KR101400507B1 - Dispersion Method of Carbonous Fibers Using In-line Dispersion Method and Manufacturing Method of Carbon Composites thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인-라인 분산(In-line dispersion) 방법을 이용하여 탄소질 섬유를 분산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 인-라인 분산 방법을 통하면, 탄소질 섬유를 잘 분산할 수 있어 분산이 매우 용이하고, 분산 시간을 단축 가능하며, 본 발명의 인-라인 분산방법을 통한 탄소복합재료의 제조 방법을 통하면 분산효율이 증가하고, 섬유볼이 형성되지 않으며, 분산용매의 재사용이 가능하고 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 적합하다.The present invention relates to a method for dispersing carbonaceous fibers using an in-line dispersion method.
According to the in-line dispersion method of the present invention, carbonaceous fibers can be well dispersed so that dispersion is very easy, dispersion time can be shortened, and the method for producing a carbon composite material by the in- , The dispersion efficiency is increased, the fiber ball is not formed, the dispersion solvent can be reused and the continuous process is possible, which is suitable for mass production.
Description
본 발명은 인라인 분산 방법을 이용하여 탄소질 섬유를 분산시켜 단열성, 내열성, 내구성 및 기계적 강도가 우수한 탄소질 섬유 단열재 및 전기전도도가 우수한 탄소지(Carbon paper)를 비롯한 탄소복합재료에 관한 것이다.
The present invention relates to a carbon composite material including a carbon fiber insulation material excellent in heat insulation, heat resistance, durability and mechanical strength, and carbon paper excellent in electric conductivity by dispersing carbonaceous fibers using an inline dispersion method.
그 탄소재료는 높은 열저항, 전기 전도도 등의 특징을 가져 예전부터 많은 분야에서 사용되었다. 최근에는 특히 탄소재료 중에서도 탄소질 섬유가 각광받고 있다. 탄소질 섬유는 고강도, 고탄성, 높은 열전도도 및 전기전도도의 탄소재료와 비슷한 특징을 가지고 있으며, 섬유상의 모양을 가지고 있어 기능성을 갖는 탄소 성형체 및 복합재료에 널리 사용된다.The carbon material has characteristics such as high thermal resistance and electric conductivity, and has been used in many fields since the past. In recent years, among carbon materials, carbonaceous fibers have attracted attention. Carbonaceous fibers have characteristics similar to those of carbon materials with high strength, high elasticity, high thermal conductivity and electric conductivity, and they are widely used for carbon molded bodies and composites having functional form due to their fibrous shape.
탄소질 섬유로 제조하는 탄소 복합재료에는 탄소질 섬유 단열재와 탄소지가 대표적이다. 탄소질 섬유 단열재는 2000℃ 이상에서 사용되는 고온로의 단열재로 사용된다. 특히 최근 태양광 에너지의 발달로 폴리실리콘의 수요가 폭발적으로 늘고 있는 가운데, 폴리실리콘을 생산할 수 있는 설비에 사용되는 탄소질 섬유 단열재의 수요 또한 크게 늘고 있다. 탄소지는 얇은 종이형태로 탄소질 섬유를 분산하여 수지를 함침시켜 가압하여 제조한다. 높은 전기 전도도의 특성을 가지기 때문에, 주로 이차전지 및 연료전지의 전극으로 사용된다. 휴대폰 및 노트북뿐만 아니라 전기자동차, 발전소 등에서도 널리 사용되고 있다. Carbonaceous fiber insulation and carbon paper are typical examples of carbon composite materials made of carbonaceous fibers. The carbonaceous fiber insulation is used as a high-temperature insulation material used at 2000 ° C or higher. In particular, demand for polysilicon has exploded in recent years due to the development of solar energy, and the demand for carbonaceous fiber insulation used in facilities capable of producing polysilicon is increasing. Carbon paper is produced by dispersing carbonaceous fibers in the form of thin paper, impregnating the resin, and pressing. And has high electrical conductivity, it is mainly used as an electrode of a secondary battery and a fuel cell. It is widely used not only in mobile phones and laptops but also in electric vehicles and power plants.
고온로는 필수적으로 단열재가 필요한데, 이에 사용되는 것이 탄소질 섬유 단열재이다. 3000℃ 이상에서도 사용할 수 있는 소재는 탄소질 섬유가 유일하며, 불순물이 적어 최첨단 산업에서 아주 유용하게 사용되고 있다. 일반적으로 탄소질 섬유 단열재는 겉보기 밀도 (bulk density)가 0.1-0.3 g/cm3이 주로 사용되고 있다. 겉보기 밀도가 너무 낮으면 자립성 및 기계적 강도가 약해지며, 겉보기 밀도가 너무 높으면 열전도도가 높아지는 문제점이 있다. 사용되는 분야에 따라 탄소질 섬유 단열재의 불순물 함유량은 아주 중요한 요소가 된다. 일반적으로 태양전지용 실리콘 성장로에서는 100 ppm 이하의 고순도 탄소질 섬유 단열재가 필요하며, 특히 반도체나 고순도 SiC를 생산하는 분야에서는 5 ppm 이하의 불순물 함유량이 필수적이다.The high-temperature furnace is essentially required to have a thermal insulation material, which is a carbonaceous fiber insulation. The carbonaceous fiber is the only material that can be used at temperatures over 3000 ℃, and it is very useful in cutting-edge industries due to its low impurities. In general, carbonaceous fiber insulation has a bulk density of 0.1-0.3 g / cm 3 . If the apparent density is too low, the self-supporting property and the mechanical strength are weakened. If the apparent density is too high, the thermal conductivity becomes high. Depending on the field of use, the impurity content of carbonaceous fiber insulation is a very important factor. Generally, the silicon growth furnace for solar cells requires a high purity carbonaceous fiber insulation of 100 ppm or less. Especially, in the field of producing semiconductor or high purity SiC, impurity content of 5 ppm or less is essential.
