KR20120082287A - 라이오셀/그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 라이오셀(lyocell)/그래핀(graphene) 나노복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유, 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법을 제공하여, 라이오셀 섬유에 그래핀이 첨가된 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하여, 강도, 연신율 등 기계적 물성 및 제조수율이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있고, 라이오셀/그래핀 나노복합체를 포함하는 새로운 전구체 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제시해 주며, 이를 이용한 탄소섬유 제조에 있어 저온 조건에서도 강도가 우수한 탄소섬유를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유의 강도를 증대시킬 수 있는 탄소섬유 제조를 위한 전구체 섬유와 이를 이용한 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소섬유는 전구체 섬유의 종류에 따라, 셀룰로오스(cellulose)계, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계 및 피치(pitch)계 탄소섬유로 분류된다. 이 중 1950년대부터 개발된 셀룰로오스계 탄소섬유는 셀룰로오스의 낮은 열전이성, 낮은 밀도, 알칼리 금속이온의 함량이 낮아 높은 순도 유지, 높은 유연성, 셀룰로오스를 탄소섬유로 만들었을 때 탄소의 성분비가 다른 탄소섬유들에 비해 높은 특징 등의 장점이 있다.
종래 이러한 셀룰로오스계 탄소섬유로, 비스코스 레이온과 같은 레이온계 섬유를 전구체 섬유로 사용한 레이온계 탄소섬유가 제조되어 왔다. 그러나, 레이온계 탄소섬유는 제조공정에서 공해물질, 즉, 용제로 이황화탄소(CS2)를 사용하여 정부의 규제를 받을 뿐 아니라, PAN계 탄소섬유나 피치계 탄소섬유에 비하여 경제성이 없어 시장규모도 점차 줄어들고 있는 추세이다.
이에, 레이온계 탄소섬유를 대체하기 위한 친환경적이며 생산비용인 낮은 셀룰로오스계 탄소섬유를 제조할 수 있는 전구체 섬유로 라이오셀(lyocell)이 개발되었다. 라이오셀은 1978년 Akzo-Nobel사가 환경공해 및 인체에 유해한 성분이 없는 새로운 공정을 개발하여 제조된 것으로, 셀룰로오스가 주성분인 천연펄프와 펄프를 용해시키는 용제인 N-메틸모르포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO)를 주원료로 하여 제조된 건습식 방사섬유이다. 라이오셀 섬유의 원료는 목재펄프에서 추출된 셀룰로오스로서, 100% 생분해성 고분자이며, 재생이 가능하므로 환경 친화적인 특징을 가지고 있다. 또한, 기존 레이온 섬유가 지니고 있는 큰 문제점인 공해물질을 배출하지 않는 새로운 공법이 적용된다.
이와 같이, 라이오셀 섬유 역시 셀룰로오스계 섬유로서, 일반적인 셀룰로오스계 섬유와 화학적 성질은 서로 비슷하나, 기계적 특성 및 물리적 성질은 우수하며, 결정화도, 결정배향도 등 미세구조 특징은 매우 다르다.
한편, 탄소섬유의 제조에 있어서는 일반적으로 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거치게 된다. 이러한 공정들은 섬유 상태에서 수행되는데, 탄소섬유의 안정화 및 탄소화 온도는 탄소섬유의 열전도도, 절연성, 탄성률 등에 큰 영향을 미친다. 여기서, 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조할 경우, 다른 셀룰로오스계 섬유보다 우수한 기계적 특성을 갖음에도 불구하고 여전히 깨지기 쉬운 조직이어서, 고온 하에서의 안정화 공정 및 탄소화 공정으로, 단섬유 간의 접착 발생, 접착 부위가 벗겨져 생기는 표면결함 등의 원인으로 탄소섬유의 강도가 저하될 수 있다.
이러한 문제를 해결하고자, 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하는 탄소섬유에 있어서, 안정화 공정, 탄소화 공정 등 공정 개선을 통해 탄소섬유의 강도를 증가시키고자 하는 시도가 진행되고 있으나, 아직까지 라이오셀 전구체 섬유 자체의 개질을 통하여 탄소섬유의 강도를 증가시키고자 하는 연구는 미진한 실정이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 라이오셀 섬유의 개질을 통하여 강도, 신율 등 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라, 탄소섬유 제조 수율을 증가시킬 수 있는 라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 전구체 섬유를 포함하는 탄소섬유를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 전구체 섬유를 제조하는 방법 및 탄소섬유 제조에 있어 효과적인 공정조건을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 그래핀은 상기 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1-0.75중량% 일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,
상기 전구체 섬유를 포함하는 탄소섬유를 제공한다.
