KR102531748B1 - Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof - Google Patents

Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102531748B1
KR102531748B1 KR1020200186013A KR20200186013A KR102531748B1 KR 102531748 B1 KR102531748 B1 KR 102531748B1 KR 1020200186013 A KR1020200186013 A KR 1020200186013A KR 20200186013 A KR20200186013 A KR 20200186013A KR 102531748 B1 KR102531748 B1 KR 102531748B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polyimide
fiber
fibers
polyamic acid
spinning
Prior art date
Application number
KR1020200186013A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220094616A (en
Inventor
김우성
이병민
박길영
김남규
최정열
원동영
민재호
Original Assignee
주식회사 디쏠
피아이첨단소재 주식회사
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 주식회사 디쏠, 피아이첨단소재 주식회사 filed Critical 주식회사 디쏠
Priority to KR1020200186013A priority Critical patent/KR102531748B1/en
Publication of KR20220094616A publication Critical patent/KR20220094616A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102531748B1 publication Critical patent/KR102531748B1/en

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/24Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D10/00Physical treatment of artificial filaments or the like during manufacture, i.e. during a continuous production process before the filaments have been collected
    • D01D10/02Heat treatment
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/06Wet spinning methods
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00Physical properties
    • D10B2401/06Load-responsive characteristics
    • D10B2401/061Load-responsive characteristics elastic
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00Physical properties
    • D10B2401/06Load-responsive characteristics
    • D10B2401/063Load-responsive characteristics high strength
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00Industrial

Abstract

본 발명은 유연성과 전기적 및 물리적 특성이 우수하여 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있는 폴리이미드계 탄소섬유 와 흑연섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention is a polyimide-based carbon fiber and graphite fiber that can be used as core materials in various application fields such as wearable electronic devices, sensors, composite materials, as well as space and aviation fields due to their excellent flexibility and electrical and physical properties, and their manufacturing method It is about.

Description

폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유 및 그 제조방법 { Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof }Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof { Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof }

본 발명은 제직 등의 섬유 공정에 적용이 가능할 정도로 유연성을 갖고, 전기적 특성 및 물리적 특성이 우수하여 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있는 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention is flexible enough to be applied to textile processes such as weaving, and has excellent electrical and physical properties, so it can be used as a core material in various application fields such as wearable electronic devices, sensors, composite materials, as well as space and aviation fields. It relates to polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and a manufacturing method thereof.

탄소섬유(carbon fiber)는 최초에 대나무 섬유를 탄화하여 전구의 필라멘트에 사용하였고, 공업적으로 제조되기 시작한 것은 1959년 셀룰로오스계 섬유를 기초로 하여 생산되기 시작하였다. Carbon fiber (carbon fiber) was first carbonized bamboo fiber and used for the filament of a light bulb, and industrial production began in 1959 based on cellulosic fibers.

탄소섬유가 최초로 문헌에서 정의된 것은 1969년 미국의 R. Bacon과 W. A. Schlamon에 의해서이며, 탄소섬유는 탄소화 온도 800 ∼ 1,500 ℃ 부근의 온도에서 유기물질의 열분해에 의해 탄소만으로 구성된 섬유이며, 흑연섬유는 2,000 ℃ 이상의 온도에서 가열 처리하여 흑연화한 탄소섬유를 가리킨다.Carbon fiber was first defined in the literature by R. Bacon and W. A. Schlamon in the United States in 1969, and carbon fiber is a fiber composed only of carbon by thermal decomposition of organic materials at a temperature around the carbonization temperature of 800 ~ 1,500 ℃, and graphite The fiber refers to carbon fiber graphitized by heat treatment at a temperature of 2,000 ° C. or higher.

일반적으로, 탄소섬유는 전구체(precursor)의 종류에 따라 레이온(rayon)계, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계, 그리고 피치(pitch)계 탄소섬유로 분류된다. 상기 PAN계의 탄소섬유는 탄소 함유율이 93 ~ 98 %이며, 흑연섬유는 99 % 이상의 탄소 함유율을 나타낸다. In general, carbon fibers are classified into rayon-based, polyacrylonitrile (PAN)-based, and pitch-based carbon fibers according to the type of precursor. The PAN-based carbon fiber has a carbon content of 93 to 98%, and the graphite fiber has a carbon content of 99% or more.

이러한 탄소섬유와 흑연섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크며 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져 나가 중량이 감소되므로 알루미늄 보다 가볍고 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다. 이런 특성으로 인해 스포츠용품, 항공산업, 자동차, 토목건축, 전기전자, 통신, 환경산업의 각 분야에 산업용 소재로 널리 쓰이고 있다. These carbon fibers and graphite fibers have excellent heat resistance and impact resistance, are strong against chemicals and have high resistance to pests, and are lighter than aluminum and have greater elasticity and strength than iron because molecules such as oxygen, hydrogen, nitrogen, etc. escape during the heating process and lose weight. is excellent Due to these characteristics, it is widely used as an industrial material in each field of sports goods, aerospace industry, automobile, civil engineering and construction, electrical and electronic, communication, and environmental industries.

탄소섬유와 흑연섬유에 대한 종래기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0130583호에는 강도나 내구성은 뛰어나지만 일정각도 이상 휘었을 때 부러지는 특징을 지닌 탄소섬유 등의 표면에 유연성이 좋으면서도 상기 탄소섬유를 안전하게 보호토록 하는 합성수지 재질의 외피를 코팅한 토목용 보강재를 제조하기 위한 섬유사가 개시되어 있고, 대한민국 등록특허공보 제10-0702156호(2007. 04. 02.)에는 흑연화 반응을 유도하는 금속화합물을 함유한 할로겐화 고분자의 용액을 전기방사법으로 방사하여 1 ~ 3,000 nm의 직경을 갖는 초극세 섬유를 제조하고, 이를 탄화하는 과정에서 금속화합물로부터 형성된 금속촉매에 의한 흑연화 반응에 의해 제조된 고비표면적과 미세기공 및 중형기공을 지닌 초극세 다공성 흑연성 탄소섬유가 개시되어 있다. Looking at the prior art for carbon fiber and graphite fiber, Korean Patent Publication No. 10-2016-0130583 has excellent strength and durability, but has good flexibility on the surface of carbon fiber, etc., which is characterized by breaking when bent at a certain angle or more. A fiber yarn for manufacturing a reinforcing material for civil engineering coated with a synthetic resin outer shell that safely protects the carbon fiber is disclosed, and Korean Patent Registration No. 10-0702156 (2007. 04. 02.) graphitizes A solution of a halogenated polymer containing a metal compound that induces electrospinning is spun to produce ultrafine fibers having a diameter of 1 to 3,000 nm, and in the process of carbonizing them, a graphitization reaction by a metal catalyst formed from the metal compound A manufactured ultrafine porous graphitic carbon fiber having a high specific surface area and micropores and mesopores is disclosed.

즉, 상기 종래기술에 따르면, 필라멘트 형태인 탄소섬유와 흑연섬유는 유연성이 부족하여 구부리거나 접혀졌을때 쉽게 부스러지고 이에 따라 전기전도도가 크게 저하되는 성질을 갖기 때문에 탄소섬유와 흑연섬유 원단을 제직 또는 제편하기 매우 어려운 문제점이 있었다. 특히 탄소섬유와 흑연섬유는 그 특성상 일정한 각도 이내에서는 구부러지지 않고 부러지기 때문에 제직하는 것은 구조적으로 어렵고 까다로운 문제점이 있다. That is, according to the prior art, carbon fibers and graphite fibers in the form of filaments are easily broken when bent or folded due to lack of flexibility, and thus have a property of greatly reducing electrical conductivity, so that carbon fiber and graphite fiber fabrics are woven or There was a problem that was very difficult to organize. In particular, since carbon fiber and graphite fiber do not bend and break within a certain angle due to their characteristics, weaving is structurally difficult and difficult.

또한 탄소섬유와 흑연섬유의 유연성을 개선하기 위한 코팅 공정이 개발되고 있으나, 이러한 코팅 공정에 의해 코팅된 탄소섬유와 흑연섬유는 저항치가 상승하여 전기적 특성이 저하되는 문제점을 갖는다. In addition, a coating process for improving the flexibility of carbon fiber and graphite fiber is being developed, but the carbon fiber and graphite fiber coated by this coating process have a problem in that electrical characteristics are deteriorated due to an increase in resistance value.

본 발명은 물리적 특성 즉, 인장강도와 인장탄성율 및 열전도도가 우수하고, 특히 유연성이 우수하여 제직 등의 섬유 공정에 적용이 가능한 탄소섬유와 흑연섬유 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.An object of the present invention is to provide carbon fibers and graphite fibers that have excellent physical properties, that is, tensile strength, tensile modulus, and thermal conductivity, and particularly excellent flexibility, so that they can be applied to textile processes such as weaving, and a manufacturing method thereof. However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 과제를 해결하기 본 발명의 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법은, ⅰ) 아래의 [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계; ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계; ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계; 및 ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하는 제 4 단계;를 포함하고, In order to solve the above problems, the method for producing polyimide-based carbon fibers having excellent flexibility of the present invention includes i) diamine having the structure of [Formula 1] below and dianhydride having the structure of [Formula 2] ( A first step of polymerizing polyamic acid by polymerizing dianhydride); ii) a second step of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning; iii) a third step of preparing polyimide precursor fibers by imidizing the wet-spun polyamic acid fibers 100; and iv) a fourth step of producing carbon fibers by continuous carbonization of the polyimide precursor fibers without a stabilization process.

