KR101274662B1 - Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom - Google Patents

Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom Download PDF

Info

Publication number
KR101274662B1
KR101274662B1 KR1020120002008A KR20120002008A KR101274662B1 KR 101274662 B1 KR101274662 B1 KR 101274662B1 KR 1020120002008 A KR1020120002008 A KR 1020120002008A KR 20120002008 A KR20120002008 A KR 20120002008A KR 101274662 B1 KR101274662 B1 KR 101274662B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer solution
carbon
acrylonitrile
polyacrylonitrile
solvent
Prior art date
Application number
KR1020120002008A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130062218A (en
Inventor
유웅열
이병선
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Publication of KR20130062218A publication Critical patent/KR20130062218A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101274662B1 publication Critical patent/KR101274662B1/en

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • D01F9/225Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles from stabilised polyacrylonitriles
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0015Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/28Formation of filaments, threads, or the like while mixing different spinning solutions or melts during the spinning operation; Spinnerette packs therefor
    • D01D5/30Conjugate filaments; Spinnerette packs therefor
    • D01D5/34Core-skin structure; Spinnerette packs therefor
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/18Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polymers of unsaturated nitriles, e.g. polyacrylonitrile, polyvinylidene cyanide
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F8/00Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof
    • D01F8/04Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof from synthetic polymers
    • D01F8/08Conjugated, i.e. bi- or multicomponent, artificial filaments or the like; Manufacture thereof from synthetic polymers with at least one polyacrylonitrile as constituent
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00Inorganic fibres
    • D10B2101/10Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12Carbon; Pitch
    • D10B2101/122Nanocarbons
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

본 발명은 탄소나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, (S1) 폴리아크릴로니트릴을 제1 용매에 용해시킨 제1 고분자 용액과, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 제2 용매에 용해시킨 제2 고분자 용액과, 폴리아크릴로니트릴을 제3 용매에 용해시킨 제3 고분자 용액을 각각 준비하는 단계; (S2) 제1 노즐에 상기 제1 고분자 용액을 공급하고, 상기 제1 노즐을 감싸는 제2 노즐에 상기 제2 고분자 용액을 공급하고, 상기 제2 노즐을 감싸는 제3 노즐에 상기 제3 고분자 용액을 공급하고 동시에 전기방사하여, 코어부-미디움층-쉘층을 포함하는 복합섬유를 얻는 단계; (S3) 상기 복합섬유를 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 상기 복합섬유의 폴리아크릴로니트릴을 안정화하는 단계; 및 (S4) 상기 안정화된 폴리아크릴로니트릴이 탄화되면서 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 열분해하여 제거되도록 상기 (S3)의 결과물을 소성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 폴리아크릴로니트릴과 친화성이 우수하면서도 열적 안정성이 높은 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 용액을 복합하여 전기방사함으로서, 다층 구조의 단면을 갖는 탄소나노섬유를 용이하게 제조할 수 있다.
The present invention relates to a method for producing carbon nanofibers, comprising: (S1) a first polymer solution in which polyacrylonitrile is dissolved in a first solvent, and an acrylonitrile-containing copolymer having a pyrolysis temperature of 300 to 600 ° C. Preparing a second polymer solution dissolved in a solvent and a third polymer solution obtained by dissolving polyacrylonitrile in a third solvent; (S2) supplying the first polymer solution to a first nozzle, supplying the second polymer solution to a second nozzle surrounding the first nozzle, and supplying the third polymer solution to a third nozzle surrounding the second nozzle Supplying and simultaneously electrospinning to obtain a composite fiber including a core part-medium layer-shell layer; (S3) heat treating the composite fiber at a temperature lower than the thermal decomposition temperature of the acrylonitrile-containing copolymer to stabilize the polyacrylonitrile of the composite fiber; And (S4) calcining the resultant of (S3) to remove the acrylonitrile-containing copolymer by thermal decomposition while the stabilized polyacrylonitrile is carbonized.
According to the present invention, carbon nanofibers having a cross-section of a multi-layer structure can be easily manufactured by electrospinning a solution of a polyacrylonitrile and an acrylonitrile-containing copolymer having excellent affinity and high thermal stability. .

Description

전기방사에 의한 다층 탄소나노섬유의 제조방법 및 이로부터 형성된 다층 탄소나노섬유{Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom}Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom}

본 발명은 탄소나노섬유의 전구체인 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 용액을 이종의 고분자 용액과 복합 전기방사한 다음, 소성과정을 통해 이종의 고분자를 제거하여 다층 탄소나노섬유를 제조하는 방법과 이로부터 형성된 다층 탄소나노섬유에 관한 것이다. The present invention is a method of producing a multi-layer carbon nanofibers by complex electrospinning a solution of polyacrylonitrile (PAN), a precursor of carbon nanofibers with a heterogeneous polymer solution, and then removing the heterogeneous polymer through a sintering process. It relates to a multilayer carbon nanofiber formed from.

탄소섬유는 출발물질에 따라 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)계, 피치(pitch)계, 페놀(phenol)계 등으로 분류된다. 특히, 폴리아크릴로니트릴을 출발물질로 사용한 탄소섬유는 우수한 전기적, 열적, 기계적 물성으로 인하여 가스분리, 정수, 촉매, 에너지 저장 및 전환소자 등의 다양한 분야에 적용이 시도되고 있다.Carbon fibers are classified into polyacrylonitrile (PAN, polyacrylonitrile), pitch, and phenol based on starting materials. In particular, carbon fiber using polyacrylonitrile as a starting material has been attempted to be applied to various fields such as gas separation, water purification, catalyst, energy storage, and conversion devices due to its excellent electrical, thermal, and mechanical properties.

폴리아크릴로니트릴을 출발물질로 하여 탄소섬유를 제조하는 방법으로는 폴리아크릴로니트를 적정한 용매에 용해시킨 용액을 방사구금을 통해 방사하여 섬유상으로 형성한 다음, 산화성 가스 분위기에서 열처리하여 안정화(불융화)시키고, 불활성 분위기에서 소성하여 안정화된 폴리아크릴로니트릴을 탄화(또는 흑연화)하여 탄소(흑연)섬유를 제조하는 방법이 이용된다. As a method for producing carbon fibers using polyacrylonitrile as a starting material, a solution obtained by dissolving polyacrylonitrile in a suitable solvent is spun through spinnerets to form a fibrous form, and then stabilized by heat treatment in an oxidizing gas atmosphere. And carbonized (or graphitized) the stabilized polyacrylonitrile by calcining in an inert atmosphere.

통상적인 방사법에 의해 제조된 탄소섬유는 직경이 5-50㎛ 내외로서, 직경이 커서 탄소섬유 특유의 물성을 발현시키는데 한계가 있으므로, 최근에는 폴리아크릴로니트릴 용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 제조하는 방법이 제안되었다. 전기방사를 이용한 탄소나노섬유 제조공정에 따르면, 폴리아크릴로니트릴 용액을 +(-) 전극을 갖는 방사노즐을 통해 방사한 다음, 이를 반대 전하의 전극을 갖거나 또는 접지된 셕션 콜렉터(suction collector)로 포집하여 초극세 섬유를 제조하고, 이를 전술한 안정화-탄화공정을 통해 탄소나노섬유를 얻는다. 이와 같은 방법에 의해 1㎛ 이하의 초극세사(나노섬유)로 탄소나노섬유를 얻을 수 있다.The carbon fiber produced by the conventional spinning method has a diameter of about 5-50 μm, and because of its large diameter, there is a limit in expressing physical properties specific to the carbon fiber. A method has been proposed. According to the carbon nanofiber manufacturing process using electrospinning, a polyacrylonitrile solution is spun through a spinning nozzle having a + (-) electrode, and then a suction collector having an electrode of opposite charge or grounding. The ultrafine fibers are collected to obtain carbon nanofibers through the stabilization-carbonization process described above. By such a method, carbon nanofibers can be obtained with ultra-fine fibers (nanofibers) of 1 µm or less.

그러나, 전술한 방법으로 제조된 탄소나노섬유는 단면 형상이 원형이므로, 비표면적이 작고 담체의 역할을 수행하는데 한계가 있는 등, 그 용도가 제한적이다. 따라서, 탄소나노섬유의 단면을 C 형상 또는 중공 형상으로 제조하여, 비표면적을 높이고 담체의 역할도 수행이 가능하도록 하는 기술이 제안되고 있다.However, since the carbon nanofibers produced by the above-described method have a circular cross-sectional shape, their use is limited, such as a small specific surface area and a limitation in performing the role of a carrier. Therefore, a technique for producing a cross section of carbon nanofibers in a C shape or a hollow shape to increase a specific surface area and to perform a role of a carrier has been proposed.

