이수오
(Department of Organic Materials & Fiber Engineering, Jeonbuk National University)
,
박길영
(New Business Division, Dissol Co)
,
김우성
(New Business Division, Dissol Co)
,
황태경
(The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development)
,
김연철
(The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development)
,
서상규
(The 4th R&D Institute, Agency for Defense Development)
,
정용식
(Department of Organic Materials & Fiber Engineering, Jeonbuk National University)
우주 항공용 노즐에 사용되는 셀룰로오스계 탄소 직물은 낮은 열전도도, 높은 내삭마 특성을 가지고 있다. 그러나 내염화 및 흑연화 공정에서 70~90% 중량이 감소하여 최종 탄소 직물 제조 시 수율이 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산(Phosphoric acid), 가교제로 시트르산(Citric acid)을 사용하여 전처리한 후 FT-IR, XRD, TGA 분석을 통하여 화학적 구조 및 열적 특성 변화를 확인하였다. 또한 리오셀 직물의 내염화 및 흑연화 후 중량을 측정하여 시트르산이리오셀 직물 수율 변화에 미치는 영향에 대하여 확인하였으며, 16 wt% 첨가 시 흑연화 수율이 8.1% 까지 증가하는 것을 확인하였다.
우주 항공용 노즐에 사용되는 셀룰로오스계 탄소 직물은 낮은 열전도도, 높은 내삭마 특성을 가지고 있다. 그러나 내염화 및 흑연화 공정에서 70~90% 중량이 감소하여 최종 탄소 직물 제조 시 수율이 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산(Phosphoric acid), 가교제로 시트르산(Citric acid)을 사용하여 전처리한 후 FT-IR, XRD, TGA 분석을 통하여 화학적 구조 및 열적 특성 변화를 확인하였다. 또한 리오셀 직물의 내염화 및 흑연화 후 중량을 측정하여 시트르산이리오셀 직물 수율 변화에 미치는 영향에 대하여 확인하였으며, 16 wt% 첨가 시 흑연화 수율이 8.1% 까지 증가하는 것을 확인하였다.
Cellulose-based carbon fabrics are used in aerospace nozzles have low thermal conductivity and high ablation resistance. However, there is a disadvantage in that the weight is reduced by 70~90% in the pyrolysis process and graphitization process and the residual rate is low when the final carbon fab...
Cellulose-based carbon fabrics are used in aerospace nozzles have low thermal conductivity and high ablation resistance. However, there is a disadvantage in that the weight is reduced by 70~90% in the pyrolysis process and graphitization process and the residual rate is low when the final carbon fabric is produced. In this study, phosphoric acid as a phosphorus flame retardant and Citric acid as a cross-linking agent were treated on the lyocell fabrics. After that the functional groups were identified and thermal properties were confirmed by FT-IR, XRD and TGA. The yields of the final carbon fabrics were also compared through the pyrolysis and graphitization process. The graphitized yield increased to 8.1% with increasing citric acid to 16 wt% added.
Cellulose-based carbon fabrics are used in aerospace nozzles have low thermal conductivity and high ablation resistance. However, there is a disadvantage in that the weight is reduced by 70~90% in the pyrolysis process and graphitization process and the residual rate is low when the final carbon fabric is produced. In this study, phosphoric acid as a phosphorus flame retardant and Citric acid as a cross-linking agent were treated on the lyocell fabrics. After that the functional groups were identified and thermal properties were confirmed by FT-IR, XRD and TGA. The yields of the final carbon fabrics were also compared through the pyrolysis and graphitization process. The graphitized yield increased to 8.1% with increasing citric acid to 16 wt% added.
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문제 정의
셀룰로오스 가교에 대한 연구로는 시트르산을 가교제로 직물의 난연성, 세탁 내구성 증대 효과 등을 평가하는 연구가 진행되었다[6]. 본 연구에서는 직물 형태의 리오셀에 인산 처리를 통하여 나타나는 수율 증대 효과를 확인하고, 추가적으로 시트르산 가교제를 첨가하여 셀룰로오스 결정 구조를 변화시켜 최종 탄소 직물의 수율 증대 효과를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산과 가교제로 시트르산처리를 하여 리오셀 직물의 흑연화 수율향상에 대하여 고찰하였다. 인계난연제 내염화 처리를 실시함으로써 인산의 반응에 의해 리오셀 직물의 열분해 반응을 감소시켜 미처리 리오셀 직물 대비 350℃ 내염화 직물의 수율이 11.
