Chemically Modified Lignins with Fatty Acid as Precursors of Low-cost Carbon Fibers

Abstract

리그닌은 셀룰로스 다음으로 목재에 풍부한 비정형의 천연고분자로, 펄프 공정 등의 목재 관련 산업 공정에서 배출되는 산업폐기물이다. 일반적으로 소각되어 처리되는 리그닌을 고부가가치화하여 유용한 자원으로 삼게 되면 관련 산업의 이익 구조가 개선되는 한편, 탄소 배출을 줄이면서도 석유 기반이 아닌 천연물 기반의 값싼 원료를 획득함으로써 새로운 재료 시장을 개척할 수 있는데, 리그닌은 고온에 용융 가능하며 탄소를 많이 함유한 값싼 원재료이기 때문에 상업 탄소섬유 생산에 전반적으로 사용되는 전구체인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)을 대체할 수 있는 저가 탄소섬유 전구체 소재로 각광받게 되었다. 하지만, 리그닌을 탄소섬유로 전환시키기 위해 거쳐야 하는 열안정화 공정은 리그닌의 낮은 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)로 인한 융착 문제를 회피하기 위해 승온 속도가 낮아야 한다는 제약 조건이 있으며(0.05 °C/min), 이에 따라 2-3일이 소요될 정도로 긴 시간에 걸친 열안정화 공정은 저가 탄소섬유 제조에 불리한 점으로 작용하게 된다. 따라서 이를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행중인데, 본 연구에서는 이러한 연구의 일환으로서 페놀화 리그닌의 수산화기를 lauric acid, linoleic acid, oleic acid, stearic acid와 같은 지방산과 결합시켜 화학적으로 개질된 fatty acid functionalized lignin (FAFL)을 합성하였다. FAFL는 용융방사 가능하며, FAFL 섬유에 자외선 조사 전처리를 수행하여 열안정화 이전에 전구체 섬유의 산화 반응에 따른 가교를 유도하였다. 이러한 자외선 조사 처리 결과, FAFL 섬유의 열안정화 속도를2 °C/min까지 끌어올림으로써 2시간의 짧은 열안정화 공정만으로도 융착 현상 없이 리그닌 안정화 섬유를 제조할 수 있었다. 또한 용융 방사시 FAFL 용융체에 지방산을 가소제로서 첨가하여 방사 과정 중 용융체의 열적 안정성을 높였다. 이렇게 제조된 FAFL 안정화 섬유를 탄화하여 인장 강도 0.64 ± 0.17 GPa, 탄성 계수 70.7 ± 18.2 GPa, 연신율 0.97 ± 0.2%의 탄소 섬유를 제조할 수 있었다. 본 연구에서 제안된 지방산을 이용한 리그닌의 화학적 기능화는 적은 양의 시간과 에너지를 소비를 요구하는 빠른 안정화 단계를 통해 리그닌 전구체로부터 탄소섬유를 안정적으로 생산할 수 있게 하므로 향후 저가 탄소섬유 개발에 큰 이점이 될 것으로 기대된다.