KR20060071628A

KR20060071628A - 활성탄소섬유의 질소함량 증대방법

Info

Publication number: KR20060071628A
Application number: KR1020040110283A
Authority: KR
Inventors: 김제영
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-06-27

Abstract

활성탄소섬유의 질소함량을 증대, 바람직하게는 10% 이상으로 증대하는 새로운 방법을 제안한다.

이를 위하여,

(1) 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 공기 중에서 230 ~ 260℃에서 4 ~ 5시간 가량 안정화하는 단계와;

(2) 상기 안정화한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 1 ~ 2몰의 수산화칼륨 용액에 1 ~ 2시간 침적하고, 70 ~ 80℃에서 건조하는 단계와; (분쇄 건조)

(3) 상기 건조한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 20 ~ 30ml/min의 암모니아가스 분위기 하에서 700 ~ 800℃에서 열처리하고, 물로 세척하여 활성탄소섬유에 묻은 수산화칼륨을 세척하는 단계;

로 이루어지는 활성탄소섬유의 질소함량 증대방법을 제공한다.

활성탄소섬유, 카본, 질소함량, 수산화칼륨, 암모니아

Description

활성탄소섬유의 질소함량 증대방법{a method of increasing the Nitrogen content in an active carbon fiber}

도 1은 본 발명에 관계되는 활성탄소섬유의 질소함량 증대방법의 실시 순서를 나타내는 플로챠트이다.

본 발명은, 활성탄과 같은 흡착제, 또는 전기화학 커패시터 등에 활용되는 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유를 원료로 하여 활성탄소섬유를 제조할 때, 그 구성요소 중 질소함량 증대방법에 관한 것이다.

일반적으로, 활성탄소섬유는 매우 다양한 용도를 가지며, 대표적으로 대기 중의 질소산화물을 제거하기 위하여 사용되거나, 전기화학 커패시터 등에도 활용되고 있다.

상기 활성탄소섬유는 폭넓은 활용 용도에 있어서, 그 활용 효율의 제고를 위한 다양한 연구가 진행 중에 있다. 그 중의 한 예로서 활성탄소섬유의 질소함량을 증대하는 방법이 보편화되어 있다. 질소함량이 클수록 활용 효율도 증대하기 때문 이다.

J. Mittal etc은 안정화된 탄소섬유를 불활성 분위기 하에서 열처리하는 경우에, 그 열처리 온도변화에 따른 활성탄소섬유의 질소함량에 대하여 보고하고 있는데, 안정화된 탄소섬유의 열처리 온도가 증가함에 따라 질소함량은 감소한다고 보고하고 있다. 하지만, 열처리 온도가 감소함에 따라 활성탄소섬유의 비표면적, 기공 분포도 등 활성탄소섬유의 물리적인 특성도 감소하게 된다.

이와 같이, 열처리 온도에 따라 활성탄소섬유의 질소함량과 물리적인 특성과는 상반된 관계를 보이므로, 이를 보완하기 위하여 열처리 분위기를 변경하여, 이산화탄소 및 스팀 분위기에서 열처리한 활성탄소섬유 제조법이 보고되고 있지만, 최종 활성탄소섬유의 질소함량을 10% 이상으로 올릴 수는 없었다.

종래의 방법 중에서, 열처리온도를 낮게 하는 방법에서는, 700℃에서 열처리한 활성탄소섬유의 질소함량은 4 ~ 5% 정도이고, 이산화탄소 및 스팀 분위기 하에서 열처리하여 제조하는 방법에서는, 700℃에서 열처리한 활성탄소섬유의 질소함량은 5 ~ 6.4% 정도에 불과하였다.

또한 열처리온도를 낮게 하여 열처리하게 되면, 활성탄소섬유의 비표면적 및 기공분포도가 나빠지게 되어, 활성탄소섬유의 활용도 면이 떨어지게 되어, 상품가치가 없어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 활성탄소섬유의 질소함량을 증대, 바람직하게는 10% 이상으로 증대하는 새로운 방법을 제안하고 자 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 활성탄소섬유의 질소함량 증대방법은,

(2) 상기 안정화한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 1 ~ 2몰의 수산화칼륨 용액에 1 ~ 2시간 침적하고, 70 ~ 80℃에서 건조하는 단계와;

로 이루어진다.