예를 들어, 한국 등록특허 0783490호에는 폴리아크릴로니트릴 용액과 폴리메틸메타크릴레이트 용액을 동시에 전기방사하여 C 형상의 단면을 갖는 탄소나노섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 제조방법에 따르면, 먼저 폴리아크릴로니트릴 용액과 폴리메틸메타크릴레이트 용액을 Y형 노즐로 복합 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴로 된 쉘부가 폴리메타크릴레이트로 된 코어부의 외면을 부분적으로 감싸도록 코어-쉘형 복합섬유를 제조한 다음, 코어-쉘형 복합섬유를 열처리하여 폴리아크릴로니트릴을 안정화한 후, 이를 소성하여 안정화된 폴리아크릴로니트릴을 탄화시키면서 폴리메타크릴레이트를 열분해시켜 C 형상의 단면을 갖는 탄소나노섬유를 얻는다. 이러한 방법은 방사되는 폴리아크릴로니트릴 용액이 폴리메타크릴레이트 용액을 완전히 감싸도록 설계된 노즐을 이용하여 코어부가 빈 중공형 단면을 갖는 탄소나노섬유를 제조하는 방법에도 동일하게 적용된다. For example, Korean Patent No. 0783490 discloses a method of producing carbon nanofibers having a C-shaped cross section by simultaneously electrospinning a polyacrylonitrile solution and a polymethyl methacrylate solution. According to this manufacturing method, first, the polyacrylonitrile solution and the polymethyl methacrylate solution are composite electrospun with a Y-type nozzle so that the shell portion made of polyacrylonitrile partially covers the outer surface of the core portion made of polymethacrylate. After preparing the core-shell composite fiber, heat treating the core-shell composite fiber to stabilize the polyacrylonitrile, and calcining the same to thermally decompose the polymethacrylate while carbonizing the stabilized polyacrylonitrile to form a C-shaped cross section. Carbon nanofibers are obtained. This method is equally applicable to a method of producing carbon nanofibers having a hollow hollow cross section of a core part by using a nozzle in which the spun polyacrylonitrile solution is completely wrapped around the polymethacrylate solution.

그런데, 폴리아크릴로니트릴 용액과 폴리메틸메타크릴레이트 용액을 복합 전기방사하면, 방사성이 좋지 않고 두 용액 상호간 섞임도가 높아 균일한 코어-쉘형 복합섬유를 제조하기 어렵다. 또한, 폴리아크릴로니트릴을 안정화하기 위해 코어-쉘형 복합섬유를 열처리하는 경우, 내열성이 좋지 않은 폴리메틸메타크릴레이트 코어부는 안정한 지지체 역할을 수행하지 못하여 원하는 단면을 갖는 카본나노섬유를 얻기 어렵다. 즉, 안정화 공정은 약 200℃ 이상(350℃ 이하에서 통상적으로 선택됨)에서 이루어지는데, 이러한 열처리 과정에서 열적 안정성이 좋지 않은 폴리메틸메타크릴레이트로 된 코어부가 수축하게 된다. 이에 따라, 안정화 과정에서 폴리아크릴로니트릴 쉘부가 코어부로 침투하게 되므로, 최종적으로 얻어지는 탄소나노섬유는 중공부가 매우 작게 형성되거나, C 형상의 단면을 갖는 탄소나노섬유를 얻기 어렵다. However, when the composite electrospinning of the polyacrylonitrile solution and the polymethyl methacrylate solution is difficult, it is difficult to produce a uniform core-shell composite fiber because of poor radioactivity and high mixing between the two solutions. In addition, in the case of heat-treating the core-shell composite fiber to stabilize the polyacrylonitrile, the polymethyl methacrylate core portion having poor heat resistance does not function as a stable support, and thus it is difficult to obtain a carbon nanofiber having a desired cross section. That is, the stabilization process is performed at about 200 ° C. or more (typically selected at 350 ° C. or less), and the core part made of polymethyl methacrylate, which is poor in thermal stability, shrinks. Accordingly, since the polyacrylonitrile shell portion penetrates into the core portion during stabilization, the finally obtained carbon nanofibers have a very small hollow portion or are difficult to obtain carbon nanofibers having a C-shaped cross section.

또한, 중공형 탄소나노섬유 또는 C 형상의 단면을 갖는 탄소나노섬유는 그 형상으로 인하여 다양한 분야에 적용하기에는 한계가 있다.In addition, the hollow carbon nanofibers or carbon nanofibers having a C-shaped cross section have limitations in application to various fields due to their shape.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 폴리아크릴로니트릴을 전구체로 하여, 다양한 분야에 적용이 가능하도록 다층 구조로 된 탄소나노섬유를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법 및 이로부터 형성된 다층 탄소나노섬유를 제공하는데 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is a polyacrylonitrile as a precursor, a method for producing a carbon nanofiber having a multi-layer structure so that it can be applied to various fields and a multi-layered carbon nanofiber formed therefrom To provide.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다층 탄소나노섬유의 제조방법은, Method for producing a multilayer carbon nanofiber according to the present invention to achieve the above object,

(S1) 폴리아크릴로니트릴을 제1 용매에 용해시킨 제1 고분자 용액과, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 제2 용매에 용해시킨 제2 고분자 용액과, 폴리아크릴로니트릴을 제3 용매에 용해시킨 제3 고분자 용액을 각각 준비하는 단계;(S1) A first polymer solution in which polyacrylonitrile is dissolved in a first solvent, a second polymer solution in which an acrylonitrile-containing copolymer having a pyrolysis temperature of 300 to 600 ° C. is dissolved in a second solvent, and polyacrylonitrile. Preparing a third polymer solution in which nitriles are dissolved in a third solvent;

(S2) 제1 노즐에 상기 제1 고분자 용액을 공급하고, 상기 제1 노즐을 감싸는 제2 노즐에 상기 제2 고분자 용액을 공급하고, 상기 제2 노즐을 감싸는 제3 노즐에 상기 제3 고분자 용액을 공급하고 동시에 전기방사하여, 코어부-미디움층-쉘층을 포함하는 복합섬유를 얻는 단계; (S2) supplying the first polymer solution to a first nozzle, supplying the second polymer solution to a second nozzle surrounding the first nozzle, and supplying the third polymer solution to a third nozzle surrounding the second nozzle Supplying and simultaneously electrospinning to obtain a composite fiber including a core part-medium layer-shell layer;

(S3) 상기 복합섬유를 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 상기 복합섬유의 폴리아크릴로니트릴을 안정화하는 단계; 및(S3) heat treating the composite fiber at a temperature lower than the thermal decomposition temperature of the acrylonitrile-containing copolymer to stabilize the polyacrylonitrile of the composite fiber; And

(S4) 상기 안정화된 폴리아크릴로니트릴이 탄화되면서 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 열분해하여 제거되도록 상기 (S3)의 결과물을 소성하는 단계를 포함한다. (S4) calcining the resultant of (S3) such that the acrylonitrile-containing copolymer is thermally decomposed while the stabilized polyacrylonitrile is carbonized.

본 발명의 다층 탄소나노섬유 제조방법에 있어서, 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 카르복시화 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-이소프렌 공중합체, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴 공중합체 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. In the method for producing a multilayer carbon nanofiber of the present invention, the acrylonitrile-containing copolymer is a styrene-acrylonitrile copolymer, an acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, an acrylonitrile-butadiene copolymer, or a carboxylated acryl It is preferable to use a nitrile-butadiene copolymer, an acrylonitrile-isoprene copolymer, an acrylonitrile-styrene-acrylic copolymer, etc., individually or in mixture of two or more thereof.

본 발명의 탄소나노섬유 제조방법에 있어서, 상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 독립적으로 N-N-디메틸 포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸 아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 에틸렌 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 동일한 용매를 사용하는 것이 바람직하다. In the carbon nanofiber manufacturing method of the present invention, the first solvent, the second solvent and the third solvent are independently of each other NN-dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl acetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene carbonate Etc. can be used individually or in mixture of 2 or more types of these, respectively. It is preferable to use the same solvent for a 1st solvent, a 2nd solvent, and a 3rd solvent.

