최근 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 섬유가 탄소섬유의 전구체로 사용되는 것이 알려지면서 많은 관심을 받고 있습니다. 탄소섬유는 다양한 분야에서 높은 강도 대비 경량성을 갖는 물성으로 인해 널리 사용되고 있습니다. 그러나 탄소섬유의 성능 요구가 증가하는 반면, 물성 개선에 한계가 있어 PAN 섬유의 기계적 특성 향상 연구가 필요합니다. 이에 본 연구에서는 전기화학적 습식 방사를 도입하여 PAN 섬유의 기계적 특성을 향상시키는 새로운 방법을 개발하였습니다. 또한, PAN 습식 방사와 전기화학적 습식 방사에서 다양한 변수를 최적화하여 고강도 PAN 섬유를 제조하고자 하였습니다.
우선, 양이온이 체인 끝에 함유된 PAN 을 디자인하여 중합하고, 이를 섬유로 제조하였습니다. 제조된 섬유의 미세 구조와 기계적 특성을 평가하여 전기화학적 습식 방사에 적합한 PAN 섬유임을 실험적으로 확인하였습니다. 이온화된 PAN 은 응고 과정에서 용매 및 비용매의 확산 속도를 변화시키고, PAN 섬유 내 공극을 최소화하며 기계적 특성을 향상시킵니다. 이후에는 일반적으로 사용되는 이온화되지 않은 PAN 으로는 전기화학적 습식 방사가 어려워 리튬 염을 첨가하여 전기 전도도를 갖는 PAN 방사 용액을 제조하였습니다. 리튬 염이 포함된 방사 용액은 전압을 가하면 이온화가 가속화되어 전기화학 반응에 의한 물성 증가 효과를 극대화합니다. 또한, 다양한 리튬 염 농도를 통해 방사 용액 내 최적의 리튬 염 농도를 제시하였습니다.
PAN 섬유가 수분에 미치는 영향을 조사하기 위해 균일하게 수증기를 PAN 에 도포하였습니다. 균일하게 수증기로 도포된 PAN 을 일반적인 습식 방사와 전기화학적 습식 방사로 섬유를 제조하였습니다. 소량의 수분은 제조된 섬유 내 공극을 최소화하고 기계적 특성을 향상시켰습니다. 전기화학적 습식 방사에서는 더 많은 수분을 통해 기계적 특성이 더욱 향상되었습니다.
또한, PAN 섬유의 기계적 특성과 방사성을 향상시키기 위해 바이모달 분자량 분포를 갖는 PAN을 디자인하였습니다. 바이모달 분자량 PAN은 저분자량 PAN 으로 인해 점도가 감소하고 방사성이 증가하였습니다. 또한, 고분자량 PAN 과 저분자량 PAN 의 응고 과정 차이로 인해 섬유 내 결정 구조를 개선하고 기계적 특성을 향상시켰습니다. 다양한 혼합 비율과 분자량 간 비율의 바이모달 분자량 분포 PAN 섬유를 제조하여 적절한 혼합 비율과 분자량 간 비율을 확인하였습니다. 이를 통해, 방사성과 기계적 특성이 모두 향상된 바이모달 분자량 분포 PAN 섬유를 제조하였습니다.