[논문]SiC/p-Aramid 복합방적사 제조기술 연구

김북성; 유희준

doi:10.5764/tcf.2021.33.4.309

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the rigid nature of the silicon carbide fiber(SiC), fiber damage occurs from the friction during the carding process. This damage not only lowers the spun yarn yield, but also lowers the heat resistance of the spun yarn, so that ultra-high heat resistant yarn cannot be manufactured. Therefore...

Due to the rigid nature of the silicon carbide fiber(SiC), fiber damage occurs from the friction during the carding process. This damage not only lowers the spun yarn yield, but also lowers the heat resistance of the spun yarn, so that ultra-high heat resistant yarn cannot be manufactured. Therefore, in the carding process where the most friction between fiber and machine(wire, etc.) occurs, some factors were modified and tested, and as a result of measuring the change in physical properties, fiber damage decreased due to the wire angle or wire density, resulting in improved yield. The test method used to measure the yield of SiC fiber was the carbonization method, and the content of SiC fibers was calculated using the remaining amount after carbonization. Carbonization test was performed at air condition, 700℃, and for 2 hours. Analysis by SEM-EDX showed that the carbide was consistent with the composition of the SiC fiber.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Figure 1. SEM image of SiC fiber.
그림 Figure 2. Tensile strength of SiC fiber.
표 Table 1. Carding test condition
그림 Figure 3. Breaked fiber length distribution of Test 1.
그림 Figure 4. Breaked fiber length distribution of Test 2.
그림 Figure 5. Breaked fiber length distribution of Test 3.
그림 Figure 6. Breaked fiber length distribution of Test 4.
그림 Figure 7. Microscope image of the spun yarn(Dark area is SiC fiber, Bright area is p-Aramid fiber).
그림 Figure 8. SEM image of the SiC fiber.
그림 Figure 9. SEM-EDX data of the SiC fiber.
표 Table 2. Spun yarn weight variation of before and after carbonization
표 Table 3. Properties of the spun yarn
그림 Figure 10. SEM image of the carbonized fiber.
그림 Figure 11. SEM-EDX data of the carbonized fiber.
표 Table 4. SEM-EDX data of the SiC fiber and carbonized spun yarn

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이같은 문제점들을 극복하기 위해 본 연구에서는 1000 ℃ 이상에서도 형태를 유지하는 초고내열 무기섬유인 SiC 섬유, 그리고 고내열 유기섬유인 파라 아라미드 섬유를 복합하여 유무기 복합방적사로 제조함으로써 내열성과 유연성을 동시에 만족할 수 있는 소방복용 원사를 개발하고자 연구를 진행했다. 유무기 복합방적사를 제조하는 첫 번째 연구로써, 제조 과정에서 가장 중요한 공정인 카딩 공정과 카딩 수율, 그리고 물성과의 관계에 대해 연구하였다.
이같은 문제점들을 극복하기 위해 본 연구에서는 1000 ℃ 이상에서도 형태를 유지하는 초고내열 무기섬유인 SiC 섬유, 그리고 고내열 유기섬유인 파라 아라미드 섬유를 복합하여 유무기 복합방적사로 제조함으로써 내열성과 유연성을 동시에 만족할 수 있는 소방복용 원사를 개발하고자 연구를 진행했다. 유무기 복합방적사를 제조하는 첫 번째 연구로써, 제조 과정에서 가장 중요한 공정인 카딩 공정과 카딩 수율, 그리고 물성과의 관계에 대해 연구하였다.

제안 방법

방적사는 원료 믹싱 공정을 거쳐, 카딩, 연조, 링 정방, 와인딩 등의 공정을 거쳐 제조했고, 가장 중요한 카딩 공정에서 침포 밀도와 침포 각 등을 바꾸어 테스트를 진행하였다. 투입한 원료의 배합비는 파라 아라미드 섬유 80 wt%, SiC 섬유 20 wt%로 고정하여 믹싱 공정에 투입하였다.
본 연구에서는 초고내열성의 세라믹 섬유인 SiC 섬유와 유기섬유인 파라 아라미드 섬유를 혼합 방적하는 기술을 연구하였으며, 그 중에서도 SiC 섬유의 손상이 가장 많이 발생하는 카딩 공정에서 공정요소를 달리하여 제조한 복합방적사의 물성 변화를 분석하였다.

