KR20130059174A - Preparation method of pitch for carbon fiber - Google Patents

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    • C10C3/00Working-up pitch, asphalt, bitumen
    • C10C3/002Working-up pitch, asphalt, bitumen by thermal means
    • DTEXTILES; PAPER
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    • D01F9/145Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues

Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of an isotropic pitch for carbon fiber is provided to have a high softening point with a high yield at high temperature without using a separate catalyst. CONSTITUTION: A mixture is formed by mixing a petroleum process residue and a C9 petroleum resin. The mixture is heated up with the first. The firstly heated mixture is heated up with the second. The secondly heated mixture is heated up with the third. A heating temperature is 80-100°C and a heating time is 1~2 hours in a first heating step. A chain extension reaction is induced in the first heating step. A heating temperature is 250-300°C and a heating time is 1/2-2 hours in a second heating temperature. Low boiling point water is removed in the second heating step. A heating temperature is 320-360°C and a heating time is 3-8 hours in a third heating step.

Description

탄소섬유용 핏치의 제조방법{PREPARATION METHOD OF PITCH FOR CARBON FIBER}Manufacturing method of pitch for carbon fiber {PREPARATION METHOD OF PITCH FOR CARBON FIBER}

본 발명은 고연화점을 갖는 탄소섬유용 등방성 핏치의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석유 공정 잔사유와 C9 석유수지를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가열하여 열중합함으로써 탄소섬유용 등방성 핏치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법에 의하면 별도의 촉매가 필요하지 않고, 비교적 낮은 온도에서도 높은 수율로 고연화점을 갖는 탄소섬유용 등방성 핏치를 제조할 수 있다.
The present invention relates to a method for producing an isotropic pitch for carbon fibers having a high softening point, and more particularly, after mixing a petroleum process residue oil and a C9 petroleum resin to form a mixture, and heating the mixture to thermally polymerize the carbon fiber. It relates to a method for producing a isotropic pitch. According to the production method of the present invention, a separate catalyst is not required, and an isotropic pitch for carbon fibers having a high softening point can be produced with a high yield even at a relatively low temperature.

탄소재료는 탄소의 함량이 95% 이상인 것으로, 탄소가 갖는 다양한 성질을 응용한 여러 가지 용도의 소재가 개발 생산되고 있다. 탄소재료의 원료로는 모든 탄소화합물이 원칙적으로 가능하지만, 보통은 최종 제품의 요구 물성과 제조비용에 따라 적당한 원료가 선택된다.Carbon materials have a carbon content of 95% or more, and materials for various uses that apply various properties of carbon have been developed and produced. As a raw material for the carbon material, all carbon compounds are possible in principle, but usually a suitable raw material is selected according to the required physical properties and manufacturing cost of the final product.

이 중, 특히 석유계 대상원료로서 FCC(fluidized catalytic cracker), DO(decant oil), PFO(pyrolized fuel oil)는 방향족화도가 높고, 황과 불용분의 함량이 적어 고강도 탄소섬유나 니들콕(needle coke)과 같은 고부가 탄소재료에 적합한 원료로 주목 받고 있다.Among them, especially petroleum-based raw materials, FCC (fluidized catalytic cracker), DO (decant oil) and PFO (pyrolized fuel oil) have high degree of aromatization, low sulfur and insoluble content and high strength carbon fiber or needlecock. It is attracting attention as a suitable raw material for high value added carbon materials such as coke).

종래에 PFO와 같은 중질시료로부터 이방성 핏치를 제조하는 방법으로는 경질유분이 제거된 전구체 핏치로부터 400℃ 근처에서 14시간 이상의 장시간 열처리하는 방법, 또는 벤젠이나 톨루엔과 같은 용매를 사용하여 적절한 범위로 분획한 후 열처리하는 방법으로 크게 구별되어 왔다. Conventionally, a method for producing anisotropic pitches from heavy samples such as PFO is a method of heat treatment for about 14 hours or longer at 400 ℃ from the precursor pitch from the light oil is removed, or fractionated to an appropriate range using a solvent such as benzene or toluene It has been largely distinguished by a method of post-heat treatment.

이와 관련하여 여러가지 용도의 탄소 소재의 개발 노력에 힘입어 촉매 탄화 반응이나 감압 열처리 과정 등 다양한 방법들이 시도되고 있다.In this regard, various methods, such as catalytic carbonization reaction or reduced pressure heat treatment process, have been attempted due to efforts to develop carbon materials for various uses.

PFO와 같은 중질유분을 개질하여 핏치로 만드는 탄화(carbonization) 과정이란, 유분 내에서 열분해 반응이 일어나 가스, 경질유분이 계외로 방출되고, 동시에 라디칼 생성으로 활성화된 분자가 환화(cyclization), 방향족화(aromatization), 중축합 고분자화(polycondensation) 되는 일련의 과정을 의미한다. The carbonization process of reforming heavy oil such as PFO into pitch is a pyrolysis reaction in the oil to release gas and light oil out of the system, and at the same time, the molecules activated by radical formation cyclization and aromatization ( aromatization), polycondensation (polycondensation) means a series of processes.