본 발명의 탄소나노섬유 제조방법에 있어서, 상기 제1 고분자 용액, 상기 제3 고분자 용액, 또는 상기 제1 고분자 용액과 제3 고분자 용액 모두에는 열분해 온도가 600℃ 이하인 고분자를 더 용해시킬 수 있다. 이러한 고분자로는 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈 등과 같이 전술한 열분해 온도 범위를 갖는 고분자라면 모두 사용이 가능하나, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 고분자 용액에는 폴리아크릴로니트릴을 더 용해시킬 수 있는데, 이 때 상기 제2 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량은 상기 제1 고분자 용액 및 제3 고분자용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량보다 낮게 제조할 수 있고, 상기 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량을 순차적으로 높아지도록 제조할 수도 있다.In the carbon nanofiber manufacturing method of the present invention, a polymer having a pyrolysis temperature of 600 ° C. or less may be further dissolved in the first polymer solution, the third polymer solution, or both the first polymer solution and the third polymer solution. Such polymers may be used as long as the polymers have the above-described pyrolysis temperature range, such as polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinylacetate, polyvinylpyrrolidone, etc., but the pyrolysis temperature is 300 to 600 ° C. It is preferable that it is an acrylonitrile containing copolymer. In addition, polyacrylonitrile may be further dissolved in the second polymer solution, wherein the polyacrylonitrile content of the second polymer solution is higher than the polyacrylonitrile content of the first polymer solution and the third polymer solution. It can manufacture low, and it can also manufacture so that the polyacrylonitrile content of the said 1st polymer solution, the 2nd polymer solution, and the 3rd polymer solution may increase sequentially.

또한, 상기 제2 고분자 용액에는 양극 활물질 분말이나 음극 활물질 분막과 같은 전극 활물질 분말의 미세분말을 더 분산시킬 수 있다. 이러한 전극 활물질 분말로는 Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 합금, 산화물 또는 황화물을 사용할 수 있다. 이 외에 본 발명의 다층 탄소나노섬유에 담지할 수 있는 다양한 물질들을 더 분산시킬 수도 있다.The second polymer solution may further disperse the fine powder of the electrode active material powder such as the positive electrode active material powder or the negative electrode active material powder. Such electrode active material powders include alloys and oxides containing at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca, and V. Or sulfides may be used. In addition, it is possible to further disperse various materials that can be supported on the multi-layered carbon nanofiber of the present invention.

형성된 다층 탄소나노섬유의 직경은 50 내지 1000nm인 것이 바람직하고 50 내지 500nm인 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 코어부의 직경은 10 내지 450nm이고, 미디움층의 두께는 10 내지 450nm이고, 쉘층의 두께는 10 내지 450nm인 것이 더욱 바람직하다. The diameter of the formed multi-walled carbon nanofibers is preferably 50 to 1000 nm, more preferably 50 to 500 nm. In addition, the core portion has a diameter of 10 to 450 nm, a medium layer having a thickness of 10 to 450 nm, and a shell layer having a thickness of 10 to 450 nm.

본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제1 고분자 용액 및 제2 고분자 용액은 전단력으로 상기 제1 노즐을 통해 토출하고, 상기 제3 고분자 용액은 정전기적 척력으로 토출하는 것이 바람직하다. In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the first polymer solution and the second polymer solution are discharged through the first nozzle with shear force, and the third polymer solution is discharged with electrostatic repulsive force.

전술한 제조방법에 따르면, 다음과 같은 구조를 갖는 다층 탄소나노섬유를 제조할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.According to the above-described manufacturing method, it is possible to manufacture a multilayer carbon nanofibers having the following structure, but is not limited thereto.

제1 형태로서, (a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;A first aspect, comprising: (a) a carbon core portion extending in a longitudinal direction;

(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 빈 공간의 미디움층; 및(b) a medium layer of an empty space formed to surround the carbon core part; And

(c) 상기 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하는 다층 탄소나노섬유를 얻을 수 있다.(c) A multilayer carbon nanofiber having a carbon shell layer formed to surround the medium layer may be obtained.

여기서, 상기 미디움층은 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층을 서로 연결하는 탄소 브리지부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비할 수 있다. Here, the medium layer may be a carbon bridge portion connecting the carbon core portion and the carbon shell layer to each other. In addition, the carbon core portion and the carbon shell layer may have pores.

또한, 제2 형태로서, (a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;Further, as a second aspect, (a) a carbon core portion extending in the longitudinal direction;

(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 탄소 미디움층; 및(b) a carbon medium layer formed to surround the carbon core part; And

(c) 상기 탄소 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하고,(c) a carbon shell layer formed to surround the carbon medium layer,

상기 탄소 미디움층은 기공들을 구비하는 것을 다층 탄소나노섬유를 얻을 수 있다.The carbon medium layer may have multilayer carbon nanofibers having pores.

여기서, 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비할 수 있으며, 상기 탄소 코어부, 탄소 미디움층 및 탄소 쉘층의 기공율은 순차적으로 낮아지게 할 수 있다.Here, the carbon core portion and the carbon shell layer may include pores, and the porosity of the carbon core portion, the carbon medium layer, and the carbon shell layer may be sequentially lowered.

본 발명에 따르면, 폴리아크릴로니트릴과 친화성이 우수하면서도 열적 안정성이 높은 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 용액을 복합하여 전기방사함으로서 방사성이 양호해지고, 다층 구조로 된 단면을 갖는 탄소나노섬유를 용이하게 제조할 수 있다. According to the present invention, by spinning a solution of the acrylonitrile-containing copolymer having excellent affinity and high thermal stability with polyacrylonitrile and electrospinning, it is easy to spin the carbon nanofibers having a cross-section of a multi-layer structure Can be manufactured.

또한, 제조공정 과정에서 적절한 고분자를 첨가하여 기공들을 갖는 탄소나노섬유를 제조할 수 있으며, 전극 활물질 분말을 첨가하여 전기화학소자의 전극으로 활용할 수도 있다. 이 외에, 다층 탄소나노튜브의 제조공정 중, 또는 제조후에 다양한 물질을 다층 탄소나노튜브에 담지시켜 가스분리, 정수, 촉매, 에너지 저장 및 전환소자 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.In addition, carbon nanofibers having pores may be prepared by adding an appropriate polymer in the manufacturing process, and may be used as an electrode of an electrochemical device by adding an electrode active material powder. In addition, various materials may be supported on the multilayer carbon nanotubes during or after the manufacturing process of the multilayer carbon nanotubes, thereby being applicable to various fields such as gas separation, water purification, catalysts, energy storage, and conversion devices.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 용이하게 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 복합 전기방사를 하기 위한 3층 공축 노즐 시스템의 단면을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 복합 전기방사를 하기 위한 3층 공축 노즐 시스템의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 안정화 및 소성 공정의 조건을 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1에 따라 얻은 다층 탄소나노섬유의 모식도(a), TEM 사진(b) 및 SEM 사진(c)이다.
도 5는 실시예 2에 따라 얻은 다층 탄소나노섬유의 모식도(a), TEM 사진(b) 및 SEM 사진(c)이다.
The following drawings, which are attached to this specification, illustrate exemplary embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention, serve to facilitate understanding of the technical spirit of the present invention. It should not be construed as limited to matters.
1 is a schematic diagram schematically showing a cross section of a three-layer coaxial nozzle system for composite electrospinning in accordance with one embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a three-layer coaxial nozzle system for composite electrospinning in accordance with one embodiment of the present invention.
3 is a view showing the conditions of the stabilization and firing process according to the embodiment.
4 is a schematic diagram (a), TEM photograph (b) and SEM photograph (c) of multilayer carbon nanofibers obtained in Example 1. FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram (a), TEM photograph (b) and SEM photograph (c) of multilayer carbon nanofibers obtained in Example 2. FIG.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명의 다층 탄소나노섬유의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for producing a multilayer carbon nanofiber of the present invention in detail as follows.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다층 탄소나노섬유의 제조방법은, Method for producing a multilayer carbon nanofiber according to the present invention to achieve the above object,

먼저, 폴리아크릴로니트릴을 제1 용매에 용해시킨 제1 고분자 용액과, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 제2 용매에 용해시킨 제2 고분자 용액과, 폴리아크릴로니트릴을 제3 용매에 용해시킨 제3 고분자 용액을 각각 준비한다. First, a first polymer solution in which polyacrylonitrile is dissolved in a first solvent, a second polymer solution in which an acrylonitrile-containing copolymer having a thermal decomposition temperature of 300 to 600 ° C. is dissolved in a second solvent, and polyacrylonitrile To prepare a third polymer solution dissolved in a third solvent.

