KR20010039114A - 피치계 탄소섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유 축 방향으로 미세 중공부들이 불규칙하게 형성되어 있으며, 섬유단면 직경이 3~15㎛인 피치계 탄소섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 탄소섬유를 용융방사시 핏치 칩과 열가소성수지 칩을 혼합(Blending)하는 방법으로 제조한다. 본 발명의 피치계 탄소섬유는 섬유 축 방향으로 미세중공부를 갖고 있어서 활성화 공정을 거친후 필터, 오일흡수재 등으로 사용시 여과 및 흡착 성능이 매우 우수하다.

Description

피치계 탄소섬유 및 그의 제조방법 {A pitch type carbon fiber, and a process of preparing for the same}

본 발명은 피치계 탄소섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

탄소섬유는 여러 물성이 우수하여 복합재료 보강재, 활성탄소섬유, 리튬 2차 전지 활물질, 건축재 및 단열재 등으로 널리 사용될 수 있지만, 가격이 비싸며 극세섬유화 공정도 복잡하여 그 용도가 제한되고 있는 실정이다.

피치계 탄소섬유를 제조하는 종래 기술은 아래와 같다.

먼저 중질유나 콜타르를 열처리 혹은 중합하여 연화점이 240~280℃ 정도인 섬유 프리커서 핏치를 제조한 다음, 이들을 용융방사하여 핏치섬유를 제조한다. 계속해서 1~5℃/분의 승온속도로 250~300℃까지 온도를 상승하면서 상기 핏치섬유를 1~2시간 처리하여 이들을 안정화 시킨다.

이와 같이 안정화 처리된 섬유를 알곤 등의 불활성 기체 분위기하에서 700~3000℃의 온도로 처리(탄화)하여 피치계 탄소섬유를 제조한다. 상기 탄화공정은 최종제품의 용도에 따라 1~3회 반복 할수 있다.

이와 같은 종래 기술에서는 용융방사되는 핏치섬유를 통상의 권취기구를 사용하여 권취하기 때문에 장치 및 공정이 복잡할 뿐만 아니라 섬유의 극세화에도 한계가 있는 문제가 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 용융분사 방식(Melt Blown Process)으로 핏치섬유를 제조하는 방법도 일부 제안되고 있다. 용융분사 방식이란 폴리머가 토출되는 구금 양측에서 일정 압력의 열풍이 가스노즐을 통해 함께 토출되는 방식이다. 이 경우 권취기구를 생략할 수 있고 섬유를 보다 극세화 할 수 있는 장점은 있지만, 제조된 섬유 축 방향으로 미세중공부들이 형성되지 않아 섬유의 기공성 및 활성이 낮고, 중공부들로 인한 섬유극세화 효과도 기대할 수 없는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 섬유 축 방향으로 미세중공부들이 불규칙하게 형성된 피치계 탄소섬유를 제공하기 위한 것이다. 아울러 본 발명은 보다 간단한 공정 및 장치를 이용하여 상기 피치계 탄소섬유를 높은 수율로 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 섬유 단면상에 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성되어 기공성이 우수하며, 섬유직경이 5~20㎛인 극세 피치계 탄소섬유를 제공하고자 한다. 또한 본 발명은 상기 피치계 탄소섬유를 보다 간단한 공정 및 장치에 의해 높은 수율로 제조할 수 있는 제조방법도 제공하고자 한다.

도 1은 주사 전자현미경으로 촬영한 방사 직후 핏치섬유 단면사진 이다.

도 2는 주사 전자현미경으로 촬영한 안정화공정 후 탄소섬유 단면사진 이다.

도 3은 주사 전자현미경으로 촬영한 탄화공정 후 탄소섬유 단면사진 이다.

본 발명은 섬유 축 방향으로 미세중공부들이 형성되어 기공성 및 활성이 매우 우수한 극세 피치계 탄소섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로 본 발명은 섬유 축 방향으로 형성된 미세 중공부들이 섬유단면상에 불규칙하게 분포되어 있고, 섬유단면 직경이 5~20㎛인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유에 관한 것이다.

