KR101547776B1

KR101547776B1 - 허니컴용 아라미드 습식부직포 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101547776B1
Application number: KR1020140164152A
Authority: KR
Inventors: 곽성현; 박기성; 이현석; 김민재; 전길우; 최유리; 복진선
Original assignee: 한국섬유개발연구원
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-09-07

Abstract

본 발명은 허니컴용 아라미드 습식부직포의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 기존 아라미드 습식부직포 대비 강도를 30%이상 향상하여 경량, 고압축강도용 구조재로 사용되는 허니컴코어로 적용이 가능하며, 캘린더링을 통한 부직포 결합력 향상으로 강도가 우수하고 기타 결합제가 필요하지 않아 난연성이 우수한 특성을 가지는 아라미드 습식부직포를 제공할 수 있다.

Description

허니컴용 아라미드 습식부직포 및 그 제조방법{Aramid Wet―Laid Non Woven Fabrics For Honeycomb And Process Of Producing Thereof}

본 발명은 허니컴용 아라미드 습식부직포의 제조방법에 관한 것이다.

허니컴 코어재료는 조립품 형태의 허니콤복합재료의 중간에 사용되는 재료로서 구조물의 압축강도를 크게 증가시키는 역할을 한다. 복합재료 적층판에서 코어의 목적은 낮은 밀도의 코어재료로 효과적으로 두께를 제어함으로써 적층판의 강성을 높이는 역할을 한다.

일반적으로 허니컴(Honeycomb)은 Expansion방법에 의해서 만들어 지는데 고밀도 제품의 경우 Corrugated Process가 가장 일반적인 방법이다. Node Line에 Adhesive가 부착된 Web Material을 적당한 크기로 자른후 이것을 적층하고 Adhesive Line을 Curing시켜 Expansion시키기 전의 Block 형태로 만든 후 이 Block을 원하는 두께로 잘라 Slice형태로 만들고 Expansion시켜 원하는 Cell형태로 만든다.

허니콤코어의 종류로는 재질과 사용 Adhesive 및 Cell의 형태에 따라 수많은 종류가 있는데, 그 구성형태를 살펴보면 Fiber Sheet 혹은 Aluminum Foil이 여러 층으로 적층된 상태로 각 Node끼리 접착되어 형태를 유지하고 있다. Node 간의 접착은 Adhesive가 주로 사용되나 고온에서 사용되는 Titanuum, Nickel 등의 Honeycomb은 Spotwelding이나 Brazing방법을 이용하여 접착하기도 한다.

대부분의 비금속 Honeycomb은 습식부직포를 페놀수지에 미리 함침시키거나 "Dip Coating"을 하게 되는데 노드 접착시에도 이와 똑같은 수지를 사용하거나 이것과 양립할 수 있는 접착제를 사용해야 한다. 이때 사용된 수지는 Fungus-Resistant이고 금속을 부식시키는 것이 아니어야 한다.

여러 가지 허니컴 재료 중 아라미드 허니콤은 습식부직포에 의해 제작되는데 초기 습식부직포 Honeycomb는 강한 강도와 우수한 난연성, 전기절연성을 갖는 Honeycomb으로 제작되기 위해 페놀수지로 만들어져, Skin의 페놀수지와 결합하여 항공기의 인테리어 패널과 같은 경량, 고압축강도가 요구되는 부품에 사용된다.

난연성이 필요한 곳(공공 교통수단의 인테리어 부품 등)의 특별 등급은 추가된 접착면적과 단열을 위한 페놀수지로 채워진 Honeycomb 셀을 갖도록 만들어질 수 있다.

아라미드 습식부직포에 페놀수지를 함침시킨 허니컴은 낮은 밀도에 고강도, 높은 Toughness 특성을 나타내며, 페놀수지 대신 폴리이미드수지를 함침시킴으로서 Dielectric특성이 매우 특징적이며, 우수한 기계적 성질, 낮은 밀도, 장기간의 안정성 때문에 고성능의 일반 산업용 분야의 부품에도 사용이 증가하고 있으나 다른 Core 재료에 비해서 상당히 비싼 단점이 있다.

기존의 아라미드 습식부직포는 주로 메타-아라미드 피브리드로 구성되어 있어, 결합력이 약해 일부 메타-아라미드 플록을 첨가하여 제조되고 있으나, 강도가 약하여 허니콤코어 용도로는 적용이 어려운 실정이다.

