예비 산화 공정의 기능은 리그닌 섬유를 안정화하는 것입니다. 이는 화학적으로 구조를 "고정"하여 후속 고온 공정 중에 녹거나 융합되지 않도록 합니다. 200-270°C의 공기 분위기에서 튜브 퍼니스에서 수행되는 이 단계는 탈수소화, 산화 및 가교와 같은 특정 화학 반응을 유발하여 재료의 내열성을 높이고 나노 구조를 유지합니다.
핵심 통찰: 예비 산화는 원료의 녹는 폴리머와 내열성 탄소 전구체 사이의 다리 역할을 합니다. 리그닌을 열가소성 상태(열에 녹는 상태)에서 열경화성 사다리 모양 구조(모양을 유지하는 상태)로 변환하여 섬유가 흑연화의 극한 온도를 견딜 수 있도록 합니다.
안정화 메커니즘
화학적 변환
튜브 퍼니스 내부에서 리그닌은 주로 탈수소화, 산화 및 가교와 같은 복잡한 일련의 반응을 거칩니다.
추가 데이터에 따르면 이 단계에서 방향족화도 발생합니다.
이러한 반응은 수소를 제거하고 분자 사이에 산소 다리를 도입합니다.
선형 구조에서 사다리 구조로
원료 리그닌 분자는 일반적으로 선형 또는 분지형입니다.
예비 산화는 이러한 분자들이 고도로 가교된 사다리 모양 구조로 연결되도록 합니다.
이 구조적 강성이 섬유에 새로운 열 안정성을 부여하는 것입니다.
열가소성에서 열경화성으로의 전환
처음에는 리그닌이 열가소성이므로 가열 시 부드러워지고 녹습니다.
예비 산화를 통해 재료는 열경화성이 됩니다.
이는 고온에서 녹는 대신 분해된다는 것을 의미하며, 이는 섬유의 물리적 형태를 보존하는 데 필수적입니다.
튜브 퍼니스의 중요한 역할
정밀한 분위기 제어
후속 탄화 단계는 불활성 질소가 필요하지만, 예비 산화는 공기 분위기가 필요합니다.
공기 중의 산소는 가교 공정을 촉진하는 데 필요한 반응물입니다.
온도 균일성
이 공정은 200-270°C의 좁은 범위 내에서 작동합니다.
튜브 퍼니스는 섬유의 모든 부분이 동일한 속도로 반응하도록 보장하는 데 필요한 정밀한 열장 균일성을 제공합니다.
불균일한 가열은 섬유에 약점이나 "불안정화된" 부분을 초래할 수 있습니다.
절충점 이해
과열 위험
반응에 열이 필요하지만, 공기 환경에서 270°C를 초과하면 연소로 이어질 수 있습니다.
구조가 안정화되기 전에 온도가 너무 높아지면 섬유가 가교되는 대신 단순히 타버릴 수 있습니다.
과소 처리의 결과
반대로 온도가 너무 낮거나 체류 시간이 너무 짧으면 섬유의 핵심이 열가소성 상태로 유지될 수 있습니다.
이는 후속 고온 탄화(최대 1800°C) 중에 섬유가 녹거나 달라붙는 결과를 초래합니다.
섬유가 융합되면 최종 탄소 섬유 제품의 기계적 무결성이 손상됩니다.
목표에 맞는 올바른 선택
고품질 탄소 섬유 생산을 보장하려면 예비 산화를 구조적 무결성의 기초로 간주해야 합니다.
- 구조적 무결성이 주요 초점이라면: 가열 프로파일이 느리고 균일하여 산소가 섬유 코어로 완전히 확산되도록 하여 외부만 안정화되는 "피부-코어" 효과를 방지하세요.
- 공정 효율성이 주요 초점이라면: 200-270°C 범위의 상한선을 최적화하여 가교를 가속화하되, 산화 손상이나 연소를 방지하기 위해 엄격한 온도 제어를 구현하세요.
최종 탄소 섬유의 품질은 탄화의 극한 열이 아니라 이 초기 안정화 단계의 정밀도에 의해 결정됩니다.
요약 표:
| 특징 | 세부 정보 |
|---|---|
| 온도 범위 | 200°C – 270°C |
| 분위기 | 공기 (가교에 산소 필요) |
| 화학 공정 | 탈수소화, 산화, 가교, 방향족화 |
| 재료 변환 | 열가소성 (녹는)에서 열경화성 (내열성)으로 |
| 핵심 기능 | 고온 탄화 중 섬유 융합/녹는 것 방지 |
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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
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