WO2022114288A1 - Carbon fiber coated with silicon carbide, method for manufacturing same, and method for recycling carbon fiber - Google Patents

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김우식
탁우성
황진욱
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한국세라믹기술원
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Abstract

Provided is a method for manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide. The method for manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide may comprise the steps of: preparing a carbon fiber; coating the surface of the carbon fiber with graphene oxide; coating, with silicon oxide, the carbon fiber that has been coated with the graphene oxide; and heat-treating the carbon fiber that has been coated with the silicon oxide and the graphene oxide so as to form a silicon carbide layer on the surface of the carbon fiber.

Description

탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유, 그 제조 방법, 및 탄소 섬유의 재활용 방법Carbon fiber coated with silicon carbide, manufacturing method thereof, and recycling method of carbon fiber
본 출원은 탄소 섬유에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유, 그 제조 방법, 및 탄소 섬유의 재활용 방법에 관련된 것이다. The present application relates to carbon fibers, and more particularly, to carbon fibers coated with silicon carbide, a manufacturing method thereof, and a recycling method of carbon fibers.
탄소섬유 복합소재는 탄소섬유의 뛰어난 성형성과 고온에서의 높은 강도를 조합하여 목적에 맞게 설계한 고기능성 재료이다. 고강도, 고탄성 소재인 탄소섬유는 항공기, 우주 왕복선 및 구조재 등에 고부가 복합소재의 핵심 재료로 이용되고 있으며, 일반적으로 탄소섬유 복합소재는 탄소섬유를 보강재로 수지, 세라믹, 금속 등을 모재로 사용하며, 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP), 탄소섬유강화세라믹(Carbon Fiber Reinforced Ceramic, CFRC), 탄소섬유강화금속(Carbon Fiber Reinforced Metal, CFRM) 등이 있다. Carbon fiber composite material is a high-functional material designed for the purpose by combining the excellent formability of carbon fiber and high strength at high temperature. Carbon fiber, a high-strength, high-elastic material, is used as a core material for high-value-added composite materials in aircraft, space shuttles, and structural materials. There are Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP), Carbon Fiber Reinforced Ceramic (CFRC), and Carbon Fiber Reinforced Metal (CFRM).
탄소섬유 복합소재의 초기 도입시기인 1970년대~1980년대에는 높은 가격으로 인해 항공기의 구조재, 고급 낚시대 및 골프 샤프트와 같은 매우 한정된 품목에서만 적용되다가 점차 확대되고 있으며, 탄소 섬유와 관련된 다양한 연구개발이 진행되고 있다. In the 1970s and 1980s, when carbon fiber composite materials were initially introduced, they were applied only to very limited items such as aircraft structural materials, high-quality fishing rods and golf shafts due to high prices, and then gradually expanded. is becoming
예를 들어, 대한민국 등록특허 공보 10-2178734에는, (a) 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체 및 탄소나노섬유 전구체를 포함하는 방사용액을 제조하는 단계, (b) 방사용액을 전기방사하여 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 탄소나노섬유를 제조하는 단계, (c) 탄소나노섬유를 열처리하는 단계, 및 (d) 열처리가 완료된 탄소나노섬유를 에칭하는 단계,를 포함하며, (c) 단계에서, 제1 금속 전구체는 산화되어 제1 금속 산화물이 되고, 제2 금속 전구체는 환원되어 제2 금속 나 노입자가 되며, (d) 단계에서, 염산, 질산, 황산, 불산, 인산, 수산화칼슘 및 수산화나트륨 중 선택되는 어느 하나를 에칭액으로 사용하여, 제1 금속 산화물 또는 제2 금속 나노 입자를 선택적으로 에칭하고, 제1 금속 산화물이 선택적으로 에칭된 후, 제1 금속 산화물이 위치하던 부분에 나노공극(nanopore)이 형성되거나, 제2 금속 나노 입자가 선택적으로 에칭된 후, 제2 금속 나노 입자가 위치하던 부분에 나노공극(nanopore)이 형성되는, 탄소나노섬유 복합체의 제조방법이 개시되어 있다. For example, in Korean Patent No. 10-2178734, (a) preparing a spinning solution including a first metal precursor, a second metal precursor, and a carbon nanofiber precursor, (b) electrospinning the spinning solution Preparing carbon nanofibers including a first metal precursor and a second metal precursor, (c) heat-treating the carbon nanofibers, and (d) etching the heat-treated carbon nanofibers, ( In step c), the first metal precursor is oxidized to become a first metal oxide, the second metal precursor is reduced to become second metal nanoparticles, and in step (d), hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid , using any one selected from calcium hydroxide and sodium hydroxide as an etchant to selectively etch the first metal oxide or the second metal nanoparticles, and after the first metal oxide is selectively etched, the first metal oxide is located A method for producing a carbon nanofiber composite, in which nanopores are formed in the portion, or after the second metal nanoparticles are selectively etched, nanopores are formed in the portion where the second metal nanoparticles were located has been disclosed.
