KR100562018B1 - 섬유형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 고분자 수지 용액인 방사용액(1)을 고전압하에서 노즐(2)을 통해 컬렉터(8)상에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 나노섬유(3)를 제조할 때, 상기 컬렉터(8)로서 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)로는 (ⅰ)하단면인 지지체(7), (ⅱ)상단면인 전도성 판(5) 및 (ⅲ)상기 지지체와 전도성 판 사이에 위치하여 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)로 구성되는 3층 구조의 적층체 등이 사용될 수 있다.

본 발명은 전기방사시 휘발성이 낮은 용매, 다시 말해 비등점이 높은 용매,를 사용하는 경우에도 컬렉터(8)상에 남은 용매를 빨리 휘발시킬 수 있어서, 컬렉터(8)에 포집된 나노섬유(3)가 잔류 용매에 의해 용해되는 현상을 효육적으로 예방할 수 있다. 그 결과 본 발명은 나노 섬유의 섬유형성능을 크게 향상시킬 수 있다.

가열장치, 간접가열, 나노섬유, 전기방사, 컬렉터, 부직포, 용매, 휘발성.

Description

섬유형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법 {A method of manufacturing nano-fibers with excellent fiber formation}

도 1은 본 발명에서 사용하는 컬렉터(8)중 간접 가열방식의 가열장치(6) 및 지지체(7) 부분의 확대 개략도

도 2는 하향식 전기방사 형태인 본 발명의 공정개략도.

도 3은 상향식 전기방사 형태인 본 발명의 공정개략도.

도 4는 수평식 전기방사 형태인 본 발명의 공정개략도.

도 5는 실시예 1(가열장치 부착, 사용)로 제조한 나노섬유 웹(Web)의 확대사진.

도 6은 비교실시예 1(가열장치사용 안함)로 제조한 나노섬유 웹(Web)의 확대사진.

* 도면 중 주요 부분에 대한 부호 설명

1 : 고분자 수지 용액인 방사용액 2 : 노즐

3 : 전기방사된 나노섬유 4 : 고전압 발생장치

5 : 전도성 판 6 : 가열장치

7 : 지지체 8 : 컬렉터(나노섬유 집적판)

6a : 순환식 열원장치 6b : 열매 순환용 관

6c : 열매 공급부 6d : 열매 배출부

본 발명은 굵기가 나노수준인 섬유(이하 "나노섬유"라고 한다.)를 고효율로 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하여 전기방사시 컬렉터(8)상에 잔존하는 용매, 특히 휘발성이 낮은 용매(비등점이 높은 용매)를 빨리 휘발시켜 컬렉터상에 포집된 섬유가 상기 잔존 용매에 의해 다시 용해되어 섬유형성능(Fiber formation)이 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명은 휘발성이 낮은 용매(비등점이 높은 용매)를 사용하여 나노섬유를 제조하거나, 양산을 위해 휘발성이 비교적 높은 용매(비등점이 낮은 용매)를 사용하여 나노섬유를 장시간 동안 전기방사할 때 전기방사되어 컬렉터상에 포집된 나노섬유들이 컬렉터상에 잔류하는 용매에 의해 다시 용해 되지 않도록 상기 잔류 용매들을 보다 효율적으로 휘발시킬 수 있어서 나노섬유를 고효율로 대량생산 할 수 있는 방법에 관한 것이다.

나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 브레이드 등의 제품은 생활용품, 농업용, 의류용, 산업용 등으로 널리 사용되고 있다. 구체적으로 인조피혁, 인조스웨이 드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재, 방탄조끼 등의 국방용 소재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

미국 4,044,404호 등에 기재되어 있는 통상적인 전기방사 장치는 방사액을 보관하는 방사액 주탱크, 방사액의 정량 공급을 위한 계량펌프, 방사액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록, 상기 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터 및 전압을 발생시키는 전압발생장치들로 구성되어 있다.

상기 전기방사 장치를 이용한 전기방사 방법을 구체적으로 살펴보면, 방사액 주탱크 내 방사액을 계량펌프를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급한다.

계속해서, 노즐들로 공급된 방사액은 노즐을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터상으로 방사하여 방사된 나노섬유들을 컬렉터상에 포집한다.

상기와 같은 종래의 통상적인 전기방사 방법으로 나노섬유를 제조하는 경우에는 컬레턱상에 포집된 나노섬유가 컬렉터상에 잔존하는 용매에 의해 용해되어 섬유형성 능력이 크게 저하되는 문제점이 있었다.

특히, 휘발성이 낮은 용매(비등점이 높은 용매)를 사용하는 경우에는 상기의 문제점이 더욱 심하게 발생하였다.

