KR101839712B1 - 섬유속 집속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 섬유속 집속장치는 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유의 용융방사시 가습공정을 통해 정전기 발생을 억제하며, 또한 열을 가하여 연화점 이상의 온도로 가열하여 고화를 늦춤으로써, 방사성을 개선하고, 물성이 우수한 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

섬유속 집속장치{fiber bundle collecting device}

본 발명은 연화점(softening point, Ts)을 갖는 피치(pitch) 또는 세라믹 전구체(프리커서, precursor)를 이용한 섬유의 제조시, 방사구금에서 토출된 섬유속(纖維束)의 집속장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 섬유속의 방사시 발생되는 정전기 발생을 억제하고, 고화를 늦추어 섬유의 방사성을 증대시키며, 이로부터 제조되는 섬유의 물성을 개선하기 위한 섬유속 집속장치에 관한 것이다.

최근 탄소 섬유의 전구체인 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유들이 산업적으로 활용도가 증가되고 있다.

상기 탄소 섬유는 무게가 알루미늄의 2/3으로 경량이며, 철의 4.5배인 고강성 및 구리의 2배에 이르는 고열전도성 등의 특징을 갖고 있어, 현재 산업용도로 수요가 확대되고 있다. 특히 항공우주용, 스포츠용품 및 일반 공업용품 등으로 용도전개가 본격적으로 진행되고 있다. 즉, 탄소 섬유는 상대적으로 강한 강도에 비해 무게가 가벼워 스포츠 용품, 항공산업, 자동차 등 다양한 분야에 용도전개가 가능하다. 통상적으로 고강도, 고탄성의 탄소 섬유는 PAN계 전구체 섬유를 산화안정화 및 탄화하여 제조된다. 또한 이방성 피치를 사용하여 고강도, 고탄성의 탄소 섬유를 제조할 수는 있으나, 원하는 강도 및 탄성 수준에 이르는 탄소 섬유 제조를 위해서는 제조공정이 번거로워 비용이 증가하는 문제가 있다. 이로 인해, 최근에는 등방성 피치를 사용하여 고강도, 고탄성의 탄소 섬유 제조에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

일반적으로 피치 기재의 탄소 섬유를 제조하는 전형적인 방법은 도 1에 도시된 바와 같은 단계들을 포함할 수 있다. 즉, 섬유로 방사하기에 적합한 피치를 정제한 후, 메소페이스 피치(mesophase pitch)를 형성한다. 이를 용융방사하여 탄소 섬유의 전구체인 피치 섬유(pitch fiber)를 제조한다. 그리고, 상기 피치 섬유를 안정화시켜 비용융성으로 제조한 후, 상기 안정화된 섬유를 탄화 온도로 가열함으로써 섬유를 탄화시키고, 표면 처리 및 사이징을 거쳐 탄소 섬유를 제조하게 된다. 그리고 도 2에는 피치 섬유의 용융 방사 장치를 나타내었다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 피치 섬유를 제조하기 위하여 피치(4)를 압출기(1)에서 비활성 기체 특히 질소 분위기하에서 용융하여 방사구금(2)를 통해 토출하여 방사하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 방사구금(2)에서 토출된 피치(4)는 권취기(3) 까지의 고화 영역을 거쳐 권취된다.

또한 세라믹 섬유 등은 내열성, 내식성, 및 내마모성이 우수하여 내화단열재 등의 건축재료로 용도전개가 활발하며, 최근에는 세라믹 섬유를 이용한 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP)에 대한 용도개발이 활발하게 진행되고 있다. 또한 통상적으로 세라믹 섬유는 솔벤트방사법(용융석출법) 또는 용융방사법에 의해서 방사하여 세라믹 전구체 섬유를 형성한 후, 이를 변성공정에서 고온처리 즉, 고온에서 중축합, 열분해, 소결, 화학반응 등의 각종처리를 거쳐 세라믹 섬유로 제조된다.

그런데 상기 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유들은 일반적으로 불순물이 많고 분자량이 매우 커서 융점(melting point)이 명확하게 나타나지 않는다. 따라서 상기 피치 섬유와 세라믹 전구체 섬유는 점도가 급격하게 낮아지고 흐름성이 좋아지는 온도인 연화점(softening point, Ts)를 측정하여 융점 대신 사용한다. 즉, 연화점 이상의 온도에서 상기 물질들은 분자내의 원자의 운동이 활발해지면서 분자간 인력이 상대적으로 줄어들어 결정성이 낮아지고 흐름이 개선되는 물리적 상태 변화가 일어난다. 그러므로 상기 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유들은 연화점 이상의 온도에서 용융방사하여 섬유를 제조하게 된다.

