TiO
2 함유 피치섬유의 최적 안정화 조건엄상용·이창호·박관호·유승곤† 충남대학교화학공학과
305-764 대전시유성구궁동 220 (2006년 11월 10일접수, 2007년 3월 19일채택)
The Optimum Stabilization Conditions of TiO
2-containing Pitch Fiber
Sang Yong Eom, Chang Ho Lee, Kwan Ho Park and Seung Kon Ryu†
Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 220, Gung-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-764, Korea (Received 10 November 2006; accepted 19 March 2007)
요 약
TiO2함유피치섬유의최적안정화조건을도출하기위하여 TiO2의함유량을달리하여피치섬유를제조한후, 여러
가지안정화조건에대한섬유의특성변화와금속입자의거동을관찰하였다. 공기에의한피치섬유의안정화시안정
화온도가높고, TiO2함유량이적을수록산화에의한무게증가가컸다. 안정화된섬유를탄화하면수율은 71~82 wt.%
수준인데, TiO2가활성촉매역할을하여 TiO2의함유량이많을수록탄화수율은낮았다. 안정화과정에서열가소성의
피치섬유는산소의도입으로카르보닐기(C=O)와카르복실기(-COOH) 등이형성되며동시에이들이가교결합을이루
고수소를탈리시켜열경화성섬유로전환되었다. 활성탄소섬유의기공크기는 TiO2함유량이증가함에따라점점커 졌으며, 주사전자현미경과투과전자현미경을통하여섬유의표면과내부에분포된 TiO2입자와분포를관찰한결과안 정화, 탄화및활성화공정중일부 TiO2가서로뭉침을알수있었다. 최종적으로 0.5 wt.% TiO2함유석유계피치섬 유는 280oC에서 3 hr를최적안정화조건으로제시할수있었다.
Abstract– TiO2-containing pitch fibers were prepared and various stabilization variables were investigated by char- acterizations of the fibers and behaviors of TiO2 particles in the optimum stabilization conditions. When pitch fiber was stabilized by air at the optimum condition, the fiber weight increased as an increase of the stabilization temperature and a decrease of TiO2 concentration. The carbonization yield was 71~82 wt.%, showing a decrease of the yield with the TiO2
increase caused by the catalytic activity of TiO2 to combustion. During the stabilization, newly developed carbonyl and carboxyl groups were introduced on the fiber surface and cross-linking reactions were progressed resulting the thermo- setting property, which was verified by the replacement of hydrogen with oxygen. Pore size of the activated carbon fiber was increased by an increase in TiO2 concentration. In the considerations of the aggregation behaviors of the TiO2 par- ticles, the optimum stabilization conditions of 0.5 wt.% TiO2 containing petroleum-based pitch fiber were suggested as 280oC, 3 hr.
Key words: Pitch Fiber, Stabilization, Carbonization, TiO2-containing CF, Catalytic Activator
1. 서 론
광촉매물질인 TiO2는빛을쪼이면자외선을흡수하여전자와 정공을발생하며, 이전자와정공은물과용존산소등과의반응에
의해강한 OH radical과활성산소를생성시킨다. 상온에서 OH
radical은강한산화작용에의해유해유기물을분해할수있으므
로수중에녹아있는각종중금속물질이나공기중의악취를분해 시킬수있다. 또한 TiO2는태양광을이용할경우, 반영구적이며 공해없이낮은비용으로폐수처리를할수있으므로환경측면에
서큰관심을받고있다. 최근 TiO2 함유다공성물질을이용한유 기염소화합물의광분해와이러한다공성물질에 TiO2를첨착시키
는연구가활발히진행중이며, TiO2함유활성탄을제조하기위
하여초임계이산화탄소(supercritical carbon dioxide)와유기금속 화학증착법(metal organic chemical vapor deposition)이사용되기
도하였다[1-3]. 그러나 TiO2함유활성탄소섬유(activated carbon fiber, ACF) 제조에대한연구는아직매우적으며, Ryu 등[4]이석 유계프리커서피치의용융방사시피치와 TiO2를혼합하여 TiO2
함유활성탄소섬유를제조하는데성공하였으나각제조단계별구 체적인연구가필요하다.