단열재를 만드는 방법으로는, 짧은 길이의 탄소질 섬유를 분산용매에 분산하여 바인더를 포함하여 성형틀에서 흡입성형하고, 얻어지는 성형체를 열처리하여 탄소질 섬유 단열재로 제조하는 방법이 있다. 이 방법은 별도의 복잡한 공정없이 간단하게 단열재의 제조가 가능하며, 생산비용이 낮은 제조방법이다. 그러나, 탄소질 섬유는 사용 전에 이미 섬유끼리 엉켜있는 상태로 존재하여 분산이 쉽지 않다. 기존의 분산방법으로는 분산조에서 탄소질 섬유와 분산용매의 비율이 0.5wt% 이하로 대량의 분산용매를 사용하여 분산하였으나, 분산용매의 사용량이 많고 탄소질 섬유의 손실량이 크며, 섬유볼이 발생하는 문제점이 있다. 섬유볼은 탄소질 섬유 분산과정에서 분산되지 않은 섬유들이 서로 뭉쳐서 볼모양으로 형성되는 것들을 말한다. 이러한 섬유볼이 제거되지 않으면 성형체에 그대로 남아있게 되어, 외부의 힘이나, 열에 의해 섬유볼이 있는 부분에 크랙이 발생하는 문제점이 생긴다. 또 다른 방법으로, 고속의 회전속도를 이용하여 탄소질 섬유를 분산하는 방법이 있다. 반응기에서 1000 rpm 이상의 고속회전으로 탄소질 섬유의 분산이 가능하나, 섬유가 볼처럼 뭉치는 현상이 발생할 가능성이 있고, 대량의 탄소질 섬유를 한번에 분산이 불가능하다는 단점으로 인해 대량생산에 적용하기 어렵다. 또한 탄소질 섬유의 배향이 불균일하여 좋지 않은 특성을 보인다. As a method for producing the heat insulating material, there is a method of dispersing a carbonaceous fiber having a short length in a dispersion solvent, carrying out a suction molding in a mold including a binder, and heat-treating the obtained molded article to obtain a carbonaceous fiber insulation. This method is a manufacturing method which can easily produce a heat insulating material without a complicated process and has a low production cost. However, the carbonaceous fibers exist in a state in which the fibers are already entangled before use, so that dispersion is not easy. As a conventional dispersion method, a large amount of dispersion solvent is used in a dispersion tank at a ratio of carbon fiber to a dispersion solvent of 0.5 wt% or less, but a large amount of dispersion solvent is used, a loss of carbon fiber is large, There is a problem that occurs. The fiber ball refers to those fibers that are not dispersed in the process of carbonaceous fiber dispersion and are formed into a ball shape by mutual coalescence. If such a fiber ball is not removed, it remains in the formed body, and cracks are generated in a portion where the fiber ball is present due to external force or heat. As another method, there is a method of dispersing carbonaceous fibers using a high rotational speed. It is possible to disperse the carbonaceous fibers at a high speed of 1000 rpm or more in the reactor but there is a possibility that the fibers are bundled like balls and it is difficult to apply the carbonaceous fibers to mass production due to the disadvantage that a large amount of carbonaceous fibers can not be dispersed at one time . In addition, the orientation of the carbonaceous fibers is uneven and exhibits poor characteristics.
탄소질 섬유로 제조하는 탄소지와 같은 경우 이차전지 및 연료전지 등에 전극(electrode)으로 유용하게 사용되고 있다. 탄소지의 제조방법은 종이를 만드는 제지법과 아주 흡사하다. 탄소질 섬유를 분산용매에 분산시켜 아랫부분이 메쉬(mesh) 형태로 되어있는 판재상(Board)에 얇게 초지하고, 바인더를 함침하여 가압경화 후 열처리하여 탄소지를 제조한다. 탄소지를 제조하는 공정에서도 가장 핵심이 되는 공정이 분산공정이다. 특히 분산공정시 사용되는 분산용매의 양이 매우 많이 사용되기 때문에, 분산용매의 처리와 재사용이 문제시 되고 있다. 이렇듯 탄소질 섬유의 분산은 단열재 및 탄소지를 비롯한 탄소복합재료를 제조하는 데 있어서, 매우 중요하고 어려운 공정이다.
In the case of carbon paper made of carbon fiber, it is useful as an electrode for a secondary battery and a fuel cell. Carbon paper manufacturing methods are very similar to paper making methods. The carbon fiber is dispersed in a dispersion solvent and the lower part is thinly ground on a board in the form of a mesh, impregnated with a binder, pressure-cured and heat treated to produce carbon paper. The most important process in the production of carbon paper is the dispersion process. Particularly, since the amount of the dispersing solvent used in the dispersing process is very large, the disposal of the dispersing solvent and the re-use are problematic. Dispersion of carbonaceous fibers is a very important and difficult process in manufacturing carbon composite materials including insulation and carbon paper.
이에 본 발명자들은 상기에 언급된 바와 같이 탄소질 섬유의 분산효율이 낮으며, 섬유볼이 생성되고, 분산용매의 사용량이 많으며, 대량생산에 적용하기 어려운 기존의 문제점을 해결하고자 하였다. 인-라인 분산(In-line dispersion) 방법을 이용하여 탄소질 섬유를 분산한 다음, 분산기를 통해 성형틀에 분산액을 붓고, 바인더를 함침시킨 후 건조, 이형 단계를 거쳐 단열재 성형체를 제조하여, 성형체를 경화, 탄화, 흑연화 공정을 거쳐 균일한 섬유배향을 가지며 낮은 열전도도의 우수한 탄소질 성형 단열재를 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors of the present invention have attempted to solve the conventional problems that the dispersion efficiency of the carbonaceous fiber is low, the fiber ball is produced, the amount of the dispersion solvent is large, and it is difficult to apply to mass production as mentioned above. Dispersing the carbonaceous fibers using an in-line dispersion method, pouring a dispersion liquid into a mold through a dispersing machine, impregnating the binder, drying and releasing the mixture to form a heat insulating material compact, Carbonization, and graphitization process to obtain a carbonaceous molded insulating material having a uniform fiber orientation and a low thermal conductivity, thereby completing the present invention.
따라서 본 발명의 목적은 인-라인 분산 방법을 이용하여 탄소질 섬유를 분산하는 방법을 제공 하는 데에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of dispersing carbonaceous fibers using an in-line dispersion method.
본 발명의 다른 목적은 상기 탄소질 섬유 분산 방법을 통해 얻은 탄소질 섬유를 이용하여 단열재 및 탄소지를 비롯한 탄소복합재료를 제공 하는 데에 있다.
Another object of the present invention is to provide a carbon composite material including a heat insulating material and carbon paper by using the carbonaceous fibers obtained through the carbonaceous fiber dispersion method.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 이용하여 분산시켜 분산액을 제조하는 방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a dispersion by dispersing carbonaceous fibers in a dispersion solvent using an in-line dispersion method.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은According to another aspect of the present invention,
(i) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;(i) producing a dispersion using the method of any one of claims 1 to 6;
(ii) 상기 분산액을 분산기를 통해 성형틀에 부어 성형체를 제조하는 단계;(ii) pouring the dispersion into a mold through a dispersing machine to produce a molded body;
(iii) 상기 성형체에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;(iii) impregnating the formed body with a binder in a spraying manner;
(iv) 상기 성형체를 건조, 이형, 경화하는 단계; 및(iv) drying, releasing and curing the molded body; And
(v) 상기 성형체를 열처리하여 단열재를 제조하는 단계;(v) heat treating the molded body to produce a heat insulating material;
를 포함하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for producing a carbonaceous fiber insulation material.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은According to another aspect of the present invention,
(1) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;(1) preparing a dispersion using the method of any one of claims 1 to 6;
(2) 상기 분산액을 판재상에 초지하여 탄소지를 제조하는 단계;(2) grinding the dispersion on a plate to produce carbon paper;
(3) 상기 탄소지에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;(3) impregnating the carbon paper with a binder in a spraying manner;
(4) 상기 탄소지를 가압경화하는 단계; 및(4) press-curing the carbon paper; And
(5) 상기 탄소지를 열처리하는 단계;(5) heat treating the carbon paper;
를 포함하는 탄소지의 제조방법을 제공한다.
Wherein the carbon black is a carbon black.
본 발명의 특징 및 효과는 하기와 같다.The features and effects of the present invention are as follows.
(i) 본 발명의 인-라인 분산 방법을 통하면, 탄소질 섬유를 잘 분산할 수 있어 분산이 매우 용이하고, 분산 시간을 단축 가능하다.(i) Through the in-line dispersion method of the present invention, the carbonaceous fibers can be well dispersed, so that the dispersion is very easy and the dispersion time can be shortened.
