KR20150058011A - Manufacturing method of carbon filament using isotropic petroleum pitch and carbon filament therefrom - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon long fiber and a method for preparing the same. A high-strength, high-elastic carbon long fiber having maximized mechanical properties can be manufactured by using the method mentioned above. The properties can be used for a carbon composite material requiring high strength and elasticity, and thus the carbon long fiber is expected to replace existing PAN-based and anisotropic pitch-based carbon fibers. The method for manufacturing carbon long fiber using an isotropic petroleum pitch comprises the steps of: (a) preparing an isotropic pitch including selected among a petroleum based heavy oil, a high-boiling residue, an aromatic hydrocarbon single material and a naphtha decomposition process residue or its mixture; (b) preparing a pitch fiber melt-spinning the isotropic pitch; (c) heating the spun pitch fiber to stabilize it; and (d) carbonizing the pitch fiber.

Description

등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유{Manufacturing method of carbon filament using isotropic petroleum pitch and carbon filament therefrom}[0001] The present invention relates to a method for producing a carbon fiber having an isotropic petroleum pitch and a carbon fiber prepared from the carbon fiber,

본 발명은 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 특정 범위의 연화점을 가지는 베이직 피치 및 등방성 피치로부터 섬유를 제조하여, 기존 등방성 탄소섬유에 비해 월등한 물성을 가지는 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing carbon fibers using an isotropic petroleum pitch and a carbon fiber prepared from the process. More specifically, the present invention relates to a method for producing carbon fibers using an isotropic petroleum pitch having superior physical properties compared to conventional isotropic carbon fibers by producing fibers from a basic pitch and an isotropic pitch having a softening point in a specific range, Carbon fiber.

자동차의 저연비화는 석유자원의 고갈과 가격 인상 및 환경문제 등으로 더욱 요구되고 있다. 워킹그룹 보고서에 의하면 2020년에는 지금보다 에너지효율이 600% 이상 증대될 것으로 예견하고 있는데, 엔진의 하이브리드화를 통해 가장 큰 효과가 있으며, 엔진효율 개선, 차체의 경량화, 에너지의 전달효율 개선 순으로 효과가 있음을 언급하고 있다. 특히 미국에너지국(DOE)에 따르면, 차체 무게를 10% 감소시키면 대략 7%의 연료 절감이 가능하다고 밝히고 있어, 차체의 경량화에 대한 기술개발이 더욱 요구되는 실정이다.The fuel efficiency of automobiles is also increasingly demanded due to depletion of petroleum resources, price hikes and environmental problems. According to the Working Group report, energy efficiency is expected to increase by more than 600% in 2020 than in the past. The hybridization of the engines has the greatest effect. Improvements in engine efficiency, lighter weight, It is said that there is an effect. In particular, according to the US Department of Energy (DOE), a 10% reduction in vehicle body weight indicates that fuel savings of about 7% are possible.

차체 경량화는 고장력강, 알루미늄 합금 등의 사용으로도 달성할 수 있으나, 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic)적용이 효과가 크며, 자동차에서 엔진후드, 프로펠러 샤프트 및 수소탱크 등에 이미 사용하고 있는 추세이다. CFRP를 차체구조의 주요재료로 사용하는 경우, 50% 가량의 중량경감이 가능하며, 여기에 충돌에너지 흡수성능도 향상된다. 무엇보다도, 현재 이용 가능한 재료 중에 제일 가벼운 차체를 제조할 수 있어 세계 각국에서 연구가 활발하다.The use of carbon fiber reinforced plastics has been effective, and has already been used in automobile engine hoods, propeller shafts, and hydrogen tanks, although it can be achieved by using high tensile strength steel and aluminum alloys. . When CFRP is used as the main material of the car body structure, weight reduction of about 50% is possible, and impact energy absorbing performance is improved. Above all, research is actively conducted around the world because it is possible to manufacture the lightest body among the currently available materials.

그러나 CFRP에도 약점이 있는데, 인장강도가 압축에 비해 약하며, 충격에 의해 층간 박리가 발생하기 쉬어, 충격 후 압축강도가 급격히 감소하게 된다. 또한 제조비용이 비싸 많은 적용이 어렵다는 단점이 있다.However, there is a weak point in CFRP because tensile strength is weaker than compression, and interlayer delamination occurs due to impact, resulting in a drastic decrease in compressive strength after impact. Also, it has a disadvantage that it is difficult to apply a lot of manufacturing cost.

일반적으로 CFRP에 포함되는 탄소섬유는 전구체에 따라 레이온계, PAN계, 피치계 등으로 나눌 수 있으며, 이 중 피치계는 전구체인 피치의 종류에 따라 액정 피치계 탄소섬유와 등방성 피치계 탄소섬유로 나눌 수 있다. 그 중에서도 등방성 피치계 탄소섬유는 고성능 그레이드에 비해 저렴한 가격을 가져 범용 탄소섬유라고도 불리고 있으며, 멜트 블로운(melt blown) 방식에 의해 스테이플 형태의 탄소섬유로 생산되어 고온 단열재나 필터용 활성 탄소섬유로 사용되고 있다.In general, the carbon fibers contained in the CFRP can be classified into rayon, PAN, and pitch based on the precursor. Among them, the pitch system includes liquid crystal pitch carbon fiber and isotropic pitch carbon fiber depending on the type of the precursor pitch Can be divided. Among them, isotropic pitch type carbon fibers have a lower price than high performance grades and are called general purpose carbon fibers. They are produced by staple type carbon fibers by melt blown method and are used as high temperature heat insulating materials and activated carbon fibers for filters .

석유, 콜 타르, 또는 화학 피치를 원료로 하여 탄소섬유를 제조하는 것은 많은 이점이 있는데, 그 이유 중 하나는 이들 원료의 탄소 대 수소 비가 높다는 것이다. 예를 들어, PAN 수지로부터 제조되는 탄소섬유의 이론 수득률은 50%정도에 그치지만, 잘 정제된 피치로부터 제조되는 탄소섬유의 이론 수득률은 90%에 달한다. 그러나, 우주, 항공 분야 등에 복합재로 사용 가능한 충분한 인장강도와 모듈러스를 갖춘 피치계 탄소섬유는 액정 피치로부터 제조되며, 석유, 콜 타르, 또는 화학피치로부터 액정 피치를 제조하기 위해서는 전처리, 수소화 퀴놀린 불용분의 분리 등의 복잡한 공정이 필요하며, 이에 따라 생산 비용이 증가하여 가격이 비싸다는 단점이 있다.The production of carbon fibers from petroleum, coal tar, or chemical pitches has many advantages, one of which is the high carbon-to-hydrogen ratio of these feedstocks. For example, the theoretical yield of carbon fibers produced from PAN resins is only about 50%, but the theoretical yield of carbon fibers produced from well-purified pitches is up to 90%. However, pitch-based carbon fibers with sufficient tensile strength and modulus that can be used as composites in the aerospace and aerospace industries are manufactured from liquid crystal pitches. In order to produce liquid crystal pitches from petroleum, coal tar, or chemical pitches, pretreatment, hydrogenated quinoline insoluble matter And thus the production cost is increased and the cost is high.

등방성 피치계 탄소섬유 또는 탄소섬유 제조를 위한 등방성 피치에 관한 종래기술로는 대한민국 공개특허 10-2013-0059174, 일본 공개특허 1996-144131 등이 있다. 이중 10-2013-0059174에서는 고연화점을 갖는 탄소섬유용 전구체 제조법을 기재하고 있으나, 피치의 가열온도가 360℃ 이상으로 부분적으로 불용고형분이 생성되거나 메조페이즈가 생성되어, 그 결과 제조된 탄소섬유의 물성이 떨어지는 단점이 있다.Korean Patent Laid-Open Nos. 10-2013-0059174 and 1996-144131 disclose isotropic pitches for producing isotropic pitch-based carbon fibers or carbon fibers. 10-2013-0059174 discloses a method for producing a precursor for carbon fiber having a high softening point, but it has a problem that a heating temperature of the pitch is 360 ° C or higher, so that insoluble solid content is generated or mesophase is produced, There is a disadvantage that physical properties are deteriorated.

또한 일본 공개특허 1996-144131에서는 특정범위의 분자량을 가지는 탄소섬유 제조용 등방성 피치를 청구하고 있으나, 피치의 연화점이 180 내지 200℃로 낮으며, 피치로부터 제조된 탄소섬유의 인장강도가 89.3 ㎏/㎟(약 0.893GPa)로 차량용 강판 등을 목적으로 한 CFRP용도로 사용되기에는 낮은 물성을 보이고 있다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 1996-144131 proposes an isotropic pitch for producing carbon fibers having a specific range of molecular weight. However, the softening point of the pitch is as low as 180 to 200 占 폚 and the tensile strength of the carbon fiber produced from the pitch is 89.3 kg / (About 0.893 GPa), it shows low physical properties to be used for CFRP for the purpose of steel plates for automobiles.

이처럼 CFRP에 사용될 수 있는 필요 물성을 모두 만족하면서 낮은 생산비용으로 대량 생산이 가능한 등방성 피치를 이용한 탄소섬유 제조기술의 개발이 강력히 요구되고 있다.Thus, there is a strong demand for the development of carbon fiber fabrication technology using an isotropic pitch capable of mass production at a low production cost while satisfying all necessary properties for CFRP.

대한민국 공개특허 10-2013-0059174 (2013년 06월 05일)Korean Patent Publication No. 10-2013-0059174 (June 05, 2013) 일본 특허공개공보 1996-144131(1996년 06월 04일)Japanese Patent Application Laid-Open No. 1996-144131 (June 04, 1996)

본 발명자들은 상기 문제점을 해소하기 위해 연구를 거듭한 결과, 아스팔텐(Asphaltene)형태의 탄소층이 적층된 특정 결정구조를 포함하는 탄소장섬유를 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유를 제공한다. The inventors of the present invention have conducted extensive studies to overcome the above problems, and as a result, they have found a process for producing carbon fiber including a specific crystal structure in which an asphaltene type carbon layer is laminated and a carbon fiber prepared from the carbon fiber .

본 발명은 등방성 석유계 피치, 화학계 피치, 석탄계 피치를 이용한 특정 결정구조를 포함하는 탄소장섬유 및 이의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a carbon fiber including a specific crystal structure using an isotropic petroleum pitch, a chemical system pitch and a coal pitch, and a process for producing the carbon fiber.

본 발명은 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc), 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm), 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La), 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간 평균 거리(dγ) 및 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있는 상기 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)로 표현되는 구조를 포함하는 탄소장섬유를 제공한다.The present invention is a condensation-average diameter (L c), the average distance condensed ring compound layers of the layered structure (d m), the condensed average diameter (L a) of the ring compound layer of the multilayer structure wherein the aromatic ring compound layer is formed, the condensed (M) of the condensed aromatic ring compound layers contained in the laminated structure which can be represented by the average distance d ? Between the aliphatic chains connected to the aromatic ring compound and (L c / d m ) +1 Containing carbonaceous fibers.

본 발명은 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 석탄 타르 유분, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료로부터 등방성 피치를 제조하는 단계, 상기 등방성 피치를 용융방사하는 피치섬유 제조단계, 상기 피치섬유를 탄화하는 단계를 포함하는 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a process for producing an isotropic pitch from a raw material comprising one or a mixture selected from petroleum heavy oils, high boiling point residues, coal tar oils, aromatic hydrocarbon monomers and naphtha cracking residues, And carbonizing the pitch fiber. The present invention also provides a method for producing carbon fiber using isotropic petroleum pitch.

