KR102220800B1 - Isotropic pitch for manufacturing carbon fiber and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조용 등방성 피치 및 이의 제조방법에 대한 발명으로, 특정범위의 연화점, 점도 및 분자량과 결정구조를 가지는 등방성 피치를 제조할 수 있고, 이러한 특징은 피치의 불용고형분과 메조페이즈(mesophase) 생성을 최대한 억제하여 탄소섬유의 기계적인 물성을 극대화시킬 수 있으며, 탄화공정 온도가 낮아 에너지소비 또한 감소시킬 수 있는 등방성 피치 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an isotropic pitch for carbon fiber production and a method for producing the same, and can produce an isotropic pitch having a specific range of softening point, viscosity, molecular weight, and crystal structure, and these features include insoluble solids and mesophase of the pitch. ) It is possible to maximize the mechanical properties of carbon fiber by suppressing the formation, and the carbonization process temperature is low, and energy consumption is also reduced. It relates to an isotropic pitch and a method of manufacturing the same.

Description

탄소섬유 제조용 등방성 피치 및 이의 제조방법{Isotropic pitch for manufacturing carbon fiber and method thereof}Isotropic pitch for manufacturing carbon fiber and method thereof

본 발명은 탄소섬유 제조용 등방성 피치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 특정범위의 물성 및 구조를 가지는 등방성 피치로서 기존의 등방성 탄소섬유에 비하여 고강도, 고탄성인 탄소섬유의 제조에 사용될 수 있는 등방성 피치 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an isotropic pitch for carbon fiber production and a method for producing the same, specifically, isotropic pitch that has a specific range of physical properties and structure, and isotropic pitch that can be used in the production of carbon fibers having high strength and high elasticity compared to conventional isotropic carbon fibers. And it relates to a method of manufacturing the same.

자동차의 저연비화는 석유자원의 고갈과 가격 인상 및 환경문제 등으로 더욱 요구되고 있다. 워킹그룹 보고서에 의하면 2020년에는 지금보다 에너지효율이 600% 이상 증대될 것으로 예견하고 있는데, 엔진의 하이브리드화를 통해 가장 큰 효과가 있으며, 엔진효율 개선, 차체의 경량화, 에너지의 전달효율 개선 순으로 효과가 있음을 언급하고 있다. 특히 미국에너지국(DOE)에 따르면, 차체 무게를 10% 감소시키면 대략 7%의 연료 절감이 가능하다고 밝히고 있어, 차체의 경량화에 대한 기술개발이 더욱 요구되는 실정이다.The reduction of fuel consumption of automobiles is further demanded due to the depletion of petroleum resources, price hikes, and environmental problems. According to the Working Group report, energy efficiency is predicted to increase by more than 600% in 2020, and the most effective through hybridization of the engine, in the order of improving engine efficiency, weight reduction of the vehicle body, and energy transmission efficiency. Mention that it works. In particular, according to the US Department of Energy (DOE), a 10% reduction in the weight of the vehicle body can reduce fuel consumption by approximately 7%. Therefore, further technology development for the weight reduction of the vehicle body is required.

차체 경량화는 고장력강, 알루미늄 합금 등의 사용으로도 달성할 수 있으나, 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastic)적용이 효과가 크며, 자동차에서 엔진후드, 프로펠러샤프트 및 수소탱크 등에 이미 사용하고 있는 추세이다. CFRP를 차체구조의 주요재료로 사용하는 경우, 50% 가량의 중량경감이 가능하며, 여기에 충돌에너지 흡수성능도 향상된다. 무엇보다도, 현재 이용 가능한 재료 중에 제일 가벼운 차체를 제조할 수 있어 세계 각국에서 연구가 활발하다.Body weight reduction can also be achieved by using high-strength steel or aluminum alloy, but the application of carbon fiber reinforced plastic is very effective, and it is already used in engine hoods, propeller shafts and hydrogen tanks in automobiles. . When CFRP is used as the main material of the vehicle body structure, it is possible to reduce the weight by 50%, and the impact energy absorption performance is also improved. First of all, it is possible to manufacture the lightest vehicle body among currently available materials, so research is active in countries around the world.

그러나 CFRP에도 약점이 있는데, 인장강도가 압축에 비해 약하며, 충격에 의해 층간박리가 발생하기 쉬어, 충격 후 압축강도가 급격히 감소하게 된다. 또한 제조비용이 비싸 많은 적용이 어렵다는 단점이 있다.However, CFRP also has a weakness, its tensile strength is weaker than compression, and delamination is likely to occur due to impact, so the compressive strength after impact decreases rapidly. In addition, there is a disadvantage that many applications are difficult due to high manufacturing cost.

일반적으로 CFRP에 포함되는 탄소섬유는 전구체에 따라 레이온계, PAN계, 피치계 등으로 나눌 수 있으며, 이 중 피치계는 전구체인 피치의 종류에 따라 액정 피치계 탄소섬유와 등방성 피치계 탄소섬유로 나눌 수 있다. 그 중에서도 등방성 피치계 탄소섬유는 고성능 그레이드에 비해 저렴한 가격을 가져 범용 탄소섬유라고도 불리고 있으며, 멜트 블로운(melt blown) 방식에 의해 스테이플 형태의 탄소섬유로 생산되어 고온 단열재나 필터용 활성탄소섬유로 사용되고 있다.In general, carbon fibers included in CFRP can be divided into rayon-based, PAN-based, and pitch-based depending on the precursor, and among these, the pitch-based is a liquid crystal pitch-based carbon fiber and an isotropic pitch-based carbon fiber depending on the type of pitch that is the precursor. I can share. Among them, isotropic pitch-based carbon fiber is called general-purpose carbon fiber because it has a lower price than high-performance grade, and it is produced as a staple-type carbon fiber by a melt blown method and is used as an activated carbon fiber for high temperature insulation or filter. Is being used.

석유, 콜 타르, 또는 화학 피치를 원료로 하여 탄소섬유를 제조하는 것은 많은 이점이 있는데, 그 이유 중 하나는 이들 원료의 탄소 대 수소 비가 높다는 것이다. 예를 들어, PAN 수지로부터 제조되는 탄소섬유의 이론 수득률은 50%정도에 그치지만, 잘 정제된 피치로부터 제조되는 탄소섬유의 이론 수득률은 90%에 달한다. 그러나, 우주, 항공 분야 등에 복합재로 사용 가능한 충분한 인장강도와 모듈러스를 갖춘 피치계 탄소섬유는 액정 피치로부터 제조되며, 석유, 콜 타르, 또는 화학피치로부터 액정 피치를 제조하기 위해서는 전처리, 수소화, 퀴놀린 불용분의 분리 등의 복잡한 공정이 필요하며, 이에 따라 생산 비용이 증가하여 가격이 비싸다는 단점이 있다.There are many advantages to producing carbon fibers using petroleum, coal tar, or chemical pitch as raw materials, one of the reasons is that the carbon-to-hydrogen ratio of these raw materials is high. For example, the theoretical yield of carbon fibers made from PAN resin is only about 50%, but the theoretical yield of carbon fibers made from well refined pitch reaches 90%. However, pitch-based carbon fiber with sufficient tensile strength and modulus that can be used as a composite material in the aerospace and aviation fields is manufactured from liquid crystal pitch, and to prepare liquid crystal pitch from petroleum, coal tar, or chemical pitch, pretreatment, hydrogenation, quinoline is insoluble. A complicated process such as separation of powder is required, and accordingly, there is a disadvantage in that the price is high due to an increase in production cost.

등방성 피치계 탄소섬유 또는 탄소섬유 제조를 위한 등방성 피치에 관한 종래기술로는 대한민국 공개특허 10-2013-0059174, 일본 공개특허 1996-144131 등이 있다. 이중 10-2013-0059174에서는 고연화점을 갖는 탄소섬유용 전구체 제조법을 기재하고 있으나, 피치의 가열온도가 360℃ 이상으로 부분적으로 불융 고형분이 생성되거나 메조페이즈가 생성되어, 그 결과 제조된 탄소섬유의 물성이 떨어지는 단점이 있다.As a prior art for isotropic pitch-based carbon fiber or isotropic pitch for the production of carbon fiber, there are Korean Patent Publication 10-2013-0059174, Japanese Patent Publication 1996-144131, and the like. Among these, 10-2013-0059174 describes a method of manufacturing a precursor for carbon fibers having a high softening point, but the heating temperature of the pitch is 360°C or higher, so that insoluble solids are partially generated or mesophase is generated, and the resulting carbon fiber There is a drawback of poor physical properties.

또한 일본 공개특허 1996-144131에서는 특정범위의 분자량을 가지는 탄소섬유 제조용 등방성 피치를 청구하고 있으나, 피치의 연화점이 180 내지 200℃로 낮으며, 피치로부터 제조된 탄소섬유의 인장강도가 89.3 ㎏/㎟(약 0.893 GPa)로 차량용 강판 등을 목적으로 한 CFRP용도로 사용되기에는 낮은 물성을 보이고 있다.In addition, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1996-144131 claims an isotropic pitch for producing carbon fibers having a specific range of molecular weight, but the softening point of the pitch is as low as 180 to 200°C, and the tensile strength of the carbon fiber produced from the pitch is 89.3 kg/mm2. (About 0.893 GPa), it shows low physical properties to be used for CFRP for the purpose of steel plate for automobiles.

이처럼 CFRP에 사용될 수 있는 필요 물성을 모두 만족하면서 낮은 생산비용으로 대량 생산이 가능한 등방성 피치를 이용한 탄소섬유 제조기술의 개발이 강력히 요구되고 있다.As such, there is a strong demand for the development of carbon fiber manufacturing technology using isotropic pitch that can be mass-produced at low production cost while satisfying all the necessary properties that can be used for CFRP.

대한민국 공개특허 10-2013-0059174 (2013년 06월 05일)Republic of Korea Patent Publication 10-2013-0059174 (June 05, 2013) 일본 특허공개공보 1996-144131(1996년 06월 04일)Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1996-144131 (June 04, 1996)

본 발명자들은 상기 문제점을 해소하기 위해 연구를 거듭한 결과, 특정 범위의 물성, 분자구조와 적층구조를 가지는 등방성 피치의 제조방법을 발명하였고, 이로부터 제조된 등방성 피치는 종래의 등방성 탄소섬유에 비해 월등한 기계적 물성을 가지는 탄소섬유를 제조하는데 사용될 수 있다.As a result of repeating research in order to solve the above problems, the present inventors invented a method of manufacturing an isotropic pitch having a specific range of physical properties, molecular structure and laminated structure, and the isotropic pitch produced therefrom is compared to the conventional isotropic carbon fiber. It can be used to manufacture carbon fibers with superior mechanical properties.

