KR100770656B1

KR100770656B1 - 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법

Info

Publication number: KR100770656B1
Application number: KR1020060097815A
Authority: KR
Inventors: 김찬; 송용설; 윤우연; 양성철; 조윤진; 이병선
Original assignee: (주) 아모센스
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2007-10-29
Also published as: KR20070100088A

Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 탄소섬유 전구체 물질인 PAN, 피치(pitch) 등을 적당한 용매(DMAc, DMF, THF)에 용해하여 평균직경 200 - 1000nm의 나노섬유를 전기방사한 후 연속로를 통하여 시작온도, 종료온도, 승온속도, 공기유량, 유지시간 등의 변수를 변화시켜 최단시간에 나노섬유를 최적으로 균일하게 산화 안정화시키거나, 레이온계 부직포를 컨베이어 벨트를 통해 안정화로로 이송하여 시작온도, 종료온도, 승온속도, 공기유량, 유지시간, 열풍 방향의 조건을 최적화하여 산화 안정화시켜 물성이 균일한 탄소 나노섬유 또는 탄소화된 부직포를 제조할 수 있다.

전기방사, 나노섬유, 산화안정화, 불융화 섬유, 폴리아크릴로나이트릴 섬유, 피치섬유, 레이온계 부직포.

Description

탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법{Oxidative stabilization method of nanofibers and fabric for manufacturing carbon fibers}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화안정화 로의 전체적인 개념도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화안정화 로의 측면 모형도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인가전압에 따라 제조된 PAN계 나노섬유의 주사전자 현미경 사진((a) 25kV, (b) 30kV, (c) 35kV).

도 4는 본 발명의 비교예에 따라 습식방사방식에 의해 제조된 PAN계 섬유의 주사전자 현미경 사진.

도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 PAN나노섬유 및 습식 방사된 PAN 섬유의 안정화 조건에 따른 주사전자 현미경 사진((a),(b),(c) 전기방사 각각 시작온도 170℃, 190℃, 210℃, (d),(e),(f) 습식방사 시작온도 170℃ 190℃, 210℃, (g) 전기방사 시작온도 170, 승온속도 5℃/분).

도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 (a) 피치계 나노섬유 및 (b) 용융분사 방사 방식에 의해 제조된 피치계 섬유의 주사전자 현미경 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 발열체 및 단열블럭 5: 구동모터

2: 온도계 6: 발열체 및 단열블럭

3: 가스포집장치 7: 컨베이어벨트

4: 공기공급라인 8: 나노섬유 웹(부직포)

9: 산화안정화 로

본 발명은 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기방사에 의해 제조된 나노섬유 또는 부직포를 가장 효과적이면서 최단시간에 안정화 공정을 마무리하여 후속하는 탄소화, 흑연화, 또는 활성화 공정 후 최적의 탄화수율을 갖도록 하는 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법에 관한 것이다.

일반적인 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유 전구체인 폴리아크릴로 나이트릴 (polyacrylonitrile, PAN), 피치(pitch, 등방성 또는 이방성), 페놀(phenol)-수지 등을 열용융시켜 용융방사(melt spinning) 하거나 용매에 용해시켜 용액방사(solution spinning, dry, wet, dry/wet spinning)하여 탄소섬유 전구체 유기섬유를 얻는다. 이와 같은 방법으로 얻어진 섬유를 공기분위기하에서 열처리하면서 표면산화반응 시켜 섬유간 융착 내지는 열용융을 방지하여 진공 내지는 불활성 분위기에서 탄소화, 흑연화 또는 활성화하여 탄소섬유(흑연섬유 포함) 또는 활성탄소섬유를 얻는다.

탄소섬유(흑연섬유)나 활성탄소섬유의 물성과 탄화수율은 출발 물질(전구물질)의 화학적 구조, 방사방법, 산화안정화, 탄소화, 활성화 공정 등의 각 조건에 의해서 크게 영향을 받는다. 산화안정화 공정은 열가소성 섬유를 열경화성 섬유로 변환시켜 후속하는 고온 탄소화(흑연화), 활성화 공정에서 섬유의 융착 및 열 용융을 방지하기 위해 섬유를 표면으로부터 산화 처리하는 과정이다.

