KR102512058B1 - Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size - Google Patents

Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size Download PDF

Info

Publication number
KR102512058B1
KR102512058B1 KR1020200129043A KR20200129043A KR102512058B1 KR 102512058 B1 KR102512058 B1 KR 102512058B1 KR 1020200129043 A KR1020200129043 A KR 1020200129043A KR 20200129043 A KR20200129043 A KR 20200129043A KR 102512058 B1 KR102512058 B1 KR 102512058B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porous carbon
strength
macropores
carbon
producing porous
Prior art date
Application number
KR1020200129043A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220045866A (en
Inventor
김세기
류성수
정현덕
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020200129043A priority Critical patent/KR102512058B1/en
Publication of KR20220045866A publication Critical patent/KR20220045866A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102512058B1 publication Critical patent/KR102512058B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0022Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof obtained by a chemical conversion or reaction other than those relating to the setting or hardening of cement-like material or to the formation of a sol or a gel, e.g. by carbonising or pyrolysing preformed cellular materials based on polymers, organo-metallic or organo-silicon precursors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/524Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from polymer precursors, e.g. glass-like carbon material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6267Pyrolysis, carbonisation or auto-combustion reactions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658Atmosphere during thermal treatment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구상 페놀 수지 및 푸르프릴 알코올 및 촉매제를 포함하는 바인더를 이용하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 성형체를 탄화시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing porous carbon having high-strength macropores, and more particularly, to preparing a mixture using a binder including a spherical phenol resin, furpril alcohol, and a catalyst; Preparing a molded body using the mixture; Curing the molded body; and carbonizing the cured molded body.

Description

고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법{Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size}Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size}

본 발명은 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 템플릿(형틀) 또는 발포제를 사용하지 않고, 구상 페놀수지 입자를 골격으로 활용한 단순 분말공정에 의하여 높은 강도와 매크로 기공을 가짐과 동시에 그 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있는 다공성 카본을 제공한다.The present invention relates to a method for producing porous carbon having macro pores of high strength, and more particularly, to a method for producing high strength and high strength porous carbon by a simple powder process using spherical phenolic resin particles as a skeleton without using a template or a foaming agent. Provided is porous carbon having macropores and at the same time having a pore size easily controllable.

카본 폼과 같은 다공성의 카본은 가벼우면서 높은 열 저항성, 화학적 안정성을 가지며 열적, 전기적 특성의 제어가 가능하므로 촉매의 지지체, 필터, 내화재, 전극, 에너지 저장소자 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 다공성 카본의 뛰어난 특성은 미세 기공(직경 < 2nm)에서 거대 기공(직경 > 50nm)에 이르기까지 다양한 기공 크기와 최대 95%의 기공률 특성을 기반으로 한다. 따라서 카폰 폼의 활용에는 간단하고 적절한 원료와 공정을 이용하여 기공 구조를 쉽게 제어 할 수 있는 제조 방법의 개발이 중요하다. Porous carbon such as carbon foam is lightweight, has high heat resistance, chemical stability, and can control thermal and electrical properties, so it is used in various fields such as catalyst supports, filters, refractory materials, electrodes, and energy storage devices. The outstanding properties of porous carbon are based on its characteristic porosity characteristics of up to 95% and a wide range of pore sizes from micropores (diameter < 2 nm) to macropores (diameter > 50 nm). Therefore, it is important to develop a manufacturing method that can easily control the pore structure using simple and appropriate raw materials and processes for the utilization of carpon foam.

카본 폼의 제조에 사용되는 원료는 1964년 Ford에 의해 페놀-알데하이드(phenol-formaldehyde)를 탄화시켜 제조하는 기술이 개발된 이후로 페놀레진(phenolic resin), 폴리우레탄 (polyurethane), 석유 피치(petroleum pitch), 바이오 매스(biomass) 등 다양한 카본 전구체가 연구되었다. 일반적으로 이러한 카본 전구체는 탄화수소와 폴리머 유도체 두 그룹으로 분류할 수 있다. The raw material used in the manufacture of carbon foam has been developed by Ford in 1964 by carbonizing phenol-formaldehyde, followed by phenolic resin, polyurethane, and petroleum pitch. Various carbon precursors such as pitch and biomass have been studied. In general, these carbon precursors can be classified into two groups: hydrocarbons and polymer derivatives.

폴리머는 일반적으로 수소와 카본 외에 염소, 산소 또는 질소와 같은 원소를 포함하기 때문에 방향족 탄화수소보다 잔탄율이 낮다. 그러나 폴리머는 사용 전 전처리가 필요하지 않기 때문에 공정이 쉬운 장점이 있다. Rietz 등이 보고한 다양한 카본 폼 원료의 잔탄율(carbon yield)은, 콜타르 피치(52.5%) 페놀-포름알데히드(52.1%) 액상의 푸르프릴 폴리머(49.1%) 순으로 높았으며, 에폭시수지(10.1%), 우레탄수지(8.2%)는 비교적 잔탄율이 낮았다. 페놀-포름알데히드와 같은 중합체는 잔탄율이 높아 경제적이므로 다공성 카본의 원료로 선호된다.Polymers generally have a lower residual carbon ratio than aromatic hydrocarbons because they contain elements such as chlorine, oxygen, or nitrogen in addition to hydrogen and carbon. However, polymers have the advantage of being easy to process because they do not require pretreatment before use. The carbon yield of various carbon foam raw materials reported by Rietz et al. was high in the order of coal tar pitch (52.5%), phenol-formaldehyde (52.1%), liquid furpril polymer (49.1%), and epoxy resin (10.1%). %), and urethane resin (8.2%) had relatively low residual carbon. Polymers such as phenol-formaldehyde are preferred as raw materials for porous carbon because they are economical due to their high residual carbon ratio.

다공성 카본의 기공 구조를 조정하는 데 가장 중요한 요소는 제조 방법이다. 다공성 카본의 대표적인 제조 방법으로는 열처리를 통한 다공성 폴리머의 탄화, 실리카와 같은 주형을 사용하는 방법 또는 화학 반응을 포함하는 방법 등이 있다. 그러나 폴리머의 일반적인 탄화는 기공 구조의 큰 변형을 초래하고, 템플릿 방법은 템플릿을 제거하기 위한 추가 단계를 필요로 한다. 또한, 화학 반응을 통한 방법은 기공 구조의 제어가 매우 어렵다. The most important factor in adjusting the pore structure of porous carbon is the manufacturing method. Representative methods for producing porous carbon include carbonization of a porous polymer through heat treatment, a method using a mold such as silica, or a method including a chemical reaction. However, normal carbonization of polymers results in large deformation of the pore structure, and the template method requires an additional step to remove the template. In addition, the method through chemical reaction is very difficult to control the pore structure.

