Three types of commercially available polyacrylonitrile (PAN) fibers such as Hyosung (HS), Blue star (BS), and Jilin (JL) fibers were stabilized by continuous system and followed by carbonization at 1050 °C with heating rates of 2 and 10 °C/min in a tubular furnace. To investigate structures of resulting carbon fibers (CFs), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy were performed. Without regarding heating rate in carbonization and types of PAN fibers, structural properties were not significantly different. However, a lower heating rate resulted in higher tensile strength with all types of PAN fibers. CFs based on HS PAN fibers showed tensile strength of ~4.1 and ~2.6 GPa with heating rates of 2 and 10 °C/min, respectively. Tensile modulus also increased with a lower heating rate, and the values of HS CFs are ~253 (2 °C/min) to ~196 GPa (10 °C/min). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed that CFs prepared with slow heating contained higher content of sp3 even though there was no significant different in carbon content. These suggest that chemical structure play an important role in mechanical properties of CFs.

세 종류의 상용 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유인 효성(HS), Blue star(BS) 그리고 Jilin(JL) 섬유를 연속식 안정화를 거쳐 안정화 섬유를 제조한 후 튜브형로 내에서 2 및 10 °C/min의 탄화 속도로 1050 °C에서 탄화하였다. 제조된 탄소섬유의 구조분석을 위하여, X-ray diffraction(XRD) 및 Raman 분광기를 실행하였다. 승온속도와 PAN 섬유의 종류에 관계없이 구조 특성은 크게 다르지 않았다. 그러나 승온속도가 낮을 때 세 종류의 섬유 모두 인장강도가 증가하는 경향을 보였다. 효성 섬유로 제조된 탄소섬유는 승온속도가 2와 10 °C/min일 때 각각 ~4.1와 ~2.6 GPa의 인장강도를 나타내었다. 인장 탄성률은 또한 낮은 승온속도로 탄화한 섬유가 더 높은 값을 가졌고, 효성 탄소섬유의 값은 ~253(2 °C/min)와 ~196 GPa(10 °C/min)이었다. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 분석을 통하여 승온속도에 따라 탄소함량의 큰 차이는 없었으나 낮은 승온속도로 처리한 탄소섬유가 더 높은 sp3 구조 함량을 갖는 것을 확인하였다. 이는 탄소섬유의 화학적 구조가 기계적 물성에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

Keywords: polyacrylonitrile; stabilization; carbonization; carbon fiber; tensile properties