(ii) 본 발명의 인-라인 분산방법을 통한 탄소복합재료의 제조 방법을 통하면 분산효율이 증가하고, 섬유볼이 형성되지 않으며, 분산용매의 재사용이 가능하고 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 적합하다.
(ii) The method for producing a carbon composite material through the in-line dispersion method of the present invention increases dispersion efficiency, does not form a fiber ball, permits reusable dispersion solvents, and enables a continuous process, Suitable.
도 1은 본 발명의 탄소질 섬유 단열재의 실시예 1-2 및 비교예에 의해 제조된 단열재 표면의 모습이다.
도 2는 탄소질 섬유 단열재 실시예 1-2 및 비교예에 의해 제조된 단열재 단면의 모습이다.
도 3은 본 발명의 탄소지 실시예에 의해 제조된 탄소지의 모습이다.
도 4는 본 발명에서 이용되는 인-라인 믹서(in-line dispersator(mixer))를 나타낸 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a view of the surface of a heat insulating material produced by Example 1-2 and Comparative Example of the carbonaceous fiber insulating material of the present invention. FIG.
2 is a cross-sectional view of a heat insulating material produced by the carbonaceous fiber insulation material of Example 1-2 and Comparative Example.
3 is a view of the carbon paper produced by the carbon paper embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing an in-line disperser (mixer) used in the present invention.
본 발명의 일 양태에 따르면 본 발명은 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 이용하여 분산시켜 분산액을 제조하는 방법을 제공한다. According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a dispersion by dispersing carbonaceous fibers in a dispersion solvent using an in-line dispersion method.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 탄소질 섬유는 폴리아크릴로니트릴, 페놀수지, 레이온, 면, 석유피치 및 석탄피치으로 이루어진 군에서 선택한 단독 또는 혼합물이나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the present invention, the carbonaceous fiber may be selected from the group consisting of polyacrylonitrile, phenol resin, rayon, cotton, petroleum pitch and coal pitch, but is not limited thereto.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 탄소질 섬유는 평균 섬유길이가 1 - 30 mm 이다. According to a preferred embodiment of the present invention, the carbonaceous fiber has an average fiber length of 1 to 30 mm.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 분산 용매는 deionized water, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로필 알코올, 뷰탄올, t-뷰탄올, 펜탄올, 헥산올, 아이소뷰틸 알코올, 사이클로헥산올, tert-아밀 알코올, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤으로 이루어진 군에서 선택한 단독, 또는 2종 이상의 알콜의 혼합물이나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 탄소질 섬유를 용매시킬 수 있는 유기 용매를 모두 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the dispersion solvent is selected from the group consisting of deionized water, methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, t-butanol, pentanol, hexanol, isobutyl alcohol, cyclohexanol, A mixture of two or more alcohols selected from the group consisting of alcohol, ethylene glycol and glycerol, or an organic solvent capable of solvating carbonaceous fibers.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 인라인 분산(in-line dispersion) 방법은 According to a preferred embodiment of the present invention, the in-line dispersion method
(a) 탄소질 섬유와 분산용매를 시간당 일정하게 호퍼(hopper)에 투입하는 연속 공정 방식; 및(a) a continuous process in which a carbon fiber and a dispersion solvent are injected into a hopper at a constant rate per hour; And
(b) 균질기에서 탄소질 섬유를 분산하는 단계를(b) dispersing the carbonaceous fibers in a homogenizer
추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.And further comprising:
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)의 균질기에서 탄소질 섬유를 분산시 균질기의 회전 속도는 500 - 3000 rpm에서 분산시키는 것을 특징으로 한다.
According to a preferred embodiment of the present invention, when the carbonaceous fiber is dispersed in the homogenizer of the step (b), the spinning speed of the homogenizer is dispersed at 500 to 3000 rpm.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은According to another aspect of the present invention,
(i) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;(i) producing a dispersion using the method of any one of claims 1 to 6;
(ii) 상기 분산액을 분산기를 통해 성형틀에 부어 성형체를 제조하는 단계;(ii) pouring the dispersion into a mold through a dispersing machine to produce a molded body;
(iii) 상기 성형체에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;(iii) impregnating the formed body with a binder in a spraying manner;
(iv) 상기 성형체를 건조, 이형, 경화하는 단계; 및(iv) drying, releasing and curing the molded body; And
(v) 상기 성형체를 열처리하여 단열재를 제조하는 단계;(v) heat treating the molded body to produce a heat insulating material;
를 포함하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a carbonaceous fiber insulation material.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(ii)는 분산액을 2 - 10 방향으로 분산액을 분산시키는 분산기를 사용하여 성형틀에 붓는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step (ii) is characterized in that the dispersion is poured into a mold using a dispersing machine for dispersing the dispersion in the 2-10 direction.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(iii)의 바인더는 페놀수지, 퓨란수지, 함침용 피치, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 슈크로스로 이루어진 군에서 선택된 단독 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the present invention, the binder of step (iii) may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of phenol resin, furan resin, impregnation pitch, epoxy resin, vinyl ester resin, polyimide resin and sucrose But is not limited thereto.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(iii)의 바인더를 함침시키는 단계는 직경 0.5 - 2 mm 분사노즐을 이용하여 함침시킨다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step of impregnating the binder of step (iii) is impregnated with a spray nozzle having a diameter of 0.5 - 2 mm.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (i)의 성형틀은 바닥부분에 메쉬(mesh)가 설치되어 탄소질 섬유만 성형틀에 남고 분산용매는 모두 빠져나가게 하는 것을 특징으로 한다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the forming mold of the step (i) is provided with a mesh at the bottom portion so that only the carbonaceous fiber remains in the mold and the dispersion solvent is entirely discharged.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은According to another aspect of the present invention,
(1) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;(1) preparing a dispersion using the method of any one of claims 1 to 6;
(2) 상기 분산액을 판재상에 초지하여 탄소지를 제조하는 단계;(2) grinding the dispersion on a plate to produce carbon paper;
(3) 상기 탄소지에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;(3) impregnating the carbon paper with a binder in a spraying manner;
(4) 상기 탄소지를 가압경화하는 단계; 및(4) press-curing the carbon paper; And
(5) 상기 탄소지를 열처리하는 단계;(5) heat treating the carbon paper;
를 포함하는 탄소지의 제조방법을 제공한다.Wherein the carbon black is a carbon black.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(2)는 분산액을 2 - 10 방향으로 분산액을 분산시키는 분산기를 사용하여 성형틀에 붓는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step (2) is characterized in that the dispersion is poured into a mold using a dispersing machine for dispersing the dispersion in the 2-10 direction.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(3)의 바인더를 함침시키는 단계는 직경 0.5 - 2 mm 분사노즐을 이용하여 함침시키는 것을 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step of impregnating the binder of step (3) is performed using a spray nozzle having a diameter of 0.5 to 2 mm.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (3)의 바인더는 PVA 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀수지, 푸란수지 및 슈크로스로 이루어진 군에서 선택한 단독 또는 2 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the binder in the step (3) is selected from the group consisting of a PVA resin, an epoxy resin, a polyester resin, a phenol resin, a furan resin and a sucrose, But is not limited thereto.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기의 탄소질 섬유 단열재의 제조방법으로 제조한 탄소질 섬유 단열재를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a carbonaceous fiber insulation material produced by the above method for producing a carbonaceous fiber insulation material.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기의 탄소지의 제조방법으로 제조한 탄소지를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided carbon paper produced by the method for producing carbon paper.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기 분산액을 제조하는 방법에 의해 제조된 분산액을 이용하여 제조한 탄소질 섬유 시트를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a carbonaceous fiber sheet produced by using the dispersion prepared by the above-described method for producing a dispersion.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기 분산액을 제조하는 방법에 의해 제조된 분산액을 이용하여 제조한 탄소질 섬유 보드를 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a carbonaceous fiber board produced by using the dispersion prepared by the method for producing the dispersion.