상기 발포제를 이용하는 방법은 오토클레이브와 같은 밀폐 용기 내에서 피치 등의 카본 원료의 연화온도 이상으로 가열하면서 수십 기압의 가스를 불어넣어 다공체를 형성하는 방법으로서, 그 적용 대상이 피치와 같은 낮은 연화온도를 가진 카본원에 국한되는 한계가 있다. 또한, 밀폐용기 및 고압 가스 주입 등의 제조공정이 복잡하고 압축강도 등이 필연적으로 약하다는 단점이 있다. 아울러, 폴리우레탄 폼과 같은 템플릿을 이용하는 방법은 개방형 기공구조 제어가 가능하다는 장점은 있으나, 폴리우레탄 폼과 같은 템플릿에 페놀이나 푸르프릴 수지를 함침시켜서 경화, 탄화를 해야하는 등의 복잡한 공정 및 제조 단가가 높아지는 문제가 있다.The method of using the foaming agent is a method of forming a porous body by blowing a gas of several tens of atmospheres while heating the carbon raw material such as pitch to a softening temperature or higher in an airtight container such as an autoclave. There are limitations limited to carbon sources with In addition, there are disadvantages in that manufacturing processes such as airtight containers and high-pressure gas injection are complicated and compressive strength is inevitably weak. In addition, the method using a template such as polyurethane foam has the advantage of being able to control the open pore structure, but complicated processes and manufacturing costs such as impregnating a template such as polyurethane foam with phenol or furpril resin to cure and carbonize There is a problem with increasing

한편, 카본 발포체와 같은 다공성 카본은 스펀지와 같은 기공 구조로 인해 압축강도와 같은 기계적 특성이 열등하여 사용에 제약이 있다. 따라서, 다공성 카본을 섬유 또는 분말로 강화하여 다공성 카본의 기계적 특성을 개선하는 데 대한 광범위한 연구가 수행되었다. Wang 등은 겉보기 밀도 0.71 g / cm3 에서 12.8 MPa의 압축 강도를 가지는 카본 폼을 제조하였으며, Li 등은 mesophase pitch와 mesocarbon 마이크로 비드의 혼합물로 카본 폼을 제조하여 0.78 g / cm3의 겉보기밀도를 가지며 23.7 MPa의 압축 강도를 얻었다고 보고하였다. Mesocarbon 마이크로 비드가 없는 카본 폼의 경우 0.82 g / cm3의 겉보기밀도와 압축강도 11.0 MPa 보고되었으며, 마이크로 비드에 의한 균열 억제 및 변형이 압축 강도를 증가시켰다고 보고하였다.On the other hand, porous carbon such as carbon foam is inferior in mechanical properties such as compressive strength due to its sponge-like pore structure, which limits its use. Therefore, extensive research has been conducted on improving the mechanical properties of porous carbon by reinforcing it with fibers or powder. Wang et al. produced a carbon foam with a compressive strength of 12.8 MPa at an apparent density of 0.71 g/cm 3 , and Li et al. produced a carbon foam with a mixture of mesophase pitch and mesocarbon microbeads to achieve an apparent density of 0.78 g/cm 3 . and reported that a compressive strength of 23.7 MPa was obtained. In the case of carbon foam without mesocarbon microbeads, an apparent density of 0.82 g/cm 3 and a compressive strength of 11.0 MPa were reported, and it was reported that crack suppression and deformation by the microbeads increased the compressive strength.

이와 같이 기공구조의 제어와 강도의 향상을 위한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다.As such, various studies have been conducted to control the pore structure and improve the strength.

[8] X. Wang, J. Zhong, Y. Wang, M. Yu, A study of the properties of carbon foam reinforced by clay, Carbon 44(8) (2006) 1560-1564.[8] X. Wang, J. Zhong, Y. Wang, M. Yu, A study of the properties of carbon foam reinforced by clay, Carbon 44(8) (2006) 1560-1564. [14] C.H. Riesz, S. Susman, Synthetic binders for carbon and graphite, Carbon, Pergamon,1960, pp. 609-623.[14] C.H. Riesz, S. Susman, Synthetic binders for carbon and graphite, Carbon, Pergamon, 1960, pp. 609-623. [23] S. Li, Y. Song, Y. Song, J. Shi, L. Liu, X. Wei et al., Carbon foams with high compressive strength derived from mixtures of mesocarbon microbeads and mesophase pitch, Carbon 45(10) (2007) 2092-2097.[23] S. Li, Y. Song, Y. Song, J. Shi, L. Liu, X. Wei et al., Carbon foams with high compressive strength derived from mixtures of mesocarbon microbeads and mesophase pitch, Carbon 45(10 ) (2007) 2092-2097. [24] X. Wang, R. Luo, Y. Ni, R. Zhang, S. Wang, Properties of chopped carbon fiber reinforced carbon foam composites, Mater. Lett. 63(1) (2009) 25-27.[24] X. Wang, R. Luo, Y. Ni, R. Zhang, S. Wang, Properties of chopped carbon fiber reinforced carbon foam composites, Mater. Lett. 63(1) (2009) 25-27. [35] S. Zhang, M. Liu, L. Gan, F. Wu, Z. Xu, Z. Hao et al., Synthesis of carbon foams with a high compressive strength from arylacetylene, New Carbon Mater. 25(1) (2010) 9-14.[35] S. Zhang, M. Liu, L. Gan, F. Wu, Z. Xu, Z. Hao et al., Synthesis of carbon foams with a high compressive strength from arylacetylene, New Carbon Mater. 25(1) (2010) 9-14. [36] D. Baran, M.F. Yardim, H. Atakul, E. Ekinci, Synthesis of carbon foam with high compressive strength from an asphaltene pitch, Carbon 60 (2013) 564.[36] D. Baran, M.F. Yardim, H. Atakul, E. Ekinci, Synthesis of carbon foam with high compressive strength from an asphaltene pitch, Carbon 60 (2013) 564. [37] H. Liu, T. Li, X. Wang, W. Zhang, T. Zhao, Preparation and characterization of carbon foams with high mechanical strength using modified coal tar pitches, J. Anal. Appl. Pyrolysis 110 (2014) 442-447.[37] H. Liu, T. Li, X. Wang, W. Zhang, T. Zhao, Preparation and characterization of carbon foams with high mechanical strength using modified coal tar pitches, J. Anal. Appl. Pyrolysis 110 (2014) 442-447. [38] C. Banerjee, V.K. Chandaliya, P.S. Dash, B.C. Meikap, Effect of different parameters on porosity and compressive strength of coal tar pitch derived carbon foam, Diam. Relat. Mater. 95 (2019) 83-90.[38] C. Banerjee, V.K. Chandaliya, P.S. Dash, B.C. Meikap, Effect of different parameters on porosity and compressive strength of coal tar pitch derived carbon foam, Diam. Relat. Mater. 95 (2019) 83-90.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다공성 카본체를 기존의 발포제 또는 탬플릿 없이 다양한 크기의 구상 페놀수지 입자를 이용하여 혼합-성형-경화-탄화의 단순 분말공정에 의해 기공 크기 제어가 용이하며, 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to mix-mould-harden-carbonize a porous carbon body using spherical phenolic resin particles of various sizes without a conventional foaming agent or template. It is an object of the present invention to provide a method for producing porous carbon having macro pores and easily controlling the pore size by a simple powder process.

본 발명의 다른 목적은 다공성 카본체를 발포제 또는 템플릿 없이 제조하면서도 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing porous carbon having high-strength macropores while manufacturing the porous carbon body without a foaming agent or template.

