Original Article
  • Microstructure and Mechanical Properties of PAN Precursor-Based Carbon Fibers Prepared via Hot-Water and Steam-Drawing Processes

  • Seungmin Yu*, Hyun-Jae Cho**, Sung-Kwang Kim**, Yong-Sik Chung**, Byoung-Suhk Kim*, **†

  • * Department of JBNU-KIST Industry-Academia Convergence Research, Jeonbuk National University, Jeonju 54896, Korea
    ** Department of Carbon Composites Convergence Materials Engineering Jeonbuk National University, Jeonju 54896, Korea

  • 열수 및 스팀 연신 공정에 따른 PAN 전구체 기반 탄소섬유의 미세구조 및 기계적 물성 분석

  • 유승민* · 조현재** · 김성광** · 정용식** · 김병석*, **†

  • This article is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

This study investigates the effects of different drawing processes on the microstructure and mechanical properties of carbon fibers derived from the PAN polymer. Precursor fibers were produced either by hot water drawing (HWD, draw ratio 8.25) or by applying additional steam drawing (SD, 2.5 bar) after intermediate HWD, resulting in a total draw ratio of 11.5. All samples subsequently underwent identical stabilization, carbonization, and graphitization to yield the graphitized fibers (HWD-CF/GF and SD-CF/GF). 2D-XRD analysis showed that the steam-drawn precursor (SD-PF) exhibited superior (100) plane alignment, and after graphitization, SD-GF retained a higher (002) orientation index (O.I. ≈ 0.88) and a 40% larger La than HWD-GF. Raman spectroscopy further indicated improved crystallinity and stacking order (lower ID/IG, higher I2D/IG), leading to enhanced density and modulus. Notably, although SD-CF initially showed slightly lower performance, it underwent significant structural development during graphitization. These results highlight the critical role of precursor drawing history and demonstrate that steam drawing is an effective strategy for improving the modulus of PAN-based carbon fibers.


본 연구에서는 polyacrylonitrile (PAN) 중합체 기반 연신 공정의 차이가 탄소섬유의 미세구조 및 기계적 물성에 미치는 영향을 비교하였다. PAN 전구체 섬유(Precursor Fiber: PF)는 열수 연신(Hot-water Drawing: HWD, 8.25배) 또는 열수 연신 후 스팀 연신(Steam Drawing: SD, 2.5 bar)을 추가하여 총 연신비 11.5배 조건으로 제조(열수 연신 전구체: HWD-PF, 열수/스팀 연신 전구체: SD-PF)되었으며, 이후 동일한 안정화, 탄화 및 흑연화 공정을 거쳐 탄소 섬유(Carbon Fiber: CF) 및 흑연화 섬유(Graphitized Fiber: GF)(HWD-CF, SD-CF, HWD-GF, SD-GF)를 제조하였다. 2D-XRD 분석 결과, SD-PF는 PAN의 (100)면 배향성이 더 우수하였고, SD-GF는 (002)면 배향계수(Orientation Index)가 약 0.88로 더 높았다. 또한, SD-GF는 결정 크기(La)가 HWD-GF 대비 40% 이상 크고, 라만(Raman) 분석에서도 흑연화율 및 적층 질서를 나타내는 ID/IG, I2D/IG에서 더 우수한 특성을 보였다. 이러한 구조 발달은 섬유의 밀도 및 탄성률 향상으로 이어졌으며, 인장강도 또한 유지되거나 향상되었다. 특히 탄화 단계에서는 SD-CF의 물성이 다소 낮았으나, 흑연화 과정에서 구조가 급격히 발달하면서 최종 성능이 현저하게 향상되었다. 본 연구 결과는 PAN 전구체의 연신 이력과 구조적 유연성이 흑연화 구조 및 최종 물성 발현에 결정적임을 보여주며, 스팀 연신이 PAN 기반 고탄성 탄소섬유 제조에 효과적 전략임을 시사한다.


Keywords: 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 탄소섬유(Carbon fiber), 고탄성(High modulus), 스팀 연신(Steam drawing), 열수 연신(Hot-water drawing)

This Article

Correspondence to

  • Byoung-Suhk Kim

  • * Department of JBNU-KIST Industry-Academia Convergence Research, Jeonbuk National University, Jeonju 54896, Korea
    ** Department of Carbon Composites Convergence Materials Engineering Jeonbuk National University, Jeonju 54896, Korea

  • E-mail: kbsuhk@jbnu.ac.kr