KR101538455B1

KR101538455B1 - 복합 탄화섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR101538455B1
Application number: KR1020140062898A
Authority: KR
Inventors: 유소희
Original assignee: 유소희
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-07-22

Abstract

본 발명은 복합 탄화섬유의 제조방법에 관한 것이고, 구체적으로 아크릴 섬유에 유리섬유 또는 금속 섬유를 첨가하여 인장력이 향상될 수 있도록 하는 복합 탄화섬유의 제조방법에 관한 것이다. 복합 탄화섬유의 제조방법은 아크릴 사를 준비하는 단계; 상기 아크릴 사와 유리 섬유 또는 금속 섬유를 혼용하여 포직을 하는 단계; 및 상기 포직된 소재를 소성 및 탄화를 시키는 단계를 포함하고, 상기에서 유리 섬유 또는 금속 섬유는 아크릴 사 중량 대비 3 내지 10 wt%가 된다.

Description

복합 탄화섬유의 제조방법{Method for Producing Complex Carbonized Fiber}

본 발명은 복합 탄화섬유의 제조방법에 관한 것이고, 구체적으로 아크릴 섬유에 유리섬유 또는 금속 섬유를 첨가하여 인장력이 향상될 수 있도록 하는 복합 탄화섬유의 제조방법에 관한 것이다.

유기섬유의 비활성 기를 탄화시킨 섬유 형태의 소재를 탄화섬유라고 하며 일반적으로 가벼우면서 강하고 그리고 우수한 강화재가 될 수 있다. 탄화섬유는 분해 온도에 따라 200~500 ℃에서 소성시켜 섬유 단열성 보온재로 사용되는 아크릴계 탄화섬유, 탄소섬유의 함유 비율이 90~98 %가 되면서 800 내지 1200 ℃에서 열처리가 된 카본섬유 및 탄소섬유를 2500~3000 ℃에서 열처리를 시켜 제조된 섬유를 포함한다.

탄화섬유는 보온, 용접 보호 막 또는 소화포로 사용될 수 있고 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴 또는 레이온으로부터 제조될 수 있다.

탄화섬유와 관련된 선행기술로 공개특허번호 제1991-0018597호 산화섬유 제조용 아크릴 섬유 및 그 제조방법이 있다. 상기 선행기술은 아크릴로니트릴 90 중량% 이상과, 신도 향상용 단량체로서 불포화 에스테르류 또는 비닐계 단량체와, 열안정성을 향상시키는 단량체로서 불포화 카르본산 또는 이들의 염류들을 공중합시켜서 된 공중합체로 되어 있으며, 분자량 분포 폭이 1.7 이하이고, 신도가 25~30%이며 배향도가 90% 이상인 산화섬유 제조용 아크릴 섬유에 대하여 개시한다.

탄화섬유와 관련된 다른 선행기술로 공개특허번호 제2002-0051383호

활성알루미나 복합 활성 탄소섬유 및 그의 제조방법이 있다. 상기 선행기술은 피치 연화점에 비하여 20 내지 80 ℃ 높은 온도에서 피치 100 중량부에서 활성알루미나 0.01 내지 50 중량부로 균일하게 분산시키는 단계; 피치의 연화점보다 5 내지 80 ℃ 높은 온도에서 방사하고, 공기 분위기에서 200 내지 350 ℃로 피치 섬유를 열 안정화를 시키는 단계; 및 열 안정화가 된 피치 섬유를 700 내지 850 ℃에서 10분 내지 10 시간 활성화를 시키는 단계를 포함하는 활성 알루미나 복합 활성 탄소섬유의 제조방법에 대하여 개시한다.

상기 선행기술에서 개시된 산화섬유의 제조를 위한 아크릴 섬유 또는 탄화섬유는 인장력이 약하고 난연 온도가 높지 못하다는 단점을 가진다.

