KR20080099632A - Method of sic micro tube with a controlled wall porosity and porous wall sic micro tube - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 의해 제조된 SiC 마이크로 튜브의 광학현미경 사진이다.1 is an optical micrograph of a SiC microtube manufactured by the present invention.
도 2a는 본 발명에서 제공하는 탄화규소 마이크로 튜브를 제조하는 공정을 나타낸 순서도이다. Figure 2a is a flow chart showing a process for producing a silicon carbide microtube provided in the present invention.
도 2b는 본 발명에서 제공하는 탄화규소 마이크로 튜브를 제조하는공정의 각 단계별 제품의 모습을 찍은 사진이다. Figure 2b is a photograph of the state of each step of the process for producing a silicon carbide microtube provided by the present invention.
도 3a는 본 발명의 제 2단계에서 폴리카보실란 섬유를 분위기가 조절된 전기로에서 245 도에서 열처리하는 동안에 열처리 시간에 따른 중량의 증가를 기록한 그래프이다. Figure 3a is a graph recording the increase in weight with the heat treatment time during the heat treatment of the polycarbosilane fibers at 245 degrees in an atmosphere-controlled electric furnace in the second step of the present invention.
도 3b는 본 발명의 제 2 단계인 안정화 단계에서 안정화 시간에 따라서 폴리카보실란 섬유의 산소농도의 분포를 EDS 로 분석한 결과이다. Figure 3b is the result of analyzing the distribution of oxygen concentration of polycarbosilane fiber by EDS according to the stabilization time in the stabilization step of the second step of the present invention.
도 3c는 직경이 240-250 마이크로미터인 폴리카보실란 섬유를 본 발명의 제 2 단계인 안정화 단계에서 정해진 시간별로 안정화 한 후 극성용매에서 용출하여 안정화 되지 않은 중심부를 용해하여 각각 벽의 두께가 다르게 조정한 폴리카보실란 튜브의 광학 현미경 사진이다. 3c is a polycarbosilane fiber having a diameter of 240-250 micrometers by stabilizing for a predetermined time in the stabilization step of the second step of the present invention and then eluted in a polar solvent to dissolve the unstabilized central portion to have different wall thicknesses It is an optical micrograph of the adjusted polycarbosilane tube.
도 3d는 위 도 3에 나타낸 단계에서 제조된 폴리카보실란 튜브를 건조한 후 1600 도에서 열처리 및 소결을 거친 후의 주사전자 현미경 사진이다. Figure 3d is a scanning electron micrograph after the heat treatment and sintering at 1600 degrees after drying the polycarbosilane tube prepared in the step shown in Figure 3 above.
도 3e는 안정화시간에 따른 폴리카보실란 튜브의 벽의 두께와 이들 폴리카보실란 마이크로튜브를 1600도에서 열처리하여 제조한 탄화규소질 마이크로 튜브의 벽의 두께를 나타낸 그래프이다. Figure 3e is a graph showing the thickness of the wall of the polycarbosilane tube with the stabilization time and the thickness of the wall of the silicon carbide microtube prepared by heat-treating the polycarbosilane microtube at 1600 degrees.
도 4a는 30 min 동안 200도에서 안정화하여 튜브의 두께를 60 마이크로미터로 정한 다음 1200, 1400, 1600, 1800 oC에서 열처리하여 제조한 SiC 마이크로 튜브의 주사전자 현미경 사진이다. 튜브의 두께가 약 45 마이크로미터로 소성 수축 하였다. 4A is a scanning electron micrograph of a SiC microtube prepared by stabilizing at 200 ° C. for 30 min to determine the thickness of the tube to 60 micrometers, followed by heat treatment at 1200, 1400, 1600, 1800 ° C. The thickness of the tube was plastic shrinkage to about 45 micrometers.
도 4a 와 4b는 30분 동안 크로스 링크 처리하여 튜브의 벽의 두께가 약 60 마이크론인 전구체 마이크로튜브를 각각 1200, 1400, 1600, 1800도의 아르곤 분위기에서 열처리하여 제조한 탄화규소 마이크로 튜브의 주사전자현미경 사진이다. 4A and 4B are scanning electron microscopes of silicon carbide microtubes prepared by heat-linking precursor microtubes having a thickness of about 60 microns in an argon atmosphere of 1200, 1400, 1600, and 1800 degrees, respectively, by cross-linking for 30 minutes. It is a photograph.
도 4c는 1200도에서 1800도까지 각 열처리온도에서 열처리된 SiC 마이크로 튜브의 비표면적을 측정한 BET 결과이다. Figure 4c is a BET result of measuring the specific surface area of the SiC microtubes heat-treated at each heat treatment temperature from 1200 to 1800 degrees.
도 4d는 온도별로 열처리하여 제조한 탄화규소질 마이크로튜브의 외벽, 내벽, 단벽 SEM 사진이다. Figure 4d is a SEM image of the outer wall, inner wall, single wall of the silicon carbide microtubes prepared by heat treatment at different temperatures.
도 4e는 1400도에서 열처리하여 제조한 탄화규소질 마이크로튜브의 벽에 형성된 나노기공의 분포를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 4e is a graph showing the results of measuring the distribution of nano-pores formed on the wall of the silicon carbide microtubes prepared by heat treatment at 1400 degrees.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 탄화 규소계 마이크로 튜브가 가스 분리에 사용되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 5 is a view schematically showing how a silicon carbide-based microtube manufactured according to the present invention is used for gas separation.
본 발명은 중공성 탄화규소질 마이크로 튜브를 제공하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리카보실란으로부터 유도된 섬유를 부분적으로 경화하여 경화되지 않은 부분을 용출하여 제거함으로써 중공성 섬유를 제조하고 이를 열처리하여 벽면의 기공의 크기와 기공율이 제어된 고성능의 탄화규소질 마이크로 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for providing a hollow silicon carbide microtube, and more particularly, to prepare a hollow fiber by partially curing the fiber derived from polycarbosilane to elute and remove the uncured portion. The present invention relates to a method for producing a high performance silicon carbide microtube in which the pore size and porosity of wall pores are controlled by heat treatment.
세라믹스질의 튜브상의 재료는 일반적으로 세라믹스 슬러리를 사용하여 오리피스가 형성된 압출다이를 통하여 압출하고 건조 소결하여 제조한다. 압출되는 오리피스와 다이의 크기에 따라서 다양한 크기의 튜브를 제조할 수 있으나 제조된 튜브의 크기는 주로 수 밀리미터 이상의 직경까지만 가능하며 마이크로 크기의 튜브를 제조하기에는 부적합하다. 또한, 폴리머와 세라믹스분말의 혼합물을 압출하여 튜브상으로 제조한 후 열처리 소성과정을 거치면서 부분적으로 기공이 형성된 마이크로 튜브를 제조하는 방법이 업계에 공지되어 있다. Ceramic-like tubular material is generally produced by extrusion through an orifice-forming extrusion die using a ceramic slurry and dry sintering. Depending on the size of the orifices and dies being extruded, tubes of various sizes can be produced, but the size of the tubes can be only up to several millimeters in diameter and is not suitable for producing micro-sized tubes. In addition, a method of manufacturing a microtube in which pores are formed by extrusion of a mixture of a polymer and a ceramic powder into a tube and then undergoing a heat treatment firing process is known in the art.