피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유는 제조시 대부분 용융방사(melt spinning)법을 채택하고 있으며, 용융방사시 상기 피치 및 세라믹 전구체는 분자량 분포가 넓고, 분자량이 작아 방사성이 불량하다. 또한 상기 피치 및 세라믹 전구체의 용융방사시 방사 환경 즉, 온습도, 방사온도 등에 민감하게 반응한다. 특히 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유는 대부분 소수성 섬유이므로 용융방사시에는 방사구금(2)에서 토출된 후, 다량의 정전기가 발생하게 된다. 즉, 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 용융방사시 정전기 발생에 따라 집속성이 불량하게 되고, 또한 섬유속이 손상되어 방사성이 저하된다. 또한 방사구금(2)에서 토출된 후 연화점 이하의 온도에 노출되고, 이에 따라 쉽게 고화되어 유리상이 된다. 따라서 방사시 사절(絲切) 등이 발생하여 권취가 원활하게 진행되지 않는 문제점이 있다. 따라서 상기 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 제조시 방사구금(2)으로부터 토출된 후 권취될 때 까지의 거리 즉, 고화영역을 짧게하여 섬유가 유리상이 되기 전에 섬유를 권취하게 된다. 따라서 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유는 용융방사시 고화영역이 짧게 되고, 빠른 고화속도로 인하여 연신이 어려우며 방사성이 매우 불량하다.

피치 섬유의 제조에 관한 종래기술로서 한국 등록특허공보 10-1592714호에는 용융 피치를 방사 노즐로 주입하기 위한 피치 주입부 및 주입된 용융 피치를 섬유 형태로 토출하기 위한 적어도 하나의 방사 노즐을 포함하는 피치 섬유 방사부; 상기 피치 섬유 방사부의 하부에 구비되며, 상기 피치 섬유 방사부로부터 토출되는 피치 섬유가 감기는 적어도 하나의 회전롤부; 상기 회전롤부에 감긴 피치 섬유를 절단하기 위한 적어도 하나의 절단부; 및 상기 절단부에 의해 절단되어 형성된 피치계 탄소 단섬유를 일 방향으로 이동시키기 위한 이송부;를 포함하되, 상기 회전롤부는 롤의 회전력으로 상기 피치 섬유를 연신시키도록 구비된, 피치계 탄소 단섬유의 제조장치가 개시되어 있다.

그리고 한국 등록특허공보 90-001321호에는 둘레가 둥근 제조실; 제조실과 연결된 유도로; 풀린 탄소 섬유를 이동시키기 위한 유도로를 통해 제조실을 향하여 가스상 유체가 흐를 수 있도록 하는 기구; 집속물이 형성될 수 있도록 풀린 탄소 섬유를 둥근 둘레를 따라 가스상 유체와 함께 선회시키는 기구로 구성된 부피 밀도가 낮은 풀린 탄소 섬유로부터 부피밀도가 높은 탄소 섬유 집속물을 제조하는 장치가 개시되어 있다.

또한 한국 공개특허공보 특1999-013706호에는 무정형 세라믹 섬유의 제조시 유기 규소 중합체를 방사한 후, 이를 용융화하고 열분해하여 연속적으로 탄화규소섬유로 전환하는 방법이 개시되어 있다.

그런데 상기 문헌들에 개시된 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 용융 방사 장치들은 섬유의 용융 방사시 발생되는 정전기에 의하여 방사성이 저하되고, 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유는 쉽게 고화되어 유리상이 된다. 따라서 용융방사시 사절이 다량 발생하므로 방사성이 불량하다. 그리고 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 용융방사시 고화영역이 짧아서 섬유의 연신이 불가능하므로, 우수한 기계적 물성을 갖는 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 제조가 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로써, 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 용융 방사시 미세 수분을 공급하는 가습 공정을 통해 정전기 발생을 억제할 수 있는 섬유속 집속장치(10)를 제공하기 위한 것이다. 또한 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유가 방사구금(2)에서 토출된 후 연화점 이상의 온도로 가열하여 고화를 늦춤으로써, 고화영역을 연장하여 상기 섬유의 방사성을 개선할 수 있는 집속장치를 제공하기 위한 것이다. 특히 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 기계적 물성을 개선할 수 있는 집속장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 관점에 따른 섬유속 집속장치(10)는 섬유속이 방사되는 방사구금(2)의 하부에 위치하고, 상기 섬유속이 통과하여 집속되는 원추형 통로(70)를 구비하는 집속관(20); 상기 집속관(20)의 측면에 연통되어 상기 원추형 통로(70) 내부로 미세 수분을 공급하는 미세수분 분무장치(30); 상기 집속관(20)의 측면에 연통되어, 상기 원추형 통로(70) 내부를 가열하는 히터(40);를 포함한다.

