KR102687569B1 - 탄소섬유 전구체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연신 섬유를 제1 산화 안정화 반응시켜 산소함량이 6 중량% 이상인 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계를 포함하는 탄소섬유 전구체의 제조방법에 관한 것으로서, 상술한 방법으로 제조된 탄소섬유 전구체는 섬유의 단면 균일도가 개선될 수 있다.
Description
본 발명은 탄소섬유 전구체의 제조방법에 관한 것으로서, 섬유의 단면 균일도가 개선된 탄소섬유 전구체의 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유는 총 중량에 대하여 탄소 원소가 90 중량% 이상인 섬유 형태의 탄소 재료로서, 아크릴로니트릴계 중합체, 석유계·석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(pitch) 또는 레이온으로부터 제조된 탄소섬유 전구체를 불활성 분위기에서 열분해하여 얻어지는 섬유를 의미한다.
탄소섬유의 제조 과정에서는 연신 섬유 등을 대기분위기에서 열처리하는 산화 안정화 공정이 필수적이다. 산화 안정화 공정을 거치며 연신 섬유의 C≡N 삼중결합이 깨지면서 처음의 사슬 구조에서 이웃한 탄소원자끼리 육각 구조로 연결되는 고리화 과정을 거치게 되고, 이로 인해 탄소섬유 전구체가 제조된다. 탄소섬유 전구체는 열에 안정적인 내염성을 가지게 되고, 고온의 탄화공정 과정에서 용융되거나 분해되지 않고 결정구조를 잘 유지할 수 있다. 또한, 탄소섬유 전구체는 탄소섬유의 물성에도 큰 영향을 주게 된다.
산화 안정화 공정은 탄소섬유의 소성 공정 중 가장 긴 시간이 필요하며 일반적으로 60 내지 120분의 히트 존(heat zone) 체류시간이 필요하다. 따라서 시간 당 생산량을 늘리고 열 에너지에 의한 비용을 줄이기 위해 경제적인 관점에서 산화 안정화 공정 속도를 향상시키는 것이 중요하다. 간단한 가속화 방법으로는 산화 안정화 공정의 온도를 높이는 방법이 있는데, 온도를 높이고 산화 안정화 속도를 빠르게 할 경우 외부에서 일어나는 산화반응의 정도가 내부에서 일어나는 정도와 달라 섬유의 직경 방향으로 불균일을 초래할 수 있다.
따라서 산화 안정화 공정에서 속도를 빠르게 하면서도 섬유의 단면 균일성을 높이는 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 섬유의 단면 균일도가 개선된 탄소섬유 전구체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 연신 섬유를 제1 산화 안정화 반응시켜 산소함량이 6 중량% 이상인 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계; 및 상기 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계를 포함하는 탄소섬유 전구체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 탄소섬유 전구체의 제조방법에 따르면, 섬유의 단면 균일도가 개선된 탄소섬유 전구체를 제공할 수 있다. 또한, 단면 균일도가 개선된 탄소섬유 전구체를 이용하면 탄화 과정에서 섬유 중심부의 고리화된 탄소구조의 훼손이 최소화되어 섬유의 직경 방향으로 균일한 강도를 가지는 탄소섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 전구체의 제조방법에서 이용된 산화안정화 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 3은 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 두번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 1의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 2의 예비 탄소섬유의 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 7은 비교예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 8은 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 9는 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 첫번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 10은 비교예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 2는 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 3은 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 두번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 1의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 2의 예비 탄소섬유의 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 7은 비교예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 8은 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 9는 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 첫번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 10은 비교예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 예비 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유 전구체의 산소함량은 열분해법을 이용한 원소분석기(Elemental Analyzer, 제조사: Thermo flash, 모델명: Flash EA 1112)로 측정할 수 있다. 구체적으로는 SOP ‘AC-SP-0026-1’에 따라 원소분석기를 안정화시킨 후, 은 샘플 홀더(Ag sample holder)에 시료를 적정량, 구체적으로는 1.3 내지 1.4 mg으로 채취하여 담은 뒤 원소분석기에 넣고 고온, 구체적으로는 700 내지 900 ℃에서 열분해를 일으킨다. 시료가 열분해되면서 발생되는 가스를 포집한 후, 가스 크로마토그래피로 산소 원자의 함량을 정량 분석하여 얻을 수 있다.
