A Study on Elongation/Contraction Behavior and Mechanical Properties of Oxy-Polyacrylonitrile(PAN) Fiber in Basic/Acidic Solution for Artificial Muscle Applications

Oxy-PAN fiber prepared from the preoxidation and saponification of raw PAN fiber is known to elongate and contract when immersed in basic and acidic solutions, respectively. In this study, about 30% elongation in NaOH solution and 30∼50% contraction in HCl solution have been observed. In mechanical test, the mechanical properties of oxy-PAN fiber in the contracted state was stronger than that in the elongated state. These behaviors and mechanical properties are compared to those of living muscle and linear actuator. The change of length in NaOH and HCl solutions is due to switching between a hydrophilic and a hydrophobic structure. Other reasons are exchange of ion and water in/out of oxy-PAN fiber, and osmotic pressure difference associated with relevant ions. Much studies are needed to clarify the effective factors on but the oxy-PAN fiber's elongation/contraction behavior and mechanical properties, but the oxy-PAN fiber perpared in our laboratory has a sufficient potential for application as artificial muscle and linear actuator.

산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유의 인공근육 응용을 위한 염기/산 용액에서의 신장/수축 거동과 기계적 특성 연구

순수한 PAN 섬유의 예비산화와 가수분해의 과정을 통하여 제조된 oxy-PAN은 염기와 산용액에 담그었을 때 신장과 수축 거동을 보임이 알려져 있다. 본 연구에서는, 염기 (NaOH) 용매에서 약 30%의 신장과 산 (HCl) 용매에서 30∼50%의 수축 거동을 관찰하였다. 기계적 특성에 대한 실험에서, oxy-PAN 섬유가 수축되었을 때 향상된 기계적 특성을 나타내었다. 이러한 거동과 기계적 특성은 인체의 근육과 선형 구동체의 그것들과 유사하였다. NaOH와 HCl 용액에서 oxy-PAN 섬유의 길이가 변화하는 중요한 요인으로는 친수화 또는 소수화 구조의 전환에 의한 영향이다. 다른 요인으로는 oxy-PAN 섬유와 용액간의 이온과 물의 교환, 이온의 농도차에 의한 삼투압 등이 영향을 준다. Oxy-PAN 섬유의 신장 및 수축과 기계적 특성에 영향을 미치는 여러 가지 요인들을 규명하기 위한 보다 많은 연구가 필요하지만, 본 연구실에서 제조된 oxy-PAN 섬유가 인공 근육 및 선형 구동체로 적용될 수 있는 충분한 가능성이 있음을 제시한다.