KR101264001B1 - Precursor including lyocell/graphene nanocomposite and carbon-fiber by using the same and method of manufacturing the same - Google Patents

Precursor including lyocell/graphene nanocomposite and carbon-fiber by using the same and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 라이오셀(lyocell)/그래핀(graphene) 나노복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유, 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법을 제공하여, 라이오셀 섬유에 그래핀이 첨가된 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하여, 강도, 연신율 등 기계적 물성 및 제조수율이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있고, 라이오셀/그래핀 나노복합체를 포함하는 새로운 전구체 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제시해 주며, 이를 이용한 탄소섬유 제조에 있어 저온 조건에서도 강도가 우수한 탄소섬유를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to precursor fibers for the production of carbon fibers, carbon fibers using the same and a method for producing the same, precursor fibers, characterized in that it comprises a lyocell (grapho) / graphene (graphene) nanocomposite, carbon fibers using the same And it provides a method for producing, the precursor fiber comprising a nanocomposite to which graphene is added to lyocell fiber, to produce a carbon fiber excellent in mechanical properties and production yield, such as strength, elongation, lyocell / It provides a method for producing a new precursor fiber comprising a graphene nanocomposite, and can provide a method for producing a carbon fiber excellent in strength even at low temperature conditions in the carbon fiber manufacturing using the same.

Description

라이오셀/그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법{PRECURSOR INCLUDING LYOCELL/GRAPHENE NANOCOMPOSITE AND CARBON-FIBER BY USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Precursor fiber comprising lyocell / graphene nanocomposite and carbon fiber using same and manufacturing method therefor {PRECURSOR INCLUDING LYOCELL / GRAPHENE NANOCOMPOSITE AND CARBON-FIBER BY USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유의 강도를 증대시킬 수 있는 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a precursor fiber for producing carbon fiber, a carbon fiber using the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a precursor fiber for producing carbon fiber and carbon fiber using the same, which can increase the strength of the carbon fiber It relates to a manufacturing method.

일반적으로, 탄소섬유는 전구체 섬유의 종류에 따라, 셀룰로오스(cellulose)계, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계 및 피치(pitch)계 탄소섬유로 분류된다. 이 중 1950년대부터 개발된 셀룰로오스계 탄소섬유는 셀룰로오스의 낮은 열전이성, 낮은 밀도, 알칼리 금속이온의 함량이 낮아 높은 순도 유지, 높은 유연성, 셀룰로오스를 탄소섬유로 만들었을 때 탄소의 성분비가 다른 탄소섬유들에 비해 높은 특징 등의 장점이 있다.In general, carbon fibers are classified into cellulose-based, polyacrylonitrile (PAN) -based, and pitch-based carbon fibers according to the kind of precursor fibers. Among these, cellulose-based carbon fibers developed from the 1950s have low thermal conductivity of cellulose, low density, low alkali metal ion content, high purity, high flexibility, and carbon fiber with different carbon content when cellulose is made of carbon fiber. Compared to these, there are advantages such as high features.

종래 이러한 셀룰로오스계 탄소섬유로, 비스코스 레이온과 같은 레이온계 섬유를 전구체 섬유로 사용한 레이온계 탄소섬유가 제조되어 왔다. 그러나, 레이온계 탄소섬유는 제조공정에서 공해물질, 즉, 용제로 이황화탄소(CS2)를 사용하여 정부의 규제를 받을 뿐 아니라, PAN계 탄소섬유나 피치계 탄소섬유에 비하여 경제성이 없어 시장규모도 점차 줄어들고 있는 추세이다.Conventionally, as such cellulose-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers using rayon-based fibers such as viscose rayon as precursor fibers have been produced. However, rayon carbon fiber is not only regulated by the government by using carbon disulfide (CS 2 ) as a solvent in the manufacturing process, but also has no economic feasibility compared to PAN carbon fiber or pitch carbon fiber. The trend is also decreasing.

이에, 레이온계 탄소섬유를 대체하기 위한 친환경적이며 생산비용인 낮은 셀룰로오스계 탄소섬유를 제조할 수 있는 전구체 섬유로 라이오셀(lyocell)이 개발되었다. 라이오셀은 1978년 Akzo-Nobel사가 환경공해 및 인체에 유해한 성분이 없는 새로운 공정을 개발하여 제조된 것으로, 셀룰로오스가 주성분인 천연펄프와 펄프를 용해시키는 용제인 N-메틸모르포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO)를 주원료로 하여 제조된 건습식 방사섬유이다. 라이오셀 섬유의 원료는 목재펄프에서 추출된 셀룰로오스로서, 100% 생분해성 고분자이며, 재생이 가능하므로 환경 친화적인 특징을 가지고 있다. 또한, 기존 레이온 섬유가 지니고 있는 큰 문제점인 공해물질을 배출하지 않는 새로운 공법이 적용된다.Accordingly, lyocells have been developed as precursor fibers capable of manufacturing low-cellulosic carbon fibers, which are environmentally-friendly and low production costs for replacing rayon-based carbon fibers. The lyocell was manufactured in 1978 by Akzo-Nobel, which developed a new process that is free from environmental pollution and harmful substances to the human body.It is N-methylmorpholine-N-oxide (solvent which dissolves natural pulp and pulp, which is a cellulose main ingredient N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) is a wet-and-dry spinning fiber manufactured with the main raw material. The raw material of lyocell fiber is cellulose extracted from wood pulp, which is 100% biodegradable polymer and has environmentally friendly characteristics because it is recyclable. In addition, a new method is applied which does not emit pollutants, which is a big problem of existing rayon fibers.

