KR20140002991A - 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로, 리그닌을 10 내지 30중량%로 포함하는 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 수행함으로써, 펄프 공업이나 바이오리파이너리 산업의 부산물로 배출되는 폐 리그닌을 간이한 방법을 통해 탄소섬유의 제조방법에 적용할 수 있으면서 셀룰로오스계 전구체 섬유로부터 탄소섬유를 제조하는 데 있어서 탄화수율을 현저히 향상시킬 수 있는 방법을 개시한다.

Description

셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법{Process for Manufacturing Cellulose-based carbone fibers}

본 발명은 탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 리그닌과 셀룰로오스 복합 섬유를 전구체 섬유로하여 탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소섬유는 다른 섬유에 비하여 높은 비강도 및 비탄성률을 갖기 때문에, 복합 재료용 보강 섬유로서, 종래부터의 스포츠 용도나 항공·우주 용도에 더하여, 자동차나 토목· 건축, 압력용기 및 풍차 블레이드 등의 일반 산업 용도에도 폭 넓게 전개되고 있어, 추가적인 생산성의 향상이나 생산 안정화의 요청이 높다.

탄소섬유 중에서 가장 널리 이용되고 있는 폴리아크릴로니트릴(이하, PAN이라 약기하는 경우가 있음)계 탄소섬유는 그의 전구체가 되는 PAN계 중합체를 포함하는 방사 용액을 습식 방사, 건식 방사 또는 건습식 방사하여 탄소섬유용 전구체 섬유를 얻은 후, 이것을 산화성 분위기하에서 가열하여 내염화 섬유로 전환시키고, 불활성 분위기하에서 가열하여 탄소화함으로써 공업적으로 제조되고 있다. 이때 소요되는 경비중 PAN 섬유 전구체가 43%, 산화 안정화 18%, 탄화 흑연화 과정 13%, 기타공정이 11%를 차지하고 있다. 특히 전구체 섬유에서 탄소섬유로 제조될 때 수율(이하, 탄화수율로 약칭한다.)이 50% 이하로 낮게 제조되고 있어 고가로 판매될 수밖에 없다.

또한 셀룰로오스계 탄소섬유는 레이온으로 알려진 비스코스 용액을 제조하여 습식방사하여 전구체 섬유를 얻은 후 상기의 탄소화 과정을 거쳐 탄소섬유를 제조하고 있으나, 셀룰로오스계의 경우 탄화수율이 PAN 계 보다 더 낮은, 20% 이하의 수율을 보이고 있어 경쟁력을 잃어가고 있으며 특수한 용도 외에는 그 사용이 제한적이다.

한편 펄프 공업의 부산물로 배출되어 심각한 공해문제를 야기하고 있는 리그닌(lignin)을 탄소섬유 전구체 섬유로 제조하기 위한 노력이 있어 왔는데, 그 일예로는 국내특허공개 2011-0108944에 개시된 기술을 들 수 있다. 여기에서는 리그닌을 쌍축압출기에 공급하고 리그닌 분말을 용융시키고 용융된 리그닌에 포함된 기포를 제거하는 단계를 거쳐 리그닌 용융액을 제조하는 것을 개시하고 있으며, 이를 탄소섬유의 전구체 등으로 적용할 수 있는 것으로 언급하고 있다.

국내특허공개 10-2011-0108944호(2011.10.06. 공개)

본 발명은 펄프 공업이나 바이오리파이너리 산업의 부산물로 배출되는 폐 리그닌을 보다 간이한 방법으로 탄소섬유 제조에 적용하면서도, 셀룰로오스계 전구체 섬유를 이용하여 탄소섬유화하는 데 있어서의 탄화수율을 향상시킬 수 있는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에서는 리그닌을 10 내지 30중량%로 포함하는 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 수행하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 의한 제조방법에 있어서, 리그닌 함유 라이오셀 섬유로는 셀룰로오스를 아민옥사이드류를 포함하는 용액에 용해시켜 방사 원액을 제조하는 공정; 셀룰로오스 방사 원액과 정제된 리그닌 분말을 혼합하되, 정제된 리그닌 분말을 고형분 함량 기준으로 10 내지 30중량%로 혼합하여 혼합 방사용액을 제조하는 공정; 혼합 방사용액을 방사구금을 통하여 멀티 필라멘트로 응고욕조에 방사하는 방사 공정; 방사된 멀티 필라멘트를 수세하는 공정; 및 수세된 멀티 필라멘트를 건조하는 공정을 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다.