산화안정화 공정을 행하지 않고 직접 탄소화나 활성화를 하면 개환 및 탈수소 등의 발열반응이 급격하게 진행되어 탄화되기보다는 연소된다. 산화안정화 과정은 출발물질의 구성 분자의 산소가교, 탈수소, 산화에 의한 고분자화 또는 강한 수소결합을 형성하여 후속하는 고온 탄소화나 활성화 공정에 있어서 휘발분을 감소시켜 고상 탄소화 반응이 되며 따라서 섬유의 치수 및 구조가 탄소화 과정에서도 유지된다. 일반적으로 산화안정화는 유기섬유의 유리전이온도(Tg) 또는 피치의 경우 연화점 부근의 비교적 저온에서 공기(air), 오존(O₃), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO₂) 등의 산화성 가스를 이용하며, 반응속도가 늦어 지체시간이 크게 되기 때문에 생산의 율속단계라 하는데, 상기 과정이 탄소섬유나 활성탄소섬유의 가격, 품질, 생산성에 크게 영향을 미치는 인자이다. 이러한 안정화 과정은 발열반응으로 개략적으로 다음 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

용융방사 및 용액 방사된 유기섬유의 경우, 산화안정화 조건과 최종 탄소섬유의 특성 및 구조와의 관계에 대해서는 많은 연구가 행해져 왔으며, 안정화 조건에 따른 최종 탄소섬유의 모폴러지 제어도 가능하게 되었다. 즉, 나프탈렌(naphthalene)에서 유도된 메조페이스 피치(mesophase pitch, NMP)로부터 제조된 피치섬유의 섬유경이 30∼40㎛로 큰 경우, 안정화 조건에 의해 섬유표면에서 안정화되어 탄화시 용융되지 않지만 섬유중심에서는 용융되어 중공사가 형성되는 것이 알려져 있고, 섬유직경이 30㎛ 이하의 경우 표피와 내부구조가 상이한 2중 구조가 생성되는 것이 알려져 있다.

또한 NMP로부터 용융분사방사(melt-blown spinning)하여 제조된 평균직경 10㎛의 피치섬유를 산화안정화 할 때 승온속도를 조절하여 섬유의 단면구조를 라디알(radial) 및 라디알-랜덤(radial-random), 스킨코어(skin-core) 등으로 제어하는 것도 알려진 바 있다.

일반적인 고강력, 고탄성 탄소섬유 제조시 산화안정화 방법으로는 안정화시 장력(tension)을 인가하여 분자구조가 일축방향으로 배열하도록 하여 실시하나, 용융분사방사(melt-blown spinning)나 전기방사(electrospinning) 등 연속적인 필라멘트사를 제조할 수 없는 단섬유 상태의 안정화시에는 상기 식(1)에 의해 발열반응을 동반함으로 온도구배가 발생할 경우 부분적인 섬유간 융착 및 용융이 생겨 탄소섬유를 제조하기 곤란한 단점이 있다.

미국특허 제 4,031188호의 경우, 안정화 속도를 증가시키기 위해 황산, 산화질소(NOx) 등의 산화성 가스를 사용하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 공기를 사용한 경우에 비해 안정화 속도를 증가시키는 효과는 있으나 황산, 산화질소 등 화학적 약품을 사용하므로 로의 부식을 초래하거나 작업환경을 현저히 악화시키는 결과를 가져와 실질적인 방법으로는 사용하는데 제약이 있다.

한국특허 제 2002-0058372의 경우, 습식 방사된 PAN 섬유를 안정화하는데 있어 공기, 질소 또는 이들의 혼합가스를 외부에서 가열, 공급하면서 열풍을 3단계에 걸처 공급하여 물성이 균일한 PAN 섬유를 안정화하는 방법을 제공하고 있다. 그러나 상기와 같은 방법도 외부가스 공급 및 가열라인 등 부수적인 공정설비가 들어가 실질적으로 사용하는데 한계가 있는 것으로 사료된다. 특히 습식 방사된 PAN 섬유의 경우 섬유직경이 10㎛ 내외이므로 표면 및 내부를 균일하게 안정화하는 데는 장시간의 시간이 소요될 것으로 사료된다.

