KR101329104B1 - 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법 - Google Patents
과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법은, 레이온계 섬유를 준비하는 원료준비단계와; 1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액을 준비하고, 상기 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨 용액을 첨가하여 침적용액을 준비하는 침적용액준비단계와; 상기 침적용액에 준비된 레이온계 섬유를 침적시켜 20 ~ 35℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 침적단계와; 상기 침적 처리된 레이온계 섬유 표면을 세척하는 세척단계와; 상기 세척단계를 거친 레이온계 섬유를 건조하는 건조단계와; 건조된 레이온계 섬유를 상온에서 350 ~ 450℃의 온도로 승온한 뒤 30 ~ 90 분간 유지하여 산화 안정화시키는 산화안정화단계와; 상기 산화 안정화된 레이온계 섬유를 700 ~ 800℃의 온도에서 산소가 차단된 상태로 불활성 가스 분위기에서 유지시켜 탄화 활성화시키는 탄화활성화단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, ACF 제조의 경제성이 향상된다. 보다 구체적으로, 원자재 공급이 용이하고 쉽게 안정화되며 경제적인 가격의 레이온계 섬유를 전구체로 하면서, 과망간산 칼륨을 이용하여 산화 과정에서 고온의 상태가 아닌 상온의 상태를 유지하면서도 종래와 같은 침적 시간을 갖춰 열을 가하는 수단을 배제하여 경제성을 향상시키며, 초기에 열이 가해지지 않음에 따라 중량감소부분을 낮춤으로써 종래의 ACF 제조에 비해 생산성이 월등히 높아질 수 있게 되며, 과망간산 칼륨의 첨가로 인해 기공의 분포가 오히려 더욱 증가하여 종래의 ACF이 비해 기공 분포가 우수한 ACF를 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법은, 레이온계 섬유를 준비하는 원료준비단계와; 1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액을 준비하고, 상기 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨 용액을 첨가하여 침적용액을 준비하는 침적용액준비단계와; 상기 침적용액에 준비된 레이온계 섬유를 침적시켜 20 ~ 35℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 침적단계와; 상기 침적 처리된 레이온계 섬유 표면을 세척하는 세척단계와; 상기 세척단계를 거친 레이온계 섬유를 건조하는 건조단계와; 건조된 레이온계 섬유를 상온에서 350 ~ 450℃의 온도로 승온한 뒤 30 ~ 90 분간 유지하여 산화 안정화시키는 산화안정화단계와; 상기 산화 안정화된 레이온계 섬유를 700 ~ 800℃의 온도에서 산소가 차단된 상태로 불활성 가스 분위기에서 유지시켜 탄화 활성화시키는 탄화활성화단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, ACF 제조의 경제성이 향상된다. 보다 구체적으로, 원자재 공급이 용이하고 쉽게 안정화되며 경제적인 가격의 레이온계 섬유를 전구체로 하면서, 과망간산 칼륨을 이용하여 산화 과정에서 고온의 상태가 아닌 상온의 상태를 유지하면서도 종래와 같은 침적 시간을 갖춰 열을 가하는 수단을 배제하여 경제성을 향상시키며, 초기에 열이 가해지지 않음에 따라 중량감소부분을 낮춤으로써 종래의 ACF 제조에 비해 생산성이 월등히 높아질 수 있게 되며, 과망간산 칼륨의 첨가로 인해 기공의 분포가 오히려 더욱 증가하여 종래의 ACF이 비해 기공 분포가 우수한 ACF를 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이온계 섬유를 산성 용액에 침적시켜 전처리한 후 산화 안정화 및 탄화 활성화 과정을 거쳐 활성 탄소섬유를 제조하되, 산성 용액에 침적 처리할 때 과망간산칼륨을 첨가하여 침적 처리 온도를 상온에서 유지하면서 종전과 같은 처리 시간을 유지하면서도 기공율이 높은 ACF를 제조할 수 있도록 한, 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법에 관한 것이다.
탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유량이 90% 이상으로 된 섬유상의 탄소재료이다. 따라서 이 재료의 제조법은 매우 광범위하여, 유기섬유를 열분해하여 만드는 것으로부터 탄소재료의 방전에 의해 생성되는 흑연 whisker, 나노튜브, 혹은 탄소재료 표면에 아르곤이온을 충돌시켜 생성하는 것 등까지를 포함하고 있다. 그러나 일반적으로는 유기물질의 열분해에 의해 만들어져 실질적으로 탄소로만 구성된 직경이 5~15㎛의 섬유상의 것을 탄소섬유라고 하는데 연속적인 실 혹은 단섬유, 스레이플 섬유, 메트, 펠트, 직물, 조물 등의 형태로 공급되고 있다. 탄소섬유의 특징은 구성 원소인 탄소재료로서의 구조, 조직특성과 섬유 형태 특성을 함께 갖고 있는 재료이다. 다시 말하면 내열성, 화학적 안전성, 전자파 차단성, 생체 친화성, 유연성 등 좋은 특징을 갖고 있으며 흡착성능을 부여할 수도 있어 원료 혹은 제조 조건을 제어함으로서 용도에 적합한 폭넓은 특성을 지닌 것이 만들어지고 있다.
이러한 탄소섬유는 1950년대 중반부터 레이온 섬유로 출발, 전구물질(precursor)로 하는 탄소섬유가 로켓용의 구조 재료 혹은 초고온 단열재로서 개발되었다. 이 레이온계 섬유의 개발에 자극을 받아 다른 전구물질로 탄소 섬유를 제조하는 것에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 그로 인해 일본에서 아크릴계 섬유(polyacrylonitrile, PAN)로부터 탄소섬유를 제작하는데 성공하였고, 이와 같은 시기에 복합 재료 강화재의 탐구적 연구의 일환으로 흑연 whisker의 특성과 구조가 연구되었는데 탄소섬유가 비강도, 비탄성율이 높은 재료로서 잠재력을 갖고 있다는 것이 증명되어 복합재료 강화제로서 주목을 끌게 되었다. 레이온, PAN(polyacrylonitrile)에 잇달아 핏치, 페놀, 탈수 PVA(polyvinyl alcohol) 등의 유기섬유로부터 탄소섬유가 또는 기상성장법도 개발되었다.
ACF(Activated Carbon Fibers)는 섬유상 활성탄이고 섬유경은 5~20㎛가 일반적이다. ACF(Activated Carbon Fibers)의 제조는 종래 활성탄의 제조와 같고 원리적으로는 섬유상 탄소를 수증기, 탄산가스로 800℃이상의 고온에서 가스화 반응, 이른바 활성화 반응함으로써 이루어진다. 현재는 재생 셀롤로오스, 아크릴, 페놀(노브락) 수지 및 피치계 전구체 섬유를 각각의 섬유에 맞게 전처리를 한 후 탄화 및 활성하여 만들어지고 있다.
ACF(Activated Carbon Fibers)의 특징은 입상 활성탄과 비교하면 첫 번째로 흡착 및 탈착속도가 크며 매트(mat)상, 콜로드(cloth)상, 페이퍼(paper)상 등의 시트(sheet)상으로 가공하기 쉽다. 두 번째는 섬유상인 것을 그대로 살린 것이 특징이다. 섬유경에서 산출된 외표면적이 약 0.5㎡/g으로 입자단위 약 0.01㎡/g에 비해 크고, 흡착에 관여하는 이른바 10~20Å 정도 크기의 미세공이 섬유표면에 노출되어 있다는데 기인한다. 셋째는 내부기공이 모두 외부표면에 직접 연결되어 있기 때문에 물질 전달속도가 대단히 빨라 흡착성능면에서는 장점이면서 동시에 단점으로 작용한다.
