KR101417217B1 - Method for preparing carbon fiber precursor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인장강도와 압축강도가 우수한 탄소섬유를 생산하는 데 사용되는 전구체 섬유를 제조하기 위해 초연신(Superdrawing) 공정을 이용하여 종래의 단성분 방사구금(Single Component Spinneret)으로 미세 섬도(denier)의 전구체 섬유를 제조하여 안정화 시간의 단축과 더불어 고강력, 고탄성 탄소섬유를 얻을 수 있도록 하는 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing precursor fibers for carbon fibers, and more particularly, to a method for producing precursor fibers for producing carbon fibers having excellent tensile strength and compressive strength, using a superdrawing process, To a method of producing precursor fibers of fine denier by a single component spinneret to obtain a high strength and high-elasticity carbon fiber together with shortening of a stabilization time .

Description

탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법{Method for preparing carbon fiber precursor}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a precursor fiber for carbon fiber,

본 발명은 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인장강도와 압축강도가 우수한 탄소섬유를 생산하는 데 사용되는 전구체 섬유를 제조하기 위해 초연신(Superdrawing) 공정을 이용하여 종래의 단성분 방사구금(Single Component Spinneret)으로 미세 섬도(denier)의 전구체 섬유를 제조하여 안정화 시간의 단축과 더불어 고강력, 고탄성 탄소섬유를 얻을 수 있도록 하는 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing precursor fibers for carbon fibers, and more particularly, to a method for producing precursor fibers for producing carbon fibers having excellent tensile strength and compressive strength, using a superdrawing process, To a method of producing precursor fibers of fine denier by a single component spinneret to obtain a high strength and high-elasticity carbon fiber together with shortening of a stabilization time .

탄소섬유는 탄소성분이 92%이상 차지하는 고강력(3~7GPa), 고탄성(150 ~ 950 GPa) 섬유로써 탄소 수율이 높은 전구체 물질을 고온에서 열처리하여 제조할 수 있다. 이러한 전구체 물질 중 탄소섬유 제작 시 인장강도 및 압축강도가 모두 우수하고 인장탄성률이 양호한 아크릴로니트릴중합체(Polyacrylonitrile) 섬유가 가장 널리 사용되고 있다. 아크릴로니트릴중합체는 분해온도가 용융온도 보다 낮아서 용융방사에 어려움이 있으며 일부 의류용 섬유의 경우 물과 같은 가소제를 사용하여 용융방사를 통한 대량생산을 하고 있으나 탄소섬유용 아크릴로니트릴섬유는 대부분 용액방사를 통하여 제작된다. 이렇게 용액방사가 된 아크릴로니트릴섬유는 열수(~100℃)에서 연신을 하거나 고성능 탄소섬유 제작을 위해서 다단 연신을 수행한다(도 1의 공정도 참조) . 일반적으로 아크릴로니트릴 미연신사를 연신하게 되면 분자의 배향이 일어나고 이에 따른 결정화도가 증가하게 된다.Carbon fiber can be produced by high-temperature (700 ~ 7 GPa) and high-elasticity (150 ~ 950 GPa) fibers with carbon content of more than 92% and high precursor materials with high carbon yield. Among these precursor materials, acrylonitrile fibers having excellent tensile strength and compressive strength and good tensile elastic modulus are most widely used when making carbon fibers. Acrylonitrile polymer has a lower decomposition temperature than melting temperature and is difficult to melt spinning. Some textile fibers are mass produced by melt spinning using a plasticizer such as water, but most of acrylonitrile fibers for carbon fiber Radiation. The solution-irradiated acrylonitrile fibers are subjected to stretching in hot water (~100 ° C) or multi-step stretching in order to produce high-performance carbon fibers (see also the process diagram in FIG. 1). Generally, when acrylonitrile undrawn yarn is stretched, orientation of molecules occurs and crystallinity increases accordingly.