Figure 112020142658035-pat00001
Figure 112020142658035-pat00001

상기 [화학식 1]에서 R1

Figure 112020142658035-pat00002
,
Figure 112020142658035-pat00003
,
Figure 112020142658035-pat00004
,
Figure 112020142658035-pat00005
,
Figure 112020142658035-pat00006
,
Figure 112020142658035-pat00007
중 어느 하나이고, 상기 [화학식 2]에서 R2
Figure 112020142658035-pat00008
,
Figure 112020142658035-pat00009
,
Figure 112020142658035-pat00010
,
Figure 112020142658035-pat00011
중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 제 4 단계는 질소 분위기에서 수행되며, 저온탄화공정과 고온탄화공정을 포함하고, 상기 저온탄화공정은 800 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 180초 동안 수행되고, 고온탄화공정은 1,250 ~ 1,500 ℃에서 45 ~ 180초 동안 수행되는 것이 바람직하다. In [Formula 1], R 1 is
Figure 112020142658035-pat00002
,
Figure 112020142658035-pat00003
,
Figure 112020142658035-pat00004
,
Figure 112020142658035-pat00005
,
Figure 112020142658035-pat00006
,
Figure 112020142658035-pat00007
Any one of, and in [Formula 2] R 2 is
Figure 112020142658035-pat00008
,
Figure 112020142658035-pat00009
,
Figure 112020142658035-pat00010
,
Figure 112020142658035-pat00011
Preferably any one of, the fourth step is carried out in a nitrogen atmosphere, includes a low-temperature carbonization process and a high-temperature carbonization process, the low-temperature carbonization process is carried out at 800 ~ 1,000 ℃ for 45 to 180 seconds, high-temperature carbonization The process is preferably performed at 1,250 to 1,500 °C for 45 to 180 seconds.

또한, 본 발명의 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법은, [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계; ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계; ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계; ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하는 제 4 단계; 및 ⅴ) 상기 탄소섬유를 흑연화하여 흑연섬유를 제조하는 제 5 단계;를 포함하고, 상기 제 4 단계는 질소 분위기에서 수행되며, 저온탄화공정과 고온탄화공정을 포함하고, 상기 저온탄화공정은 800 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 180초 동안 수행되고, 고온탄화공정은 1,250 ~ 1,500 ℃에서 45 ~ 180초 동안 수행되며, 상기 제 5 단계는 아르곤 분위기에서 2,200 ℃ 이상의 온도에서 45 ~ 180초 동안 수행되는 것이 바람직하다.In addition, in the method for producing polyimide-based graphite fibers having excellent flexibility of the present invention, diamine having a structure of [Formula 1] and dianhydride having a structure of [Formula 2] are polymerized to form a polyamic acid. A first step of polymerizing; ii) a second step of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning; iii) a third step of preparing polyimide precursor fibers by imidizing the wet-spun polyamic acid fibers 100; iv) a fourth step of producing carbon fibers by continuously carbonizing the polyimide precursor fibers without flame stabilization; and v) a fifth step of graphitizing the carbon fibers to produce graphite fibers, wherein the fourth step is performed in a nitrogen atmosphere and includes a low-temperature carbonization process and a high-temperature carbonization process, wherein the low-temperature carbonization process comprises: It is carried out at 800 ~ 1,000 ℃ for 45 ~ 180 seconds, the high-temperature carbonization process is carried out at 1,250 ~ 1,500 ℃ for 45 ~ 180 seconds, the fifth step is carried out in an argon atmosphere at a temperature of 2,200 ℃ or more for 45 ~ 180 seconds it is desirable

본 발명에 따른 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유는 유연성이 우수하여 제직 또는 제편 등의 섬유 공정에 적용이 가능하면서, 인장강도와 인장탄성율 및 열전도도 등이 우수한 특징을 갖는다. 이에 따라 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용이 가능한 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유의 제공이 가능한 효과를 갖는다. The polyimide-based carbon fibers and graphite fibers according to the present invention have excellent flexibility and can be applied to textile processes such as weaving or knitting, and have excellent characteristics such as tensile strength, tensile modulus of elasticity, and thermal conductivity. Accordingly, it is possible to provide polyimide-based carbon fiber and graphite fiber that can be used as core materials in various application fields such as wearable electronic devices, sensors, and composite materials as well as space and aviation.

도 1은 본 발명에 따른 유연성을 갖는 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유의 제조 공정도이며,
도 2는 본 발명에 따른 습식방사 장치의 모식도이다.
1 is a manufacturing process diagram of polyimide-based carbon fibers and graphite fibers having flexibility according to the present invention;
2 is a schematic diagram of a wet spinning apparatus according to the present invention.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, terms such as "comprise", "have" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other It should be understood that it does not preclude the possibility of addition or existence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

아래에서는 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. In order to facilitate overall understanding in the description of the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and redundant descriptions of the same components are omitted.

이하, 본 발명에 따른 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유 및 그 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 유연성을 갖는 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유의 제조 공정도이며, 도 2는 본 발명에 따른 습식방사 장치의 모식도이다.Hereinafter, polyimide-based carbon fiber and graphite fiber and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a manufacturing process diagram of polyimide-based carbon fibers and graphite fibers having flexibility according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a wet spinning apparatus according to the present invention.

본 발명에 따른 유연성을 갖는 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, ⅰ) [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계(S10);와, ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계(S20);와, ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계(S30); 및 ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하는 제 4 단계(S40);를 포함하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 1, the method for producing flexible polyimide-based carbon fibers according to the present invention includes: i) diamine having a structure of [Formula 1] and dianhydride having a structure of [Formula 2] A first step (S10) of polymerizing polyamic acid by polymerizing dianhydride; and, ii) a second step (S20) of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning it (S20); and, iii) wet-spun polyamic acid A third step (S30) of preparing polyimide precursor fibers by imidizing the fibers 100; and iv) a fourth step (S40) of producing carbon fibers by continuously carbonizing the polyimide precursor fibers without a stabilization process.

일반적으로 폴리이미드는 방향족 디아민(diamine)과 방향족 디안하이드라이드(dianhydride)를 축중합한 후, 이미드화하여 제조된다. In general, polyimide is prepared by condensation polymerization of aromatic diamine and aromatic dianhydride and then imidization.

상기와 같은 폴리이미드는 불융, 불용의 초고내열성 수지로서, 뛰어난 내열 산화성을 보유하며, 장기 사용온도는 약 260 ℃이며, 단기 사용온도는 480 ℃ 정도로 사용가능 온도가 매우 높은 내열특성을 갖는다. 또한, 뛰어난 전기화학적 및 기계적 특성과, 내방사선성과 난연성 및 내약품성 등이 매우 우수한 특성을 갖는다. Polyimide as described above is an insoluble, insoluble, ultra-high heat-resistant resin, has excellent thermal oxidation resistance, and has a very high heat-resistance with a long-term use temperature of about 260 ° C and a short-term use temperature of about 480 ° C. In addition, it has excellent electrochemical and mechanical properties, radiation resistance, flame retardancy, and chemical resistance.

이미드화가 완료된 폴리이미드는 산소 작용기와 방향족 이미드 고리를 주쇄에 가지고 있으며, 분자 단위당 구조 범위가 넓고 배향성이 우수하다는 특징들을 갖는다. The imidized polyimide has an oxygen functional group and an aromatic imide ring in the main chain, and has a wide structural range per molecular unit and excellent orientation properties.

또한 폴리이미드 고분자는 융점이 높아 열 안정성이 우수하여 기존의 탄소섬유 프리커서인 Polyacrylonitrile(PAN) 프리커서와 달리 내염화 공정을 거치지 않고 탄화 및 흑연화 공정이 가능하며, 분자구조가 대부분 방향족 구조이므로 탄화 후 높은 탄화 수율을 나타낸다.In addition, polyimide polymer has excellent thermal stability due to its high melting point, so unlike polyacrylonitrile (PAN) precursor, which is a conventional carbon fiber precursor, carbonization and graphitization processes are possible without going through a stabilization process. Since most of the molecular structures are aromatic, After carbonization, it shows a high carbonization yield.

상기와 같이 제조되는 폴리이미드는 사용된 단량체의 종류에 따라 여러가지의 분자 구조를 가질 수 있다. The polyimide prepared as described above may have various molecular structures depending on the type of monomer used.

본 발명에 따르면, 상기 제 1 단계(S10)에서 사용되는 폴리아믹산을 축중합하기 위한 디아민과 디안하이드라이드의 구조는 아래의 [화학식 1]과 [화학식 2]와 같다. According to the present invention, the structures of diamine and dianhydride for condensation polymerization of the polyamic acid used in the first step (S10) are as follows [Formula 1] and [Formula 2].