본 발명은 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc), 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm), 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La), 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간 평균 거리(dγ) 및 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있는 상기 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)로 표현되는 구조를 포함하는 등방성 피치를 제공한다.In the present invention, the average diameter of the layered structure formed by the condensed aromatic ring compound layer (L c ), the average distance between the layers of the condensed aromatic ring compound in the layered structure (d m ), the average diameter of the condensed aromatic ring compound layer (L a ), condensation The structure represented by the average number of condensed aromatic ring compound layers (M) included in the laminated structure, which can be represented by the average distance between aliphatic chains connected to the aromatic ring compound (d γ ) and (L c / d m) + 1 It provides an isotropic pitch that includes.

본 발명은 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 전처리하여 원료를 생성하는 단계, 상기 제조된 원료에서 고상 물질을 제거하는 여과단계, 여과된 원료를 중합하여 베이직 피치를 제조하는 단계 및 베이직 피치를 가열하여 상기 등방성 피치를 제조하는 제조방법을 제공한다.The present invention is a step of producing a raw material by pre-treating any one selected from petroleum-based heavy oil, a high boiling point residue, an aromatic hydrocarbon short substance, and a naphtha cracking process residue oil, or a mixture thereof, and removing solid substances from the prepared raw material. It provides a filtration step, a step of polymerizing the filtered raw material to prepare a basic pitch, and a manufacturing method for preparing the isotropic pitch by heating the basic pitch.

본 발명의 등방성 피치는 특정범위의 연화점 및 분자량을 가지고, 상기 피치 내에서 불용고형분과 메조페이스(mesophase) 생성이 최대한 억제되어 방사성이 매우 우수하며, 신장률이 높고 인장강도가 현저히 증가되어 탄소복합재 용도로 사용 가능한 등방성 피치계 탄소섬유를 제공한다. The isotropic pitch of the present invention has a specific range of softening point and molecular weight, and the generation of insoluble solids and mesophase is suppressed as much as possible in the pitch, so that the spinnability is very excellent, the elongation is high, and the tensile strength is significantly increased, so that the use of carbon composites It provides isotropic pitch-based carbon fibers that can be used as.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 제조공정의 흐름도이다.
도 2는 할로겐화 단계를 포함하는 제조방법에서의 등방성 피치의 X-선 회절분석 결과이다.
도 3은 열중합 단계를 포함하는 제조방법에서의 등방성 피치의 X-선 회절분석 결과이다.
도 4은 X-선 회절분석을 통한 등방성피치 구조 해석 그림으로, dm는 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리이고, dγ는 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간 평균 거리이고, Lc는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경이고, La는 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경이며, M은 상기 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수이다.
1 is a flow chart of a carbon fiber manufacturing process according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is an X-ray diffraction analysis result of an isotropic pitch in a manufacturing method including a halogenation step.
3 is an X-ray diffraction analysis result of an isotropic pitch in a manufacturing method including a thermal polymerization step.
4 is an isotropic pitch structure analysis diagram through X-ray diffraction analysis, where d m is an average distance between layers of a condensed aromatic ring compound in a layered structure, d γ is an average distance between aliphatic chains connected to a condensed aromatic ring compound, and L c Is the average diameter of the layered structure formed by the condensed aromatic ring compound layer, L a is the average diameter of the condensed aromatic ring compound layer, and M is the average number of condensed aromatic ring compound layers included in the layered structure.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 등방성 피치 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, an isotropic pitch for manufacturing carbon fibers and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, the same reference numerals denote the same elements.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략할 수 있다.At this time, unless there are other definitions in the technical terms and scientific terms used, they have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure may be omitted.

본 발명은 탄소섬유 제조용 등방성 피치에 관한 것으로 축합방향족 고리 화합물 층이 적층구조를 형성하고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족사슬로 연결된 구조를 포함하는 탄소섬유 제조용 등방성 피치 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to an isotropic pitch for producing carbon fibers, and provides an isotropic pitch for producing carbon fibers including a structure in which a condensed aromatic cyclic compound layer forms a laminated structure, and a condensed aromatic cyclic compound is connected by an aliphatic chain, and a method for producing the same.

본 발명의 등방성 피치는 방사성이 매우 우수하여 용융방사가 가능하며, 방사시 단사가 발생하지 않거나 극히 드물고, 이로부터 제조된 탄소섬유는 고강도 및 고탄성의 극대화된 물성을 가진다. The isotropic pitch of the present invention is excellent in spinnability and thus melt spinning is possible, and single yarn does not occur or is extremely rare during spinning, and the carbon fibers produced therefrom have high strength and high elasticity and maximized physical properties.

먼저, 본 발명의 등방성 피치에 대하여 자세히 설명한다.First, the isotropic pitch of the present invention will be described in detail.

본 발명의 등방성 피치는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)에서 17<2θ<18에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드(γ-band)가 나타나고, 23<2θ<25에서 (002)면 밴드가 나타나며, 43<2θ<45에서 (10) 밴드가 나타나는 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 구조를 포함하는 등방성 피치이다.In the isotropic pitch of the present invention, in X-ray diffraction (XRD), a gamma band of an aliphatic chain appears at 17<2θ<18, and a gamma band (γ-band) of an aliphatic chain appears in X-ray diffraction (XRD), and at 23<2θ<25 ( It is an isotropic pitch containing a structure in which a condensed aromatic cyclic compound in which a band of (10) appears at 43<2θ<45 is connected by an aliphatic chain.

상기 구조는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc), 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La), 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm) 및 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있는 상기 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)로 설명될 수 있다. 그리고, 축합방향족 고리 화합물들은 지방족 사슬로 연결되어 있고 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)도 상기 구조를 설명하는데 더해질 수 있다(도 4). 상기 축합방향족 고리 화합물은 축합된 구조에 따라 상이할 수 있으나 최소 2 내지 최대 7개의 방향족 고리를 포함한 화합물이고, 상기 축합방향족 고리 화합물 층이란 바람직하게는 방향족고리들이 축합된 화합물로 이루어진 층이나 축합방향족 고리 화합물이 포함된 화합물 층일 수 있고 이들이 지방족 사슬에 의하여 연결되어 있을 수 있다. 또한, 상기 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조는 나노 클러스터(nano cluster)라고 표현될 수도 있다. 상기 결정구조의 각 측정결과는 XRD 측정결과, 브래그식(Bragg) 및 scherrer식에 의해 나타낼 수 있다(도 4).The structure includes the average diameter (L c ) of the laminated structure formed by the condensed aromatic cyclic compound layer, the average diameter of the condensed aromatic cyclic compound layer (L a ), the average distance between the condensed aromatic cyclic compound layers in the laminated structure (d m ), and ( It can be described as the average number (M) of the condensed aromatic cyclic compound layers included in the layered structure, which can be represented by L c /d m )+1. In addition, the condensed aromatic ring compounds are connected by an aliphatic chain, and the average distance (d γ ) between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound may be added to explain the structure (FIG. 4). The condensed aromatic ring compound may vary depending on the condensed structure, but is a compound containing at least 2 to at most 7 aromatic rings, and the condensed aromatic ring compound layer is preferably a layer or a condensed aromatic ring composed of a compound in which aromatic rings are condensed. It may be a compound layer containing a cyclic compound, and they may be linked by an aliphatic chain. In addition, the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer may be expressed as a nano cluster. Each measurement result of the crystal structure can be represented by the XRD measurement results, Bragg and Scherrer equations (FIG. 4).

구체적으로, 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc)은 10 내지 25, 바람직하게는 15 내지 20이고, 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La)은 5 내지 15, 바람직하게는 8 내지 12이고, 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm)는 3.50 내지 4.50, 바람직하게는 3.55 내지 4.00이고, 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)는 4.50 내지 5.50, 바람직하게는 4.80 내지 5.20이며, 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)은 4.00 내지 8.00, 바람직하게는 5.00 내지 7.00이다. Specifically, the average diameter (L c ) of the laminated structure formed by the condensed aromatic cyclic compound layer is 10 to 25, preferably 15 to 20, and the average diameter (L a ) of the condensed aromatic cyclic compound layer is 5 to 15, Preferably it is 8 to 12, and the average distance (d m ) between the layers of the condensed aromatic ring compound in the laminated structure is 3.50 to 4.50, preferably 3.55 to 4.00, and the average distance between aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound (d γ ) Is 4.50 to 5.50, preferably 4.80 to 5.20, and the average number (M) of the condensed aromatic cyclic compound layers included in the laminated structure is 4.00 to 8.00, preferably 5.00 to 7.00.

본 발명에서 제조된 등방성 피치는 구조가 상기 범위를 만족해야 방사성이 우수하고 불융고형분 및 메조페이스가 생성되지 않거나 측정되지 않을 정도의 극미량이 존해하고, 이로부터 제조된 탄소섬유의 기계적 물성이 극대화 될 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 불융고형분 및 메조페이스가 생성될 수 있고 방사시 잦은 단사가 발생하며, 이로부터 제조된 탄소섬유의 인장강도가 현저히 감소하거나 신장률이 낮거나 지나치게 높아져 탄성률이 좋지 못하다. The isotropic pitch prepared in the present invention has excellent spinnability when the structure satisfies the above range, and there is a very small amount such that unmelted solids and mesophase are not generated or measured, and the mechanical properties of the carbon fiber produced therefrom can be maximized. I can. If it is out of the above range, unmelted solids and mesophase may be generated, and frequent single yarns occur during spinning, and the tensile strength of the carbon fibers produced therefrom is remarkably reduced or the elongation is low or excessively high, resulting in poor elastic modulus.

본 발명의 등방성 피치는 분석 결과에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다. The isotropic pitch of the present invention can be expressed as follows according to the analysis result.

본 발명의 등방성 피치는 X-선 회절분석에서 23<2θ<25에서 (002)면 밴드를 가지고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 하기 식 (1)~(4)를 만족하는 구조를 포함하는 탄소섬유 제조용 등방성 피치이다. The isotropic pitch of the present invention has a (002) plane band at 23<2θ<25 in X-ray diffraction analysis, and includes a structure that satisfies the following formulas (1) to (4) in which the condensed aromatic ring compound is connected by an aliphatic chain. It is an isotropic pitch for manufacturing carbon fiber.

