용매 선택과 상대 습도 제어로 전기방사 PVDF 나노섬유 2차 표면 형태 제어

초록

단일 또는 이원 용매 시스템과 제어된 상대 습도를 사용하여 거대 기공, 거친 표면, 그루브, 내부 기공 등 맞춤형 2차 형태를 가진 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 나노섬유 제조 위한 단순하고 재현성 높은 프로토콜 제시. 체계적 연구로 수증기가 비용매 역할을 하여 상대 습도 특정 범위 내 있을 때 상분리 유도 필수적임 밝혀짐. 용매 증발 속도(아세톤, DMF, 혼합물)와 물 확산 속도가 표면 기공, 내부 보이드, 텍스처 특징 출현 결정. 질소 흡착 측정에서 거대 기공 섬유(>300 nm) 비표면적 23.31 ± 4.30 m² g⁻¹, 기공 부피 0.0695 ± 0.007 cm³ g⁻¹로 실리콘 오일 50.58 ± 5.47 g g⁻¹, 모터 오일 37.74 ± 4.33 g g⁻¹, 올리브 오일 23.96 ± 2.68 g g⁻¹ 뛰어난 오일 흡착 능력 달성. 이 발견은 고기능성 전기방사 소재 설계를 위한 실용적 로드맵 제공.

배경

전기방사는 정전기력으로 폴리머 용액을 나노미터-마이크로미터 직경 섬유로 연신. 공정 파라미터 조절로 비드, 다공, 그루브, 중공, 코어-쉘 등 풍부한 형태 라이브러리 구현. 전기방사 나노섬유는 높은 표면적, 유연성, 구조 다양성으로 에너지 하베스팅, 센서, 여과, 생물의료 기기, 자가세정 표면 이상적.

2차 표면 특징—다공, 거친, 그루브—는 기능적 성능 크게 향상. 다공 섬유 촉매/여과 효율 증대, 거친 표면 마찰전기 출력 증가, 그루브 구조 조직공학 및 초소수성 유리. 그러나 PVDF에서 이러한 특징 체계적 제어는 아직 충분히 탐구 안됨.

실험 방법

재료

PVDF(Mn=275 kDa) Sigma-Aldrich; 아세톤(ACE), N,N-디메틸포름아마이드(DMF) Shanghai Chemical Reagents. 시약 무처리 사용.

전기방사 장치

18% ACE/PVDF, 35% DMF/PVDF, 25% ACE/DMF PVDF(비율 4:1~1:4) 용액 제조. 21G 니들, 주사기 펌프(1.5 mL h⁻¹), 18 kV 적용. 섬유 40 cm × 20 cm 드럼(2 rpm, 니들로부터 18 cm)에 수집. 실험 20°C, 상대 습도 5%, 25%, 45%, 65%로 가습기/제습기 제어.

삼원 상도

65% RH에서 탈염수 적정으로 PVDF 용액 구름점 측정, 양상 곡선 작도하여 용매-물-폴리머 공존 영역 확인.

특성 분석

섬유 형태와 단면 FE-SEM(Hitachi S-4800) 금 코팅 후 관찰. 직경 이미지 분석 측정. 질소 흡착-탈착 등온선(JW-BK132F)으로 비표면적, 기공 크기, 부피 데이터 획득. 오일 흡착: 건조 섬유 0.3 g 물-오일 1:1 혼합액 1시간 침지, 40분 드레인 후 Q=(m₀-m₁)/m₁로 용량 계산.

결과 및 고찰

ACE 기반 섬유

5% RH에서 매끄러운 고체 내부 섬유 형성—상분리 없음. RH 25-65% 증가 시 표면 거대 기공 유도. 단면에서 25% RH 고체 내부(TIPS), 45-65% RH 내부 기공(TIPS와 VIPS 동시 발생). 거대 기공 크기 25% RH ~50 nm → 65% RH ~400 nm 증가. 섬유 직경 0.77 µm → 1.81 µm 증가.

DMF 기반 섬유

5% RH 매끄러운 섬유; 25-65% RH 거친 표면과 내부 기공(VIPS). 물 증기압이 DMF보다 높아 물 유도 상분리 촉진, PVDF 외피 형성해 DMF 가두고 기공 생성. 직경 0.8 µm → 1.79 µm 증가.

ACE/DMF 혼합물 섬유

25% PVDF, 다양한 ACE/DMF 비율로 형태 스펙트럼 출현: 매끄러운(5% RH), 기둥-얕은 그루브(25% RH), 기둥-종방향 그루브(45-65% RH). 25-65% RH 모든 섬유 내부 기공 보유; 그루브 텍스처는 초기 유리질 스킨 형성 후 주름 기반 신장 결과. RH 증가 시 그루브 폭과 깊이 확대. 섬유 직경 용매 비율 의존: 1:1 비율 5% RH 최 얇음(~0.6 µm), 65% RH ~2 µm.

상 거동

65% RH 삼원 상도에서 양상 곡선으로 두 구역 분리. 제트 시작 시 균질 구역(I); ACE 급속 증발로 조성 구역 II 이동, 다상 상분리 발생(TIPS+VIPS). 경로는 용매 휘발성 의존.

비표면적, 기공율, 오일 흡착

거대 기공 섬유 최고 비표면적(23.31 ± 4.30 m² g⁻¹), 기공 부피(0.0695 ± 0.007 cm³ g⁻¹). 그루브/거친 섬유 낮은 값(10.26 ± 2.19, 4.81 ± 0.58 m² g⁻¹). 메조기공(2-50 nm) 공통, 거대 기공(>100 nm) 거대 기공 섬유 독점, 우수 오일 흡착 이유. 오일 흡착 시험: 거대 기공 섬유 실리콘 오일 50.58 ± 5.47 g g⁻¹, 모터 오일 37.74 ± 4.33 g g⁻¹, 올리브 오일 23.96 ± 2.68 g g⁻¹ 흡착—그루브/거친 섬유 2배 이상.

결론

용매 조성과 주변 습도 조절로 거대 기공, 거친, 그루브 PVDF 나노섬유(내부 기공 포함) 생성 신뢰성 높고 조절 가능한 전략 확립. 핵심 통찰: 5% RH 무상분리→매끄러운 섬유; 25% RH ACE에서 TIPS 지배; DMF 거친 섬유, ACE/DMF 그루브 텍스처는 VIPS 지배. 구조적 제어 직접 비표면적과 오일 흡착 성능 향상 연결, 고기능성 전기방사 소재 설계 실용 가이드 제공.