KR102662920B1 - A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber - Google Patents

A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber Download PDF

Info

Publication number
KR102662920B1
KR102662920B1 KR1020220174328A KR20220174328A KR102662920B1 KR 102662920 B1 KR102662920 B1 KR 102662920B1 KR 1020220174328 A KR1020220174328 A KR 1020220174328A KR 20220174328 A KR20220174328 A KR 20220174328A KR 102662920 B1 KR102662920 B1 KR 102662920B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fiber
cellulose
carbon fiber
fibers
cellulose derivative
Prior art date
Application number
KR1020220174328A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230002184A (en
Inventor
신혜경
Original Assignee
전주대학교 산학협력단
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 전주대학교 산학협력단 filed Critical 전주대학교 산학협력단
Priority to KR1020220174328A priority Critical patent/KR102662920B1/en
Publication of KR20230002184A publication Critical patent/KR20230002184A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102662920B1 publication Critical patent/KR102662920B1/en

Links

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
    • D01F9/16Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from products of vegetable origin or derivatives thereof, e.g. from cellulose acetate
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06CFINISHING, DRESSING, TENTERING OR STRETCHING TEXTILE FABRICS
    • D06C7/00Heating or cooling textile fabrics
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/001Treatment with visible light, infrared or ultraviolet, X-rays
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/008Treatment with radioactive elements or with neutrons, alpha, beta or gamma rays
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/21Macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/285Macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds of unsaturated carboxylic acid amides or imides
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Abstract

본 발명은 라이오셀 섬유를 탄화함으로써, 탄소섬유를 얻는 제조방법에 관한 것으로서, 원사인 라이오셀 섬유를 폴리아크릴아마이드 (polyacrylamide, PAM) 용액에 침지한 후 방사선, 가열, 가교제를 통해서 라이오셀 섬유에 그라프트화하고, 일정한 온도 범위에서 열안정화를 거쳐 난염화한 후, 고온 탄화처리를 통하여 탄소섬유를 얻는 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a manufacturing method for obtaining carbon fiber by carbonizing Lyocell fiber, which involves immersing raw Lyocell fiber in a polyacrylamide (PAM) solution and then adding it to the Lyocell fiber through radiation, heating, and a cross-linking agent. It relates to a manufacturing method for obtaining carbon fibers through grafting, thermal stabilization in a certain temperature range, and then high-temperature carbonization.

Description

셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법{A MANUFACTURING METHOD OF CARBON FIBERS FROM CELLULOSE FIBER OR CELLULOSE DERIVATIVE FIBER}Carbon fiber manufacturing method using cellulose fiber or cellulose derivative fiber {A MANUFACTURING METHOD OF CARBON FIBERS FROM CELLULOSE FIBER OR CELLULOSE DERIVATIVE FIBER}

본 발명은 셀룰로오스 기반인 라이오셀 섬유를 탄화함으로써, 탄소섬유를 얻는 제조방법에 관한 것으로서, 원사인 라이오셀 섬유를 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAM)용액에 침지한 후 방사선, 가열, 가교제를 통해서 라이오셀 섬유에 그라프트화하고, 일정한 온도 범위에서 열안정화를 거쳐 난염화한 후, 고온 탄화처리를 통하여 탄소섬유를 얻는 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a manufacturing method for obtaining carbon fiber by carbonizing cellulose-based Lyocell fiber. The raw Lyocell fiber is immersed in a polyacrylamide (PAM) solution and then formed into Lyocell fiber through radiation, heating, and a crosslinking agent. It relates to a manufacturing method of obtaining carbon fiber by grafting it onto cell fiber, heat stabilizing it in a certain temperature range, making it non-flammable, and then subjecting it to high-temperature carbonization.

탄소 섬유는 자동차, 항공 분야나, 양질의 스포츠 용품, 풍력터빈 블레이드 등 첨단 복합재료의 보강재로 널리 사용되고 있다. 탄소 섬유의 전구체로는 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile, PAN), 피치, 셀룰로오스로 분류되는데, 그 중, PAN 섬유는 고성능 탄소섬유의 전구체로 98% 이상을 차지한다. 그러나, PAN 섬유는 화석연료로부터 얻어지기 때문에 탄화하는 동안 다량의 유독 가스 발생 및 사용 후 폐기 처리에 대한 큰 단점을 가지고 있다. 게다가, PAN 섬유는 가격이 비싸고 국제유가 변동에 따라 다양하게 변할 수 있다. 따라서, 친환경적이면서 값이 저렴한 전구체에 대한 연구가 필요하다. Carbon fiber is widely used as a reinforcing material in advanced composite materials such as automobiles, aviation, high-quality sporting goods, and wind turbine blades. Precursors of carbon fiber are classified into polyacrylonitrile (PAN), pitch, and cellulose. Among them, PAN fiber is a precursor for high-performance carbon fiber, accounting for more than 98%. However, since PAN fibers are obtained from fossil fuels, they have major disadvantages in terms of generating a large amount of toxic gases during carbonization and disposing of them after use. In addition, PAN fiber is expensive and can vary depending on international oil price fluctuations. Therefore, research into environmentally friendly and inexpensive precursors is necessary.

