KR20190084187A - 탄소섬유 표면처리 장치 및 방법 - Google Patents

탄소섬유 표면처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 표면처리장치를 구성하는 표면처리조의 전극 구조를 +극/-극/+극으로 구성하고, 이웃하는 표면처리조의 단과 단 사이에 도전체를 설치하여 표면처리조 사이에 부가된 전하를 제거할 수 있는 탄소섬유 표면처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 탄소섬유 표면처리시 생성된 탄소섬유 표면의 관능기 농도를 증가시킬 수 있어 탄소섬유의 수지 젖음성 및 탄소섬유를 포함하는 복합재료의 계면 접착력을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유 표면 관능기의 농도를 증가시키기 위하여 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.

Description

탄소섬유 표면처리 장치 및 방법{Apparatus and method for treating surface of carbon fiber}
본 발명은 탄소섬유의 표면처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유 표면처리 장치를 구성하는 표면처리조의 전극 구조를 +극/-극/+극으로 구성하고, 이웃하는 표면처리조의 단과 단 사이에 도전체를 설치하여 표면처리조 사이에 부가된 전하를 제거함으로써, 탄소섬유의 수지 젖음성 및 복합재료 계면 접착력을 향상시킬 수 있는 탄소섬유의 표면처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
아크릴로니트릴(acrylonitrile, PAN)계 중합체로부터 제조되는 탄소섬유는 강도가 매우 우수하여, 탄소섬유의 원료로서 많이 사용되고 있다. 최근에는 전체 탄소섬유의 90%이상이 PAN계 탄소섬유이다. 주지된 바와 같이, 탄소섬유를 제조하는 방법으로 원료 섬유에 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등의 전구체 섬유(프리커서)를 산화 분위기에서 200~310℃로 내염화 처리하여 내염화 섬유를 수득한 후 이를 불활성기체 분위기에서 350~2000℃로 탄화 처리하여 탄소섬유를 얻는 방법이 보편화 되어있다.
경량성 및 강도/탄성률이 우수한 탄소섬유는 여러 종류의 매트릭스 수지와 복합 재료화되어 탄소섬유 복합재료(CFRP)가 된다. 최근, CFRP의 공업적인 용도가 넓어지면서 다양한 분야에 적용되고 있다. 스포츠(sports)/레저(leisure) 분야, 항공 우주 분야, 자동차 분야, 이차 전지 분야, 탄소필름 분야 등에서 고성능화(고강도화, 고탄성화), 경량화(섬유경량화 및 섬유 함유량 감소), 합성물의 물성 향상(탄소섬유 표면/계면 특성의 향상)에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 탄소섬유는 표면이 그래파이트 구조이기 때문에 복합 재료로 사용되는 매트릭스 수지와의 접착 강도가 불충분하다. 따라서, 보강재인 탄소섬유의 표면을 개질하여 매트릭스 수지와의 접착 강도를 향상시킴으로써, 탄소섬유와 매트릭스 수지가 긴밀히 접착된 복합 재료를 형성하고 있다. 이와 같은 탄소섬유의 표면처리 방법으로는, 가열 세정(Heat cleaning)법, 기상 산화법, 전기 분해법 등이 알려져 있지만, 현재는 조작성이 양호하고 반응 제어가 용이한 전기 분해법이 널리 이용되고 있다.
