Characterization of the PVDF Fibers Fabricated by Hybrid Wet Spinning

Polyvinylidene fluoride (PVDF) as a representative polymer with the piezoelectric property has been studied since the 1960s. Crystalline structure of poly(vinylidene fluoride) polymer is composed of five different crystal structure of the polymer as a semi-crystalline. Among the various crystal structures, ${\beta}-type$ crystal exhibits a piezoelectricity because the permanent dipoles are aligned in one direction. Generally ${\beta}-form$ crystal structure can be obtained through the transformation of the ${\alpha}-form$ crystal structure by the stretching and it can increase the amount through the after treatment as poling process after stretching. ${\beta}-form$ crystal structure the PVDF fibers produced by wet spinning is formed through a diffusion mechanism of a polar solvent in the coagulation bath. However, it has a disadvantage that the diffusion path of the solvent remains as pores in the fiber because the fiber solidification occurs simultaneously with the diffusion of the polar solvent. These pores play a role in reducing effect of poling process owing to effect of disturbances acting on the polarization by the electric field. In this work, the drying method using the microwave was introduced to remove more effectively the residual solvent and the pore within PVDF fibers produced through wet-spinning process and piezoelectric PVDF fibers was produced by transformation of the remaining ${\alpha}$ form crystal structure into ${\beta}-crystal$ structure through the stretching process.

하이브리드 습식 공정을 통한 PVDF 섬유의 제조 및 특성에 관한 연구

Polyvinylidene fluoride (PVDF)는 압전성을 나타내는 대표적인 고분자로 1960년대부터 많은 연구가 진행되어 왔다. PVDF는 반결정의 고분자로써 5가지의 결정 구조(${\alpha}$, ${\beta}$, ${\gamma}$, ${\delta}$, 그리고 ${\varepsilon}$형)로 구성되어 있다. ${\alpha}$형과 ${\delta}$형 결정은 전기적으로 반응하지 않는 무극성 결정구조이나 ${\beta}$형, ${\gamma}$형 그리고 ${\varepsilon}$형은 전기적으로 반응하는 극성 결정구조이다. 그 중에서도 ${\beta}$형 결정구조는 트랜스 형 분자 쇄가 평행으로 충진 된 형태로서 PVDF 단위체가 갖는 영구 쌍극자가 모두 한 방향으로 배열되어 있는 구조이기 때문에 자발 분극이 커지게 되고 압전성을 나타내게 된다. 일반적으로 ${\beta}$형 결정구조는 연신을 통한 ${\alpha}$형 결정구조의 변환을 통하여 얻을 수 있고, 연신 후 후처리 공정을 통해 그 양을 증가시킬 수 있다. 습식방사로 제조된 PVDF 섬유는 응고욕에서 극성 용매의 확산 메커니즘에 의해 ${\beta}$형 결정구조가 형성되는 장점을 가지고 있지만 극성 용매가 빠져나감과 동시에 섬유 고화가 진행되기 때문에 용매의 확산 경로가 섬유 내부 기공으로 남게 되는 단점을 가지고 있다. 이 기공은 폴링(Poling) 공정에서 전기장에 의한 분극을 방해하여 그 효과를 감소시키는 역할을 한다. 또한, PVDF 섬유가 압전 특성을 필요로 하는 응용분야에 사용되기 위해서는 섬유 가공 후에 전극이 반드시 부착되어야 하는데 섬유 형태로 제조된 PVDF에 전극을 형성하기는 매우 어렵다. 본 연구에서는 압전성을 갖는 PVDF 섬유를 습식 방사와 건식 방사의 혼합 공정으로 제조하여 기공 문제를 해결하였고, 전극이 섬유 내부에 삽입된 Core/Shell 형태의 PVDF 섬유를 제조하여 까다로운 전극형성 문제를 해결하였다.