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문제 정의
- 따라서, 본 연구의 목적은 필라멘트 형태의 레이온섬유에 대하여 안정화공정을 행하기 전과 후의 열처리로 내부에서 발생하는 중량 감소와 섬유직경에 미치는 서로 다른 난연제 종류 및 농도, 그리고 안정화공정에 사용된 승온속도 조건의 영향을 조사하는 것이다. 또한, 안정화공정을 마친 레이온섬유에 대한 열안정성을 열중량분석 기를 사용하여 관찰하였다.
제안 방법
- 모든 TGA 실험은 상온부터 800 ℃까지 10 ℃/min의 승온속도 조건에서 수행하였다. 각 시료의 열적 거동을 해석하기 위하여 DTG(derivative thermogravimetry) 곡선도 조사하였다.
- 각 안정화공정을 행하기 전과 후에 열처리로 내부에서 발생한 레이온섬유의 중량변화는 소수점 넷째자리까지 측정이 가능한 화학 분석 저울을 사용하여 조사하였다. 섬유 필라멘트의 직경변화는 주 사전자현미경(SEM, JEOL JSM-5900)을 사용하여 관찰하였다.
- 따라서, 본 연구의 목적은 필라멘트 형태의 레이온섬유에 대하여 안정화공정을 행하기 전과 후의 열처리로 내부에서 발생하는 중량 감소와 섬유직경에 미치는 서로 다른 난연제 종류 및 농도, 그리고 안정화공정에 사용된 승온속도 조건의 영향을 조사하는 것이다. 또한, 안정화공정을 마친 레이온섬유에 대한 열안정성을 열중량분석 기를 사용하여 관찰하였다. 이는 탄소섬유 제조를 위하여 안정화공 정에 이어 후속으로 불활성분위기 조건에서 수행하는 탄화공정에 필요한 열특성 정보를 얻기 위함이다.
- 인산과 FR-SHe 각각 0, 1, 3, 5, 10 vol% 농도 그리고 H-205는 0, 1, 3 vol% 농도에서 사용하였다. 레이온 선구물질 섬유다발에 각 난연제를 포함하는 수용액이 충분히 스며들 수 있도록 dipcoaHng 방법으로 약 1시간 동안 침지시키고 오븐에서 약 6시간 동안 건조시킨 후 안정화공정을 행하였다.
- 섬유 필라멘트의 직경변화는 주 사전자현미경(SEM, JEOL JSM-5900)을 사용하여 관찰하였다. 레이온 섬유의 단면은 불규칙한 형상을 보이고 있기 때문에 측정 방향에 따라 다소의 차이를 초래할 수 있으므로 섬유직경은 수십 개의 단일 필라멘트(singlefilament)를 측정한 결과를 평균하여 얻었다.
- 열처리로는 안정화를 위한 온도, 승온속도, 승온단계, 체류시간, 분위기가스 등의 열처리 공정인자의 제어가 가능하도록 고안되었다. 레이온섬유의 안정화는 길이 150 mm, 너비 60 mm, 두 께 7 mm 크기의 두 개 흑연판(graphite plate) 사이에 위치한 상태에서 공정을 수행하였다. 흑연판의 사용은 흑연판 자중에 의해 섬유에 가해지는 압력 효과를 이용하여 안정화공정 중에 레이온 선구물질 섬유에서 발생하는 웨이브(wave)를 방지하고 열수축을 다소 억제하기 위함이다.
- 안정화공정 후 얻어진 레이온섬유의 열안정성에 미치는 안정화 공정 승온속도와 난연제 처리 유.무 및 함량의 영향을 조사하기 위하여 열중량분석기 (Thermogravimetric Analyzer, TGA 951, Du Pont) 를 사용하여 50 cc/min의 건조 질소가스가 유입되는 불활성 분위기에서 측정하였다. 모든 TGA 실험은 상온부터 800 ℃까지 10 ℃/min의 승온속도 조건에서 수행하였다.