한편, 탄소 섬유의 사용이 확대됨에 따라서, 탄소 섬유를 재활용하기 위한 기술 개발 역시 필요한 실정이다.On the other hand, as the use of carbon fibers expands, technology development for recycling carbon fibers is also required.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present application is to provide a carbon fiber coated with silicon carbide and a method for manufacturing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 탄소 섬유의 재활용 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present application is to provide a method for recycling carbon fibers.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 열적 안정성이 우수한 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유, 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present application is to provide a carbon fiber coated with silicon carbide having excellent thermal stability, and a method for manufacturing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 부직포 및 필터로 활용할 수 있는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유, 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present application is to provide a carbon fiber coated with silicon carbide that can be used as a nonwoven fabric and a filter, and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 출원은, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법이 제공된다. In order to solve the above-described technical problems, the present application provides a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법은, 탄소 섬유를 준비하는 단계, 상기 탄소 섬유의 표면에 그래핀 산화물을 코팅하는 단계, 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유 상에 실리콘 산화물을 코팅하는 단계, 및 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 탄소 섬유의 표면 상에 탄화 규소층을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method for manufacturing the silicon carbide-coated carbon fiber includes preparing a carbon fiber, coating the graphene oxide on the surface of the carbon fiber, and the graphene oxide-coated carbon fiber Coating the silicon oxide on the silicon oxide, and heat-treating the carbon fiber coated with the silicon oxide and the graphene oxide, it may include the step of generating a silicon carbide layer on the surface of the carbon fiber.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유는 재활용 탄소 섬유인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the carbon fiber may include recycled carbon fiber.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유를 준비하는 단계는, 상기 재활용 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 재활용 탄소 섬유를 디사이징(desizing)하고 상기 재활용 탄소 섬유의 표면 상의 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the preparing of the carbon fiber may include heat-treating the recycled carbon fiber, desizing the recycled carbon fiber and removing impurities on the surface of the recycled carbon fiber. have.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유 상에 상기 실리콘 산화물을 코팅하는 단계는, 실리콘 전구체 및 촉매가 혼합된 실리콘 소스 용액을 제조하는 단계, 및 상기 실리콘 산화물 소스 용액에 상기 탄소 섬유를 침지시키는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the coating of the silicon oxide on the carbon fiber includes preparing a silicon source solution in which a silicon precursor and a catalyst are mixed, and immersing the carbon fiber in the silicon oxide source solution. may include
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물 소스 용액을 제조하는 단계는, 상기 촉매 및 제1 베이스 용매를 혼합하여 촉매 용액을 제조하는 단계, 상기 실리콘 전구체 및 제2 베이스 용매를 혼합하여 실리콘 용액을 제조하는 단계, 및 상기 촉매 용액 및 상기 실리콘 용액을 혼합하여, 상기 실리콘 산화물 소스 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the preparing of the silicon oxide source solution includes preparing a catalyst solution by mixing the catalyst and a first base solvent, and preparing a silicon solution by mixing the silicon precursor and the second base solvent. and mixing the catalyst solution and the silicon solution to prepare the silicon oxide source solution.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매는, NH4OH를 포함하고, 상기 실리콘 전구체는 TEOS를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the catalyst may include NH 4 OH, and the silicon precursor may include TEOS.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 용매 및 상기 제2 베이스 용매는 에탄올을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first base solvent and the second base solvent may include ethanol.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물 소스 용액에 상기 탄소 섬유가 침지된 후 상온에서 교반되어, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유 상에 코팅되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, after the carbon fiber is immersed in the silicon oxide source solution and stirred at room temperature, it may include coating the silicon oxide on the carbon fiber.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유의 표면에 상기 그래핀 산화물을 코팅하는 단계는, 상기 그래핀 산화물이 분산된 그래핀 산화물 소스 용액을 제조하는 단계, 및 상기 탄소 섬유를 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 제공한 후, 열처리하면서 교반하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the coating of the graphene oxide on the surface of the carbon fiber may include preparing a graphene oxide source solution in which the graphene oxide is dispersed, and applying the carbon fiber to the graphene oxide source solution. After providing to, it may include a step of stirring while heat-treating.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 열처리하는 온도는, 상기 탄소 섬유를 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 제공한 후 열처리하는 온도보다 높은 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the temperature for heat-treating the carbon fiber coated with the silicon oxide and the graphene oxide may include a temperature higher than a temperature for heat-treating the carbon fiber after providing the carbon fiber to the graphene oxide source solution. .
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유가 열처리되어, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄화 규소층으로 변환되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the carbon fiber coated with the silicon oxide and the graphene oxide may be heat-treated to convert the silicon oxide into the silicon carbide layer.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유를 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a carbon fiber coated with silicon carbide.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유는, 탄소 섬유, 및 상기 탄소 섬유의 표면 상의 탄화 규소층을 포함하되, 상기 탄소 섬유는 재활용 탄소 섬유인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the carbon fiber coated with silicon carbide may include a carbon fiber and a silicon carbide layer on a surface of the carbon fiber, wherein the carbon fiber is a recycled carbon fiber.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 멤브레인을 제공한다. In order to solve the above technical problem, the present application provides a membrane.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤브레인은, 상술된 실시 예들에 따른 상기 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유가 복수로 제공되어, 서로 네트워크를 구성하는 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the membrane may include providing a plurality of carbon fibers coated with silicon carbide according to the above-described embodiments to form a network with each other.
본 출원의 실시 예에 따르면, 탄소 섬유의 표면에 그래핀 산화물을 코팅하고, 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유 상에 실리콘 산화물을 코팅하고, 및 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 탄소 섬유의 표면 상에 탄화 규소층이 생성될 수 있다. According to an embodiment of the present application, a surface of a carbon fiber is coated with graphene oxide, a silicon oxide is coated on the carbon fiber coated with the graphene oxide, and the silicon oxide and the graphene oxide are coated. By heat-treating the carbon fiber, a silicon carbide layer may be formed on the surface of the carbon fiber.
이로 인해, 상기 그래핀 산화물 및 상기 실리콘 산화물이 반응하여 형성된 상기 탄화 규소층이 상기 탄소 섬유의 표면 상에 실질적으로 균일한 두께로 형성될 수 있고, 이에 따라, 상기 탄화 규소층이 코팅된 상기 탄소 섬유는, 고온의 산화 분위기에서 안정적으로 특성을 유지할 수 있고, 부직포, 필터 등 다양한 산업 분야에서 용이하게 활용될 수 있다.Due to this, the silicon carbide layer formed by reacting the graphene oxide and the silicon oxide may be formed with a substantially uniform thickness on the surface of the carbon fiber, and thus, the carbon coated with the silicon carbide layer Fibers can stably maintain properties in a high-temperature oxidizing atmosphere, and can be easily utilized in various industrial fields such as nonwoven fabrics and filters.
