KR20160057552A - 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는, 원통체로 형성되고, 원통의 축 방향으로 최소한 일단이 개방된 원통형의 내부 드럼과; 원통체로 형성되고, 상기 내부 드럼보다 큰 직경을 가지며, 내부 드럼의 외주면 상에 배치되고, 상기 내부 드럼과 축-방향으로 동일한 중심축을 갖도록 배치된 원통형의 외부 드럼을; 포함하며, 상기 내부 드럼 및 외부 드럼은 원통의 직경 방향으로 통기가 가능하도록 원통체에 다수의 통기공이 구비된 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유용 보빈을 제공한다. 본 발명의 보빈에 의하면, 전구체 섬유의 사절이 없을 뿐만이 아니라 안정적인 권취 케이크의 형성이 가능하며, 나아가 권취된 전구체 섬유 케이크의 균일한 후처리가 가능하다.

Description

탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈{Bobbin for Taking-up Precusor Fiber of Carbon Fiber}

본 발명은 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각이 다수의 통기공을 구비한 내-외부의 이중 드럼으로 구성되고, 내부 드럼이 전구체 섬유 처리용 가스가 통과하지 않는 영역을 구비하여, 전구체 섬유의 사절이 없을 뿐만이 아니라 안정적인 권취 케이크의 형성이 가능하며, 나아가 권취된 전구체 섬유 케이크의 균일한 후처리가 가능한 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈에 관한 것이다.

피치, 콜타르 오일, 폴리아크릴로니트릴 등의 원재료를 전구체 섬유로 방사한 다음 이를 탄소화하여, 탄소섬유로 제조하는 방법은 1980년대부터 시도되어 잘 알려진 방법이다.

이들 중, 피치나 콜타르 오일로부터 제조되는 탄소섬유는 전구체 섬유가 불안정하여 단사가 자주 발생하므로, 섬유상태에서 연속적으로 탄화공정에 투입하는 것이 어렵다. 그에 따라, 전구체 섬유가 보빈 등의 지지체에 권취된 상태에서 안정화한 다음 탄소화 하거나, 또는 권취된 상태에서 안정화, 불융화 처리 및 탄소화처리를 동시에 수행하는 방법이 시도된 바 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는 피치계 전구체 섬유를 가요성(flexible) 보빈에 권취한 다음, 불융화 처리 전에 상기 가요성 보빈을 변형시켜 제거한 다음, 전구체 섬유를 케이크 상태로 얻어 불융화처리, 탄소화처리하여 탄소섬유를 제조하는 방법과 그 방법을 위한 가요성 보빈이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 따를 경우, 전구체섬유를 케이크 상태에서 처리하기에 앞서 후처리 하기에 앞서 가요성 보빈을 변형/제거시켜야 하므로 공정이 불연속적이고, 보빈을 재사용할 수 없으므로 비경제적이다.

한편, 특허문헌 2에는 다공성이면서 비팽창성인 보빈(bobbin) 또는 스풀(spool)에 피치로부터 유래하는 탄소섬유의 전구체 섬유를 권취한 다음, 이를 풀지 않고 권취된 상태에서 불활성가스와 산소를 포함하는 가스로 처리하여 탄소화를 수행하여 탄소섬유를 제조하는 방법, 또는 그를 위한 보빈 또는 스풀이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는 상기 비팽창성이면서 다공성인 보빈 또는 스풀의 재질이 와이어-메시(wire-mesh)일 수 있음을 시사하고 있다.

특허문헌 2, 3의 경우, 다공성 보빈을 개시하고 있다는 점에서 진일보적인 방법이나, 이 경우에도 매우 불안정한 피치계 전구체 섬유를 보빈에 권취할 때에 발생하는 단사의 문제점은 여전하고, 특히, 권취 초기에, 다공성 보빈에서 발생하는 가스압력 때문에 전구체 섬유가 다공성 보빈에 접촉시 섬유의 사절이 발생되거나, 접촉 부위가 균일하게 이루어지지 않아서, 권취된 전구체 섬유의 권취체(케이크)의 형태가 균일하고 안정적이지 않게 된다는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은, 상술한 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 보빈을 서로 다른 각속도로 회전하는 이중드럼으로 구성하면서, 보빈의 일부에 처리가스의 흐름이 없는 영역을 구비할 경우, 보빈의 외부로 유도되는 처리가스를 보다 균일하게 할 수 있으면서도 추가적으로 권취 초기의 불안정한 접촉문제를 해결할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

일본특허공개공보 제1985-119224호 미국특허 제4,527,754호 미국특허 제4,576,810호

본 발명의 목적은 사절이 없으면서, 나아가, 형태적으로 안정한 권취가 가능한, 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈을 제공하는 것이다.

본 발명에서는, 탄소섬유의 전구체 섬유를 권취하여 감는 보빈으로서, 원통체로 형성되고, 원통의 축 방향으로 최소한 일단이 개방된 원통형의 내부 드럼과; 원통체로 형성되고, 상기 내부 드럼보다 큰 직경을 가지며, 내부 드럼의 외주면 상에 배치되고, 상기 내부 드럼과 축-방향으로 동일한 중심축을 갖도록 배치된 원통형의 외부 드럼을; 포함하며, 상기 내부 드럼 및 외부 드럼은 원통의 직경 방향으로 통기가 가능하도록 원통체에 다수의 통기공이 구비된 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈을 제공한다.

상기 외부 드럼은 상기 내부 드럼과 분리하여 회전하는 것이 바람직하다.

상기 내부 드럼은 외주면이 원통체의 축-방향으로 형성되는 분할 선에 의하여 최소한 2 이상의 영역들로 분할되고, 상기 영역들 중 최소한 하나 이상의 영역에는 통기공이 형성되지 않은 것이 바람직하다.

상기 외부 드럼은 와이어-메시로 형성된 것임이 바람직하다.

상기 전구체 섬유는 피치 섬유인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 보빈(10)은, 내부 드럼과 외부 드럼으로 구성하여 권취된 전구체 섬유 케이크에 전구체 섬유 처리용 가스를 보다 균일한 풍속과 풍량으로 공급할 수 있다.

또한, 내부 드럼에 전구체 섬유 처리용 가스가 통과하지 않는 영역을 구비하고, 이에 해당하는 위치의 외부 드럼으로부터 권취가 개시될 수 있으므로, 보빈에 최초로 접하는 전구체 섬유와의 접촉을 용이하게 하고, 나아가 과처리를 방지함으로써, 권취 초기에도 사절이 발생하지 않고, 또한 안정적으로 전구체 섬유를 권취할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 탄소섬유의 전구체 섬유용 보빈(10)에 대한 사시도이다.
도 2는 상기 보빈(10)에 대한 횡단면도(2a) 및 종단면도(2b)이다.
도 3은 내부 드럼(11)에 대한 사시도이다.

본 발명에 따르는 보빈은 탄소섬유의 전구체 섬유를 권취하여 감는 보빈이다. 상기 탄소성유의 전구체 섬유는 예를 들어, 피치(pitch) 섬유이거나 또는 폴리아크릴로니트릴(polyacylonitrile, PAN) 섬유일 수 있다. 본 발명에 따르는 보빈은 이들 중, 특히 불안정한 피치 섬유를 권취할 목적으로 발명된 것이나, 다른 소재의 전구체 섬유를 권취한 다음 안정화, 산화 또는 탄화공정을 거쳐 탄소섬유로 제조하는 데에도 적용될 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 보빈을 설명한다. 도 1은 상기 보빈에 대한 사시도이고, 도 2는 횡단면도(2a) 및 종단면도(2b)이다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 보빈(10)은 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16)이 조합되어 형성된다. 상기 보빈은 이에 권취되는 전구체 섬유의 양에 맞추어 임의적인 크기로 제작될 수 있다.

내부 드럼(11)

도 3은 상기 보빈(10)의 일부인 내부 드럼(11)에 대한 사시도이다.

상기 내부 드럼(11)은 내부로 통기가 가능한 원통체로 형성된다. 이때, 상기 원통체는, 원통체의 축-방향(점선으로 표시)으로 최소한 일단이, 바람직하게는 양단이 모두 개방된 형태이다.

사기 내부 드럼(11)의 재질은 종이, 플라스틱, 금속소재 등, 전구체섬유를 안정화, 불융화, 탄소화시키는 온도에 형태가 변하지 않는 재질이면 어느 것이라도 사용하여 제작될 수 있으며, 바람직하게는 금속소재의 것을 사용한다.

상기 원통체에는 원통의 직경-방향으로 다수의 통기공(12)이 구비된다. 그 결과, 원통체의 축-방향으로 개방된 입구(13)로부터 유입된 전구체 섬유 처리용 가스가 통기공(12)을 통하여 후술하는 외부 드럼(16) 방향으로 방향을 바꾸어 확산된다.

