가 감기는 적어도 하나의 회전롤부; 상기 회전롤부에 감긴 피치섬유를 절단하기 위한 적어도 하나의 절단부; 및 상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유를 일 방향으로 이동시키기 위한 이송부;를 포함하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치가 제공될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사 노즐로부터 피치섬유가 복수의 섬유 형태로 방사될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 피치섬유 방사부와 상기 회전롤부 사이에 개재되며, 복수의 섬유 형태로 방사되는 피치섬유를 집속시키기 위한 집속부를 더 포함할 수 있으며, 상기 실시예에 따를 경우, 상기 피치섬유는 다발 형태로서 상기 회전롤부에 공급된다.

일 실시예에 있어서, 상기 회전롤부는 이의 수평 방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비되며, 상기 회전롤부의 이동에 의해 상기 회전롤부 상에 상기 피치섬유가 감기는 위치가 좌측 또는 우측으로 이동할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 회전롤부는 상기 피치섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부로부터 토출되는 피치섬유가 감기는 제1 회전롤부; 및 상기 제1 회전롤부를 통과한 피치섬유를 연신시키기 위한 제2 회전롤부;를 포함하되, 여기서 상기 제1 회전롤부는 고정되어 있으며, 상기 제2 회전롤부는 이의 수평 방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 절단부는 상기 회전롤부의 좌측 및 우측에 각각 구비된 제1 절단부 및 제2 절단부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유는 상기 이송부 상에 동일한 방향으로 배열될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 피치섬유 방사부에 용융 피치를 주입하는 단계; (b) 상기 피치섬유 방사부에서 상기 용융 피치를 토출하여 피치섬유를 방사하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 방사된 피치섬유를 회전롤에 감아 연신시키는 단계; (d) 상기 회전롤에 감긴 피치섬유를 절단하는 단계; 및 (e) 상기 절단된 피치섬유를 불융화하는 단계;를 포함하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법이 제공될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 용융 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 화학계 피치로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 바람직하게는 광학적으로 등방성인 피치일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (e)의 불융화 온도는 150 ~ 400 ℃일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (d)에 따른 절단을 수행하기 전 상기 회전롤에 감긴 피치섬유를 불융화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 실시예에 따른 불융화 온도는 150 ~ 280 ℃인 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 상기 불융화는 산화성 기체의 혼입 하에서 수행될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (d)에서 절단된 피치섬유는 동일한 방향으로 배열될 수 있다.

본 발명에 따른 탄소 섬유용 피치의 제조 방법은 하기와 같은 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 등방성 피치를 롤의 회전력으로 최대 연신시켜 피치 전구체가 가지는 기계적 강도를 최대한으로 발현시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유를 일정 길이의 촙(chop) 상태로 절단함으로써 섬유의 끊어짐 문제를 해결할 수 있다.

게다가, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유는 별도의 추가 공정 없이도 일방향으로 배열될 수 있어 불융화 및/또는 탄화 공정을 거쳐 강도가 우수한 탄소섬유로 전환될 수 있다.

상기와 같은 효과를 통해 등방성 피치를 원료로 사용한 탄소섬유는 고가의 PAN 또는 이방성 피치계 탄소섬유를 대체할 수 있는 경쟁력을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 4는 회전롤부의 이동에 의해 상기 회전롤부 상에 피치섬유가 감기는 위치와 절단부에 의해 상기 피치섬유가 절단되는 위치의 변화를 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치를 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 용융 피치를 방사 노즐로 주입하기 위한 피치 주입부(11) 및 주입된 용융 피치를 섬유 형태로 토출하기 위한 적어도 하나의 방사 노즐(12)을 포함하는 피치섬유 방사부(10); 상기 피치섬유 방사부(10)의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 토출되는 피치섬유(13)를 연신시키기 위한 적어도 하나의 회전롤부(14); 상기 회전롤부(14)에 감긴 피치섬유(13)를 절단하기 위한 적어도 하나의 절단부(15); 및 상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유를 일 방향으로 이동시키기 위한 이송부(16)를 포함하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치가 제공될 수 있다(도 1 참조).