뿐만 아니라, 상술된 바와 같이, 상기 탄소 섬유는 재활용 탄소 섬유일 수 있고, 이에 따라, 폐기되는 탄소 섬유를 재활용하여 산업 폐기물의 처리 비용을 절약할 수 있는, 친환경적인 탄소 섬유의 재활용 방법이 제공될 수 있다.In addition, as described above, the carbon fiber may be recycled carbon fiber, and thus, an eco-friendly recycling method of carbon fiber that can be recycled to save the disposal cost of industrial waste by recycling the discarded carbon fiber will be provided. can
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 제1 기능기의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a view for explaining a process of forming a first functional group in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 제2 기능기의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 3 is a view for explaining a process of forming a second functional group in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 그래핀 산화물의 코팅 방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 4 is a view for explaining a method of coating graphene oxide in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 실리콘 산화물 소스 용액의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining a method of manufacturing a silicon oxide source solution in the method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 6은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 실리콘 산화물의 코팅 방법을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining a method of coating silicon oxide in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 7은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 8은 본 출원의 실험 예에 따른 재활용 탄소 섬유 및 그래핀 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다.8 is a FE-SEM photograph of recycled carbon fibers and graphene oxide-coated carbon fibers according to an experimental example of the present application.
도 9는 본 출원의 실험 예에 따른 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다.9 is an FE-SEM photograph of a carbon fiber coated with graphene oxide and silicon oxide according to an experimental example of the present application.
도 10은 본 출원의 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다.10 is an FE-SEM photograph of a carbon fiber coated with silicon carbide according to an experimental example of the present application.
도 11은 본 출원의 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 열적 안정성을 설명하기 위한 TGA 곡선이다.11 is a TGA curve for explaining the thermal stability of a carbon fiber coated with silicon carbide according to an experimental example of the present application.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in this specification, 'and/or' is used in the sense of including at least one of the components listed before and after.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features, number, step, configuration It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in this specification, "connection" is used in a sense including both indirectly connecting a plurality of components and directly connecting a plurality of components.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 제1 기능기의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 제2 기능기의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 그래핀 산화물의 코팅 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 실리콘 산화물 소스 용액의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법에서 실리콘 산화물의 코팅 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application, and FIG. 2 is a first method for manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application It is a view for explaining a process of forming a functional group, FIG. 3 is a view for explaining a process of forming a second functional group in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application, FIG. 4 is It is a view for explaining a method of coating graphene oxide in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application, and FIG. 5 is a manufacturing method of carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application It is a view for explaining a method of manufacturing a silicon oxide source solution in the method, and FIG. 6 is a view for explaining a method of coating silicon oxide in a method of manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application, FIG. 7 is a view for explaining a carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application.
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄소 섬유(100)가 준비된다(S110). 1 and 2, the carbon fiber 100 is prepared (S110).
일 실시 예에 따르면 상기 탄소 섬유(100)는 재활용 탄소 섬유일 수 있다. According to an embodiment, the carbon fiber 100 may be recycled carbon fiber.
일반적으로, 탄소 섬유는 우수한 경량성과 열전도성으로 고성능 기계 구조재료, 항공기 등의 용도로 폭넓게 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 탄소 섬유는 가격이 비싸고, 탄소 섬유의 생산에 많은 에너지가 필요하며, 폐기된 탄소 섬유는 연소되지 않기 때문에 회수 및 재활용이 필요하다. 또한, 500℃ 이상의 산화 분위기에서 탄소 섬유는 심각한 산화 현상을 보인다는 단점이 있다. 이에 따라, 본 출원의 실시 예에 따르면, 폐기된 탄소 섬유를 활용하는 방법, 즉 탄소 섬유의 재활용 방법이 제공된다. In general, carbon fiber has the advantage that it can be widely used for high-performance mechanical structural materials, aircraft, etc. due to its excellent light weight and thermal conductivity. However, carbon fibers are expensive, require a lot of energy to produce carbon fibers, and because the discarded carbon fibers are not combusted, recovery and recycling are required. In addition, there is a disadvantage that carbon fibers show a serious oxidation phenomenon in an oxidizing atmosphere of 500° C. or higher. Accordingly, according to an embodiment of the present application, a method of utilizing discarded carbon fibers, that is, a method of recycling carbon fibers is provided.
상술된 바와 같이, 상기 탄소 섬유(100)가 재활용 탄소 섬유인 경우, 상기 탄소 섬유(100)를 준비하는 단계는, 상기 재활용 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 재활용 탄소 섬유를 디사이징(desizing)하고 상기 재활용 탄소 섬유의 표면 상의 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. As described above, when the carbon fiber 100 is a recycled carbon fiber, the step of preparing the carbon fiber 100 is heat-treating the recycled carbon fiber, desizing the recycled carbon fiber and the It may include removing impurities on the surface of the recycled carbon fiber.
이에 따라, 후술되는 바와 같이, 상기 탄소 섬유(100)의 표면에 그래핀 산화물(130) 및 실리콘 산화물이 용이하게 그리고 균일하게 코팅될 수 있다. Accordingly, as will be described later, graphene oxide 130 and silicon oxide may be easily and uniformly coated on the surface of the carbon fiber 100 .
계속해서 도 2를 참조하면, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 제1 기능기(110)가 형성될 수 있다. 상기 제1 기능기(110)는 도 2에 도시된 것과 같이, OH기를 포함할 수 있다. Continuing to refer to FIG. 2 , the first functional group 110 may be formed on the surface of the carbon fiber 100 . As shown in FIG. 2 , the first functional group 110 may include an OH group.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 상기 제1 기능기(110)를 형성하는 단계는, 전처리 용액을 준비하는 단계, 및 상기 전처리 용액을 상기 탄소 섬유(100)에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전처리 용액은 황산 및 질산을 포함하는 혼합 산성 용액일 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 산성 용액은, 황산 및 질산이 3:1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.According to an embodiment, the forming of the first functional group 110 on the surface of the carbon fiber 100 includes preparing a pretreatment solution, and providing the pretreatment solution to the carbon fiber 100 . may include the step of For example, the pretreatment solution may be a mixed acidic solution including sulfuric acid and nitric acid. Specifically, the mixed acid solution may be a mixture of sulfuric acid and nitric acid in a volume ratio of 3:1.