바람직한 일 구현예에 의한 제조방법에 있어서, 리그닌 함유 라이오셀 섬유로는 함수율이 10~50중량%인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 구체적인 일 구현예에 의한 제조방법에 있어서, 탄소화 공정은 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 -10~-0.1% 또는 0.1~10%의 비율로 연신하면서 180~220℃의 온도로 열처리하여 예비 내염화 섬유로 전환시키는 예비 내염화 공정; 예비 내염화 섬유를 -10~10%의 연신율로 연신하면서 200~300℃의 온도로 열처리하여 내염화 섬유로 전환시키는 내염화 공정; 불활성 분위기 하에서 300~800℃의 온도로 예비 탄화 처리하는 예비 탄화 처리 공정; 및 불활성 분위기 하에서 1000~3000℃의 온도로 탄화처리하는 탄화 처리 공정을 포함하는 방법으로 수행될 수 있다.

바람직한 일 구현예에 있어서, 탄소화 공정은 탄소섬유용 전구체 섬유 대비 -20~20%의 연신율을 만족하도록 수행될 수 있고, 더 좋기로는 탄소화 공정은 탄소섬유용 전구체 섬유 대비 0.1~20%의 연신율을 만족하도록 수행될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는 상술한 일 구현예들에 의한 제조방법에 따라 제조된 셀룰로오스계 탄소섬유를 제공한다.

본 발명은 펄프 공업이나 바이오리파이너리 산업의 부산물로 배출되는 폐 리그닌을 라이오셀 섬유 제조공정에 도입하여 탄소섬유용 전구체 섬유를 제조하는 간이한 방법으로 리그닌을 탄소섬유 제조에 활용할 수 있으며, 셀룰로오스계 전구체 섬유를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 데 있어서 탄화수율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 이로써 궁극적으로는 저가의 범용 탄소섬유를 제공할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 탄소섬유의 제조방법은 리그닌을 10 내지 30중량%로 포함하는 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 수행하는 방법이다.

상기 및 이하의 기재에서 "라이오셀"또는 "라이오셀 섬유"라는 용어는 섬유업계에서 잘 알려진 섬유표준용어로서, 천연펄프를 주원료로 하여 만들어진 용제방사 섬유소계 섬유로 이해될 수 있다.

본 발명의 탄소섬유의 제조방법은 이러한 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조하는 방법이며, 이러한 방법에서 리그닌을 복합화하여 이를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 수행한 것이다.

리그닌은 상술한 것과 같이 펄프 공업 내지 바이오리파이너리 산업에 있어서 부산물로 얻어지는 것으로, 리그닌은 분자내 수산화기(-OH) 함량이 높아 강한 수소결합을 나타내기 때문에 통상적인 방법으로는 용융방사가 어렵다. 따라서 이를 필라멘트 제조용 방사용액으로 사용하는 것은 부적합하여 폐 리그닌을 정제한다고 하더라도 이를 탄소섬유 제조용 전구체 섬유로 제조하기 위해서는 별도의 가공공정이 필요하다.

그러나 본 발명에서 셀룰로오스를 용제방사하기 위한 일련의 공정을 통해 라이오셀 섬유로 제조하는 과정 중에 정제된 리그닌을 첨가하는 간이한 방법을 통해 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 제조하고, 이를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소섬유의 제조가 가능하다.

특히 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조하는 경우 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조하는 경우와 대비하여 탄화수율을 현저히 향상시킬 수 있다.

상기 및 이하의 기재에서 탄화수율은 탄소섬유용 전구체 섬유로부터 탄소섬유를 제조하는 데 있어서의 수율로, 이는 탄소섬유용 전구체 섬유 투입량 중량 대비 탄소섬유 중량을 백분율로 표시한 값으로 정의될 수 있다.

이와 같이 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄화수율이 향상되는 것의 원인을 명확하게 규명할 수는 없으나 리그닌 자체의 탄화수율이 60% 정도에 가깝기 때문에 리그닌과 혼합된 복합전구체 섬유의 탄화수율도 향상되는 것으로 예측된다.