아크릴로니트릴 함유 공중합체는 폴리아크릴로니트릴과 같이 아크릴로니트릴 단량체를 포함하여 공중합된 공중합체이므로, 폴리아크릴로니트릴과 친화성이 양호하다. 본 발명자들은 이러한 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 폴리아크릴로니트릴과의 친화성으로 인하여, 폴리메틸메타크릴레이트와는 달리 복합 전기방사시 방사성이 매우 우수함을 발견하였다. 즉, 폴리아크릴로니트릴 용액과 아크릴로니트릴 함유 공중합체 용액을 복합 전기방사하면, 균일한 코어-쉘 구조의 복합섬유를 용이하게 제조할 수 있었다. The acrylonitrile-containing copolymer is a copolymer copolymerized with an acrylonitrile monomer such as polyacrylonitrile, and thus has good affinity with polyacrylonitrile. The inventors have found that these acrylonitrile-containing copolymers have very good radioactivity during complex electrospinning, unlike polymethylmethacrylate due to their affinity with polyacrylonitrile. That is, composite electrospinning of the polyacrylonitrile solution and the acrylonitrile-containing copolymer solution could easily produce a composite fiber having a uniform core-shell structure.

또한, 사용되는 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 열분해 온도가 300 내지 600℃로서, 폴리메틸메타크릴레이트보다 열적 안정성이 우수하다. 폴리아크릴로니트릴의 안정화 공정은 통상 200 내지 350℃(가장 통상적으로는 300℃ 이하)에서 진행하므로, 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 안정화 공정에서 열분해되지 않도록 최소한 300℃ 이상의 열분해 온도를 갖는다. 또한, 안정화된 폴리아크릴로니트릴을 탄화시키는 공정은 통상적으로 최소한 600℃를 초과하는 온도에서 진행되므로, 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 최대 600℃의 열분해 온도를 갖는다. 이러한 아크릴로니트릴 함유 공중합체로는 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 카르복시화 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴-이소프렌 공중합체, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴 공중합체 등을 들 수 있으며, 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. In addition, the acrylonitrile-containing copolymer used has a thermal decomposition temperature of 300 to 600 ° C., which is superior in thermal stability to polymethyl methacrylate. Since the stabilization process of polyacrylonitrile usually proceeds at 200 to 350 ° C. (most typically 300 ° C. or less), the acrylonitrile-containing copolymer has a pyrolysis temperature of at least 300 ° C. to prevent thermal decomposition in the stabilization process. In addition, the process of carbonizing stabilized polyacrylonitrile typically proceeds at temperatures above at least 600 ° C., thus acrylonitrile containing copolymers have a pyrolysis temperature of at most 600 ° C. Such acrylonitrile-containing copolymers include styrene-acrylonitrile copolymer, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, carboxylated acrylonitrile-butadiene copolymer, acrylonitrile-isoprene air A copolymer, an acrylonitrile-styrene-acryl copolymer, etc. can be mentioned, It can respectively use individually or in mixture of 2 or more types.

이와 같이, 폴리아크릴로니트릴을 안정화하기 위해 폴리아크릴로니트릴로 된 코어부-아크릴로니트릴 함유 공중합체로 된 미디움층-폴리아크릴로니트릴로 된 쉘층을 구비한 복합섬유를 열처리하는 경우, 내열성이 우수한 아크릴로니트릴 함유 공중합체 미디움부는 폴리메틸메타크릴레이트와 달리 수축을 거의 하지 않고 지지체 역할을 안정하게 수행한다. 물론, 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 공중합된 다른 단량체 성분에 의해 안정화 공정에서 안정화(불융화)되지 않는다. 즉, 아크릴로니트릴 함유 공중합체로 된 미디움층은 후술하는 폴리아크릴로니트릴의 탄화를 위한 소성공정에서 열분해되어 제거된다. 이에 따라, 원하는 크기를 갖는 중공부 단면을 갖는 다층 탄소나노섬유를 용이하게 얻을 수 있다. Thus, when heat-treating a composite fiber having a shell layer of a medium layer-polyacrylonitrile of a core-acrylonitrile-containing copolymer of polyacrylonitrile to stabilize polyacrylonitrile, heat resistance The excellent acrylonitrile-containing copolymer medium part, unlike polymethylmethacrylate, performs a stable support role with little shrinkage. Of course, the acrylonitrile-containing copolymer is not stabilized (incompatible) in the stabilization process by other copolymerized monomer components. That is, the medium layer of the acrylonitrile-containing copolymer is thermally decomposed and removed in the firing process for carbonization of the polyacrylonitrile described later. Accordingly, it is possible to easily obtain a multi-layered carbon nanofiber having a hollow cross section having a desired size.

본 발명의 탄소나노섬유 제조방법에 있어서, 폴리아크릴로니트릴과 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 각각 용해시키기 위한 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 독립적으로 N-N-디메틸 포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸 아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 에틸렌 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액의 상호간 친화성을 더욱 향상시키기 위하여 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 친화성이 높은 용매를 사용하는 것이 바람직한데, 동일한 용매를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. In the carbon nanofiber manufacturing method of the present invention, the first solvent, the second solvent and the third solvent for dissolving the polyacrylonitrile and the acrylonitrile-containing copolymer, respectively, are independently of each other NN-dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide. Said, dimethyl acetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene carbonate, etc. can be used individually or in mixture of 2 or more of these, respectively. In order to further improve the affinity of the first polymer solution, the second polymer solution and the third polymer solution, it is preferable to use a solvent having high affinity for the first solvent, the second solvent, and the third solvent. It is more preferable to use.

본 발명의 탄소나노섬유 제조방법에 있어서, 상기 제1 고분자 용액, 상기 제3 고분자 용액, 또는 상기 제1 고분자 용액과 제3 고분자 용액 모두에는 열분해 온도가 600℃ 이하인 고분자를 더 용해시킬 수 있다. 이러한 고분자로는 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈 등과 같이 전술한 열분해 온도 범위를 갖는 고분자라면 모두 사용이 가능하나, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체인 것이 바람직하다. 제1 고분자 용액, 제3 고분자 용액 또는 이들 모두에 용해된 열분해 온도가 600℃ 이하인 고분자는 소성 과정에서 열분해되어 제거되므로, 코어부와 쉘층에 기공을 형성시킬 수 있다. 특히, 이러한 고분자로서 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 사용하는 경우, 폴리아크릴로니트릴의 안정화 공정에서 제거되지 않으므로 본 발명의 목적을 저해하지 않을 수 있다.In the carbon nanofiber manufacturing method of the present invention, a polymer having a pyrolysis temperature of 600 ° C. or less may be further dissolved in the first polymer solution, the third polymer solution, or both the first polymer solution and the third polymer solution. Such polymers may be used as long as the polymers have the above-described pyrolysis temperature range, such as polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinylacetate, polyvinylpyrrolidone, etc., but the pyrolysis temperature is 300 to 600 ° C. It is preferable that it is an acrylonitrile containing copolymer. Since the polymer having a thermal decomposition temperature of 600 ° C. or less dissolved in the first polymer solution, the third polymer solution, or both thereof is pyrolyzed and removed during the sintering process, pores may be formed in the core part and the shell layer. In particular, when using the acrylonitrile-containing copolymer having a pyrolysis temperature of 300 to 600 ℃ as such a polymer, it is not removed in the stabilization process of polyacrylonitrile may not impair the object of the present invention.