상기 혼합 산성 용액이 상기 탄소 섬유(100)에 제공되는 경우, 상기 혼합 산성 용액에 포함된 황산 및 질산에 의해 상기 탄소 섬유(100) 표면 결합 구조가 파괴되면서, 파괴된 결합 구조 사이로 황산 및 질산에 포함되어 있던 O 및 H가 결합되어, 상기 제1 기능기(110)가 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소 섬유(100)의 표면이 용이하게 개질될 수 있고, 결과적으로, 상기 탄소 섬유(100)의 표면에 상기 제1 기능기(110)가 용이하게 형성될 수 있다. When the mixed acid solution is provided to the carbon fiber 100, the surface bonding structure of the carbon fiber 100 is destroyed by the sulfuric acid and nitric acid contained in the mixed acid solution, and sulfuric acid and nitric acid are interposed between the destroyed bonding structures. O and H included therein may be combined to form the first functional group 110 on the surface of the carbon fiber 100 . Accordingly, the surface of the carbon fiber 100 may be easily modified, and as a result, the first functional group 110 may be easily formed on the surface of the carbon fiber 100 .
도 3을 참조하면, 상기 탄소 섬유(100)의 표면에 상기 제1 기능기(110)를 형성한 후, 제2 기능기(120)가 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 기능기(120)는 도 3에 도시된 것과 같이, 아민기를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3 , after the first functional group 110 is formed on the surface of the carbon fiber 100 , a second functional group 120 may be formed on the surface of the carbon fiber 100 . . As shown in FIG. 3 , the second functional group 120 may include an amine group.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 상기 제2 기능기(120)를 형성하는 단계는, 아민기를 갖는 베이스 용액을 준비하는 단계, 및 상기 베이스 용액 내에 상기 탄소 섬유(100)를 침지시키고 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 용액은, 에틸렌디아민(ethylene diamine) 및 증류수의 혼합 용액일 수 있고, 상기 탄소 섬유(100)가 상기 베이스 용액 내에 침지된 후 약 70℃에서 10시간 동안 반응될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 기능기(120)가 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 용이하게 형성될 수 있다. According to an embodiment, the forming of the second functional group 120 on the surface of the carbon fiber 100 includes preparing a base solution having an amine group, and the carbon fiber 100 in the base solution. ) may include the step of immersion and heat treatment. For example, the base solution may be a mixed solution of ethylene diamine and distilled water, and after the carbon fiber 100 is immersed in the base solution, it may be reacted at about 70° C. for 10 hours. Accordingly, the second functional group 120 may be easily formed on the surface of the carbon fiber 100 .
상기 제2 기능기(120)가 형성된 후, 상기 탄소 섬유(100)는 세척 및 건조될 수 있다. After the second functional group 120 is formed, the carbon fiber 100 may be washed and dried.
계속해서, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 탄소 섬유(100)의 표면에 그래핀 산화물(130)이 코팅될 수 있다(S120).Continuingly, referring to FIGS. 1 and 4 , the graphene oxide 130 may be coated on the surface of the carbon fiber 100 ( S120 ).
상술된 바와 같이, 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅되기 전, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 상기 제1 기능기(110) 및 상기 제2 기능기(120)가 먼저 제공될 수 있다. 즉, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 제공된 상기 제2 기능기(120, 예를 들어, 아민기)와 상기 그래핀 산화물(130)이 결합되면서, 상기 그래핀 산화물(130)이 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 용이하게 코팅될 수 있다. As described above, before the graphene oxide 130 is coated, the first functional group 110 and the second functional group 120 may be first provided on the surface of the carbon fiber 100 . . That is, as the second functional group 120 (eg, an amine group) provided on the surface of the carbon fiber 100 and the graphene oxide 130 are combined, the graphene oxide 130 forms the carbon It can be easily coated on the surface of the fiber 100 .
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유(100) 상에 상기 그래핀 산화물(130)을 코팅하는 단계는, 상기 그래핀 산화물(130)이 분산된 그래핀 산화물 소스 용액을 제조하는 단계, 및 상기 탄소 섬유(100)를 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 제공한 후 열처리하면서 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 섬유(100)가 제공된 상기 그래핀 산화물 소스 용액은 약 80℃에서 5시간 동안 교반될 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 그래핀 산화물(130)이 증류수에 혼합되어, 상기 그래핀 산화물 소스 용액이 제조될 수 있다. According to an embodiment, the coating of the graphene oxide 130 on the carbon fiber 100 includes preparing a graphene oxide source solution in which the graphene oxide 130 is dispersed, and the carbon After providing the fiber 100 to the graphene oxide source solution, it may include agitating while heat-treating. For example, the graphene oxide source solution provided with the carbon fibers 100 may be stirred at about 80° C. for 5 hours. Also, for example, the graphene oxide 130 may be mixed with distilled water to prepare the graphene oxide source solution.
도 1, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100) 상에 실리콘 산화물이 코팅될 수 있다(S130). 1, 5, and 6 , silicon oxide may be coated on the carbon fiber 100 coated with the graphene oxide 130 ( S130 ).
상기 그래핀 산화물(130)의 표면은 OH기를 포함할 수 있고, 상기 실리콘 산화물이 상기 그래핀 산화물(130) 표면의 OH기와 결합되어, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유(100) 상에 코팅될 수 있다.The surface of the graphene oxide 130 may include an OH group, and the silicon oxide may be combined with an OH group on the surface of the graphene oxide 130 so that the silicon oxide may be coated on the carbon fiber 100 . have.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유(100) 상에 상기 실리콘 산화물을 코팅하는 단계는, 실리콘 전구체 및 촉매가 혼합된 실리콘 소스 용액(230)을 제조하는 단계, 및 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230)에 상기 탄소 섬유(100)를 침지시키고 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230) 내에 상기 탄소 섬유(100)가 침지된 후, 상온에서 교반되어, 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100) 상에 상기 실리콘 산화물이 코팅될 수 있다. According to an embodiment, the coating of the silicon oxide on the carbon fiber 100 includes preparing a silicon source solution 230 in which a silicon precursor and a catalyst are mixed, and the silicon oxide source solution 230 . It may include the step of immersing the carbon fiber 100 in and stirring. According to an embodiment, after the carbon fiber 100 is immersed in the silicon oxide source solution 230 and stirred at room temperature, the graphene oxide 130 is coated on the carbon fiber 100 . Silicon oxide may be coated.
