JP4129261B2 - 電気紡糸法を用いたナノ繊維製造装置及びこれに採用される紡糸ノズルパック - Google Patents

Description

本発明は、ナノ繊維製造装置及びこれに用いられるノズルパックに関するものであって、より詳しくは電気紡糸法を用いたナノ繊維製造装置及び紡糸ノズルパックに関する。

一般に、電気紡糸法（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）は、高分子溶融体（ｍｅｌｔ）、高分子溶液などの様々な種類の高分子を用いて数ｎｍの直径を有する繊維を製造する技術である。

ナノ繊維は、既存の繊維に比べて体積に対する比表面積が非常に高くて、様々な物性を提供する。このようなナノ繊維からなるウェブ（ｗｅｂ）は、多孔性を有する分離膜型素材として各種のフィルター類、傷治療用ドレッシング、人工担体など様々な分野において非常に有用に用いることができる。

従来技術による電気紡糸法は、一つまたは少数のノズルから時間当たり数グラム（ｇ）以下の溶液を吐出させて繊維を製造するものであって、非常に生産速度が遅くて非経済的である短所がある。

アメリカ特許第４、３２３、５２５号の電気紡糸法による技術は、接地された３個のシリンジから、−５０ｋＶの高電圧を印加させた回転ドラムへ原料溶液を紡糸させることによって、チューブ形状物を製造する方法を開示している。しかし、この技術は、用いられた紡糸ノズルの形態及びノズル数の制限のため、大量のナノ繊維を製造するには不適合で、チューブ形状物の製造に限られるので、様々な用途へと活用するための平板型ウェブを連続的に製造するのに難しい面がある。

今まで文献に紹介された電荷誘導紡糸用ノズルは、シリンジニードル［Ｊ．Ｍ．Ｄｅｉｔｚｅｌ，Ｊ．Ｄ．Ｋｌｅｉｎｍｅｙｅｒ，Ｄ．Ｈａｒｒｉｓ，Ｎ．Ｃ．Ｂｅｃｋ Ｔａｎ，Ｐｏｌｙｍｅｒ４２，２６１‐２７２（２００１）］／［Ｊ．Ｍ．Ｄｅｉｔｚｅｌ，Ｊ．Ｄ．Ｋｌｅｉｎｍｅｙｅｒ，Ｊ．Ｋ．Ｈｉｒｖｏｎｅｎ，Ｎ．Ｃ．Ｂｅｃｋ Ｔａｎ，Ｐｏｌｙｍｅｒ４２，８１６３-８１７０（２００１）］、毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）金属チューブ［Ｙ．Ｍ．Ｓｈｉｎ，Ｍ．Ｍ．Ｈｏｈｍａｎ，Ｍ．Ｐ．Ｂｒｅｎｎｅｒ，Ｇ．Ｃ．Ｒｕｔｌｅｄｇｅ，Ｐｏｌｙｍｅｒ４２，９９５５-９９６７（２００１）］、毛細管ガラス［Ｊ．Ｄｏｓｈｉ，Ｄ．Ｈ．Ｒｅｎｅｋｅｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ ３５，１５１-１６０（１９９５）］などがある。

前述したように、少ない数の紡糸ノズルによる問題点は多重ノズルを用いることによって解決できるが、ノズルを多重に構成する場合には、溶媒の排気が容易でないのみならず、荷電されたフィラメント間の反発力によって、吐出される溶液のストリーム（Ｓｔｒｅａｍ）が不均一になるなどの問題点が発生する。

一方、韓国公開特許第２００２-００５１０６６号の「高分子ウェブ製造装置」は、液状の高分子物質が通過できる経路が形成されたベースと、電荷の伝達のためベースの下部面に付着されるベース導電板と、ベース導電板に形成されたノズルタップに装着されて高分子物質を吐出させてくれる少なくとも一つ以上のノズルと、ベース導電板の下部に装着される電荷分配板と、この電荷分配板の下部に装着される導電板からなる紡糸部とを含む構成を有する。