본 발명에서 스킨-코어 구조 형상은 섬유의 단면상에서 지름 방향으로의 구조적 불균일로 인해 중심부와 외곽부의 음영차이와 경계가 뚜렷하게 관찰되는 형상을 의미한다. 이러한 구조는 주로 섬유 표면으로부터 내부로 공급되는 산소의 확산 속도가 느리거나 섬유 중심부에서 발생한 열의 제거가 원활하지 않은 환경에서 두드러지게 형성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 전구체의 제조방법은 1) 연신 섬유를 제1 산화 안정화 반응시켜 산소함량이 6 중량% 이상인 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계; 및 2) 상기 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 전구체의 제조방법을 따르면, 오존의 투입 시기를 예비 탄소섬유 전구체의 산소함량이 6 중량% 이상인 시점으로 조절함으로써, 산화 안정화 반응이 섬유의 내부 및 외부에서 균일하게 일어나 섬유의 단면 균일도가 보다 개선될 수 있다. 또한, 섬유의 단면 균일도가 개선됨으로써, 탄소섬유 전구체가 탄화되었을 때 섬유의 직경 방향으로 균일한 기계적 물성을 낼 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 전구체의 제조방법을 상세하게 설명한다.
1) 단계
먼저, 연신 섬유를 제1 산화 안정화 반응시켜 산소함량이 6 중량% 이상인 예비 탄소섬유 전구체를 제조한다.
상기 연신 섬유는 아크릴로니트릴계 연신 섬유, 피치계 연신 섬유 및 레이온계 연신 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 이 중 아크릴로니트릴계 연신 섬유가 바람직하다.
상기 예비 탄소섬유 전구체는 산소함량이 6 중량% 이상이고, 바람직하게는 6 중량% 내지 8 중량%, 보다 바람직하게는 6.4 중량% 내지 7.4 중량%이다. 상술한 범위를 만족하면, 예비 탄소섬유 전구체가 스킨-코어 구조 형상을 갖더라도, 탄소섬유 전구체는 스킨-코어 구조 형상을 갖지 않을 뿐만 아니라 섬유의 단면 균일도도 우수할 수 있다. 또한, 직경 방향으로 섬유의 인장강도 균일성이 개선된 탄소섬유를 제조할 수 있다. 상술한 범위 미만이면, 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하여도 스킨-코어 구조 형상의 탄소섬유 전구체가 제조된다. 이와 같이 탄소섬유 전구체의 단면 균일도가 저하됨에 따라, 탄소섬유의 중심부 구조 훼손이 커지고 기계적 물성이 저하된다.
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는, 상기 연신 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 다른 4개 이상의 온도 구간에서 수행될 수 있다.
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는, 제1 온도구간을 상기 연신 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도로부터 45 ℃ 이내의 온도로 설정하고, 상기 제2 온도구간 내지 제4 온도구간은, 상기 제1 온도구간에서 설정된 온도를 기준으로 순차적으로 3 ℃ 내지 20 ℃ 높게 설정될 수 있고, 5 ℃ 내지 15 ℃ 높게 설정될 수 있다.
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는, 215 ℃ 내지 230 ℃인 제1 온도구간, 230 ℃ 내지 245 ℃인 제2 온도구간, 240 ℃ 내지 255 ℃인 제3 온도구간 및 245 ℃ 내지 260 ℃인 제4 온도구간에서 순차적으로 수행될 수 있다. 바람직하게는 217 ℃ 내지 227 ℃인 제1 온도구간, 232 내지 242 ℃인 제2 온도구간, 242 내지 252 ℃인 제3 온도구간 및 248 ℃ 내지 258 ℃인 제4 온도구간에서 순차적으로 수행되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제1 내지 제4 온도구간은 각각 상이한 온도로 설정된다.
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계에서, 온도 설정은 생산성과 품질의 측면에서 중요하다. 일반적으로, 높지 않은 온도에서 오랜 시간 안정화 공정을 진행하면 섬유가 열에 의해 손상될 가능성은 줄어들지만, 그만큼 공정 시간이 오래 걸리기 때문에 시간을 단축하기 위해서는 공정 온도를 높게 유지해야 한다. 그러나, 시간을 줄이기 위해 과도하게 온도가 높아질 경우 산화 안정화 공정 중에 용융, 연소 등에 의한 섬유 물성 저하가 일어날 수 있다. 따라서, 상술한 조건을 만족하면, 산화 안정화 반응 시간을 단축할 수 있으면서, 각 온도구간 별로 동일한 발열 현상이 나타날 수 있고, 온도구간을 통과함에 따라 내염성이 선형적으로 증가할 수 있다.
