KR20200073840A - 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법에 있어서, (a) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 준비하는 섬유준비단계; (b) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징(sizing)을 제거하는 디사이징단계; (c) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 바인더로 사용되는 고분자 섬유를 증류수에 투입하는 고분자 섬유 투입단계; (d) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 고분자 섬유가 투입된 혼합용액을 교반시키는 교반단계; (e) 상기 교반된 혼합용액에 증점제를 투입하는 증점제 투입단계; (f) 상기 증점제를 투입한 혼합용액이 분산되는 분산단계; (g) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유가 분산된 혼합용액을 여과시켜 고강도 탄소섬유를 필터링하는 필터링단계; (h) 필터링된 고강도 탄소섬유를 건조시키는 건조단계 및 (i) 건조된 고강도 탄소섬유를 핫프레스로 가열 가압하여 고분자 섬유를 녹이는 가열가압단계를 포함하는 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법 및 이를 이용해 제조되는 탄소면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항이 낮은 금속도금 탄소섬유와 탄소섬유를 이용하여, 저항 제어가 쉽고, 성능이 우수한 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법 및 이를 이용해 제조되는 탄소면상발열체에 관한 것이다.
최근 효율이 좋은 발열체에 관한 시장에 요구가 증가하고 있으며, 기존의 금속선을 이용한 발열체를 대신하는 탄소섬유를 이용한 발열체에 대한 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 일반적으로 탄소섬유는 자체저항을 가지고 있기 때문에 금속선을 대신하여 발열체로 사용하기 좋으며, 금속이 가지는 산화 및 내구성에 대한 이슈가 계속되면서 각광받고 있는 추세이다.
탄소섬유를 이용한 발열체는 길이가 긴 탄소섬유로 발열하는 방식과 부직포를 활용한 면상발열체를 가용하는 방식으로 나눌 수 있으며, 용도에 따라 각각의 방법을 다르게 사용하고 있다. 탄소섬유 부직포를 이용한 면상방열체는 전기가 통하면서 저항이 생기며 발열하는 방사열을 활용하며, 원하는 면적에 대하여 빠르게 온도를 올리고, 빠르게 식히는 장점이 있으며, 100℃이하의 저온에서는 기존의 금속과 비교하여 산화되지 않는 다는 장점이 있으며, 내구성이 뛰어나다.
특히, 발열하면서 원적외선이 방출되는 장점으로 주거용 난방소재부터, 작물생육에 도움을 주는 농업용 및 다양한 산업의 발열기능소재로서도 사용이 증가하고 있다.
기존의 면상발열체는 탄소소재 및 전도성 소재를 페이스트 형태로 제작하고 이를 고분자 필름에 도포하여 발열필름 형태로 제작하는 면상발열체가 있지만, 도포하는 필름과 페이스트와의 계면 박리 및 이에 따른 온도의 균일성 저하와 낮은 내구성으로 인해 사용이 제한적이다.
또한, 탄소섬유와 금속선을 이용하여 섬유직물에 직조한 면상발열체도 있지만 단선 시 발열체로서의 기능이 멈추는 문제점이 있다.