しかし、この装置は電荷伝達のための上下側の導電板がすべて外部に露出した状態で構成され、ベース導電板とコレクタとの間に別途の導電板が位置するようになるので、紡糸ノズルを多く構成すると紡糸部とコレクタとの間に、強すぎて不必要な電界が形成されるようになり、溶液の吐出が均一に行われない脆弱な点がある。

また、強い電界によって溶液の吐出時、一部の紡糸ノズルの端に凝集物が形成されて、不均一な直径を有したりきれいではないウェブが製造される場合もある。

一方、多重のノズルが構成される場合には、同一の極性で荷電されたフィラメント間の反発によって、吐出される溶液のストリームが経路を離脱してしまい、結局はコレクタ上の集積位置に正しく誘導されない、という問題点が発生する。

本発明は、前述した従来技術の問題点を克服するために案出されたものであって、吐出される荷電フィラメントストリームが経路を離脱しないように構造の改善された電気紡糸法を用いたナノ繊維製造装置を提供することに、その目的がある。

本発明のほかの目的は、溶液を荷電させた後、安定して吐出させることのできる紡糸ノズルパックを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の望ましい実施例による電気紡糸法によるナノ繊維製造装置は、液体状態の繊維原料用高分子物質を供給するための供給ユニットと、上記供給ユニットから供給される高分子物質を荷電されたフィラメント形態で吐出させるための複数の紡糸ノズルを備える紡糸ユニットと、上記紡糸ユニットから紡糸される荷電フィラメントを所定厚さで累積させるために上記紡糸ユニットの下部に配置されるコレクタと、上記荷電フィラメントと同一の極性の電圧で帯電され、上記紡糸ユニットと上記コレクタ間の空間に配置されて上記荷電フィラメントのストリーム経路をガイドすることによって上記紡糸ノズルから紡糸される荷電フィラメントが互いに反発して広がることを防止するための制御ユニットを含むことを特徴とする。

また、本発明の装置は上記制御ユニットを通過した上記荷電フィラメントストリームを上記コレクタ方向に誘導させるため、上記フィラメントストリームを取り囲むように上記制御ユニットと上記コレクタとの間に設けられ、上記制御ユニットと同一の極性の電圧が印加される誘導ユニットとをさらに含むことができる。

また、本発明のほかの一様態としての繊維原料となる溶液を電気紡糸して高分子ウェブを製造するナノ繊維製造装置に用いられる紡糸ノズルパックは、上記溶液が供給される供給部と、供給された上記溶液の受容ができる収容部が設けられた胴体と、電圧印加時上記溶液を荷電させることができるように上記溶液に浸るように上記胴体に設けられた通電部と、上記通電部を通じて荷電された溶液を微細フィラメント形態で吐出させることができるようにそれぞれキャピラリーチューブが設けられた多数の紡糸ノズルとを含むことを特徴とする。

以下、本発明の望ましい実施例による電気紡糸法を用いたナノ繊維製造装置を、添付された図面を参照して詳しく説明する。

なお、本明細書に統合されており明細書の一部を構成する図面は、本発明の望ましい実施例を例示し、後述する望ましい実施例の詳細な説明とともに本発明の原理を説明する役割を果す。

図１及び図２は、本発明の望ましい実施例による電気紡糸法によるナノ繊維製造装置の構成をそれぞれ示す斜視図及び右側断面図である。

図１及び図２を参照すると、望ましい実施例によるナノ繊維製造装置１００は、溶融状態の繊維原料用高分子物質を供給するための供給ユニット１１０と、供給ユニット１１０から供給された高分子溶液を荷電されたフィラメント形態で吐出させるための複数の紡糸ノズル１２２を備える紡糸ユニット１２０と、紡糸ユニット１２０から紡糸されたフィラメント（Ｐ：図２参照）を所定厚さで累積させるために紡糸ノズル１２２と所定間隔で離隔して配置されたコレクタ１３０と、紡糸ユニット１２０の少なくとも両側に設けられた制御ユニット１４０と、フィラメントストリーム（Ｓ）を取り囲むように制御ユニット１４０とコレクタ１３０間に設けられた誘導ユニット１５０と、紡糸ユニット１２０とコレクタ１３０間の空間へと空気を注入し、この空間内の溶媒を蒸発させて外部に排出させるための空調ユニット１６０とを備える。

