KR20260002581A - Polyacrylonitrile carbon fiber and yarn and method for producing the same - Google Patents

Polyacrylonitrile carbon fiber and yarn and method for producing the same

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KR20260002581A KR1020257015631A KR20257015631A KR20260002581A KR 20260002581 A KR20260002581 A KR 20260002581A KR 1020257015631 A KR1020257015631 A KR 1020257015631A KR 20257015631 A KR20257015631 A KR 20257015631A KR 20260002581 A KR20260002581 A KR 20260002581A
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지앤닝 왕
레이 리
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차이나 페트로리움 앤드 케미컬 코포레이션
시노펙 (상하이) 리서치 인스티튜트 오브 페트로케미컬 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유와 그의 원사 및 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명이 제공하는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유는 표면에 그루브 구조를 가지며, 상기 탄소섬유는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율이 1%~10%의 범위이고, 상기 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.1%~1%의 범위이며, 및 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.06% 이하이다. 본 발명은 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법, 폴리아크릴로니트릴 원사 및 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조 방법을 더 제공한다. 본 발명의 탄소섬유는 저회분 및 고성능을 갖는다.The present invention relates to polyacrylonitrile carbon fibers, yarns thereof, and a method for producing the same. The polyacrylonitrile carbon fibers provided by the present invention have a groove structure on the surface, and the Si/C ratio of a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is in the range of 1% to 10%, the Si/C ratio of a region Y between the bottom of the groove and an inner distance of up to 100 nm is in the range of 0.1% to 1%, and the Si/C ratio of a region Z greater than 100 nm is 0.06% or less. The present invention further provides a method for producing polyacrylonitrile carbon fibers, polyacrylonitrile yarns, and a method for producing polyacrylonitrile yarns. The carbon fibers of the present invention have low ash content and high performance.

Description

폴리아크릴로니트릴 탄소섬유와 원사 및 그의 제조방법Polyacrylonitrile carbon fiber and yarn and method for producing the same

본 발명은 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유와 원사 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 탄소섬유를 제조하기 위한 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유용 원사 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to polyacrylonitrile carbon fibers and yarns, and a method for producing the same. The present invention also relates to polyacrylonitrile carbon fiber yarns for producing the carbon fibers, and a method for producing the same.

탄소섬유는 탄소 함량이 90% 이상인 무기 고분자 섬유 소재로서, 화학구조가 안정적이고 고강도, 고탄성률, 저질량의 특성을 가지고 있으며, 내열성과 내식성이 우수하고, 열팽창계수가 낮으며, 열전달 및 화학적 안정성이 우수하고, 전도성이 양호한 특성을 가진다. 탄소섬유는 고성능 복합 재료의 보강 소재로 사용될 수 있으며, 항공우주, 건축 보강, 스포츠 용품, 자동차 구조, 풍력 발전 블레이드, 태양광 산업 및 의료기기 등 분야에 널리 사용된다. 그러나 항공우주 및 고급 장비의 지속적인 발전은 탄소섬유 소재에 대해 새로운 성능 요구를 제기하고 있으며, 그 중 탄소섬유에 대한 요구는 더 이상 강도 및 탄성률과 같은 기본적인 지표에만 국한되지 않는다. 특히 항공우주 분야의 응용에서, 탄소섬유에 대해 회분 함량의 요구가 제기되고 있다.Carbon fiber is an inorganic polymer fiber material with a carbon content of over 90%. It has a stable chemical structure, high strength, high modulus, and low mass. It also has excellent heat and corrosion resistance, a low coefficient of thermal expansion, excellent heat transfer and chemical stability, and good conductivity. Carbon fiber can be used as a reinforcing material for high-performance composites and is widely used in aerospace, architectural reinforcement, sporting goods, automotive structures, wind power blades, the solar industry, and medical devices. However, the continuous development of aerospace and high-end equipment is placing new performance demands on carbon fiber materials, and these demands are no longer limited to basic indicators such as strength and modulus. In particular, aerospace applications are raising demands on carbon fiber ash content.

탄소섬유의 성능은 주로 결함의 영향을 받는다. 양질의 유제와 합리적인 오일링(oiling) 공정은 결함 발생을 방지하는 효과적인 수단이다. PAN 원사를 전용 유제로 처리한 후, 섬유 표면에 내열성이 양호한 보호막이 형성될 수 있으며, 이에 따라 단일 필라멘트를 서로 분리시킴으로써 사전 산화(Pre-Oxidized) 과정에서 접착 및 합사의 발생을 방지할 수 있다. 현재 고성능 탄소섬유 원사의 생산 과정에서는 주로 실리콘 함유 유제가 사용된다. 실리콘 함유 유제의 일부 실리콘 함유 성분은 고온에서 분해 성능이 좋지 않아 사전 산화 및 탄화 과정에서 실리콘 성분이 불완전하게 분해되고 생성된 탄화규소, 질화규소 등의 불순물이 탄소섬유 내부에 잔류하여 섬유를 연신 또는 굽힘 시 취약점이 될 수 있으며, 이에 따라 탄소섬유의 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 또한 사전 산화 및 탄화 과정에서 생성되는 실리콘 산화물은 상기 과정에서 회분의 주요 공급원이다. 회분은 장비를 오염시킬 뿐만 아니라, 장비의 생산 주기와 수명을 단축시키고 가동 시간을 단축시킬 수 있어, 빈번히 운행을 중지하고 청소해주어야 한다.Carbon fiber performance is largely affected by defects. High-quality emulsions and a reasonable oiling process are effective means of preventing defects. Treating PAN yarn with a dedicated emulsion can form a heat-resistant protective film on the fiber surface, which separates the single filaments and prevents adhesion and braiding during the pre-oxidation process. Currently, silicone-containing emulsions are primarily used in the production of high-performance carbon fiber yarns. Some silicone-containing emulsions exhibit poor decomposition properties at high temperatures. This leads to incomplete decomposition during the pre-oxidation and carbonization process. This results in impurities such as silicon carbide and silicon nitride remaining within the carbon fiber, potentially creating weaknesses during drawing or bending, and thus seriously impacting the quality of the carbon fiber. Furthermore, silicon oxides generated during the pre-oxidation and carbonization process are a major source of ash. Ash not only contaminates equipment, but also shortens its production cycle and lifespan, reducing operating time, necessitating frequent shutdowns and cleaning.

탄소섬유를 제조하는 데 사용될 수 있는 원사는 매우 많다. 현재 시중의 탄소섬유의 약 90% 이상은 PAN 섬유로 제조된다. PAN 기반 탄소섬유는 탄소 수율이 높고, 역학 성능이 우수하며, 성숙한 공정 등의 특징을 지니고 있어 이미 탄소섬유의 주요 제품이 되었다. 현재 PAN 섬유는 주로 습식 방사와 건습식 방사(dry-jet wet-spinning)로 제조된다. 건습식 방사 과정에서 용액이 방사 노즐을 통해 압출된 후, 먼저 공기 구간(air gap)을 거쳐 응고욕으로 진입하여 응고 및 성형되며; 이러한 작업으로 인해 건습식 방사와 습식방사는 용액 시스템, 방사 공정 및 방사 장비 등에 모두 큰 차이가 있으며, 얻어진 원사 및 탄소섬유의 형태와 구조도 다르다. 건습식 방사 탄소섬유는 표면이 매끄럽고 구조가 더욱 치밀한 반면, 습식 방사로 얻어지는 탄소섬유의 표면은 뚜렷한 그루브(groove) 구조를 가지고 있으며, 그중 돌기의 상단부와 홈의 바닥부 사이의 높이 차는 수십 나노미터에 달할 수 있고, 상기 요철의 그루브 구조는 결함으로써 탄소섬유의 파단을 초래할 수 있다. 따라서 습식 방사 및 건습식 방사 탄소섬유에서 파단에 영향을 미치는 주요 구조적 특징 역시 다르다. PAN 섬유의 제조 과정에서, 건습식 방사와 비교하여, 습식 방사 공정은 더욱 성숙하고, 방사 과정이 안정적이고 제어가 용이하며, 섬유의 잔류 용매가 제거되기 쉽고, 제조된 탄소섬유는 복합 재료와 결합하기가 더욱 용이하여 고성능 탄소섬유 원사를 제조하는데 있어서 중요한 방법이다.There are numerous yarns that can be used to manufacture carbon fibers. Currently, more than 90% of carbon fibers on the market are made from PAN fibers. PAN-based carbon fibers have high carbon yields, excellent mechanical properties, and mature processes, making them a major carbon fiber product. Currently, PAN fibers are primarily manufactured through wet spinning and dry-jet wet spinning. In dry-jet wet spinning, the solution is extruded through a spinning nozzle, first passing through an air gap and then entering a coagulation bath for solidification and shaping. Due to these processes, wet-jet and dry-jet spinning differ significantly in their solution systems, spinning processes, and spinning equipment, and the resulting yarns and carbon fibers also differ in their morphology and structure. Wet and dry spun carbon fibers have a smooth surface and a denser structure, while the surface of carbon fibers obtained by wet spinning has a distinct groove structure, wherein the height difference between the top of the protrusion and the bottom of the groove can reach tens of nanometers, and the groove structure of the protrusions can cause the carbon fiber to break due to defects. Therefore, the main structural features that affect the breakage of wet and dry spun carbon fibers are also different. In the process of manufacturing PAN fiber, compared with wet and dry spinning, the wet spinning process is more mature, the spinning process is stable and easy to control, the residual solvent in the fiber is easy to remove, and the manufactured carbon fiber is easier to combine with composite materials, so it is an important method for manufacturing high-performance carbon fiber yarn.

고품질 탄소섬유 원사는 표면 결함이 적고, 기공 구조가 적으며, 구조가 치밀하고, 신축성이 양호하며 높은 내열성 등의 특성을 가져야 한다. 성능이 우수하고 실리콘 함량 및 실리콘 침투성을 제어할 수 있는 고품질 탄소섬유를 제조하기 위해서는 원사가 낮은 실리콘 함량, 낮은 실리콘 침투율 및 유막이 섬유 표면에 균일하게 형성되는 양호한 코팅성의 특징을 구비하여야 한다. 탄소섬유 원사의 생산 과정에서, 응고 과정은 하나의 이중 확산 과정이기 때문에 1차 섬유(as-spun fibre)에 많은 기공이 함유된다. 이후의 연신 및 수세 과정에서 일부 기공은 점차 감소하거나 심지어 폐쇄된다. 폐쇄되지 않은 기공에는 오일링 공정에서 실리콘 함유 유제가 침투될 수 있다. 후속 건조 치밀화 과정에서 기공이 폐쇄될 수 있으므로 기공 중의 실리콘 함유 유제가 완전히 제거되기 어렵고, 섬유 내부에 잔류하여 탄화 과정에서 회분의 증가를 초래하며, 침투된 Si가 완전히 제거되기 어려워 탄소섬유에 잔류하면서 최종 탄소섬유의 성능에 영향을 미친다.High-quality carbon fiber yarns must have minimal surface defects, minimal pore structure, a dense structure, good elasticity, and high heat resistance. To produce high-quality carbon fibers with superior performance and controllable silicon content and silicon permeability, the yarns must possess low silicon content, low silicon permeability, and good coating properties that uniformly form an oil film on the fiber surface. During the production of carbon fiber yarn, the coagulation process is a double diffusion process, resulting in a large number of pores in the as-spun fiber. During subsequent drawing and washing, some pores gradually decrease or even close. During the oiling process, silicone-containing emulsions can penetrate these unclosed pores. Pores can become closed during the subsequent drying and densification process, making it difficult to completely remove the silicon-containing emulsions within the pores. These pores remain within the fibers, increasing ash content during the carbonization process. Furthermore, the infiltrated silicon remains difficult to completely remove, affecting the performance of the final carbon fiber.

따라서 고품질 유제 및 합리적인 오일링 공정을 선택하는 것은 저회분 고성능 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 및 상기 탄소섬유 원사 제조의 중요한 작업이다.Therefore, selecting a high-quality oiling agent and a reasonable oiling process is an important task in the production of low-ash, high-performance polyacrylonitrile carbon fiber and the carbon fiber yarn.

CN113597484A는 섬유 표면으로의 유제의 침입을 억제하고 표층의 기공을 억제하는 탄소섬유의 제조 방법을 개시하였으며, 여기서 SIMS(2차 이온 질량 분석법)를 사용하여 섬유 표면으로부터 일정 깊이의 Si/C 비율을 계산하였다. 상기 출원에서는 상기 발명이 습식 방사 탄소섬유의 강도를 향상시키는 데에는 적용될 수 없음을 명확히 언급하였다. 이밖에, 습식 방사는 일반적으로 다단계 응고공정을 사용하며, 응고욕의 농도, 온도 및 침지 시간이 건습식 방사와 완전히 다르기 때문에 CN113597484A 발명점인 건습식 방사의 응고조건 및 공기 중 체류시간은 습식 방사 탄소섬유 원사의 제조에 적용할 수 없으며, 습식 방사 과정에서 섬유 표층으로의 유제의 침입 역시 억제할 수 없고, 섬유간 접착 및 탄소섬유 표층의 기공을 억제할 수 없다. 또한 습식 방사 1차 섬유는 건습식 방사에 비해, 구조가 느슨하고 섬유의 기공이 더 크며, 오일링 과정에서 유제가 섬유 내부로 침투하기가 더욱 쉽기 때문에 Si 침투를 억제하고 탄소섬유의 성능을 향상시키는 새로운 방법이 필요하다.CN113597484A discloses a method for producing carbon fibers that suppresses the infiltration of emulsion into the fiber surface and suppresses the formation of pores in the surface layer, wherein SIMS (secondary ion mass spectrometry) is used to calculate the Si/C ratio at a certain depth from the fiber surface. The application clearly states that the invention cannot be applied to improving the strength of wet-spun carbon fibers. In addition, wet spinning generally uses a multi-stage coagulation process, and the concentration, temperature, and immersion time of the coagulation bath are completely different from those of dry and wet spinning, so the coagulation conditions and air residence time of dry and wet spinning, which are the invention points of CN113597484A, cannot be applied to the production of wet-spun carbon fiber yarns, and the infiltration of emulsion into the fiber surface layer during the wet spinning process cannot be suppressed, and the inter-fiber adhesion and pores in the carbon fiber surface layer cannot be suppressed. In addition, wet-spun primary fibers have a looser structure and larger pores than dry-spun primary fibers, and it is easier for oil to penetrate into the fiber during the oiling process, so a new method is needed to suppress Si penetration and improve the performance of carbon fibers.

CN111088559A는 탄소섬유의 보풀이 많고, 역학적 성능이 떨어지며 저탄소로의 코크스 배출량이 큰 문제를 해결하기 위하여, 1차 오일링에 초저실리콘 유제 또는 비실리콘 유제를 사용하고, 1차 건조 치밀화를 거친 후, 2차 오일링에 범용 실리콘 함유 유제를 사용하는 오일링 방법을 개시하였다.CN111088559A discloses an oiling method in which an ultra-low silicone emulsion or a non-silicon emulsion is used for the first oiling, and after the first drying and densification, a general-purpose silicone-containing emulsion is used for the second oiling, in order to solve the problems of carbon fiber having a lot of fluff, poor mechanical performance, and high coke emission due to low carbon.

CN114622417A는 탄소섬유 실리콘 함유 유제를 개시하였다. 상기 유제는 원사와 롤러 사이의 마찰 손상을 감소시켜 섬유의 균일한 사전 산화를 보장하고, 탄화 모노필라멘트 접착 및 합사를 억제할 수 있으나, 탄화 회분 및 탄소섬유의 불순물 문제는 언급되지 않았다.CN114622417A discloses a silicone-containing emulsion for carbon fibers. The emulsion reduces frictional damage between yarns and rollers, ensures uniform pre-oxidation of the fibers, and inhibits adhesion and braiding of carbonized monofilaments. However, the issues of carbonized ash and impurities in carbon fibers were not addressed.

CN112424418A는 탄소섬유 실리콘 함유 유제를 공개하였다. 상기 출원은 원사 방사 과정에서 보풀 문제를 해결하여, 탄소섬유를 효과적으로 보호할 수 있으나, 얻어진 탄소섬유는 강도가 비교적 낮으며, 역시 탄화 회분 및 탄소섬유 불순물의 문제는 언급되지 않았다.CN112424418A discloses a silicone-containing emulsion for carbon fibers. This application effectively protects carbon fibers by resolving the problem of fluffing during the yarn spinning process. However, the resulting carbon fibers have relatively low strength, and the problems of carbonized ash and carbon fiber impurities are not addressed.

CN112726207A는 탄소섬유 원사 제조용 비실리콘 유제를 개시하였으며, 이로 인해 회분 함량이 매우 적어져 탄소로 등의 설비에 대한 손상을 크게 줄일 수 있으나, 얻어진 탄소섬유는 강도 탄성률이 낮아 고강도 고탄성 탄소섬유의 제조 과정에는 적합하지 않다.CN112726207A discloses a non-silicone emulsion for manufacturing carbon fiber yarn, which has a very low ash content and thus can significantly reduce damage to equipment such as carbon furnaces, but the obtained carbon fiber has a low strength and elastic modulus, making it unsuitable for the manufacturing process of high-strength, high-elasticity carbon fiber.

CN110863270A는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유에 대한 유기용매 침지처리 및 불산처리 단계를 포함하는 고강도 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 회분을 감소시키는 방법을 개시하였으나, 상기 방법은 인장 탄성률과 같은 탄소섬유의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.CN110863270A discloses a method for reducing ash content of high-strength polyacrylonitrile-based carbon fibers, which comprises an organic solvent immersion treatment and a hydrofluoric acid treatment step for the polyacrylonitrile-based carbon fibers, but the method may have a negative effect on the performance of the carbon fibers, such as tensile modulus.

CN103290527A는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 회분을 감소시키는 방법을 개시하였다. 상기 출원은 4차 암모니아화 개질 공중합 시스템을 기반으로 비교적 높은 친수성을 가진 PAN 방사액을 제조한 다음, 원사에 유제를 부여하기 전에 팽윤도를 제어하고 저실리콘 유제를 도입함으로써 섬유 다발의 오일 함량을 제어한다. 그러나 상기 출원의 개질 후의 공중합 시스템은 고성능 탄소섬유 제조를 제조하기에 적합하지 않다.CN103290527A discloses a method for reducing the ash content of polyacrylonitrile carbon fibers. The application comprises producing a PAN spinning solution with relatively high hydrophilicity based on a quaternary ammonia-modified copolymerization system. The application then controls the swelling degree and introduces a low-silicon emulsion before applying the emulsion to the yarn, thereby controlling the oil content of the fiber bundle. However, the modified copolymerization system of the application is not suitable for producing high-performance carbon fibers.

종래 기술에서, 고성능 탄소섬유의 습식 방사 제조에서 탄소섬유의 회분 함량을 감소시키면 종종 탄소섬유의 성능 저하를 초래할 수 있다.In conventional technology, reducing the ash content of carbon fibers in wet spinning production of high-performance carbon fibers often results in a decrease in the performance of the carbon fibers.

