In this work, activated carbon nanofiber (ACNF) electrodes with high double-layer capacitance and good rate capability were prepared from polyacrylonitrile nanofibers by optimizing the carbonization temperature prior to $H_2O$ activation. The morphology of the ACNFs was observed by scanning electron microscopy. The elemental composition was determined by analysis of X-ray photoelectron spectroscopy. $N_2$-adsorption-isotherm characteristics at 77 K were confirmed by Brunauer-Emmett-Teller and Dubinin-Radushkevich equations. ACNFs processed at different carbonization temperatures were applied as electrodes for electrical double-layer capacitors. The experimental results showed that the surface morphology of the CNFs was not significantly changed after the carbonization process, although their diameters gradually decreased with increasing carbonization temperature. It was found that the carbon content in the CNFs could easily be tailored by controlling the carbonization temperature. The specific capacitance of the prepared ACNFs was enhanced by increasing the carbonization temperature.
To manufacture a carbon/carbon composite the coal tar pitch was used as the matrix precursor and the PAN (polyacrylonitrile)-based carbon fiber was used as the reinforcing material to weave 3-directional preform. For pressure carbonization HIP equipment was used to produce a maximum temperature of $1000^{\circ}C$ and a maximum pressure of 100 MPa. The carbonization was induced by altering the dwell temperature between $250^{\circ}C$ and $420^{\circ}C$, which is an ideal temperature for the moderate growth of the mesophase nucleus that forms within the molten pitch during the pressure carbonization process. The application of high pressure during the carbonization process inhibits the mesophase growth and leads to the formation of spherical carbon particles that are approximately 30 nm in size. Most particles were spherical, but some particles were irregularly shaped. The spread of the carbon particles was larger on the surface of the carbon fiber than in the interior of the matrix pocket.
Isotropic pitch-based fibers produced from coal tar pitch with the melt-blowing method were carbonized at temperatures ranging from 800 to $1600^{\circ}C$ to investigate their crystalline structure and physical properties as a function of the carbonization temperature. The in-plane crystallite size ($L_a$) of the carbonized pitch fiber from X-ray diffraction increased monotonously by increasing the carbonization temperature resulting in a gradual increase in the electrical conductivity from 169 to 3800 S/cm. However, the variation in the $d_{002}$ spacing and stacking height of the crystallite ($L_c$) showed that the structural order perpendicular to the graphene planes got worse in carbonization temperatures from 800 to $1200^{\circ}C$ probably due to randomization through the process of gas evolution; however, structural ordering eventually occurred at around $1400^{\circ}C$. For the carbonized pitch powder without stabilization, structural ordering perpendicular to the graphene planes occurred at around $800-900^{\circ}C$ indicating that oxygen was inserted during the stabilization process. Additionally, the shear stress that occurred during the melt-blowing process might interfere with the crystallization of the CPF.
본 연구는 개량형 탄화로를 이용하여 제탄과정 중 탄화로 내 외벽체의 온도변화를 측정하고, 제탄된 목탄의 특성을 조사하였다. 공시탄화로의 탄화과정은 8일정도 소요되었다. 탄재탄화시 탄화로 내부온도는 $720^{\circ}C$ 정도 였고, 정련단계에 이르기까지 탄화로 내부온도는 점점 증가하여 정련단계에서는 $1,000^{\circ}C$ 이상의 고온에 달하였다. 연통부는 착화시 $90^{\circ}C$였고, 서서히 증가되어 정련단계에서는 $750^{\circ}C$까지 상승하였다. 이 때 탄화로 벽체의 온도변화는 제탄과정 중의 탄화로 내부의 온도변화 경과곡선과 비슷한 경향을 보여주었다. 제탄과정에서 나타난 탄화로 벽체의 최고 온도는 $500^{\circ}C$ 정도였다. 적외선 열화상카메라를 이용하여 제탄전 탄화로의 내.외벽체의 온도분포를 측정한 결과, 출탄 후 시간이 다소 경과되어도 상당한 양의 잠열이 탄화로 벽체와 천장에서 감지되었다. 출탄된 목탄의 고정탄소은 85.9~89.9%였다. 정련도는 1, 경도는 12, 발열량은 7,047~7,456 kcal/kg, pH는 9.0~9.9였다. 목탄의 수탄율은 13.8% 정도로 기존의 탄화로에 얻어진 수탄율 9.8~12.3%에 비해 1.5% 정도 향상되었다.
국내 하수슬러지는 2012년부터 런던협약에 의해 해양투기가 금지될 예정에 있어 이에 대한 처리방법이 절실한 실정이다. 본 연구에서는 하수슬러지 케익을 재활용하기 위한 방법으로 탄화공정을 이용하여 탄화물 제조 및 에너지 특성에 대한 검토를 실시하였다. 하수슬러지 케익의 기초적 특성과 조성에 의하면, 하수슬러지 케익에는 27%의 인산염이 포함되어 있으며 이는 환원제로서 유해물질 처리에 이용될 수 있다. 하수슬러지 케익의 발열량을 파악한 결과, 저위발열량은 38.7 kcal/kg으로 하수슬러지 케익을 탄화하지 않고 직접 에너지원으로 사용하는 것은 바람직하지 않다. 하수슬러지 케익의 탄화공정에서 최적 탄화온도와 최적 탄화시간은 $250^{\circ}C$와 15분으로 설정되었다. 이 조건에서의 탄화물의 발열량은 비교적 낮아 하수슬러지 케익 탄화물 자체는 신재생 에너지원으로의 가능성은 크지 않다고 판단되나 인산염이 27% 정도가 포함되어 있어 다른 유기성 폐기물과 혼합하여 탄화하는 것이 적합하다고 판단되었다.