여기에서 중축합 반응이 진행되면서 생성된 축합 다환 방향족군의 평면분자는 상호 평행하게 적층되어 메조페이스라 불리는, 고체와 액체의 중간성질을 갖는 액정을 형성하게 되는데, 이 때 적층되는 정도나 배열될 때의 배향성에 따라 광학적으로 등방성이거나 이방성인 핏치로 나누어지게 된다.Here, the planar molecules of the condensed polycyclic aromatic group generated during the polycondensation reaction are stacked in parallel to form a liquid crystal having an intermediate property of a solid and a liquid, called mesophase, and the degree of stacking Depending on the orientation of the time it is divided into optically isotropic or anisotropic pitch.

일반적인 핏치계 탄소섬유는 전구체인 핏치의 종류에 따라, 액정 핏치계 탄소섬유와 등방성 핏치계 탄소섬유로 크게 나뉜다. 상기 액정 핏치계 탄소섬유는 전구체로서 광학적으로 이방성인 액정 핏치를 사용하여 제조하고, 등방성 핏치계 탄소섬유는 전구체로서 광학적으로 등방성인 등방성 핏치를 사용하여 제조한다. 제조된 탄소섬유의 기계적 물성은, 액정 핏치계 탄소섬유가 일반적으로 고강도 및 고탄성을 나타낸다면, 등방성 핏치계 탄소섬유는 저강도 및 저탄성의 범용적인 물성을 나타낸다.The general pitch-based carbon fiber is largely divided into liquid crystal pitch-based carbon fiber and isotropic pitch-based carbon fiber according to the kind of pitch which is a precursor. The liquid crystal pitch-based carbon fiber is prepared using optically anisotropic liquid crystal pitch as a precursor, and isotropic pitch-based carbon fiber is prepared using an optically isotropic isotropic pitch as a precursor. The mechanical properties of the produced carbon fiber, if the liquid crystal pitch-based carbon fiber generally exhibits high strength and high elasticity, isotropic pitch-based carbon fiber shows the general properties of low strength and low elasticity.

핏치계 탄소섬유의 일반적인 제조방법은 전구체인 핏치를 방사기를 사용하여 용융방사하여 섬유화한 후, 섬유화된 핏치를 150~350℃ 온도범위의 산화성 분위기에서 일정시간 산화 안정화 처리한 다음, 700~3000℃ 온도범위의 불활성 분위기에서 용도에 따라 일정시간 처리하여 제조한다.In general, the pitch-based carbon fiber is produced by melt spinning a pitch, which is a precursor, using a spinning machine, and then oxidizing and stabilizing the fiberized pitch in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 150 to 350 ° C., followed by 700 to 3000 ° C. It is prepared by treating it for a certain period of time depending on the application in an inert atmosphere in the temperature range.

탄소섬유 제조시 섬유의 제조 원가는 원료인 전구체 핏치의 가격, 전구체 핏치의 방사성, 산화 안정화의 속도, 탄화처리 후 탄화 수율 등에 의해 영향을 받으며, 제조 공정별 소요시간에 있어서는 장시간의 반응이 필수적인 산화 안정화 공정이 가장 장시간을 요하는 것으로 알려져 있어, 산화 안정화성능이 우수한 전구체 핏치의 개발이 중요한 기술로 알려져 있다.The production cost of fiber in carbon fiber production is influenced by the price of precursor pitch as raw material, radioactivity of precursor pitch, rate of oxidation stabilization, carbonization yield after carbonization process, and oxidation for which long time reaction is necessary for the required time by manufacturing process. Since the stabilization process is known to require the longest time, the development of precursor pitch excellent in oxidation stabilization performance is known as an important technique.

상기와 같이 핏치계 탄소섬유용 핏치 전구체는 액정 핏치와 등방성 핏치로 크게 나뉘는데, 등방성 핏치계 탄소섬유의 원료로 사용되는, 연화점이 200℃ 이상인 등방성 핏치의 제조방법으로 석탄계 핏치를 진공 증류 및 용제 추출에 의해 저분자량 성분을 제거하는 방법, 단순 열축합에 의해 원료 중의 저분자량 성분을 축합하여 고분자 성분으로 바꾸는 방법 및 상기 두가지 방법을 병행하여 제조하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로는 넓은 분자량 분포를 지니는 원료로부터 비교적 좁은 범위의 분자량 분포를 갖는 등방성 핏치를 제조할 수는 있지만, 수율이 낮을 뿐만 아니라, 가열할 때 쉽게 액정화되는 성분이 남는 등, 제조한 핏치의 균질성 및 방사성 등의 면에서 단점이 있다.Pitch precursors for the pitch-based carbon fiber are divided into liquid crystal pitch and isotropic pitch as described above, and vacuum distillation and solvent extraction as a method of producing an isotropic pitch having a softening point of 200 ° C. or more, which is used as a raw material of isotropic pitch-based carbon fiber. The method of removing a low molecular weight component by this method, the method of condensing a low molecular weight component in a raw material into a high molecular component by simple thermal condensation, and the method of manufacturing the said two methods simultaneously are mentioned. However, with this method, although isotropic pitches having a relatively narrow molecular weight distribution can be prepared from raw materials having a wide molecular weight distribution, they are not only low in yield, but also have a component which is easily liquid crystalline when heated. There are disadvantages in terms of pitch homogeneity and radioactivity.