따라서 전기 방사된 나노섬유 또는 레이온계 부직포의 안정화 공정시 최단시간에 공기만을 사용하여 최적조건(공기유량, 승온속도, 시작온도 및 종료온도, 유지시간)으로 탄소섬유, 부직포 섬유 및 활성탄소섬유를 제조할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 방사된 나노섬유 또는 부직포의 안정화 공정시 최단시간에 공기만을 사용하여 최적조건(공기유량, 승온속도, 시작온도 및 종료온도, 유지시간)에 의해 탄소섬유, 부직포 섬유 및 활성탄소섬유를 제조할 수 있는 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 전기 방사된 나노섬유를 탄소섬유, 활성 탄소섬유 및 부직포섬유화 하는데 있어 최단 시간내 최적의 조건으로 산화 안정화하여 탄소수율 및 물성이 우수한 탄소섬유 제조용 나노섬유 및 부직포의 산화 안정화 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 탄소섬유 제조용 나노섬유의 산화 안정화 방법은 탄소섬유 전구체 물질인 PAN, Cellulose, Phenol, pitch 중에서 단수 또는 복수의 물질을 용해할 수 있는 DMAc, DMF, THF 용매 중에서 어느 하나에 용해하여 섬유가 형성될 수 있는 농도로 만들어 방사용액을 제조하는 단계와; 상기 방사용액에 고전압을 가해 전기 방사하여 탄소섬유 전구체 나노섬유를 얻는 단계와; 상기 전기 방사된 나노섬유는 컨베이어 벨트를 통해 안정화로로 이송하여 시작온도를 150℃ 내지 230℃로 하고, 종료온도를 240℃ 내지 300℃로 하며, 승온속도를 분당 1℃ 내지 5℃로 하고, 공기유량을 분당 1 내지 10ℓ로 하며, 유지시간을 10 내지 120분으로 하고, 상향방식의 열풍의 방향의 조건으로 하여 산화 안정화하는 단계와; 상기 산화 안정화한 후 탄소화, 활성화 또는 흑연화하여 탄소나노섬유, 활성탄소 나노섬유를 제조하는 단계; 를 포함함을 특징으로 한다.

또한 탄소섬유 제조용 부직포의 산화 안정화 방법은 전기방사에 의해 제조된 레이온계 섬유로 만들어진 부직포를 컨베이어 벨트를 통해 안정화로로 이송하여 시작온도를 300℃로 하고, 종료온도를 400℃로 하며, 승온속도를 분당 1℃ 내지 5℃로 하고, 공기유량을 분당 1 내지 10ℓ로 하며, 유지시간을 10 내지 120분으로 하고, 상향방식의 열풍의 방향의 조건으로 하여 산화 안정화하는 단계와; 상기 산화 안정화한 후 탄소화, 활성화 또는 흑연화하여 레이온계 탄소나노섬유로 구성된 부직포를 제조하는 단계; 를 포함함을 특징으로 한다.

삭제

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화안정화 로의 전체적인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화안정화 로의 측면 모형도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같은 장치를 이용하여 나노 섬유를 제조시 열풍의 순환 및 로의 승온속도, 시작온도, 종료온도, 공기유량, 유지시간 등의 공정변수를 조절할 수 있는 것이다. 또한 전기 방사되어 나온 섬유가 컨베이어벨트(7)를 통해 안정화 로(9)에 보내지면 상향식 열풍에 의해 섬유간 균일 안정화 할 수 있는 장치이다. 여기서 열풍의 방향을 상향식으로 한 것은 산화안정화로 내의 공기 온도를 대류현상을 일으켜 균일하게 만들기 위한 것이다. 안정화 공정시 발생되는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기 (H₂O), HCN, NH₃, CH₄ 등 저분자량 가스를 포집 산화시키는 장치(3)가 부착되어 환경적인 부하를 최소화하도록 구성하였다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

상기 탄소섬유 전구체 물질로는 PAN, Cellulose, Phenol, pitch 등을 사용할 수 있으며, 상기 전구체 물질을 용해할 수 있는 용매에 용해하여 섬유가 형성될 수 있는 농도로 만들어 방사용액을 제조한다. 방사용액은 상기 전구체 물질을 단독으로 사용할 수 있고, 이를 복합화하여 사용할 수도 있다. 다음으로 상기 방사용액에 고전압( ~ 100 kV)을 가해 전기 방사하여 탄소섬유 전구체 나노섬유를 얻는다. 이때 전기방사는 통상의 전기방사 장치를 사용하여 상온, 진공, 온도조절 등의 환경에서 방사를 실시할 수 있다. 전기 방사시 인가전압, 용액의 토출속도, 방사노즐과 컬렉터간의 거리는 사용하는 방사용액의 상태에 따라 조절이 하여 실시한다. 전기 방사된 나노섬유는 컨베이어 벨트를 통해 안정화 로로 이송하여 산화안정화하고 이를 다시 탄소화, 활성화 또는 흑연화하여 탄소나노섬유, 활성탄소 나노섬유를 제조한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