그러나, 이런 방법을 통하여 제조되는 세라믹스 튜브는 원료입자의 크기를 나노크기로부터 출발한다고 하여도 소결중의 입자의 성장과 함께 첨가된 폴리머의 열분해 휘발에 의해 형성되는 큰 기공이 남는 등 튜브의 나노구조를 조절하기가 쉽지 않다. However, the ceramic tube manufactured through this method has the nanostructure of the tube such that even if the size of the raw material particles starts from the nano size, large pores formed by the thermal decomposition volatilization of the added polymer with the growth of the particles during sintering remain. It is not easy to adjust.
이에 비하여, 열분해에 의하여 세라믹스로 전환되는 프리세라믹 폴리머를 이용 하여 이를 압출하고 열분해하여 마이크로 튜브를 제조하는 방법이 공지되어 있다. 공지된 방법은 폴리카보실란 혹은 폴리실록산에 카본이 첨가된 폴리머 수지를 다양한 오리피스를 통하여 압출하여 튜브상으로 제조한 후 이를 열처리하여 마이크로 튜브상으로 제조하는 방법이었다 (Paolo Colombo 등, Journal of american ceramic society, 86 [6] 1025-27 (2003)). 이처럼 프리세라믹 폴리머를 사용하여 마이크로 튜브를 제조하면 나노크기의 입자들로 이루어진 치밀한 벽을 가지는 마이크로튜브를 제조할 수 있으며 기계적 강도가 우수한 마이크로 튜브가 얻어지는 장점이 있다. In contrast, a method is known in which a microtube is produced by extruding and pyrolyzing a preceramic polymer which is converted into ceramics by pyrolysis. A known method is a method in which a polymer resin in which carbon is added to polycarbosilane or polysiloxane is extruded through various orifices to form a tube, and then heat-treated to produce a micro tube (Paolo Colombo et al., Journal of american ceramic society). , 86 [6] 1025-27 (2003). As such, when the microtube is manufactured using the preceramic polymer, the microtube having a dense wall made of nano-sized particles can be manufactured, and the microtube having excellent mechanical strength is obtained.
그러나 이런 경우에 마이크로 튜브의 벽과 중공의 크기를 조절하기 위해서는 별도의 오리피스를 확보해야하며, 중공의 크기와 벽의 두께를 독립적으로 제어하기가 어렵고 또한 보다 작은 중공성의 마이크로 튜브를 얻는 데는 한계가 있었다. In this case, however, separate orifices must be secured in order to control the size of the wall and the hollow of the microtube, and it is difficult to control the size of the hollow and the wall thickness independently, and there is a limit to obtaining a smaller hollow microtube. there was.
한편, 일본의 원자력연구원의 Masaki Sugimoto 등 (US Patent 6780370)은 폴리카보실란 섬유를 전자빔으로 안정화하여 표면을 국부적으로 안정화한 다음 이를 극성용매에 용해하는 방법으로 10-20마이크론크기의 외경을 가지는 마이크로 튜브를 제조하였다. 이들이 채택한 전자빔을 이용한 안정화 방법은 폴리카보실란에 산소의 혼입을 억제하여 결정질이 우수한 탄화규소질 마이크로튜브를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 그들이 사용한 섬유의 외경이 20마이크로미터 내외로 아주 작고, 또 고가의 전자빔 경화법을 이용하는 공정이 있으므로 이보다 큰 본 발명에서와 같은 100-500 마이크론 크기의 중공사의 제조방법에는 적합하지 않다. 또한, 상기의 공지된 탄화규소 튜브를 제조하는 방법에서는 튜브의 벽의 기공도를 조절하는 공정에 관한 것은 아직 알려진 바가 없다. On the other hand, Masaki Sugimoto et al. (US Pat. No. 6780370) of the Japan Atomic Energy Research Institute have a micro diameter having an outer diameter of 10-20 microns by stabilizing a polycarbosilane fiber with an electron beam to locally stabilize the surface and then dissolving it in a polar solvent. The tube was prepared. The stabilization method using electron beams has the advantage that silicon carbide microtubes with excellent crystallinity can be obtained by suppressing oxygen incorporation into polycarbosilane, while the outer diameter of the fibers used is very small, around 20 micrometers, Since there is a process using an expensive electron beam curing method, it is not suitable for the manufacturing method of the hollow yarn of 100-500 micron size larger than this invention. In addition, in the above known method of manufacturing a silicon carbide tube, it is not yet known about the process of controlling the porosity of the wall of the tube.
본 발명은 벽면의 비표면적이 크고 기공구조가 잘 발달되어 있으며 튜브 벽 두께가 자유롭게 조절 가능한 다공성 폴리카보실란 튜브 및 이로부터 제조되는 탄화규소계 튜브의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a porous polycarbosilane tube having a large specific surface area of the wall surface and a well-developed pore structure and having a freely adjustable tube wall thickness, and a method for producing a silicon carbide tube produced therefrom.
또한, 본 발명은, 협소한 기공 분포를 가지고, 기공크기가 작은 다공성 폴리카보실란 튜브 및 탄화규소계 튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide porous polycarbosilane tubes and silicon carbide-based tubes having narrow pore distribution and small pore sizes.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 폴리카보실란을 섬유상으로 압출하는 단계; 상기 섬유상 폴리카보실란 중심부에 비경화 영역을 형성하도록 산화분위기에서 열처리하여 상기 폴리카보실란의 표면으로부터 경화하는 단계; 및 상기 섬유상 폴리카보실란의 비경화 중심부를 극성 용매로 용해하여 중공을 형성하는 단계를 포함하는 폴리카보실란 튜브 제조 방법을 제공한다. The present invention to achieve the above technical problem, the step of extruding polycarbosilane into a fibrous form; Heat-treating in an oxidizing atmosphere to form an uncured region at the center of the fibrous polycarbosilane and curing from the surface of the polycarbosilane; And dissolving the uncured central portion of the fibrous polycarbosilane with a polar solvent to form a hollow.
본 발명에서, 상기 폴리카보실란은 폴리카보실란은 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리비닐카보실란 및 폴리메틸실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종을 포함할 수 있다. 또한 상기 폴리카보실란은 폴리알루미노카보실란일 수 있다. In the present invention, the polycarbosilane may include at least one polycarbosilane selected from the group consisting of polymethyl carbosilane, polymethylphenyl carbosilane, polyvinyl carbosilane, and polymethylsilane. In addition, the polycarbosilane may be polyaluminocarbosilane.