전구체 섬유로서의 아크릴로니트릴 연신사는 산화분위기에서 안정화공정(250~350℃) 및 불활성 분위기에서 탄화공정(800 ~ 1500℃)을 거쳐서 탄소섬유로 제작되며 선택적으로 흑연화 공정(~2500℃)을 실행하기도 한다. 안정화 공정에서는 PAN 분자구조의 고리화 및 산소의 결합이 수반된다. 이때, 산소의 결합을 위해서는 안정화된 PAN 섬유 내부로 산소의 확산이 필요하기 때문에 안정화 공정시간은 섬유 굵기에 따라 비약적으로 증가하게 된다. 탄화공정에서는 안정화공정에서 형성된 사다리모양의 분자구조들이 서로 결합을 하여 흑연과 유사한 구조로 변형이 되며, 탄소 이외 원소들의 휘발이 진행 된다. 안정화 공정 및 탄화 공정 중에 물리적 혹은 화학적인 원인으로 섬유의 길이방향 수축이 일어나게 되며, 최종적으로 얻어지는 탄소섬유의 분자 배향이 나빠지는 원인이 된다. 따라서 안정화 및 탄화 공정 중에 장력을 가해줌으로써 분자배향을 개선시켜 잘 발달된 탄소섬유 길이방향의 결정구조를 기대할 수 있다. Griffith의 flaw이론에 따르면 같은 재질일 경우 섬유 직경이 감소할수록 단위길이당 표면적이 작아져서 결함이 존재할 확률이 낮게 되어 인장강도가 증가된다. 따라서 아크릴로니트릴 전구체 섬유의 직경을 작게 할수록 안정화 및 탄화공정 중에 단위면적당 장력을 증가시킬 수 있어 고강도의 탄소섬유의 제조가 가능하다. 작은 직경의 전구체 섬유를 제조하기 위해서는 이에 대응되는 미세한 토출구를 갖는 방사구금이 필요하며, 특히 극세사 섬유를 제조하기 위해서는 2종 이상의 고분자 중합체를 함께 방사하여 원하는 성분의 섬유를 물리적(分割絲) 혹은 화학적(海島絲) 방법으로 분리해 내는 고가의 복합방사 설비가 필요하다.The acrylonitrile stretch as the precursor fiber is made of carbon fiber through the stabilization process (250 ~ 350 ℃) and the carbonization process (800 ~ 1500 ℃) in the inert atmosphere in the oxidizing atmosphere and optionally the graphitization process (~ 2500 ℃) It is also said. In the stabilization process, cyclization of the PAN molecular structure and binding of oxygen are involved. At this time, oxygen diffusion requires oxygen diffusion into the stabilized PAN fiber, so that the stabilization time increases dramatically depending on the fiber thickness. In the carbonization process, the ladder-like molecular structures formed in the stabilization process are bonded to each other to be deformed into a structure similar to graphite, and the volatilization of elements other than carbon proceeds. The longitudinal shrinkage of the fiber occurs due to physical or chemical causes during the stabilization process and the carbonization process, which causes the molecular orientation of the finally obtained carbon fiber to deteriorate. Therefore, a well-developed carbon fiber longitudinal direction crystal structure can be expected by improving the molecular orientation by applying a tensile force during the stabilization and carbonization process. According to Griffith's flaw theory, as the fiber diameter decreases in the same material, the surface area per unit length becomes smaller and the probability of the defect is lowered and the tensile strength is increased. Therefore, as the diameter of the acrylonitrile precursor fiber is decreased, the tensile per unit area can be increased during the stabilization and carbonization process, so that it is possible to produce carbon fibers of high strength. In order to produce small-diameter precursor fibers, a spinneret having a corresponding fine discharge port is required. In order to produce microfine fibers, two or more polymer polymers are spun together to form a fiber of a desired component in a divided yarn or chemical It is necessary to use an expensive composite radiation facility for separating by a sea shore method.

국제특허 (WO 2009/049174)에서는 코어-쉘 (core-shell or sheath-core) 또는 해도사 (islands-in-a-sea)형태의 복합방사를 통해 고강도 (~4.5 GPa) 극세 탄소섬유를 제조하였으나 고가의 방사설비뿐만 아니라 방사 후 보조성분을 용해 혹은 소각시키는 과정이 많은 비용상승의 문제가 있다.International patent (WO 2009/049174) manufactures high strength (~ 4.5 GPa) microfine carbon fibers through composite radiation in the form of core-shell or sheath-core or islands-in-a-sea However, there is a problem of cost increase in the process of dissolving or incinerating auxiliary components after spinning as well as expensive spinning equipment.

또한 미국특허 제6,428,891호에서는 아크릴로니트릴 전구체를 습식방사하고 bath drawing에서 연신하고 2차적으로 스팀 drawing에서 연신하는 탄소섬유 제조방법이 제안되어 있고, 미국특허 제6,641,915호에서는 아크릴로니트릴 폴리머를 용액에서 방사하고 제1 coagulation bath에서 연신, 제2 coagulation bath에서 스트레칭하는 탄소섬유 전구체를 위한 아크릴로니트릴 섬유 제조방법이 제안되어 있으며, 일본공개특허 소64-52811호에서는 아크릴로니트릴 폴리머를 용액에서 방사하고 coagulation bath에서 연신하는 탄소섬유 전구체를 위한 아크릴로니트릴 섬유 제조방법이 제안되어 있으나, 이러한 기술은 탄소섬유 전구체로서의 기계적 물성을 충족하면서 자유로운 섬유 단면적의 조절이 어렵다.In addition, U.S. Patent No. 6,428,891 discloses a method for producing carbon fibers in which an acrylonitrile precursor is wet-spun, stretched in a bath drawing and secondarily drawn in a steam drawing, and U.S. Patent No. 6,641,915 discloses an acrylonitrile polymer in a solution A method for producing acrylonitrile fibers for spinning and stretching in a first coagulation bath and for stretching in a second coagulation bath has been proposed in Japanese Patent Application Laid-open No. 64-52811, in which acrylonitrile polymer is spun in solution a method for producing acrylonitrile fiber for a carbon fiber precursor which is stretched in a coagulation bath has been proposed, but it is difficult to control the free fiber cross-sectional area freely while satisfying the mechanical properties as a carbon fiber precursor.