전기 분해법에 의한 탄소섬유의 표면처리는, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해를 유도하여, 탄소섬유의 표면에 관능기를 부여하는 방법으로서, 수지와 탄소섬유 간 접착력 향상을 위해 통상적으로 전해질 수용액에 침지하여 전기 전압을 가하여 표면에 관능기를 생성시킨다. 이러한 전기 분해법에의한 탄소섬유의 표면처리는 탄소섬유와 전극의 접촉 방식에 따라, 접촉식과 비접촉식으로 분류된다. 접촉식은 탄소섬유를 표면처리단의 전해질 용액으로 유도하는 롤러를 양극으로 사용하고, 전해질 용액 중에 음극을 설치한 후, 탄소섬유가 전해질 용액을 통과할 때, 탄소섬유의 표면에서 전기분해가 발생하도록 하여, 탄소섬유의 표면에 관능기가 부여되도록 한다. 비접촉식 방법으로는, 전해액이 양극조(양극이 장치된 전해액조)를 흘러 넘치도록 하고(overflow), 이때, 전해액의 표면 장력에 의하여 발생하는 전해액의 액고(液高, 양극조를 흘러 넘치는 전해액의 높이)를 이용하여, 양극조를 흘러 넘치는 전해액에 탄소섬유를 통과시켜, 탄소섬유에 양극 전류를 비접촉식으로 인가하는 방법이 대표적으로 사용되고 있다.
일본공개특허 제2008-248424호에 +극 -극이 교대로 설치된 표면처리단을 낮은 전압으로 다단으로 통과시키는 방법이 개시되어 있으나, 탄소섬유의 표면 결함이 제거되지 않아 강도가 낮아지는 문제점이 있다. 또한, +극, -극이 교대로 설치된 다단의 표면처리단을 높은 전압에서 처리하는 기술이 개시되어 있으나, 다단 처리시 앞단에서 생성된 표면 관능기가 다음 단의 표면처리단에서 제거되어 탄소섬유의 표면 관능기 생성 효율을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 탄소섬유의 수지 젖음성을 증가시켜 탄소섬유 복합재료 계면의 물성을 증가시킬 수 있는 탄소섬유의 표면처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소섬유 표면에 관능기를 효과적으로 생성시켜 관능기를 일정 농도로 올리기 위해 소비되는 전력을 감소시킬 수 있는 탄소섬유의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
내부에 전해질 수용액이 정치(定置)되는 제1 전해조, 상기 제1전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제1 양극판 및 상기 제1 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제1 롤러를 포함하는 제1 양극 표면처리단;
상기 제1 양극 표면처리단 후단에 위치하며, 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제2 전해조, 상기 제2 전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 음극에 접속되는 제1 음극판 및 상기 제2 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제2 롤러를 포함하는 제1 음극 표면처리단;
상기 제1 음극 표면처리단 후단에 위치하며, 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제3 전해조, 상기 제3 전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제2 양극판 및 상기 제3 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제3 롤러를 포함하는 제2 양극 표면처리단; 및
상기 제3 롤러에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 양극 표면처리단, 제1 음극 표면처리단 및 제2 양극 표면처리단으로 구성된 제1 표면처리조에 인가된 전하를 제거하는 도전체를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 장치에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은
직류 전원의 양극에 연결된 제1 양극판이 설치된 제1 양극 표면처리단, 직류 전원의 음극에 연결된 제1 음극판이 설치된 제1 음극 표면처리단 및 직류 전원의 양극에 연결된 제2 양극판이 설치된 제2 양극 표면처리단으로 구성된 제1 표면처리조에 전해질 수용액을 공급하는 단계;
상기 제1 양극 표면처리단의 내부에 위치된 제1 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 하는 단계;
상기 제1 음극 표면처리단의 내부에 위치된 제2 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 하는 단계;
상기 제2 양극 표면처리단의 내부에 위치된 제3 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기분해가 발생하는 단계; 및
상기 탄소섬유가 상기 제2 양극 표면처리단을 통과한 이후에 상기 제3 롤러에 전기적으로 연결된 도전체에 의해 상기 제1 표면처리조에 인가된 전하를 제거하는 단계를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은
상기 탄소섬유의 표면처리 방법에 의해 표면이 개질되며, 5.1 GPa 의 인장 강도를 가지는 탄소섬유에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치 및 방법에 의하면, 탄소섬유 표면 처리시 생성된 탄소섬유 표면의 관능기 농도를 증가시킬 수 있어 탄소섬유의 수지 젖음성 및 탄소섬유를 포함하는 복합재료의 계면 접착력을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유 표면 관능기의 농도를 증가시키기 위하여 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소섬유의 표면처리 장치의 제1 표면처리조, 제2 표면처리조 및 제3 표면처리조를 순차적으로 통과하는 탄소섬유의 표면처리 공정을 보여주는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여, 본 발명에 의한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 방법을 설명한다. 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소섬유의 표면처리 장치의 제1 표면처리조, 제2 표면처리조 및 제3 표면처리조를 순차적으로 통과하는 탄소섬유의 표면처리 공정을 보여주는 개략도이다.
