KR100226888B1

KR100226888B1 - 핏치계활성 탄소섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR100226888B1
Application number: KR1019950032186A
Authority: KR
Inventors: 이종규; 김제영; 홍익표
Original assignee: 이구택; 포항종합제철주식회사; 신현준; 재단법인포항산업과학연구원
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1999-10-15
Also published as: KR970015809A

Abstract

본 발명은 활성탄과 같이 흡착제로 사용되는 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로, 활성탄소섬유의 제조시 탄소섬유를 수산화칼륨(KOH) 용액에 침적시킨후 적정온도 범위로 열처리 하므로서, 활성화 온도가 낮을 뿐만 아니라 수율 및 비표면적이 우수한 핏치계 활성탄소섬유를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 핏치계 활성타소섬유의 제조방법에 있어서, 핏치계 범용탄소섬유를 2-3몰의 농도범위로 유지되는 수산화 칼륨 용액에 4시간 이상 침적하고 건조시킨 다음, 이를 불활성 분위기에서 10-25℃/분의 승온속도 및 600-800℃의 온도범위로 열처리 하고 냉각후, 물로 세척 및 건조하는 것을 포함하여 이루어 지는 핏치계 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

핏치계 활성탄소섬유의 제조방법

본 발명은 활성탄과 같이 흡착제로 사용되는 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핏치계 탄소섬유를 원료로 하여 수율 및 비표면적이 우수한 핏치계 활성탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

활성탄소섬유는 활성탄과 같이 흡착제로 사용되며 그 형태는 섬유상이고 탄소섬유를 원료로 하여 제조된다.

활성탄소섬유는, 기공의 형성이 표면에서 부터 마크로기공, 메조기공, 미이크로기공의 순으로 표면에서부터 이루어지기 때문에 실제 흡착에 영향을 미치는 마이크로 기공 부분이 제한되어 있고 또한 흡착 및 탈착이 신속하게 이루어지는데 제한을 받는 활성탄에 비하여, 마이크로 기공이 표면에 직접 형성되어 있어 흡착 및 탈착의 속도가 매우 빠르며 또한 표면이 비표면적에 큰 영향을 미치는 마이크로 기공으로 형성되어 있어, 흡착능에 큰 영향을 미치는 비표면적이 매우 우수한 흡착제이다.

이러한 활성탄소섬유는 핏치계 탄소섬유, 페놀계 탄소섬유, 폴리아크로니트릴계 탄소섬유 및 셀룰로오즈계 탄소섬유와 같은 출발원료를 수증기 또는 이산화탄소로 활성화 시켜서 제조한다.

이때, 활성탄소섬유의 출발원료로서는, 범용 핏치계 탄소섬유가 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 특수한 목적을 갖는 경우를 제외 하고 흡착제로 사용될 때에는 핏치계 탄소섬유가 원료의 비용이 가장 저렴하기 때문이다.

활성탄소섬유는 상기와 같은 출발원료를 수증기나 이산화탄소를 이용하여 활성화시켜서 제조하는 것이 일반적인 방법이나, 이 경우 고온에서 활성화 시켜야 하는 문제점이 있고, 또한 온도가 낮은 경우에는 장시간의 활성화 시간이 요구되는 단점이 있다.

상기한 수증기나 이산화탄소를 이용한 활성탄소섬유의 제조시의 문제점을 해결하고자 종래 수많은 제안들이 행해졌으며, 그중 대표적으로 대한민국 특허공고 제91-6398호, 일본 특허 공개 공보 평 4-126826호 및 일본 특허 공보 소 60-25528호를 예로 들수 있다.

대한민국 특허공고 91-6398호는 안정화 처리되지 않은 탄소섬유를 질산증기 또는 질산증기와 수증기의 혼합가스로 안정화 하여 비표면적이 1900㎡/g인 활성 탄소섬유를 제조하는 방법으로서, 이 방법에서는 활성화 온도가 900℃이다. 그러나 이 온도는 수증기나 이산화 탄소를 이용하여 활성탄소섬유를 제조할 경우의 활성화 온도에 비하여 낮은 온도가 아니다.

