KR20020086928A - 활성 탄소 섬유 형태의 여과 성분 - Google Patents

Abstract

본 방법은 편물, 이차원적인 직물의 재봉, 또는 합사와 같은 제조 공정을 이용하여, 탄소 전구체 섬유의 응집성 직물로부터 제조되는 물품의 예비 성형물의 제조; 및 활성 탄소 섬유로 만들어진 원하는 성형 물품을 직접적으로 얻기 위해 탄화 및 활성화 처리를 수행하는 단계로 이루어지는 방법으로, 예비 성형물은; 탄화 및 활성화 처리 중에 축소를 고려하기 위해 크기가 측정된다. 상기 방법은 특히 방사능의, 생물학적인, 또는 화학적 칩입과 같은 칩입에 대항하는 보호를 제공하는 의류의 물품을 생산하기 위해 이용될 수 있다.

Description

활성 탄소 섬유 형태의 여과 성분{FILTERING COMPONENT IN THE FORM OF ACTIVATED CARBON FIBRES}

다양한 재료가 화생방(NBC)용 보호 의복을 만들기 위해 제안되었다.

그리하여, 두꺼운 고무, 전형적으로 이소부틸 고무로 보호 슈트(suit)를 만드는 것이 알려졌다. 이러한 슈트는 호흡을 유지하기 때문에, 상대적으로 높은 온도에서는 참기가 어렵고, 특히 불편하다.

포말, 예를 들어, 폴리우레탄 포말에 활성탄의 입자를 분산하여 사용하는 것또한 제안되었다. 이러한 방법으로 만들어진 슈트 또는 의복은 두껍다. 이들은 또한 세척하기가 어렵고, 포말로 존재하기 때문에 불이 있을 때에는 행동하기 불리하다는 단점이 있다. 게다가, 이들이 이용되기 위해서는 성형된 기질위에 엷은 판으로 만들어져야 하기 때문에, 다공성 및 통기성이 영향을 받을 수 있다. 더구나, 습한 조건 하에서, 예를 들어, 발한(發汗)때문에, 활성탄의 흡착력이 감소된다.

활성 탄소 섬유를 이용하는 것 또한 제안되어 왔다. 그들의 기계적인 특성은 의복 성형 물품을 만들기 위한 방적, 제직, 편물, 제봉, 합사 등과 같은 직물 작업을 어렵게 한다. 활성 탄소 섬유가 생산된 의복의 형태를 가지는 기질위에 집합될 수 있다고 생각될 수 있겠지만, 그것은 통기성을 방해하고 감소시키는 기공에 관련된 상기의 단점으로 되돌아 간다.

직물 작업에 적합하지 않은 탄소 섬유에 의해 나타난 문제를 해소하기 위해, FR 2 599 761 A는 필요한 기계적인 특성을 가진 코어(core), 예를 들어, 탄소 전구체 섬유를 감싸거나 또는 겹쳐진, 금속 코어로 이루어진 혼합 실의 이용을 제안한다. 상기 혼합 실은 탄소 전구체 섬유를 탄화하고 활성화하기에 앞서 옷감을 만들기 위해 이용될 수 있다. FR 2 599 761 A에 의하면, 생성된 옷감은 의류의 보호 물품 생산에 이용될 수 있다. 이 방법의 단점은 복잡성과 혼합 실을 만드는 데 포함되는 비용에 있다. 또 다른 단점은 의류로 생성된 물품에 금속을 보강하여 의류를 매우 딱딱하게 하고, 이것은 군사적인 적용의 관점에서는 단점이 될 수 있다.

활성 탄소 옷감은 알려져 있고, 여과 물품 응용 분야에 이용된다. FR 2 741 363 A 및 WO 98/41678 A는 이러한 옷감의 생산을 개시하고 있다. 그럼에도 불구하고, 이 옷감에서 의류의 성형 물품 생산은 재봉 작업을 필요로 한다. 불행히도, 활성 탄소 의류에 만들어진 스티치(stitch)는 경직성을 현저하게 국부적으로 증가시키고, 불편을 초래한다. 더구나, 기공의 크기가 균일하지 않게 하여, 스티치는 붙어있는 독이 쉽게 통과하게 한다.