본 발명자는 심층 연구를 통해, 유제가 섬유 내에 다량으로 침투 및 분포할 경우, 후속 사전 산화 및 탄화 과정에서 회분을 증가시키는 주요 원인이 되며, 또한 최종 탄소섬유 내의 불순물 함량을 증가시킬 수도 있어, 탄소섬유의 성능에 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 다른 한편으로, 원사 표층의 Si 함량이 너무 낮으면, 사전 산화 과정에서 합사, 접착 및 보풀 증가와 같은 문제가 발생하기 쉽고, 최종적으로 탄소섬유의 성능이 저하된다. 본 발명자는 추가적인 연구를 통해 탄소섬유 내의 실리콘의 침투 깊이와 구배를 제어하면 탄소섬유의 고성능과 저회분을 모두 고려할 수 있으며, 따라서 회분 함량이 낮은 동시에 고성능을 갖춘 탄소섬유를 얻을 수 있음을 발견하였으며, 이에 따라 본 발명을 완성하였다.Through in-depth research, the inventors of the present invention have discovered that when a large amount of silicon is penetrated and distributed within the fiber, it becomes a major cause of increased ash during the subsequent pre-oxidation and carbonization processes, and can also increase the content of impurities within the final carbon fiber, thereby affecting the performance of the carbon fiber. On the other hand, if the Si content of the surface layer of the yarn is too low, problems such as braiding, adhesion, and increased fluff can easily occur during the pre-oxidation process, ultimately reducing the performance of the carbon fiber. Through further research, the inventors of the present invention have discovered that controlling the depth and gradient of silicon penetration within the carbon fiber can achieve both high performance and low ash content, thereby obtaining a carbon fiber with both low ash content and high performance, thereby completing the present invention.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 1은 종래 기술의 습식 방사에서 탄소섬유의 회분을 감소시킬 경우 최종적으로 제조된 탄소섬유의 역학 성능 저하를 초래하게 되는 문제를 해결하고자 하는 것이다. 따라서 본 발명은 탄소섬유 중의 실리콘이 섬유 표면에서 특정 침투 구배와 실리콘 함량을 가짐으로써, 탄소섬유의 회분을 감소시킴과 동시에 탄소섬유의 역학 성능을 향상시킬 수 있는 저회분 고성능 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제공한다.Technical problem 1 to be solved by the present invention is to solve the problem that reducing the ash content of carbon fibers in conventional wet spinning results in a deterioration in the mechanical performance of the carbon fibers produced. Accordingly, the present invention provides a low-ash, high-performance polyacrylonitrile carbon fiber that can reduce the ash content of carbon fibers and improve the mechanical performance of carbon fibers by having a specific penetration gradient and silicon content in the carbon fiber surface.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 2는 상기 기술적 과제 1에 상응하는 저회분 고성능 탄소섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 탄화 과정에서 회분이 적은(반년 또는 그 이상의 기간 동안 1번만 운행을 중지하고 장비 내의 회분을 청소하면 된다) 특징이 있으며, 또한, 제조된 탄소섬유 중의 실리콘 불순물 함량이 적고 탄소섬유 강도, 탄성률 및 연신율이 우수하다.Technical problem 2 to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing low-ash, high-performance carbon fiber corresponding to the technical problem 1 above. The method is characterized by low ash content during the carbonization process (only one stop for half a year or more is required to clean the ash content inside the equipment), and further, the silicon impurity content in the manufactured carbon fiber is low, and the carbon fiber strength, elastic modulus, and elongation are excellent.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 3은 상기 기술적 과제 1에 상응하는 상기 저회분 고성능 탄소섬유를 제조하기 위한 폴리아크릴로니트릴 원사를 제공하는 것이다.Technical problem 3 to be solved by the present invention is to provide a polyacrylonitrile yarn for producing the low-ash, high-performance carbon fiber corresponding to the technical problem 1.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 4는 상기 기술적 과제의 3에 상응하는 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조 방법을 제공하는 것이다.Technical problem 4 to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing polyacrylonitrile yarn corresponding to technical problem 3 above.

본 발명은 표면에 그루브 구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제공하며, 상기 탄소섬유는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율이 1%~10% 범위이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.1%~1% 범위이며, 및 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.06% 이하인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a polyacrylonitrile carbon fiber having a groove structure on a surface, wherein the carbon fiber is characterized in that the Si/C ratio in a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of a groove is in a range of 1% to 10%, the Si/C ratio in a region Y between the bottom of the groove and within 100 nm inward is in a range of 0.1% to 1%, and the Si/C ratio in a region Z greater than 100 nm is 0.06% or less.

본 발명은 또한 폴리아크릴로니트릴 원사를 탄화시켜 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 얻는 단계를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유, 바람직하게는 본 발명의 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법을 더 제공하며; 상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율이 1.0%~20%의 범위이고, 및 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율이 0.15% 이하인 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, preferably the polyacrylonitrile carbon fiber of the present invention, comprising the step of carbonizing polyacrylonitrile yarn to obtain the polyacrylonitrile carbon fiber; wherein the polyacrylonitrile yarn is characterized in that the Si/C ratio in a region from the top of the fiber surface protrusions to an inside area of 2 μm is in a range of 1.0% to 20%, and the Si/C ratio in a region of 2 μm or more is 0.15% or less.

본 발명은 폴리아크릴로니트릴 원사를 제공하며, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율이 1.0%~20%의 범위이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율이 0.15% 이하인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a polyacrylonitrile yarn, wherein the polyacrylonitrile yarn is characterized in that the Si/C ratio in a region from the top of a protrusion on the surface of the fiber to an inside area of 2 μm is in a range of 1.0% to 20%, and the Si/C ratio in a region of 2 μm or more is 0.15% or less.

본 발명은 또한 습식방사 및 오일링 단계를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 원사, 바람직하게는 본 발명의 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조방법을 제공하며, 상기 오일링 단계는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없으며, 그 중 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용한다.The present invention also provides a method for producing a polyacrylonitrile yarn, preferably a polyacrylonitrile yarn of the present invention, comprising wet spinning and oiling steps, wherein the oiling step comprises two consecutive oiling processes, with no dry compaction step between the two oiling processes, wherein the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion.

본 발명의 기술방안을 보다 명확하게 설명하기 위하여 첨부 도면을 제공한다.
도 1은 본 발명의 탄소섬유의 단일가닥 섬유의 횡단면 설명도이다.
도 1에서, 1은 탄소섬유 표면의 돌기 구조; 2는 탄소섬유 표면의 홈 구조이고; a와 b는 각각 섬유 중심에서 섬유 표면까지의 인접한 돌기 구조 및 홈 구조의 주사선이며; X는 탄소섬유 표면의 돌기 상단부로부터서 홈의 바닥부까지 영역을 나타내고; Y는 홈 바닥부로부터 탄소섬유 내부로 100nm까지 사이의 영역(즉, 상기 영역의 깊이가 100nm)을 나타내며; Z는 탄소섬유 내부로 100nm 이상인 영역을 나타낸다.
본 발명에서, 돌기의 상단부란 돌기 구조의 가장 높은 곳을 지칭하고, 홈의 바닥부란 홈 구조의 가장 낮은 곳을 지칭한다.
In order to more clearly explain the technical solution of the present invention, the attached drawings are provided.
Figure 1 is a cross-sectional illustration of a single strand of carbon fiber of the present invention.
In Fig. 1, 1 is a protrusion structure on the surface of a carbon fiber; 2 is a groove structure on the surface of a carbon fiber; a and b are scanning lines of adjacent protrusion structures and groove structures from the center of the fiber to the surface of the fiber, respectively; X represents a region from the top of a protrusion on the surface of a carbon fiber to the bottom of a groove; Y represents a region from the bottom of a groove to 100 nm inside the carbon fiber (i.e., the depth of the region is 100 nm); and Z represents a region that is 100 nm or more inside the carbon fiber.
In the present invention, the upper part of the protrusion refers to the highest part of the protrusion structure, and the bottom part of the groove refers to the lowest part of the groove structure.

일 측면으로, 본 발명은 표면에 그루브 구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제공하며, 여기서, 상기 탄소섬유는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율이 1%~10% 범위이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.1%~1% 범위이며, 및 (표면의 홈 바닥부로부터) 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.06% 이하이다.In one aspect, the present invention provides a polyacrylonitrile carbon fiber having a groove structure on a surface, wherein the carbon fiber has a Si/C ratio in a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of a groove in a range of 1% to 10%, a Si/C ratio in a region Y between the bottom of the groove and within 100 nm inward in a range of 0.1% to 1%, and a Si/C ratio in a region Z that is 100 nm or more (from the bottom of the groove on the surface) is 0.06% or less.

본 발명에서, 상기 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 1%~10% 범위이다. 예를 들어, 상기 Si/C 비율은 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 9.5%, 10% 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 Si/C 비율은 2%~10%의 범위, 3%~10%의 범위, 4%~10%의 범위 또는 4%~9.5% 범위일 수 있다.In the present invention, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface of the carbon fiber and the bottom of the groove is in the range of 1% to 10%. For example, the Si/C ratio may be in the range of 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 9.5%, 10%, or any two of the above values. In some embodiments, the Si/C ratio may be in the range of 2% to 10%, in the range of 3% to 10%, in the range of 4% to 10%, or in the range of 4% to 9.5%.

본 발명에서, 상기 탄소섬유의 홈 바닥부에서 내부로 100 nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.1%~1% 범위이다. 예를 들어, 상기 Si/C 비율은 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 0.95%, 1.0% 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 Si/C 비율은 0.2%~1%의 범위, 0.3%~1%의 범위, 0.4%~1%의 범위 또는 0.4%~0.95%의 범위일 수 있다.In the present invention, the Si/C ratio in the region Y between the groove bottom and the inner side of the carbon fiber is in the range of 0.1% to 1%. For example, the Si/C ratio may be 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 0.95%, 1.0%, or a range comprised of any two of the above values. In some embodiments, the Si/C ratio may be in the range of 0.2% to 1%, in the range of 0.3% to 1%, in the range of 0.4% to 1%, or in the range of 0.4% to 0.95%.

본 발명에서, 상기 탄소섬유의 (표면의 홈 바닥부로부터) 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.06% 이하이다. 예를 들어, 상기 Si/C 비율은 0%, 0.005%, 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06% 또는 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위, 예를 들어 0%~0.06%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 Si/C 비율은 0.005%~0.06%의 범위, 또는 0.01%~0.06%의 범위일 수 있다.In the present invention, the Si/C ratio of a region Z of 100 nm or more (from the groove bottom of the surface) of the carbon fiber is 0.06% or less. For example, the Si/C ratio may be 0%, 0.005%, 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, or a range comprised of any two of the above values, for example, 0% to 0.06%. In some embodiments, the Si/C ratio may be in a range of 0.005% to 0.06%, or in a range of 0.01% to 0.06%.

본 발명에서, 상기 Si/C 비율은 Si 원자 수와 C 원자 수의 비율이다. 본 발명에서, Si/C 비율은 TEM-EDS 방식을 통해 결정되었으며; 자세한 내용은 아래를 참조한다.In the present invention, the Si/C ratio is the ratio of the number of Si atoms to the number of C atoms. In the present invention, the Si/C ratio was determined using the TEM-EDS method; see below for details.

본 발명에서, 상기 탄소섬유 중의 총 실리콘 함량은 500~1500ppm(중량)일 수 있다. 예를 들어, 중량으로 계산하여, 상기 탄소섬유 중의 총 실리콘 함량은 500ppm, 600ppm, 700ppm, 800ppm, 900ppm, 1000ppm, 1100ppm, 1200ppm, 1300ppm, 1400ppm, 1500ppm 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In the present invention, the total silicon content in the carbon fiber may be 500 to 1500 ppm (weight). For example, calculated by weight, the total silicon content in the carbon fiber may be 500 ppm, 600 ppm, 700 ppm, 800 ppm, 900 ppm, 1000 ppm, 1100 ppm, 1200 ppm, 1300 ppm, 1400 ppm, 1500 ppm, or a range comprised of any two of the above values.

본 발명의 일부 실시양태에서, 상기 탄소섬유 중, 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율의 8.5배 이상이다. 본 발명의 일부 실시양태에서, 상기 탄소섬유 중, 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역X의 Si/C 비율은 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율의 8.5~12배이다.In some embodiments of the present invention, among the carbon fibers, the Si/C ratio of a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of a groove is at least 8.5 times the Si/C ratio of a region Y between the bottom of a groove and 100 nm inward. In some embodiments of the present invention, among the carbon fibers, the Si/C ratio of a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of a groove is 8.5 to 12 times the Si/C ratio of a region Y between the bottom of a groove and 100 nm inward.

본 발명의 일부 실시양태에서, 본 발명의 탄소섬유의 경우, 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 100nm까지의 영역 X 및 Y에 존재하는 기공의 수는 20개 미만이고, 바람직하게는 16개 미만이며; 그 중 상기 기공의 평균 길이는 10~50nm이고, 평균 폭은 5~25nm이다. 본 발명에서, 갈륨 집속 이온빔 절단 및 투과 전자현미경 방법으로 10가닥의 탄소섬유를 관찰하였으며, 상기 기공의 수, 기공의 평균 길이 및 평균 폭은 10가닥의 탄소섬유의 평균값이다.In some embodiments of the present invention, for the carbon fiber of the present invention, the number of pores present in regions X and Y from the top of the protrusions on the fiber surface to 100 nm inward is less than 20, and preferably less than 16; wherein the average length of the pores is 10 to 50 nm, and the average width is 5 to 25 nm. In the present invention, 10 carbon fibers were observed by gallium focused ion beam cutting and transmission electron microscopy, and the number of pores, the average length of the pores, and the average width are average values of 10 carbon fibers.

본 발명의 일부 실시양태에서, 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4° 이하, 바람직하게는 3° 이하이다.In some embodiments of the present invention, the orientation deviation angle of the pores along the fiber axis direction obtained through small-angle X-ray scattering is 4° or less, preferably 3° or less.

상기 탄소섬유의 인장 강도는 5.6-5.8 GPa이고, 인장 탄성률(tensile modulus)은 360-390 GPa이며, 파단 연신율은 1.45%-1.6%일 수 있다.The tensile strength of the above carbon fiber may be 5.6-5.8 GPa, the tensile modulus may be 360-390 GPa, and the elongation at break may be 1.45%-1.6%.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유는 습식 방사로 제조된 폴리아크릴로니트릴 원사로부터 얻어진다.In the present invention, the polyacrylonitrile carbon fiber is obtained from a polyacrylonitrile yarn manufactured by wet spinning.

또 다른 측면에서, 본 발명은 폴리아크릴로니트릴 원사를 탄화시켜 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 얻는 단계를 포함하는 본 발명의 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조방법을 제공하며; 여기서 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 1.0%~20% 범위이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.15% 이하이다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a polyacrylonitrile carbon fiber, comprising the step of carbonizing a polyacrylonitrile yarn to obtain the polyacrylonitrile carbon fiber; wherein the Si/C ratio in a region from the top of a fiber surface protrusion of the polyacrylonitrile yarn to an inside area of 2 μm is in a range of 1.0% to 20%, and the Si/C ratio in a region of 2 μm or more is 0.15% or less.

일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 2.0%~20%의 범위, 3.0%~20%의 범위, 4.0%~20%의 범위 또는 5.0%~19%의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.01~0.15%의 범위, 0.02~0.15%의 범위, 0.03~0.15%의 범위, 0.04~0.15의 범위, 또는 0.05%~0.15%의 범위일 수 있다.In some embodiments, the Si/C ratio of a region 2 μm inward from the top of the fiber surface protrusions of the polyacrylonitrile yarn may be in the range of 2.0% to 20%, in the range of 3.0% to 20%, in the range of 4.0% to 20%, or in the range of 5.0% to 19%. In some embodiments, the Si/C ratio of a region 2 μm or more inward from the top of the fiber surface protrusions of the polyacrylonitrile yarn may be in the range of 0.01% to 0.15%, in the range of 0.02% to 0.15%, in the range of 0.03% to 0.15%, in the range of 0.04% to 0.15%, or in the range of 0.05% to 0.15%.

일부 실시양태에서, 상기 원사의 오일 함량은 0.5%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.4%, 더욱 바람직하게는 0.9%~2.0%일 수 있다. 예를 들어, 상기 원사의 오일 함량은 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1.0%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5%, 1.6%, 1.7%, 1.8%, 1.9%, 2.0%, 2.1%, 2.2%, 2.3%, 2.4%, 2.5%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In some embodiments, the oil content of the yarn may be from 0.5% to 2.5%, preferably from 0.8% to 2.5%, preferably from 0.8% to 2.4%, and more preferably from 0.9% to 2.0%. For example, the oil content of the yarn may be from 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1.0%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5%, 1.6%, 1.7%, 1.8%, 1.9%, 2.0%, 2.1%, 2.2%, 2.3%, 2.4%, 2.5%, or a range comprised of any two of the foregoing values.

일부 실시양태에서, 상기 원사의 실리콘 함량은 0.01~0.5%, 바람직하게는 0.05%~0.5%일 수 있다. 예를 들어, 상기 원사의 실리콘 함량은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.1%, 0.15%, 0.2%, 0.25%, 0.3%, 0.35%, 0.4%, 0.45%, 0.5%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7~1.0dtex이다. 예를 들어, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7dtex, 0.8dtex, 0.9dtex, 1.0dtex 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In some embodiments, the silicone content of the yarn may be 0.01 to 0.5%, preferably 0.05 to 0.5%. For example, the silicone content of the yarn may be 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.1%, 0.15%, 0.2%, 0.25%, 0.3%, 0.35%, 0.4%, 0.45%, 0.5%, or a range comprised of any two of the foregoing values. In some embodiments, the monofilament linear density of the polyacrylonitrile yarn is 0.7 to 1.0 dtex. For example, the monofilament linear density of the polyacrylonitrile yarn may be in a range of 0.7 dtex, 0.8 dtex, 0.9 dtex, 1.0 dtex, or any two of the above values.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식 방사로 제조된다.In the present invention, the polyacrylonitrile yarn is manufactured by wet spinning.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식 방사로 제조되고 또한 오일링 단계를 포함하며, 여기서 상기 오일링 단계는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 그 중 2회의 오일링 공정 중간에 건조 치밀화 단계가 없으며, 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용한다.In the present invention, the polyacrylonitrile yarn is manufactured by wet spinning and further includes an oiling step, wherein the oiling step includes two consecutive oiling processes, wherein there is no dry densification step between the two oiling processes, the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion.

본 발명에서, 2회의 오일링 공정 중간에 건조 치밀화 단계가 없다는 것은 1차 오일링 공정이 완료된 후, 1차에 오일링 처리된 섬유에 대해 건조 치밀화 처리를 수행하지 않고, 2차 오일링 공정을 계속 진행하는 것을 의미한다.In the present invention, the absence of a dry compaction step between two oiling processes means that after the first oiling process is completed, the second oiling process is continued without performing a dry compaction process on the fibers oiled in the first process.

폴리탄소섬유 원사의 제조 과정에서, 오일링 단계를 통해 섬유에 유제를 부여하는 것은 당업계에 공지되어 있다. 당업계에 공지된 바와 같이, 오일링 단계에 사용되는 유제는 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제를 포함할 수 있다.In the process of manufacturing polycarbon fiber yarn, it is well known in the art to impart an emulsion to the fiber through an oiling step. As is known in the art, the emulsion used in the oiling step may include a non-silicone emulsion, a low-silicone emulsion, or a silicone-containing emulsion.

비실리콘 유제에 대하여, 본 발명은 비실리콘 유제에 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조에 일반적으로 사용되는 다양한 비실리콘 유제를 사용할 수 있다.Regarding the non-silicone emulsion, the present invention has no particular limitation on the non-silicone emulsion, and various non-silicone emulsions commonly used in the art for producing polyacrylonitrile yarns can be used.

일부 실시양태에서, 비실리콘 유제는 유제의 주요 성분으로서 비실록산 성분을 포함한다. 예를 들어, 장쇄지방산과 폴리올의 폴리에스테르, 장쇄 지방아민의 에틸렌옥사이드 부가물, 폴리부텐, 폴리옥시에틸렌에테르, 네오펜탄올 유도체, 지방산에스테르, 아미드화합물, 지방산에스테르의 암모늄염, 방향족에스테르, 아미드화합물 등의 물질 중 하나 이상은 비실리콘 유제의 주요 성분으로 사용될 수 있다.In some embodiments, the non-silicone emulsion comprises a non-siloxane component as a major component of the emulsion. For example, one or more of the following materials may be used as the major component of the non-silicone emulsion: polyesters of long-chain fatty acids and polyols, ethylene oxide adducts of long-chain fatty amines, polybutene, polyoxyethylene ether, neopentanol derivatives, fatty acid esters, amide compounds, ammonium salts of fatty acid esters, aromatic esters, amide compounds, etc.