리그닌 함유 라이오셀 섬유에 있어서 리그닌의 함량이 10중량% 보다 적으면 리그닌 함유로 인한 탄화수율 향상 효과가 미미하고, 30중량%를 초과하게 되면 탄화수율을 향상시킬 수는 있으나 탄소섬유의 강도 등 물성이 열악해질 수 있는 점에서, 리그닌은 10 내지 30중량% 범위로 포함되는 것이 바람직하다.

구체적인 일 구현예에서 탄소섬유용 전구체 섬유인 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 제조하는 공정을 살피면, 먼저 셀룰로오스 용액을 제조하는 공정을 포함한다.

이 때, 상기 셀룰로오스 용액은 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으므로 특별히 한정되는 것은 아니나, 셀룰로오스를 아민옥사이드류를 포함하는 용액에 용해시킨다. 여기서 아민옥사이드류를 포함하는 용액의 구체적인 일예로는 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO) 및 물을 중량비로 93:7 내지 85:15로 포함하는 혼합용제를 들 수 있고, 이러한 용제에 셀룰로오스를 7 내지 18 중량%로 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 셀룰로오스 용액에 정제된 리그닌 분말을 혼합하여 방사원액을 제조한다.

리그닌은 일반적으로3 가지의 기본 Phenyl propane 구조로 구성되어 있는데, Guaiacyl lignin은 Coniferyl alcohol로 구성되어 있고, Guaiacyl-syringyl lignin은 Coniferyl-sinapyl alcohol 구성되어 있다. Guaiacyl lignin은 Soft wood(침엽수) lignin 성분, Coniferyl-sinapyl alcohol은 Hard wood(활엽수) lignin 성분, 그리고 초본류나 1년생 식물의 lignin은 p-Coumaryl alcohol이 주성분이다.

본 발명에서 사용하고자 하는 리그닌은 펄프 산업 및 바이오리파이너리 산업에서 폐기물로 나오는 부산물로, 폐 자원의 활용에도 기여할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서 리그닌은 하드우드 리그닌 정제하여 사용하였으나, 하드우드 리그닌에만 한정하는 것은 아니다.

상기 및 이하의 기재에서 리그닌의 정제 또는 정제된 리그닌은 폐 리그닌을 1 N 농도 황산 수용액에 침적 교반하고 세정하여 불순물을 제거하고, 미량 남아 있는 금속 회분은 리그닌을 아세톤에 용해한 후 H⁺ type순수제조에 사용되는 양이온 교환수지를 통과시켜 완전히 제거하는 방법을 통해 정제과정을 수행한 것으로 이해될 것이다.

이와 같이 정제된 리그닌은 회분함량은 바람직하게 0.3중량% 이하 일수 있으나, 바람직하게 0.1중량% 이하 이다. 더 바람직하게는 0.01 중량 %이하 이다.

이와 같은 정제된 리그닌 분말을 셀룰로오스 용액에 투입하여 혼합하고 완전히 용해시켜 방사원액을 제조할 수 있는데, 이때 정제된 리그닌 분말의 함량은 전체 고형분 함량을 기준으로 하여 10 내지 30중량%, 바람직하기로는 20 내지 30중량%인 것이다.

이와 같이 얻어지는 리그닌을 포함하는 용액은 탄소섬유용 전구체 섬유 제조 공정의 방사 원액으로 사용할 수 있는데, 이러한 방사 원액을 방사하여 탄소섬유용 전구체 섬유를 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 리그닌을 포함하는 방사용액을 방사구금을 통하여 멀티 필라멘트로 응고욕조에 방사하는 방사 공정을 포함한다.

상기 방사 원액을 이용한 방사 공정은 통상적인 건습식 방법에 따라 진행할 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 130 ℃범위의 온도로 방사 원액을 방사하고, 상기 방사된 미응고 섬유에 냉각공기를 공급하는 공기층(air gab) 구간, 냉각된 미응고 섬유를 응고시키는 응고액 구간, 응고된 섬유로부터 잔존 N-메틸몰폴린-N-옥사이드(NMMO)를 제거하는 수세구간, 및 건조구간을 통과시킬 수 있으며, 이후로 권취하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 라이오셀 섬유를 방사하는 단계는 송풍장치를 이용하여 온도 3 내지 25 ℃, 상대습도 5 내지 90 %RH인 냉각공기를 방사된 미응고 섬유에 중앙집중식으로 불어주고, 상기 에어갭 구간에서 냉각된 미응고 섬유를 응고액 구간, 수세 구간, 및 건조 구간으로 통과시킨 후, 권취하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

응고욕에는 NMMO용매 이외에 소위 응고 촉진 성분을 포함시킬 수 있다. 응고 촉진 성분으로는 셀룰로오스/리그닌을 용해하지 않고 방사 원액에 이용하는 용매와 상용성이 있는 것이 바람직할 수 있는데, 그 일예로는 물을 들 수 있다.

응고욕의 온도 및 응고 촉진 성분의 양은 목적으로 하는 내화섬유 또는 탄소섬유의 목적에 따라 적절히 설정할 수 있다.

수세가 완료된 후에는 멀티 필라멘트에 유제를 부여, 개별 섬유끼리의 유착을 방지할 수 있으며, 유제의 일예로는 실리콘 등으로 되는 유제를 부여하는 것이 바람직하다. 이러한 실리콘 유제는 변성 실리콘인 것이 바람직하고, 내열성이 높은 망상의 변성 실리콘을 함유하는 것이 바람직할 수 있다.

마지막으로 멀티 필라멘트를 권취함으로써, 탄소섬유용 전구체 섬유의 제조를 마칠 수 있다.

한편 이와 같이 얻어진 리그닌 함유 라이오셀 섬유는 함수율이 10 내지 50중량%인 것이 탄소화 공정에 있어서 섬유내부의 분자체의 긴장 및 수축을 조절하는데 용이할 수 있어 바람직할 수 있다.

상기와 같은 일련의 공정을 거쳐 얻어진 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 거쳐 본 발명의 탄소섬유를 제조하는데, 여기서 탄소화 전구체 섬유를 -10~-0.1% 또는 0.1~10%의 비율로 연신하면서 180~220℃의 온도로 열처리하여 예비 내염화 섬유로 전환시키는 예비 내염화 공정; 상기 예비 내염화 섬유를 -10~10%의 연신율로 연신하면서 200~300℃의 온도로 열처리하여 내염화 섬유로 전환시키는 내염화 공정; 불활성 분위기 하에서 300~800℃의 온도로 예비 탄화 처리하는 예비 탄화 처리 공정; 및 불활성 분위기 하에서 1000~3000℃의 온도로 탄화처리하는 탄화 처리 공정을 포함한다.

또, 상기 전구체 섬유는 함수율이 10~50%인 것이 바람직하고, 상기 전구체 섬유를 상기 예비 내염화 공정, 상기 내염화 공정, 상기 예비 탄화 처리 및 상기 탄화처리를 통하여 제조되는 탄소섬유는 상기 공정들을 거치는 동안 상기 전구체 섬유 대비 -20~20% 연신되는 것이 바람직하며, 좋기로는 0.1~20% 연신되는 것이 최종 섬유의 강도향상 측면에서 바람직할 수 있다.

이러한 일련의 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하는 경우 탄소섬유용 전구체로부터 탄소섬유로의 수율이 적어도 25% 이상, 바람직하게는 28% 이상으로 향상될 수 있으며, 이와 같은 수율 향상과 대비하여 탄소섬유의 강도 또한 7 내지 10 g/d을 유지하여 범용의 탄소섬유로서 유용한 물성을 나타낼 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

중합도(DPw) 1,600, α-셀룰로오스 함량 97%인 목재 펄프를 프로필갈레이트 함량 0.01 중량%인 NMMO/H₂0 혼합 용제(중량비 90/10)에 혼합하여, 농도 9 중량%의 셀룰로오스 용액을 제조하였다.

회분함량 0.1 중량%의 정제 하드우드 리그닌을 상기의 셀룰로오스 용액에 전체 고형분 함량 대비 10 중량%로 투입하고 100℃, 1hr 교반하여 완전히 용해한 후 진공 탈포하여 방사원액을 제조하였다.

상기의 준비된 방사 원액을 공경 0.2mm, 구멍수 1000개의 건습식방사 구금을 사용하여 건습식방사 하고, 수세 공정을 통과 후 160℃로 건조하여 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 제조하였다.