또한, 휘발성이 높은 용매(비등점이 낮은 용매)를 사용하는 경우라도 나노 섬유의 대량생산을 위해 장시간 동안 전기방사하게 되면 컬렉터상에 용매가 잔존하게 되고, 이로 인해 컬렉터상에 포집된 나노섬유가 용해되는 상기의 문제점이 발생되었다.

그 결과 종래의 통상적인 전기방사 방법은 양산이 어렵고, 사용 가능한 용매의 종류에도 한계가 있었다.

본 발명은 상기의 종래 문제점들을 해결하기 위하여 전기방사 공정중에 컬렉터상에 잔존하는 용매를 보다 빨리 휘발시켜 컬레터상에 포집된 나노섬유가 다시 용해되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 나노섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 사용 용매에 관계없이 나노섬유를 보다 높은 섬유형성 효율로 대량생산 할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

이와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 나노섬유 제조방법은, 고분자 수지 용액인 방사용액(1)을 고전압하에서 노즐(2)을 통해 컬렉터(8)상에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 나노섬유(3)를 제조할 때 상기 컬렉터(8)로서 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 컬렉터중 열매의 순환에 의해 간접 가열되는, 다시말해 간접 가열 방식의 가열장치(6) 및 지지체(7) 부분의 확대 개략도이다.

본 발명은 나노섬유를 전기방사할 때 컬렉터상에 잔존하는 용매의 휘발을 촉진하기 위하여 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용한다.

상기의 가열장치(6)를 구비하는 컬렉터(8)의 구체적인 일례로는 (ⅰ)하단면인 지지체(7), (ⅱ)상단면인 전도성 판(5) 및 (ⅲ)상기 지지체와 전도성 판 사이에 위치하여 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)로 구성되는 3층 구조의 적층체를 사용할 수 있다.

상기 가열장치(6)로는 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 열매 순환용 관(66)이 내장되어 있으며, 열매 공급부(6c) 및 열매 배출부(6d)에 의해 순환식 열원장치(6a)와 연결되어 있는 판(plate) 형태인 가열장치가 사용될 수 있다.

상기 열매로는 물, 증기 또는 오일 등을 사용할 수 있으며 본 발명에서는 열매의 종류를 특별하게 한정하지 않는다.

가열장치(6)의 상부에 적층되는 전도성 판(5)은 알루미늄, 동, 스테인레스 스틸 등과 같이 전도성이 우수한 재질로 구성된다.

한편, 가열장치(6)의 하부에 위치하는 지지체(7)는 플라스틱 등과 같은 비전도성 재질인 것이 열손실을 최소화하고 단열효과를 높이는데 바람직하다.

도 2는 열매 순환에 의한 간접 가열 방식의 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하여 하향식 전기방사 형태로 나노섬유를 제조하는 본 발명의 공정개략도이고, 도 3은 열매 순환에 의한 간접 가열 방식의 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하여 상향식 전기방사 형태로 나노섬유를 제조하는 본 발명의 공정개략도이고, 도 4는 열매 순환에 의한 간접 가열 방식의 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)를 사용하여 수평식 전기방사 형태로 나노섬유를 제조하는 본 발명의 공정개략도이다.

열매 순환에 의한 간접 가열 방식의 가열장치(6)를 구비한 컬렉터(8)는 노즐과 컬렉터가 어떤 각도로 구성되어도 모두 적용이 가능하다.

그 결과, 본 발명은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하향식 전기방사, 상향식 전기방사 및 수평식 전기방사 모두에 적용 가능하다.

본 발명은 전기방사 중에 가열장치(6)내 열매 순환용 관(6b)내로 순환식 열원장치(6a)에서 가열된 열매를 순환시켜 가열장치(6)를 가열시키고, 가열장치(6)에서 발생되는 열을 컬렉터(8)의 표면을 이루는 전도성 판(5)으로 전도시켜 컬렉터(8)상에 잔존하는 용매를 빨리 휘발시키는 작용을 한다.

가열장치(6)가 가열되는 메카니즘을 보다 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 순환식 열원 장치(6a)에서 열매가 원하는 온도로 가열된 다음, 가열된 열매는 열매 공급부(6c)를 통해 가열장치(6)내에 내장된 열매 순환용 관(6b)내로 들어간 후, 열매 순환용 관(6b)을 따라 흐르면서 가열장치(6)를 간접적으로 가열한 다음, 온도가 낮아진 열매는 열매 배출부(6d)를 통해 순환식 열원 장치(6a)로 순환되어 다시 원하는 온도로 가열되는 순환과정을 반복하게 된다.

