WO2020036356A1 - 염소화 폴리염화비닐로부터 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

염소화 폴리염화비닐로부터 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법 Download PDF

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윤성호
홍성화
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    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12—Carbon; Pitch

Definitions

  • the present invention relates to a carbon fiber formed from chlorinated polyvinyl chloride and a method for producing the same, and more particularly, to a carbon fiber obtained by carbonizing a chlorinated polyvinyl chloride as a starting material and a method for producing the same.
  • Carbon fiber is widely used as a reinforcing fiber for composite materials in general industrial applications such as automobiles, civil engineering, construction, pressure vessels, windmill blades, and high-tech industries such as sports, aviation, and space.
  • carbon fibers using polyacrylonitrile (PAN), pitch and cellulose as precursors are spun onto the precursors to obtain the fibers for the carbon fiber precursors, which are then heated in an oxidizing atmosphere for future carbonization and
  • PAN polyacrylonitrile
  • pitch and cellulose as precursors are spun onto the precursors to obtain the fibers for the carbon fiber precursors, which are then heated in an oxidizing atmosphere for future carbonization and
  • carbon fiber is produced by converting the fiber into a flame resistant fiber through an oxidation stabilization process and carbonizing and graphitizing it by heating in an inert atmosphere.
  • the above-described oxidation stabilization process in the production of carbon fiber proceeds oxidation for a long time in order to express the strength of the produced carbon fiber, and in the case of PAN-based carbon fiber proceeds for a long time in a relatively high stretch state, the production of carbon fiber It is known to be the main cause of the increase in time and manufacturing cost, and also the oxygen functional groups and crosslinking introduced in the oxidation process may cause defects on the surface and inside of the carbon fiber produced during the carbonization and graphitization process. May impair final crystallization and physical properties.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a carbon fiber excellent in mechanical properties and a method for producing the carbon fiber using a chlorinated polyvinyl chloride without undergoing a stabilization process by oxidation.
  • a chlorinated polyvinyl chloride fiber obtained by solution spinning of chlorinated polyvinyl chloride is a product obtained by pre-heating and carbonizing the stretched polyvinyl chloride fiber by stretching it without oxidative stabilization process, and having an average fiber diameter of 1 to 100 ⁇ m. Is provided.
  • the average fiber diameter is 10 to 20 ⁇ m
  • tensile strength is 1000 to 2500MPa
  • tensile modulus is 70 to 140GPa.
  • a method for producing a carbon fiber to produce a carbon fiber having an average fiber diameter of 1 to 100 ⁇ m including the step of carbonizing the pre-heat-treated product at 950 to 2000 °C.
  • FIG 1 shows the results of thermogravimetric analysis of polyvinyl chloride (PVC) and chlorinated polyvinyl chloride (CPVC).
  • FIG. 2 shows the results of thermogravimetric analysis on CPVC fibers obtained by solution spinning according to Example 1.
  • FIG. 3 shows 13 C-NMR spectra of intermediates carbonized at 200 ° C., 400 ° C. and 1000 ° C. of polyvinyl chloride (PVC), chlorinated polyvinyl chloride (CPVC), and CPVC fibers.
  • PVC polyvinyl chloride
  • CPVC chlorinated polyvinyl chloride
  • CPVC fibers CPVC fibers
  • CPVC chlorinated polyvinyl chloride
  • Preparing an elongated chlorinated polyvinyl chloride fiber by performing stretching without the oxidation stabilization process of the chlorinated polyvinyl chloride fiber Preheating the stretched chlorinated polyvinyl chloride fiber at 150 to 450 ° C. under an inert gas atmosphere; And carbonizing the preheat-treated product at 950 to 2000 ° C., there is provided a method of producing carbon fibers for producing carbon fibers having an average fiber diameter of 1 to 100 ⁇ m.
  • chlorinated polyvinyl chloride is first prepared by N, N-dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), tetrahydrofuran (THF), nitric acid, sulfuric acid, dimethyl sulfoxide, and di
  • a solution spinning composition is prepared by adding and mixing to one or more solvents selected from oxane. Solution spinning is performed using the solution spinning composition thus obtained.
  • the content of chlorinated polyvinyl chloride in the solution spinning composition is 1 to 90% by weight, preferably 10 to 50% by weight, more preferably 20 to 35% by weight.
  • the viscosity of the solution spinning composition is from about 10 cP to about 100,000 cP. Devices commonly used in spinning of solutions may be used.
  • a chlorinated polyvinyl chloride known as a flame retardant body is used as a carbon fiber precursor.