본 발명은 피치 내에 불용고형분과 메조페이즈(mesophase)의 생성을 최대한 억제하고 저온의 탄화공정으로 에너지소비를 최소화 할 수 있으면서도 기계적 물성이 뛰어난 탄소장섬유의 제조방법을 제공하며, 제조된 탄소장섬유는 고강도 및 고탄성의 탄소장섬유로서 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)에 적용이 가능하여 기존의 PAN계, 이방성 피치계 탄소섬유를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. The present invention provides a method for producing carbon fiber having excellent mechanical properties while minimizing the generation of insoluble solids and mesophase in the pitch and minimizing energy consumption by a low temperature carbonization process, Can be applied to carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as high strength and high elasticity carbon fiber, and it is expected to be able to replace the existing PAN and anisotropic pitch type carbon fibers.

도 1은 본 발명의 탄소장섬유 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 제조방법에서 나프타 분해 잔사유의 분자량분포를 TOF-MS로 측정하여 도시한 것으로 피크의 폭이 매우 좁아 분자량이 균일한 것을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소장섬유의 표면을 SEM으로 촬영한 것이다.
도 4는 탄소섬유의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. (a)는 할로겐화법으로 베이직 피치를 제조한 탄소섬유의 분석결과이고, (b)는 열중합법으로 베이직 피치를 제조한 탄소섬유의 분석결과이고, (c)는 PAN계 탄소섬유 분석결과이며, (d)는 이방성 피치계 탄소섬유 분석결과이다.
도 5은 X-선 회절분석을 통한 탄소섬유의 결정구조 해석 그림이다. La는 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경이고, Lc는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경이고, dm는 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 거리이고, dγ는 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리 이며, M은 상기 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a flow chart showing the process for producing carbon fiber of the present invention. Fig.
Fig. 2 shows the molecular weight distribution of naphtha-decomposed residual oil in the production process as measured by TOF-MS and shows that the width of the peak is very narrow and the molecular weight is uniform.
FIG. 3 is a SEM photograph of the surface of a carbon fiber prepared according to an embodiment of the present invention.
Fig. 4 shows the results of X-ray diffraction analysis of carbon fibers. (a) is a result of analyzing carbon fibers prepared by the basic method of halogenation, (b) is a result of analyzing carbon fibers prepared by a basic polymerization method using a heat polymerization method, (c) (d) is the result of anisotropic pitch-based carbon fiber analysis.
FIG. 5 is a diagram showing the crystal structure analysis of carbon fiber by X-ray diffraction analysis. FIG. L a is the average diameter of the fused ring compound layer, L c is a condensed aromatic ring compound layer having an average diameter of the multilayer structure to form, d m is a fused interlayer distance ring compound of the layered structure, d γ is condensed aromatic And M is an average number of the condensed aromatic ring compound layers contained in the laminated structure.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which the carbon fiber is produced using the isotropic petroleum pitch according to the present invention and the carbon fiber prepared from the carbon fiber. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략할 수 있다.Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred may be omitted.

본 발명은 탄소장섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로 축합방향족 고리 화합물 층이 적층구조를 형성하고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 구조를 포함하는 탄소장섬유 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a carbon fiber and a method for producing the same, and provides a carbon fiber including a structure in which a condensed aromatic ring compound layer forms a laminated structure and a condensed aromatic ring compound linked by an aliphatic chain, and a process for producing the same.

상기 축합방향족 고리 화합물 층이란 바람직하게는 방향족고리들이 축합된 화합물로 이루어진 층이나 축합방향족 화합물이 포함된 화합물 층일 수 있고 이들이 지방족 사슬에 의하여 연결되어 있을 수 있다. 이러한 구조는 다수의 방향족 고리가 포함된 축합 고리 또는 축합방향족 고리를 중심으로 바깥족의 지방족사슬에 의해 이들이 연결된 화학적 구조를 가진 고분자인 아스팔텐(Asphaltene)형태의 탄소층을 형성할 수 있다. The condensed aromatic ring compound layer is preferably a layer made of a compound in which aromatic rings are condensed or a compound layer in which a condensed aromatic compound is contained, and these may be connected by an aliphatic chain. Such a structure may form a carbon layer in the form of Asphaltene, which is a polymer having a chemical structure in which a condensed ring or a condensed aromatic ring containing a plurality of aromatic rings is linked by an aliphatic chain of an outer group around the aromatic ring.

본 발명의 탄소장섬유는 고강도 및 고탄성의 기계적 물성이 극대화된 것으로 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)에 적용이 가능하여 기존의 PAN계, 이방성 피치계 탄소섬유를 대체하여 사용될 수 있다. The carbon fiber of the present invention is maximized in mechanical properties of high strength and high elasticity and can be applied to carbon fiber reinforced plastic (CFRP), and thus can be used as a substitute for conventional PAN-based, anisotropic pitch-based carbon fibers .

먼저, 본 발명의 탄소장섬유에 대하여 자세히 설명한다.First, the carbon fiber of the present invention will be described in detail.

본 발명의 탄소장섬유는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)에서 16<2θ<19에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드(γ-band)가 나타나고, 19<2θ<26에서 (002)면 밴드가 나타나며, 43<2θ<48에서 (10) 밴드가 나타나는 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 구조를 포함하는 등방성 피치이다.The carbon fiber of the present invention exhibits a gamma band of an aliphatic chain at 16 < 2 < 19 in X-ray diffraction (XRD) (002) plane band, and a condensed aromatic ring compound having a band of (10) at 43 < 2 < 48 is bonded at an isotropic pitch including an aliphatic chain.

상기 구조는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc), 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La), 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm) 및 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있는 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)로 설명될 수 있으며, 축합방향족 고리 화합물들은 지방족 사슬로 연결되어 있고 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)도 상기 구조를 설명하는데 더해질 수 있다. 그리고, 상기 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조는 나노 클러스터(nano cluster)라고 표현될 수 있다. 상기 결정구조의 각 측정결과는 XRD 측정결과, 브래그식(Bragg) 및 scherrer식에 의해 나타낼 수 있다.The structure is the average diameter (L c) of the multilayer structure to form the layer condensed ring compound, a condensed aromatic average diameter of the cyclic compound layer (L a), the average distance condensed ring compound layers of the layered structure (d m) and ( (M) of the condensed aromatic ring compound layers contained in the laminated structure which can be represented by the following formula: L c / d m ) +1, and the condensed aromatic ring compounds are linked by an aliphatic chain, The average distance d ? Between linked aliphatic chains can also be added to account for the structure. The laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer may be expressed as a nano cluster. Each measurement result of the crystal structure can be represented by Bragg equation and Scherrer equation as a result of XRD measurement.

구체적으로, 축합방향 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc)은 30 내지 60, 바람직하게는 30 내지 50이고, 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La)은 10 내지 50, 바람직하게는 15 내지 40이고, 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리(dm)는 3.50 내지 4.20, 바람직하게는 3.70 내지 4.00이고, 축합방향족 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)는 4.00 내지 6.00, 바람직하게는 4.50 내지 5.50이며, 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)은 9.0 내지 18.0, 바람직하게는 9.5 내지 14.5이다. Specifically, the average diameter (L c) of a laminated structure in which a condensed aromatic ring compound layer formed is 30 to 60, preferably an average diameter (L a) of and 30 to 50, condensed ring compound layer is 10 to 50, Preferably in the range of 15 to 40, and in the laminated structure, the average distance d m between the condensed aromatic ring compounds is 3.50 to 4.20, preferably 3.70 to 4.00, and the average distance d ? Between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic compound is 4.00 to 6.00, preferably 4.50 to 5.50, and the average number (M) of the condensed aromatic ring compound layers contained in the laminated structure is 9.0 to 18.0, preferably 9.5 to 14.5.

본 발명에서 제조된 탄소장섬유는 결정구조가 상기 범위를 만족해야 고강도 및 고탄성의 물성을 가지게 된다. 상기 범위를 벗어나는 경우 인장강도가 현저히 감소하거나, 신장률이 낮아지거나 지나치게 높아져 탄성률이 좋지 못하다. The carbon fiber produced by the present invention must have a high-strength and high-elasticity physical properties in order to satisfy the above-mentioned range. Outside of the above range, the tensile strength is remarkably decreased, the elongation is lowered or excessively increased, and the elastic modulus is not good.

본 발명의 탄소장섬유는 결정구조 분석결과에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다.The carbon fiber of the present invention can be represented as follows according to the result of crystal structure analysis.

본 발명의 탄소장섬유는 X-선 회절분석(XRD)에서 회절각 19<2θ<26에서 (002)면 밴드가 나타나고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 하기 식 (1)~(4)를 만족하는 결정구조를 포함하는 탄소장섬유이다. (1) to (4) in which the condensed aromatic ring compound is linked by an aliphatic chain, the carbon fiber of the present invention exhibits a (002) plane band at a diffraction angle of 19 <2? <26 in X-ray diffraction analysis (XRD) Lt; / RTI &gt; is a carbon fiber.

30 ≤ La ≤ 60Å --- (1)30? L a ? 60? A (1)

10 ≤ Lc ≤ 50Å --- (2)10? L c ? 50? (2)

3.50 ≤ dm ≤ 4.20Å --- (3) 3.50 ≤ d m ≤ 4.20Å --- ( 3)

9.0 ≤ M ≤ 18.0 --- (4)9.0 ≤ M ? 18.0 - (4)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식 (1), (2) 및 (3)을 만족하여도 (4)를 만족하지 않으면 탄소장섬유의 인장강도가 현저히 감소하거나 신장률이 낮아진다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식 (2) 및 (3)을 만족하여도 (1) 및 (4)를 만족하지 않으면 인장강도가 현저히 감소하거나 신장률이 지나치게 높아져 탄성률이 떨어진다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 식 (1) 및 (2)를 만족하여도 (3) 및 (4)를 만족하지 않으면 인장강도 및 신장률이 현저히 감소한다. According to an embodiment of the present invention, when the above formulas (1), (2), and (3) are satisfied and the condition (4) is not satisfied, the tensile strength of the carbon fiber is remarkably decreased or the elongation is decreased. According to another embodiment of the present invention, when the above expressions (2) and (3) are satisfied, the tensile strength is remarkably decreased or the elongation percentage is excessively increased and the elastic modulus is lowered. According to still another embodiment of the present invention, the tensile strength and the elongation percentage are significantly reduced unless the formulas (1) and (2) are satisfied and the conditions (3) and (4) are not satisfied.

상기 탄소장섬유에 포함되는 구조에 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)를 추가로 표현하여 보다 상세히 탄소장섬유를 나타낼 수 있다. The average length (d ? ) Between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound in the structure contained in the carbonaceous fibers may further be expressed to indicate the carbon fiber.

본 발명의 상기 식 (1) 내지 (4) 및 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리(dγ)가 각각 바람직한 범위로 더 구체화된 보다 우수한 물성을 가지는 탄소장섬유가 제조될 수 있다. Carbon filaments having better physical properties, in which the formulas (1) to (4) of the present invention and the average distance (d ? ) Between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound are more preferable ranges, respectively, can be produced.

본 발명의 탄소장섬유는 직경 1 내지 20㎛, 인장강도가 최소 1.5GPa 이상이고 신장률이 2% 이상인 고강도, 고탄성의 탄소장섬유이다.The carbon fiber of the present invention is a high strength, high-elastic carbon fiber having a diameter of 1 to 20 μm, a tensile strength of at least 1.5 GPa and an elongation of 2% or more.

다음으로, 본 발명의 탄소장섬유 제조방법에 대하여 자세히 설명한다.Next, the method for producing carbon fiber of the present invention will be described in detail.

