Effect of the Pretreatment with Sulfuric Acid？on the Preparation of the Lyocell-Derived Carbon Fibers

Abstract

상용 탄소섬유의 90% 이상이 폴리아크릴로나이트릴 (Polyacrylonitrile, PAN) 을 전구체로 활용한 탄소 섬유인데, 전구체 비용이 탄소섬유 제조 단가의 50% 이상을 차지하므로 비싼 PAN 대신 저가의 리그닌 혹은 셀룰로스와 같은 바이오매스 기반 소재를 전구체로 활용하면 탄소섬유 보다 낮은 비용으로 제조 할 수 있다. 특히 셀룰로스 기반 섬유 중 하나인 라이오셀 (Lyocell) 섬유는 셀룰로스에 화학적인 처리를 거치지 않는 대신 무독성 용제인 삼급 아민옥사이드 수화물을 활용하여 얻은 섬유로서 친환경 탄소 전구체 소재로 사용될 수 있다. 하지만 열 안정성이 낮은 라이오셀 섬유의 탄화수율은 현격히 낮기 때문에 장시간의 열안정화 과정 없이는 온전한 기계적 물성을 가진 탄소섬유를 얻을 수 없으며, 이로 인해 늘어난 공정 시간 및 에너지 소비는 저가 탄소섬유 제조의 목적과 위배된다는 근본적인 한계가 지적된다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 열처리 전 라이오셀 섬유에 황산 용액을 전처리함으로써 기존의 공정보다 단축된 시간 안에 열안정화를 효과적으로 수행하는 동시에 탄화수율 증대를 도모하였다. 또한 황산 전처리 후 안정화 공정을 다변화함으로써 최종 제조된 탄소섬유의 구조와 물성 간의 상관 관계를 이해하고자 하였다.