  • the CPVC fiber obtained by solution spinning of CPVC is stretched without undergoing an oxidative stabilization process, and preheated and carbonized stretched polyvinyl chloride fiber is obtained. The process is carried out sequentially.
  • the fibrous phase can be maintained during the high temperature heat treatment for carbonization only by performing the preliminary heat treatment without performing the oxidative stabilization process of the CPVC fiber.
  • the carbon fiber obtained according to the manufacturing method of the present invention has a clean surface without the occurrence of defects on the inside and the surface by oxidation, and is an isotropic carbon fiber and has a high fiber axis orientation of graphite crystals similar to PAN-based carbon fibers.
  • the manufacturing cost and manufacturing time can be significantly reduced as compared with the conventional carbon fiber manufacturing method.
  • the physical properties of the starting material CPVC are controlled, and the CPVC fiber before the preheat treatment. You must control the stretching process.
  • the content of chlorine in the chlorinated polyvinyl chloride is 57.7 to 84.5% by weight, for example 63 to 68% by weight and the average degree of polymerization is 400 to 800, for example 600 to 700.
  • the fluidity of the chlorinated polyvinyl chloride is at least 0.005 cc / sec, for example, 0.007 cc / sec to 0.05 cc / sec.
  • the average degree of polymerization of CPVC was obtained by dissolving 200 g of the resin in 50 ml of nitrobenzene and measuring the specific viscosity using a Uberode viscometer in a 30 ° C. thermostatic bath, and calculating it according to JIS-K6720-2.
  • the average fiber diameter of the solution spun chlorinated polyvinyl chloride fibers is in the range of 30 to 100 ⁇ m, for example 35 to 55 ⁇ m.
  • the average fiber diameter of the solution spun chlorinated polyvinyl chloride has the above-described range, it is possible to obtain carbon fibers having excellent mechanical properties while having a desired elongation without partially breaking the fibrous phase in a subsequent process.
  • the solution spun chlorinated polyvinyl chloride fiber is drawn at a temperature of 120 to 150 ° C, for example, 130 to 140 ° C in air.
  • stretching, elongation rate is not specifically limited, The extending
  • the elongation of solution-spun chlorinated polyvinyl chloride is 0.01% to 200%, for example 100 to 200%, for example 150 to 200%, at a temperature of 120 to 150 ° C in air, for example 130 to 140 ° C. Stretch at the elongation rate of.
  • the chlorinated polyvinyl chloride fiber with improved tensile strength can be obtained by controlling to have a desired average fiber diameter range, and the carbon fiber partially broken or finally obtained during carbonization. It is possible to produce a carbon fiber having a smooth surface and excellent mechanical properties such as tensile strength and elastic modulus without a defect or the like.
  • the stretched chlorinated polyvinyl chloride fiber is subjected to a preliminary heat treatment at 150 to 450 ° C., for example 300 to 450 ° C. under an inert gas atmosphere.
  • the preheated product is then carbonized.
  • the carbonizing step refers to a process of high temperature heat treatment of the pre-heated carbon fiber at 950 to 2000 ° C, for example, 950 to 1100 ° C. This carbonization process is carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon.
  • the temperature increase rate during the preliminary heat treatment is 1 to 5 °C / min
  • the pre-heat treatment time is variable depending on the pre-heat treatment temperature, for example 0.1 to 3 hours.
  • the temperature increase rate during high temperature heat treatment is 1 to 50 °C / min
  • the high temperature heat treatment time varies depending on the high temperature heat treatment temperature, for example, is carried out in the range of 0.1 to 3 hours.
  • the stretching process may be performed such that the elongation is 0.1 to 5.0% in the carbonization process.
  • the manufacturing process is simplified, manufacturing cost and time are reduced, and the yield is high.
  • chlorinated polyvinyl chloride fiber obtained by solution spinning of chlorinated polyvinyl chloride is a product obtained by pre-heating and carbonizing the stretched polyvinyl chloride fiber by stretching without stretching the oxidation stabilization process, and having an average fiber diameter of 1 to 100 ⁇ m. Fiber is provided.
  • the carbon fiber can be obtained according to the above-described method for producing carbon fiber.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example 10 to 20 ⁇ m.
  • the tensile strength of the carbon fiber is 1000 to 2500MPa
  • the tensile modulus is 70 to 140GPa not only excellent mechanical properties but also high crystallinity
  • the fiber axis orientation of the carbon or graphite crystals along the fiber axis is high as 60 to 80%.