본 발명의 또 다른 목적은 다공성 카본체를 기존의 발포제 또는 템플릿 없이 다양한 크기의 구상 페놀수지 입자를 골격으로 활용하여 연속적으로 연결된 개방형 기공 구조(open cell structure)를 갖도록 하는 다공성 카본의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing porous carbon having a continuously connected open cell structure by using spherical phenolic resin particles of various sizes as a skeleton without a conventional foaming agent or template. is to do

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 구상 페놀 수지 및 푸르프릴 알코올 및 촉매제를 포함하는 바인더를 이용하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 성형체를 탄화시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a mixture using a binder containing a spherical phenolic resin and furpril alcohol and a catalyst; Preparing a molded body using the mixture; Curing the molded body; and carbonizing the cured molded body.

상기 촉매제는 옥살산인 것이 바람직하다.Preferably, the catalyst is oxalic acid.

상기 옥살산은 상기 바인더 전체 중량 대비 적어도 10중량부 포함되는 것이 바람직하다. 상기 옥살산의 첨가량이 10중량부 보다 적어지면, 푸르프릴 알코올의 경화 속도가 현저히 저하되어 경화시간이 지나치게 길어지는 문제가 있다.The oxalic acid is preferably included in at least 10 parts by weight based on the total weight of the binder. When the amount of the oxalic acid added is less than 10 parts by weight, the curing rate of furfryl alcohol is significantly reduced, resulting in excessively long curing time.

상기 바인더는 상기 구상 페놀 수지와 바인더의 합산 중량 대비 5 ~ 25중량부 포함되는 것이 바람직하다. 상기 바인더의 첨가량이 5중량부 보다 적어지면, 구상 페놀수지 입자 간의 결합력이 저하되어 성형 후 성형체의 형상 유지가 곤란해 지고, 25중량부 보다 많아지면, 과량의 액상 바인더가 성형 시에 성형체 외부로 흘러나와서 성형이 곤란해지는 문제가 야기된다.The binder is preferably included in an amount of 5 to 25 parts by weight based on the total weight of the spherical phenolic resin and the binder. If the amount of the binder added is less than 5 parts by weight, the bonding force between the spherical phenolic resin particles is lowered, making it difficult to maintain the shape of the molded body after molding, and if it is more than 25 parts by weight, an excessive amount of the liquid binder is released to the outside of the molded body during molding. It flows out, causing a problem that molding becomes difficult.

상기 경화는 대기 분위기에서 수행되며, 70 ~ 80℃의 온도에서 적어도 5시간, 170 ~ 190℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 각각 진행되는 것이 바람직하다.The curing is carried out in an air atmosphere, and preferably at least 5 hours at a temperature of 70 ~ 80 ℃, at least 5 hours at a temperature of 170 ~ 190 ℃, respectively.

상기 1차 경화온도가 80℃ 이상이면 푸르프릴 알코올의 경화로 인하여 생성되는 물 성분의 급격한 기화로 인하여 성형체가 부풀어오르거나 균열이 발생하는 문제가 야기된다. 즉, 경화가 구분된 2단계로 수행되는 것은 곧바로 170 ~ 190℃까지 승온하는 것이 위와 같은 성형체의 결함문제를 야기시키기 때문이다.If the primary curing temperature is 80° C. or higher, rapid evaporation of the water component produced by curing furfryl alcohol causes swelling or cracking of the molded body. That is, the curing is performed in two separate steps because immediately raising the temperature to 170 ~ 190 ° C causes the defect problem of the molded body as described above.

상기 경화된 성형체를 탄화시키는 단계;는 질소 분위기에서 수행되며, 적어도 1000℃에서 유지하여 탄화시키는 것이 바람직하다. 상기 1000℃ 미만에서 탄화가 수행되면 수소(H)나 산소(O)와 같은 미 분해 성분이 잔류하는 문제가 있다.The step of carbonizing the cured molded body; is carried out in a nitrogen atmosphere, and is preferably carbonized by maintaining at least 1000 °C. When carbonization is performed at less than 1000° C., there is a problem in that undecomposed components such as hydrogen (H) or oxygen (O) remain.

상기 탄화시키는 단계는 1000℃까지 분당 1℃ 이하로 승온하며, 적어도 1시간 동안 유지되는 것이 바람직하다.상기 승온속도가 분당 1℃ 이상이면, 페놀수지의 급격한 열분해로 인한 과다한 가스 방출로 인하여 경화체에 균열이 발생할 수 있는 문제가 야기된다.In the carbonization step, the temperature is raised to 1000 °C at 1 °C per minute or less, and preferably maintained for at least 1 hour. The problem of cracking is caused.

상기 다공성 카본의 기공 구조는 상기 구상 페놀 수지의 미세 구상 분말의 크기를 조절하여 이루어지며, 미세 구상 분말의 크기가 작을수록 수축률 및 기공율이 낮아지고, 밀도 및 압축강도가 높아진다.The pore structure of the porous carbon is formed by adjusting the size of the fine spherical powder of the spherical phenolic resin, and the smaller the size of the fine spherical powder, the lower the shrinkage rate and porosity, and the higher the density and compressive strength.

또한, 본 발명은 전술한 제조방법에 의하여 제조되며, 다양한 크기의 구상 페놀 수지 입자로 구성된 골격 사이에 네크(neck)가 형성된 개방형 기공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본을 제공한다.In addition, the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method, porous carbon having high strength macropores characterized in that it has an open pore structure in which a neck is formed between the backbones composed of spherical phenolic resin particles of various sizes. to provide.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 다양한 크기의 구상 페놀수지 입자를 이용하여 혼합-성형-경화-탄화의 단순 분말공정에 의해 기공 크기 제어가 쉬우며 높은 강도를 얻을 수 있는 효과가 기대된다.According to the present invention as described above, the effect of easily controlling the pore size and obtaining high strength is expected by a simple powder process of mixing-molding-curing-carbonization using spherical phenolic resin particles of various sizes.

또한, 본 발명은 다공성 카본체를 발포제 또는 템플릿 없이 제조할 수 있도록 하는 효과가 기대된다. In addition, the present invention is expected to produce a porous carbon body without a foaming agent or a template.