또한 본 발명의 섬유속 집속장치(10)에는 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유를 대상으로 하며, 상기 집속관(20)의 내부에서 섬유속의 인입 속도(v1)와 인출 속도(v2)를 조절하여 연신 또는 크림프(crimp)를 부여하기 위한 로울러가 구비되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 섬유속 집속장치(10)에는 상기 집속관(20) 상부의 일측에는 원추형 통로(70) 내부로 비활성 가스를 나선형으로 공급할 수 있도록 하방으로 경사지도록 형성되는 가스 분사구(80)가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 원추형 통로(70)의 온도를 감지하는 온도 센서(50) 및 상기 히터(40)의 온도를 제어하는 온도 제어기(60)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 섬유속 집속장치(10)의 미세수분 분무장치(30)에서 분무되는 액적은 5 ~ 40 ㎛의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하며, 온도 제어기(60)는 상온 ~ 2,500 ℃ 범위에서 온도 조절이 가능한 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 섬유속 집속장치(10)의 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 집속관(20)에 대해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 섬유속 집속장치(10)에 따르면, 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유의 용융 방사시 정전기 발생을 억제하고, 집속관(20) 내부에서 섬유의 고화를 늦추어 사절(絲切) 문제를 해결할 수 있다. 이에 따라 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 방사성을 개선할 수 있고, 우수한 기계적 물성을 갖는 탄소 섬유 및 세라믹 섬유를 제조할 수 있고, 상기 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 생산성이 증진되는 효과를 갖는다. 또한 집속관(20) 내부에서 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 고화를 늦추어 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유를 최대 연신시켜 기계적 강도를 최대한으로 발현시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면 방사되는 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유는 별도의 추가 공정 없이도 집속관(20) 내부에서 일방향으로 집속되어 배열될 수 있어 안정화 등 후처리 공정을 거쳐 기계적 물성이 우수한 탄소 섬유 및 세라믹 섬유를 제조할 수 있다.

도 1은 피치로부터 탄소 섬유를 제조하기 위한 공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 피치 섬유의 용융 방사 장치에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)가 직렬로 구비되는 섬유속 집속장치(10)의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)가 병렬로 구비되는 섬유속 집속장치(10)의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 가스 분사관이 구비되는 집속관(20)의 모식도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실험예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실험예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

이하에서 본 발명은 탄소 섬유의 전구체인 피치 섬유를 대상으로 주로 설명하나, 본 발명은 상기 피치 섬유뿐 아니라 연화점(softening point, Ts)을 갖는 세라믹 전구체 섬유 즉, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유 및 실리카 섬유 등에 함께 적용이 가능하다. 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 방사는 상기 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유가 방사구금(2)의 세공을 통과할 수 있을 정도로 충분한 온도로 가열하여 용융하여야 한다. 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 방사 방법 및 장치는 공지되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서 도 3을 참조하여 본 발명의 섬유속 집속장치(10)를 설명한다.

상기 본 발명의 섬유속 집속장치(10)는 방사구금(2)의 하부에 구비되는 집속관(20)을 구비한다. 또한, 상기 집속관(20) 내부에는 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70)를 구비하며, 상기 방사구금(2)에서 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70)에 연통되는 미세수분 분무장치(30)와, 상기 방사구금(2)에서 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70)에 연통되는 히터(40)를 포함한다. 그리고 상기 집속관(20)의 상부에는 원추형 통로(70) 내부를 지나는 섬유 표면으로 비활성 가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 분사구(80)를 포함하며, 히터(40)의 온도를 제어하는 온도제어기(60)와, 상기 원추형 통로(70) 내부의 온도를 감지하는 온도센서(50)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 방사구금(2)을 통해 토출된 섬유속은 상기 방사구금(2) 하부에 위치한 집속관(20)을 통과한다. 도 3은 방사구금(2)의 하부측에 위치한 집속관(20)을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 집속관(20)은 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유속을 동심적으로 둘러싸며 주로 금속실린더로 이루어져 있다. 특히 본 발명에서는 상기 집속관 내부에 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70)를 구비한다. 상기 원추형 통로(70)는 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유속에 집속성을 부여할 수 있도록 원추형으로 형성되는 것이 가장 바람직하다. 또한 상기 집속관(20)은 방사구금(2)으로부터의 거리를 원근으로 조절할 수 있는 것이 바람직하다. 토출된 섬유속은 상기 집속관(20)을 통과하면서 연화점 이상의 온도로 재가열된다.