  • CPVC H-17 grade, Degree of polymerization (DP, JIS K 6720-2): 750 ⁇ 50, chlorine content: 63% by weight, Hanhwa Chemical Co. Ltd.
  • DP Degree of polymerization
  • chlorine content 63% by weight, Hanhwa Chemical Co. Ltd.
  • CPVC H-17 grade, Degree of polymerization (DP, JIS K 6720-2): 750 ⁇ 50, chlorine content: 63% by weight, Hanhwa Chemical Co. Ltd.
  • the carbon fiber precursor solution was wet solution spun in acetone and dried in vacuo at 120 ° C. to obtain CPVC fibers having an average fiber diameter of about 51 ⁇ m.
  • CPVC fiber having an average fiber diameter of about 51 ⁇ m was stretched at 140 ° C. to about 150% to obtain CPVC fiber having an average fiber diameter of 42 ⁇ m, which was then elevated at a temperature increase rate of 3 ° C./minute from a nitrogen atmosphere to 450 ° C.
  • the heat treatment was performed for 30 minutes at 450 °C to perform a pre-heat treatment.
  • the CPVC carbon fiber was manufactured by performing a preliminary pre-heat treatment to a product at a temperature increase rate of 5 ° C./min to 1000 ° C. and heat-treating at this temperature for 10 minutes.
  • the carbon fiber thus produced had an average fiber diameter of 16.2 ⁇ m.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers was measured using a laser measuring instrument (M550A; Anritsu Devices Co.
  • Carbon fibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the elongation of CPVC fibers was changed to 200% during the stretching of CPVC fibers having an average fiber diameter of about 51 ⁇ m.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers produced according to Example 2 was about 14.1 ⁇ m.
  • a carbon fiber was prepared in the same manner as in Example 1, except that CPVC having a chlorine content of about 68% by weight was used as CPVC.
  • the carbon fiber was prepared in the same manner as in Example 1.
  • the preheating process was carried out in the same manner as in Example 1 except that the preheating process was carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature increase rate of 3 ° C./minute up to 300 ° C. and then heat treated at 300 ° C. for 30 minutes. Fibers were prepared.
  • Carbon fibers were prepared in the same manner as in Example 1 except that the stretching process of CPVC fibers having an average fiber diameter of about 51 ⁇ m was performed at 120 ° C. and 150 ° C., respectively.
  • Carbon fibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that CPVC fibers having an average fiber diameter of about 51 ⁇ m were not drawn.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers produced according to Comparative Example 1 was about 21 ⁇ m.
  • Example 1 The carbon fiber precursor solution of Example 1 was attempted to produce carbon fibers using electrospinning instead of wet solution spinning in acetone.
  • Thermogravimetric analysis was performed on polyvinyl chloride (PVC) and chlorinated polyvinyl chloride (CPVC). Thermogravimetric analysis was carried out using a TGA 6300; (EXSTAR SII, SEIKO Co. Ltd., Japan) in a nitrogen atmosphere, temperature rising from 25 °C to 1000 °C (heating rate: 5 °C / min), about 200 mL / min nitrogen It carried out on the conditions supplied. The thermogravimetric analysis results are shown in FIG. 1.
  • CPVC is decomposed by dehydrogenation at 250 to 330 ° C. to form polyene-type molecules and crosslinked three-dimensionally through solid state carbonization at a temperature range of 310 to 650 ° C. To form polycondensed aromatic compounds. And finally it can be seen that the conversion to a carbon material through a heat treatment of 650 °C or more.
  • thermogravimetric analysis was performed on CPVC fibers obtained by solution spinning according to Example 1.
  • Thermogravimetric analysis was performed using TGA 6300; (EXSTAR SII, SEIKO Co. Ltd., Japan) to raise the temperature from 25 ° C to 350 ° C (raising rate: 3 ° C / min and 5 ° C / min). It was carried out under the conditions of feeding at mL / min.
  • the thermogravimetric analysis results are shown in FIG. 2.
  • the weight loss was mainly at 220 to 350 ° C., which is the same as the thermogravimetric analysis performed in the nitrogen atmosphere of CPVC of FIG. 1. From these results, it was confirmed that the CPVC decomposed and converted into a carbon material was made through a solid carbonization process.
  • Chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) and CPVC fibers were subjected to 13 C-NMR analysis of the carbonized intermediate at 1000 ° C.
  • 13 C-NMR was performed using ECA400 (JEOL Co. Ltd.) and the analysis results are shown in FIG. 3. This analysis shows the molecular structure and the carbonization yield of the intermediates when the PVC, CPVC and CPVC fibers are heat treated at 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C and 1000 ° C under nitrogen atmosphere.
