단일 방향으로 배열된 고분자 나노 섬유 다발의 연신 측정을 위한 스트레칭 디바이스 제작

Abstract

본 연구에서는 고분자 나노 섬유의 인장 특성을 평가하기 위해 문헌에서 보고된 장치의 일부를 개조하여 스트레칭 디바이스를 제작하였고, 이를 이용하여 단일 축으로 배열된 poly(vinyl alcohol) (PVA) 및 poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) 나노 섬유 다발의 인장 특성을 측정하였다. 고분자 나노 섬유의 다양한 응용분야 중에서 압전 장치에 이를 활용하기 위해서는 압전 물질―고분자 복합 섬유의 제조뿐만 아니라 제조된 유무기 복합 섬유 다발의 연신 특성을 평가하는 것이 매우 중요하다. 하지만 현재까지 연구된 고분자 나노 섬유의 기계적 물성 측정법은 주로 다발 형태의 섬유가 아닌 한 가닥의 섬유에 대한 연구에 그칠 뿐만 아니라, 실험실 규모에서의 간단한 방법론에 대해서는 개발이 미흡한 실정이다. 따라서 고분자 나노 섬유 다발의 기계적 물성을 측정하는 간단하고도 새로운 장치의 개발이 절실하고, 이와 더불어 정확한 인장 특성을 측정하기 위해서는 고분자 나노 섬유를 단일 방향으로 배열하는 것과 배열된 섬유 다발을 물성 측정 장치에 슬립 (slip)이 일어나지 않도록 고정하는 방법을 고안하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서 문헌을 참고하여 제작한 스트레칭 디바이스는 스프링이 부착되어 있는 디지털 캘리퍼스와 섬유 다발을 캘리퍼스에 고정시켜 주는 집게 및 섬유다발을 고정시키는 프레임으로 구성되어 있다. 하지만, 연신 측정 방향이 세로 축인 기존 문헌과는 다르게 본 연구에서는 가로 축으로 하여 중력과 같은 외력의 영향을 받지 않도록 개조하였다. 또한 자 대신 디지털 캘리퍼스를 이용하여 0.1 mm 에서 0.01 mm 단위로 보다 정확하게 섬유의 연신 길이를 측정할 수 있다. 섬유 다발을 고정시키는 프레임의 경우, 기존 문헌에서 섬유 다발의 고정을 위해 사용한 테이프의 경우 슬립 (slip)이 일어날 가능성이 있는 반면, 본 연구에서는 poly(dimethyl siloxane) (PDMS)를 사용하여 섬유 다발의 양 말단을 프레임에 고정시켜 측정 도중 섬유의 슬립이 일어나지 않도록 고정 방법을 개선하였다. 연신 측정을 위한 PVA 및 PVP 나노 섬유 다발은 전기방사법을 이용하여 제조되었는데, 단일 방향으로 배열된 섬유 다발을 제조하기 위해 문헌을 참조하여 이중 집전판을 이용하였다. 제조된 PVA 및 PVP 섬유 다발의 인장 특성 (인장 강도 및 파단 연신율)은 스트레칭 디바이스에 부착된 스프링의 연신 길이와 스프링 상수를 통해 계산하였다. 특히 PVA 섬유의 경우, 기존의 다른 문헌과 비교하였을 때, 인장 강도와 파단 연신율이 비교적 유사함을 확인함으로써 본 연구에서 제작한 스트레칭 디바이스의 신뢰도를 입증하였다. |We fabricate a stretching device, for facile measurement of mechanical properties of uniaxially aligned polymer nanofiber bundles, which is partially modified from a device reported in other literature. Then, the tensile properties of uniaxially aligned poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) nanofiber bundles are measured by the stretching device. In order to apply polymer nanofibers to piezoelectric device among various applications, it is highly crucial to evaluate the tensile properties of piezoelectric materials-polymer hybrid fiber bundles as well as fabricate the organic-inorganic hybrid fiber. However, the previous studies on the measurement method of mechanical properties of polymer nanofiber are mainly using only a single fiber rather than fiber bundles, and besides the studies on facile and lab-scale measurement system are rare until now. Therefore, development of a novel instrument to measure mechanical properties of the polymeric nanofiber bundles is essential. For a more precise measurement, it is also important to develop an approach on uniaxial alignment of polymeric nanofiber bundles and fixing them on the device to prevent them from slipping. In this study, the stretching device is modified from the device presented in the previous paper and composed of a spring attached to a digital caliper, two tongs and a cardboard frame for fixing polymeric fiber bundles. While the stretching device in the literature is the vertical-type stretching system, the device fabricated in this study is the horizontal-type to avoid being affected by external force such as gravity. Also, we use the digital caliper to measure stretched length of polymeric fiber bundles for a more precise measurement up to 0.01 mm, while a ruler is used in the literature. Moreover, while tape is used to fix polymeric fiber bundles on a frame in the literature, (PDMS) is used to fix two edges of fiber bundles on the frame in this study for preventing fiber from slipping. For conducting a tensile test of polymeric nanofiber bundles using the stretching device, we fabricate PVA and PVP nanofiber bundles through electrospinning method and use a dual collector to fabricate uniaxially aligned PVA and PVP nanofiber bundles. The tensile properties (tensile strength, elongation at break) of PVA and PVP nanofiber bundles are measured through the stretched length of the spring attached to the stretching device and a spring constant. Especially, in case of the PVA nanofiber bundles, the measured values from the device are relatively similar to those which were reported in other literature. As a result, the reliability of the stretching device has been demonstrated.; We fabricate a stretching device, for facile measurement of mechanical properties of uniaxially aligned polymer nanofiber bundles, which is partially modified from a device reported in other literature. Then, the tensile properties of uniaxially aligned poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) nanofiber bundles are measured by the stretching device. In order to apply polymer nanofibers to piezoelectric device among various applications, it is highly crucial to evaluate the tensile properties of piezoelectric materials-polymer hybrid fiber bundles as well as fabricate the organic-inorganic hybrid fiber. However, the previous studies on the measurement method of mechanical properties of polymer nanofiber are mainly using only a single fiber rather than fiber bundles, and besides the studies on facile and lab-scale measurement system are rare until now. Therefore, development of a novel instrument to measure mechanical properties of the polymeric nanofiber bundles is essential. For a more precise measurement, it is also important to develop an approach on uniaxial alignment of polymeric nanofiber bundles and fixing them on the device to prevent them from slipping. In this study, the stretching device is modified from the device presented in the previous paper and composed of a spring attached to a digital caliper, two tongs and a cardboard frame for fixing polymeric fiber bundles. While the stretching device in the literature is the vertical-type stretching system, the device fabricated in this study is the horizontal-type to avoid being affected by external force such as gravity. Also, we use the digital caliper to measure stretched length of polymeric fiber bundles for a more precise measurement up to 0.01 mm, while a ruler is used in the literature. Moreover, while tape is used to fix polymeric fiber bundles on a frame in the literature, (PDMS) is used to fix two edges of fiber bundles on the frame in this study for preventing fiber from slipping. For conducting a tensile test of polymeric nanofiber bundles using the stretching device, we fabricate PVA and PVP nanofiber bundles through electrospinning method and use a dual collector to fabricate uniaxially aligned PVA and PVP nanofiber bundles. The tensile properties (tensile strength, elongation at break) of PVA and PVP nanofiber bundles are measured through the stretched length of the spring attached to the stretching device and a spring constant. Especially, in case of the PVA nanofiber bundles, the measured values from the device are relatively similar to those which were reported in other literature. As a result, the reliability of the stretching device has been demonstrated.