탄소섬유 부직포를 이용한 면상발열체의 경우 저항조절을 통해 원하는 발열온도를 제어하는 것이 핵심기술이며, 부직포의 균일성에 따른 저항제어가 어려운 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 기존 탄소섬유 부직포를 활용한 면상발열체의 저항제어를 용이하게 하고자 전도성이 높은 금속도금 탄소섬유를 탄소섬유 부직포 제작과정에서 일정함량을 첨가하여, 저항조절이 용이한 탄소섬유 부직포를 제작하는 것에 있으며, 탄소섬유 부직포의 낮은 면 저항으로, 발열효율 증대시키고 이를 활용한 탄소면상발열체를 제작하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법에 있어서, (a) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 준비하는 섬유준비단계; (b) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징(sizing)을 제거하는 디사이징단계; (c) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 바인더로 사용되는 고분자 섬유를 증류수에 투입하는 고분자 섬유 투입단계; (d) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 고분자 섬유가 투입된 혼합용액을 교반시키는 교반단계; (e) 상기 교반된 혼합용액에 증점제를 투입하는 증점제 투입단계; (f) 상기 증점제를 투입한 혼합용액이 분산되는 분산단계; (g) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유가 분산된 혼합용액을 여과시켜 고강도 탄소섬유를 필터링하는 필터링단계; (h) 필터링된 고강도 탄소섬유를 건조시키는 건조단계 및 (i) 건조된 고강도 탄소섬유를 핫프레스로 가열 가압하여 고분자 섬유를 녹이는 가열가압단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 또는 pitch계 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 1mm 내지 20mm의 길이로 준비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 아세톤에 2 내지 3시간동안 유지시켜 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징을 제거하거나 300 내지 500℃온도에서 20 내지 40분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 섬유는, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐알콜(PVA)섬유 중 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 혼합용액을 호모게나이저(homogenizer)를 이용하여 3,000 내지 10,000 rpm의 회전속도로 교반하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 혼합용액에 투입하는 증점제는 쟁탄검(xtanthan gum), 카보머(carbomer), 폴리아크릴아마이드(PAM)중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (g) 단계는, 필터링 시에 사용하는 필터는 100 내지 500메쉬(mesh)의 크기를 가지며, 고분자 또는 금속 소재로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (h) 단계는, 80~100℃의 온도의 오븐에서 22 내지 26시간동안 건조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (i) 단계는, 핫프레스를 이용하여 1 내지 2 bar의 압력으로 150 내지 180℃의 온도에서 30 내지 60분동안 성형하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제조된 탄소섬유 부직포에 한쌍의 구리전극을 일정간격으로 부착하고, 탄소섬유 부직포 양면에 절연을 위한 고분자 필름 또는 시트를 부착하여 제조되는 탄소면상발열체를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속도금 탄소섬유와 탄소섬유를 적용하여 제조되는 탄소섬유 부직포는 전기저항 제어 및 높은 인장강도를 가질 수 있다.
또한, 전기저항 제어를 통한 다양한 전도성 및 발열특성을 가지는 탄소섬유 부직포를 제작할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 부직포를 활용하여 탄소 면상발열체를 제작 할 수 있다. 이에 발열체가 필요한 다양한 분야에 적용하여 기존의 면상발열체를 대체하여 유용하게 사용될 수 있는 응용효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 일반 탄소섬유 부직포와 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유 부직포의 SEM사진이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 일반 탄소섬유 부직포와 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유 부직포의 SEM사진이다.
본 발명은 다 양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용 한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수 의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 등을 조합한 것이 존재함을 지정하려 는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성요소 등을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적 인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자 에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법은 저항이 낮은 금속도금 탄소섬유와 탄소섬유를 이용하여, 저항 제어가 쉽고, 성능이 우수한 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법 및 이를 이용해 탄소면상발열체를 제조할 수 있다.
즉, 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법 및 이를 이용해 제조되는 탄소면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항이 낮은 금속도금 탄소섬유와 탄소섬유를 이용하여, 저항 제어가 쉽고, 성능이 우수한 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포제조방법 및 이를 이용해 제조되는 탄소면상발열체로, 제조방법을 주된 내용으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 도 1 내지 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이며, 도 2의 (a) 및 (b)는 일반 탄소섬유 부직포와 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유 부직포의 SEM사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법은 섬유준비단계(S10), 디사이징단계(S20), 섬유 투입단계(S30), 교반단계(S40), 증점제 투입단계(S50), 분산단계(S60), 필터링단계(S70), 건조단계(S80) 및 가열가압단계(S90)를 포함할 수 있다.
먼저, 섬유준비단계(S10)는 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 준비하는 단계로써, 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 또는 pitch계 탄소섬유를 사용하며, 이에 한정되지 않고 다양한 탄소섬유가 적용될 수 있다.
이때, 금속도금 탄소섬유는 전도성 필러로 사용하는 것으로 탄소섬유와 함께 사용 시 전도성을 높이기 위한 구성이다.
금속도금 탄소섬유의 금속은 구리(Cu) 및 니켈 (Ni) 또는 금 (Au) 그리고 은(Ag) 등과 같은 전도성이 높은 금속을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 도금이 용이하고 가격이 저렴한 구리나, 니켈을 사용하는 것이 좋으며, 도금되는 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 또는 pitch계 탄소섬유일 수 있고, 이에 한정되지 않고 다양한 탄소섬유가 적용될 수 있다.
금속도금 탄소섬유의 금속 도금방식은 무전해 도금, 전해 도금, 플라즈마 증착 중 하나로 진행될 수 있다.