1. (탄소질 섬유 단열재)1. (carbonaceous fiber insulation)
본 발명은 평균길이 1-10 mm 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 통해 분산시켜, 분산기를 이용하여 성형틀에 흡입성형한 다음, 바인더를 함침시켜 건조, 이형, 경화, 탄화, 흑연화를 거쳐 탄소질 섬유 단열재를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a carbon fiber by dispersing a carbon fiber having an average length of 1-10 mm in a dispersion solvent through an in-line dispersion method, sucking the fiber into a mold using a dispersing machine, Curing, carbonization and graphitization of carbonaceous fiber insulation.
본 발명의 가장 큰 특징은 기존의 분산방법이 아닌, 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 사용하여 탄소질 섬유를 분산시킨다는 점이다. 인라인 분산(in-line dispersion) 방법은 연속공정 방식으로 탄소질 섬유와 분산용매를 시간당 일정하게 호퍼에 투입하여 파이프를 통과하게 한 다음, 파이프 중간부분에 위치한 균질기에서 탄소질 섬유를 분산하게 한다. 이때, 균질기의 회전속도는 500-3000 rpm이며, 바람직하게는 1500-2500 rpm 인 것이 좋다. 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 통해 분산한 탄소질 섬유는 연속공정 방식으로 분산용매를 재사용하는데 매우 용이하며, 분산시간이 매우 짧고, 탄소질 섬유의 분산 중 손실량 또한 매우 작다. 또한 분산할 탄소질 섬유의 양에 따라 호퍼 크기, 파이프의 크기, 균질기의 크기 및 회전속도를 조절함으로써 단열재 생산량에 따라 쉽게 대량생산이 가능한 방법이다. The most significant feature of the present invention is that the carbonaceous fibers are dispersed by using an in-line dispersion method instead of the conventional dispersion method. The in-line dispersion method is a continuous process in which the carbonaceous fibers and the dispersion solvent are continuously injected into the hopper through the pipe for a predetermined period of time, and then the carbonaceous fibers are dispersed in the homogenizer located in the middle portion of the pipe . At this time, the rotation speed of the homogenizer is 500-3000 rpm, preferably 1500-2500 rpm. The carbonaceous fibers dispersed through an in-line dispersion method are very easy to reuse the dispersing solvent in a continuous process, have a very short dispersion time, and have a very small loss during dispersion of the carbonaceous fibers. It is also possible to easily mass-produce according to the amount of insulation material by controlling the hopper size, pipe size, homogenizer size and rotation speed according to the amount of carbonaceous fiber to be dispersed.
상기 탄소질 섬유의 평균 섬유길이는 1-30 mm인 것이 좋다. 평균 섬유길이가 30mm 이상이면, 분산이 어려워 균일한 배향을 가진 탄소질 섬유 단열재를 제조하는 것이 어려우며, 평균 섬유길이 1 mm 이하의 것은 최종 탄소질 섬유 단열재의 겉보기 밀도가 0.4 g/cm3이상으로 열전도도가 매우 높아진다.The average fiber length of the carbonaceous fibers is preferably 1-30 mm. The average fiber length is as it is difficult and less than the average fiber length of 1 mm is the apparent density of the final carbonaceous fiber insulation 0.4 g / cm 3 or more for producing a carbonaceous fiber insulation having an orientation which is, dispersion is more than 30mm difficult uniform The thermal conductivity becomes very high.
상기 분산용매는 작업화경 및 편의성, 휘발성을 고려하여 물 또는 알코올을 주성분으로 하는 용매를 사용하는 것이 바람직하나 유기용매를 사용하는 것도 가능하다. 또한 탄소질 섬유 단열재의 특성에 영향을 미치지 않는 범위에서 셀룰로오스 계열의 점도 조절제, 분산제, 안정제, 침강방지제, 계면활성제 등의 첨가제를 함유하고 있어도 좋다. The dispersion solvent is preferably a solvent containing water or alcohol as a main component in consideration of the operating diameter, convenience, and volatility, but it is also possible to use an organic solvent. In addition, additives such as a cellulose-based viscosity modifier, a dispersant, a stabilizer, an anti-settling agent, and a surfactant may be contained within a range not affecting the properties of the carbonaceous fiber insulation.
이후 상기 탄소질 섬유를 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 통해 분산액과 함께 성형틀에 흡입성형을 한다. 성형틀의 아래부분은 메쉬(mesh) 형태로 제작되어 있어 탄소질 섬유만 성형틀 내부에 쌓이게 되고 분산용매는 아래로 빠져나가 다시 재사용된다. 이때 탄소질 섬유와 분산용매는 분산기를 통해서 성형틀에 성형된다. 분산기는 탄소질 섬유 분산액을 성형틀에 2-10개 방향으로 분산시켜 주어 성형틀 내부에 쌓여있는 탄소질 섬유 표면에 충격을 최소화하여 성형체를 모양이 훼손되지 않도록 유지하며, 섬유의 배향을 일정하게 하는 역할을 한다. 분산기의 모양은 2개 이상의 방향으로 구멍이 있어야 하며, 10개 이상의 방향으로 구멍이 있을 경우 구멍의 크기가 작아 탄소질 섬유가 걸려서 분산기가 막히는 현상이 발생한다. Then, the carbonaceous fibers are subjected to in-line dispersion method and suction molding in a mold together with the dispersion. The lower part of the mold is made in mesh form, so that only carbonaceous fibers are accumulated inside the mold, and the dispersion solvent goes down and is reused. At this time, the carbonaceous fibers and the dispersion solvent are formed into a forming mold through a dispersing machine. The dispersing machine disperses the carbonaceous fiber dispersion in the forming mold in 2-10 directions, minimizes the impact on the surface of the carbonaceous fiber accumulated inside the molding mold, keeps the molded product from being damaged, . The shape of the dispersing machine should have holes in two or more directions, and if there are holes in more than 10 directions, the size of the holes is small and carbonaceous fibers are caught and the dispersing machine is clogged.
성형틀 내부에 존재하는 탄소질 섬유에 바인더를 함침하는 공정을 수행한다. 사용가능한 바인더로는 페놀수지, 퓨란수지, 함침용 피치, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 폴리이미드 수지 및 슈크로스 중에서 선택한 1종 이상을 들수 있고, 바람직하게는 페놀수지가 적합하다. 페놀수지는 탄화수율이 높으며, 바인더로서 접착력이 뛰어나고 가격이 저렴한 수지이기에 바인더로서 적합하다. 바인더의 함유량은 탄소질 섬유 100 중량부에 대하여 5-50 중량부, 바람직하기로는 15-45 중량부가 좋다. 바인더의 함유량이 많으면, 탄소질 섬유 단열재의 최종 겉보기 밀도가 0.2 g/cm3이상이 되고, 반면에 바인더의 함유량이 작으면 접착력이 약해져 열처리 공정 중 탄소질 섬유 성형체의 형태가 고정되지 않는다. 바인더 함침공정은 성형틀 내부에 쌓여있는 탄소질 섬유에 스프레이 노즐을 통해 바인더를 분사한다. 스프레이 노즐의 직경은 0.1-2 mm, 바람직하게는 0.5-1 mm가 좋다. 노즐의 직경이 작을 경우 분사량이 작아 공정의 시간이 길어지며, 반대로 직경이 클 경우 쌓여있는 탄소질 섬유의 표면을 훼손하는 현상이 발생한다.A step of impregnating the carbonaceous fibers existing in the mold with the binder is carried out. Examples of usable binders include phenol resin, furan resin, impregnation pitch, epoxy resin, vinyl ester resin, polyimide resin and sucrose, and phenol resin is preferable. The phenol resin is suitable as a binder since it has a high carbonization yield, is excellent in adhesion as a binder, and is low in cost. The content of the binder is preferably 5-50 parts by weight, more preferably 15-45 parts by weight, based on 100 parts by weight of the carbonaceous fiber. If the content of the binder is large, the final apparent density of the carbonaceous fiber insulation becomes 0.2 g / cm < 3 > or more. On the other hand, if the content of the binder is small, the adhesive strength is weakened and the shape of the carbonaceous fiber formed article is not fixed during the heat treatment process. The binder impregnation process injects the binder through the spray nozzle onto the carbonaceous fibers accumulated in the mold. The diameter of the spray nozzle may be 0.1-2 mm, preferably 0.5-1 mm. When the diameter of the nozzle is small, the injection amount is small and the process time is prolonged. On the other hand, when the diameter is large, the surface of the accumulated carbonaceous fiber is damaged.
함침공정을 거친 탄소질 섬유는 성형틀에 적당한 압력을 가하는 동시에 건조를 한다. 건조공정은 페놀수지를 적당히 경화시키는 공정으로 건조가 덜 되는 경우는 이형시 탄소질 섬유 성형체의 형태가 유지되지 않으며, 반대로 건조가 많이 진행되었을 때는, 성형틀의 내부 표면과 페놀수지가 접착되어 이형이 되지 않는 경우가 발생한다. 건조한 후 탄소질 섬유 성형체에 압력을 제거한 후 성형틀과 분리하여 성형체만을 경화한다. 경화공정 중에 페놀수지는 완전히 경화되어 탄소질 섬유 성형체의 기지재로서 역할을 하게 된다. The impregnated carbonaceous fibers are dried at the same time as applying appropriate pressure to the mold. The drying process is a process of moderately curing the phenolic resin. If the drying is not performed, the shape of the carbonaceous fiber formed body is not maintained during the mold release. On the contrary, when the drying process is progressed, It may not occur. After drying, the pressure is removed from the carbonaceous fiber formed body and separated from the forming mold to cure only the molded body. During the curing process, the phenolic resin is fully cured to serve as a matrix of the carbonaceous fiber shaped body.
경화공정 이후 탄소질 섬유 성형체는 탄화, 흑연화 공정을 거치게 되면 탄소함량이 95% 이상되는 단열재가 제조된다. 성형체의 탄화, 흑연화 공정은 질소(N), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스 분위기나 진공하에서 수행하는 것이 바람직하다. 탄화공정시 온도는 1000℃ 가 적당하며, 흑연화 공정은 2000℃ 이상에서 수행하는 것이 좋다.After the curing process, the carbonaceous fiber formed body is subjected to the carbonization and graphitization processes to produce an insulation material having a carbon content of 95% or more. The carbonization and graphitization of the molded body are preferably carried out under an atmosphere of an inert gas such as nitrogen (N), helium (He) or argon (Ar) or under vacuum. The temperature during the carbonization process is preferably 1000 ° C, and the graphitization process is preferably performed at 2000 ° C or higher.
본 발명의 탄소질 섬유 단열재 제조방법에 의하면 평균 섬유길이 1-30mm 의 탄소질 섬유 분산을 인라인 분산(in-line dispersion) 방법으로 하기 때문에 분산이 빠른 시간안에 가능하고 탄소질 섬유의 손실량이 적으며, 연속공정 방식으로 분산용매의 재사용이 용이하며, 대량생산에 적용이 쉽다. 또한 분산된 탄소질 섬유를 분산기를 통해 투입함으로써 성형틀 내부에 쌓이는 탄소질 섬유 표면을 훼손하지 않고 탄소질 섬유의 배향이 매우 균일한 단열재를 제조할 수 있다. 제조된 탄소질 섬유 단열재는 겉보기 밀도 0.2 g/cm3이하로서 높은 기계적 강도와 낮은 열전도도를 가진 우수한 특성을 보인다.According to the method for producing a carbonaceous fiber insulation material of the present invention, the dispersion of carbonaceous fibers having an average fiber length of 1-30 mm is performed by an in-line dispersion method, and the loss of carbonaceous fibers is small , It is easy to reuse the dispersing solvent by the continuous process method and it is easy to apply to mass production. In addition, it is possible to manufacture a heat insulating material in which the orientation of the carbonaceous fiber is very uniform without damaging the surface of the carbonaceous fiber accumulated in the mold by injecting the dispersed carbonaceous fiber through the dispersing machine. The produced carbonaceous fiber insulation has an apparent density of 0.2 g / cm 3 or less and exhibits excellent mechanical strength and low thermal conductivity.
2. (탄소지)2. (Carbon paper)
상기의 탄소질 섬유 분산방법을 이용하여 탄소지를 제조할 수 있다. 탄소지는 두께가 0.5-5 mm 정도이고, 단위질량(unit mass)은 30-300 g/m2정도이다. 성형틀 대신 아래부분이 메쉬(mesh) 형태인 판재상에 분산된 탄소질 섬유를 투입하여 얇게 초지한다. 이때 탄소질 섬유는 길이가 5-30 mm 인 것이 좋다. 길이가 너무 짧으면, 탄소지를 제조한 후 전기 전도도가 좋지 않고 너무 길면 분산이 어려워 제조하기 어렵다.Carbon paper can be produced using the carbonaceous fiber dispersion method described above. Carbon paper has a thickness of 0.5-5 mm and a unit mass of 30-300 g / m 2 . Instead of the forming mold, carbon fiber dispersed on a plate material having a mesh part at the lower part is put into a thin paper. The carbonaceous fibers are preferably 5-30 mm in length. If the length is too short, the electrical conductivity is not good after the carbon paper is produced, and if it is too long, it is difficult to disperse the carbon paper.
