JP2008240231A - ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置に関し、具体的に電気的安全性を有した構造及び改善されたノズルブロック構造を有した電気紡糸装置に関する。
【解決手段】ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置は横方向の行及び縦方向の列に沿って多数個の紡糸ノズルが整列された少なくとも一つのノズルブロックと、ノズルブロックに対応されて、そして一定な紡糸距離を維持するようにノズルブロックの上側に配置されたコレクターと、ノズルブロック及びコレクターに電圧差を印加するための電圧供給源と、及びノズルブロックに紡糸溶液を供給するための溶液容器と、を含んであり、前記でノズルブロック及びコレクターは電圧供給源のプラス端子及びマイナス端子にそれぞれ連結されて、そして横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルはノズルブロックの中央部分と縁の部分でお互いに異なる高さになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置に関し、具体的に電気的安全性を有した構造及び改善されたノズルブロック構造を有した電気紡糸装置に関する。

一般に、ナノファイバーは纎維直径の平均直径が５ないし１，０００nmになる纎維を意味して、これは本発明によって製造されるか、または製造されることができるナノファイバーに対しても同一である。ナノファイバーは主に紡糸溶液を電気紡糸して製造されて、そしてナノファイバーを電気紡糸する方法は上向き式、下向き式、そして水平式がある。それぞれの方式は長短所を有するが、三つの方式すべてがナノファイバーの量産は難しいと認識されて来た。特に下向き式電気紡糸の場合に、製造過程で特定時点または支点で発生することができる紡糸溶液の不均一性は全体製品を不良にしてしまう恐れがあるので大量生産には好適ではない。それで、大量生産のために上向き式電気紡糸が有利であるが、上向き式電気紡糸の場合紡糸溶液の一部がノズル出口で瞬間的な静電場の不均一性によるドロップレット(droplet)を相変らず防止しにくいという問題点を有する。

ナノファイバーの電気紡糸と関連される先行発明として特許文献１がある。提示された先行発明は、多数のノズルを狭い領域に配列して単位時間当り生産量を向上させて、そしてドロップレット現象を防止するためにノズルブロックがコレクターの下端に位置する上向き式電気紡糸装置を提供することを目的とする。このような目的をなすために先行発明はノズルブロックに設置されたノズルの出口が上部方向に形成されて、そしてコレクターがノズルブロックの上部に位置する上向き式電気紡糸装置を提案する。一般に、電気紡糸のために約２０kVの高い電圧がノズルブロックとコレクターとの間に印加されなければならない。提案された先行発明はノズルブロックと関連して複雑な電気装置が設置されなければならないし、そしてこれら装置をノズルブロックの高い電圧から絶縁させなければならない。これはナノファイバーの大量生産を難しくする。

ナノファイバーの電気紡糸と関連された他の先行発明として特許文献２がある。提示された先行発明は、電気紡糸方式によって連続でナノファイバーを製造する方法を提供することを目的でコレクターを地面に対して一定な角度で傾くように設置するか、またはノズルをコレクターと一定な角度で設置してドロップレットを防止することを特徴とする。しかし、設置された電気装置の絶縁及び紡糸過程で溶剤が噴射ノズルに垂れ下がることがあるという問題点を有する。

ナノファイバーの電気紡糸と関連されたまた他の先行発明として、特許文献３がある。提案された先行発明は、大量生産に有利なナノファイバーを生産するための電気紡糸装置を提供することを目的で、回転可能なスプレーヘッド２２と接地されたコレクターの間に形成された静電場によって紡糸溶液がコレクターに紡糸される電気紡糸装置を提案する。しかし、提案された電気紡糸装置は連続工程に好適ではないという短所を有する。

ナノファイバーを大量で生産するために電気的安全性問題が解決されなければならないし、そして紡糸均一性が可能になるようにノズルブロック構造が改善されなければならない。
韓国特許公開番号２００５-００７７３１３ 韓国特許公告番号１０-０６７９０７３ 米国特許番号７，１３４，８５７

