CSIRO:고품질, 고강도, 저비용 탄소 섬유 개발

"CSIRO의 작업은 아크릴로니트릴을 폴리로 중합하는 것을 포함하여 탄소 섬유 생산의 첫 번째 단계를 중심으로 이루어집니다. 아크릴로니트릴을 사용한 다음 PAN을 회전시키고 추가 처리하여 고품질의 저렴한 전구체 섬유를 생산합니다."라고 Abbott는 설명합니다. PAN 생산은 탄소 섬유 비용의 50%를 차지하지만 속성의 70-90%를 차지합니다. “Deakin University의 기술은 산화 및 탄화를 포함한 탄소 섬유 생산의 최종 단계를 포함합니다. "LeMond Composites(미국 테네시주 오크 릿지)에 라이선스를 부여한 기술은 이러한 최종 단계의 비용을 낮추기 위한 급속 산화를 위한 것입니다."

차세대 탄소 섬유에 대한 목표를 달성하기 위해 CSIRO는 RAFT 중합, FLOW 화학 공정 및 CarbonSpec 계측과 같은 일련의 전략적 도구를 사용하고 있습니다. Abbott는 "우리의 목표는 강도가 20% 더 높은 항공우주 등급 탄소 섬유를 생산하는 것입니다."라고 팀이 2020년 말까지 초기 결과를 얻을 수 있기를 희망한다고 말했습니다.

CSIRO 탄소 섬유 팀

5,000명의 직원, 55개의 사이트, 8개의 사업부 및 약 10억 달러의 예산을 가진 CSIRO 프로젝트는 3D 프린팅, 생체 고분자, 의료 임플란트, 스마트 의류, 천문학/우주 탐사와 같은 광범위한 주제에 걸쳐 있으며 2800명 이상의 사람들이 참여합니다. 매년 파트너. Abbott는 "CSIRO는 Wireless LAN을 발명하고 특허를 취득했으며 그 수익을 다른 연구 자금으로 사용합니다."라고 설명합니다.

55개 사이트 중 하나는 캘리포니아주 실리콘 밸리에 있습니다. CSIRO US는 호주 연구원을 미국 프로젝트와 연결하여 우주, 농업, 수자원 보존, 산불 및 스마트 도시와 같은 분야에서 과학적 발전을 촉진합니다. 목표는 광범위한 실제 문제에 대한 경험뿐만 아니라 심층 연구 역량을 결합하는 개방형 혁신 파트너십입니다.

“복합소재에서 CSIRO는 새로운 수지와 가공 기술을 개발합니다. “우리는 탄소 섬유 특성 측정뿐만 아니라 복합 재료 및 공정 시뮬레이션의 모델링에서도 많은 작업을 수행합니다. 예를 들어, 우리는 탄소 섬유의 횡방향 계수를 측정하기 위한 새로운 장비를 개발했으며, 그런 다음 이를 입력하여 모델링 및 시뮬레이션을 개선했습니다."

Abbott는 “CSIRO는 Boeing과 30년 간의 전략적 관계를 맺고 있습니다. "우리는 2016년과 2017년에 보잉의 올해의 기술 공급업체로 선정되었습니다." CSIRO의 탄소 섬유 팀은 University of Southern Mississippi(미국 미시시피주 해티스버그)와도 협력하고 있습니다.

습식 회전 파일럿 라인

탄소 섬유 전구체에 대한 필요한 연구를 완료하기 위해 CSIRO는 먼저 자체 습식 방적 라인을 구축해야 했습니다. CSIRO의 CEO인 Dr. Larry Marshall은 2017년 신제품 라인 출시에서 "탄소 섬유는 전 세계의 소수의 제조업체에서만 제조되며, 각 제조업체는 고유한 비밀과 특허 받은 레시피를 보유하고 있습니다. 파일럿 라인은 폴리머 및 섬유 공정 장비를 전문으로 하는 기계 제조업체인 MAE(이탈리아 Fiorenzuola d'Arda)에서 맞춤 제작했습니다. Abbott는 "상업 라인처럼 설계되었지만 규모는 더 작습니다."라고 설명합니다.