본 발명은 활성 탄소 섬유를 이용하여 흡착 특성이 있는 성형된 여과 물품의 제조에 관한 것이다. 여기에서 "성형된 여과 물품"이라는 용어는 비평면 형태의 자활 여과 물품이라는 의미로 이용된다.

본 발명은 명확하게는 예를 들어, 시민 또는 군인을 특히 방사능의, 생물학적 또는 화학적 원인의 침입으로부터 보호하는 장갑, 양말, 속옷, 모자 등의 의류 성형 물품을 만드는 것에 관한 것이다.

그렇지만, 본 발명의 방법은 다른 응용 분야, 예를 들어, 슬리브(sleeves), 구형 모자 또는 그런 종류의 것과 같은, 특수한 형태를 가지는 여과 물품을 만드는 것에 이용될 수 있다.

본 발명은 도면과 관련하여 하기의 비제한적 설명으로 인하여 더 잘 이해될 것이다:

- 도 1은 본 발명의 실시예를 구성하는 방법에서의 연속하는 단계를 보여준다.

- 도 2는 도 1 실시예의 변형을 구성하는 방법에서의 연속하는 단계를 보여준다.

- 도 3은 비스코스(viscose) 실을 이용하여 편물된 장갑용 예비 성형물 및, 이 예비 성형물에 탄화 및 활성화 처리를 한 후 얻어지는 활성 탄소 섬유 장갑을 보여주는 사진이다.

발명의 목적 및 요약

본 발명의 목적은 특히, NBC 보호용 의류 물품 전용이 아니고, 상기의 특정한 단점을 가지지 않는, 성형 여과 물품의 생산을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

더욱 자세히는, 본 발명은 필수적으로 활성 탄소 섬유로부터 생산되고, 세척이 가능하며, 열적으로 안정하고, 습한 조건에서도 훌륭한 흡착 특성을 유지할 수 있는 반면, 본질적으로 좋은 기계적인 강도를 보이고 여과되어야 할 매재(媒材)가 통과되지 않는 기공을 제공하는 성형 여과 물품을 얻기 위한 것이다.

이들의 목적은 다음 단계로 이루어진 방법에 의해 달성된다:

- 탄소 전구체 섬유의 응집성의 직물로부터 제조된 물품의 예비 성형물을 생산하는 직물 제조 방법을 이용하는 단계; 및

- 활성 탄소 섬유로 만들어진 원하는 성형 물품을 직접적으로 얻기 위해 탄화 및 활성화 처리를 실행하는 단계;

- 상기 예비 성형물은 탄화 및 활성화 처리 중의 수축을 고려하기 위해 크기가 측정됨.

본 발명은 생산되는 물품의 형태에 상응하는 형태를 주는 직조 방법을 이용하여 이전부터 작업되어진 탄소 전구체 섬유의 예비 성형물을 탄화하고 활성화한 후에 상기 여과 물품이 직접적으로 얻어진다는 점에서 주목할만하다.

예비 성형물을 성형화하는 데 이용되는 직조 방법은 적어도 부분적으로는, 편물, 이차원적인 직물의 재봉, 또는 합사로 구성된다. 여기서 "이차원적인 직물"이라는 용어는 특히 짜여진 옷감 또는 다중 방향성의 직포를 의미한다.

상기 예비 성형물은 특히, 예를 들어, 레이온 섬유를 이용하여, 셀룰로오스 섬유 직물과 같이 만들어지므로, 높은 순도의 탄소 섬유를 얻는 것이 가능하고, 넓은 큰 특정 표면 영역, 예를 들어, 그램당 800 제곱 미터(㎡/g)를 초과하는, 또는 실제로 1200㎡/g을 초과하는 표면 영역을 얻는 것이 가능하다.

본 방법의 첫번째 구현예에서, 탄화 및 활성화 처리는 다음을 포함한다:

- 250℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 불활성 대기 하에서의 열 처리를 포함하는 탄화 단계; 및

- 750℃ 내지 950℃의 온도 범위에서 실행되는 상기 탄화 예비 성형물의 활성화 단계.