본 발명에서, 상기 섬유상 폴리카보실란은 직경이 50-500 마이크로미터일 수 있다.In the present invention, the fibrous polycarbosilane may have a diameter of 50-500 micrometers.
또, 본 발명에서 상기 경화 단계는 상기 폴리카보실란을 150-250도의 온도에서 열 처리 하는 것에 의해 수행될 수 있다. In addition, the curing step in the present invention may be carried out by heat treatment of the polycarbosilane at a temperature of 150-250 degrees.
또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 폴리카보실란 및 분자량 2000 이하의 저분자 폴리머의 혼합물을 섬유상으로 압출하는 단계; 상기 섬유상 폴리카보실란 중심부에 비경화 영역을 형성하도록 산화분위기에서 열처리하여 상기 폴리카보실란의 표면으로부터 경화하는 단계; 및 상기 섬유상 폴리카보실란의 비경화 중심부를 극성 용매로 용해하여 중공을 형성하는 단계를 포함하는 폴리카보실란 튜브 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises the steps of extruding a mixture of polycarbosilane and a low molecular weight polymer having a molecular weight of 2000 or less; Heat-treating in an oxidizing atmosphere to form an uncured region at the center of the fibrous polycarbosilane and curing from the surface of the polycarbosilane; And dissolving the uncured central portion of the fibrous polycarbosilane with a polar solvent to form a hollow.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 전술한 방법으로 제조된 폴리카보실란 튜브를 1050도 - 2000도에서 열처리하여 탄화규소 튜브를 제조하는 방법을 제공한다. In order to achieve the above another technical problem, the present invention provides a method for producing a silicon carbide tube by heat-treating the polycarbosilane tube manufactured by the above-described method at 1050 degrees-2000 degrees.
또 다른 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 길이방향으로 중공이 형성되고 직경이 50-500 nm이며, 다수의 기공으로 이루어지는 다공성 튜브로서, 상기 튜브의 기공은 반경이 10nm이하의 기공들로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공질 탄화규소계 튜브를 제공한다. In order to achieve another technical problem, the present invention is a porous tube consisting of a plurality of pores, the hollow is formed in the longitudinal direction and 50-500 nm in diameter, the pores of the tube is made of pores with a radius of less than 10nm A porous silicon carbide based tube is provided.
또 본 발명은 길이방향으로 중공이 형성되고 직경이 50-500 nm이며, 다수의 기공으로 이루어지는 다공성 튜브로서, 상기 튜브의 기공은 기공 반경에 대한 기공부피 변화율(dVp/drp)의 피크가 기공 반경이 5nm이하일 때에 존재하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소계 튜브를 제공한다.In addition, the present invention is a porous tube formed in the longitudinal direction and the diameter of 50-500 nm, a plurality of pores, the pores of the tube has a peak of pore volume change rate (dV p / dr p ) with respect to the pore radius It provides a porous silicon carbide-based tube, characterized in that present when the pore radius is 5nm or less.
본 발명에서 상기 마이크로 튜브의 직경은 전구체 폴리머를 압출하는 동안에 성형 되면서 방사하는 속도에 의해 결정되는데 대개 50마이크론에서 500 마이크론이며 바람직하게는 150-250 마이크론인 것이 좋다. In the present invention, the diameter of the microtube is determined by the rate of spinning while forming the precursor polymer while extruding the precursor polymer, which is usually 50 microns to 500 microns and preferably 150-250 microns.
본 발명에서 상기 경화 단계는 분위기가 조절되는 전기오븐에서 10분에서 24시간 150-250도의 온도범위에서 가열하여 실시할 수 있다. 바람직하게는 200 도에서 30분에서 2시간 동안 열처리하는 것에 의해 튜브의 벽 두께를 약 20마이크론에서 60마이크론까지 조절할 수 있다. The curing step in the present invention can be carried out by heating in a temperature range of 150-250 degrees for 10 minutes to 24 hours in an electric oven controlled atmosphere. Preferably, the wall thickness of the tube can be adjusted from about 20 microns to 60 microns by heat treatment at 200 degrees for 30 minutes to 2 hours.
본 발명의 상기 경화 단계를 거친 섬유는 극성인 용매, 즉, 톨루엔, 자일렌, 아세톤등의 용매에 1시간-24시간 용해하여 섬유의 코어부분의 용해성 성분을 용해해 낸다. 이 때 용해하기 전에 섬유의 끝 부분을 절단하여 안정화되지 않은 코어부분이 용매와 직접적으로 닿게 하는 것이 바람직하다. 용매에 담지하여 용출하는 시간은 6시간 내외가 좋다. The fiber that has undergone the curing step of the present invention is dissolved in a polar solvent, that is, toluene, xylene, acetone, or the like for 1 hour to 24 hours to dissolve the soluble component of the core portion of the fiber. At this time, it is preferable to cut the end of the fiber before dissolving so that the unstabilized core part is in direct contact with the solvent. The time for eluting on a solvent is good to be about 6 hours.
본 발명에서 상기 열처리 단계는 분위기가 조절되는 전기로에서 승온속도가 분당 1도에서 20도의 범위에서 아르곤, 진공, 혹은 아르곤과 수소가 혼합된 가스 분위기에서 1050-2000도 바람직하게는 1200도- 2000도 사이에서 열처리하는 것에 의해 달성된다. 특히, 본 발명에서 얻고자 하는 다공성인 벽을 가지는 마이크로 튜브를 제조하기 위해서는 본 공정에서의 열처리 조건이 중요하다. 다공성의 튜브를 얻기 위해서는 열처리 온도에서의 시간을 30분 - 4시간까지 조절하면서 섬유의 기공도와 결정립의 크기를 조절할 수 있다. 낮은 온도에서 짧은 시간 소결하면 다공성이 결여되면서 치밀한 SiOC질의 마이크로 튜브를 얻을 수 있고 중온에서 장시간 소결하면 기공의 크기와 결정립의 크기가 함께 성장하여 비표면적이 감소된 형태의 다공성 마이크로 튜브를 얻을 수 있고, 초고온에서 장시간 소결하면 완전 결정질이된 치밀질 마이크로 튜브를 얻게 된다. 따라서, 수소분리 등의 용도로 마이크로 튜브를 사용하기 위해서는 열처리 조건을 잘 조절 해야한다. In the present invention, the heat treatment step may be performed in an atmosphere-controlled electric furnace, in which the temperature increase rate is in the range of 1 to 20 degrees per minute in argon, vacuum, or a gas atmosphere in which argon and hydrogen are mixed, preferably 1050-2000 degrees, preferably 1200-2000 degrees. It is achieved by heat treatment in between. In particular, the heat treatment conditions in this process are important for producing a microtube having a porous wall to be obtained in the present invention. In order to obtain a porous tube, the porosity and grain size of the fiber can be controlled while controlling the time at the heat treatment temperature from 30 minutes to 4 hours. When sintering at low temperature for a short time, it is possible to obtain a fine SiOC-like microtube without porosity, and when sintering at a medium temperature for a long time, the pore size and grain size grow together to obtain a porous microtube with a reduced specific surface area. After prolonged sintering at very high temperatures, a dense microtube becomes fully crystalline. Therefore, in order to use the microtube for the purpose of hydrogen separation, the heat treatment conditions should be well controlled.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 의해 제조된 탄화규소 마이크로 튜브의 광학현미경 사진이다. 튜브의 외경은 섬유의 방사속도의 불균일성으로 인하여 편차를 보이고 있다. 튜브의 표면은 매끈하며 외경과 내경간의 튜브의 벽의 두께는 약 45마이크론으로 균일하였다. 1 is an optical micrograph of a silicon carbide microtube manufactured by the present invention. The outer diameter of the tube shows variation due to the nonuniformity of the spinning speed of the fiber. The surface of the tube was smooth and the wall thickness of the tube between the outer diameter and the inner diameter was about 45 microns uniform.