한편, 상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계에서 소요되는 전체 시간에 대하여, 상기 제1 온도구간에서 20 % 내지 40 %, 제2 온도구간에서 20 % 내지 40 %, 제3 온도구간에서 20 % 내지 40 % 및 제4 온도구간에서 5 % 내지 25 %로 시간이 소요될 수 있으며, 상기 제1 온도구간에서 25 % 내지 35 %, 제2 온도구간에서 25 % 내지 35 %, 제3 온도구간에서 25 % 내지 35 % 및 제4 온도구간에서 7 % 내지 20 %로 시간이 소요되는 것이 바람직하다. 상술한 조건을 만족하면, 산화 안정화 반응 시간을 단축할 수 있으면서, 각 온도구간 별로 동일한 발열 현상이 나타날 수 있고, 온도구간을 통과함에 따라 산화 안정화 물성이 선형적으로 증가할 수 있다. 또한, 상술한 산소함량을 만족하는 예비 탄소섬유 전구체가 제조될 수 있다.
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 전체 산화 안정화 반응시간에 대하여, 70 % 내지 95 % 또는 75 내지 92 %가 경과한 시점까지 수행될 수 있으며, 이 중 75 내지 92 %가 경과한 시점까지 수행되는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족하면, 산소함량이 6 중량% 이상인 예비 탄소섬유 전구체가 제조될 수 있다. 또한, 예비 탄소섬유 전구체가 스킨-코어 구조 형상을 갖더라도, 제2 안정화 반응에 의해 탄소섬유 전구체는 스킨-코어 구조 형상을 갖지 않으며, 섬유의 단면 균일도가 개선될 수 있다.
여기서, 전체 산화 안정화 반응시간은 제1 및 제2 산화 안정화 반응시간의 합 또는 제1 내지 제3 산화 안정화 반응시간의 합을 의미할 수 있다.
2) 단계
이어서, 상기 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조한다.
상기 제1 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면, 오존이 열분해되며 산소 라디칼, 산소 단원자, 산소 이원자 등 다양한 활성 산소종들이 생성된다. 상기 산소 라디칼은 화학 반응에 대한 활성화 에너지가 낮아 반응성이 좋으며, 따라서 쉽게 예비 탄소섬유 전구체와의 반응에 참여하여 산화 안정화 반응을 일으키게 된다. 상기 산소 단원자의 경우 높은 반응성과 확산속도를 가져 섬유의 내부 영역까지 깊숙이 침투하여 반응하는 것이 가능하고, 스킨-코어 구조 형상의 예비 탄소섬유 전구체를 하나의 구조 형상을 갖는 탄소섬유 전구체로 제조할 수 있게 한다.
상기 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 245 내지 260 ℃ 또는 248 ℃ 내지 258 ℃인 온도 구간에서 수행될 수 있으며, 이 중 248 ℃ 내지 258 ℃인 온도 구간에서 수행되는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족하면, 스킨-코어 구조 형상을 갖는 예비 탄화섬유 전구체를 하나의 구조 형상을 갖는 탄소섬유 전구체로 제조할 수 있다.
한편, 상기 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 상기 제2 산화 안정화 반응 후에 오존을 투입하지 않고, 제3 산화 안정화 반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<산화 안정화 장치의 준비>
도 1에 도시된 산화 안정화 장치를 이용하여 산화 안정화 공정을 수행하였다.
도 1을 참조하면, 상기 산화 안정화 장치에는 크릴(10), 제1 내지 제3 드라이브 롤러(21, 22, 23), 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34), 가이드 롤러(40), 오존발생기(50), 및 와인더(60)가 구비되어 있다.
상기 크릴(10)은 지관에 감겨있는 연신 섬유를 거치하며 스프링을 통해 일정한 저항력을 유지하면서 섬유를 풀어준다. 상기 제1 내지 제3 드라이브 롤러(21, 22, 23)는 상기 크릴(10), 제2 오븐(32) 및 제4 오븐(34)으로부터 나오는 연신 섬유를 원하는 속도로 주행시킬 수 있는 다수개의 회전축과 구동 모터로 이루어져 있다. 상기 제1 드라이브 롤러(21)는 상기 크릴(10)과 제1 오븐(31) 사이에 위치하며, 상기 제2 드라이브 롤러(22)는 상기 제2 오븐(32) 및 제3 오븐(33) 사이에 위치하고, 상기 제3 드라이브 롤러(23)은 상기 제4 오븐(34)과 와인더(60) 사이에 위치한다. 상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)은 연신 섬유가 출입하는 개구부가 존재하며, 내부에 히터와 팬을 구비하여 열풍 순환 방식을 통해 일정한 온도로 유지된다. 또한, 상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)에는 상기 연신 섬유의 산화 안정화 반응 중 생성되는 반응 가스를 외부로 배출시킬 수 있는 오븐 배기관(36)이 구비된다. 상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)의 섬유 히트존의 총 길이는 4.5 m이고 섬유 히트존은 3개의 패스로 이루어져 있으며, 각각의 패스의 길이는 1.5 m이다. 상기 가이드 롤러(40)는 상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)과 연결되어 주행되는 연신 섬유를 가이드한다. 상기 오존 발생기(50)는 산소가 포함된 가스를 원료로 하여 고전압의 방전을 통해 오존이 포함된 가스를 배출하였다, 상기 오존 발생기(50)에는 생성된 오존 포함 가스를 상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)의 내부까지 공급하는 오존 투입관(51)이 연결되어 있다. 그리고 상기 오존 투입관(51)에는 오존을 섬유 주행부에 분사하는 오존 가스 분사 수단(52-1, 52-2, 52-3)이 구비되어 있다. 상기 와인더(60)는 상기 제4 오븐(34)을 통과한 탄소섬유 전구체를 회수한다.