한편, 피치계활성탄소섬유의제조공정은개질, 방사, 안정화,
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
탄화및활성화의다섯단계로나눌수있다. 개질후방사된피치
섬유는열가소성이므로탄화공정동안섬유의형태를유지하기위 하여약 300oC에서안정화(불융화, 산화)공정을거치면서가교결 합을이룬다. 이러한안정화공정은최종적으로얻어지는탄소섬유 의성질및제조비용에가장큰영향을미치는매우중요한공정 으로알려져있다. 탄화공정에서는안정화공정을거쳐열경화성으 로전환된안정화섬유로부터각종관능기와비탄소성분을해리시 키면서인접탄소끼리축합및중합반응을유발시켜탄소만으로연 결된섬유를얻게된다[5].
안정화공정에대한앞선연구에서 Fitzer 등[6]과 Mochida 등[7]
은안정화시변수가되는승온속도, 산화온도및유지시간을적절 히변화시키고이에따른탄소섬유의구조변화를관찰하였으며,
Jung 등[8]은메조페이스피치섬유의안정화는섬유속으로산소가
침투되고탄소및수소가탈리되면서불규칙한모자이크조직이섬 유표층으로부터중심부쪽으로발달하는 skin-core 구조를가지며 진행된다고보고하였다. 한편, 안정화공정시점성흐름(viscous
flow)을방지하기위하여 Park 등[9]은방사온도미만의뜨거운공
기를섬유에침투시키고자하였으나피치섬유의화학적구조가판 상방향족탄화수소로되어있어서이온도에서의안정화반응은매 우느리게이루어진다고보고하였다. 이와같은낮은반응성은안 정화단계에있어서높은온도와장시간을요구하므로낮은온도 에서단시간내에효과적으로안정화할수있는산화제사용의필 요성이대두되었다. 그리하여 Donnet 등[5]은산화제로공기이외 에산소, 오존, 이산화질소, 과산화물및염소등을사용하였으나 안정화공정을크게개선시키지는못하였다. 그러나 Lee 등[10]은 질산증기에의한석유계등방성피치섬유의안정화를수행하고공 기에의한 산화와 비교하였을때산화시간을 1/10로단축하고
200oC 정도로산화온도를낮추었음에도탄화수율은 5~9 wt.% 증 가하였음을보고한바있다.
탄화공정에서는안정화공정에서도입된각종관능기들이결합해 리에너지크기에따라각기다른온도에서해리되는데, 이때발생 하는주반응은탈산소화반응과탈수소화반응이다. 탈산소화반 응은 600oC 이하에서이루어지며 CO, CO2및 H2O를발생하고,
이온도이상에서일어나는탈수소화반응에서는 H2와 CH4등이 발생하는것으로알려졌다[11]. 한편, Lee 등[12]은질산증기로산 화된석유계등방성피치섬유의탄화특성을알아보고공기로산화 한경우와비교검토한결과산화시도입된관능기의종류와이들 의결합해리에너지가다르므로탄화가진행되는단계는다르나, 기
계적성질에는큰차이가없는것으로보고하였다.
그러나지금까지의연구들이모두등방성피치섬유의안정화및 탄화공정에대한것으로, 특정목적을위해금속을함유시킨탄소
섬유를제조[13-15]함에있어서이들금속을함유한피치섬유의안
정화및탄화공정에대한별도의연구는거의없는실정이다. 금속 은높은온도에서촉매작용을하면서탄소를분해시킬수있으며,
특히앞서설명한바와같이광촉매분해를목적으로 TiO2함유 활성탄소섬유를제조시최적안정화조건에대한보다세밀한연 구가요망된다.