컬렉터(8)의 표면온도는 필요에 따라 적절하게 조절하며, 그 온도 범위는 상온~300℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하기로는 상온~200℃이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기방사시 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)가 구비된 컬렉터(8)를 사용하기 때문에 컬렉터(8)상에 잔존하는 용매를 빠른 시간내에 휘발시킬 수 있다. 그로 인해 컬렉터(8)상에 포집되는 나노섬유가 잔존용매에 의해 다시 용해되는 현상을 방지하여 휘발성이 낮은 용매(비등점이 높은 용매)를 사용하는 경우에도 섬유형성 효율이 향상된다.

아울러, 본 발명은 휘발성이 높은 용매(비등점이 낮은 용매)를 사용하여 장시간 동안 나노섬유를 대량으로 생산 가능하다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다 그러나 본 발명은 하기 실시예에만 한정되지 않는다.

실시예 1

수평균 분자량이 80,000인 폴리우레탄수지(Dow chemical사의 Pellethane 2103-80AE)를 N,N-디메틸포름아미드에 8중량% 용해하여 방사용액을 제조 한 다음, 제조된 방사용액을 도 3과 같은 상향식 전기방사 방식으로 전기방사하여 나노섬유를 제조하였다.

상기 전기방사시에 전압은 30kV, 방사거리는 20 ㎝로 하였고, 전압발생장치는 심코사의 모델 CH 50을 사용하였고, 노즐판으로는 직경이 0.8㎜인 2,000홀(노즐)이 균일하게 배열된 노즐판을 사용하였다.

또한, 컬렉터(8)로는 (ⅰ)폴리프로필렌 판의 지지체(7), (ⅱ)내부에 열매 순환용 관(6b)이 내장되어 있으며, 열매공급부(6c) 및 열매 배출부(6d)에 의해 순환식 열원장치(6a)와 연결되어 있는 판(Plate) 형태로 이루어져 상기 지지체 위에 위 치하는 가열장치(6) 및 (ⅲ)알루미늄 필름으로 이루어져 상기 가열장치 위에 위치하는 전도성 판(5)으로 구성되는 3층 구조의 적층체를 사용하여 컬렉터의 표면온도를 85℃로 하였다.

상기와 같이 제조한 나노섬유 웹(Web)중 3홀로 방사된 부분의 확대 사진은 도 5와 같다.

비교실시예 1

열매 순환에 의해 간접 가열 방식의 가열장치(6)가 구비된 실시예 1의 컬렉터(8)를 사용하는 대신에 상기 가열장치(6)가 부착되지 않은 통상의 컬렉터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정 및 방법으로 나노섬유를 제조하였다.

제조한 나노섬유 웹(Web)의 확대사진은 도 6과 같다.

실시예 1로 제조한 나노섬유 웹의 확대사진인 도 5와 비교실시예 1로 제조한 나노섬유 웹의 확대사진인 도 6을 비교해 보면, 실시예 1로 제조한 나노섬유는 섬유형태를 그대로 유지하고 있는 반면에 비교실시예 1로 제조한 나노섬유는 컬렉터상에서 용매에 의해 용해되어 섬유형태가 크게 훼손되어 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 전기방사 공정중에 컬렉터상에 잔존하는 용매를 빨리 휘발시킬 수 있어서 컬렉터상에 포집된 나노섬유가 용해되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

그로 인해, 본 발명은 사용 용매의 종류에 관계없이 나노 섬유를 대량으로 양산 할 수 있으며 섬유형성 효율도 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 고분자 수지 용액인 방사용액(1)을 고전압하에서 노즐(2)을 통해 컬렉터(8)상에 전기방사하여 굵기가 나노수준인 나노섬유(3)를 제조함에 있어서, 상기 컬렉터(8)로서 (ⅰ)하단면인 지지체(7), (ⅱ)상단면인 전도성 판(5) 및 (ⅲ)상기 지지체와 전도성 판 사이에 위치하여 열매의 순환에 의해 간접 가열되는 가열장치(6)로 구성되는 3층 구조의 적층체를 사용하는 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.
2. 1항에 있어서, 열매가 물, 증기 또는 오일인 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.
3. 삭제
4. 1항에 있어서, 가열장치(6)가 내부에 열매 순환용 관(6b)이 내장되어 있으며, 열매 공급부(6c) 및 열매 배출부(6d)에 의해 순환식 열원장치(6a)와 연결되어 있는 판(plate) 형태인 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.
5. 1항에 있어서, 전도성 판(5)의 재질이 알루미늄, 동 또는 스테인레스 스틸 인 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.
6. 1항에 있어서, 지지체(7)의 재질이 비전도성의 플라스틱인 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.
7. 1항에 있어서, 전기방사 형태가 하향식 전기방사 타입, 상향식 전기방사 타입 또는 수평식 전기방사 타입인 것을 특징으로 하는 섬유 형성능이 우수한 나노섬유의 제조방법.

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