- 본 연구에서는 네덜란드의 Acoidis사에서 제조된 레이온 선구물 질 섬유 yam(Acoidis T-700)을 사용하여 안정화공정을 수행하였다. 안 정화과정 동안 발생하는 레이온섬유의 중량변화, 섬유직경 그리고 안정화 후 섬유의 열안정성에 미치는 화학전처리의 영향을 조사하기 위하여 안정화공정을 수행하기 전에 다음과 같은 세 종류의 인계 난연제로 레이온섬유의 표면을 처리하였다.
- 각 안정화공정을 행하기 전과 후에 열처리로 내부에서 발생한 레이온섬유의 중량변화는 소수점 넷째자리까지 측정이 가능한 화학 분석 저울을 사용하여 조사하였다. 섬유 필라멘트의 직경변화는 주 사전자현미경(SEM, JEOL JSM-5900)을 사용하여 관찰하였다. 레이온 섬유의 단면은 불규칙한 형상을 보이고 있기 때문에 측정 방향에 따라 다소의 차이를 초래할 수 있으므로 섬유직경은 수십 개의 단일 필라멘트(singlefilament)를 측정한 결과를 평균하여 얻었다.
- 본 연구에서는 네덜란드의 Acoidis사에서 제조된 레이온 선구물 질 섬유 yam(Acoidis T-700)을 사용하여 안정화공정을 수행하였다. 안 정화과정 동안 발생하는 레이온섬유의 중량변화, 섬유직경 그리고 안정화 후 섬유의 열안정성에 미치는 화학전처리의 영향을 조사하기 위하여 안정화공정을 수행하기 전에 다음과 같은 세 종류의 인계 난연제로 레이온섬유의 표면을 처리하였다. 즉, 인산(phosphoric acid, H3PO4, 덕산화학(주)), 3-(hydroxylphenyl phosphinyl)propanoic acid (HIRETAR-205, H-205, (주)KOLON), 그리고 FR-SH(Hame Retardant- Special Hard) ((주)태화산업).
- 여러 다발의 섬유 필라멘트에 대한 안정화공정은 스테인레스스 틸 재질로 이루어진 튜브형 Siliconit 열처리로(heat-treEment furnace) 를 사용하여 안정화 처리에 적절한 온도범위 내에서 승온속도를 변화시켜 가며 수행하였다. 열처리로 튜브의 직경은 70 mm이고, 길이는 1000 mm이며, 튜브 중간 부분에 150 nun 길이의 가열구간(heating zone)이 있다.
- 흑연판의 사용은 흑연판 자중에 의해 섬유에 가해지는 압력 효과를 이용하여 안정화공정 중에 레이온 선구물질 섬유에서 발생하는 웨이브(wave)를 방지하고 열수축을 다소 억제하기 위함이다. 열처리 전에 두 흑연판 사이에 가지런히 놓여진 레이 온섬유 다발을 튜브형 열처리로의 가열구간 중앙에 위치하도록 조 심스럽게 밀어 넣은 후 안정화공정을 행하였다.
- 그러나 이에 대한 화학구조는 제공사에 의해 공개되지 않았다. 인산과 FR-SHe 각각 0, 1, 3, 5, 10 vol% 농도 그리고 H-205는 0, 1, 3 vol% 농도에서 사용하였다. 레이온 선구물질 섬유다발에 각 난연제를 포함하는 수용액이 충분히 스며들 수 있도록 dipcoaHng 방법으로 약 1시간 동안 침지시키고 오븐에서 약 6시간 동안 건조시킨 후 안정화공정을 행하였다.
대상 데이터
- 여러 다발의 섬유 필라멘트에 대한 안정화공정은 스테인레스스 틸 재질로 이루어진 튜브형 Siliconit 열처리로(heat-treEment furnace) 를 사용하여 안정화 처리에 적절한 온도범위 내에서 승온속도를 변화시켜 가며 수행하였다. 열처리로 튜브의 직경은 70 mm이고, 길이는 1000 mm이며, 튜브 중간 부분에 150 nun 길이의 가열구간(heating zone)이 있다. 열처리로는 안정화를 위한 온도, 승온속도, 승온단계, 체류시간, 분위기가스 등의 열처리 공정인자의 제어가 가능하도록 고안되었다.