일본 특허공개공보 제1994-256767호에는 원료인 석탄계 핏치에서 퀴놀린 불용분을 제거한 후 이를 수소화하고, 이 후 산화성 가스를 분취하여 등방성 탄소섬유의 전구체인 고연화점 등방성 핏치를 제조하는 방법이 기재되어 있다.Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1994-256767 describes a method of removing a quinoline insoluble from a coal-based pitch as a raw material and then hydrogenating it, followed by fractionating an oxidizing gas to prepare a high softening point isotropic pitch, which is a precursor of isotropic carbon fibers. .

또한, 일본 특허공개공보 제1993-132767호, 일본 특허공개공보 제1993-132675호에는 등방성 핏치 전구체의 연화점을 상승시키기 위해 디니트로나프탈렌 등을 핏치 제조를 위해 열처리할 때 첨가시키는 방법이 기재되어 있다.Further, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1993-132767 and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1993-132675 describe a method of adding dinitronaphthalene or the like when heat-treating for producing a pitch in order to increase the softening point of an isotropic pitch precursor. .

그러나, 전술한 바와 같이 핏치의 수소화는 고가의 수소화 촉매를 사용하여 고온에서 반응시킨 후 수소화 촉매를 제거해야 하므로, 전구체 핏치의 제조가를 상승시키는 원인이 되며, 또한 연화점을 증가시키기 위해 첨가하는 질소산화물이 고가이고, 실제 반응에서 균일한 반응이 형성되지 못하여 제조한 핏치 전구체의 용융 방사성을 저하시키는 것이 단점으로 지적되어 왓다.However, as described above, the hydrogenation of the pitch requires the removal of the hydrogenation catalyst after the reaction at a high temperature using an expensive hydrogenation catalyst, thus raising the manufacturing cost of the precursor pitch, and also adding nitrogen to increase the softening point. It has been pointed out that the oxide is expensive, and a uniform reaction cannot be formed in the actual reaction, thereby lowering the melt radioactivity of the prepared pitch precursor.

또한, 나프타 분해 잔사유에 BF3-에테르의 착체를 중합 촉매제로 사용하여 고연화점 핏치 전구체를 제조한 계가 한국섬유공학회 논문집, 1997, pp.395에 기재되어 있다. 그러나, 이 경우에는 촉매로 사용하는 BF3-에테르가 매우 고가이므로 대규모의 제조공정에 적합하지 않은 문제점이 있다.In addition, a system for preparing a high softening point pitch precursor using a complex of BF 3 -ether as a polymerization catalyst in a naphtha decomposition residue oil is described in the Korean Fiber Society Conference, 1997, pp. 395. However, in this case, since BF 3 -ether used as a catalyst is very expensive, there is a problem that it is not suitable for a large scale manufacturing process.

최근 대한민국 특허출원 제1997-0036064호, 제1997-0036065호 등에는 콜타르 핏치 및 석유계 감압 잔사유(Vacuum residues)를 원료로 하고, 할로겐 및 할로겐 화합물을 중합 첨가제로 사용하여 등방성 핏치를 제조하는 방법이 제시되어 있다.Recently, Korean Patent Application Nos. 1997-0036064, 1997-0036065 and the like have a method of producing isotropic pitches using coal tar pitch and petroleum-based vacuum residues as raw materials, and halogens and halogen compounds as polymerization additives. Is presented.

그러나, 상기한 종래의 방법으로는 나프타 분해 잔사유를 원료로 사용하여 우수한 용융 방사성, 우수한 산화 안정화성 및 탄화 후 높은 탄화수율을 지니는 탄소섬유 제조용 등방성 핏치 전구체를 비교적 온화한 조건에서 고수율로 제조하는 것에 한계가 있다. However, the conventional method described above uses naphtha cracked residue oil as a raw material to produce isotropic pitch precursors for producing carbon fibers with high melt spinning, good oxidation stabilization and high carbonization yield after carbonization under relatively mild conditions in high yield. There is a limit to this.

특히 원료로 나프타 분해 잔사유, 특히 열분해 연료유(Pyrolized Fuel Oils, PFO)를 사용하여 할로겐 및 할로겐 화합물을 첨가하고 단순히 중합하고 저분자 물질을 제거하여 상기 전구체 핏치로서의 특성이 우수한 등방성 탄소섬유 제조용 고연화점 등방성 핏치 전구체를 35중량% 이상의 고수율로 제조하는 것을 불가능한 문제가 있었다.
Particularly, high softening point for isotropic carbon fiber manufacturing isotropic carbon fiber which has excellent properties as precursor pitch by adding halogen and halogen compounds using naphtha cracked residue oil, especially pyrolized fuel oils (PFO), and simply polymerizing and removing low molecular materials as raw materials. There was a problem that it is impossible to produce an isotropic pitch precursor in a high yield of 35% by weight or more.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 고연화점을 갖는 탄소섬유용 등방성 핏치의 제조방법을 제공하는데 목적이 있는 것으로서, 보다 상세하게는 석유 공정 잔사유와 C9 석유수지를 혼합하여 혼합물을 형성한 후, 상기 혼합물을 가열하여 열중합함으로써 탄소섬유용 등방성 핏치를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 제조방법에 의하면 별도의 촉매가 필요하지 않고, 비교적 낮은 온도에서도 높은 수율로 고연화점을 갖는 탄소섬유용 등방성 핏치를 제조할 수 있다.
The present invention is to solve the above problems and to provide a method for producing an isotropic pitch for carbon fibers having a high softening point, and more specifically, after forming a mixture by mixing the petroleum process residue oil and C9 petroleum resin It provides a method for producing an isotropic pitch for carbon fibers by heating and thermally polymerizing the mixture. According to the production method of the present invention, a separate catalyst is not required, and an isotropic pitch for carbon fibers having a high softening point can be produced with a high yield even at a relatively low temperature.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유용 핏치의 제조방법은 석유 공정 잔사유와 C9 석유수지를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 가열하여 사슬 연장 반응을 유도하는 1차 가열 단계; 상기 1차 가열을 마친 후 승온하여 저비점물을 제거하는 2차 가열 단계; 및 상기 2차 가열을 마친 후 승온하여 축합반응을 유도하는 3차 가열 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Carbon fiber pitch according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of mixing a petroleum process residue oil and C9 petroleum resin to form a mixture; First heating the mixture to induce a chain extension reaction; A second heating step of removing the low boiling point by heating after finishing the first heating; And a third heating step of raising the temperature after finishing the second heating to induce a condensation reaction.