셀룰로오스는 목재나 비목재로부터 얻어지는 지구상에서 가장 풍부한 유기 물질이면서, 가장 오래된 탄소섬유의 전구체이지만, 수율 및 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 그럼에도 불구하고, 셀룰로오스계 탄소 섬유는 원료의 안정한 공급, 경제성 및 친환경성으로 인해 PAN계 탄소섬유 대신할 수 있도록 수율과 기계적 강도를 향상시키기 위한 연구가 계속되고 있다. Cellulose is the most abundant organic material on Earth obtained from wood or non-wood and is the oldest carbon fiber precursor, but has the disadvantage of low yield and mechanical strength. Nevertheless, research is continuing to improve the yield and mechanical strength of cellulose-based carbon fiber so that it can replace PAN-based carbon fiber due to the stable supply of raw materials, economic efficiency, and eco-friendliness.

탄소섬유의 전구체로 사용되는 셀룰로오스는 레이온 섬유와 라이오셀 섬유가 대표적이다. 레이온 섬유는 목재펄프의 섬유소를 재생하여 만든 재생섬유로서 알칼리화, 크산토겐산염화와 같은 복잡한 전처리공정이 동반되고 다양한 부산물이 발생된다. 한편, 라이오셀 섬유는 용제인 N-methylmorpholine-N-oxide(NMMO) 단독 또는 NMMO와 물을 혼합한 용액에 셀룰로오스를 직접 용해하여 얻어진 섬유로서, 단면이 동그랗고, 가늘고 긴 모양을 가진 섬유이다. 비교적 간단한 유기 용매 방사를 사용하므로 간단하고, 친환경적으로 제조가 가능하다. Cellulose used as a precursor for carbon fiber is representative of rayon fiber and lyocell fiber. Rayon fiber is a regenerated fiber made by regenerating the cellulose of wood pulp, and is accompanied by complex pretreatment processes such as alkalization and xanthogen acidification, and various by-products are generated. Meanwhile, Lyocell fiber is a fiber obtained by dissolving cellulose directly in the solvent N -methylmorpholine- N -oxide (NMMO) alone or in a solution of NMMO and water, and is a fiber with a round cross-section and a long, thin shape. Because it uses relatively simple organic solvent spinning, it can be manufactured simply and in an environmentally friendly manner.

다만, 라이오셀 섬유와 레이온 섬유와 같은 셀룰로오스는 탄소 수율과 강도가 매우 낮기 때문에, 탄소 섬유로 전환하기 전에 난연제 처리와 같은 전처리를 수행하여 왔다. However, since cellulose such as lyocell fiber and rayon fiber have very low carbon yield and strength, pretreatment such as flame retardant treatment has been performed before conversion to carbon fiber.

이에, 본 발명은 일실시예로서 셀룰로오스의 하나인 라이오셀계 섬유를 이용한 탄소섬유를 얻되, 탄소수율과 강도를 개선하기 위한 새로운 제조방법을 착안하게 되었다. Accordingly, the present invention, as an example, focused on a new manufacturing method to obtain carbon fiber using lyocell-based fiber, a type of cellulose, and improve carbon yield and strength.

선행문헌 : 한국등록특허공보 10-1138291(2012. 04. 13. 등록)Prior literature: Korean Patent Publication 10-1138291 (registered on April 13, 2012)

본 발명은 셀룰로오스를 이용하여 탄소섬유를 제조함에 있어서 탄소섬유의 물리적 강도와 탄화 수율을 높일 수 있는 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing carbon fiber using Lyocell fiber, which can increase the physical strength and carbonization yield of carbon fiber when manufacturing carbon fiber using cellulose.

