KR20210015232A - Method for manufacturing cnt fiber having improved tensile strength - Google Patents

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KR20210015232A
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of carbon nanotube fibers, which are a continuous aggregate of carbon nanotubes. By adjusting the difference between the surface temperature and the internal temperature of a reaction tube to 53°C or less between a reaction tube inlet and a heating furnace inlet in a region inside the heating furnace inlet and the reaction tube to keep the Richardson number (Ri) defined by equation 1 below 42, the rotational flow in the reaction tube can be minimized and the tensile strength of the carbon nanotube fibers produced as a result can be improved.

Description

인장강도가 향상된 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING CNT FIBER HAVING IMPROVED TENSILE STRENGTH}Manufacturing method of carbon nanotube fiber with improved tensile strength {METHOD FOR MANUFACTURING CNT FIBER HAVING IMPROVED TENSILE STRENGTH}

본 발명은 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 탄소나노튜브의 연속 집합체로 이루어진 탄소나노튜브 섬유의 인장강도를 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브 섬유 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a carbon nanotube fiber, and more particularly, to a method of manufacturing a carbon nanotube fiber capable of improving the tensile strength of a carbon nanotube fiber made of a continuous aggregate of carbon nanotubes.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 μm에서 수 mm인 물질로서, 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어 왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.Carbon Nanotube (CNT), a type of carbon allotrope, is a material with a diameter of several to tens of nm and a length of several hundred μm to several mm, and is researched in various fields due to its excellent thermal, electrical and physical properties and high aspect ratio. Has been going on. These unique properties of carbon nanotubes are due to the sp 2 bond of carbon, are stronger than iron, lighter than aluminum, and exhibit electrical conductivity comparable to metal. The types of carbon nanotubes are largely dependent on the number of walls of the nanotubes: Single-Wall Carbon Nanotube (SWNT), Double-Wall Carbon Nanotube (DWNT), and Multi-Wall Carbon Nanotube (Multi-Wall Carbon Nanotube). Wall Carbon Nanotube, MWNT), and is divided into zigzag, armchair, and chiral structures according to asymmetry/chirality.

현재까지 대부분의 연구는 분말형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화제로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많이 진행되었으며, 몇몇 분야에서는 이미 상업화에 이르렀다. 하지만, 복합재료와 투명전도성 필름에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다.Until now, most of the research has been conducted in the direction of dispersing carbon nanotubes in powder form and using them as reinforcing agents of composite materials or manufacturing transparent conductive films using dispersion solutions, and some fields have already reached commercialization. However, in order to use carbon nanotubes in composite materials and transparent conductive films, dispersion of carbon nanotubes is important. Due to the cohesive force of the carbon nanotubes, the strong van der Waals force disperses them in high concentration and dispersibility. Maintaining is not easy. In addition, in the case of a composite material in which carbon nanotubes are used as reinforcing materials, it is difficult to sufficiently express the excellent properties of carbon nanotubes.

이에 최근 몇 년 사이 탄소나노튜브의 성질을 충분히 발현하는 탄소나노튜브 구조체 제조를 위한 탄소나노튜브 섬유화 연구들이 많이 진행되어왔다. Accordingly, in recent years, many studies have been conducted on carbon nanotube fiber formation for the production of carbon nanotube structures that sufficiently express the properties of carbon nanotubes.

탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 이용하여 섬유화하는 방법으로는 대표적으로 '응고방사법(coagulation spinning)', '액정방사법(liquid-crystalline spinning)', '어레이 방사(array Spinning)' 및 ' 직접방사법(direct spinning)'이 있다.As a method of fiberizing using a dispersion solution containing carbon nanotubes and a dispersant, representatively,'coagulation spinning','liquid-crystalline spinning','array spinning' and ' There is'direct spinning'.

응고방사법이란, 탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 고분자용액 내로 주입하여 분산용액에 있던 분산제를 고분자용액으로 빠져나가게 하고 그 자리를 고분자가 대체하여 바인더(binder) 역할을 하게 함으로써 탄소나노튜브를 섬유화하는 방법이다. The coagulation spinning method is a carbon nanotube by injecting a dispersion solution containing carbon nanotubes and a dispersant into a polymer solution, allowing the dispersant in the dispersion solution to escape into the polymer solution, and replacing the place with the polymer to act as a binder. It is a method of fiberizing.

액정방사법이란, 탄소나노튜브 용액이 특정 조건에서 액정(liquid crystal)을 형성하는 성질을 이용하여 섬유화하는 방법이다. 이 방법은 배향성이 좋은 탄소나노튜브 섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만 방사속도가 매우 느리고 탄소나노튜브의 액정형성 조건이 까다롭다는 단점이 있다.The liquid crystal spinning method is a method in which a carbon nanotube solution is made into fibers using the property of forming a liquid crystal under specific conditions. Although this method has the advantage of being able to make carbon nanotube fibers with good orientation, it has the disadvantage that the spinning speed is very slow and the liquid crystal formation conditions of the carbon nanotubes are difficult.

어레이 방사법이란, 기판상에 수직 정렬된 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 필름을 형성하고, 그것을 꼬아서 섬유화하는 방법이다. 이 방법은 불순물이 거의 없는 탄소나노튜브 섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 연속공정이 불가능하다는 단점이 있다. The array spinning method is a method of forming a carbon nanotube film from an array of carbon nanotubes vertically aligned on a substrate, twisting it to form fibers. This method has the advantage of being able to make carbon nanotube fibers with almost no impurities, but it has a disadvantage that a continuous process is impossible.

직접방사법이란, 도 1에 도시된 바와 같이, 고온의 가열로 주입구에 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 출구로 배출되는 탄소나노튜브 집합체를 가열로 내부(도 1의 A) 또는 외부(도 1의 B)에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다. 이 방법은 방사속도가 최고 20 내지 30 m/min으로 다른 방법에 비하여 대량의 탄소나노튜브 섬유를 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 섬유상 입자의 특성상 탄소나노튜브 섬유 입자가 다시 꼬이거나 뭉칠 수 있고, 가열로의 벽면에 쉽게 부착될 수 있으므로, 탄소나노튜브 섬유를 원활하게 배출시키는 것이 매우 어렵다.As shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1, a liquid carbon source and a catalyst are injected together with a carrier gas to synthesize carbon nanotubes in a heating furnace, and a carrier gas and This is a method of obtaining fibers by winding up the carbon nanotube aggregates discharged to the outlet of the heating furnace together inside the furnace (FIG. 1A) or outside (FIG. 1B). This method has the advantage of being able to produce a large amount of carbon nanotube fibers compared to other methods with a spinning speed of up to 20 to 30 m/min, but due to the characteristics of the fibrous particles, the carbon nanotube fiber particles may be twisted or aggregated again, Since it can be easily attached to the wall of the heating furnace, it is very difficult to discharge the carbon nanotube fibers smoothly.