상기 집속관(20)에는 방사구금(2)에서 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70) 내부와 연통되는 미세수분 분무장치(30)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 미세수분 분무장치(30)는 집속관 내부로 수분을 미세액적화하여 공급한다. 상기 집속관 내부로 수분의 미세액적이 공급됨으로써, 섬유속의 집속성과 상기 집속관(20) 내부의 상대습도를 높게 하여 방사구금(2)에서 토출된 섬유로부터 정전기의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 집속관 내부로 공급된 수분의 미세액적은 상기 집속관 내부의 습도를 높힘으로써 전하를 중화시켜 정전기의 발생을 억제한다. 통상적으로 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유속의 방사시 정전기로 인해 섬유속의 끊어짐 및 섬유속들간의 얽힘 현상 등이 발생하여 사절이 발생하여 방사성이 떨어지게 된다. 따라서 미세수분 분무장치(30)를 통해 미세수분을 집속관 내부로 분무하여 내부의 습도를 높혀 정전기의 발생을 방지하는 것은 방사성에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 상기 미세수분 분무장치(30)는 집속관(20) 내부의 원추형 통로(70)에 미세 수분을 분무하여 습도를 60 % RH 이상으로 하여 전하를 띠는 입자들을 전기적 중성 상태로 만들어 정전기를 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 미세수분 분무장치(30)는 미리 결정된 크기의 직경을 가지는 미세수분액적을 생성하는 적어도 하나의 노즐 어셈블리를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 미세수분 분무장치(30)는 수분을 액적 또는 미립자 형태로 만들어 공기 중으로 분사할 수 있는 장치이며, 이 분야에서 공지된 임의의 분무장치가 이용될 수 있다. 본 발명에서 미세수분액적은 5 ~ 40 ㎛의 평균 직경을 가질 수 있지만 필요에 따라 상기 액적의 직경은 적절하게 조절될 수 있다. 공기 중으로 분무된 미세수분액적은 집속관(20) 내부를 유동하여 상기 집속관(20) 내부의 상대 습도를 높이게 되고, 이에 따라 정전기의 발생이 억제될 수 있다.

또한 본 발명의 집속관(20)에는 방사구금(2)에서 토출된 섬유속이 진행하는 원추형 통로(70) 내부와 연통되어, 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유속을 연화점 이상의 온도로 재가열하기 위한 히터(40)를 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 대상으로 하는 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유는 대부분 명확한 융점(melting point)이 없으며, 다만 용융체의 점도가 급격하게 낮아지고 흐름성이 좋아지는 온도인 연화점(softening point, Ts)을 갖는다. 방사구금(2)으로부터 토출된 후 섬유속은 공기중에 노출되어 연화점 이하로 냉각되고, 이 때 유리상으로 존재하게 되므로 연신 등의 후처리가 불가능하다. 따라서 집속관(20)에 히터(40)를 연결하여 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유를 재가열하여 연화점 이상의 온도가 되어야 연신 등의 후처리 공정의 진행이 가능하다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에서 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)의 위치는 각각 집속관(20)의 임의의 위치에 구비될 수 있다. 즉, 집속관(20) 내부로 미세수분액적을 공급하거나 또는 집속관(20) 내부를 가열할 수 있는 위치라면 임의의 어느 위치든 가능하다. 특히, 본 발명의 일실시예에서 상기 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 상기 집속관(20)에 구비됨에 있어서, 직렬 또는 병렬로 구비될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 집속관(20)에 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 미세수분 분무장치(30)는 집속관(20)에 연통되고, 히터(40)는 상기 미세수분 분무장치(30)에 연결관을 통해 연통되도록 구비될 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 집속관(20)에 각각 독립적으로 즉, 병렬로 연결되도록 구비될 수 있다. 즉, 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 각각 독립적으로 연결관을 통해 집속관(20)에 연통되도록 구비될 수 있다.

상기와 같이 히터(40)는 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유속을 연화점 이상의 온도로 재가열할 수 있다. 상기와 같이 방사구금(2)으로부터 토출된 섬유를 연화점 이상의 온도로 재가열하게 되면 연신 등의 후처리가 가능하게 된다. 즉, 도 3 또는 도 4에 도시하지는 않았으나, 집속관 상부 및 하부에 섬유속이 지나는 로울러를 구비하여 상기 로울러의 상대속도로부터 집속관(20)에서 섬유속의 인입속도(v1)와 인출속도(v2)를 조절할 수 있다. 즉, 상기 집속관(20)의 내부에서 인입속도(v1)가 인출속도(v2)보다 큰 경우에는 섬유속에 3차원의 크림프(crimp)의 부여가 가능하며, 또한 반대로 집속관(20)의 내부에서 인입속도(v1)가 인출속도(v2)보다 작은 경우에는 상기 섬유속에 연신을 가할 수 있다. 즉, 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유의 집속관 내부로의 인입속도(v1)와 집속관 내부로부터의 인출속도(v2)를 동일하게 하거나, 또는 집속관 내부로부터의 인출속도(v2)를 집속관 내부로의 인입속도(v1)보다 크게 하여 장력을 가함으로써 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유를 연신하거나 또는 크림프가 없는 이차원 구조의 곧은 피치 섬유를 제조할 수 있게 된다. 이때 집속관(20) 내부에서 토출된 피치(4)를 최대한 연신시키게 되면 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유가 가지는 기계적 강도를 최대한으로 발현시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기 히터(40)의 온도를 적절하게 제어할 수 있는 온도 제어기(60) 및 상기 집속관(20) 내부의 온도를 감지하는 온도 센서(50)를 더 포함할 수 있다.

위에서 살핀 바와 같이, 피치 섬유 및 세라믹 전구체 섬유의 방사시 대부분 용융 방사법(melt spinning)을 채택하고 있다. 그런데 용융 방사를 하기 위한 피치 또는 세라믹 전구체는 분자량 분포가 넓고, 분자량이 작아 방사성이 불량하다. 그러므로 피치 또는 세라믹 전구체는 용융방사시 방사환경 즉, 온습도, 방사온도 등에 민감하게 반응한다. 특히 피치 또는 세라믹 전구체는 방사구금(2)에서 토출된 후 쉽게 유리상으로 고화되므로 사절(絲切) 등이 발생하여 권취가 원활하게 진행되지 아니하여 방사성이 저하되는 원인이 된다.

따라서 본 발명의 집속장치(10)는 방사된 피치 섬유속 또는 세라믹 전구체 섬유속의 고화를 늦추기 위하여 피치 섬유가 토출되어 진행하는 집속관(20)의 원추형 통로(70) 내부를 가열할 수 있는 히터(40)를 포함한다. 또한 상기와 같이 집속관(20) 내부의 원추형 통로(70)의 온도를 조절하기 위하여 상기 원추형 통로(70)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(50)가 구비되며, 상기 온도 센서(50)로부터 원추형 통로(70) 내부의 온도를 측정하고, 이를 설정 온도값과 비교하여 상기 원추형 통로(70)의 온도를 조절하는 온도 제어기(60)가 더 구비될 수 있다. 상기 온도 조절기는 집속관(20) 내부의 원추형 통로(70)의 온도를 상온 ~ 2,500 ℃까지 조절이 가능한 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 온도 범위에서 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유를 연화점 이상의 온도로 재가열이 가능하다.