또한, 상기 제2 고분자 용액에는 폴리아크릴로니트릴을 더 용해시킬 수 있는데, 이에 따라 소성공정 후에는 미디움층이 빈 공간으로 형성되는 것이 아니라 폴리아크릴이 탄화된 부분이 남게 된다. 제2 고분자 용액에 첨가되는 폴리아크릴로니트릴의 함량에 따라 미디움층의 형상은 달라지게 되는데, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴의 함량을 폴리아크릴로니트릴 함유 공중합체 대비 1/3의 양으로 첨가하면, 상기 미디움층은 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층을 서로 연결하는 탄소 브리지부가 형성될 수 있다. 물론 탄소 브리지부 외의 공간은 빈 공간으로 남는다. 또한, 폴리아크릴로니트릴의 함량을 다량 첨가하면, 코어부와 쉘층과 같이 탄소 구조체에 기공이 형성된 구조가 형성된다. 즉, 상기 제2 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량을 상기 제1 고분자 용액 및 제3 고분자용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량보다 낮게 제조하여 브리지부가 형성된 미디움층을 형성할 수도 있고, 상기 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량을 순차적으로 높아지도록 제조하여, 코어부-미디움층-쉘층의 기공율이 점점 낮아지는 3층 탄소구조체로 된 탄소나노섬유를 제조할 수도 있다. In addition, polyacrylonitrile may be further dissolved in the second polymer solution. Thus, after the firing process, the medium layer is not formed as an empty space, but a portion where the polyacryl is carbonized remains. The shape of the medium layer is changed according to the amount of polyacrylonitrile added to the second polymer solution. For example, when the amount of polyacrylonitrile is added in an amount of 1/3 of the polyacrylonitrile-containing copolymer, The medium layer may include a carbon bridge portion connecting the carbon core portion and the carbon shell layer to each other. Of course, the space other than the carbon bridge portion remains empty. In addition, when a large amount of polyacrylonitrile is added, a structure in which pores are formed in the carbon structure such as the core portion and the shell layer is formed. That is, the polyacrylonitrile content of the second polymer solution may be lower than the polyacrylonitrile content of the first polymer solution and the third polymer solution to form a medium layer having a bridge portion, and the first polymer solution Also, the polyacrylonitrile content of the second polymer solution and the third polymer solution may be sequentially increased to produce carbon nanofibers having a three-layer carbon structure in which the porosity of the core portion, the medium layer, and the shell layer is gradually lowered. have.

또한, 상기 제2 고분자 용액에는 양극 활물질 분말이나 음극 활물질 분막과 같은 전극 활물질 분말의 미세분말을 더 분산시킬 수 있다. 이러한 전극 활물질 분말로는 Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 합금, 산화물 또는 황화물을 사용할 수 있다. 소성공정을 통해 아크릴니트릴 함유 공중합체는 제거되나, 전극 활물질 분말은 다층 탄소나노섬유의 내면에 잔존하게 된다. 이에 따라, 전기화학소자의 전극으로서 사용이 가능하다. 특히, 실리콘 음극은 충방전시 부피변화가 커서 음극으로서의 사용이 제한되어 왔는데, 다층 탄소나노섬유의 코어부와 쉘층 사이에 위치한 실리콘 음극재는 탄소나노섬유에 의해 부피변화가 제어될 수 있다. 특히 다층 탄소나노섬유의 코어부는 컨덕팅 패스로서 작용할 수 있으므로, 이온 전도성이 원활히 유지될 수 있다. 이 외에 본 발명의 다층 탄소나노섬유에 담지할 수 있는 다양한 물질들을 더 분산시킬 수도 있으며, 소성공정에서 파괴될 수 있는 물질은 다층 탄소나노섬유를 제조한 다음 공지의 다양한 방법으로 담지시킬 수 있음은 물론이다.The second polymer solution may further disperse the fine powder of the electrode active material powder such as the positive electrode active material powder or the negative electrode active material powder. Such electrode active material powders include alloys and oxides containing at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca, and V. Or sulfides may be used. The acrylonitrile-containing copolymer is removed through the firing process, but the electrode active material powder remains on the inner surface of the multilayer carbon nanofibers. Thereby, it can be used as an electrode of an electrochemical element. In particular, since the silicon anode has a large volume change during charge and discharge, its use as a cathode has been limited, and the silicon anode material located between the core portion and the shell layer of the multilayer carbon nanofibers can be controlled by the carbon nanofibers. In particular, since the core portion of the multi-layered carbon nanofibers can act as a conducting pass, ion conductivity can be maintained smoothly. In addition, it is possible to further disperse various materials that can be supported on the multi-layered carbon nanofiber of the present invention, the material that can be destroyed in the firing process can be supported by a variety of known methods after manufacturing the multi-layered carbon nanofibers Of course.

이어서, 제1 노즐에 상기 제1 고분자 용액을 공급하고, 상기 제1 노즐을 감싸는 제2 노즐에 상기 제2 고분자 용액을 공급하고, 상기 제2 노즐을 감싸는 제3 노즐에 상기 제3 고분자 용액을 공급하고 동시에 전기방사하여, 코어부-미디움층-쉘층을 포함하는 복합섬유를 얻는다(S2 단계). Subsequently, the first polymer solution is supplied to a first nozzle, the second polymer solution is supplied to a second nozzle surrounding the first nozzle, and the third polymer solution is supplied to a third nozzle surrounding the second nozzle. Simultaneously feeding and electrospinning yields a composite fiber comprising a core portion-a medium layer-a shell layer (step S2).

이러한 형상의 복합섬유를 얻는 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 설계한 3층 공축 노즐을 이용하여 전기방사함으로서 얻을 수 있다. 즉, 예시된 노즐 게이지를 갖는 3층 공축 노즐을 이용하여, 제1 노즐(도 1 및 도 2의 core로 표시된 부분)에 상기 제1 고분자 용액을 공급하고, 상기 제1 노즐을 감싸는 제2 노즐(도 1 및 도 2의 medium이라고 표시된 부분)에 상기 제2 고분자 용액을 공급하고, 상기 제2 노즐을 감싸는 제3 노즐(도 1 및 도 2에 shell이라고 표시된 부분)에 상기 제3 고분자 용액을 공급하고 동시에 전기방사하면, 코어부-미디움층-쉘층을 포함하는 복합섬유를 얻을 수 있다. 이 때, 상기 제1 고분자 용액 및 제2 고분자 용액은 전단력으로 상기 제1 노즐을 통해 토출하고, 상기 제3 고분자 용액은 정전기적 척력으로 토출하는 것이 바람직하다. The method of obtaining a composite fiber having such a shape can be obtained by electrospinning using a three-layer coaxial nozzle designed as shown in FIGS. 1 and 2. That is, a second nozzle for supplying the first polymer solution to a first nozzle (a portion indicated by the cores of FIGS. 1 and 2) using a three-layer coaxial nozzle having the illustrated nozzle gauge, and surrounding the first nozzle. The second polymer solution is supplied to (parts indicated by medium of FIGS. 1 and 2), and the third polymer solution is supplied to a third nozzle (parts labeled shell in FIGS. 1 and 2) surrounding the second nozzle. By simultaneously supplying and electrospinning, a composite fiber comprising a core portion, a medium layer, and a shell layer can be obtained. In this case, it is preferable that the first polymer solution and the second polymer solution are discharged through the first nozzle with shear force, and the third polymer solution is discharged with electrostatic repulsive force.

전기방사되어 형성된 복합섬유는 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 코어부-미디움층-쉘층 복합섬유에 존재하는 폴리아크릴로니트릴을 안정화한다(S3 단계).The composite fiber formed by electrospinning is heat treated at a temperature lower than the pyrolysis temperature of the acrylonitrile-containing copolymer to stabilize the polyacrylonitrile present in the core-media layer-shell layer composite fiber (step S3).

전술한 바와 같이 폴리아크릴로니트릴의 안정화 공정은 공기 중과 같은 산화성 분위기에서 통상 200 내지 350℃(가장 통상적으로는 300℃ 이하)에서 진행하는데, 안정화 공정에서 아크릴로니트릴 함유 공중합체가 열분해되지 않아야 하므로, 안정화 공정 온도는 사용된 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 수행한다. 안정화 공정을 통해 폴리아크릴로니트릴은 안정화(불융화)되며, 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 공중합된 다른 단량체 성분에 의해 안정화 공정에서 안정화(불융화)되지 않는다. As described above, the stabilization process of polyacrylonitrile is usually carried out at 200 to 350 ° C. (most typically 300 ° C. or less) in an oxidizing atmosphere such as in air, so that the acrylonitrile-containing copolymer should not be pyrolyzed in the stabilization process. The stabilization process temperature is carried out at a temperature lower than the pyrolysis temperature of the acrylonitrile containing copolymer used. Through the stabilization process the polyacrylonitrile is stabilized (infused), and the acrylonitrile containing copolymer is not stabilized (incompatible) in the stabilization process by other copolymerized monomer components.