한편, 섬유의 초연신에 의한 제조방법으로 한국공개특허 제1991-2966호에서는 초연신된 폴리에틸렌섬유 및 탄성중합체 개질된 에폭시수지로 이루어진 초 연신된 폴리에틸렌 섬유 강화된 복합체 물질이 제안되어 있고, 일본공개특허 제2006-265788호에서는 섬유성분 직경이 1-10㎛가 되도록 용해방사로 제작한 섬유를 초연신한 복합섬유 제조방법이 제안되어 있으나, 이러한 기술들은 섬유 개질 등의 목적으로 초연신을 시행하는 것으로서 탄소섬유 전구체로 사용하기에는 탄소수율이 낮은 문제가 있다.
On the other hand, Korean Patent Laid-Open No. 1991-2966 discloses an ultra-stretched polyethylene fiber reinforced composite material composed of an ultra-stretched polyethylene fiber and an elastomer-modified epoxy resin, Patent No. 2006-265788 proposes a method for producing a composite fiber in which fibers prepared by melt spinning have a fiber diameter of 1-10 μm so as to have a fiber diameter of 1 to 10 μm, There is a problem that carbon yield is low for use as a fiber precursor.

위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 섬유를 방사한 후 초연신 공정을 활용하여 미세 섬도로 제조하는 경우 우수한 물성의 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조가 가능하다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.As a result of research to solve the problems of the prior art as described above, it has been found out that it is possible to produce precursor fibers for carbon fibers having excellent physical properties when microfine fiber is produced by spinning the fiber and then using the ultra- .

본 발명은 초연신 공정을 활용하여 기존의 방사구금에서 토출된 방사직후(As-spun) 아크릴로니트릴 섬유를 용도에 맞게 섬유 직경을 가늘게 하여 우수한 인장강도와 인장탄성률을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있는 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention can produce a carbon fiber having an excellent tensile strength and a tensile elastic modulus by thinning the fiber diameter of As-spun acrylonitrile fiber discharged from a conventional spinneret using a super-stretch process to meet the application The present invention provides a method for producing a precursor fiber for a carbon fiber.

또한 본 발명은 초연신을 통하여 분자배향이 우수하고 직경이 작은 전구체 섬유를 제조하고 고강도, 고강성의 탄소섬유를 제조할 수 있는 탄소섬유용 전구체 섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide a precursor fiber for carbon fibers capable of producing precursor fibers having excellent molecular orientation and small diameter through pre-stretching and producing high strength and high rigidity carbon fibers.

이러한 본 발명의 과제 해결을 위해, In order to solve the problems of the present invention,

본 발명은 아크릴로니트릴 중합체가 함유된 방사용액으로부터 아크릴로니트릴 섬유를 방사하는 제1단계;
The present invention provides a method for producing acrylonitrile fibers, comprising: a first step of irradiating acrylonitrile fibers from a spinning solution containing an acrylonitrile polymer;

제1단계에서 방사된 섬유를 초연신하여 섬유직경을 조절하는 제 2 단계; 및
A second step of ultra-stretching the fibers radiated in the first step to adjust fiber diameter; And

제2단계에서 준비된 섬유를 연신하여 전구체 섬유를 제조하는 제 3 단계;A third step of stretching the fibers prepared in the second step to produce precursor fibers;

를 포함하는 고강도 탄소섬유용 전구체 섬유 제조방법을 제공한다.
And a method for producing the precursor fiber for high strength carbon fibers.

본 발명의 탄소섬유용 전구체 섬유 제조방법에 의하면, 초연신에 의해 섬유단면적이 적어 안정화시간이 단축되고 강도가 증가한 탄소섬유를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 탄소섬유는 자동차용 샤시 및 차체부품, 항공기 구조재, 풍력발전기 날개(블레이드), 스포츠용품, 건축용 구조재 등의 제작에 사용이 가능하며 자동차 및 항공기 구조재에 사용되는 경우 경량화를 통하여 연료효율을 향상시키고, 고강성으로 인해 안전도가 향상되는 효과가 있다.
According to the method for producing a precursor fiber for a carbon fiber of the present invention, it is possible to produce a carbon fiber whose superfactor is shortened in the cross-sectional area of the fiber to shorten the stabilization time and increase the strength. The carbon fiber thus produced can be used for manufacturing automobile chassis and body parts, aircraft structural members, wind turbine blades, sporting goods, and construction structural materials. When used in automobile and aircraft structural materials, And the safety is improved due to high rigidity.