상기 전구체 섬유 처리용 가스는 예를 들어, 전구체 섬유의 안정화 처리용 가스 또는 전구체 섬유의 불융화 처리용 가스, 및/또는 탄화 처리용 가스 등일 수 있다. 안정화 처리용 가스 또는 불융화처리 가스는 예를 들어, 뜨거운 공기(hot air), 질소, 아르곤과 같은 불활성 가스일 수 있으며, 탄화처리용 가스는 예를 들어 상기 불활성가스와 산소의 혼합가스일 수 있다.

도시된 내부 드럼(11)은 원통체에 형성된 통기공(12)이 원통체의 축-방향 및 상기 축-방향과 수직인 방향으로 모두 같은 간격이 되도록 형성된 것이나, 본 발명에서 상기 통기공(12)의 형성 간격이 이에 한정되는 것은 아니어서, 예를 들어, 통기공(12)를 통하여 확산되는 가스가 균일하거나 거의 균일한 풍속을 갖도록 하는 형태이면 등간격이 아니거나 또는 무작위의 형태로 변화될 수 있다. 통기공(12)의 형태 역시 그 단면이 예시된 원형에만 제한되는 것은 아니어서, 사각형을 포함하는 다각형이거나 또는 다른 임의의 형태일 수 있다. 한편, 상기 통기공(12)은 축-방향으로는 후술하는 외부 드럼(16)이 중첩되는 영역에만 형성된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 내부 드럼(11)은 원통체에 통기공이 형성되지 않은 영역(A)을 구비한 것을 특징으로 한다. 통기공이 형성되지 않은 영역(A)라 함은 원통체의 외주면이 축-방향으로 형성되는 가상의 분할 선들(L, L`)에 의하여 최소한 2 이상의 가상의 영역들로 분할(A, B)되고, 이들 중, 통기공이 분포하지 않은 영역(A)을 말한다. 도시된 바와 같이, 상기 통기공이 형성되지 않은 영역은 원통체의 중심축과 평행한 띠-형태로 형성될 수 있다.

상기 통기공이 형성되지 않는 영역(A)은 후술되는 바와 같이, 탄소섬유의 전구체 섬유가 보빈(10)에 권취될 때, 최초로 보빈과 전구체 섬유가 접하는 위치로 제공된다. 상기 통기공이 형성되지 않은 영역(A)의 둘레-방향의 폭은 임의적이다. 예를 들어, 내부 드럼(11)을 형성하는 원통체 원주의 1/8~1/2 폭으로 형성될 수 있다.

외부 드럼(16)

외부 드럼(16)은 그 외주면 상에 전구체 섬유가 와인딩 되는 와인더 기능을 한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 외부 드럼(16)은 원통체로 형성되고, 상기 내부 드럼보다 큰 직경을 가지며, 내부 드럼의 외주면 상에 배치되고, 상기 내부 드럼과 축-방향으로 동일한 중심축을 갖도록 배치된다.

한편, 상기 외부 드럼(16)을 형성하는 원통체 역시, 다수의 통기공(17)을 가진다. 그에 따라, 내부 드럼(11)의 통기공을 빠져나온 전구체 섬유 처리용 가스는 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16) 사이를 통과, 또는 국부적으로 우회/순환한 다음 통과하면서. 보다 균일한 풍속과 풍량으로 외부 드럼의 통기공(17)을 통과하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시태양에서, 상기 외부 드럼(16)은 내부 드럼(11)과는 다른 각속도로, 분리되어 회전이 가능한 형태로 상기 보빈(10)이 제작되어야 한다. 예를 들어, 내부 드럼(11)은 고정된 채로, 외부 드럼(16)에 만이 동력장치(미도시)가 구비되어 전구체 섬유를 권취하는 것이 가능하거나 또는 그 속도에 맞추어 권취가 가능하도록 제작될 수 있다. 이에 따라, 상기 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16)은 이들이 마주하는 면 사이의 양단 또는 일부에 지지체(18)가 개재된 상태로 조립될 수 있다. 상기 지지체(18)는 예를 들어, 베어링일 수 있다. 상기 지지체(18)의 삽입으로 인하여 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16) 사이에 형성되는 공간은 내부 드럼(11)의 통기공(12)을 통과한 전구체 섬유 처리용 가스가 외부 드럼(16)을 통과하기 전에 국부적으로 우회/순환하는 공간으로 제공된다. 그 결과, 보다 균일한 풍속과 풍량으로 외부 드럼(16)의 통기공(17)을 통과할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따르는 보빈(10)의 바람직한 실시태양에서, 상기 외부 드럼(16)은 와이어-메시(wire-mesh)를 이용하여 제작될 수 있다. 와이어 메시를 사용하여 외부 드럼(16)을 제작하는 경우, 상기 권취되는 전구체 섬유와의 접촉면적을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

