Carbon Fiber - 탄화섬유

많은 제품들이 강도를 높이고 에너지를 절약하고자 함에 따라 경량화를 추구하는데 여기에 사용되는 복합소재 중 최고의 소재가 카본섬유로 날로 그 용도와 사용범위가 넓어지고 있는데 카본섬유의 이해는 소재분자의 필수이다. 카본섬유에 대해 이해하다 보면 자연스레 그 중간단계인 Oxydixed PAN fiber(탄화섬유)를 만나게 된다.

우선 카본섬유(PAN계 카본)의 제조과정을 알아보면 다음과 같다

1. Precursor(Pan) : 카본섬유를 만들기 위한 전 단계 제품으로 PAN, Rayon, Pitch등이 있는데 현재로는 품질/기술 등으로 PAN(polyacrylonitrile) precursor를 가장 많이 사용한다.

2. Oxidation(stabilizing) : Pan precursor를 공기 중에서 20-120분 동안 약 300℃에서 가열하면 공기 중 산소가 섬유에 붙게 되고 섬유의 분자가 재배열되면서 타거나 녹지않는 LOI50 이상의 부드러운 검은색 섬유를 얻게 된다. 원래는 carbon 재조공정의 중간생간물이었지만 그 특성이 독특하여 상품화되어 주로 용접포, 단열재, 소방용접복 원료로 사용된다.

탄화섬유=Oxidised PAN

카본화 온도	to 1000	1000 - 1500	1500 - 2000	2000 + (Graphitisation)
카본섬유 등급	Low Modulus	Standard Modulus	Intermediate Modulus	High Modulus
Modulus of Elasticity (GPa)	to 200	200 - 250	250 - 325	325 +

3. Carbonisation(Graphitisation) : 불활성 가스 속에서 1000~3000℃ 가열하면 섬유에 있는 대부분의 비카본 성분은 날아가고 카본만 남아 카본섬유를 형성하게 된다. 가열 온도에따라 카본섬유의 카본함량 및 제품 grade가 결정된다.

흔히 그라파이트 섬유라는 것은 Ultrahigh modulus carbon이라고 보면 된다. 카본함량이 거의 100%에 가깝고 이전과는 다른 분자구조를 보인다.

4. Surface treatment : 카본표면에 화학적 접착력을 만들어주기 위해 약간 산화시키고 표면을 조금 거칠게 만듬.

5. Sizing : 이후 섬유 가공과정에서 섬유를 보호하거나 복합재 레진점착력을 증대 시키는 목적으로 epoxy, pe, pu, nylon등으로 처리 함.

Carbon fiber yarn : 흔히 필라멘트 수로 표기하는데 1K, 2K, 3K, 10K등으로 K는 1000을  뜻한다.

Carbon fiber 직물 : 카본섬유의 주 용도인 경량 고강도화 하는 것으로 직물 그대로 보다는 Prefreg처리 되어 많이 사용된다.

Oxidized PAN(탄화섬유): 카본섬유제조 공정의 중간단계의 제품을 상품화한 것으로 타거나 녹지 않고(다만 고온에 노출시 탄화가 더 진행되어 부서진다) LOI 50정도이며 부드러워 다양한 내열 단열 용도로 많이 사용된다. 너무 부드럽고 약하여 100% 탄화섬유 실을 만드는 데는 어려움이 있다. 그보다는 부직포형태로 사용하거나 다른 고성능섬유(아라미드, PBO, 노멕스, 금속섬유 등)와 혼합하여 고성능섬유의 내열성 단열성 제직성을 높혀줄 뿐 아니라 원가절감도 이룰 수 있게 한다.  조선중공업 등에서 용접불꽃방지포로 다량의 탄화섬유 부직포가 사용된다. 저가의 제품의 경우 태울 경우 불이 붙기도 하고 연기가 나고 수축이 일어나는 등 품질 문제를 유발하기 때문에 제품 사용에 유의해야 한다. 카본섬유는 전기가 통하나 탄화섬유는 전기가 통하지 않는다.

탄화섬유 제품종류

부직포 : 1M폭 두께 3~5t , 보강직물층 유무 및 중량에 따라 가격 다름

조선소 등에 사용되는 용접불꽃 방지포의 경우 부직포면에 난연 코팅되어 있는 제품이 사용되기도 함. 난연 특성을 바탕으로 높은 안전이 보장되어야 하는 호텔용 침구류 안감으로도 사용됨. 직물보강층은 부직포의 인장강도를 높게 만듬.

직 물 : 다양한 형태의 직물이 불꽃방지, 안전복 내외피 등에 사용됨, 직물표면에 AL 필름, Silicone 코팅 타입.

탄화섬유+Aramid ; 탄화섬유의 탁월한 내열 난연성과 아라미드의 강도를 서로 보완하여 다양한 형태로 제품화하여 안전복 등에 많이 사용됨