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이번 글에서는 탄소섬유의 종류 및 종류별 정의와 탄소섬유의 특성, PAN게 탄소섬유 제조기술에 대하여 다루겠습니다.
1. 탄소섬유의 종류 및 종류별 정의
(1) 탄소섬유 종류 구분 기준
- 탄소섬유는 적어도 90% 이상의 탄소 원자로 구성된 무기 섬유를 부르는 말로, 미세한 흑연 결정구조를 가진 섬유 상의 탄소물질을 말합니다.
- 원료에 따라서 PAN 계, 피치계, 레이온계 탄소섬유 등으로 구분됩니다.
(2) PAN계 탄소섬유
- 폴리아크릴로나이트릴을 전구체로 쓰는 탄소섬유입니다.
- 폴리아크릴로나이트릴은 가장 경제성이 높은 전구체로서 고강도를 구현가능하며 목적에 따라 습식, 건식, 용융방사법 등을 통해 제작이 가능합니다.
- 생산량과 사용량이 가장 많은 탄소섬유입니다.
(2) 피치계 탄소섬유
- 콜타르 및 석유 잔류물로부터 얻어지는 저가의 탄소게 물질인 피치를 직접 용융 방사하여 얻은 저물성의 피치섬유를 전구체로 하는 섬유입니다.
- 피치계 탄소섬유는 스포츠 및 산업용 범용섬유로 사용되고 있습니다.
(3) 레이온계 탄소섬유
- 셀룰로오스를 레이온으로 재가공하여 얻은 레이온 섬유를 전구체로 하여 제조된 탄소섬유입니다.
- PAN계 탄소섬유와 달리 전구체의 물성이 자유자재로 저절되지 않는 단점을 가져 상용화의 어려움을 겪꼬 있습니다.
2. 탄소섬유의 5가지 특성
(1) 탄소섬유의 형태적 특성
- 다양한 형태로의 가공성이 우수합니다.
- 기지재와 조합한 섬유보강재 제작이 가능합니다.
- 섬유 축 방향과 직각방향은 이방성을 가집니다.
(2) 탄소섬유의 화학, 물리적 특성
- 불연성이며 화학적으로 안정하고 산화에 의해 열화됩니다
- 고온의 공기, 산성용매에 약합니다
- 고온에서 금속탄화물을 형성합니다
- 다공성이며 표면 활성화에 의해 흡착 및 탈착이 가능합니다.
(3) 탄소섬유의 기계적 특성
- 금속보다 밀도가 작습니다
- 인장강도, 탄성률이 높습니다
- 내마모성, 윤활성이 우수합니다.
(4) 탄소섬유의 열적 특성
- 선팽창계수가 작고, 치수 안정성이 우수합니다
- 고온에서도 기계적 특성이 저하되지 않습니다
- 극저온 영역에서의 열전도성이 낮습니다
(5) 탄소섬유의 전기, 전자적 특성
- 전도성이 우수합니다
- 전파를 반사하며 전파 시인성이 우수합니다
- X-ray 투과성이 우수합니다.
3. PAN계 탄소섬유 제조 기술
(1) PAN계 탄소섬유 제조 과정
- PAN게 탄소섬유는 아크릴로나이트릴 모노머를 공중합에 의해 PAN을 중합한 후, 습식 또는 건식 방사를 선택하여 전구체를 제조합니다.
- 이 전구체를 중간체로 하여 산화와 탄소활르 거쳐서 탄소섬유를 제조합니다.
- 이 때 탄소섬유의 물성을 조절할 수 있기 때문에 제조업체만의 공정 기술이 요구됩니다.
(2) PAN계 탄소섬유 제조에서 중요한 공정
- 가장 중요한 공정은 산화 공정입니다.
- 산화공정에서 분자는 탄소화 반응을 제어하기 쉬운 피리미딘 고리를 주성분으로 하는 고분자로 형성됩니다.
(3) 표면처리와 사이징을 통한 탄소섬유 제작방법
- 후공정의 안정성 및 편의성을 증대시키기 위하여 표면처리와 사이징을 하기도 합니다.
- 또한, 이에더하여 고탄성 섬유를 얻고싶을 때는 추가적으로 흑연화 공정을 거치기도합니다.
- 흑연화는 원하는 인장강도, 결정화도 및 구조를 얻기 위해 열처리를 하는 것으로 높은 온도에서는 섬유의 축방향으로 무질서하게 배열되었던 난층구조 입자가 질서있게 배향이 일어납니다.
여기까지 탄소섬유의 종류 및 종류별 정의와 탄소섬유의 특성, PAN게 탄소섬유 제조기술에 대하여 다루었습니다.
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