図１及び図２に示されたように、上記供給ユニット１１０は繊維原料となる高分子物質が溶解された溶液が貯蔵される貯蔵容器１１２と、貯蔵容器１１２に貯蔵された溶液を加圧して紡糸ユニット１２０側に定量供給するためのポンプ１１４、及び溶液をそれぞれのノズルに分配するための分配機１１６とを備える。

上記貯蔵容器１１２には、高分子溶液または溶融された高分子物質が貯蔵される。一方、上記高分子物質はポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＰＶＤＦ）、 ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙ ａｃｒｙｌｏｎｉｔｉｌｅ；ＰＡＮ）、ポリスルホン（ｐｏｌｙ ｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙ ｉｍｉｄｅ；ＰＩ）、 ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ；ＰＥＯ）などの溶媒に溶解可能なすべての高分子物質が採用できる。一方、混合する多種の高分子物質を一つの貯蔵容器に混合して用いたり、それぞれの高分子物質をそれぞれの貯蔵容器１１２に貯蔵して用いることもできるので、必要な場合には多数の貯蔵容器１１２が用いられることもある。

上記ポンプ１１４は、その出力調節によって紡糸ユニット１２０の紡糸速度の調節ができる。

上記分配機１１６は、供給ユニット１１０と紡糸ユニット１２０間に設けられ、ポンプ１１４から移送される溶液を、移送ライン１１８を経由してそれぞれの紡糸ノズル１２２側に定量的に分配する。

一方、本発明は上記のような構造に限定されず、それぞれの紡糸ノズルごとに独立的な供給ユニット１１０を連結して溶液をより定量的に供給できる構造に変形されうることは言うまでもない。

上記紡糸ユニット１２０は、所定の両極性（＋）電圧で印加されたり、或いは接地される複数の紡糸ノズル１２２を備える。上記紡糸ユニット１２０は、移送マウント１２４によってコレクタ１３０の上部で、図１の矢印"Ａ"方向に、所定速度で往復移送されることが望ましい。紡糸ユニット１２０は、供給ユニット１１０から供給される繊維原料溶液を荷電させた状態で微細フィラメント形態でコレクタ１３０方向に紡糸する機能を行う。

上記の両極性（＋）電圧は、高電圧ユニット１７０の出力電圧によって励起される。上記高電圧ユニット１７０は、１０ｋＶないし１２０ｋＶ範囲の直流電圧を出力する。

上記紡糸ユニット１２０は、複数の紡糸ノズル１２２が一列で配置された少なくとも一つ以上の紡糸ノズルパック１２６を備える。上記紡糸ノズルパック１２６を構成する紡糸ノズル１２２の本数または紡糸ユニット１２０を構成する紡糸ノズルパック１２６の個数は、製造されるウェブのサイズや厚さ、生産速度などを綜合的に考慮して決められる。例えば、分当たり１ｍの速度で厚さ１０〜１００μｍ、幅５〜１００ｃｍのウェブを製造する場合、それぞれの紡糸ノズルパック１２６には１０本以上の紡糸ノズル１２２が構成されることが望ましく、上記移送マウント１２４上には、このような紡糸ノズルパック１２６が１〜５０列で配置されることが望ましい。より望ましくは、上記紡糸ノズルパック１２６の個数は、１〜２０の範囲である。図１には、１０個の紡糸ノズルパックが所定間隔で設備された状態が示されている。

また、電界の干渉防止、吐出ストリーム間の接触防止、紡糸ノズルの可用空間などを考慮すると、上記紡糸ノズルパック１２６に設けられる紡糸ノズル１２２間の間隔は２〜５０ｍｍが望ましく、より望ましくは３〜３０ｍｍの範囲である。このとき、紡糸ノズルパック１２６間の間隔は５〜２００ｍｍが望ましくて、より望ましくは２０〜１５０ｍｍ範囲の間隔を有する。