또한, 본 발명은 기존의 발포제 또는 템플릿 없이 서로 다른 크기의 구상 페놀수지 입자를 골격으로 활용하여 연속적으로 연결된 개방형 기공 구조(open cell structure)를 가지는 다공성 카본을 제조할 수 있도록 하는 효과가 기대된다. In addition, the present invention is expected to produce porous carbon having a continuously connected open cell structure by using spherical phenolic resin particles of different sizes as a skeleton without a conventional foaming agent or template.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 골격입자의 평균 입경이 8㎛(P8), 25㎛(P25), 100㎛(P100)인 다공성 카본의전자현미경과 광학현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에서 사용된 골격입자의 평균 입경이 8㎛(P8), 25㎛(P25), 100㎛(P100)인 다공성 카본의 탄화 전 경화체 수지 상태와 1000℃에서 1시간 동안 질소분위기로 탄화시킨 후의 입도분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 제조예에 따라 서로 다른 크기의 골격 입자를 이용하여 제조한 다공성 카본의 경화체와(각 사진의 왼쪽, P8H, P25H, P100H으로 표기), 탄화체(각 사진의 오른쪽, 각각 P8C, P25C, P100C으로 표기)의 시편을 반쪽 씩을 모아 나타낸 비교 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 다공성 카본의 기공 구조 분석을 위하여 P8H, P25H, P100H와 P8C, P25C, P100C 시편에 폴리머를 함침시켜서 연마한 뒤 단면을 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 8㎛(P8), 25㎛(P25), 100㎛(P100)인 골격 입자를 이용하여 제조한 경화체와 탄화체의 기공 분포를 MIP를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 카본을 압축 시험하여 얻은 응력-변형 관계와 압축 시험 후 파 단면의 SEM 현미경 사진이다.
도 8은 Gibson-Ashby 모델 (실선)의 로그-로그 플롯과, 본 발명과 종래기술을 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a method for producing porous carbon having macro pores of high strength according to an embodiment of the present invention.
2 is an electron microscope and an optical microscope photograph of porous carbon having an average particle diameter of 8 μm (P8), 25 μm (P25), and 100 μm (P100) of the skeleton particles used in the present invention.
3 is a graph showing the cured resin state of porous carbon having an average particle diameter of 8 μm (P8), 25 μm (P25), and 100 μm (P100) of the skeleton particles used in the present invention and nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour. The graph shows the result of particle size analysis after carbonization.
Figure 4 is a cured body of porous carbon prepared using skeletal particles of different sizes according to a preparation example of the present invention (left of each photo, indicated as P8H, P25H, P100H), carbonized body (right of each photo, This is a comparison picture showing each half of the specimens (marked P8C, P25C, and P100C, respectively).
5 is a photograph showing a cross section observed with an optical microscope after impregnating and polishing P8H, P25H, P100H and P8C, P25C, and P100C specimens with a polymer for analyzing the pore structure of porous carbon prepared according to an embodiment of the present invention. am.
6 is a measurement of the pore distribution of a hardened body and a carbonized body prepared using skeletal particles of 8 μm (P8), 25 μm (P25), and 100 μm (P100) according to an embodiment of the present invention using MIP This is the graph showing the result.
7 is a stress-strain relationship obtained by performing a compression test on porous carbon according to an embodiment of the present invention and a SEM micrograph of a fracture surface after a compression test.
8 is a graph showing a log-log plot of the Gibson-Ashby model (solid line) and a comparison between the present invention and the prior art.

이하에서는 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부되는 도면을 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on preferred embodiments and accompanying drawings.

본 발명에서 정의하는 마이크로 기공(micropore)은 국제 순수·응용화학연합(IUPAC)의 정의에 따라, 직경 2 nm 이하 크기의 기공, 메조 기공(mesoopore)은 직경 2~50 nm 크기의 기공, 매크로 기공(macropore)은 직경 50 nm 이상 크기의 기공을 각각 의미한다.According to the definition of the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), micropores defined in the present invention are pores with a diameter of 2 nm or less, mesopores are pores with a diameter of 2 to 50 nm, and macropores. (macropore) means a pore having a diameter of 50 nm or more.

본 발명에서 구상 페놀 수지의 개별 입자들은 "미세 구상 분말"로 표현될 수 있다.In the present invention, individual particles of spherical phenolic resin may be expressed as "fine spherical powder".

본 발명에서는 8(P8로 칭함), 25(P25로 칭함) 및 100(P100으로 칭함) ㎛의 구상 페놀 수지와 푸릴 알코올을 바인더를 이용하였고 친환경 유기산인 옥살산을 촉매제로 첨가하여 경화시켰다. 제조된 다공성 카본의 밀도, 카본 수율, 수축, 다공성, 기공 크기 분포 및 기계적 강도를 측정하였고, 기공 구조의 제어 가능성 및 저비용의 양산 가능성을 평가하였다.In the present invention, 8 (referred to as P8), 25 (referred to as P25) and 100 (referred to as P100) spherical phenolic resins and furyl alcohol were used as binders, and oxalic acid, an environmentally friendly organic acid, was added as a catalyst to cure. The density, carbon yield, shrinkage, porosity, pore size distribution, and mechanical strength of the prepared porous carbon were measured, and the controllability of the pore structure and the possibility of low-cost mass production were evaluated.

<원료><Ingredients>

다공성 카본 폼의 골격으로서 완전 경화된 상태의 구상 페놀 수지(HF type, Gun Ei Chem., Japan) 분말을 사용하였다. 기공 크기의 제어를 위해 8, 25, 100㎛의 서로 다른 직경의 골격 입자(각각 P8, P25, P100으로 표기)를 사용하였다. 바인더로서 잔탄율이 높은 순도 98%의 푸르프릴 알코올(C5H6O2, 대정화금)을 이용하였고, 푸르프릴 알코올의 경화를 위한 촉매제로 순도 98.5%의 옥살산 (C2H2O4, 대정화금)을 이용하였다. Spherical phenolic resin (HF type, Gun Ei Chem., Japan) powder in a fully cured state was used as the backbone of the porous carbon foam. To control the pore size, different diameters of 8, 25, and 100 μm backbone particles (labeled P8, P25, and P100, respectively) were used. As a binder, 98% pure furpril alcohol (C 5 H 6 O 2 , Daejeong Chemical) with a high residual carbon content was used, and 98.5% pure oxalic acid (C 2 H 2 O 4 , Daejeong Chemical Gold) was used.

<제조과정><Manufacturing process>

제1단계 : 옥살산을 액상의 푸르프릴 알코올에 대해 10 wt%가 되도록 첨가하여 완전히 용해시켜 바인더를 준비하였다. Step 1: A binder was prepared by completely dissolving oxalic acid in an amount of 10 wt% with respect to liquid furpril alcohol.

제2단계 : 구상 페놀 수지 분말에 준비된 바인더를 25 wt% 첨가하여 혼합하였고 5 MPa의 압력으로 일축 가압하여 직경 36 mm의 성형체를 제조하였다. Step 2: 25 wt% of the prepared binder was added to the spherical phenolic resin powder, mixed, and uniaxially pressed at a pressure of 5 MPa to prepare a molded body having a diameter of 36 mm.

제3단계 : 성형체는 오븐을 이용하여 대기분위기에서 폭열 방지를 위하여 80℃에서 5시간, 170℃에서 5시간 2회에 걸쳐 경화시켰다. Step 3: The molded body was cured twice at 80 ° C for 5 hours and at 170 ° C for 5 hours to prevent explosion in an atmospheric atmosphere using an oven.

제4단계 : 경화 후 질소분위기 (0.8 L/min) 에서 분당 1℃로 1000℃까지 승온한 후 1시간 동안 유지하여 완전히 탄화시켜 다공성 카본체를 제조하였다. Step 4: After curing, the temperature was raised to 1000 °C at 1 °C per minute in a nitrogen atmosphere (0.8 L/min), maintained for 1 hour, and completely carbonized to prepare a porous carbon body.

이와 같은 제조과정에 대한 모식도를 도 1에 나타내었다.A schematic diagram of such a manufacturing process is shown in FIG.