본 발명은 선행기술이 가진 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

선행문헌1: 공개특허번호 제1991-0018597호(한일합성 섬유공업 주식회사, 1991년11월30일 공개) 산화섬유 제조용 아크릴 섬유 및 그 제조방법 선행문헌2: 공개특허번호 제2002-0051383호(재단법인 포항산업과학연구원, 2002년06월29일 공개) 활성알루미나 복합 활성 탄소섬유 및 그의 제조방법

본 발명의 목적은 아크릴 섬유에 유리섬유 및 금속 섬유를 첨가하여 인장력이 향상되도록 하는 복합 탄화섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 복합 탄화섬유의 제조방법은 아크릴 사를 준비하는 단계; 상기 아크릴 사와 유리 섬유 또는 금속 섬유를 혼용하여 포직을 하는 단계; 및 상기 포직된 소재를 소성 및 탄화를 시키는 단계를 포함하고, 상기에서 유리 섬유 또는 금속 섬유는 아크릴 사 중량 대비 3 내지 10 wt%가 된다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 금속 섬유는 스테인리스 계 또는 텅스텐 계가 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 소성 및 탄화를 시키는 단계는 질석 코팅 또는 실리카 코팅 처리 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 제조방법은 포직이 된 이후에 탄화가 이루어지도록 하는 것에 의하여 제조 공정이 간단해지도록 한다는 장점을 가진다. 또한 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 탄화섬유는 공지의 탄화섬유에 비하여 인장력이 높으면서 순간 발화점이 높아지도록 한다는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 탄화섬유의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 제조된 복합 탄화섬유의 시험 결과를 제시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 탄화섬유의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 따른 복합 탄화섬유의 제조방법은 아크릴 사를 준비하는 단계(S11); 상기 아크릴 사와 유리 섬유 또는 금속 섬유를 혼용하여 포직을 하는 단계(S12); 및 상기 포직된 소재를 소성 및 탄화를 시키는 단계(S13)를 포함하고, 상기에서 유리 섬유 또는 금속 섬유는 아크릴 사 중량 대비 3 내지 10 wt%가 된다.

본 발명에 따른 탄화섬유는 보온재, 소화 소재, 용접 방호 매트, 방화 커튼, 전선용 테이프, 마찰 소재, 내열 작업복 또는 안전 방화 내열 마감재로 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

아크릴 사는 예를 들어 85~95 wt%의 아크릴로니트릴, 6~10 wt%의 비닐아세테이트 및 0.1 내지 1.0 wt%의 나트륨 메타크릴설포네이트의 공중합체로부터 제조될 수 있다. 또는 아크릴 사는 아크릴로니트릴, 메틸 또는 에틸, 메타 아크릴산 및 술폰산을 포함하는 공중합체로부터 제조될 수 있지만 이에 제한되지 않고 이 분야에서 공지된 다양한 방법으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법에 적용되는 아크릴 사는 높은 열 수축 응력을 가지는 것이 유리하다. 예를 들어 본 발명에 따른 아크릴 사는 0.10 내지 0.25 g/d의 열 수축 응력, 20 내지 30 %의 수축률 및 30 내지 40 %의 고열 수축률을 가질 수 있다. 또한 본 발명에 따른 아크릴 사는 영률 250 내지 350 kg/㎟이 될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 아크릴 사는 3.5 내지 4.5 g/d의 강도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 탄화섬유의 제조방법은 보온재 또는 방호 매트와 같이 내열성 용도로 사용되면서 유리섬유 또는 금속 섬유와 혼용이 된다. 그러므로 열 안정성을 가지면서 이와 동시에 열 수축 응력 또는 고열 수축력이 높은 것이 유리하다. 다만 본 발명에 따른 제조방법은 탄화과정에서 이와 같은 특성이 조절이 가능하므로 아크릴 사의 종류에 특별히 제한되는 것은 아니다.

