KR20220086847A - 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 장치는 탄소섬유 프리커서가 이동하는 경로에 위치하고, 상기 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사하는 근적외선 조사부;를 포함하여 구성되는 것이다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 연신 및 안정화 공정에서의 소요시간 및 에너지 소모량을 절감하고, 균일한 구조 발현을 통하여, 물성이 향상된 탄소섬유의 고속생산을 구현할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 탄소섬유 프리커서가 이동하는 경로에 위치하고, 상기 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사하는 근적외선 조사부를 포함하는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서를 근적외선 조사를 이용하여 안정화 섬유를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유는 다른 섬유에 비하여 특유의 뛰어난 탄성률 및 높은 강도를 가져 금속을 대체할 수 있는 복합 재료용 보강 섬유로서, 스포츠, 항공 및 우주 등의 첨단소재 용도에서 다양하게 사용되고 있지만, 현재 탄소섬유의 가격은 타 소재보다 상대적으로 높아, 자동차 산업 및 건설인 프라 분야 등에 광범위하게 사용에 제약을 받는다.
이에 자동차, 토목, 건축, 압력용기 및 풍차 블레이드 등의 범용적인 용도로 사용 범위를 확장하기 위해서는 탄소섬유의 생산성 향상 및 생산 안정화 등이 수반되어, 탄소섬유의 제조 단가를 절감시키는 것이 요구되고 있다.
탄소섬유를 제조하기 위한 전구체 섬유로는, 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)계, 피치(pitch)계, 레이온(rayon)계, 리그닌(lignin)계 및 폴리에틸렌계 등이 있다. 이 중에서도, 탄소섬유 중에서 가장 널리 이용되고 있는 아크릴로니트릴계 중합체로부터 제조되며, 아크릴로니트릴계 중합체 중 니트릴 그룹의 강한 분자 간 또는 분자 내의 상호작용으로 인하여 중합체의 분해온도보다 높은 용융점을 가짐으로 인하여, 습식 방사 또는 건식 방사를 통해서만 제조되었다.
상기와 같은 습식 방사 또는 건식 방사 방법에 따르면, 우수한 물성을 갖는 탄소섬유의 제조가 가능하지만 느린 방사속도, 용매의 회수 재활용 및 폐기 공정 등이 요구되어 타 소재 대비, 에너지 소모가 막대하여 경제성 및 가격 경쟁력이 낮고, 권취하는 공정에서 통상적으로 100 m/min이상의 귄취 속도를 구현하는 데 제약을 받아 고속 생산에 의한 저가 생산의 구현이 어려운 단점이 있었다.
이에, 본 발명자들이 출원한 제10-2020-0012745호에서와 같이, 고속 생산을 위해서 용융방사를 통해 700 m/min 이상의 아크릴로니트릴계 탄소섬유의 방사 속도를 구현하였지만, 범용으로 사용할 수 있는 가격 경쟁력을 가지는 탄소섬유 제조하기 위해서는 해결해야 될 과제가 여전하였다.
이에 따라, 우수한 물성을 가지면서도, 공정 및 제조단가에서 경쟁력을 가질 수 있는 탄소섬유의 제조방법 및 이를 구현할 수 있는 장치에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 탄소섬유의 고속생산이 가능하고, 가격경쟁력을 구현할 수 있는 탄소섬유를 제조할 수 있는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 이를 이용한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 탄소섬유 제조방법을 제공하는 것이다.
특히, 아크릴로니트릴계 중합체로부터 제조되는 탄소섬유의 제조공정에서 안정화 공정시간을 단축하고, 제조되는 탄소섬유의 물성 결함 발생을 현저히 억제시킬 수 있는 안정화 공정을 구현할 수 있는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치를 제공하고, 이를 이용한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 도입함으로써, 연신 및 안정화가 동시에 구현되도록 하여, 탄소섬유 제조공정의 전체 시간을 단축하고, 우수한 물성을 가지는 탄소섬유를 고속생산함으로써, 종래에 비하여 현저히 향상된 가격 경쟁력을 구현할 수 있는 탄소섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 장치는 탄소섬유 프리커서가 이동하는 경로에 위치하고, 상기 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사하는 근적외선 조사부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 근적외선 조사부는 광원을 포함하는 다수개의 발광 모듈이 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 이격 배열된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 다수개의 발광 모듈은 서로 독립적으로 온도 구간을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 근적외선 조사부는 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 증가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 발광 모듈은 상기 탄소섬유 프리커서를 사이에 두고 한 쌍의 발광모듈이 마주보도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 발광 모듈은 길이방향을 따라 양단이 개방되며, 상기 탄소섬유 프리커서가 개방된 양단을 통해 상기 발광 모듈을 관통하여 이동하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치에 있어서, 상기 탄소섬유 전구체는 0.04 m/분 내지 3.0 m/분의 속도로 이동하는 것일 수 있다.