도 1은 국제특허 (WO 2009/049174)에 기술된 미세 섬도에 의한 탄소섬유 제조방법의 일반적인 제조공정을 간략하게 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법의 제조공정을 간략하게 도시한 공정도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a general manufacturing process of a carbon fiber manufacturing method according to the fine fineness described in International Patent (WO 2009/049174).
2 is a process diagram briefly showing a manufacturing process of the method for producing precursor fibers for carbon fibers according to the present invention.

이하에서는 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail as an embodiment.

본 발명은 아크릴로니트릴 중합체 방사용액으로부터 아크릴로니트릴 섬유를 방사, 초연신(Superdrawing), 연신 등의 공정으로 고강도 탄소섬유용 전구체 섬유를 제조하는 것에 특징이 있다. 이러한 제조과정은 전형적으로는 도 2와 같은 공정으로 나타낼 수 있다.The present invention is characterized in that precursor fibers for high-strength carbon fibers are produced by a process such as spinning, superdrawing, stretching, etc. of acrylonitrile fibers from an acrylonitrile polymer spinning solution. Such a manufacturing process can be typically represented by a process as shown in FIG.

본 발명에 따라 제조되는 탄소섬유용 전구체 섬유는 바람직하기로는 아크릴로니트릴 중합체로부터 얻어진다. 본 발명에서 하나의 구현예로 사용되는 아크릴로니트릴 중합체는 아크릴로니트릴 단량체를 주성분으로 하여 다른 공중합 단량체와 공중합된 것으로서, 아크릴로니트릴 단위의 함량은 전체 중합체의 90 ~ 99중량%, 더욱 바람직하게는 95 ~ 99중량%이 사용된다. 상기 아크릴로니트릴의 함량이 90중량% 미만이면 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유의 결정구조가 잘 발달되지 않아 탄소섬유의 강도 및 강성이 저하될 우려가 있다. 상기 아크릴로니트릴 중합체는 다른 공중합 단량체와 공중합하여 사용하는 것이 안정화 시간 단축 및 최종 탄소섬유 품질을 위해 바람직하며, 아크릴로니트릴 단량체 함량과 합하여 100중량%가 되도록 한다. 이때 상기 공중합 단량체는 아크릴산(AA), 메타크릴산(MA), 이타콘산(IA), 메타크릴레이트(MA), 아크릴아마이드(AM) 중에서 하나 혹은 둘 이상 선택되어 질 수 있다.The precursor fibers for carbon fibers produced according to the present invention are preferably obtained from acrylonitrile polymers. The acrylonitrile polymer used as one embodiment of the present invention is copolymerized with other copolymerizable monomers using acrylonitrile monomer as a main component, and the content of acrylonitrile units is preferably 90 to 99% by weight, Is 95 to 99% by weight. If the content of the acrylonitrile is less than 90% by weight, the crystal structure of the carbon fiber precursor and the carbon fiber may not be well developed and the strength and rigidity of the carbon fiber may be deteriorated. The acrylonitrile polymer is preferably used in copolymerization with other copolymerizable monomers in order to shorten the stabilization time and to improve the final carbon fiber quality, and to make the total amount of acrylonitrile monomer to be 100% by weight. At this time, the copolymerizable monomer may be selected from one or more of acrylic acid (AA), methacrylic acid (MA), itaconic acid (IA), methacrylate (MA) and acrylamide (AM).

