KR101470261B1 - Pitch based carbon fiber and method of producing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing carbon fiber by obtaining pitch having a high softening point from petroleum or coal-based aromatic hydrocarbon materials at a high yield and conducting insolubilizing and carbonizing processes after melt spinning. More particularly, if pitch is manufactured by adding an additive provided by the present invention to aromatic hydrocarbons such as petroleum-based intermediate oil and coal-based residuum, chain extension reaction occurs such that double bond chains in the additive is unwound and the chains extend while substitution reaction between molecules or in molecules with aromatic hydrocarbon materials occurs. Particularly, pitch with a high softening point having uniform molecular weights can be finally obtained as reaction with low-molecular-weight materials occurs predominantly. Also, pitch-based carbon fiber having excellent properties can be manufactured as cyclization and aromatization occur well to reduce the phenomenon of fusion between filaments owing to the structure of the additive when carbon fiber is manufactured by conducting insolubilizing and carbonizing processes after melt spinning using the pitch.

Description

피치계 탄소섬유 및 이의 제조방법{PITCH BASED CARBON FIBER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}[0001] PITCH-BASED CARBON FIBER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME [0002]

본 발명은 석유 또는 석탄계 방향족 탄화수소 물질과 첨가제를 함유하는 탄소섬유용 고연화점 피치의 제조 방법, 상기 피치를 용융방사하여 탄소섬유용 전구체 섬유를 제조하는 방법, 상기 전구체 섬유를 불융화, 탄소화시켜 제조된 피치계 탄소섬유에 관한 것으로, 강화건재, 콘크리트 구조물 내진 보강 등의 토목 및 건축 분야, CNG 탱크, 풍력발전용 블레이드 등의 대체 에너지 및 클린 에너지 분야, 차량, 선박 등의 고속 운송 기기분야, 해양 개발 및 심해저 유전 채굴 분야, 플라스틱 보강 용도, 전기 전도 용도, 초내열 용도 등의 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 물성이 우수한 피치계 탄소섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a high softening point pitch for a carbon fiber containing a petroleum or coal aromatic hydrocarbon material and an additive, a method for producing a precursor fiber for carbon fiber by melt spinning the pitch, a method for infusing and carbonizing the precursor fiber The present invention relates to a pitch-based carbon fiber produced by the method of the present invention, which can be applied to civil engineering and construction fields such as reinforced construction materials and concrete structure seismic reinforcement, CNG tanks, alternative energy and clean energy fields such as blades for wind power generation, The present invention relates to a pitch-based carbon fiber excellent in physical properties applicable to a variety of industrial fields such as marine development and deep sea oilfield mining, plastic reinforcement use, electric conduction use, super heat resistance application, and a manufacturing method thereof.

일반적으로 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유의 원료물질인 폴리아크릴로니트릴, 석유 또는 석탄계 피치, 페놀수지 등을 열 용융시켜 용융방사 혹은 용융분사방사를 하거나 용매에 용해시켜 용액방사하여 탄소섬유의 전구체 섬유를 만들고 이를 불융화, 탄소화 공정을 거쳐 제조한다. 특히 석유 또는 석탄계 피치로부터 생성된 고연화점 광학적 등방성 또는 이방성 피치를 탄소화시켜 탄소섬유를 제조할 경우, 탄화수율이 높고 수득된 탄소섬유의 기계적, 전기적 물성이 양호하다는 장점이 있어 각종 보강재, 전극재, 복합재료용 필러, 단열재 등으로 이용되며 낮은 가격과 높은 생산성 및 간단한 제조방법 등의 장점이 있다.Generally, a method of producing carbon fiber is a method of producing carbon fibers by thermally melting polyacrylonitrile, petroleum or coal pitch, phenolic resin or the like, which is a raw material of carbon fiber, dissolving in melt or melt spraying or dissolving in solvent, It is made by making fiber, insolubilizing it, and carbonizing it. In particular, when carbon fibers are produced by carbonizing a high softening point optically isotropic or anisotropic pitch produced from petroleum or coal pitch, there is an advantage that the carbon fiber yield is high and the mechanical and electrical properties of the obtained carbon fiber are good. , Filler for composite materials, insulation, etc., and has advantages such as low cost, high productivity, and simple manufacturing method.

석유계 중질유, 방향족 탄화수소의 단물질(예를 들면, 나프탈렌, 메틸나프탈렌 또는 안트라센), 석탄계 잔사(예를 들면, 콜타르 또는 콜타르피치) 등을 출발물질로 하여 제조되는 연화점 150℃ 이상의 고연화점 피치는 일반적으로 범용 탄소섬유, 활성탄소섬유, 탄소-탄소복합체, 리튬이온 2차전지 음극활물질용 탄소소재 등의 전구체로 널리 사용되고 있다.A high softening point pitch of 150 ° C or higher and a softening point of 150 ° C or higher, which is prepared using petroleum heavy oil, aromatic hydrocarbon (for example, naphthalene, methylnaphthalene or anthracene), coal residue (for example, coal tar or coal tar pitch) In general, it is widely used as a precursor of general-purpose carbon fibers, activated carbon fibers, carbon-carbon composites, and carbon materials for anode active materials for lithium ion secondary batteries.