본 발명은 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 장치를 이용한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 포함한다.
본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 방법은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 서로 다른 온도를 가지는 구역을 형성하도록 근적외선을 조사하여, 상기 탄소섬유 프리커서의 내부에서부터 안정화(Stabilization) 섬유가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 있어서, 상기 온도는 50 ℃ 내지 400 ℃ 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 있어서, 상기 구역은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 연속적으로 증가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 있어서, 상기 구역은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 단계별로 증가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 있어서, 상기 근적외선을 조사하는 시간은 1 내지 5 시간인 것일 수 있다.
본 발명은 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 의하여 제조되는 안정화 섬유를 포함한다.
본 발명은 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 포함하는 탄소섬유 제조방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은 a) 아크릴로니트릴계 중합체를 방사하여 탄소섬유 프리커서를 제조하는 단계; 및 b) 상기 탄소섬유 프리커서를 안정화 및 탄화하여 탄소섬유를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 b) 단계의 안정화는 서로 다른 온도를 가지는 근적외선 조사에 의하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법으로서, 상기 방사는 용융방사인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법으로서, 상기 온도는 50 ℃ 내지 400 ℃ 인 것일 수 있다.
본 발명은 상술한 탄소섬유 제조방법으로부터 제조된 탄소섬유를 포함한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치는, 연신된 탄소섬유 프리커서의 이동방향에 따라 전방향에서 우수한 침투력을 가지는 근적외선을 조사하여, 탄소섬유 프리커서의 내부에서부터 안정화가 구현되도록 함으로써, 단시간 내에 탄소섬유 프리커서의 화학구조의 변화 및 결정구조의 배향성이 향상되는 안정화 효과를 가진다.
또한, 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사함으로써, 안정화 시간을 현저히 감축시키고, 우수한 물성을 가지는 탄소섬유의 고속 생산이 가능하도록 하여, 제조되는 탄소섬유의 제조단가를 절감시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)의 정면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)의 요부를 나타낸 사시도이다. 도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1양태의 발광 모듈(10)을 나타낸 모식도이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2양태의 발광 모듈(20)을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 1에 따른 안정화 단계를 수행한 탄소섬유 프리커서를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)의 요부를 나타낸 사시도이다. 도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1양태의 발광 모듈(10)을 나타낸 모식도이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2양태의 발광 모듈(20)을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 1에 따른 안정화 단계를 수행한 탄소섬유 프리커서를 나타낸 사진이다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어` 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 '탄소섬유 프리커서'는 안정화 섬유 및탄화섬유로 되기 전의 연신 또는 미연신된 방사 섬유를 의미한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법을 제공한다.
본 발명자는 종래 물성이 우수하여 널리 이용되고 있는 아크릴로니트릴계 중합체로부터 제조되는 탄소섬유의 제조단가를 절감하기 위한 연구를 심화하였다.