또한, 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 1mm 내지 20mm의 길이로 준비할 수 있다.
탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 1mm 미만 길이로 준비하면 금속 층이 떨어져 나가는 문제점과 섬유의 길이가 너무 짧아져 부직포를 제작하는 과정에서 강도의 저하 및 접점의 증가에 따른 저항증가가 야기될 수 있고, 20mm를 초과하면 금속도금 탄소섬유 및 탄소섬유의 분산이 용이하지 않아 부직포 제조과정에서의 뭉침 현상으로 부직포에 구멍이 발생할 수 있다.
따라서, 1mm 내지 20mm 길이로 준비하는 것이 바람직할 수 있다.
다음으로, 디사이징단계(S20)는 섬유와 섬유가 원활하게 분산되도록 하는 것으로 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 아세톤에 2 내지 3시간동안 유지시켜 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징 (sizing)을 제거하거나 300 내지 500℃온도에서 20 내지 40분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거할 수 있다.
아세톤에 2 내지 3시간동안 유지시켜 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징을 제거할 때 2시간 미만으로 진행할 경우 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징이 충분히 제거되지 않으며, 3시간을 초과하여 진행할경우, 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징이 충분히 제거된 뒤에도 아세톤에 담겨있게 되므로, 탄소섬유 산화에 영향을 끼쳐 강도의 저하를 야기시킬 수 있다.
따라서, 아세톤을 이용해 사이징을 제거 할 때에는 2 내지 3시간동안 유지시켜 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징을 제거하는 것이 바람직하다.
또 다른 사이징제거 방식으로는 300 내지 500℃온도에서 20 내지 40분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거하는 것으로, 300℃미만으로 진행할 경우 사이징이 충분히 제거 되지 않는 문제가 있고, 500℃를 초과하여 진행할 경우에는 사이징이 제거된 뒤에도 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 표면이 열에 의해 손상되어 탄소섬유의 강도 저하를 야기할 수 있다.
따라서, 열처리를 이용해 사이징을 제거 할 때에는 400℃온도에서 30분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거하는 것이 바람직하다.
상기의 공기분위기란, 열처리로 안에 어떠한 가스도 넣지 않는 현재 공기 중 상태 분위기를 의미할 수 있다.
다음으로, 섬유 투입단계(S30)단계는, 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 바인더로 사용되는 고분자 섬유를 증류수에 투입하는 고분자 섬유 투입단계로써, 고분자 섬유는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐알콜(PVA)과 같은 열가소성 고분자 섬유 중 하나일 수 있다.
존재하는 가소성 고분자섬유 모두를 사용 가능하지만 제작이 완성된 탄소섬유 부직포의 강도를 고려하면 강도가 좋은 고분자 섬유를 사용하는 게 좋고, 가격적인 측면에서는 저렴한 고분자를 선택하는 게 좋기 때문에 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐알콜(PVA)과 같은 열가소성 고분자 섬유 중 하나를 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
교반단계(S40)는 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 바인더 섬유가 투입된 혼합용액을 교반시키는 단계로써, 상기 혼합용액을 호모게나이저(homogenizer)를 이용하여 3,000 내지 10,000 rpm의 회전속도로 교반할 수 있다.
호모게나이저는 시료를 마쇄하기 위하여 사용하는 분쇄기의 일종으로 균질기라고도 한다.
3000rpm미만의 회전속도로 교반하면 발생되는 전단력(shear force)이 적어 분산이 원활하지 않으며, 10000rpm을 초과하는 회전속도로 교반하면 탄소섬유가 너무 강한 전단력(shear force)으로 인하여 길이가 짧아지는 문제가 있다.
따라서, 3,000 내지 10,000 rpm의 회전속도로 교반하는 것이 분산을 용이하게 하는 바람직한 회전속도 범위이다.
다음으로, 증점제 투입단계(S50) 및 분산단계(S60)는 상기 교반된 혼합용액에 증점제를 투입하는 증점제 투입단계로 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 분산하기 위해 필요하며, 증점제는 쟁탄검(xtanthan gum), 카보머(carbomer), 폴리아크릴아마이드(PAM)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
증점제는 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 분산하는 분산액의 점도를 증가시켜 섬유와 섬유가 뭉치는 것을 완화 시켜주는 원리를 이용한 것이다.