CSIRO 블로그에서는 파스타를 만드는 비유를 사용하여 라인의 작동 방식을 설명합니다. 파스타를 만드는 데 사용되는 반죽과 유사하게 PAN 전구체 섬유를 회전시키는 데 도프라는 고분자 용액이 사용됩니다. 파스타 반죽을 반죽한 다음 다이를 통해 눌러 길고 가는 스파게티 가닥을 만드는 것처럼, 도프를 혼합한 다음 응고시키고 다중 구멍 방사구를 통해 회전시켜 500~12,000개의 별도 PAN 섬유 가닥을 생성합니다. 모두 사람 머리카락보다 가늘습니다. . 이 섬유는 세척하고 롤러로 늘리고 일련의 용액으로 안정화하고 찜 및 건조시킨 후 Carbon Nexus의 탄화 라인에 감깁니다.

Abbott는 “탄소 섬유와 전구체 공급원료를 만드는 방법을 완전히 이해하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. “아무도 정말로 우리를 돕고 싶어하지 않았기 때문에 우리는 대부분 스스로 배워야 했습니다. 그러나 이제 우리는 핵심인 전구체 공정을 완전히 제어할 수 있으며 탄화를 위해 Carbon Nexus와 협력합니다.”

RAFT 중합

CSIRO가 적용하고 있는 또 다른 도구는 특허 및 상용화된 RAFT(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) 기술입니다. RAFT는 조성 및 구조에 대한 전례 없는 제어로 맞춤형 폴리머의 합성을 가능하게 하는 제어된 자유 라디칼 중합의 정교한 형태입니다. RAFT의 응용 분야는 새로운 약물 전달 시스템에서 산업용 윤활제 및 코팅에 이르기까지 다양하지만 CSIRO의 탄소 섬유 팀은 이를 사용하여 PAN 중합 공정을 제어합니다.

CSIRO 폴리머 화학 팀 리더인 Melissa Skidmore는 "단량체에서 폴리머로의 기존 중합은 광범위한 다분산성을 생성합니다. 즉, 폴리머 사슬의 길이가 매우 다양합니다."라고 설명합니다. "그러나 RAFT 에이전트를 추가하면 이제 거의 동일한 길이의 폴리머 사슬을 얻을 수 있으므로 분자량 분포가 훨씬 좁아집니다. 우리는 여전히 동일한 개시제, 단량체 및 용매를 사용하고 있지만 RAFT만 추가하면 됩니다.”

"분자량은 방적 용액의 점도에 영향을 미칩니다."라고 Skidmore는 말합니다. “전통적으로 도프 용액의 더 높은 분자량은 전구체 섬유에 홈이 있는 표면으로 이어졌습니다. RAFT를 추가하면 도프 용액의 점도가 감소하여 고형물 부하가 높아집니다. 고분자의 초고분자량 고분자를 제거하면 섬유의 분자 정렬이 향상되고 특성이 개선될 수 있습니다.” 그녀는 저분자량이 섬유에 가소화 효과가 있다고 덧붙였습니다. “RAFT는 구조적 결함이 적은 밀도가 높고 균일한 전구체 섬유를 생산할 수 있는 PAN 폴리머를 생산합니다. 이는 또한 탄화 속도를 높이고 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.”

Skidmore는 "이를 통해 복잡한 폴리머 아키텍처에 액세스할 수도 있습니다."라고 말합니다. "RAFT는 폴리머 그룹의 추가 화학적 조작을 허용합니다." 이것이 편리한 예는 도프 용액이 섬유로 응고되도록 조작되는 경우입니다. "도프 폴리머 용액의 이상적인 특성과 응고 조건 사이에는 미묘한 균형이 있습니다."라고 그녀는 덧붙입니다. “폴리머는 95% PAN과 5% 첨가제입니다. RAFT 폴리머는 다르게 작용하기 때문에 기존 첨가제의 일부를 낮추고 더 높은 비율을 고형 섬유로 전환하여 결함을 줄일 수 있다고 생각합니다. 우리는 지금 이것을 테스트하고 있습니다.”

현재 주요 초점은 아니지만 RAFT는 중합 중에 기능을 추가할 수 있다는 점에서도 매우 흥미롭습니다. 예를 들어, 연구자들은 CO2 포집을 위한 높은 흡착 능력(즉, CO2가 복합 재료의 분자 표면에 부착됨)을 가진 복합 재료를 만드는 방법을 찾고 있습니다. 다기능 복합 재료는 이미 항공기 및 전기 자동차 제조업체에서 찾고 있습니다. 기능이 추가된 새로운 유형의 PAN 및 탄소 섬유는 미래의 복합 재료를 위한 중요한 솔루션이 될 수 있습니다.

지속적인 흐름 프로세스

Abbott는 "RAFT를 사용하여 중합을 제어할 수 있습니다. "FLOW를 사용하면 섬유 형성을 더 잘 제어할 수 있습니다."

FLOW는 중합을 배치 공정이 아닌 연속 공정으로 전환합니다. Abbott와 Skidmore는 현재 사용되는 배치 반응기가 잘 정립되어 있고 설정이 쉽고 혼합 및 반응 역학 모니터링에 효율적이지만 연속 공정 반응기보다 더 큰 부피가 필요하기 때문에 산업 규모의 설정에 비용이 많이 든다고 설명합니다. 이러한 대용량 배치 반응기는 공간 및 에너지 소비 측면에서도 비효율적입니다. 연속 공정 반응기는 더 작고 저렴하며 확장이 쉽고 에너지 효율적이며 배치 처리에 비해 우수한 공정 제어 및 더 나은 재현성을 제공합니다. 그러나 전용 연속 라인이기 때문에 다른 매개변수와 제품 간에 전환할 때 유연성이 떨어집니다.

안전 및 지속 가능성 이점도 있습니다. "현재 PAN 생산은 특히 독성과 관련하여 환경적으로 지속 가능하지 않습니다."라고 Skidmore는 말합니다. “중합 공정을 연속적으로 하면 유독하고 냄새가 나며 가연성인 반응제가 자동 장비에 의해 분리되고 처리되기 때문에 안전성이 향상됩니다. 그러나 이것은 더 높은 수준의 모니터링과 제어가 필요한 라인의 복잡성을 증가시킬 것입니다.” 추가 개발이 필요하지만 Abbott는 FLOW 중합을 긍정적으로 보고 있습니다. "탄소 섬유는 본질적으로 가변적이므로 이 가변성을 줄이기 위해 할 수 있는 모든 조치는 속성을 개선합니다."

CarbonSpec – 관리할 측정값

CSIRO의 탄소 섬유 접근 방식의 마지막 도구는 CarbonSpec입니다. Pierlot은 "기본적으로 우리가 생산하는 섬유를 테스트하고 물성-재료 관계를 더 잘 이해하기 위해 개발한 계측입니다."라고 설명합니다. “측정할 수 없으면 개선할 수 없습니다. 또한 최소량의 PAN 및 탄소 섬유 측정에서 탄소 섬유 특성을 더 잘 예측할 수 있습니다.”

“탄소섬유 산업에서는 싱크로트론 X선을 사용하는 것이 표준입니다.
단층 촬영(CT)을 통해 섬유의 미세 구조를 결정합니다.”라고 Pierlot은 말합니다. (싱크로트론은 이미징 등을 위해 인접한 빔라인으로 향하는 매우 밝은 X선을 생성하는 축구장 크기의 입자 가속기입니다.) “Australian Synchrotron의 빔라인 직원의 도움으로 새로운 전용 특성화 프로토콜이 개별 PAN 전구체 및 탄소 섬유의 미세 구조를 스캔하기 위해 개발되었습니다. 직경이 5미크론만큼 작은 개별 섬유의 미세 구조 맵은 몇 분 만에 달성됩니다. SAXS 신호는 섬유의 기공 발달을 이해하는 데 도움이 되는 반면 WAXS 신호는 섬유 모듈러스를 최적화하기 위한 중요한 미세 구조 매개변수를 식별하는 데 도움이 됩니다. 두 신호를 동시에 사용하여 PAN 도프에서 탄소 섬유에 이르는 생산 공정의 각 단계에 따라 기계적 강도와 강성을 모니터링하고 최적화할 수 있습니다.”

Pierlot은 CarbonSpec 내에서 팀이 새로운 기기와 테스트 방법도 개발하고 있다고 말합니다. “예를 들어, 우리는 일반적으로 보고되는 섬유의 축방향 특성 외에 횡방향 계수와 강도를 측정하고 있습니다. 이를 위해 개발한 새로운 방법을 사용하여 축 방향 압축 강도도 측정할 수 있다고 생각합니다.” 단일 탄소 또는 PAN 섬유의 직경이 매우 작아(5–10 µm) 좌굴을 일으키지 않고 진정한 축 방향 압축 응력을 적용하기 어렵기 때문에 후자는 오랫동안 문제였습니다.

강도 20% 증가, 차세대 탄소 섬유

Abbott는 “우리는 폴리머를 섬유로 변환하는 방법에 대한 이해를 높이고 현재 상업용 섬유를 만들고 있습니다. “우리는 이러한 기술 도구를 다른 전구체 폴리머에 적용하여 RAFT를 사용하는 PAN의 CSIRO 버전인 SIROPAN을 만들고 있습니다. 이제 그 섬유질을 킬로그램으로 만들 수 있습니다.”

“다음 단계는 RAFT 폴리머 사용의 이점을 평가하는 것입니다. "우리는 여전히 PAN을 만들고 있지만 분자량을 더 잘 제어하고 점도를 낮추면서 분자량을 높이고 더 강한 탄소 섬유를 생산할 수 있습니다." 얼마나 더 강합니까? Abbott는 "아직 확실하지 않지만 우리의 목표는 20% 더 강력합니다."라고 말합니다. "우리는 10% 더 강한 것으로는 전구체를 재정적으로 실현 가능하게 변경하기 위한 개선만으로는 충분하지 않다는 것을 알고 있습니다. 업계에 따르면 20%는 최소 요구 사항입니다."

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RAFT를 통해 새로운 전구체 폴리머 개발(고품질 폴리머 또는 다른 속성)

상업적으로 경쟁력 있는 폴리머 공정 개발(FLOW)

저비용 및 더 높은 물성을 위해 폴리머를 섬유로 전환(습식 방사) 이해

탄소 섬유 속성에 대한 전구체 속성의 영향을 이해하고 탄소 섬유 속성을 더 잘 예측하며 이러한 측정 및 예측(CarbonSpec)을 기반으로 공정을 최적화합니다.

PAN 및 탄화 섬유를 엔지니어링하여 특정 최종 용도를 위한 맞춤형 탄소 섬유 생산

Abbott는 “탄소 섬유 산업은 매년 10%씩 성장하고 있습니다. "우리는 탄소 섬유 품질, 성능, 비용 및 지속 가능성을 개선하는 데 관심이 있는 기존 및/또는 새로운 업계 플레이어와 파트너 관계를 맺고 싶습니다."

"우리는 6가지 다른 전구체 제형을 테스트하고 있으며 Carbon Nexus에서 이들을 탄화시킬 것입니다."라고 Skidmore는 덧붙입니다. “올해 말까지 결과가 나오길 바랍니다. RAFT 폴리머에서 흰색 섬유로 전환된 다음 탄화를 거치는 데 시간이 걸립니다.”

Abbott는 "우리는 연말까지 강력한 결과를 원하지만 장기적으로는 그렇게 할 것입니다."라고 덧붙입니다.

이 연구는 과학 산업 기부 기금의 지원을 받습니다.