<평가><evaluation>

골격 입자의 크기와 형태를 주사전자현미경(SEM, JSM-6390, JEOL, Japan)과 광학현미경(Axiolab 5, Karl Zeiss, Germany), 입도분석기(LA-950V2, HORIBA, Japan)를 이용하여 분석하였다. 제조된 카본 폼의 미세 구상 분말조 관찰을 위해 카본 폼을 폴리머 레진에 함침시킨 뒤 연마하여 광학현미경으로 관찰하였고, 특히, 파단면을 SEM으로 관찰하였다. 카본 폼의 기공률과 밀도는 아르키메데스 원리를 이용하여, 기공 크기 분포는 수은함침법(MIP, AutoPore IV, Micromeritics, USA)을 이용하여 각각 측정하였다. 압축강도 측정을 위해 표준 시험기(Inspekt table 250kN, Hewlett Packard, Germany)를 이용하여 0.5mm/min으로 총 3회 측정하여 평균값을 취했다.The size and shape of the skeletal particles were analyzed using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6390, JEOL, Japan), an optical microscope (Axiolab 5, Karl Zeiss, Germany), and a particle size analyzer (LA-950V2, HORIBA, Japan). . To observe the fine spherical powder structure of the prepared carbon foam, the carbon foam was impregnated with a polymer resin, polished, and observed with an optical microscope. In particular, the fracture surface was observed with an SEM. The porosity and density of the carbon foam were measured using the Archimedes principle, and the pore size distribution was measured using a mercury impregnation method (MIP, AutoPore IV, Micromeritics, USA), respectively. To measure the compressive strength, a total of three measurements were taken at 0.5 mm/min using a standard tester (Inspekt table 250 kN, Hewlett Packard, Germany) and the average value was taken.

본 발명에 사용된 P8, P25, P100 골격 입자를 전자현미경과 광학현미경을 이용해 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2a~2c의 전자현미경 사진으로부터 각 입자들은 거의 완벽한 구 형태 분말로, 제조사에서 제시한 입자 크기와 유사한 직경을 나타냄을 알 수 있다. 도 2d~2f의 광학현미경 사진도 전자현미경 사진과 같은 크기와 형태를 보였지만, 입자크기가 큰 P100 분말과 P25 분말 일부에서 제조공정에서 발생한 것으로 추정되는 다수의 내부 기공이 관찰되었다. 분말의 내부 기공과 관련하여, 피크노메터를 이용한 밀도 측정 결과, P8, P25, P100에 대해 1.287, 1.264, 1.257 g/cm3의 밀도값을 나타내었으며, 골격 입자 내부에 결함(기공)을 많이 함유한 크기가 큰 입자일수록 낮은 값을 보였다. The results of observing the P8, P25, and P100 skeletal particles used in the present invention using an electron microscope and an optical microscope are shown in FIG. 2. From the electron micrographs of FIGS. 2a to 2c, it can be seen that each particle is a nearly perfect spherical powder and has a diameter similar to the particle size suggested by the manufacturer. The optical micrographs of FIGS. 2d to 2f also showed the same size and shape as the electron micrographs, but a large number of internal pores presumed to have occurred in the manufacturing process were observed in some of the P100 powder and P25 powder having large particle sizes. Regarding the internal pores of the powder, as a result of density measurement using a pycnometer, density values of 1.287, 1.264, and 1.257 g/cm 3 were shown for P8, P25, and P100, and there were many defects (pores) inside the skeletal particles. The larger the particle size contained, the lower the value.

도 3은 골격 입자로 사용한 P8, P25, P100의 탄화 전 수지 상태와 1000℃에서 1시간 동안 질소분위기로 탄화시킨 후의 입도분석 결과를 나타낸 것이다. 세 개의 골격 입자 모두 정규분포를 나타내고 수지 상태의 경우 평균(mean) 입경은 각각 10.9, 24.7, 107.8 ㎛로 제조사가 제시한 입자 크기와는 작은 오차를 보였다. 탄화 후의 평균 입경은 8.6, 23.6, 106.0 ㎛로 탄화과정에서 크기가 조금 감소하였다. 입자의 크기가 감소한 이유로는 페놀 수지의 열분해와 유통시킨 질소나 시료에 흡착된 산소에 의한 산화 반응에 의한 것으로 볼 수 있다. 작은 입자의 크기가 더 크게 감소한 이유는, 체적에 비해 표면적이 크기 때문에 이러한 분해와 산화 반응이 더 활발했던 것으로 추측된다. Figure 3 shows the results of particle size analysis of P8, P25, and P100 used as skeleton particles in the resin state before carbonization and after carbonization in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour. All three skeleton particles showed a normal distribution, and mean particle diameters in the resin state were 10.9, 24.7, and 107.8 μm, respectively, showing small errors from the particle sizes suggested by the manufacturer. The average particle diameters after carbonization were 8.6, 23.6, and 106.0 ㎛, which decreased slightly during the carbonization process. The reason for the decrease in particle size can be attributed to the thermal decomposition of the phenolic resin and the oxidation reaction by the oxygen adsorbed to the sample or the nitrogen circulated. The reason for the larger decrease in the size of the small particles is that these decomposition and oxidation reactions were more active because the surface area was larger than the volume.

도 4는 서로 다른 크기의 골격 입자를 이용하여 본 실험의 실험방법에 따라 제조한 카본 폼의 1차 경화 후(각 사진의 왼쪽, P8H, P25H, P100H으로 표기)와 탄화 후(각 사진의 오른쪽, 각각 P8C, P25C, P100C으로 표기)의 시편을 반쪽 씩을 모아 나타낸 비교 사진이다. 도시된 바와 같이 탄화 후 완전히 카본만 남게 되어 검정색으로 변색된 것을 확인 할 수 있다. 성형 후 경화와 탄화 과정에서 수축에 의한 치수 변화가 있었지만, 구부러짐이나 균열 발생 등 형태의 변형은 거의 없는 것을 확인할 수 있는데, 이는 실제 제품 생산에 있어 후 가공에 의한 재료와 비용의 손실을 줄일 수 있는 큰 장점으로 볼 수 있다.4 shows carbon foam prepared according to the experimental method of this experiment using skeletal particles of different sizes after primary curing (left side of each photo, indicated as P8H, P25H, P100H) and after carbonization (right side of each photo). , Marked as P8C, P25C, and P100C, respectively) are comparative photographs of halves collected. As shown, it can be confirmed that only carbon remains completely after carbonization, and the color is changed to black. Although there was a dimensional change due to shrinkage during curing and carbonization after molding, it can be confirmed that there is almost no deformation such as bending or cracking. This can be seen as a huge advantage.

표 1에는 경화체(P8H, P25H, P100H)와 비교하여 탄화체(P8C, P25C, P100C)의 잔탄율, 수축률, 진밀도, 겉보기밀도 및 기공률을 나타냈다. 페놀 수지의 잔탄율은 약 52%, 액상 푸르프릴 알코올 폴리머의 잔탄율은 약 49%로 보고되었다. 본 발명의 사전실험에서 구상 페놀 수지만 탄화시켜 본 결과 잔탄율이 약 51%인 반면, 실체 다공성 카본을 제조한 경우 잔탄율은 약 44%로 낮게 나타났다. 이는 끓는점이 약 170℃인 푸르프릴 알코올이 경화과정에서 중합되기 전에 증발하여 손실되기 때문으로 추측된다. Table 1 shows the residual carbon ratio, shrinkage, true density, apparent density and porosity of the carbonized material (P8C, P25C, P100C) compared to the cured material (P8H, P25H, P100H). It was reported that the residual carbon ratio of the phenolic resin was about 52% and that of the liquid furpril alcohol polymer was about 49%. In the preliminary experiment of the present invention, only the spherical phenol resin was carbonized, and as a result, the residual carbon ratio was about 51%, whereas when the substantially porous carbon was produced, the residual carbon ratio was as low as about 44%. This is presumably because furryl alcohol, which has a boiling point of about 170° C., evaporates and is lost before polymerization during the curing process.