본 발명의 제조방법에 의하면, 반응성이 뛰어나므로 별도의 촉매 없이도 고연화점을 갖는 등방성 핏치를 높은 수율로 얻을 수 있다.
According to the production method of the present invention, since it is excellent in reactivity, an isotropic pitch having a high softening point can be obtained in a high yield even without a separate catalyst.

도 1은 본 발명의 실시예1에 의하여 제조된 핏치를 사용하여 제조한 탄소섬유의 SEM 사진이다.1 is a SEM photograph of a carbon fiber prepared using the pitch prepared according to Example 1 of the present invention.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 이하의 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the following description and drawings.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이어서, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention and the manner of achieving them will be apparent with reference to the embodiments and drawings described hereinafter. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, The present invention is only defined by the scope of the claims.

이하에서는 본 발명에 따른 탄소섬유용 핏치의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter will be described in detail with respect to the manufacturing method of the pitch for the carbon fiber according to the present invention.

본 발명의 실시예에 의한 탄소섬유용 핏치의 제조방법은 1)석유 공정 잔사유와 C9 석유수지를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 2)상기 혼합물을 1차 가열하여 사슬 연장 반응을 유도하는 1차 가열 단계; 3)상기 1차 가열을 마친 후 승온하여 저비점물을 제거하는 2차 가열 단계; 및 4)상기 2차 가열을 마친 후 승온하여 축합반응을 유도하는 3차 가열 단계를 포함한다.
Method for producing a pitch for carbon fiber according to an embodiment of the present invention comprises the steps of 1) mixing the oil process residue oil and C9 petroleum resin to form a mixture; 2) a first heating step of first heating the mixture to induce a chain extension reaction; 3) a second heating step of removing the low boiling point by heating up after the first heating; And 4) a tertiary heating step of raising the temperature after finishing the secondary heating to induce a condensation reaction.

먼저, 1) 석유 공정 잔사유와 C9 석유 수지를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계에 대하여 설명한다.First, 1) the step of mixing the petroleum process residue oil and the C9 petroleum resin to form a mixture will be described.

상기 석유 공정 잔사유와 C9 석유 수지는 반응기에 투입하고 상온에서 혼합한다. The petroleum process residue oil and the C9 petroleum resin are added to the reactor and mixed at room temperature.

여기에서 상기 석유 공정 잔사유는 탄소섬유용 핏치의 탄소원으로서, 본 발명에서는 특히 나프타 분해 잔사유로서 열분해 연료유(PFO)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 열분해 연료유(PFO)는 납사크래킹 공정(naphtha cracking center; NCC)의 탑저부위(bottom)에서 생성되는 것으로서, 방향화도가 높고 수지의 함량이 풍부하여, 본 발명의 제조방법에 적합하다.Here, the petroleum process residue oil is preferably a carbon source of the pitch for carbon fiber, and in the present invention, it is particularly preferable to include pyrolysis fuel oil (PFO) as naphtha decomposition residue oil. The pyrolysis fuel oil (PFO) is produced at the bottom of a naphtha cracking center (NCC), and has a high degree of aroma and abundant resin, which is suitable for the manufacturing method of the present invention.