따라서 최근에는 활성탄소섬유가 활성탄을 대체하고 있다. 활성탄소섬유용 원료는 제조과정에서 손실되는 양이 최소이면서도 제조 후 뛰어난 흡착성능을 가지는 그런 것이어야 한다. 안정화와 탄화 공정을 거쳐 제조되는 중에 원료의 상당부분이 일산화탄소나 이산화탄소의 형태로 휘발되기 때문에 중량감소부분은 경제성을 감안한다면 상업적으로 의미가 크다고 볼 수 있다. 그래서 가격이 비싼 PAN을 레이온 전구체보다 많이 사용하는 이유가 수율면에서 2배 이상 차이가 나기 때문이다.
일반적으로 활성탄소섬유의 제조과정은 안정화, 탄화, 활성화 순으로 진행된다. 각각의 특성을 간단하게 살펴보면 우선 안정화 공정은 탄소섬유를 활성탄소섬유로 제조할 때 고온처리에서도 본래 형태를 유지하고 섬유의 강도를 증가시키기 위해서 이루어지는 과정으로 이 과정은 산화성 분위기에서 온도는 200~300℃에서 진행된다. 다음으로 탄화공정은 안정화 공정을 거친 불융성 섬유를 불활성 분위기에서 300~1000℃의 온도로 처리해 줌으로써 수소나 질소를 완전히 탈리시켜 방향족 구조가 도입되도록 해주는 공정이다. 마지막으로 활성화 과정은 탄화과정을 거친 탄소섬유를 산화성 기체로 활성화시키면 탄소섬유 결정의 가장 안정하지 못한 위치에 있는 탄소가 일산화탄소 및 이산화탄소로 산화되어 탈리되거나 탄소섬유 표면에 카르복실기(-COOH), 카르보닐기(=C=O)와 같은 관능기 화합물을 형성한다. 표면 탄소 중에 산화를 통해 탈리된 자리에 세공이 형성되어 활성화가 진행될수록 높은 비표면적을 갖게 된다.
레이온계 활성 탄소섬유에 관련된 기술을 살펴보면, "고기능성 비스코스레이온계 활성 탄소섬유 및 이의 제조방법"(한국 등록특허공보 제10-0398062호, 특허문헌 1)에는 비스코스레이온계 섬유를 인화합물과 질소화합물을 함유하는 수용액에 함침시켜 건조 후 질소 분위기하에서 반응온도 200 ~ 400℃에서 인산화 반응시킨 후, 인산염이 형성된 비스코스레이온계 섬유를 금속 염화물수용액에 함침시켜 건조한 후 질소 분위기에서 700 ~ 1000℃에서 탄화시킨 후 수증기를 주입시켜 활성화 반응시키는 기술이 공개되어 있다.
그러나, 이미 상술한 바와 같이 레이온계 섬유는 PAN 등에 비해 저렴하지만 수율이 떨어지는 데다 고온에서 인산화 반응을 유지해야 하므로 제조를 위한 설비 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
또, "우수한 항균 특성을 갖는 무전해 구리 코팅된 레이온계활성탄소섬유의 제조방법 및 무전해 구리 코팅된 레이온계활성탄소섬유"(한국 등록특허공보 제10-0779878호, 특허문헌 2)에는 레이온계 활성 탄소섬유의 항균성을 높이기 위해 제조된 레이온계 활성 탄소섬유에 디그리싱, 에칭, 캐터라이징 등 다양한 공정이 이루어지는 바, 이 역시 제조를 위한 비용 증가의 문제점이 여전히 존재하는 문제점이 있었다.
이처럼 ACF는 그 성능에 비해 대량으로 저렴한 비용으로 생산하는 것이 아직도 해결되어야 할 주요한 과제이며, 특히 원료가 저렴한 레이온계 섬유를 이용하여 최대한 저렴한 비용으로 ACF를 제조할 수 있도록 하는 기술의 개발이 필요한 실정이라 할 것이다.