이와 같이, 라이오셀 섬유 역시 셀룰로오스계 섬유로서, 일반적인 셀룰로오스계 섬유와 화학적 성질은 서로 비슷하나, 기계적 특성 및 물리적 성질은 우수하며, 결정화도, 결정배향도 등 미세구조 특징은 매우 다르다.As such, the lyocell fibers are also cellulosic fibers, which are similar in chemical properties to general cellulosic fibers, but have excellent mechanical and physical properties, and have very different microstructural characteristics such as crystallinity and crystal orientation.

한편, 탄소섬유의 제조에 있어서는 일반적으로 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거치게 된다. 이러한 공정들은 섬유 상태에서 수행되는데, 탄소섬유의 안정화 및 탄소화 온도는 탄소섬유의 열전도도, 절연성, 탄성률 등에 큰 영향을 미친다. 여기서, 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조할 경우, 다른 셀룰로오스계 섬유보다 우수한 기계적 특성을 갖음에도 불구하고 여전히 깨지기 쉬운 조직이어서, 고온 하에서의 안정화 공정 및 탄소화 공정으로, 단섬유 간의 접착 발생, 접착 부위가 벗겨져 생기는 표면결함 등의 원인으로 탄소섬유의 강도가 저하될 수 있다.On the other hand, in the production of carbon fibers generally go through a stabilization process and a carbonization process. These processes are carried out in the fiber state, the stabilization and carbonization temperature of the carbon fiber has a great influence on the thermal conductivity, insulation, elastic modulus and the like of the carbon fiber. Here, when carbon fibers are manufactured using lyocell fibers as precursor fibers, they are still fragile even though they have superior mechanical properties than other cellulose-based fibers. The strength of the carbon fiber may be reduced due to occurrence, surface defects caused by peeling of the adhesive site, and the like.

이러한 문제를 해결하고자, 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하는 탄소섬유에 있어서, 안정화 공정, 탄소화 공정 등 공정 개선을 통해 탄소섬유의 강도를 증가시키고자 하는 시도가 진행되고 있으나, 아직까지 라이오셀 전구체 섬유 자체의 개질을 통하여 탄소섬유의 강도를 증가시키고자 하는 연구는 미진한 실정이다.
In order to solve this problem, attempts have been made to increase the strength of carbon fibers by improving processes such as stabilization and carbonization in lyocell fibers as precursor fibers. There is little research on increasing the strength of carbon fiber through the modification of the fiber itself.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 라이오셀 섬유의 개질을 통하여 강도, 신율 등 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라, 탄소섬유 제조 수율을 증가시킬 수 있는 라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하는 것이다.Therefore, the first problem to be solved by the present invention is not only excellent mechanical properties such as strength, elongation through modification of lyocell fibers, but also lyocell-graphene (graphene) which can increase the yield of carbon fiber production. ) To provide a precursor fiber comprising a nanocomposite.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 전구체 섬유를 포함하는 탄소섬유를 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a carbon fiber comprising the precursor fiber.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 전구체 섬유를 제조하는 방법 및 탄소섬유 제조에 있어 효과적인 공정조건을 제공하는 것이다.
The third problem to be solved by the present invention is to provide an effective process conditions for producing the precursor fiber and carbon fiber production.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first object,

라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유를 제공한다.Provided are precursor fibers comprising lyocell-graphene nanocomposites.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 그래핀은 상기 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1-0.75중량% 일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the graphene may be 0.1-0.75% by weight based on the total weight of the nanocomposite.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,According to another aspect of the present invention,

상기 전구체 섬유를 포함하는 탄소섬유를 제공한다.It provides a carbon fiber comprising the precursor fiber.

본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the third object,

셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계와, 셀룰로오스를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계 및 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유 제조방법을 제공한다.Adding graphite oxide to a cellulose solvent to exfoliate with graphene oxide, dissolving cellulose in the cellulose solvent to produce a lyocell-graphene composite dope, and spinning the composite dope to remove the cellulose solvent. It provides a method for producing a precursor fiber comprising the step of preparing the precursor fiber.

본 발명의 일 실시예예 의하면, 상기 그래파이트 옥사이드는 상기 라이오셀-그래핀 복합체 총 중량에 대하여 0.001-0.75중량%를 첨가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the graphite oxide may be added 0.001-0.75% by weight based on the total weight of the lyocell-graphene composite.