본 발명에서는 먼저, 분자량 2000-3000사이의 폴리카보실란, 폴리알루미노카보실란을 제조하였다. 폴리알루미노카보실란의 제조법에 관해서는 한국특허10-0684649 등에 제시된 방법을 사용할 수 있으며, 상용의 폴리카보실란을 사용할 수도 있다. 이어서, 분자량이 조절된 폴리카보실란을 압출기에 넣고 200-300도의 온도에서 용융한 후 500 마이크론의 원형 오리피스를 통하여 방사하였다. 방사된 섬유의 직경은 약 200-350 마이크론 내외였다. 방사된 전구체 섬유를 일정한 길이 5 cm로 절단하였고 절단된 섬유를 가지런히 하여 알루미나 도가니에 넣은 후 분위기가 조절된 전기오븐에서 200 도에서 250도사이의 온도에서 각각 10 분, 30분, 1시간 또는 2 시간 동안 열처리하였다. In the present invention, first, polycarbosilanes and polyaluminocarbosilanes having a molecular weight of 2000 to 3000 were prepared. Regarding the method for producing polyaluminocarbosilane, the method described in Korean Patent 10-0684649 may be used, and a commercially available polycarbosilane may be used. The molecular weight-controlled polycarbosilane was then placed in an extruder and melted at a temperature of 200-300 degrees and spun through a 500 micron circular orifice. The diameter of the spun fibers was around 200-350 microns. The spun precursor fibers were cut to a constant length of 5 cm, aligned and placed in the alumina crucible, and then 10 minutes, 30 minutes, 1 hour or 2, respectively, at a temperature between 200 and 250 degrees in an atmosphere-controlled electric oven. Heat treatment for a time.
열처리된 섬유는 열처리 시간과 온도에 따라서 표면에서부터 섬유의 안쪽방향으로의 산소농도가 점점 높아졌다. 열처리시간이 길어질수록 또는 열처리 온도가 높을 수록 폴리카보실란 섬유 내로의 산소의 혼입량이 증가하고 섬유의 안쪽방향으로의 산소의 확산깊이가 깊어졌다. 열처리에 의해 안정화된 폴리카보실란 섬유를 톨루엔 용액에 담그고 1시간에서 6시간 동안 충분히 용해하였다. 용해공정이 끝난 후 섬유를 용매로부터 분리하여 잘 건조하면 튜브상의 폴리카보실란 중공성 섬유가 얻어졌다. 이 때 안정화 온도가 높을수록 안정화 시간이 길수록 중공성 섬유의 중공벽의 두께가 20마이크론에서 90마이크론 까지 증가하였다. The heat-treated fibers gradually increased oxygen concentration from the surface to the inside of the fibers depending on the heat treatment time and temperature. The longer the heat treatment time or the higher the heat treatment temperature, the greater the amount of oxygen incorporation into the polycarbosilane fiber and the deeper the diffusion depth of oxygen into the fiber. The polycarbosilane fibers stabilized by heat treatment were soaked in toluene solution and sufficiently dissolved for 1 to 6 hours. After the dissolution step was completed, the fibers were separated from the solvent and dried well to obtain a tubular polycarbosilane hollow fiber. At this time, the higher the stabilization temperature, the longer the stabilization time, the thickness of the hollow wall of the hollow fiber increased from 20 microns to 90 microns.
도 2a는 본 발명에 따른 튜브 제조 공정을 도시하는 도면이다.2A is a diagram illustrating a tube manufacturing process according to the present invention.
도 2a를 참조하면, 폴리알루미노카보실란 전구체를 제조하고, 제조된 전구체를 압출기에 넣어서 용융압출 (200-300도 범위)하여 전구체 섬유를 제조하였다. 제조된 전구체섬유(precursor fiber)를 200-300도의 범위에서 분위기 조절된 전기오븐에서 열처리하면 분위기 중의 산소가 전구체섬유의 표면에서 반응하면서 크로스 링크(crosslinking)된다. 열처리온도와 시간의 증가에 따라 크로스 링크된 부분이 표면에서부터 섬유의 중심으로 확산되어 간다. 크로스 링크 된 전구체 섬유는 톨루엔 혹은 자일렌과 같은 극성용매에 용해하면 표면에서부터 깊이방향으로 크로스링크 된 정도의 차이가 있고 이는 용해도의 차이를 발생시킨다. 섬유의 중앙부는 산소와 반응된 정도가 낮으므로 쉽게 용출되나 표면부는 용해되지 않는 성질이 있다. 이처럼 용해도 차이를 이용하면 쉽게 수 센티미터 정도는 중앙부분을 용출해 낼 수 있다. 용출 처리 된 전구체섬유는 용매로부터 조심스럽게 분리하여 건조하고 건조된 섬유를 정해진 열처리조건에 따라서 1000시 이상의 고온으로 열분해 및 소결과정을 거치면 탄화규소질의 마이크로 튜브가 형성된다. Referring to FIG. 2A, a polyaluminocarbosilane precursor was prepared, and the precursor was prepared by melt extrusion (range 200-300 degrees) by putting the prepared precursor into an extruder. When the prepared precursor fiber is heat treated in an atmosphere-controlled electric oven in the range of 200-300 degrees, oxygen in the atmosphere is crosslinked while reacting on the surface of the precursor fiber. As the heat treatment temperature and time increase, the crosslinked portion diffuses from the surface to the center of the fiber. When crosslinked precursor fibers are dissolved in a polar solvent such as toluene or xylene, there is a difference in the degree of crosslinking from the surface to the depth direction, which causes a difference in solubility. The central part of the fiber is easily eluted because of the low degree of reaction with oxygen, but the surface part is insoluble. With this difference in solubility, it is easy to elute the center by a few centimeters. The eluted precursor fiber is carefully separated from the solvent, and the dried and dried fibers are pyrolyzed and sintered at a high temperature of 1000 hours or more according to predetermined heat treatment conditions to form silicon carbide microtubes.