그리고 본 발명의 섬유속 집속장치(10)에는 상기 원추형 통로 내부를 지나는 섬유 표면으로 비활성 가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 분사구(80)를 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 상기 섬유속 집속장치(10)에서 집속관(20)은 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유가 토출되는 방사구금(2)의 하부에 위치한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 집속관(20)은 그 내부에 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유가 통과하는 길이 방항으로 연장된 원추형 통로(70)를 구비한다. 집속관(20)은 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유가 원추형 통로(70)를 통과하는 동안 방사된 상기 피치 섬유속 또는 세라믹 전구체 섬유속 표면으로 비활성 가스 흐름을 분사하기 위한 하나 이상의 가스 분사구(80)를 포함한다. 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유의 용융 방사시 분사하기 위한 적합한 기체로는 질소(N₂)와 같은 비활성 가스이다. 상기 비활성 가스는 방사된 섬유속을 실질적으로 고화되기 전까지 섬유를 물리적으로 안정화시키는 작용을 한다. 상기 비활성 가스는 가스 분사구(80)를 통하여 분사되며, 원추형 통로(70)를 진행하는 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유에 나선형으로 분사되기 위하여 집속관(20) 외부에서 내측 하방으로 경사지도록 구비되며, 또한 비활성 가스를 집속관(20) 내부의 접선방향으로 분사하기 위하여 집속관(20) 단면의 축방향에서 경사지도록 구비된다. 즉, 도 5 (a)는 집속관(20)의 상부 단면도를 나타낸 것이다. 상기 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 복수개의 가스 분사구(80)는 집속관(20)의 축방향에 대해 좌우측으로 경사되어 형성된다. 또한 도 5(b)는 집속관(20)의 측면도를 나타낸 것이다. 상기 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 가스 분사구(80)는 집속관(20)의 축방향에 대해 좌우측 하방으로 경사되어 상호 대응되는 위치에 형성된다. 상기와 같이 형성된 가스 분사구(80)를 통해 집속관(20)의 원추형 통로(70)로 진입한 섬유속에 비활성 기체를 나선형 방향으로 분사하여 빠른 시간내에 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유를 안정화시킬 수 있다.

또한 본 발명의 집속장치(10)에서는 집속관(20)의 입구에는 집속관(20) 내부로 에어젯을 공급할 수 있는 블로워(blower)가 구비되거나, 또는 상기 집속관(20)의 출구측에 진공펌프를 구비할 수 있다(미도시). 상기와 같이 구비되는 블로워 또는 진공펌프는 집속관(20) 내부에서 원추형 통로(70)의 상부에서 하부로 공기 흐름 즉, 에어젯을 형성하여, 토출된 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유를 원활하게 집속할 수 있도록 한다. 이에 따라 상기 원추형 통로(70)에서 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유는 일방향으로 배열되어 집속되므로 권취가 용이하게 되어 방사성이 향상된다. 즉, 진공 펌프 또는 블로워에 의해 집속관(20) 내부의 원추형 통로(70)의 하방으로 생성되는 에어젯에 의하여 방사된 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유속의 이차원적인 집속 효율을 높힐 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 압출기
2: 방사구금
3: 권취기
4: 피치
10: 섬유속 집속장치
20: 집속관
30: 미세수분 분무장치
40: 히터
50: 온도 센서
60: 온도 제어기
70:원추형 통로
80:가스 분사구

Claims (8)

1. 용융방사되는 섬유를 집속하는 섬유속 집속장치(10)에 있어서,
   섬유속이 방사되는 방사구금(2)의 하부에 위치하고, 상기 섬유속이 통과하여 집속되는 원추형 통로(70)를 구비하는 집속관(20);
   상기 집속관(20)의 측면에 연통되어 상기 원추형 통로(70) 내부로 미세 수분을 공급하는 미세수분 분무장치(30);
   상기 집속관(20)의 측면에 연통되어, 상기 원추형 통로(70) 내부를 가열하는 히터(40);
   를 포함하는 섬유속 집속장치(10)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 용융방사되는 섬유는 연화점을 갖는 피치 섬유 또는 세라믹 전구체 섬유중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 집속관(20)의 내부에서 섬유속의 인입 속도(v1)와 인출 속도(v2)를 조절하여 연신 또는 크림프를 부여하기 위한 로울러가 구비되는 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
4. 상기 청구항 1에 있어서,
   상기 집속관(20) 상부의 일측에는 원추형 통로(70) 내부로 비활성 가스를 나선형으로 공급할 수 있도록 하방으로 경사지도록 형성되는 가스 분사구(80)가 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 원추형 통로(70)의 온도를 감지하는 온도 센서(50)와, 상기 히터(40)의 온도를 제어하는 온도 제어기(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
6. 상기 청구항 1에 있어서,
   상기 미세수분 분무장치(30)에서 분무되는 액적은 5 ~ 40 ㎛의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 온도 제어기(60)는 상온 ~ 2,500 ℃ 범위에서 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 미세수분 분무장치(30)와 히터(40)는 집속관(20)에 대해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 섬유속 집속장치(10)
   
   

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