본 발명은 셀룰로오스 기반의 라이오셀을 이용하여 탄소섬유를 얻기 위해 난연제 처리를 대신할 수 있는 새로운 처리방법을 포함하는 탄소섬유 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to provide a carbon fiber manufacturing method including a new treatment method that can replace flame retardant treatment to obtain carbon fiber using cellulose-based lyocell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

- 셀룰로오스 기반의 라이오셀 섬유에 그라프트 고분자 용액을 침지하는 단계(S1);- Step of immersing cellulose-based Lyocell fibers in a graft polymer solution (S1);

- 그라프트 고분자용액이 침지된 라이오셀 섬유에 방사선, 또는 가열을 통해서 그라프트화 하는 단계(S2);- Grafting Lyocell fibers immersed in a graft polymer solution through radiation or heating (S2);

- 그라프트화된 라이오셀 섬유를 건조하는 단계(S3);- Drying the grafted lyocell fibers (S3);

- 상기 건조된 라이오셀 섬유를 일정한 온도 구간에서 열안정화하여 난염화하는 단계(S4); 및- A step (S4) of thermally stabilizing the dried Lyocell fibers in a certain temperature range to make them non-flammable; and

- 상기 열안정화된 라이오셀 섬유를 고온에서 탄화하는 단계(S5)를 포함하는 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법이다. - A method of manufacturing carbon fiber using Lyocell fiber, including the step (S5) of carbonizing the heat-stabilized Lyocell fiber at high temperature.

본 발명은 셀룰로오스 기반의 라이오셀 섬유나 직물을 이용하여 탄소 섬유 또는 직물로 제조하기 위하여 방사선 또는 가열을 이용하여 라이오셀 섬유에 폴리아크릴아마이드를 그라프팅하고, 이후 열안정화 공정을 통해 간소화하고 빠른 시간 내에 섬유를 안정화시킴으로써, 탄소섬유의 물리적 강도와 탄화 수율이 현저하게 개선되었다. The present invention involves grafting polyacrylamide onto Lyocell fibers using radiation or heating to manufacture them into carbon fibers or fabrics using cellulose-based Lyocell fibers or fabrics, followed by a heat stabilization process to simplify and speed up the process. By stabilizing the fiber within the carbon fiber, the physical strength and carbonization yield of the carbon fiber were significantly improved.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이오셀계 탄소섬유 제조방법에 대한 간략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 라이오셀계 탄소직물 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 라이오셀 탄소섬유의 열중량 분석 (TGA) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 라이오셀 탄소섬유의 주사 전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 라이오셀 탄소섬유의 인장강도 측정값 그래프이다.
Figure 1 is a simplified diagram of a method for manufacturing lyocell-based carbon fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph of a Lyocell-based carbon fabric manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a thermogravimetric analysis (TGA) graph of Lyocell carbon fiber manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of Lyocell carbon fiber manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph of tensile strength measurements of Lyocell carbon fiber manufactured according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 셀룰로오스 기반의 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법의 바람직한 실시예는 기본적으로 다음과 같은 공정을 의한다. 여기서 라이오셀 섬유라 함은 라이오셀계 섬유 뿐만 아니라, 직물을 포함하는 것을 의미하고 탄화에 의해서 생성된 탄소섬유라 함은 탄소직물을 포함하는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유의 제조방법은 각 단계별 순서를 도 1에 도시하였고 이를 참조하여 설명한다.In the present invention, a preferred embodiment of the carbon fiber manufacturing method using cellulose-based Lyocell fiber basically follows the following process. Here, lyocell fiber means including not only lyocell-based fiber but also fabric, and carbon fiber produced by carbonization means including carbon fabric. The method of manufacturing carbon fiber using Lyocell fiber according to the present invention shows the sequence of each step in Figure 1 and will be described with reference to this.

- 셀룰로오스 기반의 라이오셀 섬유에 그라프트 고분자 용액을 침지하는 단계(S1);- Step of immersing cellulose-based Lyocell fibers in a graft polymer solution (S1);

- 그라프트 고분자용액이 침지된 라이오셀 섬유에 방사선 또는 가열을 통해서 그라프트화 하는 단계(S2);- Grafting Lyocell fibers immersed in a graft polymer solution through radiation or heating (S2);

- 그라프트화된 라이오셀 섬유를 건조하는 단계(S3);- Drying the grafted lyocell fibers (S3);

- 상기 건조된 라이오셀 섬유를 일정한 온도 구간에서 열안정화하여 난염화하는 단계(S4); 및- A step (S4) of thermally stabilizing the dried Lyocell fibers in a certain temperature range to make them non-flammable; and

- 상기 열안정화된 라이오셀 섬유를 고온에서 탄화하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법이다. - A carbon fiber manufacturing method using Lyocell fiber, characterized in that it includes the step (S5) of carbonizing the heat-stabilized Lyocell fiber at a high temperature.