실리콘 함유 유제에 대하여, 본 발명은 실리콘 함유 유제에 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조에 사용되는 다양한 실리콘 함유 유제를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 실리콘 함유 유제에 유기 폴리실록산 및/또는 그 유도체가 함유된다. 일례로서, 폴리디메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산, 폴리메틸하이드로실록산, 알킬아릴알킬 변성 폴리실록산, 아미노변성 폴리실록산, 폴리에테르 변성 폴리실록산, 에폭시 변성 폴리실록산, 아미드 변성 폴리실록산 등을 들 수 있다.Regarding the silicone-containing emulsion, the present invention has no particular limitation on the silicone-containing emulsion, and various silicone-containing emulsions used in the art for producing polyacrylonitrile yarns can be used. In some embodiments, the silicone-containing emulsion contains an organic polysiloxane and/or a derivative thereof. Examples thereof include polydimethylsiloxane, polyphenylmethylsiloxane, polymethylhydrosiloxane, alkylarylalkyl-modified polysiloxane, amino-modified polysiloxane, polyether-modified polysiloxane, epoxy-modified polysiloxane, and amide-modified polysiloxane.

저실리콘 유제에 대하여, 본 발명은 저실리콘 유제에 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조에 사용되는 다양한 저실리콘 유제를 사용할 수 있다.Regarding the low-silicon emulsion, the present invention has no particular limitation on the low-silicon emulsion, and various low-silicon emulsions used in the art for producing polyacrylonitrile yarn can be used.

본 발명에서, 실리콘 함유 유제의 실리콘 함량은 중량으로 계산하여 0.01~0.9%일 수 있고, 저실리콘 유제의 실리콘 함량은 중량으로 계산하여 0.001% 내지 0.01% 미만일 수 있다. 일부 실시양태에서, 저실리콘 유제에 함유된 실리콘 성분이 총 유제 성분에서 차지하는 비율은 1중량% 이하이다.In the present invention, the silicone content of the silicone-containing emulsion may be 0.01 to 0.9% by weight, and the silicone content of the low-silicon emulsion may be 0.001% to less than 0.01% by weight. In some embodiments, the silicone component contained in the low-silicon emulsion accounts for 1% by weight or less of the total emulsion components.

본 발명에서, 유제의 형태에 대해서는 특별한 제한이 없다. 본 발명에서, 바람직하게는, 사용되는 유제는 수중유형 에멀젼이다.In the present invention, there is no particular limitation on the form of the emulsion. In the present invention, the emulsion preferably used is an oil-in-water emulsion.

일부 실시양태에서, 상기 비실리콘 유제는 유제 성분과 물을 포함하는 수중유형 에멀젼일 수 있고, 유제 성분의 질량 백분율 함량은 1~40%이며; 유제 성분은 방향족 에스테르류 화합물, 방향족 폴리옥시에틸렌 에테르, 아민류 화합물, 알코올류 화합물, 산류 화합물 중 하나 이상, 및 비이온성 계면활성제, 유화제, 항산화제, 정전기 방지제를 포함하며; 여기서, 유제 성분의 질량 합을 100%로 계산하면, 상기 방향족 에스테르 화합물의 함량은 40~90%, 방향족 폴리옥시에틸렌 에테르의 함량은 10%~30%, 아민류 화합물의 함량은 0%~7%, 알코올류 화합물의 함량은 0%~7%, 산류 화합물의 함량은 0%~7%, 비이온성 계면활성제의 함량은 10%~65%, 유화제의 함량은 10%~30%, 항산화제의 함량은 1%~10%, 정전기 방지제의 함량은 1%~10%이다.In some embodiments, the non-silicone emulsion may be an oil-in-water emulsion comprising an emulsion component and water, wherein the mass percentage content of the emulsion component is 1 to 40%; the emulsion component comprises at least one of an aromatic ester compound, an aromatic polyoxyethylene ether, an amine compound, an alcohol compound, an acid compound, and a nonionic surfactant, an emulsifier, an antioxidant, and an antistatic agent; Here, when the mass sum of the emulsion components is calculated as 100%, the content of the aromatic ester compound is 40 to 90%, the content of the aromatic polyoxyethylene ether is 10 to 30%, the content of the amine compound is 0 to 7%, the content of the alcohol compound is 0 to 7%, the content of the acid compound is 0 to 7%, the content of the nonionic surfactant is 10 to 65%, the content of the emulsifier is 10 to 30%, the content of the antioxidant is 1 to 10%, and the content of the antistatic agent is 1 to 10%.

일부 실시양태에서, 상기 실리콘 함유 유제는 유제 성분과 물을 포함하는 수중유형 에멀젼일 수 있고, 유제 성분의 질량 백분율 함량은 1%~40%이며; 유제 성분은 디메틸실록산, 변성 실록산, 비이온성 계면활성제, 유화제, 항산화제, 정전기 방지제를 포함하고; 여기서, 유제 성분의 질량 합을 100%로 계산하면, 상기 디메틸실록산의 함량은 10%~50%, 변성 실록산의 함량은 10%~75%, 비이온성 계면활성제의 함량은 10%~65%, 유화제의 함량은 10%~30%, 항산화제의 함량은 1%~10%, 정전기 방지제의 함량은 1%~10%이다.In some embodiments, the silicone-containing emulsion may be an oil-in-water emulsion comprising an emulsion component and water, wherein the mass percentage content of the emulsion component is 1% to 40%; the emulsion component comprises dimethylsiloxane, modified siloxane, a nonionic surfactant, an emulsifier, an antioxidant, and an antistatic agent; wherein, when the mass sum of the emulsion components is calculated as 100%, the content of the dimethylsiloxane is 10% to 50%, the content of the modified siloxane is 10% to 75%, the content of the nonionic surfactant is 10% to 65%, the content of the emulsifier is 10% to 30%, the content of the antioxidant is 1% to 10%, and the content of the antistatic agent is 1% to 10%.

일부 실시양태에서, 상기 저실리콘 유제는 유제 성분과 물을 포함하는 수중유형 에멀젼이고, 유제 성분의 질량 백분율은 1%~40%이며; 유제 성분은 내열성 에스테르류 화합물, 변성 실록산, 비이온성 계면활성제, 유화제, 항산화제, 정전기 방지제를 포함하며; 여기서, 유제 성분의 질량 합을 100%로 계산하면, 상기 내열성 에스테르류 화합물의 함량은 10%~70%, 변성 실록산의 함량은 0.1~1%, 비이온성 계면활성제의 함량은 10%~65%, 유화제의 함량은 10%~30%, 항산화제의 함량은 1%~10%, 및 정전기 방지제의 함량은 1%~10%이다.In some embodiments, the low-silicon emulsion is an oil-in-water emulsion comprising an emulsion component and water, wherein the mass percentage of the emulsion component is 1% to 40%; the emulsion component comprises a heat-resistant ester compound, a modified siloxane, a nonionic surfactant, an emulsifier, an antioxidant, and an antistatic agent; wherein, when the mass sum of the emulsion components is calculated as 100%, the content of the heat-resistant ester compound is 10% to 70%, the content of the modified siloxane is 0.1% to 1%, the content of the nonionic surfactant is 10% to 65%, the content of the emulsifier is 10% to 30%, the content of the antioxidant is 1% to 10%, and the content of the antistatic agent is 1% to 10%.

본 발명에서, 상기 유제 성분은 유제 중 물을 제외한 모든 물질을 포함한다.In the present invention, the emulsion component includes all substances in the emulsion except water.

본 발명에서 유제의 농도에 대해서는 특별한 제한이 없다. 본 발명에서, 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하며, 이들의 중량 농도는 0.1%~5.0%일 수 있다. 예를 들어, 1차 오일링 공정에 사용되는 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합의 중량 농도는 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0% 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다. 본 발명에서, 2차 오일링 공정에서 실리콘 함유 유제가 사용되며, 그 중량 농도는 0.1%~5.0%일 수 있다. 예를 들어, 2차 오일링 공정에 사용되는 실리콘 함유 유제의 중량 농도는 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0% 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다. 본 발명에서, 유제의 중량 농도란 유제 중의 모든 유제 성분의 중량과 유제 중량의 비율을 의미한다.There is no particular limitation on the concentration of the emulsion in the present invention. In the present invention, the first oiling process uses a non-silicone emulsion, a low-silicone emulsion, or a combination thereof, and the weight concentration thereof may be 0.1% to 5.0%. For example, the weight concentration of the non-silicone emulsion, the low-silicone emulsion, or a combination thereof used in the first oiling process may be 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0%, or a range consisting of any two of the above values. In the present invention, a silicone-containing emulsion is used in the second oiling process, and the weight concentration thereof may be 0.1% to 5.0%. For example, the weight concentration of the silicone-containing emulsion used in the secondary oiling process may be 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0%, or a range comprised of any two of the above values. In the present invention, the weight concentration of the emulsion means the ratio of the weight of all emulsion components in the emulsion to the weight of the emulsion.

일부 실시양태에서, 상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제의 평균 입자 크기는 각각 독립적으로 50 nm~500 nm일 수 있다. 예를 들어, 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제의 평균 입자 크기는 50nm, 100nm, 150nm, 200nm, 250nm, 300nm, 350nm, 400nm, 450nm, 500nm, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위, 예를 들어 100nm~400nm 등등일 수 있다.In some embodiments, the average particle size of the non-silicone emulsion, the low-silicone emulsion, and the silicone-containing emulsion can each independently be from 50 nm to 500 nm. For example, the average particle size of the non-silicone emulsion, the low-silicone emulsion, and the silicone-containing emulsion can be from 50 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 400 nm, 450 nm, 500 nm, or a range comprised of any two of the above values, for example, from 100 nm to 400 nm, etc.

본 발명에서, 2차 오일링 공정에 사용되는 실리콘 함유 유제의 실리콘 함량은 중량으로 계산하여 0.01~0.9%일 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 함유 유제의 실리콘 함량은 중량으로 계산하여 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In the present invention, the silicone content of the silicone-containing emulsion used in the secondary oiling process may be 0.01 to 0.9% by weight. For example, the silicone content of the silicone-containing emulsion may be 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9% by weight, or a range comprised of any two of the above values.

본 발명에서, 섬유에 유제를 인가하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에 일반적으로 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 침지법, 롤러 침지법, 분무법 등을 사용할 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the method of applying the emulsion to the fiber, and various methods generally known in the art can be used. For example, dipping, roller dipping, spraying, etc. can be used.

본 발명에서, 상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 오일 함유 유제의 pH 값에는 특별한 제한이 없으며, 당업자는 상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제의 pH 값을 적절하게 결정하고 선택할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제와 실리콘 함유 유제의 pH 차이값은 1보다 크지 않을 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제와 실리콘 함유 유제의 pH 차이값은 0 이상 1 이하일 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the pH values of the non-silicone emulsion, low-silicone emulsion, and silicone-containing emulsion, and a person skilled in the art can appropriately determine and select the pH values of the non-silicone emulsion, low-silicone emulsion, and silicone-containing emulsion. In some embodiments, the pH difference between the non-silicone emulsion or low-silicone emulsion and the silicone-containing emulsion may not be greater than 1. In some embodiments, the pH difference between the non-silicone emulsion or low-silicone emulsion and the silicone-containing emulsion may be 0 or more and 1 or less.

본 발명에서, 일부 실시양태에서, 상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제는 각각 계면활성제를 포함하며, 여기서 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제의 계면활성제와 실리콘 함유 유제의 계면활성제는 극성이 서로 반대가 아니다. 본 발명에서, 유제에 사용될 수 있는 계면활성제에는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제 및 비이온성 계면활성제가 포함된다. 본 발명에서, 극성이 서로 반대란 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제 중의 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함하고, 실리콘 함유 유제 중의 계면활성제는 음이온성 계면활성제를 포함하거나, 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제 중의 계면활성제는 음이온성 계면활성제를 포함하고, 실리콘 함유 유제 중의 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함함을 의미하며; 위의 두 경우를 제외하고는 모두 극성이 서로 반대가 아닌 경우로 간주된다. 이상의 극성에 대한 요구가 충족되는 한, 당업계에 알려진 다양한 계면 활성제를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 실리콘 함유 유제는 비이온성 계면활성제를 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, in some embodiments, the non-silicone emulsion, the low-silicone emulsion, and the silicone-containing emulsion each include a surfactant, wherein the surfactant of the non-silicone emulsion or the low-silicone emulsion and the surfactant of the silicone-containing emulsion do not have opposite polarities. In the present invention, surfactants that can be used in the emulsions include cationic surfactants, anionic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants. In the present invention, opposite polarities mean that the surfactant in the non-silicone emulsion or the low-silicone emulsion includes a cationic surfactant and the surfactant in the silicone-containing emulsion includes an anionic surfactant, or the surfactant in the non-silicone emulsion or the low-silicone emulsion includes an anionic surfactant and the surfactant in the silicone-containing emulsion includes a cationic surfactant; except for the two cases above, all cases are considered as cases where the polarities are not opposite to each other. Any of a variety of surfactants known in the art can be used, as long as the above polarity requirements are met. In some embodiments, the silicone-containing emulsion preferably includes a nonionic surfactant.

본 발명에서, 오일링 시 유제의 온도에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 일반적으로 사용되는 유제의 온도를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 오일링 시 유제의 온도는 20~30℃일 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the temperature of the emulsion during oiling, and any temperature of the emulsion commonly used in the art may be used. In some embodiments, the temperature of the emulsion during oiling may be 20 to 30°C.

본 발명에서, 오일링 시 소요되는 시간에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 일반적으로 사용되는 시간을 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 1차 오일링 시간, 예를 들어 오일링 탱크에서의 체류 시간은 0.05~0.5초, 바람직하게는 0.06~0.4초, 더욱 바람직하게는 0.07~0.3초일 수 있다. 일부 실시양태에서, 2차 오일링 시간, 예를 들어 오일링 탱크에서의 체류 시간은 0.03~0.3초, 바람직하게는 0.04~0.3초, 더욱 바람직하게는 0.04~0.2초일 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the time required for oiling, and a time commonly used in the art can be used. In some embodiments, the first oiling time, for example, the residence time in the oiling tank, may be 0.05 to 0.5 seconds, preferably 0.06 to 0.4 seconds, and more preferably 0.07 to 0.3 seconds. In some embodiments, the second oiling time, for example, the residence time in the oiling tank, may be 0.03 to 0.3 seconds, preferably 0.04 to 0.3 seconds, and more preferably 0.04 to 0.2 seconds.

일부 실시양태에서, 2차 채널 오일링 체류 시간은 1차 오일링의 체류 시간보다 짧다.In some embodiments, the secondary channel oiling residence time is shorter than the primary oiling residence time.

당업계에 알려진 바와 같이, 오일링 후 건조 치밀화 처리를 수행한다. 본 발명에서, 건조 치밀화 처리에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에 공지된 건조 치밀화 처리를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 치밀화 처리에는 여러 단계의 건조 치밀화 처리가 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 치밀화 처리는 온도가 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃인 4단계 건조 및 치밀화 처리를 포함할 수 있다.As is known in the art, a dry compaction process is performed after oiling. In the present invention, there are no specific limitations on the dry compaction process, and any dry compaction process known in the art can be used. In some embodiments, the dry compaction process may include multiple stages. In some embodiments, the dry compaction process may include four stages of drying and compaction, each at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C.

일부 실시양태에서, 오일링 전 폴리아크릴로니트릴 원사가 수세를 거친 후 섬유의 팽윤도는 80~150%일 수 있다. 예를 들어, 오일링 전 폴리아크릴로니트릴 원사의 수세 후 섬유의 팽윤도는 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 130%, 140%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있으며, 예를 들어 팽윤도는 90~140%일 수 있다.In some embodiments, the swelling degree of the fiber after washing of the polyacrylonitrile yarn before oiling can be 80 to 150%. For example, the swelling degree of the fiber after washing of the polyacrylonitrile yarn before oiling can be 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 130%, 140%, or a range comprised of any two of the above values, for example, the swelling degree can be 90 to 140%.

일부 실시양태에서, 상기 제조 방법은 상기 폴리아크릴로니트릴 원사를 얻기 위하여 폴리아크릴로니트릴 원액을 습식 응고 성형, 응고 연신, 고온수 연신, 수세, 오일링, 건조 치밀화, 증기 연신 및 증기 열성형 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, the manufacturing method may include wet coagulation forming, coagulation drawing, high-temperature water drawing, water washing, oiling, dry densification, steam drawing, and steam thermoforming of the polyacrylonitrile raw material to obtain the polyacrylonitrile yarn.

폴리아크릴로니트릴 원액으로부터의 원사 제조는 당업계에 일반적으로 공지된 것이다. 본 발명에서는 상기 원사의 제조는 당업계에 공지된 습식 방사 공정을 채택하였다.The production of yarn from polyacrylonitrile raw solution is generally known in the art. In the present invention, the production of the yarn employs a wet spinning process known in the art.

폴리아크릴로니트릴 원액으로 제조된 폴리아크릴로니트릴 원사에 대하여, 제조 과정은 응고 성형, 응고 연신, 고온수 연신과 같은 연신, 수세와 같은 세척, 오일링, 건조 치밀화, 증기 연신과 같은 연신, 및 증기 열성형과 같은 열성형 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계는 당업계에 알려져 있으며, 당업자는 이러한 단계를 적절하게 선택하여 실시할 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 방법에서 오일링 단계는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 그 중 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없으며; 그 중 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용한다.For polyacrylonitrile yarns manufactured from polyacrylonitrile concentrate, the manufacturing process may include drawing steps such as coagulation forming, coagulation drawing, drawing by high-temperature water drawing, washing steps such as water rinsing, oiling, dry densification, drawing by steam drawing, and thermoforming steps such as steam thermoforming. These steps are known in the art, and those skilled in the art can appropriately select and perform these steps. As described above, in the method of the present invention, the oiling step includes two consecutive oiling processes, wherein there is no dry densification step between the two oiling processes; wherein the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion.

일부 실시양태에서, 본 발명의 방법 중의 응고 성형 단계에서, 1차 섬유는 방사구금 홀을 이탈한 후, 1차 섬유의 응고를 위해 1차 응고욕으로 진입한다. 당업자는 1차 응고욕의 조성과 온도를 쉽게 선택할 수 있다. 일부 실시양태에서, 1차 응고욕의 온도는 28℃이고 1차 응고욕은 51.5% 디메틸 설폭사이드 수용액이다. 1차 응고욕을 이탈한 후, 필라멘트는 추가적인 응고 및 연신이 수행되도록 하나 이상의 후속 응고욕을 더 거칠 수 있다. 일부 실시양태에서, 1차 응고욕을 이탈한 후, 필라멘트는 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 각각 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신이 더 수행된다. 일부 실시양태에서, 최종 응고욕을 이탈한 후, 응고된 필라멘트는 연신이 수행될 수 있다. 상기 연신은 예를 들어 수증기 또는 고온수 중에서 수행된다. 당업자는 연신 배율을 적절하게 선택할 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각 95℃, 96℃, 97℃ 및 99℃의 온도 및 각각 1.35, 1.50, 1.70 및 2.00의 연신 비율로 4차 고온수 연신을 실시할 수 있다. 연신 후, 잔류 용매를 제거하기 위해 필라멘트에 대해 수세와 같은 세척을 수행할 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃ 및 90℃의 온도로 6차 수세 공정을 사용할 수 있다. 수세 후 섬유의 팽윤도는 80%~140%일 수 있다. 본 발명의 방법에서, 세척 후, 필라멘트에 오일링을 수행하고 건조 치밀화를 수행할 수 있다. 본 발명에서, 상기한 바와 같이, 오일링은 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 그 중 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없으며; 그 중 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용한다. 오일링은 당업계에서 일반적으로 사용되는 오일링제를 사용하여 수행되고 건조 치밀화는 당업계에서 일반적으로 채택되는 건조 치밀화 작업을 채택하여 실시될 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 치밀화 처리는 온도가 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃인 4단계 건조 치밀화 처리를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 치밀화 후, 얻어진 필라멘트에 대해 증기 연신과 같이 추가 연신을 수행할 수 있다. 당업자는 연신 배율과 연신 조건을 적절하게 선택할 수 있다. 일부 실시양태에서, 증기 연신을 채택하며, 연신 배율은 3.0배이고 증기 압력은 0.35MPa이다. 일부 실시양태에서, 연신 후, 얻어진 필라멘트에 대해 열성형을 수행할 수 있다. 예를 들어, 필라멘트는 다단 고온롤러를 통해 열 성형되거나 증기로 열성형될 수 있다. 열성형 후 원사를 얻으며, 후속 사용을 위해 권취될 수 있다.In some embodiments, in the coagulation forming step of the method of the present invention, the primary fibers, after leaving the spinneret hole, enter a first coagulation bath for coagulation of the primary fibers. Those skilled in the art can easily select the composition and temperature of the first coagulation bath. In some embodiments, the temperature of the first coagulation bath is 28°C and the first coagulation bath is a 51.5% dimethyl sulfoxide aqueous solution. After leaving the first coagulation bath, the filaments may be subjected to one or more subsequent coagulation baths to perform additional coagulation and drawing. In some embodiments, after leaving the first coagulation bath, the filaments are further subjected to a third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, at temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, respectively, and at draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively. In some embodiments, after leaving the final coagulation bath, the coagulated filaments may be drawn. This drawing may be performed, for example, in steam or hot water. Those skilled in the art can appropriately select the draw ratio. In some embodiments, a fourth hot water drawing may be performed at temperatures of 95°C, 96°C, 97°C, and 99°C, respectively, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively. After drawing, the filaments may be washed, such as rinsed, to remove residual solvent. In some embodiments, a sixth washing process may be performed at temperatures of 70°C, 70°C, 80°C, 80°C, 90°C, and 90°C, respectively. The swelling degree of the fibers after washing may be 80% to 140%. In the method of the present invention, after washing, the filaments may be oiled and dried to densify. In the present invention, as described above, the oiling comprises two consecutive oiling processes, with no dry compaction step between the two oiling processes; the first oiling process uses a non-silicone oil, a low-silicone oil, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing oil. The oiling is performed using an oiling agent commonly used in the art, and the dry compaction can be performed by adopting a dry compaction operation commonly adopted in the art. In some embodiments, the dry compaction treatment can include a four-stage dry compaction treatment at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively. In some embodiments, after the dry compaction, the obtained filaments can be further drawn, such as by steam drawing. Those skilled in the art can appropriately select the drawing ratio and drawing conditions. In some embodiments, steam drawing is adopted, with a drawing ratio of 3.0 and a steam pressure of 0.35 MPa. In some embodiments, after drawing, the resulting filaments can be thermoformed. For example, the filaments can be thermoformed through a multi-stage high-temperature roller or thermoformed with steam. After thermoforming, a yarn is obtained, which can be wound for subsequent use.

당업자에게 공지된 바와 같이, 하나 이상의 단계를 생략 또는 추가하거나 이러한 단계의 순서를 조정할 수 있다.As will be known to those skilled in the art, one or more steps may be omitted or added, or the order of these steps may be adjusted.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도에는 특별한 제한이 없으며, 당업자는 모노필라멘트의 선밀도를 적절하게 선택 및 결정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7~1.0dtex일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7dtex, 0.8dtex, 0.9dtex, 1.0dtex 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the linear density of the monofilament of the polyacrylonitrile yarn, and those skilled in the art can appropriately select and determine the linear density of the monofilament. In some embodiments, the linear density of the monofilament of the polyacrylonitrile yarn may be 0.7 to 1.0 dtex. For example, the linear density of the monofilament of the polyacrylonitrile yarn may be 0.7 dtex, 0.8 dtex, 0.9 dtex, 1.0 dtex, or a range comprised of any two of the above values.

원사를 얻은 후, 원사를 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유로 제조할 수 있다. 폴리아크릴로니트릴 원사로부터 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제조하는 과정은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명은 당 업계에 공지된 과정을 이용하여 원사로부터 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제조할 수 있다.After obtaining the yarn, the yarn can be manufactured into polyacrylonitrile carbon fibers. Processes for manufacturing polyacrylonitrile carbon fibers from polyacrylonitrile yarn are well known in the art, and the present invention can manufacture polyacrylonitrile carbon fibers from the yarn using processes known in the art.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 사전 산화 처리 및 탄화 처리를 거쳐 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 얻을 수 있다.In the present invention, the polyacrylonitrile yarn can be subjected to pre-oxidation treatment and carbonization treatment to obtain the polyacrylonitrile carbon fiber.

일부 실시양태에서, 사전 산화 처리는 공기 분위기에서 수행되며, 온도는 170~300℃이고 총 연신율은 5% 이하이다.In some embodiments, the pre-oxidation treatment is performed in an air atmosphere, at a temperature of 170 to 300°C, and a total elongation of 5% or less.

일부 실시양태에서, 사전 산화 처리는 구배 승온법을 이용하여 다수의 온도 영역, 예를 들어 2~6개의 온도 영역으로 나누어 공기 분위기에서 수행될 수 있다. 사전 산화 처리의 시작 온도는 170℃~200℃일 수 있고, 사전 산화 종료 온도는 260~300℃일 수 있다. 사전 산화 처리 시 섬유에 대해 일정 정도의 연신을 인가할 수 있으며, 예를 들어 연신율은 0-5%일 수 있다. 사전 산화 처리 시간은 30~120분일 수 있다.In some embodiments, the pre-oxidation treatment can be performed in an air atmosphere using a gradient heating method, divided into multiple temperature zones, for example, 2 to 6 temperature zones. The start temperature of the pre-oxidation treatment can be 170 to 200°C, and the end temperature of the pre-oxidation treatment can be 260 to 300°C. A certain degree of elongation can be applied to the fiber during the pre-oxidation treatment, for example, the elongation can be 0 to 5%. The pre-oxidation treatment time can be 30 to 120 minutes.

일부 실시양태에서, 상기 탄화 처리는 300~750℃의 온도로 불활성 분위기에서 총 연신이 0~4%인 연신비로 저온 탄화 처리를 수행하는 단계 및 800~1500℃의 온도로 불활성 분위기에서 총 연신이 -4~-2%인 연신비로 고온 탄화 처리를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 불활성 분위기는 예를 들어 질소, 헬륨, 아르곤 또는 제논을 사용함으로써 구현될 수 있다.In some embodiments, the carbonization treatment comprises a step of performing a low-temperature carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 750°C with a draw ratio of 0 to 4% of the total elongation, and a step of performing a high-temperature carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 800 to 1500°C with a draw ratio of -4 to -2% of the total elongation. The inert atmosphere can be implemented by using, for example, nitrogen, helium, argon, or xenon.

탄화 처리 후, 선택적으로, 흑연화 처리를 수행할 수 있다. 본 발명에서, 흑연화 처리에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에 알려진 흑연화 처리를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 2800℃에서 흑연화 처리를 수행할 수 있다.After carbonization, graphitization may optionally be performed. In the present invention, there are no particular limitations on the graphitization process, and any graphitization process known in the art may be used. In some embodiments, graphitization may be performed at 2800°C.

일부 실시양태에서, 상기 제조 방법은 표면 처리 단계, 수세 단계 및 사이징(sizing) 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, the manufacturing method may include a surface treatment step, a washing step, and a sizing step.

당업자가 알고 있는 바와 같이, 본 발명의 탄소섬유는 사이징 처리 전에 표면 처리가 수행될 수 있다. 예를 들어, 복합 재료에서 탄소섬유 및 매트릭스 수지의 친화도와 접착력을 향상시키기 위해 산화 처리를 수행할 수 있다.As will be appreciated by those skilled in the art, the carbon fibers of the present invention may be surface treated prior to sizing. For example, oxidation treatment may be performed to improve the affinity and adhesion between the carbon fibers and matrix resin in a composite material.

사이징 처리는 당업계에 알려진 다양한 사이징 처리 방법을 사용하여 실시할 수 있다. 본 발명은 탄소섬유에 원하는 것을 사이징제를 부여할 수 있는 한, 사이징 처리 방법, 사이징제 및 사이징 조건을 특별히 한정하지 않는다. 사이징 처리 후, 사이징 처리 과정에서 사용된 용매 또는 분산매질을 건조시켜 제거하기 위한 건조 처리를 수행할 수 있으며, 예를 들어, 120℃에서 건조할 수 있다. 마지막으로, 필라멘트를 마무리하여 탄소섬유를 얻을 수 있다.Sizing can be performed using various sizing methods known in the art. The present invention does not specifically limit the sizing method, sizing agent, or sizing conditions, as long as the desired sizing agent can be imparted to the carbon fiber. After sizing, a drying process may be performed to remove the solvent or dispersion medium used in the sizing process. For example, drying may be performed at 120°C. Finally, the filaments may be finished to obtain carbon fibers.

또 다른 측면에서, 본 발명은 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율이 1.0%~20% 범위이고 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율이 0.15% 이하인 폴리아크릴로니트릴 원사를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a polyacrylonitrile yarn in which the Si/C ratio in a region from the top of a protrusion on the fiber surface to 2 μm inward is in a range of 1.0% to 20% and the Si/C ratio in a region greater than 2 μm is 0.15% or less.

일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 2.0%~20%의 범위, 3.0%~20%의 범위, 4.0%~20%의 범위 또는 5.0%~19%의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.01%~0.15%의 범위, 0.02%~0.15%의 범위, 0.03%~0.15%의 범위, 0.04%~0.15%의 범위, 또는 0.05%~0.15%의 범위일 수 있다.In some embodiments, the Si/C ratio of a region 2 μm inward from the top of the fiber surface protrusion of the polyacrylonitrile yarn may be in the range of 2.0% to 20%, in the range of 3.0% to 20%, in the range of 4.0% to 20%, or in the range of 5.0% to 19%. In some embodiments, the Si/C ratio of a region 2 μm or more inward from the top of the fiber surface protrusion of the polyacrylonitrile yarn may be in the range of 0.01% to 0.15%, in the range of 0.02% to 0.15%, in the range of 0.03% to 0.15%, in the range of 0.04% to 0.15%, or in the range of 0.05% to 0.15%.

일부 실시양태에서, 상기 원사의 오일 함량은 0.5%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.4%, 더욱 바람직하게는 0.9%~2.0%일 수 있다. 예를 들어, 상기 원사의 오일 함량은 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1.0%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5%, 1.6%, 1.7%, 1.8%, 1.9%, 2.0%, 2.1%, 2.2%, 2.3%, 2.4%, 2.5%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In some embodiments, the oil content of the yarn may be from 0.5% to 2.5%, preferably from 0.8% to 2.5%, preferably from 0.8% to 2.4%, and more preferably from 0.9% to 2.0%. For example, the oil content of the yarn may be from 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1.0%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5%, 1.6%, 1.7%, 1.8%, 1.9%, 2.0%, 2.1%, 2.2%, 2.3%, 2.4%, 2.5%, or a range comprised of any two of the foregoing values.

일부 실시양태에서, 상기 원사의 실리콘 함량은 0.01%~0.5%, 바람직하게는 0.05%~0.5%일 수 있다. 예를 들어, 상기 원사의 실리콘 함량은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.1%, 0.15%, 0.25%, 0.35%, 0.45%, 0.5%, 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In some embodiments, the silicone content of the yarn may be from 0.01% to 0.5%, preferably from 0.05% to 0.5%. For example, the silicone content of the yarn may be 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.1%, 0.15%, 0.25%, 0.35%, 0.45%, 0.5%, or a range comprised of any two of the above values.

일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7~1.0dtex이다. 예를 들어, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7dtex, 0.8dtex, 0.9dtex, 1.0dtex 또는 임의의 상기 두 값으로 구성된 범위일 수 있다.In some embodiments, the monofilament linear density of the polyacrylonitrile yarn is 0.7 to 1.0 dtex. For example, the monofilament linear density of the polyacrylonitrile yarn may be 0.7 dtex, 0.8 dtex, 0.9 dtex, 1.0 dtex, or a range comprised of any two of the above values.

본 발명에서, 본 발명의 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식 방사로 제조된다.In the present invention, the polyacrylonitrile yarn of the present invention is manufactured by wet spinning.

한편, 본 발명은 습식 방사를 포함하고 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하며, 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없고, 여기서 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용한다. 본 발명에서, 2회의 오일링 공정 중간에 건조 치밀화 단계가 없다는 것은 1차 오일링 공정이 완료된 후, 1차에 오일링 처리된 섬유에 대해 건조 치밀화 처리를 수행하지 않고, 2차 오일링 공정을 계속 진행하는 것을 의미한다.Meanwhile, the present invention comprises wet spinning and two consecutive oiling processes, without a dry compaction step between the two oiling processes, wherein the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion. In the present invention, the absence of a dry compaction step between the two oiling processes means that after the first oiling process is completed, the second oiling process is continued without performing a dry compaction process on the fibers oiled in the first process.

본 발명의 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조방법의 각 측면 및 특징은 앞에서 설명한 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 제조방법에 관한 부분 중 원사의 제조방법에 관한 각 측면 및 특징과 동일하므로 여기서는 반복 설명하지 않는다.Each aspect and feature of the method for manufacturing polyacrylonitrile yarn of the present invention is the same as each aspect and feature of the method for manufacturing yarn in the section on the method for manufacturing polyacrylonitrile carbon fiber described above, and therefore will not be described again here.

본 발명에서, 폴리아크릴로니트릴 원사는 폴리아크릴로니트릴 원액으로부터 제조된다. 본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원액은 폴리아크릴로니트릴 중합체 및 용매를 포함한다. 폴리아크릴로니트릴 원액의 폴리아크릴로니트릴 중합체의 농도에는 특별한 제한이 없으며, 당업계에 일반적으로 알려진 폴리아크릴로니트릴 방사 원액에 사용되는 임의의 적합한 농도를 사용할 수 있다. 본 발명에서, 예를 들어, 상기 상기 폴리아크릴로니트릴 방사 원액 중의 폴리아크릴로니트릴 중합체의 농도는 예를 들어 15~30 중량%일 수 있다. 본 발명에서, 폴리아크릴로니트릴 원액에 사용되는 다양한 용매를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 디메틸 설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAC) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나일 수 있다.In the present invention, polyacrylonitrile yarn is manufactured from a polyacrylonitrile stock solution. In the present invention, the polyacrylonitrile stock solution includes a polyacrylonitrile polymer and a solvent. There is no particular limitation on the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the polyacrylonitrile stock solution, and any suitable concentration used in polyacrylonitrile spinning stock solutions generally known in the art can be used. In the present invention, for example, the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the polyacrylonitrile spinning stock solution can be, for example, 15 to 30 wt%. In the present invention, various solvents used in the polyacrylonitrile stock solution can be used. For example, the solvent can be at least one of dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), and mixtures thereof.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원액은 폴리아크릴로니트릴 중합체를 용매에 용해시켜 얻거나, 용매에 단량체를 중합하여 얻을 수 있다.In the present invention, the polyacrylonitrile raw solution can be obtained by dissolving a polyacrylonitrile polymer in a solvent or by polymerizing a monomer in a solvent.

본 발명의 폴리아크릴로니트릴 원사 또는 본 발명의 원사 제조방법에 의해 제조된 폴리아크릴로니트릴 원사는 모두 본 발명의 저회분 고성능 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제조하는 데 사용될 수 있다.Any polyacrylonitrile yarn of the present invention or any polyacrylonitrile yarn produced by the yarn production method of the present invention can be used to produce the low-ash, high-performance polyacrylonitrile carbon fiber of the present invention.

본 발명에서, 본원에 기재된 오일링 및 치밀화에 관한 한정 외에, 상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조에 관한 기타 측면에 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 일반적으로 사용되거나 알려진 폴리아크릴로니트릴 방사 원액을 사용하여 당업계에서 일반적으로 사용되거나 알려진 방사 공정을 통해 제조할 수 있으며, 상기 폴리아크릴로니트릴 방사 원액 및 방사 공정에 대해서도 특별한 요구는 없다. 본 발명에서, 본원에 기재된 오일링 및 치밀화에 대한 한정 외에, 일반적으로 알려진 원사 제조 방법 및 공정 파라미터를 사용하여 폴리아크릴로니트릴 방사 원액으로부터 원사를 제조할 수 있다. 본 발명은 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 제조하는 종래 기술에 비해, 섬유의 역학 성능을 향상시키고 회분을 감소시키는 목적을 달성할 수 있다.In the present invention, except for the limitations on oiling and densification described herein, there are no special limitations on other aspects of the production of the polyacrylonitrile yarn, and the polyacrylonitrile yarn can be produced through a spinning process commonly used or known in the art using a polyacrylonitrile spinning solution commonly used or known in the art, and there are no special requirements for the polyacrylonitrile spinning solution and spinning process. In the present invention, except for the limitations on oiling and densification described herein, the yarn can be produced from the polyacrylonitrile spinning solution using a generally known yarn production method and process parameters. Compared to the conventional technology for producing polyacrylonitrile carbon fibers, the present invention can achieve the purpose of improving the mechanical performance of the fiber and reducing ash content.

본 발명에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 원액 중의 폴리아크릴로니트릴 중합체는 폴리아크릴로니트릴 호모폴리머, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 탄소섬유 제조에 사용되는 다양한 폴리아크릴로니트릴 호모폴리머, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 공중합체를 사용하는 경우, 공중합 단량체는 비닐 함유 단량체일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 공중합 단량체는 아크릴레이트류, 비닐 에스테르류, 아크릴아마이드류, 설포네이트류 및 암모늄염류 단량체 중 하나 이상인 것이 바람직하다. 일부 실시양태에서, 상기 폴리아크릴로니트릴 중합체는 90-100 질량%의 아크릴로니트릴 유래 단량체 단위(Monomer Unit) 및 0-10 질량%의 아크릴로니트릴과 공중합 가능한 단량체 유래의 구조 단위를 포함할 수 있다. 아크릴로니트릴과 공중합 가능한 단량체로서, 예를 들어 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산 및 이들의 알칼리 금속염, 암모늄염 및 저급 알킬 에스테르류; 아크릴아미드 및 그 유도체; 알릴 설폰산, 메틸알릴 설폰산 및 이들의 염류 또는 알킬 에스테르류; 등을 포함하여 당업계에 일반적으로 알려진 다양한 공중합 단량체를 사용할 수 있다.In the present invention, the polyacrylonitrile polymer in the polyacrylonitrile stock solution may include a polyacrylonitrile homopolymer, a polyacrylonitrile copolymer, or a mixture thereof. In the present invention, various polyacrylonitrile homopolymers, polyacrylonitrile copolymers, or mixtures thereof used in the production of carbon fibers may be used. For example, when a polyacrylonitrile copolymer is used, the copolymerization monomer may be a vinyl-containing monomer. In some embodiments, the copolymerization monomer is preferably one or more of acrylates, vinyl esters, acrylamides, sulfonates, and ammonium salt monomers. In some embodiments, the polyacrylonitrile polymer may include 90-100 mass% of acrylonitrile-derived monomer units and 0-10 mass% of structural units derived from a monomer copolymerizable with acrylonitrile. As monomers copolymerizable with acrylonitrile, various copolymerizable monomers generally known in the art can be used, including, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters; acrylamide and its derivatives; allyl sulfonic acid, methylallyl sulfonic acid and their salts or alkyl esters; etc.

본 발명자는 섬유 표면의 실리콘 침투 구배와 실리콘 함량을 제어함으로써 탄소섬유의 회분을 감소시키고 탄소섬유의 역학적 성능을 향상시킬 수 있음을 예상치 못하게 발견하였다. 본 발명에서, 상기 탄소섬유의 섬유 표면 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율을 1%~10% 범위로 제어하고, 홈 바닥부에서 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율을 0.1%~1% 범위로 제어하며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율을 0.06% 이하로 제어함으로써, 종래 기술에 존재하는 문제점을 해결할 수 있다.The present inventors unexpectedly found that by controlling the silicon penetration gradient and silicon content on the fiber surface, the ash content of carbon fibers can be reduced and the mechanical performance of carbon fibers can be improved. In the present invention, the Si/C ratio of a region X between the top of a fiber surface protrusion and the bottom of a groove of the carbon fiber is controlled to be in the range of 1% to 10%, the Si/C ratio of a region Y between the bottom of the groove and within 100 nm inward is controlled to be in the range of 0.1% to 1%, and the Si/C ratio of a region Z greater than 100 nm is controlled to be 0.06% or less, thereby solving the problems existing in the prior art.

다른 한편으로, 본 발명의 방법은 2회의 오일링 공정 중간에 건조 치밀화 단계가 없는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하며, 그 중 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용하여 섬유 표면의 실리콘 침투 구배 및 실리콘 함량을 제어할 수 있어, 저실리콘 함량 및 양호한 실리콘 침투 구배를 갖는 탄소섬유용 원사 및 탄소섬유를 제조할 수 있다. 본 발명은 긴 운전주기를 구현할 수 있으며, 회분이 매우 적고, 강도, 탄성률 등의 성능이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있다.On the other hand, the method of the present invention comprises two consecutive oiling processes without a dry densification step in between the two oiling processes, wherein the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion, thereby controlling the silicone penetration gradient and silicone content on the fiber surface, thereby producing a carbon fiber yarn and carbon fiber having a low silicone content and a good silicone penetration gradient. The present invention can realize a long operating cycle, and can produce a carbon fiber having very low ash content and excellent performances such as strength and elastic modulus.

본 발명에서, 팽윤도는 이하 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, the swelling degree was measured using the following method:

약 10g의 젖은 상태의 수세 후 섬유를 취하여, 흐르는 탈이온수 내에서 30분간 세척하고, 섬유를 50ml 원심분리관에 고르게 넣은 후, 원심분리관을 원심분리 탈수기(3000r/min, 15min)에 넣어 섬유 표면에 부착된 물과 섬유 사이에 끼인 물이 제거되도록 탈수 처리하였다. 원심분리 종료 후 탈수된 섬유를 얻고, 질량을 측정하여, W로 표기하고, 이후 탈수된 섬유를 110℃의 열풍 건조 오븐에서 2시간 동안 건조시킨 후, 데시케이터(desiccator)에 넣어 실온으로 냉각시킨 다음, 질량을 측정하여 W0으로 표기하였다. 팽윤도(wt%)=(W-W0)/W0×100%.About 10 g of wet washed fibers were taken, washed in running deionized water for 30 minutes, and evenly placed in a 50 ml centrifuge tube. The centrifuge tube was then placed in a centrifuge dehydrator (3000 r/min, 15 min) to dehydrate the fibers so that the water attached to the fiber surface and the water trapped between the fibers were removed. After centrifugation, the dehydrated fibers were obtained, the mass was measured, and this was designated as W. Afterwards, the dehydrated fibers were dried in a hot air drying oven at 110°C for 2 hours, placed in a desiccator, cooled to room temperature, and the mass was designated as W0. Swelling (wt%) = (W-W0)/W0×100%.

본 발명에서, 원사 및 탄소섬유의 실리콘 함량은 이하 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, the silicon content of the yarn and carbon fiber was measured using the following method:

5g의 샘플을 석영 도가니에 넣고, 석영 도가니를 머플로에 넣어, 400℃로 승온시켜 2시간 동안 가열한 후, 960℃로 승온시켜 3시간 동안 가열하고; 도가니 안의 회분을 테프론 시험관으로 옮겨, 농도가 각각 37%, 68% 및 50%인 염산, 질산 및 불화 수소산을 각각 3ml, 1ml, 및 1ml의 부피로 첨가하고, 120℃에서 5시간 가열 처리한 후, ICP-OES 유도결합 플라즈마 방출 분광법으로 정량 측정하여 샘플 중의 Si 함량을 확인하였다.A 5g sample was placed in a quartz crucible, the quartz crucible was placed in a muffle furnace, heated to 400℃ for 2 hours, then heated to 960℃ for 3 hours; the ash in the crucible was transferred to a Teflon test tube, and hydrochloric acid, nitric acid, and hydrofluoric acid with concentrations of 37%, 68%, and 50%, respectively, were added in volumes of 3ml, 1ml, and 1ml, respectively, and heated at 120℃ for 5 hours, and then the Si content in the sample was confirmed by quantitative measurement using ICP-OES inductively coupled plasma emission spectroscopy.

본 발명에서, 유제 중의 실리콘 함량은 이하 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, the silicon content in the emulsion was measured using the following method:

0.5g의 유제를 석영 도가니에 넣고, 석영 도가니를 머플로에 넣어, 90℃로 승온시켜 2시간 동안 가열한 후, 150℃로 0.5시간 동안 가열하고, 300℃로 계속 가열하여 0.5시간 동안 지속시키고, 최종적으로 400℃로 가열하여 2시간 동안 지속시킨 후; 도가니 안의 회분을 테프론 시험관에 옮겨, 농도가 각각 37%, 68%, 50%인 염산, 질산, 불화 수소산을 넣고 각각 3ml, 1ml 및 1ml의 부피로 첨가하고, 120℃에서 5시간 가열 처리한 후, 물로 100배 희석하여, ICP-OES 유도결합 플라즈마 방출 분광법으로 정량 측정하여 샘플 중의 Si 함량을 확인하였다.0.5 g of the emulsion was placed in a quartz crucible, and the quartz crucible was placed in a muffle furnace, heated to 90°C for 2 hours, then heated to 150°C for 0.5 hours, continuously heated to 300°C for 0.5 hours, and finally heated to 400°C for 2 hours; the ash in the crucible was transferred to a Teflon test tube, and hydrochloric acid, nitric acid, and hydrofluoric acid with concentrations of 37%, 68%, and 50%, respectively, were added in volumes of 3 ml, 1 ml, and 1 ml, respectively, and heated at 120°C for 5 hours, diluted 100 times with water, and the Si content in the sample was confirmed by quantitative measurement using ICP-OES inductively coupled plasma emission spectroscopy.

본 발명에서, 선밀도(linear density)는 이하 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, linear density was measured using the following method:

수동식 섬유 선형 밀도계를 이용하여 K수가 N인 원사를 둘레 길이가 1m인 핸드롤러에 똑바로 10바퀴를 권취하고, 섬유의 중량(단위는 g)을 계량하여 W로 표기하였으며, 선형 밀도(dtex)=W/N으로, 10회 측정하여 평균값을 취하였다.Using a manual fiber linear density meter, yarn with K number N was wound 10 times straight around a hand roller with a circumference of 1 m, and the weight of the fiber (unit: g) was measured and expressed as W. Linear density (dtex) = W/N, and the average value was taken after measuring 10 times.

본 발명에서, 탄소섬유 원사의 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율을 포함하는 역학 성능은 GB/T 14337~2008에 따라 측정하고; 탄소섬유의 인장강도, 인장 탄성률 및 파단 연신율을 포함하는 역학 성능은 GB/T 3362~2017에 따라 측정하였다.In the present invention, the mechanical properties including tensile strength, initial elastic modulus, and elongation at break of carbon fiber yarn were measured according to GB/T 14337~2008; and the mechanical properties including tensile strength, tensile modulus, and elongation at break of carbon fiber were measured according to GB/T 3362~2017.

본 발명에서, 유제(에멀젼)의 입자 크기는 레이저 입도법으로 측정하였다. 본 발명에서는 레이저 입도 분석기-영국 말번 Mastersizer 2000-를 사용하여 측정하였다.In the present invention, the particle size of the emulsion was measured using a laser particle size analyzer - Mastersizer 2000, Malvern, UK.

본 발명에서, Si/C 비율 및 섬유 내 기공의 수 및 크기는 이하 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, the Si/C ratio and the number and size of pores in the fiber were measured using the following methods:

섬유를 저온 FIB(갈륨 이온 집속 이온 빔)를 통해 100nm 두께의 시트로 절단하고 TEM(투과 전자 현미경)으로 섬유 표면의 돌기 상단부에서 내부로 100nm까지의 영역 X 및 Y에서 무색 투명한 기공을 관찰하였으며, 긴 변이 길이이고, 짧은 변이 폭이다. TEM-EDS 모듈과의 결합을 통해 둘레 방향을 따라 섬유 중심으로부터 외부 표면까지 50개의 주사선을 취하였으며, 그 중 섬유 중심으로부터 섬유 표면의 인접한 돌기 상단부 및 홈 바닥부까지 각각 25개의 주사선을 취하고, 20nm마다 하나의 점을 취하여 스캔함으로써 섬유 중심에서 표면까지의 깊이 차가 다른 Si/C 원자 수의 비율을 얻었다. 섬유 중심으로부터 섬유 표면의 돌기 상단부까지의 주사선(도 1에서 a 주사선으로 표시)의 X 영역의 데이터를 이용하여 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 원자 수 비율의 평균값을 계산하고, 섬유 중심으로부터 섬유 표면의 홈 바닥부(도 1에서 b 주사선으로 표시)까지의 Y 및 Z영역의 데이터를 이용하여 홈 바닥부에서 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y와 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 원자수 비율의 평균값을 각각 계산하였다. 총 10가닥의 탄소섬유를 측정하였으며, 본 발명에서의 Si/C 비율, 기공 수, 기공 평균 길이 및 평균 폭은 10가닥의 탄소섬유로부터 얻은 평균값이다.The fibers were cut into sheets 100 nm thick by a low-temperature FIB (Focused Gallium Ion Beam) and colorless transparent pores were observed in the region X and Y from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside up to 100 nm by transmission electron microscopy (TEM), where the long side is the length and the short side is the width. Through coupling with the TEM-EDS module, 50 scan lines were taken from the fiber center to the outer surface in the circumferential direction, and among them, 25 scan lines were taken from the fiber center to the top of the adjacent protrusions and the bottom of the grooves on the fiber surface, and one point was taken every 20 nm to scan, thereby obtaining the ratio of Si/C atoms with different depth differences from the fiber center to the surface. Using the data of the X region of the scan line from the fiber center to the top of the protrusion on the fiber surface (indicated by the a scan line in Fig. 1), the average value of the Si/C atomic ratio in the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove was calculated, and using the data of the Y and Z regions from the fiber center to the bottom of the groove on the fiber surface (indicated by the b scan line in Fig. 1), the average values of the Si/C atomic ratio in the region Y between the bottom of the groove and within 100 nm inward and the region Z greater than 100 nm were calculated, respectively. A total of 10 carbon fibers were measured, and the Si/C ratio, number of pores, average length and average width of pores in the present invention are average values obtained from 10 carbon fibers.

본 발명에서, 원사의 오일 함량은 이하 방법을 통해 측정하였다:In the present invention, the oil content of the yarn was measured by the following method:

3g의 원사 샘플을 취하여, 105℃의 공기 분위기 하에 2시간 동안 건조시킨 후, 그 질량을 측정하여 W1로 표기하고; 샘플을 속슬레 추출기(Soxhlet extractor)에 넣고 시클로헥산을 첨가하여, 100℃로 승온시키고 4시간 동안 추출하였다. 샘플을 꺼내 105°C의 공기 분위기 하에 2시간 동안 건조시킨 후, 질량을 측정하고, W2로 표기하였다. 오일 함량(wt%)=(W1-W2)/W1×100%.A 3g sample of yarn was taken, dried in an air atmosphere at 105°C for 2 hours, and its mass was measured and denoted as W1; the sample was placed in a Soxhlet extractor, cyclohexane was added, the temperature was raised to 100°C, and extraction was performed for 4 hours. The sample was taken out, dried in an air atmosphere at 105°C for 2 hours, and its mass was measured and denoted as W2. Oil content (wt%) = (W1-W2)/W1 × 100%.

본 발명에서, 탄소섬유 중 섬유의 축방향을 따르는 기공의 배향 편차각은 이하 문헌[1]에 따라 다음과 같은 방식을 통해 측정하였다:In the present invention, the orientation deviation angle of pores along the axial direction of the carbon fiber was measured in the following manner according to the following literature [1]:

탄소섬유 다발을 취하여, 탄소섬유 다발을 치수가 4cm×3cm×0.2cm이고, 중심의 개구 치수가 3cm×2cm인 금속틀에 테이프로 고정시키고, 동일한 폭으로 고르게 펼친 다음, 상하이 광원(SSRF, BL16B) 빔 스테이션의 소각 X선 산란(SAXS) 장치를 통해 샘플을 측정하였으며, 샘플로부터 검출기까지의 거리는 표준 샘플 소 힘줄을 사용하여 1980mm로 보정하고; 0.12398nm 파장의 입사 X선을 사용하였다. SAXS 데이터는 Mar CCD 165 이미징 보드를 사용하여 수집되었다. 얻어진 데이터는 xPolar(Precision works NY, Inc., USA)소프트웨어를 이용하여 처리하였으며, 섬유의 축방향을 따른 미세 기공의 평균 길이(L f )와 배향 편차각(B φ)은 Cauchy-Cauchy공식에 따라 계산하였다.The carbon fiber bundles were taken and taped onto a metal frame with dimensions of 4 cm × 3 cm × 0.2 cm and a central opening dimension of 3 cm × 2 cm, and evenly spread out to the same width, and then the samples were measured by the small-angle X-ray scattering (SAXS) apparatus of the Shanghai Light Source (SSRF, BL16B) beam station. The distance from the sample to the detector was calibrated to 1980 mm using a standard sample cow tendon; the incident X-rays had a wavelength of 0.12398 nm. The SAXS data were collected using a Mar CCD 165 imaging board. The obtained data were processed using xPolar (Precision works NY, Inc., USA) software, and the average length ( L f ) and orientation deviation angle ( B φ ) of the micropores along the fiber axis were calculated according to the Cauchy-Cauchy formula.

식 중 s(s=2sinq/l)는 방위각 스캔 곡선에 대응되는 산란 벡터이고, B obs 는 방위각 스캔 곡선의 반치폭 각도 너비이다. 방위각 스캔 곡선은 SAXS 그래프를 처리하여 얻었으며, 여기서 공기 산란이 합리적으로 차감된 SAXS 그래프에서 자오선 방향과 평행한 접선을 따라 스캔한 다음, 적분하여 방위각 스캔 곡선을 얻었다. Gaussian 분포를 사용하여 데이터를 피팅한 다음, 각 방위각에 대응하는 산란 벡터 s에 대해 선형 피팅을 수행하고, 선형 피팅 후의 절편 및 기울기 데이터에 따라 L f B φ의 값을 각각 계산하였다.In the equation, s ( s = 2sin q / l ) is the scattering vector corresponding to the azimuth scan curve, and B obs is the half-width angular width of the azimuth scan curve. The azimuth scan curve was obtained by processing the SAXS graph, where the air scattering was reasonably subtracted, and then scanning along the tangent parallel to the meridian direction, and then integrating to obtain the azimuth scan curve. The data was then fitted using a Gaussian distribution, Linear fitting was performed for the scattering vector s corresponding to each azimuth, and the values of L f and B φ were calculated based on the intercept and slope data after linear fitting.

문헌[1] Andreas F. Thnemann et al. Microvoids in Polyacrylonitrile Fibers: A Small-Angle X-ray Scattering Study [J]. Macromolecules, 2000, 33(5):1848-1852.Literature[1] Andreas F. Th Nemann et al. Microvoids in Polyacrylonitrile Fibers: A Small-Angle X-ray Scattering Study [J]. Macromolecules, 2000, 33(5):1848-1852.

탄소섬유 생산 과정에서 탄소섬유의 강도가 감소하거나 장비에 문제가 발생할 경우 운행을 중지하고 장비를 청소하고 유지보수하여야 한다. 본 발명의 방법은 운행을 중지하고 장비를 청소 및 유지보수할 필요 없이 더욱 장시간 연속 생산할 수 있다.During the carbon fiber production process, if the strength of the carbon fiber decreases or equipment malfunctions occur, operation must be stopped, and the equipment must be cleaned and maintained. The method of the present invention enables continuous production for longer periods of time without the need for stopping operation, cleaning, or maintenance.

본 발명에서, 본 발명의 원사는 실리콘 침투 구배가 양호하여 탄화 과정에서 회분이 현저히 감소하며, 얻어진 탄소섬유 중의 실리콘 함량이 낮아 실리콘 침투 깊이가 효과적으로 억제된다. 반년 이상의 장시간 연속 생산 후에도 제조된 탄소섬유의 인장 강도는 여전히 5.6 GPa 이상이고, 인장 탄성률은 360 GPa 이상이며, 파단 연신율은 1.5% 이상일 수 있다.In the present invention, the yarn of the present invention exhibits a favorable silicon penetration gradient, significantly reducing ash content during the carbonization process. Furthermore, the silicon content of the resulting carbon fiber is low, effectively suppressing the depth of silicon penetration. Even after continuous production for over six months, the resulting carbon fiber still exhibits a tensile strength of at least 5.6 GPa, a tensile modulus of at least 360 GPa, and a break elongation of at least 1.5%.

이하 실시예를 통해 본 발명을 추가적으로 설명한다.The present invention is further explained through the following examples.

실시예 및 비교예에 사용된 원료 및 시약은 직접 구입하여 얻을 수 있거나 또는 종래 기술에 의해 개시된 제조 방법에 따라 제조할 수 있다. 필요한 경우, 사용 전에 당업계에 알려진 방법으로 원료 또는 시약을 처리하여 반응 요건을 충족시킨다. 예를 들어, 아크릴로니트릴은 사용 전에 증류하여 중합 방지제를 제거한다.The raw materials and reagents used in the examples and comparative examples can be purchased directly or manufactured according to manufacturing methods disclosed in the prior art. If necessary, the raw materials or reagents are treated prior to use using methods known in the art to meet the reaction requirements. For example, acrylonitrile is distilled prior to use to remove the polymerization inhibitor.

원사, 탄소섬유 및 유제의 실리콘 함량 시험에서, 배리언(Varian)사의 Varian 725-ES로 ICP-OES 유도 결합 플라즈마 방출 분광법 시험을 수행하였으며, 샘플은 랩테크(LabTech)사의 Digiblock ST36 전기 열분해기를 사용하여 용해하였다.For the silicon content testing of yarns, carbon fibers and emulsions, ICP-OES inductively coupled plasma emission spectroscopy tests were performed on a Varian 725-ES from Varian, and the samples were melted using a Digiblock ST36 electropyrolyzer from LabTech.

Si/C 비율 시험 과정에서, ZEISS Crossbeam Laser를 사용하여 동안 저온 FIB(갈륨 이온 집속 이온 빔) 절단을 수행하였고, FEI Titan Cubed Themis G2 300 및 Aztec X-Max 100 TLE Oxford Instruments를 사용하여 TEM 및 EDS 시험을 수행하였다.During the Si/C ratio testing, low-temperature FIB (Focused Ion Beam Gallium Ion) cutting was performed using a ZEISS Crossbeam Laser, and TEM and EDS examinations were performed using an FEI Titan Cubed Themis G2 300 and an Aztec X-Max 100 TLE Oxford Instruments.