상기 아크릴로니트릴 중합체로부터 탄소섬유 전구체를 제조하기 위하여 본 발명에서는 아크릴로니트릴 중합체를 용매에 녹이거나 용액중합을 통하여 방사용액(dope)을 제조ㅎ하는 것을 포함한다. 이 중 아크릴로니트릴 중합체를 용매에 녹이는 방법이 더욱 바람직하다. 용액중합된 중합체 용액을 직접 방사하는 경우 저분자량 성분 및 개시제, 촉매 등이 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유의 기계적 물성 저하에 영향을 미칠 우려가 있다. 상기 방사용액에 사용되는 용매로는 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide; DMSO), 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide; DMF), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide; DMAc), 질산 (nitric acid) 등에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 상기 아크릴로니트릴 중합체 방사용액(이하 '방사용액'이라 한다.)에서 상기 아크릴로니트릴 중합체 함량은 5 내지 25 중량%, 바람직하게는 10 내지 20 중량%이다. 상기 중합체의 함량이 너무 적으면 점도가 낮아 방사가 어려워지고, 함량이 너무 높으면 아크릴로니트릴 분자 간 혹은 분자 내 엉킴으로 인해 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 상기 방사용액은 24시간 이상 보관하여 기포를 제거하며 방사 시 기공이 10 마이크론 이하인 필터를 사용하여 불순물을 제거한다.In order to prepare a carbon fiber precursor from the acrylonitrile polymer, the present invention includes preparing a dope by dissolving the acrylonitrile polymer in a solvent or by solution polymerization. Among them, a method of dissolving the acrylonitrile polymer in a solvent is more preferable. When the solution polymerized solution is directly spun, low molecular weight components, initiators, catalysts, etc. may affect the mechanical properties of the carbon fiber precursor and the carbon fiber. Examples of the solvent used in the spinning solution include dimethylsulfoxide (DMSO), N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), nitric acid Selected ones can be used. The content of the acrylonitrile polymer in the acrylonitrile polymer spinning solution (hereinafter referred to as 'spinning solution') is 5 to 25% by weight, preferably 10 to 20% by weight. If the content of the polymer is too small, the viscosity is low and spinning becomes difficult. If the content is too high, the mechanical properties of the carbon fiber precursor and the carbon fiber may be deteriorated due to intermolecular or intramolecular entanglement of acrylonitrile. The spinning solution is stored for at least 24 hours to remove bubbles and remove impurities using a filter having a pore size of 10 microns or less during spinning.

아크릴로니트릴 중합체 방사용액으로부터 아크릴로니트릴 섬유를 방사하는 제1단계에서, 상기 방사용액은 통상적인 용액방사의 방법으로 방사하여 섬유의 형태로 가공할 수 있다. 이때 방사구와 응고욕은 통상의 습식방사, 기격방사(건식방사구 습식방사)의 방법으로 배치될 수 있으며, 바람직하게는 기격방사의 방법이 전구체 섬유 내 아크릴로니트릴 분자의 배향을 향상시켜 더욱 우수한 탄소섬유의 제작이 가능하다. In the first step of spinning the acrylonitrile fibers from the acrylonitrile polymer spinning solution, the spinning solution may be spun in a conventional solution spinning process and processed into the form of fibers. The spinneret and the coagulation bath may be disposed by conventional wet spinning, striking (dry spinning wet spinning) methods, preferably by striking spinning methods to improve the orientation of the acrylonitrile molecules in the precursor fibers It is possible to make carbon fiber.

이러한 방사용액을 방사하는 경우 방사구와 응고액 사이의 거리는 1 내지 100 mm, 더욱 바람직하게는 5 내지 25 mm를 유지하여야 한다. 이때 사용되는 응고액은 용매와 비용매의 혼합액으로 되어 있으며, 비용매의 비율이 높을수록 온도가 높을수록 고화속도가 빨라진다. 비용매는 물이나 알코올류가 선택적으로 사용될 수 있다.When this spinning solution is radiated, the distance between the spinneret and the coagulating solution should be maintained at 1 to 100 mm, more preferably 5 to 25 mm. The coagulating solution used is a mixture of solvent and non-solvent. The higher the ratio of non-solvent, the faster the solidification rate becomes. Water or alcohols can be selectively used.

본 발명에 따르면, 제1단계에서 방사된 섬유를 초연신하여 섬유직경을 조절하는 제 2 단계에서는 상기 과정을 통하여 제조된 방사 직후 섬유(As-spun fiber)는의 초연신을 실시한다. 이때 초연신 온도는 아크릴로니트릴의 유리전이온도 이상에서, 바람직하게는 100 내지 180 ℃, 더욱 바람직하게는 150 내지 170 ℃에서 실시한다. 신장변형율(strain rate)이 0.4 내지 400 sec-1 바람직하게는 150 내지 250 sec-1 에서 설정하며 신장변형율이 너무 높으면 분자의 배향이 빨리 일어나고 신장변형율이 너무 낮으면 생산성이 저하된다. 또한 이때 초연신된 섬유의 굵기는 바람직하게는 0.05 ~ 0.5 데니어(denier)로 제조될 수 있다. According to the present invention, in the second step of superfolding the fibers radiated in the first step and controlling the fiber diameter, the as-spun fiber immediately after the spinning produced through the above process is preliminarily stretched. At this time, the super-stretching temperature is higher than the glass transition temperature of acrylonitrile, preferably 100 to 180 占 폚, more preferably 150 to 170 占 폚. The strain rate is set in the range of 0.4 to 400 sec -1, preferably 150 to 250 sec -1 . If the elongation is too high, the orientation of the molecules will occur quickly. If the elongation is too low, the productivity will decrease. Also, the thickness of the superextracted fiber may be preferably 0.05 to 0.5 denier.