상기 탄소섬유 제조방법에 대해서 아래의 일실시예를 통해서 구체적으로 설명한다. The carbon fiber manufacturing method will be described in detail through an example below.

- 1 단계(S1)는 셀룰로오스 기반의 라이오셀 섬유(또는 직물)를 가교제인 그라프트 고분자 용액에 침지하는 단계로서, 침지한 상태 그대로를 이용할 수 있으며 또는 롤러(roller) 등을 이용하여 라이오셀 섬유 또는 직물로부터 그라프트 고분자 용액을 적당량 제거한 상태를 이용할 수 있다. - Step 1 (S1) is a step of immersing cellulose-based Lyocell fibers (or fabrics) in a graft polymer solution, which is a crosslinking agent. The lyocell fibers can be used as is or by using a roller, etc. Alternatively, the state in which an appropriate amount of the graft polymer solution has been removed from the fabric can be used.

상기 그라프트 고분자 용액은 폴리아크릴아마이드, 아크릴산계 유도체, 메타크릴로니트릴, 메타크릴산글리시딜, 구연산. 에피클로히드린, 폴리에틸이민, 글루타알데하이드를 포함하는 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있으나, 바람직하게는 폴리아크릴아마이드 용액을 사용하며 본원 발명의 실시예로서 사용하였다. 폴리아크릴아마이드 용액은 0.005 중량%~ 4 중량% 일 수 있으나, 0.05 중량%~ 0.5 중량%인 것이 바람직하다. 0.05중량% 이하이면 그 효과를 나타내기 어렵고, 0.5중량% 이상이면, 점도가 증가하여 탄소섬유가 서로 엉겨붙게 되어 섬유의 분리가 곤란하게 된다. The graft polymer solution includes polyacrylamide, acrylic acid derivatives, methacrylonitrile, glycidyl methacrylate, and citric acid. One or more types may be selected from the group including epichlorhydrin, polyethylimine, and glutaraldehyde, but polyacrylamide solution is preferably used and was used as an example of the present invention. The polyacrylamide solution may be 0.005% by weight to 4% by weight, but is preferably 0.05% by weight to 0.5% by weight. If it is less than 0.05% by weight, it is difficult to show the effect, and if it is more than 0.5% by weight, the viscosity increases and the carbon fibers stick together, making it difficult to separate the fibers.

- 2단계는 상기와 같이 그라프트 고분자 용액이 침지된 라이오셀 섬유를 방사선 또는 가열을 통해서 그라프트화하는 단계이다. - Step 2 is a step of grafting the lyocell fibers immersed in the graft polymer solution through radiation or heating as described above.

상기 라이오셀에 고분자를 그라프트화하는 방사선으로는 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자빔, 자외선 및 X선 등을 사용할 수 있으며, 방사선 조사선량은 50 kGy ~ 500 kGy 일 수 있으나, 바람직하게는 100 kGy~300 kGy인 것이 적당하다. 한편 열에 의해서 그라프트화 하는 것은 80 ℃이상에서 가열하는 것이 바람직하다. Gamma rays, electron beams, ion beams, neutron beams, ultraviolet rays, and 300 kGy is appropriate. On the other hand, when grafting by heat, it is preferable to heat it at 80°C or higher.

- 방사선 조사 또는 가열에 의해서 그라프트화된 라이오셀 섬유를 건조하는 단계 (S3);- Drying the grafted lyocell fibers by irradiation or heating (S3);

폴리아크릴아마이드가 그라프트화된 라이오셀 섬유를 건조하는 단계로서, 그라프트화된 라이오셀 섬유는 초저온 냉동고에서 냉동 동결 건조를 하거나 자연, 실온, 가열 건조하는 것 중 어느 하나 선택하여 건조할 수 있으나, 바람직하게는 동결 건조하는 것이다.In the step of drying the lyocell fibers grafted with polyacrylamide, the grafted lyocell fibers can be dried by either freeze-drying in an ultra-low temperature freezer or natural, room temperature, or heat drying, but it is preferable. The best way is to freeze-dry it.