Figure 112020142658035-pat00012
Figure 112020142658035-pat00012

상기 화학식 1에서 R1

Figure 112020142658035-pat00013
,
Figure 112020142658035-pat00014
,
Figure 112020142658035-pat00015
,
Figure 112020142658035-pat00016
,
Figure 112020142658035-pat00017
,
Figure 112020142658035-pat00018
중 어느 하나이고, 상기 [화학식 2]에서 R2
Figure 112020142658035-pat00019
,
Figure 112020142658035-pat00020
,
Figure 112020142658035-pat00021
,
Figure 112020142658035-pat00022
중 어느 하나인 것이 바람직하다.In Formula 1, R 1 is
Figure 112020142658035-pat00013
,
Figure 112020142658035-pat00014
,
Figure 112020142658035-pat00015
,
Figure 112020142658035-pat00016
,
Figure 112020142658035-pat00017
,
Figure 112020142658035-pat00018
Any one of, and in [Formula 2] R 2 is
Figure 112020142658035-pat00019
,
Figure 112020142658035-pat00020
,
Figure 112020142658035-pat00021
,
Figure 112020142658035-pat00022
Any one of these is preferred.

본 발명에 따라 상기 [화학식 1]과 [화학식 2]로부터 제조되는 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유는 유연성 등이 특히 우수한 특징을 갖는다.According to the present invention, the polyimide-based carbon fibers and graphite fibers prepared from [Formula 1] and [Formula 2] have particularly excellent characteristics such as flexibility.

본 발명에 따르면, 상기와 같은 디아민과 디안하이드라이드를 이용하여 축중합된 폴리아믹산은 수평균 분자량이 10,000 ~ 100,000 인 것이 바람직하다. According to the present invention, the polyamic acid condensation-polymerized using diamine and dianhydride as described above preferably has a number average molecular weight of 10,000 to 100,000.

중합된 폴리아믹산의 수평균 분자량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 목적하는 강도 및 탄성률을 가지는 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하기에 곤란할 수 있으며, 제조되는 폴리이미드 프리커서 섬유의 물성의 편차가 커짐으로써 품질이 저하되는 문제가 있을 수 있다If the number average molecular weight of the polymerized polyamic acid is out of the above range, it may be difficult to prepare polyimide precursor fibers having desired strength and modulus of elasticity, and the variation in physical properties of the produced polyimide precursor fibers increases, thereby increasing quality. There may be problems with this degradation

상기와 같은 수평균 분자량의 범위를 갖도록 중합된 폴리아믹산은 이후에 적당한 용매에 용해하여 용액방사하는 제 2 단계(S20)를 거치게 된다.Polyamic acid polymerized to have the range of number average molecular weight as described above is then dissolved in an appropriate solvent and subjected to a second step (S20) of solution spinning.

상기와 같이 중합되는 폴리아믹산을 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 또는 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 용매를 사용하여 용해함으로써 방사도프(dope, 10)를 제조하게 된다. 본 발명에 따르면, 상기 폴라이믹산을 용해하여 용액방사하기 위한 방사도프(10)의 제조시 용매는 특히 디메틸아세트아미드가 바람직하다.The polyamic acid polymerized as described above is obtained from the group consisting of dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or dimethylformamide (DMF). By dissolving using one or more selected solvents, spinning dope (dope, 10) is prepared. According to the present invention, when preparing the spinning dope 10 for solution spinning by dissolving the polyimic acid, the solvent is particularly preferably dimethylacetamide.

상기 방사도프(10)의 제조시 폴리아믹산과 용매의 혼합비율은 중량비로 15 ~ 30 : 70 ~ 85 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 방사도프(10)의 제조시 폴리아믹산의 혼합비율이 15 중량% 미만인 경우에는 점도가 너무 낮아져서 섬유의 방사성이 불량하게 된다. 또한 상기 폴리아믹산의 혼합비율이 30 중량%를 초과하는 경우에는 점도가 높아 방사하기 부적당하게 될 수 있다.When preparing the spinning dope 10, the mixing ratio of the polyamic acid and the solvent is preferably 15 to 30: 70 to 85% by weight in terms of weight ratio. If the mixing ratio of the polyamic acid is less than 15% by weight during the preparation of the spinning dope 10, the viscosity is too low, resulting in poor spinnability of the fiber. In addition, when the mixing ratio of the polyamic acid exceeds 30% by weight, the viscosity is high and may be unsuitable for spinning.

상기 방사도프(10)는 용매에 폴리아믹산을 투입한 후, 80 ℃까지 서서히 온도를 올리면서 2시간 동안 용해함으로써 제조될 수 있다. 이후에는 탈포 및 여과를 거쳐 방사도프(10)를 제조하게 된다. The spinning dope 10 may be prepared by adding polyamic acid to a solvent and dissolving it for 2 hours while slowly raising the temperature to 80 °C. After that, the spinning dope 10 is prepared through degassing and filtration.

이때 상기와 같이 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산이 적당한 용매에 용해된 방사도프(10)는 용매의 함량을 적절하게 조절함으로써 3,000 내지 20,000 cps 범위의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같은 점도를 갖는 경우에 이후의 방사공정에서 사절 등의 방사성의 저하를 방지하여 제사성을 높히고, 방사속도를 증대시킬 수 있다. At this time, the spinning dope 10 in which polyamic acid, a precursor of polyimide, is dissolved in an appropriate solvent as described above preferably has a viscosity in the range of 3,000 to 20,000 cps by appropriately adjusting the content of the solvent. In the case of having the viscosity as described above, it is possible to increase the spinning property and increase the spinning speed by preventing the decrease in spinnability such as yarn cutting in the subsequent spinning process.

도 2는 본 발명에 따른 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유의 제조 장치인 습식방사 장치의 모식도이다. 2 is a schematic diagram of a wet spinning apparatus, which is an apparatus for producing polyimide-based carbon fibers having excellent flexibility according to the present invention.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같은 습식방사 장치를 이용하여 상기 방사도프(10)를 응고욕(50)에 방사하여 폴리아믹산 섬유(100)를 제조한다. In the present invention, polyamic acid fibers 100 are produced by spinning the spinning dope 10 into a coagulation bath 50 using a wet spinning apparatus as shown in FIG. 2 .

즉, 도 2를 참조하면, 본 발명의 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유를 제조하기 위한 습식방사 장치는 방사도프(10)를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어펌프(15), 상기 기어펌프(15)로부터 공급받은 방사도프(10)를 섬유의 형태로 방사하는 방사구금(20), 상기 방사구금(20)으로부터 토출되는 미응고 상태인 폴리아믹산 섬유속(40)을 응고시키기 위한 응고욕(50)을 구비한다. That is, referring to FIG. 2, the wet spinning apparatus for producing polyimide-based carbon fibers having excellent flexibility of the present invention includes a gear pump 15 for supplying the spinning dope 10 at a constant pressure, and the gear pump 15 A spinneret 20 for spinning the spinning dope 10 supplied from the spinneret 20 in the form of fibers, and a coagulation bath 50 for coagulating the unsolidified polyamic acid fiber bundle 40 discharged from the spinneret 20 ) is provided.

상기 응고욕(50)에 구비되는 응고액(30)은 비용매로서 방사도프(10)의 제조시 사용된 유기용매와는 잘 호환되지만. 중합체를 용해시키지 않아 중합체를 고화시킬 수 있는 용매를 제한없이 사용할 수 있다. 상기 비용매로는 물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물과 유기 용매의 혼합액을 사용할 수 있다. The coagulating liquid 30 provided in the coagulating bath 50 is a non-solvent and is well compatible with the organic solvent used in the preparation of the spinning dope 10. Any solvent capable of solidifying the polymer without dissolving the polymer can be used without limitation. Water may be used as the non-solvent, and preferably a mixture of water and an organic solvent may be used.

상기 응고액(30)으로 비용매와 유기 용매의 혼합액을 사용할 경우에 상기 유기 용매의 함량은 35 내지 85 중량%로 균일하게 유지하는 것이 바람직하다. When a mixture of a non-solvent and an organic solvent is used as the coagulating liquid 30, the content of the organic solvent is preferably maintained uniformly at 35 to 85% by weight.

또한, 상기 응고욕(50)에서 응고액(30)의 온도는 30 내지 60 ℃ 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 상기 응고액(30)의 온도가 상기 범위를 벗어나면, 방사도프(10)의 방사가 원활히 이루어지지 않아 방사 공정의 효율성이 저하되고, 또한 용매가 적절하게 제거되지 않을 수 있다. In addition, the temperature of the coagulating liquid 30 in the coagulating bath 50 is preferably adjusted to a range of 30 to 60 °C. If the temperature of the coagulating solution 30 is out of the above range, the spinning dope 10 may not be smoothly spun and the efficiency of the spinning process may decrease, and the solvent may not be properly removed.

도 2에 도시된 바와 같이, 응고욕(50)을 통과한 폴리아믹산 섬유속(40)은 이후에 수세장치(60)에서 물을 이용하여 상기 폴리아믹산 섬유속(40)에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치(60)를 거친 폴리아믹산 섬유속(40)은 이후에 건조장치(70)에서 건조된 후 권취되어 폴리아믹산 섬유(100)의 제조가 완료된다. As shown in FIG. 2, the polyamic acid fiber bundles 40 that have passed through the coagulation bath 50 are then washed with water in the washing device 60 to remove the solvent contained in the polyamic acid fiber bundles 40. Remove. Subsequently, the polyamic acid fiber bundle 40 passed through the washing device 60 is then dried in the drying device 70 and then wound up to complete the production of the polyamic acid fiber 100.

이때 상기 방사구금(20)에 형성되는 오리피스(orifice)는 원형인 것이 바람직하다. At this time, the orifice formed in the spinneret 20 is preferably circular.