고연화점 피치는 주로 석탄계 및 석유계 잔사 또는 중질유를 불활성가스의 분위기에서 열처리하는 방법, 공기를 불어 넣으면서 열처리하는 방법, 질산을 첨가하여 열처리하는 방법, 니트로화합물 등의 반응첨가물 또는 염화알루미늄 등 촉매를 가하여 열처리하는 방법 및 할로겐화합물(예를 들면, 염소(Cl2), 브롬(Br2), 요오드(I2), 티오닐클로라이드(SOCl2), 설퍼릴클로라이드(SO2Cl2) 등)을 첨가하여 열처리하는 방법 등으로 만들 수 있다. 그러나 이러한 탄소섬유용 피치의 제조방법에는 여러 문제점이 있다.The high softening point pitch is mainly determined by a method of heat treating coal or petroleum residue or heavy oil in an atmosphere of an inert gas, a method of heat treatment by blowing air, a method of heat treatment by adding nitric acid, a reaction additive such as a nitro compound, And a method in which a halogen compound such as chlorine (Cl 2 ), bromine (Br 2 ), iodine (I 2 ), thionyl chloride (SOCl 2 ), sulfuryl chloride (SO 2 Cl 2 ) Followed by heat treatment. However, the manufacturing method of the pitch for carbon fiber has various problems.

석탄계 콜타르의 정제분을 250 내지 380℃의 비교적 고온에서 다량의 공기를 불어넣어 경질분의 제거와 분자간의 산화적 탈수반응, 공기중 산소에 의한 방향족 탄화수소 물질들 사이의 결합에 의한 가교반응을 유도하여 고연화점 광학적 등방성 피치를 제조하는 방법이 있으나, 상기 공정과 같이 공기를 이용할 경우 많은 시간이 소요되고 공기의 산화에 의해 형성된 물질들의 일부는 불안정하여 열처리 동안에 분해되는 특징이 있고 반응의 제어가 어려운 단점이 있다. 대한민국 특허출원 제2006-7018337에서는 콜타르와 그 증류물에서 피치를 생산하는 방법으로 반응물로서 공기, 산소, 낮은 산소의 공기 또는 이들의 혼합물을 사용하여 산화열처리한 후, 불활성 분위기하에서 열처리하고 이를 분별증류하여 탄소섬유용 전구체 피치를 제조하는 방법을 제시하고 있으나 고연화점의 피치를 얻기에는 부족하다.A large amount of air is blown at a relatively high temperature of 250 to 380 ° C to remove the hard component, oxidative dehydration reaction between molecules, and induction of crosslinking reaction by binding between aromatic hydrocarbon substances by oxygen in air , There is a method of producing an optically isotropic pitch at a high softening point. However, as in the above process, it takes much time to use air, and some of the substances formed by oxidation of air are unstable and are decomposed during heat treatment, There are disadvantages. Korean Patent Application No. 2006-7018337 discloses a process for producing pitch in coal tar and distillates thereof, which comprises subjecting the mixture to thermal oxidation treatment using air, oxygen, low-oxygen air or a mixture thereof as a reactant, heat-treating the mixture in an inert atmosphere, To prepare precursor pitch for carbon fiber, but it is not enough to obtain a pitch of high softening point.

콜타르를 아세톤으로 처리하고 아세톤에 녹는 성분을 발연질산으로 처리하여 질산화반응을 시킨 후 300℃에서 탈질산화시키면서 중합을 유도하는 방법이 있다. 하지만 상기 공정에서 질산화반응시 소수성인 콜타르와 친수성인 질산간의 비친화성으로 불균일한 반응이 일어나고 고온에서 발생할 수 있는 격렬한 탈질산화반응으로 반응의 제어가 곤란하다는 문제점으로 균일한 피치의 제조가 어려워 산업적으로 대량생산하기에 적합하지 않다는 단점이 있다.There is a method in which the coal tar is treated with acetone, the component dissolving in acetone is treated with fuming nitric acid, the nitrification reaction is carried out, and the polymerization is induced while denitrification is carried out at 300 ° C. However, in the nitrification process, non-affinity reaction occurs between the hydrophobic cobalt and the hydrophilic nitric acid, and it is difficult to control the reaction due to the intense denitrification reaction which may occur at a high temperature. Therefore, it is difficult to manufacture uniform pitches. It is not suitable for mass production.

콜타르 피치에 가교제로 1,4-벤조퀴논을 이용하여 딜스-알더(Diels-Alder) 반응을 유도함으로써 고연화점 등방성 피치를 제조하는 방법(미국 탄소재료학회 p 246∼247, 1995)이 있으나 상기 방법은 제조된 피치의 수율이 낮고 남아있는 1,4-벤조퀴논의 산소 관능기가 불융화 공정에서 산화에 대한 저항성을 갖게 하는 등의 문제점이 있다.A method of producing a high softening point isotropic pitch by inducing a Diels-Alder reaction using 1,4-benzoquinone as a crosslinking agent in a coal tar pitch (American Carbon Materials Society p 246 to 247, 1995) Has a problem that the yield of the produced pitch is low and the oxygen functional group of the remaining 1,4-benzoquinone is resistant to oxidation in the unfused process.

나프타 분해 잔사유에 삼불화붕소-에테르(BF3 - Ether)착체를 중합 촉매제로 사용하여 고연화점 등방성 피치를 제조하는 방법이 제시되었다(한국 섬유공학회 논문집, 1997, p 395). 그러나, 상기 방법은 촉매로 사용하는 삼불화붕소-에테르 착체의 가격이 매우 고가이므로 산업적으로 대량생산하기에 적합하지 않다는 단점이 있다.A method of producing a high softening isotropic pitch using a boron trifluoride - ether (BF 3 - ether) complex as a polymerization catalyst has been proposed for the naphtha decomposition residue (Korean Fiber Society, 1997, p 395). However, this method has a disadvantage in that it is not suitable for industrial mass production because the cost of the boron trifluoride-ether complex used as the catalyst is very high.