본 발명에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치는 용융방사법(melt spinning)이 적용된 장치에 관한 것으로서, 토출된 피치를 고속의 열풍으로 연신시키는 것이 아니라 롤의 회전력으로 연신시키는 방법이 적용된 것으로서, 피치의 광학적 상태(등방성 및/또는 이방성)와 무관하게 상기 장치를 통해 피치계 탄소 단섬유를 제조할 수 있다. 바람직하게는, 방사된 섬유가 잘 부러지는(brittle) 특성이 있어 장섬유로 제조하는데 어려움이 따르므로, 용융방사법 대신 용융분사방사법 또는 원심방사법을 사용하여 주로 방사되는 등방성 피치를 원료로 사용하여 피치계 탄소 단섬유를 제조할 수 있다.

여기서, 용융 피치를 방사 노즐로 주입하기 위한 피치 주입부(11) 및 주입된 용융 피치를 섬유 형태로 토출하기 위한 적어도 하나의 방사 노즐(12)을 포함하는 피치섬유 방사부(10)는 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 형태의 피치섬유 방사부가 적용될 수 있다.

또한, 상기 방사 노즐(12)이 복수개일 경우, 상기 방사 노즐(12)로부터 피치섬유(13)가 복수의 섬유 형태로 방사될 수 있다(도 2 참조).

예를 들어, 본 발명에 따른 피치섬유 방사부(10)에는 한국 등록특허공보 제10-1279890호 (곡선형의 등방성 피치계 탄소섬유 제조장치 및 이를 이용한 섬유매트 제조방법)에 개시된 방사구금부가 적용될 수 있되, 상기 제10-1279890호에 개시된 방사구금부는 고속의 열풍으로 토출된 피치를 연신시키는 용융분사방사법이 적용되었기 때문에 이에 해당되는 구성은 본 발명에 적용되지 않는 것으로 봄이 타당하다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 단섬유의 제조장치는 상기 피치섬유 방사부(10)와 상기 회전롤부(14) 사이에 개재되며, 복수의 섬유 형태로 방사되는 피치섬유(13)를 집속시키기 위한 집속부(18)를 더 포함할 수 있다(도 3 참조).

상기 집속부(18)에 의해 복수개의 방사 노즐(12)로부터 복수의 섬유 형태로 방사되는 피치섬유는 다발 형태로 집속될 수 있으며, 다발 형태로서 상기 회전롤부(14)에 감기게 된다. 또한, 상기 집속부(18)에는 복수의 섬유 형태의 피치섬유를 다발 형태로 집속시키기 위한 집속제를 공급하는 집속제 공급부(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조장치는 상기 피치섬유 방사부(10)의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 토출되는 피치섬유(13)를 연신시키기 위한 적어도 하나의 회전롤부(14)를 포함한다. 여기서, 상기 회전롤부(14)는 하나 또는 그 이상으로 구비될 수 있으며, 이 때 상기 복수개의 회전롤부(14)의 회전 속도는 서로 다를 수 있다.

상기 회전롤부(14)는 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 토출되는 피치섬유(13)를 일정한 권취 속도로 감게 되는데, 이 때 상기 피치섬유(13)는 일정한 연신율로 연신되는 것을 특징으로 한다. 상기 회전롤부(14)의 회전 속도는 상기 피치섬유가 원하는 직경이 될 수 있도록 조절될 수 있으며, 바람직하게는 상기 피치섬유가 사절이 일어나지 않는 한도 내에서 최대한으로 연신될 수 있도록 조절된다.

상기 회전롤부(14)는 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 토출되는 피치섬유(13)를 일정한 속도로 감게 되는데, 이 때 상기 피치섬유(13)에 가해지는 장력(회전력)은 용융방사된 피치섬유(13)가 감기는 회전롤부(14)의 회전 속도에 의해 조절될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 회전롤부(14)는 이의 수평 방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비되며, 상기 회전롤부(14)의 이동에 의해 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 방사되는 피치섬유(13)가 상기 회전롤부(14)에 감기는 위치가 변할 수 있다.

즉, 상기 회전롤부(14)는 이의 수평 방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비되며, 상기 회전롤부(14)의 이동에 의해 상기 회전롤부(14) 상에 상기 피치섬유(13)가 감기는 위치가 좌측 또는 우측으로 이동할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 회전롤부(14)가 좌측으로 이동함에 따라 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치가 우측으로 이동하며, 상기 회전롤부(14)가 우측으로 이동함에 따라 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유가 감기는 위치가 좌측으로 이동하게 된다(도 4 참조).