5 ≤ La ≤ 15Å --- (1)5 ≤ L a ≤ 15Å --- (1)

10 ≤ Lc ≤ 25Å --- (2)10 ≤ L c ≤ 25Å --- (2)

3.50 ≤ dm ≤ 4.50Å --- (3)3.50 ≤ d m ≤ 4.50Å --- (3)

4.00 ≤ M ≤ 8.00Å --- (4)4.00 ≤ M ≤ 8.00Å --- (4)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식 (1), (2) 및 (3)을 만족하여도 (4)를 만족하지 않으면 등방성 피치의 분자량이 지나치게 적어 본 발명의 등방성 피치로부터 목적하는 탄소섬유의 인장강도를 만족하지 못하고 신장률이 지나치게 높아져 탄성률이 떨어진다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식 (2) 및 (3)을 만족하여도 (1) 및 (4)를 만족하지 않으면 등방성 피치의 방사시 잦은 단사가 발생하고 이로부터 제조되는 탄소섬유의 인장강도가 현저히 감소하고 신장률 역시 낮아진다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식 (1) 및 (3)을 만족하여도 (2) 및 (4)를 만족하지 않으면 등방성 피치의 분자량이 적을뿐만 아니라 이로부터 제조되는 탄소섬유의 인장강도가 현저히 감소하게 된다. According to an embodiment of the present invention, even if the above formulas (1), (2) and (3) are satisfied, if (4) is not satisfied, the molecular weight of the isotropic pitch is too small, and thus the desired carbon fiber from the isotropic pitch of the present invention. The tensile strength of is not satisfied and the elongation is too high and the elastic modulus is lowered. According to another embodiment of the present invention, even if the above equations (2) and (3) are satisfied, if (1) and (4) are not satisfied, frequent single yarns occur during spinning of an isotropic pitch, and carbon fibers produced therefrom The tensile strength of is significantly reduced and the elongation is also lowered. According to another embodiment of the present invention, even if the above formulas (1) and (3) are satisfied, if (2) and (4) are not satisfied, not only the molecular weight of the isotropic pitch is small, but also the carbon fiber produced therefrom The tensile strength is significantly reduced.

상기 등방성 피치에 포함되는 구조에 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)를 추가로 표현하여 보다 상세히 등방성 피치를 나타낼 수 있다. The isotropic pitch may be expressed in more detail by additionally expressing the average distance (d γ ) between aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound in the structure included in the isotropic pitch.

본 발명의 상기 식 (1) 내지 (4) 및 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)가 각각 바람직한 범위로 더 구체화된 보다 우수한 물성 및 방사성을 가지는 등방성 피치가 제조될 수 있고, 이로부터 제조되는 등방성 피치계 탄소섬유의 고강도, 고탄성의 기계적 물성은 더욱 극대화 될 수 있다. The average distance (d γ ) between the aliphatic chains connected to the formulas (1) to (4) and the condensed aromatic ring compound of the present invention is further specified in a preferred range, respectively, isotropic pitch having superior physical properties and radioactivity can be prepared, , The mechanical properties of high strength and high elasticity of the isotropic pitch-based carbon fiber produced therefrom can be further maximized.

본 발명의 등방성 피치 연화점은 255 내지 275℃, 바람직하게는 260 내지 270℃이고, 연화점이 지나치게 낮거나 높으면 일정 길이 이상의 장섬유의 방사가 어렵거나 일정 길이 이상으로 방사가 되더라도 균일도가 떨어지며 형상, 직경 등이 균일하지 못하고 인장강도 등의 물성 측면에서도 취약한 섬유가 제조될 수 있다.The isotropic pitch softening point of the present invention is 255 to 275°C, preferably 260 to 270°C, and if the softening point is too low or high, it is difficult to spin long fibers of a certain length or longer, or even if it is spun longer than a certain length, the uniformity decreases, and the shape and diameter Fibers that are not uniform and weak in terms of physical properties such as tensile strength may be produced.

본 발명의 등방성 피치 평균분자량(Mw)은 1500 내지 3000, 바람직하게는 1650 내지 2850이다. 상기 바람직한 범위의 평균분자량을 가지는 등방성 피치는 탄소섬유 제조시 인장 강도를 현저히 상승시키고, 나아가 신장률 또한 높이는데 영향을 미칠 수 있다. The isotropic pitch average molecular weight (Mw) of the present invention is 1500 to 3000, preferably 1650 to 2850. The isotropic pitch having an average molecular weight in the above preferred range significantly increases the tensile strength during the production of carbon fibers, and further, may have an effect on increasing the elongation rate.

본 발명의 일 실시예에 따르면 등방성 피치 점도는 200 내지 500이나, 탄소섬유의 제조방법에 따라 적합하게 조절될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the isotropic pitch viscosity is 200 to 500, but may be appropriately adjusted according to the method of manufacturing the carbon fiber.

다음으로, 본 발명의 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법에 대하여 자세히 설명한다.Next, a method of manufacturing an isotropic pitch for producing carbon fibers of the present invention will be described in detail.

본 발명의 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법은,The method for producing an isotropic pitch for producing carbon fibers of the present invention,

a) 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료를 열처리 및 분획하는 전처리 단계;a) a pretreatment step of heat-treating and fractionating a raw material including any one selected from petroleum-based heavy oil, high boiling point residue, aromatic hydrocarbon short substance, and naphtha cracking process residue oil, or a mixture thereof;

b) 전처리된 원료에서 고상 물질을 제거하는 여과단계;b) a filtering step of removing solid substances from the pretreated raw materials;

c) 여과된 원료로 베이직 피치를 제조하는 단계; 및 c) preparing a basic pitch from the filtered raw material; And

d) 상기 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하는 단계;d) heating the basic pitch to prepare an isotropic pitch;

를 포함하는 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법이다. It is a method for producing an isotropic pitch for producing carbon fiber comprising a.

상기의 제조 방법 중 b)의 여과 단계는 c)의 베이직 피치를 제조한 후 수행할 수 있으며, c)의 베이직 피치는 등방성 피치 제조의 중간 물질로 공정 구성의 편이에 따라 그 조성과 물성이 달라질 수 있다.Among the above manufacturing methods, the filtration step of b) can be performed after preparing the basic pitch of c), and the basic pitch of c) is an intermediate material for manufacturing isotropic pitch, and its composition and physical properties vary according to the convenience of the process configuration. I can.

원료로 더욱 상세하게는 나프타 분해 잔사유의 일종인 열분해 연료유(PFO)를 포함할 수 있다. PFO는 나프타 크래킹 공정(naphtha cracking center; NCC)의 탑저부위(bottom)에서 생성되는 것으로 방향화도가 높고 수지의 함량이 풍부하여 본 발명의 원료로 사용될 수 있다.As a raw material, in more detail, it may include pyrolysis fuel oil (PFO), which is a kind of naphtha cracking residual oil. PFO is produced at the bottom of a naphtha cracking center (NCC) and can be used as a raw material of the present invention due to its high degree of aroma and rich in resin content.

열분해 연료유는 납사크래킹 공정의 탑저부위에서 생성되는 것으로, 다양한 방향족 탄화수소류를 포함할 수 있다. 방향족 탄화수소류의 구체예로는 에틸벤젠(ethylbenzene), 1-에테닐-3-메틸벤젠(1-ethenyl-3-methyl benzene), 인덴(Indene), 1-에틸-3-메틸벤젠(1-ethyl-3-methyl benzene), 1-메틸에틸벤젠(1-methylethylbenzene), 2-에틸-1,3-디메틸벤젠(2-ethyl-1,3-dimethyl benzene), 프로필벤젠(propylbenzene), 1-메틸-4-(2-프로페닐)-벤젠(1-methyl-4-(2-propenyl) benzene), 1,1a,6,6a-테트라히드로-시클로프로파인덴(1,1a,6,6a-tetrahydro-cycloprop[a]indene), 2-에틸-1H-인덴(2-ethyl-1H-indene), 1-메틸-1H-인덴(1-methyl-1H-indene), 4,7-디메틸-1H-인덴(4,7-dimethyl-1H-indene), 1-메틸-9H-플루오렌(1-methyl-9HFluorene), 1,7-디메틸 나프탈렌(1,7-dimethyl naphthalene), 2-메틸인덴(2-methylindene), 4,4'-디메틸비페닐(4,4'-dimethyl biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 4-메틸-1,1'-비페닐(4-methyl-1,1'-biphenyl), 안트라센(Anthracene), 2-메틸나프탈렌(2-methylnaphthalene) 및 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene) 등이 있을 수 있다.Pyrolysis fuel oil is produced at the bottom of the naphtha cracking process and may contain various aromatic hydrocarbons. Specific examples of aromatic hydrocarbons include ethylbenzene, 1-ethenyl-3-methyl benzene, indene, and 1-ethyl-3-methylbenzene (1- ethyl-3-methyl benzene), 1-methylethylbenzene, 2-ethyl-1,3-dimethyl benzene, propylbenzene, 1- Methyl-4-(2-propenyl)-benzene (1-methyl-4-(2-propenyl) benzene), 1,1a,6,6a-tetrahydro-cyclopropaneden (1,1a,6,6a -tetrahydro-cycloprop[a]indene), 2-ethyl-1H-indene, 1-methyl-1H-indene, 4,7-dimethyl- 1H-indene (4,7-dimethyl-1H-indene), 1-methyl-9H-fluorene (1-methyl-9HFluorene), 1,7-dimethyl naphthalene (1,7-dimethyl naphthalene), 2-methylin Den (2-methylindene), 4,4'-dimethyl biphenyl (4,4'-dimethyl biphenyl), naphthalene (naphthalene), 4-methyl-1,1'-biphenyl (4-methyl-1,1' -biphenyl), anthracene, 2-methylnaphthalene and 1-methylnaphthalene.

본 발명의 일 실시예에 따른 원료는 고비점 유분이 더 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고비점 유분은 원유를 분별 증류하여 얻을 수 있는 성분 중 비점이 높고 탄소수가 많은 성분을 뜻하는 것으로, 주로 탄소수 5이상, 바람직하게는 7 이상의 경질 또는 중질 방향족 나프타를 포함할 수 있다. The raw material according to an embodiment of the present invention may further contain a high boiling point oil. The high-boiling fraction according to an embodiment of the present invention refers to a component having a high boiling point and a large number of carbon atoms among the components obtained by fractional distillation of crude oil, and mainly includes a light or heavy aromatic naphtha having 5 or more carbon atoms, preferably 7 or more. Can include.

고비점 유분으로 더욱 상세하게는 탄소수 9의 유분이 포함될 수 있다. 구체적으로 예를 들면 스티렌, 비닐톨루엔, 인덴, 알파메틸스티렌 및 벤젠/톨루엔/크실렌(BTX) 등으로 이루어질 수 있다.As a high boiling point fraction, more specifically, a C9 fraction may be included. Specifically, for example, it may be made of styrene, vinyl toluene, indene, alpha methyl styrene, and benzene/toluene/xylene (BTX).

