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Bicomponent nanofibers with piezoelectric and latent-crimp properties were fabricated from two polymer solutions of polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyurethane (PU) by electrospinning. Experimental conditions for electrospinning, such as applied voltage, solution concentration, and flow rate, we...

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문제 정의

  • 본 연구에서는 인장 및 압축 방향으로의 압전성을 갖는 나노섬유를 제조하기 위해 압전특성을 갖는 고분자인 PVDF와 신축성 및 탄성회복이 우수한 고분자인 PU(polyurethane)를 사용하여 전기방사를 통해 잠재권축성 및 압전특성을 갖는 복합나노섬유를 제조하고자 하였다. 또한 압축 방향의 압전성 증진을 고려하여, 제조된 나노섬유의 크림프를 형성을 실험하여 복합나노섬유의 형상 변화를 고찰하고자 하였다.
  • 또한, 적외선분광분석을 통해 열수처리가 PVDF/PU 복합나노섬유의결정특성에 미치는 영향을알아보았다. Figure 16은 열수처리를 거치지 않은 PVDF/PU 복합나노섬유와 열수처리를 거친 PVDF/PU 복합나노섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 도표이다.
  • 열수축률이 서로 다른 PVDF와 PU로부터 제조된 복합나노섬유를 두 고분자의 융점보다 낮은 온도에서 열수축시키면 상대적으로 열수축률이 큰 PU가 para-cortex를 구성하고, 열수축률이 작은 PVDF가 ortho-cortex를 이루며 인공권축섬유가 형성된다[11]. 본 연구에서는 열수처리를 통하여 PVDF/PU 복합나노섬유에 크림프를 형성하는 것을 시도하였다.
  • 본 연구에서는 용액의 농도, 용액 토출속도(공급 유속), 인가전압조건 등 다양한 전기방사 조건에 따른 PVDF와 PU의 복합방사를 통해 나노섬유의 방사성의 변화 및 압전특성과 밀접한 관련을 갖는 β형 결정상의 함량을 분석하여 최적 방사조건에 대해 고찰하였으며, 제조된 섬유의 열처리를 통한 크림프 형성에 대해 고찰하였다.
  • 본 연구에서는 인장 및 압축 방향으로의 압전성을 갖는 나노섬유를 제조하기 위해 압전특성을 갖는 고분자인 PVDF와 신축성 및 탄성회복이 우수한 고분자인 PU(polyurethane)를 사용하여 전기방사를 통해 잠재권축성 및 압전특성을 갖는 복합나노섬유를 제조하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기방사의 원리는? 주사기 펌프(syringe pump)에 의해 토출되어 노즐 팁에 매달린 용액 방울(droplet, 액적)에 전압을 대전시키면, 액적은 원뿔의 형태로 변형되는데, 테일러콘(Taylor cone)이라고 알려진 이 왜곡은 표면전하와 외부 전계에 의해 가해지는 쿨롱 힘 사이의 정전기적 반발력에 기인한다[9]. 충분히 높은 전압이 인가되어 표면 전하 사이의 정전기적 반발력이 용액의 표면장력을 넘어설 때, 즉, 임계전압에서 고분자 용액은 노즐팁으로부터 jet이 형성되고, 방사 중 용매가 휘발되며 직접판(collector) 상에 고체 섬유가 형성되는 것이 전기 방사의 원리이다[1,9].
PVDF의 특성이 CH2와 CF2 그룹이 반복되는 간단한 화학구조로부터 나타나는 이유는 무엇인가? 그 뿐만 아니라, 우수한 기계적 성질, 높은 내화학성, 좋은 열안정성 및 가공성 등 뛰어난 성질을 가지고 있어 광범위하게 연구되고 있는 고분자이다[1]. 이러한 PVDF의 특성은 CH2와 CF2 그룹이 반복되는 간단한 화학구조로부터 나타나는데, 분자의 구조적 배열이 공정 조건 등에 따라 변화하며 그 성질을 변화시키기 때문이다[2]. PVDF는 반결성 고분자로써 최소 4종류의 결정이 혼재된 구조를 가지며 그 구조는 결정 형태에 따라 α형, β형, γ형 및 δ형으로 구분되며 α형과 β형 결정상이 가장 흥미로운 구조이다[3].
β형 결정상은 어떻게 얻을 수 있는가? β형 결정상은 PVDF의 결정 구조 중에서 가장 중요한 결정상으로 트랜스형 분자쇄가 평행으로 충진되어 있는 형태이기 때문에 PVDF 단위체의 영구 쌍극자가 모두 한방향으로 배열되어 있어 자발분극이 큰 구조를 가지게 되는데, β형 결정상의 이러한 특징이 PVDF가 가진 압전특성 및 강유전성의 원인이 된다[4−7]. β형 결정상은 고압에서의 용융결정화를 통해 직접적으로 얻거나, 저온 연신, 고온 초연신, 초고압 열처리, 고전압장에서의 분극 등 특수한 후처리를 통해 α형 결정상을 변환시켜 얻을 수 있다[2].
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참고문헌 (13)