제안 방법
전처리 공정에서 시트르산(citric acid, C6H8O7, Junsei Chemical Co. Ltd.), 인산(phosphoric acid, H3PO4, DAEJUNG Chemicals & Metals, 85%)에 침지한 리오셀 섬유의 내염화 및 흑연화 공정 동안 발생하는 수율 변화와 수축 정도를 확인하였다.
각각의 전처리액에 침지시킨 직물을 niproller를 통과시켜 침지 전 직물 무게 대비 함침된 전처리액의 양이 약 80% 정도의 pick—up율이 되도록 하였다.
, 2*2 twill)을 사용하였다. 제직한 직물에 전처리, 내염화 및 흑연화 공정을 진행하였다. 전처리 공정에서 시트르산(citric acid, C6H8O7, Junsei Chemical Co.
물리적 수분을 제거하기 위하여 150℃ 미만의 구간에서는 5℃/min의 속도로 승온하였고, 화학적 탈수반응이 일어나는 150∼250℃의 온도구간에서는 2℃/min으로 승온 속도를 설정하였다.
CuKα 선을 조사하였으며,전원은 40 kV, 100 mA으로 측정하였다.
제조한 리오셀 직물의 전처리 이후 작용기를 확인하기 위하여 Perkin Elmer사의 Frontier FT-IR을 사용하여 주파수 4000∼500 cm−1에서 resolution은 4cm−1로 하여 ATR법으로 측정하였다.
수축 정도는 내염화공정과 흑연화 공정 전⋅후 길이와 폭을 정확도 0.01 mm의 디지털 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정하였다.
각각의 샘플을 Fig. 2의 온도 프로파일과 같이 JEIO TECH사의 Forced Convection Oven(L-Series)을 이용하여 내염화 공정을 진행하였다. 물리적 수분을 제거하기 위하여 150℃ 미만의 구간에서는 5℃/min의 속도로 승온하였고, 화학적 탈수반응이 일어나는 150∼250℃의 온도구간에서는 2℃/min으로 승온 속도를 설정하였다.
또한 초기 단계에는 air 분위기에서 내염화 공정을 진행하는 것이 탄소 직물의 강도 향상에 도움이 되어 250℃ 이후 N2 분위기로 조성하여 내염화 공정을 수행하였다[10]. 내염화 공정을 거친 리오셀 직물의 무게, 길이, 폭 등을 측정한 후 흑연화 공정을 수행하여, 흑연화 공정 후 직물과 비교하였다.
350℃까지 내염화 처리된 리오셀 직물을 Fig.3의 온도 프로파일에 나타낸 바와 같이 Ar 가스분위기 하에 1600℃까지 5℃/min, 2200℃까지 2℃/min로 설정하여 흑연화 공정을 수행하였다.
TGA는 Scinco M&T사의 N-1500을 사용하였다. 상온에서 600℃까지 승온속도 10℃/min의속도로 질소 분위기에서 각각의 샘플의 중량 감소율을 분석하였다.
리오셀 직물의 전처리 공정, 내염화 및 흑연화 공정 각각의 공정 전후에 중량변화와 수축 정도를 측정하였다. 중량변화는 정확도 0.
리오셀 직물의 내염화 및 흑연화 공정의 온도 프로파일 설정과 열적 특성 분석을 위하여 TGA 분석을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 코오롱인더스트리(주)사의 1500D 리오셀 섬유를 사용하여 5 cm 폭으로 제직한 리오셀 직물(600 g/m2, 2*2 twill)을 사용하였다. 제직한 직물에 전처리, 내염화 및 흑연화 공정을 진행하였다.
시트르산은 가교제로써 리오셀과 인산에 작용하여 수율 향상 목적으로 투입하였다[7,8]. 인산은 흔히 알려진 난연성 물질로 본 연구에서는 3 wt%로 고정하여 사용하였다[9].
XRD는 PANalytical사의 X’pert Pro Powder를 사용하였다.
TGA는 Scinco M&T사의 N-1500을 사용하였다.
이론/모형
리오셀 직물에 인산과 시트르산을 함량별로 처리함에 따라 전처리 직물의 결정성 변화를 X선 회절법으로 분석하여 Fig. 8에 나타내었다. 리오셀 직물은 재생 셀룰로오스로서 셀룰로오스Ⅱ의 결정성을 보인다[19].
성능/효과
각각의 전처리액에 침지시킨 직물을 niproller를 통과시켜 침지 전 직물 무게 대비 함침된 전처리액의 양이 약 80% 정도의 pick—up율이 되도록 하였다. 전처리를 하지 않은 리오셀 샘플은 NL, 인산 3 wt% 처리한 샘플은 PL, 시트르산 4 wt%, 인산 3 wt% 처리한 샘플은 PCL1, 시트르산 8 wt%, 인산 3 wt% 처리한 샘플은 PCL2, 시트르산 16 wt%, 인산 3 wt% 처리한 샘플은 PCL3 이라 각각 명명하였다.
리오셀 직물의 폭과 길이의 변화도 중량변화와 동일한 양상을 보인다. 이에 따라 시트르산이 리오셀 직물에 가교제 역할을 하여 리오셀 직물 흑연화 수율 향상에 도움이 됨을 확인하였다.
9º에서 나타나는 peak의 세기가 감소하였다[25]. PCL1,2,3을 보면 시트르산을 4 wt% 첨가한 PCL1은 PL과 큰 차이를 보이지 않으나 8 wt%, 16 wt%로 함량이 증가함에 따라 셀룰로오스 결정 peak의 세기가 커짐을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산과 가교제로 시트르산처리를 하여 리오셀 직물의 흑연화 수율향상에 대하여 고찰하였다. 인계난연제 내염화 처리를 실시함으로써 인산의 반응에 의해 리오셀 직물의 열분해 반응을 감소시켜 미처리 리오셀 직물 대비 350℃ 내염화 직물의 수율이 11.5% 향상되었고 2200℃ 흑연화 단계에서는 3.4% 향상되었다. 추가적으로 가교제시트르산을 처리함으로써 리오셀 NL보다 내염화 직물의 수율이 증가하였으며, 시트르산의 함량이 증가할수록 14.
1%로 증가함을 확인하였다. 시트르산의 함량이 증가할수록 수율이 증가하여 16 wt% 첨가한 PCL3이 가장 우수한 수율을 나타내었다. 이와 같은 연구결과로 시트르산의 가교반응이 최종 탄소 직물의 탄화 수율 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.
시트르산의 함량이 증가할수록 수율이 증가하여 16 wt% 첨가한 PCL3이 가장 우수한 수율을 나타내었다. 이와 같은 연구결과로 시트르산의 가교반응이 최종 탄소 직물의 탄화 수율 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
셀룰로오스계 탄소 직물의 특성은 무엇인가?
우주 항공용 노즐에 사용되는 셀룰로오스계 탄소 직물은 낮은 열전도도, 높은 내삭마 특성을 가지고 있다. 그러나 내염화 및 흑연화 공정에서 70~90% 중량이 감소하여 최종 탄소 직물 제조 시 수율이 낮은 단점이 있다.
시트르산이리오셀 직물 수율 변화에 미치는 영향은 어떠한가?
본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산(Phosphoric acid), 가교제로 시트르산(Citric acid)을 사용하여 전처리한 후 FT-IR, XRD, TGA 분석을 통하여 화학적 구조 및 열적 특성 변화를 확인하였다. 또한 리오셀 직물의 내염화 및 흑연화 후 중량을 측정하여 시트르산이리오셀 직물 수율 변화에 미치는 영향에 대하여 확인하였으며, 16 wt% 첨가 시 흑연화 수율이 8.1% 까지 증가하는 것을 확인하였다.
셀룰로오스계 탄소 직물의 단점은 무엇인가?
우주 항공용 노즐에 사용되는 셀룰로오스계 탄소 직물은 낮은 열전도도, 높은 내삭마 특성을 가지고 있다. 그러나 내염화 및 흑연화 공정에서 70~90% 중량이 감소하여 최종 탄소 직물 제조 시 수율이 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 리오셀 직물에 인계난연제로 인산(Phosphoric acid), 가교제로 시트르산(Citric acid)을 사용하여 전처리한 후 FT-IR, XRD, TGA 분석을 통하여 화학적 구조 및 열적 특성 변화를 확인하였다.
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