최근 대한민국 특허출원 제2005-0112510에서는 탄소/탄소 복합재 제조용 기질피치를 제조하는 방법에 있어서, 주원료로서 석탄계 등방성 피치를 사용하여 450 내지 500℃ 범위에서 1시간 이내의 열처리를 함으로서 구상 이방성 메조페이스 함량이 50 내지 75%를 갖는 이방성 메조페이스피치를 제조하는 방법에 대해서 언급되어있다.Recently, Korean Patent Application No. 2005-0112510 discloses a method for producing a substrate pitch for producing a carbon / carbon composite material, which comprises subjecting a carbonaceous isotropic pitch to a heat treatment within a range of 450 to 500 占 폚 for 1 hour or less to obtain a spherical anisotropic mesophase content A method of making an anisotropic mesophase pitch having 50 to 75% is mentioned.

상기 방향족 탄화수소의 물질을 액상 열처리하여 제조되는 고연화점 피치를 전구체로 사용하여 탄소섬유 및 탄소소재 입자 등을 제조하기 위해서는 방사 및 입자제조 등의 제조공정에서 성형한 후 고온 열처리하여 탄소소재의 최종제품을 제조하는 방법을 사용하여 왔다. 그러나, 피치 등으로 만든 섬유 및 입자 등은 고온의 열처리를 직접 진행할 경우 용융되어 형태가 파괴되므로 일반적으로 산화 등의 불융화처리를 필수적으로 하여야만 탄소화 공정에서 형태를 유지할 수 있다. 불융화처리는 산화성 가스 분위기(예를 들면, 공기, 이산화탄소 또는 일산화질소) 또는 산화성 액체 분위기(질산수용액 또는 염산수용액) 중에서 피치로 제조한 전구체 섬유, 입자를 장시간 처리하는 것으로 이루어지며, 일반적으로 경제적, 환경적인 측면을 고려하여 공기 중에서 100 내지 350℃의 온도를 유지하면서 1분 내지 수일의 시간 동안 산화열처리를 수행하는 것으로 이루어지고 있다. 일반적으로 연화점 150℃ 이하의 피치를 사용하여 제조한 전구체 섬유, 입자 등은 이러한 불융화처리에서 장시간의 열처리를 수행하여야 하기 때문에 에너지의 소모가 심하고 탄소화 공정에서 탄화수율이 저하되고 융착현상이 나타나 제조되는 탄소소재의 기계적 물성이 저하됨은 물론 생산비가 상승되는 등의 문제점이 있다. 또한 고연화점의 피치를 사용하여 제조한 전구체 섬유, 입자 등도 불융화, 탄소화 공정에서 모노필라멘트, 입자 사이에서 부분적인 융착현상이 발생될 수 있어 최종 탄소섬유, 탄소소재 입자 등의 물성을 저하시킬 수 있으므로 이러한 융착현상을 개선시킬 수 있는 기술의 진보가 필요하다.In order to produce carbon fiber and carbon material particles by using a high softening point pitch prepared by subjecting the aromatic hydrocarbon material to a heat treatment at a high temperature, it is molded in a manufacturing process such as spinning and particle production and then subjected to a high temperature heat treatment, ≪ / RTI > However, fibers and particles made of pitch and the like are melted when the heat treatment is performed directly at high temperature, and the shape is destroyed. Therefore, it is generally necessary to carry out an immobilization treatment such as oxidation to maintain the shape in the carbonization process. The infusibilization treatment is performed by treating the precursor fibers and particles prepared in a pitch in an oxidizing gas atmosphere (for example, air, carbon dioxide or nitrogen monoxide) or an oxidizing liquid atmosphere (nitric acid aqueous solution or hydrochloric acid aqueous solution) for a long time, , And the oxidizing heat treatment is performed for 1 minute to several days while maintaining the temperature at 100 to 350 ° C in the air in consideration of environmental aspects. In general, the precursor fibers and particles prepared using a pitch having a softening point of 150 ° C or less are required to be subjected to a long heat treatment in such an incompatible treatment, so energy consumption is significant and the carbonization yield is lowered in the carbonization step, There is a problem that the mechanical properties of the carbon material to be produced are lowered and the production cost is increased. In addition, precursor fibers and particles prepared by using pitches having a high softening point may also be unfavorable, and monofilaments and partial fusion between particles may occur in the carbonization process, thereby deteriorating physical properties of the final carbon fiber and carbon particles Therefore, there is a need for advances in techniques that can improve such fusion phenomena.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 석유계 중질유, 석탄계 잔사 등의 방향족 탄화수소 물질을 사용하여 방사성이 우수한 고연화점 피치의 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a high softening point pitch using an aromatic hydrocarbon material such as petroleum heavy oil and coal residue.

본 발명의 또 다른 목적은 고연화점 피치를 용융방사하여 피치섬유를 제조하고 이를 불융화, 탄소화시켜 탄소섬유를 제조할 때 모노필라멘트 사이에 융착되는 현상이 개선된 피치계 탄소섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing pitch-based carbon fibers in which the phenomenon of melt-spinning a pitch at a high softening point to produce pitch fibers, and inserting and fusing the pitch fibers to melt the monofilaments when the carbon fibers are produced .

