열처리 온도에 따른 열분해 연료유 내 휘발유분 및 잔류 중질유분의 구조 분석

안동해 ( Donghae An ),김경훈 ( Kyung Hoon Kim ),김종구 ( Jong Gu Kim ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2019 공업화학 Vol.30 No.3

열분해 연료유(pyrolysis fuel oil)의 열처리 시 발생되는 구조변화를 파악하기 위하여 열처리 온도에 따라 발생되는 휘발유분(volatile matters) 및 중질유분을 분리하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 중질유분의 수율은 낮아지며, 탄화수율은 높아지는 것을 확인하였다. 휘발유분의 ¹H-NMR 구조분석 결과, 원료에 포함되어 있던 1~2환 방향족 성분들은 340 ℃ 이전의 온도에서 대부분 제거되었으며, 320 ℃부터는 크래킹 반응에 의하여 방향족 화합물로부터 지방족 탄화수소 곁사슬이 분해됨에 따라 새로운 휘발유분을 생성하는 것을 확인하였다. 한편 중질유분의 원소분석 및 ¹H-NMR 구조분석 결과로부터, 열처리 온도가 증가할수록 C/H 몰비 및 방향족화도 값이 증가함을 알 수 있었다. 이러한 구조분석 결과를 통하여 PFO의 280~360 ℃에서의 열처리에 따른 구조 변화는 비점 차이에 따른 휘발유분의 분리 및 크래킹반응에 의한 지방족 곁사슬의 분해가 가장 큰 영향을 미치며, 일부 화학종 간 중합반응 또한 발생된 것을 확인하였다. In order to investigate structural changes of the pyrolysis fuel oil (PFO), the volatile matters and heavy oil fractions were separated from PFO by heat treatment temperature. As a result of ¹H-NMR analysis of volatile matters, 1~2 ring aromatic compounds contained in the petroleum residue were mostly removed at a temperature before 340 ℃. Moreover, new peaks corresponding to aliphatic hydrocarbons were detected at the chemical shift of 2.0~2.4 ppm. It is attributed that the aliphatic hydrocarbon sidechain was cracked from the aromatic compound by the cracking reaction occurred at 320 ℃. The C/H mole ratio and aromaticity increased with increasing the heat treatment temperature. Therefore, from the structural analysis results of heavy oil fractions and volatile matters from PFO, the decomposition of the aliphatic sidechain by cracking reaction and the separation of volatile matters by boiling point of components were mostly affected structure changes of the PFO.

탄소재료가 내첨된 열전도성 복합재의 연구 동향

안동해 ( Donghae An ),김경훈 ( Kyung Hoon Kim ),김지욱 ( Ji-wook Kim ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2020 공업화학 Vol.31 No.1

전자기기의 고도화 및 소형화에 따라, 기기의 효율 및 수명에 영향을 미치는 발열 문제를 해결하는 것은 가장 큰 해결난제 중 하나가 되었다. 이를 해결하기 위하여 금속 및 세라믹 기반의 높은 열전도도를 가지는 재료가 많이 사용되어왔으나, 낮은 기계적 물성 및 높은 중량으로 인해 가벼우면서도 기계적 특성이 좋은 고분자를 기지재로 사용하고 높은 열전도도를 갖는 탄소재료를 필러로 사용한 열전도성 복합재가 주목받고 있다. 열전도성 복합재의 열전도도를 향상시키기 위해서는 효과적인 포논의 이동이 이루어지도록 포논 산란이 억제되야한다. 본 논문에서는 탄소재료/고분자복합재의 포논 이동 및 산란 억제에 관련된 연구를 분류하고, 열전도도 향상을 위하여 적용된 다양한 방법들에 대하여 논의하였다. As electronic devices become more advanced and smaller, one of the biggest problems to solve is the heat affecting the efficiency and lifetime of instruments. High thermal conductivity materials, in particular, metal or ceramic ones, have been used to reduce the heat generated from devices. However, due to their low mechanical properties and high weight, thermally conductive composites composed with polymers having a light-weight and good mechanical properties as a matrix and carbon materials having high thermal conductivity as a thermally conductive filler have been attracting great attention. To improve the thermal conductivity of the composites, a phonon scattering must be suppressed to move phonon effectively. In this review, we classified researches related to phonon migration and scattering inhibition of carbon/polymer composites, and discussed various methods to improve thermal conductivity.

석유계 바인더 피치의 β-resin이 탄소블럭의 밀도에 미치는 영향

김경훈,이상민,안동해,이영석,Kim, Kyung Hoon,Lee, Sangmin,An, Donghae,Lee, Young-Seak 한국공업화학회 2017 공업화학 Vol.28 No.4