10-25 (wt.%) 중량부의 PAN을 N,N-디메칠포름아마이드(DMF) 또는 디메칠아세트 아마이드 (DMAc)에 용해하여 방사용액을 제조한다. 이때 사용된 PAN으로는 100% 호모폴리머(homopolymer) 또는 5-15%의 코폴리머(copolymer)를 사용할 수 있다. 코 폴리머의 조성으로는 메칠아크릴레이트(methylacrylate MA), 이타코닉엑시드(itaconic acid) 등을 사용할 수 있다. 제조된 방사용액은 인가전압이 60 kV, 컬렐터와 방사노즐과의 거리가 20-70 cm, 상온에서 전기 방사하여 평균직경 350 nm의 폴리아크릴로 나이트릴 나노섬유를 얻는다. 상기 전기 방사된 PAN 나노섬유의 전자 현미경 사진을 도 3에 나타냈다. 이때 얻어진 섬유의 두께는 컬렉터의 이송속도에 의해 조절이 가능하여 본 실시예에서는 평균 두께 300 ㎛의 나노섬유 웹을 가지고 실시하였다.

상기 실시예에서 얻어진 PAN 나노섬유와 비교를 하기 위해 도 4에 도시한 바와 같이, 습식 방사된 직경 20㎛의 PAN 섬유를 도 1의 열풍 전기로를 사용하여 시작온도, 150℃, 170℃, 190℃, 200℃, 210℃, 230℃ 까지 조절하면서 종료온도 280℃ 까지 분당 1℃씩 승온, 공기유량 10ℓ씩 공급하면서 안정화를 실시했다. 안정화 평가방법으로는 종료된 시료를 전자현미경(SEM)을 사용하여 섬유의 융착 및 용융상태를 확인하여 평가하는 방법과 불꽃연소실험을 통해 육안 관찰하여 평가를 실시했다. 도 5에는 분당 1℃의 승온속도, 10ℓ의 공기유량에 의해 시작온도별 전기 방사된 PAN 나노섬유와 비교하기위해 습식 방사된 PAN 섬유의 전자현미경 사진을 나타냈다. 도 5에 도시한 바와 같이, 전기 방사된 나노섬유의 경우 시작온도가 230℃부터 부분적인 용융 및 섬유간 융착이 일어남을 알 수 있으며, 평균직경 20㎛의 습식 방사된 PAN 섬유의 경우 전기 방사된 섬유에 비해 40℃ 낮은 온도인 190℃부터 섬유간 융착 및 부분적 용융이 일어남을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 시작온도가 너무 높은 경우 공기중 산소원자가 섬유표면에 확산반응하는데 있어 충분한 반응을 하지 못한 결과로 생각되며, 나노섬유의 경우 습식방사된 섬유에 비해 평균직경이 대략 100배 정도 작아 공기의 확산(dissusion)이 빨리 일어나 좀더 높은 온도에서도 반응이 균일하게 일어남을 시사하고 있다. 따라서 본 실시예에서는 전기 방사된 나노섬유의 안정화 조건으로 안정화 로의 승온속도가 분당 1℃일 경우, 시작온도는 150~230℃ 미만임을 알 수 있다.

실시예 2

승온속도, 공기유량의 영향을 평가하기위해 상기 실시예1에 의해 제조된 PAN계 나노섬유와 습식 방사된 PAN섬유를 실시예 1의 시작온도, 조건별 승온속도를 분당 1℃, 1.5℃, 2℃, 3℃, 5℃, 10℃씩 승온속도를 변화시키면서, 분당 공기유량, 1ℓ~10ℓ 간 변화시키면서 나노섬유의 산화안정화 거동을 평가하였다. 분당 1℃의 경우 상기 실시예 1과 같이 시작온도 230℃미만까지는 영향없이 산화안정화가 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다. 승온속도 10℃의 경우는 시작온도와 상관없이 모든 조건에서 섬유가 용융, 산화되어 전기 방사된 나노섬유, 습식 방사된 섬유 모두 적용이 불가능 하였다. 공기유량의 경우 외부로부터 공기를 주입하는 량이 분당 2∼5l의 경우에는 불꽃 연소시킨 결과 충분한 안정화가 이루어지지 못하여 용융되거나 융착하는 현상을 보였으나 공기의 양이 분당 5l 이상에서는 충분하게 안정화되었다. 이것은 충분한 공기의 양, 즉 산소와 나노섬유 웹과의 충분한 반응에 의해 섬유가 산화 안정화 된 것 때문으로 사료된다.