활성화는 수증기 및/또는 이산화탄소와 같은 산화성 대기 하에서 수행된다.

본 방법의 두번째 구현예에서, 탄화 및 활성화 순서는 다음을 포함한다:

- 셀룰로오스 분해를 촉진하는 기능을 가진 하나 이상의 성분을 함유하는 조성물로 예비 성형물을 함침시키는 단계; 및

- 활성 탄소 섬유의 여과 물품이 직접적으로 얻어지도록 350℃ 내지 500℃의온도 범위에서 열 처리하는 단계.

본 발명은 또한 상기의 방법에 의해 얻어질 수 있는 종류의 의류의 물품, 즉, 활성 탄소 섬유로 구성된 응집성의 직물의 단일 물품으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 의류 성형 물품을 제공한다.

이러한 의류 물품은 그것이 활성 탄소 섬유로 만들어졌음에도 불구하고, 본질적으로는 그것을 이용할 수 있도록 하기에 필요한 강도를 나타낸다는 점이 주목할 만하다.

게다가, 그들은 탄소로 만들어지므로, 본 발명의 의류 물품은 불의 존재하에서도 훌륭한 특성을 나타내고, 그들은 열적으로 안정하다. 그들의 전도성때문에, 탄소 섬유는 정전기가 소개되도록 할 수 있다. 그들은 또한 쉽게 세척될 수 있다. 활성탄의 입자와 비교하면, 활성 탄소 섬유로 만들어진 물품은 습기에 의한 수행능력의 매우 제한된 손실을 나타낸다. 활성 탄소 섬유에서의 기공의 거대한 장점은 미세기공이 모세관 현상에 의해 물로 채워지기에는 적합하지 않다는 것이다. 게다가, 그들은 활성탄의 입자보다 크기가 훨씬 작기 때문에, 활성 탄소 섬유가 탄소의 주어진 중량에 대한 가스의 흐름에 비해 훨씬 큰 외부 표면 영역을 나타낸다. 주어진 수행능력을 위해, 고려되는 물품의 두께는 매우 감소될 수 있다.

하기의 설명에서, 의류 보호 물품의 제조를 참조로 한다. 상기에 언급한 대로, 본 발명은 단지 이 응용 분야에 한정되지 않고, 좀 더 일반적으로, 성형 여과 제품을 포함한다.

도 1에 나타난 방법의 첫번째 단계(10)는 직물 제조 공정을 이용하여, 생산되는 물품의 예비 성형물 생산으로 구성된다.

상기 예비 성형물은 실 또는 가닥의 형태인 탄소 전구체 섬유를 이용하여 만든다. 전구체의 다양한 유형은 예비산화된(preoxidized) 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(pitch), 페놀 화합물과 같은 것으로 이용될 수 있다. 바람직하기는, 셀룰로오스 전구체가, 특히 비스코스, 예를 들어 레이온이 이용된다.

상기 예비 성형물은 생산될 물품에 상응하는 형태를 가지도록 성형되는 반면, 탄화 및 활성화 처리 중에 발생하는 수축이 일어나도록 한다.

성형화는 탄소 전구체 섬유의 실 또는 가닥을 이용하여, 특히 편물 또는 합사에 의해 직접적으로 실행될 수 있다.

짜여진 옷감 또는 다중 방향성의 직포와 같은 탄소 전구체 섬유 실 또는 가락으로부터 이차원적인 직물을 생산하는 것으로 시작하는 것 또한 가능한데, 그 다음 예비 성형물은 같은 종류의 실을 이용하여 재봉되고 잘리어 성형된다. 다중 방향성 직포는 주어진 방향에 평행하게 확장되는 실 또는 가닥으로 이루어진 단일 방향성 직포의 대다수를 겹치게 하여 형성된다. 상기 단일 방향성 직포는 다른 방향으로 늘리도록 겹치게 되고, 그들은 또 다른 것, 예를 들어 재봉 또는 얕은 바늘질에 의해 임의로 결합된다.