또한, 본 발명은 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 전구체 섬유는 상기의 제조방법에 따라 제조된 전구체 섬유인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for producing a carbon fiber through a stabilization process and a carbonization process using the precursor fiber, the precursor fiber is a carbon fiber manufacturing method characterized in that the precursor fiber prepared according to the above production method To provide.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 안정화 공정은 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160-200℃ 조건으로 내염화하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the stabilizing process may be to flameproof the precursor fiber in the air at 160-200 ℃ conditions.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소화 공정은 질소 분위기에서 1,000-1,200℃ 조건에서 열처리 및 냉각하는 것일 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the carbonization process may be heat treatment and cooling at 1,000-1,200 ℃ conditions in a nitrogen atmosphere.

본 발명에 따르면, 라이오셀 섬유에 그래핀이 첨가된 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하여, 강도, 신율 등 기계적 물성 및 제조수율이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있고, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 새로운 전구체 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제시해 주며, 이를 이용한 탄소섬유 제조에 있어 저온 조건에서도 강도가 우수한 탄소섬유를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, by providing a precursor fiber comprising a nanocomposite in which graphene is added to lyocell fibers, carbon fibers having excellent mechanical properties and manufacturing yield, such as strength and elongation, can be manufactured, and lyocell-graphene nano It provides a method for producing a new precursor fiber including a composite, it can provide a manufacturing method that can easily produce a carbon fiber excellent in strength even at low temperature in the carbon fiber production using the same.

도 1은 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 라이오셀-그래핀 나노복합체의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄성율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연신율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄소화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a flow chart showing a precursor fiber manufacturing method according to the present invention.
2 is a flow chart showing a carbon fiber manufacturing method according to the present invention.
Figure 3 is a SEM photograph of the lyocell-graphene nanocomposites according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the results of measuring the elastic modulus for the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 is a graph showing the results of measuring the strength of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the results of measuring the elongation of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
7 is a graph showing the results of measuring the ductility of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
8 is a graph showing the results of measuring the carbonization rate for the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle of the present invention, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the configuration of the embodiments described herein is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be

먼저, 본 발명에 따른 전구체 섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유에 대하여 상세히 설명한다.First, the precursor fiber and the carbon fiber including the same according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 전구체 섬유는 탄소섬유 제조를 위한 것으로, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.Precursor fiber according to the present invention is for producing a carbon fiber, characterized in that it comprises a lyocell-graphene nanocomposite.

상기 라이오셀은 목재 펄프에서 추출한 셀룰로오스로 만든 소재로, 본 발명에서 사용되는 라이오셀은 일반적으로 알려진 공정, 즉, 셀룰로오스가 주성분인 천연펄프 용제로서 NMMO를 사용하여 제조된 건습식 방사섬유가 사용될 수 있다.The lyocell is a material made of cellulose extracted from wood pulp. The lyocell used in the present invention is a generally known process, that is, a wet and dry spinning fiber manufactured using NMMO as a natural pulp solvent in which cellulose is a main component may be used. have.

상기 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질로, 전기전도도, 강도, 열전도성, 탄성 등이 매우 우수한 소재로, 본 발명자들은 이러한 그래핀을 라이오셀과 나노복합체로 형성시킴으로써 기존 라이오셀을 단독 전구체 섬유로 하여 제조된 탄소섬유에 비하여 월등히 우수한 물성을 갖는 탄소섬유를 제공할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 된 것이다.The graphene is a carbon nano material stripped of the surface layer of graphite, and has excellent electrical conductivity, strength, thermal conductivity, elasticity, and the like. The present inventors form the graphene as a lyocell and a nanocomposite, thereby forming an existing lyocell. This leads to the present invention by discovering that it can provide a carbon fiber having significantly superior physical properties as compared to the carbon fiber produced as a single precursor fiber.

상기 라이오셀-그래핀 나노복합체는 종래 라이오셀 섬유 제조 과정에서 사용되는 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 박리시켜 그래핀 옥사이드를 분산시키고, 셀룰로오스를 용해시키는 방법으로 제조될 수 있는 것으로, 라이오셀 단독 전구체 섬유에 비하여 강도, 신율 등 기계적 물성이 우수하다. 구체적으로, 라이오셀 단독 전구체 섬유에 비하여 탄성율이 2배 정도, 강도가 1.5배 정도, 연신율이 2배 정도 및 연성도가 2배 정도 증가된 전구체 섬유를 제공할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전구체 섬유를 이용하여 탄소섬유를 제조할 경우, 향상된 기계적 물성으로 인해 안정화 공정, 탄소화 공정 등이 안정되어 순수 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유에 비해 물성이 향상될 수 있다.The lyocell-graphene nanocomposite may be prepared by peeling graphite oxide in a cellulose solvent used in the conventional lyocell fiber manufacturing process to disperse graphene oxide and dissolving cellulose, and lyocell alone precursor fiber. Compared to the mechanical properties such as strength and elongation. Specifically, it is possible to provide a precursor fiber having an elastic modulus of about 2 times, an intensity of about 1.5 times, an elongation of about 2 times, and a ductility of about 2 times that of a lyocell alone precursor fiber. Therefore, when the carbon fiber is manufactured using the precursor fiber according to the present invention, the stabilization process, the carbonization process, etc. may be stabilized due to the improved mechanical properties, thereby improving physical properties compared to the carbon fiber using the pure lyocell fiber.