  • Electron scanning microscope analysis was performed on the carbon fibers obtained according to Example 1 and the carbon fibers obtained according to Comparative Example 1. Electron scanning microscope analysis was performed at an acceleration voltage of about 10 kV using 6400F (JEOL Co. Ltd., Japan). Electron scanning microscope analysis results of CPVC fibers obtained by solution spinning according to Example 1 and carbon fibers obtained according to Comparative Example 1 are as shown in FIGS. 4 and 5, respectively.
  • Tensile strength, tensile modulus and elongation of carbon fibers prepared according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 were measured according to JIS R 7606: 2000, and the tensile strength was measured by a strength testing apparatus (Tensilon UTM-11-20). It was measured using Orientec Co. Ltd.).

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Abstract

염소화 폴리염화비닐의 용액방사하여 얻은 염소화 폴리염화비닐섬유를, 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 폴리염화비닐 섬유를 예비열처리 및 탄화하여 얻은 생성물이며, 평균섬유 직경이 1 내지 100㎛인 탄소섬유를 제공한다. 또한 산화안정화 없이 기계적 물성이 우수하고 높은 배향도를 갖는 탄소섬유를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

염소화 폴리염화비닐로부터 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법
본 발명은 염소화 폴리염화비닐로부터 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하기로는 출발물질인 염소화 폴리염화비닐을 탄화하여 얻은 탄소섬유와 그 제조방법에 대한 것이다.
탄소섬유는 자동차, 토목, 건축, 압력용기, 풍차 블래이드 등의 일반 산업용도와, 스포츠, 항공, 우주 등의 첨단산업분야에서 복합재료용 보강 섬유로 매우 유용하게 사용되고 있다. 상업화된 탄소섬유 중 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(Pitch) 및 셀룰로오즈를 전구체로 사용하는 탄소섬유는 그 전구체를 방사하여 탄소섬유 전구체용 섬유를 얻은 후 이를 산화성 분위기에서 가열하여 향후의 탄화 및 흑연화 과정에서의 섬유형태의 변형 및 파괴를 방지하기 위해 산화안정화 공정을 거쳐 내염화 섬유로 전환하고 이를 불활성 분위기에서 가열하여 탄화 및 흑연화하는 과정을 거침으로써 탄소섬유로 제조된다.
그런데 탄소섬유 제조시 상술한 산화안정화 공정은 제조한 탄소섬유의 강도를 발현하기 위해 장시간에 걸쳐 산화를 진행하며, PAN계 탄소섬유의 경우 비교적 높은 연신 상태에서 장시간 산화를 진행하므로, 탄소섬유의 제조시간 및 제조비용이 상승되는 주요 원인으로 알려져 있으며, 또한 이런 산화과정에서 도입된 산소관능기 및 가교가 탄화 및 흑연화 과정에서 생성되는 탄소섬유의 표면 및 내부에 결함발생의 원인이 될 수 있어 탄소섬유의 최종 결정화성 및 물성을 저해할 수 있다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 염소화 폴리염화비닐을 이용하여, 산화에 의한 안정화 공정을 거치지 않고서도 기계적 물성이 우수한 탄소섬유와 이 탄소섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는,
염소화 폴리염화비닐의 용액방사하여 얻은 염소화 폴리염화비닐섬유를, 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 폴리염화비닐 섬유을 예비열처리 및 탄화하여 얻은 생성물이며, 평균섬유 직경이 1 내지 100㎛인 탄소 섬유가 제공된다.
상기 평균 섬유직경은 10 내지 20㎛이고, 인장강도가 1000 내지 2500MPa, 인장탄성율이 70 내지 140GPa이다.
본 발명의 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)의 용액 방사를 실시하여 염소화 폴리염화비닐 섬유를 얻는 단계;
상기 염소화 폴리염화비닐 섬유의 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 제조하는 단계;
상기 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 불활성 가스 분위기하에서 150 내지 450℃에서 예비 열처리하는 단계; 및
예비 열처리된 생성물을 950 내지 2000℃에서 탄화하는 단계를 포함하여 평균 섬유직경이 1 내지 100㎛인 탄소 섬유를 제조하는 탄소섬유의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 산화에 의한 안정화 공정을 거치지 않고서도 기계적 물성 및 연신율이 우수한 탄소섬유를 얻을 수 있다.