도 2b는 이와 같은 일련의 공정을 사진으로 요약하여 정리한 것이다. 압출, 절단 및 안정화, 용출, 열처리 과정을 거쳐서 제조된 각 단계에서의 섬유를 모습을 나타내었다. 2b summarizes such a series of processes in photographs. Fibers at each stage produced through extrusion, cutting and stabilization, elution, and heat treatment were shown.
도 3a 내지 도 3e는 200도에서 300도 사이의 일정 온도에서 안정화처리 시간에 따른 전구체 섬유의 크로스 링크 공정을 이해하기 위하여 실험한 결과를 정리하여 나타내었다. 3a to 3e summarized the results of the experiment to understand the cross-link process of the precursor fiber according to the stabilization treatment time at a constant temperature between 200 to 300 degrees.
도3a는 245도 까지 10oC/min으로 승온하고 그 온도에서 10분, 3분, 120분, 360분 동안 유지할 때에 전구체 섬유의 중량 변화를 각 1회 씩 5회를 반복하여 측정한 결과이다. 이 때 섬유는 약 1cm의 길이로 절단하여 약 1 mg정도의 양을 알루미나 도가니에 넣고 TG-DT 측정장치에서 공기를 일정한 속도로 흘리면서 측정하였다. 매회 승온과 승온 후 등온공정에서 거의 중량증가 곡선이 일치하는 결과를 보여주었다. 전구체 섬유의 중량은 245도에서 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 6시간까지 열처리하는 동안에도 중량증가가 지속되었으나 중량증가의 정도가 포화되는 모습을 나타내었다. 6시간 열처리하였을 때 약 9% 정도의 중량증가가 관찰되었다. Figure 3a is a result of measuring the weight change of the precursor fiber five times each one at a time of heating up to 245 degrees at 10 o C / min and maintained at that temperature for 10 minutes, 3 minutes, 120 minutes, 360 minutes . At this time, the fiber was cut into a length of about 1cm and the amount of about 1 mg was placed in the alumina crucible and measured while flowing air at a constant speed in the TG-DT measuring apparatus. After each temperature increase and temperature increase, the weight increase curves were almost identical in the isothermal process. The weight of the precursor fiber tended to increase continuously at 245 degrees. The weight gain continued during the heat treatment up to 6 hours, but the weight gain was saturated. An increase in weight of about 9% was observed after 6 hours of heat treatment.
도 3b는 상기 245도의 안정화 열처리 공정을 거친 섬유를 조심스럽게 파단하여 편평한 파단면이 노출되도록 한 후 고분해능 주사전자현미경에 결합된 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 측정기를 사용하여 섬유의 단면의 지름방향으로 선상으로 X-선 분석을 실시하여 산소의 함량의 변화를 연속적으로 기록한 그래프이다. 도 3b의 (3b-1)은 안정화 시키지 않은 폴리알루미노카보실란의 파단면을 지름 을 따라(한 쪽 외각층에서 반대 쪽 외각층까지) 선형적으로 산소농도를 EDS 분석한 결과이다. (3b-2)는 10분 안정화 후 파단면을 지름을 따라 선형적으로 산소농도를 EDS 분석한 결과이다. (3b-3)은 30분 안정화 후 파단면을 지름을 따라 선형적으로 산소농도를 EDS 분석한 결과이다. (3b-4)는 1시간 안정화 후 파단면 지름을 따라 선형적으로 산소농도를 EDS 분석한 결과이다. (3b-5)는 2시간 안정화 후 파단면을 지름을 따라 선형적으로 산소농도를 EDS 분석한 결과이다. 구체적으로 살펴보면, 각각의 시료를 지름을 따라 10등분하여 다시한번 구체적인 산소의 량을 EDS를 이용하여 정확하게 분석하였다. 따라서 (1)과 (10)은 지름의 양단, (5)는 중심부를 뜻한다. Figure 3b is a diameter of the cross-section of the fiber using an EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) coupled to a high resolution scanning electron microscope after carefully breaking the fiber after the stabilization heat treatment process of 245 degrees to expose a flat fracture surface It is a graph which records the change of oxygen content continuously by performing X-ray analysis in the linear direction. (3b-1) of FIG. 3B is a result of EDS analysis of oxygen concentration linearly along the diameter (from one outer layer to the outer outer layer) of the fracture surface of unstabilized polyaluminocarbosilane. (3b-2) is the result of EDS analysis of oxygen concentration linearly along fracture diameter after 10 minutes of stabilization. (3b-3) is the result of EDS analysis of oxygen concentration linearly along fracture diameter after 30 minutes of stabilization. (3b-4) is the result of EDS analysis of oxygen concentration linearly along fracture diameter after 1 hour stabilization. (3b-5) is the result of EDS analysis of oxygen concentration linearly along the diameter of fracture surface after 2 hours stabilization. Specifically, each sample was divided into 10 equal parts along the diameter, and once again, the specific amount of oxygen was accurately analyzed using EDS. Therefore, (1) and (10) mean both ends of the diameter, and (5) means the center.
(3b-2)에서 (1)부터 (10)까지의 산소 농도 (몰비)는 18.65 (1), 16.67 (2), 12.52 (3), 10.78 (4), 8.87 (5), 8.12 (6), 8.33 (7), 10.77 (8), 15.19 (9), 18.36 (10) 이다. Oxygen concentration (molar ratio) from (1) to (10) in (3b-2) is 18.65 (1), 16.67 (2), 12.52 (3), 10.78 (4), 8.87 (5), 8.12 (6) , 8.33 (7), 10.77 (8), 15.19 (9), 18.36 (10).
(3b-3)에서 (1)부터 (10)까지의 산소 농도 (몰비)는 20.06 (1), 16.94 (2), 12.13 (3), 10.91 (4), 10.41 (5), 9.30 (6), 11.51 (7), 10.42 (8), 19.62 (9), 21.27 (10) 이다.Oxygen concentration (molar ratio) from (1) to (10) in (3b-3) is 20.06 (1), 16.94 (2), 12.13 (3), 10.91 (4), 10.41 (5), 9.30 (6) , 11.51 (7), 10.42 (8), 19.62 (9), 21.27 (10).
