KR20220068435A - 탄소 섬유 코팅사 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소 섬유 코팅사 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 탄소 섬유를 포함하는 코어;와 코어에 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물이 압출 및 코팅되어 형성된 시스;를 포함하고, 나일론을 포함하는 코팅용 조성물은 나일론 폴리머 85 내지 95 중량부, 멜라민 경화제 5 내지 15 중량부를 포함하여 이루어지며, 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물은 폴리염화비닐 파우더 100 중량부, 비프탈레이트계 가수제 40 내지 60 중량부, 난연제, 안정제 및 발수제 13 내지 17 중량부와, 안료 1 내지 3 중량부를 포함하여 이루어짐으로써, 전도율이 높고 충분한 강도를 갖는 탄소 섬유의 특성을 유지하고, 다양한 색상으로 코팅됨으로써, 자동차 썬루프용 슬라이딩 루프 및 건축용 자재와 같이 높은 물성이 요구는 다양한 산업 분야에 이용될 수 있다.

Description

탄소 섬유 코팅사 및 이의 제조방법{Carbon fiber coated yarn and manufacturing method therefor}
본 발명은 탄소 섬유 코팅사에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 섬유 원사에 수지가 코팅된 탄소섬유 코팅사 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소 섬유는 내열성 및 내충격성이 뛰어나고, 화학약품에 강해 해충에 대한 저항성이 크며, 금속보다 가벼운 반면, 금속, 특히 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어난 스포츠용품, 항공우주산업, 자동차, 토목건축, 전기전자, 통신 및 환경 산업 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 사용되고 있다.
그러나 이러한 탄소 섬유를 사용하기 위해서는 열가소성 수지를 함침시키는 공정이 요구되므로 전체 공정 수가 증가되고, 탄소 섬유 특성상 열가소성 수지의 함침이 원하는 만큼 진행되지 않아 문제가 발생할 수 있다. 또한, 탄소 섬유는 검은색으로 국한되므로 현대적인 감성에 대한 개성 표현이 제한되어 심미성 및 활용성이 제한될 수 있다.
따라서, 현대 산업뿐만 아니라 모든 분야에서 탄소 섬유 비중이 증가하고 있으므로 탄소 섬유의 제조 공정을 간소화하여 생산성을 증가시키고, 다양한 색상을 갖도록 탄소 섬유 코팅사의 다양한 제작 공정의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0082156호(2018.07.18 공개) 대한민국 등록특허 제10-1545151호(2015.08.11 공고)
상기된 요구를 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 탄소 섬유 원사에 나일론 조성물 또는 폴리염화비닐 조성물을 압출 코팅함으로써, 균일한 코팅이 가능하고, 내열성, 내충격성, 인장강도 및 내구성이 우수한 탄소 섬유 코팅사 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 함침공정 대신 압출공정으로 전환됨으로써, 공정이 간소화되고, 내구성 및 심미성이 개선된 탄소 섬유 코팅사 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상술된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사는 탄소 섬유를 포함하는 코어;와 코어에 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물이 압출 및 코팅되어 형성된 시스;를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 탄소 섬유는 합사 또는 연사되고, 모노 필라멘트 또는 멀티 필라멘트일 수 있다.
또한, 나일론을 포함하는 코팅용 조성물은 나일론 폴리머 85 내지 95 중량부, 멜라민 경화제 5 내지 15 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물은 폴리염화비닐 파우더 100 중량부, 비프탈레이트계 가수제 40 내지 60 중량부, 난연제, 안정제 및 발수제 13 내지 17 중량부와, 안료 1 내지 3 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 시스의 두께 균일도는 20㎛ 이내로 형성되어 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사의 제조방법은 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물을 압출기에 투입하여 가열 및 혼련하는 공정;과, 압출기에서 니플을 구비한 다이스로 코팅용 조성물을 공급하고, 다이스에서 코팅용 조성물을 미리 설정된 양만큼 토출하여 탄소 섬유 원사를 코팅하는 공정;을 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 코팅용 조성물의 토출량은 압출기에 내장된 직경 35mm의 스크류가 10 내지 15rpm 회전하면서 토출하는 양일 수 있다.
