KR20200073561A - Method for producing stabilized fiber for carbon fiber and preparation method of carbon fiber using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a stabilized fiber for a carbon fiber, and the stabilized fiber for the carbon fiber manufactured by the manufacturing method. According to the present invention, by applying tension to extent that a precursor fiber does not deform in a step of oxidation-stabilizing the precursor fiber for the carbon fiber, it is possible to manufacture the stabilized fiber and the carbon fiber for excellent quality carbon fiber with improved mechanical properties such as tensile strength, elastic modulus, and elongation at break. The manufacturing method of the stabilized fiber for the carbon fiber includes the following steps of: preparing the precursor fiber for carbon fiber; obtaining data on a change in shrinkage force of the precursor fiber; and stabilizing the precursor fiber.

Description

탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법 및 이를 이용한 탄소섬유의 제조방법{Method for producing stabilized fiber for carbon fiber and preparation method of carbon fiber using the same}Method for producing stabilized fiber for carbon fiber and method for producing carbon fiber using the same method

본 발명은 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법, 이를 이용한 탄소섬유의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 탄소섬유용 안정화 섬유에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a stabilized fiber for carbon fiber, a method for producing a carbon fiber using the same, and a stabilized fiber for carbon fiber produced by the method.

탄소섬유는 경량, 고강도, 고내열성 등의 특성을 살릴 수 있는 꾸준한 용도 개발의 노력에 힘입어서 건축재료,콘크리트 구조물, 내진 보강 등의 토목, 건축 분야, CNG 탱크, 풍력 발전용 블레이드, 원심분리 로터, 플라이 호일 등의 대체 에너지, 그린 에너지 분야, 선박, 차량 등의 고속 운송 기기분야, 해양 개발 심해저 유전 채굴 분야, 기기의 고성능화, 의료 복지 기기, 전기 전도 용도, 초 내열용도 등의 우주항공 분야에서부터 건설 산업에 이르기까지 다양한 산업 분야로 적용 범위가 넓어지고 있는 상황이다. 탄소섬유는 그 자체가 가지고 있는 독보적인 특징을 살려 철, 알루미늄 등을 대체 가능한 제3의 범용재료로서 새로운 시대의 기반을 만드는 재료로 성장하고 있다. 특히, 최근 개발된 초음속 항공기인 보잉 787 및 에어버스 380의 항공기 부품소재로서 탄소섬유의 적용과 함께 각종 첨단 소재분야에 그 사용량의 증대도 예상된다.Carbon fiber is made of construction materials, concrete structures, seismic reinforcement, civil engineering, construction fields, CNG tanks, wind power blades, centrifugal rotors, thanks to efforts to develop consistent uses that can utilize characteristics such as light weight, high strength, and high heat resistance. Constructed from aerospace fields such as alternative energy such as fly foil, green energy fields, high-speed transportation equipment fields such as ships and vehicles, deep-sea oil field mining fields in marine development, high-performance equipment, medical welfare equipment, electric conduction applications, and ultra-heat resistance The scope of application is expanding to various industries ranging from industries. Carbon fiber is growing as a material that makes the foundation for a new era as a third general-purpose material that can replace iron, aluminum, etc., taking advantage of its unique characteristics. In particular, the use of carbon fiber as an aircraft component material for the recently developed supersonic aircraft Boeing 787 and Airbus 380 is expected to increase in usage in various high-tech materials fields.

일반적으로, 탄소섬유는 전구체 섬유를 불융화시키기 위해 산화성 분위기에 서 열을 가하여 산화안정화시키는 안정화 공정, 안정화된 섬유를 고온의 온도에서 탄화시키는 탄화 공정을 통해 제조된다. 그리고, 후속하여 흑연화 공정을 거치기도 한다. 이 때, 탄소섬유의 전구체 섬유로는 폴리아크릴로니트릴(PAN; polyacrylonitrile), 피치(pitch), 레이온(rayon), 리그닌(lignin), 폴리에틸렌 등이 있다. 이중에서, 폴리아크릴로니트릴계 섬유는 50% 이상의 높은 탄소 수율과 높은 융점을 지니며 공정 조건 조절에 따라 다른 전구체에 비하여 고성능의 탄소섬유를 제조할 수 있는 최적의 전구체이다. 이에 따라, 현재의 대부분의 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴계 섬유로부터 제조되고 있다. 탄소섬유를 제조하는데 가장 적절한 전구체로 알려진 폴리아크릴로니트릴계 섬유는 일련의 산화안정화(oxidative stabilization), 탄화, 그리고 선택적으로 흑연화 공정 단계와 일련의 표면처리(surface treatment)와 사이징(sizing) 처리단계를 거쳐 최종적으로 탄소섬유 또는 흑연섬유(graphite fiber)로 전환될 수 있다.In general, carbon fibers are produced through a stabilization process in which oxidation is stabilized by applying heat in an oxidizing atmosphere to dissolve the precursor fiber, and a carbonization process in which the stabilized fibers are carbonized at a high temperature. In addition, a graphitization process may be subsequently performed. At this time, the precursor fibers of the carbon fiber include polyacrylonitrile (PAN), pitch, rayon, lignin, polyethylene, and the like. Among them, the polyacrylonitrile-based fiber has a high carbon yield of 50% or higher and a high melting point, and is an optimal precursor capable of producing high-performance carbon fiber compared to other precursors according to process condition control. Accordingly, most of the present carbon fibers are made from polyacrylonitrile-based fibers. Polyacrylonitrile-based fibers, known as the most suitable precursors for the production of carbon fibers, are subjected to a series of oxidative stabilization, carbonization, and optionally graphitization process steps and a series of surface treatment and sizing treatments. After the step, it can be finally converted to carbon fiber or graphite fiber.

산화안정화 공정(또는 내염화 공정)은 산화 또는 공기 분위기에서 일정한 장력을 가하면서 약 200 내지 400℃의 온도범위에서 행해지는 열처리 과정을 의미하는 것으로,이 공정에서 폴리아크릴로니트릴계 섬유는 화학적으로 큰 변화를 일으킨다. 후속으로 행해지는 부분 탄화 또는 흑연화 조건과 같은 높은 열처리 온도에도 화학적, 물리적, 그리고 열적으로 안정한 구조를 취하게 된다. 산화안정화 반응에서는 고리화 반응(cyclization), 탈수소 반응(dehydrogenation), 방향족화 반응, 산화반응 및 가교반응이 일어나며 이러한 반응을 통해 내열성을 갖는 공액 구조의 사다리 구조를 형성한다. 이를 통해 산화안정화 단계는 뒤에 이어질 고온의 탄화 단계에서 섬유가 용융되는 것을 방지하고, 최종 제품의 구조와 물성에 큰 영향을 미친다. The oxidation stabilization process (or flameproofing process) refers to a heat treatment process performed in a temperature range of about 200 to 400°C while applying a constant tension in an oxidizing or air atmosphere, in which polyacrylonitrile-based fibers are chemically It makes a big difference. Chemical, physical and thermally stable structures are obtained even at high heat treatment temperatures, such as subsequent partial carbonization or graphitization conditions. In the oxidation stabilization reaction, cyclization, dehydrogenation, aromatization, oxidation, and crosslinking reactions occur, and through this reaction, a ladder structure of a conjugate structure having heat resistance is formed. Through this, the oxidation stabilization step prevents the fiber from melting during the high-temperature carbonization step that follows, and greatly affects the structure and physical properties of the final product.

일본 공개특허 2016-535175Japanese Patent Publication 2016-535175

본 발명의 목적은 탄소섬유의 제조 공정 내 산화안정화 단계에서 일어나는 탄소섬유용 전구체 섬유의 과다 수축과 단사에 의한 품질 저하를 최소화하기 위한 것으로서, 산화안정화 단계에서 탄소섬유용 전구체 섬유에 발생하는 수축력 데이터로부터 적절한 장력의 크기를 도출하여, 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율 등 기계적 물성이 현저하게 개선된 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to minimize the quality degradation due to excessive shrinkage and single yarn of the carbon fiber precursor fiber occurring in the oxidation stabilization step in the manufacturing process of carbon fiber, the shrinkage data generated in the precursor fiber for carbon fiber in the oxidation stabilization step It is to provide a method of manufacturing a stabilized fiber for carbon fibers, in which mechanical properties, such as tensile strength, modulus of elasticity, and elongation at break, are significantly improved by deriving an appropriate tension size from.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 탄소섬유용 전구체 섬유를 준비하는 단계; 산화안정화 공정에서 발생되는 상기 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터를 얻는 단계; 및 상기 전구체 섬유에 장력을 가하면서 산화안정화시키되, 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함하여 안정화시키는 단계;를 포함하고,According to an embodiment of the present invention for solving the above problems, the present invention comprises the steps of preparing a precursor fiber for carbon fiber; Obtaining shrinkage change data of the precursor fibers generated in the oxidation stabilization process; And stabilizing oxidation while applying tension to the precursor fiber, set at two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, the first stabilization step and the second. Stabilizing step including the stabilizing step; includes,

상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하며, 상기 장력은 상기 범위에서 선택된 값이 일정하게 가해지는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법을 제공한다. In the first stabilization step, a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the first stabilization step of the precursor fiber, and in the second stabilization step, a contraction force at the end of the second stabilization step of the precursor fiber With respect to -20% to +20% of the force is applied as a tension, the tension is a value selected from the above range is constant, provides a method for producing a stabilized fiber for carbon fiber.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 탄소섬유용 안정화 섬유를 준비하는 단계; 및 상기 안정화 섬유를 탄화시키는 단계;를 포함하는, 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a stabilized fiber for carbon fibers according to the above manufacturing method; And carbonizing the stabilizing fibers.