Kim, Jin-Myung;Song, In-Seong;Cho, Dong-Hwan;Hong, Ik-Pyo
Carbon letters
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제12권3호
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pp.131-137
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2011
Kenaf fibers, cellulose-based natural fibers, were used as precursor for preparing kenafbased carbon fibers. The effects of carbonization temperature ($700^{\circ}C$ to $1100^{\circ}C$) and chemical pre-treatment (NaOH and $NH_4Cl$) at various concentrations on the thermal change, chemical composition and fiber morphology of kenaf-based carbon fibers were investigated. Remarkable weight loss and longitudinal shrinkage were found to occur during the thermal conversion from kenaf precursor to kenaf-based carbon fiber, depending on the carbonization temperature. It was noted that the alkali pre-treatment of kenaf with NaOH played a role in reducing the weight loss and the longitudinal shrinkage and also in increasing the carbon content of kenaf-based carbon fibers. The number and size of the cells and the fiber diameter were reduced with increasing carbonization temperature. Morphological observations implied that the micrometer-sized cells were combined or fused and then re-organized with the neighboring cells during the carbonization process. By the pre-treatment of kenaf with 10 and 15 wt% NaOH solutions and the subsequent carbonization process, the inner cells completely disappeared through the transverse direction of the kenaf fiber, resulting in the fiber densification. It was noticeable that the alkali pre-treatment of the kenaf fibers prior to carbonization contributed to the forming of kenaf-based carbon fibers.
A study to replace a high temperature thermal carbonization process with microwave plasma process is carried for PAN fiber as a starting material. Near atmospheric pressure microwave plasma (1 Torr~45 Torr) was used to control to get the fiber temperature up to $1,000^{\circ}C$. Even argon is an inert gas, its plasma state include high internal energy particles; ion (15.76 eV) and metastable (11.52 eV). They are very effective to lower the necessary thermal temperature for carbonization of PAN fiber and the resultant thermal budget. The carbonization process was confirmed by both EDS (energy dispersive spectroscopy) of plasma treated fibers and OES (optical emission spectroscopy) during processing step as a real time monitoring tool. The same trend of decreasing oxygen content was observed in both diagnostic methods.
Laser carbonization of a polymer layer can be employed in various applications in the microelectronics industry, e.g repairing brightness pixels of an LCD panel. In this work, the process of thermal degradation of LCD color filter polymer by various laser sources with pulsewidths from CW to fs is studied. LCD pixels are irradiated by the lasers and the threshold irradiance of LCD color filter polymer carbonization is experimentally measured. In the numerical analysis, the transient temperature distribution is calculated and the number density of carbonization in the polymer layer is also estimated. It is shown that all the lasers can carbonize the polymer layers if the output power is adjusted to meet the thermal conditions for polymerization and that pulsed lasers can result in more uniform distribution of temperature and carbonization than the CW laser.
돈분 자체의 저위 발열량은 859~1,075 kcal/kg로 낮게 나타나 열처리 중 한 공정인 탄화공정에 의한 연료의 개질이 필요하다. 돈분의 탄화 공정에서 가장 중요한 인자는 탄화 온도이며 본 연구에서는 탄화온도에 대한 적정 범위의 평가가 돈분의 열적 특성과 돈분의 탄화 반응속도를 통하여 이루어졌다. 열적 특성 분석 결과, 적정 탄화 온도는 높은 수율과 흡열 반응이 일어나는 $240{\sim}320^{\circ}C$로 평가되었다. 돈분 탄화공정에서의 반응속도는 1차 반응식과 Arrhenius 식을 통하여 나타내었으며, 빈도인자(lnA)는 3.05~13.08, 활성화 에너지는 6.94~18.05 kcal/mol로 평가되었다. 돈분 탄화 공정의 높은 효율과 돈분 내부로의 충분한 열전달을 위하여 최적 탄화 시간을 5~20 min로 설정하였을 때, 적정 탄화 온도의 범위는 $260{\sim}300^{\circ}C$로 나타났다.
셀룰로오스의 탄화과정에서는 셀룰로오스의 pyrolysis에 의 해 생산된 타르에 의해 탄화 후, 셀룰로오스 탄화물의 섬유구조를 저해시키는 문제점이 존재한다. 이와 같은 결과는 $800^{\circ}C$이상의 탄화온도와 건조 셀룰로오스를 toluene에 침지하고 초음파 처리 후 탄화한 탄화물에서 감소되지만, 섬유구조만의 탄화물을 얻을 수 없었다. 그러나 셀룰로오스의 탄화에서 타르의 생산을 감소시키는 HCI vapor flow 조건에서의 열처리 과정의 적용과 탄화과정 중 생성된 타르의 제거를 통해서 탄화 후, 대부분의 영역에서 섬유 구조를 갖는 탄화물을 얻을 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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