아크릴 사가 준비되면(S11), 아크릴 사는 유리 섬유 또는 금속 섬유와 혼용이 되어 포직이 될 수 있다(S12). 유리 섬유 또는 금속 섬유는 아크릴 상 중량 대비 3~ 10 wt%가 될 수 있고 유리 섬유와 금속 섬유는 예를 들어 중량 비율로 유리 섬유: 금속 섬유 = 100: 30~100이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

유리 섬유는 단열성, 내열성 및 절연성을 향상시키는 기능을 가지고 그리고 금속 섬유는 주로 강도를 향상시키면서 이와 동시에 탄화 과정 또는 열 변형 과정에서 재직물의 형상을 유지하는 기능을 가질 수 있다. 유리 섬유 또는 금속 섬유가 3 wt% 이하가 되면 강도가 낮아지면서 열 수축 응력이 낮아진다는 단점을 가진다. 이에 비하여 유리 섬유 또는 금속 섬유가 10 wt% 이상이 되면 유리 섬유 또는 금속 섬유의 변형률과 아크릴 사의 변형률의 차이로 인하여 탄화섬유의 내구성이 감소될 수 있다는 단점을 가진다. 또한 유리 섬유는 바람직하게 금속 섬유에 비하여 많을 있고 이는 유리 섬유의 단열성, 내열성 및 절연성을 적절하게 유지하기 위한 것이다.

유리 섬유는 바람직하게 장섬유가 될 수 있고 예를 들어 S-유리 섬유(S-Glass)와 같은 것이 될 수 있다. S-유리 섬유는 다른 유리 섬유에 비하여 비중이 작으면서 항장력 및 탄성이 크다는 이점을 가진다. 예를 들어 본 발명에 따른 유리 섬유는 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, B₂O₃및 Na₂O로부터 제조된 장섬유가 될 수 있다. 유리 섬유는 표면 처리가 될 수 있고 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리메타크릴산 메틸 또는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지로 표면처리가 될 수 있다.

금속 섬유는 스테인리스 계 또는 텅스텐 계의 금속 섬유가 될 수 있고 예를 들어 직경이 25 내지 250 ㎛가 되고, 인장 강도가 700 Mpa 이상이 되고 그리고 열팽창 계수는 4.5 내지 20×10^-6/K가 될 수 있다. 다양한 종류 및 물리적 특성을 가지는 본 발명에 따른 복합 탄화섬유의 제조방법에 적용될 수 있고 본 발명은 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

유리 섬유 또는 탄화 섬유는 아크릴 사와 함께 포직이 되어(S12) 일정 크기 및 폭을 가질 수 있다. 포직이 된 소재는 탄화가 되어 탄화 섬유로 만들어질 수 있다(S13).

탄화는 예를 들어 진공에 가까운 압력을 가지면서 200~500 ℃의 온도가 유지되는 탄화실에서 30 내지 200 분 동안 진행될 수 있다. 탄화 과정에서 배출되는 질소 또는 수소와 같은 기체가 진공 펌프에 의하여 배출될 수 있다. 탄화는 예를 포직이 된 소재를 롤러에 감고 다른 롤러의 장력을 조절하면서 포직이 된 소재가 탄화실을 통과하도록 하는 방식으로 탄화가 이루어질 수 있다. 소성 및 탄화는 다단계로 이루어질 수 있고 예를 들어 아크릴 사의 표면 처리를 위한 수지의 연화점을 기준으로 예비 소성이 먼저 이루어질 수 있다. 예를 들어 예비 소성은 120 내지 250 ℃의 온도에서 15 내지 20 분 동안 진행될 수 있다. 이후 예비 탄화가 된 포직 소재는 200 내지 500 ℃의 온도에서 30 내지 200분 동안 소성 및 탄화가 되어 복합 탄화섬유로 만들어질 수 있다.