함침용으로 사용가능한 바인더로는 PVA 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀수지, 푸란수지 및 슈크로스 중에서 선택한 1종 이상을 들수 있고, 바람직하게는 PVA 수지가 적합하다. 수지를 함침시킨 후 200℃ 부근에서 20-50 MPa의 압력으로 가압경화한 후 상기의 열처리 방법과 동일하게 1000℃에서 탄화, 혹은 때에 따라 2000℃ 이상에서 흑연화하여 탄소지를 제조한다. 바인더의 종류, 농도 및 성형틀의 형태만 다를 뿐, 인라인 분산(in-line dispersion) 분산방법을 이용하여 탄소질 섬유 단열재와 비슷한 공정으로 탄소지를 쉽게 제조할 수 있다. 탄소지 뿐만 아니라 짧은 길이의 탄소질 섬유를 분산하는 공정이 포함된 복합재료 분야에도 상기의 분산방법이 적용 가능하다.Examples of the binder usable for impregnation include at least one selected from a PVA resin, an epoxy resin, a polyester resin, a phenol resin, a furan resin and a sucrose, and preferably a PVA resin is suitable. After the resin is impregnated, it is pressure-cured at a pressure of about 20 to 50 MPa at about 200 DEG C, and carbonized at 1000 DEG C or graphitized at a temperature of 2000 DEG C or higher at 1000 DEG C or higher as in the above heat treatment method to produce carbon paper. Carbon paper can easily be manufactured by a process similar to carbonaceous fiber insulation using an in-line dispersion dispersion method, only in the type of binder, concentration and form of mold. The above dispersion method is also applicable to a composite material field including a process of dispersing not only carbon fibers but also carbonaceous fibers having a short length.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
[[ 실시예Example ]]
1. 탄소질 섬유 단열재1. Carbonaceous fiber insulation
(1) (One) 실시예Example 1: 탄소질 섬유 단열재의 제조 1: Manufacture of carbonaceous fiber insulation
평균길이 3 mm의 등방성 피치(pitch)계 탄소질 섬유(Kureha, C-103T) 200 g을 호퍼(hopper)에 100 g/min 으로 넣으면서 동시에 물을 20 L/min 으로 투입하였다. 인-라인 분산기(In-line dispersator)의 균질기(homogenizer)의 속도는 2500 rpm으로 하였다. 성형틀에 탄소질 섬유를 투입할 때, 분산기는 사용하지 않았다. 분산된 탄소질 섬유를 성형틀에 부은 후, 페놀수지(강남화성, KC-6301) 용액을 분사노즐을 통해 탄소질 섬유에 함침 시켰다. 성형틀에 적당한 압력을 가한 후, 성형틀을 100℃에서 8시간동안 건조하였다. 건조된 성형체를 성형틀에서 이형한 뒤, 180℃에서 3시간동안 경화시킨 후, 1000℃에서 1시간동안 탄화하여 탄소질 섬유 단열재를 제조하였다. 탄화시 승온속도는 10 ℃/min 이며, 질소(N) 가스 분위기에서 진행하였다. 제조된 탄소질 섬유 단열재는 가로 150 mm, 세로 150 mm, 높이 30 mm 로 절단하여 물성측정을 하였다. 최종 탄소질 섬유 단열재의 겉보기 밀도는 0.17 g/cm3이다.200 g of isotropic pitch-based carbonaceous fibers (Kureha, C-103T) having an average length of 3 mm was fed into a hopper at a rate of 100 g / min and at the same time, water was introduced at a rate of 20 L / min. The speed of the homogenizer of the in-line disperser was 2500 rpm. When the carbon fiber was put into the mold, the disperser was not used. The dispersed carbonaceous fibers were poured into a mold and impregnated with carbonaceous fibers through a spray nozzle with a solution of phenol resin (KAN-KA-6301). After an appropriate pressure was applied to the mold, the mold was dried at 100 DEG C for 8 hours. The dried molded article was released from the mold, cured at 180 ° C for 3 hours, and then carbonized at 1000 ° C for 1 hour to produce carbonaceous fiber insulation. The rate of temperature rise at carbonization was 10 ° C / min and proceeded in a nitrogen (N) gas atmosphere. The carbonaceous fiber insulation was cut to 150 mm width, 150 mm height and 30 mm height. The apparent density of the final carbonaceous fiber insulation is 0.17 g / cm < 3 & gt ;.
(2) (2) 실시예Example 2: 2: 분산기를The disperser 이용하여 탄소질 섬유 단열재의 제조 Production of carbonaceous fiber insulation by using
제조과정은 실시예1과 동일하며, 단 분산된 탄소질 섬유를 성형틀에 투입할 때 분산기를 사용하였다.The production process was the same as in Example 1, and a dispersing machine was used when the monodisperse carbonaceous fibers were put into a mold.
(3) (3) 비교예Comparative Example 1 One
40 kg의 물이 들어있는 배플(baffle) 분산조에 평균길이 3 mm의 등방성 피치(pitch)계 탄소질 섬유(Kureha, C-103T) 200 g을 투입하고 교반기계(mechanical stirrer)의 회전속도를 1000 rpm으로 하여 분산시켰다. (탄소질 섬유/분산용매 비율 = 0.5 wt%) 성형틀에 탄소질 섬유를 투입할 때, 분산기는 사용하지 않았다. 이하 공정은 실시예 1과 동일하다.
200 g of isotropic pitch carbon fiber (Kureha, C-103T) having an average length of 3 mm was charged into a baffle dispersion tank containing 40 kg of water and the rotation speed of a mechanical stirrer was set to 1000 rpm. (Carbonaceous fiber / dispersing solvent ratio = 0.5 wt%) When the carbon fiber was put into a mold, the disperser was not used. The process below is the same as in Example 1.
(4) (4) 실시예Example 1, 2 및 1, 2, and 비교예의Comparative example 시험 결과 Test result
(직경 10mm 이상 크기)Number of fiber balls
(Size 10mm or more in diameter)
도 1에서 볼 수 있듯이, 인-라인 분산(in-line dispersion) 방법으로 분산하여 제조한 탄소질 섬유 단열재의 표면이 비교예 1에 비해 깔끔하며, 표면에 대한 별도의 기계 가공(machining) 공정 없이 바로 사용할 수 있었다. 비교예 1의 경우 섬유볼이 표면에 그대로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 도 2에서는 제조한 탄소질 섬유 단열재의 단면을 나타낸 것인데, 분산기를 사용한 것이 그렇지 않은 샘플에 비해 섬유의 배향이 매우 일정하다는 것을 볼 수 있었다. 섬유의 배향이 일정하므로 그렇지 않은 샘플에 비해 상기 표 1에서 보이듯이 우수한 기계적 강도를 보여주고 있으며, 낮은 열전도도 값을 가졌다. 비교예 1의 경우 단면의 섬유배향이 매우 불규칙한 것을 확인할 수 있었다. 결국, 본 발명의 단열재 제조방법에 의하면, 우수한 기계적 강도와 낮은 열전도도 값을 가진 탄소질 섬유 단열재를 얻을 수 있었다.
As shown in FIG. 1, the surface of the carbonaceous fiber insulating material prepared by dispersing by the in-line dispersion method is cleaner than that of Comparative Example 1, and the surface of the carbonaceous fiber insulating material is clean without a separate machining process I could use it right away. In the case of Comparative Example 1, it was confirmed that the fiber ball appeared on the surface as it is. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the carbonaceous fiber insulating material produced. It can be seen that the orientation of the fiber is very constant as compared with the sample using the dispersing device. Since the orientation of the fibers is constant, it shows excellent mechanical strength as shown in Table 1 and has a low thermal conductivity value as compared with the samples not having the uniform orientation. In the case of Comparative Example 1, it was confirmed that the fiber orientation of the cross section was very irregular. As a result, according to the method for producing a heat insulating material of the present invention, a carbonaceous fiber insulating material having excellent mechanical strength and low thermal conductivity value can be obtained.