본 발명의 두번째 단계(20)는 예비 성형물을 탄화하는 것으로 구성된다. 탄화는 250℃ 내지 500℃의 온도 범위, 예를 들어 약 400℃정도의 온도에서 불활성 대기에서의 열처리 단계를 포함하고, 이 단계에서는 온도의 느린 상승, 전형적으로 며칠 내지 몇주의 상대적으로 긴 기간에 걸쳐 분(min)당 0.01℃ 내지 0.5℃/min의 속도로 실행된다.

이어지는 열 처리의 마지막 단계는 더 높은 온도에서 예를 들어, 600℃ 내지 900℃까지의, 마찬가지로 불활성 대기 하에서, 휠씬 짧은 기간동안, 예를 들어, 몇분동안 실행될 수 있다.

가스 유출물과 함께 반출되는 불순물의 제거를 촉진하기 위해서, 부가적인 열 처리는 더욱 높은 온도, 예를 들어 1000℃ 내지 1300℃ 범위의 온도, 및 감소된 압력 하에서, 예를 들어, 5 파스칼(Pa) 내지 60Pa 범위의 압력 하에서 상대적으로 짧은 기간, 약 1분동안 임의로 실행될 수 있다.

본 발명의 세번째 단계(30)는 생성된 탄소 섬유 예비 성형물을 활성화하는것으로 구성된다. 활성화는 상기 탄소 섬유 예비 성형물이 수증기 또는 바람직하기는 이산화탄소 또는 이산화탄소와 수증기의 혼합물과 같은 산화성 대기 하에서 열 처리되게하여 실행된다. 상기-인용된 FR 2 741 363 A를 참조로 할 수 있다. 열 처리 온도는 750℃ 내지 950℃의 범위이고, 바람직하기는 850℃ 내지 950℃이고, 지속 기간은 바람직하기는 원하는 특정한 표면 영역이 기능을 갖도록 하는 50분 내지 300분의 범위이다. 그러므로, 활성 탄소 섬유 물품이 800㎡/g을 초과하는, 또는 1200㎡/g을 휠씬 초과하는 특정 표면 영역을 나타내는 것이 가능하다.

후 처리의 마지막 단계(40)는 물품을 의도된 용도의 기능으로서, 임의로 실행할 수 있다. 예로써, 후 처리의 한 가지 종류로 탄소의 입자를 고정하고 물품의 이용 중에 그것들이 떨어지는 것을 막기 위해 매우 미세한 침전물로 형성하는 것으로 이루어질 수 있다. 이 침전은 엘라스토머(elastomer) 또는 라텍스(latex)를 분무하는 것으로 실행될 수 있다.

후 처리의 또 다른 유형은 물품에 강도를 주는 것이 아니라, 물품과 사용자의 피부 사이에 직접적인 접촉을 피하는 기능을 가진 라이닝(lining)과 물품을 결합하는 데 있다. 상기 라이닝은 다공성과 투과성에 영향을 주지않도록 통풍될 수 있고 예를 들어, 접착제에 의해, 단지 몇개의 지점을 통해 연결되어야 한다.

도 2는 셀룰로오스 전구체 섬유의 예비 성형물로 이용하기에 적합한 방법의 변형된 실행을 보여준다. 이 변형은 탄화 및 활성화의 단계(20 및 30)가 셀룰로오스의 탈수소화를 촉진하는 성분을 포함하는 조성물로 예비 성형물을 함침시키는 단계(20')와 활성 탄소 섬유로 이루어진 물품을 직접적으로 얻도록 하는 열처리단계(30')로 대체된다.