실시예3

상기 실시예 1의 방법에 의해 제조된 PAN계 나노섬유를 산화안정화 하는데 있어 종료온도의 영향을 평가하기 상기 실시예 1과 2의 방법에 의해 평가된 산화안정화 조건별 제조된 나노섬유를 질소분위기하에서 1000℃까지 탄소화하여 탄화수율을 평가했다. 종료온도의 평가는 240℃, 260℃, 280℃, 300℃, 320℃로 20℃씩 증가하여 실시예 1의 방법과 동일하게 실시하였다. 종료온도가 경우 300℃이상의 경우 섬유간 융착 및 용융이 일어나 안정화 조건으로는 부적당함을 알 수 있었으며, 안정화 종료온도와 유지시간이 증가할수록 탄화수율을 감소함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 종료 온도가 낮을수록 유지시간이 길수록 산소와 나노섬유간 반응이 증가하여 최종 탄화수율을 감소하는 것을 시사하고 있다. 또한 열풍의 방향에 따른 영향을 평가하기 위해 상향식, 하향식 방법을 통해 안정화를 실시하였으나, 하향식의 경우 전기 방사된 섬유의 균제도가 불균일하였다.

표 1에서 5에는 전기 방사된 나노섬유의 산화안정화 조건을 습식 방사된 섬유와 비교하여 정리하였다 (표 내용 중 평가방법 표시는 : ◎ 좋은, △ 보통, X 나쁨).

본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 안정화 공정시 시작온도에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
나노섬유 1 비교예 1	150	280	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 2 비교예 2	170	280	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 3 비교예 3	190	280	1	60	10	◎ △	◎ △
나노섬유 4 비교예 4	200	280	1	60	10	◎ X	◎ X
나노섬유 5 비교예 5	210	280	1	60	10	◎ X	△ X
나노섬유 6 비교예 6	230	280	1	60	10	△ X	X X

본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 안정화 공정시 승온속도에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
나노섬유 7 비교예 7	150	280	1.5	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 8 비교예 8	150	280	2	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 9 비교예 9	150	280	2.5	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 10 비교예 10	150	280	3	60	10	◎ △	◎ △
나노섬유 11 비교예 11	150	280	5	60	10	△ X	△ X
나노섬유 12 비교예 12	150	280	10	60	10	X X	X X

본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 안정화 공정시 종료온도에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
나노섬유 13 비교예 14	150	240	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 15 비교예 15	150	260	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 16 비교예 16	150	280	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 17 비교예 17	150	300	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 18 비교예 18	150	320	1	60	10	△ △	△ △

본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 안정화 공정시 공기유량에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
나노섬유 19 비교예 19	150	280	1	60	1	△ △	△ △
나노섬유 20 비교예 20	150	280	1	60	3	△ △	△ △
나노섬유 21 비교예 21	150	280	1	60	5	◎ ◎	◎ ◎

표 5. 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 안정화 공정시 유지시간에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
나노섬유 22 비교예 22	150	280	1	10	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 23 비교예 23	150	280	1	20	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 24 비교예 24	150	280	1	40	10	◎ ◎	◎ ◎
나노섬유 25 비교예 25	150	280	1	120	10	◎ ◎	◎ ◎

실시예 4

연화점 256℃의 등방성 방사용 피치를 사용하여 THF 불용분을 제거한 후 THF 가용분을 가지고 THF에 30 - 50 중량부를 용해하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전기방사를 실시했다. 전기 방사된 피치섬유의 전자현미경 사진을 도 6에 나타냈다. 도 6에 도시한 바와 같이, 전기 방사된 피치섬유의 경우 평균직경이 1㎛ 정도였으나 용융분사방사에 의해 제조된 피치섬유는 평균 20㎛정도였으며, 전기 방사된 섬유가 용융분사 방사된 섬유에 비해 대략 20배 정도 작음을 알 수 있다.

전기 방사된 피치섬유의 산화안정화 거동을 평가는 상기 실시예1에서 3의 방법과 동일하게 진행하여 평가했으며, 표 6에 그 결과를 정리하였다.

본 발명의 일실시예 및 비교예에 따라 제조된 피치섬유의 안정화 공정시 각각의 조건에 따른 결과.