  1. J. S. Andrew and D. R. Clarke, “Effect of Electrospinning on the Ferroelectric Phase Content of Polyvinylidene Difluoride Fibers”, Langmuir, 2008, 24, 670-672. 

  2. E. S. Cozza, O. Monticelli, E. Marsano, and P. Cebe, "On the Electrospinning of PVDF: Influence of the Experimental Conditions on the Nanofiber Properties", Polym. Int., 2013, 62, 41-48. 

  3. S. M. Yu, H. J. Oh, S. K. Hwang, Y. S. Chung, H. Y. Hwang, and S. S. Kim, "The Effects of Post-Treatments for Wet Spun PVDF on the Piezoelectric Property", Compos. Res., 2013, 26, 123-128. 

  4. A. Toda, "Three-dimensional Morphology of PVDF Single Crystals Forming Banded Spherulites", Polym. Sci., 2001, 42, 2223-2233. 

  5. G. T. Davis, J. E. McKinney, M. G. Broadhurst, and S. C. Roth, "Electric-field-induced Phase Change in Poly(vinylidene fluoride)", J. Appl. Phys., 1978, 49, 4998. 

  6. S. M. Damaraju, S. Wu, M. Jaffe, and T. L. Arinzeh, "Structural Changes in PVDF Fibers due to Electrospinning and Its Effect on Biological Function", Biomed. Mater., 2013, 8, 045007. 

  7. A. Lund and B. Hagstrom, "Melt Spinning of Poly(vinylidene fluoride) Fibers and the Influence of Spinning Parameters on $\beta$ -phase Crystallinity", J. Appl. Polym. Sci., 2010, 116, 2685-2693. 

  8. D. Li and Y. Xia, "Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?", Adv. Mater., 2004, 16, 1151-1170. 

  9. N. K. Ye and H. S. Kim, "Fundamental Studies on the Electrospinning Instability for Controlling the Electrospinning Process", Text. Sci. Eng., 2012, 49, 250-254. 

  10. T. Kikutani, J. Radhakrishnan, S. Arikawa, A. Takaku, N. Okui, X. Jin, F. Niwa, and Y. Kudo, "High-speed Melt Spinning of Bicomponent Fibers: Mechanism of Fiber Structure Development in Poly(ethylene terephthalate)/polypropylene system", J. Appl. Polym., 1996, 62, 1913-1924. 

  11. C. M. Seo, "Studies on Crimp Characteristics of Bicomponent Fibers", MS Thesis, Seoul National University, Korea, 2000. 

  12. H. C. Ryu, "Polyurethane Membrane Coating on Polyester Fabric Using ElectroSpinning Apparatus", MS Thesis, Soongsil University, Korea, 2011. 

  13. S. Satapathy, S. Pawar, P. K. Gupta, and K. B. R. Varma, "Effect of Annealing on Phase Transition in Poly(vinylidene fluoride) Films Prepared Using Polar Solvent", Bull. Mater. Sci., 2011, 34, 727-733. 

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