또한, 기계적 물성 향상으로 탄소섬유 제조 과정에서 탄소화율도 2배 가까이 증가하여, 탄소화 공정을 쉽게 적용할 수 있어 탄소섬유 제조를 더욱 용이하고 효율적으로 수행하도록 할 수 있다. 예를 들면, 이러한 본 발명에 따른 전구체 섬유를 이용하여 타이어코드를 제조할 경우 강도 등 기계적 물성이 기존 라이오셀 섬유에 비해 2배 정도 향상되고 탄소섬유 제조수율 역시 2배 가까이 향상된 타이어코드를 제공할 수 있게 된다.In addition, the carbonization rate is increased by nearly two times in the carbon fiber manufacturing process due to the improved mechanical properties, so that the carbonization process can be easily applied, so that carbon fiber production can be performed more easily and efficiently. For example, when the tire cord is manufactured using the precursor fiber according to the present invention, mechanical properties such as strength may be improved by about 2 times compared to conventional lyocell fibers, and carbon fiber manufacturing yield may also be improved by about 2 times. It becomes possible.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀은 상기 나노복합체 총 중량에 대하여 0.1-0.75중량% 포함될 수 있다. 이와 같이 소량의 그래핀이 첨가됨에도 기존 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 탄성율, 강도, 연신율, 연성도 등 물성이 월등히 우수한 전구체 섬유를 만들 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 물성 향상 효과는 상기 그래핀 첨가량이 0.1-0.75중량% 범위에서 현저히 나타남을 발견하였다.
According to one embodiment of the present invention, the graphene may be included 0.1-0.75% by weight based on the total weight of the nanocomposite. Thus, even though a small amount of graphene is added, it was confirmed that precursor fibers having excellent physical properties such as elastic modulus, strength, elongation, and ductility can be made more than conventional lyocell alone precursor fibers. In addition, this physical property improvement effect was found to be remarkable in the graphene addition amount in the range 0.1-0.75% by weight.

이하, 본 발명에 따른 전구체 섬유 및 탄소섬유 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the precursor fiber and the carbon fiber manufacturing method according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법을 나타낸 흐름도로서, 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법은, (a) 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계(S1); (b) 셀룰로오스를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계(S2) 및 (c) 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.1 is a flowchart showing a method for manufacturing a precursor fiber according to the present invention. Referring to FIG. 1, the method for preparing a precursor fiber according to the present invention includes the steps of: (a) adding graphite oxide to a cellulose solvent to peel off the graphene oxide ( S1); (B) dissolving cellulose in the cellulose solvent to produce a lyocell-graphene composite dope (S2) and (c) spinning the composite dope and removing the cellulose solvent to prepare precursor fibers (S3). It characterized by including).

본 발명에 따르면, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 형성하기 위해, 상기 (a) 단계에서와 같이 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리한 후(S1), (b) 단계에서와 같이 셀룰로오스를 상기 용매에 용해시킴으로써 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계(S2)를 거치게 된다. 이후, (c) 단계와 같이 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 용매를 제거함으로써 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제조(S3)하게 되는데, 이와 같이, 종래 라이오셀 섬유를 제조하는 방식을 거의 그대로 사용하고 있는 점에서 간편하게 복합체를 제조할 수 있는 것이다.According to the present invention, in order to form a lyocell-graphene nanocomposite, as in step (a), graphite oxide is added to the cellulose solvent and then peeled off with graphene oxide (S1) and (b). As described above, the cellulose is dissolved in the solvent to generate a lyocell-graphene composite dope (S2). Subsequently, by spinning the composite dope as in step (c), the solvent is removed to prepare a precursor fiber including the lyocell-graphene nanocomposite (S3). Since the method is almost used as it is, the composite can be easily produced.

여기서, 상기 셀룰로오스 용매는 일반적으로 사용되고 있는 NMMO를 녹여 사용할 수 있고, 상기 그래파이트 옥사이드는 파우더 형태로 상기 NMMO에 첨가하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 박리는 상기 그래파이트 옥사이드 첨가 후 초음파 분쇄기로 4-8시간 동안 충분히 박리시켜 그래핀 옥사이드가 균일하게 분산될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 상기 그래파이트 옥사이드는 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량의 0.1-0.75중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. (S1)In this case, the cellulose solvent may be used to melt NMMO which is generally used, and the graphite oxide may be added to the NMMO in powder form. In addition, the exfoliation may be sufficiently exfoliated for 4-8 hours with an ultrasonic mill after the addition of the graphite oxide so that the graphene oxide may be uniformly dispersed. At this time, the graphite oxide is preferably added to be 0.1-0.75% by weight of the total weight of the lyocell-graphene nanocomposite. (S1)