따라서, 본연구는원료피치를개질하여프리커서피치를만들 고여기에 TiO2첨가량을달리하여 TiO2함유피치섬유를제조한 후, 여러조건에서안정화시키고이를탄화및활성화하여제조한 활성탄소섬유의특성및금속입자의거동을관찰함으로써 TiO2함 유활성탄소섬유제조시최적안정화조건을도출하는데목적이있 다. 또한최종 TiO2함유활성탄소섬유의특성을일반활성탄소섬 유와비교, 평가해보고자한다.
2. 실 험
2-1. 실험재료
본실험에사용된 TiO2함유석유계피치섬유는 Kim 등[16]이 제시한방법에따라납사분해잔사유(naphtha cracking bottom oil)
를개질하여얻은프리커서피치에, 금속을첨가하기위하여 Ryu 등
[4]이제안한방법으로 titanium dioxide(TiO2, 99.5%, M.P 200oC, Degussa)를 0.25 및 0.5 wt.% 혼합한후용융방사하여얻었다. 납 사분해잔사유와개질된피치의특성은 Table 1에요약하였다. 연 화점(softening point)은 Mettler FP 800(USA)에의해측정하였으 며, JIS K2425에의해 benzene insoluble(BI)과 ASTM D2318-81
에의해 quinoline insoluble(QI)을각각측정하였다.
2-2.실험방법
피치섬유의안정화는 10 cm 길이로절단한일정량(약 3 g)의피
치섬유를 전기로에넣고 2oC/min의속도로안정화온도(250oC,
280oC, 310oC)까지승온한후자연대류공기분위기에서체류시간
(0, 0.5, 1, 2, 3 시간)을달리하여산화하였다. 안정화섬유의탄화 는질소분위기에서 10oC/min로 1,000oC까지승온한후이온도
에서 30분간유지시켜수행하였으며, 900oC에서 60분간수증기 활성화를통해최종활성탄소섬유를제조하였다.
안정화, 탄화및활성화공정전후의무게변화를측정하여수율 을계산하였으며, TG 분석(TGA 2050, TA instruments)을실시하
였다. 피치섬유및안정화섬유각각에대하여구성원소변화를알 아보기위해원소분석(EA 1110, CE instrument, Italia)을실시하였 고, FT-IR 분석(Travel IR, SensIR technologies)을통해안정화시도입 된관능기를관찰하였다. 주사전자현미경(SM-500, TOPCON)으로
섬유의표면과형태를관찰하였으며, 섬유내금속화합물의분포및 티타늄화합물의 결정구조를 관찰하기 위하여투과전자현미경
(JEM-2010, JEOL)과 XRD 분석(D/MAX-2200, Japan)을실시하 였다. 최종 TiO2 함유활성탄소섬유의 기공특성은 ASAP 2010 (Micromeritics, USA)을이용하여 77 K에서질소흡착등온곡선으 로부터측정하였다.
Table 1. Properties of naphtha cracking bottom (NCB) oil and reformed isotropic pitch Softening point
(oC) Elemental analysis (wt.%) Molar ratio
(C/H) Solubility (wt.%)a Density
(g/cm3) Aromaticity (Fa)
C H N Diff. BI QI
NCB - 90.12 6.84 0.09 2.95 1.10 - - 1.068 0.82
Pitch 247.2 92.84 5.07 0.18 1.91 1.53 32.5 1.1 1.051 0.88
aBI, benzene insoluble; QI, quinoline insoluble
3. 결과 및 고찰 3-1. TiO2 함유프리커서피치의방사
Table 2에용융방사된 TiO2함유피치섬유의물성을제시하였다.
표에서보는바와같이일반프리커서피치의최적방사온도는앞
선연구[17, 18]의결과와마찬가지로프리커서피치의연화점보다
약 40oC 정도높은온도이며, 금속함유시에는이보다 5~10oC 더 높은온도가최적이었다. 또한일반프리커서피치의용융방사와 는달리방사시금속화합물을첨가하면, 금속화합물이이물질로작
용하여섬유굵기, 최적방사온도, 속도및수율등에영향을미치 는데본실험에서도 TiO2의함유량이증가할수록섬유굵기와최적 방사온도가증가하며최적방사속도는낮아짐을알수있다. 본연
구에서최적방사온도및속도는방사시끊어짐없이 1,000 m 이
상권취가능할때의온도및권취속도로정의하였다.
