[논문]인계난연제 전처리에 따른 셀룰로스계 중공사 탄소막의 특성분석

이수오; 정용식

doi:10.12772/tse.2019.56.293

[국내논문] 인계난연제 전처리에 따른 셀룰로스계 중공사 탄소막의 특성분석
Characterization of Phosphorus Flame Retardant Pre-treatment on Cellulose-Based Hollow Fiber Carbon Membranes 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.56 no.5, 2019년, pp.293 - 299

이수오 (전북대학교 탄소소재파이버공학과) , 정용식 (전북대학교 탄소소재파이버공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effect of phosphorus flame retardant treatment on cellulose-based hollow fiber carbon membranes (HFCMs). The HFCMs were prepared by the pyrolysis of cellulose hollow fiber treated with an $(NH_4)_2HPO_4$ and polysiloxane emulsion mixture. TGA showed that the HFCMs started to decompose at $150^{\circ}C$ and that the carbon yield increased by 9.2% at $850^{\circ}C$. The HFCMs did not show typical cellulose crystalline peaks at $350^{\circ}C$ in XRD analysis. The flexibility of the HFCMs decreased as the final pyrolysis temperature increased. $(NH_4)_2HPO_4$ treatment lowered the degree of flexibility of the HFCMs. The tensile strength and tensile modulus increased with the pyrolysis temperature.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic illustration of hollow fiber spinning machine.
표 Table 1. Details of the prepared samples
그림 Figure 2. Effect of pre-treatment assessed by thermogravimetrican alysis at a heating rate of 10 °C/min.
그림 Figure 3. Cross-sectional SEM images of hollow fiber carbon membranes; (a) PHFCM-350, (b) PHFCM-450, (c) PHFCM-750, (d) PHFCM-850, (e) HFCM-350, (f) HFCM-450, (g) HFCM-750, and (h) HFCM-850.
그림 Figure 5. Radius of curvature of hollow fiber carbon membranes according to carbonization temperature.
그림 Figure 4. (a) Schematic illustration of bending test for hollow fiber carbon membranes and (b) picture of PHFCM-450.
표 Table 2. Identification of hollow fiber carbon membranes derived from cellulose based hollow fiber
그림 Figure 6. Tensile strength of hollow fiber carbon membranes according to carbonization temperature; (a) untreated samples and (b) pre-treated samples.
그림 Figure 7. Tensile modulus of hollow fiber carbon membranes according to carbonization temperature; (a) untreated samples and (b) pre-treated samples.
그림 Figure 8. XRD patterns of hollow fiber carbon membranes according to carbonization temperature; (a) untreated samples and (b) pre-treated samples.
그림 Figure 9. FT-IR analysis of hollow fiber carbon membranes according to carbonization temperature; (a) untreated samples and (b) pre-treated samples.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유연한 중공사 탄소막을 제조하기 위해 셀룰로스를 프리커서로 인계난연제 전처리 중공사 탄소막을 제조하는 연구를 진행하였고 인계난연제 전처리에 의한 향상된 수율이 중공사 탄소막에 미치는 영향에 대하여 나타내었다.

