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탄소섬유의 강도와 모듈러스를 증진시킬 수 있는 신기술
미국의 조지아 공과대학이 최근 탄소섬유에 강도와 모듈러스를 동시에 증진시키기 위한 이정표가 될 수 있는 독특한 기술을 개발하였다. 이 기술은 유기폴리머 수지로 탄소섬유를 제조하는 기술인 PAN의 방사 기술의 혁신에 의한 것으로 전해지고 있다.
이번 연구는 DARPA(Defence Advanced Research Project Agency)으로부터 4년 동안 980억US달러에 달하는 자금을 지원받음으로써 이루어진 것이다.
이 기술은 gel spinning 공정기술을 적용한 것으로 기술개요는 다음과 같다.
Gel spinning technology
Gel spinning 공정에서 용액은 먼저 gel 상태로 전환시킨다. 이 기술은 폴리머 체인 간에 서로 연결되어 있어 제품의 체인 간 결합력이 향상되어 생산제품의 인장강고가 향상되는 효과로 나타난다. Gel spinning 역시 섬유의 배향성 향상에 직접적으로 관여하며 이 역시 인장강도와 깊은 관련이 있다.
반면에 60여 년의 역사를 갖고 있는 일반적인 용액방사의 경우 PAN co-polymer solution이 중간단계인 gel 상태의 단계를 거치지 않고 바로 단일 섬유로 변환하기 때문에 강도가 낮아진다.
이번에 조지아 공과대학의 Satish Kumar교수 연구팀이 생산한 Gel-spun 탄소섬유의 경우에는 인장강도가 5.5~5.8GPa tensile modulus의 경우에는 354~375GPa에 이르는 것을 확인하였다.
이 Gel-spun 탄소섬유의 소재는 연속적인 탄화라인을 거쳐 생산된다.
Lower concentration of polymer
“이 인장강도와 모듈러서의 조합은 그동안의 그 어떤 연속공정의 파이버에 대해 보고된 데이터보다도 가장 강한 것으로 특히 short 규격의 길이에서는 파이버의 인장강도가 12.1GPa에 이르는 것으로 측정되어 그동안 생산되어 온 PAN계 탄소섬유 그 어떤 제품의 강도보다도 가장 강한 값이다“라고 Kumer 교수는 주장하였다.
더구나 나노스케일로 측정한 gel-spun fiber 간의 내부 구조는 IM7과 같은 일반 상업적으로 생산되는 탄소섬유보다도 결점이 매우 적은 것으로 관찰되었다.
특히 gel-spun fiber는 폴리머 체인간 얽힘 현상(entanglement)이 용액 방사로 제조한 것보다 낮은 등급을 나타냈다. 이 같은 폴리머체인 얽힘 현상에 대한 낮은 수치는 gel spinning의 경우 용액방사보다 낮은 농도의 폴리머를 사용할 수 있다는 사실을 보여준다.
Increase the strength
Kumer 교수와 그 연구팀은 gel-spun 폴리머 혼합물을 pyrolysis(열분해)라 부르는 선택적 처리공정을 통해 탄소섬유로 변환하였는데 이 과정에서 spun polymer에 열과 stretching을 서서히 부여하였다. 이 기술은 고용량의 수소와 산소 및 질소를 폴리머로부터 제거하기 위한 것으로 이로써 대부분 강도가 향상된 카본파이버가 남게 된다.
* 출처 : August 21th, 2015(http://www.innovationintextiles.com)
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