본 발명에 의한 전기 분해법을 이용한 탄소섬유 표면처리 장치를 구성하는 제1 표면처리조(100)는 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)을 순차적으로 포함하는데 각각의 표면처리단(10,20,30)의 전극 구조가 +극/-극/+극으로 배열되어 탄소섬유 표면의 산화전기분해 반응을 유도함에 있어서, +극/-극/+극으로 배열된 표면처리단을 통과하는 탄소섬유 표면을 따라 -극의 전하가 +극으로 이동하면서 또는 +극의 전하가 -극으로 이동하면서 전해질 내의 수산기, 산소기 등이 전위가 높은 탄소섬유 표면에 전기적 인력에 의해 전기화학적으로 결합된다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 탄소섬유 표면처리 장치는 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)으로 구성된 제1 표면처리조(100)를 포함한다.
제1 양극 표면처리단(10)은 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제1 전해조(11), 제1 전해조(11)와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제1 양극판(12) 및 제1 전해조(11) 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제1 롤러(미도시)를 포함한다. 제1 음극 표면처리단(20)은 제1 양극 표면처리단(10) 후단에 위치하며 제1 양극 표면처리단(10)을 먼저 통과한 탄소섬유(15)가 통과하게 된다. 제1 음극 표면처리단(20)은 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제2 전해조(21), 제2 전해조(21)와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 음극에 접속되는 제1 음극판(22) 및 제2 전해조(21) 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유(15)를 통과시키는 제2 롤러(미도시)를 포함한다. 제2 양극 표면처리단(30)은 제1 음극 표면처리단(20) 후단에 위치하며 제1 음극 표면처리단(20)를 먼저 통과한 탄소섬유(15)가 통과하게 된다. 제2 양극 표면처리단(30)은 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제3 전해조(31), 제3 전해조(31)와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제2 양극판(32) 및 제3 전해조(31) 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유(15)를 통과시키는 제3 롤러(미도시)를 포함한다.
제1 양극 표면처리단(10)에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유(15)를 통과시켜 탄소섬유 표면에 양극 전류를 인가시킨다. 다음, 제1 음극 표면처리단(20)에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유(15)를 통과시켜 탄소섬유 표면에 음극 전류를 인가시킨다. 다음, 제2 양극 표면처리단(30)에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유를 통과시켜 탄소섬유 표면에 양극 전류를 인가시킨다.
도전체(34)는 제2 양극 표면처리단(30) 내의 제3 롤러에 전기적으로 연결되어 상기 제1 표면처리조(100)에 인가된 전하를 접지(earth grounding)에 의해 제거한다. 이에 의해, 제1 표면처리조(100)의 제1 양극 표면처리단(10)과 제1 음극 표면처리단(20) 사이 또는 제1 음극 표면처리단(20)과 제2 양극 표면처리단(10) 사이에 부가된 전하가 효율적으로 제거된다. 즉, 탄소섬유(15)가 순차적으로 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)으로 구성된 제1 표면처리조(100)을 통과한 후 도전체(34)에 의해 제1 표면처리조(100)에 인가된 전하가 제거된다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)은 제1 표면처리조(100)를 구성할 수 있다. 또한, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제2 표면처리조(200)가 제1 표면처리조(100)의 후단에 설치될 수 있다. 또한, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제3 표면처리조(300)가 제2 표면처리조(200)의 후단에 설치될 수 있다. 제2 표면처리조(200) 및 제3 표면처리조(300)는 제1 표면처리조(100)와 구성 및 기능이 동일할 수 있다.