다른 실시예에 있어서, 상기 회전롤부(14)는 상기 피치섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부로(10)부터 토출되는 피치섬유(13)가 감기는 제1 회전롤부; 및 상기 제1 회전롤부를 통과한 피치섬유를 연신시키기 위한 제2 회전롤부;를 포함하되, 여기서 상기 제1 회전롤부는 고정되어 있으며(즉, 이의 수평방향으로 좌우 이동이 가능하지 않음), 상기 제2 회전롤부는 이의 수평 방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비될 수 있다.

상기 제2 회전롤부의 이동에 의해 상기 제2 회전롤부 상에 상기 제1 회전롤부를 통과한 피치섬유(13)가 감기는 위치가 좌측 또는 우측으로 이동하도록 구성될 수 있다.

상기 회전롤부(14)의 좌우 이동에 의해 상기 회전롤부(14)에 감기는 피치섬유(13)가 과도하게 중첩되지 않도록 조절할 수 있으며, 또한 상기 회전롤부(14)에 감기는 피치섬유(13)가 상기 절단부(15)에 의해 일정한 길이를 가지도록 절단될 수 있도록 구성될 수도 있다.

또한, 추가적인 실시예에 있어서, 상기 회전롤부(14)는 가열 수단을 더 구비할 수 있으며, 상기 가열 수단은 상기 회전롤부(14)를 150 ~ 280 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도로 가열하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 피치섬유(13)를 절단하여 상기 회전롤부(14)로부터 이탈시키기 전에 상기 피치섬유 방사부(10)로부터 용융방사된 피치섬유(13)가 연화 또는 변형하지 않는 온도 조건 하에서 상기 가열수단에 의해 가열된 상기 회전롤부(14)에 의해 제1 불융화 단계가 수행될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 회전롤부(14)의 회전에 의해 일정한 양의 피치섬유(13)가 감기게 되는데, 이 때 상기 피치섬유(13)를 절단하기 위한 적어도 하나의 절단부(15)가 상기 회전롤부(14)에 구비될 수 있다.

즉, 상기 회전롤부(14)에는 하나의 절단부(15)가 구비되거나, 상기 회전롤부(14)의 좌측 및 우측에 각각 제1 절단부(21) 및 제2 절단부(22)가 구비될 수 있다. 이 때, 상기 제1 절단부(21) 및 제2 절단부(22)는 서로 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전롤부(14)에는 복수의 절단부가 구비될 수 있으며, 상기 절단부의 수에 한정되는 것은 아니다. 복수의 절단부가 구비된 경우에도 마찬가지로 상기 절단부들은 서로 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 절단부가 이격되어 구비되는 것은 상기 회전롤부(14)에 피치섬유(13)가 감기는 위치가 상기 절단부에 의해 절단되는 것을 방지하기 위함이다.

상기 회전롤부(14)가 좌측으로 이동함에 따라 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치가 우측으로 이동한 경우, 상기 제1 절단부(21)는 상기 회전롤부(14)의 좌단으로부터 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치 전까지 상기 회전롤부(14)에 감겨있는 피치섬유(19)를 절단한다.

상기 회전롤부(14)가 우측으로 이동함에 따라 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치가 좌측으로 이동한 경우, 상기 제2 절단부(22)는 상기 회전롤부(14)의 우단으로부터 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치 전까지(20) 상기 회전롤부(14)에 감겨있는 피치섬유(20)를 절단한다(도 4 참조).

이 때, 상술한 바와 같이 상기 회전롤부(14) 상에 피치섬유(13)가 감기는 위치는 상기 제1 절단부(21) 및 제2 절단부(22)에 의해 절단되지 않도록 조절되는 것이 바람직하다.

상기 절단부(15)는 상기 회전롤부(14)로부터 이동 가능하도록 구비될 수 있다. 따라서, 상기 회전롤부(14)에 일정한 속도로 상기 피치섬유(13)가 감길 때, 상기 절단부(15)는 상기 회전롤부(14)로부터 이격되어 있으며, 상기 회전롤부(14)에 감긴 상기 피치섬유(13)를 일정한 길이를 가지는 촙 섬유(17)로 절단할 때, 상기 절단부(15)가 상기 회전롤부(14)로 이동하게 된다.

등방성 피치를 원료로 사용하여 방사된 섬유는 잘 부러지는(brittle) 특성이 있어 이방성 피치와는 달리 장섬유로 제조하는데 어려움이 있기 때문에, 상기 절단부(15)는 상기 회전롤부(14)에 감긴 상기 피치섬유(13)의 사절이 발생하기 전에 상기 피치섬유(13)를 절단하도록 제어될 수 있다.