탄소나노튜브(CNT) 자체의 기계적 강도, 특히 인장 강도는 100GPa이 넘을 정도로 매우 뛰어나지만, 합성된 CNT는 길이가 짧은 단 섬유이어서 응용에 제약을 받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 단 섬유인 CNT를 연결하여 장 섬유인 CNT 집합체를 만드는 방법이 최근 많이 연구되고 있다.The mechanical strength of the carbon nanotube (CNT) itself, especially the tensile strength, is so excellent that it exceeds 100 GPa, but the synthesized CNT is a short fiber with a short length, so its application is limited. In order to solve this problem, a method of making a long fiber CNT aggregate by connecting short fiber CNTs has been studied recently.

CNT의 집합체인 섬유의 강도에 영향을 미치는 변수로는 CNT의 길이, 직경, CNT 사이의 결합력 등이 있다. CNT 집합체의 인장강도를 향상시키기 위해서는 CNT 섬유를 이루는 CNT 사이의 결합력이 커져야 하고, 이를 위해서 CNT의 길이가 길어져야 한다[Gary G. Tibbetts, Carbon 30, 399, (1992)]. Variables that affect the strength of the fiber, which is an aggregate of CNTs, include the length and diameter of CNTs, and the bonding force between CNTs. In order to improve the tensile strength of the CNT aggregate, the bonding force between the CNTs forming the CNT fibers must be increased, and for this, the length of the CNTs must be lengthened [Gary G. Tibbetts, Carbon 30, 399, (1992)].

그런데 도 1에 도시된 것과 같은 수직형 반응관에서는 기류의 흐름이 반응관 상부에서 하부로 형성되고 이로 인해 고온의 반응관 내부로 주입되는 가스가 부력의 영향을 받아 안정적인 가스 흐름이 형성되지 못하고 회전유동을 발생시키는 문제점이 있다[Ya-Li Li et al. Science 304, 276 (2004)]. 회전유동은 반응관 내부에서 촉매 입자의 성장을 촉진시키고 길이가 긴 CNT 형성을 어렵게 한다. 한편, 수평형 반응관에도 유사한 회전 유동이 형성되어 이러한 문제가 발생할 수 있다. However, in the vertical reaction tube as shown in FIG. 1, the flow of air is formed from the top to the bottom of the reaction tube, and the gas injected into the high temperature reaction tube is affected by buoyancy, so that a stable gas flow cannot be formed and rotates. There is a problem of generating flow [Ya-Li Li et al. Science 304, 276 (2004)]. The rotational flow promotes the growth of catalyst particles inside the reaction tube and makes it difficult to form long CNTs. On the other hand, a similar rotational flow is formed in the horizontal reaction tube, which may cause this problem.

따라서, CNT 집합체 섬유의 인장강도 향상을 위해서는 반응관 내부에 형성되는 회전 유동을 제거하거나 억제할 필요가 있다. Therefore, in order to improve the tensile strength of the CNT aggregate fiber, it is necessary to remove or suppress the rotational flow formed inside the reaction tube.

본 발명의 목적은 CNT의 연속 집합체인 CNT 섬유의 인장강도를 효율적으로 향상시킬 수 있는 CNT 섬유 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for producing CNT fibers that can efficiently improve the tensile strength of CNT fibers, which is a continuous aggregate of CNTs.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 In order to solve the above problems, the present invention

탄소원을 포함하는 반응가스를 촉매 또는 촉매 전구체 및 이송 가스와 함께 가열로가 구비된 반응관에 주입하여 탄소나노튜브의 연속집합체인 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법에 있어서,In the method of producing a carbon nanotube fiber, which is a continuous aggregate of carbon nanotubes, by injecting a reaction gas containing a carbon source into a reaction tube equipped with a heating furnace together with a catalyst or a catalyst precursor and a transfer gas,

반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부의 영역에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차를 53℃ 이하로 조절하여 하기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 42 미만으로 유지시킴으로써 회전 유동을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법을 제공한다:The difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, in the area of the inlet of the heating furnace and the inside of the reaction tube, is adjusted to 53°C or less, and the Richardson number defined by the following equation (1) It provides a method for producing a carbon nanotube fiber, characterized in that the rotational flow is suppressed by maintaining Ri ) below 42:

[수학식 1] [Equation 1]

Ri = Gr/Re2 Ri = Gr/Re 2

상기 식에서,In the above formula,

Gr은 (d3gβΔθ)/(ν2)으로부터 산출되는 그라쇼프수(Grashof number)이고Gr is the Grashof number calculated from (d 3 gβΔθ)/(ν 2 )

Re는 wd/ν로부터 산출되는 레이놀즈수(Reynolds number)이며,Re is the Reynolds number calculated from wd/ν,

여기서, d는 반응관의 내경, g는 중력가속도, β는 탄소원을 함유한 반응 가스의 열팽창계수, Δθ는 반응관의 표면온도와 내부온도의 차, ν는 동점성 계수, 및 w는 탄소원을 함유한 반응 가스의 유속이다. Where d is the inner diameter of the reaction tube, g is the gravitational acceleration, β is the thermal expansion coefficient of the reaction gas containing a carbon source, Δθ is the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube, ν is the kinematic viscosity coefficient, and w is the carbon source. It is the flow rate of the contained reaction gas.

일 양태에 따르면, 상기 반응관의 표면온도와 내부온도의 차(Δθ)가 -3℃ 내지 53℃의 범위로 조절하여, 상기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 0 내지 42 미만으로 유지할 수 있다. According to one aspect, the difference (Δθ) between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube is adjusted in the range of -3°C to 53°C, so that the Richardson number ( Ri ) defined by Equation 1 is 0 to It can be kept below 42.