상기 제2단계에서 준비된 섬유를 연신하여 전구체 섬유를 제조하는 제 3 단계에서는 초연신을 통하여 목표 범위의 섬유직경에 도달하면 연신을 실시한다. 연신온도는 150 내지 180 ℃에서 통상의 방법으로 연신을 실시한다.In the third step of preparing the precursor fibers by stretching the fibers prepared in the second step, stretching is performed when the fiber diameter reaches the target range through the preliminary stretching. The stretching is carried out at a temperature of 150 to 180 DEG C by a conventional method.

이와 같이, 초연신은 결정성 고분자를 배향결정화를 증가시키지 않고 연신을 수행하는 방법으로 고분자의 유리전이온도 이상의 온도에서 특정한 연신속도를 충족하게 되면 바람직한 특성이 발현될 수 있다. 본 발명에 따라서 상기와 같이 초연신 공정을 활용함으로써, 하나의 방사구금에서 생산된 아크릴로니트릴 전구체 섬유를 원하는 만큼 배향결정화를 억제하여 가늘게 만든 후 연신을 실시하여 최종적으로 목표한 굵기와 물성을 구현할 수 있다.As described above, when the crystallization polymer is subjected to stretching without increasing the orientation crystallization, the preliminary stretching can exhibit desirable characteristics when the stretching speed at a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer is satisfied. According to the present invention, by utilizing the super-stretching process as described above, the acrylonitrile precursor fiber produced in one spinneret can be made as thin as possible by suppressing orientation crystallization as desired, and then stretched to finally achieve the desired thickness and physical properties .

이렇게 제조된 본 발명에 따른 전구체 섬유는 분자배향이 향상되며, 특히 초연신에 의해 섬유단면적이 적어 안정화시간이 단축되고 강도가 증가한 탄소섬유를 제조할 수 있다.The thus prepared precursor fibers according to the present invention can improve the molecular orientation and can produce carbon fibers having a shortened stabilization time and increased strength due to a small cross-sectional area of the fibers by super-stretching.

본 발명에 따라 제조된 전구체 섬유는 탄소섬유 제조를 위해 사용되는데, 이때 탄소섬유 제조는 통상의 안정화, 탄화 조건을 통해 제조될 수 있으나 안정화 시간은 섬유 단면적에 반비례하여 설정한다.The precursor fibers prepared according to the present invention are used for producing carbon fibers. The carbon fibers can be prepared through ordinary stabilization and carbonization conditions, but the stabilization time is set in inverse proportion to the fiber cross-sectional area.

이렇게 제조된 탄소섬유는 기존의 방사구금에서 토출된 방사직후(As-spun) 아크릴로니트릴섬유를 용도에 맞게 섬유 직경을 가늘게 제조할 수 있어서 우수한 인장강도와 인장탄성률을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있게 된다.The carbon fiber thus produced can be made into a fiber diameter as narrow as that of an as-spun acrylonitrile fiber discharged from a conventional spinneret, and can produce carbon fibers having excellent tensile strength and tensile elastic modulus .

또한, 이렇데 본 발명에 따른 전구체 섬유를 이용하여 제조된 탄소섬유는 이러한 우수한 물성으로 인해 자동차용 샤시 및 차체부품, 항공기 구조재, 풍력발전기 날개(블레이드), 스포츠용품, 건축용 구조재 등의 제작에 사용이 가능하며, 자동차 및 항공기 구조재에 사용되는 경우 경량화를 통하여 연료효율을 향상시키고, 고강성으로 인해 안전도가 향상될 수 있다.
In addition, the carbon fiber produced by using the precursor fiber according to the present invention can be used for manufacturing automobile chassis and body parts, aircraft structural members, wind turbine blades, sports goods, and structural members And when it is used for automobile and aircraft structural materials, the fuel efficiency can be improved by lighter weight, and the safety can be improved due to high rigidity.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠다. 다음의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 : 초연신을 이용한 전구체 섬유의 제조Example 1: Preparation of precursor fibers using pre-stretch

이타콘산 2 중량%가 공중합된 아크릴로니트릴 공중합체를 디메틸설폭사이드에 대하여 10 중량% 녹인 후 진공 오븐에 넣고 감압하여 기포를 제거한 후 방사구와 응고액의 거리가 10 mm로 설정된 기격방사를 통해 방사직후 섬유를 제조한다. 1차 응고욕은 디메틸설폭사이드와 물이 60:40으로 혼합되어 있고 2차 응고욕은 용매와 물이 40: 60으로 혼합되어 있다. 방사구는 직경 120 ㎛의 원형인 것을 사용한다.10% by weight of acrylonitrile copolymer copolymerized with 2% by weight of itaconic acid was dissolved in 10% by weight of dimethylsulfoxide, and the resultant was placed in a vacuum oven to remove air bubbles. The air bubbles were removed by vacuum, Immediately after the production of the fibers. The primary coagulation bath is mixed with dimethyl sulfoxide and water at a ratio of 60:40, and the secondary coagulation bath is mixed with a solvent and water at a ratio of 40:60. The spinneret is a circle having a diameter of 120 탆.