이때, 증점제 양이 증가할수록 점도가 높아지며 분산이 용이한 반면, 너무 많은 증점제가 들어갈 경우 탄소섬유부직포 제작 시 전도도의 감소로 이어질 수 있으므로, 증점제는 혼합용액 대비 0.5 내지 5 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
다음으로, 필터링단계(S70)는 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유가 분산된 혼합용액을 여과시켜 고강도 탄소섬유를 필터링하는 단계로써, 고강도 탄소섬유 및 고분자 섬유를 혼합용액으로부터 여과하기 위해 진행되는 단계이다.
100 내지 500메쉬(mesh)의 크기를 갖는 고분자 또는 금속 소재로 제조된 필터를 사용할 수 있다.
이때, 100메쉬미만이면 메쉬의 크기가 커서 고강도 탄소섬유 및 고분자 섬유가 물과 함께 홀을 통과하는 문제가 생길 수 있으며, 500메쉬를 초과하면 메쉬의 크기가 촘촘하여 원활한 배수가 이루어 지지 않아 부직포가 제작 되지 않을 수 있는 문제가 있으므로, 100 내지 500메쉬(mesh)의 크기로 제작되는 것이 바람직하다.
또한, 필터의 경우 부직포 제작 시 수압에 흐트러지지 않아야 하며, 특히 고정 시에 강한 압력으로 눌렀을 때 영구적으로 변형이 되지 않을 정도의 강도를 가져야 하기 때문에 고분자 또는 금속 소재로 제작되는 필터를 사용하여 여과하는 것이 바람직하다.
만일, 필터 메쉬의 홀이 작아 배수가 원활 하지 않은 경우와 같이, 분산이 잘 되지 않는 조건에서 자연배수 시 분산액이 다시 뭉치는 현상을 방지하기 위해 강제로 진공펌프를 이용하여 배수를 시켜 여과 시킬 수 있다.
다음으로, 건조단계(S80)는 필터링된 고강도 탄소섬유 부직포의 수분을 증발하기 위한 단계로써, 80~100℃의 온도의 오븐에서 22 내지 26시간동안 건조하는 것을 특징으로 한다.
이때, 80℃미만의 온도에서 진행할 경우 수분이 충분히 증발하지 않을 수 있고, 100℃를 초과하는 온도에서 진행할 경우 타버려 부직포의 기능을 잃을 수 있는 문제가 있다.
또한, 22시간 미만의 시간동안 진행할 경우 온도를 급격하게 올려 건조해야 되므로, 겉은 건조되고, 속은 건조되지 않을 수 있고, 26시간을 초과하여 진행할 경우 오래 걸리며 부분적으로 건조되어 균일하게 건조되지 않을 수 있는 문제가 있다.
따라서, 80~100℃의 온도의 오븐에서 22 내지 26시간동안 건조하는 것이 바람직하다.
다음으로, 가열가압단계(S90)는 핫프레스를 이용하여 1 내지 2 bar의 압력으로 150 내지 180℃의 온도에서 30 내지 60분동안 성형하는 단계이다.
즉, 수분이 완전 건조된 탄소섬유 부직포 내의 바인더인 고분자 섬유를 녹여 탄소섬유 부직포의 강도를 증가시키기 위한 것이다.
1bar미만의 압력으로 150℃미만의 온도에서 30분 미만으로 진행할 경우 탄소섬유 부직포 내의 바인더인 고분자 섬유를 완전하게 녹이지 못하고, 2bar압력을 초과하며, 180℃를 초과하는 온도에서 60분을 초과하여 진행할 경우 탄소섬유 부직포의 표면이 열에 의해 손상될 수 있다.
따라서, 핫프레스를 이용하여 1 내지 2 bar의 압력으로 150 내지 180℃의 온도에서 30 내지 60분동안 성형하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기에서 설명한 본 발명의 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법으로 제조된 탄소섬유 부직포에 한쌍의 구리전극을 일정간격으로 부착하고, 탄소섬유 부직포 양면에 절연을 위한 고분자 필름 또는 시트를 부착하여 제조되는 탄소면상발열체를 제작할 수 있다.
절연을 위한 고분자 필름 또는 시트는 Thermal poly urethane (TPU), EVA, PP, PE 중 하나를 사용할 수 있으며, 용도에 맞게 사용할 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 일반 탄소섬유 부직포와 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유 부직포의 SEM사진이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속도금 탄소섬유와 탄소섬유를 적용하여 제조되는 탄소섬유 부직포는 전기저항 제어 및 높은 인장강도를 가질 수 있다.