상기 열분해 연료유(PFO)는 다양한 방향족 탄화수소류를 포함하고 있으며, 나프탈렌과 메틸나프탈렌 유도체가 대략 25~35%를 차지한다. 상기 나프탈렌과 메틸나프탈렌 유도체의 구체예로는 에틸벤젠(ethylbenzene), 1-에테닐-3-메틸벤젠(1-ethenyl-3-methyl benzene), 인덴(Indene), 1-에틸-3-메틸벤젠(1-ethyl-3-methyl benzene), 1-메틸에틸벤젠(1-methylethylbenzene), 2-에틸-1,3-디메틸벤젠(2-ethyl-1,3-dimethyl benzene), 프로필벤젠(propylbenzene), 1-메틸-4-(2-프로페닐)-벤젠(1-methyl-4-(2-propenyl) benzene), 1,1a,6,6a-테트라히드로-시클로프로파인덴(1,1a,6,6a-tetrahydro-cycloprop[a]indene), 2-에틸-1H-인덴(2-ethyl-1H-indene), 1-메틸-1H-인덴(1-methyl-1H-indene), 4,7-디메틸-1H-인덴(4,7-dimethyl-1H-indene), 1-메틸-9H-플루오렌(1-methyl-9H-Fluorene), 1,7-디메틸 나프탈렌(1,7-dimethyl naphthalene), 2-메틸인덴(2-methylindene), 4,4'-디메틸비페닐(4,4'-dimethyl biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 4-메틸-1,1'-비페닐(4-methyl-1,1'-biphenyl), 안트라센(Anthracene), 2-메틸나프탈렌(2-methylnaphthalene), 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene) 등을 들 수 있다.The pyrolysis fuel oil (PFO) contains various aromatic hydrocarbons, and naphthalene and methylnaphthalene derivatives account for approximately 25 to 35%. Specific examples of the naphthalene and methylnaphthalene derivatives include ethylbenzene, 1-ethenyl-3-methylbenzene, indene, and 1-ethyl-3-methylbenzene. (1-ethyl-3-methyl benzene), 1-methylethylbenzene, 2-ethyl-1,3-dimethylbenzene, propylbenzene , 1-methyl-4- (2-propenyl) -benzene (1-methyl-4- (2-propenyl) benzene), 1,1a, 6,6a-tetrahydro-cyclopropanedene (1,1a, 6,6a-tetrahydro-cycloprop [a] indene), 2-ethyl-1H-indene, 1-methyl-1H-indene, 4,7 -Dimethyl-1H-indene (4,7-dimethyl-1H-indene), 1-methyl-9H-fluorene, 1,7-dimethyl naphthalene , 2-methylindene, 4,4'-dimethyl biphenyl, naphthalene, 4-methyl-1,1'-biphenyl -1,1'-biphenyl), anthracene, 2-methylnaphthalene, 1-methylnaphthalene (1-methylnaphthalene) etc. are mentioned.

본 발명에서 상기 석유 공정 잔사유, 즉 탄소원은 저비점물이 제거된 것일 수 있다. 저비점물은 대부분이 휘발되어 반응에 참여하지 않으므로 핏치로서 수율이 극히 낮은 것으로서, C3~C8 범위의 탄화수소가 이에 속한다. 본 발명에서는 이러한 저비점물을 제거한 탄소원을 사용하는 경우, 더욱 높은 수율로 고연화점 핏치로 제조할 수 있다.In the present invention, the petroleum process residue oil, that is, the carbon source may be a low boiling point is removed. The low boiling point is most volatilized and does not participate in the reaction, so the yield is extremely low as a pitch, and hydrocarbons in the range of C3 to C8 belong to this. In the present invention, when using the carbon source from which the low boiling point is removed, it can be produced in a high softening point pitch with a higher yield.

한편, 본 발명의 상기 석유 공정 잔사유와 혼합되어 반응하는 상기 C9 석유수지는 탄소수 9개가 주된 유분으로, 구체적으로 예를 들면 스티렌, 비닐톨루엔, 인덴, 알파메틸스티렌 및 벤젠/톨루엔/크실렌(BTX) 등으로 이루어져 있다.Meanwhile, the C9 petroleum resin, which is mixed with the petroleum process residue oil of the present invention and reacts with 9 carbon atoms, is specifically styrene, vinyltoluene, indene, alphamethylstyrene, and benzene / toluene / xylene (BTX). ) And so on.

본 발명의 상기 C9 석유수지의 방향족화도(fa)는 40~60%인 것이 바람직하다. 방향족화도가 40%미만인 경우에는 중합반응에 참여가능한 원료물질이 적어 생성물의 파라핀화 및 낮은 수율의 문제가 있고, 60%를 초과하는 경우에는 열중합시 급속한 코킹의 문제가 있다.It is preferable that the aroma (fa) of the said C9 petroleum resin of this invention is 40 to 60%. If the aromatization degree is less than 40%, there is a problem of paraffinization and low yield of the product due to the small number of raw materials that can participate in the polymerization reaction, and if more than 60% there is a problem of rapid coking during thermal polymerization.

본 발명의 석유 공정 잔사유와 C9 석유수지 혼합물 중 상기 C9 석유수지는 상기 석유 공정 잔사유 100중량부 대비 10~50중량부의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. C9 석유수지의 함량이 석유 공정 잔사유 100중량부 대비 10중량부 미만인 경우에는 반응에 참여하는 C9이 적어 요구하는 핏치의 제조가 어렵다는 문제가 있고, 50중량부를 초과하는 경우에는 잉여 C9의 자체 중합반응으로 인한 요구하지 않은 생성물의 문제가 있다.
The C9 petroleum resin in the petroleum process residue oil and the C9 petroleum resin mixture of the present invention is preferably mixed at a ratio of 10 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the petroleum process residue oil. If the content of C9 petroleum resin is less than 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of the petroleum process residue oil, there is a problem that the production of the required pitch is difficult due to the low amount of C9 participating in the reaction. There is a problem of undesired products due to the reaction.

다음으로, 2) 석유 공정 잔사유와 C9 석유수지의 혼합물을 1차 가열하여 사슬 연장 반응을 유도한다(1차 가열 단계).Next, 2) the mixture of the petroleum process residue oil and the C9 petroleum resin is first heated to induce a chain extension reaction (first heating step).