실시예 및 비교예에서 사용된 비실리콘 유제는 텐진 공대 섬유 보조제 유한회사의 TFA-1208이고; 사용된 실리콘 함유 유제는 마쓰모토 유지(松本 Yushi)의 JH88이다. 실시예 7, 8과 12 및 비교예 10과 11에서 입자 크기가 다른 비실리콘 유제는 텐진 공대 방직 조제 유한회사에서 합성한 TFA-1208 시리즈이고, 입자 크기가 다른 실리콘 함유 유제는 중국석유화학(상하이)석유화공연구원의 JSYJ 시리즈이다. 비교예 4의 음이온성 비실리콘 유제는 TFA-1208이고, 양이온성 실리콘 함유 유제는 지린 첸런(吉林乾仁) 신소재유한회사의 JLQR 유제이다. 실시예 16에서 유제의 pH는 적당량의 묽은 암모니아수를 첨가하여 조절하였다. 비교예 3에서 비실리콘 유제의 pH는 적당량의 묽은 암모니아수를 첨가하여 조절하였으며, 산성 실리콘 함유 유제는 워커화학(Wacker Chemicals)(중국)유한회사의 ADVALON®CF3295이다.The non-silicone emulsion used in the examples and comparative examples was TFA-1208 from Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd.; and the silicone-containing emulsion used was JH88 from Matsumoto Yushi. In Examples 7, 8 and 12 and Comparative Examples 10 and 11, the non-silicone emulsions having different particle sizes were the TFA-1208 series synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., and the silicone-containing emulsions having different particle sizes were the JSYJ series from China Petrochemical (Shanghai) Petroleum and Chemical Research Institute. The anionic non-silicone emulsion of Comparative Example 4 was TFA-1208, and the cationic silicone-containing emulsion was the JLQR emulsion from Jilin Qianren New Materials Co., Ltd. In Example 16, the pH of the emulsion was adjusted by adding an appropriate amount of diluted ammonia water. In Comparative Example 3, the pH of the non-silicone emulsion was adjusted by adding an appropriate amount of dilute ammonia water, and the acidic silicone-containing emulsion was ADVALON®CF3295 from Wacker Chemicals (China) Co., Ltd.

실시예 및 비교예에서, 방사 원액의 제조에서, 아크릴로니트릴과 이타콘산의 몰비는 99:1이고, 단량체 농도는 20중량%이며, 60℃에서 질소 분위기 하에 20시간 중합 후, 전환율은 91.5%이며; 이후 탈단량체화(demonomerization) 및 탈포(defoaming)하여 방사원액을 얻었다.In the examples and comparative examples, in the production of the spinning stock solution, the molar ratio of acrylonitrile and itaconic acid was 99:1, the monomer concentration was 20 wt%, and after polymerization for 20 hours under a nitrogen atmosphere at 60°C, the conversion was 91.5%; thereafter, demonomerization and defoaming were performed to obtain the spinning stock solution.

실시예 및 비교예에서, 방사 원액을 계량 펌프로 정확하게 계량한 후, 방사판을 통해 압출하기 전에 10μm 캔들 필터를 사용하여 여과하였다.In the examples and comparative examples, the spinning solution was accurately metered with a metering pump and then filtered using a 10 μm candle filter before extruding through a spinning plate.

[실시예 1][Example 1]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분(solid content) 18%). 방사 원액을 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured using a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution to coagulate at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then third coagulation drawing was performed at concentrations of 30%, 20%, and 10%, at temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and at draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과하였다. 이후 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s. Thereafter, they passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, a particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.2%이며, 실리콘 함량은 0.15%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 10%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.11%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 125 cN/dtex 및 12.0%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.2%, and the silicon content is 0.15%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 10%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.11%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 125 cN/dtex, and 12.0%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 공기 중에서 180~260℃로 사전 산화시켜(사전 산화 총 연신비는 0.95배) 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized in air at 180 to 260°C (the total pre-oxidation draw ratio was 0.95 times) to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300 to 750°C and 800 to 1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 800ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 5.8%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.5%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층(섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 100nm까지의 영역 X 및 Y)에 존재하는 기공의 수는 10개이고, 기공의 평균 길이는 20nm이며, 평균 폭은 15nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.3°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.74GPa이고, 인장 탄성률은 370GPa이며, 파단 연신율은 1.52%이다. 연속 생산 7개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 800 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 5.8%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 0.5%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores present in the carbon fiber surface layer (regions X and Y from the top of the protrusion on the fiber surface to 100 nm inward) is 10, the average length of the pores is 20 nm, and the average width is 15 nm. The orientation deviation angle of the pores along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.3°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.74 GPa, the tensile modulus is 370 GPa, and the elongation at break is 1.52%. After seven months of continuous production, the carbon fiber strength began to decline, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 2][Example 2]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분(solid content) 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 3.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 3%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.35%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 3.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 3%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.35% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.2%이며, 실리콘 함량은 0.47%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 19%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.14%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.2 cN/dtex, 120 cN/dtex 및 12.3%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.2%, and the silicon content is 0.47%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 19%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.14%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.2 cN/dtex, 120 cN/dtex, and 12.3%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 1400ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부까지의 영역 X의 Si/C 비율은 9%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.9%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.05%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 15개이고, 기공의 평균 길이는 42nm이며, 평균 폭은 22nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.5°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.63GPa이고, 인장 탄성률은 360GPa이며, 파단 연신율은 1.56%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 1400 ppm, the Si/C ratio of region X from the top of the protrusion on the fiber surface to the bottom of the groove is 9%, the Si/C ratio of region Y from the bottom of the groove to the inside within 100 nm is 0.9%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.05%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 15, the average length of the pores is 42 nm, and the average width is 22 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.5°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.63 GPa, the tensile modulus is 360 GPa, and the elongation at break is 1.56%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 3][Example 3]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하여, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였으며(특성 점도 2.5dL/g, 고형분(solid content) 18%), 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Manufacturing of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm. The spinning solution was introduced into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%. Then, third coagulation drawing was performed at concentrations of 30%, 20%, and 10%, at temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and at draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.1%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 0.8%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.1%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.1%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 0.8%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.1% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 0.85%이며, 실리콘 함량은 0.09%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 6%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.07%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 8.1 cN/dtex, 137 cN/dtex 및 11.8%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 0.85%, and the silicon content is 0.09%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 6%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.07%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 8.1 cN/dtex, 137 cN/dtex, and 11.8%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 620ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 4.5%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.47%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.03%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 7개이고, 기공의 평균 길이는 15nm이며, 평균 폭은 10nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.75GPa이고, 인장 탄성률은 374GPa이며, 파단 연신율은 1.51%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 620 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 4.5%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.47%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.03%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 7, the average length of the pores is 15 nm, and the average width is 10 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.75 GPa, the tensile modulus is 374 GPa, and the elongation at break is 1.51%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 4][Example 4]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.1%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.2%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.05s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.1%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.2% with a residence time of 0.05 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 0.9%이며, 실리콘 함량은 0.13%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 9%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.1%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.8 cN/dtex, 121 cN/dtex 및 11.8%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 0.9%, and the silicon content is 0.13%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 9%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.1%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.8 cN/dtex, 121 cN/dtex, and 11.8%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 690ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부까지의 영역 X의 Si/C 비율은 4.8%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.54%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 8개이고, 기공의 평균 길이는 17nm이며, 평균 폭은 13nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.75GPa이고, 인장 탄성률은 374GPa이며, 파단 연신율은 1.55%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content in the carbon fiber is 690 ppm, the Si/C ratio of region X from the top of the protrusion on the fiber surface to the bottom of the groove is 4.8%, the Si/C ratio of region Y from the bottom of the groove to 100 nm inward is 0.54%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 8, the average length of the pores is 17 nm, and the average width is 13 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.75 GPa, the tensile modulus is 374 GPa, and the elongation at break is 1.55%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 5][Example 5]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.25s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.13s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.25 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.13 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.8%이며, 실리콘 함량은 0.39%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 14%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.12%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.2 cN/dtex, 127 cN/dtex 및 11.8%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.8%, and the silicon content is 0.39%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 14%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.12%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.2 cN/dtex, 127 cN/dtex, and 11.8%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 1340ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부까지의 영역 X의 Si/C 비율은 8%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.85%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 15개이고, 기공의 평균 길이는 35nm이며, 평균 폭은 20nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.0°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.66GPa이고, 인장 탄성률은 361GPa이며, 파단 연신율은 1.58%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 1340 ppm, the Si/C ratio of the region X from the top of the protrusion on the fiber surface to the bottom of the groove is 8%, the Si/C ratio of the region Y from the bottom of the groove to the inside 100 nm is 0.85%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 15, the average length of the pores is 35 nm, and the average width is 20 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.0°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.66 GPa, the tensile modulus is 361 GPa, and the elongation at break is 1.58%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 6][Example 6]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.08s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.05s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.08 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.15% with a residence time of 0.05 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 0.9%이며, 실리콘 함량은 0.08%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 5%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.05%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.4 cN/dtex, 126 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 0.9%, and the silicon content is 0.08%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 5%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.05%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.4 cN/dtex, 126 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 560ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 4.3%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.41%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.02%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 10개이고, 기공의 평균 길이는 23nm이며, 평균 폭은 18nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.8°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.68GPa이고, 인장 탄성률은 364GPa이며, 파단 연신율은 1.55%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 560 ppm, the Si/C ratio of region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 4.3%, the Si/C ratio of region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.41%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.02%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 10, the average length of the pores is 23 nm, and the average width is 18 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.8°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.68 GPa, the tensile modulus is 364 GPa, and the elongation at break is 1.55%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 7][Example 7]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 100nm인 텐진 공대 방직 보조제 유한회사가 합성한 TFA-1208-10 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 200nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 중국석유화학(상하이) 석유화공 연구원이 합성한 JSYJ-20 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing TFA-1208-10 nonionic non-silicone emulsion synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., which has a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 100 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing JSYJ-20 nonionic silicone-containing emulsion synthesized by China Petrochemical (Shanghai) Petrochemical Research Institute, which has a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 200 nm, and an emulsion silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.4%이며, 실리콘 함량은 0.14%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 9%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.1%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.7 cN/dtex, 130 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.4%, and the silicon content is 0.14%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 9%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.1%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.7 cN/dtex, 130 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 700ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 5%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.55%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 8개이고, 기공의 평균 길이는 17nm이며, 평균 폭은 13nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.75GPa이고, 인장 탄성률은 374GPa이며, 파단 연신율은 1.51%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 700 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 5%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.55%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 8, the average length of the pores is 17 nm, and the average width is 13 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.75 GPa, the tensile modulus is 374 GPa, and the elongation at break is 1.51%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 8][Example 8]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 200nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 중국석유화학(상하이) 석유화공 연구원이 합성한 JSYJ-20 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.04s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a JSYJ-20 nonionic silicone-containing emulsion synthesized by the China Petrochemical (Shanghai) Petrochemical Research Institute with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 200 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.04 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, and then winding was performed to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.1%이며, 실리콘 함량은 0.07%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 5%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.06%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 8.4 cN/dtex, 130 cN/dtex 및 12.0%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.1%, and the silicon content is 0.07%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 5%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.06%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 8.4 cN/dtex, 130 cN/dtex, and 12.0%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 550ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부까지의 영역 X의 Si/C 비율은 4.3%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.4%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.02%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 7개이고, 기공의 평균 길이는 15nm이며, 평균 폭은 9nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.1°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.8GPa이고, 인장 탄성률은 390GPa이며, 파단 연신율은 1.45%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 550 ppm, the Si/C ratio of region X from the top of the protrusion on the fiber surface to the bottom of the groove is 4.3%, the Si/C ratio of region Y from the bottom of the groove to 100 nm inward is 0.4%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.02%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 7, the average length of the pores is 15 nm, and the average width is 9 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.1°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.8 GPa, the tensile modulus is 390 GPa, and the elongation at break is 1.45%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 9][Example 9]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.3%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 2%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.3% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.3%이며, 실리콘 함량은 0.34%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 13%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.12%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 126 cN/dtex 및 11.7%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.3%, and the silicon content is 0.34%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 13%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.12%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 126 cN/dtex, and 11.7%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 1200ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 6.7%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.7%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 14개이고, 기공의 평균 길이는 30nm이며, 평균 폭은 19nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.8°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.69GPa이고, 인장 탄성률은 365GPa이며, 파단 연신율은 1.54%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 1200 ppm, the Si/C ratio of region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 6.7%, the Si/C ratio of region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 0.7%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 14, the average length of the pores is 30 nm, and the average width is 19 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.8°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.69 GPa, the tensile modulus is 365 GPa, and the elongation at break is 1.54%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 10][Example 10]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.2%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.2% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.1%이며, 실리콘 함량은 0.08%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 7%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.07%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 8.1 cN/dtex, 137 cN/dtex 및 11.8%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.1%, and the silicon content is 0.08%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 7%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.07%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 8.1 cN/dtex, 137 cN/dtex, and 11.8%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 600ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 4.5%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.45%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.03%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 7개이고, 기공의 평균 길이는 15nm이며, 평균 폭은 10nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.76GPa이고, 인장 탄성률은 379GPa이며, 파단 연신율은 1.5%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 600 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 4.5%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.45%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.03%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 7, the average length of the pores is 15 nm, and the average width is 10 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.76 GPa, the tensile modulus is 379 GPa, and the elongation at break is 1.5%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 11][Example 11]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 140%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 140%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.11%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.11% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.3%이며, 실리콘 함량은 0.4%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 16%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.14%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.2 cN/dtex, 119 cN/dtex 및 12.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.3%, and the silicon content is 0.4%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 16%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.14%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.2 cN/dtex, 119 cN/dtex, and 12.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 1350ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 8%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.85%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 15개이고, 기공의 평균 길이는 38nm이며, 평균 폭은 20nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.66GPa이고, 인장 탄성률은 362GPa이며, 파단 연신율은 1.55%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 1350 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 8%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.85%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 15, the average length of the pores is 38 nm, and the average width is 20 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.66 GPa, the tensile modulus is 362 GPa, and the elongation at break is 1.55%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 12][Example 12]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 90%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 90%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 100nm인 텐진 공대 방직 보조제 유한회사가 합성한 TFA-1208-10 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 100nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 중국석유화학(상하이) 석유화공 연구원이 합성한 JSYJ-10 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a primary oiling tank containing TFA-1208-10 nonionic non-silicone emulsion synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., which has a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 100 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a secondary oiling tank containing JSYJ-10 nonionic silicone-containing emulsion synthesized by China Petrochemical (Shanghai) Petrochemical Research Institute, which has a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 100 nm, and an emulsion silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.4%이며, 실리콘 함량은 0.16%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 12%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.12%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 134 cN/dtex 및 11.7%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.4%, and the silicon content is 0.16%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 12%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.12%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 134 cN/dtex, and 11.7%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 900ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 6%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.63%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 12개이고, 기공의 평균 길이는 26nm이며, 평균 폭은 16nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.5°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.7GPa이고, 인장 탄성률은 377GPa이며, 파단 연신율은 1.52%이다. 연속 생산 7개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 900 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 6%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.63%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 12, the average length of the pores is 26 nm, and the average width is 16 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.5°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.7 GPa, the tensile modulus is 377 GPa, and the elongation at break is 1.52%. After 7 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[실시예 13][Example 13]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 8이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 9이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 8, an emulsion concentration of 1.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 9, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.15% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1.2%이며, 실리콘 함량은 0.14%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 9%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.11%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.7 cN/dtex, 135 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1.2%, and the silicon content is 0.14%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 9%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.11%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.7 cN/dtex, 135 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 700ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 5%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.55%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.04%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 8개이고, 기공의 평균 길이는 17nm이며, 평균 폭은 13nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 2.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.75GPa이고, 인장 탄성률은 375GPa이며, 파단 연신율은 1.51%이다. 연속 생산 8개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 700 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 5%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.55%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.04%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 8, the average length of the pores is 17 nm, and the average width is 13 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 2.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.75 GPa, the tensile modulus is 375 GPa, and the elongation at break is 1.51%. After 8 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 1][Comparative Example 1]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하여, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and introduced into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 실리콘 함유 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 3%이며, 실리콘 함량은 0.67%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 34%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.5%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 8.1 cN/dtex, 131 cN/dtex 및 11.9%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 3%, and the silicon content is 0.67%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 34%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.5%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 8.1 cN/dtex, 131 cN/dtex, and 11.9%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 3000ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 77%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 20%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 2%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 40개이고, 기공의 평균 길이는 70nm이며, 평균 폭은 45nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.1°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.23GPa이고, 인장 탄성률은 355GPa이며, 파단 연신율은 1.46%이다. 연속 생산 2.5개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 가동을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 3000 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 77%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 20%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 2%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 40, the average length of the pores is 70 nm, and the average width is 45 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.1°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.23 GPa, the tensile modulus is 355 GPa, and the elongation at break is 1.46%. After 2.5 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 2][Comparative Example 2]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH 7의 물인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a primary oiling tank containing water with a pH of 7 with a residence time of 0.15 s, and then passed through a secondary oiling tank containing a nonionic silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.8%이며, 실리콘 함량은 0.55%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 24%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.19%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.9 cN/dtex, 131 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.8%, and the silicon content is 0.55%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 24%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.19%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.9 cN/dtex, 131 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 2600ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 72%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 18%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 1.8%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 39개이고, 기공의 평균 길이는 66nm이며, 평균 폭은 45nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.8°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.35GPa이고, 인장 탄성률은 357GPa이며, 파단 연신율은 1.48%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 2600 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 72%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 18%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 1.8%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 39, the average length of the pores is 66 nm, and the average width is 45 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.8°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.35 GPa, the tensile modulus is 357 GPa, and the elongation at break is 1.48%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 3][Comparative Example 3]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 8이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 6이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 8, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm inside the tank with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 6, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% inside the tank with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 3.1%이며, 실리콘 함량은 0.68%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 35%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.5%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 128 cN/dtex 및 11.3%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 3.1%, and the silicon content is 0.68%. The Si/C ratio in the area from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 35%, and the Si/C ratio in the area greater than 2 μm is 0.5%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 128 cN/dtex, and 11.3%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 3200ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 80%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 13%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 1.5%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 50개이고, 기공의 평균 길이는 77nm이며, 평균 폭은 52nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.3°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.05GPa이고, 인장 탄성률은 361GPa이며, 파단 연신율은 1.39%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 3200 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 80%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 13%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 1.5%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 50, the average length of the pores is 77 nm, and the average width is 52 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.3°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.05 GPa, the tensile modulus is 361 GPa, and the elongation at break is 1.39%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 4][Comparative Example 4]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 텐진 공대 방직 보조제 유한회사가 합성한 TFA-1208-Y-음이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 지린 첸런 신소재 유한회사가 합성한 JLQR-Y 음이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a primary oiling tank containing TFA-1208-Y anionic non-silicone emulsion synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., which had a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 300 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a secondary oiling tank containing JLQR-Y anionic silicone-containing emulsion synthesized by Jilin Qianren New Material Co., Ltd., which had a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 3.1%이며, 실리콘 함량은 0.69%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 35%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.5%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 129 cN/dtex 및 11.3%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 3.1%, and the silicon content is 0.69%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 35%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.5%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 129 cN/dtex, and 11.3%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 3300ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 82%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 15%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 2%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 56개이고, 기공의 평균 길이는 80nm이며, 평균 폭은 60nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.3°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5GPa이고, 인장 탄성률은 358GPa이며, 파단 연신율은 1.37%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 3300 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 82%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 15%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 2%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 56, the average length of the pores is 80 nm, and the average width is 60 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.3°. The tensile strength of the carbon fiber is 5 GPa, the tensile modulus is 358 GPa, and the elongation at break is 1.37%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 5][Comparative Example 5]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 비실리콘 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicon content of 0.15% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.6%이며, 실리콘 함량은 0%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 0%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.2 cN/dtex, 120 cN/dtex 및 11.6%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.6%, and the silicone content is 0%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 0%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.2 cN/dtex, 120 cN/dtex, and 11.6%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 0ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 0%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 64개이고, 기공의 평균 길이는 89nm이며, 평균 폭은 71nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.8°이다. 탄소섬유의 인장강도는 4.6GPa이고, 인장 탄성률은 340GPa이며, 파단 연신율은 1.35%이다. 연속 생산 7개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content in the carbon fiber is 0 ppm, the Si/C ratio in the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 0%, the Si/C ratio in the region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 0%, and the Si/C ratio in the region Z greater than 100 nm is 0%. The number of pores in the carbon fiber surface layer is 64, the average length of the pores is 89 nm, and the average width is 71 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.8°. The tensile strength of the carbon fiber is 4.6 GPa, the tensile modulus is 340 GPa, and the elongation at break is 1.35%. After 7 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 6][Comparative Example 6]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 6%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.3%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 6%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 2%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion silicon content of 0.3% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.6%이며, 실리콘 함량은 0.01%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 0.8%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.09%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.4 cN/dtex, 127 cN/dtex 및 11.6%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.6%, and the silicon content is 0.01%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 0.8%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.09%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.4 cN/dtex, 127 cN/dtex, and 11.6%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 400ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 0.8%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.07%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.01%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 58개이고, 기공의 평균 길이는 75nm이며, 평균 폭은 50nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.5°이다. 탄소섬유의 인장강도는 4.92GPa이고, 인장 탄성률은 367GPa이며, 파단 연신율은 1.32%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 400 ppm, the Si/C ratio of region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 0.8%, the Si/C ratio of region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.07%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.01%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 58, the average length of the pores is 75 nm, and the average width is 50 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.5°. The tensile strength of the carbon fiber is 4.92 GPa, the tensile modulus is 367 GPa, and the elongation at break is 1.32%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 7][Comparative Example 7]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 3.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 6%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 1%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 3.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 6%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion particle size of 1% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.7%이며, 실리콘 함량은 0.53%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 23%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.19%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.7 cN/dtex, 136 cN/dtex 및 11.3%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.7%, and the silicon content is 0.53%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 23%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.19%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.7 cN/dtex, 136 cN/dtex, and 11.3%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 2400ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 48%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 15%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 1%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 38개이고, 기공의 평균 길이는 65nm이며, 평균 폭은 44nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.9°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.3GPa이고, 인장 탄성률은 354GPa이며, 파단 연신율은 1.47%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 2400 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 48%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 15%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 1%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 38, the average length of the pores is 65 nm, and the average width is 44 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.9°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.3 GPa, the tensile modulus is 354 GPa, and the elongation at break is 1.47%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 8][Comparative Example 8]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.25s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.3s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.25 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.3 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.7%이며, 실리콘 함량은 0.55%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 26%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.25%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.6 cN/dtex, 132 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.7%, and the silicon content is 0.55%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 26%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.25%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.6 cN/dtex, 132 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 2100ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 48%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 9%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 1%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 39개이고, 기공의 평균 길이는 66nm이며, 평균 폭은 44nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.1°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.28GPa이고, 인장 탄성률은 360GPa이며, 파단 연신율은 1.41%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 2100 ppm, the Si/C ratio of region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 48%, the Si/C ratio of region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 9%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 1%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 39, the average length of the pores is 66 nm, and the average width is 44 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.1°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.28 GPa, the tensile modulus is 360 GPa, and the elongation at break is 1.41%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 9][Comparative Example 9]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.02s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.02 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 1%이며, 실리콘 함량은 0.01%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 0.8%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.05%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.4 cN/dtex, 130 cN/dtex 및 11.4%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 1%, and the silicon content is 0.01%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 0.8%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.05%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.4 cN/dtex, 130 cN/dtex, and 11.4%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 400ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 0.9%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.07%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.01%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 60개이고, 기공의 평균 길이는 87nm이며, 평균 폭은 69nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.6°이다. 탄소섬유의 인장강도는 4.9GPa이고, 인장 탄성률은 366GPa이며, 파단 연신율은 1.31%이다. 연속 생산 7개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 400 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 0.9%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 0.07%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.01%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 60, the average length of the pores is 87 nm, and the average width is 69 nm. The orientation deviation angle of the pores along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.6°. The tensile strength of the carbon fiber is 4.9 GPa, the tensile modulus is 366 GPa, and the elongation at break is 1.31%. After 7 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 10][Comparative Example 10]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 800nm인 텐진 공대 방직 보조제 유한회사가 합성한 TFA-1208-80 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing TFA-1208-80 nonionic, non-silicone emulsion synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., which has a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 800 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion containing pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.6%이며, 실리콘 함량은 0.52%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 22%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.16%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.3 cN/dtex, 128 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.6%, and the silicon content is 0.52%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 22%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.16%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.3 cN/dtex, 128 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 2000ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 45%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 13%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.08%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 45개이고, 기공의 평균 길이는 60nm이며, 평균 폭은 40nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 5°이다. 탄소섬유의 인장강도는 4.8GPa이고, 인장 탄성률은 350GPa이며, 파단 연신율은 1.3%이다. 연속 생산 4개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 2000 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 45%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 13%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.08%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 45, the average length of the pores is 60 nm, and the average width is 40 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 5°. The tensile strength of the carbon fiber is 4.8 GPa, the tensile modulus is 350 GPa, and the elongation at break is 1.3%. After 4 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 11][Comparative Example 11]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 40nm인 텐진 공대 방직 보조제 유한회사가 합성한 TFA-1208-04 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 40nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 중국석유화학(상하이) 석유화공 연구원이 합성한 JSYJ-04 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing TFA-1208-04 nonionic non-silicone emulsion synthesized by Tianjin Institute of Technology Textile Auxiliary Co., Ltd., which has a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, an emulsion particle size of 40 nm, with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing JSYJ-04 nonionic silicone-containing emulsion synthesized by China Petrochemical (Shanghai) Petrochemical Research Institute, which has a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 40 nm, and an emulsion silicone content of 0.15%, with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.7%이며, 실리콘 함량은 0.63%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 31%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.28%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.5 cN/dtex, 129 cN/dtex 및 11.3%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.7%, and the silicon content is 0.63%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 31%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.28%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.5 cN/dtex, 129 cN/dtex, and 11.3%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 2500ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 50%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 17%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 1.3%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 48개이고, 기공의 평균 길이는 69nm이며, 평균 폭은 50nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.2°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.1GPa이고, 인장 탄성률은 351GPa이며, 파단 연신율은 1.4%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 2500 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 50%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 17%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 1.3%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 48, the average length of the pores is 69 nm, and the average width is 50 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.2°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.1 GPa, the tensile modulus is 351 GPa, and the elongation at break is 1.4%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 12][Comparative Example 12]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 6%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 1%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and an emulsion particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 6%, an emulsion particle size of 300 nm, and an emulsion particle size of 1% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 후, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, to obtain polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2.7%이며, 실리콘 함량은 0.16%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 12%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.12%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.8 cN/dtex, 130 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2.7%, and the silicon content is 0.16%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 12%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.12%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.8 cN/dtex, 130 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 1750ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 30%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 2.8%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.07%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 36개이고, 기공의 평균 길이는 64nm이며, 평균 폭은 30nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 3.6°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.35GPa이고, 인장 탄성률은 356GPa이며, 파단 연신율은 1.47%이다. 연속 생산 3개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 1750 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 30%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and the inner side 100 nm is 2.8%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 0.07%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 36, the average length of the pores is 64 nm, and the average width is 30 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 3.6°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.35 GPa, the tensile modulus is 356 GPa, and the elongation at break is 1.47%. After 3 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 13][Comparative Example 13]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.35, 1.50, 1.70, 2.00의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 110%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and draw ratios of 1.35, 1.50, 1.70, and 2.00, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 110%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행하고, 이후 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm inside the tank with a residence time of 0.15 s, and then underwent a four-stage drying densification treatment at temperatures of 90°C, 100°C, 115°C, and 130°C, respectively, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, a particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% inside the tank with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 다음, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, thereby obtaining polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.85dtex이고, 오일 함량은 2%이며, 실리콘 함량은 0.15%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 0.5%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.05%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.6 cN/dtex, 132 cN/dtex 및 11.5%이다.The linear density of the yarn is 0.85 dtex, the oil content is 2%, and the silicon content is 0.15%. The Si/C ratio in the area from the top of the protrusions on the fiber surface to the inside of 2 μm is 0.5%, and the Si/C ratio in the area greater than 2 μm is 0.05%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.6 cN/dtex, 132 cN/dtex, and 11.5%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 450ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 0.9%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.03%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.01%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 43개이고, 기공의 평균 길이는 67nm이며, 평균 폭은 41nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4.1°이다. 탄소섬유의 인장강도는 5.16GPa이고, 인장 탄성률은 359GPa이며, 파단 연신율은 1.42%이다. 연속 생산 6개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 450 ppm, the Si/C ratio of region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 0.9%, the Si/C ratio of region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 0.03%, and the Si/C ratio of region Z greater than 100 nm is 0.01%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 43, the average length of the pores is 67 nm, and the average width is 41 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 4.1°. The tensile strength of the carbon fiber is 5.16 GPa, the tensile modulus is 359 GPa, and the elongation at break is 1.42%. After 6 months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

[비교예 14][Comparative Example 14]

1. 원사의 제조: 습식 방사 방법을 채택하였으며, 아크릴로니트릴과 이타콘산을 디메틸설폭사이드에서 공중합하여 얻은 방사 원액을 사용하였다(특성 점도 2.5dL/g, 고형분 18%). 방사 원액은 계량펌프를 통해 정확하게 계량, 여과한 후 6000홀, 홀 구경 60μm의 방사판을 통해 압출하고, 응고욕이 디메틸설폭사이드 수용액인 1차 응고욕으로 진입시켜, 28℃의 응고 온도 및 51.5%의 농도로 응고시킨 다음, 각각 30%, 20%, 10%의 농도, 각각 30℃, 40℃, 50℃의 온도, 및 1.0, 1.1, 1.2의 연신비로 3차 응고 연신을 수행하고; 각각 95℃, 96℃, 97℃, 99℃의 온도, 및온도, 및 1.10, 1.15, 1.15, 1.2의 연신비로 4차 고온수 연신을 수행한 후; 각각 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, 90℃의 온도로 6회의 수세 공정을 거쳤으며, 수세 후 섬유의 팽윤도는 170%이다.1. Production of yarn: A wet spinning method was adopted, and a spinning solution obtained by copolymerizing acrylonitrile and itaconic acid in dimethyl sulfoxide was used (characteristic viscosity 2.5 dL/g, solid content 18%). The spinning solution was accurately measured through a metering pump, filtered, and then extruded through a spinning plate with 6000 holes and a hole diameter of 60 μm, and entered into a first coagulation bath containing a dimethyl sulfoxide aqueous solution, and solidified at a coagulation temperature of 28°C and a concentration of 51.5%, and then subjected to third coagulation drawing at concentrations of 30%, 20%, and 10%, temperatures of 30°C, 40°C, and 50°C, and draw ratios of 1.0, 1.1, and 1.2, respectively; After performing the fourth high-temperature water drawing at temperatures of 95℃, 96℃, 97℃, and 99℃, and at draw ratios of 1.10, 1.15, 1.15, and 1.2, respectively, six washing processes were performed at temperatures of 70℃, 70℃, 80℃, 80℃, 90℃, and 90℃, respectively, and the swelling degree of the fiber after washing was 170%.

수세 후의 섬유는 먼저 탱크 내부는 pH가 7.2이고, 유제 농도는 1.5%이며, 유제의 입경은 300nm인 비이온성 비실리콘 유제인 1차 오일링 탱크를 0.15s의 체류시간으로 통과한 다음, 탱크 내부는 pH가 7.8이고, 유제 농도는 1.2%이며, 유제의 입경은 300nm이고, 유제의 실리콘 함량은 0.15%인 비이온성 실리콘 함유 유제인 2차 오일링 탱크를 0.1s의 체류시간으로 통과하였다.After washing, the fibers first passed through a first oiling tank containing a nonionic, non-silicone emulsion with a pH of 7.2, an emulsion concentration of 1.5%, and a particle size of 300 nm with a residence time of 0.15 s, and then passed through a second oiling tank containing a nonionic, silicone-containing emulsion with a pH of 7.8, an emulsion concentration of 1.2%, an emulsion particle size of 300 nm, and a silicone content of 0.15% with a residence time of 0.1 s.

이후 각각 90℃, 100℃, 115℃ 및 130℃의 온도로 4단계 건조 치밀화 처리를 수행한 다음, 3.0배의 연신 배율, 0.35MPa의 증기 압력으로 증기 연신을 수행하고; 마지막으로 0.95의 연신 배율, 120MPa의 증기 압력으로 열성형을 거친 다음, 권취하여다음, 권취하여 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사를 획득하였다.Afterwards, a four-step dry densification treatment was performed at temperatures of 90℃, 100℃, 115℃, and 130℃, respectively, followed by steam drawing at a draw ratio of 3.0 times and a steam pressure of 0.35 MPa; and finally, thermoforming was performed at a draw ratio of 0.95 and a steam pressure of 120 MPa, followed by winding, thereby obtaining polyacrylonitrile carbon fiber yarn.

원사의 선밀도는 0.9dtex이고, 오일 함량은 3.3%이며, 실리콘 함량은 0.74%이다. 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율은 46%이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율은 0.69%이며; 인장강도, 초기 탄성률 및 파단 연신율은 각각 7.0 cN/dtex, 117 cN/dtex 및 12.7%이다.The linear density of the yarn is 0.9 dtex, the oil content is 3.3%, and the silicon content is 0.74%. The Si/C ratio in the region from the top of the protrusions on the fiber surface to 2 μm inward is 46%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.69%; the tensile strength, initial modulus, and elongation at break are 7.0 cN/dtex, 117 cN/dtex, and 12.7%, respectively.

2. 탄소섬유의 제조: 단계 1에서 획득한 원사를 180~260℃에서 0.95배의 사전 산화 총 연신비로 사전 산화시켜, 사전 산화 섬유를 획득한 다음; 300~750℃ 및 800~1500℃에서 0.96배의 연신비로 저온 탄화 및 고온 탄화를 수행하고; 이후 2800℃에서 흑연화 처리를 수행하고, 마지막으로 표면 처리, 수세, 사이징, 120℃ 건조 및 권취를 거쳐 탄소섬유를 획득하였다.2. Production of carbon fiber: The yarn obtained in step 1 was pre-oxidized at 180-260°C with a pre-oxidation total draw ratio of 0.95 times to obtain pre-oxidized fiber; then low-temperature carbonization and high-temperature carbonization were performed at 300-750°C and 800-1500°C with a draw ratio of 0.96 times; then graphitization was performed at 2800°C, and finally, carbon fiber was obtained through surface treatment, washing, sizing, drying at 120°C, and winding.

탄소섬유 중 총 규소 함량은 3500ppm이며, 탄소섬유의 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 81%이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 20%이며, 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 3.7%이다. 탄소섬유 표층의 기공 수는 70개이고, 기공의 평균 길이는 84nm이며, 평균 폭은 77nm이다. 소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 5.5°이다. 탄소섬유의 인장강도는 4.58GPa이고, 인장 탄성률은 339GPa이며, 파단 연신율은 1.34%이다. 연속 생산 2개월 후, 탄소섬유 강도가 감소하기 시작하였으며, 운행을 중지하고 장비 중의 회분을 1회 청소하였다.The total silicon content of the carbon fiber is 3500 ppm, the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 81%, the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward is 20%, and the Si/C ratio of the region Z greater than 100 nm is 3.7%. The number of pores on the surface of the carbon fiber is 70, the average length of the pores is 84 nm, and the average width is 77 nm. The pore orientation deviation angle along the fiber axis obtained by small-angle X-ray scattering is 5.5°. The tensile strength of the carbon fiber is 4.58 GPa, the tensile modulus is 339 GPa, and the elongation at break is 1.34%. After two months of continuous production, the carbon fiber strength began to decrease, the operation was stopped, and the ash in the equipment was cleaned once.

수세 필라멘트의 팽윤도/%Swelling degree of water-washed filament/% 비실리콘 유제 pHNon-silicone emulsion pH 농도/%density/% 유제 입경/nmEmulsion particle size/nm 체류 시간/sResidence time/s 실리콘 함유 유제 pHSilicone-containing emulsion pH 농도/%density/% 유제 입경/nmEmulsion particle size/nm 유제의 실리콘 함량/%Silicon content/% of the emulsion 체류 시간/sResidence time/s 실시예 1Example 1 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 실시예 2Example 2 110110 7.27.2 3.53.5 300300 0.150.15 7.87.8 33 300300 0.350.35 0.10.1 실시예 3Example 3 110110 7.27.2 1.11.1 300300 0.150.15 7.87.8 0.80.8 300300 0.10.1 0.10.1 실시예 4Example 4 110110 7.27.2 1.11.1 300300 0.150.15 7.87.8 1.51.5 300300 0.20.2 0.050.05 실시예 5Example 5 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.250.25 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.130.13 실시예 6Example 6 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.080.08 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.050.05 실시예 7Example 7 110110 7.27.2 1.51.5 100100 0.150.15 7.87.8 1.21.2 200200 0.150.15 0.10.1 실시예 8Example 8 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 200200 0.150.15 0.040.04 실시예 9Example 9 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 22 300300 0.30.3 0.10.1 실시예 10Example 10 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.51.5 300300 0.20.2 0.10.1 실시예 11Example 11 140140 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 11 300300 0.110.11 0.10.1 실시예 12Example 12 9090 7.27.2 1.51.5 100100 0.150.15 7.87.8 1.21.2 100100 0.150.15 0.10.1 실시예 13Example 13 110110 88 1.51.5 300300 0.150.15 99 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1

총 실리콘 함량/ppmTotal silicon content/ppm 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C/%Si/C/% of area X between the top of the protrusion and the bottom of the groove 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C/%Si/C/% of the region Y between the bottom of the home and the inner surface up to 100 nm 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C/%Si/C/% in region Z greater than 100 nm 표층 X와 Y 영역 내 기공 수/개Number of pores/unit within the surface X and Y regions 기공의 평균 길이/nmAverage pore length/nm 기공의 평균 vhr/nmAverage vhr/nm of pores 배향 편차각/°Orientation deviation angle/° 탄소섬유의 인장강도/GPaTensile strength of carbon fiber/GPa 탄소섬유의 인장 탄성률/GPaTensile modulus of carbon fiber/GPa 파단 연신율/%Elongation at break/% 가동 중단 시간/월Downtime/month 실시예 1Example 1 800800 5.85.8 0.50.5 0.040.04 1010 2020 1515 2.32.3 5.745.74 370370 1.521.52 77 실시예 2Example 2 14001400 99 0.90.9 0.050.05 1515 4242 2222 3.53.5 5.635.63 360360 1.561.56 66 실시예 3Example 3 620620 4.54.5 0.470.47 0.030.03 77 1515 1010 2.22.2 5.755.75 374374 1.511.51 88 실시예 4Example 4 690690 4.84.8 0.540.54 0.040.04 88 1717 1313 2.22.2 5.755.75 374374 1.551.55 88 실시예 5Example 5 13401340 88 0.850.85 0.040.04 1515 3535 2020 3.03.0 5.665.66 361361 1.581.58 66 실시예 6Example 6 560560 4.34.3 0.410.41 0.020.02 1010 2323 1818 2.82.8 5.685.68 364364 1.551.55 88 실시예 7Example 7 700700 55 0.550.55 0.040.04 88 1717 1313 2.22.2 5.755.75 374374 1.511.51 88 실시예 8Example 8 550550 4.34.3 0.40.4 0.020.02 77 1515 99 2.12.1 5.85.8 390390 1.451.45 88 실시예 9Example 9 12001200 6.76.7 0.70.7 0.040.04 1414 3030 1919 2.82.8 5.695.69 365365 1.541.54 66 실시예 10Example 10 600600 4.54.5 0.450.45 0.030.03 77 1515 1010 2.22.2 5.765.76 379379 1.51.5 88 실시예 11Example 11 13501350 88 0.850.85 0.040.04 1515 3838 2020 3.23.2 5.665.66 362362 1.551.55 66 실시예 12Example 12 900900 66 0.630.63 0.040.04 1212 2626 1616 2.52.5 5.75.7 377377 1.521.52 77 실시예 13Example 13 700700 55 0.550.55 0.040.04 88 1717 1313 2.22.2 5.755.75 375375 1.511.51 88