- 상기 건조된 라이오셀 섬유를 일정한 온도 구간에서 열안정화하는 단계 (S4); - Thermal stabilization of the dried Lyocell fiber in a certain temperature range (S4);

상기에서 건조된 라이오셀 섬유를 일정한 온도 구간에서 열안정화를 위한 열처리단계로서, 상기 열처리단계는 분당 1~10 ℃로 하여 200~300 ℃에서 30분에서 3시간 동안 수행할 수 있다. 상기 단계들을 통하여 라이오셀은 탄화공정을 수행하는데 적합한 분자구조를 갖추게 된다. This is a heat treatment step for heat stabilization of the dried Lyocell fiber in a certain temperature range. The heat treatment step can be performed at 200 to 300° C. for 30 minutes to 3 hours at 1 to 10° C. per minute. Through the above steps, Lyocell acquires a molecular structure suitable for performing the carbonization process.

- 상기 열안정화된 라이오셀 섬유를 고온에서 탄화하는 단계 (S5)를 포함한다.- It includes a step (S5) of carbonizing the heat-stabilized Lyocell fiber at high temperature.

상기 탄화단계는 불활성 분위기 가운데서 라이오셀 섬유 또는 직물을 탄화시키는 단계로서, 상기 탄화공정은 500~2500 ℃의 온도로 가열하여 진행되며, 승온속도는 분당 1~10℃로 하여 진행되되 1400 ℃이상 온도까지 승온하는 것이 바람직하다. 가급적 승온속도를 느리게 하는 것이 바람직하지만 승온속도가 너무 느리면 에너지 소비가 증가되는 문제가 있다. The carbonization step is a step of carbonizing lyocell fibers or fabrics in an inert atmosphere. The carbonization process is carried out by heating to a temperature of 500 to 2500 ℃, and the temperature increase rate is 1 to 10 ℃ per minute, but the temperature is 1400 ℃ or more. It is desirable to increase the temperature to . It is desirable to slow the temperature increase rate as much as possible, but if the temperature increase rate is too slow, there is a problem of increased energy consumption.

상기 단계들의 제조공정 중에서 그라프트화 농도, 방사선 조사량, 그리고 열안정화 온도 및 시간에 따라 라이오셀계 탄소섬유의 강도와 탄화수율이 결정된다. During the manufacturing process of the above steps, the strength and carbonization yield of the lyocell-based carbon fiber are determined depending on the grafting concentration, radiation dose, and heat stabilization temperature and time.

이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples only illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

<탄소섬유 비교 실시예><Carbon fiber comparative example>

- 폴리아크릴아마이드 용액을 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 그리고 4 중량% 농도로 준비하고 라이오셀 직물을 침지한 후 모두 동일하게 100kGy의 전자선량으로 조사하여 5가지의 샘플을 준비하였다. 본 비교 실시예에서는 용이한 탄소섬유의 제조를 위하여 라이오셀 직물을 사용하였다. - Polyacrylamide solutions were prepared at concentrations of 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, and 4% by weight, Lyocell fabrics were immersed, and all were equally irradiated with an electron dose of 100 kGy to prepare five samples. In this comparative example, lyocell fabric was used to easily manufacture carbon fiber.

- 전자선이 조사됨으로써 폴리아크릴아마이드가 그라프트화된 라이오셀 직물을 초저온 냉동고에서 얼린 후 동결 건조하였다.- Lyocell fabrics grafted with polyacrylamide by irradiation with electron beams were frozen in an ultra-low temperature freezer and then freeze-dried.

- 선택적으로 상기 건조된 샘플들은 분당 10℃로 승온한 후, 250 ℃에서 1시간 열안정화 하였다. - Optionally, the dried samples were heated at 10°C per minute and then thermally stabilized at 250°C for 1 hour.

- 열적 안정화단계를 거치지 않은 샘플들과 열적으로 안정화처리된 샘플들을 비교하기 위해서 각각에 대해서 질소분위기하에서 탄화하였다. 바람직하게는 분당 10 ℃의 승온속도로 1400 ℃까지 승온시키는 것이 강도를 크게 하는데 도움이 되지만, 위 실험에서는 1000 ℃까지 승온시킨 후 탄화하여 탄소직물을 제조하였다. - In order to compare samples that did not undergo a thermal stabilization step with those that were thermally stabilized, each was carbonized under a nitrogen atmosphere. Preferably, raising the temperature to 1400°C at a rate of 10°C per minute helps increase the strength, but in the above experiment, the carbon fabric was manufactured by raising the temperature to 1000°C and then carbonizing it.

- 그리고 이와 같은 공정에 의해서 제조된 각각의 라이오셀계 탄소직물에 대해서 비교실험하였다. - And a comparative experiment was conducted on each Lyocell-based carbon fabric manufactured through this process.