또한 본 발명은 섬유프리커서 핏치를 용융방사하여 핏치섬유를 제조한 다음 이를 안정화 및 탄화시켜 피치계 탄소섬유를 제조함에 있어서, 상기 용융방사시 핏치 칩 90~99.9중량%와 열가소성수지 칩 0.1~10중량%를 혼합함을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유의 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명은 섬유프리커서 핏치로 제조된 칩(Chip) 90~99.9중량%와 열가소성 수지로 제조된 칩(Chip) 0.1~10중량%를 익스터루더에 각각 투입하여 이들을 혼합(Blending)하고, 이들의 혼합물을 일반 용융방사 또는 용융분사 방사한다. 이때 용융분사 방사하는 것이 방사공정과 장치를 간소화 할 수 있고, 섬유의 극세화도 용이하여 더욱 바람직 하다.

용융분사 방식은 방사노즐 양측에 형성된 가스노즐로 부터 고속 열풍을 분사시켜, 방사노즐로 부터 토출된 고분자와 분사된 열풍이 만나는 점에서 드래그 포스(Drag Force)를 형성시켜 극세섬유를 제조하는 방법이다.

용융분사 방사의 경우 권취기구를 설치할 필요없이 방사되어 나오는 피치섬유를 그대로 수집채에 받을 수 있다. 이는 피치섬유의 양호한 고화성능에 기인한다. 열가소성 수지 칩으로는 폴리올레핀계 수지 칩, 폴리아미드계 수지 칩, 폴리에스테르계 수지 칩 등을 사용 할 수 있으나, 원가측면에서 폴리올례핀계 수지 칩을 사용하는 것이 바람직 하다.

이와 같이 방사된 피치섬유의 단면은 도 1과 같이 피치 칩 성분과 올레핀계 수지 칩 성분이 서로 섞여 있는 상태가 된다. 이때 매트릭스 성분은 피치 칩 성분이 되고 분산 성분은 열가소성 수지 칩 성분이 된다. 이때 분산 성분의 함량이 너무 적으면 최종 제품상 기공형성 효과가 저하되고 매트릭스 성분의 함량이 너무 적으면 탄소섬유 수율이 저하된다.

다음으로 상기 피치섬유를 안정화 처리한다. 안정화 공정은 1~5℃/분의 승온속도로 온도를 250~300℃까지 서서히 승온시킨 후, 계속해서 1~2시간 동안 상기 피치 섬유를 안정화 하는 것이 바람직 하다.

섬유단면 상에 존재하는 분산성분(예 : 폴리올레핀 수지 등) 중 일부는 상기 안정화 및 탄화 공정에서 제거된다. 그 결과 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 부분적으로 형성된다. 상기 안정화 공정은 계속되는 탄화공정에서 섬유가 완전히 용융소실되는 것을 방지하기 위한 목적으로 실시한다.

계속해서 안정화 공정을 거친 피치계 탄소섬유를 알곤 등의 불활성 기체 분위기 하에서 700~3000℃ 고온으로 탄화처리해야 한다. 이때 승온온도는 2~5℃/분 정도가 적당하다.

상기 탄화처리에 의해 섬유상에 존재하는 분산성분은 완전히 제거되고, 그 결과 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성된다. 상기 탄화처리 공정의 온도 및 시간은 탄소섬유의 최종용도에 따라 적절하게 조정하는 것이 바람직 하다.

이와 같이 제조된 본 발명의 피치계 탄소섬유 단면을 주사 전자현미경(SEM)으로 관찰해 보면, 섬유 축 방향으로 미세중공부들이 불규칙하게 형성되어 있다. 이들 중공부들은 분산성분이 안정화 및 탄화공정에 의해 제거되면서 형성된 것이다. 섬유단면 직경은 5~20㎛로 통상의 방법으로 제조한 섬유보다 매우 가늘다. 분산성분이 안정화 및 탄화공정에서 제거되기 때문에 섬유의 극세화가 별도의 복잡한 장치 없이도 가능해진 것으로 판단된다.