탄소수 9의 유분으로 바람직하게는 인덴이 포함될 수 있다. 인덴은 원료 중 아로마틱 성분의 측쇄와 결합하여 용융방사 후 안정화 단계에서 아로마틱 성분의 측쇄가 산화함에 따라 탈수결합하여 에테르(ether)화 되려는 경향을 방지할 수 있어, 결과적으로 탄화온도 및 시간을 낮추는데 기여할 수 있다. Indene may be preferably included as an oil having 9 carbon atoms. Indene combines with the side chain of the aromatic component of the raw material, and as the side chain of the aromatic component is oxidized in the stabilization step after melt spinning, it can prevent the tendency to become ether by dehydration bonding.As a result, it will contribute to lowering the carbonization temperature and time. I can.

고비점 유분은 전체 원료 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 5 중량% 미만의 경우에는 그 효과가 미미할 수 있으며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 증가된 양에 대해 효과가 뚜렷하지 않을 수 있다It is preferable that the high-boiling-point oil contains 5 to 15% by weight based on 100% by weight of the total raw material, and if it is less than 5% by weight, the effect may be insignificant, and if it exceeds 15% by weight, it is effective for the increased amount. May not be clear

원료의 방향족화도(fa)는 0.7 내지 0.9 일 수 있다. 방향족화도가 0.7 미만인 경우 탄화 수율이 저하될 수 있다. 방향족도가 0.9보다 높은 경우에 대해서는 특별한 제한은 없으나, 방향족도가 0.9이상인 경우 본 발명에서 개시한 일련의 피치 합성 방법에 의한 효과가 크지 않을 수 있다. The degree of aromatization (fa) of the raw material may be 0.7 to 0.9. If the degree of aromatization is less than 0.7, the carbonization yield may decrease. There is no particular limitation on the case where the degree of aromaticity is higher than 0.9, but when the degree of aromaticity is more than 0.9, the effect of the series of pitch synthesis methods disclosed in the present invention may not be significant.

원료의 분자량은 75 내지 350의 분포를 가질 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 250의 분포를 가질 수 있다.The molecular weight of the raw material may have a distribution of 75 to 350, preferably may have a distribution of 100 to 250.

상기 등방성 피치의 제조방법에서 a)단계는 원료에 포함된 화합물들 중 중합반응에 의해 올리고머를 생성할 가능성이 낮은 저분자 물질을 제거하는 단계이며, 동시에 원료에 포함된 화합물들 간 반응을 수반하여 원료에 포함된 반응성이 강하며 불안정한 화합물을 보다 안정적이며 등방성 피치의 제조에 유효한 화합물로 전환하는 단계이다. In the method for producing an isotropic pitch, step a) is a step of removing a low-molecular material that is unlikely to generate oligomers by polymerization among the compounds contained in the raw material, and at the same time, the raw material is accompanied by a reaction between the compounds included in the raw material. This is a step of converting the highly reactive and unstable compound contained in the compound to a compound that is more stable and effective for producing an isotropic pitch.

a)단계에서 상기 전처리는 130 내지 240℃, 바람직하게는 150 내지 230℃, 보다 바람직하게는 190 내지 220℃의 온도에서 휘발분이 발생하지 않을 때까지 상압 증류하여 진행할 수 있다. 전처리에서 가열온도는 원료의 조성비, 방향족화도 등 베이직피치 및 등방성 피치의 물성, 나아가서는 탄소섬유의 기계적인 물성에 영향을 줄 수 있다. 또한 전처리 단계는 상압에서도 진행할 수 있으나, 감압 하에서 진행할 수 있다. 이때 감압을 통해 보다 낮은 온도에서 전처리 공정을 진행할 수 있으며, 상압과 동일한 효과를 얻을 수 있는 범위 내에서 압력 및 온도를 자유롭게 조절할 수 있다. In step a), the pretreatment may be performed by atmospheric distillation at a temperature of 130 to 240°C, preferably 150 to 230°C, and more preferably 190 to 220°C until no volatiles are generated. In the pretreatment, the heating temperature may affect the properties of basic pitch and isotropic pitch, such as the composition ratio of raw materials and degree of aromatization, and further, mechanical properties of carbon fiber. In addition, the pretreatment step may be performed at normal pressure, but may be performed under reduced pressure. At this time, the pretreatment process can be performed at a lower temperature through reduced pressure, and the pressure and temperature can be freely controlled within a range that can obtain the same effect as the normal pressure.

상기 등방성 피치의 제조방법에서 b)단계는 전처리된 연료의 여과단계로 고상 물질을 제거하며 상기 고상 물질은 금속, 황, 질소 등의 불순물이 포함된 고체상의 잔류물로서 등방성 피치로부터 제조되는 탄소섬유의 구조에서 크래커(cracker)로 작용하여 강도저하를 유발할 수 있다. In the method of manufacturing the isotropic pitch, step b) is a filtration step of the pretreated fuel to remove the solid material, and the solid material is a solid residue containing impurities such as metal, sulfur, and nitrogen, and carbon fibers produced from the isotropic pitch. It can cause a decrease in strength by acting as a cracker in its structure.

여과단계는 당업계에서 통상적으로 수행하는 방식, 예를 들어 여과, 원심분리, 침강, 흡착, 추출 등으로 수행할 수 있다.The filtration step may be performed in a manner commonly performed in the art, for example, filtration, centrifugation, sedimentation, adsorption, extraction, and the like.

여과단계는 베이직피치의 중합 이 후 수행할 수도 있으며, 경우에 따라서는 전처리 단계 다음 및 베이직피치 중합 단계 다음에 모두 수행할 수 있다. 즉, 상기 제조방법에서 (c) 단계 이 후에 수행할 수 있으며, 경우에 따라서는 (a) 및 (c) 단계 이 후에 각각 수행할 수도 있다.The filtration step may be performed after the polymerization of the basic pitch, and in some cases, it may be performed both after the pretreatment step and after the basic pitch polymerization step. That is, in the above manufacturing method, it may be performed after step (c), and in some cases, it may be performed after steps (a) and (c), respectively.

상기 등방성 피치의 제조방법에서 c)단계는 베이직 피치 제조단계로 여과단계를 거친 원료를 가열과 동시에 반응시켜 메조페이즈의 생성 없이 고연화점을 가지는 베이직 피치를 제조하는 단계로서, 할로겐화법 또는 열중합법으로 진행할 수 있다.In the manufacturing method of the isotropic pitch, step c) is a step of preparing a basic pitch having a high softening point without generating a mesophase by reacting the raw material that has undergone the filtering step as a basic pitch manufacturing step while heating, by a halogenation method or a thermal polymerization method. You can proceed.

할로겐화법은 할로겐화합물 및 라디칼개시제를 더 첨가한 후 가열하여 진행할 수 있으며, 바람직하게는 라디칼개시제를 첨가한 후 할로겐화합물을 첨가하고 혼합하여 진행할 수 있다.The halogenation method may be carried out by heating after further addition of a halogen compound and a radical initiator, and preferably, after adding a radical initiator, a halogen compound may be added and mixed.

할로겐화합물은 염소(Cl2), 티오닐클로라이드(SOCl2), 설푸릴클로라이드 (SO2Cl2), 브롬(Br2), 요오드(I2) 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.The halogen compound is selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), thionyl chloride (SOCl 2 ), sulfuryl chloride (SO 2 Cl 2 ), bromine (Br 2 ), iodine (I 2 ), or a mixture of two or more of them. Can be used.

라디칼개시제는 벤조일퍼옥사이드(Benzoyl peroxide), 디부틸히드로퍼 옥사이드(di-t-butyl hydroperoxide), 아세틸퍼옥사이드(Acetyl peroxide) 등의 유기과산화물(Organic Peroxide)과, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN ; α,α'-Azobisisobutyronitrile), 아조비스메틸이소부틸레이트(α,α'-Azobismethyl isobutyrate) 등의 아조화합물 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.Radical initiators include organic peroxides such as benzoyl peroxide, di-t-butyl hydroperoxide, and acetyl peroxide, and azobisisobutyronitrile (AIBN). ; Azo compounds such as α,α'-Azobisisobutyronitrile), azobismethyl isobutyrate, or a mixture of two or more of them may be used.

라디칼개시제는 할로겐화합물 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부 포함될 수 있으나 보다 바람직하게는 5 내지 20 중량부 포함될 수 있다.The radical initiator may be included in 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the halogen compound, but more preferably 5 to 20 parts by weight.

할로겐화법은 100 내지 120℃에서 0.5 내지 2시간 할로겐화반응을 진행하여 방향족 알킬그룹 내 수소를 할로겐으로 치환한 후, 300 내지 330℃에서 2 내지 4시간 탈할로겐화반응에 의한 중합을 진행할 수 있다. 또한 탈할로겐화반응은 후속공정으로서, 반응 후에 베이직피치 중에 잔존할 수 있는 할로겐화합물과 라디칼개시제를 분해시켜 제조되는 베이직피치의 순도를 더욱 높일 수 있다. 특히 탈할로겐화반응에서 반응온도가 330℃를 넘지 않는 것이 좋은데, 330℃ 초과 시에는 할로겐화합물 및 라디칼개시제의 분해가 활발히 일어나지만 과다한 중합에 따른 베이직피치의 이방성화 또는 코크스화가 진행하여 결과적으로 탄소섬유의 기계적인 물성이 크게 떨어지게 된다.In the halogenation method, a halogenation reaction is performed at 100 to 120°C for 0.5 to 2 hours to replace hydrogen in an aromatic alkyl group with halogen, and then polymerization may be performed by dehalogenation at 300 to 330°C for 2 to 4 hours. In addition, the dehalogenation reaction is a subsequent step, and the purity of the basic pitch prepared by decomposing halogen compounds and radical initiators that may remain in the basic pitch after the reaction can be further increased. In particular, it is good that the reaction temperature does not exceed 330°C in the dehalogenation reaction.When the reaction temperature exceeds 330°C, the decomposition of halogen compounds and radical initiators occurs actively, but the anisotropy or coking of the basic pitch due to excessive polymerization proceeds, resulting in carbon fiber. The mechanical properties of are greatly degraded.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 할로겐화법에 의해 제조된 베이직피치는 연화점이 70 내지 130℃, 바람직하게는 115 내지 125℃일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the basic pitch prepared by the halogenation method may have a softening point of 70 to 130°C, preferably 115 to 125°C.

열중합법은 350 내지 380℃에서 0.1 내지 2시간 진행할 수 있다. 열중합법은 진행 시 불활성기체 분위기에서 교반하여 진행할 수 있으며, 질소와 폴리콘덴세이션(poly-condensation) 진행 중에 발생하는 기체 부산물을 분취하여 진행할 수 있다. 또한 열중합법에서도 할로겐화법과 마찬가지로 반응온도가 380℃를 넘지 않는 것이 좋은데, 반응온도가 380℃를 초과하는 경우, 할로겐화법과 마찬가지로 본 발명에서 목적으로 하는 균일한 이방성 피치의 범위를 초과하는 과량의 메조페이즈가 생성되거나 또는 코크스화가 진행되어 불균일한 탄소섬유가 생성될 수 있다.The thermal polymerization method may be performed at 350 to 380°C for 0.1 to 2 hours. The thermal polymerization method can be carried out by stirring in an inert gas atmosphere during the process, and can be carried out by separating nitrogen and gaseous by-products generated during the poly-condensation process. In addition, in the thermal polymerization method, as in the halogenation method, it is good that the reaction temperature does not exceed 380°C. If the reaction temperature exceeds 380°C, as in the halogenation method, an excessive mesophase exceeding the range of the uniform anisotropic pitch aimed at in the present invention. May be generated or coking may proceed to produce non-uniform carbon fibers.

열중합법에 의해 제조된 베이직피치는 연화점이 85 내지 140℃, 바람직하게는 115 내지 125℃일 수 있다.The basic pitch prepared by the thermal polymerization method may have a softening point of 85 to 140°C, preferably 115 to 125°C.

등방성 피치의 제조 공정에서 구성상의 편의에 따라 베이직 피치의 물성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 제조방법의 (c)단계에서 (d)단계를 연속적으로 흐르는 유체의 흐름을 원할히 할 목적으로 공정을 구성할 경우, 상기 (c)단계로부터 제조된 베이직 피치 중 축합방향족 고리 화합물이 연결된 올리고머의 절대양에 큰 영향을 주지 않는 범위에서 비점이 낮은 화합물을 추가로 포함할 수도 있다. 이러한 효과는 (c)단계를 가압 상태에서 수행하는 경우에 얻어질 수 있으며, 이 때 베이직 피치의 연화점은 공정 구성의 편의에 따라 최종 제조되는 등방성 피치의 물성, 분자구조 및 적층구조에 영향을 주지 않은 범위에 내에서 자유롭게 조절할 수 있다.In the manufacturing process of the isotropic pitch, the physical properties of the basic pitch can be adjusted according to the convenience of the configuration. For example, in the case of configuring a process for the purpose of smoothing the flow of fluid continuously flowing from step (c) to step (d) of the above manufacturing method, a condensed aromatic ring compound among the basic pitches prepared from step (c) above A compound having a low boiling point may be further included within a range that does not significantly affect the absolute amount of the linked oligomer. This effect can be obtained when step (c) is carried out in a pressurized state, and at this time, the softening point of the basic pitch does not affect the physical properties, molecular structure, and layered structure of the final isotropic pitch according to the convenience of the process configuration. It can be freely adjusted within a range that is not available.

상기 등방성 피치의 제조방법에서 d)단계는 등방성 제조단계로 베이직 피치를 가열하여 증발을 촉진함으로써 메조페이즈 생성을 억제하고, 용융방사가 가능한 등방성 피치를 제조하는 공정일 수 있다.In the manufacturing method of the isotropic pitch, step d) is an isotropic manufacturing step, and may be a process of heating the basic pitch to promote evaporation, thereby suppressing the generation of mesophase and producing an isotropic pitch capable of melt spinning.

등방성 피치 제조단계는 통상적인 박막증류법으로 진행할 수 있으며, 이를 통해 메조페이스의 생성을 억제하고 불용고형분을 제거하는 추가적인 공정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 등방성 피치 제조단계는 다단계의 박막증류장치를 구비하여 제조되는 등방성 피치의 조성 및 상태변화에 대응할 수 있다. The isotropic pitch manufacturing step can be performed by a conventional thin film distillation method, which has the advantage of not requiring an additional process of suppressing the formation of mesophase and removing insoluble solids. In addition, the isotropic pitch manufacturing step according to an embodiment of the present invention may respond to changes in the composition and state of the isotropic pitch manufactured by having a multi-stage thin film distillation apparatus.

등방성 피치 제조단계는 진공분위기, 300 내지 350℃에서 0.1 내지 1시간 동안 가열하여 진행할 수 있다. 특히 가열온도가 350℃를 초과하면, 부분적으로 메조페이즈가 생성되며, 계속된 가열에 의해 불용성 탄소 고형분이 생성될 수 있으므로, 가열온도 및 가열시간을 준수하는 것이 바람직하다.The isotropic pitch manufacturing step may be performed by heating in a vacuum atmosphere, 300 to 350° C. for 0.1 to 1 hour. In particular, when the heating temperature exceeds 350° C., a mesophase is partially generated, and insoluble carbon solids may be generated by continued heating, so it is preferable to observe the heating temperature and heating time.

본 발명의 일 실시예에 따른 등방성 피치는 연화점이 255 내지 275℃, 바람직하게는 260 내지 270℃일 수 있다. 또한 본 발명의 등방성 피치 평균분자량(Mw)은 1500 내지 3000, 바람직하게는 1700 내지 2850일 수 있다. 등방성 피치의 평균 분자량 및 연화점은 제조되는 탄소섬유의 물성에 큰 영향을 줄 수 있으므로 제조공정의 조건을 준수하는 것이 바람직하다.The isotropic pitch according to an embodiment of the present invention may have a softening point of 255 to 275°C, preferably 260 to 270°C. In addition, the isotropic pitch average molecular weight (Mw) of the present invention may be 1500 to 3000, preferably 1700 to 2850. Since the average molecular weight and softening point of the isotropic pitch can have a great influence on the physical properties of the carbon fiber to be produced, it is desirable to observe the conditions of the manufacturing process.

본 발명에서 제조되는 등방성 피치는 용융방사(melt spinning)가 가능하고, 섬유 방사시 단사가 일어나지 않거나 극히 드문 우수한 방사성을 가진다. 용융방사는 고분자 물질이나 피치를 용융하여 연속 섬유로 제조하는 방법으로 섬유 방사시 필요한 고가의 용매를 사용할 필요가 없어, 방사 공정의 구성을 단순화시킬 수 있고 비용을 현저히 감소시킬 수 있는 매우 경제적인 방법이다. 탄소섬유 제조를 위한 상기 용융방사가 가능하기 위해서는 피치의 방사성이 우수해야 하는데 본 발명에 따라 제조되는 등방성 피치는 방사성이 매우 우수하여 탄소섬유 제조를 위한 용융방사가 가능하면서 단사가 극히 드물거나 일어나지 않는다. 또한, 본 발명의 용융방사가 가능한 등방성 피치는 기존의 멜트-블로잉(melt-blowing)을 통해 단섬유를 제조하는데 그치던 등방성 피치에 비해 방사성이 매우 뛰어나 이로부터 고강도, 고탄성의 탄소장섬유를 제조할 수도 있다.The isotropic pitch produced in the present invention is capable of melt spinning, and has excellent spinning properties that do not occur or are extremely rare during fiber spinning. Melt spinning is a method of manufacturing continuous fibers by melting a polymer material or pitch, and it is a very economical method that can simplify the configuration of the spinning process and significantly reduce the cost because it does not require the use of expensive solvents required for fiber spinning. to be. In order to enable the melt spinning for the production of carbon fibers, the spinnability of the pitch must be excellent, but the isotropic pitch produced according to the present invention has excellent spinnability, enabling melt spinning for the production of carbon fibers, and single yarn is extremely rare or does not occur. . In addition, the melt-spinning isotropic pitch of the present invention is excellent in spinnability compared to the conventional isotropic pitch, which was used to manufacture short fibers through melt-blowing, and from this, it is possible to manufacture high-strength, high-elastic carbon filaments. May be.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 등방성 피치를 20분 연속으로 용융방사 중 끊김의 빈도를 단사빈도로 하여 측정한 결과 단사빈도가 0에 해당하여 방사성이 매우 우수한 것을 알 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, as a result of measuring the isotropic pitch as a single yarn frequency as a single yarn frequency as the frequency of breaks during melt spinning for 20 minutes in a row, it can be seen that the single yarn frequency corresponds to 0, so that the spinning property is very good.

또한, 본 발명의 등방성 피치는 700 내지 1200℃이하의 낮은 온도에서도 탄화가 가능하여 탄화과정에서 에너지 소비를 최소화할 수 있다. In addition, the isotropic pitch of the present invention can be carbonized even at a low temperature of 700 to 1200° C. or less, thereby minimizing energy consumption in the carbonization process.

본 발명에 따라 제조된 등방성 피치는 용융방사 후 안정화 단계 및 탄화단계를 거쳐 탄소섬유를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 등방성 피치로부터 탄소섬유 제조시, 인장강도가 최소 1.5GPa 이상의 고강도이고 신장률이 2%이상인 등방성 피치계 탄소장섬유를 제조할 수 있다. 상기와 같은 등방성 피치계 탄소섬유는 물성이 극대화 된 것으로 기존의 등방성 피치계 탄소섬유가 범용 탄소재료로 사용되는 것과 달리 고강도, 고탄성 탄소섬유가 요구되던 탄소복합재에 다양하게 응용되어 사용될 수 있다. The isotropic pitch prepared according to the present invention may be melt-spinned and then subjected to a stabilization step and a carbonization step to produce carbon fibers. When manufacturing carbon fibers from the isotropic pitch prepared according to an embodiment of the present invention, an isotropic pitch-based long carbon fiber having a tensile strength of at least 1.5 GPa or more and an elongation of 2% or more may be manufactured. The isotropic pitch-based carbon fiber as described above has maximized physical properties, and can be used in various applications in carbon composites requiring high strength and high elasticity carbon fiber, unlike conventional isotropic pitch-based carbon fiber used as a general-purpose carbon material.

본 발명의 등방성 피치는 탄소섬유 제조용이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 탄소재료 제조에도 이용될 수 있다. The isotropic pitch of the present invention is preferably used for manufacturing carbon fibers, but is not limited thereto and may be used for manufacturing various carbon materials.

이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명에 따른 등방성 피치의 제조방법 및 이로부터 제조된 등방성 피치에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 서술하는 실시예 및 비교예는 본 발명의 이해 또는 실시를 돕기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 실시예 및 비교예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of manufacturing an isotropic pitch according to the present invention and an isotropic pitch produced therefrom will be described in more detail through Examples and Comparative Examples. However, the following examples and comparative examples are only examples to aid understanding or implementation of the present invention, and the present invention is not limited to the examples and comparative examples.