상기 반응관의 반응영역은 1,000℃ 내지 3,000℃로 가열될 수 있다. The reaction zone of the reaction tube may be heated to 1,000 ℃ to 3,000 ℃.

일 양태에 따르면, 상기 반응관은 수직형 반응관이고, 반응가스, 촉매 또는 촉매 전구체와 이송 가스가 반응관 상부로 주입되고 생성된 탄소나노튜브는 반응관 하부로 배출되면서 연속 집합체를 형성하는 것일 수 있다. According to one aspect, the reaction tube is a vertical reaction tube, and the reaction gas, catalyst or catalyst precursor and the transfer gas are injected into the upper part of the reaction tube, and the generated carbon nanotubes are discharged to the lower part of the reaction tube to form a continuous assembly. I can.

일 양태에 따르면, 상기 이송 가스가 수소가스, 암모니아가스 또는 이들의 혼합가스를 포함하는 환원가스일 수 있다. According to one aspect, the transfer gas may be a reducing gas including hydrogen gas, ammonia gas, or a mixture gas thereof.

또한, 상기 이송 가스가 불활성 가스를 더 포함하는 것일 수 있다. In addition, the transfer gas may further include an inert gas.

상기 탄소원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. The carbon source is methane, ethylene, acetylene, methylacetylene, vinylacetylene, ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethylacetic acid, diethyl ether, polyethylene glycol, ethylformate, mesitylene, tetrahydrofuran (THF ), dimethylformamide (DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, and pentane.

상기 촉매 또는 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. The catalyst or catalyst precursor may include at least one selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, and oxides thereof.

일 양태에 따르면, 상기 촉매 또는 촉매 전구체와 함께 황 원소, 황 함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 촉매 활성제를 더 주입할 수 있다.According to an aspect, a catalyst activator selected from elemental sulfur, a sulfur-containing compound, and combinations thereof may be further injected together with the catalyst or catalyst precursor.

상기 촉매 활성제는 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤, 페닐티올, 디페닐술피드, 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 및 이들의 조합으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다. The catalytic activator may include a compound selected from methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, phenylthiol, diphenylsulfide, pyridine, quinoline, benzothiophene, thiophene, and combinations thereof.

바람직하게는, 상기 촉매 또는 촉매 전구체가 메탈로센 형태일 수 있다. Preferably, the catalyst or catalyst precursor may be in the form of a metallocene.

또한, 상기 반응가스의 GHSV(Gas Hourly Space Velocity)는 0.12 내지 6.0 hr-1의 범위, 상기 이송 가스의 GHSV는 1.2 내지 300 hr-1의 범위에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 GHSV (Gas Hourly Space Velocity)는 표준상태(0℃, 1 bar)에서 측정한 값으로 공급되는 기체의 부피 유량과 반응관 부피의 비를 의미하며, 단위시간을 시간(hour)으로 부여한 값을 말한다. In addition, the gas hourly space velocity (GHSV) of the reaction gas may be selected in the range of 0.12 to 6.0 hr -1 , and the GHSV of the transfer gas may be selected in the range of 1.2 to 300 hr -1 . The GHSV (Gas Hourly Space Velocity) is a value measured in a standard state (0℃, 1 bar) and means the ratio of the volume flow rate of the supplied gas and the volume of the reaction tube, and the unit time is a value given in hours. Say.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기와 같은 방법에 따라 제조되는 탄소나노튜브 섬유를 제공한다. According to another embodiment of the present invention, a carbon nanotube fiber manufactured according to the above method is provided.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specifics of the embodiments of the present invention are included in the detailed description below.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법에 의하면, 반응관 내부에 형성되는 회전 유동을 최소화하여 가스 흐름이 안정적으로 형성되게 함으로써 결과적으로 제조되는 CNT 섬유상 집합체의 인장강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 섬유 집합체는 다기능 복합재료의 강화재, 안정적이고 반복적인 피에조 저항 효과를 이용한 변형 및 손상 감지기, 고전도도를 이용한 송전선, 높은 비표면적, 우수한 기계적 특성 및 전기전도도를 이용한 전기화학적 기기, 예를 들어 생체물질 감지를 위한 마이크로전극재료, 슈퍼커패시터 및 액추에이터 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.According to the method for manufacturing a carbon nanotube fiber assembly according to the present invention, the tensile strength of the resulting CNT fibrous assembly can be improved by minimizing the rotational flow formed inside the reaction tube to stably form the gas flow. Therefore, the carbon nanotube fiber assembly manufactured by the method according to the present invention is a reinforcement material of a multifunctional composite material, a deformation and damage detector using a stable and repetitive piezo resistance effect, a transmission line using a high conductivity, a high specific surface area, excellent mechanical properties and electricity. It is expected that it can be applied to various fields such as electrochemical devices using conductivity, for example, microelectrode materials for detecting biomaterials, supercapacitors, and actuators.

도 1은 직접 방사법에 의한 탄소나노튜브 섬유 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 집합체 섬유 제조 반응관의 개략적인 구조와, 실시예 및 비교예에 따른 기류 방향에 대한 CFD (computational fluid dynamics) 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차에 의한 회전 유동 발생 여부를 보여주는 것이다.
1 schematically shows a method of manufacturing carbon nanotube fibers by direct spinning.
FIG. 2 shows a schematic structure of a reaction tube for manufacturing CNT aggregate fibers according to an embodiment of the present invention, and results of simulations of computational fluid dynamics (CFD) for airflow directions according to Examples and Comparative Examples.
3 shows whether or not rotational flow occurs due to the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube in Examples and Comparative Examples of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 명세서에 사용된 용어 "집합체"는 "응집체"와 혼용하여 기재될 수 있으며, 단수의 개체가 모인 집합을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.The term "aggregate" as used herein may be described interchangeably with "aggregate", and may be understood to mean a collection of singular individuals.

본 명세서에 사용된 용어 "주입"은 본 명세서 내에 "유입, 투입"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 액체, 기체 또는 열 등을 필요한 곳으로 흘러 들여보내거나 넣는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.The term "injection" used in the present specification may be used interchangeably with "inflow, infusion" in the present specification, and may be understood as meaning to flow in or inject liquid, gas, or heat into a required place. .