- 즉, 인산(phosphoric acid, H3PO4, 덕산화학(주)), 3-(hydroxylphenyl phosphinyl)propanoic acid (HIRETAR-205, H-205, (주)KOLON), 그리고 FR-SH(Hame Retardant- Special Hard) ((주)태화산업). 첫째, 인산은 잘 알려진 난연성 유기물 중의 하나이며 필요한 농도에 따라 수용액 상태로 희석하여 사용하였다. 둘째, H-205는 폴리에스터 섬유가공에 사용되는 인계 난연제로서 백색 결정성 .
성능/효과
- 약 500 ℃ 이후의 열적 거동을 살펴보면, 인산과 FR-SH의 경우 난연제 처리를 하지 않은 것보다 다소 높은 열안정성을 보인 반면, H-205의 경우에는 오히려 낮은 안정성을 나타내었다. DTG 결과를 보면, 인산의 사용은 500 ℃ 이후의 중량감소 속도가 가장 빠르게 일어나는 온도를 559 ℃에서 533 ℃로 약 26 ℃ 가량 낮추 는 반면, H-205와 FR-SH는 약 10-20 ℃씩 증가시켜주는 것으로 조사되었다. 또한 800 ℃ 부근에서 얻어진 탄소수율은 인산의 경우가 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
- 또한 5~10 vol%의 상대적으로 높은 인산 농도에서 처리된 안정화섬유 는 1 ~3 vol%의 낮은 농도에서보다 400 ℃ 이후에서 후속 열분해에 의한 중량손실이 더 높은 온도에서 발생하였다. DTG 결과에서도 처리되지 않고 제조된 섬유의 500 ℃ 이후의 중량감소는 약 559 ℃ 에서 가장 빠르게 진행된 반면, 인산으로 처리한 경우 고온에서의 중량감소가 약 24 -35 ℃ 정도 낮은 온도에서 활발하게 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 약 60。℃ 이상에서의 열안정성은 인산 농도가 높을수록 다소 높게 나타났다.
- 약 120 ℃ 이전에 관찰되는 초기 중량감소는 안정화과정에서 형성된 섬유표면에 존재하는 주로 산소를 포함하고 있는 화학관능기가 섬유표면으로부터 이탈되면서 발생하는 현상과 시편 준비과정에서 도입될 수 있는 소량의 수분이 제거되면서 초래된 것으로 판단된다. TGA 결과는 난연제의 사용이 레이온 섬유의 표면에 더 많은 관능기를 형성하여 안정화공정을 촉진시키 는데 기여한다는 것을 간접적으로 제시하여 준다.
- 약 150 ℃ 이하에서는 섬유에 흡수되었던 수분이 제거되고, 약 240 ℃까지는 분자내 탈수반응이 일어나면서 C = O 및 C=C 결합이 형성되며, 240 -400 ℃ 사이에서는 본격적인 열분해가 일어나면서 타르, H2O, CO 및 CCh 가스가 다량 배출된다. 각 승온속도에서 난연제 처리를 하지 않고 얻어진 안정화섬유보다 난연제로 전처리한 후 행한 안정화공정에서 얻어진 레이온섬유의 중량감소가 약 6 ~12% 정도 줄어들었음을 확인할.수 있다.
- 즉, 1 ~3 vol%의 상대적으로 낮은 농도를 사용하여 안정화 처리를 하여도 레이온섬유의 직경이 크게 감소되는 현상을 방지할 수 있음을 제시하여 준다. 그리고 인산처리의 경우 섬유직경이상 대적으로 다소 크게 유지됨을 확인할 수 있었다. 인산의 농도가 증가함에 따라 섬유의 평균직경은 약 9.