図３は、図１及び図２に示された紡糸ノズルパック１２６の分離斜視図である。

図３を参照すると、上記紡糸ノズルパック１２６は、繊維原料となる溶液が供給される供給部１２が形成されたカバー１０と、供給された溶液の受容できる収容部２２が設けられた胴体２０と、電圧印加時溶液を荷電させるよう溶液に浸るように胴体２０に設けられた通電部３０と、通電部３０を通じて荷電された溶液を微細フィラメント形態で吐出させるようにキャピラリーチューブ４２が設けられた多数の紡糸ノズル１２２と、通電部３０下部に設けられたフィルター４０、及びフィルター４０下部に設けられた分配板５０とを備える。

図３に示された紡糸ノズルパック１２６は、本発明の望ましい実施例による繊維製造装置にのみ適用されることではなく、通常の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置の紡糸手段として適用されうることは言うまでもない。

上記胴体２０は、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素系或いはポリアミド系のエンジニアリングプラスチックで製造される。上記胴体２０には、溶液を受容するように収容部２２が設けられる。収容部２２の長手方向の両側には、スロット２４が形成される。上記スロット２４には通電部３０の両端が挿入される。上記胴体２０の収容部２２の開放端は、移送ライン１１８と連結される供給部１２が形成されているカバー１０によって結合される。上記供給部１２は、供給ユニット１１０から提供される溶液を収容部２２に運ぶ。

上記通電部３０は、胴体２０内の溶液に浸るように設けられる。通電部３０は高電圧ユニット１７０の出力によって電圧を印加されて、印加された電圧によって溶液を荷電させる。印加される電圧と極性は前述と同様である。

上記通電部３０は、胴体２０の長手方向にそって一定の長さを有する導体板或いは導体棒からなり、電界の集中を防止するように尖っている部分のない構造が採用されることが望ましい。

図４は、図３の通電部の変形例を示した正面図である。

図４を参照すると、本実施例による通電部３０’は、その長手方向の下端には谷３４ｂと山３４ａが周期的に形成されている。本実施例による通電部３０’において、それぞれの山３４ａは紡糸ノズル１２２の入口と対応するように、即ち、山３４ａの中心は紡糸ノズル１２２の中央と一致するように、胴体２０に設けられる。

図３に示されたように、上記フィルター４０は、通電部３０の下に位置して胴体２０の収容部２２に収納される。上記フィルター４０は、荷電溶液に含まれたゲル化粒子及び異物質を除去する役割を果す。

上記分配板５０は、フィルター４０の下に位置するように上記容器２０内部に設けられて、荷電状態の溶液をそれぞれの紡糸ノズル１２２を通じて均等に分配させるためのものである。上記分配板５０は、０.５ｍｍ〜３ｍｍ直径のホール（ｈｏｌｅ）を多数個有する多孔性金属板や多孔性プラスチック板を採用することが望ましい。

図５に示されたように、上記それぞれの紡糸ノズル１２２は、溶液が収容されるノズル本体４０と、ノズル本体４０の下端に形成されたキャピラリーチューブ４２を備える。上記ノズル本体４０の上端外周面には、胴体２０の下部とねじで結合されるねじ部４４が形成される。

上記ノズル本体４０は、アセタール（ａｃｅｔａｌ）、ポリプロピレン［ｐｏｌｙ（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）；ＰＰ］、ポリエチレン［ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ）；ＰＥ］、ポリフッ化ビニリデン［ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）；ＰＶＤＦ］、テフロン［（ｐｏｌｙ）ｔｅｔｒａ ｆｌｕｏｒｏ ｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ］（登録商標）のようなフッ素系高分子、ポリエーテルエーテルケトン［ｐｏｌｙ（ｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎ）；ＰＥＥＫ］、ナイロンのようなポリアミド［（ｐｏｌｙ）ａｍｉｄｅ］系高分子など、耐化学性を有するエンジニアリングプラスチック系が採用され、代案としてステインレススティール（ＳＵＳ）のような耐腐食性の金属が採用できる。

上記ノズル本体４０の内壁は、溶液が滑らかに流れることができるように流線型の緩やかな傾斜を成して、下側に行くほど狭くなるように構成されることが望ましい。

上記キャピラリーチューブ４２は、その内径が０.０５〜２ｍｍであり、その外径が０.１〜４ｍｍであり、その長さは０.５〜５０ｍｍである金属チューブを採用することが望ましい。キャピラリーチューブ４２のこのようなサイズは、吐出されるフィラメントの太さとチューブの強度を考慮したものである。より望ましくは、キャピラリーチューブ４２は１０〜４０ｍｍの長さを有する。一方、上記キャピラリーチューブ４２の端は、溶液がきれいに吐出されるようにラウンド処理されたものが望ましい。