대상 데이터

SiC 섬유는 폴리카보실란(poly carbosilane, PCS)을 용융방사한 후 탄화시켜 얻은 것으로써 평균 직경은 약 14.14 ㎛이며 인장강도는 약 2.32 ± 23 GPa, 섬유장은 60 ~ 70 mm 정도인 실을 사용했다
SiC 섬유는 한국세라믹기술원으로부터 공급받아 실험에 사용하였다. SiC 섬유는 폴리카보실란(poly carbosilane, PCS)을 용융방사한 후 탄화시켜 얻은 것으로써 평균 직경은 약 14.
파라 아라미드 섬유는 국내기업인 ㈜효성에서 제조한 섬유를 사용했는데, 평균 섬도가 1.5 데니어이며, 섬유장이 약 50 mm인 섬유를 사용하였다.

데이터처리

SiC 섬유 함량은 복합방적사를 공기 조건 하에 700 ℃에서 2시간 동안 전기로(지르코니아 도가니)에서 탄화시킨 후 남은 섬유의 중량을 재어 탄화 전후의 중량 변화를 통해 측정하였다. 또한, 잔량의 섬유가 SiC 섬유가 맞는지 확인하기 위해 주사전자현미경-에너지분산형엑스선분광기(scanning electron microscope/energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM-EDX)로 성분검사를 진행하였다. 파라 아라미드 섬유의 경우, 해당 조건에서 탄화실험시 잔존 중량이 0.

이론/모형

인장강도는 국내 표준 규격인 KS K ISO 2062법을 준수하여 정속인장식(CRE) 시험기를 이용한 단사의 절단 강도와 신도를 측정했고, 굵기가 일정하지 않으므로 굵기를 고려한 비강도로 시료별 강도를 비교분석하였다. 사용된 단위는 인장강도(cN)를 항장식 섬도(tex)로 나눈 cN/tex로 표기하였다.
SiC 섬유의 함량을 측정하는 방법으로는 700 ℃의 전기로에 방적사를 넣고 2시간 동안 탄화시킨 후 남은 탄화물의 중량차이를 통해 측정하였으며, 탄화물이 SiC 섬유가 맞는지 확인하기 위해 SEM-EDX 분석을 진행하였다.

성능/효과

SiC 섬유는 카딩과정에서 침포와의 마찰에 의해 절단되어 공정 밖으로 이탈되는데, 대부분의 이탈된 섬유들은 1 ~ 2mm 정도의 섬유장을 갖고 있었다. SiC 섬유가 침포와 마찰되면서 부러지더라도 2 mm 이상의 섬유장을 유지하고 있다면 이탈되지 않고 복합방적사로 제조되는 경향을 보였다.
2. 카딩 공정에서 침포각이 72도일 때보다 75도 일 때 섬유와의 공정 마찰력이 더 강하게 작용하며, 그에 따른 SiC 섬유의 손상 정도가 증가되었다. 또한 침포 밀도 역시 1 inch 당 16개의 공정보다 18개의 공정에서 더 많은 섬유 손상을 유발하는 것을 확인하였다.
카딩 공정에서 침포각이 72도일 때보다 75도 일 때 섬유와의 공정 마찰력이 더 강하게 작용하며, 그에 따른 SiC 섬유의 손상 정도가 증가되었다. 또한 침포 밀도 역시 1 inch 당 16개의 공정보다 18개의 공정에서 더 많은 섬유 손상을 유발하는 것을 확인하였다.
3. SiC 섬유의 경우 파라 아라미드 섬유와의 복합방적사 제조 시 방적 수율이 최소 31.46 %, 최대 47.19 % 정도인 것을 확인하였고, SiC 섬유의 함량은 탄화법과 SEM-EDX 분석을 통해 확인할 수 있었다.
본 연구에 활용한 SiC 섬유 복합방적사 시료가 4종이기 때문에 현상을 정확히 설명하기엔 다소 부족할 수 있다. 현재 전략 물자인 SiC 섬유를 구하기가 쉽지 않기 때문에 다양한 시험을 위한 충분한 양의 시료를 제조할 수 없었다.
현재 전략 물자인 SiC 섬유를 구하기가 쉽지 않기 때문에 다양한 시험을 위한 충분한 양의 시료를 제조할 수 없었다. 하지만 세라믹 섬유를 보다 넓은 방향으로 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다는 것에 의의를 둘 수 있다.
1-4). 또한, SiC 섬유는 고온에서 우수한 내열성, 내화학성, 내부식성, 고온 강도, 파괴인성, 내방사선 등의 특성을 지니고 있어 극한 환경용 가스 터빈 부품, 로켓 노즐, 스크램 젯, 차세대 원자로 로심 소재 등으로 적용되고 있다^5-9).
2.2 방적사 제조 공정
2.3 섬유장 분석
1. SiC 섬유는 카딩과정에서 침포와의 마찰에 의해 절단되어 공정 밖으로 이탈되는데, 대부분의 이탈된 섬유들은 1 ~ 2mm 정도의 섬유장을 갖고 있었다. SiC 섬유가 침포와 마찰되면서 부러지더라도 2 mm 이상의 섬유장을 유지하고 있다면 이탈되지 않고 복합방적사로 제조되는 경향을 보였다.