이에 따라, 탄소섬유의 제조공정 중 반응속도가 늦어 에너지 소모율이 높아, 탄소섬유의 가격에서 높은 비중을 차지하는 안정화 단계의 반응속도를 향상시켜, 총 공정시간을 획기적으로 저감시킴으로써, 고속생산이 가능하여, 탄소섬유의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 안정화 방법에 대하여 연구를 심화하던 중, 근적외선을 이용한 연신 및 안정화 단계를 구현할 수 있는 근적외선 조사부를 포함하는 안정화 장치로, 상술한 반응속도 향상, 공정시간 절감에 따라 제조되는 탄소섬유의 제조단가를 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 물성을 가지는 탄소섬유의 고속생산의 구현이 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치의 정면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치의 요부를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)는, 탄소섬유 프리커서(P)에 근적외선을 이용하여 탄소섬유 프리커서(P)의 내부에서부터 안정화를 구현함으로써, 균일한 섬유 구조를 발현시킬 수 있는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)는 텐션을 가지며 이동하는 탄소섬유 프리커서(P)에 근적외선을 조사함으로써, 연신 및 안정화가 동시에 수행되어, 안정화 섬유를 구현할 수 있는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)은 탄소섬유 프리커서(P)가 이동하는 경로에 위치하고, 상기 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사하는 근적외선 조사부(100)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄소섬유 프리커서(P)는 섬유형태의 유기 전구체물질(precursor)로, 안정화 및 탄화공정에 의하여 탄소섬유가 되기 전 단계의 연신 또는 미연신된 방사된 섬유형의 유기물일 수 있으며, 구체적으로 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계·석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 폴리아크릴로니트릴(PAN)로부터 제조되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 탄소섬유 프리커서(P)의 직경은 5 ㎛ 내지 40 ㎛로, 상기 근적외선 조사부(100)로부터 방출된 전자에 의해 충분한 침투 깊이를 확보할 수 있어 바람직하다.
상기 탄소섬유 프리커서(P)는 탄소섬유 제조 공정에 따라, 연신 공정을 수행하고 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)로 공급되며 되는 중인 것일 수 있으며, 공급되는 방법으로는, 공지된 공정에서 사용하는 동력기를 이용한 롤러를 사용하여 이동시킬 수 있으며, 0.04 m/분 내지 3.0 m/분의 속도로 이동하며 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1) 내부로 공급되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유 프리커서(P)가 근적외선 조사부(100)로 주입되는 주입구와 안정화 이후, 유출되는 유출구는 따로 도시하지는 않았으나, 공정이 연속적으로 수행되도록 근적외선 조사부(100)가 위치하는 하우징의 양측부에 구비하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 근적외선 조사부(100)는 광원을 포함하는 다수개의 발광 모듈이 탄소섬유 프리커서(P)의 이동방향에 따라 이격 배열될 수 있다.
상기 다수개의 발광 모듈은 구체적으로 적어도 2개 이상의 모듈을 이격 배열하여 탄소섬유 프리커서(P)의 이동방향에 따라 이격 배열될 수 있고, 각 이격 간격은 제한되지 않으나, 0.1 m 내지 0.5 m일 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니며, 적절히 조절할 수 있음은 물론이다. 도 1을 참조하면, 근적외선 조사부(100)는 총 8개의 발광 모듈(11,12,13,14,15,16,17,18)을 구비하고 있다.
상기 발광 모듈은 광원(L)을 포함하고, 상기 광원은 구체적으로 온도센서를 구비하는 근적외선 램프(NIR ramp)일 수 있고, 제어부를 이용하여, 근적외선 램프의 온도를 제어할 수 있다. 이 때, 근적외선은 0.75 ㎛ 내지 3 ㎛의 파장(wavelength)를 가지는 전자기파를 의미한다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 발광 모듈(10, 20)은 이동하는 탄소섬유 프리커서를 사이에 두고 한 쌍의 발광모듈(10a, 10b)이 마주보도록 배치되는 제1양태의 발광 모듈(10)일 수 있고, 길이방향을 따라 양단이 개방되며, 상기 탄소섬유 프리커서가 개방된 양단을 통해 상기 발광 모듈을 관통하여 이동할 수 있는 제2양태의 발광 모듈(20)일 수 있다.
도 2(a) 및 (b)에서와 같이, 상기 발광모듈(10, 20)은 탄소섬유 프리커서(P)를 향하는 방향으로, 근적외선이 조사될 수 있도록 광원(L)을 내부에 구비할 수 있다.
상술한 제1양태의 발광 모듈(10) 및 제2양태의 발광 모듈(20) 모두에서 광원(L)과 탄소섬유 프리커서(P)의 간격은 제한되는 것은 아니지만, 10 ㎜ 내지 50 ㎜인 것일 수 있고, 상기 범위에서 탄소섬유 프리커서(P)에 균일한 근적외선을 조사할 수 있어, 균일한 섬유 구조를 발현할 수 있도록 내부부터 안정화를 용이하게 진행할 수 있어 좋다.
도 1의 다수개의 발광 모듈(11,12,13,14,15,16,17,18)은 상술한 제1양태의 발광 모듈(10)이나, 제2양태의 발광 모듈(20)에서 선택하여 사용할 수 있고, 상술한 양태만으로 한정되는 것은 아니며, 탄소섬유 프리커서(P)의 전방향에 대하여 근적외선을 균일하게 조사할 수 있도록, 반사판 등을 추가로 포함할 수 있고, 근적외선 램프의 배치나 거리를 조절할 수 있으며, 탄소섬유 프리커서(P)에 균일하게 근적외선을 조사할 수 있는 양태라면 제한되지 않고 변경할 수 있음은 물론이다. 상기 발광 모듈(11,12,13,14,15,16,17,18)은 각각이 서로 독립적인 온도 구간을 가지는 것일 수 있고, 탄소섬유 프리커서의 이동방향에 따라 온도가 증가하는 것으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 제1발광 모듈(11) 내지 제8발광 모듈(18)은 각각 서로 온도가 상이하며, 제1발광 모듈(11)에서 제8 발광 모듈(18)로 이동함에 따라 온도가 증가하는 것일 수 있다. 상기 온도는 26 ℃ 내지 400 ℃의 구간에서 선택되는 온도를 연속적으로 상승하도록 구비되거나 혹은 온도에 스텝을 주어 단계별로 승온 할 수 있도록 제어될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 온도에 스텝을 주어 단계별로 승온하는 비한정적인 일 예로서, 제1발광 모듈(11)은 26 ℃, 제2발광 모듈(12)은 50 ℃, 제3발광 모듈(13)은 80 ℃, 제4발광 모듈(14)은 140 ℃, 제5발광 모듈(15)은 180 ℃, 제6 발광 모듈(16)은 200 ℃, 제7발광 모듈(17)은 240 ℃, 제8발광 모듈(18)은 280 ℃로 수행하는 것일 수 있다.
상기 근적외선 조사부(100)의 발광 모듈의 개수 및 간격, 탄소섬유 프리커서(P)의 이동 속도, 발광 모듈의 광원의 세기 등을 조절하여, 근적외선 조사 시간, 근적외선 조사량 등을 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)는 근적외선 조사부(100)에 의한 안정화뿐만 아니라, 연신도 동시에 수행되는 것일 수 있다. 상기 연신을 수행하기 위하여, 롤러(30) 하부에 추가의 보조롤러를 더 포함할 수도 있다. 또한, 추가적인 연신을 동시에 수행하기 위하여, 근적외선 조사부(100)을 통과하는 탄소섬유 프리커서(P)를 0.05 m/분 내지 10 m/분의 속도로 권취하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이동하는 탄소섬유 프리커서(P)에 텐션을 줄 수 있는 방법이라면 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유 프리커서 안정화 장치(1)는 도시하지는 않았으나, 사용자가 작동on/off, 발광모듈의 온도, 롤러회전속도 등을 조작할 수 있는 조작부 및 제어부를 더 구비할 수 있다.
이하, 본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 방법은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 서로 다른 온도를 가지는 구역을 형성하도록 근적외선을 조사하여, 상기 탄소섬유 프리커서의 내부에서부터 안정화(Stabilization) 섬유가 되도록 하는 것을 포함하는 것일 수 있고, 바람직한 일 실시예로서 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 장치를 이용하여 탄소섬유 프리커서를 안정화하여, 안정화 섬유를 제조하는 방법일 수 있다.
상기 탄소섬유 프리커서는 상술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 이에 제한 되는 것은 아니다.
상기 근적외선(Near-infrared, NIR)은 파장의 길이가 0.75 ㎛ 내지 2.5 ㎛인 전자기파로, 상기 탄소섬유 프리커서에 조사 시, 침투 능력이 큰 전자파가 섬유 구성 분자를 직접 안정화 반응으로 유도하기 때문에 균일한 안정화 반응이 수행될 수 있어 우수한 물성을 가지는 안정화 섬유를 제조할 수 있어, 이후, 상기 안정화 섬유를 탄화하여 제조되는 탄소섬유의 물성이 향상되며, 수득률을 높일 수 있어 바람직하다. 보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 공정은, 연신과 근적외선에 의한 안정화가 동시에 수행되며, C≡N이 -C=N-으로 고리화 됨과 동시에 공기 중에서 산소의 가교와 탈수 반응을 통해서, 내염화되고 불융 특성을 구현하는 단계로서, 이때, 침투력이 우수한 근적외선에 의하여, 탄소섬유 프리커서의 표면(skin)과 중앙(core)사이의 반응 편차(안정화 편차)가 현저히 저감되어, 안정화 소요시간을 2시간 이내로 현저히 단축시킬 수 있어, 공정비를 저감할 수 있는 장점을 가진다. 상기 근적외선은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 서로 다른 온도를 가지는 구역을 형성하도록 조사할 수 있고, 바람직한 일 실시예로서는 탄소섬유 프리커서를 저온에서 고온으로 순차적으로 처리할 수 있도록, 연속적으로 온도를 상승시키거나, 온도에 스텝을 주어 승온시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법은, 침투력이 높은 근적외선을 이용하여, 탄소섬유 프리커서의 내부에서부터 안정화가 수행되어, 균일한 안정화가 수행될 수 있어 섬유형태의 변화가 억제되어 바람직하며, 특히, 서로 다른 온도 구역을 형성하도록 근적외선을 조사함에 따라, 탄소섬유 프리커서가 점차 온도가 상승되는 방향으로 연속적 또는 온도 스텝에 따라 온도가 단계별로 증가하며 안정화가 수행되어, 종래 열풍공정을 이용하여 안정화 시, 온도 구간마다 많은 시간이 소요되는 것과 달리, 단시간에 안정화를 수행할 수 있어, 고속 생산이 가능한 효과를 구현할 수 있어 더욱 바람직하다.
더욱이, 근적외선을 조사함과 동시에, 탄소섬유 프리커서를 연신하는 공정을 동시에 수행할 수 있으며, 이 경우, 섬유의 기계적 물성 및 배향성을 더욱 향상시킬 수 있고, 단사로 되는 것을 방지할 수 있어 더욱 바람직하다.
이때, 근적외선 조사에 의하여 형성되는 온도 구간은 26 ℃ 내지 400 ℃일 수 있고, 바람직하게는 50 ℃ 내지 400 ℃, 더 바람직하게는 50 ℃ 내지 380 ℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 온도 구간을 모두 수행할 수 있도록 근적외선 조사를 연속적 또는 온도 스텝을 주어 승온 할 수 있도록 조사할 수 있다.
상기 근적외선을 조사하는 시간은 1 시간 내지 5 시간일 수 있고, 바람직하게는 2 시간 이내인 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 탄소섬유 프리커서의 안정화 방법에 소요되는 총 시간은 1 시간 내지 5 시간일 수 있고, 바람직하게는 2 시간 이내일 수 있다.
이하, 본 발명의 탄소섬유 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은 a) 아크릴로니트릴계 중합체를 방사하여 탄소섬유 프리커서를 제조하는 단계; 및 b) 상기 탄소섬유 프리커서를 안정화 및 탄화하여 탄소섬유를 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 b) 단계의 안정화는 서로 다른 온도를 가지는 근적외선 조사에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있고, 바람직한 일 실시예로서 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 수행하여 탄소섬유를 제조하는 방법일 수 있다.
상기 a) 단계의 탄소섬유 프리커서를 제조하는 단계에서, 상기 아크릴로니트릴계 중합체는 아크릴로니트릴 단량체 및 아크릴계 단량체로부터 유도된 반복단위를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 아크릴로니트릴계 중합체는 아크릴로니트릴 단량체 50 몰% 내지 97 몰% 및 아크릴계 단량체 3 몰% 내지 50 몰% 반복단위를 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 아크릴로니트릴 단량체 86 몰% 내지 97 몰% 및 아크릴계 단량체 3 몰% 내지 24 몰% 반복단위를 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 아크릴로니트릴 단량체 90 몰% 내지 97 몰% 및 아크릴계 단량체 3 몰% 내지 10 몰% 반복단위를 포함할 수 있다. 상기와 같은 함량의 반복단위를 포함할 경우, 아크릴로니트릴계 중합체의 용융 및 연신을 유도할 수 있고, 이로부터 제조된 방사섬유는 안정화 시, 열용융 등에 의한 섬유 형상붕괴를 방지하고, 고밀도의 탄소섬유를 제조할 수 있다. 더욱이, 아크릴계 단량체를 15 몰% 이하로 제공하더라도 용융방사가 가능하고, 향상된 기계적 물성을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있어 우수한 기계적 물성을 요구하는 다양한 분야에 적용하기에 탁월하다.
상기 아크릴계 단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, t-부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, n-부틸메타크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 라우릴메타크릴레이트 및 벤질메 타크릴레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기와 같은 아크릴계 단량체로부 터 유도된 반복단위를 포함할 경우, 아크릴로니트릴계 섬유의 용융 및 연신을 유도할 수 있고, 방사 섬유의 안정화 시간 및 온도를 단축시킬 수 있으며, 단사를 방지할 수 있다.
상기 아크릴로니트릴계 중합체는 중량평균분자량이 10,000 g/mol 내지 500,000 g/mol일 수 있고, 바람직하게는 10,000 g/mol 내지 300,000 g/mol일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방사는 공지된 방사방법이면 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 용융 방사일 수 있다. 상기 용융방사는 150 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 30분 내지 2시간 동안 용융시켜 방사 할 수 있다. 바람직하게는 160 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 30분 내지 2시간 동안 유지하여 용융시켜 방사할 수 있다. 상기와 같은 방사 조건에서 수행할 경우, 탄소섬유 프리커서 내에 알코올계 화합물을 잔류시켜 우수한 방사성을 유지 할 수 있다.
이후, 제조된 탄소섬유 프리커서는, 연신 공정을 수행할 수도 있다. 상기 연신은 연신되기 전의 섬유 길이에 대하여, 2배 내지 10배로 연신할 수 있다. 바람직하게는 2배 내지 5배로 연신할 수 있다. 상기와 같이 연신함으로써, 섬유의 기계적 물성 및 배향성을 더 욱 향상시킬 수 있고, 단사되는 것을 방지할 수 있다.
상기 b) 단계의 탄소섬유를 수득하는 단계에서, 상기 안정화는 서로 다른 온도를 가지는 근적외선 조사에 의하여 수행되는 것일 수 있고, 바람직한 실시예로서, 상술한 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 의해 수행되는 것일 수 있고, 연신과 동시에 수행되는 것일 수 있다. 상기 탄화는 제조된 안정화 섬유를 최종적으로 탄소섬유로 변환시키는 것으로, 구체적으로, 불활성 기체 분위기하에 800 ℃ 내지 3,000 ℃에서 수행하는 것일 수 있다. 상기와 같이 탄화를 거침으로써, 안정적인 섬유 형상을 유지하면서 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 높은 밀도로 탄소화되어 우수한 전기전도성 및 열전도성을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있다.
상기 탄화는 1 내지 3차에 걸쳐서 탄화과정을 거칠 수 있다. 바람직하게는 상기 탄화는 2 내지 3차로 걸쳐서 진행할 경우 각각 상이한 온도 및 시간으로 수행할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 500 ℃ 내지 1,000 ℃에서 1차 탄화, 1,000 ℃ 내지 1,500 ℃에서 2차 탄화 및 2,000 ℃ 내지 3,000 ℃에서 3차 흑연화 과정을 거쳐 탄소섬유의 물성을 제어할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유는 예를 들어, 평균직경이 4 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 5 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 평균직경의 탄소섬유는 고결정성 및 고밀도를 구현한 것으로, 현격히 향상된 기계적 물성 및 전기전도성을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법에 의하면, 탄소섬유 프리커서의 연신 및 안정화를 동시에 수행할 수 있으면서도, 침투력이 우수한 근적외선을 이용함에 따라, 안정화 단계에 소요되는 시간을 2 시간 이내로 현저히 저감시켜, 고속 생산이 가능하면서도, 공정에 소모되는 시간을 감축시켜, 제조되는 제조단가를 저감시킨 우수한 물성의 탄소섬유를 제공할 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[제조예] 아크릴로니트릴계 중합체 제조
아크릴로니트릴 단량체 및 메틸아크릴레이트 단량체를 90:10몰비로 혼합한 단량체 혼합물 100몰에 대하여, 2,2′-아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 0.01몰비, 1-도데칸티올(CTA) 0.001몰비로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 단량체 혼합물 100몰에 대하여, 2배 함량의 디메틸술폭사이드(DMSO) 용매에 상기 혼합물을 혼합하여 60℃의 온도에서 16시간동안 중합하여 아크릴로니트릴계 중합체 용액을 제조하였다.
