탄소섬유 생산 공정 흐름도 및 공정 설명

원사 준비：

• 중합아크릴로니트릴 단량체와 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO)를 적절한 비율로 공단량체 및 개시제인 아조비스이소부티로니트릴과 함께 중합 케틀에 넣습니다. 용액 중합은 특정 온도에서 진행되어 폴리아크릴로니트릴 원액을 생성합니다. 중합 과정에서 온도, 개시제 투여량, 그리고 물과 단량체의 비율과 같은 요인들을 조절하는 것은 매우 중요합니다. 이러한 요인들은 중합체의 분자량과 분포, 그리고 결과적으로 전구체의 품질에 영향을 미치기 때문입니다.

• 제사일반적인 방사 공정에는 습식 방사와 건식 습식 방사가 있습니다. 습식 방사에서는 방사 용액을 여과 및 탈기한 후, 계량 펌프를 통해 응고조에 담긴 방사구에 정밀하게 계량합니다. 용액은 방사구에서 압출되어 응고조에서 필라멘트로 응고됩니다. 건식 습식 방사에서는 방사 용액이 방사구에서 나온 후 건조 공기층 또는 질소층을 통과한 후 응고조로 들어가 응고됩니다. 이 방법은 더욱 균일한 섬유 다발을 생산하고 더 높은 강도의 전구체를 제조하는 데 도움이 됩니다. 형성된 전구체는 물로 세척하여 잔류 용매를 제거하고 100~150°C에서 건조 및 치밀화하여 최종적으로 직경 약 10~15μm의 흰색 PAN 전구체를 얻습니다.

사전 산화PAN 전구체를 공기 중에서 200~300°C에서 수 시간 동안 천천히 가열합니다. 이 과정에서 분자 사슬의 시안화물기(—C≡N)가 고리화 반응을 일으켜 사다리 모양의 구조를 형성하고, 동시에 NH₃와 HCN 가스를 방출합니다. 섬유 파손으로 이어질 수 있는 국부적인 과열을 방지하기 위해 가열 속도(1~5°C/분)와 섬유 장력을 정밀하게 제어해야 합니다. 사전 산화 후, 섬유는 흰색에서 검은색으로 변하고 산소 함량이 8~12%로 증가하여 고온에 대한 내성을 갖게 됩니다.

탄화예비 산화된 섬유는 불활성 분위기(예: N₂)에서 탄화되고, 400°C에서 1600°C까지 점진적으로 가열되며, 저온 탄화(400-1000°C)와 고온 탄화(1000-1600°C)의 두 단계 탄화 과정을 거칩니다. 이 온도 범위에서 예비 산화된 섬유에 존재하는 질소, 수소, 산소와 같은 비탄소 원소가 섬유에서 분리되어 난층 흑연 구조를 형성합니다. 섬유 밀도는 1.7-1.9 g/cm³로 증가하고 탄소 함량은 90%를 초과하여 높은 인장 강도를 나타냅니다.

흑연화고탄성률 탄소 섬유에는 흑연화가 필수적입니다. 탄화된 섬유는 불활성 가스 분위기에서 2000~3000°C의 온도로 처리되어 섬유 내 탄소를 난층 구조에서 3차원 흑연 구조로 변형시켜 탄소 섬유의 탄성률을 더욱 높입니다.

표면 처리 및 사이징탄소 섬유와 수지 사이의 결합력을 향상시키기 위해 탄화된 탄소 섬유는 표면 처리를 거칩니다. 주요 공정으로는 전기 분해, 세척, 접착, 건조가 있습니다. 그 후 사이징(sizing)을 합니다. 일반적으로 탄소 섬유 중량의 0.5%에서 5%를 차지하는 사이징제는 취급 및 가공 과정에서 섬유를 보호하고, 필라멘트를 다발로 묶어 보풀 발생을 줄이고, 작업성을 향상시키며, 섬유와 매트릭스 수지 사이의 계면 전단 강도를 증가시킵니다. 사이징 및 건조 후 최종 탄소 섬유가 완성됩니다.