탄소섬유(15)가 제1 표면처리조(100)를 통과한 이후에 제2 표면처리조(200)에 유입되기 이전에 도전체(34)에 의해 제1 표면처리조(100)에 인가된 전하를 제거한다. 또한, 탄소섬유(15)가 제2 표면처리조(200)를 통과한 이후에 제3 표면처리조(300)에 유입되기 이전에 도전체(34)에 의해 제2 표면처리조(200)에 인가된 전하를 제거한다. 이와 같이 본 발명은 탄소섬유(15)의 표면처리 효과를 향상시키기 위해 다단의 표면처리조들을 통과시킴에 있어, 표면처리조들의 단과 단 사이에 부가된 전하를 제거할 수 있는 도전체를 설치하여 탄소섬유(15) 통과시 이전 표면처리조에 인가된 전하를 제거한 후 다음 표면처리조를 통과시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 제1 표면처리조(100)에서 생성된 -COOH, =O, -OH 등의 관능기들이 다음 표면처리조를 통과할 때 제1 표면처리조(100)에서 생성된 관능기가 유지된 채로 통과할 수 있어 탄소섬유 표면에 생성된 관능기의 농도를 증가시킨다. 이에 의해 탄소섬유를 포함하는 복합재료의 계면 접착력을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유 표면에 관능기를 소정의 농도로 올리기 위해 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의한 전기 분해법을 이용한 탄소섬유(15)의 표면처리방법은, 먼저 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)에 전해질 수용액을 공급한다. 이어서, 탄소섬유를 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)에 공급된 전해질 수용액의 내부로 순차적으로 이동시키면서 탄소섬유의 표면이 개질되도록 한다.
구체적으로, 직류 전원의 양극에 연결된 제1 양극판(12)이 설치된 제1 양극 표면처리단(10), 직류 전원의 음극에 연결된 제1 음극판(22)이 설치된 제1 음극 표면처리단(20) 및 직류 전원의 양극에 연결된 제2 양극판(32)이 설치된 제2 양극 표면처리단(30)에 전해질 수용액을 공급한다. 이어서, 제1 양극 표면처리단(10)의 내부에 위치된 제1 롤러를 통하여 탄소섬유(15)를 제1 전해조(11)의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 한다. 이어서, 제1 음극 표면처리단(20)의 내부에 위치된 제2 롤러를 통하여 탄소섬유(15)를 제2 전해조(21)의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 한다. 이어서, 제2 양극 표면처리단(30)의 내부에 위치된 제3 롤러를 통하여 탄소섬유(15)를 제3 전해조(31)의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 한다.
본 발명에 의한 탄소섬유 표면처리 방법은 탄소섬유(15)가 제2 양극 표면처리단(30)을 통과한 이후에 제3 롤러에 전기적으로 연결된 도전체(34)를 통과하여, 제1 양극 표면처리단(10), 제1 음극 표면처리단(20) 및 제2 양극 표면처리단(30)으로 구성된 제1 표면처리조(100)에 인가된 전하를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
탄소섬유(15)는 제1 표면처리조(100)를 통과한 이후에 제1 표면처리조(100)와 제2 표면처리조(200) 사이에 위치하고 제3 롤러에 전기적으로 연결된 도전체(34)에 의해 제1 표면처리조(100)에 인가된 전하가 제거된 후 제2 표면처리조(200)로 이동한다. 또한, 탄소섬유(15)는 제2 표면처리조(200)를 통과한 이후에 제2 표면처리조(200)와 제3 표면처리조(300) 사이에 위치하고 제2 표면처리조(200) 내부의 롤러에 전기적으로 연결된 도전체(34)에 의해 제2 표면처리조(200)에 인가된 전하가 제거된 후 제3 표면처리조(300)로 이동한다. 이에 의해, 표면처리조의 전단에서 생성된 표면 관능기가 다음 단의 표면처리조에서 제거되지 않고 계속 유지되기 때문에 탄소섬유 표면의 관능기 생성 효율이 증가된다.