수축율은 골격 입자 크기가 작을수록 컸는데, 도 3에서 보인 것과 같이 구상페놀 골격 입자는 탄화과정에서 입자 크기가 작을수록 수축이 컸고, 경화 및 탄화과정에서 바인더의 수축이 일어나는 입계가 작은 골격 입자를 사용한 경우 더 많았기 때문으로 보인다. As shown in FIG. 3, the shrinkage rate of the spherical phenol skeleton particles increased as the particle size decreased during the carbonization process. It seems to be because it was used more often.

아르키메데스 원리로 측정한 다공성 카본의 진밀도는 세가지 시편 모두 약 1.48 g/cm3으로 전형적인 비정질 카본과 유사한 값을 나타냈다. 골격 입자의 크기가 큰 다공성 카본의 진밀도가 약간 낮은 이유는, 도 2에서 보인 것과 같이 골격 입자의 광학현미경 사진에서 관찰된 것과 같이 입자 내부의 결함이 폐기공으로 남아있기 때문으로 추측된다. P8C, P25C, P100C에 대해 아르키메데스 원리로 측정한 카본폼의 겉보기 밀도는 1.01, 1.00, 0.94로 입자 크기가 클수록 작았고, 기공률은 31.9, 32.6, 35.8로 골격 입자크기가 작을수록 컸다. 충진밀도는 구성 입자 크기와는 무관하고 입도 분포와 관련 있는데, 본 발명에서는 유사한 입도 분포를 가지는 골격 입자를 사용하였으므로 겉보기 밀도와 기공률의 차이는 탄화과정에서 입자크기가 작을수록 수축률이 컸던 결과에 기인한 것으로 추측할 수 있다. The true density of the porous carbon measured by the Archimedes principle was about 1.48 g/cm 3 for all three specimens, similar to that of typical amorphous carbon. The reason why the real density of porous carbon having large skeleton particles is slightly low is presumed to be that defects inside the particles remain as closed pores, as observed in the optical micrograph of the skeleton particles as shown in FIG. 2 . For P8C, P25C, and P100C, the apparent density of the carbon foam measured by the Archimedes principle was 1.01, 1.00, and 0.94, which decreased as the particle size increased, and the porosity was 31.9, 32.6, and 35.8, which increased as the particle size of the skeleton decreased. Packing density has nothing to do with the size of the constituent particles and is related to the particle size distribution. In the present invention, since skeleton particles having a similar particle size distribution were used, the difference in apparent density and porosity is due to the fact that the smaller the particle size in the carbonization process, the greater the shrinkage rate. It can be inferred that

카본폼 P8C, P25C, P100C의 특성Characteristics of carbon foam P8C, P25C, P100C Sample nameSample name Carbon Yield (%)Carbon Yield (%) Shrinkage rate (%)Shrinkage rate (%) True density (g/cm3)True density (g/cm 3 ) Bulk density (g/cm3)Bulk density (g/cm 3 ) Porosity (%)Porosity (%) P8CP8C 42.342.3 25.225.2 1.491.49 1.011.01 31.931.9 P25CP25C 44.344.3 22.022.0 1.481.48 1.001.00 32.632.6 P100CP100C 44.844.8 18.518.5 1.461.46 0.940.94 35.835.8

기공 구조 분석을 위하여 P8H, P25H, P100H와 P8C, P25C, P100C 시편에 폴리머를 함침시켜서 연마한 뒤 단면을 광학현미경으로 관찰하여 도 5에 나타내었다. 성형체와 탄화체 시편 모두 다공성 구조를 나타내고 있으며 기공의 크기가 골격으로 사용한 구상 페놀수지 골격 입자 크기와 비례하는 것을 확인할 수 있다. 구상 페놀 수지에 압력을 가해 다공체를 제조하였음에도 입자간 간격이 존재하였고 전체적으로 개기공을 형성하였다. 이는 푸르프릴 알코올의 축합 중합 과정에서 방출된 물이 기화되어 경화 과정에서 압착체의 구조를 느슨하게 만들었기 때문으로 사료된다.For the analysis of the pore structure, P8H, P25H, P100H, P8C, P25C, and P100C specimens were impregnated with a polymer and polished, and the cross section was observed with an optical microscope and is shown in FIG. 5. Both the molded body and the carbonized body specimen exhibited a porous structure, and it could be confirmed that the size of the pores was proportional to the size of the spherical phenolic resin skeleton particle size used as the skeleton. Even though the porous body was prepared by applying pressure to the spherical phenolic resin, there were gaps between particles and open pores were formed as a whole. It is believed that this is because the water released during the condensation polymerization of furpril alcohol was vaporized and loosened the structure of the compacted body during the curing process.

도 6은 P8, P25, P100 골격 입자를 이용하여 제조한 경화체와 성형체의 기공 분포를 MIP를 이용하여 측정한 결과이다. 먼저 도 6a의 경화 상태의 폼은 세 시편 모두 기공의 분포가 비교적 균일하였으며, 사용한 골격 입자인 P8, P25, P100에 대해 평균 기공의 크기가 1.89, 7.01, 38.99 ㎛로 사용한 입자 크기에 비례하여 증가하였다. 이는 구상의 입자를 사용하여 입자 사이의 틈새를 기공으로 활용하였기에 그 기공의 크기도 골격 입자 크기에 비례하는 것으로 볼 수 있다. P8, P25, P100의 구형의 입자가 이루는 공극 크기는 배위수가 6일 경우 이론적으로 1.7, 5.2 및 20.7㎛로 계산할 수 있다. 측정된 값과 계산 된 값의 차이는 80℃에서 경화시 푸르 푸릴 알코올을 중합하는 동안 방출된 물의 기화 결과로 인해 느슨해진 구조 때문으로 추측된다. 6 is a result of measuring the pore distribution of a cured product and a molded product prepared using P8, P25, and P100 skeletal particles using MIP. First, in the cured foam of FIG. 6a, the distribution of pores was relatively uniform in all three specimens, and the average pore size for the used skeleton particles P8, P25, and P100 was 1.89, 7.01, and 38.99 ㎛, which increased in proportion to the particle size used. did Since spherical particles were used and gaps between particles were used as pores, the size of the pores can be seen as proportional to the size of the skeleton particles. The pore size formed by the spherical particles of P8, P25, and P100 can be theoretically calculated to be 1.7, 5.2, and 20.7 μm when the coordination number is 6. The difference between the measured and calculated values is presumed to be due to the loosened structure as a result of evaporation of water released during polymerization of furfuryl alcohol upon curing at 80 °C.

탄화 과정에서 샘플의 수축으로 인해 도 6 (b)에서 볼 수 있듯이 P8C, P25C 및 P100C의 기공 크기는 탄화 후 감소하였다. 또한 탄화 후 P100C에서 크기가 100㎛ 보다 큰 기공의 형성이 관찰되었는데, 탄화 중 조대한 입자 사이에 형성된 푸르프릴 알코올 클러스터가 제거되면서 형성된 것으로 추측된다.Due to shrinkage of the samples during carbonization, the pore sizes of P8C, P25C and P100C decreased after carbonization, as shown in Fig. 6(b). In addition, the formation of pores with a size larger than 100 μm was observed in P100C after carbonization, which is presumed to be formed by removing furpril alcohol clusters formed between coarse particles during carbonization.