상기 1차 가열 단계에서는 C9 석유 수지의 이중결합 사슬이 풀어지면서 라디칼이 형성되어 석유 공정 잔사유와 사슬이 연장되는 사슬 연장 반응이 일어나게 된다. 아로마틱 구조를 갖는 화합물들이 라디칼을 통해 결합을 형성하고 긴 사슬아래 다수의 아로마틱 구조를 갖는 형태가 된다.In the first heating step, a double bond chain of the C9 petroleum resin is released, and radicals are formed to cause a chain extension reaction in which the petroleum process residue oil and the chain are extended. Compounds having an aromatic structure form bonds through radicals and form a plurality of aromatic structures under a long chain.

여기에서 가열 온도는 80~100℃인 것이 바람직한데, 가열 온도가 80℃ 미만인 경우에는 C9으로부터의 라디칼 형성이 불가능한 문제가 있고, 100℃를 초과하는 경우에는 사슬 연장 반응 종결의 문제가 있다. It is preferable that heating temperature is 80-100 degreeC here, but when heating temperature is less than 80 degreeC, there exists a problem that radical formation from C9 is impossible, and when it exceeds 100 degreeC, there exists a problem of terminating chain extension reaction.

또한 가열 시간은 1~2시간인 것이 바람직한데, 가열 시간이 1시간 미만인 경우에는 충분한 반응이 불가능하다는 문제가 있고, 2시간을 초과하는 경우에는 반응 종결 후 사슬 구조의 크로스링킹으로 반응 중에 고화될 수 있는 문제가 있다.In addition, it is preferable that the heating time is 1 to 2 hours, but when the heating time is less than 1 hour, there is a problem that sufficient reaction is impossible, and when the heating time is longer than 2 hours, it is solidified during the reaction by crosslinking of the chain structure after completion of the reaction. There is a problem that can be.

다음으로, 3) 상기 1차 가열을 마친 후 승온하여 저비점물을 제거한다(2차 가열 단계).Next, 3) after completion of the primary heating to raise the temperature to remove the low boiling point (secondary heating step).

본 발명의 열중합의 최종 타겟 온도(360℃ 부근)에서는 코킹(coking)이 서서히 일어나기 때문에, 본 발명의 상기 2차 가열 단계에서 중간 온도 구간을 둠으로써, 코킹을 줄이면서도 저비점물을 제거하게 된다.Because coking occurs slowly at the final target temperature (near 360 ° C.) of the thermal polymerization of the present invention, by placing an intermediate temperature section in the second heating step of the present invention, the low boiling point is removed while reducing the coking.

여기에서 1차 가열 후 승온하여 도달하게 되는 2차 가열 온도는 250~300℃인 것이 바람직한데, 가열 온도가 250℃ 미만인 경우에는 저비점물 제거가 어렵다는 문제가 있고, 300℃를 초과하는 경우에는 저비점물 제거 이외에도 코킹 반응이 일어날 수 있는 문제가 있다.Here, it is preferable that the secondary heating temperature reached by heating up after the primary heating is 250 to 300 ° C. However, when the heating temperature is less than 250 ° C., there is a problem that low boiling point is difficult to remove, and when the heating temperature exceeds 300 ° C., the boiling point is low. In addition to the removal of water there is a problem that the coking reaction may occur.

또한 가열 시간은 1/2~2시간인 것이 바람직한데, 가열 시간이 1/2시간 미만인 경우에는 저비점물의 충분한 제거가 불가능하다는 문제가 있고, 2시간을 초과하는 경우에는 코킹이 시작될 수 있다는 문제가 있다.
In addition, it is preferable that the heating time is 1/2 to 2 hours, but when the heating time is less than 1/2 hour, there is a problem that sufficient removal of low boiling point is impossible, and when more than 2 hours, caulking may be started. have.

다음으로, 4) 상기 2차 가열을 마친 후 승온하여 축합반응을 유도한다(3차 가열 단계).Next, 4) after the secondary heating, the temperature is raised to induce a condensation reaction (tertiary heating step).

상기 3차 가열 단계에서는 열중합의 타겟 온도에 도달하는 것으로, 석유 공정 잔사유와 C9 석유 수지의 축합반응이 일어나고, 이로써 최종적으로 240℃이상, 바람직하게는 240~300℃의 고온의 연화점을 갖는 핏치가 합성된다.In the third heating step, by reaching the target temperature of the thermal polymerization, the condensation reaction of the petroleum process residue oil and the C9 petroleum resin occurs, and finally a pitch having a high softening point of 240 ° C. or higher, preferably 240 to 300 ° C. Is synthesized.

여기에서 2차 가열 후 승온하여 도달하게 되는 3차 가열 온도는 320~360℃인 것이 바람직한데, 가열 온도가 320℃ 미만인 경우에는 축합반응 및 잔여 저비점물의 제거가 불가능하다는 문제가 있고, 360℃를 초과하는 경우에는 크래킹반응 및 급속한 코킹 반응으로 인한 반응물 유실 및 코킹 문제가 있다.Here, it is preferable that the third heating temperature reached by heating up after the second heating is 320 to 360 ° C. If the heating temperature is less than 320 ° C., there is a problem that condensation reaction and removal of residual low boiling point are impossible, and 360 ° C. If exceeded, there are problems of reactant loss and coking due to cracking reactions and rapid coking reactions.