본 발명에서 사용 가능한 전해질 수용액으로는 통상의 전해액이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 황산, 질산, 염산, 인산등의 무기산 수용액; 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 등의 무기염기 수용액; 황산염(예: 황산나트륨), 질산염(예: 질산나트륨), 인산염, 암모늄염(예: NH4HCO3) 등의 중성염 수용액 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 그 농도는 통상 0.01 내지 20 중량%이고, 온도는 통상 5 내지 60℃ 일 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 탄소섬유로는, 아크릴로니트릴 중합체계 탄소섬유, 셀룰로오스계 탄소섬유, 피치(pitch)계 탄소섬유 등의 통상의 탄소섬유를 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄소섬유가 라지 토우의 형태로 공급될 수 있다.
전해질 수용액을 이용한 탄소섬유의 표면 개질은, 사용되는 탄소섬유 및 전해질 수용액의 종류 등에 따라 다르게 수행된다. 예를 들어, 탄소섬유의 표면 산화의 경우, 양극에 결합된 탄소섬유의 표면에서, OH- 이온이 전자를 양극으로 방출하고, 물 분자를 형성하면서 탄소섬유 표면을 산화시킨다. 다른 예로서, 전해질 수용액이 질소 관능 그룹을 포함할 경우, 탄소섬유 표면에 질소 관능 그룹이 도입된다.
본 발명에 적용되는 탄소섬유는 라지 토우의 탄소섬유일 수 있는데, 여기서 라지 토우는 필라멘트의 수가 적어도 24,000 개 이상일 수 있다. 이러한 라지 토우의 필라멘트의 개수에 따라 라지 토우의 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액에 공급하여 표면처리 할 때 전해조의 장력은 0.05 내지 0.2 cN/dpf로 설정하고, 수분율은 0.5 내지 1.5 중량%로 설정한다.
본 발명에 의한 표면처리 방법에 의해 표면이 개질된 탄소섬유는 계면 물성이 향상될 수 있으며, 따라서 탄소섬유를 이용한 복합 재료의 물성도 향상시킬 수 있다. 본 발명에 의한 표면처리 방법에 의해 표면이 개질된 탄소섬유는 예를 들어, 5.1 GPa 이상의 인장 강도를 가진다.
이하, 본 발명에서 사용가능한 탄소섬유의 제조방법을 설명한다. 설명되는 탄소섬유의 제조방법은 후술하는 실시예에 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 다양하게 변경하고 변형할 수 있다.
먼저 폴리아크릴로니트릴 중합체를 포함하는 탄소섬유 전구체 섬유를 준비하고, 해당 전구체 섬유에, 내염화 공정, 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정을 실시함으로써, 탄소섬유 다발을 얻는다.
이 때, 탄소섬유 전구체 섬유는 아크릴로니트릴계 중합체로부터 얻어지며, 상기 탄소섬유 전구체의 특성은 기본적으로 아크릴로니트릴계 중합체의 조성에 따라 달라진다. 본 발명에 사용되는 아크릴로니트릴계 중합체의 주성분은 아크릴로니트릴 단위로서, 상기 아크릴로니트릴 단위의 함량은 전체 아크릴로니트릴계 중합체에 대하여, 바람직하게는 90중량% 이상, 더욱 바람직하게는 95중량% 이상, 예를 들면, 95 내지 99중량%이다. 여기서, 상기 아크릴로니트릴 단위의 함량이 너무 적으면, 소성 공정으로 얻어지는 탄소섬유의 강도가 저하되는 등, 탄소섬유의 기계적 특성이 저하될 우려가 있다.
상기 아크릴로니트릴계 중합체는, 필요에 따라, 하나 이상의 공중합 성분(아크릴로니트릴 이외의 다른 보조 성분)을 포함할 수 있으며, 그 함량은 전체 아크릴로니트릴계 중합체에 대하여, 바람직하게는 10중량% 미만, 더욱 바람직하게는 5중량% 미만, 예를 들면, 1 내지 5중량%이다. 공중합 성분으로는, 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 크로톤산, 시트라콘산, 말레인산, 이들의 알킬에스테르(메틸아크릴레이트 등), 디아민 화합물, 트리아민 화합물 등을 예시할 수 있다.
