KR20050040872A - 전기방사에 의한 폴리아크릴로 나이트릴-폴리이미드 나노복합섬유 제조와 이를 이용한 나노 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조 방법 - Google Patents

전기방사에 의한 폴리아크릴로 나이트릴-폴리이미드 나노복합섬유 제조와 이를 이용한 나노 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극세 폴리아크릴로 나이트릴-폴리이미드 복합섬유 및 그를 이용한 탄소섬유, 활성탄소섬유 제조방법에 관한 것으로, 두 종류의 탄소섬유 전구체를 혼합, 방사용액을 제조한 다음, 상기 방사용액에 고전압(∼ 50kV)을 가하여 전기방사한 다음, 산화안정화 또는 이미드화 하여 불융화 섬유를 제조하고 이를 불활성 분위기에서 탄소화 내지는 공기 분위기 하에서 활성화하여 극세 탄소섬유 및 활성탄소섬유를 제조한다. 본 발명에서의 복합적인 성분으로부터 제조된 탄소섬유 및 활성 탄소섬유는 체적에 비해 비표면적이 매우 크기 때문에 전기이중층 슈퍼캐퍼시터용 전극소재, 연료전지용 전극소재, 복합재료용 보강소재, 촉매 지지체, 고성능 흡착소재 등으로 활용이 가능하다.