본 발명의 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해결하려는 것으로, ACF 제조의 경제성을 향상시키려는 것이다.
보다 구체적으로, 원자재 공급이 용이하고 쉽게 안정화되며 경제적인 가격의 레이온계 섬유를 전구체로 하면서, 과망간산 칼륨을 이용하여 산화 과정에서 고온의 상태가 아닌 상온의 상태를 유지하면서도 종래와 같은 침적 시간을 갖춰 열을 가하는 수단을 배제하여 경제성을 향상시키며, 초기에 열이 가해지지 않음에 따라 중량감소부분을 낮춤으로써 종래의 ACF 제조에 비해 생산성이 월등히 높아질 수 있게 하려는 것이다.
더불어, 과망간산 칼륨의 첨가로 인해 기공의 분포가 오히려 더욱 증가하여 종래의 ACF이 비해 기공 분포가 우수한 ACF를 제공할 수 있게 하려는 것이다.
본 발명의 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 레이온계 섬유를 준비하는 원료준비단계와; 1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액을 준비하고, 상기 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨 용액을 첨가하여 침적용액을 준비하는 침적용액준비단계와; 상기 침적용액에 준비된 레이온계 섬유를 침적시켜 20 ~ 35℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 침적단계와; 상기 침적 처리된 레이온계 섬유 표면을 세척하는 세척단계와; 상기 세척단계를 거친 레이온계 섬유를 건조하는 건조단계와; 건조된 레이온계 섬유를 상온에서 350 ~ 450℃의 온도로 승온한 뒤 30 ~ 90 분간 유지하여 산화 안정화시키는 산화안정화단계와; 상기 산화 안정화된 레이온계 섬유를 700 ~ 800℃의 온도에서 산소가 차단된 상태로 불활성 가스 분위기에서 유지시켜 탄화 활성화시키는 탄화활성화단계;를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 침적용액준비단계에서 침적용액은 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비와, 상기 인산 수용액 100 부피비 기준으로 0.01 ~ 2몰의 과망간산 칼륨 수용액 30 ~ 70 부피비로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 침적용액준비단계에서 상기 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비 기준으로 0.01 ~ 2몰의 염기성 전처리 용액이 더 첨가되며, 상기 탄화활성화단계는 700 ~ 800℃에서 탄화 활성화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원료준비단계에서 레이온계 섬유는 리오셀 섬유인 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 의해, ACF 제조의 경제성이 향상된다.
보다 구체적으로, 원자재 공급이 용이하고 쉽게 안정화되며 경제적인 가격의 레이온계 섬유를 전구체로 하면서, 과망간산 칼륨을 이용하여 산화 과정에서 고온의 상태가 아닌 상온의 상태를 유지하면서도 종래와 같은 침적 시간을 갖춰 열을 가하는 수단을 배제하여 경제성을 향상시키며, 초기에 열이 가해지지 않음에 따라 중량감소부분을 낮춤으로써 종래의 ACF 제조에 비해 생산성이 월등히 높아질 수 있게 된다.
더불어, 과망간산 칼륨의 첨가로 인해 기공의 분포가 오히려 더욱 증가하여 종래의 ACF이 비해 기공 분포가 우수한 ACF를 제공할 수 있게 된다.
도 1 내지 4는 배율에 따른 실시예 1의 현미경 사진.
도 5 내지 6은 배율에 따른 실시예 2의 현미경 사진.
도 7 내지 8은 배율에 따른 실시예 3의 현미경 사진.
도 9 내지 10은 배율에 따른 비교예 1의 현미경 사진.
도 11 및 도 12는 공지의 활성 탄소섬유를 나타낸 현미경 사진.
도 5 내지 6은 배율에 따른 실시예 2의 현미경 사진.
도 7 내지 8은 배율에 따른 실시예 3의 현미경 사진.