(3b-4)에서 (1)부터 (10)까지의 산소 농도 (몰비)는 17.88 (1), 16.44 (2), 14.52 (3), 11.95 (4), 11.40 (5), 12.63 (6), 13.04 (7), 15.14 (8), 16.70 (9), 18.93 (10) 이다.Oxygen concentrations (molar ratios) from (1) to (10) in (3b-4) are 17.88 (1), 16.44 (2), 14.52 (3), 11.95 (4), 11.40 (5), 12.63 (6) , 13.04 (7), 15.14 (8), 16.70 (9), 18.93 (10).
(3b-5)에서 (1)부터 (10)까지의 산소 농도 (몰비)는 18.64 (1), 18.04 (2), 15.10 (3), 12.49 (4), 10.33 (5), 9.81 (6), 12.09 (7), 14.80 (8), 16.74 (9), 18.11 (10) 이다.Oxygen concentration (molar ratio) from (1) to (10) in (3b-5) is 18.64 (1), 18.04 (2), 15.10 (3), 12.49 (4), 10.33 (5), 9.81 (6) , 12.09 (7), 14.80 (8), 16.74 (9), 18.11 (10).
압출기로부터 방사된 전구체 섬유는 표면에서부터 중심방향으로 다시 반대쪽 표면방향으로 일정한 수준의 산소농도를 보여주며 거의 대칭적인 산소농도를 나타내었다. 안정화 열처리 시간의 증가에 따라서 표면부의 산소의 농도가 대칭적으로 증가하고 약 2 시간 이상이 지나면 섬유의 중앙부분의 산소의 농도도 약 15 % 이상으로 증가하였다. Precursor fibers spun from the extruder showed a constant level of oxygen concentration from the surface to the center and back to the opposite surface direction, showing almost symmetrical oxygen concentration. As the stabilization heat treatment time increased, the oxygen concentration in the surface portion increased symmetrically, and after about 2 hours, the oxygen concentration in the central portion of the fiber also increased to about 15% or more.
폴리카보실란섬유의 산소가교결합의 증대에 의한 크로스 링킹이 확산됨에 산소의 농도가 증가하고 이에 따라서 전구체 섬유의 중량의 증가가 나타난 것임을 쉽게 이해할 수 있다. 그리고, 약 6시간 이상 열처리하게되면 크로스 링크가 포화되면서 산소의 농도가 섬유의 표면의 내외부에 관계없이 일정하게 유지되었다. It can be easily understood that the crosslinking caused by the increase of the oxygen crosslinking of the polycarbosilane fiber is diffused, so that the concentration of oxygen is increased and thus the weight of the precursor fiber is increased. When the heat treatment was performed for about 6 hours or more, the cross link was saturated, and the oxygen concentration was kept constant regardless of the inside and outside of the surface of the fiber.
산소가교결합에 의해 크로스 링크된 전구체 섬유는 산소의 농도의 차이에 의해서 극성용매에 대한 용해도 차이를 나타내었다. 도 3c는 10분, 30분, 60 분, 120분 동안 크로스 링크된 전구체 섬유를 톨루엔 용매에 넣고 6시간 동안 용해하고 난 후 용매로부터 분리, 건조한 후의 형성된 전구체 튜브의 광학현미경 사진이다. 도 3d 는 이렇게 제조된 전구체 튜브를 1600도에서 1시간동안 아르곤 분위기하에서 열처리 및 소결을 행한 후의 얻어진 세라믹화 된 탄화규소질 마이크로튜브의 주사전자현미경 사진이다. 도 3e는 상기의 전구체 튜브 형성 후의 튜브의 벽의 두께와 1600도에서 열분해 소결공정을 거친 튜브의 벽의 두께를 안정화 시간을 변수로 나타낸 그래프이다. 10분 동안 크로스 링크하여 제조된 전구체 섬유의 벽의 두께는 약 50 마이크론이었는데 섬유의 소결 후에는 약 30 마이크론으로 크게 수축하였다. 30분 크로스 링크한 전구체 섬유는 약 60마이크론에서 40 마이크론으로, 1시간 크로스 링크한 전구체 섬유는 약 70 마이크론에서 48 마이크론으로 2시간 크로스 링크한 전구체 섬유는 약 90 마이크론에서 60 마이크론으로 열분해 및 소결공정을 통해 그 벽의 두께가 수축한 것을 나타내었다. 이처럼, 마이크로튜브의 벽의 두께가 고온의 열분해 및 소결공정을 통하여 수축하는 것은 다음과 같은 두 가지 과정 때문이다. 즉, 1000도 이하의 온도에서 폴리카보실란을 SiOCH 화합물로부터 H2, CH4, CH2 등의 가스 발생이 600도 근방에서부터 일어나면서 열분해가 서서히 일어나 b-SiC의 나노결정립이 형성되고 1200도의 소결공정을 거치면 약 5-10 nm내외의 b-SiC 입자가 SiOC의 비정질 기지상에 잘 분산된 치밀질의 형태로 되며 약 30% 정도의 선수축률을 보인다. 또 1200도 이상의 온도에서는 비정질 상인 SiOC에서 SiO 및 CO2가스가 발생하면서 열분해 반응이 일어나는 동시에 b-SiC입자가 더욱성장하여 1600도가 되면 50 nm내외로 성장 소결하게 된다. 이 때 결정입자의 성장과 비정질상의 부분적인 분해로 인하여 소결온도의 증가에 따라서 기공의 크기와 결정립의 성장이 동반되는 현상이 나타난다. The precursor fibers crosslinked by oxygen crosslinking showed a difference in solubility in polar solvents due to the difference in oxygen concentration. Figure 3c is an optical micrograph of the precursor tube formed after the cross-linked precursor fiber for 10 minutes, 30 minutes, 60 minutes, 120 minutes in toluene solvent dissolved for 6 hours and then separated from the solvent and dried. FIG. 3D is a scanning electron micrograph of the obtained ceramic-ized silicon carbide microtube after heat-treating and sintering the precursor tube thus prepared under an argon atmosphere at 1600 ° C. for 1 hour. Figure 3e is a graph showing the stabilization time of the thickness of the wall of the tube after forming the precursor tube and the thickness of the tube of the tube subjected to the pyrolysis sintering process at 1600 degrees. The thickness of the walls of the precursor fibers prepared by crosslinking for 10 minutes was about 50 microns, which greatly contracted to about 30 microns after the fiber was sintered. Pyrolysis and sintering of the precursor fiber with 30 minutes of crosslinking from about 60 microns to 40 microns, and the precursor fiber with one hour of crosslinking from about 70 microns to 48 microns for 2 hours. Through the wall thickness was shown to shrink. As such, the thickness of the wall of the microtube shrinks through the high temperature pyrolysis and sintering process because of the following two processes. That is, when polycarbosilane is generated from SiOCH compound at a temperature of 1000 degrees or less, gas generation such as H2, CH4, CH2 occurs from around 600 degrees, and thermal decomposition gradually occurs to form b-SiC nanocrystals and undergo a sintering process of 1200 degrees. About 5-10 nm of b-SiC particles are in the form of dense fine particles dispersed on the amorphous matrix of SiOC and have about 30% shrinkage. At a temperature of 1200 ° C. or higher, thermal decomposition reaction occurs while SiO and
그런데, 본 폴리카보실란에 소량의 알루미늄이 첨가되어있는 폴리알루미노 카보실란의 경우에는 결정립의 성장속도가 조금 빠르고 동시에 치밀화 속도도 약간 증가하여 비교적 강도가 높은 섬유를 제조할 수 있는데 본 발명에서는 이처럼 고온에서 기공이 새롭게 형성되고 또 치밀화되는 공정을 이용하여 열처리 조건의 조절을 통하여 튜브 벽의 나노기공도가 조절된 탄화규소질 마이크로튜브를 얻게 되는 것이다. By the way, in the case of polyalumino carbosilane in which a small amount of aluminum is added to the present polycarbosilane, the growth rate of the crystal grains is a little faster and the densification rate is also slightly increased, so that a relatively high strength fiber can be produced. By controlling the heat treatment conditions by using a process of newly forming and densifying pores at high temperature, silicon carbide microtubes in which the nanoporosity of the tube wall is controlled are obtained.
