Activated pitch-based carbon fiber is typically produced through four sequential processes, including melt-spinning, oxidation, pre-carbonization, and activation. During heat treatment, the pitch-based fiber gradually transforms into a graphene-like structure, which enhances thermal stability and mechanical strength. Additionally, activation modifies the dense structure into a highly porous carbon fiber. In this study, the viscoelasticity of pitch melts is identified as a critical factor that influences not only the mechanical properties and porosity of the final carbon fiber but also its melt-spinnability. Under optimal melt-spinnability conditions, fibers spun from high-viscosity pitch exhibit stronger interactions between carbon atoms and oxygen functional groups during oxidation. This interaction leads to increases of 35% in tensile strength and 24% in elastic modulus. However, the excessive release of oxygen-carbon bonds during carbonization results in reduced mechanical strength and specific surface area. These findings highlight the significant role of melt viscoelasticity in determining the physical properties of carbon fibers. Furthermore, rheological analysis provides a comprehensive understanding of the overall carbon fiber preparation process.

활성화 피치 탄소섬유는 일반적으로 용융방사, 산화, 탄화, 활성화 공정의 네 단계를 통해 제조된다. 피치 섬유는 산화 및 탄화 공정을 통해 그래핀과 같은 구조로 전환되어 우수한 열안정성과 기계적 성질을 갖는다. 또한, 활성화 공정은 밀도가 높은 탄소섬유를 밀도가 낮은 다공성 구조로 변형시킨다. 이 연구에서는 피치 용융물의 점탄성과 용융방사의 상관 관계를 파악하였고, 피치의 점탄성이 탄소 섬유의 기계적 특성과 다공성에도 영향을 주는 것을 분석하였다. 상대적으로 높은 점탄성을 가진 피치계 용융물은 섬유 방사성이 더 우수하였고, 산화 과정에서 탄소 원자들과 산소 작용기 간의 상호작용으로 인해 인장강도는 35%, 탄성계수는 24% 증가하였다. 이후 탄화 및 활성화 과정에서 탄소와 산소 간 결합이 제거되어 기계적 강도와 비표면적이 감소하였다. 용융 방사물의 점탄성 분석은 탄소 섬유의 기계적 특성 및 탄화된 섬유의 기공 특성, 섬유 제조 공정을 최적화하는데 유용하다고 판단한다.

Keywords: pitch, carbon fiber, rheological characterization, melt-spinnability, oxidation, activation.