本発明の目的は、電気的安全性を有して、そしてノズルブロックの構造が改善されたナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置を提供することにある。

本発明の適切な実施形態によると、ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置は、横方向の行及び縦方向の列に沿って多数個の紡糸ノズルが整列された少なくとも一つのノズルブロックと、ノズルブロックに対応されて、そして一定な紡糸距離を維持するようにノズルブロックの上側に配置されたコレクターと、ノズルブロック及びコレクターに電圧差を印加するための電圧供給源と、及びノズルブロックに紡糸溶液を供給するための溶液容器を含んでおり、前記でノズルブロック及びコレクターは電圧供給源のプラス端子及びマイナス端子にそれぞれ連結されて、そして横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルはノズルブロックの中央部分と縁部分で互いに異なる高さになる。

本発明の他の適切な実施形態によると、上向き式電気紡糸装置のためのノズルブロックは横方向の行及び縦方向の列に沿って整列される多数個の紡糸ノズルを含んで、そして横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルの少なくとも２個は互いに異なる高さを有する。

本発明による電気紡糸装置は、ナノファイバーの大量生産過程で高電圧の印加によって発生することができる危険要素を減少させることができるようにするし、そして紡糸均一性を向上させる構造によって一定な品質を有したナノファイバーが生産されるようにするという利点を有する。

以下で添付された図面を参照して、そして発明の範囲を制限しない実施例を利用して本発明が詳細に説明される。
図１は本発明による上向き式電気紡糸装置１０の概略的な形態を示すものである。
電気紡糸装置１０は、上側平面に多数個の紡糸ノズル１１１が一定なパターンで整列された多数個のノズルブロック１１a、１１bと、それぞれのノズルブロック１１a、１１bに平行になるように一定な距離を置いてノズルブロック１１a、１１bの上側に設置された多数個のコレクター１２a、１２bと、パイプ１３１を通じてノズルブロック１１a、１１bに紡糸溶液を供給する溶液容器１３と、及びノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bに電源を供給する電源１４を含む。

それぞれお互いに分離されたノズルブロック１１a、１１bは固定テーブル１７a、１７ｂの上に設置されて少なくとも２個が連続的に配列されて、そして固定テーブル１７a、１７bは地面(E)に固定されたテーブル脚１７１を有する。ノズルブロック１１a、１１bの数を多数個にすることは、ノズル１１１に印加される電圧調整の容易性、ノズル１１１の傾斜調節及び製造の容易性のためのことである。図１に示す実施例の場合、２個のノズルブロック１１a、１１bが整列されているが、必要によってノズルブロック１１a、１１bの数は２個以上になることができる。

コレクター１２a、１２bは、一定な間隔を維持しながらノズルブロック１１a、１１bと平行になるように上側に設置される。ノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bとの相対的な位置によって電気紡糸装置は、上向き式及び下向き式で分けられることができる。地面を基準にノズルブロック１１a、１１bがコレクター１２a、１２bの下側に位置すると、電気紡糸装置は上向き式で分類されて、そして反対される場合に下向き式で分類される。本発明による電気紡糸装置は任意の形態を有することができるが、望ましくは上向き式電気紡糸装置になることができる。コレクター１２a、１２bはノズルブロック１１a、１１bの数に対応して多数個が一列で連続的に整列されて、そしてそれぞれのコレクター１２a、１２bは地面(E)に設置された多数個の支持棒１５a、１５bによって維持される。コレクター１２a、１２bはローラー１６a、１６bによって回転されるベルト(B)に取り囲まれていて、そしてベルト(B)はコレクター１２a、１２bの両方平面に沿って回転しながら基材(F)を巻き取りローラー(R)方向に前進させる。

溶液容器１３はチューブまたはパイプ１３１を通じて紡糸溶液をノズルブロック１１a、１１bに供給する。溶液容器１３からノズルブロック１１a、１１bに供給される紡糸溶液の量は、調節バルブ(V)によって調節されて、そして溶液容器１３はノズルブロック１１a、１１bに比べて地面から相対的に高い位置に設置されて、紡糸溶液が高さの差による圧力でノズルブロック１１a、１１bに供給されるようにすることができる。代案として溶液容器１３に圧力ポンプ(図示せず)が設置されて、ノズルブロック１１a、１１bまたは紡糸ノズル１１１に供給される紡糸溶液の圧力を調節することができる。

紡糸ノズル１１１から紡糸溶液(S)が紡糸されて、コレクター１２a、１２bにナノファイバーが集束されるようにするためにノズルブロック１１a、１１b及びコレクター１２a、１２bの間に一定な電圧差が維持されなければならない。電圧供給源１４はノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bとの間に１kV〜３０kVの一定な電圧差が維持されるようにする。ノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bはお互いに異なる極性を有するように電圧供給源１４のプラス端子(P)及びマイナス端子(N)に連結されることができるし、そしてプラス端子(P)及びマイナス端子(N)はノズルブロック１１a、１１b及びコレクター１２a、１２bに任意の方式で連結されることができるが、好ましくはプラス端子(P)はコレクター１２a、１２bと、そしてマイナス端子(N)はノズルブロック１１a、１１bにそれぞれ連結されることができる。

電圧供給源１４によってノズルブロック１１a、１１b及びコレクター１２a、１２bに一定な電圧差が発生して、そして溶液容器１３から紡糸溶液がノズルブロック１１a、１１bに供給されると、紡糸溶液(S)が紡糸ノズル１１１から紡糸されてコレクター１２a、１２bの基材(F)に集束される。紡糸溶液(S)の紡糸と同時にローラー１６a、１６bはベルト(B)を回転させるようになって、そしてベルト(B)の回転によってナノファイバーが集束された基材(F)はノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bとの間を通過するようになる。要求される厚さのナノファイバーが集束された基材(F)は巻取ローラー(R)によって巻取装置に収集される。このようなナノファイバーの大量生産過程でノズルブロック１１a、１１bとコレクター１２a、１２bとの間に高い電圧が印加されるので電気紡糸装置全体の電気的安全を確保することができる手段が提供されなければならないし、そして大量生産のためのノズルブロック１１a、１１b及びコレクター１２a、１２bの大きさによって集束厚さを調節または一定に維持することができる調整手段が提供されなければならない。このような手段はノズルブロック１１a、１１bの構造及び紡糸ノズル１１１の整列方式によって提供されることができる。

図２は、本発明による電気紡糸装置のノズルブロックに対する一つの実施例を示すものである。
溶液容器１３から供給された紡糸溶液をコレクターに紡糸するための装置に該当するノズルブロックは、紡糸溶液が電気紡糸される紡糸ノズル１１１と、紡糸溶液を一時的に保存するための供給空間２５と、ノズルブロックとコレクターとの間に一定な電圧差を維持するための下部導体板２６と、供給空間２５の紡糸溶液を紡糸ノズル１１１に供給する突出チューブ２４と、及びノズルブロックの上側表面を覆っているスクリーンカバー２１と、を含む。

ノズルブロックは横及び縦の長さがそれぞれ数メートルになる直四角形の形態になって、そして全体的にコレクターと共に高い電圧差を維持するように導電性金属または金属合金で作られなければならない。導電性金属素材の下部導体板２６は高さ調節装置１７２によって高さの調節が可能な固定テーブル１７上に設置される。コレクターに集束されるナノファイバーの厚さは、紡糸電圧及び紡糸間隔によって決定される。基材に集束されたナノファイバーの厚さを測定して要求される値を有するようにするための手段として紡糸電圧を調節する方法と、またはコレクターとノズルブロックとの間の紡糸間隔を調節する方法が考慮されることができるが、全体装置の安全性を考慮する時に紡糸間隔を調節する方法が好ましい。固定テーブル１７の高さ調節のために適切な高さ調節装置１７２がテーブルの下側に設置されることができる。下部導体板２６の上側に形成された供給空間２５は臨時保存された紡糸溶液を突出チューブ２４を通じて紡糸ノズル１１１に供給する。供給空間２５を取り囲んでいる表面は伝導性を有した金属または合金素材で形成されることができる。突出チューブ２４は別途に製作されるか、または供給空間２５の上側表面に直接成形される。

紡糸ノズル１１１は図２のAで表示された部分に示すようにノズル部分１１３及び突出チューブ２４と螺合される結合部分１１２を含む。突出チューブ２４と突出チューブ２４との間は樹脂系統の適切な絶縁体で満たされることができるし、そして絶縁体の上側にスクリーンカバー２１が設置される。絶縁体が設置されたノズルブロックの上側面は縁側に傾くように作られて、そして図２のBで表示された部分に示すようにスクリーンカバー２１に格子形状の隙間(gap)２１２が網構造で形成されることができる。紡糸ノズル１１１から紡糸溶液が紡糸される場合に紡糸溶液の一部はコレクターに集束されないでノズルブロック１１の上側面に落ちるようになる。ノズルブロック１１の上側面に落ちた紡糸溶液を処理するためにノズルブロック１１の上側面に満たされた絶縁体は縁方向に傾いて、これによって落下された紡糸溶液はノズルブロック１１の縁側に流れる。そして、縁に収集された落下された紡糸溶液は配水管２２を通じて処理容器２３に収集されてリサイクルになるか、または廃棄処理になることができる。スクリーンカバー２１を網構造でする理由は、落下された紡糸溶液がノズルブロック１１とコレクターとの間に揮発されることを防止するためのものである。

紡糸溶液は溶液容器１３からパイプ１３１を通じて供給空間２５に紡糸溶液を提供する。溶液容器１３及びパイプ１３１は、例えば樹脂のような絶縁素材で形成されて、そして供給空間２５に形成された入口(IN)に連結される。ノズルブロックの高さは調節可能であるので、パイプ１３１はノズルブロックの高さ調節に対応するように柔軟性素材で作われるのが有利である。

電圧供給源１４はノズルブロックとコレクターとの間の高電圧を維持するための装置である。電圧供給源１４の陽の端子はコレクターに連結されて、そして陰の端子はノズルブロックの下部導体板２６に連結されることができる。

本発明による電気紡糸装置は多数個のノズルブロックが連続的に配置されて、そしてそれぞれのノズルブロックは多数個の紡糸ノズルを含むことができる。電気紡糸の均一性及び集束されたナノファイバーの厚さ調節の均一性を確保するために紡糸ノズルは一定な形態で配列されることが有利である。

図３の(A)及び(B)は、本発明による電気紡糸装置のノズルブロックに整列される紡糸ノズル構造の実施例を示すものである。
固定テーブル１７に設置されるノズルブロック１１は多数個になることができる。図３の(A)に示すものは一つの固定テーブル１７に２個のノズルブロック１１が設置されることを示すものであるが、必要によって少なくとも一つのノズルブロック１１が固定テーブル１７に設置されることができる。図３の(A)でＭで表示された方向は基材(図１参照)の進行方向を示すものである。ノズルブロック１１のXで表示された部分に紡糸ノズル１１１がそれぞれ設置される。

紡糸ノズル１１１は横及び縦方向にそれぞれ直線方向に沿って設置されて、そして横方向の行は“満たし構造”で配列されることができる。“満たし構造”とは、図３の(A)に示すように横方向の行を構成するそれぞれの紡糸ノズルがその前の横方向の行を構成するある２個の紡糸ノズルの間に配置される形態で配列されることを言う。図３の(A)に示す構造は、横方向の行が点線で表示された縦方向の奇数または偶数の仮想位置線に整列されて、そして横方向に配列される紡糸ノズル１１１はその前の行の紡糸ノズル１１１の間に配置される形態を例示したものである。だから２個の行が一つの単位構造を形成して、そしてこのような単位構造がＭで表示された基材の進行方向に沿って繰り返される。もしも、横方向の行に沿って配列される紡糸ノズル１１１が縦方向で設定された仮想位置線の３の倍数になる位置に整列されると、３個の行が一つの単位構造を形成する。そして、Ｍで表示された基材の進行方向に沿って３個の行を単位で繰り返される。このように本発明による電気紡糸装置のノズルブロックに配置される紡糸ノズルは一定な数の行単位で“満たし構造”で整列されることができる。“満たし構造”のそれぞれの横方向の行を形成する紡糸ノズル１１１は均一な高さを有することができるが、好ましくは図３の(B)に示すようにそれぞれの紡糸ノズル１１１がお互いに異なる高さを有することができる。

図３の(B)は、横方向の行に沿って配列されることができる紡糸ノズル構造に対する実施例を示すものである。横方向の行に沿って配置された紡糸ノズルは行に沿ってお互いに異なる高さで配置されることができる。例えば、行の中間に配置された紡糸ノズル１１１aが最も高い高さを有して、そして両方の縁に行きながら紡糸ノズルの高さがますます低くなることができる。全体的に紡糸ノズルの高さは中間に配置された紡糸ノズル１１１aを基準に対称形態の高さを有することができる。このように横方向の行に沿って配置されるそれぞれの紡糸ノズルはお互いに異なる高さを有することができる。中間に配置された紡糸ノズル１１１aと縁に配置された紡糸ノズル１１１dの間の高さの差はノズルブロックとコレクターとの間に印加される紡糸電圧によって変わることができる。

例えば、紡糸電圧が高くなると、中間配置紡糸ノズル１１１aと縁配置紡糸ノズル１１１dとの間の高さの差は大きくなって、そして紡糸電圧が低くなると二つの紡糸ノズル１１１a、１１１dの間の高さの差が小くなることができる。二つの紡糸ノズル１１１a、１１１dの間に配置される紡糸ノズル１１１b、１１１cの高さの差は二つの紡糸ノズル１１１a、１１１dの高さの差を比例配分して決定されることができる。図３の(B)に示す形態は中間配置紡糸ノズル１１１aを基準に縁配置紡糸ノズル１１１dの高さが低くなる実施例を示す。しかし、紡糸ノズル１１１a、１１１b、１１１c、１１１dは必ず図３の(B)に示す構造を持たなければならないものではない。実際に紡糸ノズル１１１a、１１１b、１１１c、１１１dの間の高さの差は基材に集束されるナノファイバーウェッブの厚さを測定して決定されることができる。もしも、基材の進行方向に対して垂直方向でナノファイバーウェッブの厚さを測定した結果、特定位置でナノファイバーウェッブの厚さ測定値がさらに大きければ、特定位置に該当する紡糸ノズルは他の紡糸ノズルに比べてさらに高く配置することができる。このように横方向によって配列されるそれぞれの紡糸ノズルの高さはナノファイバーウェッブの厚さを測定して決定されることができる。

上記で実施例を利用して本発明が詳細に説明された。提示された実施例は例示的なものであり、この分野で通常の知識を有した者は本発明の技術的思想を脱しないで提示された実施例に対する変形または修正発明を作ることができるであろう。本発明の範囲はこのような変形、または修正発明によって制限されないし、単に添付された特許請求の範囲によって制限されるであろう。

本発明による上向き式電気紡糸装置１０の概略的な形態を示すものである。 本発明による電気紡糸装置のノズルブロックに対する一つの実施例を示すものである。 (A)及び(B)は、本発明による電気紡糸装置のノズルブロックに整列される紡糸ノズル構造の実施例を示すものである。

符号の説明

１０：電気紡糸装置、１１、１１a、１１b：ノズルブロック、１２a、１２b：コレクター、１３：溶液容器、１４：電圧供給源、１５a、１５b：支持棒、１６a、１６b：ローラー、１７、１７a、１７b：固定テーブル、２１：スクリーンカバー、２２：配水管、２３：処理容器、２４：突出チューブ、２５：供給空間、２６：下部導体板、１１１、１１１ａ〜１１１ｄ、紡糸ノズル、１１２：結合部分、１１３：ノズル部分、１３１：パイプ、１７１：テーブル脚、１７２：高さ調節装置、２１２：隙間、E：地面、B：ベルト、F：基材、R：巻取ローラー、S：紡糸溶液、P：プラス端子、N：マイナス端子、V：調節バルブ、IN：入口。

Claims (20)

1. ナノファイバーの大量生産のための電気紡糸装置であって、
   横方向の行及び縦方向の列に沿って多数個の紡糸ノズルが整列された少なくとも一つのノズルブロックと、
   ノズルブロックに対応されて、そして一定な紡糸距離を維持するようにノズルブロックの上側に配置されたコレクターと、
   ノズルブロック及びコレクターに電圧差を印加するための電圧供給源と、及び
   ノズルブロックに紡糸溶液を供給するための溶液容器を含んでおり、
   前記でノズルブロック及びコレクターは電圧供給源のプラス端子及びマイナス端子にそれぞれ連結されて、そして横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルはノズルブロックの中央部分と縁部分でお互いに異なる高さになることを特徴とする上向き式電気紡糸装置。
2. 多数個の紡糸ノズルは、満たし構造で整列されることを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
3. 満たし構造は一つの単位構造になって、そしてノズルブロックで単位構造が基材の進行方向に沿って繰り返し配置されることを特徴とする請求項２に記載の上向き式電気紡糸装置。
4. 溶液容器は地面を基準にノズルブロックより高く位置することを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
5. ノズルブロックの上側に網構造のスクリーンカバーが設置されることを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
6. ノズルブロックの上側表面は落下された紡糸溶液が流れるように縁方向に傾いたことを特徴とする請求項５に記載の上向き式電気紡糸装置。
7. 落下された紡糸溶液を収集するための収集容器をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の上向き式電気紡糸装置。
8. ノズルブロックを固定するための固定テーブルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
9. 固定テーブルは高さの調整が可能なことを特徴とする請求項８に記載の上向き式電気紡糸装置。
10. 中央部分に配置される紡糸ノズルの高さが縁に設置される紡糸ノズルの高さに比べてさらに高いことを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
11. 横方向の行に沿って整列される紡糸ノズルの高さは中央部分を基準にお互いに対称になることを特徴とする請求項１に記載の上向き式電気紡糸装置。
12. 横方向の行に沿って整列される紡糸ノズルの高さは、縁から中央部分に行くほど高さが高くなることを特徴とする請求項１１に記載の上向き式電気紡糸装置。
13. ナノファイバーの大量生産のための上向き式電気紡糸装置に使用されるノズルブロックにおいて、
    横方向の行及び縦方向の列に沿って整列される多数個の紡糸ノズルを含んで、そして横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルの少なくとも２個はお互いに異なる高さを有することを特徴とするノズルブロック。
14. 横方向の行に沿って整列される多数個の紡糸ノズルは縦方向の列に沿って満たし構造で整列されることを特徴とする請求項１３に記載のノズルブロック。
15. 満たし構造は、少なくとも２個の横方向の行に沿って整列された紡糸ノズルでなされた単位構造を形成することを特徴とする請求項１４に記載のノズルブロック。
16. 単位構造は、繰り返されてノズルブロックの上側表面に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のノズルブロック。
17. 少なくとも２個のお互いに異なる高さを有する紡糸ノズルは横方向の中央に配置された紡糸ノズルを基準に紡糸ノズルの高さが対称で配置されることを特徴とする請求項１３に記載のノズルブロック。
18. 少なくとも２個のお互いに異なる高さを有する紡糸ノズルのうちで縁に配置される紡糸ノズルは、中央部分に配置される紡糸ノズルに比べて高さが低いことを特徴とする請求項１３に記載のノズルブロック。
19. ノズルブロックの上側表面に設置される網構造のスクリーンカバーをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のノズルブロック。
20. ノズルブロックの上側表面は電気紡糸過程で落下された紡糸溶液がノズルブロックの縁方向に流れるように傾いたことを特徴とする請求項１９に記載のノズルブロック。

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