본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여,
셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계와, 셀룰로오스를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계 및 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예예 의하면, 상기 그래파이트 옥사이드는 상기 라이오셀-그래핀 복합체 총 중량에 대하여 0.001-0.75중량%를 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 전구체 섬유는 상기의 제조방법에 따라 제조된 전구체 섬유인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 안정화 공정은 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160-200℃ 조건으로 내염화하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소화 공정은 질소 분위기에서 1,000-1,200℃ 조건에서 열처리 및 냉각하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 라이오셀 섬유에 그래핀이 첨가된 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제공하여, 강도, 신율 등 기계적 물성 및 제조수율이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있고, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 새로운 전구체 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제시해 주며, 이를 이용한 탄소섬유 제조에 있어 저온 조건에서도 강도가 우수한 탄소섬유를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 라이오셀-그래핀 나노복합체의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄성율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연신율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄소화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 라이오셀-그래핀 나노복합체의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄성율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연신율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄소화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명에 따른 전구체 섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전구체 섬유는 탄소섬유 제조를 위한 것으로, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 라이오셀은 목재 펄프에서 추출한 셀룰로오스로 만든 소재로, 본 발명에서 사용되는 라이오셀은 일반적으로 알려진 공정, 즉, 셀룰로오스가 주성분인 천연펄프 용제로서 NMMO를 사용하여 제조된 건습식 방사섬유가 사용될 수 있다.
상기 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질로, 전기전도도, 강도, 열전도성, 탄성 등이 매우 우수한 소재로, 본 발명자들은 이러한 그래핀을 라이오셀과 나노복합체로 형성시킴으로써 기존 라이오셀을 단독 전구체 섬유로 하여 제조된 탄소섬유에 비하여 월등히 우수한 물성을 갖는 탄소섬유를 제공할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 된 것이다.
상기 라이오셀-그래핀 나노복합체는 종래 라이오셀 섬유 제조 과정에서 사용되는 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 박리시켜 그래핀 옥사이드를 분산시키고, 셀룰로오스를 용해시키는 방법으로 제조될 수 있는 것으로, 라이오셀 단독 전구체 섬유에 비하여 강도, 신율 등 기계적 물성이 우수하다. 구체적으로, 라이오셀 단독 전구체 섬유에 비하여 탄성율이 2배 정도, 강도가 1.5배 정도, 연신율이 2배 정도 및 연성도가 2배 정도 증가된 전구체 섬유를 제공할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전구체 섬유를 이용하여 탄소섬유를 제조할 경우, 향상된 기계적 물성으로 인해 안정화 공정, 탄소화 공정 등이 안정되어 순수 라이오셀 섬유를 이용한 탄소섬유에 비해 물성이 향상될 수 있다.
또한, 기계적 물성 향상으로 탄소섬유 제조 과정에서 탄소화율도 2배 가까이 증가하여, 탄소화 공정을 쉽게 적용할 수 있어 탄소섬유 제조를 더욱 용이하고 효율적으로 수행하도록 할 수 있다. 예를 들면, 이러한 본 발명에 따른 전구체 섬유를 이용하여 타이어코드를 제조할 경우 강도 등 기계적 물성이 기존 라이오셀 섬유에 비해 2배 정도 향상되고 탄소섬유 제조수율 역시 2배 가까이 향상된 타이어코드를 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀은 상기 나노복합체 총 중량에 대하여 0.1-0.75중량% 포함될 수 있다. 이와 같이 소량의 그래핀이 첨가됨에도 기존 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 탄성율, 강도, 연신율, 연성도 등 물성이 월등히 우수한 전구체 섬유를 만들 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 물성 향상 효과는 상기 그래핀 첨가량이 0.1-0.75중량% 범위에서 현저히 나타남을 발견하였다.