위와 같은 전체적인 열처리 공정에서 동반되는 현상을 개념적으로 정리하여 도 3f에 나타내었다. The accompanying phenomenon in the overall heat treatment process as shown above is shown in Figure 3f conceptually.
도 4a 와 4b 는 30분 동안 크로스 링크 처리하여 튜브의 벽의 두께가 약 60 마이크론인 전구체 마이크로튜브를 각각 1200, 1400, 1600, 1800도의 아르곤 분위기에서 열처리하여 제조한 탄화규소 마이크로 튜브의 주사전자현미경 사진으로 4a는 저배율, 4b는 고배율의 전자현미경 사진이다. 섬유의 방사시에 발생하는 전구체 섬유의 외경의 편차가 있기 때문에 소결온도의 증가에 따라서 관찰할 수도 있는 외경의 수축 과 튜브의 벽의 두께의 수축정도를 온도별로 정량하는 것은 어려웠다. 다만, 60 마이크론정도였던 전구체 튜브의 벽의 두께가, 각각, 40-45 마이크론 내외로 소결 수축하였다. 4A and 4B are scanning electron microscopes of silicon carbide microtubes prepared by heat-linking precursor microtubes having a thickness of about 60 microns in an argon atmosphere of 1200, 1400, 1600, and 1800 degrees, respectively, by cross-linking for 30 minutes. 4a is a low magnification and 4b is a high magnification electron micrograph. Since there is a variation in the outer diameter of the precursor fiber that occurs during the spinning of the fiber, it was difficult to quantify the shrinkage of the outer diameter and the thickness of the wall of the tube, which may be observed as the sintering temperature increases. However, the thickness of the wall of the precursor tube, which was about 60 microns, sintered and contracted to around 40-45 microns, respectively.
한편, 소결온도에 따라서 튜브의 벽의 두께는 큰 차이가 없었던 것에 비하여 튜브의 벽의 나노기공의 크기와 나노결정립의 크기는 크게 변화하였다. 도 4 b 에 나타낸 것 처럼, 1200도에서 열처리된 섬유는 아주 치밀하였고 주사전자현미경으로는 기공을 관찰할 수 없었다. 1400도에 열처리된 섬유는 결정립이 약간 성장하였고 더불어 나노기공이 이들 나노입자들 사이에 형성되었으며, 1600도가 되면 기공의 크기와 결정립의 성장이 두드러졌고, 1800도에 열처리된 시편은 완전한 다결정체의 나노포러스 소결체로 변화하였다. 이와 같은 마이크로튜브의 벽면의 나노구조의 변화를 잘 조절하면 벽면의 기공을 수소분리용 멤브레인으로 사용가능하게 될 것으로 생각된다. On the other hand, the thickness of the wall of the tube was not significantly different according to the sintering temperature. As shown in FIG. 4 b, the fibers heat-treated at 1200 degrees were very dense and no pores could be observed by scanning electron microscopy. The fiber heat-treated at 1400 ° C had a slight grain growth and nanopores were formed between these nanoparticles, and at 1600 ° C, the pore size and grain growth were remarkable. The nanoporous sintered body was changed. It is thought that if the nanostructure of the wall of the microtube is well controlled, the pores of the wall can be used as a membrane for hydrogen separation.
도 4c 는 소결 열처리온도에 온도를 변수로하여 마이크로 튜브의 비표면적의 변화를 질소치환 BET법으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 1200도에서는 2.64 m2/g의 낮은 비표면적을 나타내었고, 1400 도의 마이크로 튜브는 주사전자현미경상에서 보여주는 것과 같이 일치하는 결과로서 35.14 m2/g의 큰비표면적을 나타내었고, 1600 도로 열처리 온도가 높아지면 11.56 m2/g으로 감소하였으며, 1800도가 되면 7.18 m2/g으로 더욱 감소하였다. Figure 4c is a graph showing the change in the specific surface area of the microtube by the nitrogen-substituted BET method using the temperature as a variable in the sintering heat treatment temperature. At 1200 degrees, it showed a low specific surface area of 2.64 m2 / g, and the 1400 degrees microtube showed a large specific surface area of 35.14 m2 / g as a consistent result, as shown by scanning electron microscopy. It decreased to m2 / g, and further decreased to 7.18 m2 / g at 1800 degrees.
이와 같은 비표면적의 변화를 표면만의 나노구조의 변화로 볼것인지, 마이크로 튜브 내부의 나노구조의 변화로 볼 것인지에 대해서 보다 면밀하게 검토하기 위하여 각 온도에서 열처리한 섬유의 표면의 나노구조를 비교관찰하였다. In order to examine whether the change of specific surface area is regarded as the change of surface nanostructure or the change of nanostructure inside microtube, the nanostructure of the surface of the fiber heat-treated at each temperature is compared and observed. It was.