<탄소섬유 비교실험><Carbon fiber comparative experiment>

TGA 분석TGA analysis

방사선을 경유하여 폴리아크릴아마이드가 그라프트화되고, 열안정화된 직물의 탄화율을 알아보기 위하여 TGA 분석을 실시하였다. TGA analysis was performed to determine the carbonization rate of the fabric grafted with polyacrylamide via radiation and heat-stabilized.

도 3의 TGA분석 그래프에서 보이는 바와 같이, 그라프트화가 없는 기본 라이오셀 직물을 탄화하는 경우, 300 ℃에서 격하게 중량감소를 보이다가 600 ℃에서 완전한 중량 감소가 발생함을 알 수 있으며, 이는 탄화에 의해서 탄소섬유를 생성할 수 없음을 말한다. As shown in the TGA analysis graph of Figure 3, when carbonizing the basic lyocell fabric without grafting, it can be seen that the weight decreases sharply at 300 ℃ and then complete weight loss occurs at 600 ℃, which is due to carbonization. This means that carbon fiber cannot be produced.

반면, 폴리아크릴아마이드가 그라프화된 라이오셀 직물은 방사선 조사를 통해서 1000 ℃에서 탄화수율이 10%에서 20%까지 증가함을 보여주었다(도 3b 참조). On the other hand, Lyocell fabric grafted with polyacrylamide showed an increase in carbon yield from 10% to 20% at 1000°C through irradiation (see Figure 3b).

한편, 도 3c에서 보여주듯이 열처리에 의한 열안정화처리에 의해서 탄화수율이 증대됨과 함께 중량감소를 현저하게 완화할 수 있음을 알 수 있다. 예로 250℃에서 1시간동안 열처리한 후 TGA를 분석한 결과 탄화수율이 증가하고 중량감소가 완화되었는데, 특히 폴리아크릴아마이드가 증가할수록 40%에서 55%까지의 탄화수율이 증가하였고 중량감소도 350℃~ 650℃사이에서 서서히 나타났다. Meanwhile, as shown in Figure 3c, it can be seen that the carbonization yield can be increased and the weight loss can be significantly alleviated by heat stabilization treatment by heat treatment. For example, as a result of TGA analysis after heat treatment at 250℃ for 1 hour, the carbonization yield increased and the weight loss was alleviated. In particular, as the polyacrylamide increased, the carbonation yield increased from 40% to 55% and the weight loss also increased at 350℃. It appeared gradually between ~650℃.

2. SEM 이미지2. SEM image

도 4는 방사선을 경유하여 폴리아크릴아마이드가 그라프화 된 라이오셀 직물로부터 얻은 탄소 섬유의 단면과 표면의 사진이다. Figure 4 is a photograph of the cross-section and surface of a carbon fiber obtained from a lyocell fabric in which polyacrylamide was grafted via radiation.

이를 통해서, 0.5 중량% 이하의 폴리아크릴아마이드가 그라프화 된 라이오셀 직물로 얻은 탄소섬유들은 둥글고 단단한 단면과 매끈한 표면을 가지면서 섬유끼리 분리가 될 수 있음을 볼 수 있었으나, 1.0 중량 % 이상의 방사선을 경유하여 폴리아크릴아마이드가 그라프화된 라이오셀 직물의 단면은 대체로 둥글지만 표면은 폴리아크릴아마이드가 껍질이 벗겨지는 것처럼 보이거나 2 중량%나 4 중량% 경우 섬유끼리 붙어있음을 볼 수 있었다. 이는 섬유의 기계적 강도 값에 영향을 줄 것이라 예측이 되는 부분이다.Through this, it was shown that the carbon fibers obtained from Lyocell fabric with less than 0.5% by weight of polyacrylamide graphed had a round, hard cross-section and a smooth surface, and that the fibers could be separated from each other, but they did not emit more than 1.0% by weight of radiation. The cross-section of the Lyocell fabric to which polyacrylamide was graphed was generally round, but the surface appeared as if the polyacrylamide was peeling off, or in the case of 2% or 4% by weight, the fibers were seen to be attached to each other. This is expected to affect the mechanical strength value of the fiber.

3. 기계적 강도3. Mechanical strength

도 5는 방사선을 경유하여 폴리아크릴아마이드가 그라프트화된 라이오셀 직물로 얻은 탄소 섬유의 기계적 강도를 나타내었다. Figure 5 shows the mechanical strength of carbon fibers obtained from Lyocell fabric grafted with polyacrylamide via radiation.

