Poly(vinyl alcohol) (PVA) (core)/poly(ethylene terephthalate) (PET) (shell) composite nanofibers were produced by coexial electrospinning and their characteristics were investigated. It was important to establish feed rate of each polymer solution and voltage for a successful coaxial electrospinning, and the composite nanofibers with good linearity and regularity were produced by an interactive control of these factors. The nano-sized fibers and core-shell structures were observed through electron microscopes and the presence of each polymer in the coaxially electrospun nanofibers was confirmed by spectroscopic analyses. Also, the contact angle between water and composite nanofiber web decreased compared with that of PET nanoweb due to the presence of PVA. It is suggested that coaxial electrospinning is an effective technique to improve hydrophilicity of hydrophobic nanofibers by blending a water-soluble polymer with maintaining nanostructures, and to incorporate water-dispersable nanoparticles and water-soluble bioactive components including proteins in the nanofibers.

동축전기방사에 의해 poly(vinyl alcohol)(PVA)(core)/poly(ethylene terephthalate)(PET)(shell) 복합 나노섬유를 제조하고 이의 특성을 고찰하였다. 성공적인 동축전기방사를 위해서 두 고분자 용액의 공급속도와 전압의 설정이 중요하였으며, 이를 상호 조절하여 선형성과 규칙성이 양호한 복합 나노섬유를 제조하였다. 전자현미경을 통하여 나노크기의 섬유 및 core-shell 구조가 관찰되었으며, 분광분석으로부터 동축전기방사된 나노섬유 내에 존재하는 각각의 고분자의 존재를 확인하였다. 또한 PVA의 존재에 기인하여 복합 나노섬유 웹의 접촉각이 PET 나노섬유 웹 대비 감소하였다. 따라서 동축전기방사는 나노구조를 유지하면서 수용성 고분자를 블렌드함으로써 소수성 나노섬유의 친수성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 수분산성 나노입자나 단백질을 포함한 수용성 생리활성 물질을 도입할 수있는 효과적인 방법이라고 생각된다.

Keywords: poly(vinyl alcohol), poly(ethylene terephthalate), composite nanofibers, coaxial electrospinning

전기방사는 고분자를 주로 적정 용매에 용해시켜 수 마이크로미터에서 수 나노미터까지의 직경을 가지는 섬유를 만드는 방법이다. 전기방사로 제조된 나노섬유는 일반적인 섬유보다 비표면적이 매우 크며, 작은 기공을 가지고 있을 뿐 아니라 기공의 크기를 자유롭게 조절할 수 있고, 강한 표면 흡착성, 물질에 대한 선택적 투과성을 지닌다.¹ 전기방사에 의해 제조된 나노섬유는 필터소재, 섬유소재, 2차 전지용 전극소재, 조직공학용 지지체, 에너지 저장소재, 섬유강화 나노복합재료, 센서용 섬유, 전자 광학용 섬유소재 등 거의 모든 산업 전반에 걸친 다양한 소재로의 활용이 시도되고 있다.
그러나 나노섬유 형태의 소수성 고분자 소재가 수처리 필터나 혈액 필터 등으로 적용되었을 때, 각종 유기화합물 또는 단백질, 미생물 등 화학적·생물학적 성분의 흡착에 의한 오염 및 막힘 현상이 문제점으로 대두되어, 이를 방지하기 위하여 고분자 필터의 친수성 향상이 핵심 기술로 부각되고 있다. 소수성 고분자 구조체의 친수성을 개선하기 위해서는 플라즈마 처리에 의한 표면의 친수성기의 도입, 친수성 고분자의 코팅^2,3 등의 방법이 적용되고 있다. 그러나 플라즈마 처리의 경우 처리 조건에 따라 나노섬유의 기계적 물성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 또한 친수성 고분자 등을 나노섬유구조체의 표면에 코팅할 경우에는 기공의 막힘 현상이 발생할 수 있어 필터로의 응용에 난점이 있다. 더욱이 대부분의 소수성 고분자는 수용성 고분자와 상용성이 없고, 혼합 시 침전이나 기타 상분리 현상이 발생하여 불균일한 용액을 형성하므로, 두 고분자의 혼합용액을 전기방사하여 균일한 나노섬유를 제조한 예는 찾아보기 힘들며, 드문 경우에 혼합되는 수용성 고분자의 함량이 매우 낮아야 가능하다. 그러므로 일반적인 수용성 고분자와의 블렌드에 의해 소수성 고분자 나노섬유의 친수성을 개선하기는 쉽지 않다.
동축전기방사(coaxial electrospinning)는 Loscertales 등이 이중동축노즐(dual concentric nozzle)에 대한 연구를 발표하면서 주목받기 시작하였으며,^4-6 이후 core-sheath형 이중구조나노섬유를 제조하는데 많이 사용되어 왔다.^7-11 동축전기방사는 두 가지의 고분자 용액을 분리되어 있는 내부 노즐과 외부 노즐에 독립적으로 주입하여 전기방사하는 것으로, 두 용액이 이중동축노즐을 통해 방사 및 연신되어 core-shell형 나노섬유를 형성하게 된다. 동축전기방사를 사용하면 상용성이 없는 두 고분자 용액을 동시에 방사하여 효과적으로 복합 나노섬유를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 코팅에 의한 개질로부터 유발되는 기공 막힘이나 나노구조의 상실 등의 문제없이 이중구조의 나노섬유를 제조 및 개질할 수 있다는 장점이 있다.
폴리에틸렌테레프탈레이트 [poly(ethylene terephthalate), PET]는 대표적인 소수성 범용 고분자로서 이를 전기방사하여 제조한 나노섬유는 보호복,¹² 인공혈관,¹³ 및 필터¹⁴ 등으로 응용되고 있다. PET 나노섬유구조체는 소수성 표면을 갖기 때문에 수용성 또는 친수성 고분자와 블렌드한 다음 이를 전기방사하여 친수성을 향상시킨 연구가 된 바 있으나, 상용성과 방사성이 결여되어 친수성 고분자의 함량을 극히 낮은 수준으로 블렌드해야 하는 것으로 알려져 있다.^15,16 따라서 동축전기방사를 활용하면 보다 효율적으로 PET 나노섬유에 친수성을 부여할 수 있을 뿐만 아니라 수용성 약물 및 생리활성물질, 또는 수분산성 나노입자 등의 성분을 소수성 PET 나노섬유에 코팅 등의 방법을 사용하지 않고 도입할 수 있을 것으로 생각되나, 아직까지 PET와 수용성 고분자의 동축전기방사에 관한 연구는 보고된 바 없다. 이에 본 연구에서는 대표적인 수용성 고분자인 폴리비닐알코올[poly(vinyl alcohol), PVA]과 소수성 고분자인 PET를 동축전기방사하여 PVA/PET 복합 나노섬유를 제조하고 이의 특성을 고찰하였다.