Composites Research

  • 제34권1호
  • /
  • Pages.23-29
  • /
  • 2021
  • /
  • 2288-2103(pISSN)
  • /
  • 2288-2111(eISSN)
한국복합재료학회 (The Korean Society for Composite Materials)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

플라즈마 처리 방법을 이용한 PAN 전구체 특성 변화 연구

Study of Stabilization Process of PAN Precursor and its Characteristics Change by Plasma Treatment

  • 투고 : 2020.11.15
  • 심사 : 2021.02.05
  • 발행 : 2021.02.28
PDF 다운로드
⟨ 이전 논문 다음 논문 ⟩

초록

탄소섬유는 단위 중량 당 높은 강도 및 모듈러스를 갖기 때문에 고성능 복합 재료 제조 시 탄소보강재로 많이 사용된다. 그러나 탄소 섬유를 제조하는 공정에서 많은 시간과 높은 에너지를 소모하여 제조비용이 크게 증가하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 생산 비용 절감을 위하여 제조 공정에 사용되는 에너지를 대체할 수 있는 고속의 저 에너지원을 적극적으로 찾아 연구할 필요가 높아졌다. 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체(Precursor)로 상용화 된 탄소 섬유는 180~300℃의 대기 분위기에서 안정화 과정이 이루어지고, 1600℃ 이하의 불활성 가스 분위기에서 탄화하여 탄소 섬유를 생산할 수 있다. 이 두 공정은 많은 시간과 높은 에너지를 사용하지만, 고성능 탄소 섬유를 생산하는 데 필수적이며 중요하다. 따라서 최근에는 공정 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄일 수 있는 플라즈마, 전자 빔 및 마이크로파와 같은 다양한 다른 에너지원을 보조적으로 사용 함으로써 저 에너지·고속 안정화 공정 기술이 시도되고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 공정과 열처리를 연속적으로 수행하여 PAN 전구체 안정화 공정을 연구하였으며, 모폴로지, 구조적 변화, 열적 및 물리적 특성 변화를 연구하였다.

Commercialized carbon fiber obtained from polyacrylonitrile(PAN) precursor is subjected to oxidation stabilization at 180 to 300℃ in air atmosphere and carbonization process at 1600℃ or lower in inert gas atmosphere. Both of these processes use a lot of time and high energy, but are essential and important for producing high-performance carbon fibers. Therefore, in recent years, an alternative stabilization technology by being assisted with various other energy sources such as plasma, electron beam and microwave which can shorten the process time and lower energy consumption has been studied. In this study, the PAN precursor was stabilized by using plasma treatment and heat treatment continuously. The morphology, structural changes, thermal and physical properties were analyzed using Field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), X-ray diffraction(XRD), Fourier transform infrared(FT-IR), Thermogravimetric analysis(TGA) and Favimat.

키워드

참고문헌

  1. Holmes, M., "Continued Growth for European GRP Market," Reinforced Plastics, Vol. 58, No. 6, 2014, pp. 28-30. https://doi.org/10.1016/S0034-3617(14)70247-4
  2. Fitzer, E., "Pan-based Carbon Fibers-present State and Trend of the Technology from the Viewpoint of Possibilities and Limits to Influence and to Control the Fiber Properties by the Process Parameters," Carbon, Vol. 27, No. 5, 1989, pp. 621-645. https://doi.org/10.1016/0008-6223(89)90197-8
  3. Morgan, P., Carbon Fibers and Their Composite, Reinforced Plastics, Boca Raton, Taylor & Francis, U.S, 2015.
  4. Kim, B.A., Moon, C.K., and Choi, Y.M., "Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Carbon Fiber," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 21, No. 1, 2017, pp. 11-17. https://doi.org/10.9726/kspse.2017.21.1.011
  5. Rahaman, M.S.A., Ismail, A.F., and Mustafa, A., "A Review of Heat Treatment on Polyacrylonitrile Fiber," Polymer Degradation and Stability, Vol. 92, No. 8, 2007, pp. 1421 https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.03.023
  6. Chand, S., "Review Carbon Fibers for Composites," Journal of Materials Science, Vol. 35, 2000, pp. 1303-1331. https://doi.org/10.1023/A:1004780301489
  7. Wangxi, Z., Jie, L., and Gang, W., "Evolution of Structure and Properties of PAN Precursors during Their Conversion to Carbon Fibers," Carbon, Vol. 41, No. 14, 2013, pp. 2805-2812. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(03)00391-9
  8. Lee, S.W., Lee, H.Y., Jang, S.Y., Jo, S.M., Lee, H.S., Choe, W.H., and Lee, S.H., "Efficient Preparation of Carbon Fibers Using Plasma Assisted Stabilization," Carbon, Vol. 55, 2013, pp. 361-365. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.10.062
  9. Paulauskas, F.L., White, T.L., and Sherman, D.M., "Apparatus and Method for Oxidation and Stabilization of Polymeric Materials", U. S. Patent 2009, 0263295.
  10. Ji, M., Wang, C., Bai, Y., Yu, M., and Wang, Y., "Structural Evolution of Polyacrylonitrile Precursor Fibers during Preoxidation and Carbonization," Polymer Bulletin, Vol. 59, 2007, pp. 527-536. https://doi.org/10.1007/s00289-007-0796-3
  11. Dalton, S., Heatley, F., and Budd, P.M., "Thermal Stabilization of Polyacrylonitrile Fibres," Polymer, Vol. 40, No. 20, 1999, pp. 5531-5543. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(98)00778-2
  12. Arshad, S.N., Naraghi, M., and Chasiotis, I., "Strong Carbon Nanofibers from Electrospun Polyacrylonitrile," Carbon, Vol. 49, No. 5, 2011, pp. 1710-1719. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.12.056
  13. Mathur, R.B., Bahl, O.P., and Mittal, J., "Advances in the Development of High-performance Carbon Fibres from Pan Precursor," Composites Science and Technology, Vol. 51, No. 2, 1994, pp. 223-230. https://doi.org/10.1016/0266-3538(94)90192-9
  14. Ismail, M.K., "On the Reactivity, Structure and Porosity of Carbon Fibers and Fabrics," Carbon, Vol. 29, No. 6, 1991, pp. 777-792. https://doi.org/10.1016/0008-6223(91)90017-D