이와 같이, 상기 셀룰로오스 용매에 상기 그래파이트 옥사이드를 상기 그래핀 옥사이드로 박리시킨 후, 상기 셀룰로오스 용매 총 중량에 대하여 3-7중량%의 셀룰로오스를 용해시킬 수 있다. 이때, 상기 셀룰로오스를 충분히 용해시키기 위해 스크류를 이용하여 2-4시간 동안 용해시키는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 거쳐 라이오셀-그래핀 나노복합체 도프가 형성되는데, 이후, 감압장치를 이용하여 1-3시간 동안 탈포하여 상기 나노복합체 도프 내의 기포를 제거하게 된다. 이때, 탈포 효율을 높이기 위해 온도조건을 90-100℃로 유지하는 것이 바람직하다. (S2)As such, after the graphite oxide is peeled off with the graphene oxide in the cellulose solvent, 3-7% by weight of cellulose may be dissolved with respect to the total weight of the cellulose solvent. At this time, it is preferable to dissolve for 2-4 hours using a screw to sufficiently dissolve the cellulose. Through this process, the lyocell-graphene nanocomposite dope is formed, and then degassed for 1 to 3 hours using a decompression device to remove bubbles in the nanocomposite dope. At this time, in order to increase the defoaming efficiency, it is preferable to maintain the temperature conditions at 90-100 ℃. (S2)

그 후에, 상기 탈포된 라이오셀-그래핀 나노복합체 도프를 건습식 방사(dry-wet spinning) 기기를 이용하여 방사한 후, NMMO 제거를 위해 상기 NMMO가 물에 녹는 성질을 이용하여, 물에 12-36시간 정도 둔 후 건조함으로써 전구체 섬유를 제조할 수 있게 된다. (S3)Thereafter, the degassed lyocell-graphene nanocomposite dope was spun using a dry-wet spinning apparatus, and then the NMMO was dissolved in water to remove NMMO. Precursor fibers can be prepared by drying after -36 hours. (S3)

도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 나타낸 흐름도로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 양태에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정(S4) 및 탄소화 공정(S5)을 거쳐 탄소섬유를 제조(S6)하는 것을 특징으로 한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a carbon fiber manufacturing method according to the present invention. Referring to FIG. 2, a carbon fiber manufacturing method according to another embodiment of the present invention uses precursor fibers including the lyocell-graphene nanocomposite. By the stabilization step (S4) and the carbonization step (S5) to produce a carbon fiber (S6) is characterized in that.

상기 안정화 공정(S4)은 일반적으로 탄소섬유 제조시 공기(산소) 중에서 수행되는 열처리 단계로, 상기 안정화 공정(S4)에서 심각한 화학적, 물리적 변화가 급격하게 발생하는데, 이후 질소 분위기에서 수행되는 탄소화 공정(S5)에 필요한 높은 열처리온도를 견딜 수 있는 안정된 화학구조를 부여하는데 그 목적이 있다. The stabilization process (S4) is a heat treatment step that is generally performed in air (oxygen) during the production of carbon fiber, a serious chemical and physical change occurs rapidly in the stabilization process (S4), after which carbonization is performed in a nitrogen atmosphere The purpose is to give a stable chemical structure capable of withstanding the high heat treatment temperature required for the step (S5).

본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법은, 기존 라이오셀 단독 전구체 섬유를 이용하는 경우와 달리, 강도 등에서 우수한 물성을 갖는 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 사용함으로써, 탄소화 공정 전에 안정된 화학구조를 부여할 수 있게 되며, 상기 안정화 공정 및 탄소화 공정에서 상대적으로 낮은 온도조건에서도 우수한 물성을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있게 되는 것이다.In the carbon fiber manufacturing method according to the present invention, unlike the case of using a conventional lyocell alone precursor fiber, by using a precursor fiber containing a lyocell-graphene nanocomposite having excellent physical properties in strength, etc., a stable chemistry before the carbonization process It is possible to give a structure, it is possible to manufacture a carbon fiber having excellent physical properties even at relatively low temperature conditions in the stabilization process and the carbonization process.

즉, 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법에서는, 상기 안정화 공정(S4)은 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160-200℃ 조건으로 내염화하고, 상기 탄소화 공정(S5)은, 질소 분위기에서 1,000-1,200℃ 조건으로 열처리 및 냉각함으로써 수행될 수 있다.
That is, in the carbon fiber manufacturing method according to the present invention, the stabilization step (S4) is flame-resistant to the precursor fiber at 160-200 ℃ condition in air, the carbonization step (S5) is 1,000-1,200 in a nitrogen atmosphere It can be carried out by heat treatment and cooling to a ℃ condition.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하며 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Examples>

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

NMMO를 원형 실린더에 투입하고 95℃의 oil-bath에서 녹인 뒤, 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.25 중량%를 투입하여 초음파 분쇄기(ultra sonicator)를 사용하여 6시간 동안 초음파 분쇄 후, 셀룰로오스를 상기 NMMO 중량 대비 5 중량%를 투입하여 2시간 동안 스크류(screw)를 사용하여 혼합한 뒤, 감압장치를 이용하여 도프에 있는 기포를 1시간 동안 제거하고, 건습식 방사기를 이용하여 라이오셀-그래핀 옥사이드 도프를 제조하였다. 이후, 라이오셀-그래핀 옥사이드 도프를 탈포한 후 95℃의 건습식 방사기 실린더에 투입하여 에어프레셔로 0.35MPa의 압력을 가하면서 50㎛ 노즐로 섬유를 방사하였다. 이때, air-gap은 1㎝로 하였다. 이와 같이 제조된 섬유를 하루 동안 물에 두어 NMMO를 제거한 후 건조하여 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(a)에 나타내었다.NMMO was added to a circular cylinder and dissolved in an oil bath at 95 ° C., and graphite oxide was injected by 0.25 wt% of the total weight of the final lyocell-graphene nanocomposite using an ultrasonic sonicator for 6 hours. After pulverization, 5% by weight of the cellulose was added to the NMMO weight, mixed by using a screw for 2 hours, and then the air bubbles in the dope were removed for 1 hour using a pressure reducing device, and the wet and dry spinner was used. Lyocell-graphene oxide dope was prepared. Thereafter, the lyocell-graphene oxide dope was degassed and introduced into a dry and wet spinneret cylinder at 95 ° C., and the fibers were spun with a 50 μm nozzle while applying a pressure of 0.35 MPa with an air pressure. At this time, air-gap was 1 cm. The fiber thus prepared was placed in water for one day to remove NMMO and dried to prepare a precursor fiber comprising lyocell-graphene nanocomposite. SEM photographs of the prepared nanocomposites are shown in FIG.

또한, 상기 제조된 전구체 섬유를 공기 중에서 안정화 및 질소 분위기에서 탄소화 과정을 거쳐 탄소섬유를 제조하였다. 상기 안정화는 상온에서 180℃까지 2℃/min 가열속도로 1.5시간 가열하고 180℃에서 1.5시간 유지시켰다. 이후, 안정화된 섬유를 상온에서 1200℃까지 5℃/min 가열속도로 4시간 동안 열처리하고 이후, 4시간 동안 냉각하여 탄소화 섬유를 제조하였다.
In addition, the prepared precursor fibers were stabilized in air and carbonized through a carbonization process in a nitrogen atmosphere to prepare carbon fibers. The stabilization was heated for 1.5 hours at a heating rate of 2 ℃ / min to 180 ℃ at room temperature and maintained at 180 ℃ 1.5 hours. Thereafter, the stabilized fibers were heat-treated for 4 hours at a heating rate of 5 ° C./min from room temperature to 1200 ° C., and then cooled for 4 hours to prepare carbonized fibers.

<실시예 2><Example 2>

상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.5 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(b)에 나타내었다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in <Example 1>, except that 0.5 wt% of graphite oxide was added to the total weight of the final lyocell-graphene nanocomposite in <Example 1>. . SEM photographs of the prepared nanocomposites are shown in FIG. 3 (b).

<실시예 3><Example 3>

상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.75 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in <Example 1>, except that 0.75 wt% of graphite oxide was added to the total weight of the final lyocell-graphene nanocomposite in <Example 1>. .

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 1 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(c)에 나타내었다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in <Example 1>, except that 1 wt% of graphite oxide was added to the total weight of the final lyocell-graphene nanocomposite in <Example 1>. . SEM photographs of the prepared nanocomposites are shown in FIG. 3 (c).

<비교예 2>Comparative Example 2

상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 3 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(d)에 나타내었다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in <Example 1>, except that 3 wt% of graphite oxide was added to the total weight of the final lyocell-graphene nanocomposite in <Example 1>. . SEM photographs of the prepared nanocomposites are shown in FIG. 3 (d).

<비교예 3>&Lt; Comparative Example 3 &

실시예 1에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀/그래핀 나노복합체 총 중량 대비 5중량%를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(e)에 나타내었다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in Example 1 except that 5 wt% of graphite oxide was added to the total weight of the final lyocell / graphene nanocomposite. SEM images of the prepared nanocomposites are shown in FIG.

비교예Comparative example 4 4

상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 투입하지 않은 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다.
A precursor fiber and a carbonized fiber were prepared in the same manner as in <Example 1>, except that graphite oxide was not added in <Example 1>.

상기 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대하여 하기와 같은 방법으로 기계적 물성 및 탄소화율을 측정하고 그 결과를 도 2 내지 도 6에 나타내었다.
The mechanical properties and carbonization rate of the precursor fibers according to the Examples and Comparative Examples were measured in the following manner and the results are shown in FIGS. 2 to 6.

[측정 방법][How to measure]

(1) 기계적 물성(1) mechanical properties

탄성율, 강도, 연신율 및 연성도의 기계적 물성을 측정하였다. 측정 장비는 인장 시험기(Intron 5564, Intron사)를 사용하였고, 3㎝ 높이의 시료에 대해 100N load cell을 사용하여 5㎜/min의 속도로 측정하였다.
The mechanical properties of elastic modulus, strength, elongation and ductility were measured. The measurement equipment used a tensile tester (Intron 5564, Intron Co., Ltd.), was measured at a rate of 5mm / min using a 100N load cell for a sample of 3cm height.

(2) 탄소화율(2) carbonization rate

열중량 분석 장비(TGA)(TGA-50, SHIMADZU사)를 사용하여, 각 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유 시료 10~13㎎을 산소에 의한 산화를 방지하기 위해 질소 기류 하에서 10℃/min의 가열속도로 상온에서 500℃ 및 1,000℃까지의 온도범위로 측정하였다.
Using a thermogravimetric analyzer (TGA) (TGA-50, SHIMADZU), 10-13 mg of the precursor fiber samples according to the Examples and Comparative Examples were subjected to 10 ° C / min under a nitrogen stream to prevent oxidation by oxygen. The heating rate was measured at a temperature ranging from room temperature to 500 ° C and 1,000 ° C.

도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄성율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 4를 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 탄성율(Young's Modulus)이 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있다. 그러나, 0.75 중량%를 초과할 경우는 오히려 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 탄성율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the elastic modulus for the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, referring to Figure 4, the elastic modulus of 0.25% by weight, 0.5% by weight of the precursor fiber added graphene oxide It can be seen that (Young's Modulus) increased about two times than that of the lyocell alone precursor fiber. However, when it exceeds 0.75% by weight it can be confirmed that the elastic modulus is lower than that of the lyocell alone precursor fiber.

또한, 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 5를 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 강도(Tensile Strength)가 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있다. In addition, Figure 5 is a graph showing the results of measuring the strength of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, referring to Figure 5 precursor fiber to which 0.25 wt%, 0.5 wt% of graphene oxide is added It can be seen that the Tensile Strength of the lyocell alone precursor fiber increased by about twice.

또한, 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연신율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 6을 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%, 0.75 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 연신율(Elongation at Break)이 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있으며, 1 중량%를 초과하는 경우는 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다는 효과가 있으나, 실시예 1 내지 3의 경우에는 미치지 못하는 것을 알 수 있다.In addition, Figure 6 is a graph showing the result of measuring the elongation of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, referring to Figure 6 0.25%, 0.5% by weight, 0.75% by weight of graphene oxide It can be seen that the elongation at break of the added precursor fiber is increased by about 2 times than that of the lyocell alone precursor fiber, and when it exceeds 1% by weight, it is more effective than that of the lyocell alone precursor fiber. In the case of Examples 1-3, it turns out that it does not reach.

또한, 도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 7을 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%, 0.75 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 연성도(Toughness)가 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있으며, 1 중량%를 초과하는 경우는 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다는 효과가 있으나, 실시예 1 내지 3의 경우에는 미치지 못하는 것을 알 수 있다.In addition, Figure 7 is a graph showing the results of measuring the ductility of the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, referring to Figure 7, 0.25 wt%, 0.5 wt%, 0.75 wt% graphene oxide It can be seen that the ductility (toughness) of the added precursor fiber is increased by about two times than that of the lyocell alone precursor fiber, and when it exceeds 1% by weight, it is more effective than that of the lyocell alone precursor fiber. In the case of Examples 1-3, it turns out that it does not reach.

한편, 도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄소화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 8을 참조하면 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우 약 11% 정도인 반면, 0.25-1 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유는 그보다 더 증가하였으며, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 탄소화율의 경우 약 19% 정도로 2배 가까이 탄소화율이 증가한 것을 알 수 있다.
On the other hand, Figure 8 is a graph showing the result of measuring the carbonization rate for the precursor fiber according to the Examples and Comparative Examples of the present invention, referring to Figure 8 is about 11% of the lyocell alone precursor fiber, 0.25 The precursor fiber added with -1 wt% graphene oxide increased even more, and the carbonization rate increased by nearly 19% in the carbonization rate of the precursor fiber added with 0.5 wt% graphene oxide. have.

Claims (7)

라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노 복합체를 포함하며 나노복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 0.75 중량%의 그래핀을 포함하는 전구체 섬유.
A precursor fiber comprising a lyocell-graphene nanocomposite and comprising 0.1 to 0.75% by weight of graphene relative to the total weight of the nanocomposite.
삭제delete 제 1 항에 따른 전구체 섬유로 제조된 탄소섬유.
Carbon fiber made from the precursor fiber according to claim 1.
(a) 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계;
(b) 라이오셀를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계; 및
(c) 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계;
를 포함하며 상기 그래파이트 옥사이드는 상기 라이오셀-그래핀 복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 0.75 중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유 제조방법.
(a) adding graphite oxide to the cellulose solvent to exfoliate with graphene oxide;
(b) dissolving the lyocell in the cellulose solvent to produce a lyocell-graphene composite dope; And
(c) preparing the precursor fiber by removing the cellulose solvent after spinning the composite dope;
And the graphite oxide is a precursor fiber manufacturing method characterized in that the addition of 0.1 to 0.75% by weight relative to the total weight of the lyocell-graphene composite.
삭제delete 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하는 방법에 있어서,
상기 전구체 섬유는 제 4 항에 따라 제조된 전구체 섬유를 이용하며, 상기 안정화공정은 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160 ~ 200℃ 조건으로 내염화하는 것이고, 상기 탄소화 공정은 질소 분위기에서 1,000 ~ 1,200 ℃ 조건으로 열처리 및 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.












In the method for producing a carbon fiber through a stabilization process and a carbonization process using the precursor fiber,
The precursor fiber uses a precursor fiber prepared according to claim 4, wherein the stabilization process is to flame the precursor fiber in the air at 160 ~ 200 ℃ condition, the carbonization process is 1,000 ~ 1,200 ℃ in nitrogen atmosphere Carbon fiber manufacturing method characterized in that the heat treatment and cooling under the conditions.












삭제delete
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230158939A (en) 2022-05-13 2023-11-21 전주대학교 산학협력단 A lyocell-based carbon fiber or textile manufacturing method using only radiation pretreatment without cross-linking agents or flame retardants treatment

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101230532B1 (en) * 2012-09-03 2013-02-06 국방과학연구소 Carbon composite material
FR2997097B1 (en) * 2012-10-22 2015-04-10 Arkema France PROCESS FOR PRODUCING CARBON FIBER, PRECURSOR MATERIAL USED BY THE PROCESS AND CARBON FIBER OBTAINED
CN103046151B (en) * 2012-12-18 2015-04-01 青岛大学 Graphene blend regenerated cellulose fiber and preparation method thereof
CN103160945B (en) * 2013-03-11 2015-09-09 青岛大学 Functional nano-graphite/regenecellulose cellulose blend fiber and preparation method thereof
CN103966699B (en) * 2014-01-14 2016-07-06 中国科学院上海应用物理研究所 A kind of preparation method of graphene fiber
CN103949237B (en) * 2014-05-12 2016-02-10 上海交通大学 The preparation method of a kind of carbon fiber and Graphene axial composite-rotor nano material
WO2017063434A1 (en) 2015-10-15 2017-04-20 济南圣泉集团股份有限公司 Carbon-containing nanostructure composite, polymer material using same and preparation method
CN105525377B (en) 2015-11-26 2018-08-17 济南圣泉集团股份有限公司 A kind of functional regenerated cellulose fibre and its preparation method and application
WO2017084507A1 (en) 2015-11-20 2017-05-26 济南圣泉集团股份有限公司 Graphene-containing modified latex as well as preparation method therefor and application thereof
JP6663991B2 (en) * 2015-11-20 2020-03-13 済南聖泉集団股▲ふん▼有限公司Jinan Shengquan Group Share Holding Co., Ltd Functional regenerated cellulose fiber and its preparation method and use
CN106436024B (en) * 2016-09-21 2018-09-07 天津工业大学 A kind of preparation method of far infrared mask substrate
FR3058167B1 (en) 2016-10-28 2019-11-22 Arkema France NEW PROCESS FOR MANUFACTURING HIGHLY CARBON MATERIALS AND HIGHLY CARBON MATERIAL OBTAINED
FR3058166B1 (en) 2016-10-28 2018-11-23 Arkema France PROCESS FOR PRODUCING CARBON FIBERS FROM BIOSOURCE PRECURSORS AND CARBON FIBERS OBTAINED
RU2679265C2 (en) * 2016-11-29 2019-02-06 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Эльбрус" Method for finishing lyocell hydrated cellulose fiber in producing precursor of carbon fiber material
CN114084885B (en) * 2021-11-04 2023-10-17 海南柯林科技有限公司 Equipment for stripping cattail raw material for preparing cattail activated carbon fiber
KR102651010B1 (en) 2023-03-10 2024-03-25 주식회사 익성 Method of preparing cellulose knit activated carbon fiber fabric and cellulose knit activated carbon fiber fabric prepared from the same
KR102651011B1 (en) 2023-03-10 2024-03-25 주식회사 익성 Method of preparing cellulose knit carbon fiber fabric, cellulose knit carbon fiber fabric, method of preparing graphitized fiber fabric and graphitized fiber fabric

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008248457A (en) 2007-03-30 2008-10-16 Nano Carbon Technologies Kk Carbon fiber composite and method for producing the carbon fiber composite
WO2010107762A1 (en) 2009-03-16 2010-09-23 Aksay Ilhan A Polymeric fibers and articles made therefrom

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008248457A (en) 2007-03-30 2008-10-16 Nano Carbon Technologies Kk Carbon fiber composite and method for producing the carbon fiber composite
WO2010107762A1 (en) 2009-03-16 2010-09-23 Aksay Ilhan A Polymeric fibers and articles made therefrom

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230158939A (en) 2022-05-13 2023-11-21 전주대학교 산학협력단 A lyocell-based carbon fiber or textile manufacturing method using only radiation pretreatment without cross-linking agents or flame retardants treatment

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