이와 더불어 탄소 섬유 원사의 공급 속도는 124 내지 500mpm일 수 있다.
또한, 탄소 섬유 원사는 직경이 0.8 내지 1.0mm인 다이스와 직경이 0.6 내지 0.9mm인 니플의 슬릿 사이를 통과하할 수 있다.
그리고 압출기의 온도는 154℃ 내지 173℃일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사의 제조방법은 일례로, 폴리염화비닐 파우더 100kg, 비프탈레이트계 가수제 50kg, 안정제 및 발수제 15kg, 안료 2kg을 압출기에 투입하고, 최저 154℃, 중간 1645℃ 최고 173℃에서 용융 및 혼련하는 공정; 압출기에서 혼련된 코팅용 조성물을 직경 35mm의 스크류가 10 내지 15rpm의 속도로 다이스로 공급하여 토출시키고, 직경 1.0mm의 다이스와 직경 0.65mm의 니플의 슬릿 사이로 124 내지 500mpm의 속도로 통과하는 탄소 섬유 원사를 코팅하는 공정;과, 코팅된 탄소 섬유 원사를 냉각기로 냉각시킨 후, 권취 보빈에 권취하는 공정;을 포함하여 이루어질 수 있다.
전술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 탄소 섬유 원사를 코어로 하고, 이 코어에 나일론 또는 폴리염화비닐이 포함된 코팅층이 시스로 형성됨으로써, 코어-시스 구조의 탄소 섬유 코팅사를 제공하고, 탄소 섬유 코팅사의 물성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 탄소 섬유 원사를 코어로 이용하므로 고강력의 원단 물성을 얻을 수 있고, 비프탈레이트계 나일론 또는 폴리염화비닐로 코팅하므로 방염성, 접착력, 내마모성 및 인장강도에 대한 안정성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사는 전도율이 높고 충분한 강도를 갖는 탄소 섬유의 특성을 유지하고, 다양한 색상으로 코팅됨으로써, 자동차 썬루프용 슬라이딩 루프 및 건축용 자재와 같이 높은 물성이 요구는 다양한 산업 분야는 물론, 스포츠 용품, 낚시대는 물론 가야금 같은 전자 현악기 등 다양한 색상이 요구되는 심미성이 높은 제품을 제조할 수 있다는 효과가 있다.
그리고 종래의 함침공정 대신 압출공정을 적용함으로써, 탄소 섬유 코팅사를 제작하기 위한 공정이 간소화되고, 각 원사마다 코팅이 진행됨에 따라 용도에 맞게 제직할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 한 구체 예에 따른 탄소 섬유 코팅사의 단면 사진으로, 압출기의 토출량이 13rpm인 경우 탄소 섬유 코팅사의 균일도를 나타낸 주사선 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사를 제조하는 다양한 실시 예에서 원사의 공급속도 및 압출기의 토출량을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사를 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 실험한 결과를 보여주는 시험 결과지이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 또한, 다양한 실시 예에서 언급된 구성들 중 각 실시 예에서 상호 유사한 구성 및 관련 구성은 대체 또는 교체되거나 추가될 수 있다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 한 구체 예에 따른 탄소 섬유 코팅사를 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 구체 예에 따른 탄소 섬유 코팅사의 단면 사진이다. 이 사진은 주사선 전자현미경으로 촬영한 것으로, 압출기의 토출량이 13rpm인 경우 탄소 섬유 코팅사의 균일도를 볼 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 관점에 따른 탄소 섬유 코팅사는 코어(10) 및 시스(20)를 포함한다.
코어(Core)
코어(10)는 탄소 섬유를 포함하고, 일례로 탄소 섬유 원사일 수 있다.