도 1은 폴리염화비닐(PVC)과 염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)의 열중량 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 용액 방사로 얻은 CPVC 섬유에 대한 열중량 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), CPVC 섬유의 200℃, 400℃ 및 1000℃에서 탄화한 중간체의 13C-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5는 각각 실시예 1에 따라 얻은 탄소섬유와 비교예 1에 따라 얻은 탄소섬유에 대한 전자주사현미경 분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 염소화 폴리비닐염화비닐을 이용하여 얻은 탄소섬유 및 그 제조방법에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)의 용액 방사를 실시하여 염소화 폴리염화비닐 섬유를 얻는 단계; 상기 염소화 폴리염화비닐 섬유의 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 제조하는 단계; 상기 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 불활성 가스 분위기하에서 150 내지 450℃에서 예비 열처리하는 단계; 및 예비 열처리된 생성물을 950 내지 2000℃에서 탄화하는 단계를 포함하여 평균 섬유직경이 1 내지 100㎛인 탄소 섬유를 제조하는 탄소섬유의 제조방법이 제공된다.
CPVC의 용액 방사를 실시하기 위해서는, 먼저 염소화 폴리염화비닐을 N,N-디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 테트라하이드로퓨란(THF), 질산, 황산, 디메틸술폭사이드, 및 디옥산 중에서 선택되는 1종 이상의 용매에 부가 및 혼합하여 용액 방사 조성물을 제조한다. 이렇게 얻어진 용액 방사 조성물을 이용하여 용액 방사를 실시한다.
상기 용액 방사 조성물에서 염소화 폴리염화비닐의 함량은 1 내지 90 중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 35 중량%이다. 그리고 용액 방사 조성물의 점도는 약 10 cP 내지 약 100,000 cP이다. 용액 방사시 통상적으로 사용되는 장치를 이용할 수 있다.
본 발명에서는 탄소섬유 전구체로서 난연신체로 알려진 염소화 폴리염화비닐을 이용하며, CPVC의 용액 방사로 얻은 CPVC 섬유를 산화안정화 공정을 거치지 않고 연신을 실시하고 연신된 폴리염화비닐 섬유를 예비열처리 및 탄화하는 과정을 순차적으로 실시한다. 본 발명의 제조방법에서는 상술한 바와 같이 CPVC 섬유의 산화안정화 공정을 실시하지 않고 예비 열처리를 실시하는 것만으로 탄화를 위한 고온 열처리시 섬유상을 유지할 수 있다. 따라서 본 발명의 제조방법에 따라 얻어진 탄소섬유는 산화에 의한 표면 및 내부의 결함발생이 없고 깨끗한 표면을 지니며, 등방성 탄소섬유이면서도 PAN계 탄소섬유와 유사하게 흑연결정자의 섬유축 배향도가 높아, 비교적 높은 강도 및 탄성율 등 기계적 물성을 나타낼 뿐만 아니라, 종래의 탄소섬유의 제조방법과 비교하여 제조비용 및 제조시간이 크게 줄어들 수 있다.
상술한 바와 같이 CPVC 섬유의 산화안정화 공정을 실시하지 않고 예비 열처리를 실시하는 것만으로 탄화를 위한 고온 열처리시 섬유상을 유지하기 위해서는 출발물질인 CPVC의 물성 등을 제어하고, 상기 예비열처리 이전에 CPVC 섬유의 연신 과정을 조절해야 한다.
상기 염소화 폴리염화비닐에서 염소의 함량은 57.7 내지 84.5 중량%, 예를 들어 63중량% 내지 68중량%이고 평균 중합도는 400 내지 800, 예를 들어 600 내지 700이다. 그리고 염소화 폴리염화비닐의 유동성은 0.005 cc/sec 이상, 예를 들어 0.007cc/sec 내지 0.05 cc/sec이다. 이와 같은 물성을 갖는 염소화 폴리염화비닐을 이용하면 산화안정화 공정 없이 방사성과 열수축 특성이 우수하며 기계적 물성과 연신율이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있다. CPVC의 평균 중합도는 수지 200 g를 니트로벤젠 50 ml에 용해시키고 이 폴리머 용액을 30℃ 항온조 중, 우베로데형 점도계를 이용하여 비점도를 측정하고 JIS-K6720-2에 의해 산출한 것이다.
상기 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐 섬유의 평균 섬유직경은 30 내지 100㎛, 예를 들어 35 내지 55㎛ 범위이다. 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐의 평균 섬유 직경이 상술한 범위를 가질 때 후속의 공정에서 섬유상이 일부 파괴됨이 없이 목적하는 연신율을 가지면서 기계적 물성이 우수한 탄소섬유를 얻을 수 있게 된다.