또한, 본 발명은 인장 강도는 0.36 내지 0.6 Gpa이고, 탄성 계수는 10 내지 20 Gpa인, 탄소섬유용 안정화 섬유를 제공한다. In addition, the present invention provides a stabilized fiber for carbon fibers, having a tensile strength of 0.36 to 0.6 Gpa and an elastic modulus of 10 to 20 Gpa.

본 발명에 따르면, 탄소섬유용 전구체 섬유를 산화안정화시키는 단계에서 적절한 크기의 장력을 가함으로써, 기계적 물성, 예컨대 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율이 모두 향상된 우수한 품질의 탄소섬유를 제조할 수 있다. According to the present invention, by applying an appropriate size of tension in the step of oxidizing and stabilizing the precursor fiber for carbon fiber, it is possible to manufacture excellent quality carbon fiber with improved mechanical properties such as tensile strength, elastic modulus, and elongation at break.

또한, 상기 장력은 산화안정화 공정에서 발생되는 탄소섬유용 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터로부터 결정하는 것이다. 탄소섬유용 전구체 섬유 번들의 수축력의 크기를 이용하여 적절한 장력의 크기를 간편하고 정량적으로 도출함으로써, 탄소섬유의 기계적 물성을 향상시키는 장력 조건을 높은 정확도로 결정할 수 있는 이점이 있다.In addition, the tension is determined from the shrinkage change data of the precursor fibers for carbon fibers generated in the oxidation stabilization process. By using the size of the shrinking force of the precursor fiber bundle for carbon fiber to derive an appropriate tension size simply and quantitatively, there is an advantage that it is possible to determine the tension condition to improve the mechanical properties of the carbon fiber with high accuracy.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유용 전구체 섬유 번들의 수축력 측정 기기를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 탄소섬유용 전구체 섬유의 온도에 따른 수축력 변화 데이터를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 3, 4 및 비교예 2에서 탄소섬유용 전구체 섬유의 온도에 따른 수축력 변화 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 탄소섬유용 안정화 섬유의 (a) 인장 강도, (b) 탄성 계수, 및 (c) 파단신율을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 3, 4 및 비교예 2에서 탄소섬유용 안정화 섬유의 (a) 인장 강도, (b) 탄성 계수, 및 (c) 파단신율을 나타낸 것이다.
1 shows a device for measuring shrinkage of a precursor fiber bundle for carbon fibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the shrinkage change data according to the temperature of the precursor fiber for carbon fibers in Examples 1, 2 and Comparative Example 1.
Figure 3 shows the shrinkage change data according to the temperature of the precursor fiber for carbon fibers in Examples 3, 4 and Comparative Example 2.
Figure 4 shows the (a) tensile strength, (b) elastic modulus, and (c) elongation at break of stabilized fibers for carbon fibers in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
Figure 5 shows the (a) tensile strength, (b) elastic modulus, and (c) elongation at break of stabilized fibers for carbon fibers in Examples 3, 4 and Comparative Example 2.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention.

본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Terms or words used in the description and claims of the present invention should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to describe his or her invention in the best way. Based on the principle of being able to do it, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.When referring to "comprising" a component in the present specification, it is meant that other components may be further included instead of excluding other components, unless otherwise specified.

탄소섬유용 전구체 섬유를 이용한 탄소섬유 제조과정에서 고온의 탄화과정을 거치기 전, 상기 전구체 섬유를 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이의 공기 분위기(산소)로 열처리를 하는 산화안정화 공정은 필수적이다. 이 과정에서 전구체 섬유는 고리화, 산화 및 탈수소화, 가교반응 등의 과정을 거치며 체를 구성하는 성분들 중 저분자 물질을 제거하고 화학적으로 큰 변화를 일으킨다. 또한, 이러한 산화안정화 공정은 불꽃에 접하여도 타지 않는 난연성, 내염성을 부여하는 단계로서 탄소섬유의 물리적, 기계적 물성에 중대한 영향을 미치는 중요한 공정이다.Before going through a high-temperature carbonization process in the carbon fiber manufacturing process using the carbon fiber precursor fiber, the precursor fiber is subjected to heat treatment with an air atmosphere (oxygen) between the temperature at which the heating starts according to the stabilization reaction and the temperature at which the exotherm indicates the maximum. This oxidation stabilization process is essential. In this process, the precursor fiber undergoes processes such as cyclization, oxidation and dehydrogenation, and cross-linking reaction, and removes low-molecular substances among the components constituting the body and causes a large chemical change. In addition, the oxidation stabilization process is an important process that significantly affects the physical and mechanical properties of the carbon fiber as a step of imparting flame retardancy and flame resistance that does not burn even when in contact with a flame.

특히, 산화안정화 단계에서는 고분자 사슬의 구조 변화로 인해 섬유의 수축이 발생한다. 인장 강도(tensile strength)와 탄성 계수(Young's modulus) 등의 기계적 물성이 우수한 탄소섬유를 얻기 위해서는, 안정화 공정 중에 장력을 가하여 일정 범위 내에서 수축과 인장을 조절하여 고분자 사슬이 배향성(orientation)을 잃는 것을 최소화해야 한다.In particular, in the oxidation stabilization step, fiber shrinkage occurs due to a change in the structure of the polymer chain. In order to obtain carbon fibers with excellent mechanical properties such as tensile strength and Young's modulus, tension is applied during the stabilization process to control shrinkage and tension within a certain range, thereby causing the polymer chain to lose orientation. Should be minimized.

이에, 본 발명자들은 산화안정화 공정에서 발생되는 탄소섬유용 전구체 섬유의 수축력을 온도에 따라 측정하였으며, 상기 수축력 변화 데이터로부터 산화안정화 단계에서 가하는 적절한 장력의 크기를 도출하였다. 즉, 산화안정화 공정에서 전구체 섬유의 수축 정도를 정량적으로 측정하여 이로부터 적합한 장력의 크기를 간편한 방법으로 결정하였으며, 상기와 같이 결정한 장력을 가하면서 탄소섬유용 전구체 섬유의 산화안정화 공정을 수행할 경우, 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율 등 기계적 물성이 모두 우수한 탄소섬유용 안정화 섬유 및 탄소섬유를 제조할 수 있음을 확인하였다.Accordingly, the present inventors measured the shrinkage force of the precursor fiber for carbon fibers generated in the oxidation stabilization process according to temperature, and derived the magnitude of the appropriate tension applied in the oxidation stabilization step from the shrinkage change data. That is, in the oxidation stabilization process, the degree of shrinkage of the precursor fiber was quantitatively measured to determine the appropriate tension size by a simple method, and when performing the oxidation stabilization process of the precursor fiber for carbon fiber while applying the determined tension as described above. , It was confirmed that it is possible to manufacture carbon fibers and stabilized fibers for carbon fibers having excellent mechanical properties such as tensile strength, modulus of elasticity, and elongation at break.

본 발명의 일 양태는 탄소섬유용 전구체 섬유를 준비하는 단계; 산화안정화 공정에서 발생되는 상기 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터를 얻는 단계; 및 상기 전구체 섬유에 장력을 가하면서 산화안정화시키되, 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함하여 안정화시키는 단계;를 포함하고,One aspect of the present invention provides a precursor fiber for carbon fiber; Obtaining shrinkage change data of the precursor fibers generated in the oxidation stabilization process; And stabilizing oxidation while applying tension to the precursor fiber, set at two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, the first stabilization step and the second. Stabilizing step including the stabilizing step; includes,

상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하며, 상기 장력은 상기 범위에서 선택된 값이 일정하게 가해지는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법을 제공한다.In the first stabilization step, a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the first stabilization step of the precursor fiber, and in the second stabilization step, a contraction force at the end of the second stabilization step of the precursor fiber With respect to -20% to +20% of the force is applied as a tension, the tension is a value selected from the above range is constant, provides a method for producing a stabilized fiber for carbon fiber.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 제조방법은 산화안정화 공정에서 발생되는 상기 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터를 얻는 단계를 포함한다. The manufacturing method of the present invention includes the step of obtaining the shrinkage change data of the precursor fiber generated in the oxidation stabilization process.

탄소섬유용 전구체 섬유를 안정화시키는 단계에서는 산화 반응이 일어나며, 고분자 사슬의 구조 변화로 인해 전구체 섬유의 수축이 발생하여 통상적으로 상당한 수축력을 야기한다. 전구체 섬유의 수축 정도는 산화안정화 공정이 수행되는 온도에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 온도가 높아질수록 탄소섬유 전구체가 급격하게 수축하여 수축력이 증가하며, 탄소섬유용 전구체 섬유 내에서 약사부분의 절사가 이루어지거나 산화열처리 장력의 불균일 현상이 발생하기도 하여 공정 안정성을 도모하기가 더욱 어려워진다. In the step of stabilizing the precursor fiber for carbon fiber, an oxidation reaction occurs, and shrinkage of the precursor fiber occurs due to a change in the structure of the polymer chain, which usually causes significant shrinkage. The degree of shrinkage of the precursor fiber may vary depending on the temperature at which the oxidation stabilization process is performed. Specifically, as the temperature increases, the carbon fiber precursor contracts rapidly to increase the shrinkage force, and cutting of the weak part occurs in the precursor fiber for carbon fiber or a non-uniformity phenomenon of the oxidative heat treatment tension may occur, thereby improving process stability. It becomes more difficult.

이에, 본 발명에서는 전구체 섬유의 온도에 따른 수축력 변화 데이터를 얻고, 온도에 따른 수축력 크기의 변화를 고려하여, 산화안정화 공정에서 가해야 하는 장력의 크기를 결정한 것이 특징이다.Accordingly, in the present invention, it is characterized in that the shrinkage force change data according to the temperature of the precursor fiber is obtained, and the size of the tension to be applied in the oxidation stabilization process is determined in consideration of the change in the size of the shrinkage force according to the temperature.

상기 전구체 섬유의 수축력은 DMA(Dynamic Mechanical Analysis), 즉 동적 기계 분석법으로 측정한 것일 수 있다.The shrinkage force of the precursor fiber may be measured by DMA (Dynamic Mechanical Analysis), that is, dynamic mechanical analysis.

DMA는 시간에 따라 하중의 변화를 주면서 온도를 조절하여 시료의 기계적인 거동을 측정하는 방법으로서, 시료 내에 발생하는 응력(stress) 및 이로 인해 나타나는 변형(deformation)을 이용하여, 상기 응력 및 변형으로부터 결정되는 시료의 기계적 물성을 측정하는 것이다. DMA is a method of measuring the mechanical behavior of a sample by controlling the temperature while changing the load over time, and using the stress generated in the sample and the resulting deformation, resulting from the stress and deformation. It is to measure the mechanical properties of the sample to be determined.

본 발명에서는 DMA를 이용하여 탄소섬유용 전구체 섬유의 수축력을 간편하면서도 정량적으로 측정하였고, 특히 DMA를 이용함으로써 단일 또는 수십 가닥의 전구체 섬유가 아니라, 3,000 내지 24,000 가닥이 뭉쳐진 전구체 섬유 번들의 수축력을 측정하였다.In the present invention, the shrinkage force of the precursor fiber for carbon fiber was measured simply and quantitatively using DMA, and in particular, by using DMA, the shrinkage force of the precursor fiber bundle in which 3,000 to 24,000 strands were aggregated was measured, rather than single or tens of strands. Did.

종래 탄소섬유의 열적 변형(온도에 따른 수축률, 수축력 등)을 측정하기 위해 사용되어온 TMA(Thermomechanical Analyzer) 장비는, 사용되는 측정부(geometry)의 크기가 작고 버틸 수 있는 힘의 한계가 낮기 때문에, 섬유가 3,000 이상 가닥으로 뭉쳐서 부피와 수축력이 큰 번들 상태에서는 열적 변형 정도를 측정하기가 불가능하고, 동일한 종류의 섬유라도 많은 양을 한꺼번에 측정할 경우, 섬유 간 간섭 같은 변수로 인해 특성이 달라질 수 있어, 측정이 제대로 수행되지 않는 문제점이 있었다. TMA (Thermomechanical Analyzer) equipment, which has been used to measure thermal deformation (shrinkage with temperature, shrinkage, etc.) of carbon fiber in the prior art, has a small size of geometry and a low limit of force that can be used, It is impossible to measure the degree of thermal deformation in a bundle state in which the fibers are bundled into 3,000 or more strands and the bulk and shrinkage force is large, and if a large amount of even the same type of fiber is measured at once, the characteristics may vary due to variables such as interference between fibers. , There was a problem that the measurement was not performed properly.

본 발명의 일 실시예에 따르면, DMA를 이용하여 탄소섬유용 전구체 섬유의 수축력을 측정함으로써, 섬유가 뭉쳐지면서 안정화될 때의 다양한 변수 값을 모두반영한 측정값을 얻을 수 있어 실제 공정 조건에 가까운 분석이 가능하고, 측정 가능한 한계가 35N이므로 섬유가 3,000 내지 24,000 가닥 뭉쳐진 번들 상태의 수축력을 측정하는 것도 가능하다. According to an embodiment of the present invention, by measuring the shrinking force of the precursor fiber for carbon fiber using DMA, it is possible to obtain measurement values reflecting all of the various variable values when the fibers are stabilized as they are aggregated, so that the analysis is close to the actual process conditions. Since this is possible and the measurable limit is 35N, it is also possible to measure the shrinkage force of the bundle in which the fibers are 3,000 to 24,000 strands.

상기 전구체 섬유는 각 섬유가 3,000 내지 24,000 가닥 뭉쳐진 번들(bundle) 상태인 것일 수 있다.The precursor fiber may be a bundle in which each fiber is 3,000 to 24,000 strands.

본 발명의 탄소섬유용 전구체 섬유는 직물 가공에서 흔히 사용되는 바와 같은 범용 전구체 섬유로서, 이는 산화안정화 및 탄화를 거쳐 탄소섬유로 제조되기 위해 전형적으로 대형 토우 크기로 제작되며, 그 결과 매우 높은 선형 밀도를 초래하는 상태로 이용된다.The precursor fiber for carbon fiber of the present invention is a general purpose precursor fiber as commonly used in textile processing, which is typically produced in large tow size to be made of carbon fiber through oxidation stabilization and carbonization, resulting in very high linear density It is used as a state to cause.

이에, 본 발명에서는 단일 또는 수십 가닥의 전구체 섬유가 아닌, 3,000 가닥 이상, 구체적으로 3,000 내지 24,000 가닥의 전구체 섬유가 뭉쳐진 번들 상태의 탄소섬유용 전구체 섬유를 사용하였으며, 특히 전술한 바와 같이, 번들 상태의 전구체 섬유를 이용하여 산화안정화 공정에서 발생되는 수축력을 측정하였다.Thus, in the present invention, a precursor fiber for carbon fibers in a bundle state in which 3,000 strands or more, and specifically 3,000 to 24,000 strands of precursor fibers are aggregated, is used instead of single or tens of strands of precursor fibers. The shrinkage force generated in the oxidation stabilization process was measured using the precursor fiber of.

탄소섬유용 전구체 섬유의 안정화 공정에서는 열이 발생하는데, 번들에 포함된 섬유 가닥이 많아질수록 발열량이 증가하며 열이 배출되는 것도 더욱 어려워진다. 이로 인해 공정 온도보다 번들 내부의 온도가 더욱 높아지게 되며, 섬유의 위치에 따른 온도 편차 또한 증가하게 된다. 이로 인해, 섬유 가닥의 개수가 증가한 만큼 수축률 또는 수축력의 크기가 일률적으로 증가한다고 판단하기는 어려우며, 실제 수축률 또는 수축력의 크기는 예측 불가능하게 된다. 따라서, 실제 공정에서의 섬유 상태를 예측하기 위해서는 공정 조건과 최대한 유사한 번들 상태로서 수축력을 측정하는 것이 요구된다.In the stabilization process of the precursor fiber for carbon fiber, heat is generated. As the number of fiber strands included in the bundle increases, the amount of heat generated increases, and it is also more difficult to dissipate heat. Due to this, the temperature inside the bundle becomes higher than the process temperature, and the temperature deviation according to the position of the fiber also increases. Due to this, it is difficult to judge that the size of the shrinkage or shrinkage force increases uniformly as the number of fiber strands increases, and the actual shrinkage or shrinkage force size is unpredictable. Therefore, in order to predict the fiber state in the actual process, it is required to measure the shrinkage force as a bundle state as close as possible to the process conditions.

즉, 본 발명에서는 단일 또는 수십 가닥 수준의 소량의 전구체 섬유의 수축력이 아닌 전구체 섬유가 3,000 내지 24,000 가닥으로 뭉쳐진 번들 상태의 수축력을 측정함으로써, 실제 탄소섬유의 대량 생산에 맞추어 유사한 조건의 수축력 변화 데이터를 얻었으며, 산화안정화 공정에 적합하게 적용될 수 있는 장력을 보다 높은 신뢰도로 도출하여, 목적하는 물성을 보유하는 탄소섬유의 제조를 가능하게 하였다.That is, in the present invention, by measuring the shrinkage force of the bundle state in which the precursor fibers are aggregated into 3,000 to 24,000 strands, not the shrinkage force of a small amount of precursor fibers in a single or tens of strands, the shrinkage force change data under similar conditions is matched to the mass production of actual carbon fibers. Was obtained, and the tension that can be suitably applied to the oxidation stabilization process was derived with higher reliability, thereby making it possible to manufacture carbon fibers having desired properties.

본 발명의 제조방법은 전구체 섬유에 장력을 가하면서 산화안정화시키되, 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함하여 안정화시키는 단계를 포함한다. The manufacturing method of the present invention stabilizes the oxidation while applying tension to the precursor fiber, and is set at two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, the first stabilization Stabilizing, including a step and a second stabilization step.

본 발명에서, 각 온도에 따라 산화안정화 공정에서 발생되는 전구체 섬유의 수축력 변화 양상이 달라진다는 점에서, 산화안정화 단계의 구간별 온도 설정은 적절한 장력 조건을 결정하기 위해 중요한 요소이다. In the present invention, the temperature setting for each section of the oxidation stabilization step is an important factor in determining an appropriate tension condition in that the pattern of shrinkage change of the precursor fiber generated in the oxidation stabilization process varies with each temperature.

산화안정화 공정에서 전구체 섬유는 고리화 및 가교 반응으로 인해 각각의 산화 구역에서 그 구조가 변경된다. 전구체 섬유에서 중합체의 실제 용융 온도는 공정 조건 및 조성물의 열 이력(thermal history)에 따라 달라지지만, 일반적으로 융합 온도는 산화에서의 각각의 통과(pass) 이후에 보다 높으며, 상기 섬유의 밀도는 증가한다. 보다 높은 산화 속도를 구현하기 위해, 후속적인 산화 구역에서의 온도는 점진적으로 증가한다. 높지 않은 온도에서 오랜 시간 안정화 공정을 진행하면 섬유가 열에 의한 손상을 입을 일이 줄어들지만, 그만큼 공정 시간이 오래 걸리기 때문에 시간을 단축하기 위해서는 공정 온도를 높게 가져가야 한다. 그러나, 시간을 줄이기 위해 과도하게 온도가 높아질 경우 안정화 공정 도중에 용융, 연소 등에 의한 섬유 물성 저하가 일어날 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조방법에서는 산화안정화 단계를 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 온도로 설정되는 단계들로 구분하였으며, 구체적으로, 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함한다. 구체적으로, 산화안정화 단계는 200 내지 300 ℃ 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함할 수 있다. In the oxidation stabilization process, the precursor fibers change their structure in each oxidation zone due to cyclization and crosslinking reactions. The actual melting temperature of the polymer in the precursor fiber depends on the process conditions and the thermal history of the composition, but generally the fusion temperature is higher after each pass in oxidation, and the density of the fiber increases do. In order to achieve a higher oxidation rate, the temperature in the subsequent oxidation zone gradually increases. If the stabilization process is performed for a long time at a non-high temperature, the damage to the fiber is reduced, but the process takes a long time, so it is necessary to bring the process temperature high to shorten the time. However, if the temperature is excessively high in order to reduce time, deterioration of fiber properties due to melting, combustion, etc. may occur during the stabilization process. Accordingly, in the manufacturing method of the present invention, the oxidation stabilization step is divided into steps that are set to different temperatures between the temperature at which exotherm starts and the temperature at which exotherm indicates maximum, according to the stabilization reaction of the precursor fiber, and specifically, It includes a first stabilization step and a second stabilization step set at two temperatures. Specifically, the oxidation stabilization step may include a first stabilization step and a second stabilization step, which are set at two different temperatures from 200 to 300°C.

상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도로부터 45℃ 이내의 온도로 설정될 수 있고, 상기 제2 안정화 단계는, 상기 제1 안정화 단계에서 설정된 온도를 기준으로 5 내지 45℃ 높게 설정될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The first stabilization step may be set to a temperature within 45° C. from the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber, and the second stabilization step is based on the temperature set in the first stabilization step. It may be set to 45° C., but is not limited thereto.

또한, 본 발명의 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법에서, 상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제1a 안정화 단계 및 제1b 안정화 단계를 포함하고, 상기 제2 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계를 포함할 수 있다. In addition, in the method for manufacturing a stabilizing fiber for carbon fibers of the present invention, the first stabilization step is set to two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum. A first stabilization step and a first stabilization step, wherein the second stabilization step is set to two different temperatures between two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum. Stabilization step and 2b stabilization step.

상기 제1a 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도로부터 45℃ 이내의 온도로 설정되고, 상기 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는, 상기 제1a 안정화 단계에서 설정된 온도를 기준으로 순차적으로 5 내지 45℃ 높게 설정되는 것일 수 있다. The stabilizing step 1a is set to a temperature within 45° C. from the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber, and the stabilizing step 1b, stabilizing 2a, and stabilizing 2b are stabilizing the firsta. It may be set to 5 to 45 ℃ higher sequentially based on the temperature set in the step.

보다 구체적으로, 상기 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는, 제1a 안정화 단계의 온도를 기준으로 순차적으로 5 내지 20℃, 구체적으로 10 내지 20℃ 높은 온도일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. More specifically, the 1b stabilization step, the 2a stabilization step and the 2b stabilization step may be sequentially 5 to 20°C, specifically 10 to 20°C, at a high temperature based on the temperature of the 1a stabilization step, but It is not limited.

예컨대, 제1a 안정화 단계는 200 내지 230℃, 제1b 안정화 단계는 215 내지 245℃, 제2a 안정화 단계는 230 내지 260℃, 제2b 안정화 단계는 245 내지 275℃이며 이들은 제1a 안정화 단계를 기준으로 순차적으로 온도가 높아지는 것일 수 있다.For example, the first stabilization step is 200 to 230°C, the first stabilization step is 215 to 245°C, the second stabilization step is 230 to 260°C, and the second stabilization step is 245 to 275°C, and these are based on the first stabilization step. The temperature may be increased sequentially.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1a 안정화 단계는 215℃, 제1b 안정화 단계는 230℃, 제2a 안정화 단계는 245℃, 제2b 안정화 단계는 260℃일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the 1a stabilization step may be 215°C, the 1b stabilization step may be 230°C, the 2a stabilization step may be 245°C, and the 2b stabilization step may be 260°C.

상기 각 단계의 온도는 탄소섬유가 각 단계에서 도달해야할 것으로 예상되는 안정화 정도(aroma index: AI)와 밀도를 고려하여, 해당 안정화 정도 및 밀도를 만족시킬 수 있는 온도로 설정된다. 상기 안정화 단계의 온도는 탄소섬유의 중합 처방, 이전 단계의 공정 조건, 장비 등에 따라, 통상의 기술자가 적절한 온도를 설정할 수 있다. The temperature of each step is set to a temperature capable of satisfying the stabilization degree and density in consideration of the degree of stabilization (aroma index: AI) and density that the carbon fiber is expected to reach at each stage. The temperature of the stabilization step can be set by a person skilled in the art according to the polymerization prescription of carbon fiber, process conditions of the previous step, equipment, and the like.

본 발명에서, 상기 제1a 안정화 단계, 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 온도로 설정된 각 단계를 구분하는 의미로 사용하는 것으로서, 반드시 4개의 구간으로 구분하는 의미로 제한되는 것이 아니다. 예컨대, 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 상기 단계들과 상이한 온도로 산화안정화시키는 단계라면, 제3 안정화 단계, 제4 안정화 단계 등을 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 각 안정화 단계는 제1a 안정화 단계에서 설정된 온도를 기준으로 순차적으로 온도가 높게 설정될 수 있다.In the present invention, the 1a stabilization step, the 1b stabilization step, the 2a stabilization step and the 2b stabilization step are different from each other between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum. It is used as a meaning to distinguish each set step, and is not necessarily limited to a meaning to be divided into four sections. For example, if the step of oxidizing and stabilizing to a temperature different from the above steps between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, a third stabilization step, a fourth stabilization step, etc. are additionally included. can do. In this case, each stabilization step may be sequentially set to a high temperature based on the temperature set in the 1a stabilization step.

본 발명의 제조방법에서, 전구체 섬유를 산화안정화시키는 단계가 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함할 경우, 상기 제1 안정화 단계에서는 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가할 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, when the step of oxidizing and stabilizing the precursor fiber includes a first stabilization step and a second stabilization step, the first stabilization step is -20% relative to the shrinkage force at the end of the first stabilization step of the precursor fiber A force of ~20% is applied as a tension, and in the second stabilization step, a force of -20% to +20% can be applied as a tension at the end of the second stabilization step of the precursor fiber.

또한, 상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가할 수 있다. In addition, in the first stabilization step, a force of -15% to +15% is applied to the contraction force at the end of the first stabilization step of the precursor fiber as a tension, and in the second stabilization step, the end of the second stabilization step of the precursor fiber A force of -15% to +15% with respect to the shrinkage force of can be applied as a tension.

또한, 본 발명의 제조방법에서, 상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제1a 안정화 단계 및 제1b 안정화 단계를 포함하고, 상기 제2 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계를 포함할 경우, In addition, in the manufacturing method of the present invention, the first stabilization step is a first stabilization step and a first stabilization step set to two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum. 1b stabilization step, wherein the second stabilization step is a 2a stabilization step and a 2b stabilization set to two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum. If you include steps,

상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가할 수 있다. In the first stabilization step, a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the 1b stabilization step of the precursor fiber as a tension, and in the second stabilization step, a shrinkage force at the end of the 2b stabilization step of the precursor fiber For -20% to +20% of the force can be applied as a tension.

또한, 상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하고, 상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가할 수 있다. In addition, in the first stabilization step, a force of -15% to +15% is applied to the shrinking force at the end of the 1b stabilization step of the precursor fiber, and in the second stabilization step, the end of the 2b stabilization step of the precursor fiber A force of -15% to +15% with respect to the shrinkage force of can be applied as a tension.

상기와 같이 결정된 크기의 장력은, 해당하는 안정화 단계에서 계속해서 적용될 수 있다. 예컨대, 제1 안정화 단계의 장력으로 특정 값이 결정될 경우, 해당 크기의 장력은 제1 안정화 단계의 초기부터 말기까지 중단이나 변경 없이 일정하게 가해질 수 있다. The tension of the size determined as described above can be continuously applied in the corresponding stabilization step. For example, when a specific value is determined by the tension of the first stabilization step, the tension of the corresponding size may be constantly applied without interruption or change from the beginning to the end of the first stabilization step.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 산화안정화 단계에서 특정 시점의 전구체 섬유의 수축력을 기준으로, 산화안정화 공정에서 적용시킬 장력의 크기를 결정하였다. As described above, in the present invention, the size of the tension to be applied in the oxidation stabilization process was determined based on the shrinkage of the precursor fiber at a specific point in the oxidation stabilization step.

탄소섬유용 전구체 섬유의 산화안정화 공정에서는 필연적으로 수축력이 발생하게 되는데, 인장 강도(tensile strength)와 탄성 계수(Young's modulus) 등의 기계적 물성이 우수한 탄소섬유를 얻기 위해서는, 산화안정화 공정 중에 적절한 장력을 가하여 수축과 인장을 일정 범위 내로 조절함으로써 고분자 사슬이 배향성(orientation)을 잃는 것을 최소화해야 한다.In the oxidation stabilization process of the precursor fiber for carbon fibers, inevitably shrinkage occurs. In order to obtain carbon fibers having excellent mechanical properties such as tensile strength and Young's modulus, appropriate tension is applied during the oxidation stabilization process. In addition, it is necessary to minimize the loss of orientation of the polymer chain by controlling shrinkage and tension within a certain range.

이에, 본 발명에서는 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터로부터 안정화 단계 말기의 수축력과 유사한 크기의 장력을 가함으로써, 고분자 사슬 변형을 최소화하고 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율 등 기계적 물성이 향상된 탄소섬유를 제조하기 위한 적절한 장력의 크기를 도출한 것이다.Accordingly, in the present invention, by applying a tensile force similar to the shrinking force at the end of the stabilization step from the shrinking force change data of the precursor fiber, the polymer chain is minimized and the mechanical properties such as tensile strength, modulus of elasticity, elongation at break are improved. It is to derive the appropriate tension size.

본 발명에서, 장력의 크기가 상기와 같이 수축력으로부터 결정한 범위를 벗어날 경우, 예컨대 특정 시점의 전구체 섬유의 수축력의 -20% 미만일 경우, 전구체 섬유의 수축이 발생하여 고분자 사슬이 배향성을 잃게 되고, 최종적으로 제조된 탄소섬유의 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율 등 기계적 물성이 저하될 수 있다. In the present invention, when the size of the tension is outside the range determined from the shrinkage force as described above, for example, when it is less than -20% of the shrinkage force of the precursor fiber at a specific time point, the shrinkage of the precursor fiber occurs and the polymer chain loses orientation, and finally Mechanical properties, such as tensile strength, modulus of elasticity, and elongation at break, of the carbon fiber prepared as may be deteriorated.

또한 장력의 크기가 전구체 섬유의 수축력의 +20% 초과일 경우, 산화안정화 단계에서 전구체 섬유의 인장이 발생하게 되며, 목적하는 우수한 기계적 물성을 보유하는 탄소섬유를 제조하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 전구체 섬유의 인장을 넘어서 단사가 일어날 수 있고, 안정화 단계 중에는 전구체 섬유 내부의 원자들이 고리화하기 위해 이동하는데, 과한 장력을 가할 경우 오히려 내부 원자의 이동을 방해하여 안정화가 충분히 일어나지 않을 수 있으며, 섬유의 과도한 인장으로 인해, 최종적으로 제조되는 탄화 섬유의 탄성이 저하되어(brittle) 탄소섬유의 신율이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.In addition, when the size of the tension is more than +20% of the shrinkage force of the precursor fiber, tension of the precursor fiber occurs in the oxidation stabilization step, and a problem in that carbon fiber having desired mechanical properties may not be produced. In addition, a single yarn may occur beyond the tension of the precursor fiber, and during the stabilization step, atoms inside the precursor fiber move to cyclize, and if excessive tension is applied, the movement of the inner atom may be hindered to stabilize sufficiently. , Due to excessive tension of the fibers, elasticity of the finally produced carbonized fiber may be reduced (brittle), resulting in a decrease in elongation of the carbon fiber.

또한, 본 발명에서는 특정 시점의 전구체 섬유의 수축력을 기준으로 장력의 크기를 결정하였을 뿐만 아니라, 온도 변화에 따라 전구체 섬유의 수축력 또한 변화하는 것을 고려하여, 산화안정화 단계 도중 장력의 크기를 변경시킨다. In addition, in the present invention, not only the size of the tension was determined based on the shrinking force of the precursor fiber at a specific time point, but also considering that the shrinking force of the precursor fiber also changes according to the temperature change, the magnitude of the tension is changed during the oxidation stabilization step.

구체적으로, 전구체 섬유를 산화안정화시키는 단계가 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함할 경우, 제1 안정화 단계에서는 제1 안정화 단계 말기의 수축력의 -20% 내지 +20%의 힘을 일정하게 장력으로 가하고, 제1 안정화 단계가 종료되고 제2 안정화 단계가 시작되는 시점에 장력 값을 변경하여, 제2 안정화 단계에서는 제2 안정화 단계 말기의 수축력의 -20% 내지 +20%의 힘을 일정하게 장력으로 가하였다. Specifically, when the step of oxidizing and stabilizing the precursor fiber includes a first stabilization step and a second stabilization step, in the first stabilization step, a force of -20% to +20% of the contraction force at the end of the first stabilization step is constant. By applying the tension and changing the tension value at the time when the first stabilization step ends and the second stabilization step starts, a force of -20% to +20% of the contractile force at the end of the second stabilization step is constant in the second stabilization step. It was applied with tension.

또한, 상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제1a 안정화 단계 및 제1b 안정화 단계를 포함하고, 상기 제2 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계를 포함할 경우, 제1 안정화 단계에서는 제1b 안정화 단계 말기의 수축력의 -20% 내지 +20%의 힘을 일정하게 장력으로 가하고, 제1 안정화 단계가 종료되고 제2 안정화 단계가 시작되는 시점에 장력 값을 변경하여, 제2 안정화 단계에서는 제2b 안정화 단계 말기의 수축력의 -20% 내지 +20%의 힘을 일정하게 장력으로 가하였다. In addition, the first stabilization step includes a first stabilization step and a first stabilization step set at two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, When the second stabilization step includes a 2a stabilization step and a 2b stabilization step set at two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates maximum, the second stabilization step is performed. In the first stabilization step, a force of -20% to +20% of the contraction force at the end of the first stabilization step is constantly applied as a tension, and the tension value is changed at the time when the first stabilization step ends and the second stabilization step starts, In the second stabilization step, a force of -20% to +20% of the contractile force at the end of the 2b stabilization step was constantly applied as a tension.

산화안정화 공정 전체에 걸쳐 일정한 값을 장력으로 가할 경우, 온도 변화에 따른 수축력의 변화와 그에 따른 섬유의 수축 및 인장 조절을 올바르게 수행할 수 없게 되어, 최종적으로 제조되는 탄소섬유의 기계적 물성을 저하시키게 될 수 있다. When a constant value is applied as a tension throughout the oxidation stabilization process, it is impossible to properly perform the change of the contraction force according to the temperature change and the shrinkage and tensile control of the fiber, thereby deteriorating the mechanical properties of the finally produced carbon fiber. Can be.

본 발명에서, 탄소섬유용 전구체 섬유의 종류가 달라질 경우, 본 발명의 제조방법에 따라 결정한 장력의 크기는 상이할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 12K의 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하여 산화안정화 단계를 수행하였을 때, 215℃인 제1a 안정화 단계 및 230℃인 제1b 안정화 단계에서의 장력의 크기는 제1b 안정화 단계의 최종 시점의 수축력인 8N로 설정하였으며, 245℃인 제2a 안정화 단계 및 260℃인 제2b 안정화 단계에서의 장력의 크기는 제2b 안정화 단계의 최종 시점의 수축력인 21N로 설정하였다. 이는 본 발명의 일 예시에 불과한 것이며, 탄소섬유용 전구체 섬유의 구체적인 종류, 제조 조건, 산화안정화 단계의 온도, 측정 환경 등에 따라 달라질 수 있다.In the present invention, when the type of the precursor fiber for carbon fiber is different, the size of the tension determined according to the manufacturing method of the present invention may be different. For example, according to an embodiment of the present invention, when the oxidation stabilization step was performed using 12K polyacrylonitrile fibers, the magnitude of the tension in the 1a stabilization step at 215°C and the 1b stabilization step at 230°C. Is set to 8N, which is the contraction force at the end of the 1b stabilization step, and the magnitude of the tension at the 2a stabilization step at 245°C and the 2b stabilization step at 260°C is set to 21N, which is the contraction force at the end of the 2b stabilization step. Did. This is only an example of the present invention, and may vary depending on specific types of carbon fiber precursor fibers, manufacturing conditions, oxidation stabilization step temperature, measurement environment, and the like.

본 발명의 제조방법에서, 상기 탄소섬유용 전구체 섬유를 안정화시키는 단계는 40분 내지 80분 동안 수행될 수 있고, 구체적으로 60분 동안 수행될 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, the step of stabilizing the precursor fiber for carbon fiber may be performed for 40 minutes to 80 minutes, and specifically, for 60 minutes.

상기 탄소섬유용 전구체 섬유를 안정화시키는 단계가 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함할 경우, 이들은 각각 독립적으로 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다. When the step of stabilizing the precursor fiber for carbon fiber includes a first stabilization step and a second stabilization step, they may be independently performed for 20 minutes to 40 minutes.

상기 탄소섬유용 전구체 섬유를 안정화시키는 단계가 제1a 안정화 단계, 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계를 포함할 경우, 이들은 각각 독립적으로 10분 내지 20분 동안 수행될 수 있고, 구체적으로 15분 동안 수행될 수 있다. When the step of stabilizing the precursor fiber for carbon fiber includes a 1a stabilization step, a 1b stabilization step, a 2a stabilization step and a 2b stabilization step, they may be independently performed for 10 minutes to 20 minutes, Specifically, it may be performed for 15 minutes.

예컨대, 상기 탄소섬유용 전구체 섬유를 안정화시키는 단계가 60분에 걸쳐 수행될 경우, 제1a 안정화 단계, 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는 각각 독립적으로 15분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. For example, when the step of stabilizing the precursor fiber for carbon fiber is performed over 60 minutes, the 1a stabilization step, the 1b stabilization step, the 2a stabilization step, and the 2b stabilization step can be independently performed for 15 minutes. However, it is not limited thereto.

본 발명의 제조방법에서, 상기 안정화 단계의 각 시간이 상기 범위를 벗어날 경우, 특정 시점의 수축력의 크기로부터 도출한 장력의 크기가 적절한 범위를 벗어나게 되어 본 발명의 이점이 나타나지 않을 수 있고, 그 결과 탄소섬유의 기계적 물성 개선 효과가 미미할 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, when each time of the stabilization step is out of the above range, the size of the tension derived from the size of the contraction force at a specific time may be out of the appropriate range, and the advantages of the present invention may not be exhibited. The effect of improving the mechanical properties of carbon fiber may be negligible.

상기 제1a 안정화 단계, 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계 등 각 구간에 소요되는 시간은 반드시 동일할 필요는 없으며, 탄소섬유용 전구체 섬유의 종류나 안정화 장비 등에 따라 안정화 단계의 온도 및 시간을 적절히 설정한 후, 그에 해당하는 조건에서 DMA로 수축력을 측정하고 장력 조건을 선정함으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. The time required for each section, such as the 1a stabilization step, the 1b stabilization step, the 2a stabilization step, and the 2b stabilization step, does not necessarily have to be the same, and the stabilization step depends on the type of carbon fiber precursor fiber or stabilization equipment. After appropriately setting the temperature and time, the effect of the present invention can be obtained by measuring the shrinkage force with DMA and selecting the tension condition under the corresponding conditions.

본 발명에서, 상기 전구체 섬유를 산화안정화시키는 단계는 배치 타입 오븐 내에서 수행되거나, 각각 다른 온도로 설정된 복수의 오븐을 상기 전구체 섬유가 연속적으로 통과하면서 수행되는 것일 수 있다. 이외에도, 탄소섬유용 전구체 섬유를 산화안정화시키는 데에 통상적으로 사용되는 방법이라면 제한되지 않고 본 발명에 이용할 수 있다. In the present invention, the step of oxidizing and stabilizing the precursor fiber may be performed in a batch type oven, or may be performed while the precursor fibers continuously pass through a plurality of ovens set at different temperatures. In addition, any method commonly used to oxidize and stabilize the precursor fiber for carbon fiber is not limited and can be used in the present invention.

본 발명에서, 탄소섬유용 전구체 섬유는 탄화 단계를 통해 탄소섬유로 제조될 수 있는 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 구체적으로, 상기 탄소섬유용 전구체 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile)계 섬유, 피치(pitch)계 섬유, 레이온(rayon)계 섬유, 리그닌(lignin)계 섬유, 셀룰로오스계 섬유 및 폴리에틸렌(polyethylene)계 섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, there is no particular limitation on the type of the precursor fiber for carbon fiber as long as it can be made of carbon fiber through a carbonization step. Specifically, the precursor fiber for carbon fiber is polyacrylonitrile (PAN)-based fiber, pitch-based fiber, rayon-based fiber, lignin-based fiber, cellulose-based fiber, and polyethylene (polyethylene) ) May be one or more selected from the group consisting of fibers, but is not limited thereto.

본 발명의 목적상, 상기 탄소섬유용 전구체 섬유는 폴리아크릴로니트릴계 섬유일 수 있다. 폴리아크릴로니트릴계 섬유는 아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 중합체를 의미하는 것으로서, 다른 섬유 대비 공정 변화를 통한 다양한 성능의 섬유를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. For the purposes of the present invention, the precursor fiber for carbon fiber may be polyacrylonitrile-based fiber. The polyacrylonitrile-based fiber refers to a polymer containing acrylonitrile as a main component, and has the advantage of being able to produce fibers of various performances through process changes compared to other fibers.

본 발명에서 탄소섬유용 전구체 섬유, 특히 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 준비하기 위한 방법 및 입수 경로에는 어떠한 제한이 없으며, 당해 기술분야에서 통용되는 제조방법을 이용하거나, 상업적으로 시판되는 섬유를 자유롭게 구입하여 사용할 수 있다.In the present invention, the method for preparing the precursor fiber for carbon fiber, in particular, the polyacrylonitrile-based fiber, and the acquisition route are not limited, and the manufacturing method commonly used in the art is used, or the commercially available fiber is freely purchased. Can be used.

본 발명의 다른 양태는 상기 방법에 따라 탄소섬유용 안정화 섬유를 준비하는 단계; 및 상기 안정화 섬유를 탄화시키는 단계;를 포함하는, 탄소섬유의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention comprises the steps of preparing a stabilized fiber for carbon fibers according to the method; And carbonizing the stabilizing fibers.

탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법에 대한 설명은 전술한 바와 같다.Description of the method for manufacturing a stabilized fiber for carbon fiber is as described above.

상기 탄화시키는 단계는 탄소섬유를 제조하는 데에 있어서 적용되는 일반적인 탄화 공정이 적용될 수 있고, 산화안정화된 탄소섬유용 전구체 섬유를 열에너지 또는 마이크로파를 이용하여 탄화시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The carbonization step may be a general carbonization process applied in manufacturing carbon fibers, and may be carbonization of the precursor fiber for oxidation-stabilized carbon fibers using thermal energy or microwaves, but is not limited thereto.

상기 탄화시키는 단계는 일반적으로 불활성 분위기에서 수행될 수 있고, 상기 불활성 분위기를 조성하는 물질은 예컨대 질소, 아르곤 또는 크세논 등의 기체가 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 탄화 단계에서의 탄화 온도는 약 1,000℃ 이상, 구체적으로 1,200℃ 이상일 수 있고, 상한으로는 2,000℃ 이하, 구체적으로 1800℃ 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The carbonization step may be generally performed in an inert atmosphere, and a material for forming the inert atmosphere may be gas, such as nitrogen, argon or xenon, but is not limited thereto. In addition, the carbonization temperature in the carbonization step may be about 1,000 °C or higher, specifically 1,200 °C or higher, and an upper limit of 2,000 °C or lower, specifically 1800 °C or lower, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 양태는 인장 강도(tensile strength)는 0.36 내지 0.6 Gpa이고, 탄성 계수(Young's modulus)는 10 내지 20 Gpa인, 탄소섬유용 안정화 섬유를 제공한다. Another aspect of the present invention provides a stabilized fiber for carbon fibers having a tensile strength of 0.36 to 0.6 Gpa and a Young's modulus of 10 to 20 Gpa.

상기 인장 강도는 0.36 내지 0.6 Gpa, 바람직하게는 0.38 내지 0.6 Gpa, 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.5 Gpa일 수 있다. The tensile strength may be 0.36 to 0.6 Gpa, preferably 0.38 to 0.6 Gpa, more preferably 0.4 to 0.5 Gpa.

상기 탄성 계수는 10 내지 20 Gpa, 바람직하게는 11 내지 15 Gpa, 보다 바람직하게는 12 내지 14 Gpa일 수 있다. 상기 탄소섬유용 안정화 섬유는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다.The modulus of elasticity may be 10 to 20 Gpa, preferably 11 to 15 Gpa, and more preferably 12 to 14 Gpa. The stabilized fiber for carbon fiber may be manufactured according to the manufacturing method of the present invention.

본 발명에 따른 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법을 적용하는 경우, 이로부터 제조된 탄소섬유용 안정화 섬유는 기계적 물성이 향상된 것일 수 있고, 특히 인장 강도 및 탄성 계수가 향상될 뿐만 아니라, 파단신율 또한 동시에 개선된 것일 수 있다. When applying the method for manufacturing a stabilized fiber for carbon fibers according to the present invention, the stabilized fiber for carbon fibers prepared therefrom may have improved mechanical properties, in particular not only improved tensile strength and elastic modulus, but also elongation at break At the same time, it may be an improvement.

또한, 이로부터 제조된 탄소섬유 역시, 우수한 기계적 물성을 보유하는 것일 수 있다.In addition, the carbon fiber prepared therefrom may also have excellent mechanical properties.

실시예Example

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<산화안정화 단계에서 온도에 따른 수축력 측정><Measurement of shrinkage force according to temperature in oxidation stabilization step>

12K 폴리아크릴로니트릴계 섬유, 3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 원료로 사용하여 산화안정화 공정을 진행하면서, 온도에 따른 수축력을 측정하였다. Using the 12K polyacrylonitrile-based fiber and 3K polyacrylonitrile-based fiber as a raw material, while performing an oxidation stabilization process, shrinkage force according to temperature was measured.

도 1에 나타낸 바와 같이, 텐션 클램프(tension clamp)를 DMA에 부착하고, 양 쪽 끝에 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 끼운 후, 양쪽에서 각각 나사 2개를 조여서 섬유를 필름 형태와 같이 펼쳐진 상태로 고정하였다. 고정부 바깥 부분의 섬유를 매듭지어 고정부에 걸리도록 하여 미끄러짐을 방지하였다. 섬유의 측정부는 20 내지 40mm의 길이로 하고, 하부 클램프는 고정한 채로 상부 클램프만 주어진 장력을 가하여 섬유를 잡아당겼다. 구체적으로, 산화안정화 단계 중 전구체 섬유의 길이를 일정하게 유지할 때(연신율 0%)의 온도에 따른 수축력을 측정하였다. 산화안정화 단계에서의 온도 조건은 다음과 같이, 제1a 안정화 단계는 215℃, 제1b 안정화 단계는 230℃, 제2a 안정화 단계는 245℃, 제2b 안정화 단계는 260℃로 설정하였다. As shown in Fig. 1, a tension clamp is attached to the DMA, the polyacrylonitrile-based fibers are fitted at both ends, and two screws are tightened on each side to fix the fibers in an unfolded state as in the form of a film. Did. The fibers in the outer part of the fixing part were knotted to catch the fixing part to prevent slipping. The measuring section of the fiber was set to a length of 20 to 40 mm, while the lower clamp was fixed, and only the upper clamp was applied to the tension to pull the fiber. Specifically, during the oxidation stabilization step, the shrinkage force according to the temperature when the length of the precursor fiber was kept constant (elongation at 0%) was measured. The temperature conditions in the oxidation stabilization step were set as follows: the 1a stabilization step was 215°C, the 1b stabilization step was 230°C, the 2a stabilization step was 245°C, and the 2b stabilization step was 260°C.

상온에서 제1a 안정화 단계의 온도까지의 승온 시간은 약 3분이 소요되었으며, 각 단계 사이 승온 과정은 승온 속도 50℃/min로 수행하여, 전체 안정화 단계의 시간은 60분이었다. 상기 과정을 통해, 12K 및 3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유의 온도에 따른 수축력 측정 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다. The heating time from room temperature to the temperature of the stabilization step 1a took about 3 minutes, and the heating process between each step was performed at a heating rate of 50° C./min, and the time for the entire stabilization step was 60 minutes. Through the above process, the results of measuring the shrinkage force according to the temperature of the 12K and 3K polyacrylonitrile fibers are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

도 2에 나타낸 바와 같이, 12K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하였을 때, 제1b 안정화 단계 말기의 수축력은 8N이었고, 제2b 안정화 단계 말기의 수축력은 21N인 것을 확인하였다. 또한, 3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유에서는, 제1b 안정화 단계 말기의 수축력이 6.8N이었고, 제2b 안정화 단계 말기의 수축력은 8.6N인 것을 확인하였다. As shown in FIG. 2, when 12K polyacrylonitrile-based fibers were used, it was confirmed that the contraction force at the end of the 1b stabilization step was 8N, and the contraction force at the end of the 2b stabilization step was 21N. In addition, in the 3K polyacrylonitrile-based fiber, it was confirmed that the contraction force at the end of the 1b stabilization step was 6.8N, and the contraction force at the end of the 2b stabilization step was 8.6N.

<폴리아크릴로니트릴계 섬유의 산화안정화><Oxidation stabilization of polyacrylonitrile-based fibers>

실시예 1Example 1

상기에서 수축력 측정을 위해 산화안정화 단계를 수행한 것과 동일한 방법으로, 12K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 이용하여 산화안정화 공정을 수행하였다. 제1 안정화 단계에서의 장력은 제1b 안정화 단계가 종료되는 시점의 수축력인 8N으로 설정하였고, 제2 안정화 단계에서의 장력은 제2b 안정화 단계가 종료되는 시점의 수축력인 21N으로 설정하였다. In the same way as the oxidation stabilization step was performed to measure the shrinkage force, the oxidation stabilization process was performed using 12K polyacrylonitrile-based fibers. The tension in the first stabilization step was set to 8N, which is the contraction force at the end of the first stabilization step, and the tension in the second stabilization step was set to 21N, the contraction force at the end of the 2b stabilization step.

실시예 2Example 2

제1 안정화 단계에서의 장력을 10N으로, 제2 안정화 단계에서의 장력을 24N으로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실험하였다. The experiment was conducted in the same manner as in Example 1, except that the tension in the first stabilization step was set to 10N, and the tension in the second stabilization step was set to 24N.

실시예 3Example 3

3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하고, 제1 안정화 단계에서의 장력을 5.5N으로, 제2 안정화 단계에서의 장력을 7N으로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실험하였다.Experiments were conducted in the same manner as in Example 1, except that 3K polyacrylonitrile-based fibers were used, and the tension in the first stabilization step was set to 5.5N, and the tension in the second stabilization step was set to 7N.

실시예 4 Example 4

3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하고, 제1 안정화 단계에서의 장력을 7.5N으로, 제2 안정화 단계에서의 장력을 9.5N으로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실험하였다.Experiments were conducted in the same manner as in Example 1, except that 3K polyacrylonitrile-based fibers were used, and the tension in the first stabilization step was set to 7.5N, and the tension in the second stabilization step was set to 9.5N.

비교예 1Comparative Example 1

12K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하고, 제1 및 제2 안정화 단계의 장력을 8N으로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실험하였다. Experiments were carried out in the same manner as in Example 1, except that 12K polyacrylonitrile-based fibers were used, and the tension of the first and second stabilization steps was set to 8N.

비교예 2Comparative Example 2

3K 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 사용하고, 제1 및 제2 안정화 단계의 장력을 2N으로 설정한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 실험하였다. Experiments were performed in the same manner as in Example 1, except that 3K polyacrylonitrile-based fibers were used, and the tension of the first and second stabilization steps was set to 2N.

번들Bundle 제1 안정화 단계 장력First stabilization stage tension 제2 안정화 단계 장력Tension in the second stabilization phase 실시예 1Example 1 12K12K 8N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 0%)8N (0% of the contractile force at the end of the 1b stabilization phase) 21N (제2b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 0%)21N (0% of the contractile force at the end of the 2b stabilization phase) 실시예 2Example 2 12K12K 10N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 +12.5%)10N (+12.5% of the contractile force at the end of the 1b stabilization phase) 24N (제2b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 +15%)24N (+15% of the contractile force at the end of the 2b stabilization phase) 실시예 3Example 3 3K3K 5.5N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 -19%)5.5N (about -19% of the contractile force at the end of the 1b stabilization phase) 7N (제2b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 -18%)7N (about -18% of the contractile force at the end of the 2b stabilization phase) 실시예 4Example 4 3K3K 7.5N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 +10%)7.5N (+10% of the contractile force at the end of the 1b stabilization phase) 9.5N (제2b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 약 +10%)9.5N (+10% of the contractile force at the end of the 2b stabilization phase) 비교예 1Comparative Example 1 12K12K 8N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 0%)8N (0% of the contractile force at the end of the 1b stabilization phase) 비교예 2Comparative Example 2 3K3K 2N (제1b 안정화 단계 말기의 수축력 대비 -71%)2N (-71% of shrinkage at the end of the 1b stabilization phase)

<안정화 섬유의 기계적 물성 측정><Measurement of mechanical properties of stabilized fibers>

상기와 같이 제조한 안정화 섬유를 대상으로, 단섬유 물성 측정기(single fiber tester, Textecho사의 Favimat)를 이용하여 섬유 한 가닥의 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율을 각각 25가닥에 대하여 측정하였으며, 평균 및 표준편차를 산출하여 하기 표 2에 나타내었다.For the stabilized fibers prepared as described above, the tensile strength, modulus of elasticity, and elongation at break of one strand of fibers were measured for 25 strands using a single fiber tester (Favimat from Textecho). Table 2 below shows the standard deviation.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 평균Average 표준편차Standard Deviation 평균Average 표준편차Standard Deviation 평균Average 표준편차Standard Deviation 평균Average 표준편차Standard Deviation 인장 강도(Gpa)Tensile strength (Gpa) 0.390.39 0.0290.029 0.400.40 0.0550.055 0.380.38 0.0160.016 0.410.41 0.0110.011 탄성 계수(Gpa)Elastic modulus (Gpa) 10.3810.38 0.2470.247 10.8110.81 0.5580.558 12.8212.82 0.3120.312 13.8113.81 0.2200.220 파단신율(%)Elongation at break (%) 12.7012.70 2.2782.278 11.8611.86 2.4912.491 11.8911.89 0.9270.927 9.629.62 0.4250.425

비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 평균Average 표준편차Standard Deviation 평균Average 표준편차Standard Deviation 인장 강도(Gpa)Tensile strength (Gpa) 0.330.33 0.0310.031 0.3540.354 0.0280.028 탄성 계수(Gpa)Elastic modulus (Gpa) 9.749.74 0.1430.143 11.1111.11 0.1910.191 파단신율(%)Elongation at break (%) 10.7910.79 2.6002.600 13.2113.21 2.7512.751

상기 표 2, 3과 도 4, 5에 나타낸 바와 같이, 제1 안정화 단계에서는 제1b 안정화 단계 말기의 수축력과 동일한 장력을 가하고, 제2 안정화 단계에서는 제2b 안정화 단계 말기의 수축력과 동일한 장력을 가한 실시예 1의 경우, 산화안정화 단계 전반에 걸쳐 제1 안정화 단계 말기의 수축력을 가한 비교예 1과 비교하여, 기계적 물성인 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율이 모두 높게 나타나는 것을 확인하였다. As shown in Tables 2 and 3 and FIGS. 4 and 5, in the first stabilization step, the same tension as the end of the 1b stabilization step was applied, and in the second stabilization step, the same tension as the end of the 2b stabilization step was applied. In the case of Example 1, compared with Comparative Example 1 in which the shrinking force at the end of the first stabilization step was applied throughout the oxidation stabilization step, it was confirmed that the mechanical properties of tensile strength, elastic modulus, and elongation at break were all high.

또한, 제1 안정화 단계에서는 제1b 안정화 단계 말기의 수축력보다 약 12.5% 높은 10N을 장력으로 가하고, 제2 안정화 단계에서는 제2b 안정화 단계 말기의 수축력보다 약 15% 높은 24N을 장력으로 가한 실시예 2의 경우도 마찬가지로, 인장 강도, 탄성 계수 및 파단신율 모두 높게 나타났다. In addition, in the first stabilization step, 10N, which is about 12.5% higher than the contractile force at the end of the 1b stabilization step, is added as a tension, and in the second stabilization step, 24N, which is about 15% higher than the shrinkage force at the end of the 2b stabilization step, is applied as a tension. Similarly, the tensile strength, modulus of elasticity, and elongation at break were all high.

즉, 본 발명에 따라 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터로부터 장력의 크기를 도출하여 이를 산화안정화 단계에 적용할 경우, 인장 강도, 탄성 계수, 파단신율이 모두 고르게 향상된, 우수한 기계적 물성의 탄소섬유용 안정화 섬유를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.That is, according to the present invention, when deriving the magnitude of the tension from the shrinkage change data of the precursor fiber and applying it to the oxidation stabilization step, the tensile strength, the elastic modulus, the elongation at break are all improved evenly, and the stabilized fiber for carbon fiber with excellent mechanical properties It was found that can be prepared.

Claims (13)

탄소섬유용 전구체 섬유를 준비하는 단계;
산화안정화 공정에서 발생되는 상기 전구체 섬유의 수축력 변화 데이터를 얻는 단계; 및
상기 전구체 섬유에 장력을 가하면서 산화안정화시키되, 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된, 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계를 포함하여 안정화시키는 단계;를 포함하고,
상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고,
상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하며,
상기 장력은 상기 범위에서 선택된 값이 일정하게 가해지는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
Preparing a precursor fiber for carbon fiber;
Obtaining shrinkage change data of the precursor fibers generated in the oxidation stabilization process; And
The first stabilization step and the second stabilization step are set to two different temperatures between the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber and the temperature at which exotherm indicates the maximum, while stabilizing the oxide while applying tension to the precursor fiber. Stabilizing, including the step; includes,
In the first stabilization step, a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the first stabilization step of the precursor fiber as a tension,
In the second stabilization step, a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the second stabilization step of the precursor fiber as a tension,
The tension is a method selected from the above range, the constant value is applied, the method for producing a stabilized fiber for carbon fiber.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하고,
상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the first stabilization step, a force of -15% to +15% is applied as a tension to the shrinking force at the end of the first stabilization step of the precursor fiber,
In the second stabilization step, a method of manufacturing a stabilization fiber for carbon fibers, wherein a force of -15% to +15% is applied as a tension to the shrinking force at the end of the second stabilization step of the precursor fiber.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도로부터 45℃ 이내의 온도로 설정되고, 상기 제2 안정화 단계는, 상기 제1 안정화 단계에서 설정된 온도를 기준으로 5 내지 45℃ 높게 설정되는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first stabilization step is set to a temperature within 45° C. from the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber, and the second stabilization step is 5 to 45 based on the temperature set in the first stabilization step. A method of manufacturing stabilized fibers for carbon fibers, which is set at a high temperature.
청구항 1에 있어서,
상기 전구체 섬유를 안정화시키는 단계는 40분 내지 80분 동안 수행되는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of stabilizing the precursor fiber is to be performed for 40 minutes to 80 minutes, the method for producing a stabilized fiber for carbon fibers.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 안정화 단계 및 제2 안정화 단계는 각각 독립적으로 20분 내지 40분 동안 수행되는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first stabilization step and the second stabilization step, each of which is performed independently for 20 minutes to 40 minutes, the method for producing a stabilized fiber for carbon fibers.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제1a 안정화 단계 및 제1b 안정화 단계를 포함하고,
상기 제2 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도와 발열이 최대를 나타내는 온도 사이에서 서로 상이한 2개의 온도로 설정된 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계를 포함하며,
상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하고,
상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -20% 내지 +20%의 힘을 장력으로 가하는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first stabilization step includes a first stabilization step and a first stabilization step set at two different temperatures between a temperature at which exotherm starts according to a stabilization reaction of the precursor fiber and a temperature at which exotherm indicates maximum,
The second stabilization step includes a 2a stabilization step and a 2b stabilization step set at two different temperatures between a temperature at which exotherm starts according to a stabilization reaction of the precursor fiber and a temperature at which exotherm indicates maximum,
In the first stabilization step, a force of -20% to +20% is applied as a tension to the shrinking force at the end of the first stabilization step of the precursor fiber,
In the second stabilization step, a method of manufacturing a stabilizing fiber for carbon fibers, wherein a force of -20% to +20% is applied to a tension at the end of the 2b stabilization step of the precursor fiber.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제1b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하고,
상기 제2 안정화 단계에서는 상기 전구체 섬유의 제2b 안정화 단계 말기의 수축력에 대하여 -15% 내지 +15%의 힘을 장력으로 가하는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
In the first stabilization step, a force of -15% to +15% is applied to the contractile force at the end of the first stabilization step of the precursor fiber as a tension,
In the second stabilization step, a method of manufacturing a stabilizing fiber for carbon fibers, wherein a force of -15% to +15% is applied as a tension to the shrinking force at the end of the 2b stabilization step of the precursor fiber.
청구항 6에 있어서,
상기 제1a 안정화 단계는 상기 전구체 섬유의 안정화 반응에 따른 발열이 시작되는 온도로부터 45℃ 이내의 온도로 설정되고, 상기 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는, 상기 제1a 안정화 단계에서 설정된 온도를 기준으로 순차적으로 5 내지 20℃ 높게 설정되는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
The stabilizing step 1a is set to a temperature within 45° C. from the temperature at which exotherm starts according to the stabilization reaction of the precursor fiber, and the stabilizing step 1b, stabilizing 2a, and stabilizing 2b are stabilizing the firsta. Method of manufacturing a stabilized fiber for carbon fibers, which is sequentially set to 5 to 20°C higher based on the temperature set in the step.
청구항 6에 있어서,
상기 제1a 안정화 단계, 제1b 안정화 단계, 제2a 안정화 단계 및 제2b 안정화 단계는 각각 독립적으로 10분 내지 20분 동안 수행되는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 6,
The 1a stabilization step, the 1b stabilization step, the 2a stabilization step and the 2b stabilization step are each independently performed for 10 minutes to 20 minutes, a method for producing a stabilized fiber for carbon fibers.
청구항 1에 있어서,
상기 수축력은 DMA(Dynamic Mechanical Analysis)로 측정하는 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The shrinking force is measured by DMA (Dynamic Mechanical Analysis), a method for producing stabilized fibers for carbon fibers.
청구항 1에 있어서,
상기 전구체 섬유는 각 섬유가 3,000 내지 24,000 가닥 뭉쳐진 번들(bundle) 상태인 것인, 탄소섬유용 안정화 섬유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The precursor fiber is a method for producing stabilized fibers for carbon fibers, wherein each fiber is in a bundle state of 3,000 to 24,000 strands.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따라 탄소섬유용 안정화 섬유를 준비하는 단계; 및
상기 안정화 섬유를 탄화시키는 단계;를 포함하는,
탄소섬유의 제조방법.
Preparing a stabilized fiber for carbon fibers according to any one of claims 1 to 11; And
Carbonizing the stabilizing fiber; containing,
Carbon fiber manufacturing method.
인장 강도는 0.36 내지 0.6 Gpa이고, 탄성 계수는 10 내지 20 Gpa인, 탄소섬유용 안정화 섬유.A tensile strength of 0.36 to 0.6 Gpa, and an elastic modulus of 10 to 20 Gpa.
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