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 측면으로는 석유계 중질유, 석탄계 잔사 등의 방향족 탄화수소 물질로부터 탄소섬유용 전구체 섬유의 원료로 사용되는 고연화점 피치를 얻기 위해 피치 제조공정중 다음 화학식 1로 표시되는 첨가제를 제공한다.In order to attain the above object, in one aspect of the present invention, in order to obtain a high softening point pitch used as a raw material of a precursor fiber for carbon fibers from an aromatic hydrocarbon material such as petroleum heavy oil and coal residue, 1 < / RTI >

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112013119557668-pat00001
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상기 화학식 1에서, R은 H 또는 1 내지 4의 탄소수를 갖는 화합물이며 X, Y, Z는 H 또는 Cl 이다.In the above formula (1), R is H or a compound having a carbon number of 1 to 4, and X, Y and Z are H or Cl.

본 발명의 다른 측면으로는, 상기 첨가제가 들어있는 피치를 사용하고 용융방사하여 피치섬유를 제조하고 이를 불융화, 탄소화시켜 모노필라멘트 사이에 융착되는 현상이 개선된 우수한 물성을 가진 피치계 탄소섬유를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a pitch-based carbon fiber material having improved physical properties, which is improved in fusion between monofilaments by making pitch fibers by using pitch containing the additive and melt- Lt; / RTI >

본 발명의 효과는 석유계 중질유, 석탄계 잔사 등의 방향족 탄화수소 물질에 본 발명에서 제공하는 첨가제를 가하여 피치를 제조할 경우 첨가제내 이중결합 사슬이 풀어지고 방향족 탄화수소 물질과의 분자간 또는 분자내 치환반응이 일어나면서 사슬이 연장되는 사슬 연장 반응이 일어나게 된다. 특히 분자량이 낮은 물질과의 반응도 우세하게 일어나 최종적으로 분자량이 유사한 방향족 탄화수소 물질이 생성되면서 균일한 분자량을 가진 고연화점의 피치를 높은 수율로 얻을 수 있다.The effect of the present invention is that when an additive provided in the present invention is added to an aromatic hydrocarbon material such as petroleum heavy oil or coal residue to prepare a pitch, the double bond chain in the additive is loosened and the intermolecular or intramolecular substitution reaction with the aromatic hydrocarbon material Chain extension reaction occurs in which the chain is extended. Especially, the reaction with the low molecular weight substance predominantly occurs, and finally, the aromatic hydrocarbon substance having the similar molecular weight is produced, so that a high softening point pitch having a uniform molecular weight can be obtained at a high yield.

또한 상기 피치를 이용하여 이를 용융방사한 후 불융화 공정, 탄소화 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조할 때 첨가제의 구조상 환화, 방향족화가 쉽게 일어나 필라멘트 사이에 융착되는 현상이 개선되어 우수한 물성을 가진 피치계 탄소섬유를 제조할 수 있다.In addition, when carbon fibers are produced through the melt-spinning process using the above-mentioned pitch and then subjected to an infusibilization process or a carbonization process, structural cyclization or aromatization of the additive easily occurs and fusion phenomenon between the filaments is improved, Carbon fiber can be produced.

본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention encompasses all changes and modifications that come within the scope of the invention as defined in the appended claims and equivalents thereof.

본 발명은 고연화점 피치로부터 용융방사된 탄소섬유용 전구체 피치섬유를 불융화하고 탄소화시켜 제조되는 피치계 탄소섬유를 특징으로 한다.The present invention is characterized by pitch-based carbon fibers produced by insolubilizing and carbonizing precursor pitch fibers melt-spun from a high softening point pitch.

상기 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 또는 화학계 피치 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용할 수 있다. 이때 석유계 중질유 예를 들어, 나프탈렌, 메틸나프탈렌 또는 안트라센 등과 같은 방향족 탄화수소의 물질 또는 예를 들어, 콜타르 또는 콜타르피치 등과 같은 석탄계 잔사 등의 방향족 탄화수소의 물질에 하기 화학식 1로 표시되는 첨가제를 가하고, 혼합한 반응혼합물을 가열하여 반응시키는 것으로 만들어질 수 있다.The pitch may be at least one selected from petroleum pitch, coal pitch or chemical pitch. At this time, an additive represented by the following formula (1) is added to an aromatic hydrocarbon material such as petroleum heavy oil such as naphthalene, methyl naphthalene or anthracene, or an aromatic hydrocarbon material such as coal-based residue such as coal tar or coal tar pitch, And reacting the mixed reaction mixture by heating.

Figure 112013119557668-pat00002
Figure 112013119557668-pat00002

상기 화학식 1에서, R은 H 또는 1 내지 4의 탄소수를 갖는 화합물이며 X, Y, Z는 H 또는 Cl 이다.In the above formula (1), R is H or a compound having a carbon number of 1 to 4, and X, Y and Z are H or Cl.

방향족 탄화수소의 물질은 석유계 중질유의 C10+ 유분 또는 메틸나프탈렌이 제거된 방향족 탄화수소의 물질이 될 수 있으며, 이들은 종래의 제조기술로는 휘발되는 특성이 강해 피치로의 수율이 낮은 것들로서 본 발명에서는 이러한 휘발성이 높은 탄화수소 물질들도 본 발명에 따라 화학식 1로 표시되는 첨가제들과 반응시켜 높은 수율로 방사성이 우수한 고연화점 피치를 제조할 수 있는 점에 특징이 있다.The aromatic hydrocarbon material may be a C10 + oil fraction of petroleum-derived heavy oil or an aromatic hydrocarbon material from which methylnaphthalene has been removed. These materials have a low volatility due to their strong volatilization characteristics, Highly volatile hydrocarbon materials are also characterized by being able to produce high softening point pitches with excellent spinnability at high yield by reacting with the additives represented by formula (I) according to the present invention.