또한 가열 시간은 3~8시간인 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 3~4시간인 것이 바람직하다. 가열 시간이 3시간 미만인 축합반응 및 잔여 저비점물의 제거가 불가능하다는 문제가 있고, 8시간을 초과하는 경우에는 코킹 및 크래킹의 문제가 있다.
In addition, the heating time is preferably 3 to 8 hours, more preferably 3 to 4 hours. There is a problem that the condensation reaction of less than 3 hours of heating time and the removal of the remaining low boiling point is impossible, and if it exceeds 8 hours, there is a problem of coking and cracking.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예들을 기술한다. 이하의 실시예들은 본 발명에 대하여 예를 들어 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 국한시키는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are described. The following examples are intended to illustrate the present invention by way of example, and are not intended to limit the scope of the invention.

실시예Example

(1) 고연화점 핏치의 제조(1) Preparation of high softening point pitch

탄소원으로 열분해 연료유(PFO)와 C9 석유 수지를 반응기에 투입하고 잘 혼합한 뒤, 1차 가열, 2차 가열, 3차 가열 과정을 거쳐 열중합 반응을 진행하였다.Pyrolysis fuel oil (PFO) and C9 petroleum resin were added to the reactor as a carbon source, mixed well, and then thermally polymerized through a first heating, a second heating, and a third heating.

열중합 반응 종료 후, 2시간 동안 유량 1L/min의 질소가스를 통과시켜 미반응 또는 저반응분자를 제거하고, 목적하는 고연화점 광학적 등방성 핏치를 수득하였다.After completion of the thermal polymerization reaction, nitrogen gas was flowed at a flow rate of 1 L / min for 2 hours to remove unreacted or low-reaction molecules, and a desired high softening point optical isotropic pitch was obtained.

각 실시예의 반응 조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
The reaction conditions of each Example are as shown in Table 1 below.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 실시예7Example 7 혼합비
(석유 공정 잔사유: C9 석유수지)
Mixing ratio
(Oil Process Residue: C9 Petroleum Resin)
1:0.251: 0.25 1:0.251: 0.25 1:0.251: 0.25 1:0.41: 0.4 1:0.251: 0.25 1:0.251: 0.25 1:11: 1
C9 석유수지의 방향족화도
(%)
Aromatic Degree of C9 Petroleum Resin
(%)
5252 5252 4444 5252 5252 8181 5252
석유 공정 잔사유의 저비점물 제거여부Whether to remove low boilers from oil process residues 제거remove 제거안함Do not remove 제거remove 제거remove 제거remove 제거remove 제거안함Do not remove 1차 가열시간(h)1st heating time (h) 22 22 1One 22 22 22 0.50.5 1차 가열온도(℃)Primary heating temperature (℃) 100100 100100 100100 9090 100100 100100 7070 2차 가열시간(h)2nd heating time (h) 1One 1One 22 1One 1One 1One 1One 2차 가열온도(℃)Secondary heating temperature (℃) 260260 240240 260260 260260 260260 290290 260260 3차 가열시간(h)3rd heating time (h) 44 44 44 33 55 44 88 3차 가열온도(℃)3rd heating temperature (℃) 360360 360360 330330 360360 360360 400400 360360

(2) 수득된 핏치의 연화점 및 수율(2) Softening point and yield of obtained pitch

상기 실시예들에 의하여 제조된 핏치의 연화점 및 수율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
The softening point and the yield of the pitch prepared by the above examples were measured and shown in Table 2 below.

수득된 핏치의 연화점(℃)Softening point (℃) of the obtained pitch 수율(%)yield(%) 실시예1Example 1 270270 3838 실시예2Example 2 268268 4040 실시예3Example 3 281281 3535 실시예4Example 4 258258 4343 실시예5Example 5 326326 2424 실시예6Example 6 344344 2525 실시예7Example 7 350 이상More than 350 2727

(3) 탄소섬유의 제조(3) Preparation of Carbon Fiber

상기 실시예 1에 의해 합성된 핏치를 이용하여, 통상의 방법인 방사, 산화, 탄화 과정을 거쳐 탄소섬유를 제조하였다.Using the pitch synthesized in Example 1, through the spinning, oxidation, carbonization process is a conventional method to produce a carbon fiber.

상기 실시예 1에 의해 합성된 핏치를 이용한 탄소섬유의 SEM 사진은 도 1(a는 정면도, b는 단면도)에 나타내었다.SEM image of the carbon fiber using the pitch synthesized in Example 1 is shown in Figure 1 (a is a front view, b is a cross-sectional view).

도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 최적화된 합성 조건에 의해 제조한 핏치를 이용한 경우, 스피어 형태의 불융화 성분이 형성되지 않고, 최종적으로 제조된 탄소섬유가 등방성을 갖게 된다. As can be seen in Figure 1, when using the pitch prepared by the optimized synthesis conditions of the present invention, the sphere-shaped incompatibility component is not formed, the finally produced carbon fiber is isotropic.