복합 탄화섬유에 실리카 코팅 또는 질석 코팅이 될 수 있다. 실리카 코팅 또는 질석 코팅은 예를 들어 콜로이드 형태로 만들어져 진행될 수 있다. 구체적으로 실리카 또는 질석을 유화기를 이용하여 나노 입자로 만들고 그리고 알코올 및 실란(silane) 용액에서 콜로이드 상태로 만들어질 수 있다. 그리고 접착력을 부여하기 위하여 PMMA(polymethamethylcrylate)가 상기 용액에 용해될 수 있다. 용액을 겔 상태로 만들고 그리고 코터(coater)를 이용하여 복합 탄화섬유의 표면을 코팅시킬 수 있다. 이와 같은 코팅에 의하여 복합 탄화섬유의 절연성, 보온성 및 강도가 증가될 수 있다.

아래에서 본 발명에 따른 제조방법의 실시 예에 대하여 설명된다.

실시 예

단계 1: 아크릴 사는 85~95 wt%의 아크릴로니트릴, 6~10 wt%의 비닐아세테이트 및 0.1 내지 1.0 wt%의 나트륨 메타크릴설포네이트의 공중합체로부터 제조되었고 제조된 아크릴 사는 0.15 g/d의 열 수축 응력, 23 %의 수축률 및 32%의 고열 수축률, 280 kg/㎟의 영률 및 4.0 g/d의 강도를 가지는 것으로 나타났다.

단계 2: 아크릴 사 중량 대비 3 wt %의 S-유리 섬유 및 3 wt%의 스테인리스 계 금속 섬유를 아크릴 사와 혼용하여 포직을 하였다.

단계 3: 포직이 된 소재를 250 ℃에서 80 분간 소성 및 탄화를 시켜 복합 탄화섬유를 제조하였다.

아크릴 중량 대비 2 wt%의 S-유리 섬유 및 4 wt%의 스테인리스 계 금속 섬유를 사용한 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법으로 복합 탄화 섬유를 제조하였다.

텅스텐 계 금속 섬유를 사용한 것을 제외하고 실시 예1과 동일한 방법으로 탄화 섬유를 제조하였다.

350 로 소성 및 탄화를 한 것을 제외하고 실시 예1과 동일한 방법으로 복합 탄화 섬유를 제조하였다.

결과

실시 예 1 내지 실시 예 4의 시험 결과를 도 2a 내지 도 2b를 나타냈다.

도 2a는 실시 예 1과 2의 시험 결과를 그리고 도 2b는 실시 예 3과 4의 시험 결과는 각각 나타낸 것이다.

제조된 복합 탄화섬유는 밀도가 1.8 ~ 2.2 g/㎤, 강도가 4.75~5.85 Mpa, 탄성율이 105~200 Mpa, 신장율이 1.3 내지 1.5 % 그리고 융점이 1000 내지 1800℃가 되는 것으로 나타났다. 그리고 열전도율은 1.2×10^-2 ~2.0×10^-2W/㎝.K가 되는 것으로 나타났다.

이와 같은 물리적 특성은 공지의 탄화 섬유에 비하여 강도 면에서 20 내지 30배가 향상되었고 그리고 절연특성에서 5배 이상 향상된 결과에 해당된다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

S11: 아크릴 사 준비
S12: 강화섬유 혼합 포직
S13: 소성 및 탄화

Claims

아크릴 사를 준비하는 단계;
상기 아크릴 사와 유리 섬유 또는 금속 섬유를 혼용하여 포직을 하는 단계; 및
상기 포직된 소재를 소성 및 탄화를 시키는 단계를 포함하고,
상기에서 유리 섬유 또는 금속 섬유는 아크릴 사 중량 대비 3 내지 10 wt%가 되는 것을 특징으로 하는 복합 탄화섬유의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 금속 섬유는 스테인리스 계 또는 텅스텐 계가 되는 것을 특징으로 하는 복합 탄화섬유의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 소성 및 탄화를 시키는 단계는 질석 코팅 또는 실리카 코팅 처리 단계를 더 포함하는 복합 탄화섬유의 제조방법.