Article
  • Properties of Coal-Tar Pitch Based Carbon Fiber with Different Stabilization Conditions

  • Jung-dam Kim and Myung-Soo Kim†

  • Department of Chemical Engineering, Myongji University, Yongin, Gyonggi-do, 17058, Korea

  • 안정화 조건에 따른 석탄계 피치 탄소섬유의 물성

  • 김정담·김명수†

  • 명지대학교 화학공학과

Abstract

The manufacturing process of pitch-based carbon fiber was divided into spinning, stabilization and carbonization. Among them, the stabilization process requires long time and high cost. In order to determine the optimal stabilization conditions, we calculated the stabilization index (SI), which means the degree of stabilization, and investigated the correlation between SI and physical properties of carbonized fibers with changing the stabilization conditions. With the stabilization times of 0 h and 1 h, the stabilization temperatures were changed from SP+0 ℃ to SP+50 ℃, and the resulting stabilized and carbonized fibers were characterized. For tensile properties and electrical conductivity, a stabilization temperature of SP+30 ℃ with 0 h duration and a stabilization temperature of SP+10 ℃ with 1 h duration were determined as the optimal stabilization conditions. At these conditions, the oxygen contents of stabilized fibers, which increased according to the degree of stabilization, were around 7.2%.


피치계 탄소섬유의 제조공정은 방사, 안정화 및 탄화로 나뉘고, 그 중 안정화 공정은 긴 처리시간과 많은 비용을 필요로 한다. 안정화 공정의 최적조건을 결정하기 위하여 안정화가 진행된 정도를 나타내는 SI(stabilization index)를 도입하여 계산하였고, 안정화 조건에 따른 탄화섬유의 물성 변화를 조사하였다. 안정화 시간 0 및 1시간에서, 안정화 온도를 연화점+0~50 ℃로 변화시키면서 안정화섬유 및 탄화섬유의 특성을 분석하였다. 탄화섬유의 기계적 물성 및 전기전도도 특성에 의해 안정화 유지시간 0시간에서 안정화 온도 SP+30 ℃를, 안정화 유지시간 1시간에서 안정화 온도 SP+10 ℃를 최적의 안정화 조건으로 결정하였다. 두 조건에서 안정화 정도에 따라 증가되는 안정화 섬유의 산소의 함량은 약 7.2%이었다.


Keywords: coal-tar pitch, carbon fiber, stabilization, tensile properties, electrical conductivit

서 론

탄소섬유란 일반적으로 탄소 원자의 질량함유율이 80% 이상으로 이루어진 탄소재료로써 알루미늄보다 가벼우며 철보다 강하기 때문에 충돌이나 경량화와 관련된 분야에 다양하게 사용된다.1 또한 기계적, 전기적 특성이 우수하여 단열재나 반도체 분야에서도 다기능 소재로써 사용되고 있다. 탄소섬유의 종류는 원료에 따라 PAN(poly-acrylonitrile)계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유, rayon계 탄소섬유로 나뉜다. 현재 시장에서는 PAN게 탄소섬유가 고강도의 장점으로 90% 이상의 높은 점유율을 보이고 있지만, 스포츠 용품이나 단열재 및 절연체와 같은 대중적인 응용분야에서 높은 가격으로 인해 개발에 제한을 가지고 있다. 반면, 피치계 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유보다 강도는 낮지만, 원가가 저렴하고 탄성률이 높은 특성을 가진다.2 피치계 탄소섬유의 원료는 내부 구조에 따라 이방성인 메조페이스 피치와 등방성 피치로 나눌 수 있다. 등방성 피치를 이용한 탄소섬유는 기계적 물성이 떨어지지만, 가격이 저렴하기 때문에 PAN계 탄소섬유에서 제한이 되었던 대중적인 분야에서 대체재로 사용이 시도되고 있다.3-7
탄소섬유의 제조공정은 간단히 방사, 안정화 및 탄화로 나눌 수 있으며, 그 중 안정화 공정은 제조 과정에서 긴 시간을 소비하기 때문에 고비용이 요구된다. 따라서 이전의 연구들은 안정화 시간과 온도 및 승온속도에 따른 물성 변화를 분석하여 안정화 조건의 확립을 목적으로 연구가 진행되어왔으며, 최근에서는 안정화가 진행된 정도를 의미하는 SI(stabilization index)를 도입하여 섬유의 주요 물성 중 기계적 물성과의 상관관계에 대한 연구가 진행되어 왔다.8-12 이러한 연구결과에 따르면 PAN계 탄소섬유에서는 SI와 기계적 물성이 비례적 상관관계를 보였으며, 이를 통해 다양한 안정화 조건들이 제시되었다.
본 연구에서는 석탄계 피치의 안정화 조건에 따른 탄소섬유의 물성 변화를 조사하였다. 안정화 온도와 시간을 변화시켜 도입된 산소 함량과 안정화 정도를 의미하는 SI 및 X-ray diffraction(XRD) 분석을 통해 석탄계 탄소섬유의 안정화 조건을 최적화하고자 하였다. PAN계 탄소섬유에서 보고된 SI와 기계적 물성과의 비례적 상관관계가 석탄계 피치 탄소섬유에 적용할 수 있는지 검토해 보았다.

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  • Polymer(Korea) 폴리머
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    ISSN 0379-153X(Print)
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This Article

  • 2018; 42(1): 59-66

    Published online Jan 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.1.59
  • Received on Jun 29, 2017
  • Revised on Aug 1, 2017
  • Accepted on Aug 1, 2017

Correspondence to

  • Myung-Soo Kim

  • Department of Chemical Engineering, Myongji University, Yongin, Gyonggi-do, 17058, Korea

  • E-mail: myungkim@mju.ac.kr