도 4d는 1200, 1400, 1600, 1800 도에서 처리한 튜브의 외벽 및 내벽그리고 벽 내부의 미세구조 비교하여 나타낸 주사전자현미경 사진이다. 사진에 보이는 것처럼 1200도 처리한 시편은 튜브의 내, 외벽 및 벽내가 모두 치밀한 구조를 나타내었다. 1400도는 약간 다른 형상을 보이고 있는데 튜브의 내, 외벽 및 벽의 일부분이 약간 결정립성장과 동시에 나노기공이 형성된 것을 볼 수 있다. 한편, 1600도가 되면 나노기공이 잘 연결된 구조가 되면서 나노결정립이 튜브의 내외벽, 벽내 모두 잘 발달된 구조를 나타내었고, 1800도가 되면 열처리 중 튜브의 내벽에 일부 형성된 휘스커 형상의 부착물을 제외하고는 다공성을 나타내었다. Figure 4d is a scanning electron micrograph showing the microstructure of the outer wall, inner wall and the inside of the tube treated at 1200, 1400, 1600, 1800 degrees. As shown in the photograph, the specimen treated at 1200 degrees showed a dense structure in the inner wall, outer wall, and wall of the tube. At 1400 degrees, the shape of the tube is slightly different, and the inner, outer walls, and portions of the walls have a slight grain growth and nanopores are formed. On the other hand, at 1600 degrees, the nanopores were well connected, and the nanocrystals showed well developed structures in both the inner and outer walls and walls of the tube, and at 1800 degrees, except for a whisker-shaped deposit formed on the inner wall of the tube during heat treatment. Porosity was shown.
튜브의 다공성을 보다 면밀히 관찰하기 위하여 튜브의 시료의 양을 충분히 준비하여 다시 다른 기종의 BET장치를 이용하여 튜브의 다공성을 조사하였다. 1200도 시편의 경우에는 측정결과를 얻기가 어려웠는데 완전 치밀질이기 때문에 비표면적이 낮아서 재현성 있는 결과를 얻기가 어려웠기 때문으로 판단되었다. In order to observe the porosity of the tube more closely, the amount of sample of the tube was sufficiently prepared, and the porosity of the tube was examined again using another type of BET apparatus. In the case of the test specimen of 1200 degrees, it was difficult to obtain the measurement result, because it was difficult to obtain a reproducible result because the specific surface area was low because of perfect densities.
표 1은 1200도 시편을 제외한, 1400, 1600, 1800 도에서 열처리한 시편의 BET측정결과를 도표로 정리한 것이다. 먼저 평균기공 직경은 6.2 nm, 6.1 nm, 5.9 nm 로 큰 차이가 없는 것으로 측정되었다. 그러나 전체 기공의 부피는 6.27■10-2 cm3/g, 5.29■10-3 cm3/g, 2.17■10-3 cm3/g 로 약 100 배 이상의 큰 차이를 갖는 것으로 측정되었다(퀀타크롬사 BET 장비로 측정). 비표면적은 41.37, 3.49, 1.47 m2/g 으로 나타났다. Table 1 summarizes the BET measurement results of specimens heat-treated at 1400, 1600, and 1800 degrees, except for the 1200 degree specimens. First, the average pore diameter was 6.2 nm, 6.1 nm, and 5.9 nm. However, the total pore volume was 6.2710 -2 cm 3 / g, 5.29 ■ 10 -3 cm 3 / g, and 2.17 ■ 10 -3 cm 3 / g. 4 measured with BET equipment). The specific surface areas were 41.37, 3.49 and 1.47 m 2 / g.
또한, Vp 값도 1600, 1800도의 경우에 비교하여 1400도에서의 측정된 값이 각각 약 100 배, 400 배 정도 크게 나타났다(델코아사 BET 장비로 측정). 최다빈도를 나타내는 기공경의 크기를 나타내는 rp는 1400도에서 1.88 nm, 2.14 nm, 4.1 nm 로 각각 나타났다. In addition, the value of Vp was also about 100 times and 400 times larger than those of 1600 and 1800 degrees, respectively (measured by Delcoa BET equipment). The rp representing the size of the pore diameter showing the highest frequency was 1.88 nm, 2.14 nm, and 4.1 nm at 1400 degrees, respectively.
도 4 e는 1400도에서 소결열처리한 탄화규소 마이크로튜브의 기공경의 크기를 변수로 하여 나타낸 기공경 부피변화율 그래프이다. 모두 10 nm 이하의 기공들로 이루어져 있으며 1-3 nm의 기공들이 대부분의 기공을 이루고 있는 것을 알 수 있다. FIG. 4E is a graph of pore diameter change rate showing the pore size of silicon carbide microtubes subjected to sintering heat treatment at 1400 degrees as a variable. All are composed of pores of less than 10 nm, the pores of 1-3 nm can be seen that most of the pores.
한편, 이러한 소결열처리 공정상에 동반되는 결정상 및 결정크기의 변화를 XRD를 통하여 측정한 결과, 1200도 소결열처리시편은 거의 비정질 형태이나 약간의 b-SiC 회절피크가 관찰되었고 소결열처리 온도의 증가에 따라서 (111) 피크 (220) 및 (311) 등의 b-SiC 의 주피크의 상대강도가 증가하는 것이 확이되었다. On the other hand, as a result of measuring the change of crystal phase and crystal size accompanying the sintering heat treatment process through XRD, the 1200-degree sintering heat treated specimens were almost amorphous but some b-SiC diffraction peaks were observed. Therefore, it was confirmed that the relative strengths of the main peaks of b-SiC such as the (111) peaks 220 and 311 were increased.
한편, 이상의 설명은 폴리카보실란을 섬유상으로 압출하는 것에 관한 것이지만, 본 발명에서는 폴리스티렌과 같은 저분자량, 예컨대 분자량 2000이하의 폴리머를 폴리카보실란과 혼합하여 섬유상으로 압출함으로써 보다 낮은 온도에서의 폴리머를 분해하여 튜브 내부에 기공을 형성할 수도 있다. On the other hand, although the above description relates to the extrusion of polycarbosilane into a fibrous form, in the present invention, a polymer having a lower temperature such as polystyrene, for example, a polymer having a molecular weight of 2000 or less, is mixed with polycarbosilane and extruded into a fibrous form to produce a polymer at a lower temperature. It may be decomposed to form pores inside the tube.
본 발명에 따르면, 종래의 방법으로는 제조할 수 없는 다공성이 제어된 탄화규소질 마이크로 튜브를 손쉽게 제조할 수 있다. 특히, 튜브 벽면의 기공율이 잘 제어된 형태로 제조할 수 있으므로 추가적인 멤브레인 막이 없이도 분리하고자 하는 기체의 크기에 맞도록 기공의 크기를 조절할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 가스 혼합물로부터 특정 가스 예컨대 수소 가스의 분리에 사용 가능하게 된다. According to the present invention, it is possible to easily produce a silicon carbide microtube having a controlled porosity that cannot be produced by conventional methods. In particular, the porosity of the tube wall can be produced in a well-controlled form so that the pore size can be adjusted to fit the size of the gas to be separated without additional membrane membranes, as shown in FIG. It can be used for separation of hydrogen gas.
또한, 본 발명은 강도가 높은 마이크로 튜브를 제공할 수 있고, 내열성, 내식성, 내환경성등도 우수하여 다양한 용도를 가질 수 있다. In addition, the present invention can provide a high-strength micro-tube, excellent heat resistance, corrosion resistance, environmental resistance, etc. can have a variety of applications.
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