본 명세서에서 "탄소나노튜브 섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.In the present specification, the term "carbon nanotube fiber" refers to both formed by growing carbon nanotubes in a fiber form or by fusing a plurality of carbon nanotubes into a fiber form.

이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a carbon nanotube fiber according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

탄소나노튜브 섬유를 제조하는 기술로는, 응고방사법, 액정방사법, 어레이방사법, 직접방사법 등이 있다. 본 발명은 이 가운데 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 공정을 따른다.As a technology for producing carbon nanotube fibers, there are coagulation spinning, liquid crystal spinning, array spinning, and direct spinning. The present invention follows a process of directly spinning carbon nanotube fibers among them.

상기 직접방사법(direct spinning)은 고온의 가열로 주입구에 기상 혹은 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 출구로 배출되는 탄소나노튜브 집합체를 가열로 내부 또는 외부에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다. In the direct spinning method, a gaseous or liquid carbon source and a catalyst are injected together with a carrier gas into the inlet of a high-temperature furnace to synthesize carbon nanotubes in the furnace and heated together with the carrier gas. This is a method of obtaining fibers by winding up the carbon nanotube aggregate discharged to the outlet of the furnace inside or outside the furnace.

상기 회전 유동이란, 탄소원을 함유한 반응가스의 흐름과 반대방향으로 흐르는 가스에 의해 발생하는 소용돌이(vortex) 흐름을 말하며, 이는 반응관 내부로 주입되는 가스가 부력의 영향을 받아 안정적인 가스 흐름을 형성하지 못함으로써 발생될 수 있고, 결과적으로 최종 생성되는 탄소나노튜브 섬유의 인장강도에 불리한 영향을 미치게 된다.The rotational flow refers to a vortex flow generated by a gas flowing in the opposite direction to the flow of a reaction gas containing a carbon source, and this means that the gas injected into the reaction tube is affected by buoyancy to form a stable gas flow. This may be caused by failure to do so, and consequently adversely affects the tensile strength of the finally produced carbon nanotube fiber.

이에, 본 발명은 탄소원을 포함하는 반응가스를 촉매 또는 촉매 전구체 및 이송 가스와 함께 반응관에 주입하여 탄소나노튜브의 연속집합체인 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법에 있어서,Accordingly, in the present invention, in a method for producing a carbon nanotube fiber, a continuous aggregate of carbon nanotubes, by injecting a reaction gas containing a carbon source into a reaction tube together with a catalyst or a catalyst precursor and a transfer gas,

반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부의 영역에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차를 53℃ 이하로 조절하여 하기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 42 미만으로 유지시킴으로써 회전 유동을 억제하는 것을 특징으로 한다.The difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, in the area of the inlet of the heating furnace and the inside of the reaction tube, is adjusted to 53°C or less, and the Richardson number defined by the following equation (1) It is characterized in that the rotational flow is suppressed by keeping Ri ) below 42.

[수학식 1] [Equation 1]

Ri = Gr/Re2 Ri = Gr/Re 2

상기 식에서,In the above formula,

Gr은 (d3gβΔθ)/(ν2)으로부터 산출되는 그라쇼프수(Grashof number)이고Gr is the Grashof number calculated from (d 3 gβΔθ)/(ν 2 )

Re는 wd/ν로부터 산출되는 레이놀즈수(Reynolds number)이며,Re is the Reynolds number calculated from wd/ν,

여기서, d는 반응관의 내경, g는 중력가속도, β는 탄소원을 함유한 반응 가스의 열팽창계수, Δθ는 반응관의 표면온도와 내부온도의 차, ν는 동점성 계수, 및 w는 탄소원을 함유한 반응 가스의 유속이다.Where d is the inner diameter of the reaction tube, g is the gravitational acceleration, β is the thermal expansion coefficient of the reaction gas containing a carbon source, Δθ is the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube, ν is the kinematic viscosity coefficient, and w is the carbon source. It is the flow rate of the contained reaction gas.

여기서, 상기 리차드슨수(Richardson number, Ri)는 유체 동력학적으로 부력의 스케일(scale)을 나타내는 것이다.Here, the Richardson number ( Ri ) represents a hydrodynamic scale of buoyancy.

보다 구체적으로, 본 발명자들의 연구에 따르면, 가열로(furnace)가 반응관을 감싸고 있는 구조에서, 상기 수학식 1로 정의하는 여러가지 변수들 중 특히 반응관의 표면온도와 내부온도의 차(Δθ)를 -3℃ 내지 53℃의 범위로 조절하여 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 0 내지 42 미만으로 유지하는 경우, 도 2와 같이 반응관내 회전유동을 억제할 수 있다. 결과적으로, 최종 제조된 탄소나노튜브 섬유의 인장강도를 예컨대 2 내지 3배 향상시킬 수 있다.More specifically, according to the research of the present inventors, in the structure in which the furnace surrounds the reaction tube, among various variables defined by Equation 1, the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube (Δθ) When the Richardson number ( Ri ) is maintained at 0 to less than 42 by adjusting the range of -3°C to 53°C, the rotational flow in the reaction tube can be suppressed as shown in FIG. 2. As a result, the tensile strength of the finally produced carbon nanotube fiber can be improved, for example, 2 to 3 times.

특히, 가열로 입구의 영역은 탄소나노튜브 섬유를 생성하기 위한 반응 온도(약 600℃ 이상)가 시작되는 영역으로, 이 영역에서 최초 생성된 섬유의 원활한 배출을 위해서 안정적인 하강 유동의 형성이 중요하다. 따라서, 가열로 입구 영역에서 반응관의 표면온도와 내부온도 및 리차드슨수를 상기 조건으로 조절하여 회전유동을 억제하는 것이 필요하다.In particular, the area at the entrance of the heating furnace is the area where the reaction temperature (about 600℃ or higher) to generate carbon nanotube fibers starts, and it is important to form a stable downward flow for smooth discharge of the fibers initially generated in this area. . Therefore, it is necessary to control the rotational flow by controlling the surface temperature, the internal temperature and the Richardson number of the reaction tube in the inlet region of the heating furnace under the above conditions.

또한, 상기 수학식 1의 리차드슨수(Ri)가 42 미만을 만족하기 위해서, 반응관의 온도 구배 이외에도 가스 유속, 반응관 내경 등을 조절할 수 있다.In addition, in order to satisfy the Richardson number ( Ri ) of Equation 1 below 42, in addition to the temperature gradient of the reaction tube, the gas flow rate and the inner diameter of the reaction tube may be adjusted.

일 구현예에 따르면, 탄소원에 대하여 촉매 또는 촉매 전구체가 0.5 내지 10 중량%, 또는 1 내지 5 중량%, 또는 1.5 내지 4 중량%로 주입될 수 있다. 탄소원에 비해 과잉의 촉매 또는 촉매 전구체를 사용하는 경우 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브 섬유를 수득하기 어려우며, 오히려 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다.According to one embodiment, the catalyst or catalyst precursor may be injected in an amount of 0.5 to 10% by weight, or 1 to 5% by weight, or 1.5 to 4% by weight based on the carbon source. In the case of using an excess catalyst or catalyst precursor than the carbon source, the catalyst acts as an impurity, making it difficult to obtain high-purity carbon nanotube fibers, but rather can be a factor that hinders the thermal, electrical, and physical properties of the carbon nanotube fibers. .

촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는, 혹은 활성적인 촉매를 생성하는 물질이며, 촉매전구체가 촉매를 형성한 후 탄소나노튜브를 합성한다.The catalyst precursor is a material that is not included in the catalyst cycle itself, but changes into an active catalyst or generates an active catalyst, and synthesizes carbon nanotubes after the catalyst precursor forms a catalyst. .

상기 촉매 또는 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 촉매는 나노입자 형태일 수 있고, 바람직하게는 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 페로센 촉매 전구체의 경우 0.05-0.2 g/hr 또는 0.05-0.1 g/hr의 속도로 주입될 수 있다. The catalyst or catalyst precursor may include at least one selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, and oxides thereof, but is not limited thereto. In addition, the catalyst may be in the form of nanoparticles, preferably in the form of a metallocene such as ferrocene, which is a compound containing iron, nickel, cobalt, and the like. According to a preferred embodiment, the ferrocene catalyst precursor may be injected at a rate of 0.05-0.2 g/hr or 0.05-0.1 g/hr.

본 발명에 있어서, 촉매 또는 촉매 전구체 주입시 촉매 활성제를 함께 주입할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 탄소 확산속도(diffusion rate)를 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다. 또한 촉매 활성제는 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다.In the present invention, when the catalyst or the catalyst precursor is injected, a catalyst activator may be injected together. In general, the synthesis of carbon nanotubes proceeds as carbon diffuses into the catalyst and then precipitates while the catalyst is molten. The catalytic activator increases the carbon diffusion rate when synthesizing carbon nanotubes, so that the carbon nanotubes are rapidly Let the tube synthesize. In addition, the catalytic activator reduces the melting point of the catalyst and removes amorphous carbon so that high-purity carbon nanotubes can be synthesized at a low temperature.

상기 촉매 활성제로는 예를 들면 황 원소, 황함유 화합물 및 이들의 조합을 사용할 수 있고, 구체적인 예로는, 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤 등과 같은 황 함유 지방족 화합물; 페닐티올, 디페닐술피드 등과 같은 황 함유 방향족 화합물; 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 등과 같은 황 함유 복소환식 화합물; 원소로서 황일 수 있으며, 바람직하게는 황 또는 티오펜일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 황일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 촉매 활성제를 0.01-0.3 g/hr, 또는 0.01-0.2 g/hr 또는 0.01-0.1 g/hr의 속도로 주입할 수 있다. As the catalyst activator, for example, elemental sulfur, a sulfur-containing compound, and combinations thereof may be used. Specific examples include sulfur-containing aliphatic compounds such as methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, and the like; Sulfur-containing aromatic compounds such as phenylthiol and diphenylsulfide; Sulfur-containing heterocyclic compounds such as pyridine, quinoline, benzothiophene, and thiophene; It may be sulfur as an element, preferably sulfur or thiophene, and more preferably sulfur. According to a preferred embodiment, the catalyst activator may be injected at a rate of 0.01-0.3 g/hr, or 0.01-0.2 g/hr or 0.01-0.1 g/hr.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입 가능하며, 기상 탄소화합물에는 기화해서 가스형태로도 주입 가능하다.According to a preferred embodiment of the present invention, the catalyst precursor and the catalytic activator may be liquid in the liquid carbon compound, and may be gaseous in the gaseous carbon compound. Accordingly, a catalyst precursor or a catalyst activator can be dissolved and injected into a liquid carbon compound, and a gaseous carbon compound can be vaporized and injected in the form of a gas.

본 발명에 있어서, 상기 탄소원은 액상 또는 기상 일 수 있으며, 탄소원이 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다. In the present invention, the carbon source may be liquid or gaseous, and the carbon source is synthesized into carbon nanotubes by diffusion into the catalyst, and is used in consideration of molecular weight distribution, concentration, viscosity, surface tension, dielectric constant, and properties of the solvent used. .

상기 액상 또는 기상의 탄소원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. The liquid or gaseous carbon source is methane, ethylene, acetylene, methylacetylene, vinylacetylene, ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethylacetic acid, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene, tetra Hydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, and may include at least one selected from the group consisting of pentane.

구체적으로, 상기 액상의 탄소원은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(C2H5OH), 자일렌(C8H10), 디에틸에테르[(C2H5)2O], 폴리에틸렌글리콜[-(CH2CH2O)9], 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 아세톤(CH3OCH3), 에틸포르메이트(CH3CH2COOH), 벤젠(C6H6), 헥산(C6H14) 및 메시틸렌[C6H3(CH3)3]으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. Specifically, the liquid carbon source is ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethyl acetic acid, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF). ), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, and may include one or more selected from the group consisting of pentane. Preferably ethanol (C 2 H 5 OH), xylene (C 8 H 10 ), diethyl ether [(C 2 H 5 ) 2 O], polyethylene glycol [-(CH 2 CH 2 O) 9 ], 1 -Propanol (CH 3 CH 2 CH 2 OH), acetone (CH 3 OCH 3 ), ethyl formate (CH 3 CH 2 COOH), benzene (C 6 H 6 ), hexane (C 6 H 14 ) and mesitylene [ It may include any one or more selected from the group consisting of C 6 H 3 (CH 3 ) 3 ].