또한, 전기저항 제어를 통한 다양한 전도성 및 발열특성을 가지는 탄소섬유 부직포를 제작할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 부직포를 활용하여 탄소 면상발열체를 제작 할 수 있다. 이에 발열체가 필요한 다양한 분야에 적용하여 기존의 면상발열체를 대체하여 유용하게 사용될 수 있는 응용효과를 기대할 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
또한, 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경하여 구현할 수 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
[실시예]
<실시예 1>
5mm의 길이로 탄소섬유(PAN계), 금속도금(구리) 탄소섬유를 준비하여 아세톤에 2시간 반 동안 유지시켜 사이징을 제거하고, 증류수에 고분자 섬유(폴리프로필렌(PP))를 투입하고, 호모게나이저를 이용해 5000rpm으로 교반한 후, 혼합용액에 증점제(쟁탄검)를 투입하고, 분산시켜 300메쉬의 필터로 필터링하고, 90℃의 온도의 오븐에서 24시간동안 건조시킨 후, 핫프레스를 이용하여 1.5bar의 압력으로 165℃의 온도에서 45분동안 성형하여 탄소섬유 부직포를 제조하였다.
이때, PAN계 탄소섬유는 일본 Toray사의 T700(12 K)를 사용하였다.
<실시예 2>
5mm의 길이로 탄소섬유(pitch계), 금속도금(니켈) 탄소섬유를 준비하여 400℃온도에서 30분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거하고, 증류수에 고분자 섬유(폴리에틸렌(PE))를 투입하고, 호모게나이저를 이용해 5000rpm으로 교반한 후, 혼합용액에 증점제(카보머)를 투입하고, 분산시켜 300메쉬의 필터로 필터링하고, 90℃의 온도의 오븐에서 24시간동안 건조시킨 후, 핫프레스를 이용하여 1.5bar의 압력으로 165℃의 온도에서 45분동안 성형하여 탄소섬유 부직포를 제조하였다.
이때, Pitch계 탄소섬유는 일본 미쯔비시 화학의 K63712 12k를 사용하였다.
<실시예 3>
실시예 1과 동일하게 제작되는 탄소섬유 부직포에 한쌍의 구리전극을 일정간격으로 부착하고, 탄소섬유 부직포 양면에 절연을 위한 고분자 필름을 부착하여 면상발열체를 제작하였음.
<실시예 4>
실시에 2와 동일하게 제작되는 탄소섬유 부직포에 한쌍의 구리전극을 일정간격으로 부착하고, 탄소섬유 부직포 양면에 절연을 위한 고분자 필름을 부착하여 면상발열체를 제작하였음.
<비교예 1>
일반상용 탄소섬유(PAN계) 부직포를 사용하였다.
<실험예 1> 부직포의 기계적 강도 측정
실시예 1 및 2, 비교예 1에서 제조된 부직포의 기계적 강도 측정을 위해 독일회사 Textechno의 FAVIGRAPH를 통해 단일섬유의 인장강도 및 인장탄성률을 측정하였다.
측정된 기계적 강도(인장강도, 인장탄성률)를 하기 [표 1]에 나타내었다.
| 인장강도(GPa) | 인장탄성률(GPa) | |
| 실시예 1 | 8.486 | 250.66 |
| 실시예 2 | 8.117 | 248.13 |
| 비교예 1 | 5.87 | 255.13 |
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 인장강도는 실시예 1 및 2가 비교예 1보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
인장탄성률은 실시예 1 및 2가 비교예 1보다 낮은 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법은 기계적 강도를 증가시켜 고강도 탄소섬유 부직포를 제조할 수 있다고 판단된다.
<실험예 2> 부직포의 전기전도도(비저항 측정)
탄소섬유 0.5 g, PVA 0.5 g, PAM 0.05 wt.% 수용액 5 ml는 고정으로 하고, 하기 표 2와 같이 실시예 3 및 실시예 4의 금속도금 탄소섬유 함량을 증가시켜 실험을 하며, 이에 따른 비저항 값의 변화를 관찰하였다.
