KR101400507B1 - 인라인 분산 방법을 이용한 탄소질 섬유 분산법 및 이를 이용한 탄소복합재료 제조방법 - Google Patents

인라인 분산 방법을 이용한 탄소질 섬유 분산법 및 이를 이용한 탄소복합재료 제조방법 Download PDF

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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.

Description

인라인 분산 방법을 이용한 탄소질 섬유 분산법 및 이를 이용한 탄소복합재료 제조방법 {Dispersion Method of Carbonous Fibers Using In-line Dispersion Method and Manufacturing Method of Carbon Composites thereof}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
따라서 본 발명의 목적은 인-라인 분산 방법을 이용하여 탄소질 섬유를 분산하는 방법을 제공 하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 탄소질 섬유 분산 방법을 통해 얻은 탄소질 섬유를 이용하여 단열재 및 탄소지를 비롯한 탄소복합재료를 제공 하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 이용하여 분산시켜 분산액을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은
(i) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;
(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 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은
(1) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;
(2) 상기 분산액을 판재상에 초지하여 탄소지를 제조하는 단계;
(3) 상기 탄소지에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;
(4) 상기 탄소지를 가압경화하는 단계; 및
(5) 상기 탄소지를 열처리하는 단계;
를 포함하는 탄소지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 특징 및 효과는 하기와 같다.
(i) 본 발명의 인-라인 분산 방법을 통하면, 탄소질 섬유를 잘 분산할 수 있어 분산이 매우 용이하고, 분산 시간을 단축 가능하다.
(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.
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.
본 발명의 일 양태에 따르면 본 발명은 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 이용하여 분산시켜 분산액을 제조하는 방법을 제공한다.
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.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 탄소질 섬유는 평균 섬유길이가 1 - 30 mm 이다.
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.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 인라인 분산(in-line dispersion) 방법은
(a) 탄소질 섬유와 분산용매를 시간당 일정하게 호퍼(hopper)에 투입하는 연속 공정 방식; 및
(b) 균질기에서 탄소질 섬유를 분산하는 단계를
추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)의 균질기에서 탄소질 섬유를 분산시 균질기의 회전 속도는 500 - 3000 rpm에서 분산시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은
(i) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;
(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 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(ii)는 분산액을 2 - 10 방향으로 분산액을 분산시키는 분산기를 사용하여 성형틀에 붓는 것을 특징으로 한다.
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.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(iii)의 바인더를 함침시키는 단계는 직경 0.5 - 2 mm 분사노즐을 이용하여 함침시킨다.
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.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은
(1) 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 방법을 이용한 분산액을 제조하는 단계;
(2) 상기 분산액을 판재상에 초지하여 탄소지를 제조하는 단계;
(3) 상기 탄소지에 스프레이 방식으로 바인더를 함침시키는 단계;
(4) 상기 탄소지를 가압경화하는 단계; 및
(5) 상기 탄소지를 열처리하는 단계;
를 포함하는 탄소지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(2)는 분산액을 2 - 10 방향으로 분산액을 분산시키는 분산기를 사용하여 성형틀에 붓는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계(3)의 바인더를 함침시키는 단계는 직경 0.5 - 2 mm 분사노즐을 이용하여 함침시키는 것을 한다.
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.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기의 탄소질 섬유 단열재의 제조방법으로 제조한 탄소질 섬유 단열재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기의 탄소지의 제조방법으로 제조한 탄소지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기 분산액을 제조하는 방법에 의해 제조된 분산액을 이용하여 제조한 탄소질 섬유 시트를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 상기 분산액을 제조하는 방법에 의해 제조된 분산액을 이용하여 제조한 탄소질 섬유 보드를 제공한다.