일 구체 예에서 탄소 섬유는 고탄성 및 저수축을 나타낼 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 탄소 섬유는 원단 물성인 고강도 및 내구성을 보유하고 있고, 필요하면 탄소 섬유에 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함한 코팅용 조성물을 코팅하여 목표로 하는 물성을 부여할 수 있다.
그리고 탄소 섬유는 합사 또는 연사될 수 있고, 모노 필라멘트와 멀티 필라멘트를 모두 포함하고, 바람직하게는 멀티 필라멘트일 수 있다.
시스 (Sheath)
시스(20)는 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함할 수 있다.
구체적으로, 시스(20)는 코팅용 조성물을 탄소 섬유 원사에 압출 코팅하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 코팅용 조성물은 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하여 제조될 수 있다.
여기서, 폴리염화비닐의 경우 비프탈레이트(Non-Phthalate)계 가소제 40 내지 60 중량부, 난연제, 안정제 및 발수제 13 내지 17 중량부와, 안료 1 내지 3 중량부를 포함할 수 있다.
그리고 나일론의 경우 나일론 폴리머 85 내지 95 중량부, 바람직하게는 90 중량부와, 멜라민 경화제 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 10 중량부를 포함할 수 있다.
이러한 범위의 코팅 조성물은 탄소 섬유 코팅사에 방염성, 접착력 및 내마모성을 부여할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 탄소 섬유 코팅사로 제직하여 만든 직물은 차량용 썬루프용 안전 슬라이딩 로프를 제조하기 위한 내구성과 방수성 등의 조건을 충분히 만족할 수 있다.
탄소 섬유 코팅사의 제조 방법
이하, 본 발명의 한 구체 예에 따른 탄소 섬유 코팅사의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물을 압출기(extruder)에 투입하여 미리 설정된 토출량에 해당하는 압력으로 다이스에 공급하고, 다이스를 통과하는 탄소 섬유 원사에 토출하여 코팅할 수 있다(S10).
여기서, 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물은 나일론 또는 폴리염화비닐 파우더, 비프탈레이트계 가소제, 난연제, 발수제 및 안료를 포함할 수 있다.
한 구체 예에서 폴리염화비닐 파우더 100 중량부에 비프탈레이트계 가소제 40 내지 60 중량부, 난연제, 안정제 및 발수제 13 내지 17 중량부와, 안료 1 내지 3 중량부를 혼합하여 제조할 수 있다.
위의 범위 내에서 압출기에 투입하여 혼련하는 경우 균일한 코팅층을 형성할 수 있고, 압출기의 토출량에 따라 코팅사의 무게 및 두께를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 목표로 하는 나일론 또는 폴리염화비닐 코팅층의 일정한 균일도를 나타낼 수 있다.
또한, 위의 범위 내에서 폴리염화비닐 파우더에 대한 가소제 첨가량을 조절하여 경질 및 연질 코팅사를 제조할 수 있다.
위에 언급된 비율로 혼합된 나일론 또는 폴리염화비닐 파우더, 비프탈레이트계 가소제, 난연제, 발수제 및 안료를 포함한 코팅용 조성물을 압출기에 넣어 가열한 후, 니플이 구비된 다이스 일측으로 공급하여 미리 설정된 양만큼 토출되도록 하여 다이스의 타측으로 유입 및 배출되는 탄소 섬유 원사를 코팅하도록 이루어질 수 있다.
한 구체 예에 따른 사코팅기는 니플이 구비된 다이스를 포함할 수 있다.
또한, 사코팅기는 일측에 코팅용 조성물을 가열하여 공급하는 압출기가 배치될 수 있다. 또한, 사코팅기는 타측에 방금 코팅된 탄소 섬유 코팅사를 냉각하는 냉각장치와, 코어-시스 구조로 완성된 코팅사를 권취하여 회수하는 권취기가 배치될 수 있다.
이때, 압출기의 토출량은 10 내지 15rpm이고, 바람직하게는 11.0rpm일 수 있다. 이 범위는 균일하게 코팅될 수 있는 최적은 범위이다.