권취속도에 따른피치섬유의 굵기와무게감소율(weight loss
ratio)을 Fig. 1에나타내었다. 일반피치섬유의굵기는속도에반
비례하며, 무게감소는비례한다. 즉속도가빨라지면섬유의수율
은낮아지며특히 800 m/min 이상에서는절사현상이심하여수율
이 40 wt.% 이하였다. TiO2함유피치섬유의경우, 일반피치섬
유의경우와비교하여섬유의굵기에는별차이가없으나무게감 소는더커짐을알수있다. 이는용융방사에의한금속함유탄소
섬유를제조하는다른연구[19, 20]에서도나타나는현상으로금속
화합물이이물질로작용하여절사현상이증가하기때문이다.
3-2. 안정화공정중피치섬유의무게변화
안정화공정중피치섬유의무게증가는산소의도입으로인한작 용기의증가및가교결합형성을간접적으로알려준다. Fig. 2는안
정화시간에따른무게변화를안정화온도와 TiO2함유량별로구분
Table 2. Characteristics of TiO2-containing pitch fibers TiO2 content
(wt.%) Elementary analysis (wt.%) Atomic ratio
(C/H) Average diameter
(µm) Spinning temp.
(oC) Spinning speed (m/min)
C H O
0.00 92.84 5.07 0.56 1.53 29 283 ~ 286 950~1,000
0.25 92.66 4.83 0.78 1.60 41 288 ~ 292 675~725
0.50 92.58 4.77 0.88 1.62 48 294 ~ 298 600~650
Fig. 1. The thickness and weight loss ratio of circular shaped pitch fiber with respect to winding speed: (a) pure pitch, (b) 0.5 wt.%
TiO2-containing pitch.
Fig. 2. Weight increase of pitch fibers as a function of stabilization time at different (a) temperature without TiO2 and (b) TiO2 content, 280oC.
하여나타낸것이다. 그림에서안정화온도가높을수록무게증가는
더빨리, 많이이루어짐을알수있으며시간이경과함에따라초 기에는급격하게증가하고점점증가폭이둔화되었다. 이는공기 중의산소가피치섬유에새로운관능기를형성함에있어초기에는 표면에서, 그리고는천천히내부로확산되면서반응하기때문이다.
Jung 등[8]은안정화시간이충분하지못하면섬유내부는불융화가
일어나지않아서이를탄화하면내부가녹아나와속이빈중공탄 소섬유가얻어진다고보고하여이를뒷받침하고있다. 안정화후 산화섬유에발달된것으로예상되는관능기는뒤에서고찰하도록 하겠다.
TiO2함유량별안정화섬유의무게도안정화시간이경과함에따 라증가하였는데, 함유량이많을수록무게증가폭은감소하는경향 을보였다. 이러한현상은이전에보고된[8] 바와같이산소가피
치섬유속으로확산되는동안탄소및수소가탈리되면서랜덤한 모자이크조직이섬유표층으로부터중심부쪽으로발달하는 skin-
core 구조를가지며진행되는데이를 TiO2가방해하기때문으로판
단된다. 즉, 안정화시 TiO2가섬유속에서불규칙적으로이동, 뭉치 면서산소의도입, 결합을방해하기때문이다. 결과적으로 TiO2함 유량이많을수록산소의섬유내확산이제한을받고있다.