본 발명에서 상술한 바와 같이 염소화 폴리염화비닐 섬유 제조시 용액 방사를 이용하여 평균 섬유 직경이 1 내지 100㎛이면서 섬유 길이가 수십 cm 이하의 단섬유가 아닌 연속의 장섬유를 제조할 수 있다. 이와 같이 염소화 폴리염화비닐 섬유의 연속성으로 인하여 고분자 수지와 함께 복합재를 제조한 경우 매우 우수한 인장강도를 확보할 수 있다. CPVC에 용액 방사가 아닌 다른 방사법을 이용해서는 상술한 평균 섬유 직경 범위를 만족하면서 연속의 장섬유를 제조하기가 어렵다.
염소화 폴리염화비닐 섬유를 연신하는 단계에서, 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 공기 중 120 내지 150℃, 예를 들어 130 내지 140℃의 온도에서 연신을 실시한다. 연신을 실시할 때 연신율은 특별하게 제한되는 것은 아니며, 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐 섬유가 끊어지지 않는 범위내에서 연신을 실시할 수 있다. 용액방사된 염소화 폴리염화비닐의 연신율은 공기 중 120 내지 150℃의 온도, 예를 들어 130 내지 140℃의 온도에서 0.01% 내지 200%, 예를 들어 100 내지 200%, 예를 들어 150 내지 200%의 연신율로 연신을 실시한다. 이와 같이 예비 열처리를 실시하기 이전에 연신을 실시하면 목적하는 평균 섬유 직경 범위를 갖도록 제어하여 인장강도가 개선된 염소화 폴리염화비닐섬유를 얻을 수 있고 탄화과정에서 섬유상이 일부 파괴되거나 최종적으로 얻어진 탄소섬유에 결함 등이 발생됨이 없이 표면이 매끈하고 인장강도, 탄성율과 같은 기계적 물성이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있다.
연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 불활성 가스 분위기하에서 150 내지 450℃, 예를 들어 300 내지 450℃에서 예비 열처리하는 단계를 실시한다. 이어서 예비열처리된 생성물을 탄화시킨다.
상기 탄화하는 단계는 예비 열처리 된 탄소섬유를 950 내지 2000℃, 예를 들어 950 내지 1100℃에서 고온 열처리하는 과정을 말한다. 이러한 탄화 과정은 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스 분위기에서 실시한다.
상기 예비 열처리 시 승온속도는 1 내지 5℃/min이며, 예비 열처리 시간은 예비 열처리 온도에 따라 가변적이지만, 예를 들어 0.1 내지 3 시간이다. 그리고 고온 열처리 시 승온속도는 1 내지 50℃/min이며, 고온 열처리 시간은 고온 열처리 온도에 따라 달라지지만 예를 들어 0.1 내지 3 시간 범위에서 실시한다.
일 구현 예에 따르면, 탄화 과정에서 연신율이 0.1 ~ 5.0%가 되도록 연신 과정이 수행될 수 있다.
본 발명의 탄소 섬유의 제조방법을 따르면, 다른 탄소섬유 전구체를 이용하는 경우와 비하여 산화안정화 공정을 거치지 않아도 무방하므로 제조공정이 단순화되고 제조비용 및 시간이 절감될 뿐만 아니라, 수율이 높다.
또한 염소화 폴리염화비닐의 용액방사하여 얻은 염소화 폴리염화비닐섬유를, 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 폴리염화비닐 섬유을 예비열처리 및 탄화하여 얻은 생성물이며, 평균섬유 직경이 1 내지 100㎛인 탄소섬유가 제공된다.
상기 탄소섬유는 상술한 탄소섬유의 제조방법에 따라 얻을 수 있다. 탄소섬유의 평균섬유 직경은 1㎛ 내지 100㎛, 예를 들어 10 내지 20㎛이다. 그리고 탄소섬유의 인장강도가 1000 내지 2500MPa, 인장탄성율이 70 내지 140GPa으로 기계적 물성이 매우 우수할 뿐만 아니라 결정화도가 높고 섬유축에 따른 탄소 혹은 흑연 결정자의 섬유축 배향도가 60 내지 80%로 높다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
실시예 1
CPVC(H-17 grade, 중합도(Degree of polymerization)(DP, JIS K 6720-2): 750±50, 염소의 함량: 63중량%, Hanhwa Chemical Co. Ltd.)를 1:1 부피비의 테트라하이드로퓨란과 N,N-디메틸포름아미드의 혼합용매에 용해하여 30 중량%의 탄소섬유 전구체 용액을 제조하였다.