또한, 본 발명에서는 원활한 방사조업성을 위하여 습식방사시 상기 방사도프(10)를 400 내지 1,500 psi의 압력하에서 방사구금(20)을 통해 압출함으로써 폴리아믹산 섬유속(40)에서 사절 등의 현상을 방지함으로써 방사성을 개선할 수 있다.In addition, in the present invention, for smooth spinning operation, the spinning dope 10 is extruded through the spinneret 20 under a pressure of 400 to 1,500 psi during wet spinning to prevent phenomena such as thread breakage in the polyamic acid fiber bundle 40 Radiation can be improved by preventing it.

또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같이 제조된 방사도프(10)는 습식방사 뿐 아니라, 건식방사 또는 기격방사공정을 통해 섬유화하는 것이 가능하다.In addition, according to the present invention, the spinning dope 10 prepared as described above can be fibrous through not only wet spinning, but also dry spinning or blast spinning.

즉, 용액방사 공정은 방사 중에 용매를 증발시키는 건식방사와, 용매를 추출하여 제조하는 습식방사 또는 방사과정에서 고분자 사슬을 보다 효과적으로 섬유축 방향으로 배향하기 위하여 방사구금과 응고욕 표면 사이에 기격(air-gap)을 갖는 기격습식방사(air-gap wet spinning) 등을 포함한다. That is, in the solution spinning process, a gap between the spinneret and the surface of the coagulation bath is used to more effectively orient the polymer chain in the fiber axis direction in the dry spinning process in which the solvent is evaporated during spinning, and in the wet spinning or spinning process in which the solvent is extracted and prepared. and air-gap wet spinning with an air-gap.

통상적으로 용액방사의 경우는 열에 의하여 용융이 어려운 고분자 물질의 방사에 사용되는 공정으로서, 상기 습식방사와 건식방사 및 기격습식방사 등으로 나뉘어진다.In general, solution spinning is a process used for spinning polymer materials that are difficult to melt by heat, and is divided into wet spinning, dry spinning, and steamed wet spinning.

건식 방사와 습식 방사의 차이는 고분자 물질을 용제에 용해시켜 방사 원액을 제조하는 공정은 동일하나, 습식 방사는 방사 원액을 방사구금으로부터 바로 응고욕에 토출하여 응고/고화시키는 공정으로 진행되며, 건식 방사는 방사 용액을 응고욕 없이 뜨거운 공기 중에 토출하고, 용매를 증발시켜 고화시키는 공정으로 진행된다.The difference between dry spinning and wet spinning is that the process of dissolving a polymer material in a solvent to prepare a spinning solution is the same, but in wet spinning, the spinning solution is discharged directly from the spinneret into a coagulation bath to solidify / solidify. Spinning proceeds with a process of discharging a spinning solution into hot air without a coagulation bath and evaporating and solidifying the solvent.

또한 기격습식 방사는 방사구와 응고액 사이에 건조공기 간격(air-gap)을 두어 방사구에서 토출된 방사도프(10)가 바로 응고액 속으로 들어가지 않고 공기층에서 섬유축 방향으로 인장되어 분자배향이 이루어지는 공정으로 수행된다. In addition, in the wet spinning method, there is an air-gap between the spinneret and the coagulating solution, so that the spinning dope 10 discharged from the spinneret does not enter the coagulating solution directly, but is stretched in the direction of the fiber axis in the air layer to improve molecular orientation. This process is carried out.

본 발명에서는 상기 제 2 단계(S20)의 수행시 용액방사 즉, 습식방사와 건식방사 또는 기격습식방사 등으로 수행하는 것이 가능하다.In the present invention, when performing the second step (S20), it is possible to perform solution spinning, that is, wet spinning, dry spinning, or steamed wet spinning.

상기와 같이, 용액방사공정을 통해 제조된 폴리아믹산 섬유(100)는 이후에 열처리를 통해 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유로 전환하는 제 3 단계(S30)를 거치게 된다. As described above, the polyamic acid fiber 100 manufactured through the solution spinning process is then subjected to a third step (S30) of imidizing through heat treatment and converting to polyimide precursor fiber.

상기 제 3 단계(S30)에서 이미드화시 열처리는 상기 폴리아믹산 섬유(100)를 200 ~ 300 ℃의 온도에서 30 ~ 80 분 동안 처리하는 조건으로 진행할 수 있다. Heat treatment at the time of imidation in the third step (S30) may proceed under the condition that the polyamic acid fiber 100 is treated at a temperature of 200 to 300 ° C. for 30 to 80 minutes.

즉, 상기와 같은 열처리 공정에 의해 폴리아믹산 섬유(100)는 이미드화되어 폴리이미드 프리커서 섬유로 전환하게 된다. That is, the polyamic acid fiber 100 is imidized by the heat treatment process as described above and converted into a polyimide precursor fiber.

상기와 같이 제조된 폴리이미드 프리커서 섬유는 이후에 탄소섬유를 제조하기 위하여 탄화를 수행하는 제 4 단계(S40)를 거치게 된다. The polyimide precursor fiber prepared as described above is then subjected to a fourth step (S40) of performing carbonization to produce carbon fiber.

본 발명에 따른, 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 탄화하는 제 4 단계(S40)를 살펴보면, 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 열을 가함으로써 고온조건에서 열분해가 이루어져 탄화가 진행되되, 통상적인 PAN계 탄소섬유와 달리 내염화 공정 없이 수행하는 것이 가능하다. Looking at the fourth step (S40) of carbonizing the polyimide precursor fiber according to the present invention, by applying heat to the polyimide precursor fiber, thermal decomposition is performed under high temperature conditions and carbonization proceeds, but conventional PAN-based carbon Unlike textiles, it is possible to do without the stabilization process.

이때 폴리이미드 프리커서 섬유에 열을 가하는 방식으로는 외부로부터 열분해로에 열을 가하여 탄화를 수행하는 방법이 있고, 다른 가열방식으로 마이크로파 가열 방식 또는 마이크로파 플라즈마 가열방식 등이 있다.At this time, as a method of applying heat to the polyimide precursor fiber, there is a method of performing carbonization by applying heat to a pyrolysis furnace from the outside, and another heating method includes a microwave heating method or a microwave plasma heating method.

상기 마이크로파 가열은 대상물질인 섬유에 직접 가열이 이루어짐으로 에너지 효율은 향상시킬 수 있으나, 섬유의 마이크로파 흡수능력(microwave absorbing capacity)에 의하여 그 효율이 가변되고, 유전손실 탄젠트(dielectric loss tangent)가 작은 물질은 가열하기가 어려운 단점이 있다.The microwave heating can improve energy efficiency by directly heating the fiber, which is a target material, but the efficiency is variable by the microwave absorbing capacity of the fiber and the dielectric loss tangent is small. The material has the disadvantage of being difficult to heat.

또 다른 방식인 마이크로파 플라즈마 가열방식은 짧은 시간에 생성할 수 있는 플라즈마로부터 복사에 의한 면적가열이 이루어지는 것으로, 내부 물질의 유전(dielectric) 특성에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 그러나, 마이크로파를 플라즈마로 전환하는 장치가 필요하고, 대상물질의 내부가 가열되지 않으므로 열전도도가 낮고 열팽창 계수가 큰 물질 가열시 물질의 내부와 외부의 큰 온도구배로 인하여 물질에 균열이 발생되는 단점이 있다.The microwave plasma heating method, which is another method, is an area heating by radiation from plasma that can be generated in a short time, and has the advantage of not being affected by dielectric characteristics of internal materials. However, a device for converting microwaves into plasma is required, and since the inside of the material is not heated, cracks occur in the material due to the large temperature gradient between the inside and outside of the material when heating a material with low thermal conductivity and a large thermal expansion coefficient. there is

상기와 같이 다양한 가열방식으로 수행될 수 있는 탄화과정은 탄소섬유의 제조과정에서 가장 긴 제조시간과 생산비용이 소요되어 탄소섬유 제조비용이 증가되는 주요요인으로 작용하고 있다.As described above, the carbonization process, which can be performed by various heating methods, takes the longest manufacturing time and production cost in the manufacturing process of carbon fiber, and thus acts as a major factor in increasing the carbon fiber manufacturing cost.

본 발명에서 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 탄화하는 제 4 단계(S40)는 질소 분위기하에서 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 800 ~ 1,200 ℃에서 진행하는 저온탄화공정과, 1,250 ~ 1,500 ℃에서 진행하는 고온탄화공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 이때 상기 저온탄화공정과 고온탄화공정은 각각 45 ~ 180 초 동안 수행되는 것이 바람직하다.In the present invention, the fourth step (S40) of carbonizing the polyimide precursor fiber may be performed under a nitrogen atmosphere, and in the present invention, a low-temperature carbonization process performed at 800 ~ 1,200 ° C. It is preferable to carry out by a carbonization process. At this time, the low-temperature carbonization process and the high-temperature carbonization process are preferably performed for 45 to 180 seconds, respectively.

또한 본 발명에 따르면, 상기 저온탄화공정시 폴리이미드 프리커서 섬유에는 0.6 ~ 1.28 gf/tex의 장력이 부가될 수 있고, 상기 고온탄화공정시에는 0.9 ~ 1.8 gf/tex의 장력이 부가될 수 있다.In addition, according to the present invention, a tension of 0.6 to 1.28 gf/tex may be added to the polyimide precursor fiber during the low-temperature carbonization process, and a tension of 0.9 to 1.8 gf/tex may be added during the high-temperature carbonization process. .

상기와 같이 저온탄화공정 및 고온탄화공정시 장력이 상기와 같은 범위보다 적게 부가되는 경우에는 제조되는 탄소섬유 및 흑연섬유의 인장강도와 인장탄성율 및 열전도도 등의 물성이 저하되고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 탄화 공정에서 절사 등이 발생하여 제사성이 저하된다. 따라서 저온탄화공정 및 고온탄화공정시 폴리이미드 프리커서 섬유에는 상기와 같은 범위에서 장력이 부가되는 것이 바람직하다. As described above, when the tension is less than the above range during the low-temperature carbonization process and the high-temperature carbonization process, physical properties such as tensile strength, tensile modulus, and thermal conductivity of the carbon fibers and graphite fibers produced are reduced, and exceed the above ranges. In the case of doing so, cutting or the like occurs in the carbonization process, resulting in deterioration in yarn-making properties. Therefore, it is preferable that tension is added to the polyimide precursor fiber in the above range during the low-temperature carbonization process and the high-temperature carbonization process.

상기와 같이 제 4 단계(S40)가 완료되면 본 발명의 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유가 제조완료된다.When the fourth step (S40) is completed as described above, the production of the polyimide-based carbon fiber having excellent flexibility of the present invention is completed.

본 발명에 따른 상기 폴리이미드계 탄소섬유의 인장강도는 2.5 GPa 이상이고, 인장탄성율은 150 GPa 이상이며, 열전도도가 150 W/mK 이상인 것을 특징으로 한다. The polyimide-based carbon fiber according to the present invention has a tensile strength of 2.5 GPa or more, a tensile modulus of 150 GPa or more, and a thermal conductivity of 150 W/mK or more.

또한, 본 발명에 따르면, 유연성을 갖는 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법이 제공될 수 있다.In addition, according to the present invention, a method for producing polyimide-based graphite fibers having flexibility can be provided.

즉, 상기 유연성을 갖는 폴리이미드계 흑연섬유는 도 1에 도시된 바와 같이, ⅰ) [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계;와, ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계;와, ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계;와, ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하는 제 4 단계; 및 ⅴ) 상기 탄소섬유를 흑연화하여 흑연섬유를 제조하는 제 5 단계;를 포함하는 것이 바람직하다. That is, as shown in FIG. 1, the flexible polyimide-based graphite fiber includes: i) diamine having a structure of [Formula 1] and dianhydride having a structure of [Formula 2] A first step of polymerizing polyamic acid by polymerization; and, ii) a second step of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning it; and, iii) imidizing the wet-spun polyamic acid fiber 100 to make the polyimide-free a third step of preparing cursor fibers; and, iv) a fourth step of continuously carbonizing the polyimide precursor fibers without flame stabilization to produce carbon fibers; and v) a fifth step of preparing graphite fibers by graphitizing the carbon fibers.

본 발명에 따른 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법은 앞에서 설명한 폴리이미드계 탄소섬유를 제조한 후, 상기 폴리이미드계 탄소섬유를 흑연화하는 제 5 단계(S50);를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for producing polyimide-based graphite fibers according to the present invention further comprises a fifth step (S50) of graphitizing the polyimide-based carbon fibers after preparing the polyimide-based carbon fibers described above. do.

따라서 본 발명에 따른 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법은 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법인 제 1 단계(S10) 내지 제 4 단계(S40)는 동일하므로, 상기 폴리이미드계 탄소섬유를 흑연화하는 제 5 단계(S50)에 대하여 아래에서 추가로 설명한다.Therefore, in the method for producing polyimide-based graphite fibers according to the present invention, since the first step (S10) to the fourth step (S40), which are methods for producing polyimide-based carbon fibers, are the same, graphitization of the polyimide-based carbon fibers is performed. The fifth step (S50) will be further described below.

즉, 상기 상기 폴리이미드계 탄소섬유를 흑연화하는 제 5 단계(S50)는 아르곤 분위기에서 2,200 ℃ 이상의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.That is, the fifth step (S50) of graphitizing the polyimide-based carbon fiber is characterized in that it is performed at a temperature of 2,200 ° C. or higher in an argon atmosphere.

이때 상기 제 5 단계(S50)는 45 ~ 180 초 동안 수행되는 것이 바람직하고, 상기 제 5 단계(S50)의 수행시 상기 폴리이미드계 탄소섬유에는 1.2 ~ 2.5 gf/tex의 장력이 부가될 수 있다. At this time, the fifth step (S50) is preferably performed for 45 to 180 seconds, and when the fifth step (S50) is performed, a tension of 1.2 to 2.5 gf/tex may be added to the polyimide-based carbon fiber. .

상기와 같이 상기 제 5 단계(S50)에서 장력이 상기와 같은 범위보다 적게 부가되는 경우에는 제조되는 흑연섬유의 인장강도와 인장탄성율 및 열전도도 등의 물성이 저하되고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 흑연화 공정에서 절사 등이 발생하여 제사성이 저하될 수 있다. 따라서 상기 제 5 단계(S50)에서는 상기와 같은 범위의 장력이 부가되는 것이 바람직하다. As described above, when the tension is added less than the above range in the fifth step (S50), the physical properties such as tensile strength, tensile modulus and thermal conductivity of the graphite fiber produced are lowered, and when it exceeds the above range, Cutting and the like may occur in the graphitization process, which may degrade yarn-making properties. Therefore, in the fifth step (S50), it is preferable to add tension in the above range.

상기 흑연화 단계는 탄소섬유를 2,200 oC 이상의 고온에서 처리하여 결정화를 이루는 단계로서, 본 발명에 따른 흑연섬유는 이를 통해 높은 비표면적을 갖는 것을 특징으로 한다. The graphitization step is a step of crystallization by treating the carbon fiber at a high temperature of 2,200 ° C or higher, and the graphite fiber according to the present invention is characterized by having a high specific surface area through this.

상기와 같이 제조되는 탄소섬유를 이용하여 제 5 단계(S50) 즉, 흑연화 단계가 완료되면 본 발명의 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유가 제조완료된다.When the fifth step (S50), that is, the graphitization step is completed using the carbon fiber prepared as described above, the production of the polyimide-based graphite fiber having excellent flexibility of the present invention is completed.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명은 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be examined in more detail through examples. However, the present invention is not limited only to the following examples.

본 발명에 따라 제조되는 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유와 흑연섬유의 물성을 측정하기 위해, 아래의 실시예와 같이 제조방법을 변화하면서 폴리이미드계 탄소섬유 및 흑연섬유를 제조하였다.In order to measure the physical properties of the polyimide-based carbon fibers and graphite fibers having excellent flexibility manufactured according to the present invention, polyimide-based carbon fibers and graphite fibers were prepared while changing the manufacturing method as in the following examples.

[실시예 1][Example 1]

R1

Figure 112020142658035-pat00023
인 디아민과 R2
Figure 112020142658035-pat00024
인 디안하이드라이드를 모노머로 하여 폴리아믹산(수평균 분자량 : 10,000)을 중합하였다. 이후에 상기 폴리아믹산을 DMAc에 용해하여, 15 중량%인 방사도프(10)를 제조하였다. 상기 방사도프(10)를 사용하여, 도 2와 같은 습식방사 장치 즉, 홀(hole) 수가 1,000개 이며, 상기 홀의 직경이 80 ㎛ 인 방사구금(10)으로부터 1,000 psi의 압력을 가하여 폴리아믹산 섬유속(40)을 토출시켰다. 이때 35 중량% 농도의 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc) 수용액으로 이루어지고 30 ℃로 조절된 응고욕(50)에서 상기 폴리아믹산 섬유속(40)을 응고시켰다. 이후에 250 ℃에서 60분 동안 열처리함으로써, 상기 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하였다. R 1 is
Figure 112020142658035-pat00023
Phosphorus diamine and R 2 are
Figure 112020142658035-pat00024
Polyamic acid (number average molecular weight: 10,000) was polymerized using phosphorus dianhydride as a monomer. Then, the polyamic acid was dissolved in DMAc to prepare a 15% by weight spinning dope (10). Using the spinning dope 10, a pressure of 1,000 psi is applied from a wet spinning device as shown in FIG. 2, that is, a spinneret 10 having 1,000 holes and a diameter of 80 μm to obtain polyamic acid fibers Inside (40) was discharged. At this time, the polyamic acid fiber bundle 40 was coagulated in a coagulation bath 50 made of a 35% by weight aqueous solution of dimethylacetamide (DMAc) and controlled at 30 °C. Thereafter, by heat treatment at 250 ° C. for 60 minutes, the polyamic acid fiber 100 was imidized to prepare a polyimide precursor fiber.

상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 800 ℃에서 60초 동안 저온탄화를 실시하고, 이후에 1,400 ℃에서 60초 동안 고온탄화를 실시하였다. 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 0.6 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 0.9 gf/tex의 장력을 부여하였다. 그리고, 흑연화 공정없이 상기와 같이 폴리이미드계 탄소섬유를 제조하여 실시예 1의 시험편으로 사용하였다.The polyimide precursor fiber was subjected to low-temperature carbonization at 800 ° C. for 60 seconds, and then, high-temperature carbonization was performed at 1,400 ° C. for 60 seconds. At this time, a tension of 0.6 gf/tex was applied to the polyimide precursor fiber during the low-temperature carbonization, and a tension of 0.9 gf/tex was applied during the high-temperature carbonization. In addition, polyimide-based carbon fibers were prepared as described above without a graphitization process and used as test pieces of Example 1.

[실시예 2 ][Example 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조한 후, 1,200 ℃에서 180초 동안 저온탄화를 실시하고, 이후에 1,500 ℃에서 180초 동안 고온탄화를 실시하였다. 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 1.28 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 1.8 gf/tex의 장력을 부여하였다. 그리고, 흑연화 공정없이 상기와 같이 폴리이미드계 탄소섬유를 제조하여 실시예 2의 시험편으로 사용하였다.After preparing polyimide precursor fibers in the same manner as in Example 1, low-temperature carbonization was performed at 1,200 ° C. for 180 seconds, and then high-temperature carbonization was performed at 1,500 ° C. for 180 seconds. At this time, a tension of 1.28 gf/tex was applied to the polyimide precursor fiber during the low-temperature carbonization, and a tension of 1.8 gf/tex was applied during the high-temperature carbonization. In addition, polyimide-based carbon fibers were prepared as described above without a graphitization process and used as test pieces in Example 2.

[실시예 3][Example 3]

R1

Figure 112020142658035-pat00025
인 디아민과 R2
Figure 112020142658035-pat00026
인 디안하이드라이드를 모노머로 하여 폴리아믹산(수평균 분자량 : 100,000)을 중합하였다. 이후에 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 800 ℃에서 60초 동안 저온탄화를 실시하고, 이후에 1,400 ℃에서 60초 동안 고온탄화를 실시하였다. 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 0.6 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 0.9 gf/tex의 장력을 부여하였다. 그리고, 흑연화 공정없이 상기와 같이 폴리이미드계 탄소섬유를 제조하여 실시예 3의 시험편으로 사용하였다.R 1 is
Figure 112020142658035-pat00025
Phosphorus diamine and R 2 are
Figure 112020142658035-pat00026
Polyamic acid (number average molecular weight: 100,000) was polymerized using phosphorus dianhydride as a monomer. Thereafter, the polyimide precursor fiber was subjected to low-temperature carbonization at 800 ° C. for 60 seconds, and then, high-temperature carbonization was performed at 1,400 ° C. for 60 seconds. At this time, a tension of 0.6 gf/tex was applied to the polyimide precursor fiber during the low-temperature carbonization, and a tension of 0.9 gf/tex was applied during the high-temperature carbonization. In addition, polyimide-based carbon fibers were prepared as described above without a graphitization process and used as test pieces in Example 3.

[실시예 4][Example 4]

실시예 3과 동일한 방법으로 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조한 후, 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 1.28 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 1.8 gf/tex의 장력을 부여하였다. 그리고, 흑연화 공정없이 상기와 같이 폴리이미드계 탄소섬유를 제조하여 실시예 4의 시험편으로 사용하였다.After preparing the polyimide precursor fiber in the same manner as in Example 3, a tension of 1.28 gf/tex was applied to the polyimide precursor fiber during low-temperature carbonization, and a tension of 1.8 gf/tex was applied during high-temperature carbonization. . In addition, polyimide-based carbon fibers were prepared as described above without a graphitization process and used as test pieces in Example 4.

[실시예 5 ~ 6][Examples 5-6]

상기 실시예 1 ~ 2 와 같이 제조되는 폴이이미드계 탄소섬유를 아르곤 분위기에서 2,300 ℃에서 120초 동안 흑연화 단계를 실시하였고, 이때 1.2 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 흑연섬유를 제조하고 이를 실시예 5 ~ 6의 시험편으로 사용하였다. A graphitization step was performed on the polyimide-based carbon fibers prepared as in Examples 1 and 2 at 2,300 ° C. for 120 seconds in an argon atmosphere, and at this time, a tension of 1.2 gf / tex was applied. Graphite fibers were prepared as described above and used as test pieces of Examples 5 and 6.

[실시예 7 ~ 8][Examples 7 to 8]

상기 실시예 3 ~ 4 와 같이 제조되는 폴이이미드계 탄소섬유를 아르곤 분위기에서 2,300 ℃에서 120초 동안 흑연화 단계를 실시하였고, 이때 2.5 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 흑연섬유를 제조하고 이를 실시예 7 ~ 8의 시험편으로 사용하였다. A graphitization step was performed on the polyimide-based carbon fibers prepared in Examples 3 and 4 at 2,300 ° C. for 120 seconds in an argon atmosphere, and at this time, a tension of 2.5 gf / tex was applied. Graphite fibers were prepared as described above and used as test pieces of Examples 7 and 8.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 [실시예 1]과 동일한 제조방법으로 폴이이미드계 탄소섬유를 제조하되, 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 0.4 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 0.7 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 제조된 폴리이미드계 탄소섬유를 비교예 1의 시험편으로 사용하였다. A polyimide-based carbon fiber was prepared by the same manufacturing method as in [Example 1], but a tension of 0.4 gf/tex was applied to the polyimide precursor fiber during low-temperature carbonization, and a tension of 0.7 gf/tex was applied during high-temperature carbonization. tension was given. The polyimide-based carbon fiber prepared as described above was used as a test piece of Comparative Example 1.

[비교예 2][Comparative Example 2]

상기 [실시예 2]와 동일한 제조방법으로 폴이이미드계 탄소섬유를 제조하되, 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 0.4 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 0.7 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 제조된 폴리이미드계 탄소섬유를 비교예 2의 시험편으로 사용하였다. Polyimide-based carbon fibers were prepared by the same manufacturing method as in [Example 2], but at this time, a tension of 0.4 gf/tex was applied to the polyimide precursor fibers during the low-temperature carbonization, and 0.7 gf/tex during the high-temperature carbonization. tex tension was applied. The polyimide-based carbon fiber prepared as described above was used as a test piece of Comparative Example 2.

[비교예 3][Comparative Example 3]

상기 [실시예 3]과 동일한 제조방법으로 폴이이미드계 탄소섬유를 제조하되, 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 1.5 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 2.0 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 제조된 폴리이미드계 탄소섬유를 비교예 3의 시험편으로 사용하였다. Polyimide-based carbon fibers were prepared in the same manufacturing method as in [Example 3], but at this time, a tension of 1.5 gf/tex was applied to the polyimide precursor fibers during the low-temperature carbonization, and 2.0 gf/tex during the high-temperature carbonization. tex tension was applied. The polyimide-based carbon fiber prepared as described above was used as a test piece of Comparative Example 3.

[비교예 4][Comparative Example 4]

상기 [실시예 4]와 동일한 제조방법으로 폴이이미드계 탄소섬유를 제조하되, 이때 상기 저온탄화시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 1.5 gf/tex의 장력을 부여하였고, 고온탄화시에는 2.0 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 제조된 폴리이미드계 탄소섬유를 비교예 4의 시험편으로 사용하였다. Polyimide-based carbon fibers were prepared by the same manufacturing method as in [Example 4], but at this time, a tension of 1.5 gf/tex was applied to the polyimide precursor fibers during the low-temperature carbonization, and 2.0 gf/tex during the high-temperature carbonization. tex tension was applied. The polyimide-based carbon fiber prepared as described above was used as a test piece of Comparative Example 4.

[비교예 5 ~ 8][Comparative Examples 5 to 8]

상기 비교예 1 ~ 4 와 같이 제조되는 폴이이미드계 탄소섬유를 아르곤 분위기에서 2,300 ℃에서 120초 동안 흑연화 단계를 실시하였고, 이때 3.0 gf/tex의 장력을 부여하였다. 상기와 같이 흑연섬유를 제조하고 이를 비교예 5 ~ 8의 시험편으로 사용하였다. The polyimide-based carbon fibers prepared as in Comparative Examples 1 to 4 were subjected to a graphitization step at 2,300 ° C. for 120 seconds in an argon atmosphere, and at this time, a tension of 3.0 gf / tex was applied. Graphite fibers were prepared as described above and used as test pieces of Comparative Examples 5 to 8.

상기 실시예 1 ~ 8과 비교예 1 ~ 8의 시험편에 대하여 인장강도와 인장틴성율과 열전도도 및 유연성을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 이때 상기 인장강도와 인장탄성율과 열전도도 및 유연성은 아래와 같은 방법으로 측정하였다. For the test pieces of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 8, tensile strength, tensile strength, thermal conductivity, and flexibility were measured, and the results are shown in Table 1. At this time, the tensile strength, tensile modulus, thermal conductivity, and flexibility were measured in the following manner.

1) 인장강도 및 인장탄성율1) Tensile strength and tensile modulus

상기 인장강도 및 인장탄성율은 KS L 2515(탄소 섬유 시헙 방법)에 의거하여 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. The tensile strength and tensile modulus were measured according to KS L 2515 (carbon fiber testing method), and the results are shown in Table 1.

2) 열전도도 2) Thermal conductivity

상기 열전도도는 상온 ~ 60 ℃ 까지의 온도범위 조건에서 ASTM D5470(Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials)에 의거하여 수직 열전도도 방법으로 측정하여 표 1에 나타내었다. The thermal conductivity was measured by the vertical thermal conductivity method in accordance with ASTM D5470 (Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials) under conditions ranging from room temperature to 60 ° C and is shown in Table 1.

3) 유연성 평가3) Flexibility evaluation

유연성은 길이 5cm의 모노필라멘트사를 유연성 측정기로 측정하였으며, 측정값은 크기가 작을수록 더욱 유연함을 나타낸다. 상기와 같은 방법으로 측정된 유연성 측정값을 표 1에 나타내었다. Flexibility was measured with a flexibility meter for a monofilament yarn with a length of 5 cm, and the smaller the measured value, the more flexible it was. Table 1 shows the flexibility measurement values measured in the same way as above.

4) 사절성4) envoyship

사절성은 탄소섬유 또는 흑연섬유의 제조시 1 시간당 사절발생횟수로 평가하였다. 1 시간 동안 사절이 발생하지 않는 경우에는 양호로, 1∼2 회 발생한 경우에는 보통으로, 사절이 2 회를 초과한 경우에는 불량으로 판단하였다.Thread trimming was evaluated by the number of thread breakages per hour when manufacturing carbon fibers or graphite fibers. It was judged to be good if thread breakage did not occur for 1 hour, normal if thread breakage occurred 1 or 2 times, and bad if thread breakage exceeded 2 times.

인장강도
(GPa)
tensile strength
(GPa)
인장탄성율
(GPa)
tensile modulus
(GPa)
열전도도
(W/mK)
thermal conductivity
(W/mK)
유연성flexibility 사절성envoyship
실시예 1Example 1 2.52.5 160160 153153 4040 양호Good 실시예 2Example 2 2.72.7 155155 158158 4141 양호Good 실시예 3Example 3 2.62.6 154154 160160 4343 양호Good 실시예 4Example 4 2.52.5 161161 155155 4242 양호Good 실시예 5Example 5 2.92.9 166166 154154 4545 양호Good 실시예 6Example 6 2.72.7 157157 157157 4141 양호Good 실시예 7Example 7 2.62.6 158158 162162 4040 양호Good 실시예 8Example 8 2.82.8 171171 163163 4242 양호Good 비교예 1Comparative Example 1 1.41.4 112112 132132 5454 양호Good 비교예 2Comparative Example 2 1.31.3 121121 133133 5858 양호Good 비교예 3Comparative Example 3 2.72.7 164164 164164 5353 불량error 비교예 4Comparative Example 4 3.03.0 172172 160160 5454 불량error 비교예 5Comparative Example 5 1.51.5 124124 134134 5353 양호Good 비교예 6Comparative Example 6 1.51.5 122122 130130 5555 보통commonly 비교예 7Comparative Example 7 2.52.5 160160 131131 5858 불량error 비교예 8Comparative Example 8 2.62.6 162162 130130 5757 불량error

표 1에 기재된 바와 같이, 실시예 1 ~8의 시험편의 경우에는 인장강도가 모두 2.5 GPa을 초과하는 측정값을 나타내고, 인장탄성율 또한 150 GPa 이상의 측정값을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, in the case of the test pieces of Examples 1 to 8, it can be seen that the tensile strengths all show measured values exceeding 2.5 GPa, and the tensile modulus also show measured values of 150 GPa or more.

또한 상기 실시예 1 ~ 8의 시험편의 경우에 열전도도는 모두 150 W/mK 이상으로, 종래의 탄소섬유에 비하여 우수한 방열 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of the test pieces of Examples 1 to 8, all of the thermal conductivity was 150 W/mK or more, and it could be seen that they exhibit excellent heat dissipation characteristics compared to conventional carbon fibers.

그리고 통상적으로 나일론 모노필라멘트사의 경우에 40 ~ 46 수준의 유연성 측정값을 나타낸다. 상기 표 1을 살펴보면, 실시예 1 ~ 8의 시험편의 경우에 40 ~ 45의 측정값을 나타내므로, 본 발명에 따르면, 나일론 모노필라멘트사 수준의 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유 및 흑연섬유의 제조가 가능함을 알 수 있다. In general, in the case of nylon monofilament yarn, it shows a flexibility measurement value of 40 to 46 levels. Looking at Table 1, since the test pieces of Examples 1 to 8 show measured values of 40 to 45, according to the present invention, polyimide-based carbon fiber and graphite fiber having excellent flexibility at the level of nylon monofilament yarn are prepared It can be seen that

이에 반하여 탄소섬유 제조시 저온탄소공정 및 고온탄화공정시 부여되는 장력이 0.4 gf/tex 및 0.7 gf/tex 인 비교예 1 ~ 2의 경우에는 인장강도 등의 제반 물성이 떨어지고, 저온탄소공정 및 고온탄화공정시 부여되는 장력이 1.5 gf/tex 및 2.0 gf/tex인 비교예 3 ~ 4의 시험편의 경우에는 제반 물성은 우수하나, 사절이 1시간에 3회 이상 발생하여 사절성이 떨어지는 것을 알 수 있다. , On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 and 2 in which the tension applied during the low-temperature carbonization process and the high-temperature carbonization process during carbon fiber manufacturing was 0.4 gf/tex and 0.7 gf/tex, various physical properties such as tensile strength were deteriorated, and the low-temperature carbonization process and high-temperature carbonization process In the case of the test pieces of Comparative Examples 3 to 4 in which the tension applied during the carbonization process was 1.5 gf/tex and 2.0 gf/tex, the physical properties were excellent, but the thread cutting occurred more than 3 times in 1 hour, indicating that the thread cutting performance was poor. there is. ,

또한, 비교예 5 ~ 6의 경우에 탄화공정시 낮은 장력이 부가되는 경우에는 사절성 등은 우수하나, 제반물성이 떨어지게 된다. 비교예 7 ~ 8의 경우에는 높은 장력이 부가되어 제반 물성은 우수하나, 사절이 1시간에 3회 이상 발생하여 사절성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.In addition, in the case of Comparative Examples 5 and 6, when a low tension is applied during the carbonization process, the trimming properties are excellent, but the physical properties are poor. In the case of Comparative Examples 7 and 8, high tension was added and various physical properties were excellent, but thread cutting occurred three or more times per hour, so it could be confirmed that the thread cutting property was poor.

즉, 표 1의 결과로부터 본 발명에 따르면, 탄화 공정 및 흑연화 공정시 상기 폴리이미드 프리커서 섬유에 적절한 장력이 부여되면, 사절성의 증가없이 우수한 공정성을 확보할 수 있으며, 또한 인장강도 등의 제반물성과 유연성이 우수한 탄소섬유와 흑연섬유를 제조할 수 있는 것을 알 수 있다. That is, according to the results of Table 1, according to the present invention, when appropriate tension is applied to the polyimide precursor fiber during the carbonization process and the graphitization process, excellent processability can be secured without an increase in yarn trimming, and various aspects such as tensile strength It can be seen that carbon fibers and graphite fibers having excellent physical properties and flexibility can be produced.

본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the experimental examples shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other experimental examples are possible therefrom. In addition, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 방사도프
20 : 방사구금
50 : 응고욕
40 : 폴리아믹산 섬유속
10: radiation dope
20: spinneret
50: coagulation bath
40: polyamic acid fiber bundle

Claims (10)

ⅰ) 아래의 [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계;
ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계;
ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계; 및
ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하되, 질소 분위기에서 수행되며, 800 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 180초 동안 0.6 ~ 1.28 gf/tex의 장력이 부가되는 저온탄화공정과 1,250 ~ 1,500 ℃에서 45 ~ 180초 동안 0.9 ~ 1.8 gf/tex의 장력이 부가되는 고온탄화공정으로 수행되는 제 4 단계;를 포함하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법.

Figure 112023033844618-pat00027

i) a first step of polymerizing polyamic acid by polymerizing diamine having a structure of [Formula 1] and dianhydride having a structure of [Formula 2];
ii) a second step of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning;
iii) a third step of preparing polyimide precursor fibers by imidizing the wet-spun polyamic acid fibers 100; and
iv) Continuously carbonizing the polyimide precursor fiber without flame stabilization to prepare carbon fiber, which is carried out in a nitrogen atmosphere, at a low temperature of 800 to 1,000 ° C. for 45 to 180 seconds and a tension of 0.6 to 1.28 gf / tex is added. A method for producing polyimide-based carbon fibers having excellent flexibility, including a carbonization process and a fourth step performed by a high-temperature carbonization process in which a tension of 0.9 to 1.8 gf/tex is added for 45 to 180 seconds at 1,250 to 1,500 ° C.