이 압출기의 토출량은 압출기에 내장된 스크류의 회전 rpm으로 정해질 수 있다.
또한, 사코팅기에서 다이스 직경은 0.8 내지 1.0mm이고, 니플 직경은 0.6 내지 0.9mm일 수 있다. 이 범위는 코팅용 조성물의 토출 유동 및 탄소 섬유 원사의 이동 등이 원활하여 높은 작업성을 나타낼 수 있고, 시스의 균일성을 더욱 증가시킬 수 있다.
끝으로, 코팅된 원사를 냉각하여 코어-시스 구조의 코팅사를 형성하고, 일정 속도로 권취하여 회수한다(S20).
이때, 권취 속도는 124 내지 500mpm일 수 있다. 이러한 권취 속도는 탄소 섬유 코팅사의 장력을 안정적으로 유지되도록 조절할 수 있고, 위의 범위에서 권취되는 경우 균일한 코팅이 가능할 수 있다. 권취 속도는 균일한 코팅이 보장되면서 생산속도와 직결되는 부분으로 고속으로 작업하는 게 중요하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시하나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시 예
화합물의 이송 효율 및 혼련 효율을 증가시키기 위해 스크류 직경 35mm인 압출기에 폴리염화비닐 파우더 100kg 가소제 50kg, 안정제 및 발수제 15kg, 안료 2kg을 투입하여 혼련한다. 이때, 압출기의 최소 온도 154℃, 최대 온도 173℃ 및 중간 온도 165℃로 조절하여 폴리염화비닐 파우더 및 가소제가 용융 및 혼합된 후, 니플이 구비된 다이스로 토출되면서 원사인 코어(10)에 코팅되도록 하였다.
이때, 권취기를 조정하여 코어(10)의 공급속도가 124 내지 500mpm이 되도록 하고, 코어(10)가 직경 1.0mm인 다이스와 직경 0.65mm인 니플의 슬릿 사이로 통과되도록 하였다. 이후, 코팅용 조성물을 압출기로부터 11.0 내지 15.0rpm으로 토출시켜 코어(10)에 코팅되도록 하였다.
또한, 권취기의 속도를 124 내지 500mpm으로 일정하게 유지함으로써, 코팅된 코어(10)가 일정한 장력을 유지하면서 냉각기를 통과할 수 있다. 이를 통해 코어(10)에 균일한 코팅층, 즉 시스(20)를 형성할 수 있다.
이렇게 제조된 탄소 섬유 코팅사를 권취기로 권취하여 회수하였다.
이처럼, 탄소 섬유 코팅사는 탄소 섬유를 포함하는 코어(10), 폴리염화비닐을 포함하는 시스(20)를 구비하여 이루어질 수 있다. 이때, 시스(20)의 두께 균일도는 20㎛ 이내일 수 있다. 이외에, 강도 3802.78mpa, 신도 2.5%의 시제품 생산이 가능하고, 이 시제품의 경우 코어 종류 및 시스 종류에 따라 변동될 수 있다.
실험 예1. 코팅 두께 및 균일도 확인
속도(mpm) 124 221 500
토출량(rpm) 25 13 30
코팅사 무게(g/m) 0.843 0.465 0.589
코팅사 두께(mm) 0.834 0.556 0.467
위의 [표 1]은 원사 공급 속도 및 압출기 토출량에 따른 탄소 섬유 코팅사의 무게 및 두께를 나타낸 것이다. 여기서, 토출량 변화에 따라 시료를 각각 25, 13, 30으로 명명하였다.
따라서, 코팅 조건에 따라 원사, 즉 코어(10)에 매우 균일하게 코팅된 시스(20)를 형성할 수 있는 것을 확인하였다.