1. (탄소질 섬유 단열재)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
2. (탄소지)
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.
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.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
1. 탄소질 섬유 단열재
(1) 실시예 1: 탄소질 섬유 단열재의 제조
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.
(2) 실시예 2: 분산기를 이용하여 탄소질 섬유 단열재의 제조
제조과정은 실시예1과 동일하며, 단 분산된 탄소질 섬유를 성형틀에 투입할 때 분산기를 사용하였다.
(3) 비교예 1
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.
(4) 실시예 1, 2 및 비교예의 시험 결과
구분 실시예1 실시예2 비교예 1
섬유볼 개수
(직경 10mm 이상 크기)		 0 0 17
굴곡강도 (MPa) 1.78 1.90 1.43
압축강도 (MPa) 0.23 0.25 0.19
열전도도 (Wm-1K-1 at 20℃) 0.071 0.060 0.072
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.
2. 탄소지
(1) 실시예 3: 탄소지의 제조
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.
(2) 비교예 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.
(3) 실시예 3과 비교예 2의 시험 결과
구분 전기 저항 (Ωcm)
Test 1 Test 2 Test 3
실시예3 0.012 0.015 0.011
비교예2 0.057 0.033 0.092
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.
3. 탄소질 섬유 시트( sheet )
(1) 실시예 4: 탄소질 섬유 시트의 제조
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.
(2) 실시예 3과 실시예 4의 시험 결과
두께
(mm)		 단위질량
(g/m2)		 겉보기밀도
(g/cm3)		 전기저항
(Ωcm)		 열전도도
(Wm-1K-1 at 20℃)
실시예 3 0.5 30 0.06 0.013 0.7
실시예 4 0.2 100 0.5 0.008 1.1
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.
4. 탄소질 섬유 보드( Board )
(1) 실시예 5: 탄소질 섬유 보드의 제조
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.
(2) 실시예 2와 실시예 5의 시험 결과
구분 겉보기밀도
(g/cm3)		 굴곡강도
(MPa)		 열전도도
(Wm-1K-1 at 20℃)
실시예 2 0.17 1.90 0.060
실시예 5 1.15 15.08 6.327
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.
6. 탄소질 섬유 단열재의 물성측정시험
상기 실시예, 비교예에서 제조한 탄소질 섬유 단열재의 물성을 다음과 같은 방법으로 시험하였다.
1) 외관관찰 및 분산상태
제조한 단열재의 표면과 단면을 비교하여 분산상태 및 섬유의 배향성을 비교하였다. 탄소질 섬유의 분산상태는 분산시 발생하는 섬유볼의 개수를 세어 나타내었다.
2) 굴곡강도
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.
σ=3 PL /2 bd 2
(σ: 굴곡강도, P : 가해진 힘, L : 배관(Support span)의 길이, b : 시편의 폭, d : 시편의 두께)
3) 압축강도
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.
σ= P/S
(σ: 압축강도, P : 가해진 힘, S : 시편의 면적)
4) 열전도도
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.
5) 전기 저항 ( Specific resistance )
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.
1 : 탄소질 섬유 피더(feeder)
2 : 분산용매 피더(feeder)
3 : 호퍼(Hopper)
4 : 파이프
5 : 균질기(Homogenizer)
6 : 분산기
7 : 성형틀

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. (i) 탄소질 섬유를 분산용매에 인라인 분산(in-line dispersion) 방법을 이용하여 분산시켜 분산액을 제조하는 단계;
    (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.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 단계(ii)는 분산액을 2 - 10 방향으로 분산액을 분산시키는 분산기를 사용하여 성형틀에 붓는 것을 특징으로 하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 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 하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 단계(iii)의 바인더를 함침시키는 단계는 직경 0.5-2mm 분사노즐을 이용하여 함침시키는 것을 특징으로 하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 단계 (i)의 성형틀은 바닥부분에 메쉬(mesh)가 설치되어 탄소질 섬유만 성형틀에 남고 분산용매는 모두 빠져나가게 하는 것을 특징으로 하는 탄소질 섬유 단열재의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 청구항 7 내지 청구항 11의 어느 한 항의 방법으로 제조한 탄소질 섬유 단열재.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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