즉, 본 발명에서는 활성탄소섬유 제조방법 중에서 수산화칼륨에 의한 화학적인 활성화법을 이용하는 것으로서, 수산화칼륨으로 처리한 활성탄소를 암모니아 분위기 하에서 열처리하여 활성탄소섬유 중의 질소함량을 증대하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

(1) 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 공기 중에서 230 ~ 260℃에서 4 ~ 5시간 가량 안정화하는 단계;

폴리아크릴로니트릴 카본섬유가 활성탄소섬유로 전환되기 위해서는 카본섬유 를 구성하고 있는 성분 중에서 탄소를 제외한 성분을 제거하여야 한다. 이러한 전환 과정에는 탄소만을 남기는 과정도 중요하지만, 고온의 열처리 온도에서 내구성을 갖추기 위한 공정도 중요하다. 이를 위해서는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유를 공기 중에서 안정화시키는 것이 가장 단순하고 경제적인 방법이다. 이때의 안정화 조건으로는 230 ~ 260℃에서 4시간 내지 5시간 정도면 충분하다.(불융화처리)

(2) 안정화한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 1 ~ 2몰의 수산화칼륨 용액에 1 ~ 2시간 침적하고, 70 ~ 80℃에서 건조하는 단계;

안정화한 폴리아크로니트릴 카본섬유 표면에 수산화칼륨 용액 중의 칼륨이온이 균일하게 흡착할수 있도록 1 ~ 2시간 침적하여 활성화시켜서, 카본섬유 표면의 탄소와 칼륨이온간의 결합을 용이하게 하여, 카본섬유 표면에서의 마크로 기공형성을 촉진하게 된다.(분쇄)

한편, 수산화칼륨이 흡착한 카본섬유를 70 ~ 80℃ 이상에서 건조하게 되면, 카본섬유 표면에 흡착한 칼륨이온이 카본섬유 표면에 고정화되어 카본섬유와 칼륨이온간의 결합력으로 인하여 기공형성에 불리한 조건을 제공하게 된다.

여기서, 사용하는 수산화칼륨의 농도를 1 ~ 2몰로, 또한 침적 시간을 1 ~ 2시간으로 한정하는 이유는, 활성탄소섬유를 수산화칼륨용액에 침적할 때 수산화칼륨용액의 농도가 2몰 이상이고, 1시간 이상일 때에도, 활성탄소섬유에 묻는 칼륨입자가 한정적이어서, 수산화칼륨용액에 침적 후 건조한 활성탄소섬유의 무게변화는 거의 일정하다는 사실로부터, 수산화칼륨용액의 농도를 2몰 이상 및 침적시간을 2시간 이상으로 하여 침적하는 것은 경제적이지 못하고 비효율적이기 때문이다. 또 한 2몰 이상의 수산화칼륨이 묻은 카본섬유를 열처리하게 되면 전소하게 된다는 이유도 있다.

수산화칼륨 용액에 침적한 후 건조한 카본섬유를 암모니아 분위기에서 열처리하게 되면, 카본섬유 중에 함유되어 있는 카본과 칼륨이 서로 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소가 발생하게 되어, 기공을 형성하게 되며, 또한 칼륨은 카본 이외에도 질소, 산소 및 수소와 반응하여 질소산화물, 물(H₂O)을 생성하여, 열처리한 활성탄소섬유에는 순수한 카본으로만 존재하게 된다. 그러므로 질소 이외의 산소 및 수소는 열처리하여 칼륨과 반응하여 제거하며, 활성탄소섬유의 질소함량은 암모니아 분위기에서 열처리함으로써, 카본섬유에서의 손실 및 보충용으로 암모니아분위기를 유지함으로써, 질소함량을 증대할 수가 있었다.

여기서, 암모니아가스를 20 ~ 30ml/min으로 한정하는 이유는, 암모니아가스가 30ml/min 이상으로 유입되더라도 최종생성물인 활성탄소섬유 중의 질소함량은 변화하지 않았으며, 또한 온도에 대해서도, 열처리 온도가 증가하게 되면 활성탄소섬유의 질소함량은 감소하는 경향을 보여주기 때문에, 열처리 온도를 700 ~ 800℃로 한정한다.

이하, 본 발명에 대하여 실험결과인 실시예를 토대로 설명하고자 한다.

[실시예 1]

수산화칼륨용액의 농도를 변화시키고, 또한 침적시간을 변화시켰을 때, 건조한 안정화 탄소섬유의 최종무게변화를 관찰하였다.

수산화칼륨농도 (몰)	침적시간 (hr)	건조 후 카본섬유 무게 (g)
1	1	13.52
	2	13.56
	3	13.54
2	1	14.21
	2	14.25
	3	14.22
3	1	16.89
	2	16.98
	3	16.92

위의 테이블에서 보는 바와 같이, 일정농도의 수산화칼륨용액 농도에 대하여 침적시간이 증가하더라도 건조한 카본섬유의 무게변화는 거의 일정하게 되는 현상을 보여주기 때문에, 침적시간을 2시간 이상으로 하는 것은 불필요하다고 볼 수 있다.