2. 탄소지2. Carbon paper
(1) (One) 실시예Example 3: 3: 탄소지의Carbon 제조 Produce
평균길이 10 mm의 등방성 피치(pitch)계 탄소질 섬유(Kureha, C-110T) 200 g을 탄소질 섬유 단열재의 상기 실시예1과 동일하게 조건과 동일하게 분산하였다. 분산된 탄소질 섬유는 수위가 충분히 채워져 있는 수조에 투입하여 수조에 이미 위치한 판재상을 이용하여 25 g/m2으로 초지하였다. 초지된 탄소지에 상기 탄소섬 섬유 단열재의 상기 실시예 1의 노즐을 이용하여 PVA 수지를 함침시킨 후 핫프레스를 이용하여 가압경화하였다. 이때 압력과 온도는 30 MPa, 200℃ 이었다. 판재상에서 탄소지를 떼어낸 후 1000℃에서 1시간동안 열처리하여 탄소지를 제조하였다. 제조된 탄소지의 단위 질량(unit mass)은 30 g/m2이며, 120 x 15 mm 크기로 절단하여 전기 저항(Specific resistance)을 3번씩 측정하였다.
200 g of isotropic pitch-based carbonaceous fibers (Kureha, C-110T) having an average length of 10 mm were dispersed in the same conditions as in Example 1 of the carbonaceous fiber insulation. The dispersed carbonaceous fiber was poured into a water tank filled with water at a level of 25 g / m 2 using a plate material already placed in the water tank. The ground carbon paper was impregnated with the PVA resin using the nozzle of Example 1 of the carbon fiber insulator, followed by pressure curing using a hot press. The pressure and temperature were 30 MPa and 200 ℃. The carbon paper was peeled off from the plate and heat treated at 1000 ° C for 1 hour to prepare carbon paper. The unit mass of the carbon paper was 30 g / m 2 , cut into 120 x 15 mm, and measured for specific resistance three times.
(2) (2) 비교예Comparative Example 2 2
40 kg의 물이 들어있는 배플(baffle) 분산조에 평균길이 10 mm의 등방성 피치(pitch)계 탄소질 섬유(Kureha, C-110T) 200 g을 투입하고 교반기계(mechanical stirrer)의 회전속도를 1000 rpm으로 하여 분산시켰다. (탄소질 섬유/분산용매 비율 = 0.5wt%) 분산된 탄소질 섬유를 판재상으로 초지하였으며, 이하 제조공정은 상기 탄소지의 실시예 3과 동일하였다.
200 g of isotropic pitch-based carbonaceous fibers (Kureha, C-110T) having an average length of 10 mm was fed into a baffle dispersion tank containing 40 kg of water and the rotation speed of a mechanical stirrer was set at 1000 rpm. (Carbonaceous fiber / dispersing solvent ratio = 0.5 wt%) The dispersed carbonaceous fibers were papermaking on a plate material, and the manufacturing process was the same as in Example 3 of the carbonaceous paper.
(3) (3) 실시예Example 3과 3 and 비교예Comparative Example 2의 시험 결과 Test results of 2
인-라인 분산(In-line dispersion) 방법으로 분산하여 제조한 실시예 3의 탄소지의 전기저항이 비교예 2에 비해 상당히 낮은 것을 상기 표 2에서 확인할 수 있다. 또한 실시예 3의 탄소지의 경우 3번의 전기저항 측정결과가 비교예 2의 탄소지에 비해 상당히 일정한 것을 볼 수 있다. 이는 인라인 분산(in-line dispersion) 분산방법이 비교예 2의 분산방법에 비해 분산효율이 높아 균일한 밀도분포를 가진 탄소지를 제조할 수 있다는 의미이다.
Table 2 shows that the carbonaceous material of Example 3 dispersed by the in-line dispersion method had a significantly lower electric resistance than that of Comparative Example 2. In addition, in the case of the carbon paper of Example 3, it is seen that the result of the measurement of the electrical resistance 3 is substantially constant as compared with the carbon paper of Comparative Example 2. [ This means that the in-line dispersion dispersion method has a higher dispersion efficiency than the dispersion method of Comparative Example 2, so that carbon paper having a uniform density distribution can be produced.
3. 탄소질 섬유 시트(3. Carbonaceous fiber sheet ( sheetsheet ))
(1) (One) 실시예Example 4: 탄소질 섬유 시트의 제조 4: Production of carbonaceous fiber sheet
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 탄소지를 제조하였고, 이를 추가적으로 함침하고 가압하여 탄소질 섬유 시트를 제조하였다. 열처리 방법은 상기 실시예 3과 동일하였다. 제조된 탄소질 섬유 시트의 특성은 아래와 같았다.
Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 3, and further impregnated and pressed to prepare a carbon fiber sheet. The heat treatment method was the same as in Example 3 above. The characteristics of the carbonaceous fiber sheet produced were as follows.
(2) (2) 실시예Example 3과 3 and 실시예Example 4의 시험 결과 Test results of 4
(mm)thickness
(mm)
(g/m2)Unit mass
(g / m 2 )
(g/cm3)Apparent density
(g / cm 3)
(Ωcm)Electrical resistance
(Ωcm)
(Wm-1K-1 at 20℃)Thermal conductivity
(W m -1 K -1 at 20 ° C)
탄소지를 이용하여 추가적인 공정을 통해 전기전도도 및 열전도도가 더욱 우수한 탄소질 섬유 시트 또한 제조가 가능하였다. 일반적으로 탄소지 한 장을 사용해도 되지만 필요에 따라 여러 장을 적층하여 사용할 수도 있다. 또한 바인더의 농도 및 압력에 따라 겉보기 밀도를 0.1~1.5g/cm3 까지 조절이 가능하다.
Carbon fiber sheets with further improved electrical conductivity and thermal conductivity were also produced through additional processes using carbon paper. Generally, one sheet of carbon paper may be used, but a plurality of sheets may be stacked as needed. The apparent density can be adjusted from 0.1 to 1.5 g / cm 3 according to the concentration and pressure of the binder.
4. 탄소질 섬유 보드(4. Carbonaceous fiber board ( BoardBoard ))
(1) (One) 실시예Example 5: 탄소질 섬유 보드의 제조 5: Manufacture of carbonaceous fiber board
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 탄소질 섬유 보드를 제조하였다. 단, 함침된 페놀수지의 농도와 압력을 달리하여 높은 겉보기 밀도를 가진 탄소질 섬유 보드를 제조하였다. 열처리 방법은 상기 실시예 2와 동일하였다. 제조된 탄소질 섬유 보드의 특성은 아래와 같다.
Carbon fiber board was prepared in the same manner as in Example 2. However, the carbonaceous fiber board with high apparent density was prepared by varying the concentration and pressure of the impregnated phenolic resin. The heat treatment method was the same as in Example 2 above. The characteristics of the carbonaceous fiber board produced are as follows.