이러한 아크릴로니트릴계 중합체로부터 탄소섬유 전구체를 제조하기 위하여, 상기 아크릴로니트릴계 중합체를 유기용매에 용해시켜 도프 원액을 제조하고, 도프 원액을 방사하고, 상기 도프 원액을 방사하여 형성된 응고섬유를 수세, 연신, 건조, 유제 부여 및 권취 단계를 거치게 된다. 일반적으로 탄소섬유 전구체 섬유 제조 공정은 습식 및 건습식 방사 공정으로 크게 구분되며, 도프 용액을 제조하기 위한 용매로는, 디메틸설폭시드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸 아세테이트(dimethyl acetate), 염화아연 수용액, 질산, 등 아크릴로니트릴 중합체를 용해시킬 수 있는 통상의 유기용매 및 무기용매를 사용할 수 있고, 상기 용매의 사용량은, 통상 아크릴로니트릴계 중합체 100중량부에 대하여 10내지 30중량부이다. 여기서, 유기용매의 사용량이 너무 적거나 많으면, 중합체의 방사가 곤란하거나 보이드의 제거가 비효율적으로 수행될 우려가 있다.
응고욕의 비용매로는 중합체 용액의 유기용매와는 잘 호환되지만 중합체를 용해시키지 않아 중합체를 고화시킬 수 있는 용매를 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 비용매로는 물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물과 유기 용매의 혼합물을 사용할 수 있으며, 필요에 따라 3성분 이상의 용액이 사용될 수도 있다. 상기 비용매에 유기 용매가 사용될 경우 그 함량은 약 35 내지 85중량%로 균일하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 응고욕의 비용매의 온도는 예를 들면, 5 내지 85℃ 범위로 조절할 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 33℃ 범위로 조절할 수 있다. 온도 설정이 상기 범위를 벗어나면, 중합체 용액의 방사가 원활히 이루어지지 않아 방사 공정의 효율성이 저하되고, 비경제적으로 작동한다.
응고욕을 통과한 응고섬유는 수세욕을 통과하여 수세된다. 또한, 방사된 응고섬유에 압축을 가하기 위하여, 압축 롤러(Squeezing Roller)가 사용될 수 있으며, 상기 압축 롤러의 압력은 통상 1 내지 5kgf/㎠이며, 바람직하게는 2내지 3kgf/㎠이다. 응고섬유를 수세, 연신 건조하는 공정이 완료되면, 유제가 부여되는데, 아미노 변성 실리콘 유제, 미립자, 암모늄 화합물 등을 포함하는 유제의 0.01 내지 5.0 중량% 수용액으로 처리된 뒤, 필요에 따라, 스팀 등의 고온 열매 중에서 다시 연신되어, 탄소섬유용 전구체 섬유로 제조될 수 있다. 제조된 전구체 섬유의 전체 연신 배율은 통상 7 내지 35배이고, 단섬유 섬도는 0.5 내지 2.0 dtex이다. 방사된 탄소섬유 전구체를, 통상의 방법에 따라, 산소분위기 및 200 내지 310℃에서 내염화 처리하고, 불활성분위기에서 350 내지 2000℃에서 탄화처리함으로써, 균일한 물성을 가진 탄소섬유를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구조를 다양하게 변경하고 변형할 수 있다는 사실은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부한 특허 청구범위 및 그와 균등한 범위로 정해져야 할 것이다.