구분	시작온도 (℃)	종료온도 (℃)	승온속도 (℃/min)	유지시간 (min)	공기유량 (ℓ/min)	평가 (SEM)	불꽃연소평가
피치섬유 1 비교예 26	150	320	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 2 비교예 27	170	320	1	60	10	◎ △	◎ ◎
피치섬유 3 비교예 28	190	320	1	60	10	◎ X	◎ △
피치섬유 4 비교예 29	200	320	1	60	10	X X	◎ X
피치섬유 5 비교예 30	210	320	1	60	10	X X	△ X
피치섬유 6 비교예 31	150	260	1	60	10	△ X	X X
피치섬유 7 비교예 32	150	280	1	60	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 8 비교예 33	150	340	1	60	10	◎ △	◎ X
피치섬유 9 비교예 34	150	360	1	60	10	X X	X X
피치섬유 10 비교예 35	150	320	1.5	60	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 11 비교예 36	150	320	2	60	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 12 비교예 37	150	320	3	60	10	◎ X	△ X
피치섬유 13 비교예 38	150	320	5	60	10	X X	X X
피치섬유 14 비교예 39	150	320	1	10	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 15 비교예 40	150	320	1	30	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 16 비교예 41	150	320	1	90	10	◎ ◎	◎ ◎
피치섬유 17 비교예 42	150	320	1	60	1	X x	x X
피치섬유 18 비교예 43	150	320	1	60	5	◎ △	◎ △

실시예 5

부직포의 원재료인 레이온을 준비하고 소정의 형태로 성형한 레이온계 부직포를 온도 단계별로 승온시키고 유지하여 산화 안정화시키게 되는데, 상기 레이온계 부직포의 산화 안정화 방법은 레이온계 부직포를 박스 타입 전기로나 연속식 전기로를 사용하여 상온에서 300℃까지 60분 동안 승온시키고 10분간 유지하여 열처리하고, 이후 300℃에서 400℃까지 20분 동안 승온시키고 10분간 유지하여 열처리하면서 실시한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 방법을 통하여 전기 방사된 나노섬유의 산화안정화 최적조건을 설정할 수 있으며, 안정화로 설계 시에 로의 길이, 시간, 공간 등을 최적조건으로 설정할 수 있는 것이 가능하다.

또한 부직포(웹) 상태의 단섬유 또는 레이온계 부직포를 가지고 탄소섬유나 활성탄소섬유 및 부직포 섬유를 제조할 때 안정화로의 구조를 획기적으로 제공하는 것이 가능해졌고, 그 결과 최종 탄소섬유의 물성, 탄화수율 등을 본 안정화 방법을 통해 최적화하는 것이 가능해졌으며, 공정단축, 공정비용 절감, 재료비 절감, 물성향상 등 다양한 효과를 제공하는 것이 가능하다.

Claims

탄소섬유 제조용 나노섬유의 산화 안정화 방법에 있어서,

탄소섬유 전구체 물질인 PAN, Cellulose, Phenol, pitch 중에서 단수 또는 복수의 물질을 용해할 수 있는 DMAc, DMF, THF 용매 중에서 어느 하나에 용해하여 섬유가 형성될 수 있는 농도로 만들어 방사용액을 제조하는 단계와;

상기 방사용액에 고전압을 가해 전기 방사하여 탄소섬유 전구체 나노섬유를 얻는 단계와;

상기 전기 방사된 나노섬유는 컨베이어 벨트를 통해 안정화로로 이송하여 시작온도를 150℃ 내지 230℃로 하고, 종료온도를 240℃ 내지 300℃로 하며, 승온속도를 분당 1℃ 내지 5℃로 하고, 공기유량을 분당 1 내지 10ℓ로 하며, 유지시간을 10 내지 120분으로 하고, 상향방식의 열풍 방향의 조건으로 하여 산화 안정화하는 단계와;

상기 산화 안정화한 후 탄소화, 활성화 또는 흑연화하여 탄소나노섬유, 활성탄소 나노섬유를 제조하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 나노섬유의 산화 안정화 방법.
탄소섬유 제조용 부직포의 산화 안정화 방법에 있어서,

전기방사에 의해 제조된 레이온계 섬유로 만들어진 부직포를 컨베이어 벨트를 통해 안정화로로 이송하여 시작온도를 300℃로 하고, 종료온도를 400℃로 하며, 승온속도를 분당 1℃ 내지 5℃로 하고, 공기유량을 분당 1 내지 10ℓ로 하며, 유지시간을 10 내지 120분으로 하고, 상향방식의 열풍 방향의 조건으로 하여 산화 안정화하는 단계와;

상기 산화 안정화한 후 탄소화, 활성화 또는 흑연화하여 레이온계 탄소나노섬유로 구성된 부직포를 제조하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 부직포의 산화 안정화 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제