폴리아크릴아마이드 0.5중량% 이하까지 그라프트화된 라이오셀의 탄소섬유는 농도가 증가할수록 강도값이 증가하여 0.5중량%의 폴리아크릴아마이드로 그라프트화된 라이오셀 탄소섬유의 강도 값은 1.39 GPa까지 나타내었다. The strength value of Lyocell carbon fiber grafted with less than 0.5% by weight of polyacrylamide increased as the concentration increased, and the strength value of Lyocell carbon fiber grafted with 0.5% by weight polyacrylamide showed up to 1.39 GPa. .

1.0중량% 폴리아크릴아마이드로 그라프트화된 라이오셀의 탄소섬유는 SEM이미지에서 보는 바와 같이 약간 높은 점도로 인하여 섬유를 분리하는 작업에서 손상을 받아 강도값이 감소하였다. As shown in the SEM image, the carbon fiber of Lyocell grafted with 1.0% by weight polyacrylamide was damaged during the fiber separation process due to its slightly high viscosity, and its strength value decreased.

한편 2중량%와 4중량% 폴리아크릴아마이드로 그라프트화된 라이오셀의 탄소섬유는 높은 점도로 인해 섬유의 붙음 현상이 발생하게 되고 한가닥 섬유를 추출할 수 없어서 강도 측정이 불가하였다. Meanwhile, the carbon fiber of Lyocell grafted with 2% by weight and 4% by weight polyacrylamide had high viscosity, which caused the fibers to stick together and single fiber strands could not be extracted, making strength measurement impossible.

Claims (10)

- 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유에 그라프트 고분자 용액을 침지하는 단계(S1);
- 그라프트 고분자용액이 침지된 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유에 방사선을 조사하거나 열을 가해 그라프트화하는 단계(S2);
- 상기 그라프트화된 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 건조하는 단계 (S3);
- 상기 건조된 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 일정한 온도 구간에서 열안정화하는 단계 (S4); 및
- 상기 열안정화된 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 고온에서 탄화하는 단계 (S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법으로서,
상기 그라프트 고분자는 폴리아크릴아마이드, 아크릴산계 유도체, 메타크릴로니트릴, 메타크릴산글리시딜, 구연산. 에피클로히드린, 폴리에틸이민, 글루타알데하이드를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
- Step (S1) of immersing cellulose fibers or cellulose derivative fibers in a graft polymer solution;
- A step (S2) of grafting cellulose fibers or cellulose derivative fibers immersed in a graft polymer solution by irradiating radiation or applying heat;
- drying the grafted cellulose fibers or cellulose derivative fibers (S3);
- Thermal stabilization of the dried cellulose fiber or cellulose derivative fiber in a certain temperature range (S4); and
- A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, comprising the step (S5) of carbonizing the heat-stabilized cellulose fiber or cellulose derivative fiber at high temperature,
The graft polymer includes polyacrylamide, acrylic acid derivatives, methacrylonitrile, glycidyl methacrylate, and citric acid. A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that it is one or more selected from the group including epichlorhydrin, polyethylimine, and glutaraldehyde.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계 S2의 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자 빔, 자외선 및 X선으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that the radiation in step S2 is selected from the group consisting of gamma rays, electron beams, ion beams, neutron beams, ultraviolet rays, and X-rays.
제1항에 있어서,
상기 단계 S2의 방사선 총 조사량은 50~500 kGy 인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that the total radiation dose in step S2 is 50 to 500 kGy.
제1항에 있어서,
상기 단계 S2에서 열에 의해서 그라프트화 하는 것은 80 ℃이상에서 가열하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that the grafting by heat in step S2 is heated at 80 ° C. or higher.
제1항에 있어서,
상기 단계 S3의 건조는 열건조, 자연건조 및 동결 건조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A carbon fiber manufacturing method using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that the drying in step S3 is any one selected from the group consisting of heat drying, natural drying, and freeze drying.
제1항에 있어서,
상기 단계 S2의 열처리 승온속도는 분당 1~10 ℃로 하여 200~300 ℃에서 30분에서 3시간 동안 진행되는 것을 특징으로 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A carbon fiber manufacturing method using cellulose fibers or cellulose derivative fibers, characterized in that the heat treatment temperature increase rate in step S2 is 1 to 10 ° C per minute and is carried out at 200 to 300 ° C for 30 minutes to 3 hours.
제1항에 있어서,
상기 단계 S5의 탄화는 승온속도를 1~10℃/min 으로 하여 500~2500 ℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing carbon fiber using cellulose fiber or cellulose derivative fiber, characterized in that the carbonization in step S5 is carried out at 500 to 2500 ° C. at a temperature increase rate of 1 to 10 ° C./min.
제1항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 탄소섬유 제조방법에 의해서 제조된 셀룰로오스계 탄소섬유.