도 9 내지 10은 배율에 따른 비교예 1의 현미경 사진.
도 11 및 도 12는 공지의 활성 탄소섬유를 나타낸 현미경 사진.
이하, 본 발명의 과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 통해 상세히 설명하기로 한다.
1. 원료준비단계
레이온계 섬유를 준비한다.
레이온계 섬유로 비스코스레이온, 쿠파, 리오셀 등을 사용할 수 있다.
그러나, 가장 바람직하기로는 리오셀 섬유를 사용하는 것이 좋다.
이는 리오셀이 다른 섬유에 비해 무독성 용매를 사용하고, 용매를 전부 회수할 수 있어 경제성이 높기 때문이다.
또한, 리오셀은 비스코스 레이온에 비해 균일한 구조를 가져 기공율을 일정하게 유지할 수 있게 해주기도 한다.
2. 침적용액준비단계
1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액을 준비하고, 상기 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨을 첨가하여 용해시킨 침적용액을 준비한다.
1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액으로는 황산, 질산, 인산, 염산 등이 사용될 수 있다.
상기 산성 전처리 용액은 레이온계 섬유 표면으로부터 섬유 내부로 침투함과 더불어 열을 받아 수분이 증발하고 추후에는 터져서 기공을 발생시키는 역할을 한다.
이때 통상적으로 온도 조건은 적게는 60℃ ~ 80℃의 조건을 유지해 주어야 한다.
이러한 온도 조건을 유지하지 못할 경우 최종 생산되는 활성 탄소섬유(ACF)의 수율이 떨어지게 된다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨을 첨가함으로써 상술한 온도 조건을 유지하지 않고 상온으로 유지하더라도 우수한 수율을 얻어냄을 알게 된 바, 이를 적용하였다.
이때, 산성 전처리 용액으로는 인산을 사용할 경우 가장 수율이 좋게 나타났는데, 이는 pH가 낮은 인산에 강력한 산화력을 갖는 과망간산 칼륨이 첨가됨으로써 전체적으로 전처리 용액의 산성도 또는 산화력을 높여 기공 생성을 더욱 활성화시키는 것으로 보인다.
더불어, 인산과 과망간산칼륨의 조합시 상온에서의 침적 과정을 거친 후의 활성 탄소섬유의 수율이 우수하게 나타났다.
이러한 침적용액은 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비와, 상기 인산 수용액 100 부피비 기준으로 0.01 ~ 2몰의 과망간산 칼륨 수용액 30 ~ 70 부피비로 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 침적용액으로 염기성 전처리 용액을 추가로 사용할 수도 있다.
염기성 전처리 용액으로는 염화아연(ZnCl2), 염화칼슘(CaCl2), 황화칼륨(K2S), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨수용액(NaCl)이 적용될 수 있는데, 이중 염화나트륨 수용액이 가장 바람직하다.
염기성 전처리 용액 첨가시 상기 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비 기준으로, 0.01 ~ 2몰의 염기성 전처리 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
염기성 전처리 용액을 상기 용액에 첨가할 경우 후술하는 탄화활성화 단계에서 수율을 높여줄 수 있게 되는데, 다만 이 경우 후술하는 탄화활성화시의 탄화 온도를 700 ~ 750℃로 유지하는 것이 바람직하다.
3. 침적단계
상기 침적용액에 준비된 레이온계 섬유를 침적(swelling)시켜 20 ~ 35℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지한다.
보다 바람직하기로는 25℃의 온도로 1시간 가량 유지시켜주는 것이 바람직하다.
이러한 침적 단계를 거치게 되면 침적 용액이 탄소질 원료에 함유되어 후술하는 탄화 공정을 거치면서 탄소질을 침식해서 탈수산화하고, 탄소화 온도를 저하시켜 생성된 활성화물은 다공질 구조에서 흡착 기능을 발휘하게 해준다.
