Accelerated Thermostabilization and Effective Carbonization ofElectron-Beam-Irradiated Cellulose Fibers

Abstract

탄소섬유는 일반적으로 제조 비용이 높아, 주로 항공/우주 및 고급 스포츠 산업처럼 기계적 물성이 최우선으로 요구되는 분야에서만 제한적으로 사용된다. 예를 들어 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 기반으로 제조되는 상용 탄소섬유는 전 세계적으로 널리 사용되는데, 이는 가격이 kg 당 20~30 USD 정도로 높은 편이다. 이처럼 높은 탄소섬유 가격이 낮아져야만 다양한 분야에서 탄소섬유를 활용할 수 있기에 관련 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 그런데 PAN 계 탄소섬유의 경우, 전구체 섬유 제조 비용이 전체 생산 단가의 55%나 차지하므로 PAN 대신 저렴한 전구체를 사용하면 효과적으로 탄소섬유의 제조 단가를 낮출 수 있을 것이다. 그리고 이러한 목적을 달성할 수 있는 저비용 탄소섬유 전구체로서 재생 가능한 바이오고분자인 셀룰로스가 연구되고 있다. 그러나 셀룰로스 전구체 섬유는 탄화 과정 중 ~90 wt%의 질량 손실을 겪으므로, 실질적인 셀룰로스의 탄소 수율은 이론상 최대치(44.4 wt%)보다 낮다. 이렇게 낮은 탄소 전환율은 최종적으로 제조되는 셀룰로스계 탄소섬유의 기계적 물성에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있기에, 탄소 수율을 높이는 것이 중요하다. 탄소 수율을 높이는 통상적인 전처리 방법으로 열 안정화 공정이 있는데, 셀룰로스의 경우 충분한 탄소 수율 향상을 달성하기 위해서는 극도로 긴 열 안정화 공정 시간이 요구된다. 이는 공정 비용의 상승을 불러오며, 결과적으로 저렴한 비용으로 탄소섬유를 제작할 수 있다는 셀룰로스의 장점을 잃게 된다. 그러나 열 안정화 공정 이전에 플라즈마 처리와 같은 전처리를 수행하면 탄화 중 질량 손실이 억제될 뿐만 아니라 후속 열 안정화 공정 시간이 크게 단축된다는 사실이 알려져 있다. 이는 플라즈마 처리 시 셀룰로스 구조가 변형되어 이후 산화 가교가 효과적으로 진행되기 때문이다. 본 연구에서는 열 안정화 공정 전에 플라즈마 처리와 비슷한 효과를 낼 수 있는 전처리 방법으로서 전자선 조사 과정을 도입하였고, 그 결과 셀룰로스 전구체 섬유의 탄소 수율을 높이는 동시에 후속 열 안정화 공정 시간을 단축하였다. 전자선 조사의 효과를 확인하기 위해 전자선 처리 후 전구체 섬유에 유도되는 화학 반응과 라디칼 발생을 분석하였으며, 이어지는 열처리 시 전구체 분자 구조 및 열 거동의 변화를 관찰하였다. 전자선 조사 시 셀룰로스 구조의 절단으로 환원 말단기(reducing end group)가 생성되어 후속 열처리 공정 과정 중 탄화 가능한 섬유로 전환되는 것을 확인하였다. 셀룰로스 전구체 섬유에 전자선을 2 MGy 의 선량만큼 조사했을 때 전자선 처리 없이 진행하는 경우보다 후속 열처리 공정 시간이 1000 분 → 100 분으로 단축되었으며, 수율 또한 처리되지 않은 섬유에 비해 15.8% → 35.1%로 크게 증가했다. 이를 통해 전자선 처리에 의해 사전에 유도된 셀룰로스 섬유 내 화학 반응이 셀룰로스계 탄소섬유를 제조하기 위한 시간과 에너지 소비를 효과적으로 줄이고 탄화 수율에 긍정적인 영향을 미침을 확인하였다.