한편, 수산화칼륨의 농도를 증가함에 따라 건조 후 카본섬유의 무게가 증가하는 경향을 보여주고 있는데, 이는 중간산물인 안정화한 카본섬유의 상태만을 보여줄 뿐이고, 다음 단계인 열처리과정을 거치게 되면, 3몰의 수산화칼륨용액에서는 카본섬유가 전소하게 되어, 최종산물인 활성탄소섬유를 얻을 수가 없었다.

[실시예 2]

1몰의 수산화칼륨용액에 1시간 침적 후 열처리 온도 및 암모니아가스의 유량에 따른 활성탄소섬유의 질소함량 변화를 보여주고 있다.

암모니아가스 유량 (ml/min)	열처리 온도 (℃)	질소 함량 (wt%)
0(불활성 분위기)	700	6.23
	800	6.02
	900	5.89
10	700	11.06
	800	11.01
	900	10.78
20	700	11.12
	800	11.08
	900	10.85
30	700	11.13
	800	11.09
	900	10.88

위 테이블에서 보는 같이, 일정한 암모니아가스 유량에 대하여 열처리 온도가 증가함에 따라 질소함량은 감소하는 경향을 보여주고 있는데, 이는 온도가 증가함에 따라 섬유에 묻은 칼륨이 촉매로 작용하여, 카본섬유 중의 질소가 손실되는 것으로 추측할 수가 있다.

또한, 불활성 분위기 하에서 열처리한 것보다는 암모니아가스 분위기에서 열처리하는 것이 2배 가량의 질소함량을 함유한 활성탄소섬유를 제조할 수가 있었다.

한편, 일정한 열처리온도에 대하여, 암모니아가스 유량이 증가함에 따라 다소 증가하는 경향을 보여주고 있지만, 암모니아가스 유량이 20ml/min 이상일 때는 질소함량이 거의 일정함을 보여주고 있다. 그러므로 암모니아가스 유량을 20ml/min 이상으로 하는 것은 비경제적이라고 할수 있다.

[실시예 3]

2몰의 수산화칼륨용액에 1시간 침적 후 암모니아가스의 유량을 10ml/min로 하고, 열처리 온도변화에 따른 활성탄소섬유의 질소함량 변화를 보여주고 있다.

열처리 온도 (℃)	질소함량 (wt%)
700	10.96
800	10.87
900	10.78

위 테이블에서 보는 바와 같이, 일정한 수산화칼륨 용액에 침적한 후 열처리 온도가 증가하게 되면, 질소함량이 감소하는 것을 보여주고 있는데, 이는 열처리 온도 증가는 수산화칼륨과 섬유 중의 질소가 반응하여 질소함량이 감소하는 것으로 추측할 수가 있다. 그러므로 동일한 조건에서는, 열처리 온도를 낮게 유지하는 것이 질소함량을 증대하는 최적의 방법이다.

이상, 실시예 및 실험예에 기하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위 내에서 균등하다고 인정되는 약간의 변형을 할 수 있지만, 이러한 경우에도 본 발명의 범위에 속하는 것은 자명하다.

동일성 범주에 속하는 본 발명에서 구체적으로 설명하지 않은 부수적 기술에 대해서는 이미 관용화되어 있는 어떠한 기술도 적용될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 활성탄소섬유의 질소함량을 증대시키는 방법에 의하면, 종래의 방법인 열처리온도를 낮게 하거나(700℃에서 열처리한 활성탄소섬유의 질소함량은 4 ~ 5%), 이산화탄소 및 스팀 분위기 하에서 열처리하여 제조한 활성탄소섬유(700℃에서 열처리한 활성탄소섬유의 질소함량은 5 ~ 6.4%)에 비하여, 150 ~ 200% 가량의 질소함량을 가지는 활성탄소섬유를 제공할 수가 있다.

따라서, 본 발명에서 제조한 질소함량을 많이 함유한 활성탄소섬유는, 대기중 질소산화물 흡착제거 및 전기화학 커패시터 등에 있어서, 고효율, 고성능이므로, 의료, 군사, 심해, 우주산업 등에 널리 활용이 가능하다.

Claims

활성탄소섬유의 질소함량을 증대시키는 방법에 있어서,

(1) 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 공기 중에서 230 ~ 260℃에서 4 ~ 5시간 가량 안정화하는 단계와;

(2) 상기 안정화한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 1 ~ 2몰의 수산화칼륨 용액에 1 ~ 2시간 침적하고, 70 ~ 80℃에서 건조하는 단계와; (분쇄 건조)

(3) 상기 건조한 폴리아크릴로니트릴 카본섬유를 20 ~ 30ml/min의 암모니아가스 분위기 하에서 700 ~ 800℃에서 열처리하고, 세척하는 단계;

로 이루어지는 활성탄소섬유의 질소함량 증대방법.