Lightweight but strong carbon fibers(CFs) have been extensively selected as a reinforcing filler for plastic products used in aerospace, sporting goods, wind energy, automobile, electronics, and civil engineering industries. The market for CFs in composite materials is projected to grow dramatically over the next few decades because a growing number of governments revised environmental standards and required higher fuel efficiency of vehicles to reduce carbon emissions and address issues associated with climate crisis. Although polyacrylonitrile (PAN)-based fibers have been widely used as a precursor for the fabrication of high-performance CFs, a high manufacturing cost of PAN-based CFs has been considered one of the reasons for limited uses of carbon fibers in various sectors. Therefore, it is generally stated that low-cost polymeric materials should be investigated and utilized as an alternative precursor to fabricate cost-effective CFs to replace PAN.Cellulose, an important structural component of plant cell walls and the most abundant carbohydrate macromolecule in our biosphere, has been regarded one of the biorenewable and low-cost precursors for the production of CFs. The fabrication of CFs from cellulose dates back to the late 19th century when it was used to make filaments for light bulbs. However, a number of works suggest that the low carbon yield from cellulose after carbonization is one of the major challenges in using it as a CF precursor because an excessive loss of carbon atoms from a fiber leads to a substantial reduction in its structural integrity and, consequently, its mechanical properties. To solve this problem, fibers spun from cellulose are generally subjected to an extremely lengthy thermostabilization step to obtain CFs with measurable mechanical properties after carbonization. However, this approach significantly undermines the advantage of lignocellulosic materials as cost-effective carbon precursors. Hence, it is of great necessity to modify the process to efficiently convert fibers spun from cellulose to CFs.In this work, a couple of pretreatments are represented for accelerated thermostabilization of cellulose-based fibers. Precursor fibers spun from cellulose were treated with sulfuric acid or electron-beam irradiation prior to thermostabilization. We observed that pretreated cellulose fibers underwent considerable chemical reactions during the subsequent thermostabilization, leading to a rapid transformation from linear cellulosic macromolecular chains into crosslinked network. We also verified that pretreated fibers were successfully carbonized with higher mass yield compared to non-treated fibers, resulting in the preparation of cellulose-derived carbon fibers with measurable mechanical properties even with the rapid thermostabilization process. As the subsequent thermostabilization after pretreatments required a dramatically short period of time, the time and energy consumption for the fabrication of CFs were greatly diminished, which may ultimately contribute to a reduction in the total cost of CF manufacturing.
탄소섬유는 항공우주, 스포츠 용품, 풍력 에너지, 자동차, 연료전지, 토목산업 등에 사용되는 플라스틱 제품의 보강재로 널리 사용된다. 이렇게 보강된 플라스틱 복합재료는 가벼우면서도 높은 기계적 물성을 가지므로 기존 구조 재료를 대체함으로써 탄소 배출 저감은 물론 이와 관련된 기후 위기 문제를 해결해 줄 것으로 기대되기 때문에, 탄소 섬유 시장은 향후 급격히 성장할 것으로 예상된다. 그러나 고가의 폴리아크릴로니트릴을(Polyacrylonitrile, PAN) 전구체 섬유로 사용하기 때문에 탄소섬유의 생산 비용이 높은 것이 단점이다. 따라서 PAN을 대체할 수 있는 전구체로서 저렴한 고분자 소재를 기반으로 한 저가 탄소섬유 제조가 필요하다. 식물 세포벽의 중요한 구성 성분인 셀룰로스는 생태계에서 가장 풍부한 탄수화물 거대 분자 중 하나이기에 탄소섬유 생산을 위해 활용할 수 있는 재생가능하면서도 저렴한 전구체로 여겨진다. 하지만 셀룰로스는 탄화 후 탄소 수율이 낮은 것이 많은 연구를 통해 알려져 있고, 이러한 섬유 내 탄소 원소의 과도한 손실이 구조 결정성의 감소로 이어져 결과적으로 셀룰로스 기반 탄소섬유는 PAN 기반 탄소섬유에 비해 기계적 특성이 낮다. 따라서 셀룰로스를 탄소섬유 전구체로 사용하는 것은 도전적인 과제로 남아있다. 이 문제를 해결하기 위한 일반적인 해결책으로서 셀룰로스로부터 방사된 전구체 섬유를 오랜 시간 동안 열안정화 공정을 거치게 하는 것이 알려져 있다. 그러나 이러한 방식은 연장된 열처리 공정으로 인한 시간 및 에너지 소모가 막대하므로 저렴한 탄소섬유 제조라는 셀룰로스의 이점을 크게 상쇄시킨다. 따라서 셀룰로스 기반 전구체 섬유를 효과적으로 탄소섬유로 전환하기 위해서는 기존 공정을 적절히 수정하거나 새로운 과정을 도입하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 셀룰로스 기반 섬유의 열안정화를 위해 몇 가지 전처리를 수행한다. 구체적으로는 셀룰로스로부터 방사된 전구체 섬유의 열안정화 공정 직전에 황산 함침 또는 전자선 조사 과정을 도입하였다. 전처리된 셀룰로스 전구체 섬유는 후속 열안정화 초기 단계에서 섬유 전반에 걸쳐 축합 및 첨가반응이 일어남에 따라 선형 셀룰로스 대형 분자 사슬이 가교된 네트워크로 빠르게 전환되었다. 또한, 전처리 후 탄화된 섬유는 전처리되지 않고 탄화된 섬유보다 높은 질량 수율을 가졌기에 최종적으로 측정 가능한 기계적 특성을 갖춘 셀룰로스 기반 탄소섬유를 제조할 수 있었다. 한편, 전처리된 셀룰로스 섬유의 후속 열안정화 공정 시간은 통상적인 셀룰로스 섬유의 열안정화 공정 시간보다 대폭 단축되었기 때문에 탄소섬유 제작을 위한 시간 및 에너지 소모가 크게 감소되는 것을 확인하였고, 이는 궁극적으로 탄소섬유 제조의 총 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.