다공성 탄소 섬유:투과성, 흡착성 및 전도성

도레이의 새로운 다공성 탄소 섬유(좌측 상단, 중공 중심 축 표시)는 전체 섬유(우측 상단)에 걸쳐 제어 가능한 나노 또는 마이크로 규모의 기공 구조를 특징으로 합니다. 그 다공성 구조는 물질을 가스 분리 막의 지지 구조로 유용할 수 있는 효과적인 여과 매체로 만드는 데 도움이 됩니다. 탄소는 또한 잘 알려진 흡착 특성(화학적 및 물리적 여과용)을 가지고 있고 효과적인 열 및 전기 전도체이기 때문에 다공성 탄소 섬유는 고급 배터리 시스템 및 화학 공정에 사용되는 촉매 담체에서도 사용될 수 있습니다. 출처 | 도레이산업(주)

2019년 11월 중순, Toray Industries Inc.(일본 도쿄)는 연속 나노 및/또는 마이크로 규모의 기공 구조를 가진 세계 최초의 다공성 탄소 섬유를 개발했다고 발표했으며 향후 5년 이내에 상용화할 수 있기를 희망합니다. . 특히, 제품의 한 가지 잠재적인 응용 프로그램은 이산화탄소(CO₂ ), 바이오 가스, 수소 및 기타 가스.

Toray는 기존의 접근 방식을 보고합니다 가스 분리는 자체적으로 많은 에너지를 사용하고 상당한 CO를 생성하는 대규모 시설에서 발생합니다.₂ 배출. 가스 분리에 대한 보다 새롭고 환경적으로 지속 가능한 접근 방식은 훨씬 적은 에너지를 사용하는 가스 여과용 나노다공성 멤브레인을 사용합니다. 그러나 가능성을 보여주었음에도 불구하고 Toray는 이 방법이 현재까지 대규모 장기 사용에 필요한 효율성과 내구성이 부족하다고 말합니다.

회사에 따르면 도레이의 새로운 다공성 탄소 섬유 제품은 현재 가스 분리 멤브레인의 성능을 향상시키고 멤브레인을 더 얇고 가벼우며 더 작고 더 나은 성능으로 만들어 연료 전지용 수소 생산에 사용할 가능성이 있는 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 열, 압력 및 화학 물질을 견딜 수 있습니다.

다공성 여과 매체

나노 및 미세 다공성 여과 매체는 새로운 것이 아닙니다. 소수의 폴리머(대부분 열가소성 물질)는 나노다공성 평막과 나노다공성 섬유를 모두 생산하는 데 사용됩니다. 일반적인 응용 분야에는 고성능 정수 필터(산업용 및 음용수용); 음료 및 식품 여과(색상, 냄새 또는 맛을 개선하기 위해); 의료용 필터(혈액 분리(채혈) 및 혈액 여과(투석)용); 뿐만 아니라 산업용 가스 분리(화학 및 석유화학, 전력, 광업, 철강 제조, 의료, 비료 생산, 환경 보호, 전자 및 항공 우주를 포함한 광범위한 산업 및 공정용).

고성능 여과 응용 분야에 사용되는 가장 일반적인 폴리머에는 폴리에테르설폰(PES), 폴리설폰(PSU), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 셀룰로오스 아세테이트(CA)가 있습니다. 고온 또는 저온, 공격적인 화학 물질 또는 고형분 함량이 높은 응용 분야와 같이 가장 까다로운 여과 조건의 경우 세라믹(예:산화알루미늄) 및 금속(예:이산화티타늄 및 스테인리스강)도 사용됩니다.

응용 분야의 요구 사항에 따라 여과 매체는 미세여과의 경우 0.1마이크로미터, 한외여과의 경우 0.01마이크로미터, 나노여과의 경우 0.001마이크로미터, 역삼투의 경우 0.0001마이크로미터의 기공 크기를 갖는 여러 고유한 다공성 수준으로 생산할 수 있습니다.

고성능 여과 매체의 경우 중요한 기술 요구 사항에는 다음이 포함됩니다. 많은 필터가 고압을 적용하여 고체, 액체 및 기체를 강제로 분리하기 때문에 기계적 강도가 우수합니다. 투과성, ​​여과 기능 제공; 오염이 적고 효율적이고 기능적이며 장기적인 작동을 위해 멤브레인을 깨끗하게 유지할 수 있습니다.

다공성 탄소 섬유

탄소 섬유가 나노다공성 여과 매체로 사용될 수 있다는 것은 여러 면에서 매력적입니다. 첫째, 활성탄(흡착 및/또는 화학 반응에 사용 가능한 표면적을 늘리는 데 사용되는 작은 구멍이 있는 탄소의 한 형태)은 성능이 낮은 다양한 여과 시스템에서 하나의 구성 요소로 오랫동안 사용되어 왔습니다. 원자 탄소의 빈 궤도의 충분한 공급과 활성탄의 증가된 표면적을 통해 이 물질은 다양한 활성 물질을 포획하고 결합(흡착)하는 효과적인 매체가 될 수 있습니다. 불행히도 활성탄은 본질적으로 고체이기 때문에 투과 기능은 대부분 기질의 표면에 국한되며 여과 기능은 주로 물리적(화학적이 아님)으로 인해 효과적으로 분리할 수 있는 물질의 유형과 크기가 제한됩니다.

도레이의 다공성 탄소 섬유 또는 이러한 섬유를 분쇄하여 생성된 분말의 경우 기공은 구조 전체에 걸쳐 연속적이며, 이는 재료로 만든 제품이 물리적으로 뿐만 아니라 화학적으로 여과할 수 있어야 함을 의미합니다. 원자 탄소의 흡착 특성을 활용함으로써 나노다공성 탄소 섬유는 고성능 배터리의 전극 재료 및 촉매 담체에 유용한 것으로 입증될 수 있습니다. 게다가 모든 고체 형태의 탄소는 우수한 열 전도체일 뿐만 아니라 우수한 전기 전도체로서 특정 응용 분야에서 유용할 수 있는 기능입니다.

Toray는 "고체" 다공성 섬유 또는 중공 다공성 섬유(길이를 따라 중앙 샤프트가 있음)를 생성하는지 여부에 관계없이 제품에서 기공 크기(마이크로에서 나노 수준)와 단면 기공 모양을 모두 제어할 수 있다고 보고합니다. 섬유). 지금까지 Toray는 "큰" 기공과 "작은" 기공을 만들 수 있었습니다(실제 기공 크기에 대한 세부 정보는 제공되지 않았지만). 탄소 섬유는 이미 탄화 및 흑연화되어 있기 때문에 화학적으로 안정적이고 매우 단단하고 강합니다. 이러한 특성은 더 강하고 더 조밀한 가스 분리 멤브레인의 생산에도 활용할 수 있습니다.

보도에 따르면 이 회사는 폴리머, 탄소 섬유, 분리막/정수 여과 기술의 세 가지 내부 전문 분야를 활용하여 신제품을 개발했습니다.

2019년 12월 11일, 도레이는 새로운 미래를 위한 R&D 혁신 센터를 개소하는 리본 커팅식을 가졌다. 1926년에 회사가 운영을 시작한 일본 오쓰에 있는 회사의 시가 공장 부지에 있는 2개의 건물 시설은 학술 기관 및 산업계의 참여를 통해 다공성 탄소 섬유를 비롯한 여러 전략적 이니셔티브의 글로벌 본부 역할을 할 것입니다. 다양한 분야의 파트너. Toray는 회사가 이미 여러 파트너와 협력하여 각 조직의 전문 지식을 더 잘 활용하여 전기 자동차에 동력을 공급하는 연료 전지를 위한 경제적이고 친환경적인 천연 가스 및 바이오가스 정화 및 수소 생산 방법을 지원하는 고급 가스 분리막의 상용화를 추진하고 있다고 보고했습니다. 그리고 건물. 그 팀은 열, 화학 물질 및 압력에 더 잘 견디는 새로운 유형의 가스 분리 멤브레인에 대한 개념을 개발했다고 말합니다. 도레이의 다공성 탄소 섬유를 지지층으로 결합하고 가스 분리층을 위한 파트너 기술을 결합하여 제안된 4층 시스템은 천연 가스(층 A), 바이오 가스(층 B), 수소(층 C)를 분리 및 정화할 수 있어야 합니다. ) 및 프로필렌(층 D).

회사는 또한 탄소 재활용을 촉진하고 수소 에너지 생산을 활용하며 산업의 환경 발자국을 줄이기 위해 이 신소재에 대한 연구를 계속하고 있다고 보고합니다. 환경, 자원 관리 및 에너지 문제에 대한 기여를 통해 2050년까지 저탄소 경제를 실현하는 것을 돕는 것은 Toray의 그룹 지속 가능성 비전 중 하나입니다.