A cellulose-based carbon fiber manufactured by the carbon fiber manufacturing method according to any one of claims 1, 4 to 9.

KR1020220174328A 2021-03-29 2022-12-14 A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber KR102662920B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220174328A KR102662920B1 (en) 2021-03-29 2022-12-14 A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210040200A KR102480304B1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber
KR1020220174328A KR102662920B1 (en) 2021-03-29 2022-12-14 A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210040200A Division KR102480304B1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230002184A KR20230002184A (en) 2023-01-05
KR102662920B1 true KR102662920B1 (en) 2024-05-03

Family

ID=83597059

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210040200A KR102480304B1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber
KR1020220174328A KR102662920B1 (en) 2021-03-29 2022-12-14 A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210040200A KR102480304B1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber

Country Status (1)

Country Link
KR (2) KR102480304B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102480304B1 (en) * 2021-03-29 2022-12-21 전주대학교 산학협력단 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102480304B1 (en) * 2021-03-29 2022-12-21 전주대학교 산학협력단 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09143824A (en) * 1995-11-21 1997-06-03 Toray Ind Inc Carbon fiber, its precursor and their production
KR101175329B1 (en) * 2007-09-07 2012-08-20 코오롱인더스트리 주식회사 Cellulose-based composition fiber, tire cord, and spinning oil
CA2714417C (en) * 2008-02-15 2014-08-12 Playtex Products, Llc Tampon including crosslinked cellulose fibers and improved synthesis processes for producing same
KR101138291B1 (en) * 2009-05-08 2012-04-24 국방과학연구소 Method for manufacturing Lyocell based carbon fiber and Lyocell based carbon fabric
KR101400674B1 (en) * 2012-10-08 2014-06-19 한국원자력연구원 Radiation biomolecules bacterial cellulose nanofibers and method of manufacture
KR101451384B1 (en) * 2013-09-17 2014-10-22 한국과학기술연구원 Method of preparing carbon fiber from wood waste including adhesive

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102480304B1 (en) * 2021-03-29 2022-12-21 전주대학교 산학협력단 A Manufacturing method of carbon fibers from lyocell fiber

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220134922A (en) 2022-10-06
KR102480304B1 (en) 2022-12-21
KR20230002184A (en) 2023-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. High-yield carbonization of cellulose by sulfuric acid impregnation
JP6050762B2 (en) Method for producing lignin fiber
KR102662920B1 (en) A manufacturing method of carbon fibers from cellulose fiber or cellulose derivative fiber
KR20150027757A (en) Method for producing carbon material using catalyst, and carbon material
CN105683428A (en) Activated carbon fiber and preparation method therefor
CN110714352B (en) Preparation method of self-supporting porous carbon fiber network material
RU2748442C2 (en) Method for production of carbon fibers from bioprecursors and produced carbon fibers
KR101327972B1 (en) Preparing method of stabilized carbon nano-fiber by radiation and thermal treatment, and the carbon nano-fiber prepared by the same method
KR101300162B1 (en) Natural fiber-based carbonaceous adsorbent and methode of manufacturing the same
JP2002038334A (en) Method for producing fine activated carbon fiber and fine activated carbon fiber produced thereby
CN105421042B (en) A kind of single green composite fibre of high-strength light high-ductility and preparation method thereof
KR101915439B1 (en) Method for manufacturing stiffness reinforcement products using carbon nano tube and stiffness reinforcement products manufactured by the same
JP6604118B2 (en) Method for producing carbon fiber sheet
JP6344795B2 (en) Method for producing lignin carbon fiber
Zhang et al. Crystal and thermal response of cellulose isolation from bamboo by two different chemical treatments
KR101716142B1 (en) Insoluble lignin nanofiber and method for menufactruing the insoluble lignin nanofiber
JP2016164313A (en) Method for producing carbon fiber woven fabric and carbon fiber woven fabric
CN109735966B (en) Method for preparing activated carbon fiber with hollow structure from wood fiber
CN111747747A (en) Preparation method, product and application of carbon-based material with bionic fractal structure based on shaddock peel
CN104843702A (en) Mat grass activated carbon and preparing method thereof
Kossakowski et al. Natural carbon fibres—An overview
Shu et al. Physical and mechanical properties of modified poplar veneers
KR102588215B1 (en) Carbon molding product derived from lignin and manufacturing method thereof
CN115787144B (en) High-flux preparation method of heteroatom doped active carbon fiber
DE102020119592B4 (en) Process for producing porous carbon fibers

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant