범용 PAN계 탄소섬유를 $1,500^{\circ}C$까지 열처리한 후 탄소함량, 결정화도, 결정크기를 분석하고 이들의 변화에 따른 표면의 발열특성을 조사하였다. PAN계 탄소섬유의 결정화도, 결정크기는 열처리 온도가 1,000에서 $1500^{\circ}C$로 증가하는 동안 각각 37.08에서 53.69%, 1.62에서 1.82 nm로 증가하였고, 탄소섬유의 초기표면발열온도는 결정화도, 결정크기가 증가할수록 1차식으로 비례하여 증가하였다. 따라서 탄소섬유의 결정화도와 결정크기를 표면발열온도의 상승을 측정하여 간접적으로 신속하게 추정할 수 있게 되었다.
범용 PAN계 탄소섬유를 $1,500^{\circ}C$까지 열처리한 후 탄소함량, 결정화도, 결정크기를 분석하고 이들의 변화에 따른 표면의 발열특성을 조사하였다. PAN계 탄소섬유의 결정화도, 결정크기는 열처리 온도가 1,000에서 $1500^{\circ}C$로 증가하는 동안 각각 37.08에서 53.69%, 1.62에서 1.82 nm로 증가하였고, 탄소섬유의 초기표면발열온도는 결정화도, 결정크기가 증가할수록 1차식으로 비례하여 증가하였다. 따라서 탄소섬유의 결정화도와 결정크기를 표면발열온도의 상승을 측정하여 간접적으로 신속하게 추정할 수 있게 되었다.
General purpose PAN-based carbon fibers were heat treated up to $1500^{\circ}C$, and analyzed their carbon contents, crstallinity, and crystalline size(Lc). Exothermic characteristics of carbon fiber were investigated in relation to crystallinity, and crystalline size(Lc). Carbon contents...
General purpose PAN-based carbon fibers were heat treated up to $1500^{\circ}C$, and analyzed their carbon contents, crstallinity, and crystalline size(Lc). Exothermic characteristics of carbon fiber were investigated in relation to crystallinity, and crystalline size(Lc). Carbon contents, crystallinities, and crystalline size(Lc) of PAN-based carbon fibers increased from 37.08 to 53.69%, and 1.62 to 1.82 nm, respectively as the increase of heat treatment temperature from $1000^{\circ}C$ to $1500^{\circ}C$. Initial surface temperature of fiber tow also linearly increased as the increase of crystallinity, and crystalline size(Lc). Therefore, the crystallinity and crystal size(Lc) of carbon fibers can indirectly and rapidly be estimated by measuring the surface temperature increase.
General purpose PAN-based carbon fibers were heat treated up to $1500^{\circ}C$, and analyzed their carbon contents, crstallinity, and crystalline size(Lc). Exothermic characteristics of carbon fiber were investigated in relation to crystallinity, and crystalline size(Lc). Carbon contents, crystallinities, and crystalline size(Lc) of PAN-based carbon fibers increased from 37.08 to 53.69%, and 1.62 to 1.82 nm, respectively as the increase of heat treatment temperature from $1000^{\circ}C$ to $1500^{\circ}C$. Initial surface temperature of fiber tow also linearly increased as the increase of crystallinity, and crystalline size(Lc). Therefore, the crystallinity and crystal size(Lc) of carbon fibers can indirectly and rapidly be estimated by measuring the surface temperature increase.
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문제 정의
따라서, 본 연구는 범용 PAN계 탄소섬유를 1,500 oC까지 고온 열처리한 후 탄소함량과 결정화도 및 결정크기를 분석하고 자체 제작한 표면온도 측정장치를 사용하여 인가전압의 변화에 대한 섬유의 초기 표면온도 상승을 측정한 후 섬유의 표면온도와 결정화도와의 관계를 규명하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
PAN계 범용 탄소섬유(Toray Co.)를 1,500 oC까지 열처 리한 후 특별히 제작한 측정 기구를 통해 여러 조건에서 표면온도를 측정하면서 열처리온도 변화에 따른 탄소섬유의 탄소함량, 결정화도, 결정 크기 (Lc)의 관계를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
2에 본 실험에서 제조된 1,000 oC 이상으로 열처리한 각각의 PAN계 탄소섬유의 XRD 곡선을 나타내었다. X선회절 분석은 40mA의 전류, 40kV의 전압 조건에서 Ni 필터로 여과한 Cu- Ka(X=1.5418A)을 이용하여 수행하였다. 또한, X선 회절은 10~50o 범위에서 5o/min의 주사속도로 하였다.