이어서, 안정화된 폴리아크릴로니트릴이 탄화되면서 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 열분해하여 제거되도록 상기 (S3)의 결과물을 소성한다. 이에 따라 본 발명에 따른 다층 탄소나노섬유가 제조된다(S4 단계). 소성 공정은 통상적인 조건에 따라 진행할 수 있다. 예를 들어 불활성 가스 분위기에서 700 내지 3000℃, 더욱 바람직하게는 약 1000℃ 이상의 온도에서 소성을 수행한다. 소성 공정에 따라 안정화된 폴리아크릴로니트릴로 된 코어부와 쉘층은 탄화(흑연화를 포함한다)되며, 아크릴로니트릴 함유 공중합체로 된 미디움부는 열분해되어 제거된다. 코어부 또는 셀층이 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 포함하고 있다면, 함유된 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해에 따라 기공이 형성된다. 또한, 미디움부에 폴리아크릴로니트릴이 포함되어 있다면, 전술한 바와 같이 그 함량비에 따라 코어부와 쉘층과 같이 탄소 구조체에 기공이 형성된 구조가 형성된 미디움부가 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량을 상기 제1 고분자 용액 및 제3 고분자용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량보다 낮게 제조하여 브리지부가 형성된 미디움층을 형성할 수도 있고, 상기 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량을 순차적으로 높아지도록 제조하여, 코어부-미디움층-쉘층의 기공율이 점점 낮아지는 3층 탄소구조체로 된 탄소나노섬유를 제조할 수도 있다. Subsequently, the resultant of (S3) is fired so that the acrylonitrile-containing copolymer is thermally decomposed and the stabilized polyacrylonitrile is carbonized. Accordingly, the multi-layered carbon nanofibers according to the present invention are produced (step S4). The firing process may proceed in accordance with conventional conditions. For example, firing is performed at an inert gas atmosphere at a temperature of 700 to 3000 ° C, more preferably about 1000 ° C or more. The core part and the shell layer made of polyacrylonitrile stabilized by the firing process are carbonized (including graphite), and the medium part made of acrylonitrile-containing copolymer is thermally decomposed and removed. If the core portion or cell layer contains an acrylonitrile-containing copolymer, pores are formed upon thermal decomposition of the contained acrylonitrile-containing copolymer. In addition, if the polyacrylonitrile is included in the medium portion, as described above, a medium portion having a structure in which pores are formed in the carbon structure, such as the core portion and the shell layer, may be formed according to the content ratio. That is, the polyacrylonitrile content of the second polymer solution may be lower than the polyacrylonitrile content of the first polymer solution and the third polymer solution to form a medium layer having a bridge portion, and the first polymer solution Also, the polyacrylonitrile content of the second polymer solution and the third polymer solution may be sequentially increased to produce carbon nanofibers having a three-layer carbon structure in which the porosity of the core portion, the medium layer, and the shell layer is gradually lowered. have.

이와 같은 공정 조건에 따라, 대표적으로 다음과 같은 구조를 갖는 다층 탄소나노섬유를 제조할 수 있다.According to such process conditions, it is possible to manufacture a multi-layered carbon nanofibers typically having the following structure.

제1 형태로서, (a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;A first aspect, comprising: (a) a carbon core portion extending in a longitudinal direction;

(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 빈 공간의 미디움층; 및(b) a medium layer of an empty space formed to surround the carbon core part; And

(c) 상기 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하는 다층 탄소나노섬유를 얻을 수 있다.(c) A multilayer carbon nanofiber having a carbon shell layer formed to surround the medium layer may be obtained.

여기서, 상기 미디움층은 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층을 서로 연결하는 탄소 브리지부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비할 수 있다. Here, the medium layer may be a carbon bridge portion connecting the carbon core portion and the carbon shell layer to each other. In addition, the carbon core portion and the carbon shell layer may have pores.

또한, 제2 형태로서, (a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;Further, as a second aspect, (a) a carbon core portion extending in the longitudinal direction;

(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 탄소 미디움층; 및(b) a carbon medium layer formed to surround the carbon core part; And

(c) 상기 탄소 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하고,(c) a carbon shell layer formed to surround the carbon medium layer,

상기 탄소 미디움층은 기공들을 구비하는 것을 다층 탄소나노섬유를 얻을 수 있다.The carbon medium layer may have multilayer carbon nanofibers having pores.

여기서, 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비할 수 있으며, 상기 탄소 코어부, 탄소 미디움층 및 탄소 쉘층의 기공율은 순차적으로 낮아지게 할 수 있다.Here, the carbon core portion and the carbon shell layer may include pores, and the porosity of the carbon core portion, the carbon medium layer, and the carbon shell layer may be sequentially lowered.

형성된 다층 탄소나노섬유의 직경은 50 내지 1000nm인 것이 바람직하고 50 내지 500nm인 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 코어부의 직경은 10 내지 450nm이고, 미디움층의 두께는 10 내지 450nm이고, 쉘층의 두께는 10 내지 450nm인 것이 더욱 바람직하다. 코어부의 직경, 미디움층 및 쉘층의 두께는 노즐의 직경, 고분자 용액들에 함유되는 폴리아크릴로니트릴 또는 아크릴로니트릴 공중합체의 농도, 방사유속 등을 조절하여 변화시킬 수 있다.
The diameter of the formed multi-walled carbon nanofibers is preferably 50 to 1000 nm, more preferably 50 to 500 nm. In addition, the core portion has a diameter of 10 to 450 nm, a medium layer having a thickness of 10 to 450 nm, and a shell layer having a thickness of 10 to 450 nm. The diameter of the core portion, the thickness of the medium layer and the shell layer may be changed by adjusting the diameter of the nozzle, the concentration of the polyacrylonitrile or acrylonitrile copolymer contained in the polymer solutions, the spinning flow rate, and the like.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the invention should not be construed as limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

실시예Example 1 One

폴리아크릴로니트릴을 N-N-디메틸 포름아미드에 용해시켜 20중량%의 제1 고분자 용액을 제조하였다. 열분해 온도가 약 400℃인 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체를 N-N-디메틸 포름아미드에 30중량%의 농도로 용해시킨 다음, 여기에 실리콘 나노분말 5중량%를 분산시켜 제2 고분자 용액을 준비하였다. 또한, 폴리아크릴로니트릴을 N-N-디메틸 포름아미드에 용해시켜 20중량%의 제3 고분자 용액을 제조하였다.Polyacrylonitrile was dissolved in N-N-dimethyl formamide to prepare a 20 wt% first polymer solution. A styrene-acrylonitrile copolymer having a pyrolysis temperature of about 400 ° C. was dissolved in N-N-dimethyl formamide at a concentration of 30 wt%, and then 5 wt% of silicon nanopowder was dispersed therein to prepare a second polymer solution. In addition, polyacrylonitrile was dissolved in N-N-dimethyl formamide to prepare a 20 wt% third polymer solution.

이어서, 준비한 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액을 도 1 및 도 2에 도시된 3층 공축 노즐 시스템(니들 게이지 : core-22GP, medium-17GP, shell-17GP)을 이용하여, 제1 고분자 용액 및 제2 고분자 용액은 전단력으로 상기 제1 노즐을 통해 토출하고, 상기 제3 고분자 용액은 정전기적 척력으로 토출하여 전기방사하였다. Subsequently, the prepared first polymer solution, second polymer solution and third polymer solution were prepared using a three-layer coaxial nozzle system (needle gauge: core-22GP, medium-17GP, shell-17GP) shown in FIGS. 1 and 2. The first polymer solution and the second polymer solution were discharged through the first nozzle with shear force, and the third polymer solution was discharged with electrostatic repulsive force to electrospin.

18KV의 인가 전압, 15 cm의 방사거리, 코어부 유속 0.15 ml/h, 미디움층 유속 0.25 ml/h, 쉘층 유속 0.5 ml/h,의 조건으로 직경 30 cm의 회전하는 원통형 콜렉터에 전기방사하여 코어-쉘형 복합섬유를 제조하였다. The core is electrospun into a rotating cylindrical collector with a diameter of 30 cm under the conditions of an applied voltage of 18 KV, a spinning distance of 15 cm, a flow rate of core portion 0.15 ml / h, a medium layer flow rate of 0.25 ml / h, and a shell layer flow rate of 0.5 ml / h. Shell-type composite fibers were prepared.

이어서, 도 3에 도시된 조건으로 안정화 및 소성 공정을 진행하였다. 얻어진 다층 탄소나노섬유의 모식도(a), TEM 사진(b) 및 SEM 사진(c)을 도 4에 나타냈다.Subsequently, the stabilization and firing processes were performed under the conditions shown in FIG. 3. The schematic diagram (a), the TEM photograph (b), and the SEM photograph (c) of the obtained multilayer carbon nanofiber are shown in FIG.

실시예Example 2 2

폴리아크릴로니트릴을 N-N-디메틸 포름아미드에 용해시켜 20중량%의 제1 고분자 용액을 제조하였다. 열분해 온도가 약 400℃인 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체와 폴리아크릴로니트틸을 3:1의 중량비로 N-N-디메틸 포름아미드에 총 30중량%의 농도로 용해시켜 제2 고분자 용액을 준비하였다. 또한, 폴리아크릴로니트릴을 N-N-디메틸 포름아미드에 용해시켜 20중량%의 제3 고분자 용액을 제조하였다. Polyacrylonitrile was dissolved in N-N-dimethyl formamide to prepare a 20 wt% first polymer solution. A second polymer solution was prepared by dissolving a styrene-acrylonitrile copolymer having a thermal decomposition temperature of about 400 ° C. and polyacrylonitrile in a concentration of 30 wt% in N-N-dimethyl formamide in a weight ratio of 3: 1. In addition, polyacrylonitrile was dissolved in N-N-dimethyl formamide to prepare a 20 wt% third polymer solution.

이어서, 준비한 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액을 도 1 및 도 2에 도시된 3층 공축 노즐 시스템(니들 게이지 : core-22GP, medium-17GP, shell-17GP)을 이용하여 제1 고분자 용액 및 제2 고분자 용액은 전단력으로 상기 제1 노즐을 통해 토출하고, 상기 제3 고분자 용액은 정전기적 척력으로 토출하여 전기방사하였다. Subsequently, the prepared first polymer solution, second polymer solution and third polymer solution were prepared using a three-layer coaxial nozzle system (needle gauge: core-22GP, medium-17GP, shell-17GP) shown in FIGS. 1 and 2. The first polymer solution and the second polymer solution were discharged through the first nozzle with shear force, and the third polymer solution was discharged with electrostatic repulsive force to electrospin.

18KV의 인가 전압, 15 cm의 방사거리, 코어부 유속 0.15 ml/h, 미디움층 유속 0.25 ml/h, 쉘층 유속 0.5 ml/h,의 조건으로 직경 30 cm의 회전하는 원통형 콜렉터에 전기방사하여 코어-쉘형 복합섬유를 제조하였다. The core is electrospun into a rotating cylindrical collector with a diameter of 30 cm under the conditions of an applied voltage of 18 KV, a spinning distance of 15 cm, a flow rate of core portion 0.15 ml / h, a medium layer flow rate of 0.25 ml / h, and a shell layer flow rate of 0.5 ml / h. Shell-type composite fibers were prepared.

이어서, 도 3에 도시된 조건으로 안정화 및 소성 공정을 진행하였다. 얻어진 다층 탄소나노섬유의 모식도(a), TEM 사진(b) 및 SEM 사진(c)을 도 5에 나타냈다.Subsequently, the stabilization and firing processes were performed under the conditions shown in FIG. 3. The schematic diagram (a), the TEM photograph (b), and the SEM photograph (c) of the obtained multilayer carbon nanofiber are shown in FIG.

Claims (20)

(S1) 폴리아크릴로니트릴을 제1 용매에 용해시킨 제1 고분자 용액과, 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체를 제2 용매에 용해시킨 제2 고분자 용액과, 폴리아크릴로니트릴을 제3 용매에 용해시킨 제3 고분자 용액을 각각 준비하는 단계;
(S2) 제1 노즐에 상기 제1 고분자 용액을 공급하고, 상기 제1 노즐을 감싸는 제2 노즐에 상기 제2 고분자 용액을 공급하고, 상기 제2 노즐을 감싸는 제3 노즐에 상기 제3 고분자 용액을 공급하고 동시에 전기방사하여, 코어부-미디움층-쉘층을 포함하는 복합섬유를 얻는 단계;
(S3) 상기 복합섬유를 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 상기 복합섬유의 폴리아크릴로니트릴을 안정화하는 단계; 및
(S4) 상기 안정화된 폴리아크릴로니트릴이 탄화되면서 상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 열분해하여 제거되도록 상기 (S3)의 결과물을 소성하는 단계를 포함하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
(S1) A first polymer solution in which polyacrylonitrile is dissolved in a first solvent, a second polymer solution in which an acrylonitrile-containing copolymer having a pyrolysis temperature of 300 to 600 ° C. is dissolved in a second solvent, and polyacrylonitrile. Preparing a third polymer solution in which nitriles are dissolved in a third solvent;
(S2) supplying the first polymer solution to a first nozzle, supplying the second polymer solution to a second nozzle surrounding the first nozzle, and supplying the third polymer solution to a third nozzle surrounding the second nozzle Supplying and simultaneously electrospinning to obtain a composite fiber including a core part-medium layer-shell layer;
(S3) heat treating the composite fiber at a temperature lower than the thermal decomposition temperature of the acrylonitrile-containing copolymer to stabilize the polyacrylonitrile of the composite fiber; And
(S4) The stabilized polyacrylonitrile is carbonized, the acrylonitrile-containing copolymer comprises the step of firing the product of the (S3) to be removed by thermal decomposition, a method for producing a multilayer carbon nanofiber.
제1항에 있어서,
상기 아크릴로니트릴 함유 공중합체는 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 카르복시화 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 아크릴로니트릴 이소프렌-공중합체 및 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The acrylonitrile-containing copolymer includes styrene-acrylonitrile copolymer, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, carboxylated acrylonitrile-butadiene copolymer, acrylonitrile isoprene-air Method for producing a multilayer carbon nanofiber, characterized in that any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of a copolymer and an acrylonitrile-styrene-acryl copolymer.
제1항에 있어서,
상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 독립적으로 N-N-디메틸 포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸 아세트아미드, N-메틸피롤리돈 및 에틸렌 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The first solvent, the second solvent and the third solvent are each independently selected from the group consisting of NN-dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl acetamide, N-methylpyrrolidone and ethylene carbonate or two of them Method of producing a multilayer carbon nanofiber, characterized in that the mixture of species or more.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 동일한 용매인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 3,
The first solvent, the second solvent and the third solvent is the same solvent, characterized in that the manufacturing method of the multilayer carbon nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 제1 고분자 용액, 상기 제3 고분자 용액, 또는 상기 제1 고분자 용액과 제3 고분자 용액 모두에 열분해 온도가 600℃ 이하인 고분자를 더 용해시킨 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing multilayer carbon nanofibers, further comprising dissolving a polymer having a thermal decomposition temperature of 600 ° C. or lower in the first polymer solution, the third polymer solution, or both the first polymer solution and the third polymer solution.
제5항에 있어서,
상기 열분해 온도가 600℃ 이하인 고분자는 열분해 온도가 300 내지 600℃인 아크릴로니트릴 함유 공중합체인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 5,
The polymer having a pyrolysis temperature of 600 ° C. or less is an acrylonitrile-containing copolymer having a pyrolysis temperature of 300 to 600 ° C., wherein the method for producing multilayer carbon nanofibers.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 제2 고분자 용액에 폴리아크릴로니트릴을 더 용해시킨 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
6. The method according to claim 1 or 5,
The polyacrylonitrile is further dissolved in the second polymer solution.
제7항에 있어서,
상기 제2 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량은 상기 제1 고분자 용액 및 제3 고분자용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량보다 낮은 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The polyacrylonitrile content of the second polymer solution is lower than the polyacrylonitrile content of the first polymer solution and the third polymer solution.
제7항에 있어서,
상기 제1 고분자 용액, 제2 고분자 용액 및 제3 고분자 용액의 폴리아크릴로니트릴 함유량은 순차적으로 높아지는 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The polyacrylonitrile content of the first polymer solution, the second polymer solution and the third polymer solution is sequentially increased, the method for producing multilayer carbon nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 제2 고분자 용액에 전극 활물질 분말을 더 분산시킨 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The electrode active material powder is further dispersed in the second polymer solution, characterized in that the manufacturing method of the multilayer carbon nanofibers.
제10항에 있어서,
상기 전극 활물질 분말은 Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca 및 V로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 합금, 산화물 또는 황화물인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 10,
The electrode active material powder is an alloy, an oxide containing any one or more elements selected from the group consisting of Si, Sn, Ge, Sb, Ti, In, Cu, Zr, Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Ca and V Method for producing a multilayer carbon nanofiber, characterized in that the sulfide.
제1항에 있어서,
상기 다층 탄소나노섬유의 직경은 50 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
The diameter of the multilayer carbon nanofibers is 50 to 1000nm, characterized in that the manufacturing method of the multilayer carbon nanofibers.
제1항 또는 제12항에 있어서,
상기 코어부의 직경은 10 내지 450nm이고, 미디움층의 두께는 10 내지 450nm이고, 쉘층의 두께는 10 내지 450nm인 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
13. The method according to claim 1 or 12,
The diameter of the core portion is 10 to 450nm, the thickness of the medium layer is 10 to 450nm, the thickness of the shell layer is characterized in that 10 to 450nm, the method for producing multi-layer carbon nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 제1 고분자 용액 및 제2 고분자 용액은 전단력으로 상기 제1 노즐을 통해 토출하고, 상기 제3 고분자 용액은 정전기적 척력으로 토출하는 것을 특징으로 하는, 다층 탄소나노섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the first polymer solution and the second polymer solution are discharged through the first nozzle with shear force, and the third polymer solution is discharged with electrostatic repulsive force.
(a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;
(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 빈 공간의 미디움층; 및
(c) 상기 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하는 다층 탄소나노섬유.
(a) a longitudinally extending carbon core portion;
(b) a medium layer of an empty space formed to surround the carbon core part; And
(c) a multilayer carbon nanofiber having a carbon shell layer formed to surround the medium layer.
제15항에 있어서,
상기 미디움층은 상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층을 서로 연결하는 탄소 브리지부가 형성된 것을 특징으로 하는 다층 탄소나노섬유.
16. The method of claim 15,
The medium layer is a multi-layered carbon nanofibers, characterized in that the carbon bridge portion is formed to connect the carbon core portion and the carbon shell layer.
제15항에 있어서,
상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 탄소나노섬유.
16. The method of claim 15,
The carbon core part and the carbon shell layer is characterized in that the multi-layered carbon nanofibers characterized in that the pores.
(a) 길이방향으로 연장된 탄소 코어부;
(b) 상기 탄소 코어부를 감싸도록 형성된 탄소 미디움층; 및
(c) 상기 탄소 미디움층을 감싸도록 형성된 탄소 쉘층을 구비하고,
상기 탄소 미디움층은 기공들을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 탄소나노섬유.
(a) a longitudinally extending carbon core portion;
(b) a carbon medium layer formed to surround the carbon core part; And
(c) a carbon shell layer formed to surround the carbon medium layer,
The carbon medium layer is multi-layered carbon nanofibers, characterized in that it comprises pores.
제18항에 있어서,
상기 탄소 코어부와 탄소 쉘층은 기공들을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 탄소나노섬유.
19. The method of claim 18,
The carbon core part and the carbon shell layer is characterized in that the multi-layered carbon nanofibers characterized in that the pores.
제19항에 있어서,
상기 탄소 코어부, 탄소 미디움층 및 탄소 쉘층의 기공율은 순차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 다층 탄소나노섬유.
20. The method of claim 19,
Multi-layer carbon nanofibers, characterized in that the porosity of the carbon core portion, the carbon medium layer and the carbon shell layer is sequentially lowered.
KR1020120002008A 2011-12-02 2012-01-06 Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom KR101274662B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110128633 2011-12-02
KR20110128633 2011-12-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130062218A KR20130062218A (en) 2013-06-12
KR101274662B1 true KR101274662B1 (en) 2013-06-13

