KR20160103013A - 낮은 다분산도 지수(ｐｄｉ)를 갖는 폴리아크릴로니트릴(ｐａｎ) 폴리머 및 이로부터 제조된 탄소 섬유 - Google Patents

낮은 다분산도 지수(ｐｄｉ)를 갖는 폴리아크릴로니트릴(ｐａｎ) 폴리머 및 이로부터 제조된 탄소 섬유 Download PDF

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Abstract

좁은 분자량 분포를 갖는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 폴리머를 합성하는 방법이 기술된다. 바람직한 PAN 폴리머는 약 2 이하의 PDI(Mw/Mn)를 갖는다. 이러한 PAN 폴리머는 특별한 RAFT(가역적 첨가-분절화 사슬 전달(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer)) 제제를 사용하여 제어된/리빙 라디칼 중합에 의해 합성된다. 또한, 낮은 PDI를 갖는 PAN 폴리머로부터 탄소 섬유를 제조하는 방법이 기술된다.

Description

낮은 다분산도 지수(ＰＤＩ)를 갖는 폴리아크릴로니트릴(ＰＡＮ) 폴리머 및 이로부터 제조된 탄소 섬유{POLYACRYLONITRILE (PAN) POLYMERS WITH LOW POLYDISPERSITY INDEX (PDI) AND CARBON FIBERS MADE THEREFROM}
본 발명은 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(PAN) 폴리머의 합성 및 PAN 폴리머로부터 탄소 섬유를 형성시키는 방법에 관한 것이다.
높은 비강도 및 강성, 높은 내약품성, 및 낮은 열팽창과 같은 성질로 인하여, 탄소 섬유는 항공우주, 스포츠, 및 자동차, 풍력 에너지 및 다른 에너지 절약 분야의 상업적 산업에서 널리 사용되고 있다. 통상적으로, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 폴리머로부터 제조된다.
자유 라디칼 중합
PAN 폴리머는 전통적으로, 자유 라디칼 중합 방법에 의해 제조된다. 자유 라디칼 중합에서, 촉매 또는 개시제는 먼저 초기 자유-라디칼 종을 형성시키기 위해 개시한다. 이러한 라디칼 종은 자유 모노머-라디칼을 형성시키도록 활성 중심을 생성시키기 위해 모노머와 반응하기 시작한다. 이후에, 모노머 라디칼은 폴리머 라디칼을 형성시키도록 분자 사슬을 전파시키기 위해 다른 모노머와 반응한다.
중합 동안, 때때로, 하나의 라디칼은 조합 종결화(combination termination)로서, 연결시키고 긴 사멸 사슬(dead chain)을 형성시키기 위해 다른 라디칼과 반응하며, 하나의 사슬의 단부에서 일부 라디칼은 불균화 종결화(dis-proportionation termination)를 형성시키기 위해 제2 라디칼 사슬에서 끝에서 두번째 탄소 원자에서 수소 원자를 공격할 수 있다. 폴리머 라디칼은 또한, 폴리머 라디칼의 전파 반응을 종결시키고 사슬 전달제로부터 새로운 라디칼을 형성시키기 위해 다른 화합물, 예를 들어, 사슬 전달제와 반응할 수 있다. 이러한 새로이 형성된 사슬 전달 라디칼은 이의 새로운 사슬 전파를 개시한다. 이에 따라, 사슬 전달제는 성장되는 폴리머 라디칼 사슬의 길이를 감소시킨다. 이러한 종결 속도가 전파 속도에 비해 훨씬 높은 경우에, 짧은 사슬 길이를 갖는 매우 작은 폴리머가 형성된다. 이에 따라, 사슬 전달제는 폴리머의 분자 길이 또는 중량을 조절하기 위해 사용된다. 상이한 종결화 메카니즘으로 인하여, 얻어진 분자 사슬은 상이한 길이 또는 상이한 분자량을 갖는다. 이와 같이, 폴리머의 분자량은 소정 분포를 갖는다. 이러한 분포는 하기와 같이 이의 다분산도 지수(PDI)에 의해 정의될 수 있다:
Figure pct00001
대안적으로, PDI는 하기와 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00002
Mw, Mn, Mz는 GPC(겔투과크로마토그래피) 방법에 의해 측정된다. 여기서, Mw는 중량평균분자량이다. Mn은 수평균분자량이며, Mz는 Z-평균분자량 또는 크기평균분자량이다.
높은 PDI는 폴리머가 큰 분자량 분포를 가짐을 지시하는 것으로서, 이는 폴리머가 매우 높은 분자량 종 또는 매우 낮은 분자량 종, 또는 둘 모두를 가짐을 의미한다. 다시 말해서, 폴리머는 길이에 있어서 매우 다양한 분자 사슬들로 이루어진다. 너무 높은 분자량 또는 너무 작은 분자량 종들의 존재는, 작은 분자량 종이 폴리머 기계적 성질에 대한 한 부류의 분자 결함이라는 사실로 인해, 방사(spinning)에 의한 폴리머의 섬유로의 공정-능력, 및 얻어진 섬유 성질, 특히 너무 작은 분자량 종에 영향을 미칠 것이다.
통상적인 라디칼 중합에 의해 제조된 PAN 폴리머는 중합을 제어할 수 없다. 얻어진 폴리머는 큰 분자량 분포를 갖는다. 이에 따라, 이러한 PAN으로부터 방사된 섬유의 기계적 성질 발달이 어렵다.
본 발명은 좁은 분자량 분포를 갖는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 폴리머를 합성하는 방법, 및 이러한 폴리머로부터 탄소 섬유 전구체를 제조하는 방법을 제공한다. 바람직한 PAN 폴리머는 약 2 이하의 PDI(Mw/Mn)를 갖는다. 이러한 PAN 폴리머는 특별한 RAFT(가역적 첨가-분절화 사슬전달(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer))제를 사용하여 제어된/리빙 라디칼 중합에 의해 합성된다.
섬유 전구체로부터 형성된 탄소 섬유는 균일한 단면, 낮은 마이크로 및 분자 결함과 같은 양호한 성질을 나타낸다. 이러한 양호한 성질은 저-PDI 폴리머가 균일한 Mw를 갖는다는 사실에 기인한 것이고, 탄소 섬유 제조 공정 동안 낮은 분자 및 마이크로-결함을 야기시킨다.
도 1은 저-PDI PAN 폴리머로부터 형성된 동결-건조된 PAN 응고된 섬유의 미세-공극 분포를 나타내는 수은 공극측정 그래프이다.
도 2는 저-PDI PAN 폴리머로부터 형성된 PAN 섬유 전구체의 단면적의 현미경사진 이미지이다.
도 3은 도 2를 참조로 하여 동일한 PAN 섬유 전구체의 단면적에 대한 변동 차트(variability chart)이다.
본 발명의 일 양태는 특별한 RAFT제를 사용하여 제어된/리빙 라디칼 중합에 의해 PAN 분자량 분포 또는 PDI를 제어하기 위한 메카니즘에 관한 것이다. PDI(Mw/Mn)는 대략 2 이하로 표적화되고, 바람직하게, I.2 내지 1.9의 PDI(Mw/Mn)(또는 1.2 내지 1.7의 대안적인 PDI(Mz/Mw))로 표적화된다.
제어된/ 리빙 라디칼 중합
단지 모든 모노머가 라디칼 중합 동안 소비된 후에 사슬 종결화가 일어나는 경우에, 이러한 중합은 리빙 중합(living polymerization)이라 불리워진다. 이러한 중합 반응에서, 보다 많은 모노머가 반응에 첨가되는 경우에 전파(propagation)가 계속될 수 있다. 이상적인 리빙 중합으로서, 모든 사슬은 반응의 개시 시에 개시되고 유사한 속도로 성장한다. 비가역적 사슬전달 또는 종결화가 존재하지 않는다. 개시가 전파에 대하여 빠른 경우에, 분자량 분포는 매우 좁으며, 사슬은 반응에 모노머를 추가로 첨가함으로써 연장될 수 있다. 그러나, 라디칼 중합에서, 모든 사슬은 동시에 활성적이지 않을 수 있다. 이에 따라, 일부 시약이 휴면 단계(dormant stage)를 형성시킴으로써 전파 및 이의 속도를 제어하기 위해 사용된다. 전파를 가역적으로 비활성화시키거나 활성화시킴으로써, 활성 사슬과 휴면 사슬 간의 빠른 평형상태는 좁은 분자량 분포가 얻어질 수 있게 하는 유사한 속도로 사슬 성장을 제어하기 위해 달성될 수 있다. 이는 "제어된/리빙 라디칼 중합"이라 불리워진다. 본원에서 사용되는 화학물질은 RAFT(가역적 첨가/분절화 사슬 전달)제로 불리워진다.
PAN 폴리머의 합성
좁은 분자량 분포를 갖는 PAN 폴리머를 제조하는 방법은 하기 단계를 포함하는 용액 중합 방법이다:
(a) 용액을 형성시키기 위해 아크릴로니트릴(AN) 모노머를 용매, 하나 이상의 코모노머 및 RAFT 제제(본원에서 규정된 바와 같음)와 조합하는 단계;
(b) 용액을 실온 보다 높은 온도, 즉 >25℃, 예를 들어, 40℃ 내지 85℃까지 가열시키는 단계; 및
(c) 중합 반응을 개시하기 위해 개시제를 용액에 첨가하는 단계.
중합이 완료된 후에, 반응하지 않은 AN 모노머는 예를 들어, 고 진공 하에서 제거, 예를 들어, 탈기되며, 얻어진 PAN 폴리머 용액은 냉각된다. 이러한 단계에서, PAN 폴리머는 방사를 위한 용액 또는 도프(dope)로 존재한다.
AN 모노머의 중합은 하기 구조를 갖는 티오카보닐티오 화합물인 RAFT 제제를 사용하여 제어된/리빙 라디칼 중합에 의해 유발된다:
Figure pct00003
RAFT 제제의 효과는 치환체 R 및 Z에 의존적이다. 치환체는 중합 반응 동력학 및 구조적 조절 정도에 영향을 미친다. R 기는 자유 라디칼 이탈기이다. 이는 RAFT 중합 동안 재-개시 중합을 조절한다. 그리고, Z 기는 C=S 결합 반응성의 안정성을 조절하고, 라디칼 첨가 및 분절화의 속도에 영향을 미친다.
바람직한 RAFT 제제는 하기 구조를 갖는 티오카보닐티오 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다:
Figure pct00004
[상기 식에서,
Figure pct00005
임]
Figure pct00006
[상기 식에서,
Figure pct00007
임]
Figure pct00008
[상기 식에서,
Figure pct00009
임]
상기 구조 I, II 및 III을 갖는 RAFT 제제의 특정 예는 각각 하기와 같다:
1) 트리티오카보네이트: 2-시아노-2-프로필 도데실 트리티오카보네이트(CPDTC)
Figure pct00010
2) 디티오벤조에이트: 2-시아노-2-프로필 벤조디티오에이트(CPBZ)
Figure pct00011
3) 티오카보닐 디설파이드: 비스-도데실설파닐티오카보닐 디설파이드(BDSTD)
Figure pct00012
중합을 위한 적합한 용매는 디메틸 설폭사이드(DMSO), 디메틸 포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMAc), 에틸렌 카보네이트(EC), 아연 클로라이드(ZnCl2)/물, 및 소듐 티오시아네이트(NaSCN)/물을 포함한다.
PAN 폴리머의 합성을 위해 적합한 코모노머는 메타크릴산(MAA), 아크릴산(AA), 이타콘산(ITA), 비닐계 에스테르, 예를 들어, 메타크릴레이트(MA), 메틸 메타크릴레이트(MMA), 비닐 아세테이트(VA), 에틸 아크릴레이트(EA), 부틸 아크릴레이트(BA), 에틸 메타크릴레이트(EMA), 및 다른 비닐 유도체, 예를 들어, 비닐 이미다졸(VIM), 아크릴아미드(AAm), 및 디아세톤 아크릴아미드(DAAm)를 포함하는 하나 이상의 비닐계 산일 수 있다.
PAN 중합은 아조계 화합물, 예를 들어, 아조-비스이소부티로니트릴(AIBN), 아조비스시아노발레르산(ACVA), 및 2,2'-아조비스-(2,4-디메틸)발레로니트릴(ABVN), 등, 또는 유기 퍼옥사이드, 예를 들어, 디라우로일 퍼옥사이드(LPO), 디3차-부틸 퍼옥사이드(TBPO), 디이소프로필 퍼옥시디카보네이트(IPP), 등의 개시제(또는 촉매)에 의해 개시될 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, PAN 중합은 하기 포뮬레이션을 기반으로 하여 수행된다: 하기 네 개의 성분들의 총 중량을 기반으로 하여, 중량%(wt%) 단위: > 90% AN 모노머; < 5% 코모노머; < 1% 개시제; < 1% RAFT 제제; 및 5 중량% 내지 28 중량%의 최종 PAN 폴리머, 바람직하게, 15 중량% 내지 25 중량%의 최종 PAN 폴리머를 함유하는 용액을 형성시키기 위한 충분한 양의 용매.
제어된/리빙 라디칼 중합 방법은 폴리머 구조에 대한 제어를 가능하게 한다. 이는 분자량, 분자량 분포(즉, 다분산도), 작용성, 및 조성을 포함한다. 상기에 논의된 RAFT 제제는 AN 모노머의 PAN으로의 제어된/리빙 라디칼 중합 동안 사슬 전달제로서 기능한다.
RAFT 중합 메카니즘은 4개의 반응 단계를 갖는다: 일 예로서, RAFT 제제로서 CPDTC를 사용하여, 하기에 예시된 바와 같이, 개시, 첨가-분절화, 재-개시 및 평형화. PAN 중합 동안, 아조-비스이소부티로니트릴(AIBN)이 개시제로서 사용되며, DMSO가 용매로서 사용된다.
A. AIBN(아조비스이소부티로니트릴)에 의한 개시
Figure pct00013
B. CPDTC로의 첨가- 분절화
Figure pct00014
C. 재-개시
Figure pct00015
D. 평형화
Figure pct00016
중합은 AIBN에 의해 개시된다. 이는 분해되어 두 개의 자유 라디칼을 형성시키고(반응식 1), 이후에 라디칼은 중합을 개시하기 위해 AN 모노머와 반응하기 시작한다(반응식 2). 보다 많은 (AN)은 라디칼과 반응하고, 리빙 폴리머 또는 폴리머 라디칼 Pn●을 형성한다(반응식 3). RAFT 제제로서 CPDTC는 반응하거나 Pn●에 첨가하여 RAFT 부가물 라디칼을 형성한다. 이러한 RAFT 부가물 라디칼은 출발 종 또는 새로운 라디칼 및 폴리머 RAFT-Pn을 얻기 위해 어느 하나의 방향으로 분절화 반응을 야기시킬 수 있다(반응식 4). 이는 가역적 단계이다. 반응식 5에서, 새로이 형성된 라디칼은 다른 리빙 폴리머 또는 폴리머 라디칼 Pm●을 얻기 위해 폴리머 성장을 재-개시시킨다. 이러한 리빙 폴리머 Pm●RAFT 부가물 라디칼 중간체를 형성시키기 위해 폴리머 RAFT-Pn과 반응한다(반응식 6). 이러한 중간체는 Pn● 또는 Pm● 성장에 대한 동일한 기회 및 좁은 PDI를 갖는 사슬을 제어하기 위해 어느 하나의 방향으로 분절화할 수 있다. 중합은, 모든 모노머 및 코모노머가 소비되었을 때 종료될 것이다.
상술된 방법에 의해 형성된 PAN 폴리머의 분자량은 60 내지 500 kg/mole, 바람직하게, 90 내지 250 kg/mole, 및 가장 바람직하게, 115 내지 180 kg/mole 범위 내일 수 있으며, PDI는 약 2 이하이다. 분자량은 Viscotek GPCmax 겔투과크로마토그래피(GPC) 시스템에 의해 측정된다. 특징분석 동안, 0.02M LiBr을 갖는 DMF(디메틸 포름아미드)는 이동상으로서 1 ml/분 유량으로 사용된다. 그리고, 컬럼 온도는 45℃에서 설정된다.
탄소 섬유 제조
상술된 저-PDI PAN 폴리머는 연속 탄소 섬유 전구체(즉, 백색 섬유(white fiber))를 제조하기 위한 습식 방사 및 에어-갭 방사(air-gap spinning)(또는 대안적으로 "건식-제트 습식 방사")를 위해 적합하다. 저-PDI PAN 폴리머가 양호한 방사 능력, 즉 방사 공정에 의해 이러한 폴리머로부터 섬유를 제조하는데 용이함을 갖는다는 것이 발견되었다. 이러한 폴리머로부터 형성된 얻어진 섬유 전구체는 단면 균일성, ASTM 2256에 따라 > 5 g/데니어의 강인도(tenacity), 및 > 125 g/데니어의 초기 탄성률을 나타낸다.
PAN 백색 섬유를 제조하기 위하여, PAN 폴리머 용액(즉, 방사 "도프(dope)")은 진공에 의해 공기 버블을 제거한 후에 통상적인 습식 방사 및/또는 에어-갭 방사로 수행된다. 방사 "도프"는 용액의 총 중량을 기준으로 하여 5 중량% 내지 28 중량%, 바람직하게 15 중량% 내지 25 중량% 범위 내의 폴리머 농도를 가질 수 있다. 습식 방사에서, 도프는 폴리머가 필라멘트를 형성시키기 위해 방적 돌기의 홀(금속으로 제조됨)을 통해 액체 응고 베쓰로 여과되고 압출된다. 방적 돌기 홀은 PAN 섬유의 요망되는 필라멘트 카운트(예를 들어, 3K 탄소 섬유에 대해 3,000개의 홀)를 결정한다. 에어-갭 방사에서, 1 내지 50 mm, 바람직하게 2 내지 15 mm의 수직 에어 갭이 방적 돌기와 응고 베쓰 사이에 제공된다. 이러한 방사 방법에서, 폴리머 용액은 방적 돌기로부터 공기 중에 여과되고 압출되며, 이후에, 압출된 필라멘트가 응고 베쓰에서 응고된다. 이러한 공정에서 사용되는 응고 액체는 용매와 비-용매의 혼합물이다. 물 또는 알코올이 통상적으로, 비-용매로서 사용된다. 용매 및 비-용매의 비 및 베쓰 온도는 응고에서 압출된 초기 필라멘트의 고형화 속도를 조정하기 위해 사용된다.
방사된 필라멘트는 섬유 직경을 조절하는 제1 단계로서, 과량의 응고제를 제거하기 위해 롤러에 의해 세척 베쓰를 통해 응고 베쓰로부터 철수되고 필라멘트에 분자 배향을 제공하기 위해 고온(예를 들어, 40℃ 내지 100℃)의 물 베쓰에서 연신된다. 연신된 필라멘트는 이후에, 예를 들어, 건조 롤 상에서 건조된다. 건조 롤은 직렬로 및 구불구불한 구성으로 배열된 복수의 회전 가능한 롤로 구성될 수 있으며, 그 위에 필라멘트가 롤 상에 필라멘트 연신 또는 이완을 제공하기 위해 롤들 간에 연속적으로 그리고 충분한 장력 하에서 진행한다. 롤들 중 적어도 일부는 내부적으로 또는 롤을 통해 순환되는 가압된 스팀, 또는 롤의 내측의 전기적 가열 요소에 의해 가열된다. 피니싱 오일(finishing oil)은 다운스트림 공정에서 필라멘트들이 서로 점착하는 것을 방지하기 위해 건조 이전에 연신된 섬유에 적용될 수 있다.
섬유 직경을 조절하는 제2 단계로서, 초연신(superstretch) 이후에 제1 섬유가 인출된다. 초연신 공정은 섬유의 유리전이온도 보다 높은 100℃ 내지 185℃, 바람직하게 135℃ 내지 175℃의 온도에서 수행된다. 이러한 연신은 분자를 필라멘트로 추가로 배향시킨다. 초연신된 섬유는 약 0.4 내지 1.5 데니어, 바람직하게 0.5 내지 1.0 데니어의 직경을 가질 수 있다.
가공 조건(방사 용액 및 응고 베쓰의 조성, 전체 스트레치의 양, 온도, 및 필라멘트 속도)은 요망되는 구조 및 데니어의 필라멘트를 제공하기 위해 상호 관련된다. 초연신 단계 이후에, 섬유 필라멘트는 하나 이상의 고온 롤 위로 진행하고 이후에 보빈(bobbin) 상에 권취될 수 있다.
PAN 백색 섬유를 탄소 섬유로 전환시키기 위해, PAN 섬유는 산화 및 탄화로 처리된다.
산화 단계 동안, PAN 섬유는 장력 하에서 하나 이상의 전문적인 오븐을 통해 공급되며, 여기로 가열된 공기가 공급된다. 산화 오븐 온도는 200℃ 내지 300℃, 바람직하게 220℃ 내지 285℃의 범위일 수 있다. 산화 공정은 공기로부터의 산소 분자를 PAN 섬유와 결합시키고, 폴리머 사슬이 가교를 개시하게 하고, 이에 의해 섬유 밀도를 1.3 g/㎤ 내지 1.4 g/㎤로 증가시킨다. 산화 공정에서, 섬유에 적용되는 장력은 일반적으로 인출되거나 수축되는 섬유를 0.8 내지 1.35, 바람직하게 1.0 내지 1.2의 연신 비율로 조절하기 위한 것이다. 연신 비율이 1일 때, 연신이 일어나지 않는다. 그리고, 연신 비율이 1 보다 클 때, 적용된 장력은 섬유가 연신되게 한다. 이러한 산화된 PAN 섬유는 불용융성 레더(ladder) 방향족 분자 구조를 가지며, 이는 탄화 처리를 위해 준비된 것이다.
탄화는 하나 이상의 특별히 디자인된 로(furnace) 내측에서 불활성(산소-부재) 분위기에서 일어난다. 바람직한 구현예에서, 산화된 섬유는 불활성 가스, 예를 들어, 질소에 노출되면서, 약 300℃ 내지 900℃, 바람직하게 350℃ 내지 750℃의 가열 온도로 섬유를 처리하는 예비-탄화로를 통해 진행되고, 이후에, 불활성 가스에 노출되면서, 섬유를 약 700℃ 내지 1650℃, 바람직하게 800℃ 내지 1450℃의 보다 높은 온도로 가열된 로를 통해 진행시킴으로써 탄화시킨다. 섬유 장력화(Fiber tensioning)는 예비탄화 및 탄화 공정 내내 부가되어야 한다. 예비-탄화에서, 적용된 섬유 장력은 0.9 내지 1.2, 바람직하게 1.0 내지 1.15 범위 내이도록 연신 비율을 조절하는데 충분하다. 탄화에서, 사용되는 장력은 0.9 내지 1.05의 연신 비율을 제공하기에 충분하다. 탄화는 탄소 분자의 결정화를 야기시키고, 그 결과 90% 초과의 탄소 함량을 갖는 최종처리된 탄소 섬유를 형성시킨다.
매트릭스 수지와 탄소 섬유 간의 접착력은 탄소 섬유-강화 폴리머 복합물에서 중요한 기준이다. 이와 같이, 탄소 섬유의 제조 동안, 표면 처리는 이러한 접착력을 향상시키기 위해 산화 및 탄화 후에 수행될 수 있다.
표면 처리는 전해질, 예를 들어, 암모늄 비카보네이트 또는 소듐 하이포클로라이트를 함유한 전해 베쓰를 통해 탄화된 섬유를 당기는 것을 포함할 수 있다. 전해 베쓰의 화학물질은 섬유의 표면을 에칭시키거나 조면화시키고, 이에 의해 계면 섬유/매트릭스 섬유 결합을 위해 이용 가능한 표면적을 증가시키고 반응성 화학적 기를 첨가한다.
다음으로, 탄소 섬유는 사이징(sizing)으로 처리될 수 있으며, 여기서, 크기 코팅, 예를 들어, 에폭시계 코팅이 섬유 상에 적용된다. 사이징은 액체 코팅 물질을 함유한 크기 베쓰를 통해 섬유를 진행시킴으로써 수행될 수 있다. 사이징은 조작 및 중간체 형태, 예를 들어, 건조 직물 및 프리프레그(prepreg)로의 가공 동안 탄소 섬유를 보호한다. 사이징은 또한, 보풀(fuzz)을 감소시키고, 가공능력을 개선시키고, 섬유와 매트릭스 수지 간의 계면 전단 강도를 증가시키기 위해 개개 토우(tow)에서 필라멘트들을 함께 유지시킨다.
사이징 이후에, 코팅된 탄소 섬유는 건조되고, 이후에 보빈(bobbin) 상에 권취된다.
상술된 저-PDI PAN 폴리머로부터 형성된 탄소 섬유는 하기 기계적 성질을 갖는 것으로 확인되었다: ASTM D4018 시험 방법에 따라, 700 Ksi(4826 MPa) 초과의 인장 강도, 및 35 Msi(241 GPa) 초과의 인장 초기 탄성률(tensile initial modulus).
상술된 PAN 폴리머 및 이로부터 형성된 탄소 섬유의 잇점 및 성질은 하기 실시예에 의해 추가로 예시될 것이다.
실시예
실시예 1
PAN 폴리머의 합성
PAN 폴리머를 표 1A 내지 표 1C에 나타낸 PAN 중합을 위한 포뮬레이션에 따라 제조하였다.
표 1A: PAN 중합을 위한 포뮬레이션
Figure pct00017
표 1B: PAN 중합을 위한 포뮬레이션
Figure pct00018
표 1C: PAN 중합을 위한 포뮬레이션
Figure pct00019
상기 표에서, CPDTC, CPBZ, BDSTD는 RAFT 제제이며, 여기서,
CPDTC = 2-시아노-2-프로필 도데실 트리티오카보네이트
CPBZ = 2-시아노-2-프로필 벤조디티오에이트
BDSTD = 비스-도데실설파닐티오카보닐 디설파이드
주석: * Raft 제제는 모노머의 총량을 기준으로 한 mole%에 의해 사용된다.
제어된/리빙 라디칼 PAN 중합을 하기와 같이 수행하였다:
아조-비스이소부티로니트릴(AIBN)을 개시제/촉매로서 사용하였고, DMSO를 용매로서 사용하였다. RAFT 제제를 사슬 전달제로서 사용하였다. 중합 동안, 하기 순서의 단계들을 수행하였다:
a) DMSO 저장 탱크로부터 DMSO를 반응기로 계량하고, 이후에 AN 저장 탱크로부터 AN을 반응기로 계량하는 단계;
b) 반응기를 질소로 퍼징하는 단계;
c) 반응기를 예열시키고 실온 이상(25℃)에서 반응기에 코모노머 및 RAFT 제제를 첨가하는 단계;
d) 반응기를 가열시키고, 이후에 40 내지 85℃의 요망되는 온도 포인트에서 개시제/촉매를 첨가하는 단계;
e) 60 내지 80℃의 온도에서 15 내지 23시간의 시간 동안 중합을 개시하는 단계;
f) 저온(40 내지 50℃)로 낮추고 폴리머 용액을 배출시키는 단계.
중합 이후에, 형성된 PAN 폴리머의 분자량 PDI를 측정하였으며, 결과는 표 2A 내지 표 2C에 나타내었다.
얻어진 PAN 폴리머를 이의 분자량 및 다분산도 지수(PDI)에 대해 분석하기 위하여 겔투과크로마토그래피(GPC)를 이용하였다. 낮은 각도 및 직각 광 산란 검출기 및 RI 검출기를 구비한 Viscotek GPCmax/SEC 크로마토그래피 시스템을 사용하였다. 데이타를 모으고, 절대 중량평균 분자량(Mw) 및 이의 분포 결정을 위해 Viscotek OMNISEC Version 4.06 소프트웨어를 이용하여 분석하였다.
표 2A: 폴리머 분자량 및 분포
Figure pct00020
표 2B: 폴리머 분자량 및 분포
Figure pct00021
표 2C: 폴리머 분자량 및 분포
Figure pct00022
RAFT 제제와 함께 포뮬레이션으로부터 형성된 모든 PAN 폴리머는 대략 2 이하의 PDI(Mw/Mn)를 갖는 PAN 폴리머를 산출하였다. 포뮬레이션 6으로부터 형성된 PAN 폴리머는 포뮬레이션 5와 관련하여 용액 농도 및 RAFT 제제의 용량을 조정한 후에 1.69 PDI와 함께 21,7778 g/mole의 보다 높은 분자량(Mw)을 갖는다.
실시예 2
백색 섬유의 제조
습식 방사에 의해 탄소 섬유 전구체(또는 백색 섬유)를 형성시키기 위해 실시예 1에 기술된 바와 같이, 포뮬레이션 5로부터 형성된 PAN 폴리머를 사용하였다. 150 ㎛ 방적 돌기로 에어-갭 방사 방법에 의해 백색 섬유를 형성시키기 위해 실시예 1에 기술된 바와 같이, 포뮬레이션 12로부터 형성된 PAN 폴리머를 사용하였다.
백색 섬유의 성질은 하기와 같이 결정하였다.
단면 분석
백색 섬유 번들 샘플을 아크릴 수지에 액침시키고, 이후에 경화시켰다. 경화된 섬유 수지 로드(rod)를 매끄러운 단면을 위하여 그라운더(grounder) 상에서 상이한 등급의 샌더 페이퍼(sander paper)로 폴리싱하였다. 그 이후에, 섬유 단면을 단면 균일성을 위해 광학 현미경 하에서 이미지-분석 시스템으로 측정하였다.
공극측정( Porosimetry )
에어-갭 방사를 위하여, 응고 베쓰에서 배출된 섬유 샘플을 -60℃에서 동결-건조하고, 동결-건조된 샘플을 다공도 및 다공성 구조 분석을 위해 수은 세공계(mercury porosimeter)에 의해 시험하였다.
강인도 및 탄성률
섬유 강인도 및 초기 탄성률을 ASTM D2256 방법에 따라 측정하였다.
표 3 - 백색 섬유 성질 및 방사 방법
Figure pct00023
포뮬레이션 5 및 포뮬레이션 12를 기반으로 한 PAN 폴리머는 양호한 방사 능력을 갖는 것으로 확인되었다. 습식 방사 및 에어갭 방사 둘 모두로부터의 얻어진 백색 섬유 전구체는 또한, 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 양호한 강인도 및 탄성률을 갖는다.
도 1은 동결-건조된 응고된 섬유에서 공극 직경의 분포에 대한 수은 공극측정 그래프이다. Y-축은 ml/g 또는 dV/dlog D 단위의 log 시차 침입(differential intrusion)이다. V는 샘플의 공극으로 침입되는 수은의 용적이다. X-축은 로그 단위의 공극 직경이다. 이에 따라, 숫자는 공극 직경의 로그에 대한 침입된 용적의 도함수를 나타낸 것이다. 전체 용적 또는 공동은 곡선 아래의 면적이다. 도 1은 포뮬레이션 12에 따른 저-PDI PAN 폴리머로부터 에어갭 방사에 의해 형성된 동결-건조된 PAN 응고된 섬유가 낮은 미세-공극 결함을 가짐을 도시한다. 도 2의 현미경사진 이미지 및 도 3의 변동 차트는 에어갭 방사에 의해 방사된 저-PDI 백색 섬유가 균일한 단면을 가짐을 도시한 것이다. 도 3은 분산 또는 퍼짐(spread)을 나타낸, 단면적의 변동 차트이다.
백색 섬유를 탄소 섬유로 전환시킴
백색 섬유 전구체를 220℃ 내지 285℃의 온도 범위 내에서 공기 중에서 산화시키고, 350℃ 내지 650℃(예비-탄화) 및 이후에 800℃ 내지 1300℃의 온도 범위 내에서 질소 중에서 탄화시켰다.
얻어진 탄소 섬유의 인장 강도 및 인장 탄성률을 측정하였고, 표 4에 나타내었다.
표 4 - 탄화 및 탄소 섬유 성질
Figure pct00024
탄소 섬유의 인장 강도 및 초기 탄성률을 ASTM D4018에 따라 결정하였다. 탄소 섬유를 먼저 에폭시 수지 베쓰에 함침시키고, 이후에 경화시켰다. 경화된 탄소 섬유 가닥을 이의 인장 강도 및 탄성률에 대해 MTS 상에서 0.5 in/min 크로스헤드 속도(crosshead speed) 하에서 시험하였다.
섬유 밀도를 ASTM D3800에 따라 액체 액침 방법에 의해 측정하였다.

Claims (18)

  1. 좁은 분자량 분포를 갖는, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 폴리머를 합성하는 방법으로서,
    a) 아크릴로니트릴(AN) 모노머를 용매, 적어도 하나의 코모노머, 및 티오카보닐티오 화합물과 조합하여 용액을 형성시키는 단계;
    b) 용액을 25℃ 초과의 온도까지 가열시키는 단계; 및
    c) 개시제를 용액에 첨가하여 중합 반응을 유발시키는 단계를 포함하고,
    중합이 제어된/리빙 라디칼 중합에 의해 유발되며, 여기서, 상기 티오카보닐티오 화합물이 가역적 첨가/분절화 사슬 전달(Reversible Addition/Fragmentation Chain Transfer; RAFT) 제제로서 기능하고,
    상기 티오카보닐티오 화합물이 하기 구조로부터 선택되고,
    상기 PAN 폴리머가 약 2 이하의 다분산도 지수(polydispersity index; PDI)를 갖는, 방법:
    Figure pct00025

    상기 식에서, Z1은 -CH2-(CH2)10-CH3; -(CH2)n-CH3(여기서, n은 0 내지 20임); -C(CH3)m-COOH(여기서, m은 1 내지 2임); -C(CH3)m-COOCH3(여기서, m은 1 내지 2임); -C(CH3)m-COOC2H5(여기서, m은 1 내지 2임)로부터 선택되며,
    R1은
    Figure pct00026
    ;
    Figure pct00027
    로부터 선택되고, R'1은 -CN,
    Figure pct00028
    (여기서, x는 0 내지 1임)로부터 선택되고, R"1은 H, -CH3, -(CH2)m-COOH(여기서, m은 1 내지 2임)로부터 선택되고, R"'1은 H 또는 -CH3이며;
    Figure pct00029

    상기 식에서, Z2는
    Figure pct00030
    ;
    Figure pct00031
    ;
    Figure pct00032
    로부터 선택되며, R은 F, Cl, CN, OCH3로부터 선택되며, R2는
    Figure pct00033
    ;
    Figure pct00034
    로부터 선택되며, R'2는 -CN;
    Figure pct00035
    (여기서, x는 0 내지 1임); -C(CH3)m-COOCH3(여기서, m은 1 내지 2임); -C(CH3)m-COOC2H5(여기서, m은 1 내지 2임)로부터 선택되며, R"2는 H; -CH3; -(CH2)m-COOH(여기서, m은 1 내지 2임)로부터 선택되며, R"'2는 H 또는 -CH3이며;
    Figure pct00036

    상기 식에서, Z3은 -CH2-(CH2)10-CH3; -(CH2)y-CH3(여기서, y는 1 내지 20임)으로부터 선택되며; R3은 -CH2-(CH2)10-CH3; -(CH2)y-CH3(여기서, y는 1 내지 20임)으로부터 선택된다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PAN 폴리머가 60 kg/mole 내지 500 kg/mole 범위 내의 분자량을 갖는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 PAN 폴리머가 115 kg/mole 내지 180 kg/mole 범위 내의 분자량을 갖는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PAN 폴리머가 I.2 내지 1.9의 PDI(Mw/Mn)(또는 1.2 내지 1.7의 대안적인 PDI(Mz/Mw))를 갖는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용매가 디메틸 설폭사이드(DMSO), 디메틸 포름아미드(DMF), 및 디메틸 아세트아미드(DMAc), 에틸렌 카보네이트(EC), 아연 클로라이드(ZnCl2)와 물의 혼합물, 및 소듐 티오시아네이트(NaSCN)와 물의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코모노머가 비닐계 산, 비닐계 에스테르, 및 비닐 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코모노머가 메타크릴산(MAA), 아크릴산(AA), 이타콘산(ITA), 메타크릴레이트(MA), 메틸 메타크릴레이트(MMA), 비닐 아세테이트(VA), 에틸 아크릴레이트(EA), 부틸 아크릴레이트(BA), 에틸 메타크릴레이트(EMA), 비닐 이미다졸(VIM), 아크릴아미드(AAm), 디아세톤 아크릴아미드(DAAm)로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개시제가 아조 화합물 또는 유기 퍼옥사이드인 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개시제가 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 아조비스시아노발레르산(ACVA), 2,2'-아조비스-(2,4-디메틸)발레로니트릴(ABVN), 디라우로일 퍼옥사이드(LPO), 디3차부틸 퍼옥사이드(TBPO), 디이소프로필 퍼옥시디카보네이트(IPP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (b)에서의 온도가 40℃ 내지 85℃ 범위 내에 있는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티오카보닐티오 화합물이 2-시아노-2-프로필 도데실 트리티오카보네이트(CPDTC)인 방법:
    Figure pct00037
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티오카보닐티오 화합물이 2-시아노-2-프로필 벤조디티오에이트(CPBZ)인 방법:
    Figure pct00038
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티오카보닐티오 화합물이 비스-도데실설파닐티오카보닐 디설파이드(BDSTD)인 방법:
    Figure pct00039
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 폴리머.
  15. 탄소 섬유를 제조하는 방법으로서,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 따라 형성된 PAN 폴리머의 폴리머 용액을 형성시키는 단계;
    PAN 섬유 전구체를 형성시키기 위해 폴리머 용액을 습식 방사(wet spinning) 또는 에어-갭 방사(air-gap spinning)에 의해 방사(spin)시키는 단계;
    상기 PAN 섬유 전구체를 산화시키는 단계; 및
    상기 산화된 섬유 전구체를 탄화시키는 단계를 포함하고,
    상기 탄소 섬유가 ASTM D4018 시험 방법에 따라, 700 ksi(또는 4826MPa) 초과의 인장 강도(tensile strength), 및 35 msi(또는 241 GPa) 초과의 초기 탄성률(initial modulus)을 갖는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 방사(spinning)를 위한 PAN 폴리머의 폴리머 용액이 상기 용액의 총 중량을 기준으로 하여 5 중량% 내지 28 중량% 범위 내의 폴리머 농도를 갖는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 산화가 200℃ 내지 300℃의 온도 범위 내에서 수행되는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 탄화가 300℃ 내지 900℃ 범위 내의 보다 낮은 제1 온도에서 불활성 가스 중에서의 예비-탄화(pre-carbonization), 이후에 700℃ 내지 1650℃의 온도 범위 내의 보다 높은 제2 온도에서의 탄화를 포함하며, 상기 제2 온도가 제1 온도 보다 높은 방법.
KR1020167017689A 2013-12-23 2014-11-21 낮은 다분산도 지수(ｐｄｉ)를 갖는 폴리아크릴로니트릴(ｐａｎ) 폴리머 및 이로부터 제조된 탄소 섬유 KR102322305B1 (ko)

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