상기 회전롤부(14)에 감긴 피치섬유(13)가 상기 절단부(15)에 의해 절단됨으로써 상기 회전롤부(14)로부터 이탈된 촙(chop) 상태의 단섬유(17)는 컨베이어 벨트와 같은 이송 수단(16)에 퇴적될 수 있는데, 이 때 상기 촙 상태의 단섬유(17)는 상기 컨베이어 벨트(16) 상에 동일한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 단섬유의 방향성은 상기 단섬유로부터 제조되는 탄소 복합재, 예를 들어 탄소섬유 강화 플라스틱, 의 강도를 증가시킬 수 있다.

상기 회전롤부(14)로부터 이탈되어 상기 컨베이어 벨트(16) 상에 동일한 방향으로 배열된 단섬유(17)는 상기 컨베이어 벨트(16)의 진행 방향으로 연속적으로 이동하게 되며, 150 ~ 400 ℃, 바람직하게는 170 ~ 360 ℃의 불융화 온도를 제공하는 불융화 오븐 내에서 제2 불융화 처리될 수 있다. 또한, 상기 불융화 오븐 내에서 불융화 처리된 단섬유는 연속적으로 탄화로에서 탄화될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 용융 피치는 본 발명의 목적에 비추어 광학적으로 등방성인 피치인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 등방성 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 화학계 피치로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 석유계 피치로는 석유 정제 공정으로부터 얻어지는 각종 유분의 잔류물들, 예를 들어 상압 증류 잔류물, 진공 증류 잔류물, 접촉 분해 잔류물 등이 있으며, 상기 석탄계 피치는 석탄의 건류에 의해서 얻어지는 콜타르이며, α-비투멘, β-비투멘 및 화학적 타르 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 화학계 피치는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리바이닐클로라이드 등의 중합 물질의 열분해에 의하여 생성된 잔류물 등이 있다.

보다 바람직하게는, 상기 등방성 피치로서 석탄계 콜타르 피치가 사용될 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 고연화점, 예를 들어 연화점이 250 ℃ 이상, 의 석탄계 콜타르 피치가 사용될 수 있다. 또한, 상기 석탄계 콜타르 피치를 사용할 경우 피치 내 퀴놀린 불용분(Quinoline Insoluble)의 함량은 낮을수록(실질적으로 포함되어있지 않을수록) 좋다.

통상 용융방사 온도는 원료 피치의 연화점보다 30 ~ 60 ℃ 정도 높게 설정한다. 방사되는 피치섬유는 모노필라멘트 또는 복수 개의 모노필라멘트들로 이루어진 필라멘트 다발로 되어있는 토우 등으로 방사될 수 있다.

상기 피치섬유에 가해지는 장력(회전력)은 용융방사된 피치섬유가 감기는 회전롤의 회전 속도에 의해 조절될 수 있다. 또한, 상기 회전롤이 복수개일 경우, 각 회전롤의 회전 속도는 서로 다를 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (d)에 따른 절단을 수행하기 전 상기 회전롤에 감긴 피치섬유를 불융화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때의 불융화 온도는 상기 단계 (e)의 불융화 온도와 동일 또는 상이할 수 있으나, 150 ~ 280 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 피치섬유를 절단하여 회전롤로부터 이탈시키기 전 수행되는 상기 불융화 단계는 용융방사된 피치섬유가 연화 또는 변형하지 않는 온도 조건 하에서 실시하는 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 상기 불융화 단계는 상술한 온도 범위 내에서 선택되는 온도 조건으로 가열되는 회전롤에 의해 수행될 수 있다. 상기 회전롤에 감긴 피치섬유의 연화 또는 변형을 방지하기 위해 상기 불융화 시간은 5분 ~ 15시간 내에서 적절히 선택되어 수행될 수 있다. 상기 불융화 시간은 상기 회전롤의 회전 속도 및/또는 절단 단계의 빈도 등으로 조절될 수 있다.

상기 단계 (b)에서 방사된 피치섬유는 회전롤에 감겨 최대 연신 정도가 유지되는 연신율로 연신된 후, 절단 수단(예를 들어, 커터 등)에 의해 예정된 길이를 가지도록 일정하게 촙 상태로 절단(chopping)되어 상기 회전롤로부터 이탈된다.