본 발명의 피치계 탄소섬유는 섬유 축 방향으로 중공부들이 형성되어 기공성 및 활성이 매우 우수하다. 그 결과 필터, 여과재 및 흡착재 등으로 매우 유용하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 아래 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

섬유 프리커서 핏치로 제조된 칩 92중량%와 폴리올레핀 수지로 제조된 칩 8중량%를 익스터루더에 각각 투입·혼합하고, 이들 혼합물을 용융분사 방식으로 방사하여 피치섬유를 제조한다. 계속해서 상기 피치섬유를 3℃/분의 승온속도 온도를 300℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 1시간 30분 동안 열처리(안정화)한다. 계속해서 안정화된 탄소섬유를 알곤 존재하에서 1000℃에서 1시간 동안 열처리(승온속도 4℃/분)하여 탄화시켜 최종 탄소섬유를 제조한다.

제조한 피치계 탄소섬유를 주사 전자현미경으로 관찰해 본 결과 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성되어 있었고, 섬유 단면직경은 8㎛ 였다.

실시예 2

섬유 프리커서 핏치로 제조된 칩 94중량%와 폴리올레핀 수지로 제조된 칩 6중량%를 익스터루더에 각각 투입·혼합하고, 이들 혼합물을 용융분사 방식으로 방사하여 피치섬유를 제조한다. 계속해서 상기 피치섬유를 3℃/분의 승온속도 온도를 300℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 1시간 30분 동안 열처리(안정화)한다. 계속해서 안정화된 탄소섬유를 알곤 존재하에서 1000℃에서 1시간 동안 열처리(승온속도 4℃/분)하여 탄화시켜 최종 탄소섬유를 제조한다.

제조한 피치계 탄소섬유를 주사 전자현미경으로 관찰해 본 결과 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성되어 있었고, 섬유 단면직경은 9㎛ 였다.

실시예 3

섬유 프리커서 핏치로 제조된 칩 92중량%와 폴리에스테르 수지로 제조된 칩 8중량%를 익스터루더에 각각 투입·혼합하고, 이들 혼합물을 용융분사 방식으로 방사하여 피치섬유를 제조한다. 계속해서 상기 피치섬유를 3℃/분의 승온속도 온도를 300℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 1시간 30분 동안 열처리(안정화)한다. 계속해서 안정화된 탄소섬유를 알곤 존재하에서 1000℃에서 1시간 동안 열처리(승온속도 4℃/분)하여 탄화시켜 최종 탄소섬유를 제조한다.

제조한 피치계 탄소섬유를 주사 전자현미경으로 관찰해 본 결과 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성되어 있었고, 섬유 단면직경은 10㎛ 였다.

본 발명의 피치계 탄소섬유에는 섬유 축 방향으로 미세한 중공부들이 불규칙하게 형성되어 있어서 기공성 및 활성이 매우 우수하고, 섬유 직경이 더욱 가늘어지는 효과도 있다. 본 발명의 제조방법은 공정 및 장치가 간편할 뿐만 아니라 수율이 매우 높고, 섬유의 극세화도 더욱 용이하다.

Claims (4)

1. 섬유프리커서 핏치를 용융방사하여 핏치섬유를 제조한 다음 이를 안정화 및 탄화시켜 피치계 탄소섬유를 제조함에 있어서, 상기 용융방사시 핏치 칩 90~99.9중량%와 열가소성수지 칩 0.1~10중량%를 혼합함을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유의 제조방법.
2. 1항에 있어서, 열가소성수지 칩이 폴리올리핀수지 칩, 폴리아미드수지 칩 또는 폴리에스테르수지 칩 인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유의 제조방법.
3. 1항에 있어서 용융분사(Melt Blown) 방식으로 방사함을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유의 제조방법.
4. 섬유 축 방향으로 형성된 미세 중공부들이 섬유단면상에 불규칙하게 분포되어 있고, 섬유단면 직경이 5~20㎛인 것을 특징으로 하는 피치계 탄소섬유.