실시예 및 비교예를 통해 측정한 물성의 측정방법 및 원료의 조성비는 다음과 같다.The method of measuring physical properties and the composition ratio of raw materials measured through the Examples and Comparative Examples are as follows.

물성 측정 방법How to measure physical properties

1.탄소와 수소 원자비(H/C)1. Carbon and hydrogen atomic ratio (H/C)

CHNS 원소분석기로 분석Analysis with CHNS Elemental Analyzer

2.방향족화도(fa)2. Aromatization degree (fa)

13C NMR 로 분석 (ASTM D5292) Analysis by 13 C NMR (ASTM D5292)

3.원료의 조성3. Composition of raw materials

2D-GC로 분석Analysis with 2D-GC

4.점도(Pa·s)4. Viscosity (Pa·s)

점도는 TMA (Thermo Mechanical Analyzer)로 측정Viscosity is measured by TMA (Thermo Mechanical Analyzer)

5. 연화점(℃)5. Softening point (℃)

연화점은 TMA (Thermo Mechanical Analyzer)로 측정Softening point is measured by TMA (Thermo Mechanical Analyzer)

6. 수율6. Yield

수율은 투입된 나프타 분해 잔사유 중량 대비 최종 수득된 피치의 중량에 의해 계산되었다.The yield was calculated by the weight of the finally obtained pitch relative to the weight of the added naphtha decomposition residue.

7. 기계적 물성7. Mechanical properties

인장강도(GPa)와 신장율(%)을 산출하기 위해 탄소섬유의 샘플에 대해 2N의 로드셀을 장착한 UTM(Universal Test Machine)으로 Stress-Strain 커브를 측정하였고, 인장강도는 상기 측정 결과와 전자현미경에 의해 분석된 섬유의 직경으로부터 계산되었다. In order to calculate the tensile strength (GPa) and elongation (%), the stress-strain curve was measured with a UTM (Universal Test Machine) equipped with a 2N load cell for a sample of carbon fiber, and the tensile strength was determined by the above measurement result and an electron microscope. It was calculated from the diameter of the fiber analyzed by.

8. 피치의 분자 조성8. Molecular composition of pitch

피치의 분자 조성은 GC-AED로 분석하였고 분자량의 분포는 GPC로 측정하였고 그 결과로부터 평균분자량을 구했다.The molecular composition of the pitch was analyzed by GC-AED, and the distribution of molecular weight was measured by GPC, and the average molecular weight was calculated from the results.

9. X선 회절 분석9. X-ray diffraction analysis

등방성 피치의 분자 구조 분석을 위한 X선 회절분석기는 Cu음극을 사용하고, K-α1 파장은 1.540598, X선 발생장치의 전압은 40KV, 튜브 전류는 30mA이었다.The X-ray diffractometer for the molecular structure analysis of the isotropic pitch used a Cu cathode, the K-α 1 wavelength was 1.540598, the voltage of the X-ray generator was 40KV, and the tube current was 30mA.

10. TOF-MS 분석10. TOF-MS analysis

분자구조를 해석하기 위해 JEOL사의 TOF-MS를 사용하였다. 레이저 소스는 Nd:YAG, 레이저 강도는 50%, 질량범위는 10~3,000, 스파이럴 측정 모드를 사용하여 분석하였다.
JEOL's TOF-MS was used to analyze the molecular structure. The laser source was analyzed using Nd:YAG, laser intensity of 50%, mass range of 10 to 3,000, and spiral measurement mode.

<실시예 1~4> 및 <비교예 1~3> 베이직피치 제조단계에서 할로겐화법을 이용한 등방성 피치의 제조<Examples 1 to 4> and <Comparative Examples 1 to 3> Preparation of isotropic pitch using a halogenation method in the basic pitch manufacturing step

조성 및 방향족화도는 표 1 내지 3과 같은 Naphtha Cracker Bottom Oil(NCBO)를 원료로 준비하였다. Composition and degree of aromatization were prepared using Naphtha Cracker Bottom Oil (NCBO) as shown in Tables 1 to 3 as a raw material.

탄소(C, 중량%)Carbon (C, wt%) 수소(H, 중량%)Hydrogen (H, wt%) 질소(N, 중량%)Nitrogen (N, wt%) 황(S, 중량%)Sulfur (S, wt%) H/C(원자비)H/C (atomic cost) 92.4892.48 7.327.32 0.100.10 0.130.13 0.950.95

지방족 탄화물(%)Aliphatic carbide (%) 방향족 탄화물(%)Aromatic carbide (%) 방향족화도(fa)Aromatization degree (fa) 메틸카본
(CH3, Ar-CH3)
Methyl carbon
(CH3, Ar-CH3)
메틸렌카본
(나프탈렌)
Methylene carbon
(naphthalene)
미치환카본
(Ar-H)
Unsubstituted carbon
(Ar-H)
사차탄소Quaternary carbon 치환카본
(Ar-H)
Substituted carbon
(Ar-H)
5.855.85 16.8616.86 49.7049.70 12.3812.38 15.2115.21 0.740.74

NCBO 화합물 조성NCBO compound composition 함량(%)content(%) 포화탄소화합물Saturated carbon compounds 1.81.8 방향족 고리를 한 개 포함하는 화합물Compounds containing one aromatic ring 51.851.8 방향족 고리를 두 개 포함하는 화합물Compounds containing two aromatic rings 43.143.1 방향족 고리를 세 개 포함하는 화합물Compounds containing three aromatic rings 3.33.3 방향족 고리를 네 개 이상 포함하는 화합물Compounds containing four or more aromatic rings 00 총합total 100100

실시예 1~4는 준비된 NCBO를 각각 190, 200, 210, 220℃에서 비교예 2는 120℃, 비교예 3은 250℃에서, 상압 증류로 각각 전처리 단계를 수행하였고 이 후 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다. 비교예 1은 전처리 단계를 수행하지 않고 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다.Examples 1 to 4 were prepared NCBO at 190, 200, 210, and 220°C, respectively, in Comparative Example 2 at 120°C, and in Comparative Example 3 at 250°C, each pre-treatment step was performed by atmospheric distillation, and then a solid material through filtration. Was removed. In Comparative Example 1, a solid material was removed through filtration without performing a pretreatment step.

여과 단계 이 후 중간단계에서 생성된 원료 100 중량부에 대하여 브롬 20 중량부 첨가하였다. 그리고 110℃에서 1시간 동안 브롬화반응을 진행한 후, 다시 320℃에서 3시간 동안 탈브롬화반응을 진행하여 베이직 피치를 제조하였다. 베이직 피치 제조 공정이 종료된 후 연화점 및 수율을 측정하였고 표 4는 측정결과를 나타낸다. After the filtration step, 20 parts by weight of bromine was added to 100 parts by weight of the raw material produced in the intermediate step. And after the bromination reaction was performed at 110° C. for 1 hour, the bromination reaction was performed again at 320° C. for 3 hours to prepare a basic pitch. After the basic pitch manufacturing process was completed, the softening point and the yield were measured, and Table 4 shows the measurement results.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 연화점(℃)Softening point (℃) 수율(중량%)Yield (% by weight) 비교예 1Comparative Example 1 -- 100100 51.351.3 비교예 2Comparative Example 2 120120 100100 50.250.2 실시예 1Example 1 190190 120120 51.251.2 실시예 2Example 2 200200 130ㅊ130ㅊ 49.849.8 실시예 3Example 3 210210 130130 57.657.6 실시예 4Example 4 220220 7070 66.966.9 비교예 3Comparative Example 3 250250 125125 68.968.9

제조된 베이직 피치를 박막 증발장치에 각각 투입한 후, 진공분위기, 340℃에서 30분간 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하였다. 공정이 종료된 후, 등방성 피치의 연화점, 점도 및 평균분자량을 측정하여 하기 표 5에 기재하였다.After each prepared basic pitch was introduced into a thin film evaporator, an isotropic pitch was prepared by heating the basic pitch at 340° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere. After the process was completed, the softening point, viscosity, and average molecular weight of the isotropic pitch were measured and shown in Table 5 below.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 연화점(℃)Softening point (℃) 점도(Pas)Viscosity (Pas) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) 비교예 1Comparative Example 1 -- 265265 353353 12501250 비교예 2Comparative Example 2 120120 260260 342342 13001300 실시예 1Example 1 190190 260260 320320 19001900 실시예 2Example 2 200200 265265 240240 23002300 실시예 3Example 3 210210 270270 345345 25502550 실시예 4Example 4 220220 265265 480480 28002800 비교예 3Comparative Example 3 250250 275275 365365 29002900

제조된 등방성 피치의 구조를 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하였고 XRD 분석 결과 17<2θ<18에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 23<2θ<25에서 축합방향족 고리 화합물의 적층구조에서 (002)면, 43<2θ<45에서 (10)면 밴드가 나타났다(도 2). 하기 표 6은 구조 분석 결과를 나타낸다. The structure of the prepared isotropic pitch was analyzed using an X-ray diffractometer, and as a result of XRD analysis, the gamma band (γ-band) of the aliphatic chain at 17<2θ<18, and the condensed aromatic ring at 23<2θ<25. In the laminated structure of the compound, bands of (002) plane and (10) plane were shown in 43<2θ<45 (FIG. 2). Table 6 below shows the results of structural analysis.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) Lc L c La L a dm d m dγ d γ MM 비교예 1Comparative Example 1 -- 12501250 1010 77 3.5343.534 5.0935.093 3.53.5 비교예 2Comparative Example 2 120120 13001300 1010 77 3.6213.621 4.8974.897 3.83.8 실시예 1Example 1 190190 19001900 1616 1010 3.7393.739 5.1215.121 5.35.3 실시예 2Example 2 200200 23002300 1717 99 3.7723.772 5.1605.160 5.55.5 실시예 3Example 3 210210 25502550 1717 1010 3.7563.756 5.1835.183 5.55.5 실시예 4Example 4 220220 28002800 1919 1111 3.5943.594 4.9584.958 6.36.3 비교예 3Comparative Example 3 250250 29002900 2727 1515 3.6423.642 5.1725.172 8.48.4

- La(Å) : 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경-L a (Å) : Average diameter of condensed aromatic ring compound layer

- LC(Å) : 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경-L C (Å) : Average diameter of the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer

- dm(Å) : 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리-d m (Å) : Average distance between layers of condensed aromatic cyclic compounds in a laminated structure

- dγ(Å) : 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리-d γ (Å) : Average distance between aliphatic chains linked to condensed aromatic ring compounds

- M : 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(=(Lc/dm) + 1)
-M: Average number of condensed aromatic ring compound layers included in the layered structure (=(L c /d m ) + 1)

<실시예 5~8> 및 <비교예 4~6> 베이직피치 제조단계에서 열중합법을 이용한 등방성 피치의 제조<Examples 5 to 8> and <Comparative Examples 4 to 6> Preparation of isotropic pitch using thermal polymerization in the basic pitch manufacturing step

상기 실시예 1~4 및 비교예 1~3과 동일한 NCBO를 준비하였다. The same NCBO as in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was prepared.

실시예 5~8은 준비된 NCBO를 각각 190, 200, 210, 220℃에서 비교예 4는 120℃, 비교예 5는 250℃에서, 상압 증류로 각각 전처리 단계를 수행하였고 이 후 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다. 비교예 3은 전처리 단계를 수행하지 않고 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다.Examples 5 to 8 were prepared NCBO at 190, 200, 210 and 220°C, respectively, in Comparative Example 4 at 120°C, and in Comparative Example 5 at 250°C, each pre-treatment step was performed by atmospheric distillation, and then the solid material through filtration. Was removed. In Comparative Example 3, a solid material was removed through filtration without performing a pretreatment step.

여과 단계 이 후 중간단계에서 생성된 원료 100 중량부를 금속 재질의 용기에 투입하고 370℃에서 0.5시간 동안 가열하여 베이직 피치를 제조하였다. 베이직 피치 제조 공정이 종료된 후 연화점 및 수율을 측정하였고 표 7는 측정결과를 나타낸다.After the filtration step, 100 parts by weight of the raw material produced in the intermediate step was put into a container made of metal and heated at 370° C. for 0.5 hours to prepare a basic pitch. After the basic pitch manufacturing process was completed, the softening point and the yield were measured, and Table 7 shows the measurement results.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 연화점(℃)Softening point (℃) 수율(중량%)Yield (% by weight) 비교예 4Comparative Example 4 -- 100100 32.032.0 비교예 5 Comparative Example 5 120120 105105 34.234.2 실시예 5Example 5 190190 120120 40.540.5 실시예 6Example 6 200200 140140 43.343.3 실시예 7Example 7 210210 120120 40.440.4 실시예 8Example 8 220220 8585 48.948.9 비교예 6Comparative Example 6 250250 130130 52.352.3

제조된 베이직 피치를 박막 증발장치에 각각 투입한 후, 진공분위기, 340℃에서 30분간 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하였다. 공정이 종료된 후, 등방성 피치의 연화점, 점도 및 평균분자량을 측정하여 하기 표 8에 기재하였다.After each prepared basic pitch was introduced into a thin film evaporator, an isotropic pitch was prepared by heating the basic pitch at 340° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere. After the process was completed, the softening point, viscosity, and average molecular weight of the isotropic pitch were measured and shown in Table 8 below.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 연화점(℃)Softening point (℃) 점도(Pas)Viscosity (Pas) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) 비교예 4Comparative Example 4 -- 260260 375375 13501350 비교예 5Comparative Example 5 120120 263263 384384 13001300 실시예 5Example 5 190190 265265 411411 17501750 실시예 6Example 6 200200 260260 342342 22002200 실시예 7Example 7 210210 265265 353353 23502350 실시예 8Example 8 220220 260260 360360 25002500 비교예 6Comparative Example 6 250250 270270 445445 29502950

제조된 등방성 피치의 구조를 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하였고 XRD 분석 결과 17<2θ<18에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 23<2θ<25에서 축합방향족 고리 화합물의 적층 구조에서 (002)면, 43<2θ<45에서 (10)면 밴드가 나타났다(도 3). 하기 표 9는 구조 분석결과를 나타낸다. The structure of the prepared isotropic pitch was analyzed using an X-ray diffractometer, and as a result of XRD analysis, the gamma band (γ-band) of the aliphatic chain at 17<2θ<18, and the condensed aromatic ring at 23<2θ<25. In the laminated structure of the compound, a (002) plane and a (10) plane band at 43<2θ<45 were shown (Fig. 3). Table 9 below shows the results of structural analysis.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (℃) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) Lc L c La L a dm d m dγ d γ MM 비교예 4Comparative Example 4 -- 13501350 1010 1616 3.6893.689 5.1025.102 3.73.7 비교예 5Comparative Example 5 120120 13001300 1111 1616 3.6213.621 4.9874.987 3.93.9 실시예 5Example 5 190190 17501750 1818 99 3.9653.965 4.9534.953 5.55.5 실시예 6Example 6 200200 22002200 2020 1010 3.6433.643 4.8294.829 6.56.5 실시예 7Example 7 210210 23502350 1919 99 3.6293.629 4.8844.884 6.26.2 실시예 8Example 8 220220 25002500 1919 1212 3.6963.696 4.9064.906 6.16.1 비교예 6Comparative Example 6 250250 29502950 3030 77 3.7163.716 5.1325.132 9.19.1

- La(Å) : 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경-L a (Å) : Average diameter of condensed aromatic ring compound layer

- Lc(Å): 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경-L c (Å): the average diameter of the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer

- dm(Å): 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리-d m (Å): average distance between layers of condensed aromatic cyclic compounds in a layered structure

- dγ(Å): 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리-d γ (Å): average distance between aliphatic chains linked to condensed aromatic ring compounds

- M : 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(=(Lc/dm) + 1)
-M: Average number of condensed aromatic ring compound layers included in the layered structure (=(L c /d m ) + 1)

제조된 Manufactured 등방성Isotropic 피치 물성 및 구조의 해석 Analysis of pitch properties and structure

등방성 피치의 XRD 분석 결과 베이직 피치의 제조단계에서 할로겐화법 및 열중합법을 이용한 제조방법으로 제조된 등방성 피치는 모두 17<2θ<18에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 23<2θ<25에서 축합방향족 고리 화합물의 적층구조에서 (002)면, 43<2θ<45에서 (10)면 밴드가 나타났다.As a result of XRD analysis of the isotropic pitch, the isotropic pitches produced by the production method using the halogenation method and the thermal polymerization method in the production stage of the basic pitch are all gamma bands of the aliphatic chain at 17<2θ<18, 23 In the stacked structure of the condensed aromatic cyclic compound at <2θ<25, a (002) plane and a (10) plane at 43<2θ<45 appeared.

하기 표 10은 상기 모든 실시예 및 비교예에 따라 제조된 등방성 피치의 물성 및 구조의 측정결과를 나타낸 것이다. Table 10 below shows the measurement results of the physical properties and structures of the isotropic pitch prepared according to all the Examples and Comparative Examples.

베이직 피치
제조방법
Basic Peach
Manufacturing method
평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) 연화점(℃)Softening point (℃) Lc L c La L a dm d m dγ d γ MM
할로겐화법Halogenation method 비교예 1Comparative Example 1 12501250 265265 1010 77 3.5343.534 5.0935.093 3.53.5 비교예 2Comparative Example 2 13001300 260260 1010 77 3.6213.621 4.8974.897 3.83.8 실시예 1Example 1 19001900 260260 1616 1010 3.7393.739 5.1215.121 5.35.3 실시예 2Example 2 23002300 265265 1717 99 3.7723.772 5.1605.160 5.55.5 실시예 3Example 3 25502550 270270 1717 1010 3.7563.756 5.1835.183 5.55.5 실시예 4Example 4 28002800 265265 1919 1111 3.5943.594 4.9584.958 6.36.3 비교예 3Comparative Example 3 29002900 275275 2727 1515 3.6423.642 5.1725.172 8.48.4 열중합법Thermal polymerization method 비교예 3Comparative Example 3 13501350 260260 1010 1616 3.6893.689 5.1025.102 3.73.7 비교예 4Comparative Example 4 13001300 263263 1111 1616 3.6213.621 4.9874.987 3.93.9 실시예 5Example 5 17501750 265265 1818 99 3.9653.965 4.9534.953 5.55.5 실시예 6Example 6 22002200 260260 2020 1010 3.6433.643 4.8294.829 6.56.5 실시예 7Example 7 23502350 265265 1919 99 3.6293.629 4.8844.884 6.26.2 실시예 8Example 8 25002500 260260 1919 1212 3.6963.696 4.9064.906 6.16.1 비교예 4Comparative Example 4 29502950 270270 3030 77 3.7163.716 5.1325.132 9.19.1

각 실시예에서 등방성 피치의 구조에서 축합방향족 고리 화합물은 최소 2 내지 최대 7개의 방향족 고리를 포함하였고, 표 10을 보면 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 면간 거리(dm)가 3.594~3.965Å속했고, 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La)은 9~12Å속했고, 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족사슬 간 평균 거리(dγ)는 4.829~5.172Å속했고, 등방성 피치 클러스터(cluster)의 평균 직경(Lc)은 16~20Å에 속했다. 또한, 각 실시예에서 등방성 피치 클러스터에서 적층된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)는 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있고 5.3~6.5에 속했다. 또한, 각 실시예에서 등방성 피치 클러스터에서 적층된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)는 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있고 5.3~6.5에 속했다.
In each example, in the structure of the isotropic pitch, the condensed aromatic ring compound included a minimum of 2 to a maximum of 7 aromatic rings, and looking at Table 10, the average interplanar distance (d m ) of the condensed aromatic ring compound layer was 3.594-3.965 Å, The average diameter (L a ) of the condensed aromatic ring compound layer was 9-12 Å, the average distance between aliphatic chains connected to the condensed aromatic cyclic compound (d γ ) was 4.829-5.172 Å, and the average diameter of the isotropic pitch cluster ( L c ) belonged to 16-20 Å. In addition, the average number (M) of the condensed aromatic cyclic compound layers stacked in the isotropic pitch clusters in each example can be expressed as (L c /d m )+1 and belonged to 5.3 to 6.5. In addition, the average number (M) of the condensed aromatic cyclic compound layers stacked in the isotropic pitch clusters in each example can be expressed as (L c /d m )+1 and belonged to 5.3 to 6.5.

등방성Isotropic 피치를 사용한 Pitch 탄소섬유의Carbon fiber 제조 Produce

등방성 피치를 사용하여 탄소섬유를 제조하였다. 먼저, 등방성 피치를 원통형의 용기에 각각 주입한 후, 질소분위기에서 0.8㎏f/㎝2의 압력을 가하여 용융방사하였다. 이때 권취기의 직경은 150 ㎜였으며, 권취속도는 700rpm이었다. Carbon fibers were prepared using isotropic pitch. First, each isotropic pitch was injected into a cylindrical container, and then melt-spinned by applying a pressure of 0.8 kgf/cm 2 in a nitrogen atmosphere. At this time, the diameter of the take-up machine was 150 mm, and the take-up speed was 700 rpm.

방사된 섬유는 관형 전기로에 각각 장입한 후 공기를 150 ㎖/min의 유량으로 공급하였다. 또한 1 ℃/min의 속도로 승온하여, 290℃에 도달한 후 1시간 동안 유지하여 안정화 시켰다. 안정화단계 후, 질소 150ml/min의 속도로 주입함과 동시에 5℃/min의 속도로 승온하여 800℃에 도달한 후 0.5시간 동안 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. Each of the spun fibers was charged into a tubular electric furnace, and air was supplied at a flow rate of 150 ml/min. In addition, the temperature was raised at a rate of 1°C/min, and after reaching 290°C, it was maintained for 1 hour to stabilize. After the stabilization step, nitrogen was injected at a rate of 150 ml/min and the temperature was raised at a rate of 5° C./min to reach 800° C. and then maintained for 0.5 hours to prepare carbon fibers.

등방성 피치의 방사성 및 제조된 탄소섬유의 물성은 하기 표 11에 나타내었다. The spinning properties of the isotropic pitch and the physical properties of the prepared carbon fibers are shown in Table 11 below.

방사시 단사빈도
(700rpm, 20분)
Single yarn frequency during spinning
(700rpm, 20min)
탄소섬유 직경
(㎛)
Carbon fiber diameter
(㎛)
탄소섬유 인장강도
(GPa)
Carbon fiber tensile strength
(GPa)
탄소섬유 신장률
(%)
Carbon fiber elongation
(%)
비교예 1Comparative Example 1 00 8.718.71 1.31.3 3.23.2 비교예 2Comparative Example 2 00 8.208.20 1.11.1 3.13.1 실시예 1Example 1 00 6.856.85 1.81.8 2.42.4 실시예 2Example 2 00 4.304.30 1.91.9 2.42.4 실시예 3Example 3 00 11.4011.40 1.61.6 2.72.7 실시예 4Example 4 00 8.158.15 1.51.5 2.12.1 비교예 3Comparative Example 3 1010 7.607.60 1.01.0 1.91.9 비교예 4Comparative Example 4 77 7.407.40 0.70.7 2.52.5 비교예 5Comparative Example 5 00 7.807.80 0.90.9 2.52.5 실시예 5Example 5 00 8.108.10 2.02.0 2.32.3 실시예 6Example 6 00 7.307.30 1.71.7 2.32.3 실시예 7Example 7 00 6.806.80 1.61.6 2.92.9 실시예 8Example 8 00 7.107.10 1.51.5 2.12.1 비교예 6Comparative Example 6 00 8.708.70 0.90.9 1.51.5

비교예 및 실시예 모두 용융방사 가능하였고, 표 11을 보면 각 실시예에서 단사가 일어나지 않으면서 인장강도가 최소 1.5GPa 이상, 최대 2.0GPa에 달하는 고강도 탄소섬유가 제조되었고, 신장률도 2.1~2.7%에 속하고, 탄소섬유의 직경은 4.30~11.40㎛에 속했다. 반면, 비교예 1은 1.3GPa의 인장강도 대비 신장률이 3.2%로 지나치게 높아 탄성율이 낮았고, 비교예 2도 1.1GPa의 인장강도 대비 신장률이 지나치게 높아 탄성율이 낮았고, 비교예 3 및 4는 단사빈도가 높았으며, 비교예 4, 5 및 6는 제조된 탄소섬유의 인장강도가 각각 0.7, 0.9, 0.9로 각 실시예에 비해 현저히 인장강도가 떨어졌다. Both Comparative Examples and Examples were melt-spun, and as shown in Table 11, high-strength carbon fibers having a tensile strength of at least 1.5 GPa or more and a maximum of 2.0 GPa were prepared without single yarn in each Example, and elongation was also 2.1 to 2.7%. It belongs to, and the diameter of the carbon fiber belongs to 4.30~11.40㎛. On the other hand, in Comparative Example 1, the elastic modulus was too high as an elongation rate of 3.2% compared to the tensile strength of 1.3 GPa, and Comparative Example 2 also had a low elasticity modulus because the elongation rate was too high compared to the tensile strength of 1.1 GPa. In Comparative Examples 4, 5 and 6, the tensile strength of the prepared carbon fibers was 0.7, 0.9, and 0.9, respectively, and the tensile strength was significantly lower than that of each example.

이는 각 실시예에서 제조된 등방성 피치의 물성 및 구조가 고강도의 등방성 피치계 탄소섬유를 제조하는데 적합한 것을 보여준다.
This shows that the physical properties and structure of the isotropic pitch prepared in each example are suitable for producing high-strength isotropic pitch-based carbon fibers.

Claims (13)

X-선 회절분석(XRD)에서 23<2θ<25에서 (002)면 밴드가 나타나고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 하기 식 (1)~(4)를 만족하는 구조를 포함하는 탄소섬유 제조용 등방성 피치.
5 ≤ La ≤ 15Å --- (1)
10 ≤ Lc ≤ 25Å --- (2)
3.50 ≤ dm ≤ 4.50Å --- (3)
4.00 ≤ M ≤ 8.00Å --- (4)
(상기 식에서 La는 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경을 의미하고, Lc는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경을 의미하고, dm은 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리를 의미하고, M은 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수 (Lc/dm)+1을 의미한다)
In X-ray diffraction analysis (XRD), a (002) band appears at 23<2θ<25, and a carbon fiber having a structure satisfying the following formulas (1) to (4) in which the condensed aromatic ring compound is connected by an aliphatic chain Isotropic pitch for manufacturing.
5 ≤ L a ≤ 15Å --- (1)
10 ≤ L c ≤ 25Å --- (2)
3.50 ≤ d m ≤ 4.50Å --- (3)
4.00 ≤ M ≤ 8.00Å --- (4)
(In the above formula, L a means the average diameter of the condensed aromatic ring compound layer, L c means the average diameter of the layered structure formed by the condensed aromatic ring compound layer, and d m is the average between the layers of the condensed aromatic ring compound in the layered structure. Means the distance, and M means the average number of condensed aromatic cyclic compound layers included in the laminated structure (L c / d m ) + 1)
제 1항에 있어서,
연화점이 260 내지 270℃ 인 탄소섬유 제조용 등방성 피치.
The method of claim 1,
Isotropic pitch for producing carbon fibers with a softening point of 260 to 270°C.
삭제delete 제 1항에 있어서,
4.80 ≤ dγ ≤ 5.20Å인 탄소섬유 제조용 등방성 피치.
(상기 식에서 dγ는 축합방향족 고리에 연결된 지방족사슬간 평균 거리를 의미한다.)
The method of claim 1,
Isotropic pitch for carbon fiber production with 4.80 ≤ d γ ≤ 5.20Å.
(In the above formula, d γ means the average distance between aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring.)
a) 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료를 190 내지 240 ℃로 열처리 및 분획하는 전처리 단계;
b) 전처리된 원료에서 고상 물질을 제거하는 여과단계;
c) 여과된 원료로 베이직 피치를 제조하는 단계; 및
d) 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하는 단계;
를 포함하는 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
a) a pretreatment step of heat-treating and fractionating a raw material including any one or a mixture thereof selected from petroleum heavy oil, high boiling residue oil, aromatic hydrocarbon short substance, and naphtha cracking process residue oil at 190 to 240°C;
b) a filtering step of removing solid substances from the pretreated raw materials;
c) preparing a basic pitch from the filtered raw material; And
d) heating the basic pitch to prepare an isotropic pitch;
Method for producing an isotropic pitch for producing carbon fiber comprising a.
삭제delete 제 5항에 있어서,상기 c) 단계는 원료에 할로겐화합물 및 라디칼개시제를 더 첨가한 후 가열하여 제조하는 할로겐화법 또는 불활성기체 분위기에서 교반 및 가열하여 질소 및 기체부산물을 분취하는 열중합법으로 베이직 피치를 제조하는 것인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.According to claim 5, The step c) is a halogenation method prepared by further adding a halogen compound and a radical initiator to the raw material, followed by heating, or a thermal polymerization method in which nitrogen and gas by-products are fractionated by stirring and heating in an inert gas atmosphere. A method for producing an isotropic pitch for producing carbon fiber to produce a. 제 7항에 있어서,
상기 할로겐화법은 100 내지 120℃에서 0.1 내지 2시간 할로겐화반응을 진행시킨 후, 300 내지 330℃에서 2 내지 4시간 탈할로겐화반응을 진행하는 것인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 7,
The halogenation method is a method of producing an isotropic pitch for producing carbon fiber, which is subjected to a halogenation reaction at 100 to 120°C for 0.1 to 2 hours, and then dehalogenation at 300 to 330°C for 2 to 4 hours.
제 7항에 있어서,
상기 할로겐화합물은 염소, 티오닐클로라이드, 설푸릴클로라이드, 브롬 및 요오드에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 7,
The halogen compound is any one selected from chlorine, thionyl chloride, sulfuryl chloride, bromine and iodine, or a mixture thereof, a method for producing an isotropic pitch for producing carbon fibers.
제 7항에 있어서,
상기 라디칼개시제는 벤조일퍼옥사이드, 디부틸히드로퍼옥사이드, 아세틸퍼옥사이드, 아조비스이소부티로니트릴 및 아조비스메틸이소부틸레이트 에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 7,
The radical initiator is any one selected from benzoyl peroxide, dibutyl hydroperoxide, acetyl peroxide, azobisisobutyronitrile and azobismethylisobutylate, or a mixture thereof.
제 7항에 있어서,
상기 열중합법은 350 내지 380℃에서 0.1 내지 2시간 진행하는 것인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 7,
The thermal polymerization method is a method of producing an isotropic pitch for producing carbon fiber to proceed for 0.1 to 2 hours at 350 to 380 °C.
제 7항에 있어서,
상기 할로겐화법으로 제조된 베이직 피치의 연화점은 70 내지 130℃이고, 상기 열중합법으로 제조된 베이직 피치의 연화점은 85 내지 140℃인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 7,
The softening point of the basic pitch prepared by the halogenation method is 70 to 130°C, and the softening point of the basic pitch prepared by the thermal polymerization method is 85 to 140°C.
제 5항에 있어서,
상기 d) 단계는 진공분위기, 300 내지 350℃에서 0.1 내지 1시간 동안 가열하여 진행하는 것인 탄소섬유 제조용 등방성 피치의 제조방법.
The method of claim 5,
The step d) is a method of producing an isotropic pitch for producing carbon fiber to proceed by heating at 300 to 350° C. for 0.1 to 1 hour in a vacuum atmosphere.
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