폴리에틸렌탄소섬유를 예로 들어 탄소섬유의 제조과정을 설명하고, 국내 팬 기반 탄소섬유 생산과 해외와의 격차를 분석한다.

1 세계 탄소섬유 현황

(1) 일본은 항공우주급 소형 토우 탄소섬유 생산에 절대우위를 갖고 있다. 2002년 세계 탄소섬유 생산능력은 31,230톤이었다. 그중 항공우주등급 소형 토우 탄소섬유는 전체 생산 능력의 약 3/4인 약 23,139톤을 차지하고, 산업용 등급 대형 토우 탄소섬유는 약 1/4인 약 8,145톤을 차지한다. 소형토우탄소섬유 관점에서 볼 때, 일본 도레이(Toray)와 일본 토호(Toho)의 탄소섬유 생산능력은 각각 7245t/a, 5535t/a로 세계 1위와 2위를 기록해 세계 폴리아크릴로니트릴 기반 생산량을 차지한다. 소형섬유 생산능력은 전체 생산능력의 31.3%와 23.9%를 차지한다. 일본의 미쓰비시(MRC)가 4680t/a로 20.2%를 차지하며 3위를 차지했다. 항공우주등급 소형 토우 탄소섬유의 생산 능력 측면에서 볼 때, 세계 1위, 2위, 3위는 일본 기업이 세계 항공우주등급 소형 토우 탄소섬유 생산량의 4분의 3을 차지하고 있음을 알 수 있다. 용량은 일본에 있어요. 일본은 항공우주 등급 소형 토우 탄소 섬유 생산 능력에서 절대 우위를 갖고 있으며 세계에서 소형 토우 탄소 섬유 생산을 통제합니다. 자세한 내용은 표 1을 참조하세요.

표 1 2002년 세계 탄소섬유 생산능력

범주

제조사

연간 생산능력/t

스몰

실크

번치

TORAY

7245

TOHO

5535

미쓰비시(MRC)

4680

HEXCEL

1980

AMOCO

1890

포모사 플라스틱

1755

기타

합계

23130

대형

실크

번들

FORTAFIL

3465

ZOLTEK

1800

알디라

990

SGL

1890

합계

8145

2002년 합계

31230

(2) 탄소섬유에 대한 수요는 기본적으로 북미, 유럽 및 아시아에서 압도적입니다. 2001년에 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유에 대한 세계 수요는 16,000톤에 가까웠습니다. 표 2는 2001년 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유에 대한 세계 수요를 보여줍니다. 2001년 미국의 수요는 5,420톤으로 전체 수요의 약 34%를 차지했고, 아시아는 5,640톤으로 전체 수요의 35.5%를 차지했고, 유럽은 그보다 약간 적은 4,830톤으로 전체 수요의 30.5%를 차지했다. 응용 측면에서 볼 때, 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유는 항공우주 분야에서 약 4,000톤을 차지하며 전체 수요의 25.2%를 차지하며, 스포츠 및 레저용 제품은 4,900톤으로 전체 수요의 31.4%를 차지합니다. 전체 수요의 43.4%를 차지한다. 응용 분석 관점에서 볼 때, 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유의 가장 큰 응용 분야는 산업 수요이며, 그 다음은 스포츠 및 레저 제품에 대한 수요가 전체 수요의 4분의 1을 차지합니다. 다양한 지역의 응용 관점에서 보면 북미 5420t 수요 중 항공우주 응용이 2500t으로 전체 수요의 46.1%를 차지하고 산업용 응용이 1800t로 33.2%를 차지한다. 전체 수요의 %는 스포츠 및 레저 제품이 1,120톤으로 20.7%를 차지했습니다. 유럽의 4,830톤 수요 중 산업용 애플리케이션이 2,800톤을 차지해 전체 수요의 58.0%를 차지했고, 항공우주 애플리케이션이 1,260톤을 차지해 26.1%를 차지했고, 스포츠 및 레저 제품이 770톤을 차지해 전체 수요의 15.9%를 차지했다.