또한, 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230)을 제조하는 단계는, 상기 촉매 및 제1 베이스 용매를 혼합하여 촉매 용액(210)을 제조하는 단계, 상기 실리콘 전구체 및 제2 베이스 용매를 혼합하여 실리콘 용액(220)을 제조하는 단계, 및 상기 촉매 용액(210) 및 상기 실리콘 용액(220)을 혼합하여, 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는, NH4OH를 포함할 수 있고, 상기 제1 베이스 용매는 물 및 에탄올을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 실리콘 전구체는 TEOS를 포함할 수 있고, 상기 제2 베이스 용매는 에탄올을 포함할 수 있다. In addition, the preparing of the silicon oxide source solution 230 includes preparing the catalyst solution 210 by mixing the catalyst and the first base solvent, and mixing the silicon precursor and the second base solvent to obtain a silicon solution ( 220 ), and mixing the catalyst solution 210 and the silicon solution 220 to prepare the silicon oxide source solution 230 . For example, the catalyst may include NH 4 OH, and the first base solvent may include water and ethanol. Also, for example, the silicon precursor may include TEOS, and the second base solvent may include ethanol.
상기 촉매에 의해, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유(100) 상에 코팅되는 과정에서, 염기성 분위기가 조성될 수 있고, 이로 인해, 상기 실리콘 산화물이 입자 형태로 용이하게 형성될 수 있다. 반면, 본 출원의 실시 예와 달리, 상기 촉매가 산성 분위기를 조성하는 경우 씨드 반응이 지배적으로 진행되어 상기 실리콘 산화물이 섬유 형태로 생성될 수 있다. By the catalyst, in the process of coating the silicon oxide on the carbon fiber 100 , a basic atmosphere may be created, and thus, the silicon oxide may be easily formed in the form of particles. On the other hand, unlike the embodiment of the present application, when the catalyst creates an acidic atmosphere, the seed reaction predominantly proceeds so that the silicon oxide may be produced in the form of fibers.
만약, 본 출원의 실시 예와 달리, 상기 실리콘 산화물이 입자 형태가 아닌 섬유 형태로 형성되는 경우, 섬유 형태의 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유(100)와 완전히 접촉되지 않을 수 있다. 즉, 일부 영역이 상기 탄소 섬유(100)와 이격될 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 섬유(120)의 표면 상에 후술되는 탄화 규소층이 균일한 두께로 그리고 전체적으로 형성되지 않을 수 있다. If, unlike the embodiment of the present application, when the silicon oxide is formed in the form of fibers rather than particles, the silicon oxide in the form of fibers may not completely contact the carbon fibers 100 . That is, some regions may be spaced apart from the carbon fiber 100 . In this case, a silicon carbide layer to be described later on the surface of the carbon fiber 120 may not be formed with a uniform thickness and as a whole.
하지만, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 산화물이 입자 형태로 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 형성될 수 있고, 이로 인해, 후술되는 탄화 규소층이 균일한 두께로 상기 탄소 섬유(100)의 전면에 형성될 수 있다. However, according to the embodiment of the present application, the silicon oxide may be formed on the surface of the carbon fiber 100 in the form of particles, and thus, a silicon carbide layer to be described later has a uniform thickness on the carbon fiber 100 ) can be formed on the front side of
또한, 만약, 상술된 본 출원의 실시 예와 달리, 상기 실리콘 전구체가 상기 촉매 용액(210)에 바로 첨가되는 경우, 상기 촉매 용액(210)과 곧바로 반응하면서, 가수분해, 물, 알코올 중합 및 축합 반응을 통해, 상기 실리콘 산화물의 입자가 형성될 수 있고, 이로 인해 상기 실리콘 산화물의 입자가 응집될 수 있다. In addition, if, unlike the above-described embodiment of the present application, when the silicon precursor is directly added to the catalyst solution 210 , it reacts directly with the catalyst solution 210 , while hydrolysis, water, alcohol polymerization and condensation Through the reaction, particles of the silicon oxide may be formed, and thereby the particles of the silicon oxide may be aggregated.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 촉매 용액(210) 및 상기 실리콘 전구체를 포함하는 상기 실리콘 용액(220)을 별도로 제조한 이후, 상기 촉매 용액(210) 및 상기 실리콘 용액(220)을 혼합하여 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230)을 제조하고, 상기 실리콘 산화물 소스 용액(230)을 이용하여 상기 탄소 섬유(100) 상에 상기 실리콘 산화물이 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소 섬유(100) 상에 제공된 상기 실리콘 산화물의 입자가 서로 응집되지 않고, 실질적으로 균일하게 분산된 형태로 제공될 수 있고, 결과적으로, 상기 탄소 섬유(100) 상에 후술되는 상기 탄화 규소층(150)이 균일한 두께로 형성될 수 있다. However, as described above, according to an embodiment of the present application, after separately preparing the catalyst solution 210 and the silicon solution 220 including the silicon precursor, the catalyst solution 210 and the silicon solution The silicon oxide source solution 230 may be prepared by mixing 220 , and the silicon oxide may be coated on the carbon fiber 100 using the silicon oxide source solution 230 . Accordingly, the silicon oxide particles provided on the carbon fiber 100 do not agglomerate with each other and may be provided in a substantially uniformly dispersed form, and as a result, the carbon fiber 100 described later The silicon carbide layer 150 may be formed to have a uniform thickness.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)가 상기 실리콘 산화물 소스 용액(130)과 교반되고, 세척 및 건조되는 과정을 복수회 반복 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 균일하게 코팅될 수 있다. According to an embodiment, the process in which the carbon fiber 100 coated with the graphene oxide 130 is stirred with the silicon oxide source solution 130, washed, and dried may be repeated a plurality of times. Accordingly, the silicon oxide may be uniformly coated on the surface of the carbon fiber 100 .
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)를 열처리하여, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 탄화 규소층(150)이 생성될 수 있다. 구체적으로, 상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물(130)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)가 열처리되는 과정에서, 상기 실리콘 산화물과 상기 그래핀 산화물(130) 및/또는 상기 탄소 섬유(100)의 탄소가 반응하여 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 상기 탄화 규소층(150)이 형성될 수 있다. Continuingly, referring to FIG. 1 , by heat-treating the carbon fiber 100 coated with the silicon oxide and the graphene oxide 130 , a silicon carbide layer 150 is formed on the surface of the carbon fiber 100 . can be created Specifically, in the process of heat-treating the carbon fiber 100 coated with the silicon oxide and the graphene oxide 130 , the silicon oxide and the graphene oxide 130 and/or the carbon fiber 100 . Carbon may react to form the silicon carbide layer 150 on the surface of the carbon fiber 100 .