(4) 제조된 탄소섬유의 인장강도 및 탄성률 실험(4) Tensile strength and modulus test of the manufactured carbon fiber

상기 실시예 1에 의해 합성된 핏치를 이용한 탄소섬유 a1~a10의 인장강도 및 탄성률을 표 3에 나타내었다. Table 3 shows the tensile strength and elastic modulus of the carbon fibers a1 to a10 using the pitch synthesized in Example 1.

표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1과 같이 최적화된 합성 조건을 갖는 핏치를 이용한 경우, 평균 인장강도 1GPa, 탄성률 56GPa를 갖는 우수한 물성의 탄소섬유가 제조되는 점을 확인할 수 있었다.
As can be seen in Table 3, when using a pitch having the optimized synthetic conditions as in Example 1 of the present invention, it was confirmed that the carbon fibers of excellent physical properties having an average tensile strength of 1 GPa, elastic modulus of 56 GPa was produced. .

최대하중
(N)
Load
(N)
인장강도
(GPa)
The tensile strength
(GPa)
인장변형률
(%)
Tensile strain
(%)
탄성률 (Automatic Young's)
(GPa)
Elastic Young's
(GPa)
a1a1 0.23410.2341 1.00151.0015 2.37772.3777 45.603445.6034 a2a2 0.14560.1456 0.62280.6228 1.80051.8005 37.221537.2215 a3a3 0.32320.3232 1.38301.3830 2.45442.4544 58.795858.7958 a4a4 0.20870.2087 0.89310.8931 1.89431.8943 48.201548.2015 a5a5 0.23550.2355 1.00781.0078 1.58241.5824 65.637865.6378 a6a6 0.28000.2800 1.19791.1979 1.90171.9017 63.466063.4660 a7a7 0.19450.1945 0.83210.8321 2.77092.7709 33.372233.3722 a8a8 0.40290.4029 1.72411.7241 1.60971.6097 116.6022116.6022 a9a9 0.20770.2077 0.88860.8886 1.85401.8540 50.676050.6760 a10a10 0.15860.1586 0.67860.6786 1.65051.6505 42.081442.0814 평균Average 0.23910.2391 1.02291.0229 1.98961.9896 56.165856.1658 표준편차Standard Deviation 0.080.08 0.330.33 0.400.40 23.7723.77

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라, 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by those equivalent to the scope of the claims.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only in accordance with the following claims, and all equivalents or equivalent variations thereof are included in the scope of the present invention.

Claims (15)

석유 공정 잔사유와 C9 석유수지를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 1차 가열하는 1차 가열 단계;
상기 1차 가열을 마친 후 승온하는 2차 가열 단계; 및
상기 2차 가열을 마친 후 승온하는 3차 가열 단계;
를 포함하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
Mixing the petroleum process residue oil with the C9 petroleum resin to form a mixture;
A primary heating step of primary heating the mixture;
A secondary heating step of raising the temperature after finishing the primary heating; And
A tertiary heating step of raising the temperature after finishing the secondary heating;
Method for producing a pitch for carbon fibers comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 1차 가열 단계에서 가열 온도는 80~100℃인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the heating temperature in the first heating step is 80 ~ 100 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 1차 가열 단계에서 가열 시간은 1~2시간인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the heating time in the first heating step is 1 to 2 hours.
제 1항에 있어서,
상기 1차 가열 단계에서 사슬 연장 반응이 유도되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the chain extension reaction is induced in the first heating step.
제 1항에 있어서,
상기 2차 가열 단계에서 가열 온도는 250~300℃인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the heating temperature in the second heating step is 250 ~ 300 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 2차 가열 단계에서 가열 시간은 1/2~2시간인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the heating time in the second heating step is 1/2 to 2 hours.
제 1항에 있어서,
상기 2차 가열 단계에서 저비점물이 제거되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the low boiling point is removed in the secondary heating step.
제 1항에 있어서,
상기 3차 가열 단계에서 가열 온도는 320~360℃인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The heating temperature in the third heating step is a manufacturing method of the pitch for carbon fibers, characterized in that 320 ~ 360 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 3차 가열 단계에서 가열 시간은 3~8시간인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The heating time in the third heating step is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that 3 to 8 hours.
제 1항에 있어서,
상기 3차 가열 단계에서 축합반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the condensation reaction occurs in the third heating step.
제 1항에 있어서,
상기 석유 공정 잔사유는 나프타 분해 잔사유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The petroleum process residue oil is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that it comprises naphtha decomposition residue oil.
제 1항에 있어서,
상기 석유 공정 잔사유는 열분해 연료유(PFO)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The petroleum process residue oil is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that it comprises a pyrolysis fuel oil (PFO).
제 1항에 있어서,
상기 석유 공정 잔사유는 저비점물이 제거된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The petroleum process residue oil is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that it comprises a low boiling point is removed.
제 1항에 있어서,
상기 C9 석유수지의 방향족화도는 40~60%인 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The aromatization degree of the C9 petroleum resin is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that 40 to 60%.
제 1항에 있어서,
상기 혼합물 중 상기 C9 석유수지는 상기 석유 공정 잔사유 100중량부 대비 10~50중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유용 피치의 제조방법.
The method of claim 1,
The C9 petroleum resin in the mixture is a method for producing a pitch for carbon fibers, characterized in that the mixture of 10 to 50 parts by weight relative to 100 parts by weight of the petroleum process residue oil.
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