Plasticized Melt-Spinning and Carbonization of Stearic Acid-Functionalized Lignin

Abstract

현재 탄소섬유가 주로 항공 우주 산업 및 고급 스포츠 분야에서 제한적으로 사용되는 것은 전구체 제조 가격이 높기 때문이다. 예를 들어 상용 폴리아크릴로나이트릴 기반 탄소섬유의 경우, 전구체 섬유 제조 비용이 전체 단가의 절반을 상회한다. 따라서 이를 저렴한 전구체로 대체한다면 탄소 섬유의 개발 단가가 낮아지므로, 보다 활발한 탄소섬유의 산업적 활용이 가능할 것으로 예측된다. 이러한 목적으로 식물에서 얻을 수 있는 바이오매스인 리그닌이 주목받고 있다. 펄프 및 제지산업의 공정 부산물인 리그닌은 방향족 고분자로서 높은 탄소함량, 낮은 생산 비용 및 재생 가능한 소재라는 점에서 큰 주목을 받는 폐자원이지만, 대부분 연소되어 버려지고 있다. 따라서 탄소 중립 문제 해결 및 추가 이익 창출을 위해 리그닌을 탄소섬유 제조에 적용함으로써 고부가가치화하는 다양한 연구가 진행 중이다. 단, 리그닌을 탄소섬유로 전환하는 과정 중 열안정화 공정 시 리그닌의 유리 전이 온도는 매우 천천히 상승하기 때문에 열처리 과정 중 섬유끼리 서로 융착되는 문제가 발생하므로 0.05 °C/min 의 느린 승온 속도를 적용해야 한다. 그러나 이와 같은 저속 열안정화 공정 조건은 전체 공정 시간과 에너지 사용량을 과도하게 늘리기 때문에 저가 탄소섬유 제조라는 측면에서 바람직하지 않다. 본 연구에서는 열안정화 전처리 과정으로서 전자선 조사 과정을 도입하여 후속 열안정화 공정의 승온 속도를 2 °C/min 정도로 높이고자 하였다. 이를 위해 긴 알킬기를 가진 스테아르산(stearic acid)으로 기능화된 리그닌을 탄소 섬유의 전구체로 활용하는 한편, 용융 방사 시 스테아르산을 가소제로 첨가함으로써 방사 과정 중 용융체의 열적 안정성을 높여 안정적이고도 직경이 더 가는 섬유를 제조할 수 있었다. 방사된 섬유에 전자선을 2MGy 의 선량만큼 조사한 뒤 가속화된 열안정화 공정을 진행했을 때, 2 시간 정도의 짧은 후속 열처리 공정만으로도 섬유 간 융착없이 열안정화를 달성할 수 있었다. 이렇게 가속화된 안정화 섬유는 탄화 공정을 통해 ~739 MPa 의 인장 강도와 ~65 GPa 의 탄성 계수를 가지는 탄소 섬유로 전환되는 것을 확인할 수 있었으며, 기존 지방산 기능화 리그닌 기반 탄소섬유보다 더 우수한 기계적 물성을 가짐을 확인하였다.