함침은 인산, 염화아연, 황산칼륨, 수산화칼륨, 인산디암모니아(diammmonia phosphate), 및 염화암모늄에서 선택된 무기질 성분과 같이, 셀룰로오스의 탈수소화를 촉진하는 성분을 하나 이상 함유하는 조성물을 이용하여 실행된다. 함침은 바람직하기는 예비 성형물에 고정된 산의 질량이 건조 예비 성형물의 중량비 10% 내지 22%의 범위에 있도록 인산을 함유하는 조성물을 이용하여 수행된다. 열 처리는 불활성 대기 하에서 또는 이산화탄소 또는 수증기와 같은 반응 활성제를 포함하는 대기 하에서 350℃ 내지 500℃ 범위의 온도로 수행되는 것이 바람직한 휴지로 이어지는, 1℃/분 내지 15℃/분 범위의 속도로 온도를 상승시는 것을 포함한다. 생성된 물품은 바람직하기는 그 후에 세척된다. 이러한 방법은 상기-언급된 국제 특허 출원 WO 98/41678에 개시되어 있다. 그러므로, 활성 탄소 섬유로 만들어진 물품은 직접적으로 얻어진다.

예 1

도 3의 사진에서 왼쪽에 보이는 종류의 장갑 예비 성형물은 스티치를 갖는 330 데시텍스(dtex) 레이온 실을 편물하여 만들어지고, 장갑의 가장자리는 167dtex 레이온 실로 만들어졌다.

상기 예비 성형물은 킬른(kiln)에서 프레임(frame)에 위치하고 약 2주동안 열 처리되었다. 온도는 0.1℃/분 미만의 속도로 약 400℃ 수준에 도달할 때까지 매우 천천히 상승되었다.

이어서 생성된 예비 성형물은 다시 최대 700℃의 온도로 약 15분 동안 탄소격자를 안정화하도록 열 처리되었다.

상기 탄화 예비 성형물은 이산화탄소(CO₂)의 대기 하에서 약 850℃의 온도로 약 1시간(h) 동안 회전 가압 멸균기에서 활성화되었다.

생성된 장갑은 도 3의 사진에서 보이는 장갑(오른쪽)과 같았다. 그들은 다음은 평균 특성을 나타냈다:

- 대략 1500㎡/g정도의 특정 표면 영역;

- 센티미터당 1.5 데카뉴톤(daN/cm)정도의 견인 파괴 강도

- 파괴 신장: 약 50%;

- 탄소 함유량: 약 95%;

- 활성 탄소 섬유(필라멘트)의 직경: 약 17마이크로미터(㎛).

탄화 및 활성화에 의한 축소는 평균적으로 32%이다. 이 축소는 원하는 크기의 장갑이 되도록하는 예비 성형물을 만들기 위해 고려되어져야 한다.

이용된 직물 제조 공정 및 물품의 형태에 따라, 축소는 물품을 통해 그리고 모든 방향에서 반드시 균일하지는 않다는 것이 관찰되었다. 예비 성형물에 주어지는 형태는 바람직하기는 시험에 의해 결정되고, 상기 시험은 고안된 모의 시험 모델을 이용할 수 있다.

피부에 직접적인 접촉을 피하기 위해서, 활성 탄소 섬유 장갑은 예를 들어, 면으로 된, 속장갑 위에 착용할 수 있다. 상기 속장갑과 장갑은 접착되는 몇 개의 지점을 통해 함께 연결될 수 있다.

생성된 조립장갑은 예를 들어, 가죽으로 된 외피 장갑에 직접 들어갈 수 있다. 작업 중에, 활성 탄소 섬유 장갑과 속장갑에 의해 형성된 조립장갑만이 소모된다. 독성유출물의 발생없이 소각되는 것 또한 쉽다.

예 2

예 1의 것과 같은 장갑 예비 성형물은 20 부피% 인산(H₃PO₄) 수용액에 담구는 것으로 함침된다. 함침된 예비 성형물은 70℃ 내지 90℃의 온도에서 구워져 물이 제거되고, 예비 성형물에 고정된 인산의 양은 건조된 예비 성형물의 중량에 대응하는 중량비 약 16%로 구성된다.

그리고 나서, 상기 예비 성형물은 예를 들어, 유리 섬유로 만들어진, 벨트로 지지되는 동안에 그들이 이동되는 열 처리 오븐에 지속적으로 주입된다. 열 처리는 약 5℃/분의 속도로 온도가 상승하는 것을 포함하고, 약 200℃의 온도 수준까지 이어진다. 상기 열 처리는 불활성 대기(질소) 하에서 약 90분의 총 기간동안 수행된다.