이러한 침적 단계는 기존의 활성 탄소섬유 제조 방법과는 매우 차별화된 것으로, 기존의 제조 방법에서는 침적시에는 무조건적으로 온도를 최소 60℃ 이상 높인 조건에서 침적을 실시하였다.
이러한 온도 이하일 경우에는 통상적으로 약품 처리의 효과가 없어 기공 발생율이 저조해지게 되며, 기공 발생율을 높이기 위해 120℃ 이상 고온으로 처리할 경우 섬유 자체에 손상을 일으켜 물성 저하가 발생하게 된다.
더불어, 침적 단계에서 1시간 가량 높은 온도를 유지시켜주기 위해서는 챔버에 열을 가해주는 설비가 구비되어야 하므로 시설비용 및 유지비가 증가하게 되는 문제점도 있다.
그런데, 본 발명에서는 상온에서 침적을 실시하게 되므로, 섬유 자체의 손상 발생이 극히 저조하여 물성 저하가 기존 제조방법에 비해 덜 발생하게 됨이 자명하다.
또한, 열을 가해주는 장치 구비 및 이를 유지시켜 주기 위한 에너지 소모가 없는 바, 기존 제조방법에 비해 생산 단가가 저렴해지게 된다.
이는 저렴한 소재인 레이온계 섬유를 이용한 것을 감안하면 생산 단가의 저감율은 보다 획기적인 것이라 할 것이다.
더불어, 침적단계 진행 후 별도의 촉매제를 첨가하지 않고도 Weight loss가 적고어 수율을 높여줄 수 있게 된다.
4. 세척단계
상기 침적 처리된 레이온계 섬유 표면을 세척한다.
세척 방법은 일반 증류수를 레이온계 섬유 표면에 뿌려주거나, 알칼리성 용액을 표면에 공급하여 세척이 이루어지도록 할 수 있다.
5. 건조단계
상기 세척단계를 거친 레이온계 섬유를 건조한다.
건조 방식은 상온에서 유지하는 방법, 오븐, 히터 등을 통한 건조 등 공지의 건조 방법을 적용하면 된다.
6. 산화안정화단계
건조된 레이온계 섬유를 상온에서 350 ~ 450℃의 온도로 승온한 뒤 30 ~ 90 분간 유지하여 산화 안정화시킨다.
이때, 상온에서 상기 온도로 승온하는 시간은 대략 30 ~ 90분 정도로 함이 바람직하다.
구체적으로는 상온에서 1시간 동안 350 ~ 450℃의 온도로 승온하고, 이 상태에서 1시간 동안 유지시켜줌이 바람직하다.
이는 불안정한 분자 결합을 끊어주고 대기중의 산소 분자를 결합시켜주는 과정이다.
350℃ 이하의 온도로 유지할 경우에는 흡착 성능을 보이기 위한 산화 효과를 달성하기 위한 챔버 체류 시간이 그만큼 길어져 생산성이 낮아지며, 상기 온도를 초과할 경우에는 레이온계 섬유가 갖고 있는 고유 탄성이 줄어 공정 중에 끊어짐이 발생하여 연속 생산하는 자동화가 어렵게 된다.
7. 탄화활성화단계
상기 산화 안정화된 레이온계 섬유를 700 ~ 800℃의 온도에서 산소가 차단된 상태로 불활성 가스 분위기에서 유지시켜 탄화 활성화시킨다.
불활성 가스는 공지된 제조방법과 마찬가지로 이산화탄소, 스팀, 질소가 적용되며, 이러한 불활성가스는 각 구성요소가 단독 혹은 혼용하여 사용될 수 있다.
아울러, 온도는 700℃ 이하일 경우 연소 효과에 의해 공정 시간이 오래 걸리고, 요구되는 탄화가 발생하지 않아 흡착 성능이 떨어지게 되며, 800℃를 초과하게 될 경우 weight loss가 과도하게 일어나 수율이 낮아지게 된다.