Figure 112023033844618-pat00027

청구항 1에 있어서,
상기 [화학식 1]에서 R1
Figure 112020142658035-pat00028
,
Figure 112020142658035-pat00029
,
Figure 112020142658035-pat00030
,
Figure 112020142658035-pat00031
,
Figure 112020142658035-pat00032
,
Figure 112020142658035-pat00033
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
In [Formula 1], R 1 is
Figure 112020142658035-pat00028
,
Figure 112020142658035-pat00029
,
Figure 112020142658035-pat00030
,
Figure 112020142658035-pat00031
,
Figure 112020142658035-pat00032
,
Figure 112020142658035-pat00033
Method for producing a polyimide-based carbon fiber having excellent flexibility, characterized in that any one of.
청구항 1에 있어서,
상기 [화학식 2]에서 R2
Figure 112020142658035-pat00034
,
Figure 112020142658035-pat00035
,
Figure 112020142658035-pat00036
,
Figure 112020142658035-pat00037
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유의 제조방법.
The method of claim 1,
In [Formula 2], R 2 is
Figure 112020142658035-pat00034
,
Figure 112020142658035-pat00035
,
Figure 112020142658035-pat00036
,
Figure 112020142658035-pat00037
Method for producing a polyimide-based carbon fiber having excellent flexibility, characterized in that any one of.
삭제delete 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 따라 제조되는 유연성이 우수한 폴리이미드계 탄소섬유.
A polyimide-based carbon fiber having excellent flexibility prepared according to any one of claims 1 to 3.
ⅰ) 아래의 [화학식 1]의 구조를 갖는 디아민(diamine)과 [화학식 2]의 구조를 갖는 디안하이드라이드(dianhydride)를 중합하여 폴리아믹산을 중합하는 제 1 단계;
ⅱ) 상기 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 2 단계;
ⅲ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유(100)를 이미드화하여 폴리이미드 프리커서 섬유를 제조하는 제 3 단계;
ⅳ) 상기 폴리이미드 프리커서 섬유를 내염화 공정없이 연속탄화하여 탄소섬유를 제조하되, 질소 분위기에서 수행되며, 800 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 180초 동안 0.6 ~ 1.28 gf/tex의 장력이 부가되는 저온탄화공정과, 1,250 ~ 1,500 ℃에서 45 ~ 180초 동안 0.9 ~ 1.8 gf/tex의 장력이 부가되는 고온탄화공정으로 수행되는 제 4 단계; 및
ⅴ) 상기 탄소섬유를 흑연화하여 흑연섬유를 제조하되, 아르곤 분위기에서 2,200 ℃ 이상의 온도에서 45 ~ 180초 동안 수행되는 제 5 단계;를 포함하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법.

Figure 112023033844618-pat00038

i) a first step of polymerizing polyamic acid by polymerizing diamine having a structure of [Formula 1] and dianhydride having a structure of [Formula 2];
ii) a second step of dissolving the polyamic acid in a solvent and wet-spinning;
iii) a third step of preparing polyimide precursor fibers by imidizing the wet-spun polyamic acid fibers 100;
iv) Continuously carbonizing the polyimide precursor fiber without flame stabilization to prepare carbon fiber, which is carried out in a nitrogen atmosphere, at a low temperature of 800 to 1,000 ° C. for 45 to 180 seconds and a tension of 0.6 to 1.28 gf / tex is added. A fourth step performed by a carbonization process and a high-temperature carbonization process in which a tension of 0.9 to 1.8 gf/tex is added at 1,250 to 1,500 ° C. for 45 to 180 seconds; and
v) a fifth step of graphitizing the carbon fiber to produce a graphite fiber, which is performed in an argon atmosphere at a temperature of 2,200 ° C. or more for 45 to 180 seconds; a method for producing a polyimide-based graphite fiber having excellent flexibility.

Figure 112023033844618-pat00038

청구항 6에 있어서,
상기 [화학식 1]에서 R1
Figure 112020142658035-pat00039
,
Figure 112020142658035-pat00040
,
Figure 112020142658035-pat00041
,
Figure 112020142658035-pat00042
,
Figure 112020142658035-pat00043
,
Figure 112020142658035-pat00044
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법.
The method of claim 6,
In [Formula 1], R 1 is
Figure 112020142658035-pat00039
,
Figure 112020142658035-pat00040
,
Figure 112020142658035-pat00041
,
Figure 112020142658035-pat00042
,
Figure 112020142658035-pat00043
,
Figure 112020142658035-pat00044
A method for producing a polyimide-based graphite fiber having excellent flexibility, characterized in that any one of the following.
청구항 6에 있어서,
상기 [화학식 2]에서 R2
Figure 112020142658035-pat00045
,
Figure 112020142658035-pat00046
,
Figure 112020142658035-pat00047
,
Figure 112020142658035-pat00048
중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유의 제조방법.
The method of claim 6,
In [Formula 2], R 2 is
Figure 112020142658035-pat00045
,
Figure 112020142658035-pat00046
,
Figure 112020142658035-pat00047
,
Figure 112020142658035-pat00048
A method for producing a polyimide-based graphite fiber having excellent flexibility, characterized in that any one of the following.
삭제delete 청구항 6 내지 8 중 어느 한 항에 따라 제조되는 유연성이 우수한 폴리이미드계 흑연섬유.

A polyimide-based graphite fiber having excellent flexibility prepared according to any one of claims 6 to 8.

KR1020200186013A 2020-12-29 2020-12-29 Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof KR102531748B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200186013A KR102531748B1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200186013A KR102531748B1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220094616A KR20220094616A (en) 2022-07-06
KR102531748B1 true KR102531748B1 (en) 2023-05-11

Family

ID=82399908

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200186013A KR102531748B1 (en) 2020-12-29 2020-12-29 Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102531748B1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605477A (en) 2012-02-24 2012-07-25 北京化工大学 Polyimide-based carbon fiber and preparation method thereof
CN104726967A (en) 2015-03-30 2015-06-24 北京化工大学 Polyamide acid/polyacrylonitrile-based carbon fiber and preparation method thereof
CN105256410A (en) 2014-12-28 2016-01-20 北京化工大学 Method for improving polyimide-based carbon fiber microstructure
CN105696116A (en) 2014-11-24 2016-06-22 北京化工大学 Preparation method of novel high-heat conduction carbon fibers
CN107059161A (en) * 2017-04-14 2017-08-18 江苏先诺新材料科技有限公司 A kind of polyimide-based graphite fibre and its preparation method and application

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101468373B1 (en) * 2013-05-01 2014-12-03 주식회사 뉴파워 프라즈마 Heat treatment apparatus for carbon fiber manufacture and carbon fiber manufacture system with the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605477A (en) 2012-02-24 2012-07-25 北京化工大学 Polyimide-based carbon fiber and preparation method thereof
CN105696116A (en) 2014-11-24 2016-06-22 北京化工大学 Preparation method of novel high-heat conduction carbon fibers
CN105256410A (en) 2014-12-28 2016-01-20 北京化工大学 Method for improving polyimide-based carbon fiber microstructure
CN104726967A (en) 2015-03-30 2015-06-24 北京化工大学 Polyamide acid/polyacrylonitrile-based carbon fiber and preparation method thereof
CN107059161A (en) * 2017-04-14 2017-08-18 江苏先诺新材料科技有限公司 A kind of polyimide-based graphite fibre and its preparation method and application

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220094616A (en) 2022-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5722991B2 (en) Carbon fiber manufacturing method and carbon fiber precursor fiber
KR100759102B1 (en) Preparation method of two-phase carbon nanofibers and activated carbon nanofibers by electrospinning from polyacrylonitrile/pitch blend solutions
CN112831859B (en) Preparation method of polyacrylonitrile fiber
KR101272525B1 (en) Preparation Method for Hollow Carbon Fiber
CN110359114B (en) Polyacrylonitrile fiber, polyacrylonitrile-based carbon fiber and preparation method thereof
CN101487143B (en) Preparation of polyimide fibre
CN111945251A (en) Ultrahigh-strength medium-modulus polyacrylonitrile-based carbon fiber and preparation method thereof
KR102266753B1 (en) Polyimide based carbon fiber with excellent flexibility and manufacturing method thereof
KR102531748B1 (en) Polyimide-based carbon fibers and graphite fibers and manufacturing methods thereof
RU2605973C1 (en) Fibre precursor for carbon fibres, carbon fibre and method of producing carbon fibre
US20200332444A1 (en) Carbon fiber formed from chlorinated polyvinyl chloride, and method for preparing same
Zhang et al. Effects of using polyacrylonitrile on the thermal, morphological and mechanical properties of polyimide/polyacrylonitrile blend fibers
KR20120077050A (en) Method of preparing precursor and carbon fiber using the same
KR101268173B1 (en) Polyacrylonitrile-based polymer solution, preparing method of the same, Carbon fiber precursor, manufacturing method of the same and manufacturing method of carbon fiber using the same
KR20110078306A (en) Process for producing precursor fiber for acrylonitrile-based carbon fiber and carbon fiber obtained from the precursor fiber
KR20230174418A (en) Polyimide precusor fibers, carbon fibers and graphite fibers with fine denier and manufacturing methods thereof
KR102043621B1 (en) Carbon fiber using enhanced spinnability lignin and preparation method thereof
CN114457469A (en) Preparation method of polyacrylonitrile pre-oxidized fiber, pre-oxidized fiber and application
JP2004156161A (en) Polyacrylonitrile-derived carbon fiber and method for producing the same
KR102519383B1 (en) Process for manufacturing high yield polyimide based activated carbon fiber and polyimide based activated carbon fiber using the same
KR20120002369A (en) Manufacturing method of carbon fiber
KR102197333B1 (en) Polyacrylonitrile-based STABILIZED FIBER, CARBON FIBER, AND PREPARATION METHOD THEREOF
CN110184679B (en) Electrospun carbon hybrid polyimide ultrashort nanofiber and preparation method thereof
CN112030270A (en) Process for preparing refractory carbon fibers
KR101957061B1 (en) Process for preparing carbon fiber having high strength

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant