Polyacrylonitrile (PAN) is one of the most widely used in textiles and producing a fibrous precursors of carbon fibers. PAN fibers are particularly suitable to produce high performance carbon fibers due to their high melting point and a great carbon yield (>50% of the original precursor mass). Moreover, the PAN polymer is also attempted to fabricate various compositions with nanoadditives such as nanosilica, nanomagnetite, nanohydroapatite and carbon nanotubes.
Carbon fibers are manufactured by controlled oxidative stabilization, carbonization and graphitization of PAN precursor fibers. Oxidative stabilization process takes long time due to the key process in the process of converting PAN fiber to high performance carbon fiber. To accelerate the stabilization process, fibers can be crosslinked by photo-stabilization. Ionizing radiation generates free radicals in PAN, which aid cyclization and crosslinking.
This dissertation deals with the investigation of PAN fibers stabilized with various doses of beam irradiation. The effects of electron beam on the chemical, thermal and mechanical properties were analyzed. It was found that electron beam irradiation could induce chemical reactions so that the structural change which was transformed C$\equiv$N bonds into C=N bonds by changing PAN into their cyclized structure observed. Stabilizaion index values were increased with increasing the electron beam irradiation dose.
This dissertation also deals with the investigation of highly effective method of pretreatment PAN fibers. The method consists of exposure the PAN precursor to electron beam at various doses, and then the fibers are thermal stabilized. Electron beam pretreatment was enhanced inducing chemical reactions that converted the structure and affected the physical properties of the PAN fibers.
Carbon fibers are prepared through carbonization process at various carbonization temperatures. The degree of carbonization and mechanical properties of carbon fibers increases with the increase of carbonization temperature. Thermal treatment for stabilization of electron beam pretreated precursor enhanced the degree of carbonization and mechanical properties of carbon fibers. The prepared carbon fibers are expected to be applied in automobiles, sporting equipment, turbine blades, ressure vessel, transportation, and so on.
First of all, this dissertation establishes the industrial application feasibility of producing carbon fibers from electron beam irradiation technique.
탄소섬유는 유기 섬유 전구체를 가열하여 얻은 탄소 함유율이 90% 이상인 섬유로 정의되며, 내약품성, 내열성, 내충격성이 우수하고 알루미늄보다 가벼운 경량소재이나 철에 비해 강한 탄성과 높은 강도를 가지고 있어 군사, 항공우주 용도의 첨단 복합소재 뿐 아니라 자동차, 풍력발전용 블레이드, 압력용기, 건축 등 다양한 산업분야에 대한 적용이 이루어지고 있다. 탄소섬유는 사용 원료에 따라 레이온계, 피치계, 폴리아크릴로니트릴계로 분류할 수 있으며, 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유가 생산량과 사용량 측면에서 가장 많은 양을 나타내고 있다.
폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유는 전구체 섬유의 내염화 처리공정인 산화안정화 공정을 거친 후, 불활성 분위기 하에서 탄화 또는 흑연화 공정을 거쳐 만들어지는데, 그중 가장 중요한 공정은 산화안정화 공정으로 전구체의 화학구조를 변화시켜 탄화 공정 진행시 용융이 되지않는 가교결합을 유도한다. 특히, 산화안정화 공정은 탄소섬유 제조단가(전구체 섬유 51%, 산화안정화 공정 16%, 탄화 공정 10%, 흑연화 공정 13%, 기타 10%) 뿐 아니라 전체 공정시간 중 가장 긴 시간이 소요되고 있어 에너지 소비를 줄이며 빠른 시간에 안정화하는 방법이 많이 연구되고 있다.
본 논문에서는 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화에 미치는 전자선 조사 효과 및 전자선 처리된 안정화 섬유를 이용한 탄소섬유 적용에 관한 연구를 서술하였다. 본 논문은 크게 4 장으로 구성되어 있다. 제 1 장에서는 방사선에 대한 일반적인 지식과 방사선과 물질과의 상호작용에 관한 내용을 포함하고 있으며, 또한 탄소섬유 제조공정에 관한 일반적인 지식과 연구개발 동향, 그리고 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 반응 및 탄화 반응에 관한 내용을 기술하였다.
제 2 장에서는 전자선 조사를 통한 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 방법을 기술하였다. 전자선 처리 공정의 산업적 적용 가능성을 높이고자 소선경 케이블 조사설비를 이용하여 연속식 공정이 가능하도록 연구를 진행하였으며, 다양한 전자선조사 조건에 따른 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 정도를 화학적 구조변화, 열적 특성변화, 미세구조 변화 및 기계적 물성 변화 등을 통하여 비교 분석한 결과, 전자선 조사를 통해 생성된 라디칼이 고리화 반응과 가교 반응을 유도하여 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 특히, 전자선 조사량이 증가할수록 고리화 반응이 이루어지기 시작하는 온도가 낮아짐과 동시에 내열성이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 60% 이상의 안정화지수를 나타내어 전자선 조사를 통한 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 공정 적용 가능성을 확인하였다.
제 3 장에서는 산화안정화 공정에 있어서 전처리 공정으로서의 전자선 조사 효과를 기술하였다. 소선경 케이블 조사설비를 통해 다양한 전자선 조사 조건에서 전처리된 폴리아크릴로니트릴 섬유를 전기로를 이용하여 240 도의 온도에서 열산화안정화 공정을 진행한 후 얻어진 안정화 섬유를 화학적 구조, 열적 특성, 미세구조 및 기계적 물성 변화 등을 통하여 비교 분석하였다. 전자선 조사에 따른 높은 가교도 및 고리화 반응으로 인하여 30 분이라는 짧은 열처리 시간에도 불구하고 90% 이상의 안정화지수를 나타내었으며, 이를 통하여 열산화안정화 공정 진행에 앞서 전처리 방법으로서 전자선 조사가 폴리아크리로니트릴 섬유의 안정화에 소요되는 시간을 대폭 절감할 수 있음을 확인하였다.
제 4 장에서는 전자선 조사를 통해 안정화 한 폴리아크릴로니트릴 섬유와 전자선 전처리 후 열처리를 통해 안정화 한 폴리아크릴로니트릴 섬유를 원료로 하여 다양한 탄화조건에 따른 탄소섬유 제조 및 특성을 기술하였다. 탄화온도를 증가함에 따라 탄소섬유의 무정형 구조가 감소하고 결정질 분자구조가 증가하여 결정화도가 향상되는 것을 확인하였으며, 전자선 처리 후 열처리를 통해 안정화 한 섬유의 경우 탄소섬유 제조 시 보다 높은 결정화도를 나타내고 있음을 확인하였다. 또한 탄화온도가 1,000 도 이상에서 인장강도 및 탄성률의 증가율이 크게 증가하는 것을 확인하였다.