구체적으로, 아래의 <화학식 1> 및 <화학식 2>의 과장을 통해, 상기 탄화 구소층(150)이 형성될 수 있다. Specifically, through the exaggeration of <Formula 1> and <Formula 2> below, the carbonized structure layer 150 may be formed.
<화학식 1><Formula 1>
SiO2 -> 2SiOSiO 2 -> 2SiO
<화학식 2><Formula 2>
SiO + C -> SiC + 2COSiO + C -> SiC + 2CO
상술된 바와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르면, 상기 탄소 섬유(100) 상에 상기 제1 기능기(110) 및 상기 제2 기능기(120)가 순차적으로 형성된 후, 상기 그래핀 산화물(130)이 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 형성될 수 있고, 이로 인해, 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 상기 그래핀 산화물(130)이 실질적으로 콘포말하게 코팅될 수 있다. 이로 인해, 상기 그래핀 산화물(130) 및 상기 실리콘 산화물이 반응하여 형성된 상기 탄화 규소층(150)이 상기 탄소 섬유(100)의 표면 상에 실질적으로 균일한 두께로 형성될 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present application, after the first functional group 110 and the second functional group 120 are sequentially formed on the carbon fiber 100 , the graphene oxide 130 ) may be formed on the surface of the carbon fiber 100 , and thus, the graphene oxide 130 may be substantially conformally coated on the surface of the carbon fiber 100 . Accordingly, the silicon carbide layer 150 formed by reacting the graphene oxide 130 and the silicon oxide may be formed on the surface of the carbon fiber 100 to have a substantially uniform thickness.
이에 따라, 상기 탄화 규소층(150)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)는, 고온의 산화 분위기에서 안정적으로 특성을 유지할 수 있고, 부직포, 필터 등 다양한 산업 분야에서 용이하게 활용될 수 있다. Accordingly, the carbon fiber 100 coated with the silicon carbide layer 150 may stably maintain properties in a high-temperature oxidizing atmosphere, and may be easily utilized in various industrial fields such as nonwoven fabrics and filters.
또한, 상기 탄화 규소층(150)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)는 용액 코팅 공정 및 열처리 공정으로 형성될 수 있고, 이로 인해, 상기 탄화 규소층(150)이 코팅된 상기 탄소 섬유(100)의 제조 공정 비용이 절약될 수 있고, 간소한 장비를 이용하여 높은 수율로 제조될 수 있다. In addition, the carbon fiber 100 coated with the silicon carbide layer 150 may be formed by a solution coating process and a heat treatment process, and thereby, the carbon fiber 100 coated with the silicon carbide layer 150 . The cost of the manufacturing process can be saved, and it can be manufactured in high yield using simple equipment.
뿐만 아니라, 상술된 바와 같이, 상기 탄소 섬유(100)는 재활용 탄소 섬유일 수 있고, 이에 따라, 폐기되는 탄소 섬유를 재활용하여 산업 폐기물의 처리 비용을 절약할 수 있는, 친환경적인 탄소 섬유의 재활용 방법이 제공될 수 있다. In addition, as described above, the carbon fiber 100 may be a recycled carbon fiber, and thus, an eco-friendly recycling method of carbon fiber, which can reduce the processing cost of industrial waste by recycling the discarded carbon fiber can be provided.
이하, 본 출원의 구체적인 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법, 및 특성 평가 결과가 설명된다. Hereinafter, a method for manufacturing a carbon fiber coated with silicon carbide according to a specific experimental example of the present application, and a characteristic evaluation result will be described.
실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조Preparation of carbon fiber coated with silicon carbide according to an experimental example
재활용 탄소 섬유를 준비하고, 400℃에서 2시간 동안 열처리하여 디사이징하고, 불순물을 제거하였다. Recycled carbon fibers were prepared, sized by heat treatment at 400° C. for 2 hours, and impurities were removed.
이후, 황산 및 질산이 3:1의 부피비로 혼합된 전처리 용액을 이용하여, 상기 탄소 섬유의 표면을 개질하여, 상기 탄소 섬유의 표면에 OH기를 형성하였다. Thereafter, the surface of the carbon fiber was modified using a pretreatment solution in which sulfuric acid and nitric acid were mixed in a volume ratio of 3:1 to form OH groups on the surface of the carbon fiber.
이후, 에틸렌디아민을 증류수의 10v%로 첨가한 베이스 용액을 제조하고, OH기가 형성된 상기 탄소 섬유를 상기 베이스 용액에 첨가하고 70℃에서 10시간 동안 반응시킨 후, 세척 및 건조하여, 상기 탄소 섬유의 표면에 아민기를 형성하였다. Thereafter, a base solution was prepared in which ethylenediamine was added in an amount of 10v% of distilled water, and the carbon fiber having OH groups was added to the base solution and reacted at 70° C. for 10 hours, washed and dried, An amine group was formed on the surface.
증류수에 그래핀 산화물이 0.5mg/ml인 그래핀 산화물 소스 용액을 제조하고, 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 침지시킨 후 80℃에서 5시간 동안 교반하여, 상기 탄소 섬유의 표면 상에 상기 그래핀 산화물을 코팅하였다. A graphene oxide source solution having 0.5 mg/ml of graphene oxide in distilled water was prepared, immersed in the graphene oxide source solution, and stirred at 80° C. for 5 hours, on the surface of the carbon fiber, the graphene oxide was coated.
에탄올, NH4OH, 및 증류수를 혼합하여 촉매 용액을 제조하고, 실리콘 전구체인 TEOS 및 증류수를 혼합하여 실리콘 용액을 제조하였다. 상기 촉매 용액 및 상기 실리콘 용액을 혼합하여 실리콘 산화물 소스 용액을 제조하고, 상기 실리콘 산화물 소스 용액에 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 침지시킨 후, 상온에서 3시간 동안 교반하고, 세척 및 건조하여 실리콘 산화물을 상기 탄소 섬유의 표면 상에 코팅하였다. A catalyst solution was prepared by mixing ethanol, NH 4 OH, and distilled water, and a silicone solution was prepared by mixing TEOS, a silicon precursor, and distilled water. A silicon oxide source solution is prepared by mixing the catalyst solution and the silicon solution, the carbon fiber coated with the graphene oxide is immersed in the silicon oxide source solution, and then stirred at room temperature for 3 hours, washed and dried Thus, silicon oxide was coated on the surface of the carbon fiber.