인하여 대기 중에서 연소되었다. 따라서 기초 실험을 통하여 연소가 일어나지 않는 전압 하에서 발열효과를 최대한 얻을 수 있는 3 V에서 실험을 실시하였다. Fig.
열처리된 탄소섬유의 발열특성은 tow의 길이를 60 mm로 절단 한 0.5 g의 탄소섬유를 직경이 4 mm, 길이가 50 mm인 투명유리관 안에 넣은 후 유리관 밖皿 나온 섬유 양 끝에 clamp를 연결하여 전기를 흘려주고 유리관 중간에 뚫린 구멍을 통하여 온도지시계의 단자를 연결한 후 공급전압을 조절하면서 시간별로 탄소섬유의 표면 온도를 측정하였다. Fig.
시간을 변수로 하여 정해진 온도까지 열처리하였다. 열처리된탄소섬유는 원소분석기 (Flash EA 1112, Thermo Fisher Scientific Co.)를 사용하여 탄소함량 (Carbon content)을 분석하였고, X선 회절분석기 (XRD; D/MAX-2200 Ultima/PC, Rigaku Inter. Co.)를 탄소층의 결정성 및 그 적층 높이를 측정하였다.
얻을 수 있었다. 이를 통해 탄소섬유의 발열 온도 측정으로 탄소섬유의 결정화도와 결정크기를 예측할 수 있다고 판단하였다.
대상 데이터
실험에 사용한 PAN계 탄소섬유는(Toray Co. Japan. acrylonitrile 95 wt%와 methyl acrylate 5 wt%의 비율로 공중합된 2.8 denier) 평균 섬유직경 7 μm인 12 K(12,000 가닥)의 필라멘트 다발(tow)이다.
이론/모형
또한, X선 회절은 10~50o 범위에서 5o/min의 주사속도로 하였다. 평균 층간 간격 d002와 탄소 결정의 겉보기 크기를 특정 짓는 결정크기 (Lc)는 (002)면의 회절 피크와 회절피크의 반가폭 B(002)를 이용하여 Bragg와 Scherrer 공식 [11] 에 의해 계산하였다.
성능/효과
(1) 범용 탄소섬유의 탄소함량, 결정화도 및 결정크기는 열처리 온도의 증가에 따라 증가하였다. 탄소함량의 증가에 비하여 결정화도와 결정의 크기 증가가 월등하였는데 이는 열처리과정에서 탄소 원자의 배열이 크게 달라져 탄소섬유의 결정이 성장하고 배향성이 증가하였음을 의미하였다.
(2) 탄소섬유의 표면 발열특성은 열처리 온도와 처리 시간이 증가함에 따라 1차식으로 비례하여 증가하였는데 이는 탄소섬유의 결정화도 및 결정크기의 증가가 전기저항을 감소시켜 일정전압하의 전류량의 증가가 발열량 및 에너지에 기여한 것으로 해석된다.
(3) 탄소섬유의 표면 온도가 증가할수록 결정크기와 결정화 도가 선형적으로 비례하였고 표면온도에 대한 결정크기와 결정화도의 상관관계식을 얻을 수 있었다. 이를 통해 탄소섬유의 발열 온도 측정으로 탄소섬유의 결정화도와 결정크기를 예측할 수 있다고 판단하였다.
3과 4에 나타내었다. Fig. 3과 4에서 알 수 있듯이 열처리 온도가 증가할수록 열처리 시간이 늘어날수록 결정 크기와 결정화도는 선형적으로 비례하여 증가하였다. 즉, 열처리 온도가 1,000에서 1,500 oC로 증가할수록 결정 화도는 37.
Fig. 5에서 알 수 있듯이 탄소섬유의 열처리 온도가 높을수록 그 표면 발열 온도가 증가되는 경향을 확인할 수 있었다. 이것은 앞서 설명한 것처럼 열처리 온도가 증가할수록 탄소섬유 내의 결정크기 (Lc) 가 증가하고 결정크기의 증가할수록 전기저항이 감소되었고 일정한 전압 하에서 전류량이 증가하였기 때문이다 [6].
9 는 결정화도를 나타내었다. Fig. 8~9에서 알 수 있듯이 표면 온도가 높을수록 결정크기가 증가하고 결정화도가 발달하였으며 역으로 결정 크기가 증가하고 결정화도가 발달할수록 표면 온도가 증가하였음을 알 수 있었다. 열처리 온도가 높아질수록, 열처리 시간이 길어질수록 결정화도와 결정크기의 증가량은 다소 감소하였으나 일정한 기울기를 얻을 수 있었다.