도 7은 다공성 카본을 압축 시험하여 얻은 응력-변형 관계와 압축 시험 후 파단면의 SEM 현미경 사진이다. 도 7 (a)에서 볼 수 있듯이 미세 입자로 구성된 P8C와 P25C는 임계 하중에서 취성으로 부서지는 반면, P100C는 훨씬 낮은 하중에서 톱니 곡선 형태로 소성 거동을 보인 후 부서졌다. 큰 입자를 가진 시편은 입자 간 기공의 크기도 더 크고, 이는 파괴가 발생하는 결함으로 작용하기 때문에 입자 크기가 커짐에 따라 파괴 강도가 감소한다. 반면 P100C가 나타내는 소성 거동은 파 단면의 구조를 분석하여 이해할 수 있다(도 7 (b)와 (c)). P8C의 경우 대부분 입계에서 파괴가 발생하여 시편의 균열이 발생하였다(도 7 (b)). 그러나 P100C는 입자가 파괴되어 균열이 전파되는 입내파괴 양상을 보였다(도 7 (c)). 도 7 (c)에 표시된 P100C 파단면의 확대 현미경 사진에서 입자의 접촉 영역에서 균열이 전파되었음을 나타내는 희미한 곡선인 Wallner 선 (흰색 화살표)을 명확하게 볼 수 있다. 선을 역 추적하면 입자 접촉부에서 몇 개의 hackle line (검은색 화살표)이 나오는 파단 원점을 명확하게 관찰 할 수 있다.7 is a SEM micrograph of a stress-strain relationship obtained by performing a compression test on porous carbon and a fracture surface after the compression test. As shown in Fig. 7(a), P8C and P25C composed of fine particles brittle at a critical load, whereas P100C showed a sawtooth curve plastic behavior at a much lower load and then fractured. Specimens with large grains also have larger pores between grains, which acts as a defect where fracture occurs, so the fracture strength decreases as the grain size increases. On the other hand, the plastic behavior of P100C can be understood by analyzing the structure of the fracture surface (Fig. 7 (b) and (c)). In the case of P8C, most of the fracture occurred at the grain boundary, resulting in cracks in the specimen (FIG. 7 (b)). However, P100C showed an intragranular fracture pattern in which cracks propagated as the particles were destroyed (FIG. 7 (c)). In the magnified micrograph of the P100C fracture surface shown in Fig. 7(c), it is clearly visible the Wallner line (white arrow), which is a faint curve indicating that the crack propagated in the contact area of the particles. Backtracing the line, we can clearly observe the fracture origin where several hackle lines (black arrows) emerge from the particle contact.

압축 시험에서, 입자와 기공 사이의 탄성 불일치로 인해 하중 축에 거의 수직인 방향으로 기공과 같은 결함 주변에서 인장 응력이 발생할 수 있다. 이러한 인장 응력은 하중 축과 평행한 방향으로 wing crack을 발생시키며, 이는 P8C 및 P25C 시편의 경우에 해당한다. 한편, P100C 시편과 같이 입자 크기가 큰 경우, 입자간 접촉 수가 크게 감소하기 때문에 주어진 압축 하중에 대해 각 입자에 가해지는 접촉력이 입자 반경의 제곱에 비례하여 증가된다. 반면, 접촉 영역에서 균열을 시작하는 임계 하중은 Auerbach의 법칙에 따라 입자 반경에 비례하여 증가한다. 이러한 이유로 P100C 시편의 경우 목 부위의 입계 파괴보다 입내 파괴 양상이 더 크게 나타난다. P100C의 입내 파괴는 전체 탄성 계수를 감소시킬 수 있으므로 도 7 (a)와 같이 임계 하중 후 톱니 모양의 응력-변형 곡선이 관찰되는 결과가 나타는 것으로 추정할 수 있다. In compression tests, tensile stresses can develop around defects such as pores in a direction nearly perpendicular to the loading axis due to the elastic mismatch between the particles and pores. These tensile stresses generate wing cracks in the direction parallel to the load axis, which is the case for the P8C and P25C specimens. On the other hand, when the particle size is large, such as the P100C specimen, the contact force applied to each particle for a given compressive load increases in proportion to the square of the particle radius because the number of contacts between particles is greatly reduced. On the other hand, the critical load to initiate cracks in the contact area increases proportionally with the particle radius according to Auerbach's law. For this reason, in the case of the P100C specimen, the intragranular fracture pattern is larger than the intergranular fracture in the neck area. Since the intragranular fracture of P100C can reduce the total modulus of elasticity, it can be assumed that the sawtooth-shaped stress-strain curve is observed after the critical load, as shown in FIG. 7 (a).

특정 상대 밀도를 가진 개방 셀 유리질 카본에 대해 얻을 수 있는 최대 이론적 기계적 강도는 방정식 1 (Gibson-Ashby 모델)에서 계산할 수 있다.The maximum theoretical mechanical strength achievable for open-cell vitreous carbon with a specific relative density can be calculated from Equation 1 (Gibson-Ashby model).

Figure 112020105685809-pat00001
....................... (1)
Figure 112020105685809-pat00001
....................... (One)

여기서 σ*는 다공체의 파괴 강도, σf는 고체 재료의 파괴 강도 (= 580 MPa), ρ*s는 상대 밀도이다. 도 8은 Gibson-Ashby 모델 (실선)의 로그-로그 플롯과, 본 발명에서 관 된 다공성 카본의 압축 강도 및 문헌(선행문헌 중 비특허문헌에 개시된 문헌들. 8, 23, 24, 35-38)의 비교를 나타낸 것이다. 위 결과, 매트릭스 구형 입자가 작은 거대 다공성 카본 샘플이 압축 강도가 더 크다는 것을 알 수 있다. Gibson-Ashby 모델보다 높은 106.8 MPa의 가장 높은 값이 P8C에서 관찰되며, 도 8에서 보는 바와 같이, 이 값은 유사한 밀도를 가진 재료보다 상당히 높은 값인 것으로 확인되었다.where σ * is the fracture strength of the porous body, σ f is the fracture strength of the solid material (= 580 MPa), and ρ *s is the relative density. Figure 8 is a log-log plot of the Gibson-Ashby model (solid line), the compressive strength of the porous carbon related to the present invention and literature (documents disclosed in non-patent literature among prior literature. 8, 23, 24, 35-38 ) shows the comparison. From the above results, it can be seen that the macroporous carbon sample with small matrix spherical particles has higher compressive strength. The highest value of 106.8 MPa, which is higher than the Gibson-Ashby model, is observed for P8C, and as shown in Fig. 8, this value is confirmed to be significantly higher than that of materials with similar densities.

결과적으로, 본 발명의 다공성 카본의 기공 구조는 상기 구상 페놀 수지의 미세 구상 분말의 크기를 조절하여 이루어지며, 미세 구상 분말의 크기가 작을수록 수축률 및 기공율이 낮아지고, 밀도 및 압축강도가 높아지는 경향을 나타내었다. As a result, the pore structure of the porous carbon of the present invention is made by adjusting the size of the fine spherical powder of the spherical phenolic resin, and the smaller the size of the fine spherical powder, the lower the shrinkage rate and porosity, and the higher the density and compressive strength. showed

아울러, 본 발명의 다공성 카본은 페놀 수지 미세 구상 분말 사이에 네크(neck)가 있는 개방형 기공구조를 가짐을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the porous carbon of the present invention has an open pore structure with a neck between the phenol resin fine spherical powders.