이하, 본 발명에 따른 전구체 섬유 및 탄소섬유 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법을 나타낸 흐름도로서, 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 전구체 섬유 제조방법은, (a) 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계(S1); (b) 셀룰로오스를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계(S2) 및 (c) 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 라이오셀-그래핀 나노복합체를 형성하기 위해, 상기 (a) 단계에서와 같이 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리한 후(S1), (b) 단계에서와 같이 셀룰로오스를 상기 용매에 용해시킴으로써 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계(S2)를 거치게 된다. 이후, (c) 단계와 같이 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 용매를 제거함으로써 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제조(S3)하게 되는데, 이와 같이, 종래 라이오셀 섬유를 제조하는 방식을 거의 그대로 사용하고 있는 점에서 간편하게 복합체를 제조할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 셀룰로오스 용매는 일반적으로 사용되고 있는 NMMO를 녹여 사용할 수 있고, 상기 그래파이트 옥사이드는 파우더 형태로 상기 NMMO에 첨가하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 박리는 상기 그래파이트 옥사이드 첨가 후 초음파 분쇄기로 4-8시간 동안 충분히 박리시켜 그래핀 옥사이드가 균일하게 분산될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 상기 그래파이트 옥사이드는 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량의 0.1-0.75중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. (S1)
이와 같이, 상기 셀룰로오스 용매에 상기 그래파이트 옥사이드를 상기 그래핀 옥사이드로 박리시킨 후, 상기 셀룰로오스 용매 총 중량에 대하여 3-7중량%의 셀룰로오스를 용해시킬 수 있다. 이때, 상기 셀룰로오스를 충분히 용해시키기 위해 스크류를 이용하여 2-4시간 동안 용해시키는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 거쳐 라이오셀-그래핀 나노복합체 도프가 형성되는데, 이후, 감압장치를 이용하여 1-3시간 동안 탈포하여 상기 나노복합체 도프 내의 기포를 제거하게 된다. 이때, 탈포 효율을 높이기 위해 온도조건을 90-100℃로 유지하는 것이 바람직하다. (S2)
그 후에, 상기 탈포된 라이오셀-그래핀 나노복합체 도프를 건습식 방사(dry-wet spinning) 기기를 이용하여 방사한 후, NMMO 제거를 위해 상기 NMMO가 물에 녹는 성질을 이용하여, 물에 12-36시간 정도 둔 후 건조함으로써 전구체 섬유를 제조할 수 있게 된다. (S3)
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법을 나타낸 흐름도로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 양태에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정(S4) 및 탄소화 공정(S5)을 거쳐 탄소섬유를 제조(S6)하는 것을 특징으로 한다.
상기 안정화 공정(S4)은 일반적으로 탄소섬유 제조시 공기(산소) 중에서 수행되는 열처리 단계로, 상기 안정화 공정(S4)에서 심각한 화학적, 물리적 변화가 급격하게 발생하는데, 이후 질소 분위기에서 수행되는 탄소화 공정(S5)에 필요한 높은 열처리온도를 견딜 수 있는 안정된 화학구조를 부여하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법은, 기존 라이오셀 단독 전구체 섬유를 이용하는 경우와 달리, 강도 등에서 우수한 물성을 갖는 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 사용함으로써, 탄소화 공정 전에 안정된 화학구조를 부여할 수 있게 되며, 상기 안정화 공정 및 탄소화 공정에서 상대적으로 낮은 온도조건에서도 우수한 물성을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있게 되는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법에서는, 상기 안정화 공정(S4)은 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160-200℃ 조건으로 내염화하고, 상기 탄소화 공정(S5)은, 질소 분위기에서 1,000-1,200℃ 조건으로 열처리 및 냉각함으로써 수행될 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하며 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
<실시예 1>
NMMO를 원형 실린더에 투입하고 95℃의 oil-bath에서 녹인 뒤, 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.25 중량%를 투입하여 초음파 분쇄기(ultra sonicator)를 사용하여 6시간 동안 초음파 분쇄 후, 셀룰로오스를 상기 NMMO 중량 대비 5 중량%를 투입하여 2시간 동안 스크류(screw)를 사용하여 혼합한 뒤, 감압장치를 이용하여 도프에 있는 기포를 1시간 동안 제거하고, 건습식 방사기를 이용하여 라이오셀-그래핀 옥사이드 도프를 제조하였다. 이후, 라이오셀-그래핀 옥사이드 도프를 탈포한 후 95℃의 건습식 방사기 실린더에 투입하여 에어프레셔로 0.35MPa의 압력을 가하면서 50㎛ 노즐로 섬유를 방사하였다. 이때, air-gap은 1㎝로 하였다. 이와 같이 제조된 섬유를 하루 동안 물에 두어 NMMO를 제거한 후 건조하여 라이오셀-그래핀 나노복합체를 포함하는 전구체 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(a)에 나타내었다.