상기 외부 드럼(16)은 내부 드럼(11)과 지지체(18)를 매개로 결합된다. 상기 지지체(18)는 예를 들어 베어링과 같이, 내부 드럼(11)의 원통체 외부에 외부 드럼(16) 지지하면서, 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16)에 의하여 형성되는 공간으로 유입된 가스가 외부 드럼(16)의 통기공(17)을 제외한 다른 공간으로 통기되는 것을 막는 기능을 한다. 도 2b에 도시된 바는 두 개의 지지체(18)가 구비된 것이나, 필요에 따라 상기 지지체(18)의 수는 3개 이상으로 늘일 수 있다.

작용/효과

본 발명에 따르는 보빈(10)에서, 전구체 섬유 처리용 가스는 내부 드럼(11)의 개방된 입구(13)를 통하여 유입되고, 상기 내부 드럼(11)에 형성된 통기공(12)을 통하여 외부 드럼(16)과 접촉하게 된다. 이때, 상기 내부 드럼(11)과 외부 드럼(16)은 서로 다른 각속도로 회전이 가능하다. 바람직하게는 상기 내부드럼(11)은 회전하지 않게 고정되고, 외부드럼(16)만이 회전한다. 따라서, 내부 드럼(11)을 빠져나가 외부 드럼(16)에 유입되는 전구체 섬유 처리용 가스는, 이들 사이에 형성되는 공간에서 국부적으로 우회/순환하게 되는 공간과 경로를 갖는다. 따라서, 그 결과, 보다 균일한 풍속과 풍량으로 외부 드럼(16)의 통기공(17)을 통과할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따르는 보빈(10)에서, 전구체 섬유는 외부 드럼(16)의 원통체 면에 권취된다. 본 발명에 따르는 보빈(10)은, 내부 드럼(11)에, 통기공이 형성되지 않는 영역(A)을 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 통기공이 형성되지 않는 영역(A)에 상응하는 외부 드럼(16)의 위치에 전구체 섬유가 최초로 접촉하게 된다. 따라서, 외부 드럼(16)에 부분적으로 고온의 전구체 섬유 처리용 가스가 유출되지 않는 부분을 형성하는 것이 가능하고, 이 위치에서 전구체 섬유의 권취가 개시된다. 그에 따라, 권취 초기 또는 권취 개시기에 발생할 수 있는 외부 드럼(16)과 전구체 섬유의 접촉불량, 과처리(over-treatment)에 의한 단사를 방지할 수 있어서, 탄소섬유 전구체를 방사한 후, 실질적으로 권취가 가능해진다. 또한, 권취 초기의 접촉불량을 방지함에 따라, 접촉불량이 원인이 되어 발생하는, 탄소섬유 케이크의 두께 불균형을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 보빈(10)에서, 내부 드럼(16)과 외부 드럼(16)은 서로 다른 각속도로 회전이 가능하다. 따라서, 외부 드럼(16)에 권취된 전구체 섬유는 내부 드럼(11)의 일부에 통기공이 형성되지 않는 영역(A)이 구비되어 있음에도, 전체적으로 균일한 전구체섬유의 처리가 가능하다.

10.. 보빈 11.. 내부 드럼
12, 17.. 통기공 13.. 전구체 섬유 처리용 가스
16.. 외부 드럼 18.. 지지체

Claims (5)

1. 탄소섬유의 전구체 섬유를 권취하여 감는 보빈으로서,
   원통체로 형성되고, 원통의 축 방향으로 최소한 일단이 개방된 원통형의 내부 드럼과; 원통체로 형성되고, 상기 내부 드럼보다 큰 직경을 가지며, 내부 드럼의 외주면 상에 배치되고, 상기 내부 드럼과 축-방향으로 동일한 중심축을 갖도록 배치된 원통형의 외부 드럼을; 포함하며,
   상기 내부 드럼 및 외부 드럼은 원통의 직경 방향으로 통기가 가능하도록 원통체에 다수의 통기공이 구비된 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 드럼은 상기 내부 드럼과 분리하여 회전하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부 드럼은 외주면이 원통체의 축-방향으로 형성되는 분할 선에 의하여 최소한 2 이상의 영역들로 분할되고, 상기 영역들 중 최소한 하나 이상의 영역에는 통기공이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈.
4. 제 1항에 있어서, 상기 외부 드럼은 와이어-메시로 형성된 것임을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈.
5. 제1항에 있어서, 상기 전구제 섬유는 피치 섬유인 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 전구체 섬유 권취용 보빈.

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