이상과 같은 공정에 의해 제조된 활성 탄소섬유의 기공 비표면적에는 제거하려는 기체의 종류나 사용되는 장소의 환경 등에 따라 알려진 대로 금속이나 금속염 또는 유기물을 첨착물질(Impregnated materials)로 사용하여 기공에 의한 물리적 흡착력 외에 화학흡착과 중화반응, 화학반응, 촉매반응 등을 동반시켜 흡착하고자 하는 가스를 선택적으로 흡착하도록 할 수 있다.
이를 위한 흡착물질로는 잘 알려진 산화구리(CuO) 뿐만 아니라 황산(H2SO4), 탄산칼륨(K2CO3), 산화철(FeO 등), 질산은(AgNO3), 과망간산칼륨(KMnO4), 옥산화바나듐(V2O3), 몰리브덴(Mo), 인산(H3PO4), TEDA(triethylene diamine), Tartaric acid, Pyridine 등의 유기화합물 등이 사용될 수 있다.
<실시예 1> 레이온계 활성 탄소섬유의 제조1
900 필라로 구성되며, 평균 1,650 데니아인 수분율 7%인 리오셀 섬유를 준비하였다.
침적용액으로는 3몰의 인산 수용액 20ml와, 0.1몰의 과망간산칼륨 수용액 10ml를 준비하여 과망간산칼륨 수용액을 인산 수용액과 혼합하여 준비하였다.
먼저, 준비된 리오셀 섬유를 침적용액이 담긴 용기에 투입한 후 용기를 챔버 내에 위치시키고, 챔버 내부 온도를 25℃로 유지한 채 1시간 동안 침적시켰다.
그런 다음 리오셀 섬유를 꺼내어 증류수로 2회 세척한 후 70℃의 드라이오븐에서 1시간 동안 건조시켰다.
건조된 리오셀 섬유를 상온의 챔버에 투입한 후 1시간 동안 챔버 내부 온도를 400℃로 승온하고, 이어 그 상태를 1시간 동안 유지하여 산화안정화 시켰다.
이어 산화안정화된 리오셀 섬유를 반응로에 투입한 후 반응로에 질소 가스 분위기에서 수증기를 공급하면서 분당 13℃씩 승온하면서 800℃까지 도달시키고, 700℃에서 1시간 동안 유지하여 탄화활성화시켜 실시예1의 레이온계 활성 탄소섬유를 제조하였다.
<실시예 2> 레이온계 활성 탄소섬유의 제조2
실시예 1과 동일하게 진행하되, 침적용액으로 0.125몰의 염화나트륨 수용액 10ml를 첨가하여 준비하여 실시예2의 레이온계 활성 탄소섬유를 제조하였다.
<실시예 3> 레이온계 활성 탄소섬유의 제조3
실시예 2와 동일하게 진행하되, 탄화 온도를 800℃에서 1시간 동안 유지하여 실시예3의 레이온계 활성 탄소섬유를 제조하였다.
<실험예 1> 탄화 후 중량변화
비교예로 실시예 1과 동일하게 진행하되, 침적용액으로 과망간산 칼륨 수용액을 배제한 채 인산 용액만 사용하여 비교예 1의 레이온계 활성 탄소섬유를 제조하였다.
아울러,
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 대해 침적 전의 시료 무게와 탄화 후 무게를 비교하여 중량 감소율을 아래 표 1에 나타냈다.
| 시료 | 침적 전 무게 | 침적 후 무게(A) | 탄화 후 무게(B) | 감소율(%) 감소율=(1-(B/A))*100 |
| 실시예1 | 0.1067 | 0.1035 | 0.0101 | 90.5 |
| 실시예2 | 0.1084 | 0.1053 | 0.0123 | 88.7 |
| 실시예3 | 0.1084 | 0.1040 | 0.0029 | 97.2 |
| 비교예1 | 0.1057 | 0.0999 | 0.0028 | 97.4 |
상기 표 1에 나타나 있는 바와 같이 감소율은 실시예 2가 가장 우수하였으며, 실시예 1 역시 우수하였다.