또한, 상기 제조된 전구체 섬유를 공기 중에서 안정화 및 질소 분위기에서 탄소화 과정을 거쳐 탄소섬유를 제조하였다. 상기 안정화는 상온에서 180℃까지 2℃/min 가열속도로 1.5시간 가열하고 180℃에서 1.5시간 유지시켰다. 이후, 안정화된 섬유를 상온에서 1200℃까지 5℃/min 가열속도로 4시간 동안 열처리하고 이후, 4시간 동안 냉각하여 탄소화 섬유를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.5 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(b)에 나타내었다.
<실시예 3>
상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 0.75 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 1 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(c)에 나타내었다.
<비교예 2>
상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀-그래핀 나노복합체 총 중량 대비 3 중량%를 투입한 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(d)에 나타내었다.
<비교예 3>
실시예 1에서 그래파이트 옥사이드를 최종 라이오셀/그래핀 나노복합체 총 중량 대비 5중량%를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다. 제조된 나노복합체에 대한 SEM 사진을 도 3(e)에 나타내었다.
비교예
4
상기 <실시예 1>에서 그래파이트 옥사이드를 투입하지 않은 것을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일한 방법으로 전구체 섬유 및 탄소화 섬유를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대하여 하기와 같은 방법으로 기계적 물성 및 탄소화율을 측정하고 그 결과를 도 2 내지 도 6에 나타내었다.
[측정 방법]
(1) 기계적 물성
탄성율, 강도, 연신율 및 연성도의 기계적 물성을 측정하였다. 측정 장비는 인장 시험기(Intron 5564, Intron사)를 사용하였고, 3㎝ 높이의 시료에 대해 100N load cell을 사용하여 5㎜/min의 속도로 측정하였다.
(2) 탄소화율
열중량 분석 장비(TGA)(TGA-50, SHIMADZU사)를 사용하여, 각 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유 시료 10~13㎎을 산소에 의한 산화를 방지하기 위해 질소 기류 하에서 10℃/min의 가열속도로 상온에서 500℃ 및 1,000℃까지의 온도범위로 측정하였다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄성율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 4를 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 탄성율(Young's Modulus)이 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있다. 그러나, 0.75 중량%를 초과할 경우는 오히려 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 탄성율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 5를 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 강도(Tensile Strength)가 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연신율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 6을 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%, 0.75 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 연신율(Elongation at Break)이 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있으며, 1 중량%를 초과하는 경우는 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다는 효과가 있으나, 실시예 1 내지 3의 경우에는 미치지 못하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 연성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 7을 참조하면 0.25 중량%, 0.5 중량%, 0.75 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 연성도(Toughness)가 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다 2배 정도 증가한 것을 알 수 있으며, 1 중량%를 초과하는 경우는 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우보다는 효과가 있으나, 실시예 1 내지 3의 경우에는 미치지 못하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전구체 섬유에 대한 탄소화율을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 도 8을 참조하면 라이오셀 단독 전구체 섬유의 경우 약 11% 정도인 반면, 0.25-1 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유는 그보다 더 증가하였으며, 0.5 중량%의 그래핀 옥사이드가 첨가된 전구체 섬유의 탄소화율의 경우 약 19% 정도로 2배 가까이 탄소화율이 증가한 것을 알 수 있다.
Claims (7)
- 라이오셀(lyocell)-그래핀(graphene) 나노 복합체를 포함하는 전구체 섬유.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀은 상기 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1-0.75 중량% 인 것을 특징으로 하는 전구체 섬유.
- 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 전구체 섬유를 포함하는 탄소섬유.
- (a) 셀룰로오스 용매에 그래파이트 옥사이드를 첨가하여 그래핀 옥사이드로 박리하는 단계;
(b) 셀룰로오스를 상기 셀룰로오스 용매에 용해시켜 라이오셀-그래핀 복합체 도프를 생성하는 단계; 및
(c) 상기 복합체 도프를 방사한 후 상기 셀룰로오스 용매를 제거하여 전구체 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 전구체 섬유 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 그래파이트 옥사이드는 상기 라이오셀-그래핀 복합체 총 중량에 대하여 0.001-0.75중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 전구체 섬유 제조방법.
- 전구체 섬유를 이용하여 안정화 공정 및 탄소화 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하는 방법에 있어서,
상기 전구체 섬유는, 제 4 항 또는 제 5 항에 따라 제조된 전구체 섬유인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 안정화 공정은, 상기 전구체 섬유를 공기 중에서 160-200℃ 조건으로 내염화하고, 상기 탄소화 공정은, 질소 분위기에서 1,000-1,200℃조건으로 열처리 및 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조방법.
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