Claims (9)

구상 페놀 수지 및 푸르프릴 알코올 및 촉매제를 포함하는 바인더를 이용하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계;
상기 성형체를 경화시키는 단계; 및
상기 경화된 성형체를 탄화시키는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
Preparing a mixture using a binder containing a spherical phenolic resin and furpril alcohol and a catalyst;
Preparing a molded body using the mixture;
curing the molded body; and
carbonizing the cured molded body;
Method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that comprises a.
제1항에 있어서,
상기 촉매제는 옥살산인 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst is a method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that oxalic acid.
제2항에 있어서,
상기 옥살산은 상기 바인더 전체 중량 대비 적어도 10중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 2,
The oxalic acid is a method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that contained at least 10 parts by weight based on the total weight of the binder.
제1항에 있어서,
상기 바인더는 상기 구상 페놀 수지와 바인더의 합산 중량 대비 5 ~ 25중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 1,
The binder is a method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that contained 5 to 25 parts by weight relative to the total weight of the spherical phenolic resin and the binder.
제1항에 있어서,
상기 경화는 대기 분위기에서 수행되며, 70 ~ 80℃의 온도에서 적어도 5시간, 170 ~ 190℃의 온도에서 적어도 5시간 동안 각각 진행되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 1,
The curing is carried out in an air atmosphere, characterized in that at least 5 hours at a temperature of 70 ~ 80 ℃, at least 5 hours at a temperature of 170 ~ 190 ℃, characterized in that the process for producing porous carbon having macro pores of high strength.
제1항에 있어서,
상기 경화된 성형체를 탄화시키는 단계;는 질소 분위기에서 수행되며, 적어도 1000℃에서 유지하여 탄화시키는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 1,
The step of carbonizing the cured molded body; is carried out in a nitrogen atmosphere, a method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that carbonized by maintaining at least 1000 ℃.
제6항에 있어서,
상기 탄화시키는 단계는 1000℃까지 분당 1℃이하로 승온하며, 적어도 1시간 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 6,
The carbonization step is a method for producing porous carbon having high-strength macropores, characterized in that the temperature is raised at 1 ° C. or less per minute to 1000 ° C., and maintained for at least 1 hour.
제1항에 있어서,
상기 다공성 카본의 기공 구조는 상기 구상 페놀 수지의 미세 구상 분말의 크기를 조절하여 이루어지며, 미세 구상 분말의 크기가 작을수록 수축률 및 기공율이 낮아지고, 밀도 및 압축강도가 높아지는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본의 제조방법.
According to claim 1,
The pore structure of the porous carbon is made by adjusting the size of the fine spherical powder of the spherical phenolic resin, and the smaller the size of the fine spherical powder, the lower the shrinkage rate and the porosity, and the higher the density and compressive strength. Method for producing porous carbon having macro pores.
제1항의 제조방법에 의하여 제조되며,
서로 다른 크기의 구상 페놀 수지의 미세 구상 분말들 사이에 네크(neck)가 형성된 개방형 기공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도의 매크로 기공을 갖는 다공성 카본.
It is prepared by the manufacturing method of claim 1,
Porous carbon with high-strength macropores, characterized in that it has an open pore structure in which a neck is formed between fine spherical powders of spherical phenolic resins of different sizes.
KR1020200129043A 2020-10-06 2020-10-06 Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size KR102512058B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200129043A KR102512058B1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200129043A KR102512058B1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220045866A KR20220045866A (en) 2022-04-13
KR102512058B1 true KR102512058B1 (en) 2023-03-21

Family

ID=81214891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200129043A KR102512058B1 (en) 2020-10-06 2020-10-06 Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102512058B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230146889A (en) 2022-04-13 2023-10-20 주식회사 엘지에너지솔루션 Lithium secondary battery with easy estimating state of charge

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101187738B1 (en) 2011-10-07 2012-10-08 한국스미더스 오아시스 주식회사 Manufacturing method of carbon foam using phenolic resin
KR101850585B1 (en) 2014-07-02 2018-04-19 쿠어스택 가부시키가이샤 Heat insulator

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5752451B2 (en) * 2011-03-17 2015-07-22 旭有機材工業株式会社 Method for producing spherical furfuryl alcohol resin particles
KR101759280B1 (en) * 2015-06-17 2017-07-19 한국세라믹기술원 Method for preparing porous carbon materials using polymer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101187738B1 (en) 2011-10-07 2012-10-08 한국스미더스 오아시스 주식회사 Manufacturing method of carbon foam using phenolic resin
KR101850585B1 (en) 2014-07-02 2018-04-19 쿠어스택 가부시키가이샤 Heat insulator

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220045866A (en) 2022-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Celzard et al. Mechanical properties of tannin-based rigid foams undergoing compression
CA3005011C (en) Lignin-based carbon foams and composites and related methods
Chen et al. Carbon foam derived from various precursors
Zhao et al. Effect of composition and processing parameters on the characteristics of tannin-based rigid foams. Part I: Cell structure
Farhan et al. Preparation and characterization of carbon foam derived from pitch and phenolic resin using a soft templating method
Wang et al. A porous carbon foam prepared from liquefied birch sawdust
EP0714869B1 (en) Carbon fiber-reinforced carbon composite material and process for the preparation thereof
Nam et al. Preparation of macroporous carbon foams using a polyurethane foam template replica method without curing step
EP0308929B1 (en) Porous carbon-carbon composite and process for producing the same
Liu et al. SiO2 aerogel-embedded carbon foam composite with Co-Enhanced thermal insulation and mechanical properties
US20220073433A1 (en) Syntactic insulator with co-shrinking fillers
KR102512058B1 (en) Manufacturing method of porous carbon having ultra-high strength and macro pore size
Blanco et al. Pitch-based carbon composites with granular reinforcements for frictional applications
Baran et al. Synthesis of carbon foam with high compressive strength from an asphaltene pitch
Liu et al. Enhanced thermal shrinkage behavior of phenolic-derived carbon aerogel-reinforced by HNTs with superior compressive strength performance
Manocha et al. Development of carbon foam from phenolic resin via template route
Jeong et al. Fabrication of high-strength macroporous carbons with tunable pore size by a simple powder process using phenolic resin microspheres
EP3752549A1 (en) Lignin-based carbon foams and composites and related methods
CN114751748B (en) High-strength compact onion-like carbon block material and preparation method thereof
Liu et al. Improved mechanical properties of positive‐pressure filtered CNT buckypaper reinforced epoxy composites via modified preparation process
Mei et al. Effect of pore size distribution on the mechanical performance of carbon foams reinforced by in situ grown Si3N4 whiskers
Yao et al. Fabrication of carbon foams with high mechanical properties derived from sucrose/polyacrylamide hydrogel
Thomas Syntactic carbon foams
Krzesińska et al. Development of monolithic eco-composites from carbonized blocks of solid iron bamboo (Dendrocalamus strictus) by impregnation with furfuryl alcohol
Chen et al. Microstructure and Oxidation Behavior of Fibers and Binders in Charring Ablators

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant