KR20240043258A - 지방족탄화수소로 이루어진 열가소성수지를 첨가한 혼합폴리카보실란 섬유의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지방족탄화수소로 이루어진 열가소성수지를 폴리카보실란에 무게비 5 ~ 20% 첨가 용해, 150℃~ 350℃로 가열 및 용융방사하여 혼합폴리카보실란 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 혼합폴리카보실란 섬유는 폴리카보실란에 열가소성수지를 첨가함으로 써 취성이 강한 폴리카보실란 섬유에 연신을 부가하므로 용융 방사 공정에서 섬유의 끊어짐을 억제시킴으로 써 연속섬유의 수율이 향상되며, 방사 속도를 증가시켜 섬유의 세섬이 용이하다.
상기 혼합폴리카보실란 섬유는 폴리카보실란에 열가소성수지를 첨가함으로 써 취성이 강한 폴리카보실란 섬유에 연신을 부가하므로 용융 방사 공정에서 섬유의 끊어짐을 억제시킴으로 써 연속섬유의 수율이 향상되며, 방사 속도를 증가시켜 섬유의 세섬이 용이하다.
Description
본 기술은 실리콘카바이드(SiC) 섬유 제조 과정 중의 전단계 섬유를 제조하는 기술에 관한 것이며, 구체적으로는 폴리카보실란에 열가소성수지를 첨가하여 연속섬유의 수율이 향상되고 세섬에 용이한 방법에 관한 기술이다.
폴리카보실란은 주로 실리콘카바이드(SiC) 연속 섬유를 제조하기 위한 전구체 또는 내산화성, 내열성을 증진시키기 위한 SiC 코팅, SiC 분말, SiC 복합재료의 전구체로 널리 이용되고 있다.
현재 SiC 섬유제조를 위한 폴리카보실란 섬유의 일반적인 제조 방법은 디메틸디클로로실란 가스와 금속 Na을 출발물질로 하여 폴리디메틸실란을 제조하고 이를 400℃ 이상의 고온 고압 반응의 Yajima 방법에 의해 제조된 폴리카보실란을 200℃~ 350℃ 가열 용융 방사 방법이 주로 이용되었다. 그러나 이 방법은 폴리카보실란의 강한 취성으로 인해 연속섬유 제조 공정에 문제점이 있고 생산 수율이 낮고 세섬에 어려움이 있었다
본 발명은 진술한 종래의 폴리카보실란 용융 방사 방법의 문제점을 해결하기 위한 기술로서 폴리카보실란 섬유에 연신을 부가하여 연속섬유의 생산 수율 증대를 가능하게 하는 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 또한, 용융 방사시 권취속도를 증가시킴으로 써 폴리카보실란 섬유의 세섬이 가능하게 하는 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 혼합폴리카보실란의 제조방법은 폴리카보실란에 지방족탄화수소로 이루어진 열가소성수지를 무게비 2 ~ 15% 첨가하는 방법으로 유기용매에 용해하여 진공건조하는 단계를 포함한다.
이때 첨가된 열가소성 수지는 직경 1mm 이내로 분쇄하여 유기용매에 용해하며 사용된 유기용매는 자일렌, 핵산, 톨루엔일 수 있다. 용해과정에서 온도와 교반이 필요할 수 있다. 용해된 액상의 혼합폴리카보실란은 수 ~ 100torr 범위의 압력에서 30 ~ 100℃ 온도로 5시간 이상 유지하여 고상의 혼합폴리카보실란을 수득한다.
본 발명에 따른 혼합폴리카보실란의 용융방사는 기존의 폴리카보실란에 비하여 용융점이 낮고 첨가된 열가소성수지에 의해 연신이 부가됨으로 써 연속섬유의 제조가 용이하고 수율이 증가하며 빠른 권취속도 조건에서도 연속 방사가 가능하여 세섬이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합폴리카보실란의 제조 방법과 이를 용융방사 하는 단계를 개념적으로 설명한 순서도이다.
도 2는 상기 혼합폴리카보실란을 용해하는 장치의 개념도이다.
도 3은 기존의 폴리카보실란과 혼합폴리카보실란을 용융방사하여 수득된 섬유의 직경을 비교한 미세 조직 사진이다.
도 2는 상기 혼합폴리카보실란을 용해하는 장치의 개념도이다.
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본 발명의 실시예에 따른 폴리카보실란은 간단하게 폴리디메틸실란(PDMS) 제조, 폴리카보실란 합성 및 정제 순서로 진행하였다. 폴리디메틸실란은 톨루엔 등의 용매에 첨가된 금속 Na이 담긴 반응기에 디메틸클로로실란(DDS) 가스를 일정한 유량으로 공급하면서 교반, 냉각수에 의한 응축, 환류 반응을 통해서 생성된 보라색 반응물을 침전 및 메탄올, 물 등을 이용해 수회 반복 세척함으로 써 미반응된 금속 Na을 제거하고 50 ~ 100℃의 온도에서 24시간 진공 건조하여 백색의 분말인 폴리디메틸실란을 수득할 수 있다.