상기 방사 노즐의 방사 온도는 110℃로 유지하였으며, 최종 필라멘트 섬도가 1,500 데니어가 되도록 토출량과 방사속도를 조절하여 방사하였다.

상기 방사노즐로부터 토출된 미응고 섬유는 거리 50 mm인 공기층(또는 에어갭)을 통과한 후, 응고액을 통과하도록 하였으며, 상기 공기층에서는 방사구금의 최외각 원형 하단에 설치된 송풍장치로부터 온도/습도가 20℃/90%RH의 냉각공기를 10m/sec의 풍속으로 부여하였다.

또한, 상기 응고액은 온도 20℃, 농도는 물 85 중량%, NMMO 15 중량%를 유지하도록 조정하여 상부 응고욕과 하부 응고욕의 응고액을 순환하였다.

이 때, 공기층에서의 냉각 공기와 응고욕의 응고액 농도는 센서와 굴절계를 사용하여 연속적으로 모니터링하였다.

얻어진 리그닌 함유 라이오셀 섬유는 섬도는 1,500데니어이며, 함수율은 12 중량%이었다.

상기의 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 전구체로 하여, 열처리기에서 180 내지 220℃ 범위 조건으로 예비 내염화 공정을 거치고, 다음으로 250℃에서 내염화 공정을 거쳐 질소 가스 불활성 분위기에서 500℃로 예비 탄화 한 후 1200℃에서 탄화하여 탄소섬유를 제조하였다.

이와 같은 일련의 공정을 거쳐 얻어진 탄소섬유는 탄소섬유 전구체 대비 19.3% 연신되었다.

실시예 2.

리그닌 함유 라이오셀 섬유 제조에 있어서 정제 리그닌을 전체 고형분 함량 대비 20 중량% 되도록 첨가하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 탄소섬유를 제조하였다.

이와 같은 일련의 공정을 거쳐 얻어진 탄소섬유는 탄소섬유 전구체 대비 16.7% 연신되었다.

실시예 3.

리그닌 함유 라이오셀 섬유 제조에 있어서 정제 리그닌을 전체 고형분 함량 대비 30 중량% 되도록 첨가하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하였다.

이와 같은 일련의 공정을 거쳐 얻어진 탄소섬유는 탄소섬유 전구체 대비 11.4% 연신되었다.

참조예 1.

리그닌 함유 라이오셀 섬유 제조에 있어서 정제 리그닌을 전체 고형분 함량 대비 40 중량% 되도록 첨가하였다. 그러나 이 경우 방사 불량이 발생되어 탄소섬유의 전구체 섬유로 제조하는 것이 어려웠다.

비교예 1.

중합도(DPw) 1,600, α-셀룰로오스 함량 97%인 목재 펄프를 프로필갈레이트 함량 0.01 중량%인 NMMO/H₂0 혼합 용제(중량비 90/10)에 혼합하여, 농도 9 중량%의 셀룰로오스 용액을 제조하고, 여기에 정제 리그닌을 첨가하지 않고 이를 방사원액으로 하여 상기 실시예 1과 동일한 공정을 거쳐 탄소섬유를 제조하였다.

이와 같은 일련의 공정을 거쳐 얻어진 탄소섬유는 탄소섬유 전구체 대비 20.2% 연신되었다.

상기 실시예 1 내지 3 및 참조예 1, 및 비교예 1에 따라 전구체 섬유를 제조함에 있어서 방사 안정성, 제조된 탄소섬유 강도 및 탄화수율을 다음과 같은 방법으로 평가하였다.

(a) 방사 안정성

방사 안정성은 주어진 방사 조건 견인속도 100 mpm 에서 10 시간 권취 시, 사용한 방사구금의 방사 노즐 1000개당 사절이 발생하는 개수를 관찰하여 하기 표 1의 기준에 따라 방사 안정성 등급을 결정하였다.

방사안정성 등급	S	A	B	F
사절 개수 (X)	0	0 < X ≤ 2	2 < X ≤ 5	5 < X

(b) 탄소섬유 강도(g/d)

시험편(규격 Mono filament)을 25℃ RH65% 온도 하에서 24시간 방치 후, 상기 준비된 시험편을 인스트롱사의 저속 신장형 인장시험기(모델명 Instron 5566)를 이용하여 시료 장 50mm, 인장 속도 300 mm/min으로 측정하였다.

(c) 탄화수율(%)

탄화수율은 전구체 투입량 중량 대비 탄소섬유 중량을 백분율로 표시한 값으로, 그 값이 클수록제조 단가는 낮아져 저가 탄소섬유를 제조 하는데 유리한 것으로 예측할 수 있다

탄화수율(%) = (제조된 탄소 섬유 중량 / 전구체 투입 중량 )x 100

상기 방법에 따라 측정한 물성을 하기 표 2에 정리하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	참조예 1	비교예 1
리그닌:셀룰로오스 (고형분 기준, 중량%)	10:90	20:80	30:70	40:60	0:100
방사 안정성	A	B	B	F(방사 불량)	S
탄소섬유 강도 (g/d)	9.3	8.1	7.2	-	11.2
탄화수율 (%)	25	28.9	32.6		21.1

상기 표 2에서 보는 것과 같이, 리그닌을 함유하는 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조하는 경우 라이오셀 섬유만을 전구체 섬유로 하여 탄소섬유를 제조한 것(비교예 1)과 대비하여 탄화수율이 향상되고, 탄소섬유 강도는 적정 수준을 유지함을 확인할 수 있다.

일예로 얻어진 탄소섬유의 강도는 7.2g/d 이상으로, 자동차 산업에 사용되는 유리섬유 대체 보강용 섬유는 강도가 7g/d 이상이면 사용가능 하므로 저가 범용 탄소섬유 용도로 충분히 사용 가능한 수준이다.

한편 리그닌을 함유하는 라이오셀 섬유를 전구체 섬유로 하여 탄소섬유로 제조하는 데 있어서 리그닌의 함량이 지나치게 많으면 방사 불량을 초래하여 산업적으로 이용하는 데 있어서 한계가 있음을 확인할 수 있다.

본 발명에 따르면 펄프 산업 내지 바이오리파이너리 산업의 부산물인 폐 리그닌을 간이한 방법을 통해 탄소섬유 제조에 활용할 수 있으면서도 탄화수율을 향상시킴으로써 가격적으로 경쟁력이 우수한 탄소섬유를 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 리그닌을 10 내지 30중량%로 포함하는 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 탄소섬유용 전구체 섬유로 하여 탄소화 공정을 수행하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   리그닌 함유 라이오셀 섬유로는 셀룰로오스를 아민옥사이드류를 포함하는 용액에 용해시켜 방사 원액을 제조하는 공정; 셀룰로오스 방사 원액과 정제된 리그닌 분말을 혼합하되, 정제된 리그닌 분말을 고형분 함량 기준으로 10 내지 30중량%로 혼합하여 혼합 방사용액을 제조하는 공정; 혼합 방사용액을 방사구금을 통하여 멀티 필라멘트로 응고욕조에 방사하는 방사 공정; 방사된 멀티 필라멘트를 수세하는 공정; 및 수세된 멀티 필라멘트를 건조하는 공정을 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   리그닌 함유 라이오셀 섬유로는 함수율이 10~50중량%인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   건조된 멀티 필라멘트를 권취하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   탄소화 공정은 리그닌 함유 라이오셀 섬유를 -10~-0.1% 또는 0.1~10%의 비율로 연신하면서 180~220℃의 온도로 열처리하여 예비 내염화 섬유로 전환시키는 예비 내염화 공정;
   예비 내염화 섬유를 -10~10%의 연신율로 연신하면서 200~300℃의 온도로 열처리하여 내염화 섬유로 전환시키는 내염화 공정;
   불활성 분위기 하에서 300~800℃의 온도로 예비 탄화 처리하는 예비 탄화 처리 공정; 및
   불활성 분위기 하에서 1000~3000℃의 온도로 탄화처리하는 탄화 처리 공정을 포함하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   탄소화 공정은 탄소섬유용 전구체 섬유 대비 -20~20%의 연신율을 만족하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   탄소화 공정은 탄소섬유용 전구체 섬유 대비 0.1~20%의 연신율을 만족하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 탄소섬유의 제조방법.
8. 제 1 항의 방법에 따라 제조된 셀룰로오스계 탄소섬유.