라지토우 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 안정화 공정에서 열 거동

In this study, we investigated stepwise stabilization process of 48 k filaments PAN precursor to observe thermal behavior of PAN fibers. We also controlled parameters such as oven temperature, air flow direction, velocity, thermal residence time, and tow size to optimize stabilization process for large tow carbon fibers. FTIR, elemental analyzer, density column, X-ray diffractometer were used to evaluate stabilization degree and chemical structural evolution during thermal stabilization. The oxidation process of PAN fibers makes cross-linking reaction more easier between intermolecular chains and enduces cyclization reaction of acrylonitrile. In addition, the degree of air diffusion into fibers affects the mechanical properties of the final carbon fiber. The carbon fiber with ca. 10% of oxygen content and 1.40 g/cm(3) of density showed the best mechanical properties with 2.5 GPa tensile strength and 214 GPa tensile modulus. 본 연구에서는 폴리아크릴로니트릴계의 48000가닥(48 k) 라지토우 탄소섬유 제조를 위한 여러 안정화 공정변수를 확인하고자 하였다. 이를 위해 탄소섬유 전구체 섬유의 토우 크기, 열 체류시간, 열 처리 온도, 공기흐름 방향 및 속도 등을 조절하였다. 안정화 공정 후 PAN 섬유는 사슬간 가교결합이 형성되며 아크릴로니트릴기가 고리화 반응을 하게 되는데 이때 공기의 섬유 침투가 최종 탄소섬유의 기계적 물성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 정도를 평가하기 위해 적외선 분광광도계(FTIR), 원소분석기, 밀도 구배관 및 X-ray 회절분석기를 이용하였다. 48 k 토우 섬유의 안정화 산화공정을 최적화한 후의 산소 함량은 대략 10%, 밀도 값 $1.40g/cm^3$를 보였으며, 이때 탄소섬유의 인장강도는 2.5 GPa, 탄성률 214 GPa로 각각 측정되었다.