10,20,30: 표면처리단 11,21,31: 전해조
12,32: 양극판 22: 음극판
34: 도전체 100,200,300: 표면처리조

Claims (10)

  1. 내부에 전해질 수용액이 정치(定置)되는 제1 전해조, 상기 제1 전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제1 양극판 및 상기 제1 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제1 롤러를 포함하는 제1 양극 표면처리단;
    상기 제1 양극 표면처리단 후단에 위치하며, 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제2 전해조, 상기 제2 전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 음극에 접속되는 제1 음극판 및 상기 제2 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제2 롤러를 포함하는 제1 음극 표면처리단;
    상기 제1 음극 표면처리단 후단에 위치하며, 내부에 전해질 수용액이 정치되는 제3 전해조, 상기 제3 전해조와 전기적으로 연결되며 직류 전원의 양극에 접속되는 제2 양극판 및 상기 제3 전해조 내부의 전해질 수용액 내에 위치하며 탄소섬유를 통과시키는 제3 롤러를 포함하는 제2 양극 표면처리단; 및
    상기 제3 롤러에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 양극 표면처리단, 제1 음극 표면처리단 및 제2 양극 표면처리단으로 구성된 제1 표면처리조에 인가된 전하를 제거하는 도전체를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 양극 표면처리단에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유를 통과시켜 탄소섬유 표면에 양극 전류를 인가시키고, 상기 제1 음극 표면처리단에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유를 통과시켜 탄소섬유 표면에 음극 전류를 인가시키며, 상기 제2 양극 표면처리단에 공급된 전해질 수용액의 내부로 탄소섬유를 통과시켜 탄소섬유 표면에 양극 전류를 인가시키는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제2 표면처리조가 상기 제1 표면처리조의 후단에 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제3 표면처리조가 상기 제2 표면처리조의 후단에 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 탄소섬유가 제1 표면처리조를 통과한 이후에 제2 표면처리조에 유입되기 이전에 상기 도전체에 의해 제1 표면처리조에 인가된 전하가 제거되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 탄소섬유가 상기 제2 표면처리조를 통과한 이후에 제3 표면처리조에 유입되기 이전에 상기 제2 표면처리조 내부의 롤러에 전기적으로 연결된 도전체에 의해 제2 표면처리조에 인가된 전하가 제거되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  7. 직류 전원의 양극에 연결된 제1 양극판이 설치된 제1 양극 표면처리단, 직류 전원의 음극에 연결된 제1 음극판이 설치된 제1 음극 표면처리단 및 직류 전원의 양극에 연결된 제2 양극판이 설치된 제2 양극 표면처리단으로 구성된 제1 표면처리조에 전해질 수용액을 공급하는 단계;
    상기 제1 양극 표면처리단의 내부에 위치된 제1 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기분해가 발생하도록 하는 단계;
    상기 제1 음극 표면처리단의 내부에 위치된 제2 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기 분해가 발생하도록 하는 단계;
    상기 제2 양극 표면처리단의 내부에 위치된 제3 롤러를 통하여 탄소섬유를 전해조의 전해질 수용액 내부로 이송시키면서, 탄소섬유의 표면에서 전기분해가 발생하는 단계; 및
    상기 탄소섬유가 상기 제2 양극 표면처리단을 통과한 이후에 상기 제3 롤러에 전기적으로 연결된 도전체에 의해 상기 제1 표면처리조에 인가된 전하를 제거하는 단계를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  8. 제7항에 있어서, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제2 표면처리조가 상기 제1 표면처리조의 후단에 설치되어, 상기 탄소섬유가 제1 표면처리조를 통과한 이후에 상기 제2 표면처리조에 유입되기 이전에 상기 도전체에 의해 제1 표면처리조에 인가된 전하가 제거되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 양극 표면처리단, 음극 표면처리단 및 양극 표면처리단이 순차적으로 배열되어 표면처리단의 전극 배열이 +극/-극/+극의 순서로 배열된 제3 표면처리조가 상기 제2 표면처리조의 후단에 설치되어 상기 탄소섬유가 상기 제2 표면처리조를 통과한 이후에 상기 제3 표면처리조에 유입되기 이전에 상기 제2 표면처리조 내부의 롤러에 전기적으로 연결된 도전체에 의해 제2 표면처리조에 인가된 전하가 제거되는 단계를 추가로 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  10. 제7항 내지 9항 중 어느 한항에 의한 탄소섬유의 표면처리 방법에 의해 표면이 개질되며, 인장 강도가 5.1 GPa인 탄소섬유.
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