아시아 지역 수요 5,640톤 중 스포츠 및 레저 제품은 3,100톤에 달해 전체 수요의 55.0%를 차지했고, 공업용 애플리케이션은 2,300톤에 달해 전체 수요의 40.8%를 차지해 240톤에 불과해 4.2%에 불과했다. %. 북미에서는 탄소섬유의 응용이 주로 항공우주 첨단기술 분야에, 아시아에서는 주로 스포츠 및 레저 제품에, 유럽에서는 산업 응용에 중점을 두고 있음을 알 수 있다.

애플리케이션 분포를 분석해 보면, 항공우주 수요 4000t 중 북미가 2500t으로 최대 62.5%를 차지하며, 유럽과 아시아가 각각 1260t, 240t으로 각각 26.1%, 4.2%를 차지한다. 스포츠·레저 상품 4990톤 중 아시아가 3100톤으로 62.2%를 차지해 1위를 차지했고 북미가 1120톤으로 22.4%를 차지해 뒤를 이었다. 유럽이 7701톤으로 15.4%로 가장 적었다. 산업용 응용량 6,900톤 중 유럽은 2,800톤으로 40.6%를 차지하며, 아시아는 2,300톤으로 33.3%를 차지하며 북미는 1,800톤 이상으로 26.1%를 차지합니다.

표 2 2001년 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소 섬유에 대한 세계 수요

지역

항공우주

스포츠 및 레저

산업

합계

북미

2,500

1,120

1,800

5,420

유럽

1,260

770

2,800

4,830

아시아, 기타

240

3,100

2,300

5,640

합계

4,000

4,900

6,900

15 , 890

(3) 세계의 탄소 섬유 공급은 수요를 초과합니다. 2001년 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유에 대한 전 세계 수요는 16,000톤에 가까웠고, 2002년 수요는 기본적으로 2001년과 동일했다. 세계 탄소섬유 시장은 심각한 흑자 상태다. 탄소섬유 시장점유율을 놓고 경쟁하기 위해 많은 업체들이 원가보다 낮은 가격에 탄소섬유를 덤핑하고 있어 악랄한 경쟁이 벌어지고 있다. 대형 토우 탄소섬유와 소형 토우 탄소섬유가 시장을 놓고 경쟁하고 있다. 대형 토우 탄소 섬유가 원래 소형 토우 탄소 섬유가 차지했던 시장을 점유하는 것을 방지하기 위해 일부 전통적인 소형 토우 탄소 섬유 제조업체는 어떤 대가를 치르더라도 가격을 크게 낮추어 소형 토우 탄소 섬유를 기존 소형 토우 탄소 섬유보다 낮은 가격에 덤핑했습니다. 비용. 목표는 대형 견인 탄소섬유 산업이 발전하기 전에 요람에서 이를 제거하는 것입니다.

대형 토우탄소섬유를 생산하는 기업이나 제조사들은 개발 과정에서 많은 어려움을 겪었다. 많은 탄소섬유 생산 공장은 이익을 거의 또는 전혀 내지 못하고 있습니다. 표 3은 세계 주요 탄소섬유 제조사의 총 매출액과 순이익을 보여준다.

표 3 탄소섬유 총 매출액 및 순이익/백만 달러

제조업체

탄소섬유 총 매출액

순이익

CYTEC

FORTAFIL

헥셀

미쓰비시(MRC)

SGL

TOHO

토레이

100

ZO LTEK

합계

426

(4) 탄소섬유는 국가 방산산업에 결정적인 영향을 미친다.

탄소섬유는 신기술, 기술진보, 적응성, 기술변형, 혁신적 개념 등에서 매우 중요한 역할을 한다. 새로운 무기와 장비의 개발, '소형화', '경량화', '고강도', '장수명', '이동성', '안정성' 등의 구현은 탄소섬유의 응용과 불가분의 관계에 있습니다. 국가방위산업에 결정적인 영향을 미치는 요소입니다.