후속연구

방적 공정에서 섬유의 손상에 가장 큰 영향을 주는 공정은 바로 카딩 공정이기 때문에 카딩 공정에서 공정조건에 따라 섬유의 손상 정도가 어떻게 변화하는지에 대한 분석이 필요하다. 이는 섬유의 방적 수율을 최적화하는데 필요한 공정조건을 도출하는 과정이다.
본 연구에 활용한 SiC 섬유 복합방적사 시료가 4종이기 때문에 현상을 정확히 설명하기엔 다소 부족할 수 있다. 현재 전략 물자인 SiC 섬유를 구하기가 쉽지 않기 때문에 다양한 시험을 위한 충분한 양의 시료를 제조할 수 없었다. 하지만 세라믹 섬유를 보다 넓은 방향으로 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다는 것에 의의를 둘 수 있다.

참고문헌 (14)

S. H. Lee and H. D. Kim, The State of the Arts of Ultra-High Temperature Ceramic Matrix Composite Technology, State of the Art Report, 21, 30(2010).
D. H. Riu, D. G. Shin, E. B. Park, K. Y. Cho, and S. H. Huh, Trends in the Development of SiC Fiber for the Aerospace, Ceramist, 12, 712(2010).
T. Ishikawa, Advances in Inorganic Fibers, Adv. Polym. Sci., 178, 1094(2005).
R. H. Jones, L. Giancarli, A. Hasegawa, Y. Katoh, A. Kohyama, B. Riccardi, and W. J. Weber, Promise and Challenges of SiC/SiC Composites for Fusion Energy Applications, J. Nucl. Mater, 307, 1057(2002).

상세보기
S. N. Perevislov, M. V. Tomkovich, A. S. Lysenkov, and M. G. Frolova, Preparation and Properties of Reinforced Engineering Materials, Refract. Ind. Ceram, 59(5), 534(2019).

상세보기
L. Porte and A. Sartre, Evidence for a Silicon Oxycarbide Phase in the Nicalon Silicon Carbide Fibre, J. Mater. Sci., 24(1), 271(1989).

상세보기
E. I. Istomina, P. V. Istomin, A. V. Nadutkin, Y. F. Kargin, and A. S. Lysenkov, Preparation of a SiC Fiber Textile Material, Inorg. Mater, 54(8), 787(2018).

상세보기
R. R. Naslain, SiC-matrix Composites Nonbrittle Ceramics for Thermo-structural Appplication, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2(2), 75(2005).

상세보기
F. Christin, Design, Fabrication, and Application of Thermostructural Composites(TSC) like C/C, C/SiC, and SiC/SiC Composites, Adv. Eng. Mater, 4(12), 903(2002).

상세보기
Global Industry Analysits, INC., "Fire Resistant Fabrics; Market Analysis, Trends, and Forecasts", Global Industry Analysits, INC., San Jose(CA), p.17, 2019.
D. H. Baik and M. H. Lee, Ultra High Performance PBO Fiber, Fiber Technology and Industry, 11(4), 281(2007).
https://www.pbi-int.com/about-pbi, 2021.12.06.
A. Behera, S. Patel, and M. Priyadarshini, "Fiber-Reinforced Nanocomposites: Fundamentals and Applications", Micro and Nano Technologies, Amsterdam, pp.147-156, 2020.
H. G. You, Studies on Waste Amount in the Process of Carding, J. of Korean Society of Textile Engineers and Chemists, 10, 10(1973).

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] SiC/p-Aramid 복합방적사 제조기술 연구
Research of the Composite Spun Yarn Manufacturing Process using Silicon Carbide and Para Aramid Fiber 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (15)

표/그림 (15)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

2.2 방적사 제조 공정

2.3 섬유장 분석

후속연구

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] SiC/p-Aramid 복합방적사 제조기술 연구 Research of the Composite Spun Yarn Manufacturing Process using Silicon Carbide and Para Aramid Fiber 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

표/그림 (15) 모든 표/그림 보기

표/그림 (15) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

2.2 방적사 제조 공정

2.3 섬유장 분석

후속연구

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김북성 (1)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] SiC/p-Aramid 복합방적사 제조기술 연구
Research of the Composite Spun Yarn Manufacturing Process using Silicon Carbide and Para Aramid Fiber 원문보기

표/그림 (15)

표/그림 (15)

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문