Carbon blocks were prepared by compression molding process using the mixture of isotropic cokes and binder pitches, which were reformed with different ${\beta}$-resin contents from pyrolysis fuel oil. Physical and chemical properties and also thermal behavior of binder pitches were investigated through elemental analysis, FT-IR and thermogravimetric analysis, respectively. The adhesion of binder pitches to isotropic coke particles was evaluated from SEM images of the fracture surface of carbon blocks. From these results, it is shown that the adhesion between the cokes and binder was enhanced by increasing the ${\beta}$-resin content of binder pitches. The density of the carbon block after carbonization also increased from 1.325 to $1.383g/cm^3$ by increasing the ${\beta}$-resin content of binder pitches from 1.4 to 20.1%. 석유 잔사유로부터 제조된 ${\beta}$-resin 함량이 각각 다른 바인더 피치와 등방코크스를 혼합 후 압축성형을 거쳐 탄소블럭을 제조하였다. 원소분석, FT-IR 및 열중량 분석을 통하여 바인더 피치의 물리적, 화학적 특성 및 열적 거동을 각각 고찰하였다. 또한, 주사전자현미경을 이용하여 측정된 탄소블럭의 파단면으로부터 등방코크스 입자와 바인더 피치의 결합성을 평가하였다. 실험 결과로부터 바인더 피치의 ${\beta}$-resin 함량이 높을수록 코크스와 바인더의 결합성이 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 탄소블럭의 탄화 후 밀도는 ${\beta}$-resin 함량이 1.4%에서 20.1%로 증가함으로 인하여 $1.325g/cm^3$에서 $1.383g/cm^3$으로 증가하였다.

석유계 바인더 피치의 β-resin이 탄소블럭의 밀도에 미치는 영향

김경훈 ( Kyung Hoon Kim ),이상민 ( Sangmin Lee ),안동해 ( Donghae An ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2017 공업화학 Vol.28 No.4

석유 잔사유로부터 제조된 β-resin 함량이 각각 다른 바인더 피치와 등방코크스를 혼합 후 압축성형을 거쳐 탄소블럭을 제조하였다. 원소분석, FT-IR 및 열중량 분석을 통하여 바인더 피치의 물리적, 화학적 특성 및 열적 거동을 각각 고찰하였다. 또한, 주사전자현미경을 이용하여 측정된 탄소블럭의 파단면으로부터 등방코크스 입자와 바인더 피치의 결합성을 평가하였다. 실험 결과로부터 바인더 피치의 β-resin 함량이 높을수록 코크스와 바인더의 결합성이 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 탄소블럭의 탄화 후 밀도는 β-resin 함량이 1.4%에서 20.1%로 증가함으로 인하여 1.325 g/cm3 에서 1.383 g/cm³으로 증가하였다. Carbon blocks were prepared by compression molding process using the mixture of isotropic cokes and binder pitches, which were reformed with different β-resin contents from pyrolysis fuel oil. Physical and chemical properties and also thermal behavior of binder pitches were investigated through elemental analysis, FT-IR and thermogravimetric analysis, respectively. The adhesion of binder pitches to isotropic coke particles was evaluated from SEM images of the fracture surface of carbon blocks. From these results, it is shown that the adhesion between the cokes and binder was enhanced by increasing the β -resin content of binder pitches. The density of the carbon block after carbonization also increased from 1.325 to 1.383 g/cm³ by increasing the β-resin content of binder pitches from 1.4 to 20.1%.

정전기 방전에 의해 제조된 흑연박리 그래핀 첨가 폴리이미드 막의 열전도 향상

임채훈 ( Chaehun Lim ),김경훈 ( Kyung Hoon Kim ),안동해 ( Donghae An ),이영석 ( Young-seak Lee ) 한국공업화학회 2021 공업화학 Vol.32 No.2

본 연구에서는 폴리이미드(polyimide; PI) 막(film)의 열전도도를 향상시켜 그 응용성을 확대하고자, 정전기 방전법을 이용하여 흑연봉으로부터 그래핀을 제조하고 제조된 그래핀을 첨가하여 폴리아믹산(polyamic acid; PAA) 전구체로부터 200 μm두께의 폴리이미드 기반 열전도 막을 제조하였다. 정전기 방전 기법으로 생산된 그래핀은 라만, XPS, TEM등을 이용하여 물성을 평가하였다. 제조된 그래핀은 라만 스펙트럼 분석 결과 I_D/I_G 값이 0.138이며, XPS 분석 결과 C/O 비율이 24.91로 구조적, 표면화학적으로 우수한 물성을 나타내었다. 또한, 흑연 박리 그래핀의 첨가량에 따라 폴리이미드 막의 열전도도는 지수함수적으로 증가하였으며, 그래핀 함량을 40% 초과 시에는 폴리이미드 막을 제조할 수 없었다. 그래핀을 폴리아믹산 중량 대비40 wt% 첨가하여 제조된 폴리이미드 막의 열원반(hot disk) 열전도도는 51 W/mK를 나타내었으며, 순수한 폴리이미드 막의 열전도도(1.9 W/mK)보다 크게 향상되었다. 이 결과는 정전기 방전기법으로 제조된 박리 그래핀의 우수한 물성에 기인한 것으로 판단된다. A thermally conductive 200 μm thick polyimide-based film was made from a polyamic acid (PAA) precursor containing graphene prepared from graphite rod using an electrostatic discharge method in order to improve the thermal conductivity and expand the applicability of polyimide (PI) film. Properties of graphene produced by electrostatic discharge were measured by Raman spectroscopy, transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As a result of Raman spectrum and XPS analyses of as-prepared graphene, the I_D/I_G ratio was 0.138 and C/O value was 24.91 which are excellent structural and surface chemical properties. Moreover, thermal conductivities of polyimide films increased exponentially according to graphene contents but when the graphene content exceeded 40%, the polyimide film could not maintain its shape. The thermal conductivity of carbonized PI film made from PAA containing 40 wt% of graphene was 51 W/mK which is greatly enhanced from the pristine carbonized PI film (1.9 W/mK). This result could be originated from superior properties of graphene prepared from the electrostatic discharge method.