실시예
및
비교예
PAN계 연신 섬유를 도 1에 도시된 장치를 이용하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 제1 내지 제4 오븐(31 내지 34)에 순차적으로 주행시키면서 제1 산화 안정화 반응시켜 예비 탄소섬유 전구체를 제조하였다. 상기 예비 탄소섬유 전구체의 산소함량을 측정하였다. 그리고, 하기 표 1에 기재된 조건으로 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조하였다. 이때, 상기 제1 내지 제4 오븐을 주행하는 섬유에 가해진 장력은 800 gF이었다.
한편, 하기 표 1에 기재된 상기 제1 오븐(31)의 섬유 주행속도는 상기 제1 드라이브 롤러(21)의 속도, 상기 제2 오븐(32)의 섬유 주행속도는 상기 제1 및 제2 드라이브 롤러(21, 22)의 속도의 평균값, 상기 제3 오븐(33)의 섬유 주행속도는 제2 드라이브 롤러(22)의 속도, 상기 제4 오븐(44)의 섬유 주행속도는 상기 제2 및 제3 드라이브 롤러(22, 23)의 속도의 평균값이었다.
상기 제1 내지 제4 오븐(31, 32, 33, 34)의 체류시간은 하기 식으로 산출하였다.
체류시간(초): (각각의 오븐의 섬유 히트존의 길이(m)) / (각각의 오븐의 섬유 주행 속도(m/min)) × 60
실험예
1
실시예 및 비교예의 예비 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유 전구체의 산소함량을 하기에 기재된 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
산소함량(중량%): 열분해법을 이용한 원소분석기(Elemental Analyzer, 제조사: Thermo flash, 모델명: Flash EA 1112)로 측정하였다. SOP ‘AC-SP-0026-1’에 따라 원소분석기를 안정화시킨 후 은 샘플 홀더에 시료를 1.35 mg 채취하여 담은 뒤 원소분석기에 넣고 800 ℃의 고온에서 열분해를 일으켰다. 시료가 분해되며 발생되는 가스를 포집하여 가스 크로그래피로 섬유 내부에 포함된 산소 원자의 함량을 정량 분석하였다.
실험예
2
실시예 및 비교예의 예비 탄소섬유 전구체 및 탄소섬유 전구체를 가위로 절단한 후, 글루건액(melted glue stick)에 함침시켜 굳혔다. 면도칼로 섬유의 축 방향과 수직으로 절단하였다. 광학 현미경(Optical Microscope, 제조사: Olympus, 모델명: BX51TRF)로 촬영하였고, 이들을 도 2 내지 도 10에 도시하였다.
도 2 내지 도 10에 대하여 구체적으로 설명하면, 하기와 같다.
도 2는 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 3은 실시예 1의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 두번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 1의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 2의 예비 탄소섬유의 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 7은 비교예 1의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 8은 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 9는 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입한 후 제4 오븐의 첫번째 가이드 롤러를 통과한 직후의 단면을 촬영한 사진이다.