반면, 실시예 3 및 비교예 1은 감소율이 높게 나타났다.
<실험예 2> 현미경 사진
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 시료를 각각 현미경 사진으로 나타낸 결과가 도면에 나타나 있다.
도 1 내지 4는 실시예 1, 도 5 내지 6은 실시예 2, 도 7 내지 8은 실시예 3, 도 9 내지 10은 비교예1의 배율에 따른 현미경 사진이다.
도면에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3 모두 기공이 매우 발달한 것을 알 수 있다.
반면, 비교예 1의 경우 사실상 기공이 육안으로 식별이 안될 정도로 발달되지 않은 것을 알 수 있다.
아울러, 도 11 및 도 12는 각각 독일 및 중국에서 구입한 공지의 활성 탄소섬유의 현미경 사진으로 실시예들과 비교해도 기공의 분포 및 규칙성에 있어 상당한 차이를 갖는 것을 알 수 있다.
상기와 같은 실험예들을 살펴본 바, 실시예 1 및 실시예 2는 각각 중량 감소가 비교적 적고, 기공이 많고, 기공의 크기가 비교적 일정하여 우수한 것으로 판단된다.
다만, 실시예 3의 경우 실시예 2와 동일한 조건임에도 불구하고 탄화활성화 단계에서 탄화 온도에 따라 중량 감소가 높아져 생산성은 다소 낮은 것으로 판단된다.
반면, 비교예 1 및 공지의 제품들을 살펴보면, 중량 감소가 매우 높아 생산성이 떨어지며, 현미경 사진으로 볼 때 기공의 분포 및 규칙성이 실시예들에 비해 떨어지는 것을 볼 수 있다.
Claims (5)
- 레이온계 활성 탄소섬유의 제조 방법에 있어서,
레이온계 섬유를 준비하는 원료준비단계와;
1가 또는 2가 금속 이온으로 구성된 산성 전처리 용액을 준비하고, 상기 산성 전처리 용액에 과망간산칼륨 용액을 첨가하여 침적용액을 준비하는 침적용액준비단계와;
상기 침적용액에 준비된 레이온계 섬유를 침적시켜 20 ~ 35℃의 온도로 30 ~ 90분 동안 유지하는 침적단계와;
상기 침적 처리된 레이온계 섬유 표면을 세척하는 세척단계와;
상기 세척단계를 거친 레이온계 섬유를 건조하는 건조단계와;
건조된 레이온계 섬유를 상온에서 350 ~ 450℃의 온도로 승온한 뒤 30 ~ 90 분간 유지하여 산화 안정화시키는 산화안정화단계와;
상기 산화 안정화된 레이온계 섬유를 700 ~ 800℃의 온도에서 산소가 차단된 상태로 불활성 가스 분위기에서 유지시켜 탄화 활성화시키는 탄화활성화단계;를 포함하여 구성되되,
상기 침적용액준비단계에서 침적용액은 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비와, 상기 인산 수용액 100 부피비 기준으로 0.01 ~ 2몰의 과망간산 칼륨 수용액 30 ~ 70 부피비로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유의 제조 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 침적용액준비단계에서 상기 2 ~ 4몰의 인산 수용액 100부피비 기준으로 0.01 ~ 2몰의 염기성 전처리 용액이 더 첨가되며,
상기 탄화활성화단계는 700 ~ 800℃에서 탄화 활성화시키는 것을 특징으로 하는,
과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 원료준비단계에서 레이온계 섬유는 리오셀 섬유인 것을 특징으로 하는,과망간산칼륨을 이용한 레이온계 활성 탄소섬유의 제조 방법.
- 삭제
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