Fig. 3은안정화공정을거친산화섬유를탄화시키고무게변화를
측정하여탄화공정수율을도시한것이다. 탄화수율은안정화공정 의무게증가와는반대로안정화시간이경과함에따라감소하며, 안 정화온도가높을수록더낮았다. 즉, 안정화시도입된관능기에의한 무게증가가클수록탄화수율이더낮아짐을알수있는데이는도입 된관능기가탄화공정을거치며탈산소화반응으로 CO, CO2, H2O
등으로방출되기때문이다. 그러나탄화수율의경우, Lee 등[12]의 실험값이 77~82 wt.%인것과비교할때본연구에서는 71~82 wt.%
로더큰수율감소를보이고있다. 이는안정화온도와시간에도차
이가있지만 TiO2가촉매역할을하고있기때문으로믿어진다. TiO2함유량별탄화수율도안정화시간이경과함에따라감소하 였다. 그러나앞선결과와는다르게무게증가가낮은경우, 즉 TiO2
의농도가높은경우도입된관능기가적기때문에탄화수율이높 을것이라는예상과는달리결과는더낮게나타났다. 이는도입된 관능기의탈산소화반응과는별개로, 섬유내부에있는 TiO2가앞
선연구결과[18, 21]의다른금속들과마찬가지로연소활성촉매
역할을하며잔류산소작용기와탄소의반응을촉진시켜무게감소
를야기하기때문으로판단된다. 따라서, TiO2함유량이많을수록
탄화수율이더감소함은이를뒷받침하고있으며, 안정화시간이길 수록탄화수율이감소한결과도도입된산소량이증가함에따라
TiO2의촉매활동에따른수율감소때문으로판단된다.
TiO2함유피치섬유와안정화섬유의열안정성및 TiO2의촉매활
동을조사하기위하여이들을 TG 분석하고그결과를 Fig. 4에나
타내었다. 그림으로부터두섬유모두 300oC부터중량변화가시 작되며, 그이후열분해양상이달라짐은안정화섬유의경우산소 도입에의한작용기및가교결합형성으로열안정성이증가했기때 문이다. 그러나안정화섬유도이미알려진바와같이온도가증가 함에따라산소작용기가분해되면서탄소-탄소사이에중합및축 합반응이발생하고있음을알수있다.
3-3. 안정화에따른 화학적조성변화
피치섬유의안정화시간에따른산소및수소함량의변화를각각 안정화온도와 TiO2함유량의함수로 Fig. 5에나타내었다. TiO2를 함유하지않은피치섬유의경우 Table 2에제시한바와같이산소는
Fig. 3. Carbonization yields of stabilized fibers as a function of stabi- lization time at different (a) temperature without TiO2 and (b)
TiO2 content, 280oC. Fig. 4. TGA curves of 0.5 wt.% TiO2-containning (a) pitch fiber and
(b) stabilized fiber.
0.6 wt.%, 수소는 5.1 wt.%였으며, 안정화공정후그림에서보는
바와같이안정화조건에따라차이는있으나산소는최대 22.3 wt.%
까지증가한반면, 수소는 2.4 wt.%까지감소하였다. 이는안정화
단계에서산소의도입과수소의탈리현상이동시에발생되고, 산
소작용기가많이증가했음을의미한다. 산소의증가량은앞서기 술한안정화시무게증가와유사한경향을보인다. 즉, 안정화온도
가높을수록도입되는산소의양이많았으며, TiO2는함유량이적
을수록도입되는산소의양이많았다. 마찬가지로, 탈리되는수소
의양도안정화온도가높고 TiO2함유량이적을수록수소의감소
량이많았다. Lee 등[10]의연구결과에서는산소의증가와더불어
질소의증가도관찰되나, 이는산화제로공기대신질산증기를이 용했기때문이다. 이로써안정화시무게증가는산화제의도입이원
인임을알수있다.
산화제인공기중의산소가어떠한형태의관능기로도입되었는
지를알아보기위해 Fig. 6에피치섬유와안정화섬유의 FT-IR 분
석결과를나타내었다. 피치섬유의경우 3,030 cm-1에서방향족 C-H 신
축진동과 2,920 cm-1에서지방족 C-H 신축진동에의한흡수띠가뚜렷 이관찰되는반면, 안정화섬유는 1,700 cm-1, 1,600 cm-1, 1,260 cm-1에
서각각 C=O, C=C, C-O 신축진동에의한흡수띠가관찰되었다.
0.5 wt.% TiO2를함유한피치섬유의안정화에서도동일한영역에
서같은흡수띠가관찰되었다. 이러한결과로부터안정화공정을거
치는동안피치섬유는카르보닐기(C=O), 카르복실기(-COOH) 등
산소작용기에의한가교결합과탈수소화반응이일어나열경화성 안정화섬유가되고, TiO2는이러한반응을촉진시키는역할을하 고있음을알수있었다.
3-4. TiO2 함유활성탄소섬유의특성
Fig. 7은주사전자현미경으로활성탄소섬유의표면을관찰한결
과이다. TiO2를함유하지않은섬유의표면은아주깨끗한반면
TiO2를함유한섬유의표면에는많은이물질이관찰되었다. 이이
물질은 Ryu 등[4]의결과와마찬가지로, 표면에노출된 TiO2로믿 어진다. 그러나피치에혼합한최초 particle size(21 nm)에비해매 우커졌음을알수있는데, 이는안정화및탄화공정중일부의 TiO2
가서로합체되었기때문으로판단된다. 이물질이 TiO2 인지를확 인하기위하여 SEM-EDS(electron dispersive spectra) 분석을수행
하였고그결과를 Fig. 7(d)에나타낸바, 섬유내티타늄의존재가
분명한피크를확인할수있었다. 그림에서 Au 피크가동시에관 찰된것은분석시정확한사진을찍기위하여금코팅을하였기때 문이다. 또한그림에서보는바와같이활성화전후섬유의외관모
양에는 큰변화가없었으며활성화시무게감소(burn-off)가최대
60 wt.% 이상인데비해섬유의외관및굵기변화가없는것으로보
아 TiO2 함유활성탄소섬유전체에많은기공이생성되었음을예
측할수있다. Fig. 8에활성탄소섬유의질소흡착등온선을나타내
었다. 흡착등온곡선은전형적인 Type-I을보이므로이때발달된기
공들이 20 Å 미만의미세공임을알수있다. 흡착등온곡선으로부
터구한기공특성값을 Table 3에정리하였다. 표에서보는바와같 이 TiO2의함유량이증가하면평균기공크기가증가하고, 비표면적
은다소감소하는것을알수있다. 이는활성화시 TiO2의촉매활 동으로 TiO2주변탄소의활성화가촉진되면서일부미세공들이 확대되고합체하여중기공이발달하였기때문이다. Hisashi 등[20]
도 TiO2가 0.3 wt.% 첨가되었을경우의평균기공크기는 23.3 Å 이
었고, Shigeyuki 등[1]은 TiO2가 2.5 wt.% 첨가되면평균기공크기
가 47.3 Å임을보고하였으므로 TiO2의함유량을증가시키면활성
탄소섬유의평균기공크기도훨씬증가시킬수있다고판단된다. 단,
유의할점은본연구의경우 TiO2함유피치섬유를산화, 탄화, 활
성화하면서수율변화가생기고, Hisashi나 Shigeyuki 등의첨가
Fig. 5. Oxygen and hydrogen contents as a function of stabilization time at different (a) temperature without TiO2 and (b) TiO2 content, 280oC.
Fig. 6. FT-IR spectra of (a) pitch fiber, (b) stabilized fiber, and (c) 0.5 wt.%
TiO2-containing stabilized fiber.
방법과는다르므로직접적인비교는할수없다.