도 10은 비교예 2의 탄소섬유 전구체의 단면을 촬영한 사진이다.
| 구분 | 종류 | 오존 투입여부 | 조건 | 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 1 |
| 예비 탄소섬유 전구체 제조 단계 |
제1 오븐 | × | 온도(℃) | 222 | 222 | 222 | 222 |
| 체류시간(초) | 600 | 600 | 600 | 600 | |||
| 섬유 주행속도 (m/min) |
0.450 | 0.450 | 0.450 | 0.450 | |||
| 제2 오븐 | × | 온도(℃) | 237 | 237 | 237 | 237 | |
| 체류시간(초) | 629 | 629 | 629 | 629 | |||
| 오존투입 여부 | × | × | × | × | |||
| 섬유 주행속도 (m/sec) |
0.429 | 0.429 | 0.429 | 0.429 | |||
| 제3 오븐 | × | 온도(℃) | 247 | 247 | 247 | 247 | |
| 체류시간(초) | 661 | 661 | 661 | 661 | |||
| 섬유 주행속도 (m/min) |
0.408 | 0.408 | 0.408 | 0.408 | |||
| 스킨-코어구조 | 미측정 | 미측정 | 미측정 | ○ | |||
| 산소함량 (중량%) |
미측정 | 미측정 | 미측정 | 5.2 | |||
| 제4 오븐 | × | 온도(℃) | 253 | 253 | 253 | - | |
| 체류시간(초) | 227 | 454 | 681 | - | |||
| 섬유 주행속도 (m/min) |
0.396 | 0.396 | 0.396 | - | |||
| 스킨-코어구조 | ○ | ○ | ○ | - | |||
| 산소함량 (중량%) |
6.4 | 7.2 | 6.8 | - | |||
| 탄소섬유 전구체 제조 단계 | 제4 오븐 | ○ | 온도(℃) | 253 | 253 | - | 253 |
| 체류시간(초) | 227 | 227 | - | 227 | |||
| 오존투입량 (g/hr) |
35 | 35 | - | 35 | |||
| 오존투입 수단 | - | - | - | 52-1 | |||
| 섬유 주행속도 (m/min) |
0.396 | 0.396 | - | 0.396 | |||
| 스킨-코어구조 | × | × | - | ○ | |||
| 산소함량 (중량%) |
6.9 | 7.7 | - | 6.6 | |||
| 제4 오븐 | × | 온도(℃) | 253 | - | - | 253 | |
| 체류시간(초) | 227 | - | - | 454 | |||
| 섬유 주행속도 (m/min) |
0.396 | - | - | 0.396 | |||
| 스킨-코어구조 | × | - | - | ○ | |||
| 산소함량 (중량%) |
7.8 | - | - | 7.6 |
표 1, 도 2 내지 도 10을 참조하면, 실시예 1 및 2의 예비 탄소섬유 전구체는 산소함량이 각각 6.4 중량% 및 7.2 중량%이었고, 스킨-코어 구조 형상이 관찰되었다. 하지만, 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시키자, 스킨-코어 구조 형상이 관찰되지 않고 산소함량이 각각 7.8 중량% 및 7.7 중량%인 탄소섬유 전구체가 제조되었다.
하지만, 오존을 투입하지 않고 제조한 비교예 1의 탄소섬유 전구체는 산소함량이 6.8 중량%이었고 스킨-코어 구조 형상이 관찰되었다.
산소함량이 5.2 중량%인 비교예 2의 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 산화 안정화 반응시켜 제조한 비교예 2의 탄소섬유 전구체는 스킨-코어 구조 형상으로 제조되었다.
이러한 결과로부터, 예비 탄소섬유 전구체의 산소함량이 6 중량% 이상일 때 오존을 투입하면서 산화 안정화 반응시켜야 섬유의 단면 균일도가 우수한 탄소섬유 전구체가 제조된다는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (7)
- 연신 섬유를 제1 산화 안정화 반응시켜 산소함량이 6 중량% 내지 8 중량%인 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계; 및
상기 예비 탄소섬유 전구체에 오존을 투입하면서 제2 산화 안정화 반응시켜 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계를 포함하는 탄소섬유 전구체의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 예비 탄소섬유 전구체는 산소함량이 6.4 중량% 내지 7.4 중량%인 것인 탄소섬유 전구체의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 서로 다른 4개의 온도 구간에서 수행되는 것인 탄소섬유 전구체의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 215 ℃ 내지 230 ℃인 제1 온도구간, 230 ℃ 내지 245 ℃인 제2 온도구간, 240 ℃ 내지 255 ℃인 제3 온도구간 및 245 ℃ 내지 260 ℃인 제4 온도구간에서 순차적으로 수행되는 것인 탄소섬유 전구체의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 예비 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 전체 산화 안정화 반응 시간에 대하여 70 % 내지 95 %가 경과된 시점까지 수행되는 것인 탄소섬유 전구체의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄소섬유 전구체를 제조하는 단계는 245 내지 260 ℃인 온도 구간에서 수행되는 것인 탄소섬유 전구체의 제조방법.
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