폴리카보실란의 합성은 상기 폴리디메틸실란 분말을 고온, 고압의 반응기내에서 공기를 제거하고 320 ~ 370℃, 5시간이상 유지하여 1차, 420 ~ 480℃, 3시간이상 유지하여 2차 합성하는 단계를 거쳤으며, 이때 최고 압력은 50 ~ 80bar에 도달할 수 있다. 상기 공정으로 합성된 폴리카보실란을 톨루엔에 용해하여 잔류물을 침전시킨 후, 2000메쉬 필터를 통해 여과하고 30 ~ 100℃의 온도에서 12시간 진공 건조하여 반고상의 폴리카보실란을 수득할 수 있으며, 이를 250℃ 이상, 수torr의 압력 조건에서 10시간 이상 유지하는 정제공정을 통해 수평균분자량(Mn) 1200 ~ 1600, 중량평균분자량(Mw) 3500 ~ 4500, 녹는점이 230 ~ 280℃인 고상의 폴리카보실란을 수득할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 혼합폴리카보실란의 제조 방법에 대해 자세하게 설명하도록 한다,
도 1의 순서도에서와 같이 혼합폴리카보실란의 용융방사(100)를 위해서는 상기의 공정으로 수득된 고상의 폴리카보실란과 지방족탄화수소로 이루어진 열가소성수지를 무게비 2 ~ 15% 혼합(S110)하고 톨루엔, 핵산 등의 유기용매에 용해(S120)하여 30 ~ 100℃에서 5시간 이상 진공건조(S130)를 통해 생성된 혼합폴리카보실란을 싱글홀 방사기를 사용하여 250 ~ 300℃ 온도에서 6 ~ 10m/sec의 권취속도로 용융방사(S140) 하였다.
도 2는 상기 혼합폴리카보실란을 유기용매에 용해하는 장치의 개략도(200)이다. 자세하게는 직경 2mm 이내로 분쇄된 폴리카보실란(S210)와 열가소성수지(S220)를 유기용매(S230)와 함께 강화유리로 이루어진 용해 장치의 용기(S240)에 투입하고 히터(S250)를 가열하여 유기용매의 온도 30 ~ 100℃를 유지하고 교반기(S260)을 통해 5 ~ 50RPM 속도로 교반하였다.
이하에서는 구체적인 실시예를 들어 혼합폴리카보실란의 용융방사 특성을 자세하게 설명하도록 한다.
<실시예>
비교예 1
폴리디메틸실란 20kg을 고온 고압의 반응기에 넣고 공기를 제거한 후 1단계 350℃ 5시간 유지, 2단계 450℃ 4시간 유지하여 1차 폴리카보실란을 수득하였으며 이때 반응기내의 최고 압력은 60bar에 달하였다. 수득된 반응물을 유기용매 톨루엔에 용해하고 20메쉬 필터를 통해 여과, 진공로에서 80℃, 10torr의 압력으로 12시간 건조한 후, 정제기에서 250℃. 5torr, 10시간 유지하여 Mn값 1350, Mw값 3550, 녹는점 230 ~ 260℃를 갖는 폴리카보실란을 수득하였다.
<실시예 1>
비교예 1에서 수득된 폴리카보실란 100g과 열가소성수지 폴리프로필렌 5g을 혼합하고 직경 1mm 이하로 분쇄하여 톨루엔 200g이 담겨진 용해장치의 용기에 넣어 50℃ 온도조건에서 30RPM의 회전속도로 교반하여 용해한 후, 80℃ 5시간 진공건조하여 최종 혼합폴리카보실란을 수득하였다.
[실험]
실험 1 용융방사의 연속섬유 생산성 평가
비교예 1에서 수득된 폴리카보실란은 270℃, 권취속도 6m/sec 조건으로 10분 동안 연속적으로 섬유를 방사할 수 있었으며 그 이상의 속도에서는 연속섬유의 생산이 불가능하였으나, 실시예 1에서 수득된 혼합폴리카보실란은 250℃, 권취속도 8m/sec 조건으로 20분 동안 연속적으로 섬유를 방사할 수 있었다.
| 연속섬유의 길이 | 비교예 1을 기준으로 한 생산성 향상 | |
| 실시예 1 혼합폴리카보실란 |
9,600m | 2.66배 이상 |
| 비교예 1 폴리카보실란 |
3,600m | 1 |
실험 2 섬유의 직경 평가
도 3을 참조하면 (a); 실시예 1에서 수득된 혼합폴리카보실란 섬유는 평균 11.5㎛ 직경을 나타내었으며, (b); 비교예 1에서 수득된 폴리카보실란 섬유는 평균 15.6㎛ 직경을 나타내었다.
Claims (4)
- 폴리카보실란에 지방족탄화수소로 이루어진 열가소성수지를 무게비 2 ~ 15% 혼합하는 방법
- 상기 제1항에서 제조된 혼합물을 유기용매에 30 ~ 100도에서 용해하여 여과 후, 50 ~ 150도에서 진공건조하는 방법
- 상기 제2항에서의 유기용매는 자일렌, 핵산, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란 중 1종 또는 2종을 사용하는 방법
- 상기 제2항에서의 수득된 혼합폴리카보실란을 용융 방사시 7m/sec 이상의 속도로 맨드렐에 권취된 섬유
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