생성된 장갑은 약 90℃의 온도로 탈염수에서 세척된다.

이러한 방법으로 만들어진 활성 탄소 섬유 장갑은 다음의 특성을 나타냈다:

- 대략 800㎡/g정도의 특정 표면 영역;

- 1.2daN/㎝정도의 견인 파괴 강도;

- 약 50%의 파괴 신장;

- 약 80%의 탄소 함유량

측정된 평균 축소는 28%이였다.

시험

겨자 가스에 대한 효율성 시험은 예 1에서 얻은 장갑을 이용하여 실행하였다.

증기 상 시험은 37℃에서 겨자 가스로 실행하였다.

상기 장갑으로 구성된 보호 장벽을 통과하는 것이 8시간이 초과된 다음에도 관측되지 않았다.

액체 상 시험은 상온(20℃)에서 겨자 가스를 이용하여 실행하였다. 사용되는 오염함량은 장갑 표면의 10g/㎡를 나타내고, 겨자 가스는 방울 형태로 장갑에 접촉되었다. 장갑을 통과한 겨자 가스의 양은 장갑의 안쪽에 초당 0.2x10^-2미터(m/s)의 속도로 공기의 흐름을 확장시키는 것으로 측정되었다. 24시간 후에, 통과하여 측정된 양은 제곱미터당 0.2 마이크로그램(㎍/㎡) 내지 1.02㎍/㎡의 범위였다.

이들 시험은 활성 탄소 섬유의 흡착 특성에 기인하여 얻어진 주목할 만한 효과적인 보호를 보여준다.

Claims (12)

1. - 탄소 전구체 섬유의 응집성 직물로부터 제조되는 물품의 예비 성형물을 만들기 위해 직물 제조 방법을 이용하는 단계; 및

   - 활성 탄소 섬유로부터 만들어진 원하는 성형 물품을 직접적으로 얻기 위해 탄화 및 활성화 처리를 실행하는 단계:

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성 탄소 섬유를 포함하는 성형 여과 물품의 제조 방법으로,

   -상기 예비 성형물은 탄화 및 활성화 처리 중에 축소를 고려하기 위해 크기가 측정되는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 예비 성형물은 적어도 부분적으로는 탄소 전구체 섬유로 만들어진 실을 편물하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 예비 성형물은 적어도 부분적으로는 탄소 전구체 섬유의 이차원적인 직물을 재봉하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 예비 성형물은 적어도 부분적으로는 탄소 전구체 섬유로부터 만들어진 실을 합사하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비 성형물은 응집성 셀룰로오스 섬유 직물로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 예비 성형물은 응집성 레이온 섬유 직물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화 및 활성화 처리 단계는,

   - 250℃ 내지 500℃ 범위의 온도로 불활성 대기 하에서의 열 처리를 포함하는 탄화 단계; 및

   - 750℃ 내지 950℃ 범위의 온도에서 실행된 탄화 예비 성형물을 활성화하는 단계:

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화 및 활성화 처리단계,

   - 셀룰로오스 분해를 촉진하는 기능을 가진 하나 이상의 성분을 포함하는 조성물로 예비 성형물을 함침하는 단계; 및

   - 활성 탄소 섬유의 여과 물품을 직접적으로 얻기 위해 350℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 열 처리하는 단계:

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 활성 탄소 섬유로 이루어진 응집성 직물의 단일 물품으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 활성 탄소 섬유를 포함하는 보호 의류 성형 제품.
10. 제 9항에 있어서, 적어도 부분적으로는 활성 탄소 섬유로 구성된 실의 편물에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 의류 제품.
11. 제 9항에 있어서, 적어도 부분적으로는 재봉에 의해 성형되는 탄소 섬유의 이차원적인 직물에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 의류 제품.
12. 제 9항에 있어서, 적어도 부분적으로는 활성 탄소 섬유로 구성된 실의 합사에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 의류 제품.