Fig. 9는 XRD 분석을통하여섬유내금속의존재를다시확인
한결과이다. XRD 분석에서알수있는바와같이 TiO2를함유한
안정화섬유, 탄소섬유및활성탄소섬유에서는모두 TiO2(anatase)
와같이 2θ=25o부근에서 TiO2의존재를의미하는피크를보이고 있다. 다만, 회절결과가전체적으로퍼져있는것은무정형의탄소 때문이며이러한현상은 Lu 등[22]의니켈, 코발트함유탄소나노
튜브의 XRD 분석결과와매우유사하다. Ryu 등[4]의연구에서도
TiO2함유탄소섬유를활성화하여분석한결과활성화동안 TiO2
가변화되지않았음을보고하였다.
Fig. 10은 0.5 wt.% TiO2함유활성탄소섬유의투과전자현미경
(TEM) 관찰사진으로서섬유의내부에 TiO2입자가관찰되나크
기가고르지않음을알수있다. 이는 TiO2함유피치섬유의안 정화과정중 일부 TiO2입자가합체되었기 때문으로판단된다. TiO2함유탄소섬유를만드는최종목적은유기물질의광촉매분 해를위한활성탄소섬유의제조에있다. 따라서넓은흡착제표
면에 TiO2가고르게분포하도록 조절하는연구가 필요하다. 앞
선연구에서 Jung 등[23]은화학증착법으로다공성물질에 TiO2
를코팅하였고, Shigeyuki 등[1]은 TiO2함유유기금속/석탄복 합체로부터중기공을많이포함한 TiO2함유활성탄소를합성하 였지만 이러한연구는 아직시작단계이므로향후이에대한활 발한연구가필요하다.
Fig. 7. SEM photos of (a) non-containing CF, (b) 0.5 wt.% TiO2-containing CF, (c) 0.5 wt.% TiO2-containing ACF and (d) EDS of 0.5 wt.% TiO2-contain- ing ACF.
Fig. 8. Adsorption isotherms of N2 on several content TiO2-containing ACFs.
4. 결 론
TiO2함유량이다른피치섬유를안정화, 탄화및활성화과정을
거쳐 TiO2함유활성탄소섬유를제조하였으며, 아래와같은특성 을관찰할수있었다.
(1) TiO2함유피치의최적방사온도는일반등방성프리커서피
치의경우보다약 5~10oC 높았으며, 최적방사속도도약 300~400
m/min 낮아전체적으로방사성이떨어짐을알수있다.
(2) 안정화온도가높고 TiO2함유량이적을수록산화에의한무
게증가가크며, TiO2함유피치섬유의경우 TiO2가활성촉매역할
을하므로안정화정도와는별개로함유량이많을수록탄화수율및 활성화수율이낮다.
(3) TiO2함유활성탄소섬유에는 20 Å 이하의미세공이발달하
며함유량이증가함에따라활성탄소섬유의평균기공크기가증가 하며, 섬유의표면및내부에서 TiO2를관찰할수있었고일부 TiO2
의뭉침현상이관찰되었다.
따라서이상의특성을참고하여 TiO2함유피치섬유의경우함 유량이많을수록방사성의어려움과기계적물성의저하등이예 상되므로최종 TiO2함유탄소섬유의용도에맞도록안정화조건 을조정할필요가있다. 본실험의결과로, TiO2함유량이 0.5 wt.%
미만일경우 280oC, 3 hr을최적안정화조건으로제시한다.
감 사
본논문은한국산업기술재단지역현식인력사업으로수행되었으 며이에감사드립니다.
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Fig. 10. TEM photos of 0.5 wt.% TiO2-containing ACF.
Fig. 9. XRD curves of 0.5 wt.% TiO2-containing (a) pitch fiber, (b) ACF and (c) TiO2 (anatase).
Table 3. Pore characteristics of ACFs activated at 900 oC for 1 h
TiO2 content (wt.%) SBET(m2/g) VT (cc/g) Vmicro (cc/g) Vmeso (cc/g) Dp (Å) Burn-off (wt.%)
0.00 1,195 0.4255 0.4027 0.023 14.24 37.6
0.25 1,703 0.7375 0.6683 0.0692 17.32 58.4
0.50 1,742 0.7885 0.7022 0.0863 18.11 63.5
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