상기 기상의 탄소원은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The gaseous carbon source may include at least one selected from the group consisting of methane, ethylene, acetylene, methylacetylene, and vinylacetylene.

본 발명에 있어서, 반응영역으로 공급되는 반응가스의 GHSV는 0.12 내지 6.0 hr-1 일 수 있으며, 바람직하게는 0.6 내지 3.6 hr-1, 또는 0.84 내지 2 hr-1, 또는 1 내지 2 hr-1일 수 있다.In the present invention, the GHSV of the reaction gas supplied to the reaction zone may be 0.12 to 6.0 hr -1 , preferably 0.6 to 3.6 hr -1 , or 0.84 to 2 hr -1 , or 1 to 2 hr -1 Can be

또한, 반응영역으로 주입되는 이송 가스의 GHSV는 예를 들어 수소가스의 경우, 1.2 내지 60 hr-1, 또는 6 내지 30 hr-1, 또는 12 내지 30 hr-1의 범위에서 적절히 선택할 수 있다. In addition, the GHSV of the transport gas injected into the reaction zone can be appropriately selected in the range of 1.2 to 60 hr -1 , 6 to 30 hr -1 , or 12 to 30 hr -1 in the case of hydrogen gas, for example.

다른 구현예에 따르면, 이송 가스는 0.5 내지 50 cm/min의 선속도로 주입될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 40 cm/min 또는 0.5 내지 30 cm/min 또는 0.5 내지 20 cm/min 또는 1 내지 10 cm/min의 선속도로 주입될 수 있다. 이송 가스 주입 선속도는 이송 가스의 종류, 반응관 사이즈, 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.According to another embodiment, the transport gas may be injected at a linear speed of 0.5 to 50 cm/min, and preferably 0.5 to 40 cm/min or 0.5 to 30 cm/min or 0.5 to 20 cm/min or 1 to It can be injected at a linear speed of 10 cm/min. The transfer gas injection linear speed may vary depending on the type of the transfer gas, the size of the reaction tube, and the type of catalyst.

일 구현예에 따르면, 상기 이송 가스(운반 기체)는 불활성 가스, 환원가스 또는 이들의 조합을 사용할 수 있는데, 바람직하게는 수소원자를 함유하는 환원가스를 포함할 수 있다. 환원가스로는 수소, 암모니아 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함하여 사용할 수 있다. According to one embodiment, the transfer gas (carrier gas) may be an inert gas, a reducing gas, or a combination thereof, and preferably may include a reducing gas containing a hydrogen atom. The reducing gas may include hydrogen, ammonia, or a gas containing a mixture thereof.

불활성 가스로 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 기체는 화학적으로 매우 안정하여 전자를 주고 받거나 공유하지 않으려는 성질을 가지므로, 탄소나노튜브(CNT)와의 반응 없이 기체의 유입으로 인해 탄소나노튜브를 유동 및 이동할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. As an inert gas, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, or a gas containing a mixture thereof may be included, and these inert gases are chemically very stable and have a property not to send or receive electrons or share them. Therefore, it can play a role of allowing the carbon nanotubes to flow and move due to the inflow of gas without reacting with the carbon nanotubes (CNT).

바람직한 구현예에 따르면, 탄소나노튜브 섬유 집합체는 화학증착법에 의해 직접 탄소나노튜브섬유를 방사하는 직접 방사법에 의해 제조될 수 있다. 상기 직접방사법(direct spinning)은 고온의 가열로 주입구에 기상 혹은 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 이송(carrier) 가스와 함께 가열로의 출구로 배출되는 탄소나노튜브 집합체를 가열로 내부 또는 외부에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.According to a preferred embodiment, the carbon nanotube fiber aggregate may be produced by a direct spinning method in which carbon nanotube fibers are directly spun by a chemical vapor deposition method. In the direct spinning method, a gaseous or liquid carbon source and a catalyst are injected together with a carrier gas into the inlet of a high-temperature furnace to synthesize carbon nanotubes in the furnace and heated together with the carrier gas. This is a method of obtaining fibers by winding up the carbon nanotube aggregate discharged to the outlet of the furnace inside or outside the furnace.

반응영역의 온도는 1,000℃ 내지 3,000℃일 수 있다. 바람직하게는 1,000℃ 내지 2,000℃ 또는 1,000℃ 내지 1,500℃ 또는 1,000℃ 내지 1,300℃의 온도를 유지할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,150℃ 내지 1,300℃ 일 수 있다. 만약 1000℃ 미만이면, 탄소나노튜브 섬유가 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 그리고, 3000℃를 초과하면 탄소나노튜브가 기화되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위가 바람직하다.The temperature of the reaction zone may be 1,000°C to 3,000°C. Preferably, a temperature of 1,000°C to 2,000°C or 1,000°C to 1,500°C or 1,000°C to 1,300°C may be maintained, and more preferably 1,150°C to 1,300°C. If it is less than 1000 ℃, there may be a problem that the carbon nanotube fibers are not formed. In addition, the above range is preferable since there may be a problem in that carbon nanotubes are vaporized when it exceeds 3000°C.

한편, 상기 반응관의 표면온도와 내부온도의 차(Δθ)는 53℃ 이하, 예컨대 -3℃ 내지 53℃, 특히, 가열로 입구 영역에서 Δθ를 25℃ 내지 53℃, 예컨대 30℃ 내지 45℃의 정도로 조절할 때 반응관내 회전유동의 발생을 최소화할 수 있다.On the other hand, the difference (Δθ) between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube is 53°C or less, such as -3°C to 53°C, particularly, Δθ at the entrance region of the furnace is 25°C to 53°C, such as 30°C to 45°C. When adjusted to the degree of, the occurrence of rotational flow in the reaction tube can be minimized.

생성된 탄소나노튜브 섬유는 권취(winding) 되어 수거될 수 있다. 권취 속도는 섬유내 탄소나노튜브가 섬유축 방향으로 배향되는데 영향을 주게 되어, 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정한다. 바람직하게는, 1 내지 100 m/min 범위에서 권취할 수 있다.The produced carbon nanotube fibers may be wound and collected. The winding speed affects the orientation of the carbon nanotubes in the fiber in the fiber axis direction, and determines the thermal, electrical, and physical properties of the carbon nanotube fibers. Preferably, it can be wound in the range of 1 to 100 m/min.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예 1: 탄소나노튜브 섬유의 합성Example 1: Synthesis of carbon nanotube fibers

페로센 촉매 전구체를 0.06-0.08 g/hr, 황 촉매 활성제를 0.01-0.03 g/hr의 속도로 기화하여 투입하고, 탄소화합물로서 메탄을 1~2 hr-1의 GHSV로, 이송 가스(수소)는 25-30 hr-1의 GHSV로 수직 원통형 반응관(내경: 0.065m)의 상단에 유입시켰다. 이때, 하기 표 1 나타낸 바와 같이 반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부의 영역 모두에서 상기 반응관의 표면온도와 내부온도를 조절하여 그 차이(Δθ)를 53℃ 이하가 되도록 함으로써, 하기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 0 내지 42 미만으로 유지하면서 반응을 수행하였다.The ferrocene catalyst precursor was vaporized at a rate of 0.06-0.08 g/hr and a sulfur catalyst activator was added at a rate of 0.01-0.03 g/hr, and methane as a carbon compound was added to a GHSV of 1 to 2 hr -1 , and the transport gas (hydrogen) was It was introduced into the top of a vertical cylindrical reaction tube (inner diameter: 0.065m) with a GHSV of 25-30 hr -1 . At this time, as shown in Table 1 below, by adjusting the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, in both the inlet of the heating furnace and the area inside the reaction tube, the difference (Δθ) is 53°C By so as to be, while maintaining the Richardson number (Richardson number, Ri ) defined by the following Equation 1 to less than 0 to 42, the reaction was performed.

이어서, 반응관 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브 섬유를 보빈(bobbin)으로 구성된 권취수단으로 감았다. Subsequently, the carbon nanotube fibers discharged to the outlet at the bottom of the reaction tube were wound with a winding means composed of a bobbin.

[수학식 1] [Equation 1]

Ri = Gr/Re2 Ri = Gr/Re 2

상기 식에서,In the above formula,

Gr은 (d3gβΔθ)/(ν2)으로부터 산출되는 그라쇼프수(Grashof number)이고Gr is the Grashof number calculated from (d 3 gβΔθ)/(ν 2 )

Re는 wd/ν로부터 산출되는 레이놀즈수(Reynolds number)이며,Re is the Reynolds number calculated from wd/ν,

여기서, d는 반응관의 내경, g는 중력가속도, β는 탄소원을 함유한 반응 가스의 열팽창계수, Δθ는 반응관의 표면온도와 내부온도의 차, ν는 동점성 계수, 및 w는 탄소원을 함유한 반응 가스의 유속이다.Where d is the inner diameter of the reaction tube, g is the gravitational acceleration, β is the thermal expansion coefficient of the reaction gas containing a carbon source, Δθ is the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube, ν is the kinematic viscosity coefficient, and w is the carbon source. It is the flow rate of the contained reaction gas.

비교예 1: 탄소나노튜브 섬유의 합성Comparative Example 1: Synthesis of carbon nanotube fibers

하기 표 1 나타낸 바와 같이 반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부의 모든 영역에서 상기 반응관의 표면온도와 내부온도를 비롯한 변수들을 조절하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정으로 탄소나노튜브 섬유를 합성하였다. As shown in Table 1 below, except for controlling variables including the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube in all regions between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, the inlet of the heating furnace, and the interior of the reaction tube, Carbon nanotube fibers were synthesized in the same process.

하기 표 1에는 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 제조에 있어서 수학식 1의 리차드슨수(Ri)를 얻는데 사용된 변수들 및 그 결과를 나타내었다.Table 1 below shows the variables used to obtain the Richardson number ( Ri ) of Equation 1 in the production of carbon nanotube fibers according to Examples and Comparative Examples and their results.

[표 1a][Table 1a]

Figure pat00001
Figure pat00001

[표 1b][Table 1b]

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, 도 3은 실시예 및 비교예에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차에 의한 회전 유동 발생 여부를 보여주는 것이다.In addition, Figure 3 shows whether or not rotational flow occurs due to the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube in Examples and Comparative Examples.

표 1 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예는 반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부, 특히 가열로 입구에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차(Δθ)를 53℃ 이하로 조절하여 하기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Ri#)를 42 미만으로 유지한 결과, 회전 유동이 형성되지 않은 반면, 비교예에서는 특히 가열로 입구 영역에서 온도 차이(Δθ)가 53℃를 초과함에 따라 그라쇼프수(Gr#) 및 이에 따른 리차드슨수(Ri#)가 증가됨에 따라 회전 유동이 발생되었다.As can be seen in Table 1 and Figure 3, the embodiment is the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, the inlet of the heating furnace and the inside of the reaction tube, especially at the inlet of the heating furnace ) Was adjusted to 53° C. or less to maintain the Richardson number ( Ri #) defined by Equation 1 below to be less than 42, and as a result, rotational flow was not formed, whereas in the comparative example, the temperature difference (Δθ ) Exceeded 53° C., the rotational flow was generated as the Grashof number (Gr#) and thus the Richardson number ( Ri #) increased.

이러한 결과는 반응관 내경이 동일한 상황에서 온도 차이(Δθ)가 클수록 부력 효과가 커짐으로써 반응 영역의 회전 유동의 발생 가능성이 높아짐을 입증하는 것이다.This result proves that the greater the temperature difference (Δθ) in the situation where the inner diameter of the reaction tube is the same, the greater the buoyancy effect increases, thereby increasing the possibility of the occurrence of rotational flow in the reaction zone.

한편, 하기의 표 2는 실시예 및 비교예에 따른 리차드슨수(Ri) 및 그 조건하에서 제조된 탄소나노튜브 섬유의 인장강도를 나타낸 것이다. 인장 강도는 Textechno사의 FAVIMAT+ 장비를 이용하여, load cell 범위는 210cN, Gauge length는 2.0cm 및 속도는 2mm/min의 조건으로 측정하였다. On the other hand, Table 2 below shows the Richardson number ( Ri ) according to Examples and Comparative Examples and the tensile strength of carbon nanotube fibers manufactured under the conditions. Tensile strength was measured using Textechno's FAVIMAT+ equipment, the load cell range was 210cN, the gauge length was 2.0cm, and the speed was 2mm/min.

[표 2][Table 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 표 2로부터 볼 수 있는 바와 같이, 리차드슨수(Ri)를 42 미만으로 유지시켜 회전 유동이 발생하지 않은 실시예 1의 경우 비교예에 비해 평균 인장 강도가 약 2.8배 향상되었다. 이는 상기 리차드슨수의 범위에서 반응관 내 회전유동이 억제되어 기류 형성이 안정적이 되었기 때문이다. As can be seen from Table 2, in the case of Example 1 in which rotational flow did not occur by maintaining the Richardson number Ri below 42, the average tensile strength was improved by about 2.8 times compared to the Comparative Example. This is because the rotational flow in the reaction tube was suppressed in the range of the Richardson number, so that airflow formation became stable.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above, specific parts of the present invention have been described in detail, and for those of ordinary skill in the art, it is obvious that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Therefore, it will be said that the practical scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (11)

탄소원을 포함하는 반응가스를 촉매 또는 촉매 전구체 및 이송 가스와 함께 가열로가 구비된 반응관에 주입하여 탄소나노튜브의 연속집합체인 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법에 있어서,
반응관 입구와 가열로 입구 사이, 상기 가열로 입구 및 반응관 내부의 영역에서 반응관의 표면온도 및 내부온도의 차를 53℃ 이하로 조절하여 하기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 42 미만으로 유지시킴으로써 회전 유동을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법:
[수학식 1]
Ri = Gr/Re2
상기 식에서,
Gr은 (d3gβΔθ)/(ν2)으로부터 산출되는 그라쇼프수(Grashof number)이고
Re는 wd/ν로부터 산출되는 레이놀즈수(Reynolds number)이며,
여기서, d는 반응관의 내경, g는 중력가속도, β는 탄소원을 함유한 반응 가스의 열팽창계수, Δθ는 반응관의 표면온도와 내부온도의 차, ν는 동점성 계수, 및 w는 탄소원을 함유한 반응 가스의 유속이다.
In the method of producing a carbon nanotube fiber, which is a continuous aggregate of carbon nanotubes, by injecting a reaction gas containing a carbon source into a reaction tube equipped with a heating furnace together with a catalyst or a catalyst precursor and a transfer gas,
The difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube between the inlet of the reaction tube and the inlet of the heating furnace, in the area of the inlet of the heating furnace and the inside of the reaction tube, is adjusted to 53°C or less, and the Richardson number defined by the following equation (1) Ri ) a method for producing a carbon nanotube fiber, characterized in that the rotational flow is suppressed by maintaining below 42:
[Equation 1]
Ri = Gr/Re 2
In the above formula,
Gr is the Grashof number calculated from (d 3 gβΔθ)/(ν 2 )
Re is the Reynolds number calculated from wd/ν,
Where d is the inner diameter of the reaction tube, g is the gravitational acceleration, β is the thermal expansion coefficient of the reaction gas containing a carbon source, Δθ is the difference between the surface temperature and the internal temperature of the reaction tube, ν is the kinematic viscosity coefficient, and w is the carbon source. It is the flow rate of the contained reaction gas.
제1항에 있어서,
상기 반응관의 표면온도와 내부온도의 차(Δθ)가 -3℃ 내지 53℃의 범위로 조절하여, 상기 수학식 1로 정의되는 리차드슨수(Richardson number, Ri)를 0 내지 42 미만으로 유지하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법
The method of claim 1,
By the difference (Δθ) of the surface temperature and internal temperature of the reaction tube adjusted in the range of -3 ℃ to 53 ℃, for holding the Richardson number (Richardson number, Ri), which is defined by the equation (1) in a range from 0 to 42 Method for producing a carbon nanotube fiber
제1항에 있어서,
상기 반응관의 반응영역은 1,000℃ 내지 3,000℃로 가열되는 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The reaction zone of the reaction tube is a method of producing a carbon nanotube fiber heated to 1,000 ℃ to 3,000 ℃.
제1항에 있어서,
상기 이송 가스가 수소가스, 암모니아가스 또는 이들의 혼합가스를 포함하는 환원가스를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a carbon nanotube fiber, wherein the transfer gas includes a reducing gas including hydrogen gas, ammonia gas, or a mixture gas thereof.
제1항에 있어서,
상기 이송 가스가 불활성 가스를 더 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a carbon nanotube fiber wherein the transfer gas further includes an inert gas.
제1항에 있어서,
상기 탄소원이 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon source is methane, ethylene, acetylene, methylacetylene, vinylacetylene, ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethylacetic acid, diethyl ether, polyethylene glycol, ethylformate, mesitylene, tetrahydrofuran (THF ), dimethylformamide (DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, and a method for producing a carbon nanotube fiber comprising at least one selected from the group consisting of pentane.
제1항에 있어서,
상기 촉매 또는 촉매 전구체가 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for producing a carbon nanotube fiber wherein the catalyst or catalyst precursor comprises at least one selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, and oxides thereof.
제1항에 있어서,
상기 촉매 또는 촉매 전구체와 함께 황 원소, 황 함유 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 촉매 활성제를 더 주입하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method for producing a carbon nanotube fiber to further inject a catalyst activator selected from elemental sulfur, a sulfur-containing compound, and combinations thereof together with the catalyst or catalyst precursor.
제8항에 있어서,
상기 촉매 활성제가 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤, 페닐티올, 디페닐술피드, 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 및 이들의 조합으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 8,
The catalytic activator is a carbon nanotube comprising a compound selected from methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, phenylthiol, diphenylsulfide, pyridine, quinoline, benzothiophene, thiophene, and combinations thereof Methods of making fibers.
제1항에 있어서,
상기 촉매 또는 촉매 전구체가 메탈로센 형태인 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for producing carbon nanotube fibers in which the catalyst or catalyst precursor is in the form of metallocene.
제1항에 있어서,
상기 반응가스의 GHSV(Gas Hourly Space Velocity)가 0.12 내지 6.0 hr-1의 범위, 상기 이송 가스의 GHSV가 1.2 내지 60 hr-1의 범위에서 선택되는 것인 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for producing a carbon nanotube fiber, wherein the reaction gas has a GHSV (Gas Hourly Space Velocity) of 0.12 to 6.0 hr -1 , and the transfer gas GHSV of 1.2 to 60 hr -1 .
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