82 nm로 증가하였다. 또한 1,500 oC로 유지하면서 열처리 시간을 증가시킬수록 탄소의 결정화도는 53.69에서 56.81%로 결정크기는 1.82 에서 1.87 nm 로 증가하였다. 즉 탄소섬유를 고온 열처리할수록 섬유내의 결정화도와 결정의 크기가 증가되었다.
온도증가에 따라 탄소의 함량변화는 그다지 증가하지 않는 반면 결정화도가 크게 증가한 것은 고온처리에 따라 결정구조가 변화되었기 때문으로 판단된다. 또한 열처리 시간에 따라서는 열처 리온도만큼 그다지 크게 변화하지는 않았지만 1,500 oC에서 온도 유지시간이 1시간에서 5시간으로 증가할수록 탄소 함량은 96.13에서 96.25 wt%로 증가하였으며 탄소의 결정화도도 53.69에서 56.81%로 증가하였다.
52 nm 등 각기 다른 결정크기를 보여주고 있다. 본연구에서 사용된 PAN계 탄소섬유의 결정크기는 1.62~1.87 nm를 보여 다른 연구자들이 제시한 값보다 비교적 높은 값을 보였는데 이는 원료 물질인 PAN 전구체 (PAN precursor) 및 제조 방법의 차이뿐만 아니라 그 측정 방법의 차이 등에 기인한 것으로 판단된다.
상기 주울의 법칙에 의해서 발열온도와 에너지는 전류와 공급된 시간에 비례하여 증가하여야 하나 온도의 차이에 인한 전도 및 대류 등의 열전달로 인해 5 min 후에는 거의 일정한 값에 도달하였다.
증가에 따라 선형적으로 비례하며 증가하였다. 열처리 온도가 1, 000에서 1,500 oC까지 증가할수록 탄소섬유의 탄소 함량은 93.89 에서 96.13 wt%로 증가되었으며, 또한 결정화도는 37.08에서 53.69 % 로 크게 증가되었다. 온도증가에 따라 탄소의 함량변화는 그다지 증가하지 않는 반면 결정화도가 크게 증가한 것은 고온처리에 따라 결정구조가 변화되었기 때문으로 판단된다.
8~9에서 알 수 있듯이 표면 온도가 높을수록 결정크기가 증가하고 결정화도가 발달하였으며 역으로 결정 크기가 증가하고 결정화도가 발달할수록 표면 온도가 증가하였음을 알 수 있었다. 열처리 온도가 높아질수록, 열처리 시간이 길어질수록 결정화도와 결정크기의 증가량은 다소 감소하였으나 일정한 기울기를 얻을 수 있었다. 실험을 통해 얻은 표면온도에 대한 결정 크기와 결정화도의 관계식은 다음과 같다.
탄소섬유가 발열하게 된다. 인가전압을 1~5 V로 증가시키면 그 저항도 감소하게 되어 탄소섬유의 표면발열 온도가 높아짐을 확인할 수 있었다. 전압이 인가된 각각의 탄소섬유는 열처리 온도에 따라 다소 차이점을 나타내기는 하지만 일정 시간이 지나면 발열 온도가 거의 일정한 값에 도달하게 되는데, 이는 대기중으로의 발열에 의한 것으로 여겨진다.
87 nm 로 증가하였다. 즉 탄소섬유를 고온 열처리할수록 섬유내의 결정화도와 결정의 크기가 증가되었다. Pradere 등은 결정의 크기 증가는 열전도율을 증가시키고 전기저항을 감소시킨다고 보고하였다 [9].
3과 4에서 알 수 있듯이 열처리 온도가 증가할수록 열처리 시간이 늘어날수록 결정 크기와 결정화도는 선형적으로 비례하여 증가하였다. 즉, 열처리 온도가 1,000에서 1,500 oC로 증가할수록 결정 화도는 37.08에서 53.69%로 증가했으며, 그 결정크기는 1.62 에서 1.82 nm로 증가하였다. 또한 1,500 oC로 유지하면서 열처리 시간을 증가시킬수록 탄소의 결정화도는 53.
후속연구
위의 관계식에서 얻은 기울기를 통해 발열온도를 측정해 간접적으로 일정 범위 내에서 결정화도와 결정크기를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
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