대한민국공개특허제10-2001-0006475호(2001년01월26일 공개)

그러므로 본 발명에서는 기존 아라미드 습식부직포 대비 강도를 30%이상 향상하여 경량, 고압축강도용 구조재로 사용되는 허니콤코어로 적용이 가능하며, 캘린더링을 통한 부직포 결합력 향상으로 강도가 우수하고 기타 결합제가 필요하지 않아 난연성이 우수한 특성을 가지는 아라미드 습식부직포를 제공하는 것을 기술적과제로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면, 메타-아라미드 피브리드 20~40중량%, 메타-아라미드 플록 20~30중량%, 파라-아라미드 플록 25~30중량%, 파라-아라미드 피브릴 15~20중량%를 함유하는 아라미드 섬유로 이루어지고 결합제가 없는 것을 특징으로 하는 허니콤용 아라미드 습식부직포가 제공된다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 허니콤용 아라미드 습식부직포는 결합제 없이 아라미드섬유만으로 부직포로 형성되는 것으로서 메타-아라미드 피브리드, 메타-아라미드 플록 , 파라-아라미드 플록, 파라-아라미드 피브릴만으로 제조된 습식부직포이다.

일반적으로 습식부직포는 파이버 외에 결합제를 필요로 하여 이루어지는데, 본 발명의 허니콤용 아라미드 습식부직포는 결합제 없이 아라미드섬유만으로 부직포로 형성되는 것이다.

구성섬유는 아라미드 파이버들로 이루어지는데, 메타-아라미드 피브리드 20~40중량%, 메타-아라미드 플록 20~30중량%, 파라-아라미드 플록 25~30중량%, 파라-아라미드 피브릴 15~20중량%로 이루어진다.

메타-아라미드 피브리드의 비율이 40중량%를 초과하는 경우에는 여수도가 감소하는 경향을 보이며, 지합은 증가하는 경향을 보이는데, 이는 상대적으로 메타-아라미드 피브리드의 섬유장이 길고 여수도가 낮아 탈수성이 불량하기 때문인 것으로 판단된다. 메타-아라미드 피브리드의 비율이 20중량%미만에서는 원지 상태에서의 원료간 결합력이 약한 문제점이 있다.

제조된 부직포의 탄성율은 메타-아라미드 피브리드의 비율이 증가할수록 증가하여 30중량%에서 최대치를 보이며, 그 이후에는 감소하는데, 이는 메타-아라미드 피브리드가 습식부직포 구조내의 바인딩(Binding) 효과에 의한 것이다.

메타-아라미드 플록은 20~30중량%를 함유하는 것이 바람직한데, 비율의 증가에 따라 여수도가 소폭 감소하는 경향을 보이나, 지합은 양호해진다. 이는 메타-아라미드 플록 자체의 유연성(Flexibility)이 파라-아라미드 플록에 대비하여 우수하여 지필 내부의 구조가 밀집되기기 때문인 것으로 판단된다.

제조된 부직포의 경우 메타-아라미드 플록의 비율증가에 따라 인열강도를 제외하고 밀도, 인장강도, 신장율 등 기계적 물성이 우수하다. 인열강도는 습식부직포 자체의 밀도감소 및 피브리드가 충분한 수준의 바인딩역할을 하여 플록(Floc) 자체의 강도에 의해 인열강도가 결정된다고 볼 수 있다.

파라-아라미드 플록은 25~30중량%의 비율로 함유되어 부직포의 인장강성(Tensile Stiffness) 및 탄성율을 향상시킨다.

메타-아라미드 피브리드는 섬유폭 25~45㎛, 길이 0.7~1.3㎜인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 메타-아라미드 피브리드는 메타-아라미드필라멘트를 비팅(Beating)하여 제조한 것을 사용하는데, 본 아라미드 습식부직포에서 바인더(결합제)의 역할을 한다.

메타-아라미드 플록 및 파라-아라미드 플록은 섬유섬도 1.5~2.0데니아, 길이 6~7㎜인 것이 바람직한데, 상기 메타-아라미드 플록 및 파라-아라미드 플록은 길로틴 커팅기로 필라멘트를 일정하게 절단하여 제조한 것을 사용하는데, 본 아라미드 습식부직포에서 강도 보강재의 역할을 한다.