상기 화학식 1의 구체적인 예를 들면 2,6-디벤지리덴시클로헥사논, 2,6-디벤지리덴-4-메틸시크로헥사논, 2,6-비스(2-클로로벤지리덴)-4-메틸시클로헥사논, 2,6-비스(3-클로로벤지리덴)-4-메틸시클로헥사논, 2,6-비스(2,6-디클로로벤지리덴)-4메틸시클로헥사논, 2,6-디벤지리덴-4-터트-부틸시클로헥사논, 4-터트-부틸-2,6-비스(4-클로로벤지리덴)시클로헥사논 등이며 상업적으로 판매되고 있는 제품을 이용할 수 있다.Specific examples of the above formula (1) include 2,6-dibenzidene cyclohexanone, 2,6-dibenzidene-4-methyl cyclohexanone, 2,6-bis (2- chlorobenzylidene) -4 (2,6-bis (dichlorobenzylidene) -4-methylcyclohexanone, 2,6-bis (3-chlorobenzylidene) -4-methylcyclohexanone, 4-tert-butyl-cyclohexanone, 4-tert-butyl-2,6-bis (4-chlorobenzilidene) cyclohexanone and the like can be used .

상기 화학식 1의 첨가제는 방향족 탄화수소 물질의 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 10 중량%가 사용될 수 있다.The additive of Formula 1 may be used in an amount of 0.1 to 20% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, based on the aromatic hydrocarbon material.

상기 첨가제를 사용하여 만들어지는 탄소섬유용 피치의 제조는 방향족 탄화수소의 물질과 상기 화학식 1의 첨가제가 혼합된 혼합물을 가열하면서 교반시켜 균일한 상을 만들고 더 높은 온도에서 반응시켜 만들 수 있다.The pitch for the carbon fiber produced using the additive may be prepared by stirring a mixture of the aromatic hydrocarbon and the additive of Formula 1 while heating to form a uniform phase and reacting at a higher temperature.

상기 혼합물은 60 내지 180℃의 온도에서 0.1 내지 2시간 교반시킨 후, 승온시켜 200 내지 400℃의 온도에서 1 내지 12시간 더 가열한다.The mixture is stirred at a temperature of 60 to 180 ° C for 0.1 to 2 hours, then heated and further heated at a temperature of 200 to 400 ° C for 1 to 12 hours.

혼합물내 방향족 탄화수소의 물질과 화학식 1의 첨가제가 균일하게 섞이게 하기 위해 가열하는 공정에서 60℃ 미만의 온도로 가열되는 경우, 상기 첨가제가 방향족 탄화수소 물질에 균일하게 섞이지 않을 수 있고 이로 인해 효율적인 반응개시가 잘 일어나지 않게 되는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 180℃를 초과하는 경우 균일하게 섞이기 전에 국부적인 반응으로 첨가효과가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.When the mixture is heated to a temperature of less than 60 DEG C in the step of heating to uniformly mix the aromatic hydrocarbon material in the mixture with the additive of formula 1, the additive may not uniformly mix with the aromatic hydrocarbon material, There may be a problem in that it does not occur very well. On the other hand, if the temperature exceeds 180 ° C, there may be a problem that the addition effect is lowered due to local reaction before uniformly mixing.

상기 200 내지 400℃에서 1 내지 12시간의 가열은 후속공정으로서 반응후에 반응생성물의 분자량 범위를 균일하게 하고 용융방사하기에 적합한 연화점을 가진 피치를 얻기 위한 것으로 200℃ 미만으로 가열되는 경우에서는 미반응의 문제점이 있고 400℃를 초과하는 경우에서는 과다한 중합에 의한 코크스화 등이 일어나는 문제점이 있을 수 있다.The heating at 200 to 400 ° C for 1 to 12 hours is a subsequent step for obtaining a pitch having a softening point suitable for uniformizing the molecular weight range of the reaction product after the reaction and for melt spinning. However, when the temperature exceeds 400 ° C., coking may occur due to excessive polymerization.

상기 반응공정에서 방향족 탄화수소 물질과 화학식 1의 첨가제는 이중결합 사슬이 풀어지거나 분자내 또는 분자간 치환반응이 일어나면서 사슬이 연장되는 사슬 연장 반응이 일어나게 된다. 방향족 구조를 갖는 화합물들이 사슬 연장 반응을 통해 새로운 결합이 형성되고 긴 사슬아래 다수의 방향족 구조를 갖는 형태가 되면서 용융방사하기에 적합한 연화점을 가진 중합체 피치가 된다.In the reaction step, the aromatic hydrocarbon material and the additive of the formula (1) are subjected to a chain extension reaction in which the double bond chain is loosened or the chain is extended as a result of intramolecular or intermolecular substitution reaction. Compounds having an aromatic structure form a new bond through a chain extension reaction and become a polymer pitch having a softening point suitable for melt spinning as a form having a large number of aromatic structures under long chains.

반응시킨 후 반응 온도보다 50℃이상 더 낮은 온도에서 0.1 내지 2시간 동안 5 내지 500 mmHg의 감압하에서 미반응의 저분자 물질을 제거하고 탄소섬유용 피치를 얻는다.After the reaction, unreacted low-molecular substances are removed at a temperature lower than the reaction temperature by at least 50 ° C. for from 0.1 to 2 hours under a reduced pressure of from 5 to 500 mmHg to obtain a pitch for carbon fiber.

상기 피치는 불활성 가스 분위기 하에서 적당한 온도(350 내지 500℃)로 가열하고 분취등의 다양한 공정을 거쳐 최종적으로 광학적으로 이방성을 지닌 피치로 제조할 수 있고 이에 대해 특별히 제한하지 않는다.The pitch may be heated to a suitable temperature (350 to 500 ° C) in an inert gas atmosphere, and may be manufactured into a pitch having optical anisotropy finally through various processes such as fractionation and the like.

상기 피치는 이후 용융방사되며 200 내지 400℃의 방사온도, 바람직하게는 피치의 연화점보다 20 내지 60℃가 더 높은 온도에서 100 내지 2000 m/min의 속도로 방사될 수 있다. 방사되는 피치섬유는 모노필라멘트 또는 필라멘트 다발로 되어있는 토우 등의 형태로 방사될 수 있다.The pitch may then be melt spun and radiated at a rate of from 100 to 2000 m / min at a temperature of from 200 to 400 DEG C, preferably 20 to 60 DEG C higher than the softening point of the pitch. The spinning pitch fibers may be spun in the form of a monofilament or a tuft of filament bundles.

상기에서 제조된 전구체 피치섬유는 불융화 공정을 거쳐 분자내 환화 및 환으로의 산소부가 등을 거쳐 내염화구조를 갖는 안정한 전구체 섬유를 형성한다. 이러한 전구체 섬유의 불융화는 탄소화 또는 흑연화된 탄소 섬유를 얻기 위하여 필요한 공정이며, 이것을 실시하지 않고 다음 공정인 탄소화 또는 흑연화 공정을 실시하였을 경우, 전구체 섬유가 열분해되거나 융착되는 등의 문제가 발생한다.The precursor pitch fiber prepared above is subjected to an intramolecular cyclization and an addition of oxygen to the ring through an incompatibility process to form a stable precursor fiber having an endothermic chloride structure. Such insolubilization of the precursor fibers is a process necessary for obtaining carbonized or graphitized carbon fibers. When the carbonization or graphitization process is carried out in the next step without performing such a process, the precursor fibers are thermally decomposed or fused Lt; / RTI >

불융화 방법으로는 산소 등의 가스 기류 처리, 산성 수용액 등의 용액 처리 등 공지된 방법으로 행할 수 있지만, 생산성 측면에서 가스 기류 하에서의 불융화가 바람직하다. 사용하는 가스 성분으로는 전구체 섬유를 저온에서 신속하게 불융화시킬 수 있다는 관점에서 산소, 질소산화물, 할로겐 또는 아황산가스 중 선택되는 것을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 할로겐 가스로는, 예를 들어 불소 가스, 염소 가스, 브롬 가스, 요오드 가스를 들 수 있다. 이들 중에서도 브롬 가스, 요오드 가스, 특히 요오드 가스가 바람직하다.The incompatibility can be carried out by a known method such as treatment with a gas stream such as oxygen or a solution treatment with an acidic aqueous solution or the like, but from the viewpoint of productivity, the immobilization under a gas stream is preferable. As the gas component to be used, those selected from oxygen, nitrogen oxides, halogens or sulfurous acid gases may be used singly or in combination from the viewpoint that the precursor fibers can be rapidly infused at a low temperature. Examples of the halogen gas include fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, and iodine gas. Of these, bromine gas and iodine gas, particularly iodine gas, are preferable.

가스 기류 하에서의 불융화 공정의 구체적인 방법으로는 250 내지 450℃의 온도에서 10시간 이하로 한다. 불융화 처리의 온도가 250℃보다 낮으면 내염화 반응이 부족하고 450℃보다 높으면 내염화 반응이 격렬하게 일어나고 전구체 피치섬유의 스킨층과 코어층에서 화학적으로 사슬 연장 반응을 통해 형성된 긴 사슬아래 다수의 방향족 구조의 골격이 열분해될 수 있다. 더욱 바람직하게는 250 내지 400℃의 온도에서 5시간 이하로 하여 원하는 가스 분위기 중에서 처리하는 것이 좋다.As a specific method of the infusibilization process under a gas stream, the temperature is set to 250 to 450 DEG C for 10 hours or less. If the temperature of the infusibilization treatment is lower than 250 ° C, the dechlorination reaction is insufficient. If the temperature is higher than 450 ° C, the dechlorination reaction occurs vigorously. In the skin layer of the precursor pitch fiber and the core layer, Can be pyrolyzed. More preferably at a temperature of 250 to 400 캜 for 5 hours or less and in a desired gas atmosphere.

상기 불융화 공정중 피치섬유는 불융화 오븐을 통과하는 도중 장력이 인가되어 연신되어진다. 이때 연신율은 100 내지 200%인 것이 바람직하다. 연신율이 100%보다 낮은 범위에서 피치섬유에 연신을 하지 않고 불융화 오븐을 통과하는 경우 섬유의 직경이 상대적으로 큰 상태에서 굵은 단면에 따른 결함이 나타날 수 있고 균일한 불융화가 이루어지지 않아 고강도의 섬유를 얻을 수 없다. 연신율이 200%보다 높을 경우 섬유의 사절이 일어날 수 있다. 가장 바람직하게는 105 내지 150%로 연신될 수 있다. 섬유에 가해지는 장력은 피치섬유를 풀어주는 롤러와 불융화 오븐을 통과하여 감겨지는 롤러의 속도를 달리하여 부여될 수 있다.During the unfusing process, the pitch fibers are stretched while being stretched while being passed through the incombustible oven. At this time, the elongation is preferably 100 to 200%. When the fiber passes through the incombustion oven without being stretched to the pitch fiber in the range of the elongation lower than 100%, defects according to the thick cross section may appear in a state where the diameter of the fiber is relatively large, Fiber can not be obtained. If the elongation is higher than 200%, yarn splicing may occur. Most preferably from 105 to 150%. The tension applied to the fibers can be imparted by varying the speed of the rollers wound around the rollers and the rollers unwinding the pitch fibers.

산소 기류 하에서의 불융화 공정은 피치섬유의 산소함유량이 전체의 5 내지 15 중량% 범위에서 하는 것이 좋다. 피치섬유 중의 산소 함유량이 5 중량%보다 작은 경우 산소원자에 의한 가교결합이 불충분하여 섬유가 용융되거나 융착 파괴될 수 있고 탄소섬유의 물성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 또한 피치섬유중의 산소 함유량이 15 중량%보다 많아 불융화를 과도하게 행할 경우 섬유 표면에 결함이 생길 확률이 높아지고 산화에 의한 탄소섬유의 수율이 안 좋아질 수 있으므로 바람직하지 않다.It is preferable that the oxygen content of the pitch fibers is in the range of 5 to 15% by weight of the whole of the whole process. If the oxygen content in the pitch fibers is less than 5% by weight, crosslinking due to oxygen atoms is insufficient and the fibers may be melted or fused and may adversely affect the physical properties of the carbon fibers. In addition, if the oxygen content in the pitch fiber is more than 15 wt%, excessively insolubilization may increase the probability of occurrence of defects on the fiber surface, and the yield of carbon fiber due to oxidation may become poor, which is not preferable.

상기 불융화처리된 피치섬유는 불활성가스 분위기 하에서 탄소화 혹은 필요에 따라 흑연화를 하여 탄소섬유, 흑연섬유를 제조할 수 있다. 탄소화 공정은 800 내지 1,500℃의 온도에서 1분 내지 2시간 동안 할 수 있다. 탄소화 혹은 흑연화시킬 때, 산소 농도는 20ppm 이하 더욱 좋게는 10ppm 이하인 것이 바람직하다.The infusibilized pitch fibers can be carbonized in an inert gas atmosphere or graphitized as necessary to produce carbon fibers and graphite fibers. The carbonization process can be performed at a temperature of 800 to 1,500 占 폚 for 1 minute to 2 hours. When carbonizing or graphitizing, the oxygen concentration is preferably 20 ppm or less, more preferably 10 ppm or less.

탄소섬유를 만들기 위해 탄소화할 경우 800℃ 보다 낮은 온도에서 진행될 경우 탄소화가 부족하고 육각환망면이 발달되지 않을 수 있고 공정 시간이 길어져 채산성이 떨어질 수 있으며, 1500℃ 보다 높은 온도에서 진행될 경우에는 탄소섬유라기보다는 흑연섬유로 전환되어 생산비가 증가되는 문제점이 있다. 가장 바람직하게는 1,000 내지 1,300℃에서 1 내지 60분 동안 불융화된 섬유를 가열함으로써 탄소화할 수 있다.When carbonization is performed to make carbon fiber, the carbonization may be insufficient, the hexagonal ring surface may not be developed, the process time may become longer and the profitability may be deteriorated. When the temperature is higher than 1500 ° C., Which is converted into graphite fiber rather than the graphite fiber. Most preferably from 1,000 to 1,300 DEG C for 1 to 60 minutes.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

[실시예 1][Example 1]

방향족 탄화수소의 물질로서 콜타르 98 중량%와 첨가제로 2,6-디벤지리덴시클로헥사논(TCI 회사 제조) 2.0 중량%를 반응조에 투입하고 질소 분위기하에서 100℃로 1시간 동안 교반하여 균일한 혼합물을 형성시킨 후, 공기중에서 가열하여 300℃에서 6시간 더 반응시키고 반응종료 후 100℃에서 30분 동안 10 mmHg의 감압하에서 미반응의 저분자 물질을 제거하고 피치를 얻었다.98% by weight of coal tar as an aromatic hydrocarbon and 2.0% by weight of 2,6-dibenzylidene cyclohexanone (manufactured by TCI) as an additive were added to the reaction vessel and stirred at 100 ° C for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a homogeneous mixture After heating, the reaction was further continued at 300 ° C. for 6 hours. After completion of the reaction, unreacted low-molecular substances were removed at 100 ° C. for 30 minutes under reduced pressure of 10 mmHg to obtain a pitch.

상기 수득된 피치를 290℃에서 500홀의 방사구금으로 용융방사하고 500 m/min의 속도로 권취하여 피치섬유를 제조하였다. 롤러에 감기면서 방사된 피치섬유를 280 내지 320℃의 온도 구배를 가진 안정화 오븐에서 1시간 동안 불융화처리를 하고 이때 연신율은 105%였다. 불융화된 섬유는 1200℃의 탄화로에서 5분 동안 탄소화하여 탄소섬유를 제조하였다.The obtained pitch was melt-spun at a spinning speed of 500 holes at 290 DEG C and wound up at a speed of 500 m / min to produce pitch fibers. The pitch fibers that were spun while being rolled on the rollers were subjected to an immobilization treatment in a stabilizing oven having a temperature gradient of 280 to 320 DEG C for 1 hour, and the elongation was 105%. The incompatible fibers were carbonized for 5 minutes in a carbonization furnace at 1200 캜 to produce carbon fibers.