이후, 튜브 퍼니스에서 1500℃ 온도조건에서 3시간 동안 열처리하여, 탄화 규소로 코팅된 탄소 섬유를 제조하였다. Thereafter, heat treatment was performed in a tube furnace at 1500° C. for 3 hours to prepare carbon fibers coated with silicon carbide.
도 8은 본 출원의 실험 예에 따른 재활용 탄소 섬유 및 그래핀 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다. 8 is a FE-SEM photograph of recycled carbon fibers and graphene oxide-coated carbon fibers according to an experimental example of the present application.
도 8을 참조하면, 상술된 실험 예에 따른 재활용 탄소 섬유 및 그래핀 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진을 촬영하였다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 재활용 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이고, 도 8의 (b)는 그래핀 산화물이 코팅된 탄소 섬유이 FE-SEM 사진이다. Referring to FIG. 8 , FE-SEM pictures of recycled carbon fibers and graphene oxide-coated carbon fibers according to the above-described experimental examples were taken. Specifically, (a) of FIG. 8 is an FE-SEM photograph of recycled carbon fibers, and (b) of FIG. 8 is an FE-SEM photograph of carbon fibers coated with graphene oxide.
도 8에서 알 수 있듯이, 재활용 탄소 섬유의 표면에 그래핀 산화물이 코팅된 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 8 , it can be confirmed that graphene oxide is coated on the surface of the recycled carbon fiber.
도 9는 본 출원의 실험 예에 따른 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다. 9 is an FE-SEM photograph of a carbon fiber coated with graphene oxide and silicon oxide according to an experimental example of the present application.
도 9를 참조하면, 상술된 실험 예에 따른 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유, 및 그래핀 산화물 없이 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진을 촬영하였다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이고, 도 9의 (b)는 및 그래핀 산화물 없이 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다. Referring to FIG. 9 , FE-SEM pictures of carbon fibers coated with graphene oxide and silicon oxide according to the above-described experimental examples, and carbon fibers coated with silicon oxide without graphene oxide were taken. Specifically, (a) of FIG. 9 is an FE-SEM photograph of a carbon fiber coated with graphene oxide and silicon oxide, and (b) of FIG. 9 is an FE- of a carbon fiber coated with silicon oxide without graphene oxide. This is an SEM picture.
도 9에서 알 수 있듯이, 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 탄소 섬유의 표면 상에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다. 반면, 그래핀 산화물이 생략되는 경우, 실리콘 산화물이 균일하지 않게 코팅되는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 9 , it can be confirmed that graphene oxide and silicon oxide are uniformly coated on the surface of the carbon fiber. On the other hand, when the graphene oxide is omitted, it can be seen that the silicon oxide is coated non-uniformly.
도 10은 본 출원의 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진이다. 10 is an FE-SEM photograph of a carbon fiber coated with silicon carbide according to an experimental example of the present application.
도 10을 참조하면, 상술된 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 FE-SEM 사진을 촬영하였다. 구체적으로, 도 10의 (a)는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 표면을 촬영한 FE-SEM 사진이고, 도 10의 (b)는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 단면을 촬영한 FE-SEM 사진이다. Referring to FIG. 10 , an FE-SEM photograph of the carbon fiber coated with silicon carbide according to the above-described experimental example was taken. Specifically, (a) of FIG. 10 is a FE-SEM photograph of the surface of the carbon fiber coated with silicon carbide, and FIG. It's a photo.
도 10에서 알 수 있듯이, 열처리 후, 탄소 섬유의 표면 상에 탄화 규소층이 콘포말하게 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해, 재활용 탄소 섬유가 고온의 산화 분위기에서 안정적인 특성을 유지할 것으로 기대된다. As can be seen from FIG. 10 , it can be confirmed that the silicon carbide layer is conformally formed on the surface of the carbon fiber after heat treatment, and thus, the recycled carbon fiber is expected to maintain stable properties in an oxidizing atmosphere at a high temperature.
도 11은 본 출원의 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 열적 안정성을 설명하기 위한 TGA 곡선이다. 11 is a TGA curve for explaining the thermal stability of a carbon fiber coated with silicon carbide according to an experimental example of the present application.
도 11을 참조하면, 상술된 실험 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조에서, 400℃에서 2시간 동안 열처리하여 디사이징되고 불순물이 처리된 재활용 탄소 섬유, 전처리 용액을 이용하여 표면이 개질된 탄소 섬유, 그래핀 산화물 및 실리콘 산화물이 코팅된 탄소 섬유, 및 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유에 대해서 질소 가스 분위기에서 5℃/min의 승온 속도로, TGA 측정을 수행하였다. Referring to FIG. 11 , in the production of silicon carbide-coated carbon fiber according to the above-described experimental example, the surface is modified using a recycled carbon fiber sized and impurity treated by heat treatment at 400° C. for 2 hours, and a pretreatment solution TGA measurement was performed on carbon fibers coated with graphene oxide and silicon oxide, and carbon fibers coated with silicon carbide at a temperature increase rate of 5° C./min in a nitrogen gas atmosphere.
도 11에서 알 수 있듯이, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 경우, 600℃의 고온까지 실질적인 변화 없이, 안정적으로 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유가 고온 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 11 , in the case of the carbon fiber coated with silicon carbide, it can be confirmed that the properties are stably maintained without substantial change up to a high temperature of 600°C. That is, it can be confirmed that the carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application has high temperature stability.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments and should be construed according to the appended claims. In addition, those skilled in the art will understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
본 출원의 실시 예에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유는 고 기능성을 가져, 부직포, 필터 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있고, 폐기된 탄소 섬유를 효과적으로 재활용할 수 있다. The carbon fiber coated with silicon carbide according to an embodiment of the present application has high functionality, and thus can be used in various industrial fields such as nonwoven fabrics and filters, and the discarded carbon fibers can be effectively recycled.