보강재인 플록의 섬유장이 6㎜를 초과하는 긴 섬유의 경우에는 섬유끼리 뭉침현상이 발생하여 초지의 지합이 불량하였고, 섬유장이 짧을수록 탈수성은 낮아지는 문제점이 있다. 플록의 섬유장이 6~7㎜인 것이 습식부직포의 여수도, 강도 및 지합이 우수하여 바람직하다.

파라-아라미드 피브릴은 섬유길이 0.5~2.0㎜, 직경 10~20㎛, 여수도 300~400㎖인 것이 바람직한데, 상기 파라-아라미드 피브릴은 파라-아라미드 필라멘트를 고성능섬유 리파이너(Refiner)로 분쇄하여 제조한 것을 사용하는데, 본 아라미드 습식부직포에서 강도보강과 함께 바인더 역할을 한다. 섬유장이 0.5㎜보다 짧은 경우 일부 Wire Pick-up시 문제가 일부 발생하고 습윤 강도가 약해 습지가 쉽게 찢어지는 문제점이 발생할 수 있으며, 겉보기 밀도가 증가하는 경향을 보였으나, 원지 상태에서는 Fibril간 결합력이 매우 약하여, 인장강도 및 인열강도 등이 불량하다.

본 발명의 허니컴용 아라미드 습식부직포의 제조방법은 다음과 같은 예를 들 수 있다. 우선, 메타-아라미드 피브리드 20~40중량%, 메타-아라미드 플록 20~30중량%, 파라-아라미드 플록 25~30중량%, 파라아라미드 피브릴 15~20중량%를 혼합하여 pH 10~11인 물에 분산시켜 상기 아라미드 섬유가 전체 분산액의 0.001~5 중량%(의 농도로 존재하도록 교반하여 펄프슬러리를 준비한다. 상기 펄프슬러리의 조성비에 의해 분산성, 여수도, 지합능, 물성이 우수하며, 최적의 수화조건을 제시한다. 펄프슬러리의 농도는 0.001~5 중량%인 것이 지합지수 및 인장강도가 우수하다.

파라아라미드 피브릴의 경우 해리성이 불량하고 해리 후 긴 섬유장에 의해 재응집되는 경향이 있어 이를 해결하기 위해 해리 시 분산액의 pH를 10~11로 조절한다. 수산화나트륨으로 pH를 상기와 같이 조절하여 해리를 실시한 후 염산으로 중화를 실시한다.

이후, 고해하는 과정을 거치는데, 지나치게 긴 섬유를 절단하거나 갈라주고 또한 섬유자체의 내면에 물이 들어가게 하거나 표면에 털이 일어나도록 하는 작업으로서 상기 구성섬유들을 소섬유화 함으로써 분산성을 향상시켜 피브릴끼리 뭉치지 않도록 한다. 고해에 따라 섬유장, 섬유폭은 감소하고, 미세분 함량은 감소한다.

상기 고해과정이 완료된 후 다공성 지지체상에 상기 펄프분산액을 공급하고 건조시켜 초지시킨다. 초지는 장망식 초지기(Fourdrinier Machine) 또는 환망식 초지기(Cylinder Mould Machine)를 이용하여 수중에서 웹을 형성시킬 수 있으며, 상기 펄프분산액내의 섬유가 와이어부(Wire Part)의 네트(Net)에 적층되어 웹을 형성하고 물은 네트하부에 설치된 감압 탈수부를 통해 배출되어 웹이 형성된다. 환망식 초지기는 하나의 실린더형 드럼이 물에 분산되어 있는 섬유용액 내부에 침적되어 회전하며, 양쪽 펌프를 통해 섬유는 스크린 표면에 잔류하여 층을 형성되는 방식이다. 장망식 초지기는 가장 일반적인 형태로 벨트 상단부에 원통형이 있고 그 상부에는 탄성 로울러를 올려 슬러리를 압축한다. 하부 벨트에 웹을 적층하여 프레스 롤러로 압축하며 건조되어 웹을 형성하는 방식이다.

이후 속도 1~5m/min, 온도 270~320℃, 압력 200~250kg/cm2로 캘린더링하여 피브릴간 상호 교락을 증가시켜 광택도를 향상시킨다. 캘린더링 전에는 부직포상의 기공이 불균일한 형상을 가지고 있었으나 캘린더링 후에는 약 0.65ㅅm로 비교적 균일하게 나타난다. 속도 1~5m/min, 압력 200~250kg/cm2에서 표면 평활성이 가장 우수하다.

그러므로 본 발명에 의하면 메타-아라미드 피브리드, 메타-아라미드 플록과 함께 강도향상을 위하여 파라-아라미드 피브릴, 파라-아라미드 플록을 혼합하여 기존 아라미드 습식부직포 대비 강도를 30%이상 향상하여 경량, 고압축강도용 구조재로 사용되는 허니콤코어로 적용이 가능하며, 캘린더링을 통한 부직포 결합력 향상으로 강도가 우수하고 기타 결합제가 필요하지 않아 난연성이 우수한 특성을 가지고 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1인 습식부직포의 표면의 SEM현미경사진이며,
도 2는 본 발명의 실시예 1인 습식부직포의 이면의 SEM현미경사진이며,
도 3은 본 발명의 실시예 1인 습식부직포의 단면의 SEM현미경사진이다.

다음의 실시예에서는 본 발명의 허니콤용 아라미드 습식부직포를 제조하는 비한정적인 예시를 하고 있다.

[실시예 1]

섬유폭 25~45㎛, 길이 0.7~1.3㎜인 메타-아라미드 피브리드 30중량%, 1.5~2.0데니아, 길이 6~7㎜인 메타-아라미드 플록 25중량%, 1.5~2.0데니아, 길이 6~7㎜인 파라-아라미드 플록 25중량%, 섬유길이 0.5~2.0㎜, 직경 10~20㎛, 여수도 300~400㎖인 파라아라미드 피브릴 20중량%를 혼합하여 pH 11인 물에 분산시켜 상기 아라미드 섬유가 전체 분산액의 0.01중량%의 농도로 존재하도록 교반하여 펄프슬러리를 준비하였다. pH는 수산화나트륨으로 조절하여 해리를 실시한 후 염산으로 중화를 실시하였다. 이후, 여수도 300~400㎖로 고해하는 과정을 반복적으로 거친 후 장망식 초지기(Fourdrinier Machine)에 공급하여 초지시킨 후 속도 1m/min, 온도 280℃, 압력 200kg/cm2로 캘린더링하여 습식부직포를 제조하였다. 제조된 부직포의 물성은 아래 표 1과 같다.

구분		단위	실시예 1	시험규격
평량		g/㎡	41.8	ASTM D646
두께		㎜	0.063	ASTM D374
겉보기밀도		g/㎤	0.67	계산값
압축강도		psi	308~657	ASTM C365
전단강도		psi	60	ASTM D2344
인장강도	MD	N/cm	42.5	ASTM D828
인장강도	CD	N/cm	19.4
신장률	MD	%	7.5
신장률	CD	%	5.0
인열강도	MD	N	0.70	TAPPI T414
인열강도	CD	N	1.63	TAPPI T414
300 고온수축율	MD	N	2.8	자체방법
300 고온수축율	CD	N	2.7	자체방법

Claims

메타-아라미드 피브리드 20~40중량%, 메타-아라미드 플록 20~30중량%, 파라-아라미드 플록 25~30중량%, 파라-아라미드 피브릴 15~20중량%를 함유하는 아라미드 섬유로 이루어지고 결합제가 없는 것을 특징으로 하는 허니콤용 아라미드 습식부직포.
제 1항에 있어서,
상기 메타-아라미드 피브리드는 섬유폭 25~45㎛, 길이 0.7~1.3㎜이고, 메타-아라미드 플록 및 파라-아라미드 플록은 섬유섬도 1.5~2.0데니아, 길이 6~7㎜이고, 파라-아라미드 피브릴은 섬유길이 0.5~2.0㎜, 직경 10~20㎛, 여수도 300~400㎖인 것을 특징으로 하는 허니컴용 아라미드 습식부직포.
메타-아라미드 피브리드 20~40중량%, 메타-아라미드 플록 20~30중량%, 파라-아라미드 플록 25~30중량%, 파라아라미드 피브릴 15~20중량%를 혼합하여 pH 10~11인 물에 분산시켜 상기 아라미드 섬유가 전체 분산액의 0.001~5 중량%의 농도로 존재하도록 교반한 후, 고해하고 다공성 지지체상에 상기 분산액을 공급하고 건조시켜 초지시킨 후 속도 1~5m/min, 온도 270~320℃, 압력 200~250kg/cm2로 캘린더링하여 아라미드 습식부직포를 형성하는 것을 특징으로 하는 허니콤용 아라미드 습식부직포의 제조방법.