제안 방법

본 실험에서는 유연한 중공사 탄소막을 제조하기 위해 셀룰로스를 프리커서로 사용하여 기격습식 방사법으로 중공사를 방사한 후, 인계난연제 전처리 유무에 따른 특성을 분석하였다.
불활성 기체 분위기 조성 후 1 oC/min의 승온속도로 350−850 oC까지 100 oC 간격으로 전처리를 실시한 중공사 탄소막 샘플 6종을 제조하였다.
셀룰로스 중공사 탄소막의 내염화 및 탄화 공정의 온도 프로파일 설정과 열적특성분석을 위하여 TGA(thermogravimetric analysis, TGA N-1500, (주)신코엠앤티) 분석을 실시하였다. 질소분위기하에 1000 ^oC까지 10 ^oC/min의 승온속도로 측정하였다.
셀룰로스 중공사는 건조과정에서 수축이 크게 일어나기 때문에 장력을 주면서 건조하였다. 완전히 건조한 샘플을 배치식 탄화로(S-A1700, HANTECH)를 이용하여 내염화를 실시하였다. 화학적 탈수 반응이 일어나기 전 150 ^oC까지 5 ^oC/min으로 승온하였고, 230 ^oC까지 1 ^oC/ min으로 승온하였다.
인산이암모늄, 실리콘 에멀젼, 증류수를 각각 3, 6, 91 wt% 넣고 교반하여 전처리 용액을 제조하였다. 제조한 전처리 용액에 방사한 중공사를 5분 동안 침지하였다.
전처리에 따른 중공사 탄소막의 구조 변화를 확인하기 위하여 XRD(X-ray diffraction, X’pert Pro Powder, PANalytical)와 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy, Frontier, Perkin Elmer)를 사용하여 분석하였다.
질소분위기하에 1000 ^oC까지 10 ^oC/min의 승온속도로 측정하였다. 중공사 탄소막의 단면을 관찰하기 위하여 SEM(scanning electron microscope, JSM-5900, JEOL) 분석을 실시하였다. 전처리에 따른 중공사 탄소막의 구조 변화를 확인하기 위하여 XRD(X-ray diffraction, X’pert Pro Powder, PANalytical)와 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy, Frontier, Perkin Elmer)를 사용하여 분석하였다.
탈포한 방사원액을 기어펌프를 사용하여 외경 1000 μm, 내경 500 μm인 중공사용 노즐로 방사하였다.

대상 데이터

, Ltd.), 실리콘에멀젼(poly(dimethylsiloxane, (C₂H₆OSi)n, Shinetsu)을 사용하였다.
불활성 기체 분위기 조성 후 1 ^oC/min의 승온속도로 350−850 ^oC까지 100 ^oC 간격으로 전처리를 실시한 중공사 탄소막 샘플 6종을 제조하였다. 또한 전처리 공정만 실시하지 않고 나머지 공정은 동일하게 진행한 중공사 탄소막 샘플 6종을 제조하였다. 각 샘플은 Table 1과 같이 명명하였다.
본 연구에서는 고분자 프리커서로 중합도 850인 셀룰로스(v60)을 이온성 액체(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, EMIM-Ac, 95%)에 용해하여 준비하였다. 전처리 용액은 수율 향상을 목적으로 인산이암모늄(diammonium hydrogen phosphate, (NH₄)₂HPO₄, Showa Cemical Industry Co.
탈포한 방사원액을 기어펌프를 사용하여 외경 1000 μm, 내경 500 μm인 중공사용 노즐로 방사하였다. 중공사의 코어 응고액과 응고욕조는 상온의 물을 사용하였다. Figure 1에 실험에 사용한 중공사 방사설비에 대하여 나타내었다.

성능/효과

1. 셀룰로스계 중공섬유에 인계난연제 처리를 하고 탄화함으로써 중공사 탄소막의 수율이 9.3% 증가함을 확인하였다.
2. 인계난연제 처리에 의해 수율이 증가하고 분해반응이 촉진됨에 따라 중공사 탄소막의 직경과 벽두께가 동일 온도조건으로 전처리 없이 탄화한 중공사 탄소막에 비해 크고 두꺼워져 유연도가 떨어짐을 확인하였다.
3. XRD와 FT-IR 분석을 통해 인계난연제 처리에 의해 분해 반응이 촉진되어 100 ^oC 낮은 온도 구간에서 분해가 시작되는 것을 확인하였다.
4. 열처리 온도가 높아질수록 강도와 탄성률 모두 증가하는 모습을 보였고, 전처리를 실시한 샘플의 탄성률이 더 높은 경향을 확인하였다.
Figure 5는 확인한 중공사 탄소막의 유연도를 그래프로 나타낸 것이다. HFCM 샘플의 경우 탄화 온도가 350 ^oC에서 850 ^oC로 증가 할수록 반경이 2 mm에서 8 mm 로 점차 커지며 유연도가 감소하는 것을 확인하였다. 고온에서 처리한 HFCM-850의 직경과 벽두께가 HFCM-350보다 가늘고 얇아 물리적으로 유연성이 증가할 수 있으나 열 분해과정에서 탄화되면서 탄소함량이 증가하며 탄소섬유의 고강성 성질이 발현되어 유연성이 감소한 것으로 보인다.
8%까지 수축하였다. HFCM과 PHFCM을 비교하면 최종적으로 중량은 전처리를 함으로써 9.3% 증가하고 외경은 19.5% 벽두께는 5.6% 길이는 7.1% 증가했음을 알 수 있다. 중공사 탄소막의 유연도를 Figure 4와 같이 구부려 반경을 비교하는 방법으로 나타내었다.
고온에서 처리한 HFCM-850의 직경과 벽두께가 HFCM-350보다 가늘고 얇아 물리적으로 유연성이 증가할 수 있으나 열 분해과정에서 탄화되면서 탄소함량이 증가하며 탄소섬유의 고강성 성질이 발현되어 유연성이 감소한 것으로 보인다. PHFCM 샘플의 경우 탄화온도가 350 ^oC에서 850 ^oC로 증가 할수록 반경이 4 mm에서 12.5 mm로 증가하며 유연도가 감소하는 것을 확인하였다. PHFCM 샘플에서도 HFCM 과 동일한 모습이 나타난다.
그리고 1005, 1047, 1089 cm^-1에서 이온성액체의 imidazolium에 관련된 피크가 관찰되지 않는 것으로 보아 방사 후 수세과정에서 용매가 완전히 제거된 것으로 보인다[20,21,23]. 열처리 온도에 따른 영향을 보면 HFCM-350부터 HFCM-850까지, PHFCM350부터 PHFCM-850까지 열처리 온도가 상승할수록 셀룰로스에서 볼 수 있던 피크들이 점차 사라지는 모습을 확인하였다.
열분해이후 중공사 탄소막의 외경, 벽의 두께, 중량, 길이변화를 전처리 유무에 따라 Table 2에 나타내었다. 전처리공정을 실시하지 않은 HFCM 샘플 을 살펴보면 350 ^oC로 열분해한 HFCM-350은 열분해 전 셀룰로스 중공사(HF) 대비 44.6%의 중량을 보이며 열처리온도가 상승함에 따라 점차 감소하여 HFCM-850에서 23.4%까지 감소하였다. 중공사 탄소막의 외경은 HFCM-350의 63.
7%까지 감소한다. 중공사 탄소막의 외경은 80.2%에서 73.9% 까지 감소하였고, 벽두께는 83.6%에서 61.5%까지 감소하였다.
4%까지 감소하였다. 중공사 탄소막의 외경은 HFCM-350의 63.0%에서 HFCM-850의 54.4%까지 감소하였고, 벽두께는 85.0%에서 58.3%까지 감소하였다. 중공사 탄소막의 길이는 92.
TGA 그래프를 Figure 2에 나타내었다. 측정결과를 살펴 보면 전처리공정을 하지 않은 HF와 전처리공정을 실시한 PHF 두 샘플 모두에서 150 ^oC 보다 낮은 온도구간에서 10% 정도의 중량 감소가 나타난다. 이는 셀룰로스 중공사 표면에 물리적으로 부착된 수분이 떨어져나가며 중량감소가 일어난 것으로 보인다[16].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유란 무엇인가?	중공사 탄소막은 고분자 전구체를 열분해하여 만들어진 다는 것에서 탄소섬유와 매우 유사하다. 탄소섬유는 조밀한 흑연 결정 구조를 가지는 섬유상의 탄소물질로 원료물 질에따라 PAN계, 피치계, 셀룰로스계 등으로 나누어진다 [7]. 그러나 시장의 대부분인 90%는 PAN계 탄소섬유가 차지하고 있으며 나머지 10%마저 대부분 피치계 탄소섬유가 차지하고 있다[7,8].
	분리막으로 개발되고 있는 소재들은 어떤것들이 있는가?	분리막으로 개발되고 있는 소재로는 고분자막, 무기막, 금속막, 액막 등이 있다. 가장 보편적으로 사용되는 막은 고분자 막으로 가공성이 좋고 대량 생산이 용이하다.
	가장 보편적으로 사용되는 고분자 막의 단점은 무엇인가?	가장 보편적으로 사용되는 막은 고분자 막으로 가공성이 좋고 대량 생산이 용이하다. 그러 나 기체 투과도 및 선택도에 한계가 있고 고온 안정성이 부족한 단점이 있다. 그래서 연구되고 있는 소재 중 하나가 무기막의 한 종류인 탄소막이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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