고온 튜브 퍼니스는 리그닌을 탄소 섬유로 전환하는 데 중요합니다. 이는 연소를 방지하면서 구조적 진화를 강제하는 엄격하게 제어된 환경을 제공하기 때문입니다. 순수한 질소 분위기는 500°C에서 1000°C 이상의 온도에서 섬유가 산화(연소)되는 것을 방지하며, 정밀한 온도 램프 속도(특히 3°C/min)는 비탄소 원소가 천천히 휘발되도록 하여 밀도가 높고 고도로 흑연화되었으며 열적으로 안정적인 구조를 만듭니다.
핵심 요점: 탄화 리그닌 섬유의 품질은 섬세한 균형에 달려 있습니다. 질소 분위기는 재료가 재로 변하는 것을 방지하는 보호막 역할을 하며, 가열 프로파일은 높은 전도성과 기계적 강도에 필요한 원자 재배열을 유도하는 제어된 스트레스 요인 역할을 합니다.
질소 분위기의 중요 역할
산화 연소 방지
500°C와 같이 낮은 온도에서도 리그닌 섬유는 산화에 매우 취약합니다. 보호막이 없으면 탄화에 필요한 높은 열은 단순히 섬유를 태울 것입니다.
불활성 반응 구역 생성
순수한 질소의 지속적인 흐름은 튜브 내부의 산소를 대체합니다. 이는 섬유가 분해되지 않고 1000°C(잠재적으로 더 높음)까지의 온도를 견딜 수 있는 불활성 환경을 만듭니다.
원소 제거 가능
외부 산소와의 반응을 방지함으로써 질소 분위기는 재료가 "내부"를 보도록 강제합니다. 이를 통해 섬유는 리그닌 전구체에 자연적으로 존재하는 비탄소 원소, 특히 질소, 산소 및 수소를 제거할 수 있습니다.
온도 제어 및 가열 속도의 영향
느린 가열의 중요성
가열 속도는 섬유 품질을 결정하는 요인입니다. 약 3°C/min의 제어된 속도가 권장됩니다.
구조적 손상 방지
빠른 가열은 비탄소 원소가 섬유 내부에서 너무 빨리 기화되고 팽창하게 할 수 있습니다. 이 내부 압력은 섬유 구조를 균열시키거나 파괴할 수 있습니다. 느린 램프는 이러한 휘발성 물질이 점진적으로 빠져나가도록 하여 섬유의 무결성을 유지합니다.
체류 시간의 기능
온도를 일정하게 유지하는 것(체류 시간)은 30~90분 동안 필수적입니다. 이 기간은 탄소 원자가 재배열될 수 있는 필요한 열 에너지를 제공합니다.
흑연화 유도
이 체류 기간 동안 남아있는 탄소 원자는 정렬된 구조로 정렬됩니다. 흑연화라고 하는 이 과정은 무질서한 리그닌을 터보스트래틱 흑연 구조로 변환하여 밀도와 열 안정성을 크게 향상시킵니다.
절충점 및 함정 이해
열장 균일성
단순히 고온에 도달하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 열은 균일하게 분포되어야 합니다. 열장 균일성은 섬유의 모든 부분이 동일한 조건을 경험하도록 보장하여 최종 기계적 무결성의 약점이나 불일치를 방지합니다.
안정화 건너뛰기의 위험
사용자 질문은 질소/탄화 단계에 초점을 맞추고 있지만, 원료 리그닌에 고온과 질소를 엄격하게 적용하면 녹을 수 있습니다. 섬유는 종종 질소 탄화 단계 동안 서로 융합되는 것을 방지하기 위해 먼저 공기 중에서 열 안정화 단계를 거쳐야 합니다.
전도성과 취성 균형
더 높은 온도(최대 1800°C)와 더 긴 체류 시간은 일반적으로 더 높은 전도성과 더 순수한 탄소 함량을 생성합니다. 그러나 이러한 매개변수를 정밀한 제어 없이 너무 많이 밀어붙이면 최종 섬유의 과도한 취성이 발생할 수 있습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
리그닌 탄화 공정을 최적화하려면 퍼니스 설정을 원하는 결과에 맞추십시오.
- 주요 초점이 구조적 무결성인 경우: 더 느린 가열 속도(예: 3°C/min)를 우선시하고 퍼니스가 미세 균열을 방지하기 위해 탁월한 열 균일성을 갖도록 하십시오.
- 주요 초점이 전기 전도성인 경우: 흑연화 및 비탄소 원소 제거를 극대화하기 위해 더 높은 탄화 온도(1000°C 이상)와 더 긴 체류 시간을 목표로 하십시오.
- 주요 초점이 공정 수율인 경우: 소량의 산소라도 챔버에 들어가 섬유 질량을 재로 줄이는 것을 방지하기 위해 엄격하게 제어된 질소 흐름을 보장하십시오.
성공은 가열 곡선의 정밀성에 달려 있습니다. 퍼니스를 단순히 오븐이 아니라 원자 재배열을 위한 도구로 취급하십시오.
요약표:
| 매개변수 | 리그닌 탄화에서의 역할 | 섬유 품질에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 질소 분위기 | 산화 연소 방지 및 비탄소 원소 제거 | 높은 탄소 순도 및 밀도가 높고 안정적인 구조 |
| 가열 속도(3°C/min) | 내부 가스의 휘발 제어 | 구조적 균열 방지; 섬유 무결성 보장 |
| 체류 시간(30-90분) | 원자 재배열을 위한 에너지 제공 | 흑연화, 밀도 및 안정성 향상 |
| 온도(1000°C 이상) | 흑연화 공정 유도 | 전기 전도성 및 내열성 극대화 |
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참고문헌
- Changyu Shen, Jun Li. Investigation on spinnability of low molecular weight alkaline lignin to fabricate biobased carbon fiber. DOI: 10.15251/djnb.2024.191.417
이 문서는 다음의 기술 정보도 기반으로 합니다 Kintek Furnace 지식 베이스 .
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