Claims (13)

  1. 탄소 섬유를 준비하는 단계;preparing carbon fiber;
    상기 탄소 섬유의 표면에 그래핀 산화물을 코팅하는 단계;coating the graphene oxide on the surface of the carbon fiber;
    상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유 상에 실리콘 산화물을 코팅하는 단계; 및coating silicon oxide on the carbon fiber coated with the graphene oxide; and
    상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 탄소 섬유의 표면 상에 탄화 규소층을 생성하는 단계를 포함하는, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. Heat-treating the carbon fiber coated with the silicon oxide and the graphene oxide, comprising the step of generating a silicon carbide layer on the surface of the carbon fiber, a method for producing a silicon carbide-coated carbon fiber.
  2. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 탄소 섬유는 재활용 탄소 섬유인 것을 포함하는, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. The carbon fiber is a method for producing a carbon fiber coated with silicon carbide, comprising that of a recycled carbon fiber.
  3. 제2 항에 있어서, 3. The method of claim 2,
    상기 탄소 섬유를 준비하는 단계는, The step of preparing the carbon fiber,
    상기 재활용 탄소 섬유를 열처리하여, 상기 재활용 탄소 섬유를 디사이징(desizing)하고 상기 재활용 탄소 섬유의 표면 상의 불순물을 제거하는 단계를 포함하는, 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. Heat-treating the recycled carbon fiber, desizing the recycled carbon fiber (desizing) and removing impurities on the surface of the recycled carbon fiber, a method of producing a silicon carbide-coated carbon fiber.
  4. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 탄소 섬유 상에 상기 실리콘 산화물을 코팅하는 단계는, The step of coating the silicon oxide on the carbon fiber,
    실리콘 전구체 및 촉매가 혼합된 실리콘 소스 용액을 제조하는 단계; 및preparing a silicon source solution in which a silicon precursor and a catalyst are mixed; and
    상기 실리콘 산화물 소스 용액에 상기 탄소 섬유를 침지시키는 단계를 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. Method for producing a carbon fiber coated with silicon carbide comprising the step of immersing the carbon fiber in the silicon oxide source solution.
  5. 제4 항에 있어서, 5. The method of claim 4,
    상기 실리콘 산화물 소스 용액을 제조하는 단계는, The step of preparing the silicon oxide source solution,
    상기 촉매 및 제1 베이스 용매를 혼합하여 촉매 용액을 제조하는 단계;preparing a catalyst solution by mixing the catalyst and a first base solvent;
    상기 실리콘 전구체 및 제2 베이스 용매를 혼합하여 실리콘 용액을 제조하는 단계; 및preparing a silicon solution by mixing the silicon precursor and a second base solvent; and
    상기 촉매 용액 및 상기 실리콘 용액을 혼합하여, 상기 실리콘 산화물 소스 용액을 제조하는 단계를 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. Mixing the catalyst solution and the silicon solution, the method of manufacturing a silicon carbide-coated carbon fiber comprising the step of preparing the silicon oxide source solution.
  6. 제5 항에 있어서, 6. The method of claim 5,
    상기 촉매는, NH4OH를 포함하고, The catalyst comprises NH 4 OH,
    상기 실리콘 전구체는 TEOS를 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. The silicon precursor is a method for producing a silicon carbide-coated carbon fiber containing TEOS.
  7. 제5 항에 있어서, 6. The method of claim 5,
    상기 제1 베이스 용매 및 상기 제2 베이스 용매는 에탄올을 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. The first base solvent and the second base solvent are silicon carbide-coated carbon fibers comprising ethanol.
  8. 제4 항에 있어서, 5. The method of claim 4,
    상기 실리콘 산화물 소스 용액에 상기 탄소 섬유가 침지된 후 상온에서 교반되어, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄소 섬유 상에 코팅되는 것을 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. After the carbon fiber is immersed in the silicon oxide source solution and stirred at room temperature, the method for producing a silicon carbide-coated carbon fiber comprising coating the silicon oxide on the carbon fiber.
  9. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 탄소 섬유의 표면에 상기 그래핀 산화물을 코팅하는 단계는, The step of coating the graphene oxide on the surface of the carbon fiber,
    상기 그래핀 산화물이 분산된 그래핀 산화물 소스 용액을 제조하는 단계; 및preparing a graphene oxide source solution in which the graphene oxide is dispersed; and
    상기 탄소 섬유를 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 제공한 후, 열처리하면서 교반하는 단계를 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. After providing the carbon fiber to the graphene oxide source solution, a method for producing a silicon carbide-coated carbon fiber comprising the step of stirring while heat-treating.
  10. 제9 항에 있어서, 10. The method of claim 9,
    상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유를 열처리하는 온도는, 상기 탄소 섬유를 상기 그래핀 산화물 소스 용액에 제공한 후 열처리하는 온도보다 높은 것을 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. The temperature for heat-treating the carbon fiber coated with the silicon oxide and the graphene oxide is higher than the temperature for heat-treating the carbon fiber after providing the carbon fiber to the graphene oxide source solution of the carbon fiber coated with silicon carbide. manufacturing method.
  11. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 실리콘 산화물 및 상기 그래핀 산화물이 코팅된 상기 탄소 섬유가 열처리되어, 상기 실리콘 산화물이 상기 탄화 규소층으로 변환되는 것을 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유의 제조 방법. The silicon oxide and the graphene oxide-coated carbon fiber is heat-treated, and the silicon carbide-coated method of manufacturing a carbon fiber comprising converting the silicon oxide into the silicon carbide layer.
  12. 탄소 섬유; 및carbon fiber; and
    상기 탄소 섬유의 표면 상의 탄화 규소층을 포함하되, A silicon carbide layer on the surface of the carbon fiber,
    상기 탄소 섬유는 재활용 탄소 섬유인 것을 포함하는 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유. The carbon fiber is a carbon fiber coated with silicon carbide, comprising a recycled carbon fiber.
  13. 제12 항에 따른 탄화 규소가 코팅된 탄소 섬유가 복수로 제공되어, 서로 네트워크를 구성하는 멤브레인. A membrane comprising a plurality of carbon fibers coated with silicon carbide according to claim 12 to form a network with each other.
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