Description

전기방사에 의한 폴리아크릴로 나이트릴-폴리이미드 나노 복합섬유 제조와 이를 이용한 나노 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조 방법{Preparation method of polyacrylonitrile(PAN)/polyimide(PI) composite nano-fibers by electrospinning, and carbon fibers, activated carbon fibers therefrom}
본 발명은 탄소섬유 전구체인 polyacrylronitrile(PAN) 과 polyamicacid (PAA)를 혼합하고, 전기방사하여, 극세 복합섬유를 제조하고, 복합비에 따라 기계적인 물성 및 전기적인 특성을 제어함으로서 기능성이 있고 특수 목적에 사용할 수 있는 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조에 관한 것이다.
본 발명은 PAN과 PAA 혼합용액에 고전압을 가하여 극세 복합섬유를 얻고, 이를 산화안정화 내지는 이미드화하여 불융화 섬유를 만든 다음, 탄소화 및 활성화 처리하여 극세 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 용매에pyromeritic dianhydride (PMDA) 와 bezidine을 중합하여 PAA를 합성하고 거기에 DMF에 용해된 PAN용액을 중량비로 혼합하여 방사용액을 만들고, 여기에 고전압(∼50kV)을 가하여 직경 1 ㎛ 이하의 초극세의 복합섬유 웹을 제조한 후 공기 및 열에 의한 안정화 내지는 이미드화를 통해 불융화 섬유를 제조하고, 이를 탄소화 혹은 활성화를 하여 나노 탄소섬유 및 나노 활성탄소섬유 제조에 관한 것이다.
탄소섬유나 활성탄소섬유는 일반적으로 출발물질에 따라 polyacrylonitrile (PAN)계, 피치(pitch)계, 페놀(phenol)계 등으로 분류된다. 그 출발 물질들은 용액 및 용융 방사 방법에 의해 섬유 형태로 형성한 다음 산화성 가스 분위기에서 불융화 과정을 거친 후 불활성 분위기에서 탄소화하여 탄소섬유를 제조하거나, 불융화 섬유, 탄소섬유 등을 가스나 약품 등을 이용하여 활성탄소섬유를 제조한다. 이러한 재래적인 방사법에 의해 제조된 섬유는 직경이 5-50 ㎛ 내외의 것이 대부분이며, 직경이 상대적으로 크기 때문에 체적대비 비표면적이 낮으며, 낮은 굽힘강도에 의해 압축가공이 용이하지 않고, 전기이중층 캐패시터 전극으로 응용시 세공이 깊어서 이온의 흡착 및 탈착이 빠르지 않아 고출력 특성을 얻는 것이 곤란하다.
또한, 탄소섬유의 수율은 전구체 섬유의 탄소함량에 따라 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 레이온계 및 아크릴계 탄소함량은 보통 40-60％로 최종 탄소섬유 및 활성탄소섬유의 경우 수율이 피치계나 페놀, 폴리이미드(polyimide, PI) 계통에 비해 낮게 나타난다. 또한, 전기방사된 PAN계 탄소섬유의 경우 비표면적을 향상시키는 데도 출발물질의 구조에 의해 1500 ㎡/g 이상 얻는 것은 한계가 있었다.
폴리이미드는 반복 단위 내에 이미드 그룹을 함유하고 있는 열적 및 화학적 저항성이 매우 큰 고분자이다. 이러한 특성에도 불구하고 폴리이미드는 응용에 제한성을 가지는데 이는 폴리이미드가 용매나 열에 의해 불용, 불융하기 때문에 특정 형태로의 가공성이 떨어진다. 따라서 틀 리이미드는 극성용매를 사용하는 PAA 프리커서 용액 상태에서 특정한 형태로 가공한 후 열이나 화학적 방법에 의해 이미드 구조로 전환시켜준다. 이렇게 제조된 폴리이미드는 그의 특성에 기인하여 주로 필름 형태로 전기 전자용 내열 필름, 액정 배향막 소재, 반도체용 코팅소재, 성형부품용 소재 등으로 사용되어진다.
또한, 한국특허 공개 2003-0089657 에는 폴리아믹엑시드 (PAA)로부터 탄소섬유 및 활성탄소섬유를 제조하여 전기이중층 슈퍼캐퍼시터용 전극소재로 응용한 예가 제시되었으나, PAA 단독으로 전기방사할 경우 방사용액의 점도가 커 방사가 원활하게 진행되지 못하고 제조된 섬유의 직경도 3㎛ 내외의 것이 방사되는 단점이 있다.
이와 같이 지금까지 알려진 방법으로는 직경을 1㎛ 미만의 나노탄소섬유를 얻는데 원활한 방사성을 가지면서 체적대비 비표면적이 크고, 고탄소화 수율을 얻는 데는 한계가 있었다.
본 발명은 전기방사법에 의해 PAN/PAA복합섬유를 제조하고, 복합비에 따라 기계적인 물성 및 전기적인 특성을 제어함으로서 기능성이 있고 특수 목적에 사용할 수 있는 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조할 수 있다. 이를 이용한 높은 수율의 탄소섬유 및 체적대비 비표면적이 큰 활성탄소 나노섬유 제조하여 용도에 맞도록 특성화가 필요하다.
PAN은 우수한 탄소섬유 전구체 재료이면서도 출발물질의 원소조성에 기인한 낮은 탄소화 수율과 낮은 비표면적은 PAN계 탄소섬유가 피치계 및 페놀계에 비해 각종 흡착소재, 전기이중층 전극소재료로 응용하는데 한계가 있었다.
또한, 폴리이미드는 높은 열적, 화학적 안정성에도 불구하고 가공성이 좋지 않아 전구체 재료인 PAA로부터 섬유상보다는 주로 필름상으로 이용되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 전기방사 방법에 의해 탄소섬유 전구체 재료인 PAN과 PAA를 복합방사하여 체적대비 비표면적이 크고, 탄소화 수율이 향상된 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 디메틸포름아마이드(dimethylformamide,DMF) 용매에 pyromeritic dianhydrids (PMDA)와 bezidine을 중합하여 PAA를 합성하고 거기에 DMF에 용해된 PAN 용액을 중량비로 혼합하여 방사용액을 만들고, 여기에 고전압(∼50kV)을 가하여 직경 1 ㎛ 이하의 초극세의 복합섬유 웹을 제조한다. 얻어진 나노복합체 섬유를 공기분위기하에서 40-350 ℃의 온도에서 산화처리하거나 이미드화를 진행시켜 탈수, 폐환반응을 통해 방향족환으로 이루어진 불융성 PAN/PI 복합섬유 웹을 제조한다.