먼저 본 발명에 일 실시예에 따른 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법은,First, a method for producing a carbon fiber using an isotropic petroleum pitch according to an embodiment of the present invention includes:

a) 석유계 중질유, 고비점 잔사유 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료로부터 등방성 피치를 제조하는 단계;a) preparing an isotropic pitch from a raw material comprising one or a mixture selected from petroleum heavy oils, high boiling point residues and naphtha cracking process residues;

b) 상기 등방성 피치를 용융방사하는 피치섬유 제조 단계; b) a pitch fiber manufacturing step of melt spinning the isotropic pitch;

c) 상기 방사된 피치섬유를 열처리하여 안정화하는 단계; 및 c) stabilizing the spun fibers by heat treatment; And

d) 상기 피치섬유를 탄화하는 단계;d) carbonizing said pitch fibers;

를 포함할 수 있다.. &Lt; / RTI &gt;

원료는 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 석탄 타르 유분, 나프탈렌, 메틸나프탈렌 또는 안트라센 등의 방향족 탄화수소 단물질, 또는 나프타 분해공정 잔사유 등을 포함할 수 있다. 또한 넓은 분자량 분포를 가지는 열분해 중질 잔사유도 사용할 수 있다.The raw materials may include aromatic hydrocarbon single substances such as petroleum heavy oil, high boiling point residual oil, coal tar oil, naphthalene, methylnaphthalene or anthracene, or naphtha cracking residues. Pyrolysis heavy residues having a broad molecular weight distribution can also be used.

원료로 더욱 상세하게는 나프타 분해 잔사유의 일종인 열분해 연료유(PFO)를 포함할 수 있다. PFO는 나프타 크래킹 공정(naphtha cracking center; NCC)의 탑저부위(bottom)에서 생성되는 것으로 방향화도가 높고 수지의 함량이 풍부하여 본 발명의 원료로 사용될 수 있다.More specifically, it may include pyrolysis fuel oil (PFO), which is a kind of naphtha-decomposed residual oil. The PFO is produced at the bottom of the naphtha cracking center (NCC) and is highly oriented and can be used as a raw material of the present invention because the content of the resin is abundant.

열분해 연료유는 납사크래킹 공정의 탑저부위에서 생성되는 것으로, 다양한 방향족 탄화수소류를 포함할 수 있다. 방향족 탄화수소류의 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-9HFluorene), 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) 및 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene) 등이 있을 수 있다.The pyrolysis fuel oil is produced on the bottom of the naphtha cracking process and may contain various aromatic hydrocarbons. Specific examples of the aromatic hydrocarbons include ethylbenzene, 1-ethenyl-3-methyl benzene, indene, 1-ethyl- ethyl-3-methyl benzene, 1-methylethylbenzene, 2-ethyl-1,3-dimethyl benzene, propylbenzene, 1- Methyl-4- (2-propenyl) benzene, 1,1a, 6,6a-tetrahydro-cyclopropane (1,1a, 6,6a 2-ethyl-1H-indene, 1-methyl-1H-indene, 4,7-dimethyl- 1-methyl-9H-fluorene, 1, 7-dimethyl naphthalene, 2-methyl- 2-methylindene, 4,4'-dimethyl biphenyl, naphthalene, 4-methyl-1,1'-biphenyl, -biphenyl, anthracene, 2-methylnaphthalene and 1-methylnaphthalene. This can be.

본 발명의 일 실시예에 따른 원료는 고비점 유분이 더 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고비점 유분은 원유를 분별 증류하여 얻을 수 있는 성분 중 비점이 높고 탄소수가 많은 성분을 뜻하는 것으로, 주로 탄소수 5이상, 바람직하게는 7 이상의 경질 또는 중질 방향족 나프타를 포함할 수 있다. The raw material according to one embodiment of the present invention may further include a high boiling point oil. The high boiling point oil according to one embodiment of the present invention refers to a component having a high boiling point and a high carbon number among the components obtained by fractional distillation of crude oil and is mainly composed of a hard or heavy aromatic naphtha having 5 or more carbon atoms, .

고비점 유분으로 더욱 상세하게는 탄소수 9의 유분이 포함될 수 있다. 구체적으로 예를 들면 스티렌, 비닐톨루엔, 인덴, 알파메틸스티렌 및 벤젠/톨루엔/크실렌(BTX) 등으로 이루어질 수 있다.High boiling oil fractions, more specifically, may include fractions containing 9 carbon atoms. Specific examples thereof include styrene, vinyltoluene, indene, alpha methylstyrene, and benzene / toluene / xylene (BTX).

탄소수 9의 유분으로 바람직하게는 인덴이 포함될 수 있다. 인덴은 원료 중 아로마틱 성분의 측쇄와 결합하여 용융방사 후 안정화 단계에서 아로마틱 성분의 측쇄가 산화함에 따라 탈수결합하여 에테르(ether)화 되려는 경향을 방지할 수 있어, 결과적으로 탄화온도 및 시간을 낮추는데 기여할 수 있다. As the oil having 9 carbon atoms, indene may be preferably included. Indene is bonded to the side chain of the aromatic component in the raw material, and it is possible to prevent the tendency of being dehydrated and etherified as the side chain of the aromatic component is oxidized in the stabilization step after melt spinning, thereby contributing to lowering the carbonization temperature and time .

고비점 유분은 전체 원료 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 5 중량% 미만의 경우에는 그 효과가 미미할 수 있으며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 증가된 양에 대해 효과가 뚜렷하지 않을 수 있다.The high boiling point oil is preferably contained in an amount of 5 to 15% by weight based on 100% by weight of the whole raw material. When the amount of the high boiling point oil is less than 5% by weight, the effect thereof may be insignificant. May not be clear.

원료의 방향족화도(fa)는 0.7 내지 0.9 일 수 있다. 방향족화도가 0.7 미만인 경우 탄화 수율이 저하될 수 있다. 방향족도가 0.9보다 높은 경우에 대해서는 특별한 제한은 없으나, 방향족도가 0.9이상인 경우 본 발명에서 개시한 일련의 피치 합성 방법에 의한 효과가 크지 않을 수 있다. The aromaticity fa of the raw material may be 0.7 to 0.9. If the degree of aromaticization is less than 0.7, the hydrocarbon yield may be lowered. There is no particular limitation on the case where the aromaticity is higher than 0.9, but when the aromaticity is 0.9 or more, the effect of the series of pitch synthesis methods disclosed in the present invention may not be significant.

원료의 분자량은 75 내지 350의 분포를 가질 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 250의 분포를 가질 수 있다.The molecular weight of the raw material may have a distribution of 75 to 350, preferably 100 to 250.

본 발명의 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 중 상기 a) 단계는 구체적으로,The step (a) of the method for producing a carbon fiber using the isotropic petroleum pitch of the present invention is, specifically,

a1) 원료를 열처리 및 분획하는 전처리 단계;a1) a pretreatment step of heat-treating and fractionating the raw material;

a2) 전처리된 원료에서 고상 물질을 제거하는 여과단계;a2) a filtration step of removing the solid matter from the pretreated raw material;

a3) 여과된 원료로 베이직 피치를 제조하는 단계; 및a3) preparing a basic pitch with the filtered raw material; And

a4) 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하는 단계;a4) heating the basic pitch to produce an isotropic pitch;

를 포함할 수 있다.. &Lt; / RTI &gt;

a1)단계에서 전처리는 가열 및 분획 과정을 포함할 수 있으며, 중합 반응에 의해 올리고머를 생성할 가능성이 낮은 저분자 물질을 제거하는 단계이며, 동시에 반응을 수반하여 원시재료에 포함된 반응성이 강하며 불안정한 화합물을 보다 안정적이며 등방성 피치의 제조에 유효한 화합물로 전환하는 데 그 목적을 두고 있다. In the step a1), the pretreatment may include a heating and a fractionation step. In the step a1), a step of removing a low molecular substance which is less likely to form an oligomer by a polymerization reaction is carried out. At the same time, The aim of the present invention is to convert a compound into a more stable and effective compound for producing an isotropic pitch.

전처리 단계는 130 내지 240℃, 바람직하게는 150 내지 230℃, 보다 바람직하게는 190 내지 220℃의 온도에서 휘발분이 발생하지 않을 때까지 상압 증류하여 진행할 수 있다. 전처리 단계에서 가열온도는 원료의 조성비, 방향족화도 등 베이직피치 및 등방성 피치의 물성, 나아가서는 탄소섬유의 기계적인 물성에 영향을 줄 수 있다. 또한 전처리 단계는 상압에서도 진행할 수 있으나, 감압 하에서 진행할 수 있다. 이때 감압을 통해 보다 낮은 온도에서 전처리 공정을 진행할 수 있으며, 상압과 동일한 효과를 얻을 수 있는 범위 내에서 압력 및 온도를 자유롭게 조절할 수 있다. The pretreatment may be carried out at atmospheric distillation at a temperature of 130 to 240 ° C, preferably 150 to 230 ° C, more preferably 190 to 220 ° C until no volatile matter is generated. In the pretreatment step, the heating temperature may affect the physical properties of the basic pitch and the isotropic pitch, such as the composition ratio of the raw materials and the degree of aromatization, and furthermore, the mechanical properties of the carbon fiber. Also, the pretreatment step can proceed under atmospheric pressure, but can proceed under reduced pressure. At this time, the pretreatment process can be carried out at a lower temperature through the depressurization, and the pressure and the temperature can be freely adjusted within the range of obtaining the same effect as the normal pressure.

a2)여과단계는 고상 물질을 제거하는 공정으로, 이들 고상 물질은 금속, 황, 질소 등의 불순물이 포함된 고체상의 잔류물로서 탄소섬유의 구조에 크래커(cracker)로 작용하여 강도저하를 유발할 수 있다. a2) The filtration step is a step of removing the solid matter, and these solid matter may be a solid residue containing impurities such as metal, sulfur, nitrogen and the like, acting as a cracker in the structure of the carbon fiber, have.

여과단계는 당업계에서 통상적으로 수행하는 방식, 예를 들어 여과, 원심분리, 침강, 흡착, 추출 등으로 수행할 수 있다.The filtration step can be carried out by a method commonly used in the art, for example, filtration, centrifugation, sedimentation, adsorption, extraction and the like.

여과단계는 등방성 피치 중간체인 베이직피치의 중합 이 후 수행할 수도 있으며, 경우에 따라서는 전처리 단계 다음 및 베이직피치 중합 단계 다음에 모두 수행할 수 있다. 즉, 상기 제조방법에서 (a1) 단계 이 후에 수행할 수 있으며, 경우에 따라서는 (a1) 및 (a3) 단계 이 후에 각각 수행할 수도 있다.The filtration step may be carried out after the polymerization of the basic pitch, which is an isotropic pitch intermediate, and in some cases, may be carried out both after the pretreatment step and after the basic pitch polymerization step. That is, the step (a1) may be carried out after the step (a1) and the step (a3), respectively.

a3)베이직 피치 제조단계는 여과단계를 거친 원료를 가열과 동시에 반응시켜 메조페이즈의 생성 없이 고연화점을 가지는 베이직 피치를 제조하는 단계로, 할로겐화법 또는 열중합법으로 진행할 수 있다.a3) In the step of producing a basic pitch, a raw material having been subjected to a filtration step is reacted simultaneously with heating to produce a basic pitch having a high softening point without generating a mesophase, and can be carried out by a halogenation method or a thermal polymerization method.

할로겐화법은 할로겐화합물 및 라디칼개시제를 더 첨가한 후 가열하여 진행할 수 있으며, 바람직하게는 라디칼개시제를 첨가한 후 할로겐화합물을 첨가하고 혼합하여 진행할 수 있다.The halogenation method can be carried out by adding a halogen compound and a radical initiator and then heating. Preferably, a radical initiator is added and then a halogen compound is added and mixed.

할로겐화합물은 염소(Cl2), 티오닐클로라이드(SOCl2), 설푸릴클로라이드(SO2Cl2), 브롬(Br2), 요오드(I2) 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.The halogen compound is selected from the group consisting of chlorine (Cl 2 ), thionyl chloride (SOCl 2 ), sulfuryl chloride (SO 2 Cl 2 ), bromine (Br 2 ), iodine (I 2 ) Can be used.

라디칼개시제는 벤조일퍼옥사이드(Benzoyl peroxide), 디부틸히드로퍼옥사이드(di-t-butyl hydroperoxide), 아세틸퍼옥사이드The radical initiator may be selected from the group consisting of benzoyl peroxide, di-t-butyl hydroperoxide,

(Acetyl peroxide) 등의 유기과산화물(Organic Peroxide)과, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN ; α,α'-Azobisisobutyronitrile), 아조비스메틸이소부틸레이트(α,α'-Azobismethyl isobutyrate) 등의 아조화합물, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.An organic peroxide such as acetyl peroxide or the like and an azo compound such as azobisisobutyronitrile (AIBN;?,? '- Azobisisobutyronitrile), azobismethyl isobutyrate , Or a mixture of two or more thereof.

라디칼개시제는 할로겐화합물 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부 포함될 수 있으나 보다 바람직하게는 5 내지 20 중량부 포함될 수 있다.The radical initiator may be added in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the halogen compound, but more preferably 5 to 20 parts by weight.

할로겐화법은 100 내지 120℃에서 0.5 내지 2시간 할로겐화반응을 진행하여 방향족 알킬그룹 내 수소를 할로겐으로 치환한 후, 300 내지 330℃에서 2 내지 4시간 탈할로겐화반응에 의한 중합을 진행할 수 있다. 또한 탈할로겐화반응은 후속공정으로서, 반응 후에 베이직피치 중에 잔존할 수 있는 할로겐화합물과 라디칼개시제를 분해시켜 제조되는 베이직피치의 순도를 더욱 높일 수 있다. 특히 탈할로겐화반응에서 반응온도가 330℃를 넘지 않는 것이 좋은데, 330℃ 초과 시에는 할로겐화합물 및 라디칼개시제의 분해가 활발히 일어나지만 과다한 중합에 따른 베이직피치의 이방성화 또는 코크스화가 진행하여 결과적으로 탄소장섬유의 기계적인 물성이 크게 떨어지게 된다.In the halogenation method, the halogenation reaction is carried out at 100 to 120 ° C for 0.5 to 2 hours to replace the hydrogen in the aromatic alkyl group with halogen, and the polymerization can be carried out at 300 to 330 ° C for 2 to 4 hours by dehalogenation. Further, the dehalogenation reaction is a subsequent step, and it is possible to further increase the purity of the basic pitch produced by decomposing the halogen compound and the radical initiator that may remain in the basic pitch after the reaction. Particularly, in the dehalogenation reaction, it is preferable that the reaction temperature does not exceed 330 ° C. When the temperature exceeds 330 ° C., decomposition of the halogen compound and radical initiator occurs actively, but anisotropy or coking of the basic pitch due to excessive polymerization proceeds, The mechanical properties of the fiber are greatly deteriorated.

할로겐화법에 의해 제조된 베이직피치는 연화점이 70 내지 130℃, 바람직하게는 115 내지 125℃일 수 있다.The basic pitch produced by the halogenation method may have a softening point of 70 to 130 캜, preferably 115 to 125 캜.

열중합법은 350 내지 380℃에서 0.1 내지 2시간 진행할 수 있다. 증류법은 진행 시 불활성기체 분위기에서 진행할 수 있으며, 질소와 폴리콘덴세이션(poly-condensation) 진행 중에 발생하는 기체 부산물을 분취하여 진행할 수 있다. 또한 열중합법에서도 할로겐화법과 마찬가지로 반응온도가 380℃를 넘지 않는 것이 좋은데, 반응온도가 380℃를 초과하는 경우, 할로겐화법과 마찬가지로 본 발명에서 목적으로 하는 균일한 이방성 피치의 범위를 초과하는 과량의 메조페이즈가 생성되거나 또는 코크스화가 진행되어 불균일한 탄소섬유가 생성될 수 있다.The thermal polymerization may be carried out at 350 to 380 DEG C for 0.1 to 2 hours. The distillation process can proceed in an inert gas atmosphere during the process and can proceed by collecting gaseous by-products generated during nitrogen and poly-condensation. Also, in the thermal polymerization method, it is preferable that the reaction temperature does not exceed 380 ° C like the halogenation method. When the reaction temperature exceeds 380 ° C, an excessive amount of mesophases exceeding the range of the uniform anisotropic pitch, Or coking may proceed to produce non-uniform carbon fibers.

열중합법에 의해 제조된 베이직피치는 연화점이 85 내지 140℃, 바람직하게는 115 내지 125℃일 수 있다.The basic pitch produced by the heat polymerization method may have a softening point of from 85 to 140 캜, preferably from 115 to 125 캜.

등방성 피치의 제조 공정에서 구성상의 편의에 따라 베이직 피치의 물성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 제조방법의 (c)단계에서 (d)단계를 연속적으로 흐르는 유체의 흐름을 원할히 할 목적으로 공정을 구성할 경우, 상기 (c)단계로부터 제조된 베이직 피치 중 축합방향족 고리 화합물이 연결된 올리고머의 절대양에 큰 영향을 주지 않는 범위에서 비점이 낮은 화합물을 추가로 포함할 수도 있다. 이러한 효과는 (c)단계를 가압 상태에서 수행하는 경우에 얻어질 수 있으며, 이 때 베이직 피치의 연화점은 공정 구성의 편의에 따라 최종 제조되는 등방성 피치의 물성, 분자구조 및 적층구조에 영향을 주지 않은 범위에 내에서 자유롭게 조절할 수 있다.The physical properties of the basic pitch can be controlled according to the convenience of the constitution in the process of manufacturing the isotropic pitch. For example, when a process is configured to smooth the flow of fluid continuously flowing from step (c) to step (d), the condensed aromatic ring compound in the basic pitch prepared in step (c) May further include a compound having a low boiling point within a range that does not significantly affect the absolute amount of the oligomer to which the compound is bonded. This effect can be obtained when step (c) is carried out under pressure, wherein the softening point of the basic pitch does not affect the physical properties, molecular structure and laminate structure of the finally produced isotropic pitch And can be freely adjusted within a range that is not limited.

등방성 피치 제조단계는 통상적인 박막증류법으로 진행할 수 있으며, 이를 통해 메조페이스의 생성을 억제하고 불용 고형분을 제거하는 추가적인 공정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 등방성 피치 제조단계는 다단계의 박막증류장치를 구비하여 제조되는 등방성 피치의 조성 및 상태변화에 대응할 수 있다. The isotropic pitch preparation step can be carried out by conventional thin film distillation methods, which has the advantage that it does not require an additional process to inhibit mesophase formation and to remove insoluble solids. In addition, the step of manufacturing an isotropic pitch according to an embodiment of the present invention can cope with changes in composition and state of an isotropic pitch produced by a multi-stage thin film distillation apparatus.

등방성 피치 제조단계는 진공분위기, 300 내지 350℃에서 0.1 내지 1시간 동안 가열하여 진행할 수 있다. 특히 가열온도가 350℃를 초과하면, 부분적으로 메조페이즈가 생성되며, 계속된 가열에 의해 불용성 탄소 고형분이 생성될 수 있으므로, 가열온도 및 가열시간을 준수하는 것이 바람직하다.The isotropic pitch production step may be carried out by heating at 300 to 350 DEG C for 0.1 to 1 hour in a vacuum atmosphere. Particularly when the heating temperature exceeds 350 ° C, it is preferable to follow the heating temperature and the heating time because meso phase is partially generated and insoluble carbon solid content can be generated by continuous heating.

본 본 발명의 일 실시예에 따른 등방성 피치는 연화점이 255 내지 275℃, 바람직하게는 260 내지 270℃일 수 있다. 또한 본 발명의등방성 피치 평균분자량(Mw)은 1500 내지 3000, 바람직하게는 1700 내지 2850일 수 있다. 등방성 피치의 평균 분자량 및 연화점은 제조되는 탄소섬유의 물성에 큰 영향을 줄 수 있으므로 제조공정의 조건을 준수하는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the isotropic pitch may have a softening point of 255 to 275 ° C, preferably 260 to 270 ° C. The isotropic pitch average molecular weight (Mw) of the present invention may be 1500 to 3000, preferably 1700 to 2850. [ The average molecular weight and softening point of the isotropic pitch may greatly affect the physical properties of the carbon fiber to be produced, so it is desirable to adhere to the manufacturing process conditions.

피치섬유 제조단계는 용융방사를 통해 제조할 수 있으며, 이때 질소분위기, 온도 300 내지 320℃, 압력 0.01 내지 10 ㎏f/㎝2, 권취속도 500 내지 1,500 rpm의 조건에서 진행할 수 있다.The pitch fibers may be produced by melt spinning under a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 320 DEG C, a pressure of 0.01 to 10 kgf / cm &lt; 2 &gt;, and a coiling speed of 500 to 1,500 rpm.

피치섬유 제조단계로 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 ㎏f/㎝2일 수 있다. 다만 방사압력의 경우, 방사구금 및 방사구금팩의 개수, 방사구금의 직경, 방사구금의 길이, 방사용액의 점도 및 온도 등에 따라 바뀔 수 있으므로, 본 발명의 방사압력이 이에 한정되는 것은 아니며, 일 예로 상업 규모에서는 100 ㎏f/㎝2 이상 일 수도 있다.More preferably at a pitch fiber production step may be 0.1 to 2 ㎏f / ㎝ 2. However, in case of spinning pressure, the spinning pressure of the present invention is not limited to this, since the spinning pressure may vary depending on the number of spinneret and spinneret packs, the diameter of spinneret, length of spinneret, viscosity and temperature of spinning solution, For example, it may be 100 kgf / cm 2 or more on a commercial scale.

안정화단계는 방사된 등방성 피치섬유의 산화안정화와 열안정화가 동시에 진행되는 단계로 수축과 팽창을 조절하여 사다리 구조의 고분자화가 이루어지는 공정으로, 사다리 구조를 가짐으로써 탄화공정 시 고온의 열에도 탄소장섬유가 안정할 수 있다.The stabilization step is a step in which the oxidation stabilization and thermal stabilization of the radially isotropic pitch fiber are simultaneously proceeded, and the ladder structure is formed by controlling the contraction and expansion, and the ladder structure is provided, Can be stable.

안정화단계는 단계는 180 내지 300℃에서 회분식의 경우 1 내지 5시간 동안 진행할 수 있으며, 이때 승온속도는 1 내지 5 ℃/min일 수 있다. 연속식의 경우 체류시간이 1에서 10시간 일 수 있다. 또한 산화제로 사용되는 기체 분위기는 특별히 한정하지 않으며 통상적인 공기 분위기에서 수행할 수 있고, 공급속도 등도 한정하지 않으나, 산화제로 사용되는 기체로 희석된 산소를 사용하는 경우 산소의 농도는 산화성 기체의 총 부피 중 1~20% 사이일 수 있다.In the stabilization step, the step may be carried out at 180 to 300 ° C for 1 to 5 hours in a batch mode, wherein the temperature increase rate may be 1 to 5 ° C / min. In the continuous mode, the residence time can be from 1 to 10 hours. The gas atmosphere used as the oxidizing agent is not particularly limited and can be carried out in a normal air atmosphere and the supply rate and the like are not limited. However, in the case of using oxygen diluted with a gas used as an oxidizing agent, It may be between 1 and 20% of the volume.

탄화단계는 고온 열처리에 의해 분자간 반응을 유도하여 사다리 구조의 고분자 사이에 가교를 진행시키는 것으로, 더욱 정렬된 흑연구조가 생성되어 고강도의 탄소장섬유를 제조할 수 있다.The carbonization step induces an intermolecular reaction by a high temperature heat treatment to promote cross-linking between the ladder-structured polymers, so that a more ordered graphite structure is produced, and high strength carbonaceous fibers can be produced.

탄화단계는 불활성기체분위기, 700 내지 1,500℃에서 0.05 내지 2시간 동안 유지하여 진행할 수 있으며. 회분식인 경우 승온속도는 1 내지 5 ℃/min일 수 있다. 연속식인 경우에는 체류 시간이 0.05 내지 2시간 일 수 있다. 다만 탄화공정 시 불활성기체의 주입량은 한정하지 않으며, 제조되는 탄소장섬유의 물성을 해치지 않는 범위 내에서 자유롭게 조절할 수 있다.The carbonization step may be carried out in an inert gas atmosphere at 700 to 1,500 DEG C for 0.05 to 2 hours. In the case of the batch type, the temperature raising rate may be 1 to 5 占 폚 / min. In the case of the continuous type, the residence time may be 0.05 to 2 hours. However, the amount of the inert gas to be injected in the carbonization step is not limited and can be freely controlled within a range that does not impair the physical properties of the carbon fiber to be produced.

통상의 탄소섬유의 경우, 1,700℃ 이상의 온도에서 진행되며, 여러 번의 탄화공정을 통해 섬유가 제조된다. 이와 달리 본 발명의 탄화단계는 기존의 탄소섬유 제조를 위한 탄화단계 보다 낮은 온도에서 진행이 가능하며, 탄화 진행시간이 짧은 이점이 있고, 제조 비용의 절감이 가능하다. 안정화 및 탄화단계는 통상의 장치를 이용하여 수행할 수 있으며, 예를 들어 관형 전기로에 피치섬유를 장입한 후, 공기 또는 불활성기체를 주입하고, 가열하여 진행할 수 있다.In the case of ordinary carbon fibers, the process proceeds at a temperature of 1,700 ° C or higher, and fibers are produced through several carbonization processes. In contrast, the carbonization step of the present invention can proceed at a temperature lower than that of the carbonization step for producing carbon fibers, has a short carbonization progress time, and can reduce manufacturing costs. The stabilization and carbonization step can be carried out using a conventional apparatus. For example, after the pitch fiber is charged into the tubular electric furnace, air or an inert gas is injected into the tubular electric furnace, and heating can proceed.

탄소장섬유는 방사조건에 따라 차이가 있을 수 있으나, 섬유직경 1 내지 20㎛, 인장강도 1.5 GPa 이상, 신장율 2% 이상일 수 있다. 특히 본 발명에 따른 탄소장섬유는 인장강도 1.5 GPa 이상, 더욱 상세하게는 1.5 내지 3.5GPa까지 이를 수 있다. 상기 인장강도가 1.5 GPa 미만인 경우, 본 발명의 주 목적인 탄소섬유강화플라스틱 분야에서 요구하는 물성에 미치지 못하며, 3.5 GPa 초과인 경우, 공정 진행 시 많은 시간이 소요되어 생산속도가 저하될 수 있으며, 이에 따른 생산비용 증가가 발생할 수 있다. 다만 상기 탄소장섬유의 인장강도, 섬유직경 및 신장율은 원료의 종류, 조성비, 열처리온도, 베이직피치 제조방법, 피치의 연화점 등 원료의 제조공정 및 방사공정의 조건에 따라 상기 범위 이상의 물성을 가질 수도 있다. The carbon fiber may have a fiber diameter of 1 to 20 탆, a tensile strength of 1.5 GPa or more, and an elongation of 2% or more although it may vary depending on the spinning conditions. In particular, the carbonaceous fibers according to the present invention can have a tensile strength of 1.5 GPa or more, more particularly 1.5 to 3.5 GPa. If the tensile strength is less than 1.5 GPa, the physical properties required in the carbon fiber-reinforced plastic field of the present invention are not satisfied. If the tensile strength is more than 3.5 GPa, it takes a long time to perform the process, Resulting in increased production costs. However, the tensile strength, fiber diameter, and elongation percentage of the carbon fiber may have physical properties in the above range depending on the kind of raw material, composition ratio, heat treatment temperature, basic pitch production method, softening point of pitch, have.

본 발명의 제조방법에 따르면 아스팔텐 형태 구조를 포함한 등방성 피치의 구조가 유지되면서 인장강도가 1.5GPa이상이고 신장률이 2% 이상인 탄소장섬유를 제공할 수 있다. 이러한 구조는 탄화단계에서 700 내지 1500℃이하의 낮은 온도에서 탄화시 가능하며, 보다 구체적으로는 800℃에서 1200℃이하의 낮은 탄화온도로 인해 탄화 과정에서의 에너지 소비를 최소화할 수 있다.According to the production method of the present invention, it is possible to provide a carbon fiber having a tensile strength of 1.5 GPa or more and an elongation of 2% or more while maintaining the structure of an isotropic pitch including an asphaltene structure. Such a structure can be carbonized at a low temperature of 700 to 1500 ° C or less in the carbonization step, and more specifically, can be minimized in the carbonization process due to a low carbonization temperature of 800 ° C to 1200 ° C or less.

인장강도 1.5GPa 이상의 수치를 보여 고강도를 요구하는 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)에 적용이 가능하며, 그 뛰어난 물성으로 기존 PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유를 포함하는 CFRP를 대체할 수 있을 것으로 보인다.It can be applied to carbon fiber reinforced plastic (CFRP) which requires high strength because tensile strength is 1.5 GPa or more. Its excellent properties can replace CFRP including existing PAN (polyacrylonitrile) carbon fiber. It seems to be.

이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명에 따른 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소장섬유에 대해 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 서술하는 실시예 및 비교예는 본 발명의 이해 또는 실시를 돕기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 실시예 및 비교예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the method for producing carbon fiber using the isotropic petroleum pitch according to the present invention and the carbon fiber prepared from the method will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. It is to be understood, however, that the following examples and comparative examples are only illustrative of the present invention in order to facilitate understanding or practice of the present invention, and the present invention is not limited to the examples and the comparative examples.

실시예 및 비교예를 통해 측정한 물성의 측정방법은 다음과 같다.The measurement methods of physical properties measured through Examples and Comparative Examples are as follows.

물성 측정 방법How to measure property

1. 탄소와 수소 원자비(H/C)1. Carbon and hydrogen atomic ratio (H / C)

CHNS 원소분석기로 분석Analysis with CHNS element analyzer

2. 방향족화도(fa)2. The degree of aromatization (fa)

13C NMR 로 분석(ASTM D5292)Analysis by &lt; 13 &gt; C NMR (ASTM D5292)

3. 원료의 조성3. Composition of raw materials

2D-GC로 분석   2D-GC analysis

4. 점도(Pa·s)4. Viscosity (Pa · s)

점도는 TMA (Thermo Mechanical Analyzer)로 측정Viscosity is measured by TMA (Thermo Mechanical Analyzer)

5. 연화점(℃)5. Softening Point (℃)

연화점은 TMA (Thermo Mechanical Analyzer)로 측정The softening point is measured by TMA (Thermo Mechanical Analyzer).

6. 수율6. Yield

수율은 투입된 나프타 분해 잔사유 중량 대비 최종 수득된 피치의 중량에 의해 계산되었다.The yield was calculated by the weight of the final pitch obtained relative to the weight of the naphtha cracked residual oil added.

7. 기계적 물성7. Mechanical properties

인장강도(GPa)와 신장율(%)을 산출하기 위해 탄소섬유의 샘플에 대해 2N의 로드셀을 장착한 UTM (Universal Test Machine)으로 Stress-Strain 커브를 측정하였고, 인장강도는 상기 측정 결과와 전자현미경에 의해 분석된 섬유의 직경으로부터 계산되었다. In order to calculate the tensile strength (GPa) and elongation (%), a stress-strain curve was measured with a universal test machine (UTM) equipped with a 2N load cell for a sample of carbon fiber. The tensile strength was measured by an electron microscope &Lt; / RTI &gt; was calculated from the diameter of the fibers analyzed by the &lt;

8. 피치의 분자 조성8. Molecular composition of pitch

피치의 분자 조성은 GC-AED로 분석하였고 분자량의 분포는 GPC로 측정하였고 그 결과로부터 평균분자량을 구했다.The molecular composition of the pitch was analyzed by GC-AED. The molecular weight distribution was measured by GPC and the average molecular weight was determined from the results.

9. X선 회절 분석9. X-ray diffraction analysis

등방성 피치의 분자 구조 분석을 위한 X선 회절분석기는 Cu음극을 사용하고, K-α1 파장은 1.540598, X선 발생장치의 전압은 40KV, 튜브 전류는 30mA이었다.The X-ray diffractometer used for the analysis of the molecular structure of the isotropic pitch was a Cu cathode. The K-alpha 1 wavelength was 1.540598, the voltage of the X-ray generator was 40 KV, and the tube current was 30 mA.

10. TOF-MS 분석10. TOF-MS analysis

분자구조를 해석하기 위해 JEOL사의 TOF-MS를 사용하였다. 레이저 소스는 Nd:YAG, 레이저 강도는 50%, 질량범위는 10~3,000, 스파이럴 측정 모드를 사용하여 분석하였다.
TOF-MS from JEOL was used to analyze the molecular structure. The laser source was analyzed using Nd: YAG, laser intensity 50%, mass range 10 ~ 3,000, and spiral measurement mode.

<실시예 1~4> 및 <비교예 1~3> 베이직피치 제조단계에서 할로겐화법을 이용한 탄소장섬유의 제조<Examples 1 to 4> and <Comparative Examples 1 to 3> Production of Carbon Fiber Yarn by Halogenation in Basic Pitch Making Step

조성 및 방향족화도가 표 1 내지 3과 같은 Naphtha Cracker Bottom Oil(NCBO)를 원료로 준비하였다.Naphtha Cracker Bottom Oil (NCBO) as shown in Tables 1 to 3 was prepared as a raw material.

탄소(C, 중량%)Carbon (C, wt%) 수소(H, 중량%)Hydrogen (H, wt%) 질소(N, 중량%)Nitrogen (N,% by weight) 황(S, 중량%)Sulfur (S, wt%) H/C(원자비)H / C (atomic ratio) 92.4892.48 7.327.32 0.100.10 0.130.13 0.950.95

지방족 탄화물(%)Aliphatic carbide (%) 방향족 탄화물(%)Aromatic carbide (%) 방향족화도(fa)The degree of aromaticization (fa) 메틸카본
(CH3, Ar-CH3)
Methyl carbon
(CH3, Ar-CH3)
메틸렌카본
(나프탈렌)
Methylene carbon
(naphthalene)
미치환카본
(Ar-H)
Unsubstituted carbon
(Ar-H)
사차탄소Quaternary carbon 치환카본
(Ar-H)
Substituted carbon
(Ar-H)
5.855.85 16.8616.86 49.7049.70 12.3812.38 15.2115.21 0.740.74

NCBO 화합물 조성NCBO compound composition 함량(%)content(%) 포화탄소화합물Saturated carbon compounds 1.81.8 방향족 고리를 한 개 포함하는 화합물Compounds containing one aromatic ring 51.851.8 방향족 고리를 두 개 포함하는 화합물Compounds containing two aromatic rings 43.143.1 방향족 고리를 세 개 포함하는 화합물Compounds containing three aromatic rings 3.33.3 방향족 고리를 네 개 이상 포함하는 화합물Compounds containing four or more aromatic rings 00 총합total 100100

실시예 1~4는 준비된 준비된 NCBO를 각각 190, 200, 210, 220℃에서 비교예 2는 120℃, 비교예 3은 250℃에서, 상압 증류로 각각 전처리 단계를 수행하였고 이 후 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다. 비교예 1은 전처리 단계를 수행하지 않고 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다.In Examples 1 to 4, the prepared NCBO was subjected to pre-treatment at 190, 200, 210 and 220 ° C respectively, at 120 ° C for Comparative Example 2 and at 250 ° C for Comparative Example 3, The material was removed. Comparative Example 1 removed the solid matter through filtration without performing the pretreatment step.

여과 단계 이 후 중간단계에서 생성된 원료 100 중량부에 대하여 브롬 20 중량부 첨가하였다. 그리고 110℃에서 1시간 동안 브롬화반응을 진행한 후, 다시 320℃에서 3시간 동안 탈브롬화반응을 진행하여 베이직 피치를 제조하였다. 베이직 피치 제조 공정이 종료된 후 연화점 및 수율을 측정하였고 표 4는 측정결과를 나타낸다. After the filtration step, 20 parts by weight of bromine was added to 100 parts by weight of the raw material produced in the intermediate stage. After the bromination reaction was carried out at 110 ° C for 1 hour, the bromination reaction was further carried out at 320 ° C for 3 hours to prepare a basic pitch. The softening point and yield were measured after the basic pitch manufacturing process was finished, and Table 4 shows the measurement results.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (캜) 연화점(℃)Softening point (℃) 수율(중량%)Yield (% by weight) 비교예 1Comparative Example 1 -- 100100 51.351.3 비교예 2Comparative Example 2 120120 100100 50.250.2 실시예 1Example 1 190190 120120 51.251.2 실시예 2Example 2 200200 130130 49.849.8 실시예 3Example 3 210210 130130 57.657.6 실시예 4Example 4 220220 7070 66.966.9 비교예 3Comparative Example 3 250250 125125 68.968.9

제조된 베이직 피치를 박막 증발장치에 각각 투입한 후, 진공분위기, 340℃에서 30분간 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하였다. 공정이 종료된 후, 등방성 피치의 연화점, 점도 및 평균분자량을 측정하여 하기 표 5에 기재하였다.The prepared basic pitch was put into a thin film evaporator, and isotropic pitch was prepared by heating the basic pitch in a vacuum atmosphere at 340 캜 for 30 minutes. After the completion of the process, the softening point, viscosity, and average molecular weight of the isotropic pitch were measured and are shown in Table 5 below.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (캜) 연화점(℃)Softening point (℃) 점도(Pas)Viscosity (Pas) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) 비교예 1Comparative Example 1 -- 265265 353353 12501250 비교예 2Comparative Example 2 120120 260260 342342 13001300 실시예 1Example 1 190190 260260 320320 19001900 실시예 2Example 2 200200 265265 240240 23002300 실시예 3Example 3 210210 270270 345345 25502550 실시예 4Example 4 220220 265265 480480 28002800 비교예 3Comparative Example 3 250250 275275 365365 29002900

등방성 피치를 원통형의 용기에 각각 주입한 후, 질소분위기에서 0.8㎏f/㎝2의 압력을 가하여 방사하였다. 이때 권취기의 직경은 150 ㎜였으며, 권취속도는 700rpm이었다.The isotropic pitch was injected into a cylindrical container, and a pressure of 0.8 kgf / cm &lt; 2 &gt; was applied in a nitrogen atmosphere. At this time, the diameter of the winding machine was 150 mm, and the winding speed was 700 rpm.

방사가 끝난 피치섬유는 관형 전기로에 각각 장입한 후, 공기를 150 ㎖/min의 유량으로 공급하였다. 또한 1 ℃/min의 속도로 승온하여, 290℃에 도달한 후 1시간 동안 유지하였다.After the spinning pitch fibers were charged into the tubular electric furnace, air was supplied at a flow rate of 150 ml / min. The temperature was further raised at a rate of 1 占 폚 / min, reached 290 占 폚 and maintained for 1 hour.

안정화단계가 끝난 피치섬유는 질소 150ml/min의 속도로 주입함과 동시에 5℃/min의 속도로 승온하여 800℃에 도달한 후 0.5시간 동안 유지하여 탄소장섬유를 제조하였다. The stabilized pitch fiber was injected at a rate of 150 ml / min and simultaneously heated to a temperature of 5 ° C / min. After reaching 800 ° C, the pitch fiber was maintained for 0.5 hour to produce carbon fiber.

제조된 탄소장섬유의 구조를 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하였고 XRD 분석 결과 16<2θ<19에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 19<2θ<26에서 축합방향족 고리 화합물의 적층구조에서 (002)면, 43<2θ<48에서 (10)면 밴드가 나타났다(도 4). X선 회절 분석 결과 각각의 실시예 및 비교예에서 수개의 축합방향족 고리 화합물 층이 서로 다른 회절각에서 중첩되어 관찰되었다. XRD로부터 탄소장섬유 구조를 해석한 결과 도 5와 같이 4 내지 13개의 방향족고리가 포함된 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결되어 형성된 층이 적층된 아스팔텐 유사 구조가 특징으로 나타났다. 도 5에 나타난 각 수치의 평균값을 표 6에 나타내었다. The structure of the prepared carbon filaments was analyzed using an X-ray diffractometer. The XRD analysis showed that the γ-band of the aliphatic chain at 16 <2θ <19, the γ-band of the aliphatic chain at 19 <2θ < (002) plane in the laminated structure of the cyclic compound, and (10) plane band at 43 < 2 < As a result of X-ray diffraction analysis, several condensed aromatic ring compound layers were observed overlapping at different diffraction angles in each of Examples and Comparative Examples. As a result of the analysis of the carbon fiber structure from XRD, as shown in FIG. 5, the asphaltene-like structure in which the condensed aromatic ring compound containing 4 to 13 aromatic rings was connected by an aliphatic chain was laminated. The average values of the respective values shown in FIG. 5 are shown in Table 6.

제조된 탄소장섬유의 인장강도, 직경 및 신장률을 측정하였다.The tensile strength, diameter and elongation of the carbon fiber were measured.

하기 표 6은 제조된 탄소장섬유의 물성 및 구조 분석 결과를 나타낸다.Table 6 shows the results of analyzing the physical properties and structure of the produced carbon fiber.

인장강도(GPa)Tensile Strength (GPa) 직경(㎛)Diameter (탆) 신장률(%)Elongation (%) Lc L c La L a dm d m dγ d ? MM 비교예 1Comparative Example 1 1.31.3 8.718.71 3.23.2 2828 1515 3.823.82 5.325.32 8.38.3 비교예 2Comparative Example 2 1.11.1 8.28.2 3.13.1 2727 1515 3.793.79 5.345.34 8.18.1 실시예 1Example 1 1.81.8 6.856.85 2.42.4 3333 1717 3.823.82 5.435.43 9.69.6 실시예 2Example 2 1.91.9 4.304.30 2.42.4 3838 3636 3.723.72 4.984.98 11.211.2 실시예 3Example 3 1.61.6 11.4011.40 2.72.7 4343 3131 3.953.95 5.125.12 11.911.9 실시예 4Example 4 1.51.5 8.158.15 2.12.1 4646 3434 3.873.87 5.375.37 12.912.9 비교예 3Comparative Example 3 1.01.0 7.607.60 1.91.9 5353 4242 14.914.9 3.823.82 5.25.2

- La(Å) : 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경- L a (A) : Average diameter of the condensed aromatic ring compound layer

- LC(Å): 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경 - L C (Å): average diameter of the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer

- dm(Å): 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리- d m (A): average distance between condensed aromatic ring compounds in the laminated structure

- dγ(Å): 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리- d γ (Å): average distance between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound

- M : 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(=(Lc/dm) + 1)
- M: the average number of condensed aromatic ring compound layers included in the laminated structure (= (L c / d m ) + 1)

<실시예 5~8> 및 <비교예 4~6> 베이직피치 제조단계에서 열중합법을 이용한 탄소장섬유의 제조&Lt; Examples 5 to 8 > and < Comparative Examples 4 to 6 > Production of carbon filament using a heat polymerization method in the step of producing basic pitch

상기 실시예 1~4 및 비교예 1~3와 동일한 NCBO를 준비하였다.The same NCBO as those of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was prepared.

실시예 5~8는 준비된 준비된 NCBO를 각각 190, 200, 210, 220℃에서 비교예 5는 120℃, 비교예 6는 250℃에서, 상압 증류로 각각 전처리 단계를 수행하였고 이 후 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다. 비교예 4은 전처리 단계를 수행하지 않고 여과를 통해 고상 물질을 제거하였다.In Examples 5 to 8, the prepared NCBO was subjected to pre-treatment at 190, 200, 210 and 220 ° C, respectively, at 120 ° C for Comparative Example 5 and 250 ° C for Comparative Example 6, The material was removed. In Comparative Example 4, the solid matter was removed by filtration without performing the pretreatment step.

여과 단계 이 후 중간단계에서 생성된 원료 100 중량부를 금속 재질의 용기에 투입하고 370℃에서 0.5시간 동안 가열하여 베이직 피치를 제조하였다. 베이직 피치 제조 공정이 종료된 후 연화점 및 수율을 측정하였고 표 7는 측정결과를 나타낸다.After the filtration step, 100 parts by weight of the raw material produced in the intermediate stage was charged into a metal container and heated at 370 DEG C for 0.5 hour to produce a basic pitch. The softening point and yield were measured after the basic pitch manufacturing process was finished, and Table 7 shows the measurement results.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (캜) 연화점(℃)Softening point (℃) 수율(중량%)Yield (% by weight) 비교예 4Comparative Example 4 -- 100100 32.032.0 비교예 5Comparative Example 5 120120 105105 34.234.2 실시예 5Example 5 190190 120120 40.540.5 실시예 6Example 6 200200 140140 43.343.3 실시예 7Example 7 210210 120120 40.440.4 실시예 8Example 8 220220 8585 48.948.9 비교예 6Comparative Example 6 250250 130130 52.352.3

제조된 베이직 피치를 박막 증발장치에 각각 투입한 후, 진공분위기, 340℃에서 30분간 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하였다. 공정이 종료된 후, 등방성 피치의 연화점, 점도 및 평균분자량을 측정하여 하기 표 8에 기재하였다.The prepared basic pitch was put into a thin film evaporator, and isotropic pitch was prepared by heating the basic pitch in a vacuum atmosphere at 340 캜 for 30 minutes. After the end of the process, the softening point, viscosity and average molecular weight of the isotropic pitch were measured and are shown in Table 8 below.

전처리온도(℃)Pretreatment temperature (캜) 연화점(℃)Softening point (℃) 점도(Pas)Viscosity (Pas) 평균분자량(Mw)Average molecular weight (Mw) 비교예 4Comparative Example 4 -- 260260 375375 13501350 비교예 5Comparative Example 5 120120 263263 384384 13001300 실시예 5Example 5 190190 265265 411411 17501750 실시예 6Example 6 200200 260260 342342 22002200 실시예 7Example 7 210210 265265 353353 23502350 실시예 8Example 8 220220 260260 360360 25002500 비교예 6Comparative Example 6 250250 270270 445445 29502950

등방성 피치를 원통형의 용기에 각각 주입한 후, 질소분위기에서 0.8㎏f/㎝2의 압력을 가하여 방사하였다. 이때 권취기의 직경은 150㎜였으며, 권취속도는 700rpm이었다.The isotropic pitch was injected into a cylindrical container, and a pressure of 0.8 kgf / cm &lt; 2 &gt; was applied in a nitrogen atmosphere. At this time, the diameter of the winding machine was 150 mm, and the winding speed was 700 rpm.

안정화 단계로 방사가 끝난 피치섬유를 관형 전기로에 각각 장입한 후, 공기를 150 ㎖/min의 유량으로 공급하였다. 또한 1 ℃/min의 속도로 승온하여, 290℃에 도달한 후 1시간 동안 유지하였다.In the stabilization step, the spinning pitch fibers were charged into the tubular electric furnace, and air was supplied at a flow rate of 150 ml / min. The temperature was further raised at a rate of 1 占 폚 / min, reached 290 占 폚 and maintained for 1 hour.

안정화단계가 끝난 피치섬유를 질소 150ml/min의 속도로 주입함과 동시에 5℃/min의 속도로 승온하여 800℃에 도달한 후 0.5시간 동안 유지하여 탄소장섬유를 제조하였다. The stabilized pitch fiber was injected at a rate of 150 ml / min of nitrogen and heated at a rate of 5 ° C / min, reached 800 ° C, and maintained for 0.5 hour to produce carbon filament.

제조된 탄소장섬유의 구조를 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하였고 XRD 분석 결과 16<2θ<19에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 19<2θ<26에서 축합방향족 고리 화합물의 적층구조에서 (002)면, 43<2θ<48에서 (10)면 밴드가 나타났다(도 4). X선 회절 분석 결과 각각의 실시예 및 비교예에서 수개의 축합방향족 고리 화합물 층이 서로 다른 회절각에서 중첩되어 관찰되었으며, XRD로부터 탄소장섬유 구조를 해석한 결과 도 5와 같이 4 내지 13개의 방향족고리가 포함된 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결되어 형성된 층이 적층된 아스팔텐 유사 구조가 특징으로 나타났다. 도 5에 나타난 각 수치의 평균값을 표 9에 나타내었다. The structure of the prepared carbon filaments was analyzed using an X-ray diffractometer. The XRD analysis showed that the γ-band of the aliphatic chain at 16 <2θ <19, the γ-band of the aliphatic chain at 19 <2θ < (002) plane in the laminated structure of the cyclic compound, and (10) plane band at 43 < 2 < As a result of X-ray diffraction analysis, several condensed aromatic cyclic compound layers were observed to overlap each other at different diffraction angles in each of Examples and Comparative Examples. As a result of analyzing the carbon fiber structure from XRD, 4 to 13 aromatic A condensed aromatic ring compound containing a ring is linked with an aliphatic chain to form a layered asphalt-like structure. The average values of the respective values shown in FIG. 5 are shown in Table 9.

제조된 탄소장섬유의 인장강도, 직경 및 신장률을 측정하였다. The tensile strength, diameter and elongation of the carbon fiber were measured.

하기 표 9는 제조된 탄소장섬유의 물성 및 구조 분석 결과를 나타낸다.Table 9 shows the results of analyzing the physical properties and structure of the produced carbon fiber.

인장강도(GPa)Tensile Strength (GPa) 직경(㎛)Diameter (탆) 신장률(%)Elongation (%) Lc L c La L a dm d m dγ d ? MM 비교예 4Comparative Example 4 0.70.7 7.407.40 2.52.5 2929 1919 3.863.86 4.794.79 8.58.5 비교예 5Comparative Example 5 0.90.9 7.807.80 2.52.5 3030 1919 3.823.82 5.445.44 8.98.9 실시예 5Example 5 2.02.0 8.108.10 2.32.3 3737 2121 3.893.89 4.924.92 10.510.5 실시예 6Example 6 1.71.7 7.307.30 2.32.3 4343 2727 3.953.95 5.125.12 11.911.9 실시예 7Example 7 1.61.6 6.806.80 2.92.9 4646 3535 3.913.91 4.874.87 12.812.8 실시예 8Example 8 1.51.5 7.107.10 2.12.1 4949 3939 3.843.84 5.435.43 13.813.8 비교예 6Comparative Example 6 0.90.9 8.708.70 1.51.5 5454 4545 15.415.4 3.743.74 5.25.2

- La(Å) : 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경- L a (A) : Average diameter of the condensed aromatic ring compound layer

- LC(Å): 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경 - L C (Å): average diameter of the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer

- dm(Å): 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리- d m (A): average distance between condensed aromatic ring compounds in the laminated structure

- dγ(Å): 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족 사슬간의 평균 거리- d γ (Å): average distance between the aliphatic chains connected to the condensed aromatic ring compound

- M : 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(=(Lc/dm) + 1)
- M: the average number of condensed aromatic ring compound layers included in the laminated structure (= (L c / d m ) + 1)

제조된 Manufactured 탄소장섬유의Carbon-fiber 물성 및 구조의 해석 Analysis of physical properties and structure

제조된 탄소장섬유의 구조의 XRD 분석 결과 베이직 피치의 제조단계에서 할로겐화법 및 열중합법을 이용한 제조방법으로 제조된 탄소장섬유는 모두 16<2θ<19에서 지방족사슬 (aliphatic chain)의 감마 밴드 (γ-band), 19<2θ<26에서 축합방향족 고리 화합물의 적층구조에서 (002)면, 43<2θ<48에서 (10)면 밴드가 나타났다. As a result of XRD analysis of the structure of the prepared carbon fiber, the carbon fibers prepared by the halogenation method and the thermal polymerization method at the production stage of the basic pitch all had the gamma band of the aliphatic chain at 16 <2θ <19 (002) plane in the laminated structure of the condensed aromatic ring compound, and a (10) face band in 43 <2? <48 at 19 <2? <26.

하기 표 10은 상기 모든 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탄소장섬유의 물성 및 구조의 측정결과를 나타낸 것이다. Table 10 below shows the measurement results of the physical properties and structure of the carbon fiber prepared according to all the examples and comparative examples.

베이직 피치의
제조방법
Of basic pitch
Manufacturing method
인장강도(GPa)Tensile Strength (GPa) 직경(㎛)Diameter (탆) 신장률(%)Elongation (%) Lc L c La L a dm d m dγ d ? MM
할로겐화법
Halogenation method
비교예 1Comparative Example 1 1.31.3 8.718.71 3.23.2 2828 1515 3.823.82 5.325.32 8.38.3
비교예 2Comparative Example 2 1.11.1 8.208.20 3.13.1 2727 1515 3.793.79 5.345.34 8.18.1 실시예 1Example 1 1.81.8 6.856.85 2.42.4 3333 1717 3.823.82 5.435.43 9.69.6 실시예 2Example 2 1.91.9 4.304.30 2.42.4 3838 3636 3.723.72 4.984.98 11.211.2 실시예 3Example 3 1.61.6 11.4011.40 2.72.7 4343 3131 3.953.95 5.125.12 11.911.9 실시예 4Example 4 1.51.5 8.158.15 2.12.1 4646 3434 3.873.87 5.375.37 12.912.9 비교예 3Comparative Example 3 1.01.0 7.607.60 1.91.9 5353 4242 14.914.9 3.823.82 5.25.2 열중합법Heat agglomeration 비교예 4Comparative Example 4 0.70.7 7.407.40 2.52.5 2929 1919 3.863.86 4.794.79 8.58.5 비교예 5Comparative Example 5 0.90.9 7.807.80 2.52.5 3030 1919 3.823.82 5.445.44 8.98.9 실시예 5Example 5 2.02.0 8.108.10 2.32.3 3737 2121 3.893.89 4.924.92 10.510.5 실시예 6Example 6 1.71.7 7.307.30 2.32.3 4343 2727 3.953.95 5.125.12 11.911.9 실시예 7Example 7 1.61.6 6.806.80 2.92.9 4646 3535 3.913.91 4.874.87 12.812.8 실시예 8Example 8 1.51.5 7.107.10 2.12.1 4949 3939 3.843.84 5.435.43 13.813.8 비교예 6Comparative Example 6 0.90.9 8.708.70 1.51.5 5454 4545 15.415.4 3.743.74 5.25.2

각 실시예에서 탄소장섬유 구조의 축합방향족 고리 화합물은 최소 4 내지 최대 13개의 방향족 고리를 포함하였고, 표 10을 보면 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 면간 거리(dm)가 3.72~3.95Å에 속했고, 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경(La)은 17~39Å에 속했고, 축합방향족 고리 화합물에 연결된 지방족사슬 간 평균 거리(dγ)는 4.87~5.43Å에 속했고, 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경(Lc)은 33~49Å에 속했다. 또한, 각 실시예에서 등방성 피치 클러스터에서 적층된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수(M)는 (Lc/dm)+1로 나타낼 수 있고 9.6~13.8에 속했다.In each of the examples, the condensed aromatic ring compound having a carbon-fiber structure had at least 4 aromatic rings and a maximum of 13 aromatic rings. In Table 10, the average inter-surface distance (d m ) of the condensed aromatic ring compound layer was 3.72 to 3.95 Å , average diameter (L a) of the fused ring compound layer 17 and the average distance to belonged, a condensed aromatic ring compound in the aliphatic chain between the attached 39Å d) is belonged to 4.87 - 5.43Å, condensed ring compound layer is formed The average diameter (L c ) of the laminated structure belonged to 33 to 49 Å. In addition, the average number (M) of the condensed aromatic ring compound layers stacked in the isotropic pitch clusters in each example can be represented by (L c / d m ) +1 and belonged to 9.6 to 13.8.

탄소장섬유의 이러한 구조에 의해 우수한 물성을 가지게 되고, 상기 구조는 PAN계 탄소섬유 및 이방성 피치계 탄소섬유와 확연히 구분되는 구조이다.This structure of the carbon fiber has excellent physical properties, and the structure is clearly distinguished from the PAN-based carbon fiber and the anisotropic pitch-based carbon fiber.

표 10을 보면 각 실시예에서는 인장강도가 최소 1.5GPa 이상, 최대 2.0GPa에 달하는 고강도 탄소장섬유가 제조되었고, 신장률도 2.1~2.7%에 속하고, 탄소장섬유의 직경은 4.30~11.40㎛에 속했다. 반면, 비교예 1 및 2는 신장률이 각각 3.2%, 3.1%로 지나치게 높아 탄성률이 좋지않았고, 비교예 3는 신장률이 1.9%이고, 인장강도가 1.0으로 탄소장섬유의 물성이 현저히 떨어졌고, 비교예 4 및 5는 인장강도가 0.7, 0.9로 현저히 떨어졌으며, 비교예 6은 인장강도가 신장률이 1.5%, 인장강도가 0.9로 탄소장섬유의 물성이 현저히 떨어졌다.
As shown in Table 10, in each of Examples, high strength carbon filament having a tensile strength of at least 1.5 GPa and a maximum of 2.0 GPa was produced, an elongation of 2.1 to 2.7%, and a carbon filament diameter of 4.30 to 11.40 탆 I belonged. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the elongation was as high as 3.2% and 3.1%, respectively, so that the elastic modulus was poor. In Comparative Example 3, the elongation was 1.9% and the tensile strength was 1.0, In Examples 4 and 5, the tensile strength was remarkably lowered to 0.7 and 0.9, and in Comparative Example 6, the tensile strength was 1.5% and the tensile strength was 0.9, whereby the properties of the carbon fiber were remarkably lowered.

<실시예 9>&Lt; Example 9 >

전처리 단계를 220℃에서 수행하고, 안정화 단계 이후 온도를 1200℃로 승온하여 유지한 것 외에는 실시예 1~4 및 비교예 1~3과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다. 표 11은 실시예 4의 탄소섬유와 물성을 비교하여 나타낸 것이다.Carbon fibers were prepared in the same manner as in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 except that the preprocessing step was carried out at 220 캜 and the temperature was raised to 1200 캜 after the stabilization step. Table 11 shows the comparison of the physical properties with the carbon fiber of Example 4. [

탄화온도(℃)Carbonization temperature (℃) 인장강도
(GPa)
The tensile strength
(GPa)
직경
(㎛)
diameter
(탆)
신장률
(%)
Elongation
(%)
실시예 4Example 4 800800 1.51.5 8.28.2 2.12.1 실시예 9Example 9 12001200 1.91.9 7.67.6 2.02.0

표 11을 보면 탄화온도가 1200℃로 증가하였을 때 직경 및 신장률은 유지되면서 인장강도는 증가하였다.
As shown in Table 11, when the carbonization temperature was increased to 1200 ° C, the tensile strength increased while maintaining the diameter and elongation.

<실시예 10>&Lt; Example 10 >

전처리 단계를 220℃에서 수행하고, 안정화 단계 이후 온도를 1200℃로 승온하여 유지한 것 외에는 실시예 5~8 및 비교예 4~6과 동일한 방법으로 탄소섬유를 제조하였다. 표 12는 실시예 8의 탄소섬유와 물성을 비교하여 나타낸 것이다.Carbon fibers were prepared in the same manner as in Examples 5 to 8 and Comparative Examples 4 to 6 except that the preprocessing step was carried out at 220 캜 and the temperature was raised to 1200 캜 after the stabilization step. Table 12 shows the physical properties of the carbon fibers of Example 8 in comparison.

탄화온도(℃)Carbonization temperature (℃) 인장강도
(GPa)
The tensile strength
(GPa)
직경
(㎛)
diameter
(탆)
신장률
(%)
Elongation
(%)
실시예 8Example 8 800800 1.51.5 7.17.1 2.12.1 실시예 10Example 10 12001200 2.22.2 7.87.8 2.12.1

표 12을 보면 탄화온도가 1200℃로 증가하였을 때 직경 및 신장률은 유지되면서 인장강도는 증가하였다.
As shown in Table 12, when the carbonization temperature was increased to 1200 ° C., the tensile strength increased while maintaining the diameter and elongation.

Claims (22)

a) 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료로부터 등방성 피치를 제조하는 단계;
b) 상기 등방성 피치를 용융방사하는 피치섬유 제조 단계;
c) 상기 방사된 피치섬유를 열처리하여 안정화하는 단계; 및
d) 상기 피치섬유를 탄화하는 단계;
를 포함하는 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
a) preparing isotropic pitches from raw materials comprising one or a mixture selected from petroleum heavy oils, high boiling point residues, aromatic hydrocarbon monomers and naphtha cracking process residues;
b) a pitch fiber manufacturing step of melt spinning the isotropic pitch;
c) stabilizing the spun fibers by heat treatment; And
d) carbonizing said pitch fibers;
Wherein the isotropic petroleum pitch is in the range of from about 10 &lt; 7 &gt;
제 1항에 있어서,
상기 탄소장섬유의 인장강도는 1.5 GPa 이상인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the tensile strength of the carbon filament is 1.5 GPa or more.
석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료로부터 제조된 등방성 피치를 이용하여 탄소장섬유를 제조하는 것을 포함하며, 상기 탄소장섬유는 인장강도가 1.5 GPa 이상인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.Comprising producing a carbon fiber using an isotropic pitch produced from a raw material containing one or a mixture selected from petroleum heavy oils, high boiling point residues, aromatic hydrocarbon monomers and naphtha cracking residues, Wherein the carbon fibrous material has an isotropic petroleum pitch having a tensile strength of 1.5 GPa or more. 제 3항에 있어서,
상기 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법은
a) 석유계 중질유, 고비점 잔사유, 방향족 탄화수소 단물질 및 나프타 분해공정 잔사유에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 원료로부터 등방성 피치를 제조하는 단계;
b) 상기 등방성 피치를 용융방사하는 피치섬유 제조 단계;
c) 상기 방사된 피치섬유를 열처리하여 안정화하는 단계; 및
d) 상기 피치섬유를 탄화하는 단계;
를 포함하는 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method of claim 3,
The method for producing carbon fiber using the isotropic petroleum pitch
a) preparing isotropic pitches from raw materials comprising one or a mixture selected from petroleum heavy oils, high boiling point residues, aromatic hydrocarbon monomers and naphtha cracking process residues;
b) a pitch fiber manufacturing step of melt spinning the isotropic pitch;
c) stabilizing the spun fibers by heat treatment; And
d) carbonizing said pitch fibers;
Wherein the isotropic petroleum pitch is in the range of from about 10 &lt; 7 &gt;
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 탄소장섬유는 섬유직경 1 내지 20㎛, 신장율 2% 이상인 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 3,
Wherein the carbon fibrous substance has a fiber diameter of 1 to 20 占 퐉 and an elongation percentage of 2% or more.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 a) 단계는
a1) 상기 원료를 열처리 및 분획하는 전처리 단계;
a2) 전처리된 원료에서 고상 물질을 제거하는 여과단계;
a3) 여과된 원료로 베이직 피치를 제조하는 단계; 및
a4) 상기 베이직 피치를 가열하여 등방성 피치를 제조하는 단계;
를 포함하는 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 4,
The step a)
a1) a pretreatment step of heat-treating and fractionating the raw material;
a2) a filtration step of removing the solid matter from the pretreated raw material;
a3) preparing a basic pitch with the filtered raw material; And
a4) heating the basic pitch to produce an isotropic pitch;
Wherein the isotropic petroleum pitch is in the range of from about 10 &lt; 7 &gt;
제 6항에 있어서,
상기 전처리 단계는 원료를 130 내지 240℃로 열처리 및 분획하여 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the pretreatment step is carried out by heat treating and fractionating the raw material at 130 to 240 占 폚, wherein the isotropic petroleum pitch is used.
제 6항에 있어서,
상기 a3) 단계는 원료에 할로겐화합물 및 라디칼개시제를 더 첨가한 후 가열하여 제조하는 할로겐화법 또는 불활성기체 분위기에서 교반 및 가열하여 질소 및 기체부산물을 분취하는 열중합법으로 베이직 피치를 제조하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
The step a3) is a step of preparing a basic pitch by a halogenation method in which a halogen compound and a radical initiator are further added to the raw material and then heating, or a heat polymerization method in which nitrogen and gaseous byproducts are collected by stirring and heating in an inert gas atmosphere, Process for the production of carbonaceous fibers using petroleum pitch.
제 8항에 있어서,
상기 할로겐화법은 100 내지 120℃에서 0.5 내지 2시간 할로겐화반응을 진행시킨 후, 300 내지 330℃에서 2 내지 4시간 탈할로겐화반응을 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the halogenation method comprises halogenating at 100 to 120 ° C for 0.5 to 2 hours and de-halogenating at 300 to 330 ° C for 2 to 4 hours.
제 8항에 있어서,
상기 할로겐화합물은 염소, 티오닐클로라이드, 설푸릴클로라이드, 브롬 및 요오드에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the halogen compound is any one selected from chlorine, thionyl chloride, sulfuryl chloride, bromine and iodine, or a mixture thereof.
제 8항에 있어서,
상기 라디칼개시제는 벤조일퍼옥사이드, 디부틸히드로퍼옥사이드, 아세틸퍼옥사이드, 아조비스이소부티로니트릴 및 아조비스메틸이소부틸레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the radical initiator is selected from the group consisting of carbon fibers of isotropic petroleum pitch, which is any one selected from benzoyl peroxide, dibutyl hydroperoxide, acetyl peroxide, azobisisobutyronitrile and azobismethyl isobutyrate, Gt;
제 8항에 있어서,
상기 열중합법은 350 내지 380℃에서 0.1 내지 2시간 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the heat polymerization is carried out at 350 to 380 DEG C for 0.1 to 2 hours.
제 8항에 있어서,
상기 할로겐화법으로 제조된 베이직 피치의 연화점은 70 내지 130℃이고, 상기 열중합법으로 제조된 베이직 피치의 연화점은 85 내지 140℃인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the softening point of the basic pitch prepared by the halogenation method is 70 to 130 캜 and the softening point of the basic pitch produced by the heat polymerization method is 85 to 140 캜.
제 6항에 있어서,
상기 a4) 단계는 진공분위기, 300 내지 350℃에서 0.1 내지 1시간 동안 가열하여 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step a4) is performed by heating at 300 to 350 DEG C for 0.1 to 1 hour in a vacuum atmosphere, and the isotropic petroleum pitch is used.
제 14항에 있어서,
상기 등방성 피치의 연화점은 260 내지 270℃인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the softening point of the isotropic pitch is in the range of 260 to 270 ° C.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 b) 단계는 질소분위기, 온도 300 내지 320℃, 압력 0.01 내지 10 ㎏f/㎝2, 권취속도 500 내지 1,500rpm의 조건으로 피치섬유를 제조하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 4,
Wherein step b) producing a carbon fiber sheet with isotropic petroleum pitch to prepare a pitch fiber under the conditions of a nitrogen atmosphere, a temperature of 300 to 320 ℃, pressure of 0.01 to 10 ㎏f / ㎝ 2, the take-up velocity of 500 to 1,500rpm Way.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 c) 단계는 250 내지 300℃에서 1 내지 5시간 동안 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 4,
And the step c) is carried out at 250 to 300 ° C for 1 to 5 hours.
제 1항 또는 제 4항에 있어서,
상기 d) 단계는 불활성기체분위기, 800 내지 1,200℃에서 0.5 내지 30시간 동안 진행하는 것인 등방성 석유피치를 이용한 탄소장섬유의 제조방법.
The method according to claim 1 or 4,
Wherein the step d) is carried out in an inert gas atmosphere at 800 to 1,200 ° C for 0.5 to 30 hours.
X-선 회절분석(XRD)에서 회절각 19<2θ<26에서 (002)면 밴드가 나타나고, 축합방향족 고리 화합물이 지방족 사슬로 연결된 하기 식 (1)~(4)를 만족하는 결정구조를 포함하는 탄소장섬유.
30 ≤ La ≤ 60Å --- (1)
10 ≤ Lc ≤ 50Å --- (2)
3.50 ≤ dm ≤ 4.20Å --- (3)
9.0 ≤ M ≤18.0 --- (4)
(상기 식에서 La는 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 직경을 의미하고, Lc는 축합방향족 고리 화합물 층이 형성하는 적층 구조의 평균 직경을 의미하고, dm은 적층 구조에서 축합방향족 고리 화합물 층간 평균 거리를 의미하고, M은 적층 구조에 포함된 축합방향족 고리 화합물 층의 평균 개수 (Lc/dm)+1을 의미한다)
(002) plane bands appear at a diffraction angle of 19 <2? <26 in X-ray diffraction analysis (XRD), and the condensed aromatic ring compound contains a crystal structure satisfying the following formulas (1) to (4) connected by an aliphatic chain Carbon Fiber Sheet.
30? L a ? 60? A (1)
10? L c ? 50? (2)
3.50 ≤ d m ≤ 4.20Å --- ( 3)
9.0 ≤ M ? 18.0 --- (4)
(Wherein L a represents the average diameter of the condensed aromatic ring compound layer, L c represents the average diameter of the laminated structure formed by the condensed aromatic ring compound layer, and d m represents the average of the condensed aromatic ring compound layer And M is the average number (L c / d m ) of the condensed aromatic ring compound layers included in the laminated structure)
제 19항에 있어서,
상기 탄소장섬유는 인장강도 1.5GPa 이상인 탄소장섬유.
20. The method of claim 19,
Wherein said carbon fiber is a carbon fiber having a tensile strength of 1.5 GPa or more.
제 20항에 있어서,
상기 탄소장섬유는 신장률 2% 이상인 탄소장섬유.
21. The method of claim 20,
The carbon fiber is a carbon fiber having an elongation of 2% or more.
제 19항에 있어서,
4.80 ≤ dγ ≤ 5.20Å인 탄소장섬유.
(상기 식에서 dγ는 축합고리에 연결된 지방족사슬간 평균 거리를 의미한다.)
20. The method of claim 19,
4.80 ≤ d γ ≤ 5.20 Å.
(Wherein R d and γ means a mean distance between the aliphatic chain attached to the condensed ring.)
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