수세 필라멘트의 팽윤도/%Swelling degree of water-washed filament/% 유제 pHMilk pH 농도/%density/% 유제 입경/nmEmulsion particle size/nm 체류 시간/sResidence time/s 실리콘 함유 유제 pHSilicone-containing emulsion pH 농도/%density/% 유제 입경/nmEmulsion particle size/nm 유제의 실리콘 함량/%Silicon content/% of the emulsion 체류 시간/sResidence time/s 비교예 1Comparative Example 1 110110 실리콘 함유, 7.8Contains silicone, 7.8 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 2Comparative Example 2 110110 물, 7.0Water, 7.0 // // 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 3Comparative Example 3 110110 88 1.51.5 300300 0.150.15 66 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 4Comparative Example 4 110110 음이온, 7.2Anion, 7.2 1.51.5 300300 0.150.15 음이온, 7.8Anion, 7.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 5Comparative Example 5 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 비실리콘, 7.2Non-silicon, 7.2 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 6Comparative Example 6 110110 7.27.2 66 300300 0.150.15 7.87.8 22 300300 0.30.3 0.10.1 비교예 7Comparative Example 7 110110 7.27.2 3.53.5 300300 0.150.15 7.87.8 66 300300 11 0.10.1 비교예 8Comparative Example 8 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.250.25 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.30.3 비교예 9Comparative Example 9 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.020.02 비교예 10Comparative Example 10 110110 7.27.2 1.51.5 800800 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 11Comparative Example 11 110110 7.27.2 1.51.5 4040 0.150.15 7.87.8 1.21.2 4040 0.150.15 0.10.1 비교예 12Comparative Example 12 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 66 300300 11 0.10.1 비교예 13Comparative Example 13 110110 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1 비교예 14Comparative Example 14 170170 7.27.2 1.51.5 300300 0.150.15 7.87.8 1.21.2 300300 0.150.15 0.10.1

총 실리콘 함량/ppmTotal silicon content/ppm 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C/%Si/C/% of area X between the top of the protrusion and the bottom of the groove 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C/%Si/C/% of the region Y between the bottom of the home and the inner surface up to 100 nm 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C/%Si/C/% in region Z greater than 100 nm 표층 X와 Y 영역 내 기공 수/개Number of pores/unit within the surface X and Y regions 기공의 평균 길이/nmAverage pore length/nm 기공의 평균 vhr/nmAverage vhr/nm of pores 배향 편차각/°Orientation deviation angle/° 탄소섬유의 인장강도/GPaTensile strength of carbon fiber/GPa 탄소섬유의 인장 탄성률/GPaTensile modulus of carbon fiber/GPa 파단 연신율/%Elongation at break/% 가동 중단 시간/월Downtime/month 비교예 1Comparative Example 1 30003000 7777 2020 22 4040 7070 4545 4.14.1 5.235.23 355355 1.461.46 2.52.5 비교예 2Comparative Example 2 26002600 7272 1818 1.81.8 3939 6666 4545 3.83.8 5.355.35 357357 1.481.48 33 비교예 3Comparative Example 3 32003200 8080 1313 1.51.5 5050 7777 5252 4.34.3 5.055.05 361361 1.391.39 33 비교예 4Comparative Example 4 33003300 8282 1515 22 5656 8080 6060 4.34.3 55 358358 1.371.37 33 비교예 5Comparative Example 5 00 00 00 00 6464 8989 7171 4.84.8 4.64.6 340340 1.351.35 77 비교예 6Comparative Example 6 400400 0.80.8 0.070.07 0.010.01 5858 7575 5050 4.54.5 4.924.92 367367 1.321.32 66 비교예 7Comparative Example 7 24002400 4848 1515 11 3838 6565 4444 3.93.9 5.35.3 354354 1.471.47 33 비교예 8Comparative Example 8 21002100 4848 99 11 3939 6666 4444 4.14.1 5.285.28 360360 1.411.41 33 비교예 9Comparative Example 9 400400 0.90.9 0.070.07 0.010.01 6060 8787 6969 4.64.6 4.94.9 366366 1.311.31 77 비교예 10Comparative Example 10 20002000 4545 1313 0.080.08 4545 6060 4040 55 4.84.8 350350 1.31.3 44 비교예 11Comparative Example 11 25002500 5050 1717 1.31.3 4848 6969 5050 4.24.2 5.15.1 351351 1.41.4 33 비교예 12Comparative Example 12 17501750 3030 2.82.8 0.070.07 3636 6464 3030 3.63.6 5.355.35 356356 1.471.47 33 비교예 13Comparative Example 13 450450 0.90.9 0.030.03 0.010.01 4343 6767 4141 4.14.1 5.165.16 359359 1.421.42 66 비교예 14Comparative Example 14 35003500 8181 2020 3.73.7 7070 8484 7777 5.55.5 4.584.58 339339 1.341.34 22

Claims (18)

표면에 그루브 구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유에 있어서, 상기 탄소섬유는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율이 1%~10% 범위이고, 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율은 0.1%~1% 범위이며, 및 100nm 이상인 영역 Z의 Si/C 비율은 0.06% 이하인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유.A polyacrylonitrile carbon fiber having a groove structure on a surface, wherein the carbon fiber has a Si/C ratio in a region X between the top of a protrusion on the fiber surface and the bottom of a groove in a range of 1% to 10%, a Si/C ratio in a region Y between the bottom of the groove and within 100 nm inward in a range of 0.1% to 1%, and a Si/C ratio in a region Z greater than 100 nm in a thickness of 0.06% or less. 제1항에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유는 습식 방사로 제조된 폴리아크릴로니트릴 원사로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유.
In the first paragraph,
The above polyacrylonitrile carbon fiber is characterized in that it is obtained from polyacrylonitrile yarn manufactured by wet spinning.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소섬유의 총 실리콘 함량은 500~1500ppm이고, 및/또는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 홈 바닥부 사이의 영역 X의 Si/C 비율은 홈 바닥부로부터 내부로 100nm까지 사이의 영역 Y의 Si/C 비율의 8.5배 이상인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유.
In claim 1 or 2,
A polyacrylonitrile carbon fiber characterized in that the total silicon content of the carbon fiber is 500 to 1500 ppm, and/or the Si/C ratio of the region X between the top of the protrusion on the fiber surface and the bottom of the groove is 8.5 times or more the Si/C ratio of the region Y between the bottom of the groove and 100 nm inward.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 100nm까지의 영역 X 및 Y에 존재하는 기공의 수는 20개 미만이고, 바람직하게는 16개 미만이며; 상기 기공의 평균 길이는 10~50nm이고, 평균 폭은 5~25nm인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유.
In any one of the first to third paragraphs,
A polyacrylonitrile carbon fiber characterized in that the number of pores present in regions X and Y from the top of the protrusions on the fiber surface to 100 nm inward is less than 20, preferably less than 16; and the average length of the pores is 10 to 50 nm, and the average width is 5 to 25 nm.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
소각 X선 산란법을 통해 얻은 섬유 축 방향을 따른 기공의 배향 편차각은 4° 이하이거나; 및/또는
상기 탄소섬유의 인장 강도는 5.6-5.8 GPa이고, 인장 탄성률은 360-390 GPa이며, 파단 연신율은 1.45%-1.6%인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유.
In any one of claims 1 to 4,
The orientation deviation angle of the pores along the fiber axis obtained by the small-angle X-ray scattering method is 4° or less; and/or
Polyacrylonitrile carbon fiber characterized in that the tensile strength of the carbon fiber is 5.6-5.8 GPa, the tensile modulus is 360-390 GPa, and the elongation at break is 1.45%-1.6%.
폴리아크릴로니트릴 원사를 탄화시켜 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 얻는 단계를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유, 바람직하게는 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 섬유 표면 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율이 1.0%~20%의 범위이고, 및 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율이 0.15% 이하인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법.
A method for producing polyacrylonitrile carbon fibers, preferably polyacrylonitrile carbon fibers according to any one of claims 1 to 5, comprising the step of carbonizing polyacrylonitrile yarn to obtain polyacrylonitrile carbon fibers,
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the above polyacrylonitrile yarn has a Si/C ratio in the range of 1.0% to 20% in a region from the top of the fiber surface protrusions to 2 μm inward, and a Si/C ratio in the region of 2 μm or more is 0.15% or less.
제6항에 있어서,
상기 원사의 오일 함량은 0.5%~2.5%이고, 바람직하게는 0.8%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.4%, 더욱 바람직하게는 0.9%~2.0%이며; 및/또는
상기 원사의 실리콘 함량은 0.01%~0.5%이고; 및/또는
상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7~1.0dtex이며; 및/또는
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식 방사로 제조되는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법.
In paragraph 6,
The oil content of the above yarn is 0.5% to 2.5%, preferably 0.8% to 2.5%, preferably 0.8% to 2.4%, more preferably 0.9% to 2.0%; and/or
The silicone content of the above yarn is 0.01% to 0.5%; and/or
The monofilament linear density of the above polyacrylonitrile yarn is 0.7 to 1.0 dtex; and/or
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the above polyacrylonitrile yarn is produced by wet spinning.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식방사로 제조되고, 또한 오일링 단계를 포함하며, 상기 오일링 단계는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없으며; 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용하는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법.
In paragraph 6 or 7,
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the above polyacrylonitrile yarn is manufactured by wet spinning and further includes an oiling step, wherein the oiling step includes two consecutive oiling processes, and there is no dry densification step between the two oiling processes; and the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion.
제8항에 있어서,
1차 오일링 공정은 중량 농도가 0.1% ~5.0%인 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고; 및 2차 오일링 공정은 중량 농도가 0.1%~5.0%인 실리콘 함유 유제를 사용하며; 및/또는
상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제의 평균 입자 크기는 각각 독립적으로 50 nm~500 nm이며; 및/또는
2차 오일링 공정에 사용되는 실리콘 함유 유제의 실리콘 함량은 0.01중량%~0.9중량%이고; 및/또는
2차 오일링 체류 시간은 1차 오일링의 체류 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법.
In paragraph 8,
The primary oiling process uses a non-silicone emulsion, a low-silicone emulsion, or a combination thereof with a weight concentration of 0.1% to 5.0%; and the secondary oiling process uses a silicone-containing emulsion with a weight concentration of 0.1% to 5.0%; and/or
The average particle size of the non-silicon emulsion, low-silicon emulsion and silicone-containing emulsion is each independently 50 nm to 500 nm; and/or
The silicone content of the silicone-containing emulsion used in the secondary oiling process is 0.01 wt% to 0.9 wt%; and/or
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the secondary oiling residence time is shorter than the primary oiling residence time.
제6항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제와 실리콘 함유 유제 사이의 pH 차이값은 1보다 크지 않고; 및/또는
상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제 중의 계면활성제는 상기 실리콘 함유 유제 중의 계면활성제는 극성이 서로 반대가 아니며, 바람직하게는 상기 실리콘 함유 유제는 비이온성 계면활성제를 함유한 유제인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조 방법.
In any one of the 6th to 9th clauses,
The pH difference between the non-silicone emulsion or low-silicone emulsion and the silicone-containing emulsion is not greater than 1; and/or
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the surfactant in the non-silicone emulsion or low-silicone emulsion and the surfactant in the silicone-containing emulsion do not have opposite polarities, and preferably, the silicone-containing emulsion is an emulsion containing a nonionic surfactant.
제6항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
오일링 전 폴리아크릴로니트릴 원사는 수세를 거친 후 섬유의 팽윤도가 80~150%인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조방법.
In any one of the 6th to 10th clauses,
A method for manufacturing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that polyacrylonitrile yarn before oiling has a swelling degree of 80 to 150% after washing.
제6항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 제조 방법은 상기 폴리아크릴로니트릴 원사를 얻기 위해 폴리아크릴로니트릴 원액을 습식 응고 성형, 응고 연신, 고온수 연신, 수세, 오일링, 건조 치밀화, 증기 연신 및 증기 열성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조방법.
In any one of the 6th to 11th clauses,
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the above manufacturing method comprises the steps of wet coagulation molding, coagulation stretching, high-temperature water stretching, water washing, oiling, dry densification, steam stretching and steam thermoforming of a polyacrylonitrile raw material to obtain the above polyacrylonitrile yarn.
제6항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 사전 산화 처리, 탄화를 거쳐 상기 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유를 얻는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조방법.
In any one of the 6th to 12th clauses,
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the above polyacrylonitrile yarn undergoes pre-oxidation treatment and carbonization to obtain the above polyacrylonitrile carbon fiber.
제13항에 있어서,
상기 사전 산화 처리는 공기 분위기에서 수행되며, 온도는 170~300℃이고, 총 연신은 5% 이하이며; 및/또는
상기 탄화 처리는 300~750℃의 온도로 불활성 분위기에서 총 연신이 0~4%인 연신비로 저온 탄화 처리를 수행하는 단계, 및 800~1500℃의 온도로 불활성 분위기에서 총 연신이 -4~-2%인 연신비로 고온 탄화 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유의 제조방법.
In Article 13,
The above pre-oxidation treatment is performed in an air atmosphere, the temperature is 170 to 300°C, and the total elongation is 5% or less; and/or
A method for producing polyacrylonitrile carbon fiber, characterized in that the carbonization treatment comprises a step of performing low-temperature carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 750°C with a draw ratio of 0 to 4% of total elongation, and a step of performing high-temperature carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 800 to 1500°C with a draw ratio of -4 to -2% of total elongation.
폴리아크릴로니트릴 원사에 있어서,
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 섬유 표면의 돌기 상단부로부터 내부로 2μm까지의 영역의 Si/C 비율이 1.0%~20%의 범위이고, 2μm 이상인 영역의 Si/C 비율이 0.15% 이하인 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 원사.
In polyacrylonitrile yarn,
The above polyacrylonitrile yarn is characterized in that the Si/C ratio in the region from the top of the protrusion on the fiber surface to 2 μm inward is in the range of 1.0% to 20%, and the Si/C ratio in the region greater than 2 μm is 0.15% or less.
제15항에 있어서,
상기 원사의 오일 함량은 0.5%~2.5%이고, 바람직하게는 0.8%~2.5%, 바람직하게는 0.8%~2.4%, 더욱 바람직하게는 0.9%~2.0%이며; 및/또는
상기 원사의 실리콘 함량은 0.01%~0.5%이고; 및/또는
상기 폴리아크릴로니트릴 원사의 모노필라멘트 선밀도는 0.7~1.0dtex이며; 및/또는
상기 폴리아크릴로니트릴 원사는 습식 방사로 제조되는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 탄소섬유 원사.
In Article 15,
The oil content of the above yarn is 0.5% to 2.5%, preferably 0.8% to 2.5%, preferably 0.8% to 2.4%, more preferably 0.9% to 2.0%; and/or
The silicone content of the above yarn is 0.01% to 0.5%; and/or
The monofilament linear density of the above polyacrylonitrile yarn is 0.7 to 1.0 dtex; and/or
A polyacrylonitrile carbon fiber yarn, characterized in that the above polyacrylonitrile yarn is manufactured by wet spinning.
폴리아크릴로니트릴 원사, 바람직하게는 제15항 또는 제16항에 따른 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조방법에 있어서,
습식 방사를 포함하고 오일링 단계를 포함하며, 상기 오일링 단계는 연속되는 2회의 오일링 공정을 포함하고, 2회의 오일링 공정 사이에 건조 치밀화 단계가 없으며, 1차 오일링 공정은 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고, 2차 오일링 공정은 실리콘 함유 유제를 사용하는 것을 특징으로 하는, 폴리아크릴로니트릴 원사의 제조방법.
In a method for producing polyacrylonitrile yarn, preferably polyacrylonitrile yarn according to claim 15 or 16,
A method for producing polyacrylonitrile yarn, comprising wet spinning and an oiling step, wherein the oiling step comprises two consecutive oiling processes, there is no dry compaction step between the two oiling processes, the first oiling process uses a non-silicon emulsion, a low-silicon emulsion, or a combination thereof, and the second oiling process uses a silicone-containing emulsion.
제17항에 있어서,
1차 오일링 공정은 중량 농도가 0.1% ~5.0%인 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 또는 이들의 조합을 사용하고; 및 2차 오일링 공정은 중량 농도가 0.1%~5.0%인 실리콘 함유 유제를 사용하며; 및/또는
2차 오일링 체류 시간은 1차 오일링 체류 시간보다 짧고; 및/또는
상기 비실리콘 유제, 저실리콘 유제 및 실리콘 함유 유제의 평균 입자 크기는 각각 독립적으로 50nm~500nm이며; 및/또는
2차 오일링 공정에 사용되는 실리콘 함유 유제의 실리콘 함량은 0.01중량%~0.9중량%이고; 및/또는
상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제와 실리콘 함유 유제의 pH 차이값은 1보다 크지 않으며; 및/또는
상기 비실리콘 유제 또는 저실리콘 유제 중의 계면활성제는 상기 실리콘 함유 유제 중의 계면활성제는 극성이 서로 반대가 아니며, 바람직하게는 상기 실리콘 함유 유제는 비이온성 계면활성제를 함유한 유제이고; 및/또는
오일링 전 폴리아크릴로니트릴 원사를 수세 후 섬유의 팽윤도는 80~150%이며; 및/또는
상기 제조 방법은 상기 폴리아크릴로니트릴 원사를 얻기 위해 폴리아크릴로니트릴 원액을 습식 응고 성형, 응고 연신, 고온수 연신, 수세, 오일링, 건조 치밀화, 증기 연신 및 증기 열성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
In Article 17,
The primary oiling process uses a non-silicone emulsion, a low-silicone emulsion, or a combination thereof with a weight concentration of 0.1% to 5.0%; and the secondary oiling process uses a silicone-containing emulsion with a weight concentration of 0.1% to 5.0%; and/or
The secondary oiling residence time is shorter than the primary oiling residence time; and/or
The average particle size of the above non-silicon emulsion, low-silicon emulsion and silicone-containing emulsion is each independently 50 nm to 500 nm; and/or
The silicone content of the silicone-containing emulsion used in the secondary oiling process is 0.01 wt% to 0.9 wt%; and/or
The pH difference between the non-silicone or low-silicone emulsion and the silicone-containing emulsion is not greater than 1; and/or
The surfactant in the non-silicone emulsion or low-silicone emulsion is not opposite in polarity to the surfactant in the silicone-containing emulsion, and preferably, the silicone-containing emulsion is an emulsion containing a nonionic surfactant; and/or
The swelling degree of the fiber after washing the polyacrylonitrile yarn before oiling is 80 to 150%; and/or
The above manufacturing method is characterized in that it includes the steps of wet coagulation molding, coagulation stretching, high-temperature water stretching, water washing, oiling, dry densification, steam stretching and steam thermoforming of the polyacrylonitrile raw material to obtain the above polyacrylonitrile yarn.
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