図５に示された紡糸ノズル１２２は、ノズル本体４０の下部にニードル（Ｎｅｅｄｌｅ）型キャピラリーチューブ４２が圧入・結合された例を示している。 しかし、ほかの変形例による紡糸ノズル１２２ａは、図６に示されたように、ノズル本体４０ａとキャピラリーチューブ４２ａが一体に形成される。

図７ないし図９は、紡糸ノズルパックのほかの実施例をそれぞれ示した構成図である。

図７に示された紡糸ノズルパック１２６は、多数の溶液収容部４６が設けられた胴体４８と、それぞれの溶液収容部４６の下端に圧入・結合された複数のキャピラリーチューブ４１を備える。ここで、安定した溶液の吐出のため、胴体４８の端とキャピラリーチューブ４１の端との間の距離は、実質的に３〜８０ｍｍであることが望ましい。

上記胴体４８は耐化学性のため、テフロン［（ｐｏｌｙ）ｔｅｔｒａ ｆｌｕｏｒｏ ｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ］（登録商標）のようなフッ素系高分子、ポリエーテルエーテルケトン［ｐｏｌｙ（ｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎ）；ＰＥＥＫ］、アセタール（ａｃｅｔａｌ）、ナイロンのようなポリアミド［（ｐｏｌｙ）ａｍｉｄｅ］系高分子などのエンジニアリングプラスチックが採用されることが望ましい。

溶液収容部４６を形成する胴体４８の内壁は、溶液が滑らかに流れることができるように流線型の緩やかな傾斜を成して、端に行くほど狭くなるように構成されることが望ましい。

図８に示された紡糸ノズルパック１２６ａは、キャピラリーチューブ４１ａが胴体４８ａと一体に構成され、端に行くほどキャピラリーチューブ４１ａの直径が狭まくなる円錐形態の構造を持つ。ここで、上記キャピラリーチューブ４１ａは、その垂直方向中心線に対して実質的に３〜６０度の傾斜角を持ち、その外周面は端に行くほど狭まくなる。このようにすることによって、吐出される溶液がキャピラリーチューブ４１ａのチップの周りにつくことを防止することができ、フィラメントが吐出される方向に電界を集中させることができる。望ましくは、上記傾斜角は５〜４５度であり、胴体４８ａの端とキャピラリーチューブ４１ａの端との間の間隔は３〜８０ｍｍで構成される。

図９に示されたように、紡糸ノズルパックに一列で配置される複数の紡糸ノズルは、中央部にある紡糸ノズルの長さをもっとも長くし、この中央部の紡糸ノズルを中心にして両側端に行くほど紡糸ノズルの長さがだんだん短くなるように配置できる。

同様に、本発明のほかの実施例による紡糸ユニット１２６ｂも、その長手方向において中央部の紡糸ノズルパック４３を基準にして両側に行くほど紡糸ノズルパック４３の長さがだんだん短くなるように構成できる。

また、図１及び図２を参照すると、本発明の望ましい実施例による電気紡糸法を用いたナノ繊維製造装置１００において、上記コレクタ１３０は、紡糸ユニット１２０へ印加される電圧に対して電位差を有するように接地されたり（図１参照）、或いは陰極性（−）の電圧が印加されることができる。

上記コレクタ１３０は、紡糸ユニット１２０から吐出された荷電フィラメントを集積するためのものであって、例えば、ローラー１３２のような移送手段を通じてベルトコンベア方式で連続的に移動されるように構成できる。

一方、紡糸ノズル１２２の端とコレクタ１３０間との間隔は、紡糸される高分子フィラメントを荷電させる通電部３０の電圧がおよそ１０〜１２０ｋＶ程度であることを勘案すると、１０〜１００ｃｍに設定されることが望ましい。このような距離は、フィラメントの延伸のための適切な電界を形成するのに有用である。