비저항 값 결과는 [표 2]에 나타내었다.
| 금속도금 탄소섬유 함량(g) | 실시예 3 비저항(ohmcm) | 실시예 4 비저항(ohmcm) |
| 0 | 0.131 | 0.14 |
| 0.10 | 0.083 | 0.095 |
| 0.15 | 0.087 | 0.098 |
| 0.20 | 0.092 | 0.101 |
| 0.25 | 0.086 | 0.090 |
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 비저항 값은 실시예 3 및 4에서 금속도금 탄소섬유 함량이 0g일 때보다 낮아 전기전도율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법은 전기전도율를 증가시켜 면상발열체에 적용할 시, 저항제어가 쉬운 고강도 탄소섬유 부직포를 제조할 수 있다고 판단된다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
Claims (11)
- (a) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 준비하는 섬유준비단계;
(b) 탄소섬유의 사이징(sizing)을 제거하는 디사이징단계;
(c) 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 바인더로 사용되는 고분자 섬유를 증류수에 투입하는 고분자 섬유 투입단계;
(d) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유와 고분자 섬유가 투입된 혼합용액을 교반시키는 교반단계;
(e) 상기 교반된 혼합용액에 증점제를 투입하는 증점제 투입단계;
(f) 상기 증점제를 투입한 혼합용액이 분산되는 분산단계;
(g) 상기 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유가 분산된 혼합용액을 여과시켜 고강도 탄소섬유로 필터링하는 필터링단계;
(h) 필터링된 고강도 탄소섬유를 건조시키는 건조단계 및
(i) 건조된 고강도 탄소섬유를 핫프레스로 가열 가압하여 고분자 섬유를 녹이는 가열가압단계를 포함하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 또는 pitch계 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 1mm 내지 20mm의 길이로 준비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유를 아세톤에 2 내지 3시간동안 유지시켜 탄소섬유 및 금속도금 탄소섬유의 사이징을 제거하거나 300 내지 500℃온도에서 20 내지 40분간 공기분위기에서 열처리하여 사이징을 제거하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고분자 섬유는,
폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐알콜(PVA)섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 혼합용액을 호모게나이저(homogenizer)를 이용하여 3,000 내지 10,000 rpm의 회전속도로 교반하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
상기 혼합용액에 투입하는 증점제는 쟁탄검(xtanthan gum), 카보머(carbomer), 폴리아크릴아마이드(PAM)중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (g) 단계는,
필터링 시에 사용하는 필터는 100 내지 500메쉬(mesh)의 크기를 가지며, 고분자 또는 금속 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (h) 단계는,
80~100℃의 온도의 오븐에서 22 내지 26시간동안 건조하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (i) 단계는,
핫프레스를 이용하여 1 내지 2 bar의 압력으로 150 내지 180℃의 온도에서 30 내지 60분동안 성형하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 부직포 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 의해 제조된 탄소섬유 부직포에 한쌍의 구리전극을 일정간격으로 부착하고, 탄소섬유 부직포 양면에 절연을 위한 고분자 필름 또는 시트를 부착하여 제조되는 탄소면상발열체.
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| KR1020180162462A KR102135515B1 (ko) | 2018-12-14 | 2018-12-14 | 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102135515B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220055337A (ko) * | 2020-10-26 | 2022-05-03 | 지리산한지(유) | 탄소섬유 분산 기술을 활용한 면상발열용 페이퍼 및 이의 제조방법 |
| CN114567941A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-05-31 | 郑州大学 | 利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法 |
| WO2022241355A1 (en) * | 2021-05-13 | 2022-11-17 | Halliburton Energy Services, Inc. | Metal-matrix downhole sand screens |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH09283266A (ja) * | 1996-04-18 | 1997-10-31 | Dainippon Ink & Chem Inc | 面状発熱体の製造方法 |
| JP2012193466A (ja) * | 2011-03-16 | 2012-10-11 | Doshisha | 不織布、この不織布の製造方法及びこの不織布を用いたサンドイッチ材 |
| KR101809074B1 (ko) * | 2017-04-20 | 2017-12-14 | 재단법인 한국탄소융합기술원 | 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체 |
-
2018
- 2018-12-14 KR KR1020180162462A patent/KR102135515B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114567941A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-05-31 | 郑州大学 | 利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法 |
| CN114567941B (zh) * | 2022-03-11 | 2024-03-15 | 郑州大学 | 利用碳纤维编织物边角料制备电致热加热片的方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102135515B1 (ko) | 2020-07-17 |
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