2000년과 2001년 미국 국방부의 탄소섬유 수요는 약 180톤과 200톤이었다. 2002년에는 탄소섬유 수요가 350톤 이상으로 크게 증가할 것으로 예상된다. 2003년에는 2002년에 비해 소폭 감소한 약 330톤을 기록하였으며, 2004년과 2005년에는 각각 약 10%, 5% 증가하여 약 370톤, 385톤에 이르렀다. 미 국방부의 군수품 중 공군이 가장 큰 비중을 차지한다. 2000년부터 2005년까지 전체 통계에 따르면 국방부 전체 탄소섬유 수요 중 공군의 탄소섬유 수요가 54.8%를 차지했고, 해군이 29.1%, 육군이 13.6%, 복합용역이 2.5%를 차지했다. %. 탄소섬유의 주요 사용자는 공군이고, 해군이 그 뒤를 따르고, 육군은 탄소섬유에 대한 수요가 적은 것을 알 수 있다. 표 4는 미국 방위산업의 탄소섬유 수요를 보여준다.

표 4 미국 방위산업의 탄소섬유 수요

군사 서비스

무기 및 장비

탄소섬유 수요/kg

합계

2000

2001

2002

2003

2004

2005

항공

육군

B-1

225

1350

B-2

225

1350

C-17

92,000

99,000

106,000

71,000

57,000

517,000

JASSM

8,720

11,480

28,690

41,310

90,200

UCAV

2,450

3,670

9,790

F-16(미국)

530

790

2, 640

F-16(FMS)

3, 160

6, 320

5,520

30,000

F-22

21,420

30, 600

39, 780

70, 380

82 , 620

97, 920

342, 720

F-117

270

합계

117,605

126,785

156, 765

194, 675

192, 785

206, 705

995, 320

해군

육군

AH-1Z

135

270

405

880

H-1Y

135

270

675

V-22

28,970

43,700

23,700

28,970

39,500

184,340

F/A -18E/F

28,960

43,440

52,120

65,280

74,600

339,000

T-45

550

520

220

300

2, 190

합계

58, 550

67, 660

76, 310

94, 550

114, 940

115, 075

527, 085

육군

코만체

1,980

3, 300

7, 260

사드

630

1890

탱크 탄약

3,440

4,600

114,800

23,000

46,000

237,840

합계

3, 440

4, 600

114, 800

25, 610

48, 610

49, 930

246, 990

여러 부문

JSF

6, 430

12, 860

12,860

45,010

합계

6,430

12,860

45,010

국방부 총계

179, 595

198, 985

354, 305

327, 645

369, 195

384,570

1,814,405

(5) 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유의 산업적 응용은 다음과 같습니다. 가장 빠르게 성장하고 가장 유망한 응용 분야입니다. 전세계 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 산업적 응용분석에 따르면 2001년 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 산업적 응용의 50%가 펠렛에 집중되어 있음을 분명히 알 수 있다. 사출성형을 통해 탄소섬유 복합재료를 제조하기 위해 절단된 탄소섬유로 사용됩니다. 2001년 이후 산업 분야에서 두 번째로 큰 사용자는 토목 건축입니다. 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소섬유의 연간 수요는 600t을 초과하며 전체 산업용 수요의 약 9%를 차지한다. 압력 용기는 또한 현재 산업 응용 분야의 주요 역할을 하며 연간 수요가 400톤을 초과하며 산업 응용 분야 전체 수요의 약 6%를 차지합니다. 롤러, 드라이브 샤프트, 내비게이션, 자동차 및 기타 응용 분야도 연간 약 200t의 탄소 섬유를 소비하며, 각각은 산업 응용 분야 전체 수요의 약 3%를 차지합니다. 석유 및 가스 추출과 풍력 블레이드도 어느 정도 사용됩니다. 표 5 산업 응용 분야에서 전 세계 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소 섬유의 분류 분석.

표 5 세계에서 가장 아크릴로니트릴 기반 탄소 섬유 스택의 산업 응용 분석

분류

2001/

2005/

펠렛

토목 건설

8< / p>

압력 용기

롤러, 구동축

내비게이션

자동차

3< / p>

석유 및 가스 추출

바람 블레이드

연료전지

기타

2 나노탄소 섬유 및 그 응용

탄소나노섬유(Carbon Nanofibres, 줄여서 CNF)는 최근 몇 년 동안 연구 개발된 새로운 유형의 탄소 섬유입니다. 화학적으로 성장한 탄소섬유의 한 형태입니다. 기상 탄화수소를 분해하여 제조한 불연속 흑연 섬유입니다. 한쪽 끝은 카본블랙, 풀러렌, 단일벽 및 다중벽 탄소나노튜브, 다른 쪽 끝은 연속탄소섬유로 구성된 링크이다. 탄소나노섬유의 직경은 50~200nm 정도인데, 현재 많은 연구자들은 직경이 100nm 이하인 중공섬유를 탄소나노튜브, 즉 탄소나노섬유의 직경은 탄소나노튜브와 기상성장 탄소섬유 사이에 있다고 부른다. 탄소나노튜브에 비해 탄소나노섬유의 제조는 산업적 생산이 더 용이하다. 나노탄소섬유의 특성은 표 6과 같다.

표 6 나노탄소섬유의 특성

성능

열처리 전

열처리 후

인장강도 / Gpa

2.7

7.0

인장 탄성률/Gpa

400

600

파괴 변형률/

1.5

0.5

밀도/g·cm-3

1.8

2.1

비저항/μΩ·cm-1

1000

열전도율/W·m-1· K-1

1950

국방 및 민간 산업에서 나노탄소섬유의 구체적인 응용은 주로 세 가지 측면을 포함합니다.

(1) 전도성을 높이는 용도. 여기에는 정전기 소멸, 정전기 스프레이 페인팅 및 전자파 차폐가 포함됩니다. 예를 들어, 칩 제조에서 정전기는 민감한 집적 회로를 손상시킬 수 있습니다. 소량의 나노탄소섬유를 첨가하면 정전기 소산 문제를 해결할 수 있습니다. 왜냐하면 저항률이 1010Ω·cm에 도달하면 정전기 소산 요구 사항을 충족할 수 있기 때문입니다. 패널의 정전 스프레이 페인팅을 위해서는 저항률이 104~106Ω·cm에 도달해야 합니다. 이 요구사항은 3% 미만의 나노탄소섬유를 첨가함으로써 달성될 수 있습니다. 전자파 차폐에 사용되는 소재는 저항률이 1Ω·cm보다 낮아야 하는데, 나노카본섬유를 20% 첨가하면 이 수준에 도달할 수 있다. 나노탄소섬유복합체의 저항률은 0.07Ω·cm 정도로 낮은 경우도 있다. 같은 양의 금속섬유를 첨가한다고 해서 이런 효과를 얻을 수는 없습니다.

(2) 강도 및 모듈러스 개선에 적용됩니다. 나노탄소 섬유의 중요한 용도는 기계적 특성을 향상시키는 것입니다. 나노탄소섬유는 연속탄소섬유와 동일한 강화효과를 얻을 수 있다. 나노섬유를 이용한 복합재료를 제조하는 데 드는 비용은 매우 낮고, 사출성형 등 저가의 생산기술을 활용할 수 있다. 표면 처리된 나노탄소 섬유는 순수 수지의 성능을 향상시켜 강도와 모듈러스를 4~6배 증가시킬 수 있습니다. 구조적 복합 보강재로 적용하는 것은 매트릭스 재료를 수정하는 것입니다. 소량의 나노탄소 섬유를 에폭시 수지에 첨가하면 PAN 기반 또는 피치 기반 탄소 섬유 복합재의 층간 전단 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

유리섬유 복합재에 나노탄소섬유를 첨가하면 열전도도, 전기전도도, 열팽창계수, 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 17PR-1 나노탄소섬유 강화 열가소성 폴리에스테르는 인장강도 51.5MPa, 인장금형중량 4.55GPa, 저항률 3.2Ω·cm의 특성을 가지고 있습니다. PR-1 나노탄소섬유 5%와 유리섬유 10%로 강화된 복합재료는 인장강도 44.1MPa, 인장탄성률 11.52GPa, 저항률 5.0MPa·cm의 특성을 갖는다.

(3) 열팽창계수 제어에 적용. 열팽창계수를 조절하기 위한 첨가제. 일부 국방 및 민간 산업 응용 분야에는 광학, 구조 및 전자 장치를 포함한 열팽창 계수의 엄격한 제어가 필요합니다. 특정 응용 분야에는 레이저, 전자 장비, 위성 구조, 항공기, 계측기, 제어 시스템 등이 포함됩니다. 나노탄소 섬유는 첨가제로 사용될 수 있습니다. 열팽창 계수를 조정하고 열팽창 계수를 더욱 제어합니다.

3 탄소섬유 제조 신기술

탄소섬유 제조 신기술 연구는 해외 탄소섬유 연구, 특히 저가형 탄소섬유 제조 기술의 핵심이다. 미국은 섬유 가격을 낮추고 저가형 탄소섬유를 개발하기 위해 저탄소 섬유 개발 계획을 내놨다. 고성능 탄소섬유 가격을 kg당 6.6달러로 낮추는 것이 목표다. 그리고 대형 토우 폴리아크릴로니트릴 원료 필라멘트, 아크릴 원료, 용융방사 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴로니트릴의 화학적 변성, 방사선 안정화 처리, 사전 안정화 처리, 울트라-강력 드래프트 연구, 폴리스티렌, 폴리올레핀 등의 연구에 진전이 있었습니다. 고분자 재료, 폴리염화비닐, 마이크로파 탄화 및 플라즈마 사전 산화.

미국의 저가형 탄소섬유 개발 계획은 일정한 성과를 얻었고, 마이크로파 탄화를 이용한 테스트 라인도 구축해 좋은 결과를 얻었다. 마이크로파 탄화 테스트 라인의 주행 속도는 254m/min 이상이며, 탄소 섬유 비용은 기존 방법으로 제조할 때 17.5달러/kg에서 14.11달러/kg으로 낮아져 탄소 섬유 제조 비용이 절감됩니다. 약 20% 정도.

일반적으로 탄소섬유를 제조하는 신기술은 크게 세 가지로 요약할 수 있다.

(1) 값싼 생사를 연구하고 개발합니다. 고성능탄소섬유에 사용되는 생사는 탄소섬유 원가절감을 위한 중요한 요소로, 고성능탄소섬유 원가에서 원사가 차지하는 비중은 약 40~60% 정도이다. 외국에서는 두 가지 측면에서 원료 원가를 낮추기 위해 노력하고 있다. ① 그들은 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 고성능 탄소섬유의 원료 필라멘트로 폴리아크릴로니트릴 외에 다른 소재의 사용을 모색하고 있다. 폴리올레핀, 고분자 재료 및 리그닌 등 ② 폴리아크릴로니트릴 생사의 기존 기술을 개선하여 비용 절감 목적을 달성합니다. 여기에는 직물용 경화 폴리프로필렌 사용, 화학적 변형, 방사선 안정화 등이 포함됩니다.

(2) 새로운 사전 산화 기술을 연구하고 개발합니다. 사전산화 공정은 고성능 탄소섬유 원가의 약 15~20%를 차지하며, 사전산화 공정은 상대적으로 오랜 시간이 소요된다. 생산주기를 단축하고 비용을 절감하는 것은 실질적인 의미가 큽니다. 사전 산화에 대한 현재의 새로운 아이디어는 플라즈마 기술을 사용하는 것입니다.

(3) 새로운 탄화 및 흑연화 기술을 연구하고 개발합니다. 탄화 및 흑연화는 고성능 탄소 섬유를 제조하는 핵심 공정입니다. 이러한 공정은 고성능 탄소섬유 원가의 약 25~30%를 차지하며 최종 제품의 성능에 큰 영향을 미친다. 탄화 및 흑연화에 대한 새로운 아이디어는 마이크로파 기술을 사용하는 것이며 좋은 결과를 얻었습니다.

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