이렇게 제조된 복합섬유 웹을 불활성 가스 분위기하에서 500-1500 ℃로 탄소화하여 나노탄소섬유 웹을 제조한다. 또한 이미드화 내지는 산화안정화된 섬유나 탄소화된 섬유를 수증기, 이산화탄소, KOH, ZnCl2, 및 H3PO4 등의 산화성 가스나 탈루성 염류를 사용하여 600-1200℃ 온도범위에서 활성화하여 체적대비 높은 비표면적을 갖는 나노 활성탄소섬유 웹을 제조한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
PAN과 PAA를 각각 DNF에 10wt％용액을 제조, 혼합하여 혼합 중량비를 70:30(PAN:PAA)로 하여 방사용액을 제조하였다. 이 용액을 전기방사 하여 직경 500 nm 내외의 극세 나노복합체 섬유를 제조하였다 (도1). 얻어진 나노복합체 섬유는 공기중에서 상온으로부터 분당 1-5℃ 승온속도로 300 -350℃ 까지 산화처리와 동시에 이미드화하여 불융화 섬유를 얻었다. 얻어진 불융화 섬유는 불활성 분위기에서 100 - 1500℃ 까지 탄소화 하여 탄소섬유를 제조하였다(도2). 제조된 탄소섬유의 직경분포는 출발물질의 함량비율에 따라 평균 100 - 1000nm 범위의 직경분포를 갖는 것을 알 수 있었다(도3). 특히, PAA의 함량이 증가할수록 직경은 상대적으로 증가함을 알 수 있었고, PAA 단독으로 방사할 경우, 방사성이 좋지 않아 방사하는데 어려움이 있었으나, PAN과의 복합화에 의해 방사성이 크게 향상됨을 보였다.
실시예 2
PAN과 PAA를 각각 50:50 중량부로 용해하여 상기 실시예 1의 방법에 의해 나노복합체 섬유를 얻었다. 얻어진 나노복합체 섬유의 적외선분광 분석을 실시한 결과 PAN과 PAA는 반응을 하지 않고 단순히 복합화 되어 있음을 확인할 수 있었다(도4). 상기 나노복합체 섬유를 실시예 1의 방법과 동일하게 산화안정화, 탄소화하여 나노복합체 탄소섬유를 제조하였다 (도2). 1000℃에서 탄소화된 나노복합체 탄소섬유 웹의 벌크 전기전도도는 2-12 S/cm를 나타냈다 (도7).
실시예 3
PAN과 PAA를 70:30 중량부로 용해하여 방사용액을 제조하고 상기 실시예 1의 방법에 의해 산화안정화 또는 이미드화하여 탄소섬유를 제조하였다. 제조된 탄소섬유의 직경분포는 도 3과 같았고 1000℃에서 탄소화한 경우 탄소화 수율은 40-60％ 정도였으며, PAA의 함량이 증가할 수록 탄소화 수율도 증가하는 경향을 나타냈다 (도 6).
실시예 4
상기 실시예 1의 방법대로 제조된 나노복합체 섬유를 수증기와 질소 혼합가스를 사용하여 700-1000 ℃ 사이에서 활성화시켰다. 수증기와 질소 가스 비율은 0.1-95 volume ％로 유지하면서 상기 온도에서 10 - 240 분간 활성화하여 나노 활성탄소섬유 웹을 제조하였다. 이때 활성화에 의한 수율은 25-65 ％ 정도였으며, 웹을 구성하는 섬유의 평균직경은 100-500 nm였다. 질소 등온 흡착곡선(도 5)을 통한 나노 활성탄소섬유의 비표면적은 1,000-2,500 ㎡/g이었고 평균 기공 크기는 약 10-30 Å 이었다. 전구체 함량에 따른 700-900℃ 온도범위에서 활성화한 시료의 활성화 수율을 (표 1)에 나타냈다.
표 1. 나노복합체 활성탄소섬유의 전구체 함량에 따른 활성화 수율
본 발명은 전기방사법에 의해 PAN/PAA복합섬유를 제조하고, 복합비에 따라 기계적인 물성 및 전기적인 특성을 제어함으로서 기능성이 있고 특수 목적에 사용할 수 있는 탄소섬유 및 활성탄소섬유 제조할 수 있다. PAN/PAA의 복합비가 섬유의 직경, 방사성, 탄소화 섬유의 전기전도도, 활성화 속도 등에 영향을 주었으며, 이것은 극세 탄소섬유 및 활성 탄소섬유의 용도 및 특성화에 결정적인 요소가 된다.
본 발명에 의해 제조된 나노복합체 섬유는 체적대비 비표면적이 크고, 세공이 표면에 노출되어 있어 고용량·고효율의 슈퍼캐퍼시터(EDLC) 및 연료전지용 전극재로 이용이 가능하며, 고성능 흡착소재, 촉매담체 재료로도 응용이 가능하다. 또한, 각종 복합재료용 보강섬유, 필터소재, 의료부분 등 다양한 산업분야에서 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 폴리아크릴로 나이트릴, 폴리아믹애시드(PAA) 복합섬유의 주사 전자 현미경 사진
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 나노복합체 탄소섬유의 주사 전자 현미경 사진
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 나노복합체 섬유의 직경변화 그래프
도 4은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 나노복합체 섬유의 적외흡광 분광 분석한 그래프
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 나노복합체 활성탄소섬유의 77K에서 질소 등온 흡착 곡선
도 6는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 나노복합체 섬유의 탄소화 수율을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 나노복합체 탄소섬유의 전기전도도를 나타낸 그래프

Claims (5)

  1. PAN, PI 프리커서인 PAA 용액을 혼합, 전기방사에 의해 나노복합체 섬유 및 이를 이용한 산화안정화 또는 이미드화에 의한 불융화 섬유, 탄소화나 활성화에 의한 나노 탄나섬유 및 활성탄소섬유 제조에 관한 방법
  2. 제 1항에 있어서, PAN과 PAA 혼합용액으로부터 전기방사 방법에 의해 나노복합체 섬유 웹의 제조 방법
  3. 제 1항에 있어서, 전기방사 방법에 의해 제조된 나노복합체 섬유의 산화안정화 및 이미드화에 의한 불융화 섬유 제조 방법
  4. 청구항 1에 있어서, 불융화된 섬유의 탄소화에 의한 나노 탄소섬유 복합체 제조방법
  5. 청구항 1에 있어서, 전기방사에 의해 제조된 나노복합체 섬유의 산화안정화 내지는 이미드화 후 활성화 및 탄소화 후 활성화 방법에 의해 나노 활성탄소섬유 제조 방법
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