일본특허 공개공보 평 4-12826호는 불용화 처리된 핏치계 탄소섬유를 1150-1550℃의 온도범위에서 탄화한 후 이를 750-1100℃의 온도범위에서 이산화탄소로 활성화시켜 핏치계 활성탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 방법에 경우에는 활성화 온도가 높고 또한 필요이상의 탄화온도를 적용하므로서 에너지 소모가 많은 단점이 있다.

일본특허 공개공보 소 60-25528호는 활성탄소섬유 제조에 있어서, 내염화제, 즉, 인산 염화암모늄, 염화아연 등을 사용하여 이를 암모니아 함유 가스 분위기에서 열처리하여 활성탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 일본 공개특허공보 평 4-12826호의 방법과는 출발원료가 다르고 또한 활성화 방법에 있어서도 화학적으로 다른 원리를 사용한 방법이다. 이 방법은 질소함량이 높은 활성탄소섬유를 제조하는 것을 그 목적으로 하나, 제조된 활성탄소섬유가 미세기공이 발달하지 못한 단점이 있다. 그리고 활성화 온도에 대한 기재는 특별히 찾아볼수 없으나 실시예에서, 850℃에서 장시간 작업한 것을 알 수 있으며, 이로부터 미루어 볼 때 이 발명에서도 활성화 온도가 높음을 알 수 있다.

이에, 본 발명지는 상기한 방법들에서의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 수율 및 비표면적이 우수한 핏치계 활성탄소섬유를 제조하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 활성탄소섬유의 제조시 탄소섬유를 수산화칼륨(KOH) 용액에 침적시킨후 적정온도 범위로 열처리 하므로서, 활성화 온도가 낮을 뿐만 아니라 수율 및 비표면적이 우수한 핏치계 활성탄소섬유를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 핏치계 활성탄소섬유의 제조방법에 있어서, 핏치계 범용탄소섬유를 2-3몰의 농도범위로 유지되는 수산화 칼륨 용액에 4시간 이상 침적하고 건조시킨 다음, 이를 불활성 분위기에서 10-25℃/분의 승온속도 및 600-800℃의 온도범위로 열처리하고 냉각후, 물로 세척 및 건조하는 것을 포함하여 이루어 지는 핏치계 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 핏치계 범용탄소섬유를 2몰 내지 3몰의 농도범위로 유지되는 수산화 칼륨 용액에 4시간 이상 침적하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

수산화칼륨 용액의 농도가 2몰 이하일 경우에는 탄소섬유를 장시간 침적해야 하므로 효과적이지 못하고, 3몰 이상일 경우에는 용액의 농도증가에 따른 효과가 없을 뿐만 아니라 용액 처리후 섬유의 강도가 급격히 약해져서 원형을 유지하기가 어렵기 때문에 수산화 칼륨 용액의 농도는 2 내지 3몰의 범위로 제한함이 바람직하다.

핏치계 탄소섬유의 침적시간이 4시간 이하일 경우에는 침적의 충분한 효과를 보기가 힘들기 때문에 침적시간은 4시간 이상으로 유지함이 바람직 하다.

이상과 같이 핏치계 탄소섬유의 침적시 침적용액으로 수산화 칼륨용액을 선택한 것은 소량의 수산화칼륨 용액에 의한 낮은 열처리 온도에서 우수한 흡착제를 제조할 수 있기 때문이다.

상기한 바와 같이, 탄소섬유의 침적후에는 불활성 분위기에서 승온속도를 분당 10 내지 25℃의 속도범위로 하고, 600 내지 800℃의 온도범위에서 열처리 한후 이를 물로 세척하고 건조하여 본 발명의 핏치계 활성탄소섬유를 제조함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

수산화칼륨 용액에 침적처리딘 탄소섬유의 열처리시 분위기는 불활성 분위기로 유지하는 것이 바람직한데, 그 이유는 섬유의 완전산화를 방지할 수 있기 때문이다.