상기 조건을 통해 방사된 방사직후 섬유를 150 ℃ 온도의 판상히터(heating plate) 또는 고데트(Godet) 롤러를 사용하여 200 sec-1의 연신속도로 초연신한다. 초연신비는 초연신사 권취속도와 방사직후 섬유 공급속도의 비로서 90배로 설정한다. Immediately after spinning through the above conditions, the fibers are super-stretched at a drawing speed of 200 sec -1 using a heating plate or a Godet roller at a temperature of 150 ° C. The initial draft ratio is set to be 90 times as the ratio of the primary rolled fiber winding speed to the fiber feeding speed immediately after spinning.

상기 초연신사를 170 ℃ 온도에서 450 sec-1의 연신속도로 연신한다. 연신비는 연신사 권취속도와 초연신사 공급속도의 비로 나타내고 15배로 연신하였다. The above-mentioned pre-drawn sheet is stretched at a stretching speed of 450 sec -1 at a temperature of 170 ° C. The stretching ratio was expressed by the ratio of the winding speed of the drawn yarn and the feeding speed of the primary yarn, and the stretching ratio was extended to 15 times.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 초연신 온도를 70 ℃로 하여 전구체 섬유를 제조한다.
In Example 1, precursor fibers were prepared by setting the super-stretching temperature at 70 占 폚.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 1 에서 초연신속도를 380 sec-1로 하여 전구체 섬유를 제조한다.
In Example 1, the precoat speed was set at 380 sec -1 to produce precursor fibers.

비교예 3Comparative Example 3

실시예 1 에서 초연신을 하지않고 전구체 섬유를 제조한다.
The precursor fibers are prepared without the preliminary stretching in Example 1.

비교예 4Comparative Example 4

국제특허(WO 2009/049174)에 따라 해도사(海島絲; islands-in-a-sea) 복합방사를 통해 64도(島)가 포함된 직경 150 ㎛로의 방사직후 섬유를 제조하고, 이를 170 ℃의 온도에서 연신속도 450 sec-1의 속도로 15 배 연신한 후 해(海)성분만을 녹여내어 전구체 섬유를 제조한다.
According to the international patent (WO 2009/049174), fibers were prepared immediately after radiation of a diameter of 150 탆 including islands-in-a-sea composite radiation at an angle of 64 degrees, At a stretching speed of 450 sec < -1 & gt ;, and then the precursor fibers are prepared by dissolving only the sea component.

실험예 : 물성 측정시험Experimental Example: Physical property measurement test

전구체 섬유의 인장강도, 인장탄성률을 ASTM D3822 의 방법으로 게이지 길이는 25.4mm, 크로스헤드 속도는 0.254 mm/min로 측정하였다. 결정화도는 XRD를 사용하여 2차원 X선 회절 그래프의 결정영역과 비정형영역의 면적 합 대비 결정영역[(200, 110), (201), (310,020), (003)]면적의 비율로 구하였다. 아크릴로니트릴 중합체 분자의 섬유내 배향 (Herman’s orientation factor)는 문헌에 보고된(Wilchinsky, Z.W., MEASUREMENT OF ORIENTATION IN POLYPROPYLENE FILM. Journal of Applied Physics, 1960. 31(11): p. 1969-1972) Wilchinsky의 식을 따라 구하였다. 섬유직경은 먼저 비중계를 사용하여 섬유의 밀도를 측정한 후, 단위길이의 섬유의 무게를 측정하여 다음의 식으로 원형단면사의 직경으로 환산하였다.
The tensile strength and tensile elastic modulus of the precursor fibers were measured by a method of ASTM D3822 with a gage length of 25.4 mm and a crosshead speed of 0.254 mm / min. The crystallinity was determined by the ratio of the area of the crystalline region [(200, 110), (201), (310, 020), (003)] to the area sum of the crystalline region and the amorphous region of the two-dimensional X-ray diffraction graph using XRD. The Herman's orientation factor of the acrylonitrile polymer molecules can be determined by the method of Wilchinsky, ZW, MEASUREMENT OF ORIENTATION IN POLYPROPYLENE FILM, Journal of Applied Physics, 1960. 31 (11): p. 1969-1972) . The fiber diameter was measured by measuring the density of the fiber using a hydrometer and then measuring the weight of the fiber of the unit length and converting the diameter of the circular cross-section yarn into the following formula.

Figure 112011092563203-pat00001
Figure 112011092563203-pat00001

여기서 m은 섬유의 무게 (g), ρ는 밀도 (g/cm3), l은 섬유길이(cm)를 나타낸다.Where m is the weight (g) of the fiber, ρ is the density (g / cm 3 ), and l is the fiber length (cm).

