전기방사 폴리우레탄 나노섬유의 영률에 미치는 온도 영향

초록

전기방사로 제조한 폴리우레탄(PU) 나노섬유를 원자간력현미경(AFM)으로 조사해 기계적 거동을 정량화했습니다. 개별 섬유에 대한 3점 굽힘 시험 결과, 실온에서 직경 약 150 nm 섬유의 영률이 약 25 GPa로 나타났습니다. 직경이 감소함에 따라 영률이 상승했는데, 이는 표면 장력 효과로 기인합니다. 온도 상승은 섬유 형태를 유지하면서 영률을 선형적으로 감소시켰습니다.

배경

1차원(1D) 나노물질은 독특한 특성과 다양한 응용으로 주목받습니다. 여러 제조 경로가 존재하지만, 전기방사는 저비용, 확장성, 정전기 제트 가늘기를 통한 서브마이크론 섬유 생산 능력으로 두드러집니다.

폴리우레탄은 우레탄 결합으로 연결된 부드러운 세그먼트와 단단한 세그먼트를 결합합니다; 부드러운 사슬은 유연성을, 단단한 사슬은 강도를 제공합니다. 조절 가능한 경도로 PU는 산업 전반에서 인기 있는 선택입니다. 전기방사 PU 섬유는 고성능 공기 필터, 보호 섬유, 상처 드레싱, 센서에 유망합니다. 그러나 나노스케일 시험의 어려움으로 기계적 특성은 잘 이해되지 않았습니다. AFM은 단일 1D 나노구조의 탄성을 탐구하는 실용적 도구로 부상했으며, 직관적인 AFM 기반 3점 굽힘법이 개발되어 높은 정밀도로 영률을 측정합니다.

본 연구에서는 전기방사 PU 나노섬유를 제조하고 AFM 3점 굽힘을 사용해 온도가 영률에 미치는 영향을 조사했습니다.

방법

재료 제조

폴리우레탄 엘라스토머(Elastollan® 1180A10, BASF)를 N,N-디메틸포름아마이드(DMF)와 테트라하이드로푸란(THF; 천진 헝싱 화학시약)의 1:1 혼합물에 용해했습니다. 용액을 실온에서 12시간 동안 격렬히 교반해 완전 용해를 보장했습니다. 전기방사는 상용 시스템(베이징 유칼러리 기술 개발)을 사용했습니다. 스피너릿과 접지된 회전 맨드릴 사이 13 cm 간격에 9~10 kV 고전압을 인가했습니다. 섬유를 수집하고 진공 하에서 하룻밤 건조해 잔류 용매를 제거한 후 테스트 전 데시케이터에 보관했습니다.

물리적 특성화 및 시험

주사전자현미경(SEM, JSM-6610LV)으로 섬유 형태를 평가했습니다. 열중량 분석 및 시차주사열량법(TG/DSC)을 TA 인스트루먼트 SDT Q600으로 아르곤 분위기에서 수행했습니다. 전기방사 막대의 거시적 영률은 인스트론 5943 범용 시험기로 측정했습니다. 나노역학 시험을 위해 섬유를 폭 2 µm, 깊이 3 µm 트렌치가 있는 실리콘 템플릿에 증착했으며, 직경 50 nm 구형 AFM 프로브(브루커 나노)가 트렌치 중심에 힘을 가했습니다. 캔틸레버 스프링 상수는 열적 튜닝으로 보정했고, 사파이어 레퍼런스에서 편향 감도를 설정했습니다. 섬유당 5회 독립 측정을 평균냈습니다. 유한요소 해석(ANSYS 15.0)으로 팁 침투를 평가해 섬유 표면 변형이 무시할 만함을 확인했습니다.

결과 및 논의

SEM 이미지는 수백 나노미터에서 수 마이크로미터 범위의 무작위 섬유 네트워크를 보여줍니다. AFM 단면은 균일한 측면 프로파일을 확인하며 평균 직경은 약 300 nm입니다. TG/DSC 곡선은 두 단계 분해를 나타냅니다: 100~200°C 사이의 미미한 중량 감소(물 및 휘발성 물질)와 ~300°C에서의 현저한 중량 감소(폴리머 분해). FTIR 스펙트럼은 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110, 777 cm⁻¹에서 특징적인 PU 피크를 보여 섬유의 화학적 무결성을 확인합니다.

3점 굽힘 설정(그림 3)에서 영률(E)은 다음 식으로 계산됩니다:

E = FL³ / (192 dI), 여기서 F는 중앙점 힘, L은 현수 길이, d는 처짐, I = πr⁴/4입니다. 시험은 모든 가정(고정단, L≫r, 작은 d)을 만족합니다. FEM 결과는 팁 침투가 변형의 10% 미만임을 보여 선형 탄성 모델을 검증합니다.

영률 대 직경 플롯(그림 4a)은 명확한 크기 의존성을 드러냅니다: 150 nm에서 25 GPa, 300 nm 초과 섬유에서 ~5 GPa로 감소합니다. 이 경향은 다른 폴리머 나노섬유 보고와 일치하며 표면 장력으로 설명됩니다. 표면 장력 모델을 사용하면 PU 나노섬유의 고유 영률은 ≈5.0 GPa로, 전기방사 중 사슬 배향으로 인해 벌크 PU보다 높습니다. 전기방사 막대 자체는 높은 다공성으로 인해 낮은 영률(~0.9 MPa)을 보입니다.

온도 의존 측정(그림 5a)은 155 nm 섬유에 대해 25°C에서 60°C까지 영률이 선형적으로 감소함을 보여줍니다. 60°C에서 AFM 이미징은 섬유가 온전하게 유지되며 직경만 약간 증가(200→214 nm)함을 확인합니다. 이 결과는 PU 나노섬유가 중간 온도에서 치수 안정성을 유지하며 나노센서 및 온도 반응형 소자에 유용할 수 있음을 시사합니다.

내구성 시험(그림 6)은 215 nm 섬유에 50회 굽힘 사이클을 가했습니다. 영률은 본질적으로 변하지 않아 견고한 기계적 회복력을 나타냅니다.

결론

AFM 기반 3점 굽힘으로 전기방사 PU 나노섬유의 영률을 측정했습니다. 직경이 감소함에 따라 영률이 급격히 상승하며, 이 거동은 표면 장력이 지배합니다. 온도는 25°C와 60°C 사이에서 영률을 선형적으로 감소시키지만, 섬유는 형태를 보존하고 반복된 굽힘에도 강성 손실 없이 견딥니다.

약어

1D

1차원 (One-dimensional)

AFM

원자간력현미경 (Atomic force microscopy)

DMF

N,N-디메틸포름아마이드 (N,N-dimethylformamide)

PU

폴리우레탄 (Polyurethane)

SEM

주사전자현미경 (Scanning electron microscopy)

TGA/DSC

열중량 시차주사열량법 (Thermogravimetric differential scanning calorimetry)

THF

테트라하이드로푸란 (Tetrahydrofuran)