[실시예 2][Example 2]

상기 실시예1에서 방향족 탄화수소의 물질로서 콜타르 97.4 중량%와 첨가제로 2,6-비스(3-클로로벤지리덴)-4-메틸시클로헥사논(Sigma-aldrich 회사 제조) 2.6 중량%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다.In Example 1, 97.4% by weight of coal tar and 2% by weight of 2,6-bis (3-chlorobenzylidene) -4-methylcyclohexanone (manufactured by Sigma-Aldrich Co.) as an aromatic hydrocarbon material were used Carbon fiber was produced in the same manner as in Example 1. [

[비교예][Comparative Example]

방향족 탄화수소의 물질로서 콜타르를 공기중에서 6시간 동안 300℃로 가열하여 반응시킨 후 100℃에서 30분 동안 10 mmHg의 감압하에서 미반응의 저분자 물질을 제거하고 피치를 얻었다.As an aromatic hydrocarbon material, coal tar was heated in air at 300 ° C for 6 hours to react, and unreacted low-molecular substances were removed at 100 ° C for 30 minutes under a reduced pressure of 10 mmHg to obtain a pitch.

상기 수득된 피치를 200℃에서 용융방사한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다.Carbon fiber was prepared in the same manner as in Example 1, except that the obtained pitch was melt-spun at 200 占 폚.

상기 실시예와 비교예를 통해 제조된 피치 및 탄소섬유의 특성을 하기 표 1에 정리하였다.The properties of the pitch and carbon fiber produced through the above Examples and Comparative Examples are summarized in Table 1 below.

연화점
(℃)
Softening point
(° C)
수율
(%)
yield
(%)
탄소화 공정후 형태 변화
(기준 : 500fila.)
Shape change after carbonization process
(Standard: 500fila.)
인장강도
(GPa)
The tensile strength
(GPa)
탄성율
(GPa)
Modulus of elasticity
(GPa)
실시예1Example 1 253253 69.069.0 융착사 9개 이하Fusing yarn 9 or less 1.31.3 67.667.6 실시예2Example 2 261261 73.073.0 융착사 5개 이하Not more than 5 fused yarns 1.51.5 85.585.5 비교예Comparative Example 151151 55.355.3 융착사 30개 이상More than 30 fused yarns 0.70.7 35.835.8

상기 실시예 및 비교예를 통해 얻어진 피치를 비교해 본 결과 실시예 1, 2로부터 얻어진 피치는 비교예를 통해서 얻어진 피치에 비해 연화점이 높고 수율이 높다. 이러한 결과는 본 발명에서 제공하는 첨가제 효과에 따른 것으로 방향족 탄화수소의 물질과 사용된 첨가제가 균일하게 섞인 상태에서 반응하여 분자내 또는 분자간 치환반응이 일어나면서 사슬이 연장되는 사슬 연장 반응이 일어나게 되고 또한 이를 통해 방향족 구조를 갖는 화합물들이 사슬 연장 반응을 통해 새로운 결합이 형성되고 긴 사슬아래 다수의 방향족 구조를 갖는 형태가 되면서 고연화점의 피치가 제조됨을 알 수 있다.As a result of comparing the pitches obtained by the above-mentioned Examples and Comparative Examples, the pitches obtained from Examples 1 and 2 have higher softening points and higher yields than the pitches obtained by the Comparative Examples. These results are due to the effect of the additive provided by the present invention. As a result, the aromatic hydrocarbon and the used additives are reacted in a uniformly mixed state, resulting in a chain extension reaction in which intramolecular or intermolecular substitution reaction occurs, It can be seen that compounds having an aromatic structure form new bonds through a chain extension reaction and become a form having a large number of aromatic structures under long chains, thereby producing a pitch having a high softening point.

또한 상기 실시예 및 비교예를 통해 얻어진 피치를 용융방사하고 이를 불융화 및 탄소화시킬 경우 실시예에서 나타나는 것과 같이 섬유는 500 필라멘트당 융착현상이 개선된 특성을 나타내고 이는 첨가제 효과로 첨가제의 구조상 환화 또는 방향족화가 잘 일어나 구조적 결함이 감소하였기 때문이다.In addition, as shown in the examples, when the pitch obtained from the above Examples and Comparative Examples is melt-spinned, and the fibers are incompatible and carbonized, the fibers exhibit improved fusion bonding per 500 filaments, Or aromatization, resulting in reduced structural defects.

Claims (3)

석유 또는 석탄계 방향족 탄화수소 물질과 첨가제를 함유하는 탄소섬유용 피치의 제조 방법이며,
상기 첨가제는 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조 방법.
[화학식1]
Figure 112013119557668-pat00003

상기 화학식 1에서, R은 H 또는 1 내지 4의 탄소수를 갖는 화합물이며 X, Y, Z는 H 또는 Cl 이다.
A method for producing a pitch for a carbon fiber containing a petroleum or coal-based aromatic hydrocarbon material and an additive,
Wherein the additive is a compound represented by the general formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112013119557668-pat00003

In the above formula (1), R is H or a compound having a carbon number of 1 to 4, and X, Y and Z are H or Cl.
제1항에 있어서, 상기 첨가제를 방향족 탄화수소 물질 대비 0.1 내지 10 중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.The method of claim 1, wherein the additive is used in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the aromatic hydrocarbon material. 제1항의 방법으로 제조된 피치를 용융방사하여 얻은 피치섬유를 불융화, 탄소화시켜 피치계 탄소섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유의 제조방법.A process for producing carbon fiber, characterized in that the pitch fiber obtained by melt spinning the pitch produced by the method of claim 1 is insolubilized and carbonized to produce the pitch carbon fiber.
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