Family

ID=48860051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120002008A KR101274662B1 (en) 2011-12-02 2012-01-06 Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101274662B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11811049B2 (en) 2016-06-02 2023-11-07 Lg Energy Solution, Ltd. Carbon-based fiber sheet and lithium-sulfur battery including same

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105622836B (en) * 2014-10-27 2018-02-13 中国石油化工股份有限公司 Polymolecular amount composition polyacrylonitrile spinning solution and its preparation method and application
CN105622837B (en) * 2014-10-27 2018-09-14 中国石油化工股份有限公司 Contain super-high molecular weight polyacrylonitrile spinning solution and its preparation method and application
CN106676653B (en) * 2016-11-21 2019-05-24 上海理工大学 Core fluid carries two kinds of three-level coaxial electrically spun methods that can not spin outer sheath fluid

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6242093B1 (en) 1995-09-14 2001-06-05 The Secretary Of State For Defense In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Carbon fibers
US20060213829A1 (en) 2005-03-25 2006-09-28 Rutledge Gregory C Production of submicron diameter fibers by two-fluid electrospinning process
KR20100013845A (en) * 2008-08-01 2010-02-10 주식회사 에이엠오 Carbon molded body prepared with carbon nanofibers web channel and method of preparing the same
KR20100051027A (en) * 2008-11-06 2010-05-14 전남대학교산학협력단 Carbon nano-fiber with skin-core structure, method for producing the same and products comprising the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6242093B1 (en) 1995-09-14 2001-06-05 The Secretary Of State For Defense In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Carbon fibers
US20060213829A1 (en) 2005-03-25 2006-09-28 Rutledge Gregory C Production of submicron diameter fibers by two-fluid electrospinning process
KR20100013845A (en) * 2008-08-01 2010-02-10 주식회사 에이엠오 Carbon molded body prepared with carbon nanofibers web channel and method of preparing the same
KR20100051027A (en) * 2008-11-06 2010-05-14 전남대학교산학협력단 Carbon nano-fiber with skin-core structure, method for producing the same and products comprising the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11811049B2 (en) 2016-06-02 2023-11-07 Lg Energy Solution, Ltd. Carbon-based fiber sheet and lithium-sulfur battery including same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130062218A (en) 2013-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liang et al. Recent advances in electrospun nanofibers for supercapacitors
Huang et al. Fabrication of porous fibers via electrospinning: strategies and applications
Joshi et al. Progress and potential of electrospinning-derived substrate-free and binder-free lithium-ion battery electrodes
Chen et al. Carbon-based fibers for advanced electrochemical energy storage devices
US8993199B2 (en) Flexible carbon fiber nonwoven fabric
Zhang et al. A review: carbon nanofibers from electrospun polyacrylonitrile and their applications
Atıcı et al. A review on centrifugally spun fibers and their applications
Inagaki et al. Carbon nanofibers prepared via electrospinning
EP1666649A1 (en) Fibrous activated carbon and nonwoven fabric made of same
EP3125255A1 (en) Electroconductive porous body, solid polymer fuel cell, and method for manufacturing electroconductive porous body
KR100564774B1 (en) Nano-composite fiber its preparation and use
KR101668391B1 (en) High Density carbon Nano-fiber Felt with Unidirectional Orientation and Application to Supercapacitor Electrode
JP2008270807A (en) Electrode for supercapacitor composed of metal oxide deposited on ultrafine carbon fiber, and manufacturing method therefor
KR101610354B1 (en) Production method of a metal oxide supported carbon nano fiber electrode using electro deposition method, and an energy storage device and a filter using the same
KR101274662B1 (en) Preparation method of multilayered carbon nano-fiber using electrospinning and multilayered carbon nano-fiber formed therefrom
Zhu et al. Physical characterization of electrospun nanofibers
Song et al. Carbon nanofibers: synthesis and applications
KR101348200B1 (en) Carbon nanofiber composite containing silicon nanoparticles coated with stabilizer, preparation of the same and lithium secondary battery using the same
Liu et al. Structural design and mechanism analysis of hierarchical porous carbon fibers for advanced energy and environmental applications
KR101438065B1 (en) Hybrid nano-complex, method for producing the same, and electrode for supercapacitor comprising the same
Miao et al. Electrospun nanofiber electrodes: A promising platform for supercapacitor applications
KR101308736B1 (en) Tin oxide embedded carbon nanofiber and method of manufacturing the same, and lithium secondary battery using the same
KR101221615B1 (en) Preparation method of carbon nano-fiber using electrospinning
Wang et al. Porous carbon nanofibers: Preparation and potential applications
CN115831624A (en) Carbon nanofiber composite material, preparation method thereof and energy storage device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160204

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170524

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180521

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190902

Year of fee payment: 7