열처리시 승온속도가 10℃이하일 경우에는 제조된 핏치계 활성탄소섬유의 비표면적이 5㎡/g 이하가 되어 흡착제로서의 충분한 흡착능을 발휘할 수 없는 문제점이 있으며, 분당 25℃ 이상일 경우에는 섬유가 산하로 인해 전부 소실될 우려가 있으므로, 승온속도는 분당 10-25℃ 범위로 유지함이 바람직하다.

열처리 온도가 600℃이하일 경우에는 활성탄소섬유의 제조가 어려운 문제점이 있으며, 800℃ 이상일 경우에는 섬유의 파괴가 일어나서 섬유상의 활성탄소섬유의 제조가 어려운 문제점이 있기 때문에, 상기 열처리 온도는 600-800℃의 온도범위로 제한함이 바람직하다.

상기와 같은 조건으로 열처리를 행한 후에는 섬유에 부착된 수산화 칼륨 성분을 완전히 제거하여 흡착제로서 응용할 때 영향을 주지 않게 하기 위해서 물로세척해 주는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

핏치계 탄소섬유를 2몰 농도의 수산화 칼륨 용액에 4시간 침적한 후, 승온속도는 분당 20℃로 하고 600℃에서 30분간 불활성 분위기에서 열처리한 후 물로 세척, 건조한 결과, 수율이 95%이며 비표면적이 160㎡/g인 활성탄소섬유를 제조할수 있었다.

[비교예 1]

상기 실시예 1의 핏치계 탄소섬유를 수증기 분위기에서 600℃에서 1시간 열처리 한 결과 비표면적은 30㎡/g이었다.

[실시예 2]

핏치계 탄소섬유를 3몰농도의 수산화칼륨 용액에 4시간 동안 침적한 후 분당 10℃의 승온속도하에서 700℃에서 90분간 불활성 분위기로 열처리한 결과 수율이 70%이며 비표면적이 1180㎡/g인 활성탄소섬유를 제조할 수 있었다.

[실시예 3]

핏치계 탄소섬유를 3몰농도의 수산화칼륨 용액에 4시간 동안 침적한 후 분당 10℃의 승온속도하에서 700℃에서 30분간 불활성 분위기로 열처리한 결과 비표면적이 600²/g인 활성탄소섬유를 제조할 수 있었다.

[비교예 2]

핏치계 탄소섬유를 수증기로 700℃에서 2시간 활성화 시킨 결과, 비표면적이 180m²/g인 활성탄소섬유를 제조할 수 있었다.

[실시예 4]

핏치계 탄소섬유를 3몰농도의 수산화칼륨 용액에 4시간 동안 침적한 후 분당25℃의 승온속도하에서 800℃에서 60분간 불활성 분위기로 열처리한 결과 비표면적이 1540m²/g인 활성탄소섬유를 제조할 수 있었다.

[비교예 3]

핏치계 탄소섬유를 수증기로 800℃에서 90분간 활성화시켜 활성탄소섬유를 제조한 결과, 비표면적이 800m²/g인 활성탄소섬유를 제조할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 핏치계 범용탄소섬유를 원료로 하여 수산화 칼륨 용액에 침적시킨후 이를 불활성 분위기에서 열처리 하여 활성탄소섬유를 제조하므로서, 종래의 수증기 부활법에 의해 제조된 활성탄소섬유보다 낮은 활성화 온도에서 비표면적이 큰 활성탄소섬유를 제조할수 있을 뿐만 아니라 활성탄소섬유의 수율 또한 향상시킬수 있는 효과가 있어 에너지 절감효과 및 제품의 품질향상에 기여할 수 있다.

Claims

활성탄소섬유의 제조방법에 있어서, 핏치계 범용탄소섬유를 2-3몰의 농도범위로 유지되는 수산하 칼륨 용액에 4시간 이상 침적하고 건조시킨 다음, 이를 불활성분위기에서 10-25℃/분의 승온속도 및 600-800℃의 온도범위로 열처리 하고 냉각후, 물로 세척 및 건조하는 것을 포함하여 이루어 짐을 특징으로 하는 핏치계 활성탄소섬유의 제조방법.