한편, 본 발명은 탄소 섬유 원사를 코어(10)로 하고, 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물로 형성된 시스(20)를 구비한 탄소 섬유 코팅사를 제공함으로써, 방염성, 접착력 및 다양한 색상을 부여할 수 있다. 특히, 탄소 섬유 원사에 대한 코팅 조건을 조절함으로써, 강도유지율을 향상시키고, 공정의 편리성이 향상되며, 내구성이 증가되고, 시스의 균일도가 매우 높은 탄소 섬유 코팅사를 제공할 수 있다.
또한, 제조된 탄소 섬유 코팅사는 자동차 썬루프용 슬라이딩 루프 및 건축용 자재 등과 같이 높은 물성과 다양한 색상으로 심미성이 요구되는 제품을 제조할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10:코어
20:시스

Claims (10)

  1. 탄소 섬유를 포함하는 코어(10);와
    상기 코어(10)에 나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물이 압출 및 코팅되어 형성된 시스(20);를 포함하여 이루어진 탄소 섬유 코팅사.
  2. 청구항 1에서,
    상기 탄소 섬유는 합사 또는 연사되고, 모노 필라멘트 또는 멀티 필라멘트인 것으로 하는 탄소 섬유 코팅사.
  3. 청구항 1에서,
    상기 나일론을 포함하는 코팅용 조성물은 나일론 폴리머 85 내지 95 중량부, 멜라민 경화제 5 내지 15 중량부를 포함하여 이루어진 탄소 섬유 코팅사.
  4. 청구항 1에서,
    상기 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물은 폴리염화비닐 파우더 100 중량부, 비프탈레이트계 가수제 40 내지 60 중량부, 난연제, 안정제 및 발수제 13 내지 17 중량부와, 안료 1 내지 3 중량부를 포함하여 이루어진 탄소 섬유 코팅사.
  5. 청구항 1에서,
    상기 시스(20)의 두께 균일도는 20㎛ 이내로 형성되어 이루어진 탄소 섬유 코팅사.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 탄소 섬유 코팅사를 제조하는 방법에서,
    나일론 또는 폴리염화비닐을 포함하는 코팅용 조성물을 압출기에 투입하여 가열 및 혼련하는 공정;과
    상기 압출기에서 니플을 구비한 다이스로 코팅용 조성물을 공급하고, 다이스에서 코팅용 조성물을 미리 설정된 양만큼 토출하여 탄소 섬유 원사를 코팅하는 공정;을 포함하고,
    상기 코팅용 조성물의 토출량은 압출기에 내장된 직경 35mm의 스크류가 10 내지 15rpm 회전하면서 토출하는 양인 것으로 하는 탄소 섬유 코팅사의 제조방법.
  7. 청구항 6에서,
    상기 탄소 섬유 원사의 공급 속도는 124 내지 500mpm인 것으로 하는 탄소 섬유 코팅사의 제조방법.
  8. 청구항 6에서,
    상기 탄소 섬유 원사는 직경이 0.8 내지 1.0mm인 다이스와, 직경이 0.6 내지 0.9mm인 니플의 슬릿 사이를 통과하는 탄소 섬유 코팅사의 제조방법.
  9. 청구항 6에서,
    상기 압출기의 온도는 154℃ 내지 173℃인 것으로 하는 탄소 섬유 코팅사의 제조방법.
  10. 폴리염화비닐 파우더 100kg, 비프탈레이트계 가수제 50kg, 안정제 및 발수제 15kg, 안료 2kg을 압출기에 투입하고, 최저 154℃, 중간 164.5℃, 최고 173℃에서 용융 및 혼련하는 공정;
    상기 압출기에서 혼련된 코팅용 조성물을 직경 35mm의 스크류가 10 내지 15rpm의 속도로 다이스로 공급하여 토출시키고, 직경 1.0mm의 다이스와 직경 0.65mm의 니플의 슬릿 사이로 124 내지 500mpm의 속도로 통과하는 탄소 섬유 원사를 코팅하는 공정;과
    상기 코팅된 탄소 섬유 원사를 냉각기로 냉각시킨 후, 권취 보빈에 권취하는 공정;을 포함하여 이루어진 탄소 섬유 코팅사의 제조방법.
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