상기 회전롤로부터 이탈된 촙(chop) 상태의 단섬유는 컨베이어 벨트와 같은 이송 수단에 퇴적될 수 있는데, 이 때 상기 촙 상태의 단섬유는 상기 컨베이어 벨트 상에 동일한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 단섬유의 방향성은 상기 단섬유로부터 제조되는 탄소 복합재, 예를 들어 탄소섬유 강화 플라스틱, 의 강도를 증가시킬 수 있다.

상기 회전롤로부터 이탈되어 상기 컨베이어 벨트 상에 동일한 방향으로 배열된 단섬유는 상기 컨베이어 벨트의 진행 방향으로 연속적으로 이동하게 되며, 150 ~ 400 ℃, 바람직하게는 170 ~ 360 ℃의 불융화 온도를 제공하는 불융화 오븐 내에서 불융화 처리될 수 있다(단계 (e)).

상기 단계 (e)에 따른 불융화 단계에 있어서, 복수의 온도 구간을 설정하고, 각 온도 구간 내 불융화 온도를 서로 상이하게 제어할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 불융화는 산화성 기체의 혼입 하에서 수행될 수 있다. 여기서, 상기 산화성 기체로는 산소, 오존, 공기, 질소산화물, 할로겐 및 아황산가스로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 20 ~ 100 vol%의 상기 산화성 기체의 농도 하에서 불융화 처리될 수 있다.

본 발명에 따른 피치계 탄소 단섬유의 제조방법은 상기 단계 (e) 또는 필요에 따라 상기 단계 (d)에 따른 절단을 수행하기 전 추가의 불융화 처리된 피치섬유는 불활성 가스(inert gas) 분위기 하에서 탄화 또는 필요에 따라 흑연화하는 단계를 더 포함한다.

탄화 과정의 온도는 800 ~ 1,500 ℃에서 1분 ~ 3시간 동안 진행될 수 있다. 만일, 상기 탄화 과정이 800 ℃ 보다 낮은 온도에서 수행될 경우에는 탄소구조를 갖는 탄소섬유가 되지 않는 문제가 있으며, 1,500 ℃ 보다 높은 온도에서 수행될 경우에는 탄소섬유가 아닌 흑연(graphite)섬유로 전환되어 생산비가 증가되는 문제점이 있다.

상기 탄화 과정은 보다 바람직하게는 1,000 ~ 1,200 ℃에서 1 ~ 30분 동안 불융화된 섬유를 가열함으로써 수행될 수 있다. 상기 탄화 과정에서 승온 속도는 5 ~ 20 ℃/min인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 ~ 20 ℃/min로 승온될 수 있다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.

피치계 탄소 단섬유의 제조

실시예 1

연화점 280 ℃인 100 wt% 등방성 피치를 용융방사하고 500 m/min의 속도로 권취하여 피치섬유를 제조하였다. 회전롤에 감기면서 방사(용융방사)된 피치섬유는 3 cm의 길이로 일정하게 절단되었다. 절단된 상기 촙 섬유를 260 ℃로 가열하여 1시간 동안 제1 불융화 과정을 수행하였으며, 제1 불융화 처리된 상기 촙 섬유는 안정화 오븐에서 1℃/min의 속도로 280 ~ 320 ℃의 불융화 온도 하에 제2 불융화 처리되었다. 상기 제2 불융화 처리된 촙 섬유는 10 ~ 20 ℃/min의 승온 속도로 1000 ℃에서 10분 동안 탄화로에서 탄화되어 최종적으로 탄소 단섬유로 전환되었다. 제조된 탄소섬유의 평균섬유길이는 3cm, 평균직경은 8 ㎛이었으며, 인장강도는 1.5 GPa이었다.

실시예 2

회전롤의 속도를 500 m/min로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하였다. 제조된 탄소섬유의 평균 섬유길이는 3 cm, 평균직경은 10 ㎛이었으며, 인장강도는 1.2 GPa이었다.

실시예 3

회전롤의 속도를 500 m/min로 한 것과 절단 속도를 조절한 것 외에는 실시예 1과 동일하였다. 제조된 탄소섬유의 평균 섬유길이는 6 cm, 평균직경은 10 ㎛이었으며, 인장강도는 1.2 GPa이었다.

비교예 1

비교예에 따라 탄소 단섬유를 제조하는 방법은 상기 실시예와 방사 방법을 제외한 모든 조건(사용 원료, 불융화 및 탄화 조건)이 동일하였다. 즉, 비교예에 따른 탄소 단섬유의 제조는 고속의 열풍(방사온도 + 10℃, 4,000 ~ 5,000 m/min의 분사)을 사용하였다.