- 안정화공정이 완료된 후에도 불규칙한 섬유단 면은 그대로 유지하고 있었으나 섬유표면은 다소 손상된 것을 확인할 수 있었다. 난연제로 전처리하고 안정화된 섬유의 직경이 처리하지 않은 것에 비해 승온속도에 따라 약 15-60% 정도 크게 나타났다. 처리하지 않은 섬유의 직경은 승온속도가 150 ℃/h로 가장 느릴 때 가장 크게 줄어들었음을 알 수 있다.
- 이러한 결과는 난연제의 처리가 안정화 후 남아있는 전체 섬유수율에서 타르 양을 감소시키고 숯(cham) 함량을 증가시키기 때문이다. 난연제로 처리되지 않은 경우보다 각 난연제로 처리된 경우 모두 중량감소 억제효과가 향상 되었다. 그러나 본 실험으로부터 얻은 중량감소 결과에서 세 난연 제 중 어느 것이 상대적으로 더 우수하다고 명확하게 결론짓기에는 다소 어려움이 있다.
- 열처리를 전혀 하지 않은 경우보다 난연제로 전처리한 경우에 안정화된 레이온섬 유의 중량감소가 줄어들었다. 난연제의 농도가 증가할수록 인산의 경우에는 중량감소가 64%에서 56%로, FR-SH 의 경우에는 69%에서 60%로 감소하였다. 그리고 H-205를 사용하였을 때는 1~3 vol%에서 66~68%의 상대적으로 다소 큰 중량감소를 나타내었다.
- 세 종류의 인계 난연제 인산, H-205 및 FR-SH로 각각 전처리된 레이온섬유에 대하여 수행한 안정화공정 과정에서 열처리로 내부에서 발생한 중량감소 및 섬유의 평균직경 변화를 조사한 결과는 적절한 함량의 인산용액의 처리가 레이온섬유의 안정화에 가장 효과적으로 기여한다는 것을 제시하여 주었다. 또한 인산, H-205 및 FR-SH를 상대 비교할 때, 안정화공정 후 얻어진 레이온섬유에 대하여 불활성 분위기에서 측정한 열안정성 분석 결과 500 ℃ 이후 에서의 최대 중량손실이 일어나는 온도가 인산의 경우 가장 낮으며, 700 ℃ 이상에서의 탄소수율이 상대적으로 높다는 것으로부터 인산이 안정화 레이 온섬유의 탄화촉진제로 작용하여 탄화반응속도 를 빠르게 하며 레이온계 탄소섬유에서의 탄화수율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 사료되었다.
- 농도 대비에 따른 난연제 효과는 3 vol% 이하의 낮은 농도가 그 이상의 높은 농도보다 상대적으로 더 크게 작용한 것으로 판단된다. 또한, 난연제 함량이 증가함에 따라 안정화공정 후 얻어진 섬유의 취성(brittleness)이 더욱 커지는 것을 육안으로도 확인할 수 있었다. 따라서 약 3% 이하의 농도에서 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
- 따라서, 난연제의 사용은 레이온섬유의 안정화공정 속도 및 효율성을 고려할 때 상대적으로 빠른 승온속도가 더욱 바람직할 것으로 예상된다. 또한, 세 종류 난연제 중 섬유직경의 감소 억제에 인산이 상대적으로 보다 효율적으로 기여하는 것으로 판단된다.
- 레이온섬유 표면을 인산으로 전처리한 후 안정화공정을 행하여 얻은 레이온섬유에서 500 ℃ 이후의 중량손실이 가장 빠르게 진행되는 온도가 상대적으로 낮다는 사실은 다른 두 난연제보다 인산이 레이온섬유의 탄화공정 촉진제로서 효과적으로 작용할 수 있다는 것을 간접적으로 제시하여 준다. 적절한 난연제의 사용은 레이 온섬유에 존재하는 히드록실 그룹을 제거하는 반응을 촉진하므로 후속으로 이어지는 탄화공정 과정을 화학적으로 변화시키는 역할을 할 수 있다는 것으로 보고되고 있다.