(2) (2) 실시예Example 2와 2 and 실시예Example 5의 시험 결과 Test results of 5
(g/cm3)Apparent density
(g / cm 3)
(MPa)Flexural strength
(MPa)
(Wm-1K-1 at 20℃)Thermal conductivity
(W m -1 K -1 at 20 ° C)
탄소질 섬유 단열재와 겉보기 밀도를 달리하여 우수한 강도를 가진 탄소질 섬유 보드의 제조가 가능하였다. 보드는 일반적으로 겉보기 밀도를 1.0~1.5g/cm3 까지 제조하며, 용도에 따라 압력 및 함침수지의 농도를 조절하여 제조할 수 있다. 탄소질 섬유 보드는 보통 고온로의 받침대(tray), 로내의 부속품 및 단열재 보강재로 쓰이며, 겉보기 밀도에 따라 탄소질 섬유 단열재로도 사용이 가능하다.It was possible to manufacture a carbon fiber board having excellent strength by differentiating the apparent density with the carbonaceous fiber insulation. The board generally has an apparent density of 1.0 to 1.5 g / cm < 3 >, and can be manufactured by adjusting the pressure and the concentration of the impregnated resin depending on the application. Carbonaceous fiber boards are usually used as trays in high temperature furnaces, as accessories in furnaces and as thermal insulation reinforcements, and can also be used as carbonaceous fiber insulation according to apparent density.
6. 탄소질 섬유 단열재의 물성측정시험6. Test of physical properties of carbonaceous fiber insulation
상기 실시예, 비교예에서 제조한 탄소질 섬유 단열재의 물성을 다음과 같은 방법으로 시험하였다.The properties of the carbonaceous fiber insulation prepared in the above Examples and Comparative Examples were tested by the following methods.
1) 외관관찰 및 분산상태1) Appearance and dispersion state
제조한 단열재의 표면과 단면을 비교하여 분산상태 및 섬유의 배향성을 비교하였다. 탄소질 섬유의 분산상태는 분산시 발생하는 섬유볼의 개수를 세어 나타내었다.
The surface and cross section of the heat insulation material were compared to compare the dispersion state and the fiber orientation. The dispersion state of the carbonaceous fibers is expressed by counting the number of fiber balls generated during dispersion.
2) 2) 굴곡강도Flexural strength
제조한 단열재로부터 폭 10 mm, 두께 10 mm, 길이 100 mm 의 크기의 샘플을 굴곡강도 시험용 시편으로 절삭 가공하였다. 샘플은 UTM (Universal Testing Machine, 대경테크, DTU-90)을 이용하여 3-probe 방식으로 support span 80mm, 크로스헤드 속도 1.0 mm/분 으로 굴곡 시험을 실시하고 최대 파괴 하중에 기초하여 5개 시편의 평균 굴곡강도를 구하였다. 굴곡강도는 아래의 공식에 의해 계산된다.
Samples having a width of 10 mm, a thickness of 10 mm, and a length of 100 mm were cut from the heat insulating material by a specimen for bending strength test. The samples were subjected to bending tests at a support span of 80 mm and a crosshead speed of 1.0 mm / min using a 3-probe method using a UTM (Universal Testing Machine, Daicheng Tech, DTU-90). Based on the maximum fracture load, And the average flexural strength was obtained. The flexural strength is calculated by the following formula.
σ=3σ = 3 PLPL /2/2 bdbd 22
(σ: 굴곡강도, P : 가해진 힘, L : 배관(Support span)의 길이, b : 시편의 폭, d : 시편의 두께)L is the length of the support span, b is the width of the specimen, d is the thickness of the specimen,
3) 압축강도3) Compressive strength
제조한 단열재로부터 폭 10 mm, 두께 10 mm, 길이10 mm 의 크기의 샘플을 압축강도 시험용 시편으로 절삭 가공하였다. 샘플은 상기 UTM을 이용하여 크로스헤드 속도 5 mm/분으로 두께방향으로 변형률 20% 감소되는 지점을 기준으로 5개 시편의 평균 압축강도를 구하였다. 압축강도는 아래의 공식에 의해 계산된다.Samples of 10 mm width, 10 mm thickness, and 10 mm length were cut from the thermal insulation material with a specimen for compressive strength test. The average compressive strengths of the five specimens were obtained based on the point at which the strain was reduced by 20% in the thickness direction at a crosshead speed of 5 mm / min using the UTM. The compressive strength is calculated by the following formula.
σ= P/Sσ = P / S
(σ: 압축강도, P : 가해진 힘, S : 시편의 면적)(sigma: compressive strength, P: applied force, S: area of specimen)
4) 열전도도4) Thermal conductivity
열전도도 측정방법은 단열재용으로 널리 이용되는 열량계법(Heat Flowmeter Method)을 이용하였다. 두 개의 가열판 사이에 샘플을 넣고 열유속 변환기(Heat Flux Transducer)를 통과하는 열량을 계산하여 열전도도를 구하였다. 3번을 측정하여 평균값으로 정하였다. The thermal conductivity measurement method was a heat flowmeter method widely used for insulation. A sample was placed between the two heating plates and the heat transfer rate through the heat flux transducer was calculated. 3 was measured and the mean value was determined.
5) 전기 저항 (5) Electrical resistance ( SpecificSpecific resistanceresistance ))
제조된 탄소지를 120 x 15 mm 로 절단하여 전기가 비교적 잘 통하는 은박지를 시편 길이방향의 양 끝에 10 mm 폭으로 감아서 밀착시키고 정밀 저항측정기(Model 3244, Hioki Co. Japan)로 저항을 측정하였다.
The prepared carbon paper was cut to 120 x 15 mm, and a relatively well-formed silver foil was wound on both ends of the specimen in the direction of the length of 10 mm, and the resistance was measured with a precision resistance meter (Model 3244, Hioki Co., Japan).
1 : 탄소질 섬유 피더(feeder)
2 : 분산용매 피더(feeder)
3 : 호퍼(Hopper)
4 : 파이프
5 : 균질기(Homogenizer)
6 : 분산기
7 : 성형틀1: carbonaceous fiber feeder
2: Dispersion solvent feeder
3: Hopper
4: pipe
5: Homogenizer
6: Dispersing machine
7: Molding frame
Claims (19)
(ii) 상기 분산액을 분산기를 통해 성형틀에 부어 성형체를 제조하는 단계;
(iii) 상기 성형체에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;
(iv) 상기 성형체를 건조, 이형, 경화하는 단계; 및
(v) 상기 성형체를 열처리하여 단열재를 제조하는 단계;
를 포함하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법.
(i) dispersing carbonaceous fibers in a dispersion solvent using an in-line dispersion method to prepare a dispersion;
(ii) pouring the dispersion into a mold through a dispersing machine to produce a molded body;
(iii) impregnating the formed body with a binder in a spraying manner;
(iv) drying, releasing and curing the molded body; And
(v) heat treating the molded body to produce a heat insulating material;
Wherein the carbonaceous fiber insulation material is a carbonaceous fiber.
[8] The method of claim 7, wherein the step (ii) is a step of pouring the dispersion into a mold using a dispersing machine for dispersing the dispersion in the 2-10 direction.
[7] The method according to claim 7, wherein the binder of step (iii) comprises a single or a mixture of two or more selected from the group consisting of phenol resin, furan resin, impregnating pitch, epoxy resin, vinyl ester resin, polyimide resin, Wherein the carbonaceous fiber insulation material is a carbonaceous fiber insulation material.
[8] The method of claim 7, wherein the step of impregnating the binder in step (iii) is performed by using an injection nozzle having a diameter of 0.5-2 mm.
[7] The method of claim 7, wherein the forming mold of step (i) is provided with a mesh at the bottom portion, so that only carbonaceous fibers remain in the mold and the dispersion solvent is entirely discharged .
A carbonaceous fiber insulation material produced by the method of any one of claims 7 to 11.
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