상기 아크릴로니트릴계 중합체 용액을 에틸렌글리콜이 40부피% 용해된 수용액에 투입하여 침전시켜 아크릴로니트릴계 중합체를 수득하였다. 이 후, 상기 아크릴로니트릴계 중합체를 상온에서 24시간 동안 건조 후 60℃에서 12시간동안 진공건조하였다. 이 때, 아크릴로니트릴계 중합체 내에 에틸렌글리콜의 총 함량은 10중량%였고, 중량평균분자량은 250,000 g/mol 이다.
[실시예1]
제조예에서 제조된 중량평균분자량 250,000 g/mol인 아크릴로니트릴계 중합체를 방사 장치의 실린더에 충진하고, 170 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 용융시켰다. 용융물을 170 ℃의 온도에서 5 bar 질소압으로 방사하여 평균직경 35 ㎛인 탄소섬유 프리커서를 수득하였다. 이 때 사용된 방사구금의 평균직경은 0.5 ㎜이었고, 방사된 섬유는 권취 속도 720 m/min까지의 속도로 권취하였다. 권취 후, 상기 탄소섬유 프리커서는 근적외선 조사를 통해 온도 26 ℃, 50 ℃, 80 ℃, 140 ℃, 180 ℃, 200 ℃, 240 ℃ 및 280 ℃ 구간을 순차적으로 0.1 m/분의 속도로 이동하며 1.5 배로 연신 및 안정화를 수행하였다. 이후, 평균입경이 23 ㎛인 안정화된 탄소섬유 프리커서를 질소 분위기하에서 1,500 ℃까지 열처리하여 평균직경이 15 ㎛인 탄소섬유를 제조하였다.
[실시예2]
제조예에서 제조된 중량평균분자량 250,000 g/mol인 아크릴로니트릴계 중합체를 방사 장치의 실린더에 충진하고, 170 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 용융시켰다. 용융물을 170 ℃의 온도에서 5 bar 질소압으로 방사하여 평균직경 35 ㎛인 탄소섬유 프리커서를 수득하였다. 이 때 사용된 방사구금의 평균직경은 0.5 ㎜이었고, 방사된 섬유는 권취 속도 720 m/min까지의 속도로 권취하였다. 권취 후, 상기 탄소섬유 프리커서는 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 130 ℃의 온도에 연신비 1.5 배로 연신시켰다.
연신된 탄소섬유 프리커서를 근적외선 조사를 통해 온도 26 ℃, 50 ℃, 80 ℃, 140 ℃, 180 ℃, 200 ℃, 240 ℃ 및 280 ℃ 구간을 순차적으로 0.1 m/분의 속도로 이동하며 안정화를 수행하였다. 이후, 평균직경이 15 ㎛인 안정화된 탄소섬유 프리커서를 질소 분위기하에서 1,500 ℃까지 열처리하여 평균직경이 15 ㎛인 탄소섬유를 제조하였다.
[비교예1]
상기 실시예 2에서 안정화를 종래 열풍을 이용하여, 공기분위기 하에서 130 ℃부터 280 ℃까지 연속적으로 승온하고, 안정화하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 수행하여 탄소섬유를 제조하였다.
상기 실시예들 및 비교예1에서 제조한 탄소섬유 제조공정에 걸린 시간을 측정하여 아래 표1에 나타내었다. 또한, 실시예들의 안정화된 탄소섬유 프리커서의 상태와 비교예1의 안정화 시간을 변경하여, 수행함에 따른 안정화된 탄소섬유 프리커서의 상태를 관찰하여, 아래 표 1 및 도 3에 나타내었다.
