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열분해잔사유로부터 불균일계 불소화공정에 의해 제조된 메조페이스 피치의 특성
The Characteristics of Mesophase Pitch Prepared by Heterogeneous Fluorination Process from Pyrolysis Fuel Oil 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.5, 2016년, pp.537 - 542  

김도영 (충남대학교 응용화학공학과) ,  김지현 (충남대학교 응용화학공학과) ,  이형익 (국방과학연구소 제4연구본부) ,  이영석 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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본 연구에서는 불균일계 불소화 개질 공정을 이용하여 열분해잔사유(PFO)로부터 메조페이스 피치를 제조하였다. 이 공정은 다양한 온도의 직접 불소화 공정과 $390^{\circ}C$열처리 공정을 통하여 진행하였다. 제조된 피치는 연화점, 원소분석, 푸리에 변환 적외선 분광 분석, 고분해능 X-ray 회절 분석 그리고 편광 현미경 분석을 실시하였다. 제조된 피치의 탄소 함량은 직접 불소화 공정의 반응 온도 증가에 따라 함께 상승하였으며, 그 산소, 질소 그리고 황 성분은 완전하게 제거되었다. 불소화 온도가 증가함에 따라서, 메조페이스 소구체의 생성, 성장, 합체, 정렬이 관찰되었다. 탄소 육각망면의 층간간격이 감소하였고 결정자 크기가 증가하였다. 또한, 지방족 화합물의 축 중합으로 인한 방향족 화합물의 함량 증가가 관찰되었다. 이러한 결과는 반응 온도의 증가에 따라 증가된 불소 라디칼의 반응성에 기인한다. 불소화 반응은 열분해잔사유가 라디칼 반응에 의한 중합반응의 촉진으로, 방향족 화합물의 생성을 돕는 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we have prepared mesophase pitch from pyrolysis fuel oil (PFO) by heterogeneous reforming process. This process was conducted by direct fluorination at various temperature and followed by the heat treatment at $390^{\circ}C$. The reformed pitch was then investigated by soft...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 직접 불소화 공정과 열처리 공정이 포함된 불균일계 개질 공정을 이용하여 석유계 열분해잔사유(pyrolysis fuel oil, PFO)로부터 메조페이스 피치를 제조하고자 하였으며, 이 과정에서 직접 불소화법의 반응 온도를 제어함으로써 메조페이스의 생성 및 성장 거동에 대하여 고찰하였다. 또한 원소 분석, 연화점, FT-IR, XRD, 편광현미경 분석을 통하여 제조된 피치의 물리ㆍ화학적 특성을 평가하였으며, 이를 기반으로 불균일계 개질 공정의 응용 가능성에 대하여 고찰하였다.
  • 일반적으로 등방성 피치와 같은 복잡한 조성을 갖는 혼합-화합물은 화학적인 변화를 추적하기가 매우 어려우므로 용제 추출법과 C/H 몰비의 변화를 조사하고 중ㆍ축합도를 비교하여 그 변화를 추정하는 방법을 사용한다[17]. 메조페이스 피치는 용해력이 가장 강력한 유기계 용매인 퀴놀린에서도 용해되지 않는 성질을 지니고 있으므로, 본 연구에서는 연화점, 원소분석 및 FT-IR 분석을 이용하여 피치의 성장 거동을 간접적으로 분석하고자 하였다. PFO 및 불균일계 개질 공정으로부터 제조된 피치의 구성 원소 종류와 함량을 확인하고자 원소 분석을 실시하였으며, 이를 Table 1에 정리하였다.
  • 본 연구에서는 불소 가스를 이용한 불균일계 개질 공정과 고온 열처리 공정을 통하여 메조페이스 피치를 제조하였으며, 그 공정의 반응 온도를 조절함으로써 메조페이스의 성장 및 합체 거동을 고찰하였다. 원소 분석 결과, 메조페이스 제조 공정을 거치면서 PFO 내의 산소, 질소, 황과 같은 불순물은 제거되었으며, 탈수소화 및 중ㆍ축합 반응으로 탄소 함량이 증가하여 C/H 몰 비, 방향족화도, 연화점이 증가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
메조페이스 피치는 무엇인가? 석유계 및 석탄계 분해 잔사물을 400 ℃ 전후에서 열처리하여 생성되는 광학적 이방성 조직인 메조페이스 피치는 다환 방향족(polycon-densed aromatics)으로 구성되어 있으며, 등방성 피치에 비하여 분자 간 배향성과 흑연화도가 우수하고 열적, 전기적 특성이 우수하기 때문에 고성능 탄소섬유, 탄소/탄소 복합재, 흑연 폼, 흑연 전극봉, 흑연 블록, 리튬 2차전지 등의 주요 재료로서 널리 이용되고 있다. Brooks와 Taylor는 열처리한 석탄의 조직을 편광 현미경으로 관찰하여 광학적으로 이방성인 소구체를 발견하였고, 열처리에 의하여 이러한 소구체가 생성, 성장, 합체하여 벌크 메조페이스가 된다는 것을 보고하였다[1-2].
불균일계 개질 공정으로부터 제조된 피치가 PFO에 비하여 탄소의 함량은 증가하고 수소의 함량이 감소한 이유는? 게다가 불균일계 개질 공정으로부터 제조된 피치는 PFO에 비하여 탄소의 함량은 증가하고 수소의 함량은 감소하였다. 이러한 현상은 불소 가스에 의한 반응 및 열에너지에 의하여 저분자량의 PFO가 탈수소화반응과 축⋅중합 과정을 거치면서 고분자화 되는 과정에서 나타난 현상으로 판단된다[18]. 또한 PFO에서 검출된 미량의 산소, 질소, 황은불소 가스와의 반응으로 제거된 것으로 판단된다.
양이온 중합을 사용하는 AlCl3 촉매 개질법의 장점은? 이후 나프탈렌, 안트라센 등의 순수 방향족 탄화수소에 알칼리 금속(K) 또는 루이스(Lewis) 산(AlCl3, HF/BF3)을 촉매로 사용하여 메조페이스 피치를 제조하는 연구가 진행되었다[5-8]. 양이온 중합을 사용하는 AlCl3 촉매 개질법은 반응 중에 중간물질이 생성되기 때문에 용융범위가 증가하며 이방성 조직의 형성이 다른 공정에 비하여 비교적 유리한 장점이 있다. 반면에, 촉매의 회수가 어렵고 촉매 자체가 메조페이스 피치의 불순물로 작용하기 때문에 별도의 촉매 제거 공정
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참고문헌 (25)

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  25. Z. S. Gui, W. B. Cheng, and S. Quan, Effect of physical disturbance on the structure of needle coke, Chin. Phys. B, 19, 108101 (2010). 

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