상기 탄소섬유 전구체 용액을 아세톤에서 습식 용액 방사를 실시하고 진공, 120℃에서 건조하여 평균 섬유직경이 약 51μm인 CPVC 섬유를 얻었다. 평균 섬유직경이 약 51 μm인 CPVC 섬유를 140℃에서 약 150%로 연신하여 평균 섬유직경이 42 ㎛인 CPVC 섬유를 얻은 후, 이를 질소분위기에서 450℃까지 3℃/분의 승온속도로 상승하고 450℃에서 30분 동안 열처리하여 예비열처리 과정을 수행하였다. 이어서, 예비 예비열처리 과정을 거친 생성물을 5℃/분의 승온속도로 1000℃까지 올리고 이 온도에서 10분 동안 열처리하여 탄화를 수행함으로써 CPVC 탄소섬유를 제조하였다. 이렇게 제조한 탄소섬유는 평균 섬유직경은 16.2㎛이었다. 탄소섬유의 평균 섬유 직경은 레이저 측정기(laser measuring instrument: M550A; Anritsu Devices Co. Ltd.)를 이용하여 측정하였다.
실시예 2
평균 섬유직경이 약 51㎛인 CPVC 섬유의 연신과정에서 CPVC 섬유의 연신율이 200%로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다. 실시예 2에 따라 제조된 탄소섬유의 평균 섬유 직경은 약 14.1㎛이었다.
실시예 3
CPVC로서 염소의 함량이 약 68중량%인 CPVC를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다.
실시예 4
CPVC의 평균 중합도가 400 내지 500으로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다.
실시예 5
예비열처리 과정이 질소분위기에서 300℃까지 3℃/분의 승온속도로 상승하고 300℃에서 30분 동안 열처리하여 예비열처리 과정을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다.
실시예 6-7
평균 섬유직경이 약 51㎛인 CPVC 섬유의 연신과정이 각각 120℃ 및 150℃에서 실시한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다.
비교예 1
평균 섬유직경이 약 51 μm인 CPVC 섬유의 연신 과정을 거치지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 탄소섬유를 제조하였다. 비교예 1에 따라 제조된 탄소섬유의 평균 섬유 직경은 약 21㎛이었다.
비교예 2
실시예 1의 탄소섬유 전구체 용액을 아세톤에서 습식 용액 방사 대신 전기 방사를 이용하여 탄소섬유를 제조하기 위하여 시도하였다.
그러나 이 제조방법에 따라 전기 방사를 실시하는 경우, 평균 섬유직경이 약 51 μm인 CPVC 섬유를 얻기가 곤란하였다.
평가예 1: 열중량 분석
폴리염화비닐(PVC)와 염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)에 대한 열중량 분석을 실시하였다. 열중량 분석은 TGA 6300;(EXSTAR SII, SEIKO Co. Ltd., Japan)을 이용하여 질소 분위기, 25℃에서 1000℃까지 승온(승온속도: 5℃/min)하고, 질소를 약 200 mL/min으로 공급하는 조건에서 실시하였다. 상기 열중량분석 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하여, CPVC는 250 내지 330℃에서 탈염화 수소화 작용으로 분해되고 폴리엔 타입 분자들을 형성하고 310 내지 650℃의 온도 범위에서 고상 탄화(solid state carbonization)과정을 통하여 3차원적으로 가교된 중축합된 방향족 화합물을 형성한다. 그리고 최종적으로 650℃ 이상의 열처리를 통하여 탄소 물질로 전환된다는 것을 알 수 있었다.
또한 실시예 1에 따라 용액 방사로 얻은 CPVC 섬유에 대한 열중량 분석을 실시하였다. 열중량분석은 TGA 6300;(EXSTAR SII, SEIKO Co. Ltd., Japan)을 이용하여 25℃에서 350℃까지 승온(승온속도: 3℃/min 및 5℃/min).하고, 공기를 약 100 mL/min으로 공급하는 조건에서 실시하였다. 상기 열중량분석 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하여, CPVC 섬유의 산화성 열분해 특성을 살펴본 결과, 중량 손실은 주로 220 내지 350℃에서 나타났고 이는 도 1의 CPVC의 질소 분위기에서 실시하는 열중량 분석 결과와 동일하다. 이러한 결과로부터 CPVC가 분해하여 탄소 물질로 전환되는 것은 고상 탄화 과정을 통하여 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
평가예 2: 탄소 핵자기공명 스펙트럼
염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC), CPVC 섬유를 1000℃에서 탄화한 중간체의 13C-NMR 분석을 실시하였다. 13C-NMR은 ECA400(JEOL Co. Ltd.)을 이용하여 실시하였고 분석 결과를 도 3에 나타내었다. 이 분석을 통하여 PVC, CPVC 및 CPVC 섬유를 질소 분위기하에서 200℃, 300℃, 400℃, 1000℃에서 열처리하는 경우의 중간체의 분자구조 및 탄화수율을 알 수 있다.
도 3을 참조하여, 1000℃의 열처리후에는 CPVC 섬유의 거의 모든 탄소기가 탄소물질로 바뀌어서 방향족 분자들이 약 99.2중량%를 차지하였다.
평가예 3: 전자주사현미경
실시예 1에 따라 얻은 탄소섬유와 비교예 1에 따라 얻은 탄소섬유에 대한 전자주사현미경 분석을 실시하였다. 전자주사현미경 분석은 6400F(JEOL Co. Ltd., Japan)을 이용하여 약 10 kV의 가속전압에서 실시하였다. 실시예 1에 따라 용액 방사로 얻은 CPVC 섬유와 비교예 1에 따라 얻은 탄소섬유에 대한 전자주사현미경 분석 결과는 각각 도 4 및 도 5에 나타난 바와 같다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 얻은 탄소섬유는 비교예 1에 따라 얻은 탄소섬유와 비교하여 탄소섬유의 표면이 매우 균일하고 결함이 거의 없이 매우 매끈한 상태를 갖는다는 것을 알 수 있었다.
평가예 4: 인장강도, 인장탄성율 및 연신율 평가
실시예 1 내지 7 및 비교예 1에 따라 제조된 탄소섬유를 JIS R 7606:2000 에 준하여 인장강도, 인장탄성율 및 연신율을 측정하였고 인장강도는 강도 측정장치(strength testing apparatus: Tensilon UTM-11-20; Orientec Co. Ltd.)를 이용하여 측정하였다.
상기 인장강도, 인장탄성율 및 연신율의 측정 결과는 하기 표 1과 같다.
구 분 인장강도(MPa) 인장탄성율(GPa) 연신율(%)
실시예 1 1400 87 1.6
실시예 2 2050 128 1.6
비교예 1 470 32 1.5
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따라 얻은 탄소섬유는 비교 예1의 경우와 비교하여 인장강도 및 인장탄성율이 개선되었고 연신율도 높다는 것을 알 수 있었다. 또한 실시예 3 내지 7의 탄소섬유에 대한 인장강도 및 인장탄성율은 실시예 1의 경우와 유사한 결과를 나타냈다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 염소화 폴리염화비닐의 용액방사하여 얻은 염소화 폴리염화비닐섬유를, 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 폴리염화비닐 섬유를 예비 열처리 및 탄화하여 얻은 생성물이며, 평균섬유 직경이 1 내지 100㎛인 탄소섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평균 섬유직경이 10 내지 20㎛이고, 인장강도가 1000 내지 2500MPa이며, 인장탄성율이 70 내지 140GPa이고, 배향도가 60 내지 80%인 탄소섬유.
  3. 염소화 폴리염화비닐(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)의 용액 방사를 실시하여 염소화 폴리염화비닐 섬유를 얻는 단계;
    상기 염소화 폴리염화비닐 섬유의 산화안정화 공정 없이 연신을 실시하여 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 제조하는 단계;
    상기 연신된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 불활성 가스 분위기하에서 150 내지 450℃에서 예비 열처리하는 단계; 및
    예비 열처리된 생성물을 950 내지 2000℃에서 탄화하는 단계를 포함하여,
    평균 섬유직경이 1 내지 100㎛인 탄소 섬유를 제조하는 탄소섬유의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 염소화 폴리염화비닐에서 염소의 함량은 57.7 내지 84.5 중량%이고, 평균 중합도는 400 내지 800인 탄소 섬유의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연신하는 단계는 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 120℃ 내지 150℃의 온도에서 0.01% 내지 200% 의 연신율로 연신하는 탄소섬유의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연신하는 단계는 용액 방사된 염소화 폴리염화비닐 섬유를 120℃ 내지 150℃의 온도에서 100% 내지 200%의 연신율로 연신하는 탄소섬유의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 용액방사 된 염소화 폴리염화비닐 섬유의 평균 섬유직경이 30 내지 100㎛인 탄소섬유의 제조방법.
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