이렇게 특정된 실험결과 는 다음 표 1에 나타내었다.
The results of the experiment are shown in Table 1 below.

Figure 112011092563203-pat00002
Figure 112011092563203-pat00002

상기 표 1에서 보면, 비교예 1과 같이 초연신온도가 낮은 경우 실시예 1보다 섬유직경이 현저하게 크게 됨을 알 수 있다. 또한 비교예 2에서 보면 연신속도가 다소 높을 경우 실시예 1보다 섬유 직경 감소 효과가 적음을 알 수 있다.As can be seen from Table 1, the fiber diameter is significantly larger than that of Example 1 when the super-stretching temperature is low as in Comparative Example 1. It can be seen from the comparison example 2 that the effect of decreasing the fiber diameter is smaller than that of the example 1 when the drawing speed is somewhat high.

비교예 3과 같이 초연신을 하지 않은 경우 실시예 보다 섬유직경이 크고 기계적 물성이 열세인 전구체 섬유가 제조됨을 확인할 수 있고, 비교예 4에서 고가의 복합방사 설비를 사용하여 제조한 전구체 섬유보다도 실시예 1를 통하여 섬유 직경이 작고 기계적 강도가 우수한 전구체 섬유의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다. It was confirmed that the precursor fibers having a larger fiber diameter and lower mechanical properties were produced than those of the Examples in the case where the preliminary stretching was not performed as in Comparative Example 3. In Comparative Example 4, 1, it was confirmed that it is possible to produce a precursor fiber having a small fiber diameter and excellent mechanical strength.

따라서 초연신을 사용하여 전구체 섬유를 제조하면 초연신 조건에 따라 섬유직경을 조절하여 기계적 물성이 우수한 전구체 섬유를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전구체 섬유는 탄소섬유 제조과정에서 안정화 및 탄화 시간을 단축시켜 생산비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 보다 잘 발달된 결정구조를 갖는 탄소섬유의 제조가 가능하여 탄소섬유의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.Therefore, when the precursor fiber is prepared by using the pre-stretch, precursor fibers having excellent mechanical properties can be produced by controlling the fiber diameter according to the super-stretching condition. The precursor fibers prepared in this manner can stabilize and shorten the carbonization time in the process of carbon fiber production, thereby reducing the production cost. Further, it is possible to produce carbon fibers having a more developed crystal structure, thereby improving the mechanical properties of carbon fibers .

Claims (10)

아크릴로니트릴 중합체가 함유된 방사용액으로부터 아크릴로니트릴 섬유를 방사하는 제1단계;
제1단계에서 방사된 섬유를 연신속도의 신장변형율이 150 내지 250 sec-1이고 연신온도가 150 내지 170 ℃인 조건에서 초연신하여 섬유직경을 조절하는 제 2 단계; 및
제2단계에서 준비된 섬유를 150 내지 180 ℃ 온도 조건에서 연신하여 전구체 섬유를 제조하는 제 3 단계;
를 포함하는 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조방법.
A first step of irradiating acrylonitrile fiber from a spinning solution containing an acrylonitrile polymer;
A second step of subjecting the fibers radiated in the first step to ultra-stretching at a stretching rate of 150 to 250 sec -1 and a stretching temperature of 150 to 170 ° C to control the fiber diameter; And
A third step of stretching the fibers prepared in the second step at a temperature of 150 to 180 DEG C to produce precursor fibers;
Wherein the carbon fiber precursor fiber is a carbon fiber precursor fiber.
청구항 1에 있어서, 아크릴로니트릴 중합체는 아크릴로니트릴 단량체와 아크릴산(AA), 메타크릴산(MA), 이타콘산(IA), 메타크릴레이트(MA) 및 아크릴아마이드(AM) 중에서 선택된 하나 혹은 둘 이상의 공중합 단량체와 공중합된 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 1 wherein the acrylonitrile polymer is selected from the group consisting of acrylonitrile monomers and one or both of acrylic acid (AA), methacrylic acid (MA), itaconic acid (IA), methacrylate (MA) and acrylamide Of the copolymerizable monomer.
청구항 1에 있어서, 아크릴로니트릴 중합체는 아크릴로니트릴 함량이 90 ~ 99 중량%인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the acrylonitrile polymer has an acrylonitrile content of 90 to 99 wt%.
청구항 1에 있어서, 방사용액은 아크릴로니트릴 중합체 함량이 5 내지 25 중량%이고, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc) 및 질산 중에서 선택된 용매가 혼합된 것을 특징으로 하는 제조방법.
The spinning solution according to claim 1, wherein the spinning solution is a mixture of acrylonitrile polymer content of 5 to 25% by weight and a solvent selected from dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) .
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