| 공정 | 안정화 시간 (단위: 시간) |
안정화된 탄소섬유 프리커서의 상태 | |
| 실시예1 | 연신 및 안정화 동시 수행 | 5 | 섬유형상 유지 |
| 실시예2 | 연신 후 안정화 수행 | 2 | 섬유형상 유지 |
| 비교예1 | 연신 후 안정화 수행 | 2 | 섬유 용융 |
| 10 | 섬유 용융 | ||
| 15 | 섬유형상 유지 |
상기 표 1에서와 같이, 본 발명의 탄소섬유 프리커서 안정화 방법을 이용하여, 안정화를 수행한 실시예 1 및 2의 경우, 안정화에 소요된 시간이 5 시간 이하로 수행될 수 있어, 전체 공정 중 장시간을 요하는 안정화 시간을 획기적으로 줄인 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 종래 열풍을 이용하여 안정화하는 비교예1의 경우, 안정화 시간이 15시간 미만인 경우, 탄소섬유 프리커서의 안정화가 수행되지 않으며, 섬유가 용융해버리는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 탄소섬유 프리커서 안정화 장치
100: 근적외선 조사부
10, 20: 발광 모듈
30: 롤러
31: 보조롤러
11: 제1발광 모듈
12: 제2발광 모듈
13: 제3발광 모듈
14: 제4발광 모듈
15: 제5발광 모듈
16: 제6발광 모듈
17: 제7발광 모듈
18: 제8발광 모듈
100: 근적외선 조사부
10, 20: 발광 모듈
30: 롤러
31: 보조롤러
11: 제1발광 모듈
12: 제2발광 모듈
13: 제3발광 모듈
14: 제4발광 모듈
15: 제5발광 모듈
16: 제6발광 모듈
17: 제7발광 모듈
18: 제8발광 모듈
Claims (17)
- 탄소섬유 프리커서가 이동하는 경로에 위치하고, 상기 탄소섬유 프리커서에 근적외선을 조사하는 근적외선 조사부;를 포함하는 탄소섬유 프리커서 안정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 근적외선 조사부는 광원을 포함하는 다수개의 발광 모듈이 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 이격 배열된 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 제2항에 있어서,
상기 다수개의 발광 모듈은 서로 독립적으로 온도 구간을 가지는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 제1항에 있어서,
상기 근적외선 조사부는 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 증가하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 제2항에 있어서,
상기 발광 모듈은 상기 탄소섬유 프리커서를 사이에 두고 한 쌍의 발광모듈이 마주보도록 배치되는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 제2항에 있어서,
상기 발광 모듈은 길이방향을 따라 양단이 개방되며, 상기 탄소섬유 프리커서가 개방된 양단을 통해 상기 발광 모듈을 관통하여 이동하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 전구체는 0.04 m/분 내지 3.0 m/분의 속도로 이동하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 장치. - 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 서로 다른 온도를 가지는 구역을 형성하도록 근적외선을 조사하여,
상기 탄소섬유 프리커서의 내부에서부터 안정화(Stabilization) 섬유가 되도록 하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법. - 제8항에 있어서,
상기 온도는 50 ℃ 내지 400 ℃ 인, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법. - 제8항에 있어서,
상기 구역은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 연속적으로 증가하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법. - 제8항에 있어서,
상기 구역은 탄소섬유 프리커서의 이동방향으로 온도가 단계별로 증가하는 것인, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법. - 제8항에 있어서,
상기 근적외선을 조사하는 시간은 1 내지 5 시간인, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법. - 상기 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 탄소섬유 프리커서 안정화 방법에 의하여 제조되는 안정화 섬유.
- a) 아크릴로니트릴계 중합체를 방사하여 탄소섬유 프리커서를 제조하는 단계; 및
b) 상기 탄소섬유 프리커서를 안정화 및 탄화하여 탄소섬유를 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 b) 단계의 안정화는 서로 다른 온도를 가지는 근적외선 조사에 의하여 수행되는 것인, 탄소섬유 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 방사는 용융방사인 탄소섬유 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 온도는 50 ℃ 내지 400 ℃ 인 탄소섬유 제조방법. - 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항의 제조방법으로부터 제조된 탄소섬유.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200177016A KR20220086847A (ko) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | 탄소섬유 프리커서 안정화 장치, 탄소섬유 프리커서 안정화 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 제조방법 |
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| KR (1) | KR20220086847A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102115961B1 (ko) | 2019-05-31 | 2020-05-27 | (주)에이치피케이 | 탄소섬유의 제조방법 |
-
2020
- 2020-12-17 KR KR1020200177016A patent/KR20220086847A/ko not_active Application Discontinuation
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