피치계 탄소 단섬유의 물성 평가

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 탄소 단섬유의 평균 섬유 길이, 섬유 형태, 섬유 방향성 및 인장 강도는 하기의 표 1과 같다.

	평균섬유길이 (cm)	평균섬유직경 (㎛)	섬유 형태	섬유 방향성	인장 강도 (GPa)
실시예 1	3	8	단섬유(촙)	단일	1.5
실시예 2	3	10	단섬유(촙)	단일	1.3
실시예 3	6	10	단섬유(촙)	단일	1.2
비교예 1	불균일	10	매트	불균일	0.5

상기 표 1에 기재된 결과를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래의 용융분사방사를 이용한 탄소 단섬유의 제조방법과 비교하여 원하는 길이를 가지는 탄소 단섬유를 제조하는 것이 용이하며, 절단과 동시에 탄소 단섬유가 일정한 방향성을 가지게 할 수 있다. 또한, 동일한 원료를 사용할지라도 제조된 탄소 단섬유의 인장 강도는 2배 이상을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 등방성 피치를 롤의 회전력으로 최대 연신시켜 피치 전구체가 가지는 기계적 강도를 최대한으로 발현시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유를 일정 길이의 촙(chop) 상태로 절단함으로써 섬유의 끊어짐 문제를 해결할 수 있다. 게다가, 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치섬유는 별도의 추가 공정 없이도 일방향으로 배열될 수 있어 불융화 및/또는 탄화 공정을 거쳐 강도가 우수한 탄소섬유로 전환될 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : 피치섬유 방사부 11 : 피치 주입부
12 : 방사 노즐 13 : 피치섬유 또는 피치섬유 다발
14 : 회전롤부 15 : 절단부
16 : 컨베이어 벨트 17 : 촙 섬유
18 : 집속부 21 : 제1 절단부
22 : 제2 절단부

Claims

용융 피치를 방사 노즐로 주입하기 위한 피치 주입부 및 주입된 용융 피치를 섬유 형태로 토출하기 위한 적어도 하나의 방사 노즐을 포함하는 피치섬유 방사부;
상기 피치섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부로부터 토출되는 피치섬유가 감기는 적어도 하나의 회전롤부;
상기 회전롤부에 감긴 피치섬유를 절단하기 위한 적어도 하나의 절단부; 및
상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유를 일 방향으로 이동시키기 위한 이송부;를 포함하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사 노즐로부터 피치섬유가 복수의 섬유 형태로 방사되는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 피치섬유 방사부와 상기 회전롤부 사이에 개재되며,
복수의 섬유 형태로 방사되는 피치섬유를 집속시키기 위한 집속부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 회전롤부는 이의 수평방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비되며, 상기 회전롤부의 이동에 의해 상기 회전롤부 상에 상기 피치섬유가 감기는 위치가 좌측 또는 우측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 회전롤부는 상기 피치섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치섬유 방사부로부터 토출되는 피치섬유가 감기는 제1 회전롤부; 및 상기 제1 회전롤부를 통과한 피치섬유를 연신시키기 위한 제2 회전롤부;를 포함하되,
여기서 상기 제1 회전롤부는 고정되어 있으며, 상기 제2 회전롤부 이의 수평방향으로 좌우 이동이 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 절단부는 상기 회전롤부의 좌측 및 우측에 각각 구비된 제1 절단부 및 제2 절단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유는 상기 이송부 상에 동일한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조장치.
(a) 피치섬유 방사부에 용융 피치를 주입하는 단계;
(b) 상기 피치섬유 방사부에서 상기 용융 피치를 토출하여 피치섬유를 방사하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)에서 방사된 피치섬유를 회전롤에 감아 연신시키는 단계;
(d) 상기 회전롤에 감긴 피치섬유를 절단하는 단계; 및
(e) 상기 절단된 피치섬유를 불융화하는 단계;를 포함하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 용융 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 화학계 피치로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 단계 (e)의 불융화 온도는 150 ~ 400 ℃인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 단계 (d)에 따른 절단을 수행하기 전 상기 회전롤에 감긴 피치섬유를 불융화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 불융화 온도는 150 ~ 280 ℃인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불융화는 산화성 기체의 혼입 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 단계 (d)에서 절단된 피치섬유는 동일한 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 피치계 탄소 단섬유의 제조방법.