KR20160047004A - 고 전기전도성 및 고강도 pan계 탄소 섬유 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

고 전기전도성 및 고강도 pan계 탄소 섬유 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소섬유를 제조하는 방법은,
아크릴로니트릴와 비닐 이미다졸 공단량체를 중합하여 공중합체 조성물을 형성하는 제1단계; 상기 공중합체 조성물을 분쇄하여 분쇄물을 형성하는 제2단계; 상기 분쇄물에 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 제3단계; 상기 혼합물을 용융하여 용융물을 형성하는 제4단계; 상기 용융물을 방사노즐을 통해 압출하고 연신하여 섬유를 형성하는 제5단계; 및 상기 섬유를 산화처리하고, 저온(1000℃~2000℃)에서 탄화시켜, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀) 주위에 흑연구조를 형성시키는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유 및 이를 제조하는 방법{HIGH ELECTRO CONDUCTIVE AND HIGH STRENGTHENED PAN-BASED CARBON FIBER AND METHOD FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 PAN계 탄소섬유에 관한 것이다.
PAN계 탄소 섬유는 가볍고 우수한 비강도 및 강성을 가지기 때문에, 스포츠 용품에서부터 항공우주산업에 이르기까지 그 수요와 관심이 크다.
이러한 PAN계 탄소섬유는 전기전도성이 낮아, 전극재 보다는 보강재로 많이 사용된다.
그러나, 최근에는 PAN계 탄소섬유를 전극재로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 일 예로, 국내공개특허(10-2010-0011551)는, 극성용매에 산으로 표면처리된 탄소나노튜브를 혼합시켜, 높은 전기전도성을 가진 PAN계 탄소섬유를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
국내공개특허(10-2010-0011551) 처럼, 탄소나노튜브의 표면을 산으로 처리하면, 탄소나노튜브 표면에 극성기가 도입되어 극성용매에서의 분산성을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 탄소나노튜브와 극성용매간의 상용성(相容性)이 향상되어, 탄소나노튜브가 극성용매내에서 균일하게 분산되고, 결과적으로 탄소나노튜브의 임계농도 이상에서 탄소나노튜브가 가지는 전기전도성에 의해, PAN계 탄소섬유의 전기전도성이 향상될 수 있다.
그러나, 탄소나노튜브의 표면을 산으로 처리하게 되면, 탄소나노튜브에 구조적 결함이 생기게 되어, 탄소나노튜브의 고유한 물성(열전도성, 강도)이 떨어지게 된다. 이로 인해, 산으로 표면처리된 탄소나노튜브가 혼합된 PAN계 탄소섬유는 전극재외에 보강재로 사용되기 어렵다. 그럼에도, 산으로 표면처리된 탄소나노튜브가 혼합된 PAN계 탄소섬유를 보강재로도 사용하려면, 산으로 표면처리되지 않은 탄소나노튜브가 혼합된 PAN계 탄소섬유를 보강재로 사용할 때 보다, 더 많은 양의 탄소나노튜브가 PAN계 탄소섬유에 혼합되어야 한다. 이로 인해, 제조비용이 상승하게 된다.
또한, PAN계 탄소섬유의 전기적, 열적 특성을 향상시키기 위해 PAN계 탄소섬유를 열처리할 때, 표면처리로 인해 열전도성이 떨어진 탄소나노튜브가 혼합되어 있으면, 열처리시 고온(2000℃~3000℃)이 필요하게 된다. 따라서, 고온 열처리에 따른 제조비용이 상승하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 고 전기전도성이면서 동시에 고강도인 PAN계 탄소섬유 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고 전기전도성이면서 동시에 고강도인 PAN계 탄소섬유를 낮은 비용으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법은,
아크릴로니트릴와 비닐 이미다졸 공단량체를 중합하여 공중합체 조성물을 형성하는 제1단계;
상기 공중합체 조성물을 분쇄하여 분쇄물을 형성하는 제2단계;
상기 분쇄물에 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 제3단계;
상기 혼합물을 용융하여 용융물을 형성하는 제4단계;
상기 용융물을 방사노즐을 통해 압출하고 연신하여 섬유를 형성하는 제5단계; 및
상기 섬유를 산화처리하고, 저온(1000℃~2000℃)에서 탄화시켜, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀) 주위에 흑연구조를 형성시키는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은, 상술한 방법으로 제조된 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유에 의해 달성된다.
본 발명은 극성용매 없이, 탄소나노튜브(또는 그래핀)이 혼합된 PAN계 전구체를 융융하여 PAN계 탄소섬유를 제조한다. 따라서, 극성용매내에서 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 분산성을 향상시키기 위해, 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 표면처리할 필요가 없다. 탄소나노튜브(또는 그래핀)가 표면처리되지 않음으로써, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 고유한 물성(열전도성, 강도)이 그대로 유지된다. 따라서, 고 전기전도성이면서 동시에 고강도인 PAN계 탄소섬유를 제조할 수 있다.
또한, 서로서로 교차되어 연결된 탄소나노튜브(CNT)에 의해 만들어진 전기통로와, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 주위의 흑연구조에 의해 만들어진 전기통로로 인해, PAN계 탄소섬유의 전기전도성이 향상된다.
또한, 탄소나노튜브(또는 그래핀)가 표면처리되지 않아, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 열전도성이 그대로 유지된다. 이렇게 유지된 열전도성으로 인해서, 고온(2000℃~3000℃)이 아닌 저온(1000℃~2000℃)에서 섬유를 탄화시키더라도, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 주위에 전기전도성이 우수한 흑연구조가 형성될 수 있다. 따라서, 고온의 열처리 없이도, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 주위에 전기전도성이 우수한 흑연구조를 형성할 수 있어, PAN계 탄소섬유를 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 극성용매 없이, 탄소나노튜브(또는 그래핀)가 혼합된 PAN계 전구체를 융융하여 PAN계 탄소섬유를 제조할 수 있어, 극성용매의 독성 문제, 극성용매의 회수 문제, 극성용매의 비싼 처리 비용 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는, 공중합체 조성물을 형성하기 위한 아크릴로니트릴(AN)와 N-비닐이미다졸(VIM)의 중합을 나타낸 도면이다.
도 3은, 폴리아크릴로니트릴-N-비닐이미다졸(AN/VIM) 공중합체 조성물이 고리화를 통해 구조적으로 안정화되는 경로를 나타낸 도면이다.
도 4는, (a) AN 단일중합체 (b) 87/13 AN/VIM (c) 84/16 AN/VIM (d) 81/19 AN/VIM 공중합체 조성물의 DSC 열분석도이다.
도 5는, 가소제 첨가 유무에 따른 82:18 AN/VIM의 DSC 열분석도이다.
도 6은, 탄소나노튜브가 균일하게 분포된 용융 방사 섬유를 나타낸 도면이다.
도 7은, 탄소나노튜브가 균일하게 분포된 용융 방사 섬유를 나타낸 사진이다.
도 8은, PAN계 탄소섬유의 탄소나노튜브 주위에 흑연구조가 형성된 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는, 도 8에 도시된 PAN계 탄소섬유의 횡단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법은,
아크릴로니트릴와 비닐 이미다졸 공단량체를 중합하여 공중합체 조성물을 형성하는 제1단계(S11);
상기 공중합체 조성물을 분쇄하여 분쇄물을 형성하는 제2단계(S12);
상기 분쇄물에 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 제3단계(S13);
상기 혼합물을 용융하여 용융물을 형성하는 제4단계(S14);
상기 용융물을 방사노즐을 통해 압출하고 연신하여 섬유를 형성하는 제5단계(S15); 및
상기 섬유를 산화처리하고, 저온(1000℃~2000℃)에서 탄화시켜, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀) 주위에 흑연구조를 형성시키는 제6단계(S16);로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
도 2는, 공중합체 조성물을 형성하기 위한 아크릴로니트릴(AN)와 N-비닐이미다졸(VIM)의 중합을 나타낸 도면이다. 도 3은, 폴리아크릴로니트릴-N-비닐이미다졸(AN/VIM) 공중합체 조성물이 고리화를 통해 구조적으로 안정화되는 경로를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 아크릴로니트릴(AN)와 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)를 중합하여 공중합체 조성물(PAN계 전구체)을 형성한다.
아크릴로니트릴(AN)와 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)를 중합하여 PAN계 전구체를 만들면, 아크릴로니트릴(AN)의 결정화도가 감소되어 PAN계 전구체를 용융하기 쉬워진다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 일반적으로 가열되면 분해되는 성질을 가진 PAN계 전구체를 용융시켜 탄소 섬유로 만들 수 있다.
비닐 이미다졸 공단량체(VIM)는 1-비닐 이미다졸, 2-비닐 이미다졸, 4-비닐 이미다졸, 1-메틸-2-비닐 이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된다.
아크릴로니크릴(AN)의 중량%와 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)의 중량%의 합이 100 중량% 일 때, 아크릴로니크릴(AN)는 70~90 중량%의 범위, 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)는 30~10 중량%의 범위에 있다.
아크릴로니트릴(AN)과 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)에 자유라디칼을 형성시켜 중합반응을 일으키는 개시제로는, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)가 사용된다. 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)로 중합도를 조절할 수 있다. 아크릴로니트릴(AN)와 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)를 중합할 때, 연쇄 전달제로 1-도데칸티올(DDT)이 사용된다.
일반적으로, 공중합체 조성물의 분자량이 크면, 높은 강도의 섬유를 제조할 수 있다. 그러나, 분자량이 클수록 더 높은 융용 점도를 만들어내기 때문에, 공중합체 조성물을 압출해 섬유로 형성하기 어렵다. 따라서, 공중합체 조성물의 분자량은 1.3 내지 1.8의 다분산도 지수(PDI)의 40 KDa 내지 110 KDa의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또는, 공중합체 조성물의 분자량은 1.3 내지 1.4 다분산도 지수(PDI)의 70 KDa 내지 110 KDa의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또는, 공중합체 조성물의 분자량은 1.3 내지 1.4 다분산도 지수(PDI)의 80 KDa 내지 90 KDa의 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 아크릴로니트릴(AN)과 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)의 중합반응은 열전대 프로브, 콘덴서, 추가 깔때기 및 질소 유입구가 장착된 250 mL 플라스크에서 실행된다. 플라스크에 다이메틸폼아마이드(DMF)를 충전하고, 30 분 동안 질소로 퍼지한다. 아크릴로니트릴(AN), 비닐 이미다졸 공단량체, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 1-도데칸티올(DDT)을 한 방울씩 2 내지 5 시간에 걸쳐 플라스크에 첨가한다. 중합반응은 연속 교반하면서 70℃에서 실행된다. 중합체는 탈이온수로 침전시키고, 여과한 다음에 메탄올과 헥산으로 세척하여 잔류 단량체를 제거한다. 그 다음에 진공 오븐에서 일정한 중량을 얻을 때까지 2일 동안 건조한다.
도 4는, (a) AN 단일중합체 (b) 87/13 AN/VIM (c) 84/16 AN/VIM (d) 81/19 AN/VIM 공중합체 조성물의 DSC 열분석도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)의 함량이 높을 수록, 아크릴로니트릴(AN)의 결정화도가 낮아져 AN/VIM 공중합체 조성물의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 더 낮은 온도에서 형성된다. 따라서, 공중합체 조성물을 더 낮은 온도에서 용융시킬 수 있다.
일반적인 용융 고분자는 Tg 이후에 명확한 융점(melt temperature, Tm)이 존재하지만, 본 발명은 원래 용융되지 않은 아크릴로니트릴(AN)을 공중합하여 용융이 가능하게 만들므로, Tg만 보이고 Tm은 보이지 않게 된다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
공중합체 조성물을 분쇄기에 넣고 미세하게 분쇄하여 분쇄물을 형성한다. 본 실시예에서는, 82/18 AN/VIM 공중합체 1kg을 그라인더에서 분쇄하고, 65℃에서 3시간 동안 진공건조한다.
한편, PAN계 전구체를 더 쉽게 용융시키기 위해서, 분쇄물에 가소제를 첨가할 수 있다. 가소제는 분쇄물의 5 내지 10 중량% 범위로 첨가한다.
가소제는 유기 증기 및 냄새를 발생시키지 않으면서, 공중합체 조성물과 혼련(混鍊)되도록 섞임성(混和性:compatibility)이 있어야 하며, 상온에서 고체인 것이 바람직하다. 가소제로 아크릴로니트릴-코-메틸-1-이미다졸아크릴레이트의 올리고머가 사용된다.
도 5는, 가소제 첨가 유무에 따른 82:18 AN/VIM의 DSC 열분석도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 공중합체 조성물에 가소제를 첨가하면, 공중합체 조성물 분자 사이사이에 가소제가 끼어들어 아크릴로나이크릴(AN)의 분자간 인력을 약화시킨다. 따라서, 공중합체 조성물을 더 낮은 온도에서 용융시킬 수 있게 된다.
가소제와 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)은 공중합체 조성물을 더 낮은 온도에서 용융시킨다는 점에서 공통된다.
그러나, 가소제는 첨가되었다가 제거되는 성분이지만, 비닐 이미다졸 공단량체(VIM)은 고분자내 주사슬로, 산화처리와 탄화과정 이후에도 탄소섬유내에서 구조적으로 남아 있는 성분이라는 점에서 차이가 있다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
분쇄물과, 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 혼합기에 넣고 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성한다.
본 발명은, 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 표면처리 시키지 않음으로써, 탄소나노튜브(또는 그래핀)의 고유한 물성(열전도성, 강도)을 그대로 유지시킨다.
탄소나노튜브는, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 물질로써, 전기전도성은 구리와 비슷하고, 열전도성은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면, 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 끊어지지 않는다. 본 실시예에서는, 평균직경 1~수십nm, 평균길이가 100nm~수십㎛, 순도 90% 이상인 탄소나노튜브가 사용된다.
그래핀은, 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 물질로써, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 또한, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 자연계에서 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 본 실시예에서는, 0.34nm~2nm의 두께를 가지며, 흑연으로부터 한층 또는 두세층으로 박리된 그래핀이 사용된다.
이하, 탄소나노튜브를 예로 들어 설명한다. 그래핀을 예로 들 경우, 아래 설명에서 탄소나노튜브를 그래핀으로 바꾸어 읽으면 된다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
불활성 분위기하 170℃ 내지 200℃에서 혼합물을 용융시켜 용융물을 형성한다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
용융물을 방사노즐을 통해 압출하고 연신하여 섬유(용융 방사 섬유)로 형성한다. 압출된 섬유는 3회 내지 4회 연신시켜 직경을 감소시킨다. 연신된 섬유의 직경은 10 내지 25 미크론 범위에 있다.
도 6은, 탄소나노튜브가 균일하게 분포된 용융 방사 섬유를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연신과정에서 탄소나노튜브(CNT)는 섬유의 길이방향으로 정렬되고, 탄소나노튜브(CNT)은 서로서로 교차되어 연결된다. 탄소나노튜브(CNT)가 끊어지지 않고 연결되기 위해서는, 분쇄물이 100 중량% 일 때, 탄소나노튜브(CNT)는 0.1 내지 10 중량% 로 포함되어야 한다. 서로서로 교차되어 연결된 탄소나노튜브(CNT)로 인해, 전기 통로가 만들어져, 탄소섬유의 전기전도성이 향상된다.
도 7은, 탄소나노튜브가 균일하게 분포된 용융 방사 섬유를 나타낸 사진이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 용융 방사 섬유는 균일하게 분산된 탄소나노튜브(CNT)로 인해 검은색을 균일하게 띈다. 참고로, 탄소나노튜브(CNT)가 균일하게 분산되지 않은 섬유는 군데군데 검은색을 띈다.
이하, 제6단계(S16)를 설명한다.
도 8은, PAN계 탄소섬유의 탄소나노튜브 주위에 흑연구조가 형성된 상태를 나타낸 도면이다. 도 9는, 도 8에 도시된 PAN계 탄소섬유의 횡단면도이다.
연신된 섬유를 200~300℃에서 산화처리한다. 그리고, 저온(1000℃~2000℃)에서 탄화시킨다. 탄화된 섬유의 직경은 5 내지 12 미크론 범위에 있다.
본 발명은, 탄소나노튜브의 고유한 물성(열전도성, 강도)을 떨어뜨리는 표면처리를 하지 않는다. 따라서, 고온(2000℃~3000℃)이 아닌 저온(1000℃~2000℃)에서 섬유를 탄화시켜도, 탄소나노튜브의 우수한 열전도성으로 인해, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(CNT) 주위에 흑연구조가 형성될 수 있다.
다만, 탄소나노튜브(CNT)로부터 떨어진 부분에는 흑연구조를 형성하지 못한 탄소가 무질서하게 존재한다. 이렇게 탄소나노튜브(CNT) 주위에 형성된 흑연구조는, PAN계 탄소섬유(CF)의 전기 통로를 형성한다.

Claims (7)

  1. 아크릴로니트릴와 비닐 이미다졸 공단량체를 중합하여 공중합체 조성물을 형성하는 제1단계;
    상기 공중합체 조성물을 분쇄하여 분쇄물을 형성하는 제2단계;
    상기 분쇄물에 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)을 혼합하여 혼합물을 형성하는 제3단계;
    상기 혼합물을 용융하여 용융물을 형성하는 제4단계;
    상기 용융물을 방사노즐을 통해 압출하고 연신하여 섬유를 형성하는 제5단계; 및
    상기 섬유를 산화처리하고, 저온(1000℃~2000℃)에서 탄화시켜, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀) 주위에 흑연구조를 형성시키는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 공중합체 조성물의 분자량은, 1.3 내지 1.8의 다분산도 지수(PDI)의 40 KDa 내지 110 KDa의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 분쇄물에 가소제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서,
    상기 혼합물이 100 중량% 일 때, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)는 0.1 내지 10 중량% 로 포함된 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제5단계를 거치면,
    상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)이 상기 섬유의 길이방향으로 정렬되고, 상기 표면처리되지 않은 탄소나노튜브(또는 그래핀)은 서로서로 교차되어 전기 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제6단계를 거치면,
    상기 탄소나노튜브(또는 그래핀) 주위에 형성된 흑연구조로 인해 전기 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유를 제조하는 방법.
  7. 제1항의 방법으로 제조된 고 전기전도성 및 고강도 PAN계 탄소 섬유.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107141007A (zh) * 2017-05-26 2017-09-08 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种基于石墨烯的复合导热膜及其制备方法
CN107902651A (zh) * 2017-10-18 2018-04-13 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种石墨烯基电容炭规模化制备方法
CN108166092A (zh) * 2017-12-30 2018-06-15 杭州高烯科技有限公司 一种聚丙烯腈-氧化石墨烯复合纤维的制备方法
WO2018208075A1 (ko) * 2017-05-10 2018-11-15 재단법인 한국탄소융합기술원 탄소 섬유 제조용 쿼드-중합체 전구체 및 이의 제조 방법 및 사용 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018208075A1 (ko) * 2017-05-10 2018-11-15 재단법인 한국탄소융합기술원 탄소 섬유 제조용 쿼드-중합체 전구체 및 이의 제조 방법 및 사용 방법
US11692285B2 (en) 2017-05-10 2023-07-04 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Quad-polymer precursor for producing carbon fiber, method for producing same and method for using same
CN107141007A (zh) * 2017-05-26 2017-09-08 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种基于石墨烯的复合导热膜及其制备方法
CN107902651A (zh) * 2017-10-18 2018-04-13 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种石墨烯基电容炭规模化制备方法
CN108166092A (zh) * 2017-12-30 2018-06-15 杭州高烯科技有限公司 一种聚丙烯腈-氧化石墨烯复合纤维的制备方法

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