上記コレクタ１３０は、伝導性に優れた金属板で製造されて、その他様々な種類の伝導性材料が採用されることができる。

図１０は、本発明のほかの実施例による繊維製造装置を概略的に示した図面である。図１及び図２で説明された部材符号と同一な構成要素は、同一な機能を有する同一構成要素である。

図１０を参照すると、図１に示された実施例とは異なり、コレクタ１３０’が回転ドラムの形態で構成される。上記回転ドラム１３０’は、その直径が実質的に２０〜３００ｃｍ、より望ましくは３０〜２００ｃｍで、回転速度は実質的に５〜５０ｒｐｍであり、荷電フィラメントが安定して集積されるようにする構造を持つ。

一方、荷電フィラメント（Ｐ）は、コレクタ１３０表面に直接集積されることもできるが（図２参照）、コレクタ１３０、１３０’の上部でローラーのような走行ユニット１８０によって移動される集積対象物１８２の表面にコーテイングされるようにすることもできる。上記集積対象物１８２は織物、不織布、フィルム、紙、ガラスペーパー、薄いプラスチックシート、ガラス板などのような非金属性物質である。上記集積対象物１８２とコレクタ１３０、１３０’間の間隔は実質的に１〜１００ｍｍの範囲である。

図１及び図２を参照すると、上記制御ユニット１４０は、それぞれの紡糸ノズル１２２から紡糸されるフィラメントストリーム（Ｓ）が互いに反発して広がるなど、経路を離脱する場合を防止するためのものであり、上記荷電フィラメントと同一の極性の電圧が印加される。印加される電圧源は、高電圧ユニット１７０の出力を利用する。しかし、別の高電圧発生装置を追加して備えることも可能である。

上記制御ユニット１４０は、紡糸ノズルパック１２６の少なくとも長手方向の両側に設けられる。制御ユニット１４０は、導体板或いは導体棒の形態で形成され、荷電フィラメントが同一極性のため互いに反発して進行経路を離脱することを制御する。

また、上記制御ユニット１４０は、紡糸ノズルパック１２６の最前線の先方と最後線の後方に設けることもできる。

上記制御ユニット１４０は、導体板または導体棒の代わりに、電圧を印加しなくても電荷（即ち、荷電フィラメントと同一極性の電荷）を誘導することができるテフロン［（ｐｏｌｙ）ｔｅｔｒａ ｆｌｕｏｒｏ ｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ］（登録商標）のようなフッ素系高分子、アクリル係板などが採用されることもできる。

上記制御ユニット１４０と荷電フィラメント（Ｐ）間に作用する静電気力の方向と強さを考慮すると、上記制御ユニット１４０は、紡糸ノズルパック１２６から１〜２０ｃｍの範囲内で紡糸ノズルの両側の周りに設けられて、その端の位置は、紡糸ノズル１２２の端を中心にして上側に約１０ｃｍ〜下側に約２０ｃｍ以内の範囲に設定される。

より望ましくは、上記制御ユニット１４０の下端位置は、紡糸ノズル１２２の下端と少なくとも同一に位置させたり、紡糸ノズル１２２の端から上側に２ｃｍ〜下側に７ｃｍ以内の範囲に位置される。

図１及び図２に示された誘導ユニット１５０は、上記制御ユニット１４０と同一の極性の電圧が印加される。上記誘導ユニット１５０は、延伸される荷電フィラメントストリーム（Ｓ）の周りに設けられて、ストリームの進行方向をガイドするためのものである。誘導ユニット１５０は、導体板或いは導体棒の形態で用意される。誘導ユニット１５０は、荷電フィラメントと同一極性で帯電されることによって、コレクタ１３０の上面の制限された領域にフィラメントが集積されるように誘導する。上記誘導ユニット１５０は、テフロン［（ｐｏｌｙ）ｔｅｔｒａ ｆｌｕｏｒｏ ｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ］（登録商標）のようなフッ素系高分子、アクリル系板などが採用されることができる。

上記誘導ユニット１５０に電圧を印加する電源装置には、上述した高電圧ユニット１７０をそのまま採用することができ、別途の高電圧発生装置を追加して備えることも可能である。

上記誘導ユニット１５０は、コレクタ１３０に吐出される荷電フィラメントストリームから実質的に１〜２０ｃｍの間隔で離隔されるように設けられる。また、誘導ユニット１４０が紡糸ノズルパック１２６の下側１ｃｍないしコレクタ１３０の上側１ｃｍ範囲内に位置することは、フィラメントストリームをコレクタ１３０に誘導するに有効である。

一方、上記誘導ユニット１５０の高さは、実質的に５〜８００ｍｍの範囲である。上記誘導ユニット１５０の上端位置は、紡糸ノズル１２２の下端から下側に１〜９０ｃｍの範囲内であり、コレクタ１３０の上面から上側に１〜９０ｃｍの範囲内である。上記誘導ユニット１５０は、図１のように一対の導体板からなることができ、図１１に示されたように、二の部分に分離された状態で構成された二対の誘導板１５２、１５４を備えることもできる。このような構成の誘導板１５２、１５４は、溶媒揮発のための空間を確保するための多孔板（１５６）を間に挟んでおり、２段階にわたって上記ストリームを集積領域に誘導することができる。

図１及び図２に示されたように、上記空調ユニット１６０は、紡糸ユニット１２０とコレクタ１３０間の空間で、荷電フィラメントに溶解されている溶媒を揮発させて、外部に排気させるためのものであり、例えば、吸入ファン、排気ファンのような溶媒吸・排気手段と多数の空気流入スロット１６２とを備える。

上記溶媒吸・排気手段は、公知の様々な送風装置が採用される。例えば、上記吸入ファンは、空気吸入通路に設けられた状態で、装置外部から乾燥空気を、吸入して、紡糸ノズルパック１２６上部に設けられた空気流入スロット１６２を通じて紡糸ユニット１２０とコレクタ１３０間の空間に注入する。このように吸入された空気は、紡糸ノズル１２２から紡糸される荷電フィラメント（Ｐ）に溶解されている溶媒を揮発させた後、排気ファンが設けられている空気排出通路を通じて装置外部に排気される。

本発明の望ましい実施例による繊維製造装置は、このような空気循環構造に限られず、空気注入方向と溶媒が含有された空気の排気方向をいくらでも変形することができる。

上記溶媒吸・排気手段（例えば、吸入ファン）を通じて注入される空気の温度は、溶媒の揮発度やフィラメントの集積度を考慮すると、実質的に５〜８０℃の範囲内で設定される。また、溶媒排出通路の風速は、吐出されるストリームに影響を与えないよう、例えば０.１〜１０ｍ／ｓの範囲であることが望ましい。

以上のように構成された本発明の望ましい実施例による電気紡糸法によるナノ繊維製造装置の動作を説明すると、以下のようである。

まず、供給ユニット１１０に貯蔵された原料溶液が、ポンプ１１４と分配機１１６を通じて紡糸ユニット１２０に定量供給されると、紡糸ユニット１２０のそれぞれの紡糸ノズルパック１２６内部の通電部３０を通じて溶液が荷電される。ここで、通電部３０は、コレクタ１３０との直接的な電気的相互作用を防止するために、紡糸ノズルパック１２６の胴体２０内部に収納された状態で設けられる。

続いて、荷電状態の溶液は、紡糸ノズル１２２のキャピラリーチューブ４２を通過しながら微細フィラメント形態でコレクタ１３０側に吐出される。 ここで、コレクタ１３０と荷電フィラメント間に形成される強力な電界によって、フィラメントはナノレベルの直径になるように延伸されながら紡糸される。

このような紡糸過程において、フィラメント間の反発力により進行経路を離脱し外郭に広がろうとするストリームは、制御ユニット１４０によって元の位置に戻るようになり、正しい進行経路を維持することができるようになる。

一方、コレクタ１３０上側には、吐出されるストリームを取り囲むように誘導ユニット１５０が設けられているため、このような誘導ユニット１５０によって、経路を離脱しようとするストリームはコレクタ１３０上の制限された集積領域に誘導される。

上記のように誘導されたフィラメントは、ベルトコンベア或いは回転ドラム形態のコレクタ１３０上に連続的に集積されたり、または、集積対象物１８２の上面に集積されて、ナノ繊維からなるウェブに製造される。

本発明による繊維製造装置は、以下のような効果を有する。
第一に、紡糸ユニットの両側に設けられた制御ユニット及び／または誘導ユニットを備えることによって、フィラメントストリームが経路を離脱することなく大量のナノ繊維を安定して製造することができる。
第二に、紡糸ユニットの場合、原料溶液を荷電させるための通電部が紡糸ノズルパックの内部に構成されるので、コレクタとの電気的交互作用によって吐出の流れが不均一になる現象を防止することができる。
第三に、多量の吐出ストリームから溶媒の排気ができる空調システムを導入することによって、吐出ストリームが互いに凝集された状態で集積される現象を防止することができる。 本発明によるナノ繊維製造装置は、電気紡糸法を用いて直径が１００〜５０００ｎｍに該当するナノレベル繊維を生産することができ、このようなナノ繊維をコレクタに集積すると厚さ１０〜３０００μｍのウェブの製造ができる。

本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想を全部代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる様々な均等物と変形例がありうるということを理解しなければならない。

本発明の望ましい実施例による電気紡糸法によるナノ繊維製造装置の構成を示す斜視図である。 図１の右側断面図である。 図１及び図２に示された紡糸ノズルパックの分離斜視図である。 図３に示された紡糸ノズルパックの通電部の変形例を示した正面図である。 図３に示された紡糸ノズルの形状を示した斜視図である。 図５の変形例による紡糸ノズルの斜視図である。 紡糸ノズルパックのほかの実施例を示した構成図である。 紡糸ノズルパックのほかの実施例を示した構成図である。 紡糸ノズルパックのほかの実施例を示した構成図である。 本発明のほかの実施例による繊維製造装置を概略的に示した図面である。 本発明のさらにほかの実施例によるナノ繊維製造装置の構成を示した図面である。

Claims (8)

1. 液体状態の繊維原料用高分子物質を供給するための供給ユニットと、
   上記供給ユニットから供給される高分子物質を荷電されたフィラメント形態で吐出させるための複数の紡糸ノズルを備える紡糸ユニットと、
   上記紡糸ユニットから紡糸される荷電フィラメントを所定厚さで累積させるため、上記紡糸ユニットの下部に配置されるコレクタと、
   上記荷電フィラメントと同一極性の電圧で帯電され、上記紡糸ユニットと上記コレクタとの間の空間に紡糸ノズルから紡糸される荷電フィラメントを取り囲むように配置されて上記荷電フィラメントのストリーム経路をガイドすることによって、荷電フィラメントが互いに反発して広がることを防止するための制御ユニットと、
   上記制御ユニットを通過した上記荷電フィラメントストリームを上記コレクタ方向に誘導させるため、上記荷電フィラメントを取り囲むように制御ユニットとコレクタとの間に設けられて、上記制御ユニットに印加される電圧と同一極性と大きさの電圧が印加された誘導ユニットと、
   上記誘導ユニットと上記コレクタとの間に設けられて、荷電フィラメントが付着できる集積対象物を走行させる走行ユニットと、を含むことを特徴とする電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
2. 上記紡糸ユニットを所定速度で往復移送させるための移送マウントを、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
3. 上記紡糸ユニットと上記コレクタとの間の空気層へと空気を注入して上記空気層から溶媒を外部に排出させるための空調ユニットを、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
4. 上記紡糸ユニットは、上記紡糸ノズルが一列で配置された少なくとも一つの紡糸ノズルパックを含むことを特徴とする請求項３に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
5. 上記それぞれの紡糸ノズルパックは、中央に位置した紡糸ノズルを基準にして外側に行きながら順次紡糸ノズルの端が短く形成されることを特徴とする請求項４に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
6. 上記制御ユニットは、隣接した紡糸ノズルから約１〜２０ｃｍ範囲の間隔で離隔されるように設けられることを特徴とする請求項１に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
7. 上記コレクタは、約０．１〜３０ｍ／ｍｉｎの速度で走行するベルトコンベアを備えることを特徴とする請求項１に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。
8. 上記コレクタは、約５〜５０ｒｐｍの速度で回転する回転ドラムを備えることを特徴とする請求項１に記載の電気紡糸法によるナノ繊維製造装置。

Images