- Figure 3은 안정화공정 시 사용한 승온속도에 따른 레이온섬유 필라멘트의 평균직경 변화를 보여준다. 모든 승온속도에서 가장 두드러진 사실은 난연제로 전처리한 필라멘트의 평균직경의 감소가 처리하지 않은 것보다 크게 줄어들었다는 것이다. 난연제를 사용하지 않았을 때 승온속도가 느릴수록 레이온섬유의 직경은 약 6 μm 이 하까지 감소하였다.
- 세 종류의 인계 난연제 인산, H-205 및 FR-SH로 각각 전처리된 레이온섬유에 대하여 수행한 안정화공정 과정에서 열처리로 내부에서 발생한 중량감소 및 섬유의 평균직경 변화를 조사한 결과는 적절한 함량의 인산용액의 처리가 레이온섬유의 안정화에 가장 효과적으로 기여한다는 것을 제시하여 주었다. 또한 인산, H-205 및 FR-SH를 상대 비교할 때, 안정화공정 후 얻어진 레이온섬유에 대하여 불활성 분위기에서 측정한 열안정성 분석 결과 500 ℃ 이후 에서의 최대 중량손실이 일어나는 온도가 인산의 경우 가장 낮으며, 700 ℃ 이상에서의 탄소수율이 상대적으로 높다는 것으로부터 인산이 안정화 레이 온섬유의 탄화촉진제로 작용하여 탄화반응속도 를 빠르게 하며 레이온계 탄소섬유에서의 탄화수율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 사료되었다.
- 수용성이며 고온에서 섬유의 변색 및 산화에 의한 물성 변화를 억제하는 효과가 있다. 셋째, FR-SH는 역시 폴리에스터 섬유용 유기인 산염계 난연제로서 무색 투명한 수용성 액체이고 비교적 소량으로 도 우수한 난연 성능을 나타낸다. 또한, 전처리 시 섬유의 성능저하 나 물성의 변화를 최소화하고 고온처리가 가능할 정도로 내열성이 좋은 것으로 알려져 있다.
- Figure 4는 난연제의 농도변화에 따른 안정화 레이온섬유의 직경 변화를 보여주는 결과이다. 수용액에 포함되어 있는 난연제 1 vol%로부터 10 vol%까지의 농도영역에서 안정화된 레이온섬유의 직경 은 두드러진 변화없이 약 8.7~9.8 μm의 크기를 갖는 것으로 관찰되었다. 즉, 1 ~3 vol%의 상대적으로 낮은 농도를 사용하여 안정화 처리를 하여도 레이온섬유의 직경이 크게 감소되는 현상을 방지할 수 있음을 제시하여 준다.
- 난연제를 사용하지 않았을 때 승온속도가 느릴수록 레이온섬유의 직경은 약 6 μm 이 하까지 감소하였다. 안정화공정이 완료된 후에도 불규칙한 섬유단 면은 그대로 유지하고 있었으나 섬유표면은 다소 손상된 것을 확인할 수 있었다. 난연제로 전처리하고 안정화된 섬유의 직경이 처리하지 않은 것에 비해 승온속도에 따라 약 15-60% 정도 크게 나타났다.
- Figure 2는 세 종류 난연제의 농도가 400 ℃ 열처리온도까지 150 ℃/h의 동일한 승온속도로 공기분위기 하에서 안정화시켰을 때 얻어진 레이온섬유의 중량감소에 미치는 영향을 보여준다. 열처리를 전혀 하지 않은 경우보다 난연제로 전처리한 경우에 안정화된 레이온섬 유의 중량감소가 줄어들었다. 난연제의 농도가 증가할수록 인산의 경우에는 중량감소가 64%에서 56%로, FR-SH 의 경우에는 69%에서 60%로 감소하였다.
- 8 μm의 크기를 갖는 것으로 관찰되었다. 즉, 1 ~3 vol%의 상대적으로 낮은 농도를 사용하여 안정화 처리를 하여도 레이온섬유의 직경이 크게 감소되는 현상을 방지할 수 있음을 제시하여 준다. 그리고 인산처리의 경우 섬유직경이상 대적으로 다소 크게 유지됨을 확인할 수 있었다.
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