Thermostabilization Accelerated by Electron Beam Pretreatment to Fabricate Functionalized Lignin-based Carbon Fibers

Abstract

펄프 및 제지산업의 공정 부산물인 리그닌은 방향족 고분자로서 높은 탄소 함량, 낮은 생산 비용 및 재생 가능한 소재라는 점에서 큰 주목을 받는 목질계 폐자원이지만, 대부분 연소되어 버려지고 있다. 따라서 탄소중립 문제 해결 및 추가 이익 창출을 목적으로 리그닌을 고부가가치화하는 다양한 연구가 행중이다. 이러한 연구의 일환으로 주목받는 것이 리그닌 기반 탄소 섬유 제조인데, 리그닌으로 탄소섬유를 제조하면 상용 탄소 섬유 생산에 전반적으로 사용되는 구체인크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN) 기반 탄소 섬유 대비 제조 가격을 크게 낮출 수 있기 때문이다. 지만 리그닌을 탄소 섬유로 전환하기 위해 수행해야 하는 열안정화 공정의 경우, 리그닌의 느린 유리 전이온도 상승으로 인한 융착 문제를 회피하기 위해 승온 속도가 0.05°C/min 정도로 느려져야 하며, 이는 전체 공정 시간의 과도한 연장과 에너지 사용량 증대의 원인이 된다. 본 연구에서는 열 안정화 전처리 과정으로서 전자선 조사 과정을 도입하여 열 안정화 공정의 승온 속도를 2°C/min 정도로 높이고자 하였다. 이를 위해 스테아르산(stearic acid)으로 기능화된 리그닌을 탄소 섬유의 전구체로 활용하였고, 용융 방사 시 스테아르산을 가소제로 첨가함으로써 방사 과정 중 용융체의 열적 안정성을 높여 안정적인 섬유 제조를 가능하게 하였다. 방사된 섬유에 열안정화 전처리로서 전자선을 2000kGy 의 선량만큼 조사했을 때 2 시간 정도의 짧은 열안정화 공정만으로도 융착 현상 없이 리그닌 안정화 섬유를 제조할 수 있었고, 이 안정화 섬유를 탄화했을 때 기존 지방산 기능화 리